CN113091776B - 一种压电传感器及其制备方法和回收降解方法 - Google Patents

一种压电传感器及其制备方法和回收降解方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于智能传感技术领域，具体涉及一种压电传感器及其制备方法和回收降解方法，柔性压电传感器中的压电复合物由分子铁电体晶体和可降解水凝胶构成，分子铁电体晶体嵌入于水凝胶的网状结构中，制备方法为：将可降解水凝胶浸泡在分子铁电体的水溶液中，使水凝胶完全浸润；将完全浸润的水凝胶烘干得到压电复合物。通过将上述压电复合物浸泡在水溶液中，分子铁电体离开水凝胶并以离子的形式溶于水溶液；对该水溶液蒸发结晶得到分子铁电体晶体并回收，同时对水凝胶生物降解，完成回收降解。本发明压电传感器在保证性能的同时可以以简便工艺实现回收、降解，满足便捷性、功能性与环境友好性兼顾的应用需求。

Description

一种压电传感器及其制备方法和回收降解方法
技术领域
本发明属于智能传感技术领域，更具体地，涉及一种压电传感器及其制备方法和回收降解方法。
背景技术
电子设备在人类社会的发展中起着至关重要的作用，被广泛应用于包括国防、工业、科学和生活的各个领域。随着现代智能可穿戴、便携式、柔性和可拉伸性电子设备以及物联网的快速发展，各种难降解、不可回收再利用的电子材料被广泛应用于柔性电子器件的集成，形成了大量的电子垃圾。电子垃圾的不当处理带来了空气、水源、土壤等多方面的污染问题，严重威胁着人类健康。
在智能传感领域，人们一直在努力探索可降解或可回收的材料，以取代电子设备中不可降解的传统功能材料，实现整体器件的可降解、回收性，解决电子废物造成的环境问题。然而基于这些环保材料的器件性能远低于传统器件。以压电传感器为例，人们采用几丁质、角蛋白和氨基酸等具有压电效应的天然生物材料制备得到了一系列可降解压电传感器，但其性能受到了天然生物材料低压电系数的限制。此外，具有压电效应的合成可降解材料，如PLLA、PHB等也不断被报道，但这些合成材料的压电性能仍不如传统的铁电陶瓷和铁电聚合物，使得所制备的传感器对机械刺激不敏感。因此如何设计一种既能回收降解又能具有较高性能的压电传感器是本领域亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明提供一种压电传感器及其制备方法和回收降解方法，用以解决现有压电传感器不能在可回收降解的同时具备较高电性能的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种柔性压电传感器，包括：压电复合物和制备在该压电复合物上下表面的电极；其中，所述压电复合物由分子铁电体晶体和可降解水凝胶构成，所述分子铁电体晶体嵌入于所述水凝胶的网状结构中。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种可回收、可降解的柔性压电传感器，该压电传感器的功能材料为分子铁电体晶体，其制备过程简单且压电性能较好，进一步该分子铁电体晶体嵌入于可降解水凝胶中，利用分子铁电体可溶于水的特性以及水凝胶的亲水性，可实现两者的结合并且结合后的复合物能够实现分子铁电体的回收以及水凝胶的降解。因此，本发明中的压电传感器基于制备过程简单、压电性能较好的分子铁电体，可以以简便的制备工艺实现回收、降解，避免了电子废弃物的产生，满足了便捷性、功能性与环境友好性兼顾的应用需求，对于可降解、回收智能电子器件的制备具有重要价值。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述可降解水凝胶为细菌纤维素水凝胶。
