本發(fā)明涉及竹纖維柔性壓力傳感器，尤其涉及一種層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料、柔性壓力傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)化時代的快速發(fā)展，柔性壓力傳感器在人機交互、個人健康監(jiān)測和姿勢識別等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。但目前所使用的柔性壓力傳感器大部分源于石油化工材料，制備工藝復(fù)雜且伴隨污染物的排放，不利于可持續(xù)發(fā)展。因此，選擇可再生材料來設(shè)計開發(fā)柔性傳感器是勢在必行的。

2、纖維素纖維，作為一種豐富的可再生材料，因綠色、可降解，良好的相容性及優(yōu)異的機械強度等優(yōu)勢，在構(gòu)筑多孔網(wǎng)絡(luò)氣凝膠傳感器方面展現(xiàn)巨大的潛力。但依舊存在許多問題：1.納米纖維素通常不具備導(dǎo)電性，外來導(dǎo)電粒子的引入容易在氣凝膠內(nèi)部分布不均導(dǎo)致信號傳輸不夠穩(wěn)定、無法實現(xiàn)寬領(lǐng)域壓力檢測；2.通過高溫碳化工藝賦予纖維導(dǎo)電性會導(dǎo)致碳氣凝膠整體脆性差，回彈力不足，無法用于柔性傳感器材料。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有較好回彈性、機械穩(wěn)定性、耐久性的可用于傳感器的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料及其制備方法和應(yīng)用。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料的制備方法，包括以下步驟：

3、(1)納米纖維素分散液的制備

4、以竹纖維為原料，采用tempo氧化法制備得到納米纖維素分散液；

5、(2)層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)竹纖維素氣凝膠的制備

6、將納米纖維素分散液與氧化石墨烯分散液和殼聚糖溶液混合，先超聲處理，然后采用雙向冰模板法進行冷凍，再冷凍干燥，得到層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)竹纖維素氣凝膠材料；

7、(3)層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)竹纖維素碳氣凝膠的制備

8、將層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)竹纖維素氣凝膠材料進行低溫水熱還原處理，得到所述層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)竹纖維素碳氣凝膠材料。

9、進一步地，步驟(1)中，tempo氧化法的具體操作過程為：將竹纖維分散于水中，得到纖維分散液，向纖維分散液中依次加入tempo和溴化鈉，攪拌溶解，再加入次氯酸鈉溶液，攪拌條件下進行氧化反應(yīng)，最后過濾處理，得到的濾餅用去離子水洗滌至中性，再配置成懸浮液于超聲波細胞粉碎機中超聲處理，得到納米纖維素分散液。

10、進一步地，各原料用量為：竹纖維與tempo、溴化鈉的質(zhì)量比為1：0.016：0.01，竹纖維與次氯酸鈉的比例為1g：10mmol；氧化反應(yīng)時間2～5h。

11、進一步地，步驟(2)中，氧化石墨烯分散液的溶劑為水，殼聚糖溶液的溶劑為0.1mol/l的冰醋酸，納米纖維素分散液、氧化石墨烯分散液和殼聚糖溶液的濃度依次為5mg/ml、10mg/ml、5～10mg/ml，體積比為2：1：2。

12、進一步地，步驟(2)中，雙向冰模板法進行冷凍的具體操作過程為：將u形銅橋兩端浸入液氮內(nèi)，在u形銅橋頂部放置楔形木塊，將需要冷凍溶液倒入硅膠盒中，然后將硅膠盒放置在楔形木塊的頂部，待溶液冷凍成固體，取出進行冷凍干燥處理。

13、進一步地，楔形木塊斜坡角度為5～30度。

14、進一步地，步驟(3)中，低溫水熱還原處理的具體操作過程為：將層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)竹纖維素氣凝膠材料置于反應(yīng)釜中，加入水和乙醇的混合溶液，然后在130～160℃溫度下反應(yīng)1～3h，最后取出烘至絕干。

15、本發(fā)明還提供一種層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料，其采用上述的制備方法制備而成。

16、本發(fā)明還提供一種柔性壓力傳感器，其采用上述的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料制備而成。

17、本發(fā)明還提供一種上述的柔性壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟：將層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料切割成塊體，然后在塊體兩側(cè)面連接銅膠帶，最后封裝，得到所述柔性壓力傳感器。

18、進一步地，切割后的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料規(guī)格為(1～3)×(1～3)×0.5cm。

19、進一步地，封裝材料使用pet、pu、tpu等柔性薄膜材料。

20、本發(fā)明還提供一種上述的柔性壓力傳感器在智能可穿戴設(shè)備或智能家居中的應(yīng)用。

21、在上述應(yīng)用中，所述柔性壓力傳感器可用于準(zhǔn)確的檢測人的生理活動信號，并能實現(xiàn)低于10pa的超低壓傳感，在醫(yī)學(xué)信號監(jiān)測、多功能可穿戴智能設(shè)備領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景；此外，當(dāng)集成到傳感器陣列中，基于所述傳感器可以準(zhǔn)確識別人體的不同手勢變化，在人機交互領(lǐng)域展示出巨大應(yīng)用潛力。

22、本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

23、(1)本發(fā)明采用生物質(zhì)資源(如竹材、殼聚糖)作為原始材料，制備生物質(zhì)柔性壓力傳感器，有利于擴大竹質(zhì)資源的應(yīng)用領(lǐng)域，提高竹材的利用率。此外，采用的生物質(zhì)資源有利于減少對化石能源的消耗，做到節(jié)約有限資源、保護環(huán)境和降低污染。其次，所使用材料可再生且儲量豐富，相較于傳統(tǒng)傳感器制備過程簡單，成本低廉。

