CN111189383A - 一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法，所述超疏水纸基应变传感器包括纸基底、凹设于所述纸基底的具有规则形状的沟槽阵列，覆盖所述沟槽阵列和所述纸基底的金属导电层，设于所述金属导电层两端的第一电极、第二电极，以及覆盖所述第一电极、所述第二电极和所述金属导电层的超疏水导电层；所述超疏水导电层的材料包括二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料。本发明通过采用纸基底设置应变传感器，并在应变传感器的表面用二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料形成超疏水导电层，获得的超疏水纸基应变传感器在保持柔性、灵敏度高的同时，具有环保、超疏水和价格低廉的特点。

Description

一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及应变传感器技术领域，尤其涉及一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法。
背景技术
随着柔性电子的蓬勃发展，各领域对柔性电子器件(如应变传感器)的性能有越来越多的要求，其中，最突出的是环保、低成本以及疏水性。众所周知，电子垃圾现象造成的环境污染严重威胁着居民的身体健康，而电子器件中的塑料、金属等均会对人类生存的环境造成破坏。此外，由于柔性电子的加工技术尚未像传统电子那般成熟，所需的制备工艺繁杂，技术要求高，导致柔性电子的成本高昂，如价格昂贵的折叠手机。再者，因在实际应用工况中，经常出现电子器件因浸水而发生短路、器件失效甚至烧毁的现象，所以为了让电子器件能适应某些严苛的使用工况，超疏水成了柔性电子器件中的其中一项集成功能。为解决上述的问题，迫切需要开发出具有可降解、低成本、超疏水的纸基柔性传感器。
目前报道的大部分纸基传感器并不具备疏水和超疏水性能，如通过使用石墨铅笔在打印纸表面涂覆石墨层的方式制备的柔性传感器，具有110ms的快速响应时间，536.6的应变系数(GF)和>10000次弯曲循环的高稳定性，但是其不具备疏水性；而报道的纸基超疏水传感器又存在灵敏度低等缺点，如通过浸泡超疏水涂层所制备的纸基传感器具有154°的接触角，但其仅有7.5的应变系数(GF)及>1000次弯曲循环的稳定性。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法，旨在解决现有柔性应变传感器的疏水差、不环保或成本高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种超疏水纸基应变传感器，其中，包括纸基底、凹设于所述纸基底的具有规则形状的沟槽阵列，覆盖所述沟槽阵列和所述纸基底的金属导电层，设于所述金属导电层两端的第一电极、第二电极，以及覆盖所述第一电极、所述第二电极和所述金属导电层的超疏水导电层；所述超疏水导电层的材料包括二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料。
一种如上所述的超疏水纸基应变传感器的制备方法，其中，包括步骤：
A、提供纸基底；
B、在所述纸基底的上表面制备具有规则形状的沟槽，形成具有规则形状的沟槽阵列；
C、在设置有具有规则形状的沟槽阵列的所述纸基底上制备金属导电层；
D、在所述金属导电层两端制备第一电极和第二电极；
E、覆盖所述第一电极和所述第二电极，在所述金属导电层上制备超疏水导电层；所述超疏水导电层的材料包括二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料。
有益效果：本发明通过采用纸基底设置应变传感器，并在应变传感器的表面用二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料的混合物设置超疏水导电层，获得的超疏水纸基应变传感器在保持柔性、灵敏度高等性能的同时，具有环保、超疏水和价格低廉的特点；有效解决了现有柔性应变传感器的疏水性差、不环保或成本高的问题。
附图说明
图1为本发明实施方式中，蝎子的缝感受器的SEM图。
图2为本发明实施方式中，一种超疏水纸基应变传感器的立体结构示意图。
图3为本发明实施方式中，纸基底上设置的沟槽2的截面结构示意图。
图4为本发明实施1中，超疏水纸基应变传感器表面的整体SEM图。
图5为本发明实施1中，超疏水纸基应变传感器表面的局部SEM图。
图6为本发明实施1中，对超疏水纸基应变传感器施加一定的外力，电阻变化率△R/R0)随应变量(Strain)的变化图。
图7为本发明实施1中，对超疏水纸基应变传感器施加一定的外力，电阻变化率(△R/R0)随时间的变化图。
