CN109253740A - 一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器及其制备方法，解决的技术问题是基于仿真性能，电子皮肤的材料柔软性、高的灵敏性、具有较大传感范围以及器件结构的创新性越来越重要，本发明包括复合纱编织成的织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，所述的复合纱包括弹性长丝和包芯纱，包芯纱螺旋缠绕在弹性长丝表面，所述的包芯纱包括纳米纤维皮层和芯纱，纳米纤维皮层通过共轭静电纺纱包裹在芯纱上。本发明由于制备的纳米纤维织物具有微纳米分级结构，并且结合微结构镀镍棉纱电极，使传感器显示了超高的灵敏度以及较宽的传感范围。并成功应用于监测人类呼吸以及记录身体姿态和移动的特征信息，以及具有无接触模式的传感效应。

Description

一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术，人体健康监测系统的可穿戴电子皮肤领域，具体涉及一种柔性可穿戴纳米纤维包芯纱电容式传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着柔性电子学的发展，质量轻、有织物柔性的便携式、可折叠、可穿戴的柔弹性器件备受国内外研究者们的关注，逐渐成为当前重要的前沿研究领域。新型柔性传感器的出现对人的日常以及健康监测是很有帮助的，由于传感器的可任意移动、弯折等性能并且能保持良好的传感性能，可以将其编织或组装在衣物，辅助设备或者日用品上，这样就可以随时不间断的对健康信息进行监测。可穿戴电子皮肤，因其贴合人体，无疑在穿戴舒适度、柔性方面，具有明显的优势。可穿戴电子皮肤的工作原理是通过将物理、生物等信号转换为电信号来仿真人类皮肤功能。该电子皮肤能够实现通过监测脉搏、心跳、体温、甚至微弱的声音或者呼吸震动等人体健康生理指标，对人体健康数据变化及时做出反馈，甚至能够实现对疾病的前期预防和诊断，基于以上的仿真性能，电子皮肤的材料柔软性、高的灵敏性、具有较大传感范围以及器件结构的创新性显得越来越重要。
静电纺丝是一种基于高压静电场下导电流体产生高速喷射原理发展而来的不同于常规方法的纺丝技术，所纺纳米纤维具有纤维尺寸小、孔隙率高和较大的比表面积等特点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是基于仿真性能，电子皮肤的材料柔软性、高的灵敏性、具有较大传感范围以及器件结构的创新性越来越重要，提供一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器及其制备方法。本发明通过静电纺丝，将纳米纤维纺在导电芯纱上充当介电层，利用其孔隙率高，接触面积大等优势，在小的外力刺激下，对提高灵敏度有及其重要的作用。该织物传感器具有高的灵敏度，快的响应时间和较宽的响应范围。并成功应用于监测人类呼吸以及记录身体姿态和移动的特征信息。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，包括复合纱编织成的织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，所述的复合纱包括弹性长丝和包芯纱，包芯纱螺旋缠绕在弹性长丝表面，所述的包芯纱包括纳米纤维皮层和芯纱，纳米纤维皮层通过共轭静电纺纱包裹在芯纱上。织物的每一个交织点处上下两根包芯纱的高传导的芯电极作为上下传导电极，纳米纤维皮层作为介电层，根据电容计算公式C=ε (A/d)，电容传感器的电容变化(C)取决于介电层的介电常数（ε）两电极的有效面积(A)以及两电极之间的距离(d)这三个主要因素的变化。当施加外力时，交织点的面积或距离的变化导致交织点电容的变化，所以在交织点处形成了一个电容传感器。
所述的纳米纤维为聚氨酯或掺杂氧化石墨烯的聚氨酯。
所述芯纱为镀镍导电棉纱和铜丝的一种或两种，芯纱的直径在100-500μm；所述的包芯纱的直径为150-600μm。
所述的复合纱编织成的织物结构为平纹组织、织物的经密为6-100根/5cm，纳米纤维织物的纬密为6-100根/5cm。
所述的弹性长丝为橡胶弹性长丝，橡胶弹性长丝的直径是0.5-2mm。
所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）制备纺丝溶液；
（2）制备镀镍导电棉纱；
（3）将步骤（1）中制备的纺丝溶液加入到静电纺丝装置的注射泵中，以步骤（2）制备的镀镍导电棉纱或者铜丝作为芯纱，通过静电纺丝制备纳米纤维包芯纱；
