[发明专利]一种超疏水纸基柔性应变传感器及其制备方法

说明书

本发明属于应变传感器技术领域，特别涉及一种超疏水纸基柔性应变传感器及其制备方法。将纸依次浸入导电填料在纤维素溶液中的分散液以及Hf‑SiO₂悬浮液中。所述应变传感器能很好地解决现有技术中应变传感器不具有超疏水功能与降解功能的问题。

技术领域

本发明属于应变传感器技术领域，特别涉及一种超疏水纸基柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

随着电子工业的快速发展，电子皮肤、人类健康监测、柔性显示器、人机界面系统等领域迫切需要柔性电子设备。其中，柔性电阻式应变传感器(将机械变形转换为电阻变化信号)受到广泛关注。然而，大多数聚合物基应变传感器难以回收或降解，无疑会带来大量的电子废物，从而造成巨大的环境问题。为了解决这个问题，具有可再生、生物降解和低成本等优点的纸成为制造绿色可降解应变传感器的理想基质。

纸基(PB)应变传感器通常通过简单地将纸浸涂到导电填料悬浮液中来制造。通常，碳质填料(例如，0D炭黑(CB)，1D碳纳米管(CNT)和2D石墨烯)、金属填料和混合填料是理想的导电填料。为降低制造成本，通常采用低成本CB。

虽然纸基(PB)应变传感器由于其可再生性、生物降解性和纸的低成本的优点而成为聚合物基传感器的理想替代品。然而，吸水后纸张的湿膨胀和降解是PB应变传感器实际应用的一大挑战。

如张月等报道了通过在纸上绘制的铅笔痕迹，构造了导电石墨/纸基应变传感器，可应用于各种监测人体运动，具有110ms的快速响应时间，536.6的高应变系数(GF)和10000次弯曲循环的高稳定性。通过对传感器的研究发现，铅笔痕迹表面出现微裂纹对应变传感器的功能具有重大影响，但是该纸基传感器不具有超疏水功能。

周宏伟等报道了通过将纸浸涂在炭黑(CB)和羧甲基纤维素(CMC)的水悬浮液中来制造柔性和可降解的纸基应变传感器。该传感器的应变系数为4.3，响应时间约为240ms，具有监测各种人体运动的能力，具有1000次循环的高稳定性，CB层表面上的裂缝来解释这种电阻型传感器的响应机理。但是该纸基传感器也不具有超疏水功能。

王鹏等报道了通过溶解和再固化方法将全氟硅烷/石墨烯部分地嵌入热塑性聚氨酯(TPU)中，来制造柔性TPU基应变传感器。由于石墨烯的特殊物理性质，所得到的纳米复合材料可以耐受高达400％的应变，可以对浸入的各种腐蚀性液体保持超疏水性。同时该复合材料可直接应用于手套，实时检测人体运动。但是该超疏水TPU基传感器不具有可降解性功能。

张婷等报道了通过喷涂多壁碳纳米管/热塑性弹性体(乙烯-丁烯共聚物)混合分散液在基底，然后用乙醇处理，制备了高度柔韧的超疏水柔性传感器涂层。该涂层不仅赋予各种基材材料超疏水表面，还可以对拉伸做出响应，该传感器最大的应变系数为80，响应时间约为8ms，具有1000次循环的高稳定性，具有监测各种人体运动的能力。同时对水、酸和碱具有极强的排斥性，有助于传感器在潮湿和腐蚀性条件工作。但是该超疏水传感器也不具有可降解性功能。

纸基(PB)应变传感器成为聚合物基传感器的理想替代品。然而，吸水后纸张的湿膨胀和降解是PB应变传感器实际应用的一大挑战。到目前为止，纸基(PB)应变传感器的超疏水处理仍然没有人提出解决办法。

发明内容

本发明的目的是提供一种超疏水纸基柔性应变传感器及其制备方法，所述应变传感器能很好地解决现有技术中应变传感器不具有超疏水功能与降解功能的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种超疏水纸基柔性应变传感器，通过下法获得：将纸依次浸入导电填料在纤维素溶液中的分散液以及Hf-SiO₂悬浮液中。

所述的导电填料优选为下列之一或一种以上的混合物：炭黑、碳纳米管、石墨烯、银纳米线、二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物；所述的纤维素为甲基纤维素、羧基纤维素、纤维素纳米晶、纤维素纳米纤维或细菌纤维素。