一种导电纳米纤维膜的制备方法
技术领域
本发明属于柔性压力传感器的传感元件技术领域，具体涉及一种导电纳米纤维膜的制备方法。
背景技术
近年来，可用于人体健康检测的可穿戴电子传感器引起了人们的广泛关注。柔性压力传感器中的关键部件是传感元件，通过因传感元件发生形变而产生输出电流信号的变化来测试外加压力大小，实现对人体动作及状态的实时检测，如关节弯曲、肌肉运动、脉搏、发声等。传统的传感元件通常是由具有微结构设计的非导电性的弹性聚合物基底和导电层构成，因此，传感元件对应力的感应灵敏性低且传感范围窄，就会限制了柔性压力传感器的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种导电纳米纤维膜的制备方法，解决了目前作为柔性压力传感器的关键部件，传感元件的应力灵敏度低且传感范围窄的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种导电纳米纤维膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：向8-12mL去离子水中加入15-25mM的柠檬酸钠120-230μL、15-25mM的氯金酸溶液100-200μL，搅拌并加入80-150mM的硼氢化钠溶液300-500μL，反应进行2-4分钟后得到金种子溶液；
步骤2：制备PVDF纳米纤维膜；
步骤3：将步骤2制备的纳米纤维膜裁剪成片状，然后在无水甲醇中浸泡，取出后用去离子水清洗后保存在去离子水中；
步骤4：将步骤3得到的纳米纤维膜浸泡在步骤1制备的金种子溶液中浸泡15-30分钟后取出；
步骤5：向5-10mL的去离子水中加入5％-8％的聚乙烯吡咯烷酮溶液650-1000μL、20-25mM的氯金酸溶液250-500μL以及20-25mM的碘化钾溶液300-600μL，搅拌得到溶液A，将步骤4所得的纳米纤维膜置于溶液A中，加入10-20mM的抗坏血酸溶液400-600μL，再搅拌后取出纳米纤维膜，清洗纳米纤维膜并在45-55℃下烘干，得到导电纳米纤维膜。
本发明的特点还在于，
步骤2中，制备PVDF纳米纤维膜具体为：以DMF为溶剂，配制纺丝溶液，然后将纺丝溶液加入到注射器中进行静电纺丝后得到PVDF纳米纤维膜。
步骤3中，无水甲醇可替换为无水乙醇。
步骤3中，硼氢化钠可替换为水合肼、抗坏血或氨水。
步骤3中，纳米纤维膜在无水甲醇中浸泡的时间控制为15-25分钟。
步骤5中，清洗纳米纤维膜采用去离子水清洗。
本发明的有益效果是：
本发明一种导电纳米纤维膜的制备方法，通过化学镀方法在通过静电纺丝技术制备的柔性纳米纤维膜上镀覆一层金作为导电层，其导电层镀覆均匀且不易脱落。导电纳米纤维膜具有纤维分明且层次交错的微观结构，将其作为柔性压力传感器的传感元件，使得压力传感器的传感元件有较高的灵敏性和较宽的响应范围。
附图说明
图1是本发明一种导电纳米纤维膜的制备方法中实施例1中得到的PVDF纳米纤维膜的电镜图；
图2是本发明一种导电纳米纤维膜的制备方法中实施例5所制得的导电纳米纤维膜的电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种导电纳米纤维膜的制备方法进行详细说明。
本发明提供一种导电纳米纤维膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备金种子溶液；
向8-12mL去离子水中加入15-25mM的柠檬酸钠120-230μL、15-25mM的氯金酸溶液100-200μL，搅拌并加入80-150mM的硼氢化钠溶液300-500μL，反应进行2-4分钟后得到金种子溶液；
步骤2：制备PVDF纳米纤维膜；
以DMF为溶剂，配制10ml的纺丝溶液，其中PVDF浓度为10-12wt％，在50℃下水浴加热搅拌6小时，之后将溶液加入到10mL的注射器中进行纺丝，针头与接收辊间距15cm，溶液进给速度0.5mL/h，纺丝电压为+16KV,-4KV,接收辊转速100rpm，纺丝6小时得到PVDF纳米纤维膜。
步骤3：将PVDF纳米纤维膜裁切成1.0×1.0cm2的小片，然后在无水甲醇中浸泡10-20分钟，取出后用去离子水清洗多余的甲醇并保存在去离子水中备用；
