CN114323080A - 一种磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于可穿戴设备运动传感器领域，公开了一种磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器及其制备，该运动传感器包括配合使用的导电线圈和已充磁的磁性纳米纤维素材料，能够利用导电线圈和磁性纳米纤维素材料相对运动产生的感应电动势对运动进行传感；其中，磁性纳米纤维素材料是由纳米纤维素通过共沉淀反应原位复合磁性纳米粒子得到的。本发明采用纳米纤维素作为基体材料，该纳米纤维素具有柔性、可降解的特点，利用共沉淀法将其磁性化制备成磁性纳米纤维素材料后，与线圈组合，利用电磁感应原理，即可得到可降解自供能运动传感器，可克服现有可穿戴设备传感器高功耗和传统电子设备废弃后的污染问题，同时具有较好的柔性以满足舒适性的要求。
Description
技术领域
本发明属于可穿戴设备运动传感器领域，更具体地，涉及一种磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器及其制备，并且该可降解柔性运动传感器具有自供能特点。
背景技术
可穿戴电子设备中的传感器在游戏娱乐、健康监测、人机互联、环境自适应，软体机器人等领域有着至关重要的作用。但目前可穿戴设备的传感器仍面临很多问题。最核心的是电池供能问题，可穿戴传感器会通过增加传感器数量来提高传感数据的准确性，高度集成性会使整个设备功耗大增，苹果的智能手表Apple Watch就需要每日充电来维持其正常使用；因此传感器需要有更低的功耗或通过自供能来减少或消除电池依赖。其次材料问题，可穿戴设备在穿着的舒适性上有较高的要求；因此现阶段传感器多用柔性基底、金属材料、无机半导体材料和碳材料来在满足其小型化、轻量化、柔性化等方面的要求。再次是污染问题，传统的电子设备在报废后如未回收，被遗弃在自然环境下，将会带来严重的环境污染问题。因此，研发一种新型自供能柔性可降解的传感器对于可穿戴设备而言具有重要的现实意义。
中国专利CN 110670162 A公开了一种自发电柔性电磁纤维及其制备方法与应用，虽然它也公开了通过与磁性粒子复合从而使材料具有磁性，并能利用电磁感应原理产生电动势这一方法，但仍存在基体材料难以自然降解，并未对获取的电动势等信息进行进一步分析利用等问题。
中国专利CN 111501149 A公开了磁性纱线、磁性织物、磁控机器人及其制备方法，虽然它也公开了纤维与磁性颗粒复合并使之具有磁性，但仍存在磁性材料分布不均，材料难以工业化制备等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器及其制备，采用纳米纤维素作为基体材料，该纳米纤维素具有柔性、可降解的特点，利用共沉淀法将其磁性化制备成磁性纳米纤维素材料后，与导电线圈(如铜线圈)组合，利用电磁感应原理，可将运动时产生的动能转化为感应电动势，即可得到可降解自供能运动传感器。本发明中传感器是一种新型可穿戴设备运动传感器，可克服现有可穿戴设备传感器高功耗和传统电子设备废弃后的污染问题，同时具有较好的柔性以满足舒适性的要求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器，其特征在于，包括配合使用的导电线圈和已充磁的磁性纳米纤维素材料，该运动传感器能够利用所述导电线圈和所述磁性纳米纤维素材料的相对运动产生的感应电动势对运动进行传感；其中，
所述磁性纳米纤维素材料是由具有孔道结构的纳米纤维素材料通过共沉淀反应原位复合磁性纳米粒子得到的。
作为本发明的进一步优选，所述磁性纳米纤维素材料具体为磁性纳米纤维素块；
所述磁性纳米纤维素块是由具有孔道结构的纳米纤维素块通过共沉淀反应原位复合磁性纳米粒子后经多层热压得到的。
按照本发明的另一方面，本发明提供了上述磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器的制备方法，其特征在于，包括以下制备磁性纳米纤维素材料的步骤：
(1)准备膜状纳米纤维素；
(2)将所述膜状纳米纤维素经碱液浸泡预处理后切割成预先设定的大小，浸泡在磁性金属离子溶液中，水浴加热，使所述膜状纳米纤维素吸附磁性金属离子；
其中，所述磁性金属离子溶液中的磁性金属离子选自Fe3+、Fe2+、Co2+、Ni2+；
(3)将所述步骤(2)得到的膜状纳米纤维素浸入碱性溶液中，水浴加热后取出，清洗后充磁，即可得到已充磁的磁性纳米纤维素材料。
