CN114211744A - 一种3d打印自填充多层级多孔传感器及其制备方法 - Google Patents
一种3d打印自填充多层级多孔传感器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114211744A CN114211744A CN202111467359.6A CN202111467359A CN114211744A CN 114211744 A CN114211744 A CN 114211744A CN 202111467359 A CN202111467359 A CN 202111467359A CN 114211744 A CN114211744 A CN 114211744A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- printing
- self
- pdms
- level porous
- filling
- 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.)
- Pending
Links
- 238000011049 filling Methods 0.000 title claims abstract description 60
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims abstract description 76
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims abstract description 76
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 65
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000012767 functional filler Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims abstract description 8
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims abstract 8
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 8
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims abstract 8
- 238000001723 curing Methods 0.000 claims description 41
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 claims description 22
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 21
- 229940057995 liquid paraffin Drugs 0.000 claims description 13
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 10
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 9
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 claims description 8
- BYEAHWXPCBROCE-UHFFFAOYSA-N 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-ol Chemical compound FC(F)(F)C(O)C(F)(F)F BYEAHWXPCBROCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 claims description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 47
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 39
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 30
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 description 19
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 19
- 239000010408 film Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 6
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 4
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 3
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 3
- 239000007762 w/o emulsion Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 2
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000002149 hierarchical pore Substances 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004886 head movement Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 239000006254 rheological additive Substances 0.000 description 1
