一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器及其制备方法和应用

本发明属于纳米材料，具体涉及一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，随着可穿戴电子技术的快速发展，许多柔性湿度传感器因具备灵活性、便捷性等优异性能已被制备并应用到酒精监测、尿布润湿监测、非接触开关、皮肤湿度监测、呼吸监测，人体相关运动的压力传感等领域。然而，高性能的湿度传感器(如快速响应/恢复时间、稳定性好、舒适性高)往往涉及复杂的制备过程，甚至还会使用一些有毒的化学试剂。作为可穿戴电子产品，湿度传感器在满足安全、绿色、舒适的前提下，其功能性拓展对人体健康管理具有重要意义。

2、现有技术中，研究人员通过改变聚合物材料的化学结构和制备方法，进一步提高聚合物基湿度传感器的性能，大幅拓展聚合物在前沿电子领域的应用前景。shen等人以pvdf为主体同时引入zno nps，通过静电纺丝和原位聚合工艺成功制备出亲疏水结构相结合的柔性湿度传感器；qiang等人以苯四酸二酐(pmda)-氧二苯胺(oda)为主体，引入sio2通过传统光刻工艺将聚合物湿敏材料图案化，提高湿度传感器的性能；niu等人以p(vdf-trfe)为主体，通过自制的锥形纳米多孔模板制得有利于水分子运输的高比表面积湿度传感器。目前，从材料与结构出发已经取得显著的成绩，但为更好满足人们对健康、舒适、性能稳定的需求，仍然需要继续深入探索。

3、静电纺丝三维蓬松纳米纤维材料与正常的紧密型静电纺丝膜相比，其有更大的内部空间、更高的孔隙率，并且其内部的空隙结构更加连贯。优异的内部结构不但可以为水分子的传递提供更多有利的通道，还可以提高湿度传感器的透气性和轻柔性。三维蓬松纳米纤维材料以其独特的优势在可穿戴电子设备、智能机器人等新兴领域具有广阔的应用前景。然而，制备三维蓬松纳米纤维材料的工艺复杂且低效，深入研究材料的组合与结构以及工艺路线对于先进湿度传感器的开发具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明的主要目的在于提供一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，以聚丙烯腈(pan)为主体，并掺杂固化剂尿素，通过静电纺丝和预氧化工艺制得层间多孔、取向排列的三维蓬松纳米纤维膜(ifs)，然后将具有优异的导电性与亲水性的聚苯胺(pani)单面沉积在ifs上充当湿敏与电极材料，得到单面集成pani的三维蓬松、层间多孔、柔弹、自支撑多功能传感器(nifs)。

2、本发明的另一目的在于提供一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器，通过上述单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法制得。

3、本发明的再一目的在于提供所述单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器在可穿戴电子设备和智能机器人中的应用。

4、为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

5、本发明提供一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)聚丙烯腈和尿素加入到n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中，搅拌均匀，得到电纺纺丝液；

7、(2)步骤(1)所得的电纺纺丝液进行静电纺丝，得到三维蓬松结构纳米纤维膜；

8、(3)步骤(2)所得的三维蓬松结构纳米纤维膜真空烘干，在真空的条件下进行预氧化，得到三维蓬松且层间多孔的纳米纤维膜；

9、(4)步骤(3)所得的纳米纤维膜上单面原位聚合聚苯胺，即得。

10、作为优选，所述聚丙烯腈的重均分子量为85000～300000，更优选为100000～200000。

11、作为优选，所述聚丙烯腈的质量浓度为8％～28％，更优选为10％～20％。

12、作为优选，所述尿素相对于所述聚丙烯腈的质量浓度为3％～30％，更优选为10％～15％。

13、作为优选，所述静电纺电压为10～30kv，溶液的出口距接受辊的距离为10～30cm，溶液推进速率为0.0025～0.0055mm/h，湿度为40％～80％，温度为20～30℃。

