CN110551319A - 一种导电pu海绵材料的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导电PU海绵材料的制备方法，包括：(1)将PU海绵在洗涤溶液中超声，然后干燥；(2)将强酸加入水中配成强酸溶液，向强酸溶液中加入PVA，搅拌至澄清，冷却得到PVA凝胶电解质；(3)将步骤(1)处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中超声，取出干燥，重复浸入超声、干燥过程，将浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵烘干，得到导电PU海绵材料。本发明通过简单的超声浸渍及干燥处理就能得到导电性良好的导电PU海绵材料，制备方法简单，便于操作，且制备成本低；导电PU海绵材料与导电织物通过简单的组装构成压力传感器，具有较好的灵敏度和重复性，经过2400次重复测试仍能表现出较好的传感性能。
Description
技术领域
本发明涉及导电PU海绵材料的制备方法和应用，尤其涉及一种基于PVA凝胶电解质的导电PU海绵材料的制备方法和导电PU海绵材料在压力传感器中的应用。
背景技术
压力传感用导电复合材料被广泛应用于各种智能可穿戴用压力传感器的设计当中，可将所感受或响应的力学信息直接转换成电阻变化，这就要求材料基体具有良好的导电性、较为明显的电阻变化和弹性回复性，PU(聚氨酯)海绵因其特殊的空隙结构、良好的弹性成为了压力传感用导电复合材料制备常用的基体材料。
Wu,Xiaodong等人(Large Area Compliant,Low Cost,and Versatile PressureSensing Platform Basedon Microcrack Designed Carbon Black@Polyurethane Spongefor Human-Machine Interfacing.Adv.Funct.Mater.2016,26,6246-6256.)以PU海绵为基材，浸渍氧化石墨烯后还原继续在其表面进行聚苯胺的原位聚合，重复操作多次制备传感用导电材料，该材料虽然传感性能较好，但操作过程较为复杂、制备时间较长、生产效率较低。Yichun Ding等人(Highly sensitive,reliable and flexible piezoresistivepressure sensors featuring polyurethane sponge coated with MXene sheets,Journal of Colloid and Interface Science,2019,542:54-62.)在氩气保护下超声处理得到稳定的Ti3C2TX MXene悬浮液，然后将浸渍过壳聚糖的PU海绵于50℃干燥5h后放入该悬浮液中，重复操作几次继续放入真空干燥箱中于50℃干燥2小时制备传感用复合材料，该方法的问题在于Ti3C2TX MXene悬浮液的制备条件要求较高，且整个反应耗时太长，不利于进行大规模生产。公开号为CN109650779A的中国专利公开了一种石墨烯气凝胶/聚氨酯泡沫导电复合材料的制备方法，首先分别制备氧化石墨烯分散液和壳聚糖溶液，再将二者混合，然后将混合溶液在真空状态下填充进开孔PU泡沫内；之后通过冷冻处理、冷冻干燥、热处理的措施制得石墨烯气凝胶/聚氨酯开孔导电泡沫复合材料，虽然制备的复合材料具有高导电性、高压阻灵敏度、高压缩回复性、高耐久性的优点，但该方法操作耗时较长。
现有的导电PU海绵材料的制备大都以无机非金属物质(石墨、纳米碳管及石墨烯)和有机高分子(聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺)为导电成分，在制备过程中存在工艺耗时长且成本较高的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于PVA凝胶电解质的导电PU海绵材料的制备方法，制备方法简单且成本低，所得材料具有一定的导电性能且弹性良好。本发明的另一目的是提供该导电PU海绵材料在压力传感器中的应用。
技术方案：本发明所述的导电PU海绵材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)PU海绵的前处理：将PU海绵在洗涤溶液中超声，然后干燥；
(2)PVA(聚乙烯醇)凝胶电解质的制备：将强酸加入水中配成强酸溶液，向强酸溶液中加入PVA，搅拌至澄清，冷却得到PVA凝胶电解质；
(3)导电PU海绵材料的制备：将处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中超声，取出干燥，重复浸入超声、干燥过程，将浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵烘干，得到导电PU海绵材料。
