CN112284576B - 一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器及制备方法，传感器包括有机电极纤维薄膜以及有机压电纤维薄膜，有机电极纤维薄膜和有机压电纤维薄膜之间通过热熔无纺布粘接，形成有机电极纤维薄膜‑热熔无纺布‑有机压电纤维薄膜‑热熔无纺布‑有机电极纤维薄膜结构；本发明传感器为全有机材料，具有可再生、绿色环保、低成本优点，可用于柔性穿戴设备、智能机器人、医疗康复等领域。

Description

一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及柔性压力传感器技术领域，具体涉及一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器及制备方法。
背景技术
目前常用的柔性压力传感器的制备多采用有机聚合物材料作为柔性基底，通过溅射等工艺在柔性基底上沉积金属材料如金、铜等来实现电极的制备，但金属材料具有不可再生以及容易造成污染等特点，而有机材料的可再生、绿色环保、低成本等特点使得制备全有机材料的柔性器件成为当前柔性器件研究的一个重要方向。
柔性压力传感器根据其敏感机理可分为压阻式传感器、压电式传感器、电容式传感器等，其中压电式传感器由于其可以实现自供能的特点，正在受到越来越多的关注。同时，在人体可穿戴设备方面，传感器的透气性也是一个重要的需求，纤维薄膜越来越多的应用于传感器的制备。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器及制备方法，传感器为全有机材料，具有可再生、绿色环保、低成本优点，可用于柔性穿戴设备、智能机器人、医疗康复等领域。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器，包括有机电极纤维薄膜以及有机压电纤维薄膜，有机电极纤维薄膜和有机压电纤维薄膜之间通过热熔无纺布粘接，形成有机电极纤维薄膜-热熔无纺布-有机压电纤维薄膜-热熔无纺布-有机电极纤维薄膜结构。
一种全有机材料制备的压电式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将制备有机电极的聚合物材料加入相应的溶剂中，通过磁力搅拌得到静电纺丝用溶液；聚合物选用热塑性高分子聚合物材料，为聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，溶剂选用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或四氢呋喃(THF)等与丙酮按体积比在10:1到1:10之间进行混溶；
将静电纺丝用溶液置入静电纺丝设备中，设置好静电纺丝设备的运行参数，得到的热塑性纤维薄膜用于制备有机电极；
2)制备有机纳米导电颗粒的分散溶液，有机纳米导电颗粒为单壁碳纳米管(SWCNT)、多壁碳纳米管(MWCNT)或石墨烯等，采用表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)或十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等对有机导电纳米颗粒实现表面改性，通过超声处理从而得到分散良好的有机纳米导电颗粒水分散液；
3)将步骤1)制备的热塑性纤维薄膜置入步骤2)制备的有机纳米导电颗粒水分散液中，再施加高功率的超声处理，根据不同热塑性材料的特性，超声功率在250W到900W之间选定，有机导电纳米颗粒在超声空化效应气泡破碎时产生的高温和冲击力作用下嵌入热塑性纤维薄膜表面，得到有机电极纤维薄膜；
将有机电极纤维薄膜置入去离子水溶液中反复清洗，除去表面附着上的有机导电纳米颗粒；
4)将有机压电聚合物加入溶剂中，在60℃的温度下磁力搅拌至聚合物完全均匀分散于溶剂中；有机压电聚合物为PVDF、PVDF-TrFE或PVDF-HFP等，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)等与丙酮进行按体积比在10:1到1:10之间进行混溶；
将有机压电聚合物混合溶液置入静电纺丝设备，设置好静电纺丝设备的运行参数，制备得到有机压电纤维薄膜；
5)将步骤3)制备的有机电极纤维薄膜和步骤4)制备的有机压电纤维薄膜裁剪到相应大小，在有机电极纤维薄膜和有机压电纤维薄膜之间放置热熔性无纺布，按照有机电极纤维薄膜-热熔无纺布-有机压电纤维薄膜-热熔无纺布-有机电极纤维薄膜的形式叠加放置，通过热压工艺将各层之间粘接在一起。
本发明的有益效果为：
本发明采用有机材料进行压电式柔性压力传感器的制备，相比沉积金属材料在柔性基底上，不需要溅射机、等离子清洗机等复杂设备进行工艺处理，制备方法简单且原材料可再生，具有广泛的应用前景。
本发明采用静电纺丝工艺进行有机电极纤维薄膜和有机压电纤维薄膜的制备，纤维薄膜具有的多孔结构使得传感器具有优良的透气性和柔性，特别在人体可穿戴设备方面，保证舒适性的同时具有较高灵敏度。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明区别于其他传感器的特征更加明显，下面结合附图对传感器进行详细的说明，但是本发明专利还可以采用其它不仅限于此描述的形式进行完成。
