论文部分内容阅读
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。