柔性应变传感器的制备方法与流程

本发明涉及一种柔性应变传感器的制备方法，属于传感器领域。

背景技术：

随着经济社会的发展，污染问题日益严重，亚健康人群增多，人口老龄化加剧，人们对自身健康的关注程度越来越高，要求实时监测生理信号的呼声越来越强烈。传统的基于半导体或金属材料的应变传感器检测灵敏度低，柔软性差，在此背景下，柔性应变传感器应运而生，因其灵敏度高、与人体易贴合、柔韧性好等特点，在医疗保健领域应用前景巨大。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的碳纳米材料，是人类所发现的第一种真正意义上的二维材料。石墨烯具有良好的化学稳定性和卓越的机械性能等优点，短短数年间石墨烯基柔性传感器就引起了全世界研究者的广泛关注。而碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，长径比高，六边形结构连接完美，同样具有许多异常的力学、电学和化学性能。

目前，有研究直接将传感器等电子元件植入织物中，但是这并没有改善传感器的柔韧性。与此不同，沉积石墨烯的织物应变传感器是将柔性传感器与织物高度集成，以普通服装为载体制备柔性应变传感器，人体舒适性好，可以监测手指弯曲等人体运动。但是，大多数石墨烯织物传感器仅仅在织物表面沉积石墨烯，集成程度不好，制备过程不易控制，成本较高，且应变传感器的灵敏度低，稳定性较差。制备低成本高稳定性的石墨烯织物传感器依然存在重大挑战，需要不断改进技术。

有鉴于此，确有必要提出一种柔性应变传感器的制备方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柔性应变传感器的制备方法，该制备方法简易高效、过程可控，柔性应变传感器的成本低、质量轻且稳定性高。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性应变传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

步骤s1、将经过预处理的锦氨纶织物浸入氧化石墨烯溶液中，静置5-10min，取出织物，烘干后得到氧化石墨烯/织物复合材料；

步骤s2、将氧化石墨烯/织物复合材料浸入水合肼混合液，使用水浴法加热还原，用去离子水清洗，烘干后得到石墨烯/织物复合材料；

步骤s3、将石墨烯/织物复合材料浸入碳纳米管溶液，静置5-10min，取出织物，烘干后得到石墨烯/碳纳米管/织物复合材料；

步骤s4、将石墨烯/碳纳米管/织物复合材料转移到预制模具，同步涂覆导电银浆并引出导线，再使用聚二甲基硅氧烷溶液封装，放入60℃烘箱固化12h后脱模即得到柔性应变传感器。

可选的，步骤s1中的预处理的方式为：将锦氨纶织物用去离子水清洗后浸入无水乙醇中，置于水浴超声仪中进行超声处理20min-30min，超声频率为40khz。

可选的，步骤s1中所述锦氨纶织物由87％的聚酰胺纤维和13％的聚氨酯纤维组成。

可选的，步骤s1中所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.5-2mg/ml。

可选的，步骤s2中的水合肼混合液中去离子水与水合肼(n2h4·h2o，50％)的浓度配比为10:1。

可选的，步骤s2中利用水浴法加热还原时，加热温度为90-95℃，加热时间为1-2h。

可选的，步骤s3中碳纳米管溶液的质量百分比为0.1-1wt％。

可选的，步骤s4中聚二甲基硅氧烷溶液由聚二甲基硅氧烷与固化剂混合制成，且聚二甲基硅氧烷与固化剂的体积比为10:1。

可选的，步骤s1、s2和s3中的烘干方式为放入70℃鼓风烘箱中干燥30min。

可选的，所述柔性应变传感器整体呈扁平状，其横截面的长度为20mm，宽度为10mm，纵截面的厚度为1-2mm。

本发明的有益效果是：本发明采用低成本的锦氨纶织物与石墨烯、碳纳米管复合，得到高灵敏度的石墨烯/碳纳米管/织物复合材料，该技术方案简单可行，对设备无特殊要求，耐水洗，稳定性高且透气性好。同时，该复合材料可进行裁剪，由此可制备出不同形状尺寸的高灵敏度柔性应变传感器，可灵活、方便地贴附于各种形貌的表面，质量轻且具有较强的环境适应性。

