一种PDMS海绵基应变传感器材料的制备方法与流程

本发明属于柔性电子材料领域，涉及应变传感器材料的制备，更具体涉及一种pdms海绵基应变传感器材料的制备方法。

背景技术：

随着可穿戴智能设备的加速发展，应变传感器在人体运动检测、人体健康监测、人造肌肉和人机界面等领域显示出良好的应用前景。然而，传统的应变传感器一般由金属或无机半导体构成，其检测范围有限（5%），不能满足高应变传感器的迫切需求。此外，制备工艺复杂，制造成本高也制约了其应用和发展。因此，急需开发新型的柔性智能应变传感器。将柔性高分子材料和纳米导电材料组装成海绵结构的导电复合材料，形变范围较宽，有望应用于柔性应变传感器中。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新颖的方法制备海绵结构的应变传感器材料。首先利用生活中常见的白砂糖和绵白糖不同的粒度，制备出具有两种颗粒结构的方糖，进而以方糖为牺牲模板制得孔隙结构发达的pdms海绵。由于pdms的高疏水性和惰性，本发明先在pdms海绵表面附着一层带正电荷的壳聚糖，以便有效地将氧化石墨烯附着在pdms海绵上。最后采用滴涂的方法将银纳米线在rgo/pdms表面覆盖一层，以让pdms海绵具有更强的导电性，改善应变传感性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种pdms海绵基应变传感器材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）以白砂糖和绵白糖为原料制备方糖；

（2）用方糖为牺牲模板制备pdms海绵；

（3）氧化石墨烯在pdms海绵表面附着并还原制备rgo/pdms海绵；

（4）将银纳米线滴涂在rgo/pdms海绵表面制得agnws/rgo/pdms海绵应变传感器材料。

步骤（1）中，所述方糖的制备方法如下：称取白砂糖和绵白糖各5g放入烧杯中搅拌均匀，然后加入1ml的去离子水继续搅拌，将搅拌好的糖置于棱长为1-2cm的立方体模具中，再放入烘箱中干燥5h制得方糖。

步骤（2）中，按质量比例10：1的比例称取适量的pdms原胶和固化剂，置于烧杯中剧烈搅拌5min，用超声去除因搅拌产生的气泡，然后将步骤（1）中制备的方糖浸没于其中，并置于真空干燥箱中抽真空静置2h，再取出置于烘箱中100-120℃固化1h，最后将固化好的方糖置于去离子水中，待方糖充分溶解后，干燥即得pdms海绵。

步骤（3）中，先将步骤（2）中制备的pdms海绵浸入0.2-0.4mg/ml的ph在4~6的酸性壳聚糖溶液中挤压5次，放入烘箱干燥后，再浸入1-2mg/ml的氧化石墨烯分散液中挤压5次，经烘箱干燥制得go/pdms海绵，这为一遍go在pdms海绵附着过程。将这个过程循环三遍，然后将go/pdms海绵放入5mg/ml的抗坏血酸溶液中，在95℃烘箱中还原12h，制得rgo/pdms海绵。

步骤（4）中，用滴涂法将1mg/ml的银纳米线乙醇分散液滴涂3-5ml在步骤（3）制备的rgo/pdms海绵表面，自然干燥后得到agnws/rgo/pdms海绵应变传感器材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明利用生活中常见的白砂糖和绵白糖的不同粒度，制备出具有两种颗粒结构的方糖，进而以方糖为牺牲模板制得孔隙结构发达的pdms海绵。

（2）由于pdms的高疏水性和惰性，本发明先在pdms海绵表面附着一层带正电荷的壳聚糖，有效地将氧化石墨烯附着在pdms海绵上。

（3）本发明采用滴涂法将银纳米线滴涂在rgo/pdms海绵上，制备的agnws/rgo/pdms海绵具有更强的导电性，改善应变传感性能。

本发明的pdms海绵基应变传感器材料具有良好的导电性，在压缩应变中电阻会发生明显变化，同时具有优秀的压缩循环稳定性，而且制备工艺简单、易操作，是智能柔性应变传感器领域非常有发展潜力的新材料。

