柔性压力传感器用纸处理、碳浆、零件制备方法及传感器与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，更具体涉及柔性压力传感器用纸处理、碳浆、零件制备方法及传感器。

背景技术：

2.新进发展起来的柔性可穿戴压力传感器可以方便的穿戴于人体，实现对人体脉搏、心率、肢体运动等生理健康参数的实时监测。常规的柔性传感器一般由柔性衬底、电极层及敏感层组成，其中柔性衬底一般为聚酯膜，导电层一般为银涂层，而敏感层因功能性不同可分为压力敏感、温度敏感、湿度敏感等功能涂层。现有的柔性沉底材料为聚酯膜，其材料价格较贵，且需要特殊的印刷工艺，导致综合成本较高。
3.纸张是人们生产生活中最为常见的物品，具有可再生、可降解、环保、价廉易得等优点。将纸张作为柔性传感器衬底将大大降低柔性压力传感器的材料成本及进一步增加柔性传感器的普遍适用性。现有技术如专利cn110146556a公布了一种基于纸基的柔性湿度传感器及制备方法；专利cn113108954a公布了一种基于纸基的柔性压力传感器，但是现有技术制备过程中采用昂贵的银纳米线作为敏感材料，且采用抽滤这种不具备通用性的制备工艺，限制了纸基压力传感器的批量制备和大规模应用。
4.也就是说，现有技术中纸基柔性压力传感器制备工艺复杂，且仍然成本较高。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于如何提供柔性压力传感器用纸处理、碳浆、零件制备方法及传感器，以降低制备成本。
6.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
7.本发明提供了一种柔性压力传感器用纸处理方法，所述方法包括：
8.按照热塑性弹性体材料质量分数0.5％～2％的比例，将热塑性弹性体材料溶解在环己烷同系物液体中，得到弹性体溶液；
9.将待处理纸张置于35～55摄氏度的弹性体溶液中浸泡1～5分钟，取出后自然晾干；
10.在50～90摄氏度的条件下烘烤晾干后的待处理纸张5～20分钟，得到处理后的纸张。
11.可选的，所述待处理纸张包括：打印纸、海报纸、名片纸、书写纸中的一种或组合。
12.可选的，所述热塑性弹性体材料包括：苯乙烯类、烯烃类、双烯类、氯乙烯类、氨酯类、酯类、酰胺类、有机氟类、有机硅类和乙烯类中的一种或组合。
13.本发明还提供了一种柔性压力传感器零件的制备方法，所述方法包括：
14.(1)按照质量比纳米导电炭黑：碳纳米管：石墨烯＝10:(1～3):(1～5)称取碳质材料，将碳质材料加入到乙醇溶液中，得到碳-乙醇混合物；
15.(2)将碳-乙醇混合物在功率为150～300w，频率为35khz的条件下超声分散搅拌30
～60分钟，再在转速3000～8000转/分钟的条件下剪切搅拌0.5～2小时，得到导电碳浆；
16.(3)将方阻为2.5～30毫欧/方(25微米)的导电银浆印刷在如上述任一项方法得到的处理后纸张表面，并在60～90℃的温度下烘干0.5～2小时，得到印有导电银电极的纸张；
17.(4)再在印有导电银电极的纸张表面打印压导电碳浆，再在60～90℃的温度下烘干0.5～2小时得到作为传感器零件的附有压敏碳层的纸张。
18.可选的，所述纳米导电炭黑粒径范围10～45nm。
19.可选的，所述碳纳米管为酸化处理的羧基化碳纳米管，管径8～80nm，长度为0.5～30μm，羧基质量占比0.5～3％。
20.可选的，所述石墨烯为氧化石墨烯，平均径向尺寸5～30μm，厚度为1～10nm。
21.本发明还提供了一种纸基柔性压力传感器，所述传感器包括：压敏碳层相向接触贴合的两层使用如上述任一项方法制备的附有压敏碳层的纸张。
22.本发明相比现有技术具有以下优点：
23.本发明通过一定比例的导电炭黑、碳纳米管、石墨烯构筑成三维导电网络结构，使其具有灵敏的压力-电阻响应，并且压感碳层采用喷墨打印工艺制备，可以简化了柔性纸基压力传感器的制备工艺，降低了成本。
附图说明
24.图1为本发明实施例提供的一种柔性压力传感器用纸处理方法的流程示意图；
25.图2为纸基柔性压力传感器结构示意图；
26.图3为实施例1、2、3、4获得的纸基柔性压力传感器的压力-电阻响应曲线示意图；
27.图4为实施例1预处理后纸上印刷导电银浆与未处理纸上印刷导电银浆线示意图；
