CN114199426A - 柔性传感层、柔性传感器的制备方法及柔性传感器 - Google Patents

柔性传感层、柔性传感器的制备方法及柔性传感器 Download PDF

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CN114199426A CN202111467277.1A CN202111467277A CN114199426A CN 114199426 A CN114199426 A CN 114199426A CN 202111467277 A CN202111467277 A CN 202111467277A CN 114199426 A CN114199426 A CN 114199426A
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Abstract

本发明提供了一种柔性传感层、柔性传感器的制备方法及柔性传感器，涉及传感器技术领域，所述柔性传感层的制备方法包括如下步骤：利用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体；在所述柔性传感层基体表面增设热电材料涂层；对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，得到柔性传感层。本发明通过多级次孔隙结构的柔性传感层基体改变压力状态下的内部接触面积，影响电阻的变化幅度，提高柔性传感层的压力灵敏度；通过增设热电材料涂层降低温度电阻效应，减少电阻和热电电压信号之间的信号串扰；还通过对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，提升载流子浓度，进而提升塞贝克系数，达到提高传感器的温度灵敏度的效果。

Description

柔性传感层、柔性传感器的制备方法及柔性传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种柔性传感层、柔性传感器的制备方法及柔性传感器。
背景技术
传感器技术广泛应用于科学研发和工业生产中，在发展经济、推动社会进步方面具有重要作用，其中，用于压力、应变、温度和湿度等参数组合测量的柔性多功能传感器在过去几年中受到广泛关注，在这些多功能传感器中，柔性压力-温度传感器以其优越的传感能力和灵敏度，在柔性可穿戴领域和人工智能等方面得到重要应用。
现有柔性压力-温度传感器一般由传感层和电极两部分组成，其工作原理为，利用传感层感应压力和温度的不同刺激，并通过电极转换为不同类型的电信号，其中，电阻-热电类型的传感器具有无需解耦分析，制备方法简单，器件结构简单等优势。然而，在现有技术中，仍然存在传感层感应灵敏度较低以及传感层电阻和电压信号相互干扰的问题，导致传感器灵敏度和精准度较差，影响工作效率，使其在实际应用中受到限制。
发明内容
本发明解决的问题是如何改善传感层感应灵敏度低，电阻和热电电压信号相互干扰的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种柔性传感层的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：利用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体；
步骤S2：在所述柔性传感层基体表面增设热电材料涂层；
步骤S3：对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，得到柔性传感层。
可选地，步骤S1中，所述利用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体，包括：
利用3D打印技术将打印浆料分层堆叠打印并固化后，浸于水中，得到具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体；其中，所述打印浆料通过将柔性树脂、乙醇、碳纳米纤维和水溶性颗粒混合并搅拌、除泡后得到。
可选地，步骤S2中，所述在所述柔性传感层基体表面增设热电材料涂层，包括：
将所述柔性传感层基体置于分散有热电材料的溶液中超声后，进行冷冻干燥，得到表面具有热电材料涂层的柔性传感层中间体。
