[发明专利]一种电容式传感器材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种电容式传感器材料的制备方法，包括以下步骤：采用酸碱性溶液处理木材，再将其经充分水洗后浸入叔丁醇中置换木材中的去离子水，再将浸泡过叔丁醇的木材进行冷冻干燥得到木材气凝胶，然后与含聚电解质单体、交联剂、引发剂以及催化剂的水溶液聚合制备，即得；并进一步公开了包含上述传感器材料的电容式传感器及其制备方法。采用本发明方法制备的传感器材料具有优异的机械性能和离子电导性能，进一步制备所得的柔性电容式力学传感器具有非常高的灵敏度和非常宽的感应范围。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种电容式传感器材料及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶作为一种软物质，通过有序的三维结构构成，具有良好的亲水性和生物相容性，当用作生物体植入物时，可以有效减少排斥反应。并且，水凝胶是一种柔性材料，与生物体很多活性组织如关节软骨、肌肉组织等具有极为相似的性质，即不仅具有良好的机械强度、压缩回弹性能，并且对外应力作用具有很高的灵敏度和监测功能。因此，水凝胶是人工肌肉、人工关节、人工皮肤等软组织最为理想的替代材料，近年来，利用水凝胶开发柔性皮肤、可穿戴设备以及光电传感等材料已成为研究热点，水凝胶在生物医用材料领域得到了广泛的关注和应用。

根据材料来源的不同，水凝胶主要分为两大类：其一是基于石油来源的合成型水凝胶，如聚丙烯酸及其酯系列水凝胶、聚乙烯醇系列水凝胶等，这类材料在制备过程中耗能较大，达不到环保要求；其二则是以天然高分子为主体或起始材料的非合成型水凝胶，如属于多糖类的淀粉基水凝胶、纤维素基水凝胶等，这类水凝胶的制造在起始制备材料上基本环保可降解、且原料来源也较为广泛，但水凝胶往往机械强度不高，传感的应力范围也很窄。

木材是天然可再生的高分子有机体，具有丰富的羟基和多孔结构，独特的纹理结构或纤维各向异性，很高的顺纤维拉伸强度，以及一定的弦向和径向压缩性能。因此，利用木质纤维材料特殊的孔隙结构和纤维机械性能，配合聚电解质材料的离子迁移能力，构建宽应力范围和高灵敏度木材基聚电解质复合力敏传感器件，是巨大的挑战和关键技术所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好的顺纹抗拉强度、弦向或径向压缩回弹性能的木材基聚电解质复合水凝胶，并且利用该水凝胶制作出电容式压力传感器，以及上述产品的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种电容式传感器材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：采用酸性溶液处理木材，得酸处理木材；

S2：采用碱性溶液处理S1所得酸处理木材，得碱处理木材；

S3：将S2所得碱处理木材浸入去离子水中经充分水洗后浸入叔丁醇中置换木材中的去离子水，再将浸泡过叔丁醇的木材进行冷冻干燥得到木材气凝胶；

S4：将S3所得木材气凝胶与含聚电解质单体、交联剂、引发剂以及催化剂的水溶液反应制备，即得；

进一步可选的，所述木材为杨木或轻木；

进一步优选的，所述木材的尺寸为(10～25mm)×(10～25mm)×(10～25mm)；

进一步的，S1所述的步骤包括：将木材加入到每毫升去离子水含0.005～0.01ml冰醋酸以及含0.005～0.01gNaClO₂的溶液中，然后在70～90℃下加热0.5～2h，然后重复上述操作5～8次，水洗，得酸处理木材；

进一步的，S2所述的步骤包括：将S1所得酸处理木材浸入含2～3mol·L^-1NaOH以及0.2～0.5mol·L^-1Na₂SO₃的溶液中，在100℃下加热5～8h，然后再在100℃下、2～3mol·L^-1H₂O₂水溶液中加热6～12h，得碱处理木材；