本发明属于电子皮肤的
技术领域：
，提供了一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料及制备方法。
背景技术：
：电子皮肤，又名新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性的被称为电子皮肤。相较于传统的刚性触觉传感器，电子皮肤更加轻薄柔软，可被加工成各种形状，像衣服一样附着在人体或者是机器人的身体表面，使其具备感觉和触觉。目前，电子皮肤已广泛用于人体生理参数检测和机器人柔性触觉传感器等领域。电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器。随着智能终端的普及，电子皮肤作为可穿戴设备在过去20年中得到蓬勃发展。许多新材料被开发用作电子皮肤的应变敏感材料，包括碳纳米管、石墨烯、金属和半导体纳米线、金属纳米颗粒、有机高分子材料等。然而，这些材料都有着自己的短板，强烈地限制了电子皮肤的实际应用。例如，通过化学气相沉积方法生长的石墨烯往往含有很多缺陷和杂质，并且由于温度的限制无法直接生长在柔性衬底上；金属纳米颗粒多是由贵金属组成，并且由于隧穿效应在监测应变时电阻会变得很大；金属和半导体纳米线价格昂贵且难以大规模集成；有机高分子材料力学性能与人体皮肤最为接近，但是其导电性太差，需要较大电压驱动，对于可穿戴设备而言能耗高且不安全。因此，寻找同时具备导电性好、柔性佳、灵敏度高、稳定、易加工等特点的应变敏感材料对电子皮肤的实际应用迫在眉睫。目前国内外在电子皮肤技术，尤其是电子皮肤柔性传感材料方面已取得了一定成效。其中李元庆等人发明了一种基于纤维素的柔性应力-应变敏感材料的制备方法（中国发明专利申请号201510853992.7），包括如下步骤如下：（1）将纤维素加入水中混合均匀，形成0.2~5wt％的水溶液；将上述水溶液冷冻干燥，制得纤维素气凝胶；（2）如上所述步骤（1）中所得纤维素气溶胶在真空或惰性气氛保护下，在600~1000℃的高温下进行裂解处理0.5~5小时，制得碳凝胶；（3）将上述碳凝胶中浇注pdms树脂，真空脱泡；树脂固化后，即得具有高灵敏度的柔性应力-应变敏感材料。另外，吕晓洲发明了一种基于仿生结构的柔性触-压觉传感器（中国发明专利申请号201510340535.8），包括表层衬底、表层感应电极、表层弹性层、驱动电极、底层弹性层、底层感应电极和底层衬底。表层衬底的上表面设置有应力收集突起，其下表面耦合有表层感应电极，表层弹性层的下表面耦合有驱动电极，上表面刻蚀有深度小于表层弹性层厚度的敏感空隙，该敏感空隙与应力收集突起和表层感应电极上下垂直对齐；底层衬底的上表面耦合有底层感应电极，表层衬底、表层弹性层、底层弹性层和底层衬底自上而下依次叠加。可见，现有技术中的用于电子皮肤的应变敏感材料，存在导电性不好，柔性不高，稳定性差，易脱落等问题，限制了电子皮肤的发展应用。技术实现要素：针对这种情况，我们提出一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料及制备方法，可有效提高传感器材料的柔性和稳定性，并且导电性好，应用前景广阔。为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料的制备方法，以聚乙二醇改性大豆纤维，然后浸渍于铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液中进行进一步改性，制得柔性应力传感纤维材料，制备的具体步骤如下：（1）先制备得到大豆纤维，然后用去离子水清洗以去除表面杂质，并置于空气中进行常温干燥，进一步浸渍于聚乙二醇溶液中，再沥干，制得聚乙二醇改性的大豆纤维；（2）将纳米铁基非晶合金材料和聚苯乙烯磺酸钠加入到去离子水中混合，超声分散并磁力搅拌均匀，制得铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液；（3）将步骤（1）制得的聚乙二醇改性的大豆纤维浸渍于步骤（2）制得的复合水溶液中，然后沥干，在大豆纤维的表面均匀包裹上铁基非晶合金材料，制得用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料。优选的，步骤（1）所述大豆纤维为黄大豆、青大豆、黑大豆中的至少一种制成，平均长度为70~150mm，平均直径为10~20μm。优选的，步骤（1）所述聚乙二醇溶液的质量浓度为30~50%。优选的，步骤（1）所述浸渍时间为1~2h。