CN115585914A - 耐温度变化的聚合物基压力传感器及其制备方法 - Google Patents
耐温度变化的聚合物基压力传感器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器及其制备方法，该压力传感器包括聚合物薄膜和纳米导电网络，纳米导电网络作为传感材料复合于聚合物薄膜表面；纳米导电网络由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成；银纳米线和导电纳米颗粒材料的电阻对温度变化具有不同响应，其电阻变化可以相互抵消，从而使压力传感器整体具有耐温度变化的性能。对聚合物薄膜对进行plasma处理，使其与传感材料间产生氢键作用，结合力增强，有利于力的传输，提高了传感器的灵敏度。本发明的耐温度变化的聚合物基压力传感器灵敏度高、在0～60℃时阻值稳定，且具有较高的导电性；其作为一种耐温度范围宽、稳定性好的柔性压力传感器，具有较好的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，尤其涉及一种耐温度变化的聚合物基压力传感器及其制备方法。
背景技术
随着人们对智能仿生柔性电子器件需求的日益增长，柔性可穿戴压力传感器因其灵敏度高、检测极限值低、耐久性好、穿着舒适性、可编织性等优点，在人工智能检测领域展现出巨大潜力和应用前景。然而，由于传感单元使用的导电材料对温度(0～60℃)十分敏感，致使在实际应用中传感器阻值发生波动，进而导致传感信号无法准确的采集和稳定的输出，从而限制了其在温度变化环境领域的应用与发展。
目前，有报道中研究了应变传感器(PDMS/PET/Na2S:Au/ITO)，该传感器实现了25～45℃温度范围内对人体运动的准确检测，但是此温度区间相对较窄，无法保证该传感器在寒冷的冬天(例如0～15℃)使用时仍能获得稳定准确的阻值。此外，有报道基于Ag NW/graphene/PDMS(银纳米线/石墨烯/聚二甲基硅氧烷)的应变传感器，该应变传感器的原理基于银纳米线为负温度系数材料，石墨烯为正温度系数材料，两者的电阻变化相互抵消，使其获得了-40～20℃的温度范围内近似零电阻变化(ZTC)的性能；但是当该传感器的应变大于35％时，其应变灵敏性(GF)存在大幅度变化的缺陷，即当温度为-40℃时GF为9156，而温度为20℃时GF降至2417，这是因为在不同温度下银纳米线和石墨烯的电阻变化率不能同步，而仅仅依赖于正负温度系数材料的电阻抵消，使得应变传感器灵敏性的不稳定，难以实现准确检测，严重限制了其应用。因此，现有技术中关于抗温度变化的压力传感器仅仅依赖于导电材料自身的特性，忽略了其他方式对导电材料电阻变化的影响；缺乏关于耐温度范围宽、稳定性好的柔性压力传感器的研究。
有鉴于此，有必要设计一种改进的耐温度变化的聚合物基压力传感器及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐温度变化的聚合物基压力传感器及其制备方法，该传感器以聚合物薄膜为基材，以纳米导电网络为传感材料，传感材料复合于基材表面；纳米导电网络由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成，两者在外界温度变化时，其电阻具有不同的响应，因此得到耐温度变化、高导电性、高传输灵敏性的聚合物基压力传感器。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器，所述聚合物基压力传感器包括聚合物薄膜和纳米导电网络，所述纳米导电网络复合于所述聚合物薄膜表面，作为所述聚合物基压力传感器的传感材料；所述纳米导电网络由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成。
作为本发明的进一步改进，所述纳米导电网络中，所述银纳米线与所述导电纳米颗粒材料的质量比为1:(2～10)，优选为1:8。
作为本发明的进一步改进，所述聚合物薄膜的线膨胀系数为 5×105～25×105K-1；厚度为20μm～2mm。
作为本发明的进一步改进，所述耐温度变化的聚合物基压力传感器在 30mm/min的速度、30kPa的压强下得到的压强随电阻变化率的灵敏性达到 1.0kPa-1，5000次循环后，灵敏性保持稳定；温度在0～60℃范围内变化时，其原始阻值在30min内保持于4.55～4.65kΩ之间，其电阻变化率在30min内小于3.0％。