其中，所述步骤(1)将PU海绵在在1～3mol/L的洗涤溶液中以350w～400w功率超声10～30min，在真空干燥箱中40～60℃下干燥20～30min；所述洗涤溶液为95％的乙醇、甲醇或丙酮。
所述步骤(1)还包括将干燥后的PU海绵放入等离子体设备中进行表面等离子体处理的步骤，该步骤可以提高PU海绵表面的粗糙度，有助于提升浸渍PVA凝胶电解质的效果。
所述步骤(2)将强酸加入去离子水中配成50～100g/L的强酸溶液，按强酸与PVA质量比为1:1～1:3，向强酸溶液中加入PVA，85～90℃下以200～300rpm的速率搅拌至澄清；所述强酸为浓硫酸或盐酸。
所述步骤(3)将处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中，以350～400w功率超声1～20min，取出放入烘箱中40～60℃干燥20～30min，重复浸入超声、干燥过程2～3次，将浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵在70～90℃烘箱中烘30～60min。
本发明将上述方法制备得到的导电PU海绵材料应用于压力传感器中，将导电PU海绵材料与两层导电织物组装成夹心结构，所述导电织物作为外层，所述导电PU海绵材料作为夹心层，所述导电织物与铜线连接组成压力传感器。
所述导电织物为金属或金属氧化物类导电织物、无机非金属类导电织物或有机高分子类的导电织物。
本发明通过将PU海绵经过超声清洗干燥后浸渍到凝胶电解质中，使得PU海绵表面及孔隙中填充覆盖了相对均匀的凝胶电解质，然后将其放置到烘箱中加热干燥一段时间，整个材料由于受热发生部分碳化而具有一定的导电性。该导电材料制备方法简单、易于操作，整个流程都避免了价格较高原料的使用和复杂工序的涉及，制备方法符合企业大规模生产中对操作简单、低成本的要求。得到导电PU海绵材料较好的导电性和弹性，将其通过简单组装与导电织物构成压力传感器件，赋予整个器件较好的压力传感性能。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：(1)本发明通过简单的超声浸渍及干燥处理就能得到导电性良好的导电PU海绵材料，制备方法简单，便于操作，且制备成本低，能够满足大规模生产的需求；(2)导电PU海绵材料与导电织物通过简单的组装构成压力传感器，具有较好的灵敏度和重复性，经过2400次重复测试仍能表现出较好的传感性能，可用于各智能穿戴用压力传感器的设计中。
附图说明
图1是超声洗涤后的PU海绵材料的SEM图；
图2是导电PU海绵材料的SEM图；
图3是导电PU海绵材料的导电性能测试图；
图4是导电PU海绵材料与导电织物组装形成的压力传感器；
图5是压力传感器的传感性能测试图，压力-灵敏度变化曲线；
图6是压力传感器的传感性能测试图，测试时间-灵敏度变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
导电PU海绵材料的制备：
(1)将10g PU海绵放入50mL浓度为1mol/L的95％的乙醇溶液中，以350w功率超声30min，取出放置到真空干燥箱中40℃干燥30min，得到处理后的PU海绵。
(2)称量5g的浓硫酸缓慢滴加到烧杯中，倒入去离子水配置成浓度为50g/L的硫酸溶液，然后按硫酸与聚乙烯醇(PVA)的质量比为1:1，向硫酸溶液中加入5g的PVA，同时放入磁力搅拌子用保鲜膜密封整个烧杯，将烧杯放入到水浴锅中，以200rpm的速率在85℃下搅拌直至澄清，冷却后即得到PVA凝胶电解质。
(3)将处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中，以350w功率超声20min，取出PU海绵放入烘箱中40℃干燥30min，然后将其再次浸入PVA凝胶电解质中超声、烘干重复3次，最后把重复浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵放在烘箱中，于70℃干燥60min，即得到导电PVA/H2SO4/PU海绵材料。
步骤(1)中经95％的乙醇溶液超声洗涤后的PU海绵材料的微观形貌如图1所示，PU海绵材料的孔隙结构很明显，且表面较为光滑。图2是导电PU海绵材料的SEM图，从图中可看出PVA凝胶电解质均匀分布在PU海绵材料的孔隙中。将本身带有蓄电池的灯泡放置在导电PU海绵材料上，如图3所示灯泡发出较为明亮的光，表明通过本发明制备的导电PU海绵材料具有良好的导电性。
导电PU海绵材料在压力传感器中的应用：
