CN103076031B

CN103076031B - 一种柔性可拉伸应变式传感器的制备方法

Info

Publication number: CN103076031B
Application number: CN201310001005.1A
Authority: CN
Inventors: 孙彬; 龙云泽; 刘术亮; 黄渊源; 林大鹏; 张红娣; 张君诚
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2033-01-04
Also published as: CN103076031A

Abstract

本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种柔性可拉伸应变式传感器的制备方法，具体包括制备柔性接收集衬底、静电纺丝溶液的配制与注入纺丝针管、静电纺丝法制备扭曲结构的微纳米纤维和传感器的性能测试四个步骤：将一块具有弹性的高分子材料基片固定在玻璃片上，然后放置在接电源负极的铝箔上；配制掺加二甲基亚砜（DMSO）的聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）乙醇溶液作为纺丝溶液并将其注入纺丝针管；选用纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置制备扭曲结构的微纳米纤维；对制备的传感器进行性能测试；其制备方法简单，原理可靠，制备成本低，产品性能好，操作简便，产率高，环境友好。

Description

一种柔性可拉伸应变式传感器的制备方法

技术领域：

本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种柔性可拉伸应变式传感器的制备方法，使用新型静电纺丝技术实现基于扭曲微纳米纤维的柔性可拉伸应变式传感器的制备。

背景技术：

随着科技的发展，人们对于微纳米级传感器的需求日益增长，其中，应变式传感器是一种可以将位移、力、压力、加速度和形变等非电物理量转换为电阻值变化的传感器，其广泛应用于冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等行业；目前所常用的微纳米应变式传感器大多采用硅和氧化锌等无机物作为主要材料，由于材料本身性能所限，一旦发生形变，传感器将受到严重破坏。因此，发展具有柔性可拉伸性能和可承受较大形变的传感器来代替传统传感器非常重要；当前，材料的可拉伸性主要通过两种途径获得：一是发展新型抗拉材料例如石墨烯和碳纳米管(Adv.Mater.2010,22,2228-2246)；二是研究传统材料的新型结构例如扭曲结构(Adv.Mater.2010,22,2108-2124)；对于可拉伸传感器，无论采用何种方法，都必须将制备的材料放置在柔性高分子衬底上，以达到最大效果；如果能用拉伸性能良好的有机高分子来代替常规无机材料，则应变式传感器的性能将得到加强；现有技术中虽已有采用此种做法，但普遍存在灵敏度差等缺点。

另一方面，静电纺丝技术作为制备一维纳米纤维的新技术，近年来被广泛研究开发和使用，其具有操作工艺简单和广泛的适用性等特点，除了常规无纺布结构意外，通过改进的静电纺丝装置还可制备有序及交叉结构（专利号：ZL201010184068.1）、扭曲螺旋（专利号：ZL200910015354.2）、图案化（专利号：ZL200910013772.8）、和三维堆垛结构（专利号：201110397680.1）等多种形貌的微纳米纤维。G.Fang等（J.Mater.Chem.,2011,21,18962-18966）报道了一种基于静电纺丝法制备的应变传感器，但由于其纤维主要是直线型，且以无纺布结构形式存在，因此所能承受的应变范围较小。因此寻求设计一种电导率高、适用于非平整衬底和稳定性好的柔性可拉伸应变式传感器的制备方法，具有良好的现实意义和经济价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种柔性可拉伸应变式传感器的制备方法，以实现制备抗形变性强、灵敏度高和稳定性好的柔性可拉伸应变式传感器。

为了实现上述目的，本发明涉及的制备方法包括制备柔性接收集衬底、静电纺丝溶液的配制与注入纺丝针管、静电纺丝法制备扭曲结构的微纳米纤维和传感器的性能测试四个步骤：

（1）制备柔性接收集衬底：将一块具有弹性的高分子材料基片固定在玻璃片上，然后放置在接电源负极的铝箔上作为柔性接收集衬底，并用一张干净、干燥的纸片将其覆盖；其高分子材料基片包括橡胶薄片和塑料薄片，其几何尺寸为长×宽×厚=3-5×2-3×0.1-0.5cm,本发明选择3.5cm×2cm×0.1cm的气球皮薄片；

