基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法及智能脚垫技术

本发明专利技术公开了基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，包括以下步骤：将碳纳米管和石墨烯与适量的糖颗粒混合，进行充分研磨，使颗粒混合均匀，再加入适量的PDMS和固化剂，将混合物搅拌均匀后放入压片机压片成型，将制得的样品固化后水浴加热加速糖颗粒的溶解，得到三相PDMS复合材料，结合渗流理论，解释三相PDMS复合材料在不同掺杂浓度下的介电性能和导电性能随掺杂浓度的变化规律，寻找到渗流阈值，得到最大灵敏度的三相PDMS复合材料。该制备方法结合渗流理论和原位糖模板法，通过将导电材料的掺杂浓度增加至渗流阈值，减少了填充材料之间的团聚作用，以及填充材料和柔性基体之间的相互作用，提高了复合材料的介电性能和导电性能。导电性能。导电性能。

【技术实现步骤摘要】
基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法及智能脚垫


[0001]本专利技术涉及柔性压力传感器
，尤其涉及基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法及智能脚垫。

技术介绍

[0002]拥有高介电常数的复合材料在储存电能和均匀电场等方面起着很大的作用，因此在人工肌肉、辅助药物释放的外衣材料和生物工程领域等方面有着极大的应用潜力。
[0003]导体/聚合物是目前制备高介电复合材料的有效形式。其中多壁碳纳米管因为具有较大的长径比、优异的机械性能、电性能和耐热性等特性，而被广泛关注，从而制备出多种高介电常数的CNT/聚合物复合材料。但是由于碳纳米管的分散性较差，所以碳纳米管的含量越高越不利于碳纳米管的分散；此外碳纳米管含量越高，介电损耗就越高。
[0004]因此，在渗流阈值的前提下获得具有低介电损耗、高介电常数的复合材料是十分重要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服了现有技术的不足，提供基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1、将碳纳米管和石墨烯与分散质混合；
[0008]S2、向PDMS海绵中加入固化剂并混合；加入S1中碳纳米管和石墨烯与分散质的混合物，其中碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为0～3.5wt％；
[0009]S3、将S2中的混合物定型并固化；将固化好的样品加入水，溶解样品中的分散质，烘干即得rGO/CNT/PDMS海绵，即三相PDMS复合材料；
[0010]S4、结合渗流理论，解释三相PDMS复合材料在不同掺杂浓度下的介电性能和导电性能随掺杂浓度的变化规律，寻找到渗流阈值，得到最大灵敏度的三相PDMS复合材料。
[0011]本专利技术一个较佳实施例中，所述碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为2～3wt％。
[0012]本专利技术一个较佳实施例中，当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度到达渗流阈值时，通过渗流理论公式预测复合材料的介电性能和导电性能：
[0013]ε
,
∝
(P
c
‑
P)
‑
x
，P<P
c
；
[0014]tanθ
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[0015]σ
dc
∝
(P
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c
)
t
，P>P
c
；
[0016]其中，ε为介电常数，P
c
为填充物的渗流阈值，P为填充物的含量，tanθ为介电损耗，为直流电导；x、r和t分别为介电常数、介电损耗和直流电导的临界指数。
[0017]本专利技术一个较佳实施例中，所述碳纳米管在与石墨烯混合前，需要采用强酸氧化法改性处理，包括以下步骤：
[0018]S11、向未处理的碳纳米管中加入强酸溶液，并在室温下超声清洗；
[0019]S12、在回流设备中以50～70℃的温度回流处理；
[0020]S13、将回流处理后的溶液蒸发浓缩形成浓缩液，并冷却；
[0021]S14、将S13中的浓缩液离心处理，去除上层清液，得到处理过的碳纳米管；
[0022]S15、向碳纳米管中加入水后进行超声处理和离心处理，并重复5～6次直至溶液呈中性，干燥后得到酸氧化的碳纳米管。
[0023]本专利技术一个较佳实施例中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
[0024]本专利技术一个较佳实施例中，所述分散质为糖。
[0025]本专利技术一个较佳实施例中，在所述S3中，通过水浴法将样品中的分散质溶解。
[0026]一种三相PDMS复合材料，采用上述所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法制成：
[0027]所述三相PDMS复合材料在掺杂浓度范围为0～2.5wt％时，碳纳米管和石墨烯颗粒均匀地分散在PDMS海绵中，颗粒之间相互独立，且随掺杂浓度的增大，受到压缩后，颗粒之间的连接越容易，介电常数增加越快；
