阅读说明：本技术 一种利用生物质材料制备柔性应变传感器的方法 (Method for preparing flexible strain sensor by using biomass material ) 是由 赵春霞 李思雨 李云涛 向东 李辉 毛洁 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用生物质材料制备柔性应变传感器的方法,包括步骤：S1、将生物质材料研磨成粉末；S2、在惰性气氛中对粉末状生物质材料进行高温碳化处理；S3、制备聚合物弹性体溶液；S4、浇注封装,包括如下步骤：S41、将聚合物弹性体溶液分为三份；S42、将碳化粉末与一份聚合物弹性体溶液进行共混,形成共混液；S43、取另一份聚合物弹性体溶液浇注到指定形状的模具中,进行固化,形成基底薄片；S44、将共混液涂覆在基底薄片上,并安装上导线；S45、将最后一份聚合物弹性体溶液浇注进模具,在80-120℃下固化20-30min,得到柔性应变传感器。本发明使用的生物质材料来源广泛,价格低廉,并且作为农业废弃物,对环境保护有重要意义。(The invention discloses a method for preparing a flexible strain sensor by using a biomass material, which comprises the following steps: s1, grinding the biomass material into powder; s2, performing high-temperature carbonization treatment on the powdery biomass material in an inert atmosphere; s3, preparing a polymer elastomer solution; s4, pouring and packaging, comprising the following steps: s41, dividing the polymer elastomer solution into three parts; s42, blending the carbonized powder with one part of polymer elastomer solution to form a blended solution; s43, pouring the other part of the polymer elastomer solution into a mold with a specified shape, and curing to form a substrate sheet; s44, coating the blend solution on a substrate sheet, and installing a lead; and S45, pouring the last part of polymer elastomer solution into a mould, and curing for 20-30min at 80-120 ℃ to obtain the flexible strain sensor. The biomass material used by the invention has wide source and low price, and has important significance for environmental protection as agricultural waste.)

一种利用生物质材料制备柔性应变传感器的方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种利用生物质炭化材料制备应变传感器的方法。

背景技术

这些年来，柔性应变传感器有着十分迅猛的发展势头。柔性应变传感器较传统传感器相比有十分明显的优点，这主要体现为柔韧性和可拉伸性好、可穿戴性强、生物相容性佳等。因此，传统传感器的劣势大大限制了其发展和能够应用的领域。随着科学的不断进步以及科研人员的不懈努力，柔性应变传感器的研究技术也再进一步提高。在科研领域，人们对柔性应变传感器的关注度越来越高。探索传感器原理和选择柔性电子应变传感器的材料是被主要研究的方向。对于材料的研究出于两点考量：一是更好的柔性电子传感器导电材料能够优化应变传感器的性能，二是为了提升传感器的机械性能。目前报道的柔性应变传感器的活性材料包括：金属纳米材料(金属纳米粒子，金属纳米线)，纳米碳材料(炭黑，碳纳米管，石墨烯)以及有机材料等。

生物质炭基(biochar)是一种固态产物，这是由生物质通过热化学转化得到的，其反应的条件是极少的氧气。含碳量高、芳香化程度高是生物质炭基的最为显著的特征，再者，它还是一种难溶性固体物质。生物炭是一种污染极低、具有强推广性、成本低的材料。生物质炭基是一种在如今研究广泛的生物高分子材料。常见的生物炭有木炭、秸秆炭，同时，生活中常见的椰子壳炭以及竹炭等也是生物炭的分支，它们通常是在温度低于700℃且缺氧的条件下热解形成的。传统碳材料主要由加工处理煤、石油等传统能源材料制得。但是由于现代能源危机和环境提出的挑战等，如今的世界早已向传统碳材料提出了新的挑战。核桃是一种常见的坚果，同时，也可以用于加工行业。核桃壳有着碳含量丰富、价格低廉的特点。核桃壳粉在惰性气体中高温热解成的碳材料具有较好的导电性。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用生物质炭化材料制备应变传感器的方法。

本发明提供的利用生物质炭化材料制备应变传感器的方法，包括如下步骤：

S1、将生物质材料进行筛选，除杂，用去离子水清洗后烘干，然后，将生物质材料研磨至过200目筛子的粉末，所述生物质材料为核桃壳、向日葵内芯、玉米内芯、丝瓜瓤其中的一种。