作为本发明的进一步改进，所述银纳米线的直径为30～80nm，长度为 1～50μm，直径优选为50nm，长度优选为20μm；所述导电纳米颗粒材料的粒径为15～50nm。
作为本发明的进一步改进，所述导电纳米颗粒材料包括银纳米颗粒、金纳米颗粒、铜纳米颗粒或导电炭黑纳米材料中的一种或多种；所述聚合物薄膜包括聚氨酯(PU)、聚酯(PET)薄膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜、聚丙烯(PP)薄膜、聚酰亚胺(PI)薄膜、聚苯胺(PANI)薄膜、聚乙烯醇 (PVA)薄膜等聚合物薄膜中的一种。
一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将预处理后的聚合物薄膜进行plasma处理，并在其表面沉积复合导电溶液，在50～120℃中干燥处理1～60min，得到复合导电薄膜；所述plasma 处理的时间为1～60min；
S2、将步骤S1得到的所述复合导电薄膜的表面连接电极，得到压力传感器；
S3、将步骤S2得到的所述压力传感器采用聚合物封装材料进行封装，得到所述耐温度变化的聚合物基压力传感器。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述复合导电溶液为银纳米线和导电纳米颗粒材料的复合溶液；所述复合导电溶液的浓度为1～20mg/mL，优选为5.0mg/mL；所述复合导电溶液的溶剂为水、乙醇、异丙醇、丁醇中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述复合导电溶液的沉积方法包括旋涂法、喷涂法、刮涂法、滴涂法等中的一种；在步骤S3中，所述聚合物封装材料包括聚二甲基硅氧烷。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述聚合物薄膜的预处理为：将所述聚合物薄膜依次在碱溶液、乙醇、水中分别超声清洗1～20min，并将其自然干燥。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器，包括聚合物薄膜和纳米导电网络，纳米导电网络复合于聚合物薄膜表面，作为聚合物基压力传感器的传感材料；纳米导电网络由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成。该耐温度变化的聚合物基压力传感器灵敏度高、在0～60℃时阻值稳定，且具有较高的导电性；其作为一种耐温度范围宽、稳定性好的柔性压力传感器，在可穿戴压力传感器领域具有较好的应用价值。
2、本发明的传感材料由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成，在外界温度升高时，聚合物薄膜基材产生膨胀，导电纳米颗粒材料之间的间距增大，间距增大会导致纳米颗粒的电阻增大，且电阻增大的效果大于因为温度升高导致的其导电性上升效果，所以导电纳米颗粒材料的电阻在温度升高时表现为增大趋势；而银纳米线为线状结构，当温度升高，基材膨胀导致的电阻增大效果小于因为温度升高导致的导电性增强效果，所以银纳米线的电阻在温度升高时表现为减小趋势。对于压力传感器的整体来说，银纳米线和导电纳米颗粒材料的电阻对于温度变化产生的不同响应可以相互抵消，所以通过控制聚合物薄膜的膨胀程度、银纳米线和导电纳米颗粒材料的质量比以及两者的尺寸和结构参数，可以使电阻变化处于平衡状态，从而使压力传感器的电阻几乎不随温度变化，具有耐温度变化的性能。另外，复合了银纳米线和导电纳米颗粒材料的纳米导电网络结构，增强了导电通路，提高了该聚合物基压力传感器的导电性。
3、本发明在制备聚合物基压力传感器时，通过调控银纳米线和导电纳米颗粒材料的尺寸参数以及复合导电溶液的浓度，来调整纳米导电网络的三维结构，从而提高传感器对应变的灵敏度。另外在聚合物薄膜沉积复合导电溶液前，对聚合物薄膜进行plasma处理，增加表面的活性基团，提高其亲水性，可使得聚合物薄膜与传感材料之间产生氢键作用，结合力大幅度增强；如此不仅提高了压力传感器的使用寿命，更有利于外界压力在传感器中的传输，提高传感器的灵敏度。
