一种泡沫及其制备方法和应用

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[0003]
鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

[0004]
为解决

背景技术：
中的问题，本发明的第一目的在于提供一种泡沫及其制备方法，由胶原纤维支撑、具有三维纤维网络互连的定向层级结构（psdm-structure）。
[0005]
本发明的第二目的在于提供一种泡沫在制备压敏传感器中的应用，该压敏传感器在0.15-3.08 kpa的宽检测范围内具有高达27.95 kpa-1
的灵敏度。
[0006]
为了达到上述目的，本发明采用的第一个技术方案为：
一种泡沫，由胶原纤维支撑、具有三维纤维网络互连的定向层级结构（psdm-structure），是通过将胶原纤维分散于水中，加入交联剂反应后，冷冻干燥，得到的；其中，胶原纤维与交联剂的质量比为1:0.06-1:1.2。
[0007]
优选的，所述交联剂为乙二醇、乙二醇二缩水甘油醚、聚乙烯亚胺组成的混合物。
[0008]
本发明采用的第二个技术方案为：泡沫在制备压敏传感器中的应用，即第一个技术方案的泡沫在制备压敏传感器中的应用。
[0009]
优选的，制备压敏传感器的方法包含以下步骤：制备泡沫；对泡沫进行导电处理得到导电泡沫；将叉指电极构筑在泡沫上得到叉指电极泡沫；以及将叉指电极泡沫与导电泡沫组装。
[0010]
优选的，所述导电处理包含以下步骤：将泡沫浸泡于杨梅单宁溶液中反应，反应后干燥得到敏化泡沫；将敏化泡沫浸泡于硝酸银溶液中反应，反应后干燥得到活化泡沫；以及将活化泡沫浸泡于溶液a中反应，反应后干燥。
[0011]
优选的，所述溶液a的制备方法为：将五水硫酸铜和酒石酸钾钠溶于水中，再加入氢氧化钠、无水乙醇和甲醛反应得到。
[0012]
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：1、本发明提供的方法所制备的泡沫具有由胶原纤维支撑、具有三维纤维网络互连的定向层级结构(psdm structure)，在压力下，psdm结构能够在纳米和微米尺度发生跨尺度形变，以实现高灵敏度和宽检测范围。
[0013]
2、本发明提供的方法所制备泡沫中的柱状结构起到类似弹簧的作用，赋予泡沫良好的回弹性和机械性能。
[0014]
3、本发明提供的方法所制备的泡沫具有贯通孔的内部结构，有效提高了泡沫的透水汽性和穿戴舒适性。
附图说明
[0015]
图1为本发明实施例1制备的压敏传感器(b)与背景技术中压敏传感器(a)的灵敏度和线性范围图；图2为本发明实施例1制备的泡沫的场发射扫描电镜（fesem）图和实物图；图3为本发明实施例1制备的导电泡沫的fesem-eds元素面扫描图（fesem-eds mapping）图；图4为本发明实施例1制备的压敏传感器的实物图（a），配备有压敏传感器的口罩的实物图（b），配备有压敏传感器的椅子的实物图（c）；图5为本发明实施例1制备的叉指电极阵列泡沫（a）和压敏传感阵列的实物图（b）；图6为本发明实施例1制备的压敏传感器的稳定性图；图7为本发明实施例1制备的泡沫（a）和导电泡沫（b）的孔隙率图；图8为本发明实施例1制备的压敏传感器的透水汽性图；
structured foam的fesem-eds元素面扫描图（fesem-eds mapping）。
[0019]
将叉指电极绘制于psdm-structured foam上，干燥后即制得叉指电极泡沫。
[0020]
将上述conductive psdm-structured foam与叉指电极泡沫通过绝缘胶带粘合制得压敏传感器（其实物照片如图4a所示）。
[0021]
将4
×
4叉指电极阵列绘制于psdm-structured foam上，干燥后即制得叉指电极阵列泡沫（其实物照片如图5a所示）。
[0022]
将上述conductive psdm-structured foam与叉指电极阵列泡沫通过绝缘胶带粘合，制得压敏传感阵列（其实物照片如图5b所示）。
[0023]
将所制得的压敏传感器在chi66e电化学工作站上检测其灵敏度s（s=d（
△
i/i0）/dp），
△
i表示电流变化值，i0表示初始电流值，p表示压强）。如图1b所示，在0.15-3.08 kpa 的压力范围内其灵敏度s为27.95 kpa-1
。
[0024]
将所制得的压敏传感器在chi66e电化学工作站上进行稳定性检测。如图6所示，该压敏传感器在10000次加载-卸载循环后的电信号无明显改变，表现出良好的响应特性。
[0025]
将所制得的psdm-structured foam和conductive psdm-structured foam通过autopore iv 9500型压汞仪进行孔隙率测定，如图7所示为泡沫的孔隙率为92.42%，导电泡沫的孔隙率为90.10%。
[0026]
将所制得的conductive psdm-structured foam以及商业高分子膜聚二甲基硅氧烷（pdms）和聚醚酰亚胺（pei）通过w3/060型水蒸汽透过率测试仪测定它们的透过率以对比它们之间的透水透气性。如图8所示，psdm-structured foam的透过率为113.38 g mm m-2 h-1 kpa-1
,conductive psdm-structured foam的透过率为90.76 g mm m-2 h-1 kpa-1
，pdms的透过率为1.23 g mm m-2 h-1 kpa-1