28.图5为实施例2预处理后与未处理纸上印刷导电银浆经3m胶带附着力测试的电阻变化曲线示意图；
29.图6为实施例3附有压敏碳层的纸张经3m胶带附着力测试的电阻变化曲线示意图。
具体实施方式
30.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
31.实施例1
32.本发明实施例1提供了一种柔性压力传感器用纸处理方法，图1为本发明实施例提供的一种柔性压力传感器用纸处理方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
33.s1：按照热塑性弹性体材料质量分数0.5％～2％的比例，将热塑性弹性体材料溶解在环己烷同系物液体中，得到弹性体溶液；热塑性弹性体材料包括：
34.苯乙烯类如sbs(styrenic block copolymers，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、sis(苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯)、sebs(styrene ethylene butylene styrene，乙烯丁烯共聚物)、seps(styrene-ethylene/propylene-styrene block copolymer，苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯嵌段共聚物)；
35.烯烃类，如tpo(2,4,6-trimethylbenzoyldiphenyl phosphine oxide，2,4,6-三
甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦)、tpv(thermoplastic vulcanizate，热塑性硫化橡胶)；
36.双烯类，如tpb(三苯基铋)、tpi(热塑性聚酰亚胺)；
37.氯乙烯类，如tpvc(热塑性聚氯乙烯)、tcpe(热塑性氯化聚乙烯)；
38.氨酯类，如tpu(thermoplastic polyurethanes，名称为热塑性聚氨酯弹性体橡胶)；
39.酯类，如tpee(热塑性聚酯弹性体)；
40.酰胺类，如tpae(尼龙弹性体)；
41.有机氟类、有机硅类以及乙烯类中的一种或组合。
42.s2：将待处理纸张置于35～55摄氏度的弹性体溶液中浸泡1～5分钟，取出后自然晾干；待处理纸张包括：打印纸、海报纸、名片纸、书写纸中的一种或组合。
43.s3：在50～90摄氏度的条件下烘烤晾干后的待处理纸张5～20分钟，得到处理后的纸张。
44.实施例2
45.本发明实施例2提供了一种柔性压力传感器用导电碳浆的制备方法，所述方法包括：
46.(1)按照质量比纳米导电炭黑：碳纳米管：石墨烯＝10:(1～3):(1～5)称取碳质材料，将碳质材料加入到乙醇溶液中，得到碳-乙醇混合物；纳米导电炭黑粒径范围10～45nm。碳纳米管为酸化处理的羧基化碳纳米管，管径8～80nm，长度为0.5～30μm，羧基质量占比0.5～3％。石墨烯为氧化石墨烯，平均径向尺寸5～30μm，厚度为1～10nm。
47.(2)将碳-乙醇混合物在功率为150～300w，频率为35khz的条件下超声分散搅拌30～60分钟，再在转速3000～8000转/分钟的条件下剪切搅拌0.5～2小时，得到导电碳浆。
48.实施例3
49.本发明实施例3提供了一种柔性压力传感器零件的制备方法，所述方法包括：
50.(3)将方阻为2.5～30毫欧/方(25微米)的导电银浆印刷在如实施例1所述方法得到的处理后纸张表面。可以理解的是，在进行导电银浆的丝网印刷时，可以在适合导电银浆使用的条件下进行，例如，可以在5-35摄氏度，湿度为1％-80％的条件下进行。具体条件的变化并不对导电银浆的制备效果产生变化。导电炭黑、碳纳米管、石墨烯，从几何形态上分别为零维、一维、二维导电碳纳米材料，三者均匀分散在溶液中将通过自组装的方式形成三维空间导电网络结构。含有三维导电网络结构的压感碳膜在受到压力产生形变时，三维空间导电网络的电阻将随压力的增加而减小，从而提供较高的压敏电阻响应特性。
51.然后，再在60～90℃的温度下烘干0.5～2小时，得到印有导电银电极的纸张；
52.(4)再在印有导电银电极的纸张表面打印压导电碳浆，再在60～90℃的温度下烘干0.5～2小时得到作为传感器零件的附有压敏碳层的纸张。