图8为本发明实施1中，在△ε为[-0.068％,0]范围内对超疏水纸基应变传感器进行循环压缩(Compressive)，瞬时电阻(R,单位为欧姆、Ohm或Ω)随循环次数(Cycles)的变化图，其中，插图为实线框标定的循环次数范围内，电阻变化率(△R/R0)随时间的变化图。
图9为本发明实施1中，超疏水纸基应变传感器呈不同弯曲度(θ＝0°、35°、70°、125°)时，水滴与超疏水纸基应变传感器表面的接触角测试结果图。
图10本发明实施1中，贴附在手套的食指中间的关节处的超疏水纸基应变传感器随食指在0°～90°范围内弯曲时，电阻变化率(△R/R)随时间的变化图。
具体实施方式
本发明提供一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种超疏水纸基应变传感器，其中，包括纸基底、凹设于所述纸基底的具有规则形状的沟槽阵列，覆盖所述沟槽阵列和所述纸基底的金属导电层，设于所述金属导电层两端的第一电极、第二电极，以及覆盖所述第一电极、所述第二电极和所述金属导电层的超疏水导电层；所述超疏水导电层的材料包括二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料。
本实施例中，通过采用纸基底设置应变传感器，并在应变传感器的表面用二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料的混合物设置超疏水导电层，获得的超疏水纸基应变传感器在保持柔性、灵敏度高等性能的同时，具有环保、超疏水和价格低廉的特点；有效解决了现有柔性应变传感器的疏水差、不环保或成本高的问题。
具体地，随着仿生学研究的不断深入，许多科学与技术难题都可以从生物界获得灵感。蝎子的缝感受器是一种极为敏感的机械感受器，可以探测到来自任何方向上的纳米级别的振动信号并准确分辨猎物与天敌的细微差别；用扫描电子显微镜(scanningelectron microscope，SEM)对蝎子的缝感受器的形貌进行测试，测试结果如图1所示，可知，蝎子的缝感受器由多条沟缝组成，这种微尺度表面结构为设计制造仿生超敏柔性应变传感器提供了天然的生物蓝本。本发明基于蝎子的缝感受器为超敏体表感受器，结合荷叶具备超疏水功能的表面结构，设计得到的超疏水纸基应变传感器，以解决现有柔性应变传感器的疏水性差、不环保或成本高的问题；该超疏水纸基应变传感器的立体结构如图2所示，包括纸基底1、沟槽2、金属导电层3、第一电极41、第二电极42和超疏水导电层6。可通过从超疏水纸基应变传感器的电极41、电极42处引出导线51和导线52，实现将该超疏水纸基应变传感器与其应用装置进行连接。
在一种实施方式中，所述导电材料与二氧化硅的质量比为0.5:1～1:0.5。
在一种实施方式中，所述导电材料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线和导电聚合物中的至少一种。优选碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)，采用碳纳米管与二氧化硅、聚二甲基硅氧烷的混合物形成的超疏水导电层具有更好的疏水性和导电性，有利于提高超疏水纸基应变传感器的灵敏度。
在一种实施方式中，沟槽2的截面结构如图3所示，所述沟槽的宽度为10～100μm，深度>100μm且小于所述纸基底的厚度的一半；相邻沟槽之间的间距大于所述沟槽的宽度。所述纸基底的深度>100μm且小于所述纸基底的厚度的一半，可保证纸基底的机械强度不被破坏。
在一种实施方式中，所述纸基底选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种。上述纸基底的表面的粗糙度适中且柔韧性好，不会因表面粗糙度过大(如卫生用纸)而不利于在其上表面设置沟槽。
在一种实施方式中，所述金属导电层的材料选自金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子、铝硼合金、铝铬合金、铁锰合金、铝铬钇合金、银铜钯合金中的至少一种。
本发明实施例还提供一种如上所述的超疏水纸基应变传感器的制备方法，其中，包括步骤：
A、提供纸基底；
B、在所述纸基底的上表面制备沟槽，形成具有规则形状的沟槽阵列；
C、在设置有具有规则形状的沟槽阵列的所述纸基底上制备金属导电层；
D、在所述金属导电层两端制备第一电极和第二电极；
E、覆盖所述第一电极和所述第二电极，在所述金属导电层上制备超疏水导电层；所述超疏水导电层的材料包括二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料。
本实施例中，通过采用纸基底制备应变传感器，并在应变传感器的表面用二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料的混合物制备超疏水导电层，获得的超疏水纸基应变传感器在保持柔性、灵敏度高等性能的同时，具有环保、超疏水和价格低廉的特点；有效解决了现有柔性应变传感器的疏水差、不环保或成本高的问题。此外，本实施例的超疏水纸基应变传感器的制备方法简单，利于进行大规模生产。
