石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法

1.本发明涉及薄膜温度传感器技术领域，尤其涉及石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法。


背景技术：

2.温度传感器作为测温仪器的核心部分，已被广泛应用于工业、航空、医疗等领域，近年来，随着智能手环、智能手表等可穿戴设备的出现，人们对实时监测自身与户外温度的需求不断增加，为满足此需求，温度传感器需要具有高响应速度、高精确度、兼容可穿戴设备等特性，能够与人体皮肤适形匹配，然而，传统的温度传感器是以热电偶传感芯片作为传感模块，由于热电偶材料为块体材料，以及其一般封装在盒式结构或金属材料中体积较大且不具备柔韧性，不能充分与被测物表面接触，因此，开发具有高柔性，超灵敏以及良好的复杂环境适应性的薄膜温度传感器是薄膜温度传感器发展的必然趋势。
3.相变材料(pcm)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质，相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热伴随着体积变化，相变材料可分为有机和无机相变材料亦可分为水合相变材料和蜡质相变材料，我们最常见的相变材料非水莫属了，当温度低至0℃时，水由液态变为固态(结冰)，当温度高于0℃时水由固态变为液态(溶解)，在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量，而在溶解过程中吸收大量的热能量，冰的数量(体积)越大，溶解过程需要的时间越长，从以上的例子可看出，相变材料实际上可作为温度刺激响应介质，这种特性在温度传感，节能等领域有着极大的意义。
4.相变材料的蓄热机理与特点相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，以固-液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变，在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变热，物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大，相变材料的分类相变材料主要包括无机pcm、有机pcm和复合pcm三类，其中，无机类pcm主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类pcm主要包括石蜡、醋酸和其他有机物；近年来，复合相变储热材料应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围，如何有效利用相变材料制备温度传感器有待进一步研究和开发。
5.因此，有必要提供石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法，解决了薄
膜温度传感器的柔性应用有待进一步开发的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法，包括以下制备步骤：
8.s1原料的配备：原料选材包括石墨烯、相变材料、聚乙烯醇，乳化剂；
9.s2石墨烯-聚乙烯醇乳液的制备：将聚乙烯醇溶于水中制备聚乙烯醇溶液，随后将石墨烯分散在聚乙烯醇溶液中并添加一定量的乳化剂，即可获得石墨烯-聚乙烯醇乳液；
10.s3石墨烯相变胶囊的制备：将相变材料加入到步骤s2制备的石墨烯-聚乙烯醇乳液中，在一定温度下，高速搅拌形成具有核壳结构的相变微胶囊；
11.s4薄膜温度传感器的制备：通过旋涂法制备弹性聚合物膜为基层，再涂覆石墨烯相变微胶囊的乳液为传感层，最后旋涂弹性聚合物材料为封装层，制备具有三明治结构的柔性可穿戴薄膜温度传感器。
12.优选的，所述步骤s1中原料的含量如下：
13.石墨烯1-5％；
14.相变材料5-10％；
15.聚乙烯醇80-90％；
16.乳化剂0.5-5％。
17.优选的，所述的相变材料包括但不限于石蜡、金属(镍)泡沫。
18.优选的，所述步骤s2中聚乙烯醇溶于水时的水温控制在80～90℃。