作为本发明的进一步优选，所述磁性纳米纤维素材料具体为磁性纳米纤维素块；
所述步骤(3)中，在所述清洗结束后、所述充磁开始前，还包括对膜状纳米纤维素进行多层叠加热压成型，形成厚度满足预先设定要求的、且内部具有孔道结构的块状纳米纤维素；所述步骤(3)得到的所述已充磁的磁性纳米纤维素材料即为已充磁的磁性纳米纤维素块。
作为本发明的进一步优选，所述多层叠加所采用的叠加层数不超过40层；
所述热压成型是在热压时长控制为6-12小时，热压温度控制在90-100℃的条件下进行压制处理。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述磁性金属离子溶液为Fe3+与Co2+的混合溶液，该混合溶液中Fe3+浓度为Co2+浓度的2倍。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述浸泡是浸泡12小时；
所述水浴加热具体是在60℃的水浴温度下水浴处理4-6小时；
所述磁性金属离子溶液为Fe3+与Co2+的混合溶液，该混合溶液中Co2+浓度为0.2-1.2mol/L，Fe3+浓度为0.4-2.4mol/L；
相应的，所述步骤(3)得到的所述磁性纳米纤维素材料中，复合有CoFe2O4磁性纳米颗粒；所述CoFe2O4磁性纳米颗粒的平均直径为40-60nm；
优选的，所述步骤(2)中，所述磁性金属离子溶液具体为氯化铁与氯化钴的混合溶液，该混合溶液中氯化铁的浓度为1.6mol/L，氯化钴的浓度为0.8mol/L。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述碱性溶液为NaOH溶液，浓度为2.4-4.8mol/L；所述水浴加热具体是60℃的水浴温度下水浴处理0.5-1小时。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述清洗，具体是利用超声机超声处理，并不断换液，直至漂洗液为中性并没有肉眼可见杂质；
所述充磁所采用的充磁电压为1900V。
按照本发明的又一方面，本发明提供了上述磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器在检测运动信号传感中的应用；
优选的，所述检测运动信号传感包括运动速率监测和/或运动计步；
更优选的，所述磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器位于可穿戴设备上。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本申请提供的纳米纤维素基柔性运动传感器，由纳米纤维素基柔性磁体与铜线圈组成。其本质是一种磁性传感器(即，电磁感应传感器)，能够基于电磁感应原理，将运动的动能转化为电能，本身并不需要外界供能就能维持其正常传感效果，为自供能传感器。该传感器可有效应对现有的可穿戴设备存在的耗电量大导致的续航能力不足的问题。
2、本发明中的磁性纳米纤维素基可降解柔性运动传感器，属于柔性自供能可降解传感器，其柔性来自于所采用的磁性纳米纤维素材料(如，磁性纳米纤维素块，就属于柔性磁体)。磁性纳米纤维素材料是由纳米纤维素与磁性纳米颗粒进行原位复合而成，后经充磁后具有磁性。并且由于采用纳米纤维素为主体，具有天然可降解性。可见，本发明中的传感器采用可降解材料制备，废弃后基体部分可自然降解，对环境污染小。同时该传感器具有较好的柔性，不会影响穿着的舒适度。
3、本发明中的运动检测传感器，可运用于速率检测、运动计步等，具有运动数据检测功能。并且，该柔性传感器可与正常衣物编制结合，是种可用于可穿戴设备的传感器。基于本发明磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器，可以在检测运动信号传感中对所检测运动信号进行分析处理，例如，可以利用传感电压的大小、传感周期时长等传感数据与运动的速率、幅度等相关运动数据的强相关性，进而对运动状态进行检测。
4、另外，本申请优选实施例提供的细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体的制备方法，工艺简单、磁性强弱可通过反应条件调节，可针对不同部位传感器的要求进行调整。
