[发明专利]一种中空芯鞘结构的多模应变传感性纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种中空芯鞘结构的多模应变传感性纤维及其制备方法。该制备方法采用微流控纺丝技术，连续制备以聚氨酯为鞘层、聚苯胺为芯层的中空芯鞘弹性导电纤维，避免了导电层位于纤维外部易磨损失效的问题。所制备的中空芯鞘弹性导电纤维可以直接作为传感器使用，具有良好的可拉伸性、导电性和多模应变传感性，除了对拉伸应变极为敏感外，还能检测0～180°范围内的弯曲应变和0.1～2N的压力应变，可广泛应用于人体运动监测、手势辨认、压力识别等方面，并可以用作柔性电路开关。

技术领域

本发明属于新型纤维材料领域，涉及一种中空芯鞘结构的多模应变传感性纤维及其制备方法。

背景技术

新兴的柔性电子和智能可穿戴技术颠覆了传统电子设备刚性大、体积大的特点，让电子产品在拉伸、弯曲、折叠、压缩等变形下仍能正常工作，为精确、便捷、舒适地检测人体运动和生理信息提供依据。柔性应变传感器是智能可穿戴设备的重要组成部分，其中，电阻型柔性应变传感器能将外部应变刺激转换为电阻信号，其制备工艺简单，信号输出稳定，是智能可穿戴领域的研究热点之一。

现有的电阻型柔性应变传感器大多是二维薄膜或三维泡沫的形式，缺乏纺织加工能力，在实际应用时难以满足人体对智能纺织品高柔韧性、舒适性和透气性的要求。相较于传感性薄膜或泡沫，具有应变传感性能的纤维和纱线表现出卓越的可纺织加工性和可穿戴性，是极具发展前景的一种新型纤维材料。

目前，制备纤维柔性应变传感器的基本方法是：首先制备导电纤维、纱线、织物等，然后再用弹性材料对导电纤维制品进行封装，其中制备导电纤维主要有以下两种策略：一是将导电填料与弹性高分子聚合物均匀共混后纺丝制备弹性导电纤维，但这种方法对混合体系中导电填料的分散情况要求较高，且所制备的纤维导电性能并不十分理想；二是在绝缘的弹性纤维表面通过浸渍涂层、化学沉积等方式包覆一层导电物质，但这种方法的涂层均匀性不可控，且长期使用下纤维磨损，表面导电物质易脱落。

因此，制备一种皮层为弹性聚合物、芯层为导电材料的芯鞘结构弹性导电纤维对实现稳定、持久的应变传感具有十分积极的意义。专利CN 114705247A和CN 112853544 A先通过同轴湿法纺丝制备了中空纤维，再向中空纤维内注射导电物质(如液态金属、银纳米线溶液)，但此方法制备步骤较为繁琐，纤维无法实现一步成型和大批量连续制备。专利CN114717674 A以金属丝为芯层、导电填料和高分子复合材料为皮层，利用湿法纺丝装置制备皮芯结构导电纤维，可用于压力应变传感器，但受到芯层金属丝的限制，纤维总体拉伸性能较差。且上述专利所制备的导电纤维用作柔性应变传感器时大多功能单一，仅能感应某一种特定形式的应变，无法同时识别多种应变。

因此，有必要制备一种皮为弹性材料、芯为导电材料的多模应变传感性纤维来应对柔性应变传感器在实际应用中的需求和挑战。

发明内容

本发明目的是提供一种中空芯鞘结构的多模应变传感性纤维及其制备方法，解决上述问题。

本发明的一种技术方案是：一种中空芯鞘结构的多模应变传感性纤维，包括：中空的芯层和包覆芯层的皮层，所述皮层的材料为TPU，所述芯层的材料为PANI，所述中空芯鞘结构的多模应变传感性纤维的直径为342±11μm～387±19μm，中空率为17.73％～73.38％，断裂伸长率为329％～418％，断裂强度为0.10cN/dtex～0.12cN/dtex，电导率为3S/m～15.9S/m，拉伸应变检测范围为0～5％，弯曲应变检测范围为0～180°，压力应变检测范围为0.1～2N。

本发明的另一种技术方案是：

一种中空芯鞘结构的多模应变传感性纤维的制备方法，该方法包括：

(1)将TPU溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，充分磁力搅拌得到TPU溶液，作为皮层纺丝液；

(2)将PANI加入到去离子水和DMF的混合溶剂中，水浴超声处理得到均匀的PANI分散液，作为芯层纺丝液；