参照图1，一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器，包括有机电极纤维薄膜1以及有机压电纤维薄膜3，有机电极纤维薄膜1和有机压电纤维薄膜3之间通过热熔无纺布2粘接，形成有机电极纤维薄膜1-热熔无纺布2-有机压电纤维薄膜3-热熔无纺布2-有机电极纤维薄膜1结构，热熔无纺布2的网状结构能够保证在热压过程完成后有机电极纤维薄膜1和有机压电纤维薄膜3的透气性不会因为热熔无纺布2在高温融化后而受到影响。
一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将制备有机电极的聚合物材料加入相应的溶剂中，通过磁力搅拌得到静电纺丝用溶液；聚合物选用聚氨酯(PU)，溶剂选用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)与丙酮进行混溶，DMF和丙酮按1:1配比，根据PU分子质量的不同，配制质量/体积为20％～30％的溶液置入静电纺丝设备中，设置好静电纺丝设备的运行参数，得到的热塑性纤维薄膜用于制备有机电极；
PU纤维薄膜进行静电纺丝的参数设置为：溶液进给量为5～20μL/min，正负极极板之间的间距为10～15cm，两端加载电压为9～15kV；PU纤维薄膜厚度与静电纺丝的时间正相关，静电纺丝制备PU纤维薄膜控制在1～3h之间；
2)制备有机纳米导电颗粒的分散溶液，有机纳米导电颗粒为多壁碳纳米管(MWCNT)，采用表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对有机导电纳米颗粒实现表面改性，按照1/1000～1/100的质量比称取MWCNT和去离子水，根据MWCNT的质量加入十二烷基硫酸钠(SDS)，MWCNT与SDS的质量比按1:2进行配置，在300W的功率下超声100mL的分散液3h得到分散良好的MCNT分散溶液；
3)将PU纤维薄膜浸入MCNT分散溶液中采用超声破碎仪进行超声处理，100mL的分散溶液采用350W的超声功率处理0.5～2h，通过超声空化效应诱导导电颗粒MCNT嵌入PU纳米纤维表面，将超声处理得到的复合纤维薄膜在去离子水中反复清洗多次，在60℃的烘箱中烘干得到有机电极纤维薄膜1；
4)将有机压电聚合物加入溶剂中，在60℃的温度下磁力搅拌至聚合物完全均匀分散于溶剂中；有机压电聚合物为PVDF，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)与丙酮进行混溶，DMF与丙酮按照体积比3：2的比例混合，PVDF根据分子量的不同选取不同的质量/体积比，溶液的质量/体积比一般选在14％～20％之间；
将有机压电聚合物混合溶液置入静电纺丝设备，设置好静电纺丝设备的运行参数，制备得到有机压电纤维薄膜3；
压电纤维薄膜静电纺丝参数设置为：溶液进给量5～15μL/min，纺丝针头与接收极板之间间距10～20cm，在针头部分加载电压9～15kV，接收极板接地；PVDF压电纤维膜厚度与静电纺丝的时间正相关，根据传感器制备的要求，静电纺丝制备PVDF压电纤维膜一般控制在1～3h之间；
5)将步骤3)制备的有机电极纤维薄膜1和步骤4)制备的有机压电纤维薄膜3裁剪到相应大小，在有机电极纤维薄膜1和有机压电纤维薄膜3之间放置热熔性无纺布2，按照有机电极纤维薄膜1-热熔无纺布2-有机压电纤维薄膜3-热熔无纺布2-有机电极纤维薄膜1的形式叠加放置，置于90～130℃的环境中施加压力，通过热压工艺将各层之间粘接在一起，热熔无纺布2在高温下呈熔融态实现有机电极纤维薄膜1和有机压电纤维薄膜3的粘接。
本实施例的有益效果：
有机电极纤维薄膜1是由有机导电纳米颗粒嵌入热塑性纤维薄膜的结构，因此有机电极纤维薄膜1在压力作用时内部纤维之间间距的变化会引起电阻值得变化，电阻值变化量在100欧姆～1000欧姆之间；有机压电纤维薄膜3的内阻值在109欧姆级别，有机电极纤维薄膜1的阻值变化对于有机压电纤维薄膜3的输出存在很小的影响，嵌入导电纳米颗粒有机纤维薄膜1在传感器中可以作为传输有机压电纤维薄膜3的电极结构。

Claims (2)

1.一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器，包括有机电极纤维薄膜以及有机压电纤维薄膜，有机电极纤维薄膜和有机压电纤维薄膜之间通过热熔无纺布粘接，形成有机电极纤维薄膜-热熔无纺布-有机压电纤维薄膜-热熔无纺布-有机电极纤维薄膜结构；
所述的一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将制备有机电极的聚合物材料加入相应的溶剂中，通过磁力搅拌得到静电纺丝用溶液；聚合物选用热塑性高分子聚合物材料，为聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，溶剂选用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或四氢呋喃(THF)与丙酮进行按体积比在10:1到1:10之间进行混溶；