- 238000000518 rheometry Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000011540 sensing material Substances 0.000 description 1
- 230000005476 size effect Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
- B29C64/379—Handling of additively manufactured objects, e.g. using robots
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
- B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
- G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
Abstract
本发明提供了一种3D打印自填充多层级多孔传感器及其制备方法，涉及传感器技术领域。所述传感器制备方法包括如下步骤：将PDMS、固化剂、水和导电功能填料混合，得到混合乳液体系；以混合乳液体系作为打印浆料，基于3D打印工艺打印出点阵结构，经固化处理后，得到具有多层级多孔结构的传感层；组装电极与所述传感层，得到自填充多层级多孔传感器。本发明结合3D打印技术与乳液模板法制备同时具有自填充多孔结构和多层点阵结构的自填充多层级多孔传感器，受到压力时，可以增加接触面积的变化，实现了较宽的测量范围，形成更多的导电通路，实现了较高的灵敏度，适用于传感要求较高的工作场景。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种3D打印自填充多层级多孔传感器及其制备方法。
背景技术
随着科技不断发展进步，传感器在日常生活和工业生产中扮演着愈加重要的角色，其中，柔性压阻式传感器具有出色的机械和电气特性，例如高灵活性，高灵敏度，高分辨率等，因此具有广泛的应用。
柔性压阻式传感器是基于传感材料受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电流变化可得到与力对应变化的电信号输出的传感器。但柔性压阻式传感器的灵敏度受到传感层对力的感应能力的限制，且制备工艺复杂，成本高，一致性差，不容易定制制备，不利于大规模应用。为提升压阻传感器的灵敏度，线性度及测量范围，通常的方法是在传感层上做微纳结构如：多孔、微褶皱、微锥形、微半球、微柱和互锁结构等，其原理是在压力作用下，微结构能产生更大的结构形变，从而导致大量的导电通路产生，实现较高的电阻变化。
然而现有方法无法同时提升传感器的测试范围和灵敏度、线性度，不利于在精度要求较高的工作场景应用。
发明内容
本发明解决的问题是现有柔性压阻式传感器灵敏度低，线性度差、测量范围小。
为解决上述问题，本发明提供一种3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，包括如下步骤：将PDMS、固化剂、水和导电功能填料混合，得到导电功能填料分散在水相和PDMS油相中的混合乳液体系；以所述混合乳液体系作为打印浆料，基于3D打印工艺打印出点阵结构，经固化处理后，得到具有多层级多孔结构的传感层；组装电极与所述传感层，得到自填充多层级多孔传感器。
可选地，所述将PDMS、固化剂、水和导电功能填料混合包括：混合所述PDMS和所述固化剂，得到油相混合物；向所述油相混合物中加入水，形成均匀的PDMS/水乳液体系；将所述导电功能填料混入到所述PDMS/水乳液体系中，形成混合乳液体系；其中，PDMS/固化剂混合物、PDMS/水乳液体系及混合乳液体系的形成均是在高速剪切的条件下进行。
可选地，所述油相混合物还包括液体石蜡。
可选地，在所述固化处理后还包括：对固化得到的结构进行润洗并于100℃-110℃下干燥2h-3h。
可选地，所述导电功能填料包括纳米纤维。
可选地，所述纳米纤维为碳纳米纤维。
可选地，所述基于3D打印工艺打印出点阵结构具体包括：设计3D打印模型；调整3D打印喷头的移动速度和挤出压强，根据所述模型进行逐层堆叠打印；其中，所述挤出压强范围为50-100kPa。
可选地，所述电极为叉指电极或者包括上电极和下电极的夹层式电极。
可选地，所述组装电极与所述传感层包括：将TPU溶解在六氟异丙醇中，并以10kV的正电压和2kV的负电压进行静电纺丝，得到TPU薄膜；切割导电织物与所述TPU薄膜，将两片导电织物分别贴到两片TPU薄膜上，得到上电极和下电极；将所述传感层封装在所述上电极和下电极之间。
相对于现有技术，本发明所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法具有以下优势：
本发明将导电功能填料、固化剂、PDMS(聚二甲基硅氧烷)和水混合，其中，PDMS作为油相，PDMS与水形成乳液体系，乳液体系包括PDMS油相和乳化水相，导电功能填料同时分散在PDMS油相和乳化水相中，形成混合乳液体系，以其为打印浆料，基于3D打印工艺得到点阵结构，点阵结构经固化处理时，PDMS发生交联固化反应，形成多孔结构的弹性基体骨架，同时由于乳化水蒸发，原本分散在乳化水中的导电功能填料搭建成交织的微纳级孔隙导电网络填充在弹性基体骨架的孔隙内、PDMS基体以及基体与孔隙之间的界面上，由此形成以水为牺牲模板得到的多孔结构以及填充在多孔结构内的具有微纳级孔隙导电网络的自填充多孔结构，所述自填充孔隙的多孔结构与基于3D打印技术形成的多层点阵结构共同构成具有多层级多孔结构的传感层。由此，当传感层受到压力时，多层级多孔结构可以增加接触面积的变化，将应力变化分配到上述结构中，实现了较宽的测量范围，同时产生更多的导电网络接触点，形成更多的导电通路，实现了较高的灵敏度。因此本发明提供的3D打印自填充多层级多孔传感器同时具有较宽的测量范围、优异的线性度和较高的灵敏度，适用于传感要求较高的工作场景。