现有技术中常规的具有磁性的柔性材料一般是通过将磁粉添加进入交联剂中，通过交联剂的交联作用，将磁粉锁在交联剂中。这种方式获得的具有磁性的柔性材料往往会面临混合时磁体分布不均，获得的材料磁性各部分强弱不一的情况。另一方面，材料中的磁粉也容易脱落，交联后的材料表面及内部的磁粉容易在运动过程中脱落，导致磁含量减少，损害成品质量。本发明中的磁性纳米纤维素材料是在纳米纤维素纤维丝上原位生成磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒与纳米纤维素纤维丝上暴露的羟基会形成配位作用，从而牢牢固定在纳米纤维素上。一方面，由于本发明制备方法整个反应是发生在溶液中的，所以获得的材料相对而言更均一；并且，磁性纳米颗粒难以从纤维素上脱落，从而保证了成品质量。进一步的，纳米纤维素本身的可降解性并未因复合了磁性纳米颗粒而改变，相对与其他具有磁性的柔性材料，其天然可降解性更好，在废弃后可自然降解回收，不会对环境造成污染。
本发明制备方法尤其通过控制共沉淀的反应参数，由于复合的磁性粒子是纳米级别的，纳米材料往往具有较高的表面能，在共沉淀反应时离子浓度过高会自发地发生团聚现象，从而影响材料的磁性；但离子浓度过低，也会导致成品磁性过低无法使用，而本发明将磁性金属离子溶液中钴离子浓度优选为0.2-1.2mol/L，铁离子浓度优选为0.4-2.4mol/L，既保证了良好的磁性，又能够有效避免团聚。并且，本发明制备方法还通过对热压参数进行优选控制，将热压时长控制为6-12小时，热压温度控制在90-100℃，这是因为热压主要是会影响材料的物理性能，热压过度，纤维完全塌缩(孔道结构消失)，会严重影响材料的柔性，热压过轻，材料多层之间无法紧密结合，会出现严重的分层现象与纤维重新吸水复胀现象，影响成品质量。
综上，本发明提供的纳米纤维素基柔性传感器及其制备方法和应用，制备的传感器传感效果好、数据稳定、且制备工艺简单、用可降解材料制备，废弃后对环境污染小、且本身具有较好的柔性、传感原理为电磁感应、传感时自供能可减少传感器电池电量损耗降低电池依赖、可作为可穿戴设备的传感器使用。
附图说明
图1是本申请实施例运动传感器的细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体制备方法流程图。
图2是本申请实施例运动传感器及其传感原理示意图；其中，图2中的(a)对应运动传感器的整体示意图，其中，图2中的(b)对应运动传感器的传感原理示意图，波形图中示出的3个小圈，分别表示细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体在均速运动过程中(铜线圈保持固定)，细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体靠近铜线圈、细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体位于铜线圈正上方时、细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体远离铜线圈3种典型情况下的波形。
图3是本申请实施例1细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体的实物及其AFM、FT-IR、XRD图；其中，图3中的(a)对应正面实物图，图3中的(b)对应侧面实物图，图3中的(c)对应与磁铁进行吸引测试之前，图3中的(d)对应与磁铁进行吸引测试之后，图3中的(e)对应AFM图(图中标尺代表2μm)，图3中的(f)对应FT-IR图，图3中的(g)对应XRD图。
图4是本申请实施例在不同制备浓度下的拉伸强度-断裂伸长曲线关系图。
图5是本申请实施例1制备的柔性磁体在纤维素酶作用下的降解过程与降解液中总糖含量变化情况；其中，图5中的(a)对应降解过程(自左到右、自上而下依次对应0h、8h、16h、24h、32h、40h、48h、56h)，图5中的(b)对应降解液中总糖含量变化情况。
图6是本申请实施例运动传感器的利用移动平台测试其传感性能示意图以及其长时间传感的传感图像；其中，图6中的(a)对应利用移动平台测试传感性能示意图，图6中的(b)对应长时间传感的传感图像。
图7是本申请实施例3的传感器对不同速率的传感响应原理以及其在不同速率下的传感电压图像；其中，图7中的(a)对应传感器对不同速率的传感响应原理，速率越大、波形图的电压幅值越高；图7中的(b)对应传感器在不同速率下的传感电压图像(速率分别为100mm/s、200mm/s、300mm/s、400mm/s、500mm/s)。
