專利名稱：一種柔性力敏傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種柔性力敏傳感器的制備方法，特別是ー種利用靜電紡絲和原位聚合法制備枝狀的同軸納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚苯胺纖維柔性カ敏傳感器的方法。
背景技術(shù)：
カ敏傳感器是檢測氣體、固體、液體等物質(zhì)間相互作用力的傳感器件，常用材料有半導(dǎo)體、金屬及合成材料等，按工作原理分為電阻應(yīng)變式力敏傳感器、電感式力敏傳感器、電容式力敏傳感器、諧振式力敏傳感器等，目前已公開技術(shù)中有多種形式的力敏傳感器，例如，中國專利(申請?zhí)?1124284. I)公開了ー種新型全氮化硅微結(jié)構(gòu)諧振梁壓カ傳感器；專利(申請?zhí)?01110210639. 9)公開了ー種基于氧化鋅納米線/聚苯こ烯納米纖維雜化結(jié)構(gòu) 的柔性半透明應(yīng)變傳感器及其制備方法；專利(申請?zhí)?01010260505. 3)公開了ー種碳納米管/聚合物復(fù)合膜陣列式柔性カ敏傳感器等等。目前最常用的力敏傳感器是硅壓阻式力敏傳感器和電容式力敏傳感器；硅壓カ傳感器具有靈敏度好、精度高的優(yōu)點，缺點是受溫度影響大、制備エ藝復(fù)雜、制作成本高等；作為獲取信息的基礎(chǔ)元件，力敏傳感器的開發(fā)有很聞的應(yīng)用和市場如景。在導(dǎo)電聚合物材料中，聚苯胺由于具有原料便宜、合成簡便、耐高溫及環(huán)境溫度性好、有較高的電導(dǎo)率、物理化學(xué)性能良好等優(yōu)點，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。例如，中國專利(專利號ZL201020156403. 2)公開了ー種教學(xué)實驗裝置，用于介紹和演示導(dǎo)電聚苯胺薄膜和納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電機理、濕敏傳感和光電導(dǎo)性能；中國專利(申請?zhí)?01210005221. 9)公開了ー種枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺氣敏傳感器的制備方法。但是，目前尚無利用聚苯胺微納米復(fù)合纖維制備力敏傳感器的先例。同吋，聚苯胺也具有大多數(shù)導(dǎo)電聚合物材料熔點高、難溶、加工成型困難的缺點，不易于加工應(yīng)用。靜電紡絲技術(shù)是最近二十年發(fā)展起來的ー種簡便、適用范圍廣的制備納米纖維的方法，目前已將數(shù)百種聚合物、金屬氧化物、金屬、碳、陶瓷等材料制備成納米纖維。靜電紡絲制備的納米纖維膜具有孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點，在過濾、傳感器、催化材料、電極材料等諸多領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，如中國專利(申請?zhí)?01110276677. 4)公開的ー種基于電紡鈦酸鋇納米纖維的快速響應(yīng)濕敏傳感器。研究和開發(fā)導(dǎo)電聚苯胺在力敏傳感器上的應(yīng)用，設(shè)計ー種利用靜電紡絲制備的納米纖維作為模板、結(jié)合原位聚合法制備枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維氣敏傳感器的加工技術(shù)，進而制備聚苯胺同軸納米纖維膜的電阻會隨著傳感器的彎曲程度(用曲率來表示)的變化而發(fā)生明顯變化的傳感器，具有很好的應(yīng)用前景和科學(xué)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，尋求設(shè)計ー種基于枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維的柔性カ敏傳感器的制備方法，使同軸纖維的聚苯胺包裹層在納米線模板的表面自組裝形成類似于珊瑚觸角的枝狀納米結(jié)構(gòu)，以提高柔韌性等力學(xué)性能，將聚苯胺同軸納米纖維固定在可彎曲的塑料膠片制成的襯底上并制備好電極，將膠片兩端固定并對其底部施加壓カ，使膠片發(fā)生彎曲形變，以彎曲曲率來表征膠片的彎曲程度和所受壓カ的大小，對膠片樣品進行電學(xué)性能測試，其電導(dǎo)率隨曲率會產(chǎn)生明顯變化，根據(jù)此種聚苯胺同軸納米纖維的這ー性質(zhì)配合不同弾性系數(shù)的襯底，制得可變量程、可變靈敏度的力敏傳感器。