可选地，所述热电材料包括石墨烯、碳纳米管、碲化铋、聚酰亚胺、聚乙烯二氧噻吩或P3HT。
可选地，步骤S3中，所述对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，包括：
采用气体等离子体对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理；所述气体等离子体包括氧气等离子体、氮气等离子体、空气等离子体或惰性气体等离子体。
本发明所述的柔性传感层的制备方法相较于现有技术的优势在于，本发明使用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体，在压力作用时增大具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体的内部接触面积，进而增大电阻的变化幅度，提高柔性传感层的压力灵敏度；通过在柔性传感层基体表面增设热电材料涂层降低温度电阻效应，进而减少电阻和热电电压信号之间的信号串扰；本发明还通过对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，进而在所述涂层结构表面制造缺陷，提升载流子浓度，进而提升塞贝克系数，即提升传感层在相同温度变化量下可检测到电压变化的能力，达到提高柔性传感层的温度灵敏度的效果。
本发明还提供了一种柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
制备柔性电极，将如上所述的柔性传感层的制备方法制得的柔性传感层粘附于两片所述柔性电极之间，经过高温固化后，得到柔性传感器。
可选地，所述柔性电极的制备方法包括：
将纳米金属导电材料超声分散于乙醇中，真空抽滤到聚偏氟乙烯膜上后干燥，得到纳米金属导电材料/聚偏氟乙烯膜；
将所述纳米金属导电材料/聚偏氟乙烯膜转印到柔性树脂薄膜上，去除所述聚偏氟乙烯膜，得到纳米金属导电材料/柔性树脂薄膜，连接导线后，得到所述柔性电极。
可选地，所述纳米金属导电材料包括纳米银片、纳米银颗粒、纳米银线、纳米铂颗粒或纳米金线。
可选地，所述柔性树脂薄膜选自可降解材料，所述可降解材料包括可降解聚氨酯。
本发明所述的柔性传感器的制备方法相对于现有技术的优势在于，本发明通过将柔性传感层置于两片柔性电极之间的方式制备出柔性传感器，使得柔性传感器在压力作用时，增大内部接触面积，进而增大电阻的变化幅度，提高柔性传感器的压力灵敏度；通过在柔性传感层基体表面增设热电材料涂层降低温度电阻效应，进而使得柔性传感器减少了电阻和热电电压信号之间的信号串扰；本发明还通过对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，进而在所述热电材料涂层结构表面制造缺陷，提升载流子浓度，进而提升塞贝克系数，即提升柔性传感层在相同温度变化量下可检测到电压变化的能力，提高柔性传感器的温度灵敏度。
本发明的另一目的在于提供一种柔性传感器，基于所述的柔性传感器的制备方法制得。
本发明所述的柔性传感器相对于现有技术的优势与上述柔性传感器的制备方法相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例的柔性传感层的制备方法流程图；
图2为本发明实施例1的柔性传感器的立体图；
图3为本发明实施例1的柔性传感器的主视图；
图4为本发明实施例2的柔性传感器电阻变化图；
图5为本发明实施例2的柔性传感器电信号变化图一；
图6为本发明实施例3的柔性传感器电信号变化图二。
附图标记说明：
1-柔性电极；11-柔性树脂薄膜；12-纳米金属导电材料；2-柔性传感层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是，在本申请实施例的描述中，术语“一些具体的实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种柔性传感层的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：利用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体；
步骤S2：在所述柔性传感层基体表面增设热电材料涂层；