4、本发明的聚合物基压力传感器表面采用聚合物封装材料进行封装，一方面可以有效隔绝空气中的氧气，从而提升银纳米线的稳定性，保证其导电性；另一方面可以保护导电纳米颗粒在纳米导电网络中的负载，提升传感器的使用寿命。
5、本发明提供的耐温度变化的聚合物基压力传感器及其制备方法，工艺简单，可实施性强，适合应用于聚合物基压力传感领域，而且适合于大面积制备，具有产业化的优势。
附图说明
图1为本发明实施例1制备耐温度变化的聚合物基压力传感器的结构示意图。
图2为本发明为实施例1和对比例1～2制备的聚合物基压力传感器在 0～60℃下电阻的变化曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，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。
一种耐温度变化的聚合物基压力传感器，包括聚合物薄膜和纳米导电网络，纳米导电网络复合于聚合物薄膜表面，作为聚合物基压力传感器的传感材料；纳米导电网络由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成。传感材料由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成，外界温度升高时，由于聚合物薄膜会发生膨胀，导电纳米颗粒材料之间的间距增大，间距增大会导致纳米颗粒的电阻增大，且电阻增大的效果大于因为温度升高导致的其导电性上升效果，所以导电纳米颗粒材料的电阻在温度升高时表现为增大趋势；而银纳米线为线状结构，当温度升高，基材膨胀导致的电阻增大效果小于因为温度升高导致的导电性增强效果，所以银纳米线的电阻在温度升高时表现为减小趋势。对于压力传感器的整体来说，银纳米线和导电纳米颗粒材料的电阻对于温度变化产生的不同响应可以相互抵消，使其电阻几乎不随温度变化，可以使得聚合物基压力传感器具有耐温度变化的性能。
本发明的耐温度变化的聚合物基压力传感器的灵敏度高，在30mm/min 的速度、30kPa的压强下得到的压强随电阻变化率的灵敏性达到1.0kPa-1；耐温度变化性能好，当温度在0～60℃范围内变化时，其原始阻值在30min内保持于4.55～6.65kΩ之间，电阻变化率在30min内小于3.0％。该耐温度变化的聚合物基压力传感器作为一种耐温度范围宽、稳定性好的柔性压力传感器，在可穿戴压力传感器领域具有较好的应用价值。
特别地，纳米导电网络中银纳米线与导电纳米颗粒材料的质量比为1: (2～10)，优选为1:8；通过控制银纳米线和导电纳米颗粒材料的质量比，使电阻变化处于平衡状态，从而提高压力传感器具有耐温度变化的性能。另外，复合了银纳米线和导电纳米颗粒材料的纳米导电网络结构，增强了导电通路，提高了该聚合物基压力传感器的导电性。银纳米线的直径为30～80nm，长度为1～50μm，直径优选为50nm，长度优选为20μm；导电纳米颗粒材料的粒径为15～50nm。通过调控银纳米线和导电纳米颗粒材料的尺寸参数，可以对纳米导电网络的三维结构进行调整，从而提高传感器对应变的灵敏度。
聚合物薄膜的线膨胀系数为5×105～25×105K-1；厚度为20μm～2mm。通过控制聚合物薄膜的线膨胀系数以及厚度，来控制聚合物薄膜的体积变化，从而调控银纳米线和导电纳米颗粒材料的间距变化，进而控制其电阻的变化；使压力传感器在外界温度变化时，由银纳米线和导电纳米颗粒材料呈现出的电阻变化可以相互抵消，整体保持电阻不变。
在一些具体的实施例中，导电纳米颗粒材料包括银纳米颗粒、金纳米颗粒、铜纳米颗粒或导电炭黑纳米材料中的一种或多种。聚合物薄膜包括聚氨酯(PU)、聚酯(PET)薄膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜、聚丙烯(PP) 薄膜、聚酰亚胺(PI)薄膜、聚苯胺(PANI)薄膜、聚乙烯醇(PVA)薄膜等聚合物薄膜中的一种；其厚度为20μm～2mm。
一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将预处理后的聚合物薄膜进行plasma处理，并在其表面沉积复合导电溶液，在50～120℃中干燥处理1～60min，得到复合导电薄膜；
其中，plasma处理的时间为1～60min；在聚合物薄膜沉积复合导电溶液前，对聚合物薄膜进行plasma处理，增加表面的活性基团，提高其亲水性，可使得聚合物薄膜与传感材料之间产生氢键作用，结合力大幅度增强；
