CN112679680A

CN112679680A - 一种仿生压阻材料及其制备方法及可穿戴仿生压阻传感器

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Publication number: CN112679680A
Application number: CN202011495778.6A
Authority: CN
Inventors: 许磊; 张蓉; 孙辉; 杨雷; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Suzhou Institute of Trade and Commerce
Current assignee: Suzhou Institute of Trade and Commerce
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2040-12-17
Also published as: CN112679680B

Abstract

本发明公开了一种仿生压阻材料及其制备方法及可穿戴仿生压阻传感器，该仿生压阻材料的制备方法包括以下步骤：S1：制备丝素蛋白悬浮液；S2：将2‑4wt％的丝素蛋白悬浮液、2wt％的聚乙二醇、0.5wt％的丙烯酰胺以及0‑3wt％的含有酚羟基的聚合物加入0.8wt％的过硫酸钾，作为水相，以70‑90vt％十二烷烃为油相，制备高内相乳液；S3：将所述步骤S2的高内相乳液在58‑62℃水浴锅中，聚合反应14h，即可得到仿生压阻材料。采用该方法得到的仿生压阻材料不仅结构稳定性而且具有抑菌性，可作为穿戴仿生材料。

Description

一种仿生压阻材料及其制备方法及可穿戴仿生压阻传感器

技术领域

本发明属于仿生压阻材料技术领域，尤其涉及一种仿生压阻材料及其制备方法及可穿戴仿生压阻传感器。

背景技术

仿生皮肤触觉机能的柔性压力传感器在可穿戴装备、智能家居及健康检测等领域有着广阔的应用前景。尤其随着人们对功能化、智能化可穿戴器件需求的日益增加，柔性压力传感材料一跃成为当今国际研究的热点。压阻型的压力传感器，既具备压电型传感器所缺乏的静态应力识别能力，又比电容型传感器的灵敏度高，且结构简单，量产化容易，最具推广应用价值。轻质柔性的压阻材料是传感器的核心元件，其性能决定着传感器信息智能交互功能(感知能力)的应用表现。因此本发明提供了一种仿生压阻材料的制备方法。

发明内容

本发明提供了一种仿生压阻材料及其制备方法及可穿戴仿生压阻传感器，得到的仿生压阻材料不仅结构稳定性而且具有抑菌性，可作为穿戴仿生材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种仿生压阻材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备丝素蛋白悬浮液；

S2：将2-4wt％的丝素蛋白悬浮液、2wt％的聚乙二醇、0.5wt％的丙烯酰胺以及0-3wt％的含有酚羟基的聚合物加入0.8wt％的过硫酸钾，作为水相，以70-90vt％十二烷烃为油相，制备高内相乳液；

S3：将所述步骤S2的高内相乳液在58-62℃水浴锅中，聚合反应14h，即可得到仿生压阻材料。

优选实施例，所述步骤S1具体为：将去离子水加入到60wt％的丝素蛋白溶液，将所述丝素蛋白溶液的pH值调节至小于4.5，用高速剪切机进行均质处理，旋蒸处理后，得到丝素蛋白悬浮液。

优选实施例，所述步骤S1中将去离子水加入到60wt％的丝素蛋白溶液，将所述丝素蛋白溶液的pH值调节至3.8。

优选实施例，所述酚羟基的聚合物为2,3-二氢-6-羟基苯并呋喃。

优选实施例，所述步骤S2具体为：将3wt％的丝素蛋白悬浮液、2wt％的聚乙二醇、0.5wt％的丙烯酰胺以及0-3wt％的含有酚羟基的聚合物加入0.8wt％的过硫酸钾，作为水相，以80vt％十二烷烃为油相，制备高内相乳液；

优选实施例，所述步骤S3中聚合反应14h后，采用乙醇洗涤，在真空干燥箱内烘干至恒重，即可得到仿生压阻材料。

本发明化提供了一种仿生压阻材料，所述仿生压阻材料是由上述实施例所述的仿生压阻材料的方法制备的。

本发明还提供了一种可穿戴仿生压阻传感器，包括上述实施例的仿生压阻材料。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明以丝素蛋白、聚乙二醇、丙烯酰胺和具有酚羟基的聚合物的为原料，制得仿生压阻材料，将以丝素蛋白为原料可制得仿生柔性纺织品材料，而将聚乙二醇和丙烯酰胺为原料使仿生柔性纺织品具有孔洞的蓬松稳定结构，在该孔洞中可添加具有导电性的石墨烯等，可制得仿生压阻传感器，而将带有酚羟基官能团的聚合物将酚羟基官能团引入到仿生柔性纺织品的链上，使其具有抑菌性，可放心作为穿戴压阻材料。

