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一種軟-硬段交錯(cuò)的纖維型柔性應(yīng)變傳感器及其制備方法

文檔序號(hào):42300879發(fā)布日期:2025-06-27 18:43閱讀:26來(lái)源:國(guó)知局

本發(fā)明屬于聚合物基柔性應(yīng)變傳感器,具體涉及一種軟-硬段交錯(cuò)的纖維型柔性應(yīng)變傳感器及其制備方法。


背景技術(shù):

1、柔性應(yīng)變傳感器作為一種能夠?qū)C(jī)械形變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能器件,在可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái),纖維型柔性應(yīng)變傳感器因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì),受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的薄膜型或塊狀柔性傳感器相比,纖維型傳感器具有優(yōu)異的柔韌性、可編織性和透氣性,能夠無(wú)縫集成到衣物或可穿戴設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)、呼吸、心跳等生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);同時(shí),其輕質(zhì)、透氣和舒適的特性使其適合長(zhǎng)時(shí)間佩戴。此外,纖維型傳感器易于通過(guò)成熟的紡絲工藝(如濕法紡絲、熔融紡絲)進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn),具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、適合大批量生產(chǎn)的顯著優(yōu)勢(shì)。

2、然而,盡管纖維型柔性應(yīng)變傳感器具有上述優(yōu)勢(shì),其性能仍面臨顯著挑戰(zhàn)。首先,現(xiàn)有纖維型傳感器多采用均一結(jié)構(gòu)或簡(jiǎn)單復(fù)合材料制備,其靈敏度受限于材料本身的力學(xué)和電學(xué)特性;其次,提高靈敏度往往以犧牲工作范圍為代價(jià)。例如,裂紋結(jié)構(gòu)的引入可以顯著提升傳感器的靈敏度,但其應(yīng)變響應(yīng)范圍通常較窄(如<50%)。此外,復(fù)雜的制備工藝或昂貴的材料成本也限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

3、因此,開(kāi)發(fā)一種通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提高靈敏度、同時(shí)兼顧寬應(yīng)變響應(yīng)范圍,并保持工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、適合大批量生產(chǎn)的纖維型柔性應(yīng)變傳感器,具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一個(gè)目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種軟-硬段交錯(cuò)的纖維型柔性應(yīng)變傳感器,其具有高靈敏度和寬應(yīng)變響應(yīng)范圍。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:

3、一種軟-硬段交錯(cuò)的纖維型柔性應(yīng)變傳感器,其包括作為核結(jié)構(gòu)的聚偏氟乙烯纖維和作為鞘結(jié)構(gòu)的熱塑性聚氨酯層,所述熱塑性聚氨酯層包覆于聚偏氟乙烯纖維外周,所述熱塑性聚氨酯層表面具有導(dǎo)電通路層;所述纖維型柔性應(yīng)變傳感器經(jīng)預(yù)拉伸形成軟段-硬段交錯(cuò)結(jié)構(gòu),其中軟段為熱塑性聚氨酯層,硬段為聚偏氟乙烯纖維。

4、優(yōu)選地,所述導(dǎo)電通路層為多壁碳納米管導(dǎo)電層或離子液體導(dǎo)電層。

5、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、適合大批量生產(chǎn)的基于電子導(dǎo)電機(jī)制的高靈敏度柔性纖維型應(yīng)變傳感器的制備方法。該方法通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用同軸濕法紡絲工藝制備核-鞘結(jié)構(gòu)纖維,再經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸和剪裁處理,制得上述軟-硬段交錯(cuò)的纖維型柔性應(yīng)變傳感器。

6、當(dāng)所述導(dǎo)電通路層為多壁碳納米管導(dǎo)電層時(shí),所述方法包括以下步驟:

7、步驟(1):將熱塑性聚氨酯(tpu)溶解在n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中,配制tpu溶液,將聚偏氟乙烯(pvdf)溶解于dmf中,配制pvdf溶液,再通過(guò)同軸濕法紡絲設(shè)備制備tpu@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維,在烘箱中干燥,得到干燥的tpu@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維;

8、步驟(2):將干燥的tpu@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維在有機(jī)溶劑中浸泡,纖維發(fā)生溶脹;

9、步驟(3):將多壁碳納米管(mwcnts)分散在去離子水中,為了提高mwcnts在去離子水中的分散能力,在去離子水中加入分散劑,為了提高mwcnts在纖維表面的負(fù)載能力,在去離子水中加入乳化劑,將混合液體在細(xì)胞粉碎機(jī)中超聲,得到分散均勻的mwcnts分散液;

10、步驟(4):將步驟(2)溶脹的tpu@pvdf纖維放置于步驟(3)配制的mwcnts分散液中,通過(guò)細(xì)胞粉碎機(jī)的超聲波在tpu@pvdf纖維表面負(fù)載一層mwcnts層,構(gòu)建起mwcnts的導(dǎo)電通路,將制備的這種纖維命名為tpu/mwcnts@pvdf纖維;

