一种全可降解柔性压力传感器及其制备方法

本发明属于柔性电子与传感器，具体涉及一种基于梯度分层互锁复合电极和核-壳分级多孔压敏介电层的全可降解柔性压力传感器及其制备方法，适用于人体生理监测、电子皮肤、智能床垫压力阵列、人机交互等场景。

背景技术：

1、随着物联网、人工智能及生物医疗技术的飞速发展，柔性压力传感器作为核心感知元件，在智能穿戴设备、电子皮肤、健康监测及人机交互等领域展现出巨大的应用潜力。传统的刚性传感器因无法适应曲面及动态表面，难以满足高贴合度与舒适性的需求。因此，开发兼具高灵敏度、良好柔韧性及环境稳定性的柔性传感材料成为当前研究的热点。

2、现有生物质基压力传感器虽采用纤维素、秸秆等天然原料，但仍存在两大关键缺陷：首先，导电电极性能缺陷。目前公开的石墨烯/再生纤维素电极均采用石墨烯与纤维素单一配比共混、单次流延单层薄膜结构，无法兼顾力学性能与传感灵敏度：石墨烯添加量低时导电网络稀疏，微弱压力下电流信号微弱；石墨烯添加量过高薄膜脆性大，反复弯折、压缩后易开裂失效。且现有双层导电膜均为两张独立薄膜制备完成后粘接组装，层间易滑移，界面电阻波动大，传感器重复性差；同时常规体系仅采用柠檬酸作为交联剂，石墨烯片与纤维素基体界面结合弱，湿热环境下导电网络易断裂，石墨烯团聚问题难以根除。其次，压敏介电层结构单一。现有秸秆、丝瓜络、竹基碳敏感层均为连续均质多孔碳海绵，孔洞尺寸单一，仅依靠孔隙接触变化单一力电转换机制，压力线性区间窄，低压灵敏度不足、高压易饱和；均质碳海绵压缩回弹滞后严重，上千次循环后内部孔隙永久坍塌，器件使用寿命短，无法实现宽压力范围稳定检测。同时，现有器件仅简单采用电极和均质介电层三明治结构，电极与碳介电层直接贴合，受压后二者易粘连，长期使用信号漂移明显。

3、针对上述现有技术缺陷，本发明分别对导电电极、压敏介电层进行结构改造，提供一种全可降解柔性压力传感器及其制备方法，全部原料取自玉米秸秆，全程无高毒溶剂、低能耗绿色制备，器件无石油基、金属不可降解组分，自然环境下可完全微生物降解。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种全可降解柔性压力传感器及其制备方法，能够解决传统石墨烯/再生纤维素单层电极难以兼顾力学强度与导电性能、石墨烯易团聚、粘接式双层膜易滑移，以及均质生物质碳海绵力电转换机理单一、线性检测区间窄、多次压缩后孔隙易坍塌等缺陷。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、（一）本发明提供一种全可降解柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将玉米秸秆外皮粉末溶解在溶剂中，离心取上清，得到再生纤维素原液；

5、s2、通过将再生纤维素原液与石墨烯、植酸混合，分别制备低石墨烯底层浆料和高石墨烯表层浆料；将低石墨烯底层浆料刮涂于玻璃板，烘干至微粘状态，接着在底层表面刮涂高石墨烯表层浆料，表层和底层之间形成互渗过渡层；将整体薄膜进行凝固处理，得到梯度分层复合电极；

6、s3、将玉米秸秆内芯粉碎、烘干并过筛，得到粗纤维和细粉，将细粉制备成纳米纤维素悬浮液，将粗纤维制备成粗纤维悬浮液；将粗纤维悬浮液中加入柠檬酸，得到可成型水凝胶；将可成型水凝胶制备成多个纤维素微球，在纤维素微球半干后将其浸入纳米纤维素悬浮液中进行包覆，冷冻干燥后获得核-壳纤维素前驱微球；将核-壳纤维素前驱微球进行热处理，得到多孔核壳碳微球；将多孔核壳碳微球与再生纤维素原液混合入模，冷冻干燥后，得到压敏介电层；

