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一种基于模板法的柔性电容式压传感器及其制备方法

申请号 CN202211097964.3 申请日 2022-09-08 公开(公告)号 CN117705320A 公开(公告)日 2024-03-15
申请人 中国科学院上海硅酸盐研究所; 发明人 彭海益; 王菲菲; 姚晓刚; 林慧兴; 任海深; 谢天翼; 张奕; 何飞; 顾忠元;
摘要 本 发明 涉及一种基于 冰 模板法的柔性电容式压 力 传感器 及其制备方法。所述柔性电容式 压力传感器 包括:上 电极 层、下电极层以及分布在上电极层和下电极层之间的柔性多孔介质层;所述柔性多孔介质层包含具有有序通孔结构的多壁 碳 纳米管 海绵骨架和部分填充且均匀分布在多壁 碳纳米管 海绵骨架内部的 树脂 材料。
权利要求

1.一种柔性电容式压传感器,其特征在于,包括:上电极层、下电极层以及分布在上电极层和下电极层之间的柔性多孔介质层;所述柔性多孔介质层包含具有有序通孔结构的多壁纳米管海绵骨架和部分填充且均匀分布在多壁碳纳米管海绵骨架内部的树脂材料。
2.根据权利要求1所述的柔性电容式压力传感器,其特征在于,所述柔性多孔介质层具备具有有序通孔结构,其孔隙率为60~85%,有序通孔结构的直径为65μm~230μm。
3.根据权利要求1或2所述的柔性电容式压力传感器,其特征在于,所述具有有序通孔结构的多壁碳纳米管海绵骨架的孔隙率为20~30%,其有序通孔结构的直径为20μm~65μm;
优选地,所述有有序通孔结构的多壁碳纳米管海绵骨架中多壁碳纳米管的尺寸包括:200~
500 nm。
4.根据权利要求1‑3中任一项所述的柔性电容式压力传感器,其特征在于,所述树脂材料选自聚二甲基烷PDMS、环氧树脂和聚偏氟乙烯中的至少一种;所述树脂材料和具有有序通孔结构的多壁碳纳米管海绵骨架的质量比为1:(25~100)。
5.根据权利要求1‑4中任一项所述的柔性电容式压力传感器,其特征在于,所述柔性多孔介质层的厚度为1mm以上,优选为1mm~3mm。
6.根据权利要求1‑5中任一项所述的柔性电容式压力传感器,其特征在于,所述上层电极和下电极层由导电胶带组成;第一导线和第二导线贴附在导电胶带上实现与上/下电极层相接。
7.一种权利要求1‑6中任一项所述的柔性电容式压力传感器的制备方法,其特征在于,包括:
(1)采用模板法,取多壁碳纳米管悬浮液倒入聚四氟乙烯‑板模具中,然后进行单向冷冻和冷冻干燥,得到具有有序通孔结构多壁碳纳米管海绵骨架;
(2)将具有有序通孔结构多壁碳纳米管海绵骨架浸渍在树脂材料稀释液中后取出并固化处理,得到柔性多孔介质层;
(3)将上电极层和下电极层分别贴附在所得柔性多孔介质层的上下两侧,得到柔性电容式压力传感器。
8.根据权利要求7所述的柔性电容式压力传感器,其特征在于,所述多壁碳纳米管悬浮液中多壁碳纳米管的浓度为1~4mg/mL,溶剂
优选地,将多壁碳纳米管加入至分散液中,再经搅拌、超声处理,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
更优选地,所述分散液选自羧甲基纤维素水溶液、纳米纤维素水溶液、海藻酸钠水溶液、聚乙烯醇水溶液中的一种,所述分散液的浓度为4~7mg/mL。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法,其特征在于,所述单向冷冻的温度为‑30℃~‑
70℃,时间为2~4小时;
所述冷冻干燥的温度为‑40℃~50℃,气氛为真空,时间为24~48小时。
10.根据权利要求7‑9中任一项所述的柔性电容式压力传感器制备方法,其特征在于,所述树脂材料稀释液中溶质选自聚二甲基硅氧烷PDMS、环氧树脂和聚偏氟乙烯中的至少一种,溶剂选自异丙醇、氯仿、二氯甲烷和甲苯中的至少一种;所述树脂材料稀释液的浓度为
0.1~0.2mL/mL。

说明书全文

一种基于模板法的柔性电容式压传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种柔性电容式压力传感器及其制备方法,特别涉及一种柔性多孔MwCNTs/PDMS海绵的制备的方法,属于复合材料合成领域和传感器领域。