53.实施例4
54.图2为纸基柔性压力传感器结构示意图，如图2所示，基于实施例1和实施例2，本发明实施例4提供了一种纸基柔性压力传感器结构，所述传感器包括：
55.利用两层实施例1所述方法制备的柔性衬底材料203；
56.两个利用实施例3所述方法制备的柔性压力传感器零件，每一个柔性压力传感器零件均包括一层利用实施例1所述方法制备柔性衬底材料203，以及一层导电银浆形成的银
电极层201，以及一层由导电碳浆形成的压感碳层202，且银电极层201附着在柔性衬底材料203表面，压感碳层202覆盖在银电极层201表面；
57.两个柔性压力传感器零件的压感碳层202相对贴合设置，形成如图2所示结构的压力传感器。
58.实施例5
59.(1)纸张的前处理：精确称取4g的sebs，加入到800ml的环己烷中，45℃超声溶解1小时得到sebs溶液。环己烷为阿拉丁试剂网销售的牌号为c100583的环己烷，纯度≥99.9％(gc)。sebs为美国科腾生产，型号为md1653mo。将得力牌珊瑚海no7363型打印纸平铺于平底玻璃容器中，向容器中倒入sebs环己烷溶液，恒温40℃下浸泡5分钟后，用干净的玻璃棒沿纸的宽边辊平表面，取出自然晾干，然后90℃烘烤5分钟得到预处理的打印纸基材；
60.(2)采用丝网印刷工艺，将商用导电银浆印刷到预处理的打印纸上，置于干燥箱中于60℃烘干2小时，得到了印刷有导电银电极层的打印纸；导电银浆为上海聚隆电子科技有限公司生产的jy25印刷电路高导电银浆。
61.(3)分别称取先丰纳米公司生产的导电炭黑(cas：11092-32-3)、adamas公司生产的羧基化碳纳米管(产品编号041045434)、先丰纳米公司生产的氧化石墨烯(产品编号04904482)各10g、1g、1g，与250ml乙醇混合后在超声功率300w，超声频率35khz，超声30分钟条件下混合。再使用上海依肯牌ers2000型号的剪切搅拌机剪切搅拌2小时，剪切搅拌转速3000转/分钟，得到均匀分散的压敏碳基墨水；
62.(4)将碳基墨水灌注到型号为(hp)dj 2720的惠普喷墨打印机墨盒中，采用喷墨打印工艺在印有导电银电极的纸张表面打印压敏碳基墨水，再在60℃条件下烘干2小时得到作为传感器零件的附有压敏碳层的纸张；
63.(5)将两张均附有导电银电极、压敏碳层的纸张以碳层面相对贴合在一起，通过上下银电极引出电阻，封装即得到纸基柔性压力传感器。
64.实施例6
65.(1)纸张的前处理：精确称取4g的sebs，加入到800ml的环己烷中，45℃超声溶解1小时得到sebs溶液。环己烷为阿拉丁试剂网销售的牌号为c100583的环己烷，纯度≥99.9％(gc)。sebs为美国科腾生产，型号为md1653mo。将得力牌珊瑚海no7363型打印纸平铺于平底玻璃容器中，向容器中倒入sebs环己烷溶液，恒温45℃下浸泡3分钟后，用干净的玻璃棒沿打印纸的宽边辊平表面，取出晾干，然后80℃烘烤10分钟得到预处理的打印纸基材；
66.(2)采用丝网印刷工艺，将商用导电银浆印刷到预处理的打印纸上，置于干燥箱中于80℃烘干1.5小时，得到了印刷有导电银电极层的打印纸；导电银浆为上海聚隆电子科技有限公司生产的jy25印刷电路高导电银浆。
67.(3)分别称取先丰纳米公司生产的导电炭黑(cas：11092-32-3)、adamas公司生产的羧基化碳纳米管(产品编号041045434)、先丰纳米公司生产的氧化石墨烯(产品编号04904482)各10g、2g、2g，与280ml乙醇混合后在超声功率200w，超声频率35khz，超声40分钟条件下混合。再使用上海依肯牌ers2000型号的剪切搅拌机剪切搅拌1.5小时，剪切搅拌转速5000转/分钟，得到均匀分散的压敏碳基墨水；
68.(4)将碳基墨水灌注到型号为(hp)dj 2720的惠普喷墨打印机墨盒中，采用喷墨打印工艺在印有导电银电极的纸张表面打印压敏碳基墨水，通过80℃烘干1.5小时得到作为
传感器零件的附有压敏碳层的纸张；
69.(5)将两张均附有导电银电极、压敏碳层的纸张以碳层面相对贴合在一起，通过上下银电极引出电阻，封装即得到纸基柔性压力传感器。
70.实施例7