优选的，步骤（2）所述纳米铁基非晶合金材料的饱和磁感应强度为1.5t，剩余磁感应强度为0.5~1t，矫顽力为2~4a/m。优选的，步骤（2）所述复合水溶液中，纳米铁基非晶合金材料15~20重量份、聚苯乙烯磺酸钠5~10重量份、去离子水70~80重量份。优选的，步骤（2）所述超声分散的超声波功率为200~500w，频率为100~200khz。优选的，步骤（2）所述磁力搅拌的速度为200~400r/min，时间为20~40min。优选的，步骤（3）所述浸渍时间为3~5h。本发明创造性地通过聚苯乙烯磺酸钠中的磺酸基(-so3h)与聚乙二醇中的羟基(-oh)之间形成的氢键的作用机理，从而在大豆纤维基底上包裹铁基非晶合金材料，氢键结合促使铁基非晶合金材料和大豆纤维基底之间的界面间粘附作用增强，提高了柔性传感材料的稳定性，同时利用大豆纤维的高柔性，确保了传感器的柔性，而纳米铁基非晶合金材料使得传感器具有较好的导电性和灵敏度。本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料。该柔性应力传感纤维材料是先制备得到大豆纤维，然后用去离子水清洗大豆纤维以去除表面杂质，然后置于空气中常温干燥后，再浸渍于聚乙二醇溶液中沥干，得到聚乙二醇改性的大豆纤维，将纳米铁基非晶合金材料和聚苯乙烯磺酸钠加入到去离子水中混合并搅拌均匀，超声分散后再磁力搅拌得到铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液，最后将聚乙二醇改性的大豆纤维浸渍于上述得到的复合水溶液中，后沥干即在大豆纤维的表面均匀包裹上铁基非晶合金材料而制得。本发明提供了一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1.本发明制备的柔性应力传感纤维材料，综合性能优异，可广泛用于可穿戴电子皮肤中。2.本发明的制备方法，利用氢键显著增强了铁基非晶合金材料和大豆纤维基底之间的界面间粘附作用，使铁基非晶合金材料均匀紧密的结合在柔性的大豆纤维基底上，稳定性好、不易脱落。3.本发明的制备方法，以大豆纤维为基底，显著增强了传感器材料的柔性，而铁基非晶合金材料的加入确保了传感器材料的优异导电性能。具体实施方式以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。实施例1先由黄大豆制备得到平均长度为110mm、平均直径为16μm的大豆纤维，然后用去离子水清洗以去除表面杂质，并置于空气中进行常温干燥，进一步浸渍于质量浓度为38%的聚乙二醇溶液中1.5h，再沥干，制得聚乙二醇改性的大豆纤维；然后将17kg纳米铁基非晶合金材料和7kg聚苯乙烯磺酸钠加入到76kg去离子水中混合，纳米铁基非晶合金材料的饱和磁感应强度为1.5t，剩余磁感应强度为0.7t，矫顽力为3a/m，在功率为300w、频率为160khz的超声波下分散，并以290r/min的转速磁力搅拌29min，制得铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液；最后将聚乙二醇改性的大豆纤维浸渍于复合水溶液中4h，然后沥干，在大豆纤维的表面均匀包裹上铁基非晶合金材料，制得用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料。测试方法：将本发明制得的柔性应力传感纤维材料平铺成厚度为0.25的网，然后采用0.01mpa的冲击强度、频率为20hz冲击10min，观察纤维上铁基非晶合金材料脱落情况。所得数据如表1所示。实施例2先由青大豆制备得到平均长度为80mm、平均直径为12μm的大豆纤维，然后用去离子水清洗以去除表面杂质，并置于空气中进行常温干燥，进一步浸渍于质量浓度为35%的聚乙二醇溶液中2h，再沥干，制得聚乙二醇改性的大豆纤维；然后将16kg纳米铁基非晶合金材料和6kg聚苯乙烯磺酸钠加入到78kg去离子水中混合，纳米铁基非晶合金材料的饱和磁感应强度为1.5t，剩余磁感应强度为0.7t，矫顽力为2.5a/m，在功率为280w、频率为120khz的超声波下分散，并以250r/min的转速磁力搅拌35min，制得铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液；最后将聚乙二醇改性的大豆纤维浸渍于复合水溶液中3.5h，然后沥干，在大豆纤维的表面均匀包裹上铁基非晶合金材料，制得用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。