為了實現(xiàn)上述目的，本 發(fā)明先用靜電紡絲方法制備絕緣的高分子材料聚偏ニ氟こ烯(PVDF)的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維，將PVDF纖維作為反應(yīng)模板浸入聚苯胺反應(yīng)液，利用原位聚合法在PVDF纖維表面包裹式形成導(dǎo)電聚苯胺包裹層，通過控制反應(yīng)時間、聚合溫度、苯胺單體和摻雜劑的摩爾比，使導(dǎo)電聚苯胺包裹層的表面自組裝形成枝狀納米結(jié)構(gòu)，得到比表面積較大的同軸結(jié)構(gòu)聚苯胺纖維；再在制備好的同軸結(jié)構(gòu)聚苯胺纖維固定到可彎曲的塑料膠片上，制備電極，覆蓋保護膜并將其連接入恒壓電路，即制成納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚苯胺同軸有序纖維的柔性カ敏傳感器。本發(fā)明包括制備枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維、力敏傳感器的制備和カ敏傳感器的應(yīng)用三個具體步驟(I)、制備枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維先用常規(guī)的靜電紡絲裝置的靜電紡絲方法制備聚偏ニ氟こ烯(PVDF)納米有序纖維；配制質(zhì)量百分比濃度為22%的PVDF紡絲溶液，將分子量為250，000的PVDF、丙酮和ニ甲基甲酰胺的混合液在恒溫60° C下攪拌5小時制得紡絲溶液；調(diào)節(jié)靜電紡絲裝置的發(fā)射極與接收極之間的距離為10厘米，紡絲電壓為10至14千伏，接受極滾筒轉(zhuǎn)速為600rpm ;將靜電紡絲制備的PVDF納米有序纖維轉(zhuǎn)移到鏤空的塑料膠片上并用雙面膠固定，構(gòu)成制備同軸聚苯胺纖維的模板；然后，在PVDF納米有序纖維表面原位聚合生成聚苯胺納米結(jié)構(gòu)；用O. 02摩爾的苯胺、O. 02摩爾的過硫酸氨(氧化劑)、0. 01摩爾的磺基水楊酸(摻雜劑)和100毫升的去離子水配成聚苯胺反應(yīng)液，將制備的PVDF納米有序纖維浸入反應(yīng)液中浸泡5小時，形成樣品；最后，將樣品從反應(yīng)液中取出，用去離子水漂洗60秒取出，將樣品放入烘箱中在70° C下烘干15分鐘，即制得磺基水楊酸摻雜的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維樣品，其纖維樣品表面自組裝形成了聚苯胺枝狀納米結(jié)構(gòu)；(2)、力敏傳感器的制備將第(I)步中制備的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維樣品固定在可彎曲的聚こ烯塑料膠片上用銀膠在有序纖維樣品上制備好間隔為3毫米的平行電極并連接好導(dǎo)線，再在有序纖維樣品外覆蓋上ー層聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)膠膜以起保護作用，將有序纖維樣品接入電路，接好電流表和恒壓電源，即構(gòu)成枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維柔性力敏傳感器；然后將塑料膠片的兩端固定，在塑料膠片的底部施加壓力，塑料膠片產(chǎn)生彎曲形變，塑料膠片上的聚苯胺同軸有序纖維隨之彎曲，其電阻產(chǎn)生變化，通入恒定電壓，即可觀測到電流的變化，以有序纖維樣品的彎曲曲率來表征其所受壓カ的大小，可得到相應(yīng)的カ敏傳感器的響應(yīng)曲線，完成對壓カ的感應(yīng)和測量；(3)、力敏傳感器的應(yīng)用在力敏傳感器的電路中通入3伏的恒定電壓，待カ敏傳感器的電阻穩(wěn)定后在塑料膠片兩端施加壓カ使其彎曲，曲率為σ =l/r=0. 