CN113108935B - 一种柔性温度传感器、制备方法及其应用 - Google Patents

一种柔性温度传感器、制备方法及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113108935B
CN113108935B CN202110500891.7A CN202110500891A CN113108935B CN 113108935 B CN113108935 B CN 113108935B CN 202110500891 A CN202110500891 A CN 202110500891A CN 113108935 B CN113108935 B CN 113108935B
Authority
CN
China
Prior art keywords
solution
graphene oxide
temperature
temperature sensor
flexible
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110500891.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113108935A (zh
Inventor
李晖
朱正芳
苏毅
王磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Original Assignee
Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS filed Critical Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority to CN202110500891.7A priority Critical patent/CN113108935B/zh
Priority to PCT/CN2021/093568 priority patent/WO2022236768A1/zh
Publication of CN113108935A publication Critical patent/CN113108935A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113108935B publication Critical patent/CN113108935B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/18Manufacture of films or sheets
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/14Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2325/00Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring; Derivatives of such polymers
    • C08J2325/18Homopolymers or copolymers of aromatic monomers containing elements other than carbon and hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2365/00Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain; Derivatives of such polymers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2425/00Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring; Derivatives of such polymers
    • C08J2425/18Homopolymers or copolymers of aromatic monomers containing elements other than carbon and hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2465/00Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain; Derivatives of such polymers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • C08K3/041Carbon nanotubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • C08K3/042Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00Use of pretreated ingredients