背景技术

[0002] 高灵敏度和柔性压力传感器由于其在可穿戴传感设备、生物医学诊断、电子皮肤、和电子纺织品、柔性触摸显示屏等柔性电子设备领域的需求日益增长而备受关注。柔性传感器具有尺寸大小可控、重量极轻、环境适应性强等特点,通过对外界的压力变化来感知环境,进而对待测目标产生积极正确的响应。因目前,已经制备了各种不同传感机制的压力传感器,主要分为以下四类:电容式、压阻式、压电式、和摩擦电式。其中,与其他技术相比,电容式传感器具有较低的功耗和温度漂移等优点,使其非常适合于可穿戴电子设备和其他需要低功耗的消费电子产品。研究人员在提高柔性电容式压力传感器的灵敏度方面作了很多的努力,因此电容式压力传感器具有更大的研究潜力,并得到了广泛的应用。
[0003] 介电层结构的结构与材料选择是决定柔性传感器灵敏度和稳定性的重要因素。基于微纳结构制备的介电层,当施加外力时可以改变介电层的有效介电常数,使电容值迅速变化,从而提高相应传感器的灵敏度;在柔性材料中复合高介电材料进行新型介电层制备,也能使得柔性传感器在使用中可以保持比较高的灵敏度,提升介电层的介电性能,并且在一定压力范围内实现高柔性状态,进而满足柔性传感器设计的轻质化、小型化、高效化的目标,实现现有材料难以达到的功能及性能。但是,现有柔性传感器的制备工艺存在的制造成本高,反应工艺复杂,且该传感器灵敏度不高。

