CN109355715A - 一种基于纳米纤维包芯纱的可拉伸多模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柔性可拉伸的多模式传感器及其制备方法，本发明包括弹性导电芯纱和碳纳米管/聚合物复合纳米纤维，碳纳米管/聚合物复合纳米纤维通过静电纺丝技术包覆在弹性导电芯纱表面制备成连续的纳米纤维包芯纱，纳米纤维包芯纱通过机织原理编织成织物，织物利用柔性聚合物封装方式得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器；所述的弹性导电芯纱是在弹性芯纱表面涂覆碳纳米管/聚合物导电溶液制备而成。本发明通过采用机织等方式将智能传感单元编织成织物而组装成新型的智能可穿戴服饰，有效推动柔性智能可穿戴产品的发展。

Description

一种基于纳米纤维包芯纱的可拉伸多模式传感器及其制备 方法
技术领域
本发明涉及柔性传感器制备的可穿戴电子皮肤领域，具体涉及一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器及其制备方法，应用于人体健康和全范围运动的实时监测。
背景技术
人工电子皮肤是一种可以通过将周围环境中的各种机械刺激如压力、应变、剪切力、温度、湿度等转化为电信号来仿生人体皮肤感知功能的柔性传感器。其在机器人自动化领域，柔性电子，可穿戴设备，生物医疗，人机交互等领域具有广阔的应用前景。传统的应变传感器，如基于金属箔以及半导体的传感器，由于不具有很好的柔性以及可探测范围很小(<5％)，所以无法应用于柔性可穿戴传感器。为了满足人体健康和运动监测的需要，柔性可穿戴传感器需要具备高拉伸性、高灵敏度和宽测量范围以及较快的响应时间这些优异的性能，以适用于不规则的表面并能探测压力、拉伸、弯曲等多重机械外力刺激。近年来，研究人员利用导电聚合物以及金纳米线、石墨烯和碳纳米管等纳米材料作为传感元素，同时引入微纳结构（角锥体，半圆球体）并借助不同的传感机理（电容式、接触式、摩擦式等）实现可拉伸高性能的柔性可穿戴传感器的构建。利用这些新材料构建的柔性传感器将能适应复杂的不规则表面，扩大了传感器的应用范围。但是，目前柔性传感器相关的研究大多还停留在对单一机械刺激的响应，随着柔性传感器向微型化、智能化、网络化和多功能化的方向发展，构建能够同时实现对拉力、压力、弯曲等多重机械刺激有效响应的传感器十分重要。
静电纺是一种简单高效、最具有吸引力的纳米技术，微纳尺度的结构可以提升传感器的的灵敏度。此外，纳米纤维纱中纤维沿轴取向可赋予材料独特的光学、电学、力学性能，因而有更高附加值的运用。近来文献报道也证明，取向纳米纤维纱线作为一种新兴的纳米纤维材料，具有结晶度高、取向度好、抗拉强度大、易于编织等诸多优良特性，在航天、微电子、光电传输以及医学等特殊领域比传统的纳米纤维毡有更好的应用前景。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有多重机械力敏特性基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸的多模式传感器及其制备方法。本发明的柔性可拉伸多模式传感器采用了独特的纳米纤维包芯纱结构，以弹性的导电芯纱作为可拉伸的柔性电极，利用简单的静电纺丝方法在弹性导电芯纱表面包覆具有均匀捻度的碳纳米管/聚合物复合纳米纤维制备连续的纳米纤维包芯纱，利用机织原理编织成织物，利用柔性聚合物封装方式得到一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器。在织物的每一个交织点形成一个传感单元，能够感应压缩应变，拉伸应变和弯曲变形，该传感单元在各种变形条件下，其包覆的复合纳米纤维微结构会发生相应的变化，从而传感单元的电阻发生对应的变化，进而实现对各种机械变形高灵敏的传感性能。这种柔性可拉伸的多模式传感器可以借助弹性薄膜衬底和医用胶带贴附到人体的各个部位，监测人体生理健康（脉搏）和全范围运动（面部表情、发声、关节的运动）等。
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柔性可拉伸多模式传感器，包括弹性导电芯纱和碳纳米管/聚合物复合纳米纤维，碳纳米管/聚合物复合纳米纤维通过静电纺丝技术包覆在弹性导电芯纱表面制备成连续的纳米纤维包芯纱，纳米纤维包芯纱通过机织原理编织成织物，织物利用柔性聚合物封装方式得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器；所述的弹性导电芯纱是在弹性芯纱表面涂覆碳纳米管/聚合物导电溶液制备而成。碳纳米管/聚合物复合纳米纤维具有均匀捻度；在纳米纤维包芯纱编织成的织物的每一个交织点形成一个传感单元。制备的弹性导电芯纱具有高导电性和高拉伸性，制备的纳米纤维包芯纱具有柔软可拉伸的特性，确保它们可以覆盖任意弯曲和活动曲面，制备的多功能传感器具有压力、拉伸和弯曲等多力传感性能。传感单元传感机理：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。