附图说明

图1是本发明柔性应变传感器的制备方法流程图。

图2是由图1所示流程图制备获得的柔性应变传感器的结构示意图。

图3是图2所示柔性应变传感器用于人体手指弯曲信号检测时的测试电路图。

图4是图3所示测试电路用于检测人体手指弯曲信号时的电压变化图。

图5是图4中人体手指周期性弯曲时相对电阻的变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种柔性应变传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

步骤s1、将经过预处理的锦氨纶织物浸入氧化石墨烯溶液中，静置5-10min，取出织物，烘干后得到氧化石墨烯/织物复合材料；

步骤s2、将氧化石墨烯/织物复合材料浸入水合肼混合液，使用水浴法加热还原，用去离子水清洗，烘干后得到石墨烯/织物复合材料；

步骤s3、将石墨烯/织物复合材料浸入碳纳米管溶液，静置5-10min，取出织物，烘干后得到石墨烯/碳纳米管/织物复合材料；

步骤s4、将石墨烯/碳纳米管/织物复合材料转移到预制模具，同步涂覆导电银浆并引出导线，再使用聚二甲基硅氧烷溶液封装，放入60℃烘箱固化12h后脱模即得到柔性应变传感器。

以下对步骤s1-s4作详细说明。

步骤s1中的预处理的方式为：将锦氨纶织物用去离子水清洗后浸入无水乙醇中，置于水浴超声仪中进行超声处理20min-30min，超声频率为40khz。

步骤s1中所述锦氨纶织物由87％的聚酰胺纤维和13％的聚氨酯纤维组成。

步骤s1中所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.5-2mg/ml。

步骤s2中的水合肼混合液中去离子水与水合肼(n2h4·h2o，50％)的浓度配比为10:1。例：量取50ml去离子水，再加入5ml水合肼，置于水浴超声仪中进行超声处理5-10min直至均匀分散，超声频率为40khz，可制备获得水合肼混合液。

步骤s2中利用水浴法加热还原时，加热温度为90-95℃，加热时间为1-2h。

步骤s3中所述碳纳米管为多壁碳纳米管，所述碳纳米管溶液的质量百分比为0.1-1wt％。

步骤s4中聚二甲基硅氧烷溶液的具体配置步骤为：

(1)分别量取聚二甲基硅氧烷和固化剂进行混合，其中，聚二甲基硅氧烷和固化剂的体积比为10:1；

(2)将混合后的溶液放置在真空烘箱中，真空消泡5-15min直至溶液无气泡，得到聚二甲基硅氧烷溶液。

步骤s1、s2和s3中的烘干方式为放入70℃鼓风烘箱中干燥30min。

具体地，以下说明书部分将以3种实施方式为例，对柔性应变传感器的制备方法进行详细说明。

实施例1，柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1、将经过预处理的锦氨纶织物浸入氧化石墨烯溶液(0.5mg/ml)中，静置10min，取出织物，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，重复该步骤3次，使氧化石墨烯溶液充分沉积在锦氨纶织物表面，得到氧化石墨烯/织物复合材料；

步骤s2、将氧化石墨烯/织物复合材料浸入水合肼混合液，在90℃下加热2小时以进行水热还原，还原后用去离子水清洗，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，得到石墨烯/织物复合材料；

步骤s3、将石墨烯/织物复合材料浸入碳纳米管溶液(1wt％)中静置10min，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，使碳纳米管沉积在织物表面，得到石墨烯/碳纳米管/织物复合材料；

步骤s4、将石墨烯/碳纳米管/织物复合材料转移到预制模具，同步涂覆导电银浆并引出导线，再使用聚二甲基硅氧烷溶液封装，放入60℃烘箱固化12h后脱模即得到柔性应变传感器。