图8是本申请实施例4的传感器在相同速率下对不同幅度的传感响应原理以及其在不同幅度下的传感电压图像；其中，图8中的(a)对应传感器在相同速率下以线圈中心为参考点进行左右往复运动时对不同幅度的传感响应原理图，图8中的(b)对应传感器在相同速率下对不同幅度的传感电压图像(分别对应10cm、20cm、30cm)。波形图中示出的若干个小圈均表示的是，细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体在运动过程中(铜线圈保持固定)，经过铜线圈时的波形(此时电压为0)；通过测量磁体经过线圈再返回的时间，即可得到此时物体的运动幅度。
图9是本申请实施例传感器相同运动速率与运动幅度下，通过改变柔性磁体的厚度、线圈圈数、反应时离子浓度来对传感器的灵敏度进行调节的示意图与不同磁体厚度、不同线圈圈数、不同反应离子浓度下的传感图像；其中，图9中的(a)对应不同柔性磁体的厚度的示意图，图9中的(b)对应不同线圈圈数的示意图，图9中的(c)对应不同反应时离子浓度的示意图，图9中的(d)对应不同磁体厚度的传感图像(分别对应10层、20层、30层、40层)，图9中的(e)对应不同线圈圈数的传感图像(分别对应500圈、800圈、1000圈)，图9中的(f)对应不同反应离子浓度的传感图像(分别对应Co2+浓度为0.2mol/L、0.4mol/L、0.6mol/L、0.8mol/L、1.0mol/L)。
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。
总的来说，本发明中的磁性纳米纤维素基运动传感器，由磁性纳米纤维素与铜线圈组成，所述磁性纳米纤维素由共沉淀法反应原位复合磁性纳米粒子制得。该传感器传感效果好，具有较好的柔性，在可穿戴设备方向上将具有广阔的应用前景。其中，柔性主要是由具有孔道结构的纳米纤维素材料带来的；这些孔道结构是由纳米纤维素材料堆叠形成的。在由纳米纤维素堆叠形成的纳米纤维素宏观材料中，由于纳米纤维素的堆叠(这些纳米纤维素的直径例如可以在100nm以下，长度在数微米)，将在宏观材料内部产生孔道结构(如纳米孔道结构)。
以细菌纤维素作为纳米纤维素为例，相应的制备方法，可以是：利用木醋杆菌发酵培养获得膜状纳米纤维素，将纳米纤维素浸泡在铁磁性金属离子溶液中；待纳米纤维素充分吸收后，取出放入碱液中反应进行原位合成磁性纳米颗粒；后经热压成型获得磁性纳米纤维素；经裁剪和充磁后获得可用于制造磁性传感器的柔性磁体材料，与线圈进行编制设计，从而得到运动检测传感器。
具体的，本申请实施例还提供了一种上述磁性纳米纤维素的制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S110：本实施例中纳米纤维素采用的为细菌纤维素。细菌纤维素培养来源于美国模式培养物集存库中的葡糖木醋杆菌菌株(G.xylimu,ATCC53582)，当然，也可以采用其它醋酸杆菌，或直接购买商用成品细菌纤维素膜(如，海南光宇生物科技有限公司市售的细菌纤维素膜等)。将获得的膜状细菌纤维素在0.02mol/L的NaOH溶液中(当然也可以是其它稀碱液)浸泡1-2小时以预处理去除由于发酵在材料表面和内部的大量细菌及其代谢产物。然后将细菌纤维素膜切割成合适大小；
该步骤中，如培养木醋杆菌需先将木醋杆菌菌种接种于培养基中,摇床培养2-3天,所得发酵液再转移至平皿中静态培养2-5天,得膜状细菌纤维素；切割的大小可按后续传感器磁性要求与器件大小进行相应调节。
当然，该步骤S110也可以准备其他纳米纤维素堆叠形成的、具有相似孔道结构的纳米纤维素材料(包括纳米纤维素晶体)；例如，可以将植物提取的纤维素利用化学方法去年木质素等杂质，得到纯纤维素材料，再配合微球形成具有孔道结构的纳米纤维素晶体。
步骤S120：将所述纤维素薄膜常温浸泡在铁钴离子混合溶液中充分吸附金属离子后，水浴加热；
该步骤具体可以为：将上述切割成合适大小的细菌纤维素膜浸泡在合适浓度的氯化钴与氯化铁的混合水溶液中，其中氯化铁的浓度优选为0.4-1.6mol/L，氯化钴的浓度优选为0.2-0.8mol/L，不同浓度的溶液需要保证溶液中铁离子的浓度与钴离子的浓度比值为2：1；溶液中金属离子浓度越高，所制成的柔性磁体磁性越强，但相应的柔性就会减弱，可根据所制成的传感器的磁性要求与柔性要求选择合适的溶液浓度；浸泡时间可以为12小时，待细菌纤维素薄膜充分吸附金属离子后将整个溶液放置于水浴锅中，例如60℃水浴加热4小时。另外，之所以优选将氯化铁的浓度控制为0.4-1.6mol/L，氯化钴的浓度控制为0.2-0.8mol/L，主要是为了获得平均粒径为40-60nm的CoFe2O4磁性纳米颗粒(粒径一般是通过控制反应中离子浓度实现的，纳米材料由于具有较高的表面能，所以在浓度过高时会发生团聚，从而使得纳米颗粒的平均直径过大；而本发明中，与上述优选浓度相对应的、未发生团聚现象的磁性纳米颗粒的大小为40-60nm)。
