一种织物/离子凝胶可穿戴压力传感器件的制备方法
阅读说明：本技术 一种织物/离子凝胶可穿戴压力传感器件的制备方法 (Preparation method of fabric/ionic gel wearable pressure sensing device ) 是由 李秋瑾 董裕 张健飞 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种织物/离子凝胶可穿戴压力传感器件的制备方法,属于复合材料领域。该方法首先采用一浴法制得前驱体溶液,进一步采用溶液浸渍的方法制得导电织物,所得织物基本不影响织物的柔弹性、服用性和舒适性,还使织物获得了良好的导电性能,使其成为具有特定性能的智能纺织品。最后,以导电织物作为传感元件组装得到得织物基传感器,经过多次循环加载-卸载试验,其传感稳定性、灵敏性没有发生显著下降。此外,此制备方法制作工艺简单,绿色环保,有效克服了传统传感器制备工艺复杂、柔软性和舒适性较差的不足,更适合在人体运动监测等领域发挥作用。(The invention relates to a preparation method of a fabric/ionic gel wearable pressure sensing device, and belongs to the field of composite materials. The method firstly adopts a bath method to prepare a precursor solution, and further adopts a solution dipping method to prepare the conductive fabric, so that the flexibility, the wearability and the comfort of the fabric are not influenced basically, and the fabric obtains good conductive performance, thereby being an intelligent textile with specific performance. And finally, the conductive fabric is used as a sensing element to be assembled to obtain the fabric-based sensor, and the sensing stability and sensitivity of the fabric-based sensor are not remarkably reduced through multiple cyclic loading-unloading tests. In addition, the preparation method is simple in manufacturing process, green and environment-friendly, effectively overcomes the defects of complex manufacturing process and poor flexibility and comfort of the traditional sensor, and is more suitable for playing a role in the fields of human motion monitoring and the like.)
技术领域
本发明涉及一种织物/离子凝胶可穿戴压力传感器件的制备方法，属于复合材料领域。
背景技术
传统的传感器大多是由金属材质或者无机半导体材质构成，其应变范围窄，柔软性不能满足大应变传感的需求，舒适性也不够好，不能达到智能纺织品的使用需求。特别是，在量产应用方面，传统的传感器复杂的制备工艺和昂贵的制造成本也制约着它进一步的发展。织物基传感器不仅具备柔性应变传感器都有的大应变测量范围，还兼有纺织品独特的可穿戴特性。从性能角度看，其柔韧性好、可延伸、弯曲、折叠，能够快速实现自适应传感组织的动态变化，有优异的生物相容性，更适合人体应用。而生产方式上，还有简单的制备工艺、相对低廉的制造成本，为织物基传感器在可穿戴电子设备及智能服装领域应用提供了理论基础。
发明内容
本发明所要解决的问题在于针对现有传感器稳定性和舒适性的不足，提供了一种织物/离子凝胶可穿戴压力传感器件的制备方法，该传感器的主要特点是柔软性好，循环稳定性强，应变回复及时等。采用溶液浸渍的方法制得导电织物基本不影响织物的柔弹性、服用性和舒适性，还使织物获得了良好的导电性能，使其成为具有特定性能的智能纺织品。最后，以导电织物作为传感元件组装得到得织物基传感器，经过多次循环加载-卸载试验，其传感稳定性、灵敏性没有发生显著下降。此外，此制备方法制作工艺简单，绿色环保，有效克服了传统传感器制备工艺复杂、柔软性和舒适性较差的不足，更适合在人体运动监测等领域发挥作用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