    • C08K9/02Ingredients treated with inorganic substances
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2211/00Thermometers based on nanotechnology

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

本发明提供了一种柔性温度传感器,包括温敏导电复合薄膜材料以及承载所述温敏导电复合薄膜材料的柔性基底,所述温敏导电复合薄膜材料至少由单壁碳纳米管、还原氧化石墨烯和(聚(3,4‑乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))制备而成。本发明提供的柔性温度传感器可应用于可穿戴设备中,所述柔性温度传感器的制备方法简单方便,具有较高的灵敏度、优异的重复性以及较快的响应速度和恢复速度,综合性能优异。

Description

一种柔性温度传感器、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于传感器材料领域,具体涉及一种柔性温度传感器及其制备方法。
背景技术
近些年来,可穿戴医疗设备逐步走进人们的生活,各项生理指标的实时监测对医生诊断疾病发挥了极大的辅助作用。为了更加精准地监测与更好地诊疗,可穿戴设备的精度、灵敏度和响应速度等性能参数需要不断提升和精进。温度传感器的性能提升通常需要从热电材料的选择与改进着手。优异的热电材料需要制造简单、原料合理、生物适应性强、具有一定延展性等优良的性能。
目前可穿戴柔性温度传感器的热电材料主要有以下几类:
1.含碳的材料。常见的碳材料有炭黑、石墨、碳纳米管和石墨烯。
2.含金属及其氧化物的材料。常用的导电金属材料有金、银、铜、铂金、镍和铝等。
3.含导电聚合物的材料。常用的热敏聚合物材料有PEDOT:PSS(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))、P3HT(聚-3-己基噻吩)、pNIPAM(聚(N-异丙基丙烯酰胺))、PPy(聚吡咯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)等。
通常,通过单一的的热电材料制备和将不同的两种热电材料混合制备复合材料这两种方式制得有效的温敏导电材料。
单一的热电材料制备温敏导电材料:Srinivas Gandla等采用激光诱导PI(聚酰亚胺)基底碳化的方式制备了一种稳定和高线性的温度传感器,该传感器的响应时间为1s,分辨率为0.2℃,其电阻温度系数为0.00142℃-1。Zheng Cui等报道了一种基于银纳米线(AgNWS)的剪纸启发的透气和可伸缩温度传感器,将AgNW渗流网络封装在薄聚酰亚胺薄膜中。通过改变纳米线密度和热退火温度来定制AgNW网络的电阻温度系数;选择200℃退火后密度为2.053μm-2的AgNW网络制作温度传感器,TCR为3.32×10-3-1,灵敏度为0.47Ω/℃。PEDOT:PSS是一种新型有机导电聚合物,常用于可打印、柔性温度传感器,Yu等利用预拉伸和酸处理PEDOT:PSS和PDMS(聚二甲基硅氧烷)制备具有微裂纹的柔性温度传感器,较高的裂纹密度和较大的裂纹长度导致更大的温度敏感性,具有最佳裂纹形貌的传感器(裂纹长度:185.2μm,裂纹密度:22.84mm-1)显示出0.042℃-1的高温灵敏度,良好的线性度为0.998。
两种或多种热敏材料混合制备温敏导电材料:Ju等制备了由聚(n-异丙基丙烯酰胺)(pN IPAM)温敏水凝胶,PEDOT:PSS和CNTs组成的高灵敏度电阻温度传感器。在25-40℃的温度范围内,该装置具有2.6%℃-1的灵敏度,并能准确地检测0.5℃的皮肤温度变化。
但上述类型的温度传感器仍存在以下不足:
1.用单一热电材料制备的温敏导电材料制备得到的温度传感器的某些性能较好,但是存在另外一些性能上的不足。
2.采用预拉伸等方法制备的温度传感器,容易受到应力拉力等非温度因素的干扰,影响测量结果的准确性。
3.选用两种或多种热敏材料混合制备温敏导电材料时,需要考虑不同材料的相互影响,也需要考虑不同材料的配比对温度感应的影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷,本发明提出了一种柔性温度传感器,包括温敏导电复合薄膜材料以及承载所述温敏导电复合薄膜材料的柔性基底,所述温敏导电复合薄膜材料至少由单壁碳纳米管、还原氧化石墨烯和(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))制备而成。
进一步地,所述单壁碳纳米管、所述还原氧化石墨烯和所述(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))的质量比为1:1:(3-39)。
本发明还提供一种柔性温度传感器的制备方法,包括以下步骤:
将(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))与改性后的单壁碳纳米管和还原氧化石墨烯按比例进行混合均匀,经抽滤并真空干燥得到温敏导电复合薄膜材料;将所述温敏导电复合薄膜材料与柔性基底结合即制得所述柔性温度传感器。
