[发明专利]一种基于聚氨酯纤维的可拉伸应变传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于聚氨酯纤维的可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于：所述的可拉伸应变传感器是以聚氨酯纤维为基体，在所述基体的表面依次包裹有内层导电结构和外层导电结构；所述的内层导电结构为石墨烯纳米片层，所述的外层导电结构为炭黑和单壁碳纳米管的协同导电网络层；

所述可拉伸应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、制备聚乙二醇的水溶液

称取0.03～0.06g聚乙二醇加入到15mL去离子水中，60～80℃下磁力搅拌至溶解，再超声分散0.5～1h，得到浓度为2～4mg/mL的聚乙二醇的水溶液；

步骤2、聚氨酯纤维的表面改性

用去离子水清洗聚氨酯纤维以去除表面杂质，然后置于空气中常温干燥后，再浸渍于步骤1制备的聚乙二醇的水溶液中5～10min，取出，再次用去离子水冲洗后，置于空气中常温干燥，获得聚乙二醇改性的聚氨酯纤维；

步骤3、制备石墨烯与聚对苯乙烯磺酸钠的复合水溶液

将0.03～0.06g石墨烯纳米片和0.03～0.06g聚对苯乙烯磺酸钠按质量比1：1加入到15mL去离子水中混合并搅拌均匀，所得混合液超声分散2～3h后再磁力搅拌0.5～1h，得到石墨烯与聚对苯乙烯磺酸钠的复合水溶液；

步骤4、内层导电结构的包裹

将聚乙二醇改性的聚氨酯纤维浸渍于步骤3制备的复合水溶液中5～10min，取出并置于空气中常温干燥，共重复浸渍、干燥3～4次，通过聚对苯乙烯磺酸钠中的磺酸基-SO₃H与聚乙二醇中的羟基-OH之间形成的氢键键合，即在聚氨酯纤维的表面均匀包裹上石墨烯纳米片层；

步骤5、炭黑/单壁碳纳米管/硅橡胶复合导电溶液的制备

将0.1g炭黑和0.05g单壁碳纳米管按质量比2：1溶于15mL溶剂石脑油中，搅拌均匀后，再依次超声分散1～2h、磁力搅拌0.5～1h，接着加入1.0～1.5g硅橡胶，继续磁力搅拌1～2h，得到导电填料质量分数为10～15％的炭黑/单壁碳纳米管/硅橡胶的复合导电溶液；

步骤6、外层导电结构的包裹

将包裹有内层石墨烯纳米片层的聚氨酯纤维浸渍于步骤5制备的复合导电溶液中5～10min，然后置于真空干燥箱中50～70℃下干燥2～3h，即获得基于聚氨酯纤维的可拉伸应变传感器。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述可拉伸应变传感器具有双模式协同导电机制：一方面为外层导电结构中炭黑与单壁碳纳米管之间的协同导电机制；另一方面为叠层结构中内、外双层导电结构之间的协同导电机制，即外层导电结构中的炭黑和单壁碳纳米管复合填料与内层导电结构中的石墨烯之间的协同作用。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚氨酯纤维的断裂强度为0.03～0.09N/tex、断裂伸长率为450％～800％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述可拉伸应变传感器的断裂伸长率达到350％，对于0-100％拉伸范围内的应变电阻变化曲线，其线性拟合的拟合优度值在0.990-1之间。