[发明专利]一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用，导电纤维由作为导电层的金属纳米线、作为保护层的电纺聚合物纳米纤维膜和作为弹性载体的弹性纱线构成；制备过程中首先采用静电纺丝技术在弹性纱线表面包覆一层聚合物纳米纤维膜，然后再金属纳米线通过多次浸涂而沉积在其表面结构上。所制备的基于导电纤维的柔性应变传感器具备快速检测多种变形的能力如拉伸、弯曲、扭曲，并且在拉伸循环次数达到一万次后其灵敏度依然保持在90％以上；能够实现对人体的脉搏跳动、声带振动以及更加复杂的多位点同时检测，在虚拟现实、人机接口、健康监测等智能可穿戴设备方面具有极大的应用潜能。

技术领域：

本发明属于柔性电子器件的制备技术领域，尤其涉及一种基于金属纳米线和电纺聚合物纳米纤维膜的导电纤维及柔性可拉伸应变传感器的制备方法和应用。

背景技术：

随着科学技术的发展，传统电子器件将难以满足人类的各种需求，其必然向着柔性化、微型化、可穿戴化等方向发展，从而突破传统电子器件的应用范围，促进信息与人的有机结合。其中，应变传感器作为一种监测拉伸、弯曲、扭曲等形变的传感器，在电子皮肤、柔性显示、健康监测、人机接口等领域有着广阔的应用空间。目前常用的应变式传感器主要采用无机材料作为应变体，但是由于无机材料缺乏韧性、不耐弯折，高形变将使传感器容易受到损坏且无法恢复。因此，发展新型可承受较大形变的传感器显得尤为重要。其中，线性结构的电子器件不仅能够保持器件优异的柔韧性，而且在承受应力发生较大变形时，还能保持器件的完整性且表现出稳定的电学性能。

导电纤维作为线性传感器的应变主体，是实现高变形能力和监测各项传感性能的基础。近年来，对于导电纤维的制备主要有以下几个方法：1、直接将导电填充材料(如石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒等)与弹性体(如橡胶类聚合物)混合分散获得复合导电纤维，这种方法简单有效，但是需要精确的控制导电材料的含量，填充量太小会引起导电性较差，填充量太大会导致体系硬度增加，弹性变差，变形时易发生断裂。2、采用高弹性的纤维作为内部芯层，导电纳米材料吸附在弹性纤维表面作为外部导电层，然后再进行氢气等离子处理或热处理来提高复合纤维的电导率。这种方法的缺点是对导电涂层的厚度无法精确控制，纤维表面的导电微粒受摩擦等作用易于脱落，从而影响器件的长期使用性能。3、直接向三维多孔的微纳米导电网络中填充弹性聚合物，这种方法对三维导电网络的完整性要求较高，获得的导电纤维受到导电网络本身力学性能的限制，可承受应变通常较小。

综上所述，目前对于高弹性导电纤维的制备方法及其在应变传感器方面的应用都存在一定的难题，有必要开发一种新型的高电导率、机械性能优良的导电纤维，以进一步满足实际应用的需要。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种解决上述问题的高电导率和高机械性能的导电纤维的制备方法，基于这种导电纤维的应变传感器对于拉伸等应变具有稳定和快速的检测能力。通过感知外界微弱的形变表现为自身电学性能的变化，进而应用于实时监测人体的脉搏跳动等健康状况。

为实现上述发明目的，本发明提供一种高弹性的复合导电纤维，其包括作为导电层的金属纳米线、作为保护层的电纺聚合物纳米纤维膜和作为弹性载体的弹性纱线，所述的弹性纱线包含两层结构，分别为内部可承受高形变的乳胶丝和外部交叉缠绕的聚氨酯纱线层，所述的电纺聚合物纳米纤维膜包覆于所述的弹性纱线的表面，所述的金属纳米线沉积在电纺聚合物纳米纤维膜的表面。

本发明提供的基于金属纳米线和电纺聚合物纳米纤维膜的导电纤维的制备方法，其具体步骤为：

首先，将弹性纱线在乙醇和去离子水中超声清洗，然后烘干；

其次，将预拉伸的弹性纱线固定于静电纺丝装置的收集板上；

然后，将聚合物前驱体溶液进行静电纺丝，在预拉伸的弹性纱线表面包覆一层聚合物纳米纤维膜；