一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器及制作方法，压力传感器的电极层I和电极层II位于最上层和最下层，仿生碳纳米管膜位于中间层，电极层I与仿生碳纳米管膜之间通过硅橡胶圈I密封，硅橡胶圈I内充填电解质溶液I，仿生碳纳米管膜与电极层II之间通过硅橡胶圈II密封，硅橡胶圈II内充填电解质溶液II。仿生碳纳米管膜包括嵌段共聚物膜、仿生碳纳米管和多孔基底，多孔基底位于嵌段共聚物膜底部，仿生纳米管阵列式嵌入嵌段共聚物膜内，形成跨膜通道。本发明专利技术的压力传感器可以实现自供能，仿生碳纳米管具有良好的离子选择性和离子通量，压力传感器灵敏度高。压力传感器灵敏度高。压力传感器灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器及制作方法


[0001]本专利技术涉及传感器和新材料
，具体涉及一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器及制作方法。

技术介绍

[0002]压力传感器是将敏感元件感受到的压力转换成可识别的电信号的一类物理传感器，广泛应用于医疗诊断和人工智能等领域。随着现代加工技术的不断发展和新型智能材料的突破，基于新结构、新材料和新原理的压力传感器成为研究热点。在生物感觉器官中，存在一种离子通道，当受体被各种环境刺激(如压力)激活时，信号就会通过离子的跨膜运动而产生，且能对微小的刺激快速产生响应，为新型压力传感器提供了新原理、新材料和新结构的灵感与借鉴。生物离子通道最显著的特点就是离子选择性，即对离子具有开关作用，允许离子通过时为开，阻止离子通过时为关，允许某种离子(阳离子或者阴离子)通过时，则会引起电荷的定向移动，即产生电流。近几年，研究人员已经制备出了基于有机和无机材料的仿生纳米通道，但多数仍然存在选择性差、稳定性差等问题，限制了其应用。在众多仿生纳米通道中，碳纳米管具有优异的化学和结构稳定性，内壁原子级光滑，能够快速输运流体分子，且具有良好的离子选择性。例如，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Aleksandr Noy教授于2017年在Science期刊上报道了一种仿生碳纳米管，发现直径0.8nm的碳纳米管阳离子和阴离子的选择性超过2个数量级，直径1.5nm的碳纳米管选择性仍接近5。
[0003]利用碳纳米管制备压力传感器，除了要求碳纳米管具有良好的离子选择性，还需要实现碳纳米管的大规模有效集成。目前常用集成碳纳米管制备多孔膜的方式是通过化学气相沉积法制备垂直定向排布的碳纳米管阵列，然后填充陶瓷或聚合物成膜，膜内碳纳米管排列规整。然而这种制备方法复杂，且碳纳米管直径大、均一性差，导致离子选择性较差。后来，研究人员使用环氧树脂覆盖水平排布的碳纳米管阵列或者利用微纳操控将碳纳米管插入氮化硅薄膜形成通道，但这种方式无法用来大规模集成碳纳米管。同时上述方法存在一个共性问题是，碳纳米管较长，普遍在微米级，减慢了离子的输运，导致离子通量降低，且提高了碳纳米管缺陷出现的概率。Aleksandr Noy教授报道的仿生碳纳米管能够插入磷脂膜形成跨膜通道，然而磷脂膜很脆弱，稳定性较差，会产生较大的缺陷或空隙，无法实际应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器及制作方法，压力传感器可实现自供能，仿生碳纳米管离子选择性及离子通量好，且采用嵌段共聚物作为基质大规模集成，能够保证传感器的灵敏度和稳定性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术一方面公开了一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器，包括电极层I、电极层II、电解质溶液I、电解质溶液II、硅橡胶圈I、硅橡胶圈II、仿生碳纳米管膜，所述电极层I和所述电极层II分别位于最上层和最下层，所述仿生碳纳米管膜位
于中间层，所述电极层I与所述仿生碳纳米管膜之间通过所述硅橡胶圈I密封，所述硅橡胶圈I内充填所述电解质溶液I；所述仿生碳纳米管膜与所述电极层II之间通过所述硅橡胶圈II密封，所述硅橡胶圈II内充填所述电解质溶液II；所述仿生碳纳米管膜包括嵌段共聚物膜、仿生碳纳米管、多孔基底，所述多孔基底位于所述嵌段共聚物膜底部，所述仿生纳米管阵列式嵌入所述嵌段共聚物膜内，形成跨膜通道。
[0006]进一步地，所述仿生碳纳米管直径小于2nm，长8
‑
10nm，端部修饰有羧基官能团。
[0007]进一步地，所述嵌段共聚物膜为两亲性三嵌段共聚物，厚6
‑
8nm。
[0008]进一步地，所述多孔基底为聚碳酸酯膜、聚酰胺膜或氧化铝膜，孔径为150
‑
180nm。
[0009]进一步地，所述多孔基底上修饰有丙烯酸基团。
[0010]进一步地，所述硅橡胶圈套I或所述硅橡胶圈II的外径为3
‑
4cm，内径为1
‑
2cm，厚度为0.5
‑
1cm。
[0011]另一方面，本专利技术还公开了一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器的制作方法，包括：