附图说明

图1为实施例2制得的仿生压阻材料的扫描电镜照片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种仿生压阻材料及其制备方法及可穿戴仿生压阻传感器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例1

将40mL溶有60wt％丝素蛋白的溶液加入80mL去离子水中，将丝素蛋白溶液pH值调节为2.5、3.0、3.8、4.5，用高速剪切机在6000rmp下进行均质处理，旋蒸处理后，得到丝素蛋白悬浮液。

将2wt％、3wt％、4wt％的丝素蛋白悬浮液、2wt％聚乙二醇、0.5wt％丙烯酰胺以及1wt％的2,3-二氢-6-羟基苯并呋喃加入0.8wt％的过硫酸钾，作为水相，以十二烷烃为油相，在高速分散机下剪切均质制备高内相乳液(油相体积为70％、80％、90％)。将以上乳液在60±2℃水浴锅中，恒温聚合14h。聚合结束后乙醇洗涤，在真空干燥箱中烘干至恒重即可获得仿生压阻材料。

丝素蛋白溶液的pH、丝素蛋白悬浮液的添加比重和高内相乳液中的油相体积值，三个变化值中，其中一个变化时，其他两个不变化。

当丝素蛋白溶液的pH值发生变化时，其余不变，丝素蛋白悬浊液中丝素蛋白粒子表面和分散溶液中存在电位，电位大小决定丝素蛋白粒子在溶液中的状态。如表1所示，zeta电位随着pH值的升高而逐渐下降，pH值到达4.5时，zeta电位值为2.51±0.30mV，接近等电点，pH值到3.8中，颗粒间通过静电作用相互排斥以此稳定，而当超过4.5时，因接近等电点而逐渐聚集，粒径增大。

因此，丝素蛋白溶液接近等电点4.5附近，粒径迅速增大，在pH值为3.8时，溶液呈现稳定均一的悬浊液，丝素蛋白粒径大小适中，因此将丝素蛋白溶液的pH值调至最优3.8。

表1丝素蛋白在不同pH值条件下的粒度和zeta电位

pH值	粒度(nm)	Zeta电位值(mV)
			2.5	98.44±2.38	24.87±1.35
3.0	138.65±4.35	18.68±1.21
			3.8	189.32±5.68	9.87±0.62
4.5	4566.27±33.12	2.51±0.30

当不同添加比重的丝素蛋白悬浊液变化时，其他不变，不同添加比重的丝素蛋白悬浊液，对制得的高内向乳液的粒径的影响，如表2所示，丝素蛋白从2wt％提高至3wt％过程中，乳液粒径减小，因为当丝素蛋白较低(2wt％)时，两相界面上吸附的颗粒不足，导致界面强度不够，乳滴发生碰撞概率增加，易形成较大的液滴，乳液平均直径有所增大；当丝素蛋白含量增加，丝素蛋白可在界面上形成较稳定的阻隔，乳液的稳定性提高，但继续增加至4％时，乳液的平均直径变化不明显，因此优选采用3％浓度。

表2不同丝素蛋白添加比重对乳液粒径的影响

丝素蛋白浓度	乳液平均直径D(μm)
		2wt％	24.68±1.28
3wt％	21.41±1.54
		4wt％	21.52±1.48

当高内相乳液中的油相体积值发生变化，其他不变时，对于高内相乳液粒径的影响，如表3所示，乳液颗粒以聚集体的状态稳定水油界面，随着油相体积增加，颗粒分散，由初始时的聚合体状态变成分散吸附至界面中，因此油相增加，乳液粒径逐渐变小，油相体积在80％时界面稳定且粒径较小，而增加至90％变化不大。

