本發(fā)明涉及高靈敏度柔性傳感材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，可穿戴應(yīng)變傳感器由于在電子皮膚、軟體機(jī)器人和健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。作為可穿戴應(yīng)變?cè)O(shè)備的核心部件，柔性應(yīng)變傳感器能夠在各種外部變形條件下(如壓縮、拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn))將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻或電容等信號(hào)并輸出，使其在智能電子設(shè)備中具有廣闊的發(fā)展前景。由于具有高柔韌性、高延展性、良好的生物相容性、可調(diào)的機(jī)械性能和易加工等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)電水凝膠現(xiàn)已成為柔性傳感器領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究和應(yīng)用方向。

2、導(dǎo)電水凝膠通常由水凝膠基體和導(dǎo)電填料組成。雖然通過(guò)將導(dǎo)電填料(如導(dǎo)電聚合物、金屬和碳基材料)與水凝膠基體結(jié)合制備的傳統(tǒng)柔性傳感器具有較高的靈敏度，但是由于大量導(dǎo)電填料在水凝膠基體中的聚集以及導(dǎo)電填料與基體之間較弱的界面結(jié)合，導(dǎo)電水凝膠通常受限于力學(xué)性能和電傳感性能之間的平衡問(wèn)題而受到應(yīng)用限制。此外，這些導(dǎo)電水凝膠大多采用傳統(tǒng)模板澆鑄等方法制備。對(duì)模具使用的高度依賴限制了導(dǎo)電水凝膠的結(jié)構(gòu)形式，從而阻礙了其在一些特定環(huán)境下的定制化應(yīng)用。3d打印技術(shù)作為一種有效的增材制造技術(shù)，具備高精度成型、打印結(jié)構(gòu)定制化和打印材料通用性等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水凝膠制備中。然而，因確保導(dǎo)電性而在導(dǎo)電水凝膠基體中引入的大量導(dǎo)電材料通常會(huì)影響基體材料的可打印性，導(dǎo)致3d打印導(dǎo)電水凝膠的力學(xué)性能、可打印性和電化學(xué)性能之間的不相容。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)能有效兼顧復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)、良好力學(xué)性能和電學(xué)傳感性能的新型導(dǎo)電水凝膠的制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料制備方法，包括以下步驟:

2、步驟一、制備pva/ls水凝膠反應(yīng)液：將木質(zhì)素磺酸鈉ls和聚乙烯醇pva按質(zhì)量比3%：97%溶解在體積比80%：20%的二甲基亞砜和去離子水的混合溶液中，在140℃、400rpm機(jī)械攪拌2.5h，冷卻至40℃，得到pva/ls水凝膠反應(yīng)液；

3、步驟二、采用低溫3d打印技術(shù)，在-20℃下打印形成具有不同取向結(jié)構(gòu)的水凝膠基體：使用3d建模軟件設(shè)計(jì)打印路徑，生成g代碼并傳輸至低溫3d打印機(jī)，打印溫度為-20℃，打印后在-18℃保持24h，室溫解凍2h，去離子水浸泡4天；打印路徑與拉伸方向的夾角可控，優(yōu)選為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°；

4、步驟三、將打印基體浸入agno3/pvp溶液中8h，再浸入vc/pvp溶液中24h還原，銀離子在水凝膠表面形成致密導(dǎo)電層，得到導(dǎo)電水凝膠；agno3、pvp和vc溶液濃度分別為1.0m、10wt%和0.08m。

5、一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料為導(dǎo)電水凝膠復(fù)合材料包括pva/ls水凝膠基體和表面銀層，水凝膠基體具有3d打印形成的各向異性取向結(jié)構(gòu)，打印路徑與拉伸方向的夾角控制材料的傳感靈敏度和應(yīng)變檢測(cè)范圍。

6、所述打印路徑與拉伸方向平行時(shí)，材料具有低靈敏度和0-20%的應(yīng)變檢測(cè)范圍；打印路徑與拉伸方向垂直時(shí)，材料具有高靈敏度和0-55%的應(yīng)變檢測(cè)范圍。