进一步地,具体包括以下步骤:
S1、将单壁碳纳米管进行改性处理:向单壁碳纳米管中加入H2SO4/H2O2混合溶液,加热回流搅拌;停止反应,冷却至室温,用去离子水多次“洗涤-抽滤”,直至滤液变为中性,将得到的固体产物进行真空干燥,制得改性处理后的单壁碳纳米管粉末;
S2、将氧化石墨烯进行改性处理:将氧化石墨烯粉末中加入水,得到分散的氧化石墨烯溶液;滴加还原剂到所述氧化石墨烯溶液中,搅拌、反应,经洗涤抽滤,冷冻干燥得到还原氧化石墨烯粉末;
S3、温敏导电复合薄膜材料制备:将表面活性剂加入到水中溶解,再分别称取所述S1的单壁碳纳米管粉末、所述S2的还原氧化石墨烯粉末并加入到所述表面活性剂溶液中,搅拌分散并进行超声处理;向超声处理后的混合液中加入(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))水溶液,进行分散、抽滤,将抽滤所得固体物进行真空干燥,得到温敏导电复合薄膜材料;
S4、柔性温度传感器制备:将所述S3的温敏导电复合薄膜材料切割成长条形或蛇形后,置于柔性基底上,用银胶将导线与所述温敏导电复合薄膜材料相连,然后封装,干燥,得到所述柔性温度传感器。
进一步地,所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底或聚酰亚胺(PI)基底。
进一步地,步骤S2中,所述还原剂为抗坏血酸,所述氧化石墨烯粉末与所述抗坏血酸的比例为(0.4-0.6)g:(90-110)mL。
进一步地,步骤S3中,所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠,加入量为15-25g。
进一步地,所述S4具体包括以下步骤:
将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂进行混合,搅拌并脱气,然后将所述聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂的混合液均匀旋涂在均匀喷涂有脱模剂的硅片上;旋涂完成后,将所述硅片在60-100℃的环境下干燥,得到聚二甲基硅氧烷基底;将所述S3的温敏导电复合材料切割成长条形或蛇形后,置于所述聚二甲基硅氧烷基底上,用银胶将导线与所述温敏导电复合薄膜材料相连,烤干银胶,然后用聚二甲基硅氧烷旋涂封装,干燥,得到所述柔性温度传感器;
或,
所述S4具体包括以下步骤:
将所述S3的温敏导电薄膜切割成长条形后,置于聚酰亚胺基底上,用银胶将导线与所述温敏导电复合薄膜材料相连,烤干银胶,然后用聚酰亚胺胶带封装,得到所述柔性温度传感器。
进一步地,所述S4中旋涂的转速为1000-2000rpm,旋涂时长为5-15s。
进一步地,所述S4中聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂质量比为(9-12):1。
本发明还提供一种柔性温度传感器在可穿戴设备传感器中的应用。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1.制备方法简单,采用简便的抽滤方式。
2.制备得到的柔性温度传感器的电阻温度系数可达0.605%℃-1,具备较高的灵敏度。
3.具备优异的重复性,在25℃-45℃温度范围内进行快速的升温-降温过程,传感器的电阻随温度变化基本保持一致。
4.还具备较快的响应速度和恢复速度,综合性能优异。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种柔性温度传感器的制备方法流程示意图;
图2本发明实施例提供的一种柔性温度传感器的示意图;
图3为本发明实施例提供的一种柔性温度传感器的实物图;
图4为本发明实施例提供的一种柔性温度传感器的循环测试结果;
图5为分别以PDMS和PI做基底的柔性温度传感器随温度变化的电阻变化率曲线;
图6为本发明实施例1和2提供的柔性温度传感器的制备方法具体流程示意图。
附图标记:
1-温敏导电复合薄膜材料;2-铜导线;3-柔性基底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明将(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))水溶液(即PEDOT:PSS水溶液)与单壁碳纳米管(SWCNT)和还原氧化石墨烯(rGO)按比例均匀混合,采用简单、易实施的抽滤方式制得温敏导电复合材料,利用该材料与高柔性的PDMS或PI基底结合制备得到柔性温度传感器。该传感器在工作时,PEDOT:PSS与rGO的π-π强相互作用,促进电荷的运输和电势积累,而SWCNT和rGO具有协同效应,从而引起整个材料的电阻发生较大变化,实现热电信号的快速转换,从而实现对温度的实时监测。
实施例1
S1:配制2mol/L硫酸(H2SO4)水溶液100mL,然后取该H2SO4溶液和过氧化氢水溶液(H2O2 30%)配制H2SO4与H2O2体积比为3:1的混合溶液。