（4）将步骤（3）制得的纳米纤维包芯纱缠绕在弹性长丝上，得到复合纱，将复合纱编织成织物，得到基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，在每一个交织点形成一个传感单元。
步骤（1）所述的制备纺丝溶液包括以下步骤：
a、将单层氧化石墨烯加入到N,N二甲基甲酰胺溶剂中，在超声波里超声12-48h，得到质量分数为0.5-1.5%的氧化石墨烯分散液；
b、分别将聚氨酯颗粒和四氢呋喃加入到步骤（a）制得的氧化石墨烯分散液中，常温下搅拌8-12h得到聚氨酯质量浓度为11%-20%的纺丝溶液。
步骤（b）所述的四氢呋喃和氧化石墨烯分散液的质量比是1:1。
步骤（2）所述的制备导电棉纱包括以下步骤：
c、将棉单纱置于浓度为0.5-10 g/L的氢氧化钠（NaOH）溶液中浸泡10-100 min，取出后用去离子水清洗，然后置于30-90℃的真空烘箱中干燥；
d、将步骤（c）烘干后中的棉单纱浸泡在浓度为0.01-0.5g/mL 的硫酸镍和浓度为0.01-0.6g/mL的盐酸混合水溶液中浸渍2-30min，取出后置于浓度为0.01-0.1g/mL的硼氢化钠和浓度为0.01-0.1g/mL氢氧化钠混合水溶液中浸渍2-30min，再次取出用去离子水清洗后置于PH为6-10、质量浓度为10-30 g/L的水合硫酸镍、质量浓度为10-25 g/L的次亚磷酸钠、质量浓度为15-50g/L的氯化铵、质量浓度为12-40g/L柠檬酸三钠的的化学电镀液中0.5-8h中，取出后置于30-90℃的真空烘箱中干燥得到导电的镀镍导电棉纱。
步骤（3）所述静电纺丝的电压为11-22 kV，纺丝溶液总流量为0.3-0.9 mL/h ，金属喇叭的直径为10-20cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为40-60cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4-8cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3-5cm，喷头的数目为2-16个，喷头内径0.26-0.86 mm，正负喷头溶液流量比1:0.5-1，正负喷头间的距离13-17.5 cm，卷绕速度40-53mm/min。
本发明制备的传感器具有以下优点：
（1）本发明利用简单的静电纺丝法和化学镀镍工艺，整个制作过程简便易操作，工艺简单，成本低廉。
（2）由于制备的纳米纤维织物具有微纳米分级结构，并且结合微结构镀镍棉纱电极，使传感器显示了超高的灵敏度以及较宽的传感范围。并成功应用于监测人类呼吸以及记录身体姿态和移动的特征信息，以及具有无接触模式的传感效应。
（3）该电容式传感器性能优良，稳定性好，可以测量多种机械外力以及对湿度和无接触模式均有优异的传感功能。
附图说明
图1为静电纺丝装置示意图；图中标号为：1卷绕装置、2喷头、3注射泵、4金属喇叭、5 高压发生器、51正极、52负极；
图2 为电容式传感器交织点结构示意图；图中标号为：6弹性长丝、7 镀镍棉纱、8纳米纤维；
图3为包芯纱的SEM图片；
图4实施例1中不同压力下该电容式传感器的灵敏度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）将单层氧化石墨烯加入到N,N二甲基甲酰胺溶液中，在超声波里超声48h，得到1%的氧化石墨烯分散液。
（2）将聚氨酯颗粒加入到四氢呋喃和步骤（1）所得的氧化石墨烯分散液中，常温下搅拌12h得到17%的聚合物溶液。四氢呋喃和氧化石墨烯分散液的质量比是1:1。
（3）将棉单纱置于氢氧化钠（KOH, 浓度10 g/L）的溶液中10-100 min，取出后用去离子水清洗，然后置于30-90℃的真空烘箱中干燥；
（4）将步骤（3）中的棉纱线浸泡在浓度为0.05g/mL 硫酸镍和0.02g/mL的盐酸混合水溶液中浸渍2-30min，取出后置于浓度为0.01g/mL的硼氢化钠和浓度为0.01g/mL氢氧化钠混合水溶液中2-30min，取出后用去离子水清洗置于PH为9的水合硫酸镍（NiSO4 6H2O，30 g/L),次亚磷酸钠(NaHPO2 ，12 g/L),氯化铵(NH4Cl，45 g/L),柠檬酸三钠的(25 g/L)的化学电镀液中4h。取出后置于60℃的真空烘箱中干燥；
（5）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（2）中的纺丝溶液加入到注射泵中，步骤（4）制备的导电棉纱作为芯纱，制备纳米纤维包芯纱，静电纺丝电压为17 kV，纺丝溶液总流量为0.6 mL/h ，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为50cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3cm，喷头的数目为4个，喷头内径0.4 mm，正负喷头溶液流量比2:1，正负喷头间的距离17cm，卷绕速度50mm/min；