步骤S3：对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，得到柔性传感层2。
本发明实施例使用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体，在压力作用时增大具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体的内部接触面积，进而增大电阻的变化幅度，提高柔性传感层2的压力灵敏度；通过在柔性传感层基体表面增设热电材料涂层降低温度电阻效应，进而减少电阻和热电电压信号之间的信号串扰；本发明还通过对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，进而在所述涂层结构表面制造缺陷，提升载流子浓度和塞贝克系数，即提升传感层在相同温度变化量下可检测到电压变化的能力，达到提高柔性传感层2的温度灵敏度的效果。
在一些具体的实施例中，步骤S1中，利用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体，包括：
利用3D打印技术将打印浆料分层堆叠打印并固化后，浸于水中，得到具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体；其中，所述打印浆料通过将柔性树脂、乙醇、碳纳米纤维和水溶性颗粒混合并搅拌、除泡后得到。
其中，柔性树脂与乙醇的质量比优选1:1；碳纳米纤维与柔性树脂材料的质量比优选(0.5-2):100；水溶性颗粒与柔性树脂材料的质量比优选(4-5):1；在一个具体的实施例中，水溶性颗粒优选为盐或糖颗粒，直径优选为50-75微米；搅拌机转速优选1500-2000rpm；搅拌和除气泡时间优选3-5分钟。由此，以柔性树脂材料作为弹性基体，乙醇作为稀释剂，碳纳米纤维和盐或糖颗粒作为流变增稠剂，盐或糖颗粒同时作为造孔剂，得到的浆料具有良好的流变性能和打印表现，同时，使用的柔性树脂优选为乙醇可降解柔性树脂材料，绿色环保。
将上述打印浆料置于直写式3D打印机的针管中，采用多层堆叠的挤出方式逐层打印，然后置于20℃真空烘箱中1-3小时，以完全去除乙醇，再将其置于120℃高温烘箱中热固化6-10小时后，置于清水中浸泡，并替换水数次，直至完全去除水溶性颗粒，得到具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体。其中，在一些优选的实施例中，3D打印机的针管的针头内径为200-900微米，挤出速率为2-10mm/s，堆叠层数为2-20层，高温固化的时间为6-10小时。由此，得到具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体，在压力作用时柔性传感层基体内部的接触面积变化较大，进而增大电阻的变化幅度，提高柔性传感层2的压力灵敏度。
溶解后，盐或糖颗粒制造的较小级次的孔隙结构结合3D打印技术堆叠逐层打印得到的具有的较大级次的孔隙结构，使最终得到的柔性传感层2具有多级次的孔隙结构，从材料的弹性模量上来说，本发明实施例中的多级次孔隙结构堆叠较为松散，相比于仅包含模板颗粒的多孔模板模量更低，更接近于人体皮肤较低的模量，应用在柔性可穿戴电子领域更加舒适。另一方面，较低的模量代表了在相同压力下更大的压缩量，柔性传感层基体中的多级次孔隙结构的内部接触面积也越大，多级次孔隙结构除了模板孔隙接触，还有直写打印制造的杆与杆的接触，进一步增加了压缩时内部接触面积的变化。由于压阻型压力传感器的灵敏度可表示为：
Figure BDA0003392088400000061
其中，S代表压力灵敏度，R代表实际电阻值，R0代表初始电阻值，ΔP代表压强值的变化量。在不考虑传感层与电极的接触电阻时，在相同的外力变化下，内部接触面积变化越大，R变化越大，灵敏度S越大，故本发明实施例中的的多级次孔隙结构有助于增加传感器的压力灵敏度。
在一些具体的实施例中，步骤S2中，在柔性传感层基体表面增设热电材料涂层，包括：
将柔性传感层基体置于分散有热电材料的溶液中超声后，进行冷冻干燥，得到表面具有热电材料涂层的所述柔性传感层中间体。
