一种复合泡沫材料的制备方法和应用

本发明属于新材料，尤其是一种复合泡沫材料的制备方法和应用。

背景技术：

1、21世纪以来，人工智能、无线通信的快速发展促进便携式电子设备的需求，关于柔性传感器的开发和应用引起广泛关注。目前，根据工作原理已经开发了不同压力传感机制，例如压电式、电容式和压阻式。其中，柔性传感技术在方向识别领域展现出了巨大的潜力和广泛的应用前景。在方向识别中，柔性传感器通过感知外界压力或形变的变化，将这些变化转化为电信号，通过信号处理和分析，实现对物体运动方向的识别。

2、由于目前报道的石墨烯、氧化石墨烯、等传统纯碳基材料本质上都存在有限的湿敏性，导致灵敏度低。

3、因此，制备出一种高灵敏度的柔性传感器是当务之急。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种复合泡沫材料的制备方法。

2、本发明还提出上述制备方法在制备柔性传感器中的应用。

3、根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种复合泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1.将聚氨酯、牺牲模板，炭黑、催化剂和固化剂混合反应、压制成膜后加热得到未完全固化的改性聚氨酯膜a

5、s2.将聚氨酯、牺牲模板、分散剂和固化剂混合反应，压制成膜后加热得到未完全固化的改性聚氨酯膜b；

6、所述牺牲模板的粒径为50目～80目；

7、s3.将未完全固化的改性聚氨酯膜a和未完全固化的改性聚氨酯膜b聚氨酯膜贴合后压制、固化得到双层聚氨酯多孔膜；

8、s4.将双层聚氨酯多孔膜在壁碳纳米管水分散液中浸渍后成膜；

9、步骤s1和步骤s2同时进行。

10、根据本发明的第一方面的实施例至少具有以下有益效果：

11、聚氨酯(pu)作为一种性能优异的弹性体材料，具有良好的可加工性和生物相容性，是制备多孔功能膜的理想材料之一。基于非对称结构的pu多孔功能膜，结合了多孔材料和非对称结构的优势，有望在压力传感器领域实现更高的灵敏度和更好动作识别。

12、由本发明的复合泡沫材料进一步制备得到的柔性传感器在长时间使用和高强度弯曲测试下，依然保持着良好的性能，未出现明显的性能衰减或损坏现象。在200次的弯曲循环中，传感器始终能够保持较稳定的电阻变化输出，准确地反映出不同面的电阻变化。这种稳定的数据表现，不仅证明了传感器在动态环境下的高可靠性，也体现了其优良的传感性能。

13、受人体皮肤表皮层与真皮层间组织模量梯度的启发，本发明在聚氨酯多孔膜的研究上提出了非对称结构的设计，这种复合泡沫材料的非对称结构(非对称结构指的是改性聚氨酯膜a的制备原料中不包括炭黑，改性聚氨酯膜b的制备原料中包括炭黑)，不仅保持材料柔性，也增强材料在特定方向上的传感性能，为柔性传感器的发展提供了新的方向，优化了传感器的整体性能，还提供了对不同方向刺激响应的差异性，为方向识别等应用提供了可能，炭黑与碳纳米管以一定比例混合时，它们之间会产生协同作用。炭黑(cb)和多壁碳纳米管(mwcnts)在复合材料中相互缠绕和接触，形成复杂且分布良好的导电网络。这种非对称结构不仅保持材料柔性，也增强材料在特定方向上的传感性能，为柔性传感器的发展提供了新的方向。炭黑与碳纳米管的协同作用使得传感器能够同时满足柔韧性和灵敏度的要求，另外这种不对称设计还提供了对不同方向刺激响应的差异性，为方向识别等应用提供了可能。

14、本发明中的牺牲模板通过其自身的形状、大小和分布，可以在材料的成型过程中留下孔隙。牺牲模板易于去除，可以通过在制备过程的后续阶段完全去除，从而留下所需的孔隙结构而不影响最终材料的性能。

15、在本发明的一些实施方式中，所述分散剂包括n,n-二甲基甲酰胺和n,n-二甲基乙酰胺中的至少一种。

16、在本发明的一些实施方式中，所述固化剂包括hk-825。

17、在本发明的一些实施方式中，步骤s2中所述加热的温度为80～90℃。

18、在本发明的一些实施方式中，步骤s2中所述加热的时间为8～10min。

19、在本发明的一些实施方式中，按重量份计，步骤s2的步骤包括：将聚氨酯10～20份、牺牲模板40～50份，n,n-二甲基乙酰胺1～3份和固化剂1～3份混合反应、压制成膜后加热得到未完全固化的改性聚氨酯膜b。