（6）将步骤（5）所得纳米纤维包芯纱缠绕在弹性长丝上，得到的复合纱利用机织原理编织成织物，得到基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，在每一个交织点形成一个传感单元。
图1为静电纺丝装置示意图；图2是电容式传感器交织点结构示意图。图3中a-b分别表示PU/GO纳米纤维包芯纱表面、PU/GO纳米纤维包芯纱截面。由图3可以看出，本发明制备的电容式传感器纱线条干均匀，纱中纳米纤维取向度良好。图4是实例1中的电容式传感器在不同压力下的灵敏度。由图4可看出，制备的传感器显示了超高的灵敏度以及较宽的传感范围。
实施例2
一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）将聚氨酯颗粒加入到四氢呋喃和N,N二甲基甲酰胺溶剂中，常温下搅拌12h得到17.5%的聚合物溶液。四氢呋喃和氧化石墨烯分散液的质量比是1:1。
（2）将棉单纱置于氢氧化钠（KOH, 浓度10 g/L）的溶液中10-100 min，取出后用去离子水清洗，然后置于30-90℃的真空烘箱中干燥；
（3）将步骤（3）中的棉纱线浸泡在浓度为0.05g/mL 硫酸镍和0.02g/mL的盐酸混合水溶液中浸渍2-30min，取出后置于浓度为0.01g/mL的硼氢化钠和浓度为0.01g/mL氢氧化钠混合水溶液中2-30min，取出后用去离子水清洗置于PH为9的水合硫酸镍（NiSO4 6H2O，30 g/L)、次亚磷酸钠(NaHPO2 ，12 g/L)、氯化铵(NH4Cl，45 g/L)、柠檬酸三钠的(25 g/L)的化学电镀液中4h，取出后置于60℃的真空烘箱中干燥得到导电的镀镍棉纱；
（4）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（1）中的纺丝溶液加入到注射泵中，步骤（3）制备的导电棉纱作为芯纱，制备纳米纤维包芯纱，静电纺丝电压为17 kV，纺丝溶液总流量为0.6 mL/h ，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为50cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3cm，喷头的数目为4个，喷头内径0.4 mm，正负喷头溶液流量比2:1，正负喷头间的距离17cm，卷绕速度50mm/min；
（5）将步骤（5）所得纳米纤维包芯纱缠绕在弹性长丝上，得到的复合纱利用机织原理编织成织物，得到基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，在每一个交织点形成一个传感单元。
实施例3
一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）将聚氨酯颗粒加入到四氢呋喃和N,N二甲基甲酰胺溶剂中，常温下搅拌12h得到17.5%的聚合物溶液。四氢呋喃和氧化石墨烯分散液的质量比是1:1。
（2）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（1）中的纺丝溶液加入到注射泵中，铜丝作为导电芯纱，制备纳米纤维包芯纱，静电纺丝电压为17 kV，纺丝溶液总流量为0.6 mL/h，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为50cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3cm，喷头的数目为4个，喷头内径0.4 mm，正负喷头溶液流量比2:1，正负喷头间的距离17cm，卷绕速度50mm/min；
（3）将步骤（2）所得纳米纤维包芯纱缠绕在弹性长丝上，得到的复合纱利用机织原理编织成织物，得到基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，在每一个交织点形成一个传感单元。
实施例4
一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，包括复合纱编织成的织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，所述的复合纱包括弹性长丝和包芯纱，包芯纱螺旋缠绕在弹性长丝表面，所述的包芯纱包括纳米纤维皮层和芯纱，纳米纤维皮层通过共轭静电纺纱包裹在芯纱上。所述的纳米纤维为聚氨酯或掺杂氧化石墨烯的聚氨酯。
所述的复合纱编织成的织物结构为平纹组织、织物的经密为6-100根/5cm，纳米纤维织物的纬密为6-100根/5cm。所述的弹性长丝为橡胶弹性长丝，橡胶弹性长丝的直径是0.5-2mm。
一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）制备纺丝溶液；
a、将单层氧化石墨烯加入到N,N二甲基甲酰胺溶剂中，在超声波里超声48h，得到质量分数为1.5%的氧化石墨烯分散液；所述的四氢呋喃和氧化石墨烯分散液的质量比是1:1；
b、分别将聚氨酯颗粒和四氢呋喃加入到步骤（a）制得的氧化石墨烯分散液中，常温下搅拌12h得到聚氨酯质量浓度为20%的纺丝溶液。
（2）制备镀镍导电棉纱；包括以下步骤：
c、将棉单纱置于浓度为10 g/L的氢氧化钠（NaOH）溶液中浸泡100 min，取出后用去离子水清洗，然后置于90℃的真空烘箱中干燥；
d、将步骤（c）烘干后中的棉单纱浸泡在浓度为0.5g/mL 的硫酸镍和浓度为0.6g/mL的盐酸混合水溶液中浸渍30min，取出后置于浓度为0.1g/mL的硼氢化钠和浓度为0.1g/mL氢氧化钠混合水溶液中浸渍30min，再次取出用去离子水清洗后置于PH为10、质量浓度为30g/L的水合硫酸镍、质量浓度为25 g/L的次亚磷酸钠、质量浓度为50g/L的氯化铵、质量浓度为40g/L柠檬酸三钠的的化学电镀液中8h中，取出后置于90℃的真空烘箱中干燥得到导电的镀镍导电棉纱。
（3）将步骤（1）中制备的纺丝溶液加入到静电纺丝装置的注射泵中，以步骤（2）制备的镀镍导电棉纱作为芯纱，通过静电纺丝制备纳米纤维包芯纱；所述静电纺丝的电压为22 kV，纺丝溶液总流量为0.9 mL/h ，金属喇叭的直径为20cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为60cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为8cm，喷头与金属喇叭的水平距离为5cm，喷头的数目为16个，喷头内径0.86 mm，正负喷头溶液流量比1: 1，正负喷头间的距离17.5 cm，卷绕速度53mm/min；
（4）将步骤（3）制得的纳米纤维包芯纱缠绕在弹性长丝上，得到复合纱，将复合纱编织成织物，得到基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，在每一个交织点形成一个传感单元。
实施例5
一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，包括复合纱编织成的织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，所述的复合纱包括弹性长丝和包芯纱，包芯纱螺旋缠绕在弹性长丝表面，所述的包芯纱包括纳米纤维皮层和芯纱，纳米纤维皮层通过共轭静电纺纱包裹在芯纱上。所述的纳米纤维为聚氨酯或掺杂氧化石墨烯的聚氨酯。
所述的复合纱编织成的织物结构为平纹组织、织物的经密为6-100根/5cm，纳米纤维织物的纬密为6-100根/5cm。所述的弹性长丝为橡胶弹性长丝，橡胶弹性长丝的直径是0.5-2mm。
一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）制备纺丝溶液；
a、将单层氧化石墨烯加入到N,N二甲基甲酰胺溶剂中，在超声波里超声12h，得到质量分数为0.5%的氧化石墨烯分散液；所述的四氢呋喃和氧化石墨烯分散液的质量比是1:1；
b、分别将聚氨酯颗粒和四氢呋喃加入到步骤（a）制得的氧化石墨烯分散液中，常温下搅拌8h得到聚氨酯质量浓度为11%的纺丝溶液。
（2）将步骤（1）中制备的纺丝溶液加入到静电纺丝装置的注射泵中，以铜丝作为芯纱，通过静电纺丝制备纳米纤维包芯纱；所述静电纺丝的电压为11 kV，纺丝溶液总流量为0.3 mL/h ，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为40cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3cm，喷头的数目为2个，喷头内径0.26 mm，正负喷头溶液流量比1: 0.5，正负喷头间的距离13cm，卷绕速度40mm/min；
（3）将步骤（3）制得的纳米纤维包芯纱缠绕在弹性长丝上，得到复合纱，将复合纱编织成织物，得到基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，在每一个交织点形成一个传感单元。

Claims (10)

1.一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，其特征在于：包括复合纱编织成的织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，所述的复合纱包括弹性长丝和包芯纱，包芯纱螺旋缠绕在弹性长丝表面，所述的包芯纱包括纳米纤维皮层和芯纱，纳米纤维皮层通过共轭静电纺纱包裹在芯纱上。
2.根据权利要求1所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，其特征在于：所述的纳米纤维为聚氨酯或掺杂氧化石墨烯的聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，其特征在于：所述芯纱为镀镍导电棉纱和铜丝的一种或两种，芯纱的直径在100-500μm；所述的包芯纱的直径为150-600μm。
4.根据权利要求1所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，其特征在于：所述的复合纱编织成的织物结构为平纹组织、织物的经密为6-100根/5cm，纳米纤维织物的纬密为6-100根/5cm。
5.根据权利要求1所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，其特征在于：所述的弹性长丝为橡胶弹性长丝，橡胶弹性长丝的直径是0.5-2mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）制备纺丝溶液；
（2）制备镀镍导电棉纱；
（3）将步骤（1）中制备的纺丝溶液加入到静电纺丝装置的注射泵中，以步骤（2）制备的镀镍导电棉纱或者铜丝作为芯纱，通过静电纺丝制备纳米纤维包芯纱；
（4）将步骤（3）制得的纳米纤维包芯纱缠绕在弹性长丝上，得到复合纱，将复合纱编织成织物，得到基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器，在每一个交织点形成一个传感单元。
7.根据权利要求6所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的制备纺丝溶液包括以下步骤：
a、将单层氧化石墨烯加入到N,N二甲基甲酰胺溶剂中，在超声波里超声12-48h，得到质量分数为0.5-1.5%的氧化石墨烯分散液；
b、分别将聚氨酯颗粒和四氢呋喃加入到步骤（a）制得的氧化石墨烯分散液中，常温下搅拌8-12h得到聚氨酯质量浓度为11%-20%的纺丝溶液。
8.根据权利要求7所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，其特征在于：步骤（b）所述的四氢呋喃和氧化石墨烯分散液的质量比是1:1。
9.根据权利要求6所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的制备导电棉纱包括以下步骤：
c、将棉单纱置于浓度为0.5-10 g/L的氢氧化钠溶液中浸泡10-100 min，取出后用去离子水清洗，然后置于30-90℃的真空烘箱中干燥；
d、将步骤（c）烘干后中的棉单纱浸泡在浓度为0.01-0.5g/mL 的硫酸镍和浓度为0.01-0.6g/mL的盐酸混合水溶液中浸渍2-30min，取出后置于浓度为0.01-0.1g/mL的硼氢化钠和浓度为0.01-0.1g/mL氢氧化钠混合水溶液中浸渍2-30min，再次取出用去离子水清洗后置于PH为6-10、质量浓度为10-30 g/L的水合硫酸镍、质量浓度为10-25 g/L的次亚磷酸钠、质量浓度为15-50g/L的氯化铵、质量浓度为12-40g/L柠檬酸三钠的的化学电镀液中0.5-8h中，取出后置于30-90℃的真空烘箱中干燥得到导电的镀镍导电棉纱。
10.根据权利要求6所述的基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述静电纺丝的电压为11-22 kV，纺丝溶液总流量为0.3-0.9 mL/h ，金属喇叭的直径为10-20cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为40-60cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4-8cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3-5cm，喷头的数目为2-16个，喷头内径0.26-0.86 mm，正负喷头溶液流量比1:0.5-1，正负喷头间的距离13-17.5 cm，卷绕速度40-53mm/min。
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