71.(1)纸张的前处理：精确称取4g的sebs，加入到800ml的环己烷中，45℃超声溶解1小时得到sebs溶液。环己烷为阿拉丁试剂网销售的牌号为c100583的环己烷，纯度≥99.9％(gc)。sebs为美国科腾生产，型号为md1653mo。将得力牌珊瑚海no7363型打印纸平铺于平底玻璃容器中，向容器中倒入sebs环己烷溶液，恒温45℃下浸泡1分钟后，用干净的玻璃棒沿纸的宽边辊平表面，取出晾干，然后90℃烘烤10分钟得到预处理的打印纸基材；
72.(2)采用丝网印刷工艺，将商用导电银浆印刷到预处理的打印纸上，置于干燥箱中于80℃烘干2小时，得到了印刷有导电银电极层的打印纸；导电银浆为上海聚隆电子科技有限公司生产的jy25印刷电路高导电银浆。
73.(3)分别称取先丰纳米公司生产的导电炭黑(cas：11092-32-3)、adamas公司生产的羧基化碳纳米管(产品编号041045434)、先丰纳米公司生产的氧化石墨烯(产品编号04904482)各10g、3g、3g，与280ml乙醇混合后在超声功率300w，超声频率35khz，超声30分钟条件下混合。再使用上海依肯牌ers2000型号的剪切搅拌机剪切搅拌1小时，剪切搅拌转速5000转/分钟，得到均匀分散的压敏碳基墨水；
74.(4)将碳基墨水灌注型号为(hp)dj 2720的惠普喷墨打印机墨盒中，采用喷墨打印工艺在印有导电银电极的纸张表面打印压敏碳基墨水，再在70℃烘干1.5小时得到作为传感器零件的附有压敏碳层的纸张；
75.(5)将两张均附有导电银电极、压敏碳层的纸张以碳层面相对贴合在一起，通过上下银电极引出电阻，封装即得到纸基柔性压力传感器。
76.实施例8
77.(1)纸张的前处理：精确称取4g的sebs，加入到800ml的环己烷中，45℃超声溶解1小时得到sebs溶液。环己烷为阿拉丁试剂网销售的牌号为c100583的环己烷，纯度≥99.9％(gc)。sebs为美国科腾生产，型号为md1653mo。将得力牌珊瑚海no7363型打印纸平铺于平底玻璃容器中，向容器中倒入sebs环己烷溶液，恒温50℃下浸泡2分钟后，用干净的玻璃棒沿纸的宽边辊平表面，取出晾干，然后90℃烘烤5分钟得到预处理的打印纸基材；
78.(2)采用丝网印刷工艺，将商用导电银浆印刷到预处理的打印纸上，置于干燥箱中于90℃烘干1小时，得到了印刷有导电银电极层的打印纸；导电银浆为上海聚隆电子科技有限公司生产的jy25印刷电路高导电银浆。
79.(3)分别称取先丰纳米公司生产的导电炭黑(cas：11092-32-3)、adamas公司生产的羧基化碳纳米管(产品编号041045434)、先丰纳米公司生产的氧化石墨烯(产品编号04904482)各10g、3g、5g，与280ml乙醇混合后，超声功率300w，超声频率35khz，超声30分钟条件下混合。再使用上海依肯牌ers2000型号的剪切搅拌机剪切搅拌0.5小时，剪切搅拌转速8000转/分钟，得到均匀分散的压敏碳基墨水；
80.(4)将碳基墨水灌注到型号为(hp)dj 2720的惠普喷墨打印机打印机墨盒中，采用喷墨打印工艺在印有导电银电极的纸张表面打印压敏碳基墨水，通过90℃烘干1小时得到作为传感器零件的附有压敏碳层的纸张；
81.(5)将两张均附有导电银电极、压敏碳层的纸张以碳层面相对贴合在一起，通过上下银电极引出电阻，封装即得到纸基柔性压力传感器。
82.对上述实施例5-8所得的纸基柔性压力传感器进行压力电阻响应测试，并对数据进行归一化处理，其压力-电阻响应曲线如图3所示。图3为实施例1、2、3、4获得的纸基柔性压力传感器的压力-电阻响应曲线示意图，由图3可知，随着压敏碳层中碳纳米管、石墨烯含量的增加，其压敏曲线斜率变小，说明压力传感器的饱和压力阈值增加，本发明实施例制备的压力传感器的压力灵敏度与压力测量范围变宽。对比实施例7和实施例8可以得出，保持碳纳米管含量不变，适当增加石墨烯的量，传感器的压力量程将进一步增加。图4为实施例1预处理后纸上印刷导电银浆与未处理纸上印刷导电银浆线示意图；图5为实施例2预处理后与未处理纸上印刷导电银浆经3m胶带附着力测试的电阻变化曲线示意图；如图4和图5所示，在图4中，比例尺为200微米，左图为预处理后打印纸制备的传感器，右图为未处理打印纸制备的传感器，可以看出，预处理过后的打印纸银浆丝印适应性更好，丝印后的导电直线度误差更小。如图5所示，经胶带附着力测试，测试方法如下：