步骤S130：将所述水浴后的细菌纤维素薄膜放入氢氧化钠溶液中，水浴加热；
该步骤具体为：将上述水浴后细菌纤维素从铁钴离子溶液中取出，放入浓度为2.4-4.8mol/L的氢氧化钠溶液中，且使氢氧化钠溶液处于过量状态，保证细菌纤维素中吸附的铁钴离子完全转化为铁钴氧体纳米颗粒。当氢氧化钠溶液浓度过低时，会导致大量氢氧化铁与氢氧化钴生成，影响传感器磁性；当氢氧化钠溶液浓度过高时，会导致细菌纤维素皱缩影响其物理性质。将整个溶液放置于水浴锅中，例如60℃水浴加热1小时，并不断搅拌溶液，保证细菌纤维素充分与溶液接触反应。
步骤S140：将所述反应后的纤维素膜洗净，多层叠加热压；
该步骤具体为：将反应后的细菌纤维素取出，放入纯水中清洗，洗去未附着铁钴氧体纳米颗粒与碱液，直至漂洗液为中性。为增强成品传感器传感效果，可进一步增强其磁性，例如，将多层洗净的细菌纤维素叠加，利用热压机压成一个整体。热压温度可以为100°，热压时长可以为12小时。
步骤S150：将热压后的细菌纤维素充磁，与铜线圈组合制成传感器
充磁时可按常规操作，使用过量充磁，以确保充磁饱和。该步骤具体为：将热压后的细菌纤维素放置在充磁机上，调整充磁电压为1900V，充磁完成后所述细菌纤维素即可对外显示出磁性。与铜线圈组合后即可做出运动传感器；针对不同传感器的要求的传感电压不同，传感电压可通过改变铜线圈的圈数来调节；传感器示意图如图2所示。
本申请的柔性自供能传感器的磁性部分的制作是基于以下原理：
以细菌纤维素为例，细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是一种具有多孔结构及一定孔径分布的新型纳米生物材料。细菌纤维素与植物纤维素结构非常相似,都是由葡萄糖以β-1,4-糖苷键连接而成的高分子化合物。
原位复合来源于原位结晶(In-situ crystallization)和原位聚合(In-situpolymerization)的概念,是指材料中的第二相或增强相生成于材料的形成过程中,它们不是在材料制备之前就有,而是在材料制备过程中原位就地产生。原位生成的可以是金属、陶瓷或高分子等物相,它们能以颗粒、晶须、晶板或微纤等显微组织形式存在于基体中。
具有超细纳米网状结构的细菌纤维素或其他经设计制备的具有纳米孔道的纳米纤维素，其中的孔道结构(尤其是纳米级孔道)为金属离子(如Fe3+、Fe2+、Ni2+、Zn2+等；这些金属离子不一定全部都是磁性金属离子，对于非磁性金属离子，它们可以是能够与磁性金属离子共同形成磁性复合材料的非磁性金属离子)进入多孔结构的内部提供了通道,且其孔径在纳米数量级,大量的纳米级孔洞可作为模板使用。该模板具有高的生物适应性、良好的生物可降解性以及模板合成时性能和结构的可调控性。此外,纳米纤维素含有的大量电负性的羟基和醚键通过正负电荷吸附将金属离子固定在纳米纤维素的纳米级微纤上,再通过化学共沉淀、氧化还原反应等生成纳米级颗粒,以该模板为基体进行复合可以控制合成具有预期特定形貌与尺寸的纳米材料,从而得到具有优异性能的新型功能材料。
因此，本申请基于纳米纤维素开发了一种制备工艺简单、可降解、自供能的传感器，同时传感图像明显、传感效果稳定、在可穿戴设备上将具有广阔的应用前景。
另一方面，本申请实施例还提供了一种上述磁性纳米纤维素基传感器在人体运动传感中的应用，尤其是运动速率测量。该传感器对可穿戴设备。
以下为具体实施例：
实施例1
一种磁性细菌纤维素基传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：向海南光宇生物科技有限公司购买细菌纤维素膜,将获得的膜状细菌纤维素在0.02mol/L的NaOH溶液中浸泡2小时；将其切割成2.5cm*2.5cm的正方体薄膜。
步骤S2：将上述切割后的细菌纤维素膜浸泡在0.8mol/L的氯化钴与1.6mol/L的氯化铁的混合水溶液中；浸泡时间为12小时，待细菌纤维素薄膜充分吸附金属离子后将整个溶液放置于水浴锅中，60℃水浴加热4小时。