表3油相体积不同时对高内相乳液粒径的影响

油相体积	乳液平均直径D(μm)
		70％	23.68±1.58
80％	21.41±1.54
		90％	20.52±1.35

由于高内相乳液的颗粒应该均匀分散，在后续的反应中才能制得较好的仿生压阻材料，因此选择最优值。因此得到最佳的实施例2

实施例2

将40mL溶有60wt％丝素蛋白的溶液加入80mL去离子水中，将丝素蛋白溶液pH值调节为3.8，用高速剪切机在6000rmp下进行均质处理，旋蒸处理后，得到丝素蛋白悬浮液。

将3wt％的丝素蛋白悬浮液、2wt％聚乙二醇、0.5wt％丙烯酰胺以及1wt％的2,3-二氢-6-羟基苯并呋喃加入0.8wt％的过硫酸钾，作为水相，以十二烷烃为油相，在高速分散机下剪切均质制备高内相乳液(油相体积为80wt％)。将以上乳液在60±2℃水浴锅中，恒温聚合14h。聚合结束后乙醇洗涤，在真空干燥箱中烘干至恒重即可获得仿生压阻材料。

采用扫描电镜表征得到的仿生压阻材料的微观结构，如图1所示，从图中可观察到得到的材料中具有均匀的孔洞结构，在该孔洞结构中可添加具有导电性的石墨烯等导电物质，可作为传感器的基础材料，手感是否柔软也是作为可穿戴的基础。

实施例3

将3wt％的丝素蛋白悬浮液、2wt％聚乙二醇、0.5wt％丙烯酰胺以及Xwt％的2,3-二氢-6-羟基苯并呋喃加入0.8wt％的过硫酸钾，作为水相，以十二烷烃为油相，在高速分散机下剪切均质制备高内相乳液(油相体积为80wt％)。将以上乳液在60±2℃水浴锅中，恒温聚合14h。聚合结束后乙醇洗涤，在真空干燥箱中烘干至恒重即可获得仿生压阻材料。

表4 2,3-二氢-6-羟基苯并呋喃对压阻材料抑菌性能的影响

2,3-二氢-6-羟基苯并呋喃的增加对压阻材料的抑菌性能有明显的提高，未添加该类物质制备的压阻材料不具备抑菌性能，但是用量为0.5％时已经使得材料具有一定的抑菌性能，达到1％时，对压阻材料有明显的抑菌性能提升，但是继续增加用量至2％，抑菌性能不增加，增加至3％时抑菌性能反而略有下降，说明其浓度高于一定数值，反而会影响压阻材料分子中抑菌酚羟基链段的形成，因此用量为1％最优选。

将实施例2得到的仿生压阻材料浸没在40℃的去离子水中，浸渍不同的时间，取出烘干后材料抑菌性能的变化如表5。

表5浸水时间对仿生压阻材料抑菌性能的影响

压阻材料在水中浸渍时间的增加，对材料的抑菌性能影响较小，表明该种材料的抑菌性能的耐久性相对较好。

注：以上的抑菌性测试均按照GB 20944.3-2008-T《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》测试

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种仿生压阻材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：制备丝素蛋白悬浮液；

2.根据权利要求1所述的仿生压阻材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将去离子水加入到60wt％的丝素蛋白溶液，将所述丝素蛋白溶液的pH值调节至小于4.5，用高速剪切机进行均质处理，旋蒸处理后，得到丝素蛋白悬浮液。

3.根据权利要求2所述的仿生压阻材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中将去离子水加入到60wt％的丝素蛋白溶液，将所述丝素蛋白溶液的pH值调节至3.8。

4.根据权利要求1所述的仿生压阻材料的制备方法，其特征在于，所述酚羟基的聚合物为2,3-二氢-6-羟基苯并呋喃。

5.根据权利要求4所述的仿生压阻材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：将3wt％的丝素蛋白悬浮液、2wt％的聚乙二醇、0.5wt％的丙烯酰胺以及0-3wt％的含有酚羟基的聚合物加入0.8wt％的过硫酸钾，作为水相，以80vt％十二烷烃为油相，制备高内相乳液。

6.根据权利要求1所述的仿生压阻材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中聚合反应14h后，采用乙醇洗涤，在真空干燥箱内烘干至恒重，即可得到仿生压阻材料。

7.一种仿生压阻材料，其特征在于，所述仿生压阻材料是由权利要求1-6任意一项所述的仿生压阻材料的方法制备的。

8.一种可穿戴仿生压阻传感器，其特征在于，包括权利要求7所述的仿生压阻材料。