19.优选的，所述的石墨烯相变微胶囊的直径小于5mm，胶囊的壳层为石墨烯和聚乙烯醇的复合物或石墨烯与聚乙烯醇以及其他聚合物材料的或多种混合物。
20.优选的，所述步骤s4中的聚合物基底包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚氨酯。
21.优选的，所述步骤s4制备的温度传感器的机理：以相变材料在不同温度下发生相变引起形变，而形变引起石墨烯纳米片接触断开产生电阻变化实现温度传感。
22.优选的，所述步骤s2中将聚乙烯醇溶于水中制备聚乙烯醇溶液时需要使用到溶解箱，溶解箱包括：
23.保温桶，所述保温桶的顶部安装有封装盖板，所述封装盖板的顶部安装有注水口，并且保温桶的外表面开设有进料口；
24.加热组件，所述加热组件安装于所述保温桶的底部；
25.驱动电机，所述驱动电机安装于所述保温桶的底部，所述驱动电机的输出端安装有绞龙；
26.引流罩，所述引流罩的底部固定安装于所述保温桶的内壁，所述引流罩上开设有上行孔和回流孔，并且引流罩内壁的顶部固定安装有凸块；
27.进料组件，所述进料组件安装于所述保温桶的外表面，所述进料组件包括支撑环、缓冲弹簧、密封滑环和盛料架，所述盛料架上开设有引流槽。
28.优选的，所述支撑环的表面固定安装于所述保温桶的外表面，并且支撑环的顶部与所述缓冲弹簧的顶部固定连接，所述缓冲弹簧的顶端与所述密封滑环的底部固定连接，所述密封滑环的内表面与所述保温桶的外表面滑动连接，并且密封滑环的顶部与所述盛料架的底部固定连接。
29.优选的，所述盛料架的内表面与所述保温桶的外表面滑动连接，所述引流槽的内
部与所述进料口的内部相互对应。
30.与相关技术相比较，本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法具有如下有益效果：
31.1.本发明提供石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法，利用相变微胶囊随温度变化发生形变的性能以及石墨烯超高的导热性和导电性本发明所制备的薄膜温度传感器具有超高的灵敏性和检测范围可控性，极大的拓展了温度传感器的应用范围；
32.2.以石墨烯相变微胶囊为温度传感介质，以弹性聚合物为基底和封装，所制备的柔性薄膜温度传感器兼具高柔性、高弹性、高导热、以及超灵敏的温度响应性，使温度传感器能够适应复杂的检测环境；
33.3.相比于水银温度计和红外成像温度仪，本发明提出的柔性薄膜温度传感器具有更高的便携性，更小的体积和更高的灵敏度以及更低的成本，它能够贴附在额头上实时监测人体体温变化。
附图说明
34.图1为本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法的石墨烯相变微胶囊的放大后的结构图；
35.图2为本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法的相变微胶囊工作机理；
36.图3为本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法的薄膜温度传感器的组成结构；
37.图4本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法中需要使用到的溶解箱部分的三维图；
38.图5为图4所示整体的剖视图；
39.图6为图5所示的遮挡盖板的初始状态的结构示意图；
40.图7为图6所示的遮挡盖板的打开状态的结构示意图；
41.图8为图6所示的盛料架向下投料状态的结构示意图。
42.图中标号：
43.1、保温桶，11、封装盖板，12、注水口，13、进料口；
44.2、加热组件；
45.3、驱动电机，31、绞龙；
46.4、引流罩，41、上行孔，42、回流孔，43、凸块；
47.5、进料组件，51、支撑环，52、缓冲弹簧，53、密封滑环，54、盛料架，55、引流槽，56、遮挡盖板，561、转轴。
具体实施方式
48.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