7、s4、将梯度分层复合电极、多孔再生纤维素隔离隔膜、压敏介电层、多孔再生纤维素隔离隔膜和梯度分层复合电极依次排布组装，得到全可降解柔性压力传感器。

8、进一步地，步骤s1中，所述溶剂是naoh和尿素的低温水溶液，温度为-15~-10℃；其中，naoh、尿素和水的质量比为6~8:10~14:78~84，优选为7:12:81。

9、进一步地，步骤s2中，所述低石墨烯底层浆料的制备方法为：取再生纤维素原液，加入该原液中纤维素干重1.5~3%的石墨烯和0.8%的植酸，搅拌并超声分散，得到低石墨烯底层浆料；所述高石墨烯表层浆料的制备方法为：取再生纤维素原液，加入该原液中纤维素干重7~10%的石墨烯和1%的植酸，搅拌并超声分散，得到高石墨烯表层浆料。

10、进一步地，步骤s2中，所述将整体薄膜进行凝固处理，具体为：将刮涂后的整体薄膜置入稀硫酸溶液中凝固，随后水洗，干燥，得到梯度分层复合电极。

11、进一步地，步骤s3中，所述纳米纤维素悬浮液的制备方法为：配制质量分数为6%~10%的氢氧化钠水溶液，将细粉加入氢氧化钠水溶液中，在85℃~95℃的水浴锅中恒温搅拌1.5~2 h；反应结束后，收集固体残渣，清洗至中性，烘干得到纤维素干粉；取纤维素干粉加水，在300~400 rpm下球磨2~4 h，球磨结束后过滤，将过滤得到的悬浮液进行离心处理，收集上清液，得到纳米纤维素悬浮液。

12、进一步地，步骤s3中，所述可成型水凝胶的制备方法为：将粗纤维与去离子水混合，得到3~5 wt%悬浮液，添加与粗纤维同质量的柠檬酸，磁力搅拌2~4 h得到可成型水凝胶。

13、进一步地，步骤s3中，所述纤维素微球的制备方法为：将可成型水凝胶置入恒速滴球装置，通过恒速滴球装置将凝胶液匀速滴入低温水浴中，液滴遇冷水快速凝固，形成实心纤维素微球。

14、进一步地，步骤s3中，所述热处理方法为：在惰性气氛下，将核-壳纤维素前驱微球以2~3 ℃/min升温至280~350 ℃保温1~2 h，再升温至 600~700 ℃保温2~3 h，随炉冷却，得到多孔核壳碳微球。

15、进一步地，步骤s3中，多孔核壳碳微球与再生纤维素原液的质量体积比为3w/v%。

16、（二）本发明还提供了以上所述的制备方法获得的全可降解柔性压力传感器。

17、本发明的有益效果是：

18、本发明提出一种全生物质基全可降解梯度分层复合电极柔性压力传感器及其绿色制备工艺，通过分步半干刮涂一体化成型的梯度分层互锁石墨烯/再生纤维素电极搭配核-壳分级多孔玉米秸秆碳微球压敏介电层，辅以多孔再生纤维素隔离隔膜的夹层结构设计，无需石油基高分子、金属电极与复杂微纳加工流程，从根源解决单层电极强度与导电性难以兼顾、石墨烯团聚、双层膜界面滑移，以及均质碳海绵力敏机理单一、线性区间窄、循环易坍塌等行业难题；整套制备工艺低能耗、无有毒化学试剂，全部原料取自玉米秸秆，器件废弃后可自然完全生物降解。隔膜结构可进一步优化器件长期循环稳定性，制备流程简单，易规模化生产，在人体生理监测、电子皮肤、智能体压检测、一次性医用传感等绿色可穿戴电子领域具备重要理论研究价值与产业化应用前景。

1.一种全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的全可降解柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，

10.权利要求1~9任意一项所述制备方法获得的全可降解柔性压力传感器。