发明内容

[0004] 为此,本发明创造性地将多孔MwCNTs/PDMS海绵作为柔性介电层,与柔性电极粘合,从而实现高灵敏度的柔性电容式压力传感器制备,该传感器具备较高的灵敏度,较低的监测极限,可实现了传感器的多功能测量。
[0005] 一方面,本发明提供了一种柔性电容式压力传感器,包括:上电极层、下电极层以及分布在上电极层和下电极层之间的柔性多孔介质层;所述柔性多孔介质层包含具有有序通孔结构的多壁纳米管海绵骨架和部分填充且均匀分布在多壁碳纳米管海绵骨架内部的树脂材料。
[0006] 较佳的,所述柔性多孔介质层具备具有有序通孔结构,其孔隙率为60~85%,有序通孔结构的直径为65μm~230μm。
[0007] 较佳的,所述具有有序通孔结构的多壁碳纳米管海绵骨架的孔隙率为20~30%,其有序通孔结构的直径为20μm~65μm;优选地,所述有有序通孔结构的多壁碳纳米管海绵骨架中多壁碳纳米管的尺寸包括:200~500nm。
[0008] 较佳的,所述树脂材料选自聚二甲基烷PDMS、环氧树脂和聚偏氟乙烯中的至少一种;所述树脂材料和具有有序通孔结构的多壁碳纳米管海绵骨架的质量比为1:(25~100)。
[0009] 较佳的,所述柔性多孔介质层的厚度为1mm以上,优选为1mm~3mm。
[0010] 较佳的,所述上层电极和下电极层由导电胶带组成;第一导线和第二导线贴附在导电胶带上实现与上/下电极层相接。
[0011] 另一方面,本发明提供了一种柔性电容式压力传感器的制备方法,包括:(1)采用冰模板法,取多壁碳纳米管悬浮液倒入聚四氟乙烯‑板模具中,然后进行单向冷冻和冷冻干燥,得到具有有序通孔结构多壁碳纳米管海绵骨架;
(2)将具有有序通孔结构多壁碳纳米管海绵骨架多次浸渍在树脂材料稀释液中后取出并固化处理,得到柔性多孔介质层;
(3)将上电极层和下电极层分别贴附在所得柔性多孔介质层的上下两侧,得到柔性电容式压力传感器。
[0012] 较佳的,所述多壁碳纳米管悬浮液中多壁碳纳米管的浓度为1~4mg/mL,溶剂
[0013] 又,较佳的,将多壁碳纳米管加入至分散液中,再经搅拌、超声处理,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液。
[0014] 又,较佳的,所述分散液选自羧甲基纤维素水溶液、纳米纤维素水溶液、海藻酸钠水溶液、聚乙烯醇水溶液中的一种,所述分散液的浓度为4~7mg/mL。
[0015] 较佳的,所述单向冷冻的温度为‑30℃~‑70℃,时间为2~4小时。
[0016] 较佳的,所述冷冻干燥的温度为‑40℃~50℃,气氛为真空,时间为24~48小时。
[0017] 较佳的,所述树脂材料稀释液中溶质选自聚二甲基硅氧烷PDMS、环氧树脂和聚偏氟乙烯中的至少一种,溶剂选自异丙醇、氯仿、二氯甲烷和甲苯中的至少一种,浸渍次数为2~10次。
[0018] 较佳的,所述树脂材料稀释液的浓度为0.1~0.2mL/mL。
[0019] 有益效果:本发明提供的柔性电容式压力传感器介质层制备方法及其传感器组装,过调配MwCNTs与CMC的比例,保证MwCNTs的均匀分散,并用冰模板方法将其制备成有序通孔状,最后浸渍PDMS得到一个多孔柔性介质层。贴附上电极,组装成柔性电容式压力传感器。一方面有利用MwCNTs提高介质层得介电常数,以提高传感器的灵敏度,另一方面,多孔形态能提高传感器的柔性,进而提高传感器的灵敏度。
[0020] 本发明提供的采用冰模板法制备的柔性电容式压力传感器具备极低检测限‑1(3Pa),对微小压力有响应,且灵敏度在低压阶段(0~1kPa)达到2.14kPa ,相对于采用糖模板法显著提高,灵敏度提升4倍,线性度良好。
[0021] 本发明提供的柔性传感器人体适用性极佳,可与待测对象进行长时间接触及贴合,并减少对象运动所造成的震动干扰,提升了传感器测量的精准性与长效性。
[0022] 本发明提供的柔性传感器,将结合多孔MwCNT/PDMS作为柔性介电层,由于多壁碳纳米管的介电常数远高于聚二甲基硅烷的介电常数,故与其结合可大幅度提升材料的介电性能。
[0023] 本发明提供的柔性传感器中柔性介电层,用冰模板法制备介质层的多孔结构,其制备的多孔具有互联网络结构、高孔隙率、较好的压缩应变性,可进一步提高传感器灵敏度,相对于通过静电纺丝工艺来结合二者,该方法重现性高、成本低、且工艺简单。附图说明
[0024] 图1为本发明一实施方式的压力传感器的结构示意图;图2为图1传感器MwCNTs海绵骨架SEM图;
图3为本发明实施例2制备介电层机械性能的示意图;
图4为本发明实施例1~4的压力传感器受不断变化压力时的电容增量变化曲线;
图5为本发明实施例3的压力传感器应用在鼠标轻重压力测试的应用示意图;
图6为本发明实施例3的压力传感器应用在手指弯曲应变测试的应用示意图;
图7为本发明实施例3的压力传感器重复度测试示意图。