（2）静电纺丝溶液的配制与注入纺丝针管：选取的纺丝溶液是掺加二甲基亚砜（DMSO）的聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS，质量分数为2.8wt%的水溶液）的聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量130万）乙醇溶液；先将1.0克聚乙烯吡咯烷酮（PVP）粉末与3.0克聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）及2克无水乙醇混合，再加入0.2克二甲基亚砜（DMSO），在室温下磁力搅拌5小时使溶液混合均匀，然后静置90分钟即得均匀的静电纺丝溶液；用一次性吸管抽取1毫升静电纺丝溶液注入静电纺丝装置的纺丝针管内；

（3）静电纺丝法制备扭曲结构的微纳米纤维：选用的静电纺丝装置为现有的纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置，其包括直流无刷电机驱动马达、往复直线运动连杆、高压电源和带不锈钢针头的纺丝针管；将高压直流电源正极接不锈钢针头，负极接铝箔收集极，调节不锈钢针头与铝箔收集极的距离为3-4厘米；接通高压电源并调节电压为3.0-4.0千伏，静止的不锈钢针头开始纺丝；然后接通直流无刷电机电源，使其转速达到500rpm，静止的不锈钢针头开始做稳定的往复直线运动，此时快速拿开覆盖于柔性接受集衬底上的纸片；纺丝30秒后，先关闭高压电源，再关闭直流无刷电机电源，此时有序排列的扭曲结构的导电聚合物微纳米纤维阵列沉积在柔性接收集衬底上，构成可拉伸应变式传感器；

（4）传感器的性能测试：先在导电聚合物微纳米纤维阵列的两端制备电极，并于通用的可拉伸电学测量平台电信息连通后对传感器的性能进行测量表征；经测试，其制备的柔性可拉伸应变式传感器在拉伸应变达到4%时，能保持导电性能，其电导率达1.59×10^-5S/cm；传感器的稳定性和灵敏度随着柔性接受集衬底和纤维阵列的拉伸，其电流迅速变化；当撤销应变使传感器恢复原长时，电流值回到或接近没有拉伸时的初始值。

本发明与现有技术相比，能实现可适用于非平整衬底的柔性可拉伸应变式传感器的制备；在制备过程中使用自制的纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置（专利号：201210024657.2）制备有序排列、扭曲结构的导电聚合物（聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸，PEDOT/PSS）微纳米纤维阵列，首先该技术对接收衬底没有特殊要求，能在非平整衬底和各种柔性或硬的衬底上收集纤维，从而扩大了应变式传感器的使用范围；其次采用该扭曲微纳米纤维作传感材料，既增加了传感器的导电性，而且能显著增加传感器的应变范围或测量范围；所制备的柔性可拉伸应变式传感器具有响应速度快、抗形变性强、电导率高、可承受应变范围广、稳定性好等特点；其制备方法简单，原理可靠，制备成本低，产品性能好，操作简便，产率高，环境友好。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程原理示意图。

图2为本发明制得的传感器在不同拉伸情况下的伏安特性曲线图。

图3为本发明制得的传感器的反复拉伸及响应性能测试图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：

本实施例制备柔性可拉伸应变式传感器的具体步骤包括制备柔性接收集衬底、静电纺丝溶液的配制与注入纺丝针管、静电纺丝法制备扭曲结构的微纳米纤维和传感器的性能测试四个步骤：

（1）制备柔性接收集衬底：将一块具有弹性的高分子材料基片固定在玻璃片上，然后放置在接电源负极的铝箔上作为柔性接收集衬底，并用一张干净、干燥的纸片将其覆盖，其高分子材料基片包括橡胶薄片和塑料薄片，其几何尺寸为长×宽×厚=3-5×2-3×0.1-0.5cm,本实施例选择3.5cm×2cm×0.1cm的气球皮薄片；

（2）静电纺丝溶液的配制与注入纺丝针管：选取的纺丝溶液是掺加二甲基亚砜（DMSO）的聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS，质量分数为2.8wt%的水溶液）的聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量130万）乙醇溶液；先将1.0克聚乙烯吡咯烷酮（PVP）粉末与3.0克聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）及2克无水乙醇混合，再加入0.2克二甲基亚砜（DMSO），在室温下磁力搅拌5小时使溶液混合均匀，然后静置90分钟即获得均匀的静电纺丝溶液；用一次性吸管抽取1毫升静电纺丝溶液注入静电纺丝装置的纺丝针管内；