S2、在氮气或氩气气氛中进行高温碳化处理，升温与降温速率为2-5℃/min，热处理温度为600-1000℃，恒温2h，得到碳化粉末；

S3、制备聚合物弹性体溶液，所述聚合物弹性体为橡胶、硅基聚合物弹性体、VHB或聚乙烯醇其中的一种。

S4、浇注封装，包括如下步骤：

S41、将聚合物弹性体溶液分为三份；

S42、将碳化粉末与一份聚合物弹性体溶液进行共混，形成共混液；具体操作如下：

(1)将碳化粉末加入二氯甲烷溶剂中，超声分散30min，得到溶液A；

(2)将一份聚合物弹性体溶液溶于二氯甲烷溶剂中，搅拌均匀，得到溶液B；

(3)将溶液A和B混合，超声分散30min，然后蒸发除去二氯甲烷，使混合液中剩余二氯甲烷体积是原来的十分之一。注意此操作不能将二氯甲烷液体完全蒸发，需要留少部分于烧瓶内，以便于后续操作。

S43、取另一份聚合物弹性体溶液浇注到指定形状的模具中，将浇注聚合物弹性体溶液的模具放入真空烘箱中常温减压脱除气泡，然后在80-120℃下固化20-30min；形成基底薄片。

S44、将步骤S42得到的共混液涂覆在基底薄片上，在两端涂上导电膏以连接导线，然后放入真空烘箱中常温减压脱除气泡，然后在80-120℃下固化20-30min。

S45、将最后一份聚合物弹性体溶液浇注进模具，放入真空烘箱，常温减压脱除气泡，然后在80-120℃下固化20-30min，得到柔性应变传感器。

优选的是，所述步骤S2具体是：将粉末状生物质材料放入管式加热炉，以氮气为惰性气体，氮气流速100mL/min，首先以5℃/min的升温速率从室温升到200℃，然后以2℃/min的升温速率升到900℃，恒温2h，最后以5℃/min的降温速率降至室温，得到碳化粉末。

本发明的制备柔性应变传感器的制备流程如图1所示。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)本发明采用的核桃壳、向日葵内芯、玉米内芯、丝瓜瓤等生物质原料有着碳含量丰富、价格低廉的特点。生物质原料在惰性气体中高温热解成，得到基本保持原有形状的片状结构碳化材料，碳化材料具有较好的导电性。当碳化材料在受拉伸等形变时，其结构容易发生坍塌和破坏，严重影响碳化材料的导电性能，这种导电性易受形变影响的特性，赋予了碳化材料良好的应变传感性能，使之成为一种较好的用于制备柔性应变传感器的活性材料；再一方面，碳化材料的片状结构，有利于聚合物弹性体预聚物液体浸润到材料内部，使其固化之后能与碳化材料紧密结合，保证片状结构在破坏后能有效恢复，使柔性传感器具备较好的耐疲劳性能。

(2)采用本发明方法制备柔性应变传感器，其外形和尺寸可以通过改变模具的形状进行调节，可实现对不同的应变形式进行监测(拉伸、弯曲、扭转、压缩等)，弥补了目前传感器在适用范围和功能单一等方面的不足；同时该应变传感器具有柔性好、灵敏度高、响应时间短、耐疲劳性好等优点，并且可通过直接贴于皮肤或衣物上实现对人体关节运动的监测；且制备工艺方法简单，方法稳定可靠。

(4)本发明所使用的核桃壳原材料来源广泛，价格低廉，并且达到了农业废弃物回收再利用的目的。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、本发明制备柔性应变传感器的流程示意图。

图2、a为实施例1中核桃壳粉末碳化前的扫描电子显微镜图；b和c为实施例1中碳化后的核桃壳粉末的扫描电子显微镜图；d为实施例1中柔性应变传感器的截面扫描电子显微镜图。