本发明的进一步有益效果是：细菌纤维素水凝胶具有致密的三维网络结构和丰富的亲水性羟基基团，亲水、保水性优异，便于水溶性功能填料的吸收，且它可在常见于生物体的纤维素酶作用下被自然降解为单、多糖混合物，保证了传感器的可降解特性。
进一步，所述分子铁电体为高氯酸咪唑。
本发明的进一步有益效果是：高氯酸咪唑压电系数超过常用压电聚合物PVDF及其共聚物，具有较高的压电性能，保证了压电传感器的电性能。
本发明还提供一种如上所述的柔性压电传感器的制备方法，包括：
将可降解水凝胶浸泡在分子铁电体的水溶液中，使水凝胶完全浸润；
将完全浸润的水凝胶烘干，得到压电复合物；
在压电复合物的上下表面制备电极，得到压电传感器。
本发明的有益效果是：本发明的制备方法简单，通过实现分子铁电体与水凝胶的复合，烘干之后即可得到压电复合物。
进一步，所述分子铁电体的水溶液的制备方法为：
制备分子铁电体饱和溶液并对其蒸发，得到分子铁电体晶体；
将所述分子铁电体晶体溶于水中，得到所需浓度的分子铁电体水溶液。
进一步，所述分子铁电体的水溶液浓度为0.01-0.5g/mL。
进一步，所述烘干温度为50-100℃。
进一步，所述水凝胶浸泡在分子铁电体的水溶液中时伴随着持续的磁力搅拌，以加快浸润速度。
本发明还提供一种压电传感器的回收降解方法，包括：
将由如上所述的制备方法制得的压电传感器浸泡在水溶液中，嵌入于水凝胶的分子铁电体离开水凝胶并以离子的形式溶于水溶液；对该水溶液蒸发结晶得到分子铁电体晶体并回收，同时对水凝胶生物降解或光降解，完成压电传感器的回收降解。
本发明的有益效果：该回收降解过程为压电传感器制备过程的反过程，以简便的技术手段实现了对压电传感器的回收、降解，过程中没有留下任何对环境有害的电子垃圾，满足了环境友好性的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种柔性压电传感器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种柔性压电传感器的回收、降解流程图；
图3为本发明实施例提供的压电复合物外观形貌图；
图4为本发明实施例提供的一种压电复合物的微观电镜扫描图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种柔性压电传感器，如图1所示，包括：压电复合物和制备在该压电复合物上下表面的电极；其中，压电复合物由分子铁电体晶体和可降解水凝胶构成，分子铁电体晶体嵌入于水凝胶的网状结构中。
本实施例针对可降解、回收压电功能材料压电性能不佳的问题以及所制备的传感器对机械刺激不敏感的问题，提出了一种可回收、可降解的柔性压电传感器，该压电传感器的功能材料为分子铁电体晶体，其制备过程简单且压电性能较好，进一步该分子铁电体晶体嵌入于可降解水凝胶中，利用分子铁电体可溶于水的特性以及水凝胶的亲水性，可实现两者的结合并且结合后的复合物能够实现分子铁电体的回收以及水凝胶的降解。因此，本实施例对于可降解、回收智能电子器件的制备具有重要价值。
本发明中的压电传感器基于制备过程简单，压电性能较好的分子铁电体，且可以以简便的制备工艺实现回收、降解，避免了电子废弃物的产生，满足了便捷性、功能性与环境友好性兼顾的应用需求。
优选的，可降解水凝胶为细菌纤维素水凝胶。细菌纤维素水凝胶易于生物降解。
优选的，分子铁电体为高氯酸咪唑，其压电系数超过常用压电聚合物PVDF及其共聚物，具有较高的压电性能。
实施例二
一种如实施例一所述的柔性压电传感器的制备方法，包括：
可降解水凝胶浸泡在分子铁电体的水溶液中，使水凝胶完全浸润；将完全浸润的水凝胶烘干，得到压电复合物；在压电复合物的上下表面制备电极，得到压电传感器。
