一种温度-应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法技术

本发明专利技术提供一种温度

【技术实现步骤摘要】
一种温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及材料制备
，具体而言，尤其涉及一种温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]在人体健康监测可穿戴电子器件和人工智能电子皮肤领域，开发能同时监测温度和应变的传感材料十分重要。一方面，可实现温度和应变双功能传感的材料可以用于监测人体的日常活动(如包括运动、行走等)和身体状态(如体温、血压、脉搏等)。另一方面，具有多重感知功能的柔性薄膜型传感器能够模仿人类皮肤功能，可应用于人工皮肤移植、义肢制作或机器人电子皮肤等多个领域。
[0003]目前，针对应变或温度单一功能的传感技术发展已十分成熟，但能够同时实现温度和应变双功能传感的柔性薄膜材料仍比较有限。专利CN211291327U和CN110836691A中公开了两种温度
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应变传感测量系统，但均为将温度传感单元和应变传感单元两个独立功能传感器件通过电路进行连接的分体结构设计。相比之下，基于同一均质材料，而能够同时实现温度和应变两个信号传感功能的一体化结构设计目前仍比较缺乏。如何在温度和应变双功能一体化传感材料中实现温度和应变两个探测信号的解耦和独立输出也是制备多功能传感器的关键问题。考虑到应用于人体膝关节、肘关节等大应变运动条件，还需要所使用的双功能传感元件不仅应具有大范围的拉伸恢复性，同时也要保证在大拉伸应变下保持信号探测的准确性。基于上述问题，制备可实现温度和应变双功能传感的一体化透气薄膜，无论是对于科学研究还是实际应用而言，都将具有重要价值。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法。本专利技术以静电纺丝技术制备的热塑性聚氨酯(TPU)弹性体薄膜作为载体，在其三维多孔结构中同时担载碳纳米材料和具有热电效应的聚(3,4
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乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)，所制备的薄膜材料可实现温度和应变双功能同时传感并且可满足大应变条件(大于100％应变)使用，为可穿戴电子器件及电子皮肤等领域解决温度和应变双功能传感的相关问题提供一种有效方案。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
[0007](a)将TPU颗粒溶解于DMF/THF共混溶剂中形成均匀混合溶液；利用静电纺丝装置吸取混合溶液，在静电纺丝装置的收集装置表面覆盖铝膜作为沉积基板，在铝膜基板表面收集TPU纤维形成二维网状的织物型TPU薄膜；所制备的TPU薄膜可从铝基板表面剥离，形成自支撑薄膜结构；
[0008](b)将步骤(a)中所制备的TPU薄膜通过等离子体清洗机处理，将处理后的TPU薄膜浸泡在PSSH溶液中，取出后将其在室温环境下晾干；
[0009](c)配置碳纳米材料与碳颗粒水系分散液，将经过步骤(b)处理后的TPU薄膜于碳纳米材料
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碳颗粒分散液中浸泡，随后取出烘干；
[0010](d)预先在导电聚合物溶液中添加体积分数为1％
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10％的二甲基亚砜；将步骤(c)中取出的TPU薄膜再浸泡在添加二甲基亚砜的导电聚合物溶液中，然后将薄膜取出并烘干。
[0011]进一步地，TPU在DMF/THF共混溶剂中的质量分数范围为5％
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50％，DMF/THF共混溶剂中DMF的体积分数为0
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100％。
[0012]进一步地，等离子体清洗机中的等离子体类型可为空气等离子体、氧气等离子体或氩气等离子体。
[0013]进一步地，PSSH溶液的浓度为1％
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20％。
[0014]进一步地，TPU薄膜上所担载碳纳米材料包括碳颗粒、碳纳米管、石墨烯、富勒烯和碳纳米线圈中的一种或几种的组合。
[0015]进一步地，导电聚合物为PEDOT:PSS，或者其他可溶于水或有机溶剂的导电聚合物。
[0016]进一步地，制备得到的二维网状的织物型TPU薄膜的厚度为0.1μm
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1mm。
[0017]进一步地，采用TPU薄膜进行温度探测的范围为0