实施例3先由黑大豆制备得到平均长度为130mm、平均直径为18μm的大豆纤维，然后用去离子水清洗以去除表面杂质，并置于空气中进行常温干燥，进一步浸渍于质量浓度为45%的聚乙二醇溶液中1h，再沥干，制得聚乙二醇改性的大豆纤维；然后将19kg纳米铁基非晶合金材料和9kg聚苯乙烯磺酸钠加入到72kg去离子水中混合，纳米铁基非晶合金材料的饱和磁感应强度为1.5t，剩余磁感应强度为0.9t，矫顽力为3.5a/m，在功率为400w、频率为180khz的超声波下分散，并以360r/min的转速磁力搅拌25min，制得铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液；最后将聚乙二醇改性的大豆纤维浸渍于复合水溶液中4.5h，然后沥干，在大豆纤维的表面均匀包裹上铁基非晶合金材料，制得用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。实施例4先由黄大豆制备得到平均长度为70mm、平均直径为10μm的大豆纤维，然后用去离子水清洗以去除表面杂质，并置于空气中进行常温干燥，进一步浸渍于质量浓度为30%的聚乙二醇溶液中2h，再沥干，制得聚乙二醇改性的大豆纤维；然后将15kg纳米铁基非晶合金材料和5kg聚苯乙烯磺酸钠加入到80kg去离子水中混合，纳米铁基非晶合金材料的饱和磁感应强度为1.5t，剩余磁感应强度为0.5t，矫顽力为2a/m，在功率为200w、频率为100khz的超声波下分散，并以200r/min的转速磁力搅拌40min，制得铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液；最后将聚乙二醇改性的大豆纤维浸渍于复合水溶液中3h，然后沥干，在大豆纤维的表面均匀包裹上铁基非晶合金材料，制得用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。实施例5先由青大豆制备得到平均长度为150mm、平均直径为20μm的大豆纤维，然后用去离子水清洗以去除表面杂质，并置于空气中进行常温干燥，进一步浸渍于质量浓度为50%的聚乙二醇溶液中1h，再沥干，制得聚乙二醇改性的大豆纤维；然后将20kg纳米铁基非晶合金材料和10kg聚苯乙烯磺酸钠加入到70kg去离子水中混合，纳米铁基非晶合金材料的饱和磁感应强度为1.5t，剩余磁感应强度为1t，矫顽力为4a/m，在功率为500w、频率为200khz的超声波下分散，并以400r/min的转速磁力搅拌20min，制得铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液；最后将聚乙二醇改性的大豆纤维浸渍于复合水溶液中5h，然后沥干，在大豆纤维的表面均匀包裹上铁基非晶合金材料，制得用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。实施例6先由黑大豆制备得到平均长度为120mm、平均直径为15μm的大豆纤维，然后用去离子水清洗以去除表面杂质，并置于空气中进行常温干燥，进一步浸渍于质量浓度为40%的聚乙二醇溶液中1.5h，再沥干，制得聚乙二醇改性的大豆纤维；然后将18kg纳米铁基非晶合金材料和7kg聚苯乙烯磺酸钠加入到75kg去离子水中混合，纳米铁基非晶合金材料的饱和磁感应强度为1.5t，剩余磁感应强度为0.8t，矫顽力为3a/m，在功率为350w、频率为150khz的超声波下分散，并以300r/min的转速磁力搅拌30min，制得铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液；最后将聚乙二醇改性的大豆纤维浸渍于复合水溶液中4h，然后沥干，在大豆纤维的表面均匀包裹上铁基非晶合金材料，制得用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。对比例1制备过程中，未使用聚乙二醇改性，其他制备条件与实施例6一致。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。对比例2制备过程中，未使用聚苯乙烯磺酸钠改性，其他制备条件与实施例6一致。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。表1：性能指标合金材料与基底粘附情况实施例1结合牢固，无分离现象实施例2结合牢固，无分离现象实施例3结合牢固，无分离现象实施例4结合牢固，无分离现象实施例5结合牢固，无分离现象实施例6结合牢固，无分离现象对比例1出现分离现象对比例2出现分离现象当前第1页12