所述的弹性芯纱为具有弹性及回弹性的聚合物材料，所述的具有弹性及回弹性的聚合物材料为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、高弹硅胶和高弹橡胶中的至少一种；所述的弹性芯纱的直径为200-2000um。所述的弹性芯纱为氨纶长丝。
所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的聚合物材料为高弹性聚合物，所述的高弹性聚合物为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和Parafilm膜中的至少一种。
所述的碳纳米管/聚合物复合纳米纤维的聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）、聚氨酯（PU）、聚丙烯腈（PAN）的一种或多种，聚合物的分子量大于等于100000。所述的碳纳米管的直径为20-50 nm, 长度为5–20 µm。
所述基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器长度大于等于5 cm，纳米纤维包芯纱的直径为200-500 μm，伸长率大于等于0.01%，纱中纳米纤维的直径为100-500nm。
基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）将弹性芯纱放入低温等离子体处理仪的下电极中央处理，得到等离子体改性的弹性芯纱；
（2）将碳纳米管粉末加入有机溶剂中，常温密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的碳纳米管（CNT）溶液；然后加入聚合物，于60-100℃温度下磁力搅拌3 h-8 h得到均匀的碳纳米管/聚合物导电溶液；所述的有机溶剂为甲苯溶剂或二甲基甲酰胺溶剂。
（3）将步骤（2）所得的碳纳米管/聚合物导电溶液均匀涂覆在步骤（1）所得的离子体改性的弹性芯纱表面，然后置于30-90℃的烘箱中干燥，循环涂覆4-8次，得到弹性导电芯纱；
（4）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1:1-0.1配置混合溶剂，将碳纳米管粉末加入混合溶剂中，密封条件下强力超声分散5-12 h得到均匀的碳纳米管溶液；然后加入聚合物颗粒，常温下磁力搅拌5-15 h得到掺杂碳纳米管的聚合物纺丝溶液；
（5）搭建静电纺丝装置，首先将步骤（3）所得的导电芯纱穿过金属喇叭口卷绕到卷绕装置上，然后将步骤（4）中所得的聚合物纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维包芯纱；
（6）将步骤（5）所得的纳米纤维包芯纱利用机织原理编织成织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器。
步骤（1）所述的低温等离子体处理仪氧气为工作气体，系统压强保持30-150 Pa，放电功率为60-180 W，处理时间为10-45 min。
步骤（2）所述的聚合物为高弹性聚合物；碳纳米管的直径为20-50 nm, 长度为5–20 µm；所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的质量浓度为9-15%，碳纳米管（CNT）和聚合物的质量比为1:3-10；
步骤（4）所述的聚合物的分子量大于100000；纺丝溶液中聚合物的质量浓度为8-20%，碳纳米管的质量浓度为1-10%。
步骤（5）所述的静电纺丝装置的静电纺丝电压为14-22 kV，纺丝溶液总流量为0.5-3.2 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2-8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13-17cm，卷绕速度10-1000 mm/min。
本发明的目的在于提供一种柔性可拉伸的多模式传感器及其制备方法和应用，以碳纳米管作为传感元素，弹性聚氨酯纳米纤维纱作为柔性基体，利用简单的静电纺丝技术制备基于纳米纤维包芯纱的具有压力、拉伸、弯曲等多力敏感的可拉伸的多模式传感器，通过采用机织等方式将智能传感单元编织成织物而组装成新型的智能可穿戴服饰，有效推动柔性智能可穿戴产品的发展。
本发明制备的柔性可拉伸的多功能传感器具有以下优点：