S2、将步骤S1得到的复合导电薄膜的表面连接电极，得到压力传感器；
S3、将步骤S2得到的压力传感器采用聚合物封装材料进行封装，得到耐温度变化的聚合物基压力传感器；其中，采用聚合物封装材料进行封装，一方面可以有效隔绝空气中的氧气，从而提升银纳米线的稳定性，保证其导电性；另一方面可以保护导电纳米颗粒在纳米导电网络中的负载，提升传感器的使用寿命。
具体的，在步骤S1中，复合导电溶液为银纳米线和导电纳米颗粒材料的复合溶液；复合导电溶液的浓度为1～20mg/mL，优选为5.0mg/mL；复合导电溶液的溶剂为水、乙醇、异丙醇、丁醇中的一种或多种。通过控制复合导电溶液的浓度，同样可以调整纳米导电网络的三维结构，提高传感器对应变的灵敏度。
具体地，在步骤S1中，聚合物薄膜的预处理为：将聚合物薄膜依次在碱溶液、乙醇、水中超声清洗1～20min，并将其自然干燥；预处理的目的是除去聚合物薄膜表面的杂质灰尘等。
在一些具体的实施例中，在步骤S1中，复合导电溶液的沉积方法包括旋涂法、喷涂法、刮涂法、滴涂法等中的一种；在步骤S3中，聚合物封装材料包括聚二甲基硅氧烷。
实施例1
本实施例提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将聚氨酯薄膜(PU)依次在碱溶液、乙醇、水中分别超声清洗10min，并将其自然干燥，再进行plasma处理，时间为15min；并在plasma处理后的聚合物薄膜表面沉积复合导电溶液，在70℃的烘箱中干燥处理30min，得到均匀负载复合导电材料的复合导电薄膜；
其中，复合导电溶液的浓度为5mg/mL，复合导电溶液包括银纳米线(AgWN)与导电炭黑纳米材料(CB)，两者的质量比为1:8，溶剂采用乙醇；银纳米线的平均直径为50nm，平均长度为20μm，导电纳米颗粒材料的平均粒径为23nm；
S2、将步骤S1得到的复合导电薄膜的表面连接电极，得到压力传感器；
S3、将步骤S2得到的压力传感器采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装，得到耐温度变化的聚合物基压力传感器。
请参阅图1所示，为实施例1制备耐温度变化的聚合物基压力传感器的结构示意图。从图中可以看出，聚合物基压力传感器包括由聚氨酯薄膜构成的聚合物基底层，聚合物基底层上方为复合导电层，由银纳米线(AgWN) 与导电炭黑纳米材料(CB)构成的纳米导电网络组成；在复合导电层表面连接电极后，采用聚二甲基硅氧烷薄膜进行封装，即得完整的耐温度变化的聚合物基压力传感器。
对比例1
对比例1提供了一种聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，对比例1的复合导电溶液仅包括银纳米线(AgWN)，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例2
对比例2提供了一种聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，对比例2的复合导电溶液仅包括导电炭黑纳米材料(CB)，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
请参阅图2所示，为实施例1和对比例1～2制备的聚合物基压力传感器在0～60℃下电阻的变化曲线图。从图中可以看出，随着温度的升高，对比例 1的聚合物基压力传感器电阻逐渐降低，这是因为温度升高时，基材膨胀导致的银纳米线电阻增大效果小于因为温度升高导致的导电性增强效果导致的；而对比例2的聚合物基压力传感器的电阻逐渐升高，这是因为温度升高时，基材膨胀导致的导电纳米颗粒的电阻增大的效果大于因为温度升高导致的其导电性上升效果，从而使得传感器电阻增大。由此可见，对比例1～2的压力传感器不具有耐温度变化的性能。而实施例1制备的聚合物基压力传感器在温度变化时，其电阻的变化较小，说明其在该温度范围内，传感器的稳定性较好，具有耐温度变化性能。
对比例3
对比例3提供了一种压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，将聚合物薄膜换成玻璃基材，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例4