本发明的另一目的在于提供一种3D打印自填充多层级多孔传感器，基于上述3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法制备。
本发明所述的3D打印自填充多层级多孔传感器相对于现有技术的优势与上述3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法流程图；
图2为本发明实施例一中PDMS/水乳液体系的显微镜照片；
图3为本发明实施例一中混合乳液体系的显微镜照片；
图4为本发明实施例一制得的传感层的扫描电镜照片一；
图5为本发明实施例一制得的传感层的扫描电镜照片二；
图6为本发明实施例一制得的传感层的扫描电镜照片三；
图7为本发明实施例的3D打印自填充多层级多孔传感器结构示意图一；
图8为本发明实施例的3D打印自填充多层级多孔传感器结构示意图二；
图9为本发明实施例的3D打印自填充多层级多孔传感器结构示意图三。
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。
结合图1所示，本发明提供一种3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，将PDMS(聚二甲基硅氧烷)、固化剂、水和导电功能填料混合，得到导电功能填料分散在水相和PDMS油相中的混合乳液体系；
步骤S2，以所述混合乳液体系作为打印浆料，基于3D打印工艺打印出点阵结构，所述点阵结构经固化处理后，得到具有多层级多孔结构的传感层；
步骤S3，组装电极与所述传感层，得到自填充多层级多孔传感器。
本发明将导电功能填料、固化剂、PDMS和水混合，其中，PDMS作为油相，PDMS与水形成油包水乳液体系，导电功能填料同时分散在PDMS油相和乳化水相中，形成混合乳液体系，以其为打印浆料，基于3D打印工艺得到点阵结构，点阵结构经固化处理时，乳化水蒸发，PDMS发生交联固化反应，由此形成具有多孔结构的弹性基体骨架，另外，由于乳化水蒸发，原本分散在乳化水中的导电功能填料搭建成交织的微纳级孔隙导电网络，且该导电网络自填充至弹性基体骨架的多孔结构内、PDMS基体内以及基体与多孔结构之间的界面上，由此形成包括以水为牺牲模板得到的多孔结构以及填充在多孔结构内的微纳级孔隙导电网络的自填充多孔结构，所述自填充多孔结构与基于3D打印技术形成的多层点阵结构共同构成多层级多孔结构。
将该多层级多孔结构作为传感层，用于组装传感器。当传感层受到压力时，多层级多孔结构中的多层点阵结构和多孔结构增加了接触面积的变化，并将应力变化分配到点阵结构和多孔结构中去，从而实现了较宽的测量范围，同时，自填充在多孔结构孔隙内部的导电网络，随着压缩产生更多的导电网络接触点，形成更多的导电通路，从而实现了极高的灵敏度。
因此根据本发明实施例提供的方法制得的3D打印自填充多层级多孔传感器，通过自填充多孔结构和点阵结构形成的多层级多孔结构，实现了在很宽测试范围内，同时保持较高的灵敏度和线性度，适用于传感要求较高的工作场景。
在一些具体的实施例中，步骤S1中，将PDMS、固化剂、水和导电功能填料混合包括：
步骤S11，混合PDMS和固化剂，得到油相混合物(即PDMS/固化剂混合物)；
步骤S12，向油相混合物中加入水，形成均匀的PDMS/水乳液体系；
步骤S13，将导电功能填料混入到PDMS/水乳液体系中，形成混合乳液体系，即混合乳液体系；
其中，PDMS/固化剂混合物、PDMS/水乳液体系及混合乳液体系的形成均是在高速剪切的条件下进行。
具体地，PDMS与固化剂混合后的油相混合物，经与水混合形成PDMS/水乳液体系。在固化剂以及后续高温干燥固化工艺的作用下，PDMS作为油相，发生交联固化反应，固化为弹性的基体骨架，得到力学性能较好的材料，可作为3D打印自填充多层级多孔传感器的传感层基体，用于测量力学的传感器。
优选方式中，通过向油相混合物中逐滴滴加水的方式，例如使用微量注射泵注射滴加，可以使水相更加均匀地分散在油相中，高温固化后，乳化水蒸发，由此形成的多孔结构的孔隙也更加均匀。
导电功能填料可同时分散在PDMS油相与水相中，无需额外进行亲疏水改性操作。高温固化时，乳化水蒸发，原本分散在乳化水中的导电功能填料搭建成交织的微纳级孔隙导电网络，并填充在弹性PDMS基体骨架的孔隙内、PDMS基体内部以及基体与孔隙之间的界面上，如图5所示，由此形成自填充多孔结构，该自填充多孔结构包括以水为牺牲模板得到的多孔结构以及填充在多孔结构内的微纳级孔隙导电网络。
本实施例中，PDMS/固化剂混合物、PDMS/水乳液体系及混合乳液体系的形成均是在高速剪切的条件下进行的，可以使上述体系的混合更加均匀，以此形成的孔隙更加均匀，可以使接触面积更大，接触点更多，进而提高传感器的传感精度和测量范围。
在一些具体的实施例中，油相混合物还包括液体石蜡。具体地，在步骤S11制备油相体系时，还加入液体石蜡。其中，液体石蜡作为辅助油相与PDMS混合为均匀油相体系，水与PDMS/液体石蜡的混合物形成均匀的油包水乳液体系，乳化水分散为一个个小球，PDMS/液体石蜡混合物包裹于小球外部。相比单独使用PDMS与水形成的乳液体系，加入液体石蜡增加了水相和油相的混合能力，使油相可以与更大量的水形成乳液体系，大量的水相均匀细密地分散在油相中，以此形成的传感层孔隙率更高，有助于提升传感器的灵敏度与测量范围。
在一些具体的实施例中，在固化处理后还包括：对固化得到的结构进行润洗并于100℃-110℃下干燥2h-3h。由此去除多余的液体石蜡，防止多余的液体石蜡存在于多孔结构中，影响孔隙的形成。优选地，润洗过程具体为，将固化后的自填充多孔结构分别在正己烷和乙醇中润洗多次，例如2-3次，如此可达到较好的去除液体石蜡的效果。