49.请结合参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，其中，图1为本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法的石墨烯相变微胶囊的放大后的结
构图；图2为本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法的相变微胶囊工作机理；图3为本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法的薄膜温度传感器的组成结构；图4本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法中需要使用到的溶解箱部分的三维图；图5为图4所示整体的剖视图；图6为图5所示的遮挡盖板的初始状态的结构示意图；图7为图6所示的遮挡盖板的打开状态的结构示意图；图8为图6所示的盛料架向下投料状态的结构示意图。
50.如图1、图2和图3所示，石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法，包括以下制备步骤：
51.s1原料的配备：原料选材包括石墨烯、相变材料、聚乙烯醇，乳化剂；
52.s2石墨烯-聚乙烯醇乳液的制备：将聚乙烯醇溶于水中制备聚乙烯醇溶液，随后将石墨烯分散在聚乙烯醇溶液中并添加一定量的乳化剂，即可获得石墨烯-聚乙烯醇乳液；
53.s3石墨烯相变胶囊的制备：将相变材料加入到步骤s2制备的石墨烯-聚乙烯醇乳液中，在一定温度下，高速搅拌形成具有核壳结构的相变微胶囊；
54.s4薄膜温度传感器的制备：通过旋涂法制备弹性聚合物膜为基层，再涂覆石墨烯相变微胶囊的乳液为传感层，最后旋涂弹性聚合物材料为封装层，制备具有三明治结构的柔性可穿戴薄膜温度传感器。
55.所述步骤s1中原料的含量如下：
56.石墨烯1-5％；
57.相变材料5-10％；
58.聚乙烯醇80-90％；
59.乳化剂0.5-5％。
60.所述的相变材料包括但不限于石蜡、金属(镍)泡沫。
61.所述步骤s2中聚乙烯醇溶于水时的水温控制在80～90℃。
62.所述的石墨烯相变微胶囊的直径小于5mm，胶囊的壳层为石墨烯和聚乙烯醇的复合物或石墨烯与聚乙烯醇以及其他聚合物材料的或多种混合物。
63.所述步骤s4中的聚合物基底包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚氨酯。
64.所述步骤s4制备的温度传感器的机理：以相变材料在不同温度下发生相变引起形变，而形变引起石墨烯纳米片接触断开产生电阻变化实现温度传感。
65.至少包括以下步骤：
66.1.石墨烯相变微胶囊的制备；
67.2.柔性薄膜温度传感器的制备。
68.所述的石墨烯相变微胶囊是以相变材料为芯材，石墨烯-聚乙烯醇乳液为壁材，通过高速搅拌制备微米尺度的具有核壳结构的石墨烯相变微胶囊乳液；
69.所述的薄膜温度传感器包括聚合物基底层，传感层和封装层，其中，通过旋涂法制备弹性聚合物膜为基底层，再涂覆石墨烯相变微胶囊乳液为传感层，最后旋涂弹性聚合物材料为封装层，制备具有三明治结构的柔性可穿戴薄膜温度传感器；
70.相变芯材在不同温度下会发生固-液相变引起形变，而聚乙烯醇作为壳层可以防止相变时芯材流失，掺杂石墨烯一方面可以实现电子传导以响应形变，另一方面可以提高温度传输效率，增强温度传感的灵敏度；
71.弹性聚合物材料作为封装层具有柔韧性和一定的黏附性可以贴附于不同形状的表面精准感知温度的变化；
72.采用上述方法制备的薄膜温度传感器具有高灵敏度、低滞后、信号易读取等特点可以广泛应用于复杂场景中。
73.此外，本发明颠覆了传统热电偶式温度传感器刚性的外观的设计实现柔性传感，适用于不同的基体表面，极大的拓展了温度传感器的应用。
74.石墨烯-聚乙烯醇乳液是按石墨烯1-5％、聚乙烯醇80-90％、乳化剂按1-5％的质量比超声共混制备而成。超声剥离功率：100-200w和频率：40khz，温度：30-120℃；
75.石墨烯相变胶囊是按相变材料1-10％、石墨烯-聚乙烯醇乳液90-99％的质量比共混制备，温度20-200℃，搅拌速度200-1000转/分钟，反应时间5-30分钟，所述的相变材料包括但不限于石蜡、金属(镍)泡沫；