步骤S3：将上述水浴后细菌纤维素从铁钴离子溶液中取出，放入浓度为2.4mol/L的氢氧化钠溶液中，将整个溶液放置于水浴锅中，60℃水浴加热1小时，并不断搅拌溶液，保证细菌纤维素充分与溶液接触反应。
步骤S4：将反应后的细菌纤维素取出，放入纯水中清洗，直至漂洗液为中性。将10层洗净的细菌纤维素叠加，利用热压机压成一个整体。热压温度为100°，热压时长为12小时。
步骤S5：将热压后的细菌纤维素放置在充磁机上，调整充磁电压为1900V，与500圈的铜线圈组合后即可做出运动传感器；传感器示意图如图2中的(a)所示，传感原理如图2中的(b)所示。
图3中的(a)为所制备的磁性细菌纤维素块的正面照片，图3中的(b)为侧面照。图3中的(c)、图3中的(d)为磁性细菌纤维素块的磁性验证，图3中的(c)为磁体吸引前，图3中的(d)为磁体吸引后。
图3中的(e)为AFM观察结果，实验结果显示原位共沉淀生成的磁性铁钴氧体纳米颗粒在成三维网状结构的纤维上生长，磁性化的细菌纤维素经过一系列反应之后，其基本纤维骨架形貌没有发生明显变化，但仍保持精细的纤维网络结构。
由图3中的(f)XRD图谱可知磁性化的细菌纤维素在2θ＝30.3°、35.9°、43.5°、57.6°、63.4°出现铁钴氧体的特征峰，表明共沉淀法在细菌纤维素上原位生成了铁钴氧体纳米颗粒。由图3中的(g)FTIR图谱可知，对比步骤S1得到的细菌纤维素，磁性化的细菌纤维素本身的分子结构与成键基团并未因引入的铁钴氧体纳米颗粒而改变。
实施例2
一种磁性细菌纤维素基传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：向海南光宇生物科技有限公司购买细菌纤维素膜，将获得的膜状细菌纤维素在0.02mol/L的NaOH溶液中浸泡2小时；将其切割成2.5cm*2.5cm的正方体薄膜。
步骤S2：将上述切割后的细菌纤维素膜浸泡在0.4mol/L的氯化钴与0.8mol/L的氯化铁的混合水溶液中；浸泡时间为12小时，待细菌纤维素薄膜充分吸附金属离子后将整个溶液放置于水浴锅中，60℃水浴加热4小时。
步骤S3：将上述水浴后细菌纤维素从铁钴离子溶液中取出，放入浓度为2.4mol/L的氢氧化钠溶液中，将整个溶液放置于水浴锅中，60℃水浴加热1小时，并不断搅拌溶液，保证细菌纤维素充分与溶液接触反应。
步骤S4：将反应后的细菌纤维素取出，放入纯水中清洗，直至漂洗液为中性。将10层洗净的细菌纤维素叠加，利用热压机压成一个整体。热压温度为100°，热压时长为12小时。
步骤S5：将热压后的细菌纤维素放置在充磁机上，调整充磁电压为1900V，与300圈的铜线圈组合后即可做出运动传感器；传感器示意图如图2所示。
实施例3：磁性细菌纤维素块的柔性测试
利用万能试验机对剪切成1×5cm长方体条状的10层热压后的在不同浓度梯度的氯化钴溶液的氯化铁混合溶液下生成的磁性细菌纤维素块与10层热压后的纯细菌纤维素块的拉伸强度、断裂伸长率等力学性能进行分析。将样品的两端紧紧夹持仪器上，设置的拉伸速率为10mm/min，启动仪器记录数据。实验结果如图4所示。图中BC表示未负载磁性纳米粒子的纯细菌纤维素膜，0.2MBC表示在钴离子浓度为0.2mol/L、铁离子浓度为0.4mol/L时生成的细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体；0.4MBC表示钴离子浓度为0.4mol/L、铁离子浓度为0.8mol/L时生成的细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体；0.6MBC表示钴离子浓度为0.6mol/L，铁离子浓度为1.2mol/L时生成的细菌纤维素/CoFe2O4柔性磁体。可见，0.2MBC的柔性最强，其最大拉伸强度可达10MPa，断裂伸长率可达百分之30。
实施例4：磁性细菌纤维素块的降解性能测试
取实施例1中所制备的磁性细菌纤维素块作为样品，放入纤维素酶浓度为0.5g/L的酶溶液中，将水浴锅温度设置为50℃，恒温水浴加热。图5中的(a)为磁性细菌纤维素块的降解过程，图5中的(b)为酶解液中总糖含量的随时间的变化曲线。
实施例5：运动检测能力验证实验
可穿戴设备的传感器一个重要的要求是能长时间稳定而正常地传输数据；所以需要测试该传感器的稳定性，观测其是否能在长时间的工作中正常行使功能。传感器在移动平台上的安放位置如图6中的(a)所示。选取实施例1中所制备的磁性细菌纤维素块固定在移动基体上；铜线圈线圈部分固定在中间底部，两端连入电化学工作站以监测其传感电压。