在一些具体的实施例中，导电功能填料包括纳米纤维。纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的具有一定长径比的线状材料，具有孔隙率高、比表面积大、长径比大、表面能和活性高、纤维精细程度和均一性高等特点，同时纳米纤维还具有纳米材料的一些特殊性质，如由量子尺寸效应和宏观量子隧道效应带来的特殊的电学、磁学、光学性质等。在本实施例中，结合图6所示，使用纳米纤维充当导电功能材料，建成交织的微纳级孔隙导电网络填充在弹性基体骨架的孔隙内、PDMS基体以及基体与孔隙之间的界面上，形成自填充多孔结构，该结构的自填充形貌特征在传感器中起到很大作用，一维的纳米纤维线，相比于零维的纳米颗粒，可以在孔隙内构成交织的微纳级孔隙的导电网络，孔隙更细密，接触面积更大，接触点更多，可形成更多的导电通路，以此制成的传感器传感精度更高，测量范围更大，在柔性传感器中起到了提高灵敏度的作用。
优选地，采用碳纳米纤维作为导电功能材料，碳纳米纤维碳原子间距短，管径小，使纤维结构不易存在缺陷，具有超高强、超柔韧、怪磁性的优势，同时，具有良好的导电性，浆料添加碳纳米纤维后，本身可以作为一种流变改性剂，无需额外添加其他流变剂，可打印出均匀连续的墨水，将其作为本实施例中的导电功能材料形成的具有自填充结构的传感器具有优良的传感性能。
在一些具体的实施例中，步骤S2中，基于3D打印工艺打印出点阵结构具体包括：设计3D打印模型；调整3D打印喷头的移动速度和挤出压强，根据模型进行逐层堆叠打印；其中，挤出压强范围为50-100kPa。
具体地，设计3D打印模型并按照模型设定3D打印程序，例如设计为具有大孔结构的传感层模型，根据实际需要调整3D打印喷头的移动速度和挤出压强，进行逐层堆叠打印，结合图7、图8和图9所示，堆叠方式可以为平行堆叠、简单立方堆叠和面心立方堆叠等，以此制成的传感层具有较复杂的宏观结构，有助于实现高精度高测量范围。
在一些具体的实施例中，电极为叉指电极或者包括上电极和下电极的夹层式电极。使用叉指电极时，将电极直接插入传感层中，得到3D打印自填充多层级多孔传感器，叉指电极制备方便，易于得到，应用广泛。采用包括上电极和下电极的夹层式电极时，将传感层封装在上电极和下电极之间，得到3D打印自填充多层级多孔传感器，夹层式电极制备的传感器柔韧性好，上下两面均具有传感作用，适用于柔韧性与传感环境要求较高的工作场景。
示例性地，步骤S3中，组装电极与传感层包括：将TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)溶解在六氟异丙醇中，并以10kV的正电压和2kV的负电压进行静电纺丝，得到TPU薄膜；切割导电织物与TPU薄膜，将两片导电织物分别贴到两片TPU薄膜上，得到上电极和下电极；将传感层封装在上电极和下电极之间。
具体地，将TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)溶解在六氟异丙醇中，优选4wt％TPU溶解在六氟异丙醇中，并施加以10kV的正电压和2kV的负电压进行静电纺丝制备得到TPU薄膜。将导电织物使用激光切割机雕刻成预先设计的图案，将切好的两片导电织物贴到切好的两片TPU薄膜上，作为上电极和下电极，用上下电极将自填充多孔点阵传感层封装在中间，得到3D打印自填充多层级多孔传感器。本实施例的3D打印自填充多层级多孔传感器使用3D打印自填充多层级多孔传感器作为封装层，TPU材料具有良好的机械强度和加工性能，弹性好，延展性强，使得3D打印自填充多层级多孔传感器结构稳定，具有良好的柔韧性，同时，灵敏度高，测量范围大。
本实施例结合乳液模板法和3D打印法，实现了一步制备自填充的多级孔结构，将其作为传感层用于传感器时，由于自填充的特殊结构，极大提升了灵敏度与线性度，3D打印的多级次结构实现了非常宽的测量范围。
本发明另一实施例提供一种3D打印自填充多层级多孔传感器，基于上述3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法制备。
本实施例的传感器，传感层为采用3D打印方法一步制得的多层级多孔结构，自填充的多级孔结构包括第一级次孔、第二级次孔和第三级次孔，第一级次孔的孔径范围为400-600μm，第二级次孔的孔径范围为5-30μm，第三级次孔的孔径范围为10-100nm。
其中，第一级次孔为通过3D打印出的多层点阵结构的宏观大孔结构，如图4所示，是根据直写打印的程序进行模型设计并根据模型通过直写打印层层打印而成的，孔径范围为400-600μm，优选为500μm。第二级次孔为通过乳液模板法，以水作为牺牲模板，水蒸发后PDMS发生交联固化反应形成的，孔径范围为5-30μm，如图5所示。第三级次孔是由于分散在水相中的导电功能填料经固化后形成的导电网络的微纳级孔隙，孔隙范围约为10-100nm，如图5中的放大图所示。由水相中的导电功能填料固化后形成的导电网络自填充至PDMS固化后形成的多孔结构中，得到自填充多孔结构，结合3D打印的多层点阵结构，最终形成自填充的多层级多孔结构。
将形成具有多层级多孔的结构作为传感层，当传感层受到压力时，多层级多孔结构可以增加接触面积的变化，将应力变化分配到上述结构中，实现了较宽的测量范围，同时产生更多的导电网络接触点，形成更多的导电通路，实现了较高的灵敏度。
下面结合具体实施例，对本发明技术方案做进一步阐述，明确本发明的目的及优点。
实施例一：
本实施例3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法按照以下步骤进行：
1.1将PDMS、固化剂、液体石蜡、水和碳纳米纤维混合，得到碳纳米纤维分散在水相和PDMS油相中的混合乳液体系；
具体地，将5gPDMS基Sylgard184(交联剂)和固化剂以10:1的质量比在50ml烧杯中充分混合，得到PDMS溶液；然后采用高剪切分散机以1200rpm的搅拌速度将5g石蜡液体与PDMS溶液均匀混合，得到油相混合物；
用微流体注射泵机在机械搅拌下以48ml/h的流速向上述油相混合物中逐滴加入适量的超纯水，得到白色奶油状的PDMS/水乳液体系；如图2所示，为PDMS/水乳液体系的显微镜照片，可以看到，PDMS/水乳液体系为均匀的油包水乳液体系，乳化水分散为一个个小球，PDMS和液体石蜡混合物包裹于小球外部。