附图说明

图1为实施例1所制得agnws/rgo/pdms海绵的压缩与回复照片；

图2为实施例1所制得agnws/rgo/pdms海绵在0%到70%循环压缩应变下电阻的变化图；

图3为对比例1所制得rgo/pdms海绵在0%到70%循环压缩应变下电阻的变化图。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，以下实施例将对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于这些实施例。

本发明通过数据采集系统与万能试验机联立测定所述导电复合材料的电阻随压缩应变的变化性能，设定万能试验机的压缩位移速度为5mm/min，位移量为0.7cm，然后等速复位，循环8次，数据采集系统的采集频率设定为每秒2次。

实施例1

步骤（1），称取白砂糖和绵白糖各5g放入烧杯中搅拌均匀，然后加入1ml的去离子水继续搅拌，将搅拌好的糖置于棱长为1cm的立方体模具中，再放入烘箱中干燥5h制得方糖。

步骤（2），按10：1的比例称取适量的pdms原胶和固化剂，置于烧杯中剧烈搅拌5min，用超声去除因搅拌产生的气泡，然后将步骤（1）中制备的方糖浸没于其中，并置于真空干燥箱中抽真空静置2h，再取出置于烘箱中100℃固化1h，最后将固化好的方糖置于去离子水中，待方糖充分溶解后，干燥即得pdms海绵。

步骤（3），先将步骤（2）中制备的pdms海绵浸入0.2mg/ml的酸性壳聚糖溶液中挤压5次，放入烘箱干燥后，再浸入1mg/ml的氧化石墨烯分散液中挤压5次，经烘箱干燥制得go/pdms海绵，这为一遍go在pdms海绵附着过程。将这个过程循环三遍，然后将go/pdms海绵放入5mg/ml的抗坏血酸溶液中，在95℃烘箱中还原12h，制得rgo/pdms海绵。

步骤（4），用滴涂法将1mg/ml的银纳米线乙醇分散液滴涂5ml在步骤（3）制备的rgo/pdms海绵表面，自然干燥后得到agnws/rgo/pdms海绵应变传感器材料。

图1是该pdms海绵基应变传感器材料的照片，用手指按捏能够迅速压缩，放松后又能迅速回复。图2显示，该pdms海绵基应变传感器材料在未受应力下电阻为2.68kω，在70%压缩应变（70kpa）下电阻减小为18.2ω，具有良好的应变传感范围；在70%压缩-释放过程中，该海绵的电阻变化响应速度快，灵敏度高；而且在8次压缩-释放循环中，电阻变化趋势保持很好的稳定性和重复性。这些表明该pdms海绵基应变传感器材料具有良好的导电性，而且在压缩应变中电阻会发生明显变化，同时表现出优秀的压缩循环稳定性，可用于制造智能柔性应变传感器。

对比例1

除了不进行实施例1中的步骤（4），即不滴涂银纳米线，其余步骤与实施例1完全相同，即制得的是rgo/pdms海绵。

图3显示，rgo/pdms海绵在未受应力下电阻为3.9kω，在70%压缩应变（70kpa）下电阻减小为2.7kω，应变传感范围比实施例1要窄；在70%压缩-释放过程中，rgo/pdms海绵的电阻变化响应速度比实施例1慢，灵敏度相对较低；而且在8次压缩-释放循环中，电阻变化的重复性不及实施例1。所以，本发明的agnws/rgo/pdms海绵中，agnws对提高海绵的导电性和应变传感性能非常重要。

对比例2

除了不进行对比例1中的步骤（3）中将制备的pdms海绵浸入0.2mg/ml的酸性壳聚糖溶液中挤压5次，其余步骤与对比例1完全相同，即制得的是未附着壳聚糖的rgo/pdms海绵。

通过比较对比例1与对比例2中rgo/pdms海绵的电阻，对比例2中rgo/pdms海绵在未压缩状态下电阻达到200kω，而对比例2中rgo/pdms海绵电阻在未压缩状态下仅为3.9kω。说明先在pdms海绵表面附着一层带正电荷的壳聚糖，可有效地将氧化石墨烯附着在pdms海绵上，使制得的rgo/pdms拥有更低的电阻。因此，本发明中的壳聚糖起着至关重要的作用。