称取0.2g SWCNT置于圆底烧瓶中,加入40mLH2SO4/H2O2(3:1)混合溶液,油浴加热,搅拌回流一晚上。停止反应,冷却至室温,用去离子水多次“洗涤-抽滤”,直至滤液变为中性。将得到的固体产物在60℃条件下真空干燥一晚上,密封保存备用。使用H2SO4/H2O2混合溶液处理SWCNT,可以减少SWCNT的团聚,可以避免团聚对其导电性带来的不良影响。
S2:将0.5g氧化石墨烯(GO)粉末放入烧杯中,加入250mL去离子水,100W条件超声剥离2小时,得到分散的GO溶液。用磁力搅拌器(转速800rpm)搅拌GO溶液,搅拌过程中匀速滴加100mL抗坏血酸溶液(10%),滴加完毕继续搅拌30min。将得到的r-GO溶液用去离子水“洗涤-抽滤”多次,将得到的固体产物冷冻干燥,密封保存备用。抗坏血酸溶液作为还原剂,可以消除氧化石墨烯上非必要的官能团,进一步增强材料的导电性。
S3:称取0.2g十二烷基苯磺酸钠(SDBS)加入烧杯中,加入20mL去离子水溶解,然后分别称取0.01g还原氧化石墨烯和0.01g酸处理后的单壁碳纳米管,搅拌分散,800W条件超声5min。向超声分散后的混合液中加入6mL PEDOT:PSS(1.3wt%)水溶液,800W条件超声30min。将分散均匀的混合液用PVDF滤膜抽滤,真空干燥,得到温敏导电复合材料。十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂,可以增强材料的导电性。
S4:将PDMS与固化剂以质量比10:1进行混合,2000rpm转速下搅拌并脱气,然后将其均匀旋涂在均匀喷涂脱模剂的硅片上。旋涂过程转速为1500rpm,时长为10s。旋涂完成后,将整个硅片平整放入鼓风干燥箱中70℃干燥30min。旋涂转速可在1000-2000rpm范围内调整,旋涂时长可在5-15s范围内调整,PDMS与固化剂质量比可在(9-12):1范围内调整,旋涂的转速、时长以及PDMS与固化剂质量比将影响PDMS基底的厚度,从而对柔性温度传感器的灵敏度造成影响。
将干燥后的温敏导电薄膜用激光切割成3cm×1cm的长方形或蛇形,然后将该膜置于旋涂好的PDMS基底上,用银胶将铜导线与其相连,60℃烤干银胶,然后用PDMS旋涂封装,70℃干燥,即得以PDMS为基底的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器。
本发明中,单壁碳纳米管、还原氧化石墨烯和(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))的质量比优选在1:1:(3-39)范围内,三者的质量比会影响整个柔性传感器的灵敏度、响应速度等性能。
图1为柔性温度传感器的制备方法流程示意图。参见图2、3,图2为所制得的以PDMS为基底的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器的示意图,图3为所制得的以PDMS为基底的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器的实物图,柔性温度传感器可弯曲,适用于穿戴。
对柔性温度传感器在25℃-45℃温度区间内进行快速的升温-降温过程,如图4所示,可以看出,传感器的电阻随温度变化基本保持一致,由此可见本实施例提供的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器具有优异的可重复性。
对以PDMS为基底的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器进行电阻率变化测试,得出以PDMS为基底的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器随温度变化的电阻变化率曲线,其电阻温度系数为0.605%℃-1,参见图5。
实施例2
S1:配制2mol/L硫酸(H2SO4)水溶液100mL,然后取该H2SO4溶液和过氧化氢水溶液(H2O2 30%)配制H2SO4与H2O2体积比为3:1的混合溶液。
称取0.2g SWCNT置于圆底烧瓶中,加入40mLH2SO4/H2O2(3:1)混合溶液,油浴加热,搅拌回流一晚上。停止反应,冷却至室温,用去离子水多次“洗涤-抽滤”,直至滤液变为中性。将得到的固体产物在60℃条件下真空干燥一晚上,密封保存备用。
H2SO4溶液和过氧化氢水溶液(H2O2 30%)配制H2SO4与H2O2体积比可以在(4-5):1范围内进行调整,SWCNT在溶液中极易发生团聚,使用该体积比范围的H2SO4/H2O2混合溶液,可以有效减少SWCNT的团聚,以避免SWCNT团聚对材料导电性带来的不良影响。
S2:将0.5g氧化石墨烯(GO)粉末放入烧杯中,加入250mL去离子水,100W条件超声剥离2小时,得到分散的GO溶液。用磁力搅拌器(转速800rpm)搅拌GO溶液,搅拌过程中匀速滴加100mL抗坏血酸溶液(10%),滴加完毕继续搅拌30min。将得到的r-GO溶液用去离子水“洗涤-抽滤”多次,将得到的固体产物冷冻干燥,密封保存备用。
抗坏血酸溶液起还原剂的作用,氧化石墨烯粉末与抗坏血酸的比例可以在(0.4-0.6)g:(90-110)mL范围内调整,在该比例范围内,可以很好地消除氧化石墨烯上非必要的官能团,进一步增强材料的导电性。
