一种柔性可穿戴式应变传感器及其制备方法与流程

本发明涉及柔性电子与传感器技术领域，特别是指一种柔性可穿戴式应变传感器及其制备方法。

背景技术：

随着智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器在人体健康监测方面发挥着至关重要的作用，而柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点，并且能够通过实时监测脉搏、心跳、体温、肌肉群震动等人体健康生理指标，对人体健康数据变化及时做出反馈，甚至实现疾病的前期预防和诊断，使其成为最受关注的电学传感器之一。大量的具有特殊设计结构的应变传感器被开发，但是这种复杂的设计导致制造技术中的困难呈指数式增长，导致它们在商业应用中非常困难。因此，在没有性能损失的情况下，器件结构的简化将是优先考虑的。因此设计一种适合穿戴的应变传感器，具有轻便性，一致性和便携性，使其能够贴合人体，准确地测量连续人体运动检测，生理测量和疾病诊断，且适合长期佩戴使用，是本发明需要解决的问题。

静电纺纳米纤维纱线具有尺寸小、比表面积大、孔隙率高、取向度好、抗拉强度大、易于二次加工的优点，由纳米纤维纱线构成的传感器具有明显优势和广阔发展前景。首先，纳米纱线是由纳米纤维构成，纱线会保持原有纳米纤维比表面积大的优势；其次，纳米纱线克服了传统纳米纤维膜力学性能弱的缺点，强力明显提高，并可以进一步编织、复合、功能化，可以制成各种结构材料、复合材料、特殊功能材料，织造不同结构的二维或三维的织物，实现将无规则或取向纳米纤维等纳米材料向宏观材料的转变，可以提高材料功能稳定性，以及所制备材料的使用寿命。本发明通过先前报道的共轭静电纺成纱技术制备连续的纳米纤维纱线，然后在纱中纤维表面原位聚合包覆一层导电聚合物，将获得的导电纳米纤维纱线螺旋缠绕到弹性长丝的表面，将获得螺旋复合纱线进一步整合封装制得应变传感器，具有高的可编织性和可集成性。

技术实现要素：

本发明提出一种柔性可穿戴式应变传感器及其制备方法，解决了现有传感器功能不稳定、使用寿命短的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种柔性可穿戴式应变传感器，所述传感器包括两条交叉的螺旋复合纱线，每条螺旋复合纱线的一端粘有铜胶带，两个铜胶带分别与铜导线相连，两条交叉的螺旋复合纱线上下两侧均黏贴pdms弹性膜；所述传感器的长度不小于35mm。

所述螺旋复合纱线的制备方法为：将纳米纤维通过共轭静电纺成纱技术制备连续的纳米纤维纱线，然后在纱中纤维表面原位聚合包覆一层聚吡咯导电聚合物，将获得的导电纳米纤维纱线螺旋缠绕到弹性长丝的表面，完成螺旋复合纱线的制备。

所述纳米纤维的直径为100-300nm的聚丙烯腈纤维，聚丙烯腈的分子量不小于100000；纳米纤维纱线的直径为300-650μm。

所述的柔性可穿戴式应变传感器的制备方法，步骤如下：

（1）将氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺溶液中，密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；

（2）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到步骤（1）得到的氧化石墨烯溶液中，于40-80℃下搅拌3-8h，得到纺丝溶液；

（3）将步骤（2）得到的纺丝溶液加入到注射泵中制备得到连续的纳米纤维纱线；

（4）将步骤（3）得到的纳米纤维纱线浸泡在三氯化铁溶液中，处理30-100min，然后再浸泡在吡咯溶液中于0℃下处理1-5h，取出后用去离子水清洗，然后置于30-90℃的真空烘箱中干燥，得到导电纳米纤维纱线；