（1）本发明利用简单的静电纺丝技术构建基于纳米纤维包芯纱结构的多模式传感器，具有对压力、拉伸和弯曲多力敏感的性能，实现传感器集成化的同时避免了多种材料的分开制备，整个制作过程简便易操作，原理可靠，工艺简单，成本低廉，产率高，能耗低。
（2）本发明所制备的多模式传感器的三维多孔的复合纳米纤维支架的弹性结构结合连续高效的自组装的导电网络可以为应力传感提供更多的接触点，并展示较大的变形空间和可逆能力，从而实现高拉伸性、高灵敏度和宽量程范围的多力传感性能，并展现了非常优异的柔韧性、稳定性和低电压操作性。
（3）本发明所制备的柔性可拉伸的多模式传感器可用于人体实时健康监测以及人体全范围运动的探测。
附图说明
图1为共轭静电纺纱装置示意图；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 为纳米纤维包芯纱的SEM图片；
图3为纳米纤维包芯纱的横截面SEM图片；
图4为纳米纤维包芯纱中纳米纤维的TEM图片；
图5为利用机织方法将纳米纤维包芯纱编织成织物的图片；
图6为实施例1中一个传感单元对不同压力的传感性能图；
图7为实施例1中一个传感单元对不同拉伸应变的传感性能图；
图8为实施例1中一个传感单元监测手腕向下弯曲运动的传感性能图。
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柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）将弹性芯纱放入低温等离子体处理仪的下电极中央处理，氧气为工作气体，系统压强保持30 Pa，放电功率为60W，处理时间为45 min，得到等离子体改性的弹性芯纱；
（2）将碳纳米管粉末加入二甲基甲酰胺溶剂中，常温密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的碳纳米管（CNT）溶液；然后加入高弹性聚氨酯颗粒，于60℃温度下磁力搅拌8h得到均匀的碳纳米管/聚合物导电溶液；所述的高弹性聚氨酯颗粒的分子量为200000；所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的质量浓度为9%，碳纳米管（CNT）和聚合物的质量比为1:10；
（3）将步骤（2）所得的碳纳米管/聚氨酯导电溶液均匀涂覆在步骤（1）所得的离子体改性的弹性芯纱表面，然后置于30℃的烘箱中干燥，循环涂覆8次，得到弹性导电芯纱；
（4）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1:1配置混合溶剂，将碳纳米管粉末加入混合溶剂中，密封条件下强力超声分散12 h得到均匀的碳纳米管溶液；然后加入聚氨酯颗粒，常温下磁力搅拌5 h得到掺杂碳纳米管的聚氨酯纺丝溶液；步骤（4）所述的聚氨酯的分子量为100000；纺丝溶液中聚氨酯的质量浓度为20%，碳纳米管的质量浓度为10%；
（5）按照图1搭建静电纺丝装置，首先将步骤（3）所得的导电芯纱穿过金属喇叭口卷绕到卷绕装置上，然后将步骤（4）中所得的聚合物纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维包芯纱；步骤（5）所述的静电纺丝装置的静电纺丝电压为14 kV，纺丝溶液总流量为0.5mL/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35cm，喷头的数目为2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13cm，卷绕速度10mm/min；
（6）将步骤（5）所得的纳米纤维包芯纱利用机织原理编织成织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器。
图2 是本发明提出的纳米纤维包芯纱的SEM图片，图3为纳米纤维包芯纱的横截面SEM图片。由图中可以看出，纳米纤维按照规则的捻向平行排列并紧密地包覆在导电芯纱的表面，并呈现同轴结构。图4为纳米纤维包芯纱中纳米纤维的TEM图片，碳纳米管在电场力的作用下沿着纤维轴向取向并均匀分布在弹性聚氨酯纤维基体中。碳纳米管掺杂的聚氨酯纳米纤维作为力敏传感层呈现三维多孔弹性结构，使其在受压或者拉伸的条件下，具有较大的变形空间和可逆能力，带来更容易检测的电阻变化，纳米纤维层的厚度对实现高灵敏度的传感性能至关重要。图5为利用机织方法将纳米纤维包芯纱编织成织物的图片，本发明制备的纳米纤维包芯纱具有高拉伸性，并能够很容易的编织成大面积织物。在该织物中，每一个交叉的接触点可以作为一个力学传感单元，由于其良好的弹性和可拉伸性能，该织物可应用于弯曲、褶皱、运动、伸长等各种可穿戴场合。图6为实施例1中一个传感单元对不同压力的传感性能图，图7为实施例1中一个传感单元对不同拉伸应变的传感性能图，图8为实施例1中一个传感单元监测手腕向下弯曲运动的传感性能图，可以看出，本发明提出的多模式传感器显示了高灵敏度和宽量程范围的多力传感性能。