对比例4提供了一种压力传感器的制备方法，与对比例1相比，不同之处在于，将聚合物薄膜换成玻璃基材，其余大致与对比例1相同，在此不再赘述。
对比例5
对比例5提供了一种压力传感器的制备方法，与对比例2相比，不同之处在于，将聚合物薄膜换成玻璃基材，其余大致与对比例2相同，在此不再赘述。
对比例3～5将聚合物薄膜基材换成玻璃基材，在0～60℃范围内玻璃基材的体积几乎不随温度变化。将对比例3～5制备的压力传感器在0～60℃范围内的电阻变化率进行测试，可以得到对比例3的压力传感器的电阻变化率为 15％，对比例4的压力传感器的电阻变化率为12％，对比例5的压力传感器的电阻变化率为7％，三者均呈负电阻温度系数；这是因为银纳米线和导电纳米颗粒材料均为负温度系数材料，温度升高时，导电性变好。同时可以看出不管是单独的银纳米线或导电纳米颗粒材料，还是两者的复合的传感材料均呈现出负电阻温度系数，不具有耐温度变化的性能。
实施例2～3
实施例2～3提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，实施例2～3的复合导电溶液中的AgWN与 CB的质量比分别为1:2和1:10，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例4～5
实施例4～5提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，实施例4～5的复合导电溶液的浓度分别为 1mg/mL和20mg/mL，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例6
本实施例提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中，聚合物薄膜的厚度为2mm，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例6～7
对比例6～7提供了一种聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，对比例6～7的复合导电溶液中的AgWN与CB的质量比分别为1:0.5和1:12，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例8
对比例8提供了一种聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，对比例8的复合导电溶液的浓度为25mg/mL，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例9
对比例9提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中，聚合物薄膜的厚度为5mm，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对实施例1～6和对比例6～9制备的聚合物基压力传感器进行电化学性能的测试，得到的结果如下表所示。
表1实施例1～6和对比例6～9的聚合物基压力传感器的性能测试
| 电阻变化率/％ | 平均电阻/kΩ | 灵敏性/kPa<sup>-1</sup> | |
| 实施例1 | 1.5 | 4.4 | 1.5 |
| 实施例2 | 2.5 | 4.5 | 1.4 |
| 实施例3 | 2.8 | 4.5 | 1.4 |
| 实施例4 | 2.6 | 6.0 | 1.4 |
| 实施例5 | 2.7 | 2.8 | 1.4 |
| 实施例6 | 2.9 | 4.5 | 1.4 |
| 对比例6 | 5.2 | 4.0 | 1.1 |
| 对比例7 | 5.3 | 5.0 | 1.1 |
| 对比例8 | 5.5 | 1.5 | 1.2 |
| 对比例9 | 6.5 | 4.5 | 1.3 |
由表1可知，银纳米线与导电纳米颗粒材料的比例、复合导电溶液的浓度、基底厚度对制得的聚合物基压力传感器耐温度变化性能造成影响；因此有效地控制AgNW和CB的比例、复合导电溶液的浓度、基底厚度才能实现当温度变化时，传感器电阻变化率＜3.0％的效果，即传感器具有耐温度变化的特性，同时具有良好的电阻稳定性。
实施例7
