一种高性能纤维基拉伸传感器及其制备方法
本发明涉及吸盘，尤其涉及一种高性能纤维基拉伸传感器及其制备方法。
背景技术：
1、拉伸应变传感器是一种基于测量物体受力变形产生的应变的传感器。通常，将应变转换成电信号来测量应变。随着互联网和智能终端的快速发展，拉伸应变传感技术也得到了快速发展。已广泛应用于人体健康诊断、人体运动监测、智能机器人、电子皮肤、触摸屏等领域。传统的拉伸应变传感器大多由金属或半导体材料构成，它们的应变传感范围宽，灵敏度高，但也存在柔韧性、耐用性较差的问题。与传统的应变传感器相比，柔性拉伸应变传感器采用聚合物作为柔性基体，高度可拉伸和可变形的，并且耐用性高，可以灵活地监测人体运动。随着应用环境的日益复杂，对具有柔性应变传感器的需求日益迫切，柔性应变传感器成为研究热点。
2、由于大多数柔性基体不导电，所以柔性应变传感器通常由聚合物基体和导电填料通过特定加工方法制成。有效的导电填料可以形成有效的导电路径并增加传感器的导电性。目前填料的选择可以分为以下几种：纯金属填料、碳填料，以及复合导电填料。但是，无机填料很难均匀地分散在有机聚合物中，因此，很难形成导电网络结构，且添加导电填料影响传感器机械性能和传感器应变范围。
3、公开号为cn117146696a的发明专利提供了一种纤维状柔性应变传感器及其制备方法和应用。所述传感器包括弹性纤维、复合导电材料；其中弹性纤维表面负载复合导电材料。其制备包括：(1)将导电纳米材料、硅烷偶联剂、分散剂混合，分散，得到导电墨水；(2)将导电墨水喷涂到羟基化处理的弹性纤维表面，室温静置，得到纤维状柔性应变传感器。通过在纤维状柔性应变传感器的传感层引入脆性物质，使其在拉应力下更易产生裂纹，有效提高了传感器的灵敏度。所制备的纤维传感器能够检测局部区域的微小应变。但是，该传感器存在导电材料不易分散的技术问题。
4、公开号为cn108560250a的发明专利提供了一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用。导电纤维由作为导电层的金属纳米线、作为保护层的电纺聚合物纳米纤维膜和作为弹性载体的弹性纱线构成；制备过程中首先采用静电纺丝技术在弹性纱线表面包覆一层聚合物纳米纤维膜，然后再金属纳米线通过多次浸涂而沉积在其表面结构上。但是，该传感器存在导电材料容易脱落的技术问题。
5、有鉴于此，有必要设计一种改进的高性能纤维基拉伸传感器及其制备方法，以解决上述问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种高性能纤维基拉伸传感器及其制备方法。
2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其包括如下步骤：
3、s1，导电溶液的制备：将导电材料加入到第一溶剂中，再加入分散剂，然后将混合溶液进行粉碎处理，制备出质量分数为0.1~10%的导电溶液；
4、s2，柔性聚合膜的制备：将柔性聚合物加入到第二溶剂中，搅拌2~5 h，制备出浓度为20%~25%的静电纺丝液，然后进行静电纺丝，制备得到由柔性聚合物纳米纤维相互交错而成的柔性聚合物膜；
5、s3，纤维丝的制备：将导电溶液喷涂在柔性聚合物膜上，得到由导电层和柔性聚合物膜复合而成的复合薄膜，干燥后将导电金属丝分别置于导电层上的对立两端，然后以对立两端导电金属丝的连接线为轴线，将复合薄膜卷成纤维丝；在该纤维丝中，导电层被卷在内部，并且在纤维丝的两端分别设置有导电金属丝；
6、s4，高性能纤维基拉伸传感器的制备：将纤维丝在100~300℃下加热0.5~2 h除去溶剂，并使纤维丝外层的柔性聚合物纳米纤维熔融黏合，制备得到内部含有导电网络的弹性导电纤维，即为高性能纤维基拉伸传感器。
7、作为本发明的进一步改进，所述导电材料为银粉、铜粉、银纳米线、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、石墨烯负载氧化铁、镀镍玻璃纤维、镀银玻璃微球中的一种或几种混合。
8、作为本发明的进一步改进，所述第一溶剂为水、乙醇、丙酮、四氢呋喃、n，n-二甲基甲酰胺、n，n-二甲基乙酰胺、1，4-二氧六环、甲苯、丁酮、二氯甲烷、氯仿中的一种或几种混合。
9、作为本发明的进一步改进，所述分散剂为三乙基乙基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种混合；所述分散剂的用量为导电材料质量的1~10%。
10、作为本发明的进一步改进，所选柔性聚合物为弹性聚氨酯、弹性聚烯烃、弹性聚酯中的一种或多种组合；所述导电金属丝为铜丝、银丝、金丝中的一种或多种组合。
11、作为本发明的进一步改进，所述第二溶剂为n，n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二氯乙烷、氯苯、环己酮、氯苯、环氧丙烷中的一种或几种组合。
12、作为本发明的进一步改进，步骤s3中，导电溶液喷涂的面积占静电纺丝柔性聚合物膜的1~100%；步骤s3中，导电溶液喷涂参数为2×10-4~10-2g/cm2。
13、作为本发明的进一步改进，步骤s1中，粉碎处理的工艺为：将混合溶液置于细胞粉碎机中，在300~400w下粉碎0.5~2 h。
14、作为本发明的进一步改进，步骤s2中，静电纺丝工艺为：正压15~20 kv、负压-2kv、流量为0.5~1.0 ml/h；所述柔性聚合物膜的厚度为32.84~41.80μm；纳米纤维直径为0.29~0.85μm ，孔隙率为65~80% 。