具体实施方式

[0025] 以下通过下述实施方式进一步说明本发明,应理解,下述实施方式仅用于说明本发明,而非限制本发明。
[0026] 在本公开中,柔性电容式压力传感器的结构包括:上/下电极层和柔性介电层,所述柔性介电层设置于所述上下电极层之间形成三明治结构。优选,所述上电极和底电极由导电胶带组成,导线附在电极层上,与上/下电极层相接。
[0027] 其中,柔性介电层是通过冰模板方法制备的多壁碳纳米管泡沫并浸渍树脂材料稀释液(例如,聚二甲基硅烷(PDMS)稀释液)中固化后得到得多孔复合海绵。
[0028] 以下示例性地说明柔性电容式压力传感器的制备方法。
[0029] 柔性介电层的制备。配置分散液,然后将多壁碳纳米管加入,搅拌、超声处理,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液。其中,多壁碳纳米管的浓度为1~4mg/mL。所述的分散溶液可以是羧甲基纤维素水溶液、纳米纤维素水溶液、海藻酸钠水溶液、聚乙烯醇水溶液中的一种。分散液浓度可为4~7mg/mL。
[0030] 取适量的多壁碳纳米管悬浮液(例如5~20mL)倒入特制的聚四氟乙烯‑钢板模具中,放入的低温冰箱中冷冻,进行单向冷冻一定时间,脱模,得到冷冻样品,将样品进行冷冻干燥,得到具有有序通孔结构多壁碳纳米管海绵骨架。本发明利用用单向冷冻冰模板法得到有序通孔结构。优选,盛有悬浮液的模具放置在(‑30℃~‑70℃)超低温冰箱中静置2‑4h,再真空冷冻干燥24~48h。冻干温度是从‑40℃缓慢升温至50℃。
[0031] 将具有有序通孔结构多壁碳纳米管海绵骨架浸渍在PDMS稀释液中后取出固化,得最终的海绵介质层样品。其中,PDMS稀释液为聚二甲基硅氧烷与异丙醇的稀释液。聚二甲基硅氧烷的稀释倍数可为5~10倍,高倍数稀释后可以大幅度降低浸渍液粘度,从而保证PDMS顺利进入骨架结构中。所得介质层的厚度为0.5~3毫米。
[0032] 柔性电容式压力传感器的制备。将具有导电功能的胶带作为传感器的上、下电极板,将海绵介质层夹在上、下电极之间。
[0033] 本发明中,通过冰模板法和树脂真空浸渍的方法,构筑了一种具有通孔结构的MwCNTs骨架结构,真空浸渍PDMS后制备成柔性多孔海绵。以此为介质层可组装形成电容式压力传感器,该传感器具备极低检测限(3Pa),对微小压力有响应,且灵敏度在低压阶段(0‑1~1kPa)达到2.14kPa 。本发明提供的柔性传感器人体适用性极佳,可与待测对象进行长时间接触及贴合,并减少对象运动所造成的震动干扰,提升了传感器测量的精准性与长效性。
本发明中,所得电容式压力传感器的介电常数为23.96~97.33(@1kHz),电容式传感器的灵‑1
敏度为0.71~2.14kPa ,压力响应范围为0~1kPa。
[0034] 下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例,即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择,而并非要限定于下文示例的具体数值。
[0035] 实施例1本实施例1提供一种柔性电容式压力传感器(图1),其包括:上下导电层,与中间多孔柔性介电层,设置于上下导电层之间。其中,柔性介电层是通过冰模板制备的多孔多壁碳纳米管海绵,该柔性介电层海绵结构受压情况如图2所示。
[0036] 该柔性电容式压力传感器的制备方法包括:(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为1mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将10mL悬浮液倒入模具中,在‑70℃的冰箱中冷冻2小时,得到冷冻样品;
(4)将样品进行冷冻干燥48小时,取出样品。称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品;
(5)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0037] 实施例2:本实施例2提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中实施例2配比,其制备过程包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为2mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将10mL悬浮液倒入模具中,在‑70℃的冰箱中冷冻2小时,得到冷冻样品;
(4)将样品进行冷冻干燥48小时,取出样品。称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品;
(5)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0038] 实施例3本实施例3提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中实施例3配比,其制备过程包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为3mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将10mL悬浮液倒入模具中,在‑70℃的冰箱中冷冻2小时,得到冷冻样品;
(4)将样品进行冷冻干燥48小时,取出样品。称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品;
(5)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0039] 实施例4:本实施例4提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中实施例4配比,其制备过程包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为4mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将10mL悬浮液倒入模具中,在‑70℃的冰箱中冷冻2小时,得到冷冻样品;
(4)将样品进行冷冻干燥48小时,取出样品。称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品;
(5)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0040] 实施例5:本实施例5提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中实施例5配比,其制备方法包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为3mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将10mL悬浮液倒入模具中,在‑60℃的冰箱中冷冻2小时,得到冷冻样品;
(4)将样品进行冷冻干燥48小时,取出样品。称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品;