本实施例提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中，由聚酯薄膜(PET)代替聚氨酯薄膜(PU)，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例10
对比例10提供了一种聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例7相比，不同之处在于，对比例10的复合导电溶液仅包括银纳米线(AgWN)，其余大致与实施例7相同，在此不再赘述。
对比例11
对比例11提供了一种聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例7相比，不同之处在于，对比例11的复合导电溶液仅包括导电炭黑纳米材料(CB)，其余大致与实施例7相同，在此不再赘述。
对实施例7和对比例10～11制备的聚合物基压力传感器在0～60℃范围内的电阻变化率进行测试，得到结果如下：实施例7的聚合物基压力传感器的电阻变化率为2.4；对比例10的聚合物基压力传感器的电阻变化率为10％，呈负电阻温度系数(NTC)；对比例11的聚合物基压力传感器的电阻变化率接近12％，呈正电阻温度系数(PTC)。由测试结果可以得到，本发明技术方案制备的聚合物基压力传感器中，银纳米线和导电纳米颗粒材料两者发挥协调作用，才使得压力传感器具有耐温度变化性能。
实施例8～10及对比例12～17
实施例8～10及对比例12～17提供了一种聚合物基压力传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，其采用的银纳米线和导电纳米颗粒材料的参数如表2所示，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
表2实施例8～10和12～17的参数
对实施例8～10和12～17制备的聚合物基压力传感器进行电化学性能的测试，得到的结果如下表所示。
表3实施例8～10和对比例12～17的聚合物基压力传感器的性能测试
| 电阻变化率/％ | 平均电阻/kΩ | 灵敏性/kPa<sup>-1</sup> | |
| 实施例8 | 2.1 | 4.2 | 1.4 |
| 实施例9 | 2.2 | 4.0 | 1.4 |
| 实施例10 | 2.1 | 4.2 | 1.4 |
| 对比例12 | 5.3 | 4.0 | 1.1 |
| 对比例13 | 6.5 | 4.9 | 0.8 |
| 对比例14 | 7.5 | 5.2 | 0.7 |
| 对比例15 | 7.3 | 3.8 | 1.2 |
| 对比例16 | 5.5 | 4.0 | 1.1 |
| 对比例17 | 6.5 | 4.9 | 1.0 |
由表3可知，银纳米线的直径和长度，以及导电纳米颗粒材料的粒径均对制得的聚合物基压力传感器耐温度变化性能造成影响；所以有效地控制 AgNW的直径和长度、导电纳米颗粒材料的粒径，才能实现当温度变化时，传感器电阻变化率＜3.0％的优异效果；即传感器具有耐温度变化的特性，具有良好的阻值稳定性，同时，传感器兼具高的灵敏性。
综上所述，本发明提供了一种耐温度变化的聚合物基压力传感器及其制备方法，包括聚合物薄膜和纳米导电网络，纳米导电网络复合于聚合物薄膜表面，作为聚合物基压力传感器的传感材料；纳米导电网络由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成。在外界温度升高时，聚合物薄膜发生膨胀，导电纳米颗粒材料之间的间距增大，间距增大会导致纳米颗粒的电阻增大，且电阻增大的效果大于因为温度升高导致的其导电性上升效果，所以导电纳米颗粒材料的电阻在温度升高时表现为增大趋势；而银纳米线为线状结构，当温度升高，基材膨胀导致的电阻增大效果小于因为温度升高导致的导电性增强效果，所以银纳米线的电阻在温度升高时表现为减小趋势；对于压力传感器的整体来说，银纳米线和导电纳米颗粒材料的电阻对于温度变化产生的不同响应可以相互抵消，所以通过控制银纳米线和导电纳米颗粒材料的质量比以及尺寸和结构参数，可以使电阻变化处于平衡状态，从而使压力传感器具有耐温度变化的性能。另外，在聚合物薄膜沉积复合导电溶液前，对聚合物薄膜进行plasma处理，可增加表面的活性基团，提高表面亲水性，可使得聚合物薄膜与传感材料之间产生氢键作用，结合力大幅度增强；如此不仅提高了压力传感器的使用寿命，更有利于外界压力在传感器中的传输，提高传感器的灵敏度。本发明的耐温度变化的聚合物基压力传感器灵敏度高、在0～60℃时阻值稳定，且具有较高的导电性；其作为一种耐温度范围宽、稳定性好的柔性压力传感器，在可穿戴压力传感器领域具有较好的应用价值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种耐温度变化的聚合物基压力传感器，其特征在于，所述聚合物基压力传感器包括聚合物薄膜和纳米导电网络，所述纳米导电网络复合于所述聚合物薄膜表面，作为所述聚合物基压力传感器的传感材料；所述纳米导电网络由银纳米线和导电纳米颗粒材料复合而成。