本实施例的制备方法简单，通过水溶液实现分子铁电体与水凝胶的复合，烘干之后即可得到压电复合物。进一步可过将双面导电铝箔附着在压电复合物的上下表面，实现实施例一所述的柔性压电传感器的制备。
优选的，分子铁电体的水溶液的制备方法为：制备分子铁电体饱和溶液并对其蒸发，得到分子铁电体晶体；将分子铁电体晶体溶于水中，得到所需浓度的分子铁电体水溶液。制备方法简单。
优选的，分子铁电体的水溶液浓度为0.01-0.5g/mL。
优选的，烘干温度为50-100℃。
优选的，水凝胶浸泡在分子铁电体的水溶液中时伴随着持续的磁力搅拌，以加快浸润速度。
实施例三
一种压电传感器的回收降解方法，包括：将由如上实施例二所述的制备方法制得的压电传感器浸泡在水溶液中，嵌入于水凝胶的分子铁电体离开水凝胶并以离子的形式溶于水溶液；对该水溶液蒸发结晶得到分子铁电体晶体并回收，同时对水凝胶生物降解或光降解，完成压电传感器的回收降解。
具体的，可回收、可降解原理为：回收、降解流程如图2所示，将压电复合物浸泡在水溶液中，随着水逐渐浸润复合物，由于高氯酸咪唑本身的水溶性，细菌纤维素水凝胶内嵌入的高氯酸咪唑会离开水凝胶，以离子的形式溶于水溶液。浸泡压电复合物所得高氯酸咪唑水溶液可以以蒸发溶剂的方式再次结晶得到高氯酸咪唑晶体，即可以通过与回收之前压电复合物相同的制备流程再次制备得到压电复合物，从而实现分子铁电体的回收再利用，避免在环境中遗留。而回收过程中得到的水凝胶本身可以被广泛存在于生物体(细菌、真菌、动物等)中的纤维素酶降解，即可以自然降解，降解产物为广泛存在于自然界的多糖混合物。整个降解过程对环境友好。也可通过添加纤维素酶的方式加速降解过程，例如，3*3cm细菌纤维素水凝胶在5g/L纤维素酶溶液，50℃水浴的条件下，可在4小时内完全降解。综上，通过水溶液回收分子铁电体、自然降解细菌纤维素水凝胶的方式，以简便的技术手段实现了对压电传感器的回收、降解，过程中没有留下任何对环境有害的电子垃圾。
为了更好的说明本发明的技术方案，现给出如下示例：
示例1：将等量的咪唑和高氯酸溶于水溶液。在室温下，通过蒸发高氯酸咪唑水溶液得到高氯酸咪唑晶体。将(3*3cm)细菌纤维素水凝胶浸泡在高氯酸咪唑水溶液(0.01g/mL)中，此时高氯酸离子和咪唑离子亦随水溶液浸润到水凝胶内部。待水凝胶完全浸透后，将其在70℃烘箱中烘干。
将烘干得到的复合物(3*3cm)上下表面附着双面铝箔(2*2cm)作为金属电极，制备得到柔性压电传感器。
示例2：将等量的咪唑和高氯酸溶于水溶液。在室温下，通过蒸发高氯酸咪唑水溶液得到高氯酸咪唑晶体。将(3*3cm)细菌纤维素水凝胶浸泡在高氯酸咪唑水溶液(0.1g/mL)中。待水凝胶完全浸透后，将其在70℃烘箱中烘干。制备得到压电复合物外观形貌如图3所示，其中左图表示复合物具有柔性。高氯酸咪唑晶体镶嵌在水凝胶的网状结构中，其微观形貌如图4所示。
在烘干得到的复合物(3*3cm)上下表面附着双面铝箔(2*2cm)作为金属电极，制备得到柔性压电传感器。
示例3：将等量的咪唑和高氯酸溶于水溶液。在室温下，通过蒸发高氯酸咪唑水溶液得到高氯酸咪唑晶体。将(3*3cm)细菌纤维素水凝胶浸泡在高氯酸咪唑水溶液(0.3g/mL)中。待水凝胶完全浸透后，将其在70℃烘箱中烘干。
在烘干得到的复合物(3*3cm)上下表面附着双面铝箔(2*2cm)作为金属电极，制备得到柔性压电传感器。
示例4：将等量的咪唑和高氯酸溶于水溶液。在室温下，通过蒸发高氯酸咪唑水溶液得到高氯酸咪唑晶体。将(3*3cm)细菌纤维素水凝胶浸泡在高氯酸咪唑水溶液(0.5g/mL)中。待水凝胶完全浸透后，将其在70℃烘箱中烘干。
在烘干得到的复合物(3*3cm)上下表面附着双面铝箔(2*2cm)作为金属电极，制备得到柔性压电传感器。