步骤4：纳米纤维膜进行镀覆金；
第一次镀覆金，
将步骤3得到的纳米纤维膜浸泡在步骤1制备的金种子溶液中浸泡15-30分钟后取出；
步骤5：第二次镀覆金，
向5-10mL的去离子水中加入5％-8％的聚乙烯吡咯烷酮溶液650-1000μL、20-25mM的氯金酸溶液250-500μL以及20-25mM的碘化钾溶液300-600μL，搅拌得到溶液A，将第一次镀覆金后所得的纳米纤维膜置于溶液A中，加入10-20mM的抗坏血酸溶液400-600μL，再搅拌后取出纳米纤维膜，清洗纳米纤维膜并在45-55℃下烘干，得到导电纳米纤维膜。
下面通过具体的实施例对本发明一种导电纳米纤维膜的制备方法进行详细说明。
实施例1
本发明提供一种导电纳米纤维膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备金种子溶液；
向8mL去离子水中加入15mM的柠檬酸钠120μL、15mM的氯金酸溶液100μL，搅拌并加入80mM的硼氢化钠溶液300μL，反应进行2分钟后得到金种子溶液；
步骤2：制备PVDF纳米纤维膜；
以DMF为溶剂，配制10ml的纺丝溶液，其中PVDF浓度为10％，在50℃下水浴加热搅拌6小时，之后将溶液加入到10mL的注射器中进行纺丝，针头与接收辊间距15cm，溶液进给速度0.5mL/h，纺丝电压为+16KV，-4KV，接收辊转速100rpm，纺丝6小时得到PVDF纳米纤维膜，PVDF纳米纤维膜的电镜图如图1所示。
步骤3：将PVDF纳米纤维膜裁切成1.0×1.0cm2的小片，然后在无水甲醇中浸泡10分钟，取出后用去离子水清洗多余的甲醇并保存在去离子水中备用；
步骤4：纳米纤维膜进行镀覆金；
第一次镀覆金，
将步骤3得到的纳米纤维膜浸泡在步骤1制备的金种子溶液中浸泡15分钟后取出；
步骤5：第二次镀覆金，
向5mL的去离子水中加入5％的聚乙烯吡咯烷酮溶液650μL、20mM的氯金酸溶液250μL以及20mM的碘化钾溶液300μL，搅拌得到溶液A，将第一次镀覆金后的纳米纤维膜置于溶液A中，加入10mM的抗坏血酸溶液400μL，再搅拌后取出纳米纤维膜，清洗纳米纤维膜并在45℃下烘干，得到导电纳米纤维膜。
实施例2
本发明提供一种导电纳米纤维膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备金种子溶液；
向12mL去离子水中加入25mM的柠檬酸钠230μL、25mM的氯金酸溶液200μL，搅拌并加入150mM的硼氢化钠溶液500μL，反应进行4分钟后得到金种子溶液；
步骤2：制备PVDF纳米纤维膜；
以DMF为溶剂，配制10ml的纺丝溶液，其中PVDF浓度为12％，在50℃下水浴加热搅拌6小时，之后将溶液加入到10mL的注射器中进行纺丝，针头与接收辊间距15cm，溶液进给速度0.5mL/h，纺丝电压为+16KV，-4KV，接收辊转速100rpm，纺丝6小时得到PVDF纳米纤维膜。
步骤3：将PVDF纳米纤维膜裁切成1.0×1.0cm2的小片，然后在无水甲醇中浸泡20分钟，取出后用去离子水清洗多余的甲醇并保存在去离子水中备用；
步骤4：纳米纤维膜进行镀覆金；
第一次镀覆金，
将步骤3得到的纳米纤维膜浸泡在步骤1制备的金种子溶液中浸泡30分钟后取出；
步骤5：第二次镀覆金，
向10mL的去离子水中加入8％的聚乙烯吡咯烷酮溶液1000μL、25mM的氯金酸溶液500μL以及25mM的碘化钾溶液600μL，搅拌得到溶液A，将第一次镀覆金后的纳米纤维膜置于溶液A中，加入20mM的抗坏血酸溶液600μL，再搅拌后取出纳米纤维膜，清洗纳米纤维膜并在50℃下烘干，得到导电纳米纤维膜。
实施例3
本发明提供一种导电纳米纤维膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备金种子溶液；
向10mL去离子水中加入25mM的柠檬酸钠230μL、25mM的氯金酸溶液200μL，搅拌并加入150mM的硼氢化钠溶液500μL，反应进行4分钟后得到金种子溶液；
步骤2：制备PVDF纳米纤维膜；