将一定比例的CNF(碳纳米纤维)加入到上述PDMS/水乳液体系中并充分混合，形成黑色奶油状的混合乳液体系CNF/PDMS乳液油墨；如图3所示，为添加了碳纳米纤维后的乳液体系的显微镜照片，可以看到，碳纳米纤维既分散在PDMS相中，也分散在乳化水相中。
1.2以上述CNF/PDMS乳液油墨作为打印浆料，基于3D打印工艺打印出点阵结构，经固化处理后，得到具有多层级多孔结构的传感层；
具体地，设计3D打印模型，使用气动挤出DIW(墨水直写)印刷技术，以上述CNF/PDMS乳液油墨作为打印浆料打印点阵结构，喷嘴直径设为0.84mm，打印头移动速度设为6mm·s-1，挤出压力控制在50-100kPa范围内。直写打印后，将打印得到的碳纳米纤维/PDMS乳液点阵结构在110℃的烘箱中加热2小时进行固化，固化过程中乳化水蒸发。将固化后的碳纳米纤维/PDMS乳液点阵结构分别在正己烷和乙醇中洗涤两次，然后在烘箱中在110℃下干燥2小时，得到具有多层级多孔结构的传感层。
如图4、图5、图6所示，为混合乳液体系经3D打印、固化处理、洗涤烘干得到的多层级多孔结构在不同分辨率下的扫描电镜图，其中，图5为图4中虚线方框处的放大图，根据图5和图6可以看到，碳纳米纤维自形成微纳级导电网络，且碳纳米纤维导电网络嵌设于水蒸发后形成的多孔结构的内孔中、PDMS基体中以及基体与多孔结构的界面上。
1.3组装电极与传感层，得到自填充多层级多孔传感器；
具体地，通过静电纺丝溶解在六氟异丙醇中的4wt％TPU制备作为封装层的TPU薄膜，正电压为10kV，负电压为2kV。将上述TPU薄膜切成2cmx2cm作为保护层。使用CorelDRAW软件设计电极图案，使用激光切割机将导电织物带雕刻成预先设计的图案。然后将切割好的两片导电布带分别转移到切割好的两片TPU薄膜上作为上电极和下电极。将传感层封装在上电极和下电极之间，得到3D打印自填充多层级多孔传感器。
虽然本公开披露如上，但本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3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将PDMS、固化剂、水和导电功能填料混合，得到导电功能填料分散在水相和PDMS油相中的混合乳液体系；
以所述混合乳液体系作为打印浆料，基于3D打印工艺打印出点阵结构，经固化处理后，得到具有多层级多孔结构的传感层；
组装电极与所述传感层，得到自填充多层级多孔传感器。
2.根据权利要求1所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，所述将PDMS、固化剂、水和导电功能填料混合包括：
混合所述PDMS和所述固化剂，得到油相混合物；
向所述油相混合物中加入水，形成均匀的PDMS/水乳液体系；
将所述导电功能填料混入到所述PDMS/水乳液体系中，形成混合乳液体系；
其中，所述油相混合物、所述PDMS/水乳液体系及所述混合乳液体系的形成均是在高速剪切的条件下进行。
3.根据权利要求2所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，所述油相混合物还包括液体石蜡。
4.根据权利要求1所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，在所述固化处理后还包括：对固化得到的结构进行润洗并于100℃-110℃下干燥2h-3h。
5.根据权利要求1所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，所述导电功能填料包括纳米纤维。
6.根据权利要求5所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，所述纳米纤维为碳纳米纤维。
7.根据权利要求1所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，所述基于3D打印工艺打印出点阵结构具体包括：
设计3D打印模型；
调整3D打印喷头的移动速度和挤出压强，根据所述模型进行逐层堆叠打印；
其中，所述挤出压强范围为50-100kPa。
8.根据权利要求1所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，所述电极为叉指电极或者包括上电极和下电极的夹层式电极。
9.根据权利要求8所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法，其特征在于，所述组装电极与所述传感层包括：
将TPU溶解在六氟异丙醇中，并以10kV的正电压和2kV的负电压进行静电纺丝，得到TPU薄膜；
切割导电织物与所述TPU薄膜，将两片导电织物分别贴到两片TPU薄膜上，得到上电极和下电极；
将所述传感层封装在所述上电极和下电极之间。
10.一种3D打印自填充多层级多孔传感器，其特征在于，基于如权利要求1-9所述的3D打印自填充多层级多孔传感器制备方法制备。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111467359.6A CN114211744A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种3d打印自填充多层级多孔传感器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111467359.6A CN114211744A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种3d打印自填充多层级多孔传感器及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114211744A true CN114211744A (zh) | 2022-03-22 |