示例5：将等量的咪唑和高氯酸溶于水溶液。在室温下，通过蒸发高氯酸咪唑水溶液得到高氯酸咪唑晶体。将(3*3cm)细菌纤维素水凝胶浸泡在高氯酸咪唑水溶液(0.1g/mL)中。待水凝胶完全浸透后，将其在50℃烘箱中烘干。
在烘干得到的复合物(3*3cm)上下表面附着双面铝箔(2*2cm)作为金属电极，制备得到柔性压电传感器。
示例6：将等量的咪唑和高氯酸溶于水溶液。在室温下，通过蒸发高氯酸咪唑水溶液得到高氯酸咪唑晶体。将(3*3cm)细菌纤维素水凝胶浸泡在高氯酸咪唑水溶液(0.1g/mL)中。待水凝胶完全浸透后，将其在100℃烘箱中烘干。
在烘干得到的复合物(3*3cm)上下表面附着双面铝箔(2*2cm)作为金属电极，制备得到柔性压电传感器。
对上述示例制得的压电传感器进行性能测试，测试结果如表1所示。
Figure BDA0002998011000000071
Figure BDA0002998011000000081
表中[1]表示施加应力为31.25kPa。
通过上表可以看出，本发明的制备方法制得的压电传感器性能良好，且通过实施例的对比也可以看出，烘箱温度和分子铁电体的浓度都会影响到器件的性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可回收降解的柔性压电传感器，其特征在于，包括：压电复合物和制备在该压电复合物上下表面的电极；其中，所述压电复合物由分子铁电体晶体和可降解水凝胶构成，所述压电传感器的功能材料为所述分子铁电体晶体，所述分子铁电体晶体嵌入于所述水凝胶的网状结构中，该两者的结合是利用分子铁电体晶体可溶于水的特性以及水凝胶的亲水性实现；
当所述压电传感器通过水溶液浸泡，嵌入于水凝胶的分子铁电体离开水凝胶并以离子的形式溶于水溶液，能够实现所述功能材料的回收以及所述可降解水凝胶的降解。
2.根据权利要求1所述的一种可回收降解的柔性压电传感器，其特征在于，所述水凝胶为细菌纤维素水凝胶。
3.根据权利要求1所述的一种可回收降解的柔性压电传感器，其特征在于，所述分子铁电体为高氯酸咪唑。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，包括：
将可降解水凝胶浸泡在分子铁电体的水溶液中，使水凝胶完全浸润；
将完全浸润的水凝胶烘干，得到压电复合物；
在压电复合物的上下表面制备电极，得到压电传感器。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述分子铁电体的水溶液的制备方法为：
制备分子铁电体饱和溶液并对其蒸发，得到分子铁电体晶体；
将所述分子铁电体晶体溶于水中，得到所需浓度的分子铁电体水溶液。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述分子铁电体的水溶液浓度为0.01-0.5g/mL。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述烘干温度为50-100℃。
8.根据权利要求4至7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述水凝胶浸泡在分子铁电体的水溶液中时伴随着持续的磁力搅拌，以加快浸润速度。
9.一种压电传感器的回收降解方法，其特征在于，包括：
将由如权利要求4至8任一项所述的制备方法制得的压电传感器浸泡在水溶液中，嵌入于水凝胶的分子铁电体离开水凝胶并以离子的形式溶于水溶液；对该水溶液蒸发结晶得到分子铁电体晶体并回收，同时对水凝胶生物降解或光降解，完成压电传感器的回收降解。
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