将静电纺丝用溶液置入静电纺丝设备中，设置好静电纺丝设备的运行参数，得到的热塑性纤维薄膜用于制备有机电极；
2)制备有机纳米导电颗粒的分散溶液，有机纳米导电颗粒为单壁碳纳米管(SWCNT)、多壁碳纳米管(MWCNT)或石墨烯，采用表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)或十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对有机导电纳米颗粒实现表面改性，通过超声处理从而得到分散良好的有机纳米导电颗粒水分散液；
3)将步骤1)制备的热塑性纤维薄膜置入步骤2)制备的有机纳米导电颗粒水分散液中，再施加高功率的超声处理，根据不同热塑性材料的特性，超声功率在250W到900W之间选定，有机导电纳米颗粒在超声空化效应气泡破碎时产生的高温和冲击力作用下嵌入热塑性纤维薄膜表面，得到有机电极纤维薄膜；
将有机电极纤维薄膜置入去离子水溶液中反复清洗，除去表面附着上的有机导电纳米颗粒；
4)将有机压电聚合物加入溶剂中，在60℃的温度下磁力搅拌至聚合物完全均匀分散于溶剂中；有机压电聚合物为PVDF、PVDF-TrFE或PVDF-HFP，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)与丙酮进行按体积比在10:1到1:10之间进行混溶；
将有机压电聚合物混合溶液置入静电纺丝设备，设置好静电纺丝设备的运行参数，制备得到有机压电纤维薄膜；
5)将步骤3)制备的有机电极纤维薄膜和步骤4)制备的有机压电纤维薄膜裁剪到相应大小，在有机电极纤维薄膜和有机压电纤维薄膜之间放置热熔无纺布，按照有机电极纤维薄膜、热熔无纺布、有机压电纤维薄膜、热熔无纺布、有机电极纤维薄膜的形式叠加放置，通过热压工艺将各层之间粘接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种全有机材料制备的压电式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将制备有机电极的聚合物材料加入相应的溶剂中，通过磁力搅拌得到静电纺丝用溶液；聚合物选用聚氨酯(PU)，溶剂选用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)与丙酮进行混溶，DMF和丙酮按1:1配比，根据PU分子质量的不同，配制质量/体积为20％～30％的溶液置入静电纺丝设备中，设置好静电纺丝设备的运行参数，得到的热塑性纤维薄膜用于制备有机电极；
PU纤维薄膜进行静电纺丝的参数设置为：溶液进给量为5～20μL/min，正负极极板之间的间距为10～15cm，两端加载电压为9～15kV；PU纤维薄膜厚度与静电纺丝的时间正相关，静电纺丝制备PU纤维薄膜控制在1～3h之间；
2)制备有机纳米导电颗粒的分散溶液，有机纳米导电颗粒为多壁碳纳米管(MWCNT)，采用表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对有机导电纳米颗粒实现表面改性，按照1/1000～1/100的质量比称取MWCNT和去离子水，根据MWCNT的质量加入十二烷基硫酸钠(SDS)，MWCNT与SDS的质量比按1:2进行配置，在300W的功率下超声100mL的分散液3h得到分散良好的MCNT分散溶液；
3)将PU纤维薄膜浸入MCNT分散溶液中采用超声破碎仪进行超声处理，100mL的分散溶液采用350W的超声功率处理0.5～2h，通过超声空化效应诱导导电颗粒MCNT嵌入PU纳米纤维表面，将超声处理得到的复合纤维薄膜在去离子水中反复清洗多次，在60℃的烘箱中烘干得到有机电极纤维薄膜(1)；
4)将有机压电聚合物加入溶剂中，在60℃的温度下磁力搅拌至聚合物完全均匀分散于溶剂中；有机压电聚合物为PVDF，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)与丙酮进行混溶，DMF与丙酮按照体积比3：2的比例混合，PVDF根据分子量的不同选取不同的质量/体积比，溶液的质量/体积比选在14％～20％之间；
将有机压电聚合物混合溶液置入静电纺丝设备，设置好静电纺丝设备的运行参数，制备得到有机压电纤维薄膜(3)；
压电纤维薄膜静电纺丝参数设置为：溶液进给量5～15μL/min，纺丝针头与接收极板之间间距10～20cm，在针头部分加载电压9～15kV，接收极板接地；PVDF压电纤维膜厚度与静电纺丝的时间正相关，根据压电式触觉传感器性能的要求，静电纺丝制备PVDF压电纤维膜控制在1～3h之间；
5)将步骤3)制备的有机电极纤维薄膜(1)和步骤4)制备的有机压电纤维薄膜(3)裁剪到相应大小，在有机电极纤维薄膜(1)和有机压电纤维薄膜(3)之间放置热熔无纺布(2)，按照有机电极纤维薄膜(1)、热熔无纺布(2)、有机压电纤维薄膜(3)、热熔无纺布(2)、有机电极纤维薄膜(1)的形式叠加放置，置于90～130℃的环境中施加压力，通过热压工艺将各层之间粘接在一起，热熔无纺布(2)在高温下呈熔融态实现有机电极纤维薄膜(1)和有机压电纤维薄膜(3)的粘接。
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