在一种实施方式中，所述在所述用纸基底的上表面制备具有规则形状的沟槽的工艺选自表面切削、表面激光雕刻和模具压印中的一种。
在一种实施方式中，所述在所述纸基底上制备金属导电层的方法选自化学镀、物理气相沉积法、喷涂法和材料自生长法中的一种。
在一种实施方式中，所述步骤E具体包括：将二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料分散到体积比为1:10～15的六甲基二硅胺烷和乙酸丁酯中，形成分散液；接着通过喷涂或浸泡在所述金属导电层上制备超疏水导电层。
进一步在一种实施方式中，所述导电材料与二氧化硅的质量比为0.5:1～1:0.5；所述聚二甲基硅氧烷由质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷主剂和聚二甲基硅氧烷固化剂组成；所述聚二甲基硅氧烷在所述分散液中的质量含量为5％～15％。
具体地，将体积比例为1:10～15的六甲基二硅胺烷(
Figure BDA0002388012510000071
Hexamethyl disilylamine，HMDS)和乙酸丁酯混合配成前体溶液，再将质量比例为0.5：1～1:0.5的导电材料(如碳纳米管)和SiO2混合后加入前体溶液中，于此同时，将聚二甲基硅氧烷(Poly(dimethylsiloxane，PDMS；如PDMS双组份，其中，A组份(即PDMS主剂)、B组份(即PDMS固化剂)的质量比为10:1)加入上述前体溶液中，配成混合液，使得PDMS在混合液中的质量含量为5％～15％；将混合液进行搅拌5～10min后，再进行超声振荡10～20min，获得导电材料/SiO2/PDMS的分散液；将分散液通过喷涂或浸泡的方式在所述金属导电层上制备超疏水导电层；其中，优选为喷涂，在纸条上喷涂10～20次；最后在加热台上于40～50℃烘干2～4小时，即获得超疏水纸基应变传感器。
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)一种超疏水纸基应变传感器的制备
(1.1)提供纸基底：取6寸/200g每张Kodak牌的照片纸，裁剪为尺寸3cm×1cm的条状；
(1.2)在所述纸基底的上表面制备具有规则形状的沟槽，形成沟槽阵列：在条状纸基底较为粗糙的一面(较粗糙的面利于材料吸附)通过表面切削加工的方式进行制备沟槽阵列:沟槽的宽度为80μm,相邻沟槽之间的间距为700μm，沟槽的深度为100μm；
(1.3)接着在设置有具有规则形状的沟槽阵列的所述纸基底上制备金属导电层：采用Ag粒子通过表面溅射的方法在条状纸基底上制备Ag导电层，厚度为100nm；
(1.4)在所述金属导电层两端制备第一电极和第二电极：在Ag导电层两端贴上铜电极胶带；
(1.5)覆盖所述第一电极和所述第二电极，在所述金属导电层上制备超疏水导电层：将2mL的HMDS溶于25mL的乙酸丁酯中，再分别将0.5g CNTs以及0.5g直径为200nm的SiO2粒子加入到上述混合液中，再加入2g PDMS主剂以及0.2g PDMS固化剂，配成最混合液；将混合液放在搅拌器上磁力搅拌10min，再进行超声振荡10min，获得超疏水导电分散液；将超疏水导电分散液喷涂在步骤(1.4)的获得纸条表面，喷涂次数为20次；置于加热台上50℃烘4小时，得到超疏水纸基应变传感器；立体结构也如图2所示，包括相片纸基底1、沟槽2、Ag导电层3、铜电极41、铜电极42和超疏水导电层6。可通过从该超疏水纸基应变传感器的铜电极41、铜电极42上引出铜导线51和铜导线52将该超疏水纸基应变传感器与它的应用装置进行连接。
(2)对该实施例制得的超疏水纸基应变传感器的结构进行表征
(2.1)用扫描电子显微镜(SEM)对获得的超疏水纸基应变传感器的表面结构进行表征，测得其表面的整体形貌如图4所示，可知制得的超疏水纸基应变传感器的表面仍然保持有具有规则形状的沟槽阵列；测得其表面的局部形貌如图5所示，可知制得的超疏水纸基应变传感器的超疏水导电层中的SiO2的粒径为200nm，SiO2的周围分布有CNTs。
(3)对该实施例制得的超疏水纸基应变传感器的性能进行评价
(3.1)对该超疏水纸基应变传感器施加一定的外力时，测得电阻变化率(△R/R0)随应变量(Strain，符号为△ε，单位为％)的变化如图6所示，可知该超疏水纸基应变传感器在△ε为[-0.42％,0.11％]范围内的平均灵敏度(即灵敏度系数GF的平均值)为139.2；表明制得的超疏水纸基应变传感器具有很高的灵敏度。
(3.2)对制得的超疏水纸基应变传感器施加一定的外力时，测得电阻变化率(△R/R0)随时间的变化如图7所示，可知该超疏水纸基应变传感器的响应时间短至78ms；表明制得的超疏水纸基应变传感器响应快。