在一个具体的实施例中，首先将0.1-0.5g具有导电特性的热电材料分散在40ml水中，超声波探针功率在200W-800W，超声分散10-60分钟，再将柔性传感层基体浸泡到配制好的热电材料分散液中，使用超声波探针处理10-60分钟，超声波探针针尖处产生巨大能量，产生空化作用，瞬间生成气泡，气泡破裂使具有导电热电特性的材料颗粒高速移动，均匀分散在所述柔性传感层基体的孔隙结构中。由于高能超声波探针的作用，一些热电材料颗粒也得以直接嵌入到柔性传感层基体中。由此，有利于降低高温引起的电阻波动，减少电阻和热电电压信号之间的信号串扰。
具体地，冷冻干燥时长优选3-12小时。由此，有利于热电材料颗粒保持分散状态，再通过真空干燥将冰晶直接升华为气体，此时原来样品孔隙中的及水中的热电材料将全部附着在柔性传感层基体表面，通过冷冻干燥的方法除水有利于热电材料保持良好的分散状态，可以使热电材料颗粒均匀地附着在柔性传感层基体表面，而不产生团聚。由此，在柔性传感层基体的基础上，利用超声波探针超声后，利用冷冻干燥的方法将热电材料与柔性传感层基体相结合有助于柔性传感层2实现较高的压力循环耐久性和温度循环耐久性。
在一些具体的实施例中，热电材料包括石墨烯、碳纳米管、碲化铋、聚酰亚胺、聚乙烯二氧噻吩或P3HT。
在一些具体的实施例中，步骤S3中，对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，包括：
采用气体等离子体对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理；所述气体等离子体包括氧气等离子体、氮气等离子体、空气等离子体或惰性气体等离子体。其中，空气等离子体是指大气环境下的空气，包括氮气、氧气等气体的混合物形成的相应的混合气体等离子体。
具体地，可利用氩气等离子处理石墨烯涂层，使石墨烯拉曼光谱中D、G峰的强度之比增加，表示石墨烯的缺陷增加，缺陷增加提高了石墨烯的能带间隙，提升了载流子浓度，进而提升塞贝克系数。而对于热电型温度传感器，其温度灵敏度与塞贝克系数含义相同，温度灵敏度为：
S＝ΔU/ΔT，
其中，S表示温度灵敏度，ΔU表示电压变化量，ΔT表示温度变化量。
即电压变化量与温度变化量之比为温度灵敏度。因此，塞贝克系数越高，在相同温度变化量下可检测的电压变化越大，柔性传感层2的温度灵敏度越高。
本发明实施例还提供了一种柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
制备柔性电极1，将所述柔性传感层的制备方法制得的柔性传感层2粘附于两片所述柔性电极1之间，经过高温固化后，得到柔性传感器。
本发明实施例通过将柔性传感层2置于两片柔性电极1之间的方式制备出柔性传感器，使得柔性传感器在压力作用时，增大内部接触面积，进而增大电阻的变化幅度，提高柔性传感器的压力灵敏度；通过在柔性传感层2基体表面增设热电材料涂层降低温度电阻效应，进而使得柔性传感器减少了电阻和热电电压信号之间的信号串扰；本发明实施例还通过对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，进而在所述热电材料涂层结构表面制造缺陷，提升载流子浓度和塞贝克系数，即提升柔性传感层2在相同温度变化量下可检测到电压变化的能力，进而提高柔性传感器的温度灵敏度。
在一些具体的实施例中，柔性电极1的制备方法包括：
将纳米金属导电材料12超声分散于乙醇中，真空抽滤到聚偏氟乙烯膜上后干燥，得到纳米金属导电材料/聚偏氟乙烯膜；
将纳米金属导电材料/聚偏氟乙烯膜转印到柔性树脂薄膜11上，去除聚偏氟乙烯膜，得到纳米金属导电材料/柔性树脂薄膜，连接导线后，得到柔性电极1。
由此，可以简便快捷地制备出性能优异的柔性电极1。
其中，所述纳米金属导电材料12包括纳米银片、纳米银颗粒、纳米银线、纳米铂颗粒或者纳米金线。
在一些具体的实施例中，柔性树脂优选可降解材料，例如可降解的聚氨酯材料，安全环保。柔性树脂可使用刮涂法在玻璃平板上制备厚度为20-200微米的可降解聚氨酯薄膜，然后置于120℃真空烘箱中烘干10-50分钟，使可降解聚氨酯薄膜达到半固化状态。
在一些具体的实施例中，选用纳米银片作为纳米金属导电材料12。将纳米银片分散于乙醇中，使用超声进行分散处理，得到纳米银片乙醇混合液；将纳米银片乙醇混合液倒入抽滤容器中，使用聚偏氟乙烯滤膜和水循环真空泵进行真空抽滤，抽滤完成后进行真空烘干处理除去乙醇，得到纳米银片/聚偏氟乙烯薄膜。其中，将0.05-0.2g直径为5微米的纳米银片分散于20ml乙醇中，超声波探针功率优选100W，超声处理5～20分钟。由此，可以简便快捷地制备纳米银片/聚偏氟乙烯薄膜。
