用于多维应力传感器的小孔径柔性泡沫骨架的制备

摘要

通过对体表压力的测量，实时监测人体健康状况及肢体运动等行为，是当今可穿戴领域的研发热点。导电填料在与多孔的柔性聚合物复合后，形成的导电聚合物复合材料在受到外应力时，填料间接触点的变化引起材料电阻率的规律响应，产生压阻效应，此类压阻材料正成为构建智能化、功能化可穿戴器件的关键。然而，目前商用多孔聚合物泡沫的孔径多大于150μm，材料的低比表面积限制了填料间潜在触点的密度，因此无法用于制备高灵敏度和宽应力量程的传感器。 本课题提出以聚氨酯(PU)水分散液为连续相，环己烷为分散相，制备皮克林-高内相乳液(Pickering-HIPE);乳液中，PU弹性粒子稳定的环己烷液滴作为液态模板，采用冻干技术移除模板的同时，PU粒子成膜，形成小孔径的柔性PU泡沫材料。之后，以该泡沫材料为骨架，通过“浸泡氧化石墨烯分散液(GO)—后VC还原”法，制备柔性导电PU复合泡沫（rGO@PU传感器）。研究表明: (1)即便在连续相中加入氯化钠(NaCl)，或者采用PU/SDS或PU/Tween-20复合稳定体系，冻干得到的PU泡沫材料孔径均与冻干前的乳液粒径有较大偏差，因此很难定量地调控泡沫孔径; (2)“奥氏”熟化是引起Pickering-HIPE失稳，进而泡沫材料孔径失控的主要原因;通过在分散相中补加HD，抑制乳液的“奥氏”熟化，得到了孔结构完整的PU泡沫材料，且泡沫孔径与乳液粒径基本吻合;材料的最小平均孔径约为32μm，仅为商用泡沫的1/5左右; (3)通过调控水分散液PU含固量或HIPE的“油/水”比，可在30-200μm范围内，调控柔性PU泡沫材料的平均孔径; (4)改变GO片层尺寸以及浸泡次数时，PU泡沫复合材料孔壁处的rGO覆盖率也随之改变，并引起压阻灵敏度和应力量程的变化;经小片层尺寸GO分散液浸泡3次后，所得rGO@PU传感器的应力灵敏度为0.31kPa-1，最大受力为389kPa; (5)材料可用于检测压缩、扭曲和弯曲等多维应力，其中弯曲量程可达360°，分辨率为1.26。;最大扭转角为114rad/m。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2可穿戴传感材料的国内外研究现状

1．3压阻式传感器响应机理

1．4多孔导电复合材料在传感器方面的应用

1．5课题的提出及方案设计

第二章Pickering高内相乳液稳定性探究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1仪器与药品

2．2．2 Pickering-HIPE的制备

2．2．3测试与表征

2．3结果与讨论

2．3．1 NaCl浓度的影响

2．3．2复配乳化剂对HIPE分散稳定性的影响

2．3．3 HD浓度对乳液稳定性的影响

2．4本章小结

第三章高内相乳液柔性多孔材料的制备

3．1引言

3．2．2 PU泡沫材料的制备

3．2．3测试与表征

3．3结果与讨论

3．3．1 NaCl浓度对PU泡沫材料形貌的影响

3．3．2复配乳化剂对PU泡沫材料形貌和力学性能的影响

3．3．3 HD浓度对PU泡沫材料形貌和力学性能的影响

3．3．4 PU泡沫材料孔径的调控

3．4 PU泡沫的柔性展示

3．5本章小结

第四章柔性导电聚合物复合泡沫制备及性能表征

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1仪器与药品

4．2．2 rGO@PU应力传感器的制备

4．2．3测试及性能表征

4．3结果与讨论

4．3．1 rGO@PU压力传感器的制备

4．3．2 rGO@PU压力传感器性能调控

4．4 rGO@PU泡沫的应用性能表征

4．5本章小结

第五章结论

参考文献

附表

致谢