[发明专利]电容式聚合物应变传感器、制备方法及应用

说明书

本发明提出一种电容式聚合物应变传感器、制备方法及应用。CN‑TiO₂是通过2‑氰基乙基三乙氧基硅烷对TiO₂的修饰后得到的，将其掺杂在PVDF‑HFP聚合物中制得高介电常数的复合膜。在复合膜的两侧涂覆硅胶电极，得到大量程，高灵敏度和高分辨率的电容式聚合物应变传感器。另外电容式聚合物应变传感器，可以作为可穿戴设备贴合在人体关节处对人体运动时的运动姿态进行实时监测。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种大量程和高灵敏度的电容式聚合物应变传感器的制备方法及应用。

背景技术

在过去的二十年中，各种无机和有机材料结合使用的柔性可拉伸电容式传感器得到了快速发展。由于其独特的柔性和可拉伸性使其在航空航天、汽车、海洋环境、机器人、医疗保健和便携式电子产品等领域的应用受到了极大的关注。电容式传感器由夹在两个电极层之间的可变形介电弹性体组成，具有类似于平板电容器的结构。电容式传感器在被施加外部压力而变形时，位于中间的介电弹性的厚度变化导致了电容发生变化。通过确定电容与形变、压力、位移之间的关系，可以被作为应变传感器、压力传感器、位移传感器。

随着科技的不断进步，对具有大量程和高灵敏度的柔性电容式传感器有着很大的需求。对于电容式传感器来说，位于中间层的介电弹性体的结构和介电常数决定了传感器的灵敏度。通过模板法制备表面具有金字塔形阵列结构或者内部为多孔结构的介电弹性体，在受力产生形变时空气相减少使介电弹性体介电常数增加，从而提高了传感器的灵敏度。但是金字塔形阵列结构和多孔结构的制备流程复杂，经济成本高，不适合于大规模工业化生产和应用拓展。因此寻找一种简单，经济成本低的方法，通过提高介电弹性体的介电常数从而提高电容式传感器的灵敏度变得极为重要。

通过增塑剂柠檬酸三正丁酯(TBC)对聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)的塑化后，制备的PVDF-HFP膜具有低模量和高形变量的优点，是用于柔性传感器的理想材料。对PVDF-HFP膜介电常数的改善，是制备高性能柔性电容式传感器的关键。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种大量程和高灵敏度的电容式聚合物应变传感器及其制备方法及应用。CN-TiO₂是通过2-氰基乙基三乙氧基硅烷对TiO₂的修饰后得到的，将其掺杂在PVDF-HFP膜中得到高介电常数的复合膜。在复合膜的两侧涂覆硅胶电极，得到大量程，高灵敏度和高分辨率的电容式聚合物应变传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电容式聚合物应变传感器，所述传感器由夹在柔性可拉伸的导电硅胶电极之间的CN-TiO₂/PVDF-HFP复合膜组成。

进一步，所述电容式聚合物应变传感器的量程为1~14 mm，分辨率为0.5 mm，灵敏度为1.11 /mm和2.85 /mm。

进一步，所述的CN-TiO₂/PVDF-HFP复合膜是由氰基化修饰的二氧化钛(CN-TiO₂)、增塑剂柠檬酸三正丁酯(TBC)和高分子树脂PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)通过溶液浇铸法制备。

进一步，所述CN-TiO₂/PVDF-HFP复合膜中的TiO₂纳米颗粒的直径为5~10 nm，且CN-TiO₂的含量为2~8 w.t.%。

进一步，所述CN-TiO₂/PVDF-HFP复合膜在40 Hz时的介电常数和介电损耗分别为13.50~38.28和0.49~1.11。

进一步，所述CN-TiO₂/PVDF-HFP复合膜的杨氏模量和断裂伸长率分别为0.06~0.31 MPa和631~715%。

本发明所述的电容式聚合物应变传感器的制备方法，包括以下步骤：