实施例2
一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）将弹性芯纱放入低温等离子体处理仪的下电极中央处理，氧气为工作气体，系统压强保持60Pa，放电功率为80 W，处理时间为30min，得到等离子体改性的弹性芯纱；
（2）将碳纳米管粉末加入甲苯溶剂中，常温密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的碳纳米管（CNT）溶液；然后加入Parafilm膜，于70℃温度下磁力搅拌6 h得到均匀的碳纳米管/Parafilm导电溶液；所述的Parafilm膜的型号为PM992；所述的CNT/Parafilm溶液的质量浓度为11%，碳纳米管（CNT）和Parafilm膜的质量比为1:5；
（3）将步骤（2）所得的碳纳米管/Parafilm导电溶液均匀涂覆在步骤（1）所得的离子体改性的弹性芯纱表面，然后置于30-90℃的烘箱中干燥，循环涂覆4-8次，得到弹性导电芯纱；
（4）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1:0.5配置混合溶剂，将碳纳米管粉末加入混合溶剂中，密封条件下强力超声分散10 h得到均匀的碳纳米管溶液；聚偏氟乙烯颗粒，于80℃温度下磁力搅拌8h得到掺杂碳纳米管的聚偏氟乙烯纺丝溶液；步骤（4）所述的聚偏氟乙烯的分子量为120000；纺丝溶液中聚偏氟乙烯的质量浓度为17%，碳纳米管的质量浓度为5%；
（5）搭建静电纺丝装置，首先将步骤（3）所得的导电芯纱穿过金属喇叭口卷绕到卷绕装置上，然后将步骤（4）中所得的聚偏氟乙烯纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维包芯纱；步骤（5）所述的静电纺丝装置的静电纺丝电压为20 kV，纺丝溶液总流量为2.2 mL/h，金属喇叭的直径为16cm，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7cm，喷头与金属喇叭的水平距离为4.5cm，喷头的数目为6个，喷头内径0.36mm，正负喷头溶液流量比1:0.6，正负喷头间的距离16cm，卷绕速度500 mm/min；
（6）将步骤（5）所得的纳米纤维包芯纱利用机织原理编织成织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器。
实施例3
一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）将弹性芯纱放入低温等离子体处理仪的下电极中央，氧气为工作气体，系统压强保持100Pa，放电功率为120 W，处理时间为20 min，得到等离子体改性的弹性芯纱；
（2）将碳纳米管粉末加入甲苯溶液中，常温密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的碳纳米管（CNT）溶液；然后加入Parafilm膜，于80℃温度下磁力搅拌4 h得到均匀的CNT/Parafilm导电溶液。所述的Parafilm膜的型号为PM992；所述的CNT/Parafilm溶液的质量浓度为13%，碳纳米管（CNT）和Parafilm膜的质量比为1:7；
（3）将步骤（2）所得的CNT/Parafilm导电溶液均匀涂覆在步骤（1）所得弹性芯纱表面，然后置于60℃的烘箱中干燥，循环涂覆5次，得到弹性的导电芯纱。
（4）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1: 0.3配置混合溶剂，将碳纳米管粉末加入混合溶剂中，密封条件下强力超声分散8 h得到均匀的碳纳米管溶液。然后加入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）粉末，于80℃温度下磁力搅拌10 h得到掺杂碳纳米管的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物纺丝溶液。所述的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的分子量为150000；聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量浓度为15%；碳纳米管的质量浓度为3 %；