S3:称取0.2g十二烷基苯磺酸钠(SDBS)加入烧杯中,加入20mL去离子水溶解,然后分别称取0.01g还原氧化石墨烯和0.01g酸处理后的单壁碳纳米管,搅拌分散,800W条件超声5min。向超声分散后的混合液中加入6mL PEDOT:PSS(1.3wt%)水溶液,800W条件超声30min。将分散均匀的混合液用PVDF滤膜抽滤,真空干燥,得到温敏导电复合材料。
十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂,其用量根据实际所添加的碳材料进行调整,为所添加碳材料质量的10倍,能够有效对碳材料进行分散,增强材料的导电性。
S4:将干燥后的温敏导电薄膜用激光切割成3cm×1cm的长方形,然后将该膜置于PI基底上,用银胶将铜导线与其相连,60℃烤干银胶,然后用PI胶带封装,即得以PI为基底的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器。
本发明中,单壁碳纳米管、还原氧化石墨烯和(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))的质量比优选在1:1:(3-39)范围内,三者的质量比会影响整个柔性传感器的灵敏度、重复性、响应速度等性能。
对以PI为基底的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器进行电阻率变化测试,得出以PI为基底的PEDOT:PSS/SWCNT/rGO复合材料柔性温度传感器随温度变化的电阻变化率曲线,其电阻温度系数为0.335%℃-1,参见图5。
实施例1和实施例2的具体制备方法流程可参见图6。本发明提供的柔性温度传感器可应用于可穿戴式设备上,如可穿戴医疗设备等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,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、同比例放大、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性温度传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将单壁碳纳米管进行改性处理:向单壁碳纳米管中加入H2SO4/H2O2混合溶液,加热回流搅拌;停止反应,冷却至室温,用去离子水重复进行“洗涤抽滤”操作至滤液变为中性,将得到的固体产物进行真空干燥,制得改性处理后的单壁碳纳米管粉末;
S2、将氧化石墨烯进行改性处理:将氧化石墨烯粉末中加入水,得到分散的氧化石墨烯溶液;将还原剂匀速滴加至搅拌状态下的所述氧化石墨烯溶液中,滴加完毕后继续搅拌反应,将反应所得溶液经洗涤抽滤,并将抽滤所得固体物经冷冻干燥得到还原氧化石墨烯粉末;
S3、温敏导电复合薄膜材料制备:将表面活性剂加入到水中溶解,再分别称取所述S1的单壁碳纳米管粉末、所述S2的还原氧化石墨烯粉末并加入到所述表面活性剂溶液中,搅拌分散并进行超声处理;向超声处理后的混合液中加入(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))水溶液,进行分散、抽滤,将抽滤所得固体物进行真空干燥,得到温敏导电复合薄膜材料;
S4、柔性温度传感器制备:将所述S3的温敏导电复合薄膜材料切割成长条形或蛇形后,置于柔性基底上,用银胶将导线与所述温敏导电复合薄膜材料相连,然后封装,干燥,得到所述柔性温度传感器;
所述单壁碳纳米管、所述还原氧化石墨烯和所述(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))的质量比为1:1:(3-39);
所述S4中旋涂的转速为1000-2000rpm,旋涂时长为5-15s。
2.根据权利要求1所述的柔性温度传感器的制备方法,其特征在于,所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷基底或聚酰亚胺基底。
3.根据权利要求1所述的柔性温度传感器的制备方法,其特征在于,所述S4具体包括以下步骤:
将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂进行混合,搅拌并脱气,然后将所述聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂的混合液均匀旋涂在均匀喷涂有脱模剂的硅片上;旋涂完成后,将所述硅片在60-100℃的环境下干燥,得到聚二甲基硅氧烷基底;将所述S3的温敏导电复合材料切割成长条形或蛇形后,置于所述聚二甲基硅氧烷基底上,用银胶将导线与所述温敏导电复合薄膜材料相连,烤干银胶,然后用聚二甲基硅氧烷旋涂封装,干燥,得到所述柔性温度传感器;
或,
所述S4具体包括以下步骤:
将所述S3的温敏导电薄膜切割成长条形或蛇形后,置于聚酰亚胺基底上,用银胶将导线与所述温敏导电复合薄膜材料相连,烤干银胶,然后用聚酰亚胺胶带封装,得到所述柔性温度传感器。
4.根据权利要求3所述的柔性温度传感器的制备方法,其特征在于,所述S4中聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂质量比为(9-12):1。