[0028]所述三相PDMS复合材料在掺杂浓度2.5～3.5wt％时，碳纳米管和石墨烯颗粒之间具有明显的团聚现象，导电颗粒相互连接，形成导通电路，且随掺杂浓度的增大，受到压缩后，介电常数基本保持不变。
[0029]本专利技术一个较佳实施例中，当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度没有达到三相PDMS复合材料的渗流阈值时，三相PDMS复合材料的直流电导与掺杂浓度成反比，而介电性能与掺杂浓度成正比；
[0030]当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度高于三相PDMS复合材料的渗流阈值时，三相PDMS复合材料的直流电导与掺杂浓度成正比，而介电性能与掺杂浓度成反比。
[0031]一种智能鞋垫，采用上述所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法制成：所述智能鞋垫为三明治结构，所述智能鞋垫依次将基底、rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器和鞋垫进行复合安装，其中所述rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器由制备的三相PDMS复合材料和导线连接组装形成。
[0032]本专利技术解决了
技术介绍
中存在的缺陷，本专利技术具备以下有益效果：
[0033](1)本专利技术提供了一种三相PDMS复合材料制备方法，该制备方法结合渗流理论和原位糖模板法，使得碳纳米管和石墨烯附着在多孔PDMS海绵内部，形成三相复合材料，解决了现有技术中导电材料难以渗透到多孔海绵内部且容易脱落的问题。
[0034](2)本专利技术采用渗流理论，并通过将导电材料的掺杂浓度增加至渗流阈值，减少了填充材料之间的团聚作用，以及填充材料和柔性基体之间的相互作用，提高了复合材料的介电性能和导电性能。此外，本专利技术将碳纳米管和石墨烯掺杂浓度的增加至与渗流阈值相等时，三相PDMS复合材料的灵敏度达到最大值。
[0035](3)本专利技术中rGO/CNT/PDMS柔性压力传感器的灵敏度高于CNT/PDMS柔性压力传感器的灵敏度，这是因为由于石墨烯的加入，能够更好地将分散的碳纳米管颗粒连接起来，起到“桥梁”的作用，从而降低rGO/CNT/PDMS海绵的渗流阈值，相比于CNT/PDMS海绵，rGO/CNT/PDMS海绵更容易在渗流阈值的前提下增大到高介电常数，器件的灵敏度也就随之增加。
[0036](4)本专利技术提供了一种智能鞋垫，该智能鞋垫通过将基底、电容式柔性传感器和鞋
垫组装形成三明治结构，进而检测出人体脚部的着地方式，展现了该传感器在可穿戴智能纺织品领域有着巨大的应用潜力。
[0037](5)本专利技术碳纳米管为多壁碳纳米管，与单壁碳纳米管相比，多壁碳纳米管具有更大的长径比，且制作简单、制备成本较低；多壁碳纳米管的长径比与纯度有关，纯度越高、长径比越大，内部的相互搭接就越容易，即使添加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将碳纳米管和石墨烯与分散质混合；S2、向PDMS海绵中加入固化剂并混合；加入S1中碳纳米管和石墨烯与分散质的混合物，其中碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为0～3.5wt％；S3、将S2中的混合物定型并固化；将固化好的样品加入水，溶解样品中的分散质，烘干即得rGO/CNT/PDMS海绵，即三相PDMS复合材料；S4、结合渗流理论，解释三相PDMS复合材料在不同掺杂浓度下的介电性能和导电性能随掺杂浓度的变化规律，寻找到渗流阈值，得到最大灵敏度的三相PDMS复合材料。2.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：所述碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为2～3wt％。3.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度到达渗流阈值时，通过渗流理论公式预测复合材料的介电性能和导电性能：ε
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；其中，ε为介电常数，P
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为填充物的渗流阈值，P为填充物的含量，tanθ为介电损耗，为直流电导；x、r和t分别为介电常数、介电损耗和直流电导的临界指数。4.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：所述碳纳米管在与石墨烯混合前，需要采用强酸氧化法改性处理，包括以下步骤：S11、向未处理的碳纳米管中加入强酸溶液，并在室温下超声清洗；S12、在回流设备中以50～70...

【专利技术属性】
技术研发人员：林红，任孟，陈宇岳，张德锁，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：