Family
ID=80699560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111467359.6A Pending CN114211744A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种3d打印自填充多层级多孔传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114211744A (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107137775A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-09-08 | 东华大学 | 一种具有多级孔隙结构的热固性弹性体组织工程支架的制备方法 |
| CN107478360A (zh) * | 2017-08-18 | 2017-12-15 | 北京纳米能源与系统研究所 | 电容式柔性压力传感器及其制备方法 |
| WO2018113520A1 (zh) * | 2016-12-21 | 2018-06-28 | 清华大学 | 一种柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN109785995A (zh) * | 2018-12-07 | 2019-05-21 | 深圳大学 | 一种用于制备柔性压阻式传感器的多孔导电浆料及其制备方法和应用 |
| WO2019129388A1 (en) * | 2018-01-01 | 2019-07-04 | Rhodia Operations | Structured composites useful as low force sensors |
| CN110057476A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-07-26 | 中国科学院上海高等研究院 | 一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法 |
| CN110274713A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-24 | 东华大学 | 一种纤维基形状自适应性无源电子皮肤及其制备方法 |
| CN110514326A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-11-29 | 东华大学 | 一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法 |
| CN112848271A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-28 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种用作可穿戴应变传感器的石墨烯二维网格结构及其制备方法 |
| 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 |
| CN113503993A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-10-15 | 天津科技大学 | 具有多级微结构的弹性体薄膜及其制备方法与含该弹性体薄膜的柔性压力传感器 |
-
2021
- 2021-12-03 CN CN202111467359.6A patent/CN114211744A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018113520A1 (zh) * | 2016-12-21 | 2018-06-28 | 清华大学 | 一种柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN107137775A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-09-08 | 东华大学 | 一种具有多级孔隙结构的热固性弹性体组织工程支架的制备方法 |
| CN107478360A (zh) * | 2017-08-18 | 2017-12-15 | 北京纳米能源与系统研究所 | 电容式柔性压力传感器及其制备方法 |
| WO2019129388A1 (en) * | 2018-01-01 | 2019-07-04 | Rhodia Operations | Structured composites useful as low force sensors |
| CN109785995A (zh) * | 2018-12-07 | 2019-05-21 | 深圳大学 | 一种用于制备柔性压阻式传感器的多孔导电浆料及其制备方法和应用 |
| CN110057476A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-07-26 | 中国科学院上海高等研究院 | 一种多信号响应柔性电子皮肤及其制备方法 |
| CN110274713A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-24 | 东华大学 | 一种纤维基形状自适应性无源电子皮肤及其制备方法 |
| CN110514326A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-11-29 | 东华大学 | 一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法 |