5.根据权利要求1所述的柔性温度传感器的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1:配制2mol/L的H2SO4水溶液100mL,然后取该H2SO4溶液和质量份30%的H2O2水溶液配制成H2SO4与H2O2体积比为3:1的H2SO4/H2O2混合溶液;
称取0.2g单壁碳纳米管置于反应容器中,加入40mL所述H2SO4/H2O2混合溶液,油浴加热,搅拌回流一晚上;停止反应,冷却至室温,用去离子水重复进行“洗涤抽滤”,直至滤液变为中性,将抽滤得到的固体产物在60℃条件下真空干燥一晚上,得到改性后的产物单壁碳纳米管并密封保存备用;
S2:将0.5g氧化石墨烯粉末放入容器中,加入250mL去离子水,100W条件超声剥离2小时,得到分散的氧化石墨烯溶液;于转速800rpm条件下搅拌氧化石墨烯溶液,搅拌过程中匀速滴加100mL质量分数10%的抗坏血酸溶液,滴加完毕继续搅拌30min,将得到的还原氧化石墨烯溶液用去离子水“洗涤抽滤”多次,将抽滤得到的固体物冷冻干燥,得到产物还原氧化石墨烯并密封保存备用;
S3:称取0.2g十二烷基苯磺酸钠加入容器中,加入20mL去离子水溶解,然后分别称取0.01g步骤S2所得产物还原氧化石墨烯和0.01g步骤S1所得产物单壁碳纳米管,搅拌分散,800W条件超声5min;向超声分散后的混合液中加入6mL质量分数1.3%的(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))水溶液,800W条件超声30min;将分散均匀的混合液用PVDF滤膜抽滤,真空干燥,得到温敏导电复合薄膜材料;
S4:将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂以质量比10:1进行混合,2000rpm转速下搅拌并脱气,然后将其均匀旋涂在均匀喷涂有脱模剂的硅片上,旋涂过程转速为1500rpm,时长为10s,旋涂完成后,将整个硅片平整放入鼓风干燥箱中70℃干燥30min,得到聚二甲基硅氧烷柔性基底;
将干燥后的温敏导电复合薄膜材料用切割成长方形或蛇形,然后置于旋涂好的聚二甲基硅氧烷柔性基底上,用银胶将铜导线与其相连,60℃烤干银胶,然后用聚二甲基硅氧烷旋涂封装,70℃干燥,即得以聚二甲基硅氧烷为柔性基底的柔性温度传感器。
6.根据权利要求1所述的柔性温度传感器的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1:配制2mol/L H2SO4水溶液100mL,然后取该H2SO4溶液和质量份30%的H2O2水溶液配制H2SO4与H2O2体积比为3:1的H2SO4/H2O2混合溶液;
称取0.2g单壁碳纳米管置于反应容器中,加入40mL所述H2SO4/H2O2混合溶液,油浴加热,搅拌回流一晚上;停止反应,冷却至室温,用去离子水重复进行“洗涤抽滤”,直至滤液变为中性,将抽滤得到的固体产物在60℃条件下真空干燥一晚上,得到改性后的产物单壁碳纳米管并密封保存备用;
S2:将0.5g氧化石墨烯粉末放入容器中,加入250mL去离子水,100W条件超声剥离2小时,得到分散的GO溶液; 于转速800rpm条件下搅拌氧化石墨烯溶液,搅拌过程中匀速滴加100mL质量分数10%的抗坏血酸溶液,滴加完毕继续搅拌30min,将得到的还原氧化石墨烯溶液用去离子水“洗涤抽滤”多次,将抽滤得到的固体物冷冻干燥,得到产物还原氧化石墨烯并密封保存备用;
S3:称取0.2g十二烷基苯磺酸钠加入烧杯中,加入20mL去离子水溶解,然后分别称取0.01g步骤S2所得产物还原氧化石墨烯和0.01g步骤S1所得产物单壁碳纳米管,搅拌分散,800W条件超声5min;向超声分散后的混合液中加入6mL质量分数1.3%的(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))水溶液,800W条件超声30min;将分散均匀的混合液用PVDF滤膜抽滤,真空干燥,得到温敏导电复合材料;
S4:将干燥后的温敏导电薄膜用激光切割成3cm×1cm的长方形或蛇形,然后将该膜置于PI基底上,用银胶将铜导线与其相连,60℃烤干银胶,然后用PI胶带封装,即得以PI为基底的柔性温度传感器。
7.一种根据权利要求1-6任一项方法制备得到的柔性温度传感器,其特征在于,包括温敏导电复合薄膜材料以及承载所述温敏导电复合薄膜材料的柔性基底,所述温敏导电复合薄膜材料至少由单壁碳纳米管、还原氧化石墨烯和(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))制备而成;
所述单壁碳纳米管、所述还原氧化石墨烯和所述(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))的质量比为1:1:(3-39)。
8.根据权利要求1-6任一项所述制备方法所得的柔性温度传感器在可穿戴设备传感器中的应用。