7、所述打印路徑與拉伸方向呈15°、30°、45°、60°、75°夾角時(shí)，材料表現(xiàn)出不同的靈敏度特性，可實(shí)現(xiàn)傳感性能的定制化調(diào)控。

8、材料兼具高力學(xué)強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高靈敏度和寬應(yīng)變響應(yīng)范圍，適用于智能可穿戴設(shè)備、電子皮膚、軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)變傳感。

9、本發(fā)明的工作原理：

10、水凝膠反應(yīng)液在低溫下表現(xiàn)出剪切變稀行為，并隨著剪切速率的增加而粘度逐漸降低。在-1.4℃以下，反應(yīng)液存在凝膠化點(diǎn)。綜合剪切變稀特性和溫度誘導(dǎo)的快速凝膠化行為，反應(yīng)液在低溫下具有良好的可打印性。當(dāng)?shù)蜏?d打印機(jī)溫度遠(yuǎn)低于-1.4℃時(shí)，擠出的溶液可迅速固化成型，實(shí)現(xiàn)精確的圖案化沉積。

11、通過(guò)兩步浸泡工藝，在水凝膠表面還原出致密的銀層。第一步將水凝膠浸入agno3/pvp混合溶液中，大量銀離子滲透進(jìn)水凝膠；第二步將含銀離子的水凝膠浸入vc/pvp混合溶液中，銀離子被vc還原成銀微粒并擴(kuò)散聚集在水凝膠表面，形成致密的銀層。銀層的還原過(guò)程主要受agno3和vc溶液濃度影響。隨著濃度增加，銀離子成核速率加快致使銀粒子尺寸增大，粒子間距減小，從而提高了水凝膠的導(dǎo)電性。當(dāng)agno3和vc溶液濃度分別為1.0m和0.08m時(shí)，還原的銀粒子尺寸較大且均勻，相鄰粒子緊密堆疊為電子運(yùn)動(dòng)提供了高效通路使水凝膠具有高電導(dǎo)率。

12、通過(guò)控制水凝膠上表面打印路徑與拉伸方向的夾角，可以制備出不同靈敏度和應(yīng)變范圍的導(dǎo)電水凝膠。當(dāng)打印路徑平行于拉伸方向時(shí)，銀層主要承受機(jī)械載荷，在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致水凝膠電阻緩慢增加，靈敏度較低，應(yīng)變范圍較窄。當(dāng)打印路徑垂直于拉伸方向時(shí)，相鄰打印路徑間隙處的銀層主要承受載荷，隨著應(yīng)變?cè)黾娱g隙處銀層產(chǎn)生更多裂紋并迅速擴(kuò)展使水凝膠電阻快速增加，在較大應(yīng)變下表現(xiàn)出高靈敏度。當(dāng)打印路徑與拉伸方向呈一定角度時(shí)，打印路徑和間隙處銀層共同承擔(dān)載荷，表現(xiàn)出不同的靈敏度特性。

13、本發(fā)明的有益效果：

14、本發(fā)明從低溫3d打印導(dǎo)電水凝膠的制備與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，利用聚乙烯醇和木質(zhì)素磺酸鹽作為基體材料，通過(guò)低溫3d打印技術(shù)形成具有不同結(jié)構(gòu)特性的導(dǎo)電水凝膠基體。基于pva在低溫下的凝膠化特性以及銀離子在水凝膠基體表面的還原過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了高電導(dǎo)率導(dǎo)電水凝膠的制備。通過(guò)控制低溫3d打印過(guò)程中打印路徑與拉伸方向的夾角，可以實(shí)現(xiàn)不同靈敏度和應(yīng)變范圍的導(dǎo)電水凝膠。本發(fā)明所提出的傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料制備方法，為智能可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人和人體健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了一種新型、高性能、可定制化的柔性傳感材料解決方案。