–
200℃，探测精度为0.01
–
2K。
[0018]进一步地，采用TPU薄膜进行应变探测范围为1％
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120％，应变探测灵敏度因子为5
–
50。
[0019]进一步地，当对薄膜材料同时施加温度和应变激励的情况下，通过热电压探测温度，通过电阻变化探测应变，实现温度和应变的双功能检测及信号解耦。
[0020]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0021]1、由于TPU薄膜自身的可拉伸性强，恢复性好，力学性能稳定，本专利技术提供的方法制备的可实现温度和应变双功能传感的一体化透气薄膜，最大拉伸量可达100％。
[0022]2、本专利技术提供的温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法，利用PEDOT:PSS的热电效应，所制备薄膜材料在材料两端存在温差的条件下(两端温度分别为T1、T2)生成电压信号(ΔV＝SΔT，S为薄膜材料的塞贝克系数)，可通过探测电压信号得到温差值(ΔT＝T2
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T1)，当温度激励施加在薄膜的一端，而另一端为常温状态时(如T1＝298K)，则可由温差信号计算探测端的温度信号，因此可实现对温度的探测(T2＝ΔT+298K)。
[0023]3、本专利技术提供的温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法，静电纺丝技术制备的TPU薄膜自身不导电，以其为载体担载碳纳米材料后，碳纳米材料之间的物理接触使薄膜导电性增强；在对薄膜施加应变刺激后，由于拉伸作用，薄膜中碳纳米材料之间的接触发生变化，导电通路改变，薄膜的电阻阻值也随之变化，从而实现对应变的探测。
[0024]4、本专利技术提供的温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法，由于对温度的传感是基于热电压信号，对于应变的传感基于电阻变化，因此，可通过分别检测热电压信号和电阻信号确定对于薄膜材料的温度刺激和应变刺激；本专利技术中所制备的薄膜材料对于温度和应变两个功能的传感信号可实现高度解耦。
[0025]基于上述理由本专利技术可在材料制备等领域广泛推广。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为采用本专利技术所述方法制备的温度和应变的双功能传感一体化透气薄膜的扫描电子显微镜图像。
[0028]图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(a)将TPU颗粒溶解于DMF/THF共混溶剂中形成均匀混合溶液；利用静电纺丝装置吸取混合溶液，在静电纺丝装置的收集装置表面覆盖铝膜作为沉积基板，在铝膜基板表面收集TPU纤维形成二维网状的织物型TPU薄膜；所制备的TPU薄膜可从铝基板表面剥离，形成自支撑薄膜结构；(b)将步骤(a)中所制备的TPU薄膜通过等离子体清洗机处理，将处理后的TPU薄膜浸泡在PSSH溶液中，取出后将其在室温环境下晾干；(c)配置碳纳米材料与碳颗粒水系分散液，将经过步骤(b)处理后的TPU薄膜于碳纳米材料
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碳颗粒分散液中浸泡，随后取出烘干；(d)预先在导电聚合物溶液中添加体积分数为1％
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10％的二甲基亚砜；将步骤(c)中取出的TPU薄膜再浸泡在添加二甲基亚砜的导电聚合物溶液中，然后将薄膜取出并烘干。2.根据权利要求1所述的温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法，其特征在于，TPU在DMF/THF共混溶剂中的质量分数范围为5％
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50％，DMF/THF共混溶剂中DMF的体积分数为0
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100％。3.根据权利要求1所述的温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法，其特征在于，等离子体清洗机中的等离子体类型可为空气等离子体、氧气等离子体或氩气等离子体。4.根据权利要求1所述的温度
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应变双功能传感一体化透气薄膜的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：范曾，温柠暄，张鉴炜，杨帅涛，潘路军，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：