2.根据权利要求1所述的耐温度变化的聚合物基压力传感器，其特征在于，所述纳米导电网络中，所述银纳米线与所述导电纳米颗粒材料的质量比为1:(2～10)，优选为1:8。
3.根据权利要求1所述的耐温度变化的聚合物基压力传感器，其特征在于，所述聚合物薄膜的线膨胀系数为5×105～25×105K-1；厚度为20μm～2mm。
4.根据权利要求1所述的耐温度变化的聚合物基压力传感器，其特征在于，所述耐温度变化的聚合物基压力传感器在30mm/min的速度、30kPa的压强下得到的压强随电阻变化率的灵敏性达到1.5kPa-1，5000次循环后，灵敏性保持稳定；温度在0～60℃范围内变化时，其电阻变化率在30min内小于3.0％。
5.根据权利要求1所述的耐温度变化的聚合物基压力传感器，其特征在于，所述银纳米线的直径为30～80nm，长度为1～50μm，直径优选为50nm，长度优选为20μm；所述导电纳米颗粒材料的粒径为15～50nm。
6.根据权利要求1所述的耐温度变化的聚合物基压力传感器，其特征在于，所述导电纳米颗粒材料包括银纳米颗粒、金纳米颗粒、铜纳米颗粒或导电炭黑纳米材料中的一种或多种；所述聚合物薄膜包括聚氨酯、聚酯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚丙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚苯胺薄膜、聚乙烯醇薄膜等聚合物薄膜中的一种。
7.一种耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将预处理后的聚合物薄膜进行plasma处理，并在其表面沉积复合导电溶液，在50～120℃中干燥处理1～60min，得到复合导电薄膜；所述plasma处理的时间为1～60min；
S2、将步骤S1得到的所述复合导电薄膜的表面连接电极，得到压力传感器；
S3、将步骤S2得到的所述压力传感器采用聚合物封装材料进行封装，得到所述耐温度变化的聚合物基压力传感器。
8.根据权利要求7所述的耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述复合导电溶液为银纳米线和导电纳米颗粒材料的复合溶液；所述复合导电溶液的浓度为1～20mg/mL，优选为5.0mg/mL；所述复合导电溶液的溶剂为水、乙醇、异丙醇、丁醇中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述聚合物薄膜的预处理为：将所述聚合物薄膜依次在碱溶液、乙醇、水中分别超声清洗1～20min，并将其自然干燥。
10.根据权利要求7所述的耐温度变化的聚合物基压力传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述复合导电溶液的沉积方法包括旋涂法、喷涂法、刮涂法、滴涂法等中的一种；在步骤S3中，所述聚合物封装材料包括聚二甲基硅氧烷。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116144070A (zh) * | 2023-01-17 | 2023-05-23 | 南京邮电大学 | 介电弹性体材料的制备方法及压力传感器 |
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- 2022-09-20 CN CN202211145328.3A patent/CN115585914A/zh active Pending
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