15、本發(fā)明是以良好力學(xué)性能、可加工性和生物相容性的聚乙烯醇和木質(zhì)素磺酸鹽為材料基礎(chǔ)；通過(guò)低溫3d打印技術(shù)與銀離子還原工藝相結(jié)合，建立具有高度取向結(jié)構(gòu)和優(yōu)異導(dǎo)電性能的導(dǎo)電水凝膠為力學(xué)強(qiáng)度和電學(xué)性能基礎(chǔ)；以pva在低溫下的凝膠化特性和銀離子在水凝膠基體表面的兩步浸泡還原過(guò)程，建立由pva分子鏈和銀顆粒構(gòu)成的高電導(dǎo)率基礎(chǔ)；基于低溫3d打印路徑設(shè)計(jì)、打印角度控制以及導(dǎo)電水凝膠的導(dǎo)電機(jī)理，建立靈敏度可調(diào)的柔性傳感特性基礎(chǔ)。同時(shí)，低溫3d打印工藝賦予復(fù)合水凝膠多樣化的結(jié)構(gòu)特征，使得柔性傳感器可通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳感性能的定制化調(diào)控。本發(fā)明所涉及的基于低溫3d打印與銀離子還原相結(jié)合的制備工藝具有綠色、高效、可重復(fù)的特點(diǎn)，所制備的傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料兼具高力學(xué)性能、高電導(dǎo)率、高靈敏度、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍及良好的生物相容性，能夠精確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)各向應(yīng)變，低溫3d打印導(dǎo)電水凝膠可通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳感性能的定制化調(diào)控，滿足智能可穿戴設(shè)備、電子皮膚、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的多樣化應(yīng)用需求，為高性能柔性傳感器的廣泛應(yīng)用提供了一種新穎、有效的技術(shù)方案。

技術(shù)特征：

1.一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料制備方法，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料制備方法制得的一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料，其特征在于，一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料為導(dǎo)電水凝膠復(fù)合材料包括pva/ls水凝膠基體和表面銀層，水凝膠基體具有3d打印形成的各向異性取向結(jié)構(gòu)，打印路徑與拉伸方向的夾角控制材料的傳感靈敏度和應(yīng)變檢測(cè)范圍。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料，其特征在于，所述打印路徑與拉伸方向平行時(shí)，材料具有低靈敏度和0-20%的應(yīng)變檢測(cè)范圍；打印路徑與拉伸方向垂直時(shí)，材料具有高靈敏度和0-55%的應(yīng)變檢測(cè)范圍。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料，其特征在于，所述打印路徑與拉伸方向呈15°、30°、45°、60°、75°夾角時(shí)，材料表現(xiàn)出不同的靈敏度特性，可實(shí)現(xiàn)傳感性能的定制化調(diào)控。

5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項(xiàng)所述的一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料，其特征在于，材料兼具高力學(xué)強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高靈敏度和寬應(yīng)變響應(yīng)范圍，適用于智能可穿戴設(shè)備、電子皮膚、軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)變傳感。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種傳感靈敏度可調(diào)的高靈敏度柔性傳感材料及其制備方法，涉及高靈敏度柔性傳感材料制備領(lǐng)域，該方法基于低溫3D打印技術(shù)與銀離子還原工藝相結(jié)合,利用聚乙烯醇PVA和木質(zhì)素磺酸鈉LS作為基體材料,通過(guò)低溫3D打印形成具有不同取向結(jié)構(gòu)的基體并結(jié)合銀層實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率，本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過(guò)控制打印路徑與拉伸方向的夾角,可獲得不同靈敏度和應(yīng)變檢測(cè)范圍的高靈敏度柔性傳感材料,實(shí)現(xiàn)傳感性能的定制化調(diào)控，該柔性傳感材料兼具高力學(xué)性能、高導(dǎo)電率、高靈敏度、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍及良好的生物相容性,可廣泛應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備、電子皮膚等領(lǐng)域，所采用的制備工藝綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性好,為高性能柔性傳感器的批量化制備奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)研發(fā)人員：趙騫,侯毅豪,吳晗,常艷嬌,郭明卓,趙佳樂(lè)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2