设置线圈圈数为1000圈；调整运动平台的移动速率为100mm/s，用电化学工作站监测记录运动1000次的传感电压。传感图像如图6中的(b)所示，每一次运动都能检测到一次传感电压；且经过1000次传感测试后，传感电压峰值未见明显衰减，表明该传感器可以检测运动，且具有较好的稳定性。
实施例6：运动速率传感实验
运动传感器重要的功能是对运动速率的监测，传感器需要对不同运动速率下有着不同的传感图像；所以需要测试该传感器能否监测出不同的移动速度，在不同速率下产生不同的传感图像。该传感器对不同速率的检测原理如图7中的(a)所示。
所制备的传感器如图6中的(a)所示固定在移动平台上。选取实施例1中所制备的磁性细菌纤维素块固定在移动基体上；铜线圈线圈部分固定在底部上，两端连入电化学工作站以监测其传感电压。
设置线圈圈数为500圈；用电化学工作站监测运动平台的移动速率为100mm/s、200mm/s、300mm/s、400mm/s、500mm/s时所产生的传感电压。传感图像如图7中的(b)所示，结果表明，在不同速率下，传感器所产生的电压峰值有着明显的差别，且有较好的可重复性。通过对传感电压峰值与预设的运动速率的线性拟合与推算，可获得拟合方程。在实际使用中将采集到的传感电压峰值带入其中，可计算出此时的运动速率。表明该传感器能够较好地实现速率检测功能。
实施例7：运动幅度传感实验
现阶段运动传感器往往还具备计步的功能，这就要求传感器能对周期性运动产生相应明显的周期性传感电压，从而达到如计步等需要对运动周期的进行监测的功能。同时因为人存在的身高体形差异，其运动幅度也会因体形而存在的差别；即使在相同速率下的运动，不同身高体形的人的传感图像也会不同。传感器需要能对这些不同特征进行甄别。其原理图像如图8中的(a)所示。
所制备的传感器如图6中的(a)所示固定在移动平台上。选取实施例1中所制备的磁性细菌纤维素块固定在移动基体上；铜线圈线圈部分固定在底部上，两端连入电化学工作站以监测其传感电压。
设置线圈圈数为500圈；用电化学工作站监测运动平台的运动幅度为10cm、20cm、30cm时所产生的传感电压。传感图像如图8中的(b)所示，结果表明，在不同运动幅度下，传感器所产生的传感电压周期有着明显的差别，且有较好的可重复性。通过对传感电压周期时长与预设的运动幅度的线性拟合与推算，可获得拟合方程。在实际使用中将采集到的传感电压周期带入其中，可计算出此时的运动幅度。表明该传感器能够较好地实现运动幅度检测功能。
实施例8：传感器灵敏度调节方案
在传感器实际应用中，往往会面临多种情况；不同情况对传感灵敏度有着不同的要求，这就需要传感器能对自身进行调节来放大或缩小传感电压，使得传感数据能够满足要求。
调整磁体厚度：通过增加或减少总的磁性纳米粒子数量，可以调节磁性细菌纤维素块的整体磁性，进而调节传感电压的大小。总的磁性纳米粒子数量可以通过热压的层数来控制，原理如图9中的(a)所示。不同厚度的传感器的传感电压图像如图9中的(d)所示。
调整线圈圈数：通过增加或减少线圈圈数，可以在不改变原有的磁性条件下调节磁通量的变化情况，进而调节传感电压的大小，原理如图9中的(b)所示。不同线圈圈数的传感器的传感电压图像如图9中的(e)所示。
调整共沉淀反应离子浓度：共沉淀反应离子可影响生成磁性纳米颗粒的总量，进而调节传感电压的大小，原理如图9中的(c)所示。不同离子浓度条件下所制备的传感器的传感电压图像如图9中的(f)所示。
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 (10)
1.一种磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器，其特征在于，包括配合使用的导电线圈和已充磁的磁性纳米纤维素材料，该运动传感器能够利用所述导电线圈和所述磁性纳米纤维素材料的相对运动产生的感应电动势对运动进行传感；其中，
所述磁性纳米纤维素材料是由具有孔道结构的纳米纤维素材料通过共沉淀反应原位复合磁性纳米粒子得到的。
2.如权利要求1所述磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器，其特征在于，所述磁性纳米纤维素材料具体为磁性纳米纤维素块；
所述磁性纳米纤维素块是由具有孔道结构的纳米纤维素块通过共沉淀反应原位复合磁性纳米粒子后经多层热压得到的。
