一种TPU非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法

本发明属于熔喷非织造基底的柔性传感器的，具体而言，涉及一种基于还原氧化石墨烯(rgo)、碳纳米管(cnts)溶液共同负载于热塑性聚氨酯(tpu)熔喷非织造布的柔性拉伸应变传感器的制备方法的。

背景技术：

1、目前，可穿戴柔性传感器由于其柔性佳、贴合皮肤，引起了广泛的关注和研究。有很多关于应变传感器的研究都选择了以薄膜、泡沫或者传统织物作为其基底，实际上，以具有良好回弹性熔喷非织造材料为基底的拉伸应变传感器不但与传统织物一样具有良好的人体贴合性和舒适度，而且价格更低廉，透气性更好，是作为可以用即弃的人体运动监测传感器的理想基底材料。

2、同时，二维材料石墨烯由于具有较好的稳定性，优异的电子迁移率、导电导热性，出色的柔韧性和机械性能等，故近年来在柔性传感器的传感材料上有广泛的应用。

3、然而，只用石墨烯作为传感导电材料，石墨烯片层容易团聚形成石墨烯岛屿，会导致传感器的灵敏度下降，以及反应迟钝，所以经常会引入一维材料来对其进行改性。羧基化多壁碳纳米管(mwcnt)是一种一维纳米导电材料，由于mwcnt的高长宽比使其在较大的应变下仍然可以保持导电网络的完整，大大提高了传感器的检测范围和稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，针对现有技术中的缺陷，选用贴合性能好、回弹性好的tpu熔喷无纺布为基底制备柔性应变传感器，所制备的应变传感器亲肤性好、性能稳定，且对人体运动监测范围宽。此外，为了克服由于mwcnt在拉伸过程中电阻变化不明显导致的传感器灵敏度的降低，而rgo作为2d材料导电连接通路容易破坏，导致的灵敏度虽高但是检测范围却很小这两个问题，将rgo与mwcnt结合，同时实现高灵敏度和宽检测范围。并且mwcnt与rgo的混合负载可以有效地防止mwcnt和rgo材料自身的团聚，从而在复合材料中形成均匀的导电网络通路，保证传感器具有良好的力学性能和稳定的电学性能。

2、为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

3、一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

4、(1)预先制备氧化石墨烯(go)，然后将氧化石墨烯分散液加入还原剂并在一定温度下进行油浴加热一段时间，并通过添加足够量的氨水保持一定的ph值；洗涤、分散、调至一定浓度后获得还原氧化石墨烯分散液，备用；

5、(2)将还原氧化石墨烯分散液稀释为不同浓度，热塑性聚氨酯熔喷非织造材料(tpu mb)用酒精洗涤、干燥后浸入不同浓度的还原氧化石墨烯溶液中搅拌使其负载均匀，而后洗涤、干燥、安装；

6、(3)将羧基化多壁碳纳米管溶液与表面活性剂混合形成一定浓度的羧基化多壁碳纳米管分散液，然后将预处理后的热塑性聚氨酯熔喷非织造材料浸入不同浓度比的还原氧化石墨烯/羧基化多壁碳纳米管分散液中搅拌、洗涤、干燥、安装，制得应变传感器，记为rgo/mwcnt@tpu mb柔性应变传感器。

7、优选后，所述步骤(1)中反应温度为80℃-100℃，反应时间为20-25h，ph值保持在9-10。

8、优选后，所述步骤(1)氧化石墨烯分散液的浓度为2mg/ml

9、优选后，所述步骤(1)制得的还原氧化石墨烯分散液浓度为1mg/ml-4mg/ml。

10、优选后，所述还原剂为聚(4-苯乙烯磺酸钠)/连二亚硫酸钠(pss/sh)。

11、优选后，所述还原剂的用量为聚(4-苯乙烯磺酸钠)1.5-1.8g、连二亚硫酸钠1.2-1.3g。更优选的，聚(4-苯乙烯磺酸钠)用量为1.6g，连二亚硫酸钠用量为1.22g。

