一种高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜及其制备方法与应用。该柔性传感复合薄膜的制备方法包括如下步骤：(1)将热塑性聚氨酯、乙基纤维素和乙烯

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于柔性传感基材
，特别涉及一种高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]柔性压力传感器可将机械信号转换为电信号，由于其在健康监测、人体运动检测、人机交互和可穿戴电子设备等领域的广泛应用因而受到研究者的热切关注。常用的柔性压力传感器分为电阻式、电容式、压电式和摩擦电式等。其中，柔性压阻式压力传感器具有设计简单、可读出系统简单等诸多优点，因而在各类传感器中脱颖而出。
[0003]作为新一代柔性电子器件的重要组成部分，评价柔性压力传感器的性能指标主要包括灵敏度、检测范围、检测极限和响应时间等。为了实现优异的传感性能，一般会对其活性层进行微结构设计，如表面微圆孔、微圆柱、微球(半球或整圆球体)和微金字塔等立体几何结构设计。与普通的平面结构相比，微结构设计可以在发生形变时增加接触面积，以引起电阻的快速变化，从而实现高灵敏度。其机理主要是在低压状态下的微结构会使接触面积和导电路径快速增加，从而获得更高的灵敏度和更低的检测极限。然而，这些微结构设计通常是使用弹性体的一体式突起材料，其内部并不存在孔洞或其他空间网络结构，导致其导电路径仅在微结构表面形成，从而限制了柔性压力传感器的检测范围。此外，随着压力的逐步增加，柔性压力传感器的灵敏度还受到表面导电路径的快速饱和的限制，使其在高压下的灵敏度较低。
[0004]因此，如何提高灵敏度(低压和高压下)和检测范围，对于柔性压力传感器的发展仍是一个挑战。基于此，翁凌等(专利申请公开号为CN113733697A)设计了一种高灵敏度、宽传感范围的柔性复合薄膜，其主要原料包括MXene、TPU和PDMS，其制备方法为：先采用涂膜法制备TPU薄膜，再喷涂二维的Ti3C2MXene纳米片配制的胶体水溶液后烘干制得MXene/TPU复合薄膜，而后将PDMS薄膜夹在MXene/TPU复合薄膜两侧并与其粘结为一体。然而，该方法制备的复合薄膜仍存在灵敏度较低、响应时间慢(120.1ms)、工艺复杂、以及原料成本高(其中MXene和PDMS的价格较高)等问题。
[0005]综上可知，开发一种简单可行的方法来设计出各项性能优异(如高灵敏度和宽检测范围)的柔性压力传感器，对于进一步促进可穿戴电子设备的高质量发展具有十分重要的现实意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜的制备方法。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供所述方法制备得到的高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜。
[0008]本专利技术的再一目的在于提供所述高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜的应用。
[0009]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0010]一种高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0011](1)配制静电纺丝液
[0012]将热塑性聚氨酯(TPU)、乙基纤维素(EC)和乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物(EVA)加入到混合溶剂中，在55
±
5℃条件下恒温水浴搅拌溶解，得到静电纺丝液；其中，混合溶剂为N,N二甲基甲酰胺(DMF)和氯仿混合得到的溶剂；
[0013](2)静电纺丝制成复合薄膜
[0014]将步骤(1)中得到的静电纺丝液经静电纺丝得到TPU/EC/EVA复合薄膜，然后将其自然风干后置于银纳米线乙醇分散液中进行超声处理，再取出并进行干燥处理，得到所述高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜；其中，静电纺丝的参数条件为：滚筒接收器上粘有一层底部附有锡箔纸的金属网筛，金属网筛的目数为200～400目，滚筒转速为100～300rpm，正负电压为10～20kV，注射器距离滚筒接收器的距离为10
±
2cm，纺丝速度为0.3～0.7mm/min。
[0015]步骤(1)中所述的热塑性聚氨酯(TPU)、乙基纤维素(EC)和乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物(EVA)的质量比为1～2:1～3:1～2；优选为2:1:2。
[0016]步骤(1)中所述的静电纺丝液的浓度为质量百分比10～18％；优选为14％。
[0017]步骤(1)中所述的N,N二甲基甲酰胺(DMF)和氯仿的质量比为1～3:1；优选为3:1。