3.如权利要求1或2所述磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器的制备方法，其特征在于，包括以下制备磁性纳米纤维素材料的步骤：
(1)准备膜状纳米纤维素；
(2)将所述膜状纳米纤维素经碱液浸泡预处理后切割成预先设定的大小，浸泡在磁性金属离子溶液中，水浴加热，使所述膜状纳米纤维素吸附磁性金属离子；
其中，所述磁性金属离子溶液中的磁性金属离子选自Fe3+、Fe2+、Co2+、Ni2+；
(3)将所述步骤(2)得到的膜状纳米纤维素浸入碱性溶液中，水浴加热后取出，清洗后充磁，即可得到已充磁的磁性纳米纤维素材料。
4.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述磁性纳米纤维素材料具体为磁性纳米纤维素块；
所述步骤(3)中，在所述清洗结束后、所述充磁开始前，还包括对膜状纳米纤维素进行多层叠加热压成型，形成厚度满足预先设定要求的、且内部具有孔道结构的块状纳米纤维素；所述步骤(3)得到的所述已充磁的磁性纳米纤维素材料即为已充磁的磁性纳米纤维素块。
5.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述多层叠加所采用的叠加层数不超过40层；
所述热压成型是在热压时长控制为6-12小时，热压温度控制在90-100℃的条件下进行压制处理。
6.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述磁性金属离子溶液为Fe3+与Co2+的混合溶液，该混合溶液中Fe3+浓度为Co2+浓度的2倍。
7.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述浸泡是浸泡12小时；
所述水浴加热具体是在60℃的水浴温度下水浴处理4-6小时；
所述磁性金属离子溶液为Fe3+与Co2+的混合溶液，该混合溶液中Co2+浓度为0.2-1.2mol/L，Fe3+浓度为0.4-2.4mol/L；
相应的，所述步骤(3)得到的所述磁性纳米纤维素材料中，复合有CoFe2O4磁性纳米颗粒；所述CoFe2O4磁性纳米颗粒的平均直径为40-60nm；
优选的，所述步骤(2)中，所述磁性金属离子溶液具体为氯化铁与氯化钴的混合溶液，该混合溶液中氯化铁的浓度为1.6mol/L，氯化钴的浓度为0.8mol/L。
8.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述碱性溶液为NaOH溶液，浓度为2.4-4.8mol/L；所述水浴加热具体是60℃的水浴温度下水浴处理0.5-1小时。
9.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述清洗，具体是利用超声机超声处理，并不断换液，直至漂洗液为中性并没有肉眼可见杂质；
所述充磁所采用的充磁电压为1900V。
10.如权利要求1或2所述磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器在检测运动信号传感中的应用；
优选的，所述检测运动信号传感包括运动速率监测和/或运动计步；
更优选的，所述磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器位于可穿戴设备上。
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| CN202111348676.6A Pending CN114323080A (zh) | 2021-11-15 | 2021-11-15 | 一种磁性纳米纤维素基的可降解柔性运动传感器及其制备 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115276466A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-11-01 | 中钢集团南京新材料研究院有限公司 | 一种柔性磁电式自供能弹性体及其制备方法和应用 |
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-
2021
- 2021-11-15 CN CN202111348676.6A patent/CN114323080A/zh active Pending
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