以DMF为溶剂，配制10ml的纺丝溶液，其中PVDF浓度为12％，在50℃下水浴加热搅拌6小时，之后将溶液加入到10mL的注射器中进行纺丝，针头与接收辊间距15cm，溶液进给速度0.5mL/h，纺丝电压为+16KV，-4KV，接收辊转速100rpm，纺丝6小时得到PVDF纳米纤维膜。
步骤3：将PVDF纳米纤维膜裁切成1.0×1.0cm2的小片，然后在无水甲醇中浸泡20分钟，取出后用去离子水清洗多余的甲醇并保存在去离子水中备用；
步骤4：纳米纤维膜进行镀覆金；
第一次镀覆金，
将步骤3得到的纳米纤维膜浸泡在步骤1制备的金种子溶液中浸泡25分钟后取出；
步骤5：第二次镀覆金，
向7mL的去离子水中加入8％的聚乙烯吡咯烷酮溶液1000μL、25mM的氯金酸溶液500μL以及25mM的碘化钾溶液600μL，搅拌得到溶液A，将第一次镀覆金后的纳米纤维膜置于溶液A中，加入20mM的抗坏血酸溶液600μL，再搅拌后取出纳米纤维膜，清洗纳米纤维膜并在50℃下烘干，得到导电纳米纤维膜。
实施例4
本发明提供一种导电纳米纤维膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备金种子溶液；
向11mL去离子水中加入25mM的柠檬酸钠200μL、22mM的氯金酸溶液200μL，搅拌并加入120mM的硼氢化钠溶液500μL，反应进行4分钟后得到金种子溶液；
步骤2：制备PVDF纳米纤维膜；
以DMF为溶剂，配制10ml的纺丝溶液，其中PVDF浓度为12％，在50℃下水浴加热搅拌6小时，之后将溶液加入到10mL的注射器中进行纺丝，针头与接收辊间距15cm，溶液进给速度0.5mL/h，纺丝电压为+16KV，-4KV，接收辊转速100rpm，纺丝6小时得到PVDF纳米纤维膜。
步骤3：将PVDF纳米纤维膜裁切成1.0×1.0cm2的小片，然后在无水甲醇中浸泡20分钟，取出后用去离子水清洗多余的甲醇并保存在去离子水中备用；
步骤4：纳米纤维膜进行镀覆金；
第一次镀覆金，
将步骤3得到的纳米纤维膜浸泡在步骤1制备的金种子溶液中浸泡28分钟后取出；
步骤5：第二次镀覆金，
向6mL的去离子水中加入5％的聚乙烯吡咯烷酮溶液900μL、25mM的氯金酸溶液500μL以及25mM的碘化钾溶液600μL，搅拌得到溶液A，将第一次镀覆金后的纳米纤维膜置于溶液A中，加入20mM的抗坏血酸溶液500μL，再搅拌后取出纳米纤维膜，清洗纳米纤维膜并在53℃下烘干，得到导电纳米纤维膜。
实施例5
本发明提供一种导电纳米纤维膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备金种子溶液；
向9mL去离子水中加入18mM的柠檬酸钠180μL、22mM的氯金酸溶液180μL，搅拌并加入95mM的硼氢化钠溶液350μL，反应进行3分钟后得到金种子溶液；
步骤2：制备PVDF纳米纤维膜；
以DMF为溶剂，配制10ml的纺丝溶液，其中PVDF浓度为10％，在50℃下水浴加热搅拌6小时，之后将溶液加入到10mL的注射器中进行纺丝，针头与接收辊间距15cm，溶液进给速度0.5mL/h，纺丝电压为+16KV，-4KV，接收辊转速100rpm，纺丝6小时得到PVDF纳米纤维膜。
步骤3：将PVDF纳米纤维膜裁切成1.0×1.0cm2的小片，然后在无水甲醇中浸泡13分钟，取出后用去离子水清洗多余的甲醇并保存在去离子水中备用；
步骤4：纳米纤维膜进行镀覆金；
第一次镀覆金，
将步骤3得到的纳米纤维膜浸泡在步骤1制备的金种子溶液中浸泡17分钟后取出；
步骤5：第二次镀覆金，
向6mL的去离子水中加入5％的聚乙烯吡咯烷酮溶液800μL、22mM的氯金酸溶液300μL以及22mM的碘化钾溶液400μL，搅拌得到溶液A，将第一次镀覆金后的纳米纤维膜置于溶液A中，加入12mM的抗坏血酸溶液550μL，再搅拌后取出纳米纤维膜，清洗纳米纤维膜并在48℃下烘干，得到导电纳米纤维膜。
本发明一种导电纳米纤维膜的制备方法，通过化学镀方法在通过静电纺丝技术制备的柔性纳米纤维膜上镀覆一层金作为导电层，其导电层镀覆均匀且不易脱落。导电纳米纤维膜具有纤维分明且层次交错的微观结构，作为压力传感器的传感元件，使得压力传感器具有较高的灵敏性和较宽的响应范围。