76.柔性薄膜温度传感器是通过旋涂法将基底层、传感层、封装层通过层层组装的方式制备，其中，基底层和封装层为具有一定粘度的弹性聚合物，包括但不限于pdms，聚酯薄膜，聚氨酯薄膜。
77.薄膜温度传感器包括聚合物基底层，石墨烯相变微胶囊传感层和封装层；
78.通过旋涂层层组装法制备具有三明治结构的柔性可穿戴薄膜温度传感器；
79.相变芯材在不同温度下会发生固-液相变引起形变，而聚合物壳层可以防止相变时芯材流失，掺杂石墨烯一方面可以实现电子传导以响应形变，另一方面可以提高温度传输效率，增强温度传感的灵敏度；
80.弹性聚合物材料作为封装层具有柔韧性可以贴附于不同形状的表面精准感知温度的变化；
81.采用上述方法制备的薄膜温度传感器具有高灵敏度、高柔性、信号易读取等特点可以广泛应用于复杂场景中。
82.本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法的原理如下：
83.步骤1：石墨烯-聚乙烯醇乳液的制备：将聚乙烯醇溶于80-90℃的水中制备聚乙烯醇溶液，随后将石墨烯分散在聚乙烯醇溶液中并添加一定量的乳化剂即可获得石墨烯-聚乙烯醇乳液；
84.步骤2：石墨烯相变胶囊的制备：将相变材料加入到步骤1制备的石墨烯-聚乙烯醇乳液中，在一定温度下，高速搅拌形成具有核壳结构的相变微胶囊；
85.步骤3：柔性薄膜温度传感器的制备：通过旋涂法制备弹性聚合物膜为底层，再涂覆步骤2制备的石墨烯相变微胶囊乳液为传感层，最后旋涂弹性聚合物材料为封装层，即可获得具有三明治结构的柔性可穿戴薄膜温度传感器。
86.与相关技术相比较，本发明提供的石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法具有如下有益效果：
87.1.利用相变微胶囊随温度变化发生形变的性能以及石墨烯超高的导热性和导电性本发明所制备的薄膜温度传感器具有超高的灵敏性和检测范围可控性，极大的拓展了温度传感器的应用范围，此为本发明的一大突破；
88.2.以石墨烯相变微胶囊为温度传感介质，以弹性聚合物为基底和封装。所制备的
柔性薄膜温度传感器兼具高柔性、高弹性、高导热、以及超灵敏的温度响应性，使温度传感器能够适应复杂的检测环境；
89.3.相比于水银温度计和红外成像温度仪，本发明提出的柔性薄膜温度传感器具有更高的便携性，更小的体积和更高的灵敏度以及更低的成本，它能够贴附在额头上实时监测人体体温变化，在后疫情时代具有巨大的应用前景。
90.如图4、图5、图6、图7和图8所示，在所述步骤s2中将聚乙烯醇溶于水中制备聚乙烯醇溶液时需要使用到溶解箱，溶解箱包括：
91.保温桶1，所述保温桶1的顶部安装有封装盖板11，所述封装盖板11的顶部安装有注水口12，并且保温桶1的外表面开设有进料口13，保温桶1的通体结构采用保温材料制备成型，保温材料在现有技术中较为成熟，不需要过多的阐述，为水源加热后的保温提供优良的环境，减少外界环境对保温环境的干扰；
92.加热组件2，所述加热组件2安装于所述保温桶1的底部，加热组件2采用现有的电加热设备，为保温桶1的内部提供加热条件，用于对水源的加热和保温，加热和保温原理采用现有技术的原理，加热组件2的加热端安装在所述保温桶1的内部，用于对接触到的水源进行加热处理；
93.驱动电机3，所述驱动电机3安装于所述保温桶1的底部，所述驱动电机3的输出端安装有绞龙31，驱动电机3的输出端贯穿所述保温桶1的表面且延伸至所述保温桶1的内部，并且连接处采用机械密封件进行密封处理，保障驱动电机3输出端转动调节时的稳定性，驱动电机3使用时连接外界的电源，为绞龙31的转动调节提供稳定的动力来源，绞龙31安装在所述引流罩4的内部，用于对保温桶1内部的水源进行引流，使得加热时，水源的受热更加均匀，加热效率更快，同时能够在溶解时提供辅助混合的功能；
94.引流罩4，所述引流罩4的底部固定安装于所述保温桶1的内壁，所述引流罩4上开设有上行孔41和回流孔42，并且引流罩4内壁的顶部固定安装有凸块43，上行孔41的内部与引流罩4的内部相互连通，回流孔42的内部与引流罩4的内部相互连通，引流罩4外部的水源通过上行孔41的内部方便引流至引流罩4的内部，引流罩4内部的水源在运行的绞龙31输送作用下向上流动，水源向上流动后通过回流孔42回流入保温桶1的内部进行循环流动，加热和保温更加均匀可靠；
