[发明专利]一种纤维状柔性应变传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纤维状柔性应变传感器及其制备方法，所述传感器包括弹性聚合物芯层和导电复合材料皮层；其中导电复合材料组分包括弹性聚合物与炭黑纳米粒子，炭黑纳米粒子在导电复合材料中所占的质量百分比为16wt％～30wt％，纤维状柔性应变传感器正常工作的应变范围为0％～120％。本发明的纤维状应变传感器具有高断裂强度与大应变工作范围，导电性能好，具有很好的耐用性与可编织性，制备方法简单易操作，成本低，适于连续化、规模化生产。

技术领域

本发明属于应变传感器及其制备领域，特别涉及一种纤维状柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，人们迫切需要对人体生理信号进行实时监测和数据管理，极大地推动了可穿戴设备尤其是可穿戴传感器的发展。织物传感器是通过将传感材料嵌入或集成到织物中而制成的，其特征是柔软、轻质、透气、耐用等。这些优点赋予织物传感器能够与人体和皮肤的穿着性相适应的能力，同时在用于监测人体生理信号时具有良好的可靠性。由于碳纳米材料如炭黑纳米粒子、碳纳米管、石墨烯等具有独特的物理化学性质，基于碳纳米材料的柔性织物电子器件表现出优异的性能，使得碳纳米材料在织物传感器中的应用受到了广泛的关注。将柔性传感器制成纤维状形状可便于像加工常规聚合物纤维一样使用成熟的纺织加工技术对其进行大规模制造。随后，纤维形的柔性传感器可以与具有柔软、轻质、耐用、透气等特性的传统纺织纤维进行混合，利用纺纱、机织、针织或编织技术制成纱线或织物传感器，以提高其穿着的舒适性和耐用性。纤维状柔性传感器的一种制备方法是以含有导电填料的聚合物基纳米复合材料为原料，利用纤维纺丝工艺进行制备。例如，Mattmann等人以SEBS嵌段共聚物/炭黑纳米复合材料为原料，采用熔融纺丝法制备了纤维状的柔性应变传感器(Mattmann C.,et al.Sensors,2008,8,3719-3732)；Seyedin等人报道了以单壁碳纳米管(SWCNTs)和石墨烯作为导电填料的用于可穿戴应变传感器的湿纺聚氨酯纤维(Seyedin S.,et al.Smart Materials and Structures,2016,25,035015)。与一维的碳纳米管和二维的石墨烯相比，零维的炭黑具有成本低、无毒、比表面积大等优点。由于炭黑/聚合物复合材料具有比碳纳米管和石墨烯复合材料更低的导电性，因此在相同的填料含量下更适合用作传感器材料。然而，尽管先前的研究人员已经报道了由炭黑/聚合物复合材料制成的纤维状传感器，但是随着导电填料含量的变化，纤维状应变传感器的导电性与机械性能之间存在着显著的矛盾，这造成了导电填料含量高的纤维状传感器的导电性较好，但断裂强度与断裂伸长率较低；反之，导电填料含量低的纤维状传感器的断裂强度与断裂伸长率较高，但导电性能不理想。制造纤维状柔性传感器的另一种简单方法是在非导电弹性纤维表面涂覆导电聚合物复合材料。例如，Wu等人使用天然橡胶/炭黑导电聚合物复合材料涂覆于商用的聚氨酯复丝，以获得用于智能纺织品的柔性应变传感器(Wu X.,et al.ACSApplied MaterialsInterfaces,2016,8,9936-9945)。虽然采用上述涂覆法获得的纤维状应变传感器的强度和弹性等力学性能可以由具有良好机械性能的芯层保证，但外部导电层的耐磨性和重复变形稳定性通常是一个重大挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纤维状柔性应变传感器及其制备方法，克服现有技术由炭黑/聚合物复合材料制成的纤维状应变传感器的导电性与机械性能之间所存在的矛盾问题的技术缺陷，本发明中应变传感器中所述炭黑纳米粒子在所述导电复合材料中所占的质量百分比为16wt％～30wt％，应变传感器正常工作的应变范围为0％～120％。

本发明的一种应变传感器，所述传感器包括弹性聚合物芯层和导电复合材料皮层；其中导电复合材料组分包括弹性聚合物与炭黑纳米粒子，炭黑纳米粒子在导电复合材料中所占的质量百分比为16wt％～30wt％。

所述弹性聚合物为聚氨酯，分子量大小为5000～100000；炭黑纳米粒子的粒径大小为10～100nm。

所述应变传感器内部为多孔结构，外表面具有纵向的沟槽，且芯层横截断面呈不规则的形状或呈分散状分布在皮层中，皮层横截断面的外缘呈锯齿状。