0594mm 1保持10秒，然后撤去壓カ使其恢復(fù)原狀，其中按壓和放松的時間分別為10秒和25秒，如此反復(fù)幾個周期，同時用計算機記錄傳感器的電流變化情況，繪制電流隨時間變化曲線，即得到枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維的柔性カ敏傳感器的響應(yīng)曲線，當聚苯胺有序纖維樣品受カ彎曲吋，電流產(chǎn)生變化，傳感器的響應(yīng)時間為2. 5秒，在恒壓條件下對傳感器施加不同壓カ使其產(chǎn)生不同的曲率的彎曲形變，計算不同曲率的傳感器所對應(yīng)的電阻大小，以傳感器的曲率表征其所受壓カ的大小，繪制曲率-電阻曲線，即可得到枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維的力敏傳感器的敏感度曲線，該聚苯胺有序纖維的電阻隨其彎曲曲率變化増大，當曲率小于O. 04mm 1時，敏感度曲線具有線性，應(yīng)用這ー性質(zhì)配合不同的襯底塑料膠片可得到不同量程和最小分辨率的力敏傳感器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其制備方法簡便且成本低，傳感器結(jié)構(gòu)簡單，溫度影響小，力學(xué)性能好，不易破碎，靈敏度高，響應(yīng)時間短。


圖I為本發(fā)明涉及的導(dǎo)電聚苯胺PANI包裹聚偏ニ氟こ烯PVDF形成的同軸纖維的掃描電鏡SEM照片(a)及其結(jié)構(gòu)示意圖(b)。圖2為本發(fā)明涉及的枝狀同軸納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚苯胺纖維柔性カ敏傳感器及其エ作原理的示意圖，其中包括聚ニ甲基硅氧烷PDMS保護膜I、塑料膠片襯底2和銀膠電極3、納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維層4、電壓源5、電流表6和導(dǎo)線7。圖3為本發(fā)明涉及的枝狀同軸納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚苯胺纖維柔性カ敏傳感器的響應(yīng)曲線。圖4為本發(fā)明涉及的枝狀同軸納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚苯胺纖維柔性カ敏傳感器的敏感度曲線。
具體實施例方式下面通過實施例并結(jié)合附圖做進ー步說明。實施例本實施例包括制備枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維、力敏傳感器的制備和カ敏傳感器的應(yīng)用三個具體步驟(I)、制備枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維先用常規(guī)的靜電紡絲裝置的靜電紡絲方法制備聚偏ニ氟こ烯(PVDF)納米有序纖維；配制質(zhì)量百分比為22%的PVDF紡絲溶液，其中分子量為250，000的PVDF2. 2克，3. 8克丙酮，3. 8克ニ甲基甲酰胺，在恒溫60° C下攪拌5小時制得紡絲溶液；調(diào)節(jié)靜電紡絲裝置的發(fā)射極(針頭，內(nèi)直徑O. 6毫米)與接收極(旋轉(zhuǎn)滾筒的鋼軸)之間的距離為10厘米，紡絲電壓為10至14千伏，滾筒轉(zhuǎn)速600rpm ;將靜電紡絲制備的PVDF納米有序纖維轉(zhuǎn)移到鏤空的塑料片上并用雙面膠固定，構(gòu)成制備同軸聚苯胺纖維的模板；然后，在PVDF納米有序纖維表面原位聚合生成聚苯胺納米結(jié)構(gòu)；用O. 02摩爾的苯胺、O. 02摩爾的過硫酸氨(氧化劑)、0. 