将纳米银片/聚偏氟乙烯膜具有纳米银片的一面置于上述半固化的可降解聚氨酯薄膜表面，使用海绵均匀施加压力，使两者完全贴附。再将其置于120℃高温烘箱中热固化2-5小时后，去除聚偏氟乙烯膜，并裁剪成所需尺寸后，得到纳米银片/聚氨酯薄膜，使用银浆在纳米银片电极表面固定铜导线后，得到最终的纳米银片/聚氨酯柔性电极1。
在一些具体的实施例中，还包括使用与柔性传感层基体材料相同的可降解柔性树脂作为粘结剂，以点涂的方式粘接所述柔性传感层2和所述柔性电极1，再经过热固化处理。由此，后续处理时，可完全溶解于乙醇溶液中，有利于回收处理。
本发明实施例还提供一种柔性传感器，基于所述的柔性传感器的制备方法制得。
本发明实施例所述的柔性传感器相对于现有技术的优势与柔性传感器的制备方法相同，在此不再赘述。
实施例1：
本实施例中的柔性传感层2的制备方法如下所示：
首先，将可降解的热塑性聚氨酯与乙醇以质量比为1:1的比例混合，再加入与热塑性聚氨酯质量比为1:100的碳纳米纤维和与热塑性聚氨酯质量比为4.5:1的直径为50微米的盐颗粒，即NaCl颗粒，使用行星混合搅拌机在2000rpm转速下搅拌和除气泡共5分钟，得到打印浆料。
结合图2和图3所示，将上述制备的打印浆料置于直写式打印机的打印针管中，配置600微米的内径针头，挤出速率控制为5.6mm/s，打印堆叠4层，将打印后的4层堆叠的柔性传感层基体置于20℃真空烘箱中2小时，以完全去除乙醇，再将柔性传感层基体置于120℃高温烘箱中热固化8小时，将固化后的柔性传感层基体置于清水中浸泡，并替换水数次，直到NaCl颗粒完全溶解，得到具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体。
然后，将0.4g石墨烯分散在40ml水中，并加入上述柔性传感层基体，使用超声波探针在500W功率下处理30分钟后，置于冷冻干燥机中冷冻干燥12小时，得到柔性传感层中间体。
最后，将上述柔性传感层中间体置于等离子体清洗机中，使用氩气等离子体处理60s后，得到柔性传感层2。
实施例2
本实施例中的柔性传感器的制备方法，包括实施例1所述的柔性传感层2，具体如下所示：
将0.08g直径为5微米的纳米银片分散于20ml乙醇中，使用超声波探针在100W功率下处理10分钟后，倒入抽滤容器中，使用孔径0.22微米，直径50毫米的聚偏氟乙烯滤膜水循环真空泵抽滤，将抽滤后的滤膜置于20℃的真空烘箱中，干燥1小时。
使用刮涂法在玻璃平板上制备厚度为120微米的可降解的热塑性聚氨酯薄膜，并置于120℃真空烘箱中烘干30分钟使热塑性聚氨酯薄膜达到半固化状态。
将纳米银片/聚偏氟乙烯膜具有纳米银片的一面置于上述半固化的热塑性聚氨酯薄膜表面，使用海绵施加均匀压力，使两者完全贴附，再将其置于120℃高温烘箱中热固化2小时，去除聚偏氟乙烯膜，裁剪成所需尺寸后，得到纳米银片/聚氨酯薄膜，使用银浆在纳米银片电极表面固定铜导线后，得到纳米银片/聚氨酯柔性电极1。
组装柔性传感器：将柔性传感层2置于两片柔性电极1之间，并使用同种可降解热塑性聚氨酯溶液作为粘结剂，滴覆在柔性电极1上表面的四边位置上，在柔性传感层2贴附上下柔性电极1后，置于120℃高温烘箱中热固化3小时，得到柔性传感器。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，将4层堆叠的柔性传感层基体改为10层堆叠的柔性传感层基体，并最终得到柔性传感层2。
实施例4
在本实施例中的柔性传感器的制备方法是在实施例2的基础上，将柔性传感层2替换为实施例3中的柔性传感层2，并最终得到相应的柔性传感器。
对所述柔性传感器进行温度和压力对电阻变化影响的试验，得到不同压力和温差下的伏安曲线，如图4所示，曲线的斜率的倒数代表电阻，曲线在x轴上的截距代表温差。由图4可以看出，在相同压力，不同温差下，曲线平行度高，表明温度几乎不影响电阻的变化，因此不影响压力探测的准确性。