24、(2)本發(fā)明制備的氣凝膠材料以納米纖維素為網(wǎng)絡(luò)骨架，氧化石墨烯通過氫鍵相互作用與納米纖維素緊密結(jié)合，經(jīng)過還原為還原氧化石墨烯后通過π-π相互作用結(jié)合，作為導(dǎo)電單元提供氣凝膠整體導(dǎo)電性，可避免在反復(fù)使用過程中導(dǎo)電單元的脫落，有利于傳感器信號的傳輸和采集。

25、(3)本發(fā)明所使用的殼聚糖可通過靜電作用與氧化石墨烯和納米纖維素緊密連接，構(gòu)成多維互鎖結(jié)構(gòu)提供彈性支撐，在原有多層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步提高碳氣凝膠的回彈性和抗壓強度，有助于碳氣凝膠的機械穩(wěn)定性和長期耐久性。

26、(4)本發(fā)明通過對碳氣凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計，調(diào)整納米纖維素、氧化石墨烯和殼聚糖三者的比例關(guān)系，利用雙向冰晶生長法，構(gòu)建交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高氣凝膠的回彈性和長期耐用性。

27、(5)本發(fā)明利用低溫水熱還原技術(shù)，克服了傳統(tǒng)高溫碳化工藝導(dǎo)致碳氣凝膠脆性問題。低溫水熱還原技術(shù)僅僅作用于氧化石墨烯，使其還原為還原氧化石墨烯，而納米纖維素和殼聚糖并沒有發(fā)生本質(zhì)性能變化，保留了纖維原有的韌性，并賦予其導(dǎo)電性。

28、(6)本發(fā)明所提供的柔性壓力傳感器制備方法具有高性能和可持續(xù)性的特點，使其在“人機交互、生物信號檢測和檢測”等領(lǐng)域中具備了廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，tempo氧化法的具體操作過程為：將竹纖維分散于水中，得到纖維分散液，向纖維分散液中依次加入tempo和溴化鈉，攪拌溶解，再加入次氯酸鈉溶液，攪拌條件下進行氧化反應(yīng)，最后過濾處理，得到的濾餅用去離子水洗滌至中性，再配置成懸浮液于超聲波細胞粉碎機中超聲處理，得到納米纖維素分散液。

3.如權(quán)利要求2所述的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，各原料用量為：竹纖維與tempo、溴化鈉的質(zhì)量比為1：0.016：0.01，竹纖維與次氯酸鈉的比例為1g：10mmol；氧化反應(yīng)時間2～5h。

4.如權(quán)利要求1或2或3所述的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，氧化石墨烯分散液的溶劑為水，殼聚糖溶液的溶劑為0.1mol/l的冰醋酸，納米纖維素分散液、氧化石墨烯分散液和殼聚糖溶液的濃度依次為5mg/ml、10mg/ml、5～10mg/ml，體積比為2：1：2。

5.如權(quán)利要求1或2或3所述的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，雙向冰模板法進行冷凍的具體操作過程為：將u形銅橋兩端浸入液氮內(nèi)，在u形銅橋頂部放置楔形木塊，將需要冷凍溶液倒入硅膠盒中，然后將硅膠盒放置在楔形木塊的頂部，待溶液冷凍成固體，取出進行冷凍干燥處理。

6.如權(quán)利要求1或2或3所述的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，低溫水熱還原處理的具體操作過程為：將層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)竹纖維素氣凝膠材料置于反應(yīng)釜中，加入水和乙醇的混合溶液，然后在130～160℃溫度下反應(yīng)1～3h，最后取出烘至絕干。

7.一種層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料，其特征在于，采用如權(quán)利要求1至6中任一項所述的制備方法制備而成。

8.一種柔性壓力傳感器，其特征在于，采用如權(quán)利要求7所述的層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料制備而成。

9.如權(quán)利要求8所述的柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：將層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料切割成塊體，然后在塊體兩側(cè)面連接銅膠帶，最后封裝，得到所述柔性壓力傳感器。

10.如權(quán)利要求8或9所述的柔性壓力傳感器在智能可穿戴設(shè)備或智能家居中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料、柔性壓力傳感器及其制備方法和應(yīng)用，凝膠材料的制備方法包括以下步驟：(1)以竹纖維為原料，采用TEMPO氧化法制備得到納米纖維素分散液；(2)將納米纖維素分散液與氧化石墨烯分散液和殼聚糖溶液混合，先超聲處理，然后采用雙向冰模板法進行冷凍，再冷凍干燥；(3)進行低溫水熱還原處理，得到所述層狀網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)竹纖維素碳氣凝膠。本發(fā)明制備的碳氣凝膠材料以納米纖維素為網(wǎng)絡(luò)骨架，氧化石墨烯通過氫鍵相互作用與納米纖維素緊密結(jié)合，經(jīng)過還原為還原氧化石墨烯后通過π?π相互作用結(jié)合，作為導(dǎo)電單元提供氣凝膠整體導(dǎo)電性，可避免在反復(fù)使用過程中導(dǎo)電單元的脫落，有利于傳感器信號的傳輸和采集。

技術(shù)研發(fā)人員：陳玉霞,呂燕,魏潔,王文斐,郭勇,周娟,黃志,王劉洋,鄧歡陽
受保護的技術(shù)使用者：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19