一种淀粉基自供电柔性传感器的制备和应用

1.本发明涉及传感器制造技术领域，具体为一种淀粉基自供电柔性传感器的制备和应用。


背景技术：

2.柔性传感器作为一种检测装置，被广泛用于可穿戴设备中。其一般由传感材料、电源等多部分共同组成。据统计，其市场需求量已经超过3亿件，且需求量还在逐年上升。进一步简化传感器组成部分不仅可以降低其加工难度，而且可以节约资源降低成本，有助于可穿戴设备的进一步普及。
3.传感材料是传感器的核心部分，其作用是感知外界信号并将其记录。目前市场上主要的传感材料种类有：光敏传感材料、形变传感材料、热敏传感材料等。但市场上的大部分传感材料通常不能独立使用，而是需要和电源一起组成传感器，这极大的限制了材料的便携性和使用场景。因此制造出一种可以自供电的传感材料，其市场潜力将十分巨大。
4.淀粉材料是一种以天然产物为原料的高分子材料，由淀粉颗粒加工而成，具有价格低廉，可再生，可降解，生物相容性好等特点。将其用于传感材料不仅可以解决加工成本高、回收困难等问题，而且可以解决电子废弃物的污染问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供了一种淀粉基自供电柔性传感器的制备和应用，使该传感器既能检测人体运动的同时又能自供电，实现传感材料和外接电源的功能一体化。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种淀粉基自供电柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：
7.s1：配置一定浓度的氯化钙溶液作为溶液1；
8.s2：将溶液1中加入金属盐作为溶液2；
9.s3：将一定量高直链淀粉分别与溶液1和溶液2混合并搅拌均匀，得到淀粉乳浊液1和淀粉乳浊液2；
10.s4：将s1中的淀粉乳浊液分别加热糊化，得到糊化液1和糊化液2；
11.s5：分别在糊化液1和糊化液2中加入甘油和金属粉末，待混合均匀后倒入膜具冷却；
12.s6：将s5中的材料分别取出，恢复至室温后相互贴合，之后将材料的非贴合面与导电布贴合即得到柔性自供电传感器。
13.优选的，所述s1中所述氯化钙固体与水质量比为1～1：5，优选为1：2。
14.优选的，所述s2中所述的金属盐为铜离子盐，银离子盐，锌离子盐，亚铁离子盐，优选为二水氯化铜。
15.优选的，所述s2中所述金属盐与(1)中所述氯化钙的质量比为1～1：5，优选为1：2.5。
16.优选的，所述s3中所述的高直链淀粉是指淀粉颗粒中淀粉含量为50％以上的淀粉。
17.优选的，所述s3中所述的高直链淀粉与氯化钙的质量比为1～1：6，优选为1：2。
18.优选的，所述s4中所述的加热糊化是指在搅拌条件下加热至30-100℃糊化10-100min，优选为加热至70℃糊化60min。
19.优选的，所述s5中所述甘油的用量满足水与甘油的体积比为1：0～1：1，优选为1：0.2。
20.优选的，所述s5中所述糊化液1中所添加的金属粉末包括镁粉，铝粉，锌粉，铁粉，锡粉，铅粉中的至少一种且金属还原性顺序大于s2中所添加的金属元素；优选为锌粉。
21.优选的，所述s5中所述糊化液2中所添加的金属粉末包括镁粉，铝粉，锌粉，铁粉，锡粉，铅粉，铜粉，银粉，铂粉，金粉中的至少一种；优选为铜粉。
22.优选的，所述s6中所述的冷却是指在0-20℃的温度下冷却12-60h，冷却时间优选为4℃，冷却时间优选为24h。
23.优选的，所述s6中所述的导电布包括镀镍导电布，镀金导电布，镀炭导电布，铝箔纤维复合布；优选为镀炭导电布。
24.一种淀粉基自供电柔性传感器，可由上述方法制备得到。
25.所述的淀粉基自供电柔性传感器能应用于可穿戴设备、便携电池等领域。
26.本发明的机理为：
27.一定浓度的氯化钙溶液可以解构高直链淀粉颗粒，使其中的直链淀粉游离在溶液中，从而相互缠绕形成凝胶状电解质网络。向此凝胶电解质中加入甘油，可以促进淀粉分子链之间的相互移动，从而提升凝胶体系的柔韧性，使其能够承受更大的形变。向此凝胶电解质中加入金属粉末后，粉末会分散在凝胶网络中。整个体系依靠金属粉末和金属离子的置换反应构成原电池，即还原性更强的金属粉末作为电池的负极，失去电子形成金属离子，电子经过外电路与溶解在凝胶中的离子发生反应，使其得到电子。反应式如下：
28.负极：m-2e-＝m
2+
29.正极：q
2+
+2e-＝q
30.注：金属还原性顺序m＞q。
31.由于凝胶体系具有柔韧性，可压缩，压缩后凝胶内部的电阻减小，电解质的密度变大，因此虽然化学反应的电压不变，但输出的电流可随压力导致的凝胶形变而变化，从而表现出电流对外界压力的刺激响应。
32.本发明提供了一种淀粉基自供电柔性传感器的制备和应用。具备以下有益效果：
33.(1)、本产品的生产工艺绿色环保，无三废产生，不会对环境产生污染；且工艺流程简单，能够适用于工业化生产，无需额外的新设备，工艺迅速，制作速度快。
34.(2)、本产品具有自供电特性，不需要外接电源即可对外界的刺激进行响应。
附图说明
35.图1为所得自供电柔性传感器对脉搏跳动的测量图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
37.所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
41.实施例一
42.(1)称取氯化钙固体50g加入100ml水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温。
43.(2)称取氯化钙固体50g，二水氯化铜固体20g加入100ml水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温。
