CN114023485A - 一种可降解柔性导电复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可降解柔性导电复合材料及其制备方法与应用，该复合材料的制备方法包括如下步骤：(1)将平板茧放入粘结剂进行浸泡或在平板茧上旋涂粘结剂；(2)将纳米导电材料放入乙醇中配制成乙醇分散液，其中，所述纳米导电材料为线性导电材料和/或石墨烯；(3)将乙醇分散液喷涂到平板茧上，干燥后得到复合材料，其中制得的复合材料具有极佳的导电性能，作为基底材料用于制备柔性可穿戴传感器，不仅穿戴舒适、灵敏度高、性能稳定，而且废弃后能进行降解，不会对环境造成污染。

Description

一种可降解柔性导电复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于柔性导电材料技术领域，尤其是一种可降解柔性导电复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
可穿戴柔性电子产品已经成为日常生活中的重要组成部分，可集成到人体表面，从而提供许多有用功能，例如健康监测、运动跟踪以及人机交互等等。
但是目前柔性可穿戴电子产品所使用的基底材料不仅需要良好的力学性能，也需要极佳的导电性，这使得其制备工艺复杂，回收处理也极为困难，因此随着柔性可穿戴传感器的普及，其所产生的的电子垃圾也日益增多，为环境治理带来了较大的困扰。因此，亟需一种适用于可穿戴柔性电子产品的可降解基底材料来缓解这一问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种可降解柔性导电复合材料及其制备方法与应用。
本发明采用的技术方案如下：
一种可降解柔性导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将平板茧放入粘结剂进行浸泡或在平板茧上旋涂粘结剂；
(2)将纳米导电材料放入乙醇中配制成乙醇分散液，其中，所述纳米导电材料为线性导电材料和/或石墨烯；
(3)将乙醇分散液喷涂到平板茧上，干燥后得到复合材料。
更进一步地，所述线性导电材料为银纳米线、碳纳米管或碳纤维。
更进一步地，所述步骤(2)中制得的乙醇分散液中，所述纳米导电材料的质量分数为5-10％。
更进一步地，所述纳米导电材料中，银纳米线与石墨烯的质量比为1:1。
更进一步地，所述纳米导电材料放入乙醇中后，超声处理30-60min。
更进一步地，所述粘结剂为丝素蛋白溶液或水性丙烯酸树脂，所述丝素蛋白溶液的浓度为1％-10％，水性丙烯酸树脂浓度为1-8％。
更进一步地，所述步骤(3)中，平板茧上喷涂乙醇分散液后，自然干燥4-8h得到复合材料。
一种可降解柔性导电复合材料，其采用上述制备方法制得。
上述可降解柔性导电复合材料可用于制备柔性可穿戴传感器，该柔性可穿戴传感器可用作应变或压力传感器，以监测人体呼吸、心跳或运动等。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，采用简单喷涂的方式将纳米导电材料的乙醇分散液均匀喷涂在加有粘结剂的平板茧上，环保无污染，所需设备少，且操作简单，可实现大规模机械自动化生产；
2.以石墨烯、线性导线材料作为纳米导电材料喷涂在平板茧上，使得制得的复合材料兼具优异的力学性能及导电性能；
3.石墨烯可以平铺到线性导电材料的导电网络之间的空隙中，线面结合，起到类似“补丁”的作用，有效增加了载流子运输面积，同时石墨烯优良的气体阻隔性能还可以有效地充当银纳米线的钝化层，防止其氧化，从而提高其使用稳定性；
4.采用丝素蛋白溶液或水性丙烯酸树脂作为粘结剂，有效提升了导电材料形成的喷涂层与平板茧之间的稳定性，也提升了复合材料的灵敏度；
5.制得的复合材料，保留了平板茧本身的优良理化性能，制得的传感器在具有优良的使用性能的同时，还能大幅度提升穿戴的舒适性；
6.复合材料的主要原料为平板茧，其由丝胶蛋白和丝素蛋白组成，是一种天然的生物质符合材料，在废弃后，能进行回收降解，后处理方便，且处理成本低廉，有利于保护环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1-3制得的复合材料的灵敏度测试结果；
图2为柔性可穿戴传感器监测结果；
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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种可降解柔性导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将平板茧放入粘结剂进行浸泡或在平板茧上旋涂粘结剂；
(2)将纳米导电材料放入乙醇中配制成乙醇分散液，其中，所述纳米导电材料为线性导电材料和/或石墨烯；
(3)将乙醇分散液喷涂到平板茧上，干燥后得到复合材料。