实施例2

步骤（1），称取白砂糖和绵白糖各5g放入烧杯中搅拌均匀，然后加入1ml的去离子水继续搅拌，将搅拌好的糖置于棱长为1cm的立方体模具中，再放入烘箱中干燥5h制得方糖。

步骤（2），按10：1的比例称取适量的pdms原胶和固化剂，置于烧杯中剧烈搅拌5min，用超声去除因搅拌产生的气泡，然后将步骤（1）中制备的方糖浸没于其中，并置于真空干燥箱中抽真空静置2h，再取出置于烘箱中100℃固化1h，最后将固化好的方糖置于去离子水中，待方糖充分溶解后，干燥即得pdms海绵。

步骤（3），先将步骤（2）中制备的pdms海绵浸入0.2mg/ml的酸性壳聚糖溶液中挤压5次，放入烘箱干燥后，再浸入2mg/ml的氧化石墨烯分散液中挤压5次，经烘箱干燥制得go/pdms海绵，这为一遍go在pdms海绵附着过程。将这个过程循环三遍，然后将go/pdms海绵放入5mg/ml的抗坏血酸溶液中，在95℃烘箱中还原12h，制得rgo/pdms海绵。

步骤（4），用滴涂法将1mg/ml的银纳米线乙醇分散液滴涂5ml在步骤（3）制备的rgo/pdms海绵表面，自然干燥后得到agnws/rgo/pdms海绵应变传感器材料。

实施例3

步骤（1），称取白砂糖和绵白糖各5g放入烧杯中搅拌均匀，然后加入1ml的去离子水继续搅拌，将搅拌好的糖置于棱长为1cm的立方体模具中，再放入烘箱中干燥5h制得方糖。

步骤（2），按10：1的比例称取适量的pdms原胶和固化剂，置于烧杯中剧烈搅拌5min，用超声去除因搅拌产生的气泡，然后将步骤（1）中制备的方糖浸没于其中，并置于真空干燥箱中抽真空静置2h，再取出置于烘箱中120℃固化1h，最后将固化好的方糖置于去离子水中，待方糖充分溶解后，干燥即得pdms海绵。

步骤（3），先将步骤（2）中制备的pdms海绵浸入0.4mg/ml的酸性壳聚糖溶液中挤压5次，放入烘箱干燥后，再浸入1mg/ml的氧化石墨烯分散液中挤压5次，经烘箱干燥制得go/pdms海绵，这为一遍go在pdms海绵附着过程。将这个过程循环三遍，然后将go/pdms海绵放入5mg/ml的抗坏血酸溶液中，在95℃烘箱中还原12h，制得rgo/pdms海绵。

步骤（4），用滴涂法将1mg/ml的银纳米线乙醇分散液滴涂5ml在步骤（3）制备的rgo/pdms海绵表面，自然干燥后得到制得agnws/rgo/pdms海绵应变传感器材料。

实施例4

步骤（1），称取白砂糖和绵白糖各5g放入烧杯中搅拌均匀，然后加入1ml的去离子水继续搅拌，将搅拌好的糖置于棱长为1cm的立方体模具中，再放入烘箱中干燥5h制得方糖。

步骤（2），按10：1的比例称取适量的pdms原胶和固化剂，置于烧杯中剧烈搅拌5min，用超声去除因搅拌产生的气泡，然后将步骤（1）中制备的方糖浸没于其中，并置于真空干燥箱中抽真空静置2h，再取出置于烘箱中100℃固化1h，最后将固化好的方糖置于去离子水中，待方糖充分溶解后，干燥即得pdms海绵。

步骤（3），先将步骤（2）中制备的pdms海绵浸入0.2mg/ml的酸性壳聚糖溶液中挤压5次，放入烘箱干燥后，再浸入1mg/ml的氧化石墨烯分散液中挤压5次，经烘箱干燥制得go/pdms海绵，这为一遍go在pdms海绵附着过程。将这个过程循环三遍，然后将go/pdms海绵放入5mg/ml的抗坏血酸溶液中，在95℃烘箱中还原12h，制得rgo/pdms海绵。

步骤（4），用滴涂法将1mg/ml的银纳米线乙醇分散液滴涂3ml在步骤（3）制备的rgo/pdms海绵表面，自然干燥后得到制得agnws/rgo/pdms海绵应变传感器材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。