44.(3)称取25g高直链淀粉，加入(1)中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
45.(4)称取25g高直链淀粉，加入(2)中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
46.(5)向(3)中的混合液中加入20ml甘油和25g锌粉；
47.(6)向(4)中的混合液中加入20ml甘油和25g铜粉；
48.(7)将(5)中的混合液继续在70℃的条件下加热并搅拌1h；
49.(8)将(6)中的混合液继续在70℃的条件下加热并搅拌1h；
50.(9)将(7)和(8)中所得到的混合液分别倒入长方形模具中；
51.(10)将(9)中的模具在4℃的条件下静置24h后取出，再在室温下静置2h后备用；
52.(11)将(10)中所得的两种材料相互贴合；
53.(12)将(11)中得到的材料的非贴合面与镀碳布贴合，即可得到传感器；
54.上述步骤得到的淀粉基自供电柔性传感器作为手指运动传感器的传感信号。
55.上述步骤得到的传感器可以在手指运动时产生电流信号变化。
56.实施例二
57.(1)称取氯化钙固体50g加入100ml水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温。
58.(2)称取氯化钙固体50g，二水氯化铜固体20g加入100ml水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温。
59.(3)称取25g高直链淀粉，加入(1)中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
60.(4)称取25g高直链淀粉，加入(2)中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
61.(5)向(3)中的混合液中加入20ml甘油和25g铁粉；
62.(6)向(4)中的混合液中加入20ml甘油和25g铜粉；
63.(7)将(5)中的混合液继续在70℃的条件下加热并搅拌1h；
64.(8)将(6)中的混合液继续在70℃的条件下加热并搅拌1h；
65.(9)将(7)和(8)中所得到的混合液分别倒入长方形模具中；
66.(10)将(9)中的模具在4℃的条件下静置24h后取出，再在室温下静置2h后备用；
67.(11)将(10)中所得的两种材料相互贴合；
68.(12)将(11)中得到的材料的非贴合面与镀碳布贴合，即可得到传感器。
69.上述步骤得到的传感器可以监测脉搏跳动产生电流信号变化如图1所示。
70.实施例三
71.(1)称取氯化钙固体50g加入100ml水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温。
72.(2)称取氯化钙固体50g，二水氯化铜固体20g加入100ml水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温。
73.(3)称取25g高直链淀粉，加入(1)中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
74.(4)称取25g高直链淀粉，加入(2)中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
75.(5)向(3)中的混合液中加入20ml甘油和25g镁粉；
76.(6)向(4)中的混合液中加入20ml甘油和25g银粉；
77.(7)将(5)中的混合液继续在70℃的条件下加热并搅拌1h；
78.(8)将(6)中的混合液继续在70℃的条件下加热并搅拌1h；
79.(9)将(7)和(8)中所得到的混合液分别倒入长方形模具中；
80.(10)将(9)中的模具在4℃的条件下静置24h后取出，再在室温下静置2h后备用；
81.(11)将(10)中所得的两种材料相互贴合；
82.(12)将(11)中得到的材料的非贴合面与镀金导电布贴合，即可得到传感器。
83.上述步骤得到的传感器可以监测脉搏跳动产生电流信号变化如图1所示。
84.实施例四
85.(1)称取氯化钙固体50g加入100ml水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温。
86.(2)称取氯化钙固体50g，二水氯化铜固体20g加入100ml水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温。
87.(3)称取25g高直链淀粉，加入(1)中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
88.(4)称取25g高直链淀粉，加入(2)中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
89.(5)向(3)中的混合液中加入20ml甘油和25g镁粉；
90.(6)向(4)中的混合液中加入20ml甘油和25g银粉；
91.(7)将(5)中的混合液继续在100℃的条件下加热并搅拌1h30min；
92.(8)将(6)中的混合液继续在100℃的条件下加热并搅拌1h30min；
93.(9)将(7)和(8)中所得到的混合液分别倒入长方形模具中；
94.(10)将(9)中的模具在8℃的条件下静置18h后取出，再在室温下静置2h后备用；
95.(11)将(10)中所得的两种材料相互贴合；
96.(12)将(11)中得到的材料的非贴合面与铝箔纤维复合布贴合，即可得到传感器。
97.上述步骤得到的传感器可以监测脉搏跳动产生电流信号变化如图1所示。
98.综上可得，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。