20、在本发明的一些实施方式中，按重量份计，步骤s2的步骤包括：将聚氨酯10～20份、牺牲模板40～50份混合后机械搅拌2～5min，接着加入n,n-二甲基乙酰胺1～3份和固化剂1～3份混合反应3～5min后将混合物倒入铺好pet塑料膜的玻璃板上，按顺序依次将pet塑料膜、玻璃板盖在混合物上，在玻璃板上放上装有500～600ml水的锥形瓶将混合物压制成膜8～10min后移走锥形瓶和玻璃板，将膜放置在烘箱中80～90℃加热2～5min。

21、在本发明的一些实施方式中，步骤s1中，按重量份计，所述炭黑为3～8份，所述聚氨酯为100份。

22、在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，所述压制的步骤包括将未完全固化的改性聚氨酯膜a和未完全固化的改性聚氨酯膜b聚氨酯膜贴合后用玻璃板压10～13min、烘干10～13min后，再于80～90℃烘干4h。

23、在本发明的一些实施方式中，步骤s4中，所述壁碳纳米管水分散液的质量浓度为0.1～0.4％。

24、在本发明的一些实施方式中，步骤s4中，所述壁碳纳米管水分散液的质量浓度为0.2～0.3％。

25、浸渍不同含量的壁碳纳米管水分散液对非对称结构聚氨酯压力传感器在拉伸条件下的灵敏度具有明显影响，浸渍0.2～0.3％含量的壁碳纳米管水分散液在拉伸测试中表现最佳，这一含量的壁碳纳米管水分散液经超声分散后分散效果较好，在聚氨酯多孔膜中形成了较为理想的导电网络，该网络既保证了良好的导电性，又能在拉伸时保持稳定的电阻变化。在拉伸过程中，这种导电网络能够有效地响应形变，通过cnt之间的相对位移引起电阻的变化，从而提高传感器的灵敏度。

26、在本发明的一些实施方式中，步骤s4中，所述成膜的方法包括烘干法、冷冻干燥和水浴凝固法中的至少一种。

27、在本发明的一些实施方式中，步骤s4中，所述浸渍的时间20～30h。

28、在本发明的一些实施方式中，步骤s4中，所述浸渍后还包括烘干。

29、在本发明的一些实施方式中，所述牺牲模板包括盐、糖和味精中的至少一种。

30、根据本发明的第一方面的实施例，提出了复合泡沫材料的制备方法在制备柔性传感器中的应用。

技术特征：

1.一种复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，按重量份计，所述炭黑为3～8份，所述聚氨酯为100份。

3.根据权利要求1所述的复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述加热的温度为80～90℃。

4.根据权利要求1所述的复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述加热的时间为8～10min。

5.根据权利要求1所述的复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，按重量份计，步骤s2的步骤包括：将聚氨酯10～20份、牺牲模板40～50份，n,n-二甲基乙酰胺1～3份和固化剂1～3份混合反应、压制成膜后加热得到未完全固化的改性聚氨酯膜b。

6.根据权利要求1所述的复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述壁碳纳米管水分散液的质量浓度为0.1～0.4％。

7.根据权利要求1所述的复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述壁碳纳米管水分散液的质量浓度为0.2～0.3％。

8.根据权利要求7所述的复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述成膜的方法包括烘干法、冷冻干燥和水浴凝固法中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述牺牲模板包括盐、糖和味精中的至少一种。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的复合泡沫材料的制备方法在制备柔性传感器中的应用。

技术总结本发明公开了一种复合泡沫材料的制备方法和应用，一种复合泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：S1.将聚氨酯、牺牲模板，N,N‑二甲基乙酰胺和固化剂压制成膜后加热得到改性聚氨酯膜A；S2.将聚氨酯、牺牲模板，炭黑、催化剂和固化剂混合反应成膜后加热得到改性聚氨酯膜B；S3.将未完全固化的改性聚氨酯膜A和未完全固化的改性聚氨酯膜B聚氨酯膜贴合后压制、固化得到双层聚氨酯多孔膜；S4.将双层聚氨酯多孔膜在壁碳纳米管水分散液中浸渍后成膜。由本发明的复合泡沫材料进一步制备得到的柔性传感器在长时间使用和高强度弯曲测试下，依然保持着良好的性能，不仅证明了传感器在动态环境下的高可靠性，也体现了其优良的传感性能。技术研发人员：刘子瑾,王正涛,蔡胤鑫,朱耀彬,黄亮彬,于晖,余西,王利环,刘鹏碧,屈保留受保护的技术使用者：五邑大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18