（5）按照图示1搭建静电纺丝装置，首先将步骤（3）所得的导电芯纱穿过金属喇叭口卷绕到卷绕装置上。然后将步骤（4）中所得的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维包芯纱。静电纺丝电压为20 kV，纺丝溶液总流量为2.2 mL/h，金属喇叭的直径为16cm，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7cm，喷头与金属喇叭的水平距离为4.5cm，喷头的数目为6个，喷头内径0.36 mm，正负喷头溶液流量比1:0.6，正负喷头间的距离16 cm，卷绕速度500 mm/min。
（6）将步骤（5）所得的纳米纤维包芯纱利用机织原理编织成织物，利用柔性聚合物封装方式得到一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器。在织物的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柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）将弹性芯纱放入低温等离子体处理仪的下电极中央，氧气为工作气体，系统压强保持150Pa，放电功率为180 W，处理时间为10 min，得到等离子体改性的弹性芯纱；
（2）将碳纳米管粉末加入甲苯溶液中，常温密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的碳纳米管（CNT）溶液；然后加入聚二甲基硅氧烷膜（PDMS），于100℃温度下磁力搅拌3h得到均匀的CNT/PDMS导电溶液。所述的聚二甲基硅氧烷膜的型号为PM992；碳纳米管的直径为20-50 nm, 长度为5-20 µm。所述的CNT/Parafilm溶液的质量浓度为15%，碳纳米管（CNT）和Parafilm膜的质量比为1:3；
（3）将步骤（2）所得的CNT/Parafilm导电溶液均匀涂覆在步骤（1）所得弹性芯纱表面，然后置于90℃的烘箱中干燥，循环涂覆4次，得到弹性的导电芯纱。
（4）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1: 0.1配置混合溶剂，将碳纳米管粉末加入混合溶剂中，密封条件下强力超声分散5 h得到均匀的碳纳米管溶液。然后加入聚丙烯腈（PAN）粉末，常温下磁力搅拌15 h得到掺杂碳纳米管的聚丙烯腈纺丝溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为200000；聚丙烯腈的质量浓度为8%；碳纳米管的质量浓度为1%；
（5）按照图示1搭建静电纺丝装置，首先将步骤（3）所得的导电芯纱穿过金属喇叭口卷绕到卷绕装置上。然后将步骤（4）中所得的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维包芯纱。静电纺丝电压为22 kV，纺丝溶液总流量为3.2 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8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17cm，卷绕速度1000 mm/min。
（6）将步骤（5）所得的纳米纤维包芯纱利用机织原理编织成织物，利用柔性聚合物封装方式得到一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器。在织物的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柔性可拉伸多模式传感器，包括弹性导电芯纱和碳纳米管/聚合物复合纳米纤维，碳纳米管/聚合物复合纳米纤维通过静电纺丝技术包覆在弹性导电芯纱表面制备成连续的纳米纤维包芯纱，纳米纤维包芯纱通过机织原理编织成织物，织物利用柔性聚合物封装方式得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器；所述的弹性导电芯纱是在弹性芯纱表面涂覆碳纳米管/聚合物导电溶液制备而成。碳纳米管/聚合物复合纳米纤维具有均匀捻度；在纳米纤维包芯纱编织成的织物的每一个交织点形成一个传感单元。制备的弹性导电芯纱具有高导电性和高拉伸性，制备的纳米纤维包芯纱具有柔软可拉伸的特性，确保它们可以覆盖任意弯曲和活动曲面，制备的多功能传感器具有压力、拉伸和弯曲等多力传感性能。
所述的弹性芯纱为具有弹性及回弹性的聚合物材料，所述的聚合物材料为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、高弹硅胶和高弹橡胶中的至少一种；所述的弹性芯纱的直径为200-2000um。所述的弹性芯纱为氨纶长丝。