83.将3m胶带粘贴在印刷面，用具有恒定荷重的压辊朝一个方向滚压3次；放置5min后，按照t型剥离强度试验方法(gb/t 2791-1995)，试样尺寸长200mm宽25
±
0.5mm，在剥离强度试验机上测试其t型剥离强度。根据剥离强度值的大小(＞2n)和阻值变化(《10％)来判定附着力是否合格。在剥离强度大于2牛顿，且阻值变化率小于10％时，判定合格。
84.预处理后的纸张得到的压力传感器的阻值变化更小，说明柔性压力传感器用纸处理液体能提高改善银浆层与纸的附着力。图6为实施例3附有压敏碳层的纸张经3m胶带附着力测试的电阻变化曲线示意图，由图6可知，压敏碳层经胶带附着力测试，膜层电阻变化率小于10％，说明压敏碳层与预处理后的纸以及银浆层附着力良好。
85.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种柔性压力传感器用纸处理方法，其特征在于，所述方法包括：按照热塑性弹性体材料质量分数0.5％～2％的比例，将热塑性弹性体材料溶解在环己烷同系物液体中，得到弹性体溶液；将待处理纸张置于35～55摄氏度的弹性体溶液中浸泡1～5分钟，取出后自然晾干；在50～90摄氏度的条件下烘烤晾干后的待处理纸张5～20分钟，得到处理后的纸张。2.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器用纸处理方法，其特征在于，所述待处理纸张包括：打印纸、海报纸、名片纸、书写纸中的一种或组合。3.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器用纸处理方法，其特征在于，所述热塑性弹性体材料包括：苯乙烯类、烯烃类、双烯类、氯乙烯类、氨酯类、酯类、酰胺类、有机氟类、有机硅类和乙烯类中的一种或组合。4.一种柔性压力传感器用导电碳浆制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)按照质量比纳米导电炭黑：碳纳米管：石墨烯＝10:(1～3):(1～5)称取碳质材料，将碳质材料加入到乙醇溶液中，得到碳-乙醇混合物；(2)将碳-乙醇混合物在功率为150～300w，频率为35khz的条件下超声分散搅拌30～60分钟，再在转速3000～8000转/分钟的条件下剪切搅拌0.5～2小时，得到导电碳浆。5.根据权利要求4所述的一种柔性压力传感器零件的制备方法，其特征在于，所述纳米导电炭黑粒径范围10～45nm。6.根据权利要求4所述的一种柔性压力传感器零件的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为酸化处理的羧基化碳纳米管，管径8～80nm，长度为0.5～30μm，羧基质量占比0.5～3％。7.根据权利要求4所述的一种柔性压力传感器零件的制备方法，其特征在于，所述石墨烯为氧化石墨烯，平均径向尺寸5～30μm，厚度为1～10nm。8.一种柔性压力传感器零件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(3)将25微米厚度时方阻为2.5～30毫欧/方的导电银浆印刷在如权利要求1～3任一项方法得到的处理后纸张表面，并在60～90℃的温度下烘干0.5～2小时，得到印有导电银电极的纸张；(4)再在印有导电银电极的纸张表面打印如权利要求4-7任一项方法的都的导电碳浆，再在60～90℃的温度下烘干0.5～2小时得到作为传感器零件的附有压敏碳层的纸张。9.一种纸基柔性压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：压敏碳层相向接触贴合的两层使用如权利要求8所述方法制备的柔性压力传感器零件。

技术总结

本发明公开了柔性压力传感器用纸处理、碳浆、零件制备方法及传感器，其中，柔性压力传感器用纸处理方法包括：按照热塑性弹性体材料质量分数0.5％～2％的比例，将热塑性弹性体材料溶解在环己烷同系物液体中，得到弹性体溶液；将待处理纸张置于35～55摄氏度的弹性体溶液中浸泡1～5分钟，取出后自然晾干；在50～90摄氏度的条件下烘烤晾干后的待处理纸张5～20分钟，得到处理后的纸张。本发明通过一定比例的导电炭黑、碳纳米管、石墨烯构筑成三维导电网络结构，使其具有灵敏的压力-电阻响应，并且压感碳层采用喷墨打印工艺制备，可以简化了柔性纸基压力传感器的制备工艺，降低了成本。降低了成本。降低了成本。