| CN112848271A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-28 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种用作可穿戴应变传感器的石墨烯二维网格结构及其制备方法 |
| 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 |
| CN113503993A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-10-15 | 天津科技大学 | 具有多级微结构的弹性体薄膜及其制备方法与含该弹性体薄膜的柔性压力传感器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108409286B (zh) | 基于无机纳米线的复合胶体材料及其制备方法与3d打印应用 | |
| US10612986B2 (en) | Printed stretchable strain sensor | |
| Chinnappan et al. | An overview of electrospun nanofibers and their application in energy storage, sensors and wearable/flexible electronics | |
| Laxminarayana et al. | Functional nanotube-based textiles: pathway to next generation fabrics with enhanced sensing capabilities | |
| Li et al. | 3D printed supercapacitor: techniques, materials, designs, and applications | |
| CN107505068A (zh) | 电容式柔性压力传感器及其制备方法 | |
| CN112924060B (zh) | 一种柔性压力传感器及其制备方法 | |
| Tang et al. | Recent advances of 4D printing technologies toward soft tactile sensors | |
| CN113970394A (zh) | 一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器及其制备方法 | |
| DE102015222973B4 (de) | Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer integrierten thermoelektrischen Vorrichtung | |
| Ahuja et al. | Chemically and mechanically robust SWCNT based strain sensor with monotonous piezoresistive response for infrastructure monitoring | |
| Sanli et al. | Piezoresistive pressure sensor based on carbon nanotubes/epoxy composite under cyclic loading | |
| CN109639175B (zh) | 摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法 | |
| Chen et al. | Electrospinning technology for applications in supercapacitors | |
| Cuasay et al. | Flexible tactile sensors based on silver nanowires: Material synthesis, microstructuring, assembly, performance, and applications | |
| CN114211744A (zh) | 一种3d打印自填充多层级多孔传感器及其制备方法 | |
| Che et al. | Ag nanowire-based stretchable electrodes and wearable sensor arrays | |
| Tan et al. | Fabrication Approaches of Soft Electronics | |
| CN110160680B (zh) | 一种基于丝网印刷得到微网状结构电极的浆料及其制备微网状结构电极的方法 | |
| KR102295060B1 (ko) | 3d 프린팅용 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 3d 프린팅 스트레처블 전극 센서 | |
| Abdelhamid | Three-dimensional (3D) printed supercapacitor | |
| Yang et al. | Flexible strain sensors fabricated by fused deposition modeling-based multimaterial 3D printing with conductive polyurethane composites | |
| JP2020511604A (ja) | グラフェンを組み込んだ圧電反応性テキスタイル | |
| KR102157347B1 (ko) | 스펀지 구조의 복합체 및 그 제조방법 | |
| CN105790635A (zh) | 一种基于压电纳米棒的直接书写法制备压电纳米发电机的方法 |
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 |