图3、实施例1制备的柔性压缩应变传感器的结构示意图。

图4、实施例1制备的柔性应变传感器对人体左手手肘关节信号的检测结果。

图5、实施例1制备的柔性应变传感器对人体右膝的运动情况检测结果。

图6、实施例1制备的柔性应变传感器对人体喉咙的运动情况检测结果

图7、实施例1制备的柔性应变传感器对人体右手手腕信号的检测结果。

图8、实施例2制备的柔性应变传感器的相对电流在不同拉伸应变范围的变化情况。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

以核桃壳为原材料经高温热处理制备柔性拉伸及弯曲应变传感器，具体步骤如下：

步骤S1、对核桃壳原材料进行筛选，除杂，用乙醇和去离子水清洗后烘干；使用高速万能粉碎机将经过预处理的核桃壳粉碎成较细颗粒，单次粉碎时间不超过15秒，粉碎三次；然后，将核桃壳细颗粒置于行星式球磨机中进行球磨，具体球磨过程：在无溶剂条件下用不锈钢球进行干磨，转速为300rpm、时间为5h；球磨后，将磨细的核桃壳粉末用200目的标准分析筛过筛，得到粒径均匀的核桃壳粉末；测得碳化前的核桃壳粉末的扫描电子显微镜图见图2a。

步骤S2、取适量核桃壳粉末于瓷舟中，铺展均匀，然后放到管式加热炉进行高温热处理，具体热处理过程：在氮气气氛下(氮气流速100mL/分钟)，首先以5℃/min的升温速率从室温升到200℃，然后以2℃/min的升温速率升到800℃，恒温120分钟，最后以5℃/min的降温速率降至室温，碳化后的核桃壳粉末呈黑色。碳化后的核桃壳粉末的扫描电子显微镜图见图2b和c。由图2a和b可以看出，核桃壳粉末在惰性气氛中经过高温热解处理后，得到基本保持原有形状的片状结构的碳化材料。同时，本发明人研究发现，核桃壳经过高温碳化后，其内部微观结构空隙变小，孔隙度减小，碳化过后材料内部结构更紧凑，导电粒子更加靠近，导电性能增加，制备的柔性传感器在拉伸测试的时内部的导电通路会相应增加。

步骤S3、制备聚合物弹性体溶液。聚合物弹性体溶液选用道康宁的灌封胶(商品名称：SYLGARD184)配置而成。该灌封胶是双组份流动性液体，包括主剂(聚二甲基硅氧烷)和固化剂，将聚二甲基硅氧烷和固化剂按质量比10:1混合，搅拌混匀后，放于真空烘箱中，常温下减压脱出气泡10分钟，即得到聚合物弹性体溶液。

步骤S4、进行浇注封装，包括如下步骤：

S41、将聚合物弹性体溶液分为三份；

S42、将碳化粉末与一份聚合物弹性体溶液进行共混，形成共混液；共混液中碳化粉末与聚合物弹性体溶液的质量比为2:3。具体混合操作如下：

(1)将0.133g碳化粉末加入20mL二氯甲烷溶剂中，超声分散30min，得到溶液A；

(2)将一份聚合物弹性体溶液(0.2g)溶于10mL二氯甲烷溶剂中，磁力搅拌5min，混合均匀，得到溶液B；

(3)将溶液A和B混合，在磁力搅拌器上搅拌5min后继续超声分散30min(超声前需先取出烧瓶内的磁石)，然后采用旋蒸仪蒸发除去混合溶液中大部分的二氯甲烷，使混合液中剩余2～3mL二氯甲烷，最后得到共混液。

S43、取另一份聚合物弹性体溶液浇注到指定形状的模具中，将浇注聚合物弹性体溶液的模具放入真空烘箱中常温减压脱除气泡，然后在120℃下固化20-30min；形成基底薄片。

S44、将步骤S42得到的共混液涂覆在固化的基底薄片上，在两端涂上导电膏以连接导线，然后放入真空烘箱中常温减压脱除气泡，然后在120℃下固化20-30min。

S45、待步骤S44完成后，将最后一份聚合物弹性体溶液浇注进模具，使应变传感器的底层和顶层能够很大程度上地融合；最后，放入真空烘箱，常温减压脱除气泡，然后在120℃下固化30min，得到柔性应变传感器。该传感器的结构见图3，图中，1-聚合物弹性体、2-金属导线、3-核桃壳粉末碳化样、4-导电膏。柔性应变传感器的截面扫描电子显微镜图见图2d。