（3）静电纺丝法制备扭曲结构的微纳米纤维：选用的静电纺丝装置为现有的纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置（专利申请号为201210024657.2），其包括直流无刷电机驱动马达、往复直线运动连杆、高压电源和带不锈钢针头的纺丝针管；将高压直流电源正极接不锈钢针头，负极接铝箔收集极，调节不锈钢针头与铝箔收集极的距离为3-4厘米；接通高压电源并调节电压为3.0-4.0千伏，静止的不锈钢针头开始纺丝；然后接通直流无刷电机电源，使其转速达到500rpm，静止的不锈钢针头开始做稳定的往复直线运动，此时快速拿开覆盖于柔性接受集衬底上的纸片；纺丝30秒后，先关闭高压电源，再关闭直流无刷电机电源，此时有序排列的扭曲结构的导电聚合物微纳米纤维阵列沉积在柔性接收集衬底上，构成可拉伸应变式传感器；

（4）传感器的性能测试：先在导电聚合物微纳米纤维阵列的两端制备电极，并与通用的可拉伸电学测量平台电信息连通后对传感器的性能进行测量表征；经测试，其制备的柔性可拉伸应变式传感器在拉伸应变达到4%时，能保持良好的导电性能，其电导率达1.59×10^-5S/cm，拉伸情况下的伏安特性曲线（I-V曲线）如图2所示；传感器的稳定性和灵敏度也较好，其在可拉伸应变范围内反复拉伸的性能测试图（保持电压为5伏）如图3所示，随着柔性接受集衬底和纤维阵列的拉伸，其电流迅速变化，均能达到图2中该应变情况下对应的数值；当撤销应变使之恢复原长时，电流值回到或接近没有拉伸时的初始值。

Claims

1.一种柔性可拉伸应变式传感器的制备方法，其特征在于包括制备柔性接收集衬底、静电纺丝溶液的配制与注入纺丝针管、静电纺丝法制备扭曲结构的微纳米纤维和传感器的性能测试四个步骤：

（1）制备柔性接收集衬底：将一块具有弹性的高分子材料基片固定在玻璃片上，然后放置在接电源负极的铝箔上作为柔性接收集衬底，并用一张干净、干燥的纸片将其覆盖；

（2）静电纺丝溶液的配制与注入纺丝针管：选取的纺丝溶液是掺加二甲基亚砜的聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；先将1.0克聚乙烯吡咯烷酮粉末与3.0克聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸及2克无水乙醇混合，再加入0.2克二甲基亚砜，在室温下磁力搅拌5小时使溶液混合均匀，然后静置90分钟即得均匀的静电纺丝溶液；用一次性吸管抽取1毫升静电纺丝溶液注入静电纺丝装置的纺丝针管内；

（3）静电纺丝法制备扭曲结构的微纳米纤维：选用的静电纺丝装置为通用的纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置，其包括直流无刷电机驱动马达、往复直线运动连杆、高压电源和带不锈钢针头的纺丝针管；将高压直流电源正极接不锈钢针头，负极接铝箔收集极，调节不锈钢针头与铝箔收集极的距离为3-4厘米；接通高压电源并调节电压为3.0-4.0千伏，静止的不锈钢针头开始纺丝；然后接通直流无刷电机电源，使其转速达到500rpm，静止的不锈钢针头开始做稳定的往复直线运动，此时快速拿开覆盖于柔性接受集衬底上的纸片；纺丝30秒后，先关闭高压电源，再关闭直流无刷电机电源，此时有序排列的扭曲结构的导电聚合物微纳米纤维阵列沉积在柔性接收集衬底上，构成可拉伸应变式传感器；

（4）传感器的性能测试：先在导电聚合物微纳米纤维阵列的两端制备电极，并与通用的可拉伸电学测量平台电信息连通后对传感器的性能进行测量表征；经测试，其制备的柔性可拉伸应变式传感器在拉伸应变达到4%时，能保持导电性能，其电导率达1.59×10^-5S/cm；传感器的稳定性和灵敏度随着柔性接受集衬底和纤维阵列的拉伸，其电流迅速变化；当撤销应变使传感器恢复原长时，电流值回到或接近没有拉伸时的初始值。

2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸应变式传感器的制备方法，其特征在于所述高分子材料基片包括橡胶薄片、塑料薄片和气球皮薄片，其几何尺寸为长×宽×厚=3-5×2-3×0.1-0.5cm。