结合图5所示，对实施例4的柔性传感器进行压力耐久性试验，可见，在20kPa压力下经历12万次压缩循环后，本实施例提供的柔性传感层2电信号不出现衰减。再对所述柔性传感器进行温度耐久性试验，结合图6所示，可以看出，在6K的温差下经历100次温度循环后，电信号不出现衰减。即本实施例提供的柔性传感层2具有优良的压力耐久性和温度耐久性。
实施例5
本实施例中的柔性传感层2的制备方法如下所示：
首先，将可降解的热塑性聚氨酯与乙醇以质量比为1:1的比例混合，再加入与热塑性聚氨酯质量比为0.5:100的碳纳米纤维和与热塑性聚氨酯质量比为4:1的直径为75微米的盐颗粒，即NaCl颗粒，使用行星混合搅拌机在1500rpm转速下搅拌和除气泡共3分钟，得到打印浆料。
将上述制备的打印浆料置于直写式打印机的打印针管中，配置200微米的内径针头，挤出速率控制为2mm/s，打印堆叠2层，将打印后的2层堆叠的柔性传感层基体置于20℃真空烘箱中1小时，以完全去除乙醇，再将柔性传感层基体置于120℃高温烘箱中热固化6小时，将固化后的柔性传感层基体置于清水中浸泡，并替换水数次，直到NaCl颗粒完全溶解，得到具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体。
然后，将0.1g石墨烯分散在40ml水中，并加入上述柔性传感层基体，使用超声波探针在200W功率下处理60分钟后，置于冷冻干燥机中冷冻干燥3小时，得到柔性传感层中间体。
最后，将上述柔性传感层中间体置于等离子体清洗机中，使用氩气等离子体处理60s后，得到柔性传感层2。
实施例6
本实施例中的柔性传感器的制备方法，包括实施例5所述的柔性传感层2，具体如下所示：
将0.05g直径为5微米的纳米银片分散于20ml乙醇中，使用超声波探针在100W功率下处理5分钟后，倒入抽滤容器中，使用孔径0.22微米，直径50毫米的聚偏氟乙烯滤膜水循环真空泵抽滤，将抽滤后的滤膜置于20℃的真空烘箱中，干燥1小时。
使用刮涂法在玻璃平板上制备厚度为20微米的可降解的热塑性聚氨酯薄膜，并置于120℃真空烘箱中烘干10分钟使热塑性聚氨酯薄膜达到半固化状态。
将纳米银片/聚偏氟乙烯膜具有纳米银片的一面置于上述半固化的热塑性聚氨酯薄膜表面，使用海绵施加均匀压力，使两者完全贴附，再将其置于120℃高温烘箱中热固化5小时，去除聚偏氟乙烯膜，裁剪成所需尺寸后，得到纳米银片/聚氨酯薄膜，使用银浆在纳米银片电极表面固定铜导线后，得到纳米银片/聚氨酯柔性电极1。
组装柔性传感器：将柔性传感层2置于两片柔性电极1之间，并使用同种可降解热塑性聚氨酯溶液作为粘结剂，滴覆在柔性电极1上表面的四边位置上，在柔性传感层2贴附上下柔性电极1后，置于120℃高温烘箱中热固化2小时，得到柔性传感器。
实施例7
本实施例中的柔性传感层2的制备方法如下所示：
首先，将可降解的热塑性聚氨酯与乙醇以质量比为1:1的比例混合，再加入与热塑性聚氨酯质量比为2:100的碳纳米纤维和与热塑性聚氨酯质量比为5:1的直径为65微米的盐颗粒，即NaCl颗粒，使用行星混合搅拌机在1800rpm转速下搅拌和除气泡共4分钟，得到打印浆料。
将上述制备的打印浆料置于直写式打印机的打印针管中，配置900微米的内径针头，挤出速率控制为10mm/s，打印堆叠20层，将打印后的20层堆叠的柔性传感层基体置于20℃真空烘箱中3小时，以完全去除乙醇，再将柔性传感层基体置于120℃高温烘箱中热固化10小时，将固化后的柔性传感层基体置于清水中浸泡，并替换水数次，直到NaCl颗粒完全溶解，得到具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体。
然后，将0.5g石墨烯分散在40ml水中，并加入上述柔性传感层基体，使用超声波探针在800W功率下处理10分钟后，置于冷冻干燥机中冷冻干燥10小时，得到柔性传感层中间体。
最后，将上述柔性传感层中间体置于等离子体清洗机中，使用氩气等离子体处理60s后，得到柔性传感层2。
实施例8
本实施例中的柔性传感器的制备方法，包括实施例7所述的柔性传感层2，具体如下所示：
将0.2g直径为5微米的纳米银片分散于20ml乙醇中，使用超声波探针在100W功率下处理20分钟后，倒入抽滤容器中，使用孔径0.22微米，直径50毫米的聚偏氟乙烯滤膜水循环真空泵抽滤，将抽滤后的滤膜置于20℃的真空烘箱中，干燥2小时。
使用刮涂法在玻璃平板上制备厚度为200微米的可降解的热塑性聚氨酯薄膜，并置于120℃真空烘箱中烘干50分钟使热塑性聚氨酯薄膜达到半固化状态。