其中，将五龄熟蚕置于平板吐丝床上进行吐丝，即可获得平板茧，当然蚕可以是柞蚕或家蚕等蚕类。这样获得的平板茧由丝胶蛋白和丝素蛋白组成，拥有与蚕茧类似的多孔层级无纺结构，是一种天然的生物质复合材料，且平板茧特殊的结构和成分赋予其优异的生物相容性、机械性能和可设计性。
石墨烯是一种典型的二维纳米材料，具有优异的导热性、导电性、机械性能及化学稳定性等特征，并具有极高载流子迁移率(15000cm2/V·s)、超大比表面积(2630m2/g)和超高机械强度(1.0TPa)。线性导电材料为银纳米线、碳纳米管或碳纤维，其均具有优异的导电、导热和柔韧性。因此，石墨烯和线性导电材料可以单独制成乙醇分散液进行使用，为了提升产品性能，也可以混合使用，例如将石墨烯与银纳米线混合使用，二维石墨烯片层可以平铺到银纳米线导电网络之间的空隙，线面结合，起到类似“补丁”的作用，从而增加载流子运输面积。二维石墨烯优良的气体阻隔性能还可以有效的充当银纳米线的钝化层，防止其氧化。
其中，纳米导电材料通过乙醇进行分散，不仅能使纳米导电材料在平板茧上均匀分布，还能改善平板茧的性能，当然最好使其自然干燥，以使乙醇与平板茧充分反应。另外，在制备乙醇分散液时，需要使纳米导电材料的质量分数为5-10％，同时，最好进行超声处理30-60min，再搅拌30-60min，以使纳米导电材料均匀分散，当然在喷涂乙醇分散液时，最好是每平方厘米平板丝喷涂0.05-0.2ml乙醇分散液。
而粘结剂，可以选用浓度为1％-10％的丝素蛋白溶液，或浓度为1％-8％的水性丙烯酸树脂，其能较好地对纳米导电材料进行粘接，提升复合材料的稳定性与灵敏度，而在粘结剂使用时，可以选择旋涂或者浸泡的方式使粘结剂分布在平板茧表面或者夹层内，如果旋涂，最好以400-800rpm/min的转速进行旋涂，如果浸泡，可以将平板茧放入粘结剂中浸泡15-30min，当然可以多次重复浸泡，以使粘接剂能与平板茧较好地结合。
上述方法制得的复合材料既保留了蚕丝本身的优良理化性能，又具有优异的导电能力，可以作为基底材料用于制备各种类型的柔性可穿戴传感器，其不仅穿戴舒适，而且能有效将形变或者压力转变为电信号检测人体的呼吸、心跳、运动等。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明提供一种可降解柔性导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板茧，将平板茧浸泡于浓度为6％的丝素蛋白溶液中，15min后取出沥水晾干，并重复浸泡晾干3次，当然晾干为自然干燥；
(2)将质量比为1:1的银纳米线与石墨烯(二维)放入乙醇中，超声处理30min，随后搅拌40min，制成乙醇分散液，其中银纳米线和石墨烯组成的纳米导电材料的质量分数为8％；
(3)将乙醇分散液均匀喷涂至步骤(1)得到的平板茧上，喷涂时每平方厘米平板丝喷涂0.05-0.2ml乙醇分散液，喷涂后自然干燥5h即得到复合材料，自然干燥能使乙醇充分与平板茧作用，进一步改善平板茧性能。
实施例2
本发明提供一种可降解柔性导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板茧，将平板茧浸泡于浓度为6％的丝素蛋白溶液中，15min后取出沥水晾干，并重复浸泡晾干3次，当然晾干为自然干燥；
(2)将银纳米线放入乙醇中，超声处理30min，随后搅拌40min，制成乙醇分散液，其中银纳米线的质量分数为8％；
(3)将乙醇分散液均匀喷涂至步骤(1)得到的平板茧上，喷涂后自然干燥5h即得到复合材料，自然干燥能使乙醇充分与平板茧作用，进一步改善平板茧性能。
实施例3
本发明提供一种可降解柔性导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板茧，将平板茧浸泡于浓度为6％的丝素蛋白溶液中，15min后取出沥水晾干，并重复浸泡晾干3次，当然晾干为自然干燥；
(2)将石墨烯放入乙醇中，超声处理30min，随后搅拌40min，制成乙醇分散液，其中石墨烯的质量分数为8％；
(3)将乙醇分散液均匀喷涂至步骤(1)得到的平板茧上，喷涂后自然干燥5h即得到复合材料，自然干燥能使乙醇充分与平板茧作用，进一步改善平板茧性能。
实施例4
本发实施例提供一种可降解柔性导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板茧，将浓度为7％的水性丙烯酸树脂溶液以400-800rpm/min的转速旋涂在平板茧上，其中，每平方厘米平板丝旋喷粘结剂0.02-0.05ml，并使其自然干燥；
(2)将石墨烯与乙醇配制成乙醇分散液，其中，石墨烯的质量分数为5％，配制时超声处理40min后，再搅拌30min；
(3)将乙醇分散液均匀喷涂在平板茧上，自然干燥4h得到复合材料。
实施例5
