[发明专利]PPy@PVA导电纤维膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种PPy@PVA导电纤维膜及其制备方法与应用，通过静电纺丝技术得到PVA纤维膜，PPy@PVA导电纤维膜的制备采用原位聚合方法，分吸附和氧化两步进行，首先PVA纤维膜浸渍吡咯/DMF溶液，吸附吡咯单体，随后利用氯化铁氧化原位聚合生成聚吡咯，获得PPy@PVA导电纤维膜。本发明提出的PPy@PVA纤维制备方法简单，通过静电纺丝技术得到PVA静电纺丝纤维；并通过简单的原位聚合获得PPy@PVA纺丝纤维。利用聚合次数可轻松调控纺丝纤维膜的力学和电学性能。本发明的PPy@PVA纺丝纤维膜传感器，形变量大，电阻变化量与形变的线性度高，展现出了稳定、持久、可逆的应变传感性能。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及PPy@PVA导电纤维膜及其制备方法与应用。

背景技术

电子皮肤可感受环境温度、压力等外界信息，将之转变为电信号，在人机交互、机器人技术、虚拟现实等领域应用前景巨大。在现有的应力/应变传感器如电阻、电容、压电传感器中，电阻式应力/应变传感器具有灵敏度高、线性区域大、信号采集便利等优点而倍受关注。新兴的聚合物基体电阻传感器具有质量轻，应变大，柔性高、舒适性好等优点，在人体的关节运动、脉搏跳动、声带振动等人体健康检测领域展示出了越来越高的应用可行性。

聚乙烯醇(PVA)是一种广泛使用的医用高分子材料，具有高度的生物相容性和亲水性。其表面含有大量的带负电性的-OH，能与带正电性的-NH官能团(如吡咯环上的-NH)产生氢键作用力。利用这种强烈的分子间作用力，可以将PVA静电纺丝纤维表面原位聚合了致密、均匀的PPy颗粒膜，获得了导电的PPy颗粒包覆的PVA纤维。由于PPy颗粒牢固地固定在PVA纤维表面，在PVA发生形变时，PPy颗粒随着发生形变，颗粒与颗粒之间的距离发生变化，反应到测试的电阻上。由此，PPy@PVA纤维膜可以用作电阻式的应变/应力传感器。调节力学和电学性能，从而获得稳定、持久、可逆的应变传感性能，未来可用于柔性电极、可穿戴电子设备等领域。

在这个领域中，最为成熟的是聚氨酯(PU)静电纺丝纤维。PU纺丝纤维能吸附导电成份如导电炭黑(CB)颗粒或导电的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)，在其表面形成导电通路，复合纤维膜的电学性能由绝缘体变成了半导体、导体。在受到应力/应变时，纤维膜的导电性就会随着拉伸而发生变化，以此可用作应变传感器。现有的PU纺丝膜传感器表现出了宽的响应范围(0～225％应变)、响应灵敏度(GF＝1.08～3186.4)，快的响应时间(0～70ms)等优点。聚合物纤维如聚丙烯腈(PAN)、聚苯胺(PANI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)纤维也相继被报导用于制备应变传感器。Lee等利用静电纺丝方法制备了PAN纤维膜，然后高温(～1000℃)碳化得导电的碳纳米纤维(CNF)，将之用于应变传感器，获得透明度高、灵敏度为0.5-180、形变达30％的应变传感器。Yu等在磺化水杨酸的参与下，将PANI原位聚合在聚偏氟乙烯(PVDF)纤维表面，获得了线性区域大(0-22％)、可重复循环使用的应变传感器。Niu等人利用气相沉积技术，在FeCl₃吸附的PDMS纤维表面原位聚合聚吡咯(PPy)，获得了电阻响应信号灵敏、形变大的应变传感器。上述研究充分体现了聚合物纤维膜在柔性大位移应变传感领域的应用前景。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种PPy@PVA导电纤维膜的制备方法与应用。用静电纺丝技术和原位聚合技术制备PPy@PVA纺丝纤维膜，制备技术简单，材料成本低廉。PPy@PVA纺丝纤维传感器稳定性高，耐用性强。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种PPy@PVA导电纤维膜，该导电纤维膜是通过静电纺丝技术得到PVA纤维膜，并在纤维表面聚合生长聚吡咯PPy，获得PPy@PVA导电纤维膜，并将其用于应变传感器。