（5）将经步骤（4）制得的导电纳米纤维纱线螺旋缠绕于弹性长丝上，得到螺旋复合纱线；

（6）取两条螺旋复合纱线，将其一端分别固定铜胶带，交叉后置于两层pdms弹性膜之间，然后将铜导线分别与铜胶带相连后伸出pdms（聚二甲基硅氧烷）弹性膜，完成柔性可穿戴式应变传感器的制备。

所述步骤（2）中聚丙烯腈和氧化石墨烯的质量比为1：（0-0.05）；所述纺丝溶液聚丙烯腈的质量分数为8-15%。

所述步骤（3）中静电纺丝的条件为：电压为15-25kv，纺丝溶液总流量为0.5-0.9ml/h，针头的数目为4个，正负针头溶液流量比1:0.3-1，正负针头间的距离13-17.5cm。

所述步骤（4）中三氯化铁溶液和吡咯溶液的浓度均为50-80mol/l。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明通过共轭静电纺成纱技术制备连续的纳米纤维纱线，然后在纱中纤维表面原位聚合包覆一层导电聚合物，得到导电纳米纤维纱。在此基础上，将获得的导电纳米纤维纱线螺旋缠绕到弹性长丝的表面，进一步在螺旋复合纱线表面复合带有铜丝的凝胶膜制得柔性纱线应变传感器。结果表明，该柔性纱线应变传感器在肢体运动监测，表情变化，人体脉搏，以及甲醛等气体检测等方面的应用具有实用性，在穿戴式传感器和电子皮肤方面显示出巨大的潜力。

（2）本发明采用的导电纳米纤维纱由直径为100-300nm的纳米纤维构成，通过掺杂go显著改善纺丝液的导电性，得到更细更均匀的纳米纤维，纳米纤维通过在高压电场力的作用下不断分化和拉伸高聚物溶液或熔体获得，聚合物为掺氧化石墨烯的聚丙烯腈（go-dopedpan）；将静电纺丝技术与原位化学氧化聚合法相结合，制备具有纳米结构的导电纳米纤维纱线，并应用于可穿戴电子皮肤，提高传统纺织品的附加值。

（3）本发明制备应变传感器具有较好的力学自适应性，且灵敏度较高，可实现真正意义上的可穿戴传感器，结构创新，制作过程简单，成本低廉易操作。

附图说明

图1为静电纺丝装置示意图，1-注射泵、2-输液管、3-针头、4-金属喇叭、5-电机、6-卷绕装置。

图2为应变传感的实物图，7-铜导线、8-螺旋复合纱线、9-pdms弹性膜、10-铜胶带。

图3为螺旋复合纱线、导电纱线、及单根纤维的电镜图片，其中a为螺旋复合纱线，b为导电纱线，c、d为单根纤维的电镜图片。

图4实施例1中应变传感器在不同应变下的灵敏度。

图5为单根纤维在不同放大倍数下的电镜图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的柔性可穿戴式应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺（dmf）溶液中，密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；

（2）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到步骤（1）的溶液中，在80℃下搅拌3h，得到聚丙烯腈质量分数为10%的纺丝溶液，所述的聚丙烯腈的分子量为150000；聚丙烯腈与氧化石墨烯的质量比为1:0.01；

（3）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（2）中的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为20kv，纺丝溶液总流量为0.8ml/h，正负针头间的距离15cm，针头的数目为4个，正负针头溶液流量比1:0.3，针头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm，卷绕速度35mm/min；

（4）将步骤（3）中制备的纳米纤维纱线浸泡在浓度为75mol/l的三氯化铁（fecl3）溶液中30min；

（5）将步骤（4）中的纳米纤维纱线浸泡在浓度为75mol/l的吡咯（py）溶液中于0℃下处理2h，取出后用去离子水清洗，然后置于60℃的真空烘箱中干燥；

（6）将步骤（5）中的导电纳米纤维纱线，螺旋缠绕到弹性长丝上，得到螺旋复合纱线；

（7）取两条螺旋复合纱线，将其一端分别固定铜胶带，交叉后置于两层pdms弹性膜之间，然后将铜导线分别与铜胶带相连后伸出pdms（聚二甲基硅氧烷）弹性膜，完成柔性可穿戴式应变传感器的制备。