[0012]S1，制备电极层I和电极层II，首先使用胶带在聚四氟乙烯薄膜上圈出一块直径3
‑
4cm的圆形区域，然后在圆形区域内涂抹碳浆，形成电极层I或电极层II；
[0013]S2，待电极层I和电极层II凝固后，将一个环形的硅橡胶圈II固定到电极层II上，接口处使用液态的硅橡胶进行密封，等待硅橡胶干燥；
[0014]S3，待液态的硅橡胶干燥后，往环形硅橡胶圈II内注入电解质溶液II，直到注满为止；
[0015]S4，将制备的仿生碳纳米管膜覆盖在硅橡胶圈II上；
[0016]S5，在仿生碳纳米管膜上叠加硅橡胶圈I，接口处用液态硅橡胶密封；
[0017]S6，待液态硅橡胶干燥后，向硅橡胶圈I的槽中注入电解质溶液I，电解质溶液I的离子浓度与电解质溶液II相同；
[0018]S7，注满后，贴上预先制备好的电极层I，并用液态硅橡胶密封；
[0019]S8，待到液态硅橡胶干燥后，将电极层I和电极层II外接电流表，传感器制作完成，进行测试。
[0020]进一步地，所述电极层I和所述电极层II的直径为3
‑
4cm，厚度为0.1
‑
0.2mm。
[0021]进一步地，所述仿生碳纳米管膜的制备方法包括：
[0022](1)取直径0.6
‑
2.0nm的单壁碳纳米管，使用嵌段共聚物溶液溶解碳纳米管，然后进行超声波切割处理12
‑
16小时，经过超速离心1
‑
2小时，将未切断的碳纳米管和杂质除去，得到嵌段共聚物包裹的碳纳米管，长8
‑
10nm，即仿生碳纳米管；
[0023](2)使用嵌段共聚物溶液溶解碳纳米管溶解仿生碳纳米管，在室温下静置20
‑
30分钟，将溶液进行冻融处理，溶液在液氮中速冻，接着在40
‑
50℃水浴中融化，来回7
‑
10个循环，将溶液通过多孔聚碳酸酯膜来回挤多次定型，得到直径约190
‑
210nm的单壁嵌段共聚囊泡，囊泡壁装载仿生碳纳米管；
[0024](3)选用聚酰胺膜作多孔基底，膜直径为3
‑
4cm，孔径150
‑
180nm，膜表面修饰有丙烯酸基团；将装载仿生碳纳米管的囊泡溶液置于多孔基底上，使囊泡直接在基底的表面吸附、变形、破裂、铺展，覆盖整个基底表面，形成嵌段共聚物膜；用紫外光处理20
‑
30分钟，促进嵌段共聚物链的交联键合以及丙烯酸基团与嵌段共聚物膜端部基团的共价键合，最后获
得平整的集成仿生碳纳米管的仿生碳纳米管膜。
[0025]本专利技术的有益效果，相较于现有技术，本专利技术具有以下优势：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器，包括电极层I、电极层II、电解质溶液I、电解质溶液II、硅橡胶圈I、硅橡胶圈II、仿生碳纳米管膜，所述电极层I和所述电极层II分别位于最上层和最下层，所述仿生碳纳米管膜位于中间层，所述电极层I与所述仿生碳纳米管膜之间通过所述硅橡胶圈I密封，所述硅橡胶圈I内充填所述电解质溶液I；所述仿生碳纳米管膜与所述电极层II之间通过所述硅橡胶圈II密封，所述硅橡胶圈II内充填所述电解质溶液II；所述仿生碳纳米管膜包括嵌段共聚物膜、仿生碳纳米管、多孔基底，所述多孔基底位于所述嵌段共聚物膜底部，所述仿生纳米管阵列式嵌入所述嵌段共聚物膜内，形成跨膜通道。2.根据权利要求1所述的一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器，其特征在于，所述仿生碳纳米管直径小于2nm，长8
‑
10nm，端部修饰有羧基官能团。3.根据权利要求1所述的一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器，其特征在于，所述嵌段共聚物膜为两亲性三嵌段共聚物，厚6
‑
8nm。4.根据权利要求1所述的一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器，其特征在于，所述多孔基底为聚碳酸酯膜、聚酰胺膜或氧化铝膜，孔径为150
‑
180nm。5.根据权利要求1所述的一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器，其特征在于，所述硅橡胶圈套I或所述硅橡胶圈II的外径为3
‑
4cm，内径为1
‑
2cm，厚度为0.5
‑
1cm。6.一种基于仿生碳纳米管的自供能压力传感器的制作方法，其特征在于，包括：S1，制备电极层I和电极层II，首先使用胶带在聚四氟乙烯薄膜上圈出一块直径3
‑
4cm的圆形区域，然后在圆形区域内涂抹碳浆，形成电极层I或电极层II；S2，待电极层I和电极层II凝固后，将一个环形的硅橡胶圈II固定到电极层II上，接口处使用液态的硅橡胶进行密封，等待硅橡胶干燥；S3，待液态的硅橡胶干燥后，往环形硅橡胶圈II内注入电解质溶液II，直到注满为止；S4，将制备的仿生碳纳米管膜覆盖在硅橡胶圈II上；S5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠武，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：