(3.3)在△ε为[-0.068％,0]范围内进行循环压缩(Compressive)测试时，瞬时电阻(R)随循环次数(Cycles)的变化如图8所示，可知制得的超疏水纸基应变传感器在超过10000次循环时，瞬时电阻(R)的变化率仍然保持稳定，表明制得的超疏水纸基应变传感器具有良好的稳定性。
(3.4)对制得的超疏水纸基应变传感器的疏水性进行测试，超疏水纸基应变传感器呈不同弯曲度(θ＝0°、35°、70°、125°)时，测得水滴与超疏水纸基应变传感器表面的接触角如图9所示，可知，θ＝0°时，水滴与制得的超疏水纸基应变传感器表面的接触角>160°；θ＝125°时，接触角>150°；表明制得的超疏水纸基应变传感器具有超疏水性，防水性好。
(3.5)将制得的超疏水纸基应变传感器贴附在手套的食指中间的关节处，戴上手套，食指在0°～90°范围内弯曲时，电阻变化率(△R/R)随时间的变化如图10所示，可知制得的超疏水纸基应变传感器可应用于可穿戴电子，实现对人体运动(如指关节运动)的监测。
综上所述，本发明提供的超疏水纸基应变传感器及其制备方法，本发明通过采用纸基底设置应变传感器，并在应变传感器的表面用二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料的混合物设置超疏水导电层，获得的超疏水纸基应变传感器在保持柔性、灵敏度高等性能的同时，具有环保、超疏水和价格低廉的特点；有效解决了现有柔性应变传感器的疏水性差、不环保或成本高的问题。此外，本实施例的超疏水纸基应变传感器的制备方法简单，利于进行大规模生产。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超疏水纸基应变传感器，其特征在于，包括纸基底、凹设于所述纸基底的具有规则形状的沟槽阵列，覆盖所述沟槽阵列和所述纸基底的金属导电层，设于所述金属导电层两端的第一电极、第二电极，以及覆盖所述第一电极、所述第二电极和所述金属导电层的超疏水导电层；所述超疏水导电层的材料包括二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料。
2.根据权利要求1所述的超疏水纸基应变传感器，其特征在于，所述导电材料与二氧化硅的质量比为0.5:1～1:0.5。
3.根据权利要求1所述的超疏水纸基应变传感器，其特征在于，所述导电材料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线和导电聚合物中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的超疏水纸基应变传感器，其特征在于，所述沟槽的宽度为10～100μm，深度>100μm且小于所述柔性基底的厚度的一半；相邻沟槽之间的间距大于所述沟槽的宽度。
5.根据权利要求1所述的超疏水纸基应变传感器，其特征在于，所述纸基底选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种。
6.根据权利要求1所述的超疏水纸基应变传感器，其特征在于，所述金属导电层的材料选自金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子、铝硼合金、铝铬合金、铁锰合金、铝铬钇合金、银铜钯合金中的至少一种。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述的超疏水纸基应变传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
A、提供纸基底；
B、在所述纸基底的上表面制备沟槽，形成具有规则形状的沟槽阵列；
C、在设置有具有规则形状的沟槽阵列的所述纸基底上制备金属导电层；
D、在所述金属导电层两端制备第一电极和第二电极；
E、覆盖所述第一电极和所述第二电极，在所述金属导电层上制备超疏水导电层；所述超疏水导电层的材料包括二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述用纸基底的上表面制备具有规则形状的沟槽的工艺选自表面切削、表面激光雕刻和模具压印中的一种。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述纸基底上制备金属导电层的方法选自化学镀、物理气相沉积法、喷涂法和材料自生长法中的一种。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：将二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料分散到体积比为1:10～15的六甲基二硅胺烷和乙酸丁酯中，形成分散液；接着通过喷涂或浸泡在所述金属导电层上制备超疏水导电层。
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