95.进料组件5，所述进料组件5安装于所述保温桶1的外表面，所述进料组件5包括支撑环51、缓冲弹簧52、密封滑环53和盛料架54，所述盛料架54上开设有引流槽55。
96.在对水源进行加热时，通过绞龙31的转动方便带动引流罩4内部的水源上行，水源上行的过程中，保温桶1内部的水源通过上行孔41流入引流罩4的内部，引流罩4内部的水源通过回流孔42流入保温桶1的内部，达到水源的循环流动，以便于保温桶1内部的水源均匀且充分的受热，同时提高原料添加后的充分混合。
97.所述支撑环51的表面固定安装于所述保温桶1的外表面，并且支撑环51的顶部与所述缓冲弹簧52的顶部固定连接，所述缓冲弹簧52的顶端与所述密封滑环53的底部固定连接，所述密封滑环53的内表面与所述保温桶1的外表面滑动连接，并且密封滑环53的顶部与所述盛料架54的底部固定连接。
98.支撑环51固定在保温桶1的外表面，为缓冲弹簧52的安装提供支撑，缓冲弹簧52位密封滑环53的升降调节提供缓冲和支撑，密封滑环53位盛料架54的升降调节提供支撑。
99.保温桶1内部的水平面位于进料口13的下方，不超过进料口13的位置。
100.所述盛料架54的内表面与所述保温桶1的外表面滑动连接，所述引流槽55的内部与所述进料口13的内部相互对应。
101.通过在保温桶1的外部安装有可手动升降调节的盛料架54，盛料架54在初始状态时引流槽55的输出端与进料口13的内部错位分布，此时进料口13处于封闭状态，保持保温桶1内部正常的加热和保温处理，同时敞开的引流槽55方便提前进行原料的配备；
102.在引流槽55的内部添加混合原料后，可向下按压盛料架54，盛料架54向下按压后，引流槽55的内部与进料口13的内部连通，原料通过引流槽55和进料口13快速进入保温桶1的内部与水源混合，方便快速将配备后的原料投入保温箱1的内部，且不需要开启密封盖板。
103.有益效果：
104.通过绞龙31的转动方便带动引流罩4内部的水源上行，水源上行的过程中，保温桶1内部的水源通过上行孔41流入引流罩4的内部，引流罩4内部的水源通过回流孔42流入保温桶1的内部，达到水源的循环流动，以便于保温桶1内部的水源均匀且充分的受热，同时提高原料添加后的充分混合。
105.进一步的，所述盛料架54的顶端设置有遮挡盖板56，所述遮挡盖板56的底部通过转轴561转动安装于所述盛料架54的顶部，所述遮挡盖板56的外表面与所述保温桶1的表面滑动连接。
106.正常状态时，盛料架54上的引流槽55与进料口13为隔绝状态，遮挡盖板56为关闭状态，且遮挡盖板56无法被打开；
107.手动向上调节密封滑环53，密封滑环53带动盛料架54向上移动，盛料架54带动遮挡盖板56向上移动，遮挡盖板56移动至封装盖板11平面的上方时，转动遮挡盖板56，引流槽55的上方开启，方便引流槽55的内部投入原料，此时进料口13处于关闭状态；
108.原料注入后，手动关闭遮挡盖板56，盛料架54向下滑动复位，且向下按压盛料架54，盛料架54带动引流槽55内部的原料向下移动至进料口13的位置，引流槽55的内部与进料口13的内部连通，使得引流槽55内部的原料自动滑入进料口13的内部，完成投料；
109.在原料投入的过程中，遮挡盖板56对引流槽55的顶部遮挡密封，保持投料时的密封状态，减少投料时热量的散失，保障原料进入时的稳定性。
110.实施例1：
111.石墨烯相变胶囊的柔性可穿戴薄膜温度传感器的制备方法的实施例制备步骤如下：
112.步骤1：石墨烯-聚乙烯醇乳液的制备：将聚乙烯醇(4g)溶于水(96g)中(80-90℃)制备聚乙烯醇溶液，随后将石墨烯(1-5g)分散在聚乙烯醇溶液中并添加一定量的乳化剂即可获得石墨烯-聚乙烯醇乳液；
113.步骤2：石墨烯相变胶囊的制备：将石蜡(2g)加入到步骤1制备的石墨烯-聚乙烯醇乳液(98g)中，在一定温度下，高速搅拌形成具有核壳结构的相变微胶囊；
114.步骤3：柔性薄膜温度传感器的制备：通过旋涂法制备弹性pdms为底层(厚度0.5-1mm)，再涂覆步骤2制备的石墨烯相变微胶囊乳液为传感层(厚度0.5-1mm)，最后旋涂pdms为封装层(厚度0.5-1mm)，即可获得具有三明治结构的柔性可穿戴薄膜温度传感器。
115.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。