CN202110500891.7A 2021-05-08 2021-05-08 一种柔性温度传感器、制备方法及其应用 Active CN113108935B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110500891.7A CN113108935B (zh) 2021-05-08 2021-05-08 一种柔性温度传感器、制备方法及其应用
PCT/CN2021/093568 WO2022236768A1 (zh) 2021-05-08 2021-05-13 一种基于复合材料的柔性温度传感器、制备方法及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110500891.7A CN113108935B (zh) 2021-05-08 2021-05-08 一种柔性温度传感器、制备方法及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113108935A CN113108935A (zh) 2021-07-13
CN113108935B true CN113108935B (zh) 2022-09-06

Family

ID=76721673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110500891.7A Active CN113108935B (zh) 2021-05-08 2021-05-08 一种柔性温度传感器、制备方法及其应用

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113108935B (zh)
WO (1) WO2022236768A1 (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114112124B (zh) * 2021-11-02 2023-11-10 陕西科技大学 一种PEDOT:PSS/MgAlV-LDH/皮革柔性可穿戴传感材料及其制备方法
CN113984235B (zh) * 2021-11-10 2024-04-19 武汉大学 基于离子热电水凝胶的柔性可拉伸热电偶及其制备方法
CN114235212A (zh) * 2021-12-24 2022-03-25 济南大学 一种柔性温度传感材料、传感器及其制备方法
CN114396869B (zh) * 2022-01-18 2023-09-22 山西大学 一种极端环境耐受型高灵敏度应变传感器的制备方法
CN114812847B (zh) * 2022-04-29 2023-10-03 中国科学院物理研究所 一种拓扑型温度计、其制备及测量方法
CN116855254A (zh) * 2023-07-03 2023-10-10 江苏莘野生物科技有限公司 一种长效可控的酸性土壤调理剂及其制备方法
CN117091727B (zh) * 2023-08-24 2024-04-23 哈尔滨理工大学 一种基于peo的可植入电池温度传感器及其制备方法和应用
CN117245934B (zh) * 2023-11-20 2024-01-26 南京邮电大学 基于微电子打印的柔性拉伸传感器及其制备方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8198976B2 (en) * 2006-08-18 2012-06-12 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Flexible thin metal film thermal sensing system
US7649439B2 (en) * 2006-08-18 2010-01-19 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Flexible thin metal film thermal sensing system
WO2012178071A2 (en) * 2011-06-23 2012-12-27 Brown University Device and methods for temperature and humidity measurements using a nanocomposite film sensor
EP2920833A1 (en) * 2012-11-15 2015-09-23 Solvay SA Film forming composition comprising graphene material and conducting polymer
CN106568539A (zh) * 2016-10-20 2017-04-19 上海交通大学 基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法
CN106932119A (zh) * 2017-03-24 2017-07-07 东华大学 一种印刷式织物基柔性温度传感器
CN106840483B (zh) * 2017-03-31 2019-03-05 北京工业大学 碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器及其制备方法