将导电PVA/H2SO4/PU海绵材料裁剪成长、宽、高分别为2.5cm、1cm、0.5cm的薄片，然后与两层镀银织物组成夹心结构，镀银织物作为外层，导电PVA/H2SO4/PU海绵材料作为夹心层，镀银织物连上铜线构建成压力传感器，如图4所示。当然也可以将导电海绵材料裁剪成其他尺寸的薄片，并不仅限于本发明的实施例。
将该压力传感器进行传感性能的测试，如图5所示，该传感器分别在0～0.1N、0.1～0.4N和0.4～0.5N的压力范围的灵敏度为30.69kPa-1、10.15kPa-1和2.94kPa-1，且经过2400次重复测试仍能表现出较好的传感性能(图6)。
实施例2
导电PU海绵材料的制备：
(1)将10g PU海绵放入50mL浓度为2mol/L的95％的甲醇溶液中，以375w功率超声15min，取出放置到真空干燥箱中50℃干燥25min，得到处理后的PU海绵。
(2)称量5g的盐酸缓慢滴加到烧杯中，倒入去离子水配置成浓度为75g/L的硫酸溶液，然后按硫酸与聚乙烯醇(PVA)的质量比为1:2，向硫酸溶液中加入10g的PVA，同时放入磁力搅拌子用保鲜膜密封整个烧杯，将烧杯放入到水浴锅中，以250rpm的速率在85℃下搅拌直至澄清，冷却后即得到PVA凝胶电解质。
(3)将处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中，以375w功率超声15min，取出PU海绵放入烘箱中50℃干燥25min，然后将其再次浸入PVA凝胶电解质中超声、烘干重复2次，最后把重复浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵放在烘箱中，于80℃干燥45min，即得到导电PVA/HCl/PU海绵材料。
导电PU海绵材料在压力传感器中的应用：
将导电PVA//HCl/PU海绵材料裁剪成长、宽、高分别为2.5cm、1cm、0.5cm的薄片，然后与两层镀银织物组成夹心结构，镀银织物作为外层，导电PVA//HCl/PU海绵材料作为夹心层，镀银织物连上铜线构建成压力传感器。
实施例3
导电PU海绵材料的制备：
(1)将10g PU海绵放入50mL浓度为3mol/L的95％的乙醇溶液中，以400w功率超声10min，取出放置到真空干燥箱中60℃干燥20min，得到处理后的PU海绵。
(2)称量5g的浓硫酸缓慢滴加到烧杯中，倒入去离子水配置成浓度为100g/L的硫酸溶液，然后按硫酸与聚乙烯醇(PVA)的质量比为1:3，向硫酸溶液中加入15g的PVA，同时放入磁力搅拌子用保鲜膜密封整个烧杯，将烧杯放入到水浴锅中，以300rpm的速率在90℃下搅拌直至澄清，冷却后即得到PVA凝胶电解质。
(3)将经过等离子处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中，以400w功率超声10min，取出PU海绵放入烘箱中60℃干燥20min，然后将其再次浸入PVA凝胶电解质中超声、烘干重复2次，最后把重复浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵放在烘箱中90℃干燥30min，即得到导电PVA/H2SO4/PU海绵材料。
导电PU海绵材料在压力传感器中的应用：
将导电PVA/H2SO4/PU海绵材料裁剪成长、宽、高分别为2.5cm、1cm、0.5cm的薄片，然后与两层还原氧化石墨烯/棉织物组成夹心结构，还原氧化石墨烯/棉织物作为外层，导电PVA/H2SO4/PU海绵材料作为夹心层，还原氧化石墨烯/棉织物连上铜线构建成压力传感器。
实施例4
(1)将10g PU海绵放入50mL浓度为1mol/L的95％的乙醇溶液中，以400w功率超声10min，取出放置到真空干燥箱中60℃干燥15min，得到处理后的PU海绵。
(2)称量5g的浓硫酸缓慢滴加到烧杯中，倒入去离子水配置成浓度为100g/L的硫酸溶液，然后按硫酸与聚乙烯醇(PVA)的质量比为1:2，向硫酸溶液中加入10g的PVA，同时放入磁力搅拌子用保鲜膜密封整个烧杯，将烧杯放入到水浴锅中，以200rpm的速率在85℃下搅拌直至澄清，冷却后即得到PVA凝胶电解质。
(3)将处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中，以400w功率超声10min，取出PU海绵放入烘箱中60℃干燥15min，然后将其再次浸入PVA凝胶电解质中超声、烘干重复2次，最后把重复浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵放在烘箱中，于85℃干燥45min，即得到导电PVA/H2SO4/PU海绵材料。
导电PU海绵材料在压力传感器中的应用：
将导电PVA/H2SO4/PU海绵材料裁剪成长、宽、高分别为2.5cm、1cm、0.5cm的薄片，然后与两层聚苯胺/棉织物组成夹心结构，聚苯胺/棉织物作为外层，导电PVA/H2SO4/PU海绵材料作为夹心层，聚苯胺/棉织物连上铜线构建成压力传感器。