图2是应变传感的实物图片。螺旋复合纱线、导电纱线、纤维束及单根纤维的表面形态结构的电镜照片如图3所示，由图3可以看出，螺旋复合纱线的螺旋结构密集且均匀，导电纱线取向良好，且ppy在go-dopedpan纳米纤维表面包覆均匀。图4是应变传感器在不同应变下的灵敏度。由图4可看出，制备的应变传感器显示了超高的灵敏度以及较宽的传感范围，

实施例2

本实施例的柔性可穿戴式应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺（dmf）溶液中，密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；

（2）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到步骤（1）的溶液中，在50℃下搅拌6h，得到聚丙烯腈质量分数为8%的纺丝溶液，所述的聚丙烯腈的分子量为100000，聚丙烯腈与氧化石墨烯的质量比为1:0.03；

（3）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（2）中的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为17kv，纺丝溶液总流量为0.5ml/h，正负针头间的距离17cm，针头的数目为4个，正负针头溶液流量比1:1，针头距离喇叭口边缘的垂直距离5cm，卷绕速度30mm/min；

（4）将步骤（3）中制备的纳米纤维纱线浸泡在浓度为55mol/l的三氯化铁（fecl3）溶液中50min；

（5）将步骤（4）中的纳米纤维纱线浸泡在浓度为50mol/l的吡咯（py）溶液中于0℃下处理3h，取出后用去离子水清洗，然后置于60℃的真空烘箱中干燥；

（6）将步骤（5）中的导电纳米纤维纱线，螺旋缠绕到弹性长丝上，得到螺旋复合纱线；

（7）取两条螺旋复合纱线，将其一端分别固定铜胶带，交叉后置于两层pdms弹性膜之间，然后将铜导线分别与铜胶带相连后伸出pdms（聚二甲基硅氧烷）弹性膜，完成柔性可穿戴式应变传感器的制备。

实施例3

本实施例的柔性可穿戴式应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在60℃下搅拌4h，得到质量分数为12%的聚丙烯腈溶液作为纺丝液，所述的聚丙烯腈的分子量为150000；

（2）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（1）中的聚丙烯腈溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为20kv，纺丝溶液总流量为0.8ml/h，正负针头间的距离15cm，针头的数目为4个，正负针头溶液流量比1:0.7，针头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm，卷绕速度35mm/min；

（3）将步骤（2）中制备的纳米纤维纱线浸泡在浓度为75mol/l的三氯化铁（fecl3）溶液中30min；

（4）将步骤（3）中的纳米纤维纱线浸泡在浓度为60mol/l的吡咯（py）溶液中于0℃下处理2h，取出后用去离子水清洗，然后置于60℃的真空烘箱中干燥；

（5）将步骤（4）中的导电纳米纤维纱线，螺旋缠绕到弹性长丝上，得到螺旋复合纱线；

（6）取两条螺旋复合纱线，将其一端分别固定铜胶带，交叉后置于两层pdms弹性膜之间，然后将铜导线分别与铜胶带相连后伸出pdms（聚二甲基硅氧烷）弹性膜，完成柔性可穿戴式应变传感器的制备。

实施例4

本实施例的柔性可穿戴式应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌4h，得到质量分数为14%的聚丙烯腈溶液，所述的聚丙烯腈的分子量为150000；

（2）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（1）中的聚丙烯腈溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为22kv，纺丝溶液总流量为0.5ml/h，正负针头间的距离15cm，针头的数目为4个，正负针头溶液流量比1:0.8，针头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm，卷绕速度35mm/min；

