[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

说明书

本发明公开了一种基于聚氨酯纤维的可拉伸应变传感器及其制备方法，其是以聚氨酯纤维为基体，在基体的表面依次包裹有内层导电结构‑石墨烯纳米片层和外层导电结构‑炭黑和单壁碳纳米管的协同导电网络层。本发明所得应变传感器具备良好的轻柔性、拉伸特性以及可大规模集成特性，能作为与皮肤兼容的可穿戴器件。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于聚氨酯纤维的可拉伸应变传感器及其制备方法。

背景技术

可穿戴应变传感器作为一种具备高柔性和拉伸性、具有类似人体皮肤触觉功能的传感灵敏度、可实现外界环境信息感知功能的人造柔性电子器件，在人工智能、生物电子和医疗以及人机交互领域具有广泛的应用前景。构想、设计和制备用于人体运动检测、生命体征监测以及声音信号或手势识别的应变传感器最近颇受关注，成为柔性电子、人造皮肤以及医疗保健等领域的研究热点。基于上述应用所使用的传感器必须具有高的拉伸性、柔韧性和良好的灵敏度。仅具有有限拉伸性的金属型和刚性半导体型材料与人体皮肤表面不相容，同时生物学上也不兼容，如JL Tanner等人制备出了一种基于铂纳米颗粒的应变传感器，但其刚度很大，无法适用于可穿戴器件的制备。目前，现有可穿戴应变传感器延展性低、耐久性差，限制了其应用。因此，新型柔性基底和敏感材料以及相应的制备方法是值得考虑和探究的。

针对可拉伸应变传感器，从基底材料、填料选择以及制备工艺等方面出发，最近国内外研究人员进行了广泛的研究，研制出多种应变传感器。对于一般的弹性体或聚合物基底，金属纳米粒子或纳米线(如银、铜)和碳纳米材料(如炭黑、碳纳米管和石墨烯)通过分散在聚合物基体中或包裹在基底表面上而被广泛使用。Xiaohui Guo等人基于旋涂工艺，以聚合物基底设计了一种具有三明治结构的应变传感器，可用于手势识别以及人体关节处活动监测，但是这样的方法存在一定问题：一方面，加入到基体中的高浓度导电材料不仅降低了柔韧性，而且还限制了合成复合材料的拉伸性；另一方面，当施加应变时，应变传感器的薄膜或涂层中均匀的微观机制和形态向非均匀态发生变化，导致连续应变变化时电阻变化的非线性响应。Xiao Li等人基于CVD工艺制备出一种石墨烯织物应变传感器，虽然灵敏度很高，但是拉伸状态下薄膜的微观结构向非均匀形态变化，导致非线性的电阻响应。MortezaAmjadi等人设计了一种基于共聚酯、碳纳米管纳米复合材料的应变传感器，最大拉伸限度达到500％，但是灵敏度较低的问题限制了其在可穿戴器件领域的应用。更好的线性性能表示传感器能够检测和定量分析电阻值随着施加的应变而产生的变化。尽管如此，同时考虑拉伸性、线性和灵敏度仍然是大多数应变传感器的挑战。

由于织物、纤维和纱线等具备的诸如延展性、弹性、便携性和大规模集成性等优良的特征性能，同时考虑到环保和成本效益，因此将其作为应变传感器的新型基底材料已引起越来越多的关注。经过改性处理的纤维或织物与敏感材料和传感部分结合集成起来，可制备为对物理量如应力、拉伸应变和温度变化敏感的智能织物传感器。虽然缺乏统一的标准和指导原则，导致其未被广泛应用，但这一类材料为可穿戴电子设备提供了一种替代方案。最近，聚氨酯基材料已通过不同形式被应用，如热塑性聚氨酯，聚氨酯海绵和聚氨酯纤维等。由上述材料制成的传感器具有改进的可拉伸性或增强的灵敏度，有望解决可穿戴应变传感器的相关问题。

发明内容

本发明基于浸渍-涂覆的方法，提出了一种基于聚氨酯纤维的可拉伸应变传感器及其制备方法，旨在解决现有应变传感器延展性低、线性度不高、柔性差且难以与皮肤兼容以及耐久性差的问题，并改善应变传感器作为可穿戴器件的能力。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明基于聚氨酯纤维的可拉伸应变传感器，其特点在于：所述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。