将纳米银片/聚偏氟乙烯膜具有纳米银片的一面置于上述半固化的热塑性聚氨酯薄膜表面，使用海绵施加均匀压力，使两者完全贴附，再将其置于120℃高温烘箱中热固化2小时，去除聚偏氟乙烯膜，裁剪成所需尺寸后，得到纳米银片/聚氨酯薄膜，使用银浆在纳米银片电极表面固定铜导线后，得到纳米银片/聚氨酯柔性电极1。
组装柔性传感器：将柔性传感层2置于两片柔性电极1之间，并使用同种可降解热塑性聚氨酯溶液作为粘结剂，滴覆在柔性电极1上表面的四边位置上，在柔性传感层2贴附上下柔性电极1后，置于120℃高温烘箱中热固化5小时，得到柔性传感器。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性传感层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：利用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体；
步骤S2：在所述柔性传感层基体表面增设热电材料涂层；
步骤S3：对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，得到柔性传感层。
2.根据权利要求1所述的柔性传感层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述利用3D打印技术制备具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体，包括：
利用3D打印技术将打印浆料分层堆叠打印并固化后，浸于水中，得到具有多级次孔隙结构的柔性传感层基体；其中，所述打印浆料通过将柔性树脂、乙醇、碳纳米纤维和水溶性颗粒混合并搅拌、除泡后得到。
3.根据权利要求1所述的柔性传感层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述在所述柔性传感层基体表面增设热电材料涂层，包括：
将所述柔性传感层基体置于分散有热电材料的溶液中超声后，进行冷冻干燥，得到表面具有热电材料涂层的柔性传感层中间体。
4.根据权利要求3所述的柔性传感层的制备方法，其特征在于，所述热电材料包括石墨烯、碳纳米管、碲化铋、聚酰亚胺、聚乙烯二氧噻吩或P3HT。
5.根据权利要求1所述的柔性传感层的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理，包括：
采用气体等离子体对所述热电材料涂层表面进行等离子体处理；所述气体等离子体包括氧气等离子体、氮气等离子体、空气等离子体或惰性气体等离子体。
6.一种柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备柔性电极，并将如权利要求1至5中任一项所述的柔性传感层的制备方法制得的柔性传感层粘附于两片所述柔性电极之间，经过高温固化后，得到柔性传感器。
7.根据权利要求6所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性电极的制备方法包括：
将纳米金属导电材料超声分散于乙醇中，真空抽滤到聚偏氟乙烯膜上后干燥，得到纳米金属导电材料/聚偏氟乙烯膜；
将所述纳米金属导电材料/聚偏氟乙烯膜转印到柔性树脂薄膜上，去除所述聚偏氟乙烯膜，得到纳米金属导电材料/柔性树脂薄膜，连接导线后，得到所述柔性电极。
8.根据权利要求7所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述纳米金属导电材料包括纳米银片、纳米银颗粒、纳米银线、纳米铂颗粒或纳米金线。
9.根据权利要求7所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性树脂薄膜选自可降解材料，所述可降解材料包括可降解聚氨酯。
10.一种柔性传感器，其特征在于，基于如权利要求6至9中任一项所述的柔性传感器的制备方法制得。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115014438A (zh) * 2022-06-06 2022-09-06 中国科学技术大学 一种仿生多功能传感器及其制备方法、应用