(1)前驱体溶液的制备：依次加入正硅酸四乙酯(TEOS)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF4])、N，N’-亚甲基丙烯酰胺(MBA)、N，N-二甲基丙烯酰胺、酮戊二酸和盐酸溶液，在氮气通入的条件下，磁力搅拌一定时间得到混合均匀的离子溶液，将此离子溶液避光放置在恒定温度的烘箱中持续加热一段时间，得到前驱体溶液；
(2)棉织物的预处理：配置适量的Na2CO3溶液和NaOH溶液，将棉织物在特定的温度条件下先置于Na2CO3溶液中处理，然后使用蒸馏水冲洗一段时间，再在NaOH溶液中处理，然后使用蒸馏水冲洗。将处理后的织物置于温度恒定的烘箱中至烘干；
(3)导电织物的制备：将干燥好的纯棉针织物剪成一定形状，将其放置在螺口瓶中，滴入适量上述前驱体溶液使其充分浸泡织物，避光放置在烘箱中充分吸收一段时间。用镊子小心取出充分浸渍后的织物，用滤纸去除织物表面多余溶液，用一定强度的紫外光照射使其充分结合。最后，通过一段时间的干燥得到导电织物；
(4)织物基传感器件的制备：将上述步骤(3)中的导电织物作为传感元件，通过连接导线与电极得到织物基传感器。
作为优选，步骤(1)中正硅酸四乙酯(TEOS)的用量为0.1-1g，1-丁基-3甲基-咪唑四氟硼酸盐的用量为5-10g，N，N’-亚甲基丙烯酰胺(MBA)的用量为1-2g，N，N-二甲基丙烯酰胺的用量为0.4％MBA，酮戊二酸用量为1-3mg，盐酸溶液的浓度为1-20mmol/L，用量为0.1-1mL。氮气通入时间为10-30min，磁力搅拌时间为1-2h，恒定烘箱温度条件为10-60℃，加热时间为1-30h；
作为优选，步骤(2)中棉织物的预处理工艺为，温度为50-100℃，Na2CO3溶液处理时间为1-10min，蒸馏水冲洗时间为1-60s，NaOH溶液处理时间为1-10min，蒸馏水冲洗时间为1-60s，烘箱烘干温度为10-50℃，时间为10-30min；
作为优选，步骤(3)中滴入前驱体溶液的用量为1-10mL，避光放置温度为10-60℃，时间为1-50min，紫外光光源强度为75％，照射时间为1-30min。导电织物的干燥方式为真空干燥，干燥温度为10-60℃，干燥时间为10-30h。
由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)前躯体溶液的制备过程所使用的主要原料为离子液体，离子液体具有不易挥发、热稳定性好、难燃、电导率高和绿色无污染等特点，制得的前驱体溶液不仅能提供良好的导电性，还具有较好的生物相容性；
(2)前躯体溶液为亲水性材料，对织物有较好的亲和力，通过加热的方式使其能够更好的扩散进入织物内部，包裹在每根纤维四周，并通过紫外照射的方法使其完全固化，与织物紧密结合；
(3)本发明采用纯棉针织物为原料，由于其本身多孔的结构，为受力时离子的移动提供了良好的通道，使得传感器具有稳定的电学传感性能。此外，针织物具有一定的弹性和形变恢复能力，大大提高了传感器的力学性能和循环稳定性；
(4)本发明制备的织物基传感器在人体实时运动监测、医疗健康检测等领域表现出广阔的应用前景。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明及解释，并不限于本发明的范围。其中：
图1：为本发明中实施例1的结果图。
图2：为本发明中实施例2的结果图。
图3：为本发明中实施例3的结果图。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。
实施例1：采用溶液浸渍的方法，使纯棉织物充分吸收前驱体溶液，进一步经过紫外聚合的方式使其充分结合，制得导电织物。如图1所示，前驱体溶液能够固化在织物内部及表面，与织物紧密结合形成导电织物，且其基本未改变织物的形状和服用舒适性。
实施例2：对所制得的导电织物进行SEM形貌分析测试，所得的SEM图如图2所示，通过对比处理前后的SEM图像可以看出，处理后的织物表面具有一定的光泽，说明前驱体溶液充分扩散进入织物内部，充分包裹在纤维四周，与织物完全结合成为一体形成导电织物。
实施例3：将导电织物连接铜电极制得织物基传感器件，并测试作为传感器的循环稳定性。如图3所示，在200次的循环加载-卸载测试中，在各压力作用下，所对应的电阻变化率基本保持一致，曲线整体趋势表现出高度一致。说明该织物传感器件不仅能够对外界的不同压力作用做出响应，且具有良好的循环稳定性。