11、步驟(5):將超聲負(fù)載mwcnts的tpu@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維進(jìn)行預(yù)拉伸,構(gòu)建軟段-硬段交錯(cuò)結(jié)構(gòu);這種“軟-硬”段結(jié)構(gòu)的引入將大幅度提高此纖維型應(yīng)變傳感器的靈敏度。將tpu/mwcnts@pvdf纖維進(jìn)行裁剪,在裁剪的纖維兩端涂敷銀漿作為電極,再與銅線相連,制得高靈敏度柔性纖維型應(yīng)變傳感器。

12、優(yōu)選地,步驟(1)中的tpu溶液的質(zhì)量濃度為30-35?wt%,更優(yōu)選為30?wt%;pvdf溶液的質(zhì)量濃度為10-15?wt%,更優(yōu)選為12?wt%。

13、優(yōu)選地,步驟(2)中所用到的有機(jī)溶劑為乙醇(etoh)、丙酮(ace)、乙酸乙酯(ea)、二甲苯等,浸泡時(shí)間為24?h。

14、優(yōu)選地,步驟(3)中所述分散劑為聚乙烯吡咯烷酮(pvp),乳化劑為曲拉通-100,mwcnts的質(zhì)量濃度為1-2?wt%,更優(yōu)選為1?wt%。超聲時(shí)間為1-1.5?h,更優(yōu)選為1?h。

15、優(yōu)選地,步驟(4)中在細(xì)胞粉碎機(jī)中的超聲時(shí)間為2-2.5?h,更優(yōu)選為2?h。

16、優(yōu)選地,步驟(5)中所用的tpu/mwcnts@pvdf纖維進(jìn)行100?%應(yīng)變下的預(yù)拉伸,裁剪后的纖維長(zhǎng)度為5-7?cm,電極間距為2?cm。

17、當(dāng)所述導(dǎo)電通路層為離子液體導(dǎo)電層時(shí),所述方法包括以下步驟:

18、步驟(1):將tpu溶解在dmf中,配制tpu溶液,在tpu溶液中加入離子液體(ils),攪拌均勻得到ils/tpu溶液。將pvdf溶解于dmf中,配制pvdf溶液。

19、步驟(2):將步驟(1)配制的ils/tpu溶液和pvdf溶液通過(guò)同軸濕法紡絲設(shè)備制備tpu/ils@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維,在烘箱中干燥,得到tpu/ils@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維。

20、步驟(3):?將步驟(2)制備的tpu/ils@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維進(jìn)行預(yù)拉伸后,對(duì)其進(jìn)行裁剪并將纖維兩端與銅線相連,制得柔性應(yīng)變傳感器。

21、步驟(1)中的tpu溶液的質(zhì)量濃度為30-35?wt%,更優(yōu)選為30?wt%;其中添加ils的質(zhì)量濃度為30-35?wt%,更優(yōu)選為30?wt%;pvdf溶液的質(zhì)量濃度為10-15?wt%,更優(yōu)選為12wt%。

22、優(yōu)選地,步驟(1)中的離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、n-甲基,甲氧基乙基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1-乙基-3-甲基咪唑雙氟磺酰亞胺鹽、n-甲基丙基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽和1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽中的一種或多種。

23、優(yōu)選地,步驟(3)中所用的tpu/ils@pvdf纖維進(jìn)行100?%應(yīng)變下的預(yù)拉伸,裁剪后的纖維長(zhǎng)度為5-7?cm,電極間距為2?cm。

24、本發(fā)明的有益效果是:

25、本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)新穎的纖維型柔性應(yīng)變傳感器,其在核-鞘結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了“軟-硬”段特殊結(jié)構(gòu),在應(yīng)變作用下,這種結(jié)構(gòu)會(huì)顯著加劇導(dǎo)電通路的破壞程度,從而產(chǎn)生比普通纖維更明顯的電阻變化,最終實(shí)現(xiàn)靈敏度的顯著提升。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在提升柔性纖維型應(yīng)變傳感器的靈敏度方面具有通用性,以柔性纖維型應(yīng)變傳感器為參考,可以聯(lián)想到多層膜和其他相同或相似結(jié)構(gòu)的材料均可通過(guò)這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取得相同或相似的性能提升。

26、此外,本發(fā)明利用同軸濕法紡絲工藝制備了核-鞘結(jié)構(gòu)纖維,再通過(guò)超聲浸漬技術(shù)在纖維表面構(gòu)建導(dǎo)電通路,實(shí)現(xiàn)了柔性傳感器低成本和可批量生產(chǎn),工藝簡(jiǎn)單,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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