实施例2，柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1、将经过预处理的锦氨纶织物浸入氧化石墨烯溶液(1mg/ml)中，静置10min，取出织物，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，重复该步骤3次，使氧化石墨烯溶液充分沉积在锦氨纶织物表面，得到氧化石墨烯/织物复合材料；

步骤s2、将氧化石墨烯/织物复合材料浸入水合肼混合液，在90℃下加热2小时以进行水热还原，还原后用去离子水清洗，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，得到石墨烯/织物复合材料；

步骤s3、将石墨烯/织物复合材料浸入碳纳米管溶液(1wt％)中静置10min，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，使碳纳米管沉积在织物表面，得到石墨烯/碳纳米管/织物复合材料；

步骤s4、将石墨烯/碳纳米管/织物复合材料转移到预制模具，同步涂覆导电银浆并引出导线，再使用聚二甲基硅氧烷溶液封装，放入60℃烘箱固化12h后脱模即得到柔性应变传感器。

实施例3，柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1、将经过预处理的锦氨纶织物浸入氧化石墨烯溶液(2mg/ml)中，静置10min，取出织物，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，重复该步骤3次，使氧化石墨烯溶液充分沉积在锦氨纶织物表面，得到氧化石墨烯/织物复合材料；

步骤s2、将氧化石墨烯/织物复合材料浸入水合肼混合液，在90℃下加热2小时以进行水热还原，还原后用去离子水清洗，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，得到石墨烯/织物复合材料；

步骤s3、将石墨烯/织物复合材料浸入碳纳米管溶液(1wt％)中静置10min，放入70℃鼓风烘箱中干燥30min，使碳纳米管沉积在织物表面，得到石墨烯/碳纳米管/织物复合材料；

步骤s4、将石墨烯/碳纳米管/织物复合材料转移到预制模具，同步涂覆导电银浆并引出导线，再使用聚二甲基硅氧烷溶液封装，放入60℃烘箱固化12h后脱模即得到柔性应变传感器。

如图2所示，为制备获得的柔性应变传感器的结构示意图。所述柔性应变传感器整体呈扁平状，其横截面的长度为20mm，宽度为10mm，纵截面的厚度为1-2mm，所述柔性应变传感器包括应变感应层、电极和柔性封装层。

所述应变感应层与所述电极电连接，且所述应变感应层为石墨烯/碳纳米管的织物。

所述电极包括导电银浆和导线，所述导线一端通过所述导电银浆粘接在所述应变感应层上、另一端被引至所述柔性封装层的外部。

所述柔性封装层包括上层pdms基底和下层pdms基底，并覆盖所述应变感应层和所述电极。具体地，所述柔性封装层由聚二甲基硅氧烷与固化剂混合制成，且聚二甲基硅氧烷与固化剂的体积比为10:1。

以下将以人体手指弯曲检测为例进行举例说明。

如图3所示，测试电路由恒压源vs(10v)、保护电阻r(100kω)、应变传感器电阻rg和示波器组成，应变传感器电阻rg两端的电压v为：

其中，vs为恒压源的电压。该电压v可以反映出人体手指弯曲信号。

将制得的柔性应变传感器贴附在人体手指关节处，使用图3的测试电路进行测试。

如图4所示，为测得的人体手指弯曲信号的电压变化图。

如图5所示，为人体手指周期性弯曲时相对电阻的变化曲线图。

从图4和图5可以看出：本发明的柔性应变传感器在灵敏度和检测范围等方面的性能都有很大提高。

综上所述，本发明采用低成本的锦氨纶织物与石墨烯、碳纳米管复合，得到高灵敏度的石墨烯/碳纳米管/织物复合材料，该技术方案简单可行，对设备无特殊要求，耐水洗，稳定性高且透气性好。同时，该复合材料可裁剪，由此可制备出不同形状尺寸的高灵敏度柔性应变传感器，灵活、方便地贴附于各种形貌的表面，质量轻且具有较强的环境适应性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。