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130070177A (ko) * 2011-12-19 2013-06-27 서울대학교산학협력단 플라즈마 처리를 통한 메탈이 부착된 그래핀 시트 복합체 기반 고감응성 플렉시블 화학센서 제조방법
CN105762194A (zh) * 2016-05-10 2016-07-13 中国科学院微电子研究所 一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法
CN107689323A (zh) * 2017-08-11 2018-02-13 北京大学 一种适用于ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底
CN108896219A (zh) * 2018-07-06 2018-11-27 清华大学 柔性仿生电子皮肤及其制备方法
CN110228806A (zh) * 2019-04-30 2019-09-13 南京邮电大学 利用等离子增强化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的方法
CN111457833A (zh) * 2020-03-30 2020-07-28 北京化工大学 基于立体电极结构的柔性弯曲传感器及加工方法
CN111664970A (zh) * 2020-05-28 2020-09-15 浙江大学 一种自供电柔性压力传感器件及其制备方法
CN112924060A (zh) * 2021-01-22 2021-06-08 宁波诺丁汉新材料研究院有限公司 一种柔性压力传感器及其制备方法
CN112985470A (zh) * 2021-03-29 2021-06-18 浙江理工大学 一种基于银纳米线材料的柔性电容传感器及制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130070177A (ko) * 2011-12-19 2013-06-27 서울대학교산학협력단 플라즈마 처리를 통한 메탈이 부착된 그래핀 시트 복합체 기반 고감응성 플렉시블 화학센서 제조방법
CN105762194A (zh) * 2016-05-10 2016-07-13 中国科学院微电子研究所 一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法
CN107689323A (zh) * 2017-08-11 2018-02-13 北京大学 一种适用于ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底
CN108896219A (zh) * 2018-07-06 2018-11-27 清华大学 柔性仿生电子皮肤及其制备方法
CN110228806A (zh) * 2019-04-30 2019-09-13 南京邮电大学 利用等离子增强化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的方法
CN111457833A (zh) * 2020-03-30 2020-07-28 北京化工大学 基于立体电极结构的柔性弯曲传感器及加工方法
CN111664970A (zh) * 2020-05-28 2020-09-15 浙江大学 一种自供电柔性压力传感器件及其制备方法
CN112924060A (zh) * 2021-01-22 2021-06-08 宁波诺丁汉新材料研究院有限公司 一种柔性压力传感器及其制备方法
CN112985470A (zh) * 2021-03-29 2021-06-18 浙江理工大学 一种基于银纳米线材料的柔性电容传感器及制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115014438A (zh) * 2022-06-06 2022-09-06 中国科学技术大学 一种仿生多功能传感器及其制备方法、应用

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