[发明专利]一种柔性线状应力敏感电阻的制备方法及其产品

说明书

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种柔性线状应力敏感电阻的制备方法及其产品。

背景技术

由于在身体健康监测、自然灾害预警、智能机器人等方面的潜在应用，应力传感器引起了人们的巨大兴趣。目前，应力传感器已经超越了其原来的目的，不仅应用于体育以及保健用途，还可以应用于疾病监测等。例如，利用电子皮肤体现其感知以及心理、身体状态，利用三维微电来实现大脑皮层对假肢的精确控制，利用人工耳蜗来让听力重现等。但是，常规的电子器件由于制备条件以及材料的限制，大部分具有既硬又脆的性质，面临变形则会出现器件损坏的后果。实现电子器件的小型化，以及在此基础上的柔性，可以实现其适应非平面的工作环境，突破现有电子器件的应用范围。因此柔性可穿戴应力传感器成为目前科学家又一研究重点。但是，对于实际应用的器件有一个要求，即最好有大尺度的拉伸以满足实际需求。但是对目前大家的关注重点主要是器件的可弯曲性以及对外界的感应等，对于拉伸性的研究相对较少。而且由于材料以及制备工艺的限制，现有的应力传感器的拉伸性能相对较差，对于拉伸性能超过300％的传感器鲜有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种柔性线状应力敏感电阻的制备方法及其产品，以及以这种柔性线状应力敏感电阻作为传感器的应力敏感元件的应力传感器，这种应力敏感材料同时兼具优异的拉伸和电学性能，且制备方法简单，成本低廉，由该应力敏感材料制成的应力传感器在测试膝盖屈伸、手指活动等动作、可拉伸显示屏、皮肤传感器等领域有很好的应用前景。

为了解决上述问题，本发明提供了一种柔性线状应力敏感电阻，一种柔性线状应力敏感电阻的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗聚氨酯扁形弹力线：应用去离子水或酒精对聚氨酯扁形弹力线表面进行清洗去除杂物；

(2)原位聚合导电聚合物：配置导电聚合物聚合反应溶液，将步骤(1)清洗后的聚氨酯扁形弹力线完全浸入配置导电聚合物聚合反应溶液中，直至反应液聚合反应产生的导电聚合物在聚氨酯扁形弹力线表面和材料间隙中充分沉积包裹、填充形成复合弹力线，将复合弹力线取出，洗去其表面杂质即可得柔性线状应力敏感电阻。

由上述方法制得的柔性线状应力敏感电阻为复合弹力线，所述复合弹力线为聚氨酯/导电聚合物复合线状材料，经测试该柔性线状应力敏感电阻的轴向拉伸率大于1400％，且轴向拉伸至1400％该电阻仍具导电性能。

本发明的制备方法步骤(1)所用的聚氨酯扁形弹力线为市售的聚氨酯(PU)扁形弹力线，这种PU扁形弹力线具有良好的弹性、柔韧性、可加工型以及价格低廉的优良性能，常作为串珠串的弹力绳。原位聚合法是制备复合材料的方法，将基底材料置于高分子材料单体聚合反应的环境中，聚合反应所得的高分子聚合物会沉积在基底材料上形成包裹层，从而得到基底材料和高分子聚合物复合材料。按照以往的通过原位聚合物反应复合导电聚合物和线状基底材料的实验结果和经验，会得到核壳结构吗，即在PU扁形弹力线外表面形成导电聚合物包裹层组成同轴线状材料，该材料的内部为绝缘弹性体，外部为聚合物导电层，组成复合材料的两个不部分各司其职，即复合线状材料的导电性能仅依赖于外层聚合物导电层(导致材料导电率一般较低)，力学拉伸性能则依赖于内部弹性材料，这种材料虽然也具有拉伸性，且作为应力敏感电阻，在一定的拉伸范围其导电率可以随材料拉伸形变变化，即产生力学信号和电信号的响应，但是，由于复合材料的力学性能不同，材料间的结合力有限，当内层弹性体拉伸量过大时弹性材料表面的聚合物导电层会产生断裂和脱落，使得材料的导电性能会受到很大影响甚至消失，无法再实现力学信号和电信号的响应，因此现有拉伸性能超过300％的传感器鲜有报道，无法适应大尺度的拉伸的应用需求。而采用本发明的方法制得的种柔性线状应力敏感电阻的导电率较高，且经测试该柔性线状应力敏感电阻的轴向拉伸率大于1400％，此处的拉伸率＝(弹性拉伸限度内材料的最大伸长量/材料原长)*100％，其中，弹性拉伸限度内材料的伸长量＝材料弹性形变后的最大长度-材料原长，且轴向拉伸至1400％该电阻仍具导电性能，在大尺寸拉伸过程中，该电阻的导电率可以随材料拉伸形变稳定变化，产生力学信号和电信号的响应，撤去拉伸应力该电阻在聚氨酯弹性材料的回复力作用下快速回复原长，电阻的导电率随之快速恢复。该电阻的性能明显高于常规实验预期，可以很好的适应大尺度的拉伸的应用需求，且响应速度快、回复性能好、灵敏度高。