01摩爾的磺基水楊酸(摻雜劑)和100毫升的去離子水配成聚苯胺反應(yīng)液，將制備的PVDF納米有序纖維浸入反應(yīng)液中浸泡5小時，形成樣品；最后，將樣品從反應(yīng)液中取出，用去離子水漂洗60秒取出，將樣品放入烘箱中在70° C下烘干15分鐘，即制得所需磺基水楊酸摻雜的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維樣品；圖I給出了導(dǎo)電聚苯胺包裹PVDF形成的同軸纖維的掃描電鏡SEM照片及其結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以清楚看到同軸纖維的表面自組裝形成了聚苯胺枝狀納米結(jié)構(gòu)；(2)、力敏傳感器的制備將第(I)步中制備的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維樣品固定在可彎曲的聚こ烯塑料膠片上用銀膠在有序纖維樣品上制備好間隔為3毫米的平行電極并連接好導(dǎo)線，再在有序纖維樣品外覆蓋上ー層聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)膠膜以起保護作用，將有序纖維樣品接入電路，接好電流表和恒壓電源，即構(gòu)成枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維柔性力敏傳感器；圖2即為枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維柔性力敏傳感器及其工作原理的示意圖；然后將塑料膠片的兩端固定，在膠片的底部施加壓力，塑料膠片會產(chǎn)生彎曲形變，塑料膠片上的聚苯胺同軸有序纖維也會隨之彎曲，其電阻在這ー過程中產(chǎn)生變化，通入恒定電壓，即可觀測到電流的變化，以有序纖維樣品的彎曲曲率來表征其所受壓カ的大小，可得到相應(yīng)的カ敏傳感器的響應(yīng)曲線，完成對壓カ的感應(yīng)和測量；(3)、力敏傳感器的應(yīng)用在圖2所示的電路中通入3伏的恒定電壓，待力敏傳感器的電阻穩(wěn)定后在塑料膠片兩端施加壓カ使其彎曲，曲率為σ =l/r=0. 0594mm 1保持10秒，然后撤去壓カ使其恢復(fù)原狀，其中按壓和放松的時間分別為10秒和25秒，如此反復(fù)幾個周期，同時用計算機記錄傳感器的電流變化情況，繪制電流隨時間變化曲線，即得到枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維的柔性カ敏傳感器的響應(yīng)曲線，如圖3所示，從圖中可以看到，當聚苯胺有序纖維樣品受カ彎曲時，電流會產(chǎn)生明顯變化,傳感器的カ敏性能良好,響應(yīng)時間為
2.5秒，在恒壓條件下對傳感器施加不同壓カ使其產(chǎn)生不同的曲率的彎曲形變，計算不同曲率的傳感器所對應(yīng)的電阻大小，以傳感器的曲率表征其所受壓カ的大小，繪制曲率-電阻曲線，即可得到圖4所示的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維的力敏傳感器的敏感度曲線，可以看出，該聚苯胺有序纖維的電阻會隨其彎曲曲率變化明顯增大，當曲率小于O. 04mm 1吋，敏感度曲線具有非常好的線性，應(yīng)用這ー性質(zhì)配合不同的襯底膠片可得到不同量程和最小分辨率的力敏傳感器。
權(quán)利要求
1.一種柔性力敏傳感器的制備方法，其特征在于包括制備枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維、力敏傳感器的制備和カ敏傳感器的應(yīng)用三個具體步驟 (1)、制備枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維先用常規(guī)的靜電紡絲裝置的靜電紡絲方法制備聚偏ニ氟こ烯或稱PVDF納米有序纖維；配制質(zhì)量百分比濃度為22%的PVDF紡絲溶液，將分子量為250，000的PVDF、丙酮和ニ甲基甲酰胺的混合液在恒溫60° C下攪拌5小時制得紡絲溶液；調(diào)節(jié)靜電紡絲裝置的發(fā)射極與接收極之間的距離為10厘米，紡絲電壓為10至14千伏，接受極滾筒轉(zhuǎn)速為600rpm ;將靜電紡絲制備的PVDF納米有序纖維轉(zhuǎn)移到鏤空的塑料膠片上并用雙面膠固定，構(gòu)成制備同軸聚苯胺纖維的模板；然后，在PVDF納米有序纖維表面原位聚合生成聚苯胺納米結(jié)構(gòu)；用O. 02摩爾的苯胺、O. 02摩爾的過硫酸氨、O. 