实施例5
导电PU海绵材料的制备：
(1)将10g PU海绵放入50mL浓度为1mol/L的95％的乙醇溶液中，以400w功率超声10min，取出放置到真空干燥箱中60℃干燥15min，然后将其得到处理后的PU海绵放入HD－1A 型等离子体处理仪中，反应功率90W，反应压强35Pa处理时间1min。
(2)称量5g的浓硫酸缓慢滴加到烧杯中，倒入去离子水配置成浓度为100g/L的硫酸溶液，然后按硫酸与聚乙烯醇(PVA)的质量比为1:2，向硫酸溶液中加入10g的PVA，同时放入磁力搅拌子用保鲜膜密封整个烧杯，将烧杯放入到水浴锅中，以200rpm的速率在85℃下搅拌直至澄清，冷却后即得到PVA凝胶电解质。
(3)将处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中，以400w功率超声10min，取出PU海绵放入烘箱中60℃干燥15min，然后将其再次浸入PVA凝胶电解质中超声、烘干重复2次，最后把重复浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵放在烘箱中，于85℃干燥45min，即得到导电PVA/H2SO4/PU海绵材料。
导电PU海绵材料在压力传感器中的应用：
将导电PVA/H2SO4/PU海绵材料裁剪成长、宽、高分别为2.5cm、1cm、0.5cm的薄片，然后与两层镀银织物组成夹心结构，镀银织物作为外层，导电PVA/H2SO4/PU海绵材料作为夹心层，镀银织物连上铜线构建成压力传感器。
Claims (9)
1.一种导电PU海绵材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)PU海绵的前处理：将PU海绵在洗涤溶液中超声，然后干燥；
(2)PVA凝胶电解质的制备：将强酸加入水中配成强酸溶液，向强酸溶液中加入PVA，搅拌至澄清，冷却得到PVA凝胶电解质；
(3)导电PU海绵材料的制备：将处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中超声，取出干燥，重复浸入超声、干燥过程，将浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵烘干，得到导电PU海绵材料。
2.根据权利要求1所述的导电PU海绵材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的洗涤溶液为乙醇、甲醇或丙酮。
3.根据权利要求1所述的导电PU海绵材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)将PU海绵在1～3mol/L的洗涤溶液中以350w～400w功率超声10～30min，在真空干燥箱中40～60℃下干燥20～30min。
4.根据权利要求1所述的导电PU海绵材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括将干燥后的PU海绵进行表面等离子体处理的步骤。
5.根据权利要求1所述的导电PU海绵材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的强酸为浓硫酸或盐酸。
6.根据权利要求1所述的导电PU海绵材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)将强酸加入去离子水中配成50～100g/L的强酸溶液，按强酸与PVA质量比为1:1～1:3，向强酸溶液中加入PVA，85～90℃下以200～300rpm的速率搅拌至澄清。
7.根据权利要求1所述的导电PU海绵材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)将处理后的PU海绵浸入PVA凝胶电解质中，以350～400w功率超声1～20min，取出放入烘箱中40～60℃干燥20～30min，重复浸入超声、干燥过程2～3次，将浸渍过PVA凝胶电解质的PU海绵在70～90℃烘箱中烘30～60min。
8.采用权利要求1～7任意所述方法制备的导电PU海绵材料在压力传感器中的应用，其特征在于，将导电PU海绵材料与两层导电织物组装成夹心结构，所述导电织物作为外层，所述导电PU海绵材料作为夹心层，所述导电织物与铜线连接组成压力传感器。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述导电织物为金属或金属氧化物类导电织物、无机非金属类导电织物或有机高分子类的导电织物。
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