[0018]步骤(1)中所述的搅拌的时间为2～3h；优选为2.5h；搅拌过程中用锡箔纸包覆容器以防止溶剂挥发。
[0019]步骤(2)中所述的金属网筛的材质为不锈钢304。
[0020]步骤(2)中所述的金属网筛的目数优选为300目。
[0021]步骤(2)中所述的金属网筛的厚度约为0.1cm。
[0022]步骤(2)中所述的静电纺丝的滚筒转速优选为200rpm。
[0023]步骤(2)中所述的静电纺丝的正负电压优选为15kV。
[0024]步骤(2)中所述的静电纺丝的纺丝速度优选为0.5mm/min。
[0025]步骤(2)中所述的静电纺丝的纺丝时间为1～5h；优选为3h。
[0026]步骤(2)中所述的银纳米线乙醇分散液的浓度优选为5mg/mL。
[0027]步骤(2)中所述的超声处理的条件为：超声频率40kHz，功率10W，时间30min。
[0028]步骤(2)中所述的干燥为采用真空干燥箱进行干燥。
[0029]步骤(2)中所述的干燥的条件为：45
±
5℃干燥12h以上；优选为：45℃干燥12h。
[0030]一种高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜，通过上述任一项所述的方法制备得到。
[0031]所述的高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜在制备柔性压力传感器中的应用。
[0032]一种复合薄膜基柔性压力传感器，包括自上而下设置的第一PDMS薄膜、第一电极、第一柔性传感复合薄膜、第二柔性传感复合薄膜、第二电极和第二PDMS薄膜；其中，
[0033]所述的第一柔性传感复合薄膜和第二柔性传感复合薄膜均为上述高灵敏度宽检
测范围的柔性传感复合薄膜(作为柔性压力传感层)。
[0034]所述的PDMS优选为通过如下方法制备得到：
[0035]将聚二甲基硅氧烷(PDMS)的稀释剂与固化剂混合得到PDMS前驱液，然后将PDMS前驱液消除气泡后倒在表面平整且光滑的玻璃基底上，而后置于烘箱中固化，得到PDMS薄膜。
[0036]所述的聚二甲基硅氧烷优选为道康宁184PDMS。
[0037]所述的PDMS的稀释剂与固化剂的体积比优选为10:1。
[0038]所述的消除气泡优选为采用高速混合器消除气泡。
[0039]所述的固化的条件优选为：固化温度80
±
5℃，固化时间2h。
[0040]所述的PDMS薄膜的厚度均为500
±
20μm。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配制静电纺丝液将热塑性聚氨酯、乙基纤维素和乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物加入到混合溶剂中，在55
±
5℃条件下恒温水浴搅拌溶解，得到静电纺丝液；其中，混合溶剂为N,N二甲基甲酰胺和氯仿混合得到的溶剂；(2)静电纺丝制成复合薄膜将步骤(1)中得到的静电纺丝液经静电纺丝得到TPU/EC/EVA复合薄膜，然后将其自然风干后置于银纳米线乙醇分散液中进行超声处理，再取出并进行干燥处理，得到所述高灵敏度宽检测范围的柔性传感复合薄膜；其中，静电纺丝的参数条件为：滚筒接收器上粘有一层底部附有锡箔纸的金属网筛，金属网筛的目数为200～400目，滚筒转速为100～300rpm，正负电压为10～20kV，注射器距离滚筒接收器的距离为10
±
2cm，纺丝速度为0.3～0.7mm/min。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的热塑性聚氨酯、乙基纤维素和乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物的质量比为1～2:1～3:1～2；步骤(1)中所述的静电纺丝液的浓度为质量百分比10～18％；步骤(1)中所述的N,N二甲基甲酰胺和氯仿的质量比为1～3:1；步骤(2)中所述的金属网筛的目数为300目；步骤(2)中所述的银纳米线乙醇分散液的浓度为5mg/mL。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的热塑性聚氨酯、乙基纤维素和乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物的质量比为2:1:2；步骤(1)中所述的静电纺丝液的浓度为质量百分比14％；步骤(1)中所述的N,N二甲基甲酰胺和氯仿的质量比为3:1。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的搅拌的时间为2～3h；步骤(2)中所述的金属网筛材质为不锈钢304；步骤(2)中所述的静电纺丝的滚筒转速为200rpm；步骤(2)中所述的静电纺丝的正负电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅丹宁，杨仁党，郭晓慧，程晨，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：