, pei的透过率为0.99 g mm m-2 h-1 kpa-1
。
[0027]
将所制得的压敏传感器在chi66e电化学工作站上进行人体运动检测。将压敏传感器用绝缘胶带粘合至口罩内侧（其实物照片如图4b所示）进行呼吸监测。如图9所示，处于正常呼吸、深呼吸和快速呼吸状态时，电信号的强度和频率存在明显的区别，因此，该压敏传感器可用于检测人体呼吸；将压敏传感器用绝缘胶带粘合至手指、手腕和肘关节上（其实物照片如图10中插图所示）进行弯曲检测。如图10所示，电信号随手指、手腕和肘关节弯曲角度的增加不断增加；将压敏传感器用绝缘胶带粘合至鞋底上（其实物照片如图11a所示）进行步行和跳跃检测。如图11b-c所示，步行的频率为37.52 times min-1
、电信号强度为~1.8
×
10-3 a，而跳高的频率为85.72 times min-1
、电信号强度为~4.2
×
10-3 a；将压敏传感器用绝缘胶带粘合至椅子上（其实物照片如图4c所示）进行坐姿检测。如图12所示，当人体呈现不同坐姿（标准坐姿和非标准坐姿）时，其电信号强度完全不同。
[0028]
将所制得的压敏传感阵列在chi66e电化学工作站上进行压力检测。将中国象棋放置在压敏传感阵列上（其实物照片如图13a所示）进行压力分布检测，如图13b所示，当中国象棋位于传感阵列上的不同位点时，相应位置的电信号明显增加；将不同数量的中国象棋放置在压敏传感阵列上（其实物照片如图14a所示）进行压力分布检测，如图14b所示，相应位置的电信号随中国象棋数量的增加而增加；将国际象棋放置在压敏传感阵列上（其实物照片如图15a所示）进行压力分布检测，如图15b所示，电信号的强度依据国际象棋的重量和分布呈现明显的区别。
[0029]
实施例2
泡沫及压敏传感器的制备：将5.0 g废弃胶原纤维加入到50 ml水中于1000 rpm搅拌30 min后，再加入由0.10 g乙二醇、0.10 g乙二醇二缩水甘油醚、0.10 g聚乙烯亚胺组成的混合物，1000 rpm搅拌30 min后，通过冷冻干燥制得由胶原纤维支撑、具有三维纤维网络互连的定向层级结构的泡沫（psdm-structured foam）。
[0030]
将上述制得的psdm-structured foam在原子力显微镜下观察其形貌。如图16所示为该泡沫在不同放大倍数下的场发射扫描电镜（fesem）图，图中展示了泡沫具有明显的由胶原纤维支撑、具有三维纤维网络互联的层级结构（psdm-structured）。
[0031]
采用与实施例1相同的方法制备得到压敏传感器。所制得的压敏传感器采用与实施例1相同的检测方法，测得压敏传感器在0.15-3.84 kpa 的压力范围内其灵敏度s为25.43 kpa-1
。
[0032]
实施例3泡沫及压敏传感器的制备：将5.0 g废弃胶原纤维加入到50 ml水中于1000 rpm搅拌30 min后，再加入由0.50 g乙二醇、0.50 g乙二醇二缩水甘油醚、0.50 g聚乙烯亚胺组成的混合物，1000 rpm搅拌30 min后，通过冷冻干燥制得由胶原纤维支撑、具有三维纤维网络互连的定向层级结构的泡沫（psdm-structured foam）。
[0033]
将上述制得的psdm-structured foam在原子力显微镜下观察其形貌。如图17所示为该泡沫在不同放大倍数下的场发射扫描电镜（fesem）图，图中展示了泡沫具有明显的由胶原纤维支撑、具有三维纤维网络互联的层级结构（psdm-structured）。
[0034]
采用与实施例1相同的方法制备得到压敏传感器。所制得的压敏传感器采用与实施例1相同的检测方法，测得压敏传感器在0.15-3.47 kpa的压力范围内其灵敏度s为24.68 kpa-1
。
[0035]
对比例1将5.0 g废弃胶原纤维加入到50 ml水中于1000 rpm搅拌30 min后，通过冷冻干燥制得泡沫。
[0036]
将上述制得的泡沫在原子力显微镜下观察其形貌。如图18所示为该泡沫在不同放大倍数下的场发射扫描电镜（fesem）图，图中所展示泡沫的微观结构没有定向层级结构。
[0037]
对比例2将5.0 g废弃胶原纤维加入到50 ml水中于1000 rpm搅拌30 min后，再加入由2.0 g乙二醇、2.0 g乙二醇二缩水甘油醚，1000 rpm搅拌30 min后，通过冷冻干燥制得泡沫。
[0038]
将上述制得的泡沫在原子力显微镜下观察其形貌。如图19所示为该泡沫在不同放大倍数下的场发射扫描电镜（fesem）图，图中所展示泡沫的微观结构没有定向层级结构。
[0039]
对比例3将5.0 g废弃胶原纤维加入到50 ml水中于1000 rpm搅拌30 min后，再加入由2.0 g乙二醇、2.0 g聚乙烯亚胺组成的混合物，1000 rpm搅拌30 min后，通过冷冻干燥制得泡沫。
[0040]
将上述制得的泡沫在原子力显微镜下观察其形貌。如图20所示为该泡沫在不同放大倍数下的场发射扫描电镜（fesem）图，图中所展示泡沫的微观结构没有定向层级结构。
[0041]
对比例4将5.0 g废弃胶原纤维加入到50 ml水中于1000 rpm搅拌30 min后，再加入由2.0 g乙二醇二缩水甘油醚、2.0 g聚乙烯亚胺组成的混合物，1000 rpm搅拌30 min后，通过冷冻干燥制得泡沫。
[0042]
将上述制得的泡沫在原子力显微镜下观察其形貌。如图21所示为该泡沫在不同放大倍数下的场发射扫描电镜（fesem）图，图中所展示泡沫的微观结构没有定向层级结构。
[0043]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。