（3）将步骤（2）中制备的纳米纤维纱线浸泡在浓度为65mol/l的三氯化铁（fecl3）溶液中80min；

（4）将步骤（3）中的纳米纤维纱线浸泡在浓度为65mol/l的吡咯（py）溶液中于0℃下处理5h，取出后用去离子水清洗，然后置于60℃的真空烘箱中干燥；

（5）将步骤（4）中的导电纳米纤维纱线，螺旋缠绕到弹性长丝上，得到螺旋复合纱线；

（6）取两条螺旋复合纱线，将其一端分别固定铜胶带，交叉后置于两层pdms弹性膜之间，然后将铜导线分别与铜胶带相连后伸出pdms（聚二甲基硅氧烷）弹性膜，完成柔性可穿戴式应变传感器的制备。

实施例5

本实施例的柔性可穿戴式应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺（dmf）溶液中，密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；

（2）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到步骤（1）的溶液中，在80℃下搅拌3h，得到聚丙烯腈质量分数为10%的纺丝溶液，所述的聚丙烯腈的分子量为150000；聚丙烯腈与氧化石墨烯的质量比为1:0.05；

（3）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（2）中的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为25kv，纺丝溶液总流量为0.9ml/h，正负针头间的距离17.5cm，针头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm，卷绕速度35mm/min；

（4）将步骤（3）中制备的纳米纤维纱线浸泡在浓度为80mol/l的三氯化铁（fecl3）溶液中100min；

（5）将步骤（4）中的纳米纤维纱线浸泡在浓度为80mol/l的吡咯（py）溶液中于0℃下处理5h，取出后用去离子水清洗，然后置于90℃的真空烘箱中干燥；

（6）将步骤（5）中的导电纳米纤维纱线，螺旋缠绕到弹性长丝上，得到螺旋复合纱线；

（7）取两条螺旋复合纱线，将其一端分别固定铜胶带，交叉后置于两层pdms弹性膜之间，然后将铜导线分别与铜胶带相连后伸出pdms（聚二甲基硅氧烷）弹性膜，完成柔性可穿戴式应变传感器的制备。

实施例6

本实施例的柔性可穿戴式应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺（dmf）溶液中，密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；

（2）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到步骤（1）的溶液中，在80℃下搅拌3h，得到聚丙烯腈质量分数为8%的纺丝溶液，所述的聚丙烯腈的分子量为150000；聚丙烯腈与氧化石墨烯的质量比为1:0.04；

（3）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（2）中的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为15kv，纺丝溶液总流量为0.5ml/h，正负针头间的距离13cm，针头的数目为4个，正负针头溶液流量比1:0.4，针头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm，卷绕速度35mm/min；

（4）将步骤（3）中制备的纳米纤维纱线浸泡在浓度为80mol/l的三氯化铁（fecl3）溶液中30min；

（5）将步骤（4）中的纳米纤维纱线浸泡在浓度为80mol/l的吡咯（py）溶液中于0℃下处理1h，取出后用去离子水清洗，然后置于30℃的真空烘箱中干燥；

（6）将步骤（5）中的导电纳米纤维纱线，螺旋缠绕到弹性长丝上，得到螺旋复合纱线；

（7）取两条螺旋复合纱线，将其一端分别固定铜胶带，交叉后置于两层pdms弹性膜之间，然后将铜导线分别与铜胶带相连后伸出pdms（聚二甲基硅氧烷）弹性膜，完成柔性可穿戴式应变传感器的制备。

因此，本发明制备的柔性可穿戴式应变传感器，基于纳米纤维较大的比表面积和纳米纤维纱线优异的力学性能特点，当受到外力刺激时，传感器显示了超高的灵敏度以及较宽的传感范围。已成功应用于人体运动检测，肢体运动监测，表情变化，人体脉搏，以及甲醛等气体检测等方面的应用具有较高的实用性，在穿戴式传感器和电子皮肤方面显示出巨大的潜力。此外，本发明的结构创新其简化，制作过程简单，成本低廉可控操作，有利于向大规模商业化方向发展。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。