14、作为优选，所述烘干温度为40～100℃，时间为1～3h。

15、作为优选，所述预氧化的温度为150～300℃，时间为2～10h。

16、作为优选，步骤(4)中，所述单面原位聚合的方法包括：

17、(a)将苯胺和酸溶解在去离子水中，在室温下搅拌至苯胺充分溶解，得到溶液1；

18、(b)步骤(3)所得的纳米纤维膜放入溶液1中，使苯胺单体均匀吸附在纳米纤维膜的表面与内部，整个反应过程漂在溶液1上面；

19、(c)在去离子水中加入过硫酸铵(aps)，得到溶液2，将溶液2缓慢加入到溶液1中充分混合，制得pani溶液；

20、(d)所述pani溶液原位聚合，得到单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器。

21、作为更优选，步骤(c)中，所述pani溶液为苯胺单体浓度、盐酸浓度和过硫酸铵浓度的物质的量(n)之比为1:1:1的pani溶液。

22、作为更优选，步骤(d)中，聚合温度为2～4℃，聚合时间为4～12h。

23、本发明的上述制备方法中，使用高分子量pan制得的纳米纤维力学性能符合支撑三维蓬松结构要求，尿素的加入使溶剂快速挥发，纺丝液吸水，二者双向联动，致使纳米纤维遇水提前固化，通过静电力、电荷吸附、静电排斥力等作用，有效阻止纤维间紧密堆积，从而形成蓬松结构的三维纳米纤维，通过预氧化的方式来增强三维纳米纤维膜的力学性能；然后将具有优异的导电性与亲水性的聚苯胺单面沉积在ifs上充当湿敏与电极材料，制得单面集成pani的nifs。

24、本发明还提供一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器，通过上述单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法制得。

25、作为优选，所述单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器是一种湿度与压力的双模式传感器。

26、本发明还提供所述单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器在可穿戴电子设备和智能机器人中的应用。

27、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

28、1.本发明以聚丙烯腈为主体，并掺杂固化剂尿素，通过静电纺丝和预氧化工艺成功制备稳定的三维蓬松纳米纤维膜，将具有优异的导电性与亲水性的pani单面沉积在ifs上充当湿敏与电极材料，得到单面集成pani的nifs，三维蓬松纳米纤维材料的交错互连结构使其具有良好的网孔连通性以及优异的孔隙率和高比表面积，由此形成的微纳输运网络可实现对水分子的高效传递，该方法简单有效，为先进柔性传感器开发提供参考。

29、2.pani的单向聚合和nifs的蓬松结构避免pani与人体皮肤的直接接触，从而避免pani对人体的伤害，并最大程度地减少pani层的湿敏性能的劣化，实现健康、安全、舒适的对湿度进行实时监测，进而探究nifs传感器的多功能应用如尿布润湿监测、非接触开关、皮肤湿度监测、呼吸监测等，具有健康、安全、舒适、灵敏、稳定、多功能、易于制造，超轻柔、超弹等优点，应用前景广阔。

技术特征：

1.一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈的重均分子量为85000～300000；和/或所述聚丙烯腈的质量浓度为8％～28％。

3.根据权利要求1所述的单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，其特征在于所述尿素相对于所述聚丙烯腈的质量浓度为3％～30％。

4.根据权利要求1所述的单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，其特征在于，所述静电纺电压为10～30kv，溶液的出口距接受辊的距离为10～30cm，溶液推进速率为0.0025～0.0055mm/s，湿度为40％～80％，温度为20～30℃。

5.根据权利要求1所述的单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，其特征在于，所述烘干温度为40～100℃，时间为1～3h；和/或所述预氧化的温度为150～300℃，时间为2～10h。

6.根据权利要求1所述的单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述单面原位聚合的方法包括：

7.根据权利要求6所述的单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，所述pani溶液为苯胺单体浓度、盐酸浓度和过硫酸铵浓度的物质的量之比为1:1:1的pani溶液。

8.根据权利要求6所述的单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法，其特征在于，步骤(d)中，聚合温度为2～4℃，聚合时间为4～12h。

9.一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器，其特征在于，通过权利要求1至8任一项所述单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器的制备方法制得。

10.权利要求9所述单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器在可穿戴电子设备和智能机器人中的应用。

技术总结
本发明公开了一种单面集成三维蓬松柔弹性多功能传感器及其制备方法和应用，制备方法包括：以聚丙烯腈为主体，掺杂固化剂尿素，通过静电纺丝和预氧化制备IFS，PANI单面沉积在IFS上充当湿敏与电极材料，得到单面集成PANI的三维蓬松、层间多孔、柔弹、自支撑多功能传感器，其中纤维材料的交错互连结构使其具有良好的网孔连通性、优异的孔隙率和高比表面积，形成的微纳输运网络可实现对水分子的高效传递。该多功能传感器可实现多功能应用如尿布润湿监测、非接触开关、皮肤湿度监测、呼吸监测等，特别地用于可穿戴电子设备和智能机器人，具有健康、安全、舒适、灵敏、稳定、多功能、易于制造，超轻柔、超弹等优点，应用前景广阔。

技术研发人员：刘书华,闫守志,辛斌杰
受保护的技术使用者：上海工程技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8