(5)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0041] 实施例6:本实施例提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中实施例6配比,其制备过程包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为3mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将10mL悬浮液倒入模具中,在‑50℃的冰箱中冷冻2小时,得到冷冻样品;
(4)将样品进行冷冻干燥48小时,取出样品。称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品;
(5)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0042] 实施例7:本实施例7提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中实施例7配比,其制备过程包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为3mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将10mL悬浮液倒入模具中,在‑50℃的冰箱中冷冻2小时,得到冷冻样品;
(4)将样品进行冷冻干燥48小时,取出样品。称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品;
(5)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0043] 实施例8:本实施例提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中实施例8配比,其制备方法包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为3mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将10mL悬浮液倒入模具中,在‑40℃的冰箱中冷冻2小时,得到冷冻样品;
(4)将样品进行冷冻干燥48小时,取出样品。称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品;
(5)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0044] 实施例9:本实施例9中多孔柔性电容式传感器的制备参照实施例3,区别仅在于:多壁碳纳米管的浓度为3.5mg/mL。
[0045] 实施例10:本实施例10中多孔柔性电容式传感器的制备参照实施例3,区别仅在于:步骤(4)中,称取聚二甲基硅烷0g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入
20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品。
[0046] 实施例11:本实施例11中多孔柔性电容式传感器的制备参照实施例3,区别仅在于:步骤(4)中,称取聚二甲基硅烷1g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入
20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品。
[0047] 实施例12:本实施例12中多孔柔性电容式传感器的制备参照实施例3,区别仅在于:步骤(4)中,称取聚二甲基硅烷2.5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品。
[0048] 实施例13:本实施例13中多孔柔性电容式传感器的制备参照实施例3,区别仅在于:步骤(4)中,称取聚二甲基硅烷7.5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,加入50mL异丙醇稀释10倍,将样品浸入20min,在100℃下干燥1小时,得最终具有有序通孔结构的介质层样品。
[0049] 对比例1:本对比例1提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中对比例1配比,其制备方法包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为3mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将方糖浸渍在上述的悬浮液当中20min,得到吸附有MwCNTs的方糖体;
(4)称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,将(3)得到的样品浸渍聚二甲基硅烷,通过多次抽真空,将树脂浸入其中,将此时的样品在100℃烘箱中固化1h;
(5)将步骤(4)得到的样品浸泡在80℃的热水中,将糖溶解,此时得到具有多孔结构的介质层;
(6)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0050] 对比例2:本对比例2提供一种柔性电容式压力传感器,其结构与实施例1一致,按表1中对比例1配比,其制备方法包括:
(1)配制5mg/mL的羧甲基纤维素溶液作为分散液。先将羧甲基纤维素在25℃水中溶解10分钟,而后升温至60℃直到其全部溶解;
(2)将多壁碳纳米管加入上述溶液中浓度为1mg/mL,超声处理1小时,得到分散均匀的多壁碳纳米管悬浮液;
(3)将方糖浸渍在上述的悬浮液当中20min,得到吸附有MwCNTs的方糖块体;
(4)称取聚二甲基硅烷5g,固化剂0.5g,搅拌均匀后,将(3)得到的样品浸渍聚二甲基硅烷,通过多次抽真空,将树脂浸入其中,将此时的样品在100℃烘箱中固化1h;
(5)将步骤(4)得到的样品浸泡在80℃的热水中,将糖溶解,此时得到具有多孔结构的介质层;
(6)将电极即导电胶与上述介质层相结合,组装得多孔柔性电容式传感器。
[0051] 表1为实施例和对比例的组成比例和实验方法:
[0052] 表1中第一直径含义为MwCNTs海绵骨架的直径,第一孔隙率的含义为MwCNTs海绵骨架的孔隙率。第二直径的含义为柔性多孔介质层的直径,第二孔隙率的含义为柔性多孔介质层的孔隙率。
[0053] 数据结果表明,随着MwCNTs含量的增加,介质层的介电常数随之上升,此时器件灵敏度也显著提升。当MwCNTs含量超过3mg/mL时,一方面介电常数对灵敏度的放大效果有限;另一方面,过高的MwCNTs含量会导致样品气孔率的下降以及力学性能变差,因此灵敏度和压力相应范围也随之降低。因此MwCNTs含量为3mg/mL的样品灵敏度最高,压力响应范围也达到1kPa。随着冷源温度的上升,过冷度下降,结晶驱动力下降,因此下降的结晶速度会导致通孔结构的孔道直径变大,直径分布变宽,样品稳定性下降,因此其灵敏度略有下降,‑70℃为最佳冷源温度。作为对比,对比例中使用了糖模板法制备电容传感器介质层,实验结果表明,由于糖模板法中,MwCNTs趋向于无序分布在树脂基体中,其介电常数由于基体的去极化效应而大幅度下降,导致其灵敏度远不如冰模板法制备的电容式压力传感器。通过调节浸渍次数可以实现PDMS浸渍量的调控,实验结果表明,少量浸渍PDMS虽然能够通过提升气孔率和介电常数实现高灵敏度电容式压力传感器的制备,但由于其树脂含量较少,力学性能严重下降,压力相应范围也大幅度下降,无法满足实用需求。当PDMS浸渍量过高时,材料的气孔率过低,介电常数也迅速下降,灵敏度也开始下降。
[0054] 综上,实施例3具有最好的综合性能,介电常数47.01(@1kHz),电容式传感器的灵‑1敏度达到2.14kPa ,压力响应范围为0~1kPa。