[发明专利]一种新型纳米纤维素基压力传感材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种新型纳米纤维素基复合压力传感材料及其制备方法，本发明的方法是由以下步骤制备而成：2，2，6，6‑四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化法高压均质制备纳米纤维素(CNF)；预聚法合成水性聚氨酯(WPU)；物理共混法使WPU搭接在CNF内部纤维之间，再以化学沉积法使内部纤维表面负载氧化石墨烯(GO)；冷冻干燥制得复合气凝胶；气凝胶进行还原反应，再次冷冻干燥，制得还原氧化石墨烯(rGO)/WPU/CNF复合气凝胶。本发明以CNF为基本骨架，填充以WPU增加弹性，通过物理共混和化学氢键的协同作用将GO负载到纤维表面，可形成三维多孔轻质导电气凝胶，具有压力传感特征，该方法工艺简单，可应用于压力传感材料制备技术领域。

技术领域

本发明属于功能性材料领域，涉及压力传感材料制备技术，尤其是一种新型纳米纤维素基压力传感材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，具有微型化和智能化特征的压力传感器已经发展起来，可以用于生活的许多方面。压力传感器集成到电子设备中或附着在衣服和人体皮肤上，不仅可以检测人体运动和健康状况，例如微妙的肌肉、皮肤和由运动、呼吸、发声和心跳引起的脉搏运动等，还可以检测人体关节弯曲产生的大体形。此外，还可用于一些大型贵重精密仪器(尤其是军用及航天类)、电子设备运输过程中进行监测。压力传感器将在记录以及改善人们的生活条件中起到重要的应用。

纳米纤维素是自然界中分布最广、含量最多的天然高分子化合物，其具有生物相容性好、价格低廉、制备工艺简单、可自然降解和再生、且适合于工业化的大批量生产等优点。利用纳米纤维素制备具有三维网络结构的纤维素基压力传感材料，用于制备压力传感器方面具有较大的应用价值。然而，单独采用纳米纤维素无法制备出具有性能优越的压力传感器。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型纳米纤维素基压力传感材料及其制备方法，该技术原料来源广泛、成本低廉、生产工艺简单、绿色环保可降解，灵敏度较高、适应能力较强，在电子皮肤、实时监控等智能设备方面具有极大的应用潜能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种新型纳米纤维素基压力传感材料及其制备方法。利用纳米纤维素水凝胶、水性聚氨酯溶液为原料，引入氧化石墨烯二维导电材料，通过物理共混和化学氢键的协同作用，通过冷冻干燥形成复合气凝胶，经过氧化还原后，再次冷冻干燥，制得一种新型纳米纤维素基压力传感材料。

所述制备方法包括以下步骤：

步骤一：以2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)为催化剂，使用TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系对针叶木漂白硫酸盐浆进行预处理，通过加入0.3-0.6mol/L的NaOH使混合液的pH值一直保持在10-11，待混合体系的pH值不再发生变化时，加入40-60mL无水乙醇终止反应，反应停止后使用真空抽滤机将所得产物洗涤至中性，配置成质量分数为1wt％-2wt％的浆料，经过超声处理后，在50-100MPa的压力条件下均质4-8次制得纳米纤维素(CNF)；

步骤二：首先采用聚己内酯多元醇(PCL)和甲苯二异氰酸酯(TDI)/异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为原料，在60-90℃下发生预聚反应1.5-2.5h，添加催化剂二月桂酸二丁基锡，生成预聚体；其次，将2，2-二羟甲基丙酸(DMPA)和1，4-丁二醇(BDO)/三羟甲基丙烷(TMP)溶解于有机溶剂中得到溶液，与上述体系在60-80℃下进行2-4h的扩链反应生成异氰酸根(-NCO)封端的中间体；然后，添加三乙胺(TEA)在30-40℃进行中和反应0.3-0.6h生成亲水性聚氨酯；最后，向亲水性聚氨酯加入去离子水，高速剪切机以2000-10000r/min的速度高速分散0.3-0.6h，生成水性聚氨酯(WPU)；