一種基于纖維素的柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的制備方法，更具體的說(shuō)本發(fā)明涉及一種基于纖維素的柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的制備方法，該材料可用做柔性應(yīng)力-應(yīng)變傳感器的核心元件。
【背景技術(shù)】
[0002]壓力傳感器是各領(lǐng)域中最為常見(jiàn)的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、交通、建筑、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的應(yīng)力傳感器(如電阻應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片等)存在柔韌性差、應(yīng)變范圍低的問(wèn)題，難以適應(yīng)新一代傳感器在柔性和便捷性方面的要求，其應(yīng)用范圍受到限制。新型的柔性應(yīng)力傳感器具有柔軟的基底，可適應(yīng)復(fù)雜的非平整表面、承受大幅度變形，極大地?cái)U(kuò)展了傳感器的應(yīng)用范圍，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、電子皮膚、生物醫(yī)藥、可穿戴電子產(chǎn)品等方面具有良好的應(yīng)用前景。目前有關(guān)柔性應(yīng)力傳感器的研究報(bào)道多基于如ZnO納米線、金銀納米線、碳納米管、石墨稀等納米材料，但這些柔性應(yīng)力傳感器普遍存在制備工藝復(fù)雜、造價(jià)尚昂等冋題。
[0003]另外，近年來(lái)隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量的煤炭、石油等不可再生資源不斷被消耗，造成資源的短缺；同時(shí)大量的C02、S02等有害氣體的排放，污染環(huán)境并引發(fā)“溫室效應(yīng)”，嚴(yán)重威脅人類的生存環(huán)境。生物質(zhì)作為一種可再生資源，具有原料便宜、容易獲取、可持續(xù)和環(huán)境友好等特點(diǎn)，由生物質(zhì)制備各類碳基材料日益受到人們的重視。近年來(lái)，人們基于生物質(zhì)，如椰殼、棉花、西瓜、冬瓜等開(kāi)發(fā)出了多種三維碳材料，這類材料具有高孔隙率、疏水親油、高導(dǎo)電率和力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)、超級(jí)電容器、電池、電磁波屏蔽、水處理等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的為提供一種基于纖維素的柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的制備方法，該方法具有原料豐富、便宜、可再生，制備工藝簡(jiǎn)單、可控，所制得的敏感材料應(yīng)變范圍大、靈敏度高的特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明所提供的基于纖維素的柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的制備步驟如下:
[0006]I)纖維素水溶液的配制
[0007]將纖維素加入水中，利用攪拌、超聲等方法使其混合均勻，形成0.2?5wt%的纖維素水溶液。
[0008]所述纖維素為天然生物質(zhì)纖維素、纖維素納米晶和經(jīng)過(guò)化學(xué)處理后的纖維素。
[0009]所述天然生物質(zhì)纖維素指紙漿纖維素和甲殼素纖維素。
[0010]所述經(jīng)過(guò)化學(xué)處理的纖維素為羧甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素。
[0011]2)纖維素氣凝膠的制備
[0012]將上述纖維素水溶液冷凍成為固體，進(jìn)行冷凍干燥，即可制得纖維素氣凝膠。
[0013]3)碳凝膠的制備
[0014]如上所述的纖維素氣溶膠在真空或惰性氣氛保護(hù)下，在600?1000°C的高溫下進(jìn)行裂解處理0.5-5小時(shí)，即可制得碳凝膠。
[0015]4)柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的制備
[0016]將上述碳凝膠中澆注其體積I?2倍的聚甲基硅氧烷(PDMS)樹(shù)脂，真空脫泡;PDMS固化后，即制得具有高靈敏度的柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料。
[0017]本發(fā)明所制備的柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的工作原理:基于高溫裂解纖維素所制備的碳溶膠具有良好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予碳溶膠較好的導(dǎo)電性;而PDMS則具有良好的柔韌性和絕緣性。由碳凝膠和PDMS復(fù)合所得的復(fù)合材料，既保持了 TOMS的柔韌性又兼具了碳凝膠的導(dǎo)電性，如圖1所示，當(dāng)有外界應(yīng)力作用于復(fù)合材料時(shí)，柔軟的硅樹(shù)脂很容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)減少，從而引起電阻增加，外力撤銷后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)恢復(fù)初始狀態(tài)，電阻也恢復(fù)初始值。
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1.本發(fā)明所制備柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的工作原理圖
[0029]圖2.本發(fā)明所制備的纖維素碳凝膠的SEM照片；
[0030]圖3.本發(fā)明所制備的柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的光學(xué)照片；
[0031]圖4.本發(fā)明所制備柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的相對(duì)電阻-應(yīng)力變化曲線；
[0032]圖5.本發(fā)明所制備柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料對(duì)周期性應(yīng)力的響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0034]實(shí)施例1
[0035]①將1g紙漿纖維素加入100g水中，利用攪拌機(jī)攪拌Ih形成均勻溶液，制得lwt%的紙漿纖維素水溶液。
[0036]②將步驟①中所制備紙漿纖維素水溶液冷凍成為固體，然后利用冷凍干燥儀干燥，制得纖維素氣凝膠。
[0037]③將步驟②中所制備纖維素氣凝膠在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，800°C下裂解2小時(shí)，制得基于纖維素的碳凝膠材料。
[0038]④將步驟③中所制備碳凝膠材料上澆注其體積1.2倍的PDMS樹(shù)脂，真空脫泡，然后80°C固化lh，即制得基于纖維素的柔性應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料。
[0039]所制備的纖維素碳溶膠的掃描電子顯微鏡(TEM)照片如圖2所示，從圖中可以看出:本發(fā)明制備的纖維素碳溶膠具有大量空隙，纖維間有大量接觸點(diǎn)，屬于三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu);所制備碳凝膠導(dǎo)電率為3.‘Sm—1。所制備的應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的光學(xué)照片如圖3所示，從圖中可以看出所制備材料具有良好的柔軟性，可做180°折置。圖4為所制備應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料的相對(duì)電阻-應(yīng)力變化曲線，從中可以看出材料的電阻對(duì)應(yīng)力非常敏感，靈敏度高達(dá)
2.2kPa—1 ο圖5為所制備應(yīng)力-應(yīng)變敏感材料對(duì)周期性應(yīng)力的響應(yīng)，從中可以看出所制備材料對(duì)周期性應(yīng)力具有良好的響應(yīng)，使用壽命可達(dá)1000次循環(huán)以上。
[0040]實(shí)施例2
[0041 ]①將2g纖維素納米晶加入100g水中，利用超聲儀超聲30分鐘形成均勻溶液，制得0.2wt%的纖維素納米晶水溶液。
[0042]②將步驟①中所制備纖維素納米晶水溶液冷凍成為固體，然后利用冷凍干燥儀干燥，制得纖維素氣凝膠。
[0043]③將步驟②中所制備纖維素氣凝膠在氬氣保護(hù)下，1000°C下裂解0.5小時(shí)，制得基于纖維素的碳凝膠材料。
[0044]④將步驟③中所制備碳凝膠材料上饒注其體積I倍的聚甲基娃氧燒樹(shù)脂(SyI gard184，Dow Corning)，真空脫泡，然后80°C固化Ih，即制得基于纖維素的柔性應(yīng)力