15、为实现上述发明目的，本发明还提供了上述高性能纤维基拉伸传感器的制备方法制备而得到的高性能纤维基拉伸传感器，其直径为0.8~1.3mm；导电性能为gfs=7-110；拉伸性能为15~20 mpa ；应变性能为300%~700%。
16、本发明的有益效果是：
17、1、本发明提供的高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，将导电材料喷涂到柔性聚合物静电纺丝薄膜上，形成复合薄膜后，再将导电材料层卷在内侧，经过熔融粘合后最终形成纤维丝的工艺，不仅提高了应变传感器的柔韧性和耐用性，还解决了无机导电填料分散在有机聚合物中存在的不均匀分散的技术问题，同时也解决了添加导电填料会影响传感器的机械性能和应变范围的问题。由于静电纺丝柔性聚合物膜的纳米纤维相互交错形成三维孔隙结构，更容易和导电材料结合起来，形成导电通路。此外，由于导电材料卷在纤维膜内侧，可以有效地防止导电网络结构被破坏，从而使电信号的变化更加稳定。
18、2、本发明提供的高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，该传感器将导电材料卷在内侧，通过熔融粘合处理，导电材料稳定分散负载在粘合的纳米纤维之间，形成封装结构，因此，该传感器无需额外进行封层，仅需使用少量导电材料，既节约了成本，又操作简单。这种传感器具有优异的性能和简单的制造工艺，具有广泛的应用前景。
19、3、本发明提供的高性能纤维基拉伸传感器，导电材料均与分散负载在熔融粘合的纳米纤维膜内部，结构简单，同时具备优异的传感性能、机械性能和应变性能，在人体健康诊断、人体运动监测、智能机器人、电子皮肤、触摸屏等技术领域具备应用前景。
技术特征：
1.一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述导电材料为银粉、铜粉、银纳米线、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、石墨烯负载氧化铁、镀镍玻璃纤维、镀银玻璃微球中的一种或几种混合。
3.根据权利要求1所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述第一溶剂为水、乙醇、丙酮、四氢呋喃、n，n-二甲基甲酰胺、n，n-二甲基乙酰胺、1，4-二氧六环、甲苯、丁酮、二氯甲烷、氯仿中的一种或几种混合。
4.根据权利要求1所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述分散剂为三乙基乙基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种混合；所述分散剂的用量为导电材料质量的1~10%。
5.根据权利要求1所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所选柔性聚合物为弹性聚氨酯、弹性聚烯烃、弹性聚酯中的一种或多种组合；所述导电金属丝为铜丝、 银丝、金丝、石墨烯纤维中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述第二溶剂为n，n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二氯乙烷、氯苯、环己酮、氯苯、环氧丙烷中的一种或几种组合。
7.根据权利要求1所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：步骤s3中，导电溶液喷涂的面积占静电纺丝柔性聚合物膜的1~100%；步骤s3中，导电溶液喷涂参数为2×10-4~2×10-2g/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：步骤s1中，粉碎处理的工艺为：将混合溶液置于细胞粉碎机中，在300~400w下粉碎0.5~2 h。
9.根据权利要求1所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法，其特征在于：步骤s2中，静电纺丝工艺为：正压15~20 kv、负压-1kv~-3kv、流量为0.5~1.0 ml/h；所述柔性聚合物膜的厚度为20~20μm；纳米纤维直径为0.1~1.5μm ，孔隙率为30~90%。
10.一种高性能纤维基拉伸传感器，其特征在于：采用权利要求1至9中任一项权利要求所述的一种高性能纤维基拉伸传感器的制备方法制备而成；
技术总结
本发明提供了一种高性能纤维基拉伸传感器及其制备方法。该制备方法采用将导电材料喷涂到柔性聚合物静电纺丝薄膜上，形成复合薄膜后，再将导电材料层卷在内侧，经过熔融粘合后最终形成纤维丝的工艺，不仅提高了应变传感器的柔韧性和耐用性，还解决了无机导电填料分散在有机聚合物中存在的不均匀分散的技术问题，同时也解决了添加导电填料会影响传感器的机械性能和应变范围的问题。该高性能纤维基拉伸传感器，结构简单，同时具备优异的传感性能、机械性能和应变性能，在人体健康诊断、人体运动监测、智能机器人、电子皮肤、触摸屏等技术领域具备应用前景。
技术研发人员：王栋,李沐芳,李倩倩,罗梦颖,钟卫兵,卿星,杨丽燕
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23