01摩爾的磺基水楊酸和100毫升的去離子水配成聚苯胺反應(yīng)液，將制備的PVDF納米有序纖維浸入反應(yīng)液中浸泡5小時，形成樣品；最后，將樣品從反應(yīng)液中取出，用去離子水漂洗60秒取出，將樣品放入烘箱中在70° C下烘干15分鐘，即制得磺基水楊酸摻雜的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維樣品，其纖維樣品表面自組裝形成了聚苯胺枝狀納米結(jié)構(gòu)； (2)、力敏傳感器的制備將第(I)步中制備的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維樣品固定在可彎曲的聚こ烯塑料膠片上用銀膠在有序纖維樣品上制備好間隔為3毫米的平行電極并連接好導(dǎo)線，再在有序纖維樣品外覆蓋上ー層聚ニ甲基硅氧烷膠膜以起保護作用，將有序纖維樣品接入電路，接好電流表和恒壓電源，即構(gòu)成枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維柔性力敏傳感器；然后將塑料膠片的兩端固定，在塑料膠片的底部施加壓力，塑料膠片產(chǎn)生彎曲形變，塑料膠片上的聚苯胺同軸有序纖維隨之彎曲，其電阻產(chǎn)生變化，通入恒定電壓，即可觀測到電流的變化，以有序纖維樣品的彎曲曲率來表征其所受壓カ的大小，可得到相應(yīng)的カ敏傳感器的響應(yīng)曲線，完成對壓カ的感應(yīng)和測量； (3)、力敏傳感器的應(yīng)用在力敏傳感器的電路中通入3伏的恒定電壓，待力敏傳感器的電阻穩(wěn)定后在塑料膠片兩端施加壓カ使其彎曲，曲率為σ =l/r=0. 0594mm 1保持10秒，然后撤去壓カ使其恢復(fù)原狀，其中按壓和放松的時間分別為10秒和25秒，如此反復(fù)幾個周期，同時用計算機記錄傳感器的電流變化情況，繪制電流隨時間變化曲線，即得到枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維的柔性カ敏傳感器的響應(yīng)曲線，當聚苯胺有序纖維樣品受カ彎曲吋，電流產(chǎn)生變化，傳感器的響應(yīng)時間為2. 5秒，在恒壓條件下對傳感器施加不同壓カ使其產(chǎn)生不同的曲率的彎曲形變，計算不同曲率的傳感器所對應(yīng)的電阻大小，以傳感器的曲率表征其所受壓カ的大小，繪制曲率-電阻曲線，即可得到枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸纖維的柔性力敏傳感器的敏感度曲線，該聚苯胺有序纖維的電阻隨其彎曲曲率變化増大，當曲率小于O. 04mm1時，敏感度曲線具有線性，應(yīng)用這ー性質(zhì)配合不同的襯底塑料膠片能夠得到不同量程和最小分辨率的力敏傳感器。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種柔性力敏傳感器的制備方法，先用靜電紡絲方法制備絕緣的高分子材料聚偏二氟乙烯(PVDF)的枝狀納米結(jié)構(gòu)聚苯胺同軸有序纖維，將PVDF纖維作為反應(yīng)模板浸入聚苯胺反應(yīng)液，利用原位聚合法在PVDF纖維表面包裹式形成導(dǎo)電聚苯胺包裹層，通過控制反應(yīng)時間、聚合溫度、苯胺單體和摻雜劑的摩爾比，使導(dǎo)電聚苯胺包裹層的表面自組裝形成枝狀納米結(jié)構(gòu)，得到比表面積較大的同軸結(jié)構(gòu)聚苯胺纖維；再在制備好的同軸結(jié)構(gòu)聚苯胺纖維固定到可彎曲的塑料膠片上，制備電極，覆蓋保護膜并將其連接入恒壓電路，即制成納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚苯胺同軸有序纖維的柔性力敏傳感器；其制備方法簡便且成本低，傳感器結(jié)構(gòu)簡單，溫度影響小，力學(xué)性能好，不易破碎，靈敏度高，響應(yīng)時間短。
文檔編號G01L1/18GK102692288SQ201210196840
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者唐成春, 孫彬, 常清, 張紅娣, 徐盛, 王文修, 黃蓉, 龍云澤 申請人:青島大學(xué)