一种柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法

本发明涉及一种柔性传感材料的制备方法，尤其涉及一种柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法。

背景技术：

1、电子皮肤、机器人、运动检测和类似技术的快速发展，提高了传感器的可穿戴性、灵活性和可拉伸性的要求。传统的基于金属或半导体的应变传感器的应变范围较窄(通常低于5％)，刚度较大，不能满足未来应变传感器的需求。

2、因此，基于聚合物的柔性应变传感器越来越受到越来越多的关注，针对日益增长的需求，迫切需要具有高拉伸性和优良灵敏度的柔性应变传感器工艺技术；基于聚氨酯基体制备得到的复合材料能满足应用中的柔韧性、人体相容性要求，且原料供应丰富，制造工艺可操作性好，但一种灵敏度更强、应变范围更宽、拉伸强度更高的产品仍有待开发。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种灵敏度更强、应变范围更宽、拉伸强度更高的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法。

2、技术方案：本发明所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)将聚氨酯溶解于有机溶剂中，得到聚氨酯溶液；

4、(2)将盐酸多巴胺、mwcnt和粉煤灰分散于溶剂中得到分散液，遮光放置，使得盐酸多巴胺发生自聚合；

5、(3)将聚氨酯溶液进行静电纺丝得到聚氨酯薄膜，在制得聚氨酯薄膜的过程中，向初步形成的聚氨酯薄膜上喷涂步骤(2)自聚合后的分散液，然后继续进行静电纺丝，得到掺杂有mwcnts/粉煤灰的聚氨酯薄膜；

6、(4)将掺杂有mwcnts/粉煤灰的聚氨酯薄膜进行热压，制得。

7、其中，在步骤(4)之前，将pdms涂覆至掺杂有mwcnts/粉煤灰粒子的聚氨酯薄膜的上下表面。

8、其中，步骤(3)中，所述掺杂有mwcnts/粉煤灰的聚氨酯薄膜中，位于mwcnts/粉煤灰上下两侧的聚氨酯薄膜厚度相同。

9、其中，步骤(1)中，聚氨酯颗粒与有机溶剂的质量比为0.163～0.190:1。比例小于0.163：1，在静电纺丝过程中出现纺丝液粘度不够导致的滴落现象，原料利用率低；比例大于0.190：1会导致纺丝粘度过大，在静电纺丝过程中出现液滴团聚在针头部位的现象，并在静电场作用下飞至收集装置，导致所得薄膜的质量分布不均。

10、其中，所述盐酸多巴胺：多壁碳纳米管：粉煤灰：溶剂的质量比为为0.001：0.005：0.0075～0.0125：1。粉煤灰小于0.0075，所得样品的传感性能不在最佳值；大于0.0125会导致传感性能有所下降；位于0.0075～0.0125间样品取得较好的传感性能。

11、其中，步骤(3)中，喷涂量为2.0～3.0ml；小于该喷涂量会导致样品不能形成有效的传感层；大于该喷涂量则带来膜视觉厚度的增加和原料浪费。喷涂时间优选为1～1.5min。

12、其中，步骤(3)中，喷涂后mwcnts/粉煤灰粒子所在层的厚度为20μm～30μm。在该范围内样品具有良好的传感性能；小于该范围则传感性能大幅下降；大于该范围会使工艺的经济性降低。

13、其中，步骤(1)中，利用磁力加热搅拌器将聚氨酯溶解于有机溶剂中，在温度为65℃下加热8～12小时。

14、其中，步骤(2)中，溶剂为无水乙醇/去离子水，体积比为2～4：1。在范围内，分散液中的盐酸多巴胺能做到较好的自聚合，从而增强喷涂层与纺丝层的粘结；比例小于2：1，分散液中酒精含量较少，喷涂时无法快速蒸发，对粘结产生不利影响；比例大于4：1，分散液中去离子水少，对盐酸多巴胺的自聚合有不利影响，进而影响粘结性能。

15、其中，步骤(3)中，静电纺丝的输出电压设置为13～18kv，针头与铝箔间的距离为2.5～5cm，注射器的推进速率为0.3～0.6ml/h。输出电压低于13kv，易导致电场强度不足影响纤维丝的形成，高于18kv易导致静电纺丝过程中出现过电流危险，优选15kv；针头与铝箔间的距离若小于2.5cm，导致所得膜厚度增加，可能导致过电流危险，若大于5.0cm，所得膜厚度将会较本发明产品更薄，优选2.5cm；推进速率若小于0.3ml/h，导致静电纺丝总时长变多，规模化生产的经济性降低，若大于0.6ml/h，纤维丝将会夹杂串珠，对成膜质量有影响，优选0.5ml/h。

16、其中，步骤(4)中，热压温度为100～160℃，压力为30mpa～100mpa。

17、有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)本发明通过选取mwcnts/粉煤灰粒子加入tpu基体中，采用静电纺丝法制备，显著提高了聚氨酯基复合材料的拉伸应变传感性能，其中复合薄膜的应变范围0～60％，较纯聚氨酯薄膜的0～20％有较大提升，而纯聚氨酯薄膜不具备有拉伸传感性能；伴随着纳米粒子的加入，得到复合薄膜的敏感因子gf高达166，赋予了聚氨酯基体良好的电阻传感特性；抗拉强度最高可达166.67mpa，具有全方向柔性；(2)薄膜引入粉煤灰颗粒具有环保效应和经济效应，能部分消纳废弃物粉煤灰存量，且该原料成本极低。

技术特征：

1.一种柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，在步骤(4)之前，将pdms涂覆至掺杂有mwcnts/粉煤灰粒子的聚氨酯薄膜的上下表面。

3.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述掺杂有mwcnts/粉煤灰的聚氨酯薄膜中，位于mwcnts/粉煤灰上下两侧的聚氨酯薄膜厚度相同。

4.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述聚氨酯与有机溶剂的质量比为0.163～0.190:1。

5.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，所述盐酸多巴胺：多壁碳纳米管：粉煤灰：溶剂的质量比为0.001：0.005：0.0075～0.0125：1。

6.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，喷涂量为2.0～3.0ml。

7.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，喷涂后mwcnts/粉煤灰粒子所在层的厚度为20μm～30μm。

8.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述溶剂为无水乙醇和去离子水，体积比为2～4：1。

9.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，静电纺丝的输出电压设置为13～18kv，针头与铝箔间的距离为2.5～5.0cm，注射器的推进速率为0.3～0.6ml/h。

10.根据权利要求1所述的柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，热压温度为100～160℃，压力为30mpa～100mpa。

技术总结
本发明公开了一种柔性高灵敏度聚氨酯基传感材料的制备方法，包括如下步骤：将聚氨酯溶解于有机溶剂中，得到聚氨酯溶液；将盐酸多巴胺粉末、MWCNT粉末、粉煤灰粉末分散于有机‑去离子水溶剂中，遮光放置，使得盐酸多巴胺发生自聚合，得到分散液；将聚氨酯溶液进行静电纺丝，在静电纺丝的过程中，向初步形成的聚氨酯薄膜上喷涂上述的分散液，继续进行静电纺丝，得到掺杂有MWCNTs/粉煤灰粒子的聚氨酯薄膜；将掺杂有MWCNTs/粉煤灰粒子的聚氨酯薄膜进行热压，制得。本发明复合材料的敏感因子最高可达166，应变范围为0～60％，抗拉强度最高可达166.67MPa，具有全方向柔性。

技术研发人员：杨路,毛万东
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14