[发明专利]一种利用界面纺丝技术制备柔性传感材料的方法及其应用

说明书

本发明提供一种利用界面纺丝技术制备柔性传感材料的方法，属于柔性压力传感器技术领域。本发明利用界面纺丝技术制备柔性材料，将导电纳米材料加入阴/阳离子分散体系中，形成稳定的阳/阴离子分散剂稳定的导电纳米材料水分散液，再将两种溶液置于同一容器中，聚拢两溶液界面，抽出瞬间形成的类固态阴阳离子复合物，快速烘掉所纺导电细丝中的水分，将细丝缠到卷筒上，制备出导电丝。本发明所制备的导电丝拉伸强度50~100 MPa，直径30~80µm，电导率350~3000 s/m。以其作为传感材料组装成电阻式应力传感器时，具有响应电流/电阻变化明显、检测极限低和抗疲劳稳定性好的优势。

技术领域

本发明涉及一种利用界面纺丝技术制备柔性传感材料的方法及其应用，属于柔性压力传感器技术领域。

背景技术

柔性压力或应变传感器是将外部刺激如压力和拉伸应变转变为电信号输出的柔性电子器件，是穿戴电子器件和电子皮肤的关键部件。制备柔性压力/应变传感器最关键的技术是发展新型传感材料。近年来，各种维度的传感材料如一维的线状或丝状传感料、二维的薄膜或片状传感材料和三维的气凝胶、纤维网络材料都已应用于压力/应变传感器的制作中，用于检测大到人体的运动、对物体的抓握、关节部分的伸曲变形等大幅度的应力/应变及小到呼吸、声音振动和脉搏跳动等引起传感器的微弱变形。在传感材料的研发中，除了提高材料的柔韧性、机械性能和传感性能外，发展对人体皮肤友好和舒适的传感材料，避免柔性电子器件废弃时对环境造成不良影响也是发展柔性传感材料应该考虑的问题。

线状的一维传感材料因可以混入纱线中或直接作为纱线织进或缝进衣服或手套中，得到了广泛关注。如通过在纤维/纱线上负载石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料或钯、银等金属纳米粒子，实现了线状应变传感材料的制备。在纱线上负载导电纳米材料常采用浸涂或喷涂等方式，导电纳米粒子多分布在纱线表面，难以保证导电纳米材料在纱线上的均匀分布，传感材料在循环加载/卸载过程中常常发生脱落。将导电纳米材料分散在高分子聚合物中，再浸涂到纱线表面，虽然增加了导电纳米材料对纱线的固着，但纱线能够获得的导电性非常有限。而且，所用纱线一般采用合成聚合物，缺乏可再生性和可持续性。

发明内容

针对现有线状应变传感材料中导电纳米材料分布不均匀、电导率低和使用中循环稳定性差的不足，本发明提供一种利用界面纺丝技术制备柔性传感材料的方法。

一种利用界面纺丝技术制备柔性传感材料的方法，包括以下步骤：

（1）将阳离子天然高分子聚合物分散于去离子水中，获得阳离子天然高分子水溶液，经机械搅拌或超声处理，获得阳离子分散剂体系；将阴离子天然高分子聚合物分散于去离子水中，获得的阴离子天然高分子溶液，经机械搅拌或超声处理，获得阴离子分散剂体系；

（2）将导电纳米材料加入阳离子分散剂体系中，经机械搅拌或超声处理，制备利用阳离子分散剂稳定的导电纳米材料水分散液a；将导电纳米材料加入阴离子分散剂体系，经机械搅拌或超声处理，制备利用阴离子分散剂稳定的导电纳米材料水分散液b；

（3）将导电纳米材料分散液a和b分别放置在同一个容器中，形成接触或不接触界面，将导电材料分散液a和b的界面汇拢，抽出瞬间形成的类固态阴阳离子复合物，快速烘掉所纺导电细丝中的水分，将细丝缠到卷筒上，制备出导电丝。

其中，所述的阳离子分散剂体系中，阳离子天然高分子聚合物浓度为0.1-0.6wt%；所述的离子分散剂体系中，阴离子天然高分子浓度为0.1-0.6wt%；所述的导电纳米材料水分散液a中，导电纳米材料浓度为0-0.4wt%；所述的导电纳米材料水分散液b中，导电纳米材料浓度为0.1-0.4wt%。

其中，所述的导电纳米材料为碳纳米管、石墨烯和金属纳米粒子；所述的阳/阴离子天然高分子聚合物为天然高分子聚合物经化学改性获得的阳离子多糖或阴离子多糖，或带有可电离基团的天然高分子多糖。

其中，所述的天然高分子聚合物为纤维素、淀粉、瓜尔胶；所述的带有可电离基团的天然高分子多糖为壳聚糖、海藻酸钠。