本实施例提供一种可降解柔性导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板茧，将平板茧浸泡于浓度为10％的丝素蛋白溶液中，15min后取出沥水晾干，并重复浸泡晾干3次，当然晾干为自然干燥；
(2)将碳纳米管与乙醇配制成乙醇分散液，其中，碳纳米管的质量分数为10％，配制时超声处理35min后，再搅拌30min；
(3)将乙醇分散液均匀喷涂在平板茧上，自然干燥6h得到复合材料。
实施例6
(1)将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板茧，将平板茧浸泡于浓度为1％的丝素蛋白溶液中，30min后取出沥水晾干，并重复浸泡晾干3次，当然晾干为自然干燥；
(2)将碳纤维与乙醇配制成乙醇分散液，其中碳纤维的质量分数为6％，配制时，超声处理60min后，再搅拌60min。
(3)将乙醇分散液均匀喷涂在平板茧上，自然干燥8h得到复合材料。
实施例5
(1)将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板茧，将平板茧浸泡于浓度为8％的水性丙烯酸树脂中，25min后取出沥水晾干，并重复浸泡晾干3次，当然晾干为自然干燥；
(2)将质量比为1:1的银纳米线与石墨烯(二维)放入乙醇中，超声处理30min，随后搅拌40min，制成乙醇分散液，其中银纳米线和石墨烯组成的纳米导电材料的质量分数为7％；
(3)将乙醇分散液均匀喷涂在平板茧上，自然干燥5h得到复合材料。
试验例
以实施例1-3的制备方法制得的复合材料进行实验，测试其灵敏度，具体测试结果如图1所示，图1中纵轴的
Figure BDA0003350611050000081
I0为初始电流值，I为实时电流值，横轴表示施加的压力值(Stress/KPa)，另外，Ag NW表示银纳米线，GR表示石墨烯，Ag NW/GR表示银纳米线与石墨烯混合作为纳米导电材料使用。
其中由图1可以明显看出，实施例1-3制得的复合材料均具有极高的灵敏性，且以实施例1中银纳米线与石墨烯混合作为纳米导电材料使用时。
以实施例1制备得到的复合材料为基底材料，制成柔性可穿戴传感器，监测人体运动，监测时，手指进行规律弯曲，测量结果如图2所示，其中，图2中的横轴表示测量时间，纵轴的
Figure BDA0003350611050000082
I0为手指未发生运动时的初始电流值，I为实时电流值。
由图2可以看出，由本发明的复合材料制得的柔性可穿戴传感器能有效监测人体运动，且信号稳定。
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)

1.一种可降解柔性导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将平板茧放入粘结剂进行浸泡或在平板茧上旋涂粘结剂；
(2)将纳米导电材料放入乙醇中配制成乙醇分散液，其中，所述纳米导电材料为线性导电材料和/或石墨烯；
(3)将乙醇分散液喷涂到平板茧上，干燥后得到复合材料。
2.根据权利要求1所述的可降解柔性导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述线性导电材料为银纳米线、碳纳米管或碳纤维。
3.根据权利要求2所述的可降解柔性导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中制得的乙醇分散液中，所述纳米导电材料的质量分数为5-10％。
4.根据权利要求3所述的可降解柔性导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米导电材料中，银纳米线与石墨烯的质量比为1:1。
5.根据权利要求1所述的可降解柔性导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米导电材料放入乙醇中后，超声处理30-60min。
6.根据权利要求1所述的可降解柔性导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为丝素蛋白溶液或水性丙烯酸树脂，所述丝素蛋白溶液的浓度为1％-10％，水性丙烯酸树脂浓度为1-8％。
7.根据权利要求1所述的可降解柔性导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，平板茧上喷涂乙醇分散液后，自然干燥4-8h得到复合材料。
8.一种可降解柔性导电复合材料，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的制备方法制得。
9.一种权利要求8所述的可降解柔性导电复合材料的应用，其特征在于，所述复合材料用于制备柔性可穿戴传感器。
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