CN108489646A (zh) * 2018-03-16 2018-09-04 电子科技大学 一种柔性可穿戴力学传感器及其制备方法
CN108896199B (zh) * 2018-08-21 2020-06-23 厦门大学 一种可拉伸的纱线传感器及其制备方法
CN109632140A (zh) * 2018-12-26 2019-04-16 天津大学 一种温度传感器及温度检测装置
CN110068397B (zh) * 2019-04-29 2021-06-25 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种柔性体温传感器及其制备方法
CN110729138A (zh) * 2019-09-04 2020-01-24 江苏大学 一种基于导电聚合物复合柔性电极材料的制备方法
CN112284579B (zh) * 2020-09-30 2021-11-16 济南大学 基于生物薄膜的自供电柔性压阻式压力传感器及其制备方法与应用
CN112225942A (zh) * 2020-10-13 2021-01-15 中南大学 应变-温度双响应柔性电子传感器复合材料的制备方法及得到的电子传感器和复合材料

Also Published As

Publication number Publication date
CN113108935A (zh) 2021-07-13
WO2022236768A1 (zh) 2022-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113108935B (zh) 一种柔性温度传感器、制备方法及其应用
Xu et al. A wearable body condition sensor system with wireless feedback alarm functions
Zhou et al. Rapid response flexible humidity sensor for respiration monitoring using nano-confined strategy
CN110108375B (zh) 一种基于MXene材料的电子皮肤及其制备方法
Wang et al. Mechanically robust, degradable and conductive MXene-composited gelatin organohydrogel with environmental stability and self-adhesiveness for multifunctional sensor
CN107036741B (zh) 一种自修复石墨烯基压力传感器的制备方法
CN109115107B (zh) 一种高灵敏度柔性应变传感器的制备方法
Liu et al. Flexible temperature sensors
CN107655598A (zh) 基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器
CN107393721B (zh) 一种二硫化钼量子点修饰的石墨烯-氧化锌纳米管阵列传感材料的制备方法
CN105583408A (zh) Cu纳米线-还原氧化石墨烯三维多孔薄膜的制备方法及应用
CN111609954B (zh) 一种柔性压力传感器及其制备方法
CN112225942A (zh) 应变-温度双响应柔性电子传感器复合材料的制备方法及得到的电子传感器和复合材料
Xue et al. Wearable and visual pressure sensors based on Zn 2 GeO 4@ polypyrrole nanowire aerogels
WO2022252021A1 (zh) 一种柔性温度传感器阵列及其制备方法
CN106497064A (zh) 一种高介电常数无机/聚二甲基硅氧烷复合柔性材料及制备方法和应用
CN113733697A (zh) 一种高灵敏度宽传感范围的柔性复合薄膜及其应用
Du et al. Study on the performance of temperature‐stabilised flexible strain sensors based on silver nanowires
WO2020155195A1 (zh) 一种柔性温度传感器
CN110551308B (zh) 一种利用生物质材料制备柔性应变传感器的方法
CN109870174A (zh) 一种柔性电极及其制备方法
CN115435912A (zh) 一种柔性温度传感器及其制备方法
CN111446355B (zh) 一种有机/无机复合热电纤维及其制备和应用
Li et al. Liquid metal integrated PU/CNT fibrous membrane for human health monitoring
Liu et al. Highly sensitive wearable strain sensors using copper nanowires and elastomers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant