CN109338727A - 一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，制备方法生产成本低廉，工艺简单，绿色环保。采用拉伸浸涂、聚合的方式来增大纤维的比表面积，使得导电物质更多的负载在纤维上增强纤维的导电性以及拉伸之后电阻的稳定性。其次碳纳米管分散液中加入的分散剂可以作为吡咯聚合过程中的掺杂剂，掺杂剂的共轭双键可以增加载流子的溶度，提高聚吡咯的导电性。此外，碳纳米管作为纳米粒子，聚吡咯与其接触时的比表面积增大，增强了它们之间的结合力，使得复合导电网络在拉伸过程中不被破坏，保持稳定的状态。从而满足柔性应变传感器既有大的应变范围又保持高的灵敏性，为人机界面的互动、监测个人健康和治疗奠定了基础。

Description

一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法
技术领域
本发明具体涉及新材料制备技术领域，具体涉及一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法。
背景技术
随着电子器件趋向于向更加集成，智能和便携发展，具有柔性可穿戴、可拉伸的电子器件成为研究热点。特别是用于检测人体运动，呼吸和脉搏以及监测个人健康和治疗的柔性应变传感器，其在健康监测、医疗诊断、柔性机器人等领域具有巨大的商业前景。拉伸性，灵敏性，以及导电性是柔性应变传感器所有参数中决定传感器性能的三个关键因素。目前在提高柔性传感器性能方面做了大量的尝试，例如利用柔性导电纤维和基材，结合石墨烯、金属纳米粒子、碳纳米管和其他具有弹性体的电气元件，并将不同的电图案嵌入弹性体基底和其他微结构设计中。然而，最大的困难是控制和平衡这些材料的拉伸性，导电性和灵敏度。
目前大部分应变传感器基于金属、金属氧化物和半导体材料，但由于材料本身的刚性对其可穿戴性及灵敏性有很大的影响，限制了在人体运动方面的应用。因此，研究人员尝试制备具有集成传感性能的导电聚合物复合材料应变传感器，包括高拉伸性，高灵敏度和优异的耐久性等。然而，目前大多数应变传感器仅实现高灵敏性或者大的应变范围。因此，制备具有大感应范围和高GF的柔性应变传感器仍然是一个巨大的挑战。
发明内容
为了解决现有技术的缺陷及不足。本发明提供了一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，采用拉伸、浸涂导电纳米颗粒再聚合导电高分子的方式。利用拉伸使纤维的比表面积增大，能更多的负载纳米颗粒。纳米颗粒能在纤维上形成微纳米结构，使纤维表面的粗糙度进一步增加纤维的比表面积，有利于之后导电高分子的聚合。并且微纳米结构增加了导电高分子与其之间的结合强度，从而制备出了大形变、高灵敏的应变传感器。
本发明采用的技术解决方案是：一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，通过以下步骤制备：
（1）制备MWCNT分散液：将多壁碳纳米管（MWCNT）溶液中加入分散剂，超声分散均匀，得到均一的MWCNT分散液；
（2）纤维的拉伸：通过外力将纤维长度拉伸至原长度的100%-200%，保持施加的外力，使纤维保持拉伸状态，不回缩；
（3）MWCNT颗粒的附着：将保持拉伸状态的纤维放到MWCNT分散液中浸涂，接着烘箱烘干，重复多次，得到具有纳米网络结构的导电纤维；
（4）吡咯聚合：将具有纳米网络结构的导电纤维在冰浴条件下放到吡咯溶液中聚合，滴加氧化剂和掺杂剂的混合液，聚合完毕后，烘箱烘干，撤去外力，得到包裹聚吡咯的导电纤维；
（5）将包裹聚吡咯的导电纤维用铜箔和导电胶组装成柔性可穿戴的应变传感器。
所述的步骤（1）中加入的分散剂为十二烷基磺酸钠。
所述的步骤（1）中多壁碳纳米管（MWCNT）溶液的质量浓度为0.001~0.005 g/mL。
所述的步骤（1）中多壁碳纳米管（MWCNT）溶液与分散剂的质量比为3:1。
所述的步骤（3）中保持拉伸状态的纤维放到MWCNT分散液中浸涂3分钟，重复该过程5次。
所述的步骤（4）中吡咯溶液浓度为0.1 mol/L。
所述的步骤（4）中的氧化剂为FeCl3·6H2O。
所述的步骤（4）中的掺杂剂为蒽醌-2-磺酸钠。
所述的步骤（4）中氧化剂和掺杂剂的混合液30分钟内滴完。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，制备方法生产成本低廉，工艺简单，绿色环保。采用拉伸浸涂、聚合的方式来增大纤维的比表面积，使得导电物质更多的负载在纤维上增强纤维的导电性行以及拉伸之后电阻的稳定性。其次碳纳米管分散液中加入的分散剂可以作为吡咯聚合过程中的掺杂剂，掺杂剂的共轭双键可以增加载流子的溶度，提高聚吡咯的导电性。此外，碳纳米管作为纳米粒子，聚吡咯与其接触时的比表面积增大，增强了它们之间的结合力，使得复合导电网络在拉伸过程中不被破坏，保持稳定的状态。从而满足柔性应变传感器既有大的应变范围又保持高的灵敏性，为人机界面的互动、监测个人健康和治疗奠定了基础。
附图说明
图1为MWCNT/聚吡咯纤维应变传感器性能测试的相对电阻变化-应变曲线图。
图2为MWCNT/聚吡咯纤维应变传感器性能测试的相对电阻变化-应变曲线图。
图3为MWCNT/聚吡咯纤维应变传感器性能测试的相对电阻变化-应变曲线图。
图4为聚吡咯/MWCNT纤维应变传感器性能测试的相对电阻变化-应变曲线图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
实施例1
配置30 mL，浓度为分别0.001 g/mL范围的MWCNT溶液，然后加入十二烷基磺酸钠（分散剂与MWCNT的质量比为1:3），放到超声机中分散均匀。将纤维拉伸到一定的长度（0-100%）放到MWCNT分散液中浸涂3分钟，然后重复该过程5次。
然后将浸涂好MWCNT导电层的纤维在冰浴条件下放到100 mL浓度为0.1 mol/L的吡咯溶液中浸泡20分钟。将100 mL FeCl3·6H2O和蒽醌-2-磺酸钠混合液（FeCl3·6H2O作为氧化剂，蒽醌-2-磺酸钠作为掺杂剂）在30分钟内滴完，聚合2小时，放到烘箱中烘干。
最后，用铜箔和导电胶将纤维组装成应变传感器。
实施例2
配置30 mL，浓度为分别0.005 g/mL范围的MWCNT溶液，然后加入十二烷基磺酸钠（分散剂与MWCNT的质量比为1:3），放到超声机中分散均匀。将纤维拉伸到一定的长度（0-100%）放到MWCNT分散液中浸涂3分钟，然后重复该过程5次。
然后将浸涂好MWCNT导电层的纤维在冰浴条件下放到100 mL浓度为0.1 mol/L的吡咯溶液中浸泡20分钟。将100 mL FeCl3·6H2O和蒽醌-2-磺酸钠混合液（FeCl3·6H2O作为氧化剂，蒽醌-2-磺酸钠作为掺杂剂）在30分钟内滴完，聚合2小时，放到烘箱中烘干。
最后，用铜箔和导电胶将纤维组装成应变传感器。
实施例3
配置30 mL，浓度为分别0.003 g/mL范围的MWCNT溶液，然后加入十二烷基磺酸钠（分散剂与MWCNT的质量比为1:3），放到超声机中分散均匀。将纤维拉伸到一定的长度（0-100%）放到MWCNT分散液中浸涂3分钟，然后重复该过程5次。
然后将浸涂好MWCNT导电层的纤维在冰浴条件下放到100 mL浓度为0.1 mol/L的吡咯溶液中浸泡20分钟。将100 mL FeCl3·6H2O和蒽醌-2-磺酸钠混合液（FeCl3·6H2O作为氧化剂，蒽醌-2-磺酸钠作为掺杂剂）在30分钟内滴完，聚合2小时，放到烘箱中烘干。
最后，用铜箔和导电胶将纤维组装成应变传感器。
本发明工艺中拉伸浸涂、聚合的作用如下：
1）拉伸可以使纤维的比表面积增大，能更大程度的附着碳纳米管，使导电层更加的致密。
碳纳米管的作用如下：
1）MWCNT由于其独特的sp2杂化键合蜂窝晶格和一维结构，具有优越的机械和电气性能。形成的MWCNT导电网络提供了制造高弹性应变传感器的可能性。
2）MWCNT颗粒附着在纤维上增加了比表面积，使得吡咯能更多的聚合上去，并且MWCNT与聚吡咯的接触面积增大，它们之间的结合力增强。使得应变传感器在拉伸过程中不会造成不可逆的破坏。
3）MWCNT分散液中的分散剂十二烷基磺酸钠可以作为吡咯聚合的掺杂剂，掺杂剂的共轭双键可以增加载流子的溶度，提高聚吡咯的导电性。
聚吡咯的作用如下：
1）聚吡咯包裹着MWCNT导电层，使得在拉伸过程中MWCNT导电网络不会脱落，让整体的导电层在拉伸过程中保持稳定。
对比实验
分别用MWCNT/聚吡咯、聚吡咯/MWCNT复合的导电纤维组装成应变传感器，然后用万能拉伸试验机和电化学工作站在150%的应变下进性能测试。
测试结果如附图2和4所示，图4表明用聚吡咯/MWCNT作为导电网络的纤维应变传感器在150%的应变条件进行测试时，其电阻根本回不到初始状态，随着拉伸次数的增加其电信号变化越来越小，所以很难作为应变传感器应用在医疗卫生领域。而图2则显示MWCNT/聚吡咯纤维应变传感器在150%应变下，其电阻能随应变的变化展示出良好的电信号，并且GF高到9。在反复拉伸20次后应变传感器的电信号一直保持稳定。说明以MWCNT/聚吡咯为导电网络的应变传感器具有很好的稳定性，能在大应变环境下提供稳定的电化学信号，能很好的弥补现有应变传感器应变和灵敏性不能共存的问题。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，通过以下步骤制备：
（1）制备MWCNT分散液：将多壁碳纳米管（MWCNT）溶液中加入分散剂，超声分散均匀，得到均一的MWCNT分散液；
（2）纤维的拉伸：通过外力将纤维长度拉伸至原长度的100%-200%，保持施加的外力，使纤维保持拉伸状态，不回缩；
（3）MWCNT颗粒的附着：将保持拉伸状态的纤维放到MWCNT分散液中浸涂，接着烘箱烘干，重复多次，得到具有纳米网络结构的导电纤维；
（4）吡咯聚合：将具有纳米网络结构的导电纤维在冰浴条件下放到吡咯溶液中聚合，滴加氧化剂和掺杂剂的混合液，聚合完毕后，烘箱烘干，撤去外力，得到包裹聚吡咯的导电纤维；
（5）将包裹聚吡咯的导电纤维用铜箔和导电胶组装成柔性可穿戴的应变传感器。
2.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中加入的分散剂为十二烷基磺酸钠。
3.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中多壁碳纳米管（MWCNT）溶液的质量浓度为0.001~0.005 g/mL。
4.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中多壁碳纳米管（MWCNT）溶液与分散剂的质量比为3:1。
5.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3）中保持拉伸状态的纤维放到MWCNT分散液中浸涂3分钟，重复该过程5次。
6.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中吡咯溶液浓度为0.1 mol/L。
7.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中的氧化剂为FeCl3·6H2O。
8.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中的掺杂剂为蒽醌-2-磺酸钠。
9.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中氧化剂和掺杂剂的混合液30分钟内滴完。
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