实施例2

以向日葵髓芯为原材料经高温热处理制备柔性拉伸应变传感器，具体步骤如下：

步骤S1、将向日葵髓芯原材料进行筛选，除杂，将其放入烧杯，倒入适量水，待其充分吸水后倒入破壁机，反复多次进行处理，随后过筛，倒入培养皿中，放入烘箱，干燥6h后取出。

步骤S2、将烘干的向日葵髓芯粉末放入管式加热炉，以氮气为惰性气氛(氮气流速100mL/min)，在1000℃下进行高温碳化处理；具体热处理过程：首先以5℃/min的升温速率从室温升到200℃，然后以2℃/min的升温速率升到1000℃并恒温120min，再以5℃/min的降温速率降至室温，得到碳化粉末。

步骤S3、聚合物弹性体溶液选用道康宁的灌封胶(商品名称：SYLGARD184)配置而成。该灌封胶是双组份流动性液体，包括主剂(聚二甲基硅氧烷)和固化剂，将聚二甲基硅氧烷和固化剂按质量比10:1混合，搅拌混匀后，放于真空烘箱中，常温下减压脱出气泡10分钟，即得到聚合物弹性体溶液。

后续浇注封装步骤同实施例1。

性能测试：

采用实施例1制备的基于核桃壳粉末的柔性拉伸应变传感器检测人体关节运动信号。用胶带将该应变传感器固定在测试人员的左手手肘关节处，测试人员的手肘进行连续的伸直-弯曲-伸直的运动，在这过程中，实时测定应变传感器的电流相对变化情况，测定结果见图4。用胶带将应变传感器固定在测试人员的右膝盖处，测试人员进行连续的伸直-屈膝-伸直的运动，在这过程中，实时测定应变传感器的电流变化情况，测定结果见图5。从图4和图5可以看出，柔性应变传感器可准确监测大幅度的弯曲形变(屈指动作的弯曲角度大于90°)，并且当关节运动恢复到初始状态时，电流相对变化值亦基本完全恢复，说明该柔性应变传感器不仅能有效地监测弯曲形变，并具有较好的使用稳定性。从图4可看出，当测试者左手手肘维持在屈指状态时(③)，电流信号基本保持水平，比较稳定，说明在确定应变下，传感器内部的导电网络(多孔结构)具有较好的结构稳定性。

采用实施例1制备的基于核桃壳粉的应变传感器检测人体喉咙运动信号。用胶带将该柔性应变传感器固定在测试人员的喉咙上，在这过程中，实时测定应变传感器的电流变化情况，测定结果见图6。可以看出，该柔性应变传感器能精确地反映复杂且幅度微小的运动行为，而且不同的运动状态对应着不同电流相对变化的波形，这有可能在运动检测有应用的潜力。采用实施例1制备的基于核桃壳粉的应变传感器检测手腕运动信号。用胶带将该柔性应变传感器固定在测试人员的手腕上，手腕进行伸直和弯曲运动，在这过程中，实时测定应变传感器的电流变化情况，测定结果见图7。

图8展示了实施例2制备的以向日葵髓芯作为填料的应变传感器的相对电流在不同拉伸应变范围的变化情况。从图中可以看到，在不同的拉伸应变0.1％、20％、100％时，应变传感器d的相对电流变化基本相同，这说明该传感器在不同的拉伸变形下均有较好的稳定性。除此之外可以看出，当传感器拉伸不同程度时，相对电流变化随着拉伸应变的增大而增大。

综上所述，本发明公开了一种利用生物质材料制备柔性应变传感器的方法。将核桃壳等生物质材料球磨成粒径为微米级的粉末，将粉末放于管式炉中进行高温碳化处理，炭化过程中核桃壳粉末受热分解，经历低温氧化条件的脱气、脱水反应，中温绝氧热热分解反应和高温绝氧缩聚反应三个阶段，得到核桃壳粉末热解碳材料。采用弹性体溶液封装碳化材料，固化后得到柔性应变传感器。本发明基于生物质基作为原材料来制备柔性应变传感器，具有柔性好、灵敏度高、耐疲劳性好等优点，且实现了核桃壳的回收再利用，对环境保护有重要意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。