12、优选后，所述步骤(2)还原氧化石墨烯溶液稀释的不同浓度为1mg/ml，2mg/ml，3mg/ml，4mg/ml。

13、优选后，所述步骤(2)干燥温度50℃-70℃，干燥时间1h-3h。

14、优选后，所述步骤(2)搅拌时间为1h。

15、优选后，所述步骤(3)表面活性剂为十二烷基硫酸钠(sds)，用量为320mg。

16、优选后，所述步骤(3)分散液浓度比1：(0.5-1.5)。

17、优选后，所述步骤(3)羧基化多壁碳纳米管溶液与表面活性剂混合的分散方法为超声，超声时间为2h。

18、优选后，所述步骤(3)干燥温度50℃-70℃，干燥时间1h-3h。

19、优选后，所述步骤(3)羧基化多壁碳纳米管分散液的浓度为1mg/ml-4mg/ml。

20、由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

21、本发明为一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，在保证tpu mb基底材料的柔性、弹性、回弹性、力学性能的前提下，获得了良好的拉伸应变传感性能。快的响应时间使其具备在应用于人体各种生理信号监测方面的优异的传感性能。通过电阻相对变化率的波形宽度在不同的拉伸速率下彼此不同，可以使其区分和监测人体各种运动，使用便捷。较大的应变传感范围和高gf以及出色的循环稳定性和可重复性可以使其在实际使用时更具有实用价值。

22、1、本发明将熔喷无纺布用于传感器的基底中。将制备工艺简单且价格十分低廉的非织造材料的亲肤性好、舒适度和回弹性高等优点与石墨烯、碳纳米管材料的导电性结合，并且制备方法简单、摒弃了复杂的制备程序、环保性好、过程中无有害物质产生。

23、2、本发明提供的rgo/mwcnt@tpu mb柔性应变传感器的生产工艺，在保证熔喷无纺布原有的柔软性、可贴合皮肤、弹性、回弹性好等优点的前提下，获得了良好的传感性能，将其用于大形变、小形变的运动监测时、能够灵敏、稳定、快响应的进行监控，应用范围广泛。

24、3、本发明提供的rgo/mwcnt@tpu mb柔性应变传感器中石墨烯、碳纳米管导电材料因同时具有良好的导电性能故将其通过不同配比进行混合。通过一维碳纳米管桥接二维石墨烯来获得导电性能好，传感性能佳的柔性应变传感器。

25、4、rgo/mwcnt@tpu mb柔性应变传感器的应用包括：大形变状态下的人体运动监测应用(腿部运动、手指弯曲、手腕弯曲)、小形变状态下的人体运动监测应用(面部表情、声带振动)。这些应用都说明rgo/mwcnt@tpu mb柔性应变传感器在可穿戴电子产品中具有巨大的应用潜力。

技术特征：

1.一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中反应温度为80℃-100℃，反应时间为20-25h，ph值保持在9-10。

3.根据权利要求1所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)制得的还原氧化石墨烯分散液浓度为1mg/ml-4mg/ml。

4.根据权利要求1所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述还原剂为聚(4-苯乙烯磺酸钠)/连二亚硫酸钠。

5.根据权利要求4所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述还原剂的用量为聚(4-苯乙烯磺酸钠)1.5-1.8g、连二亚硫酸钠1.2-1.3g。

6.根据权利要求1所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)还原氧化石墨烯溶液稀释的不同浓度为1mg/ml，2mg/ml，3mg/ml，3mg/ml。

7.根据权利要求1所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)与所述步骤(3)干燥温度50℃-70℃，干燥时间1h-3h。

8.根据权利要求1所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)表面活性剂为十二烷基硫酸钠，用量为320mg。

9.根据权利要求1所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)分散液浓度比1：(0.5-1.5)。

10.根据权利要求1所述的一种tpu非织造材料基底的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)羧基化多壁碳纳米管分散液的浓度为1mg/ml-4mg/ml。

技术总结
本发明公开了一种新型的基于还原氧化石墨烯(rGO)、碳纳米管(CNTs)溶液混合负载TPU熔喷非织造材料的柔性应变传感器的制备方法，利用柔性好、高弹性且价格低廉的TPU非织造材料作为所制备应变传感器的基底材料，并且选择了导电网络更为稳定的MWCNT与rGO一起通过机械搅拌方法负载到TPU MB材料的表面，以期能得到传感性能更佳的应变传感器。该柔性应变传感器具有最出色的综合性能，其最大检测范围可达180％，灵敏度高达1407(应变从150％到180％)，稳定性佳，并且在人体监控方面，将其用于大形变、小形变的运动监测时、能够灵敏、稳定、快响应的进行监控，具有良好的应用前景。

技术研发人员：孙辉,于斌,陆蓥,王楠
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12