所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的聚合物材料为高弹性聚合物，所述的高弹性聚合物为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和Parafilm膜中的至少一种。
所述的碳纳米管/聚合物复合纳米纤维的聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）、聚氨酯（PU）、聚丙烯腈（PAN）的一种或多种，聚合物的分子量大于等于100000。所述的碳纳米管的直径为20-50 nm, 长度为5–20 µm。
所述基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器长度大于等于5 cm，纳米纤维包芯纱的直径为200-500 μm，伸长率大于等于0.01%，纱中纳米纤维的直径为100-500nm。
一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）将弹性芯纱放入低温等离子体处理仪的下电极中央处理，氧气为工作气体，系统压强保持150 Pa，放电功率为180 W，处理时间为45 min，得到等离子体改性的弹性芯纱；
（2）将碳纳米管粉末加入甲苯溶剂中，常温密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的碳纳米管（CNT）溶液；然后加入聚合物，于100℃温度下磁力搅拌8 h得到均匀的碳纳米管/聚合物导电溶液；所述的聚合物为高弹性聚合物；碳纳米管的直径为50 nm, 长度为20µm；所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的质量浓度为15%，碳纳米管（CNT）和聚合物的质量比为1: 10；
（3）将步骤（2）所得的碳纳米管/聚合物导电溶液均匀涂覆在步骤（1）所得的离子体改性的弹性芯纱表面，然后置于90℃的烘箱中干燥，循环涂覆8次，得到弹性导电芯纱；
（4）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1:0.1配置混合溶剂，将碳纳米管粉末加入混合溶剂中，密封条件下强力超声分散12 h得到均匀的碳纳米管溶液；然后加入聚合物颗粒，常温下磁力搅拌15 h得到掺杂碳纳米管的聚合物纺丝溶液；步骤（4）所述的聚合物的分子量大于100000；纺丝溶液中聚合物的质量浓度为20%，碳纳米管的质量浓度为10%；
（5）搭建静电纺丝装置，首先将步骤（3）所得的导电芯纱穿过金属喇叭口卷绕到卷绕装置上，然后将步骤（4）中所得的聚合物纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维包芯纱；步骤（5）所述的静电纺丝装置的静电纺丝电压为22 kV，纺丝溶液总流量为3.2 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8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17cm，卷绕速度1000 mm/min；
（6）将步骤（5）所得的纳米纤维包芯纱利用机织原理编织成织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器。
实施例6
一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器，包括弹性导电芯纱和碳纳米管/聚合物复合纳米纤维，碳纳米管/聚合物复合纳米纤维通过静电纺丝技术包覆在弹性导电芯纱表面制备成连续的纳米纤维包芯纱，纳米纤维包芯纱通过机织原理编织成织物，织物利用柔性聚合物封装方式得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器；所述的弹性导电芯纱是在弹性芯纱表面涂覆碳纳米管/聚合物导电溶液制备而成。碳纳米管/聚合物复合纳米纤维具有均匀捻度；在纳米纤维包芯纱编织成的织物的每一个交织点形成一个传感单元。制备的弹性导电芯纱具有高导电性和高拉伸性，制备的纳米纤维包芯纱具有柔软可拉伸的特性，确保它们可以覆盖任意弯曲和活动曲面，制备的多功能传感器具有压力、拉伸和弯曲等多力传感性能。
所述的弹性芯纱为具有弹性及回弹性的聚合物材料，所述的聚合物材料为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、高弹硅胶和高弹橡胶中的至少一种；所述的弹性芯纱的直径为200-2000um。所述的弹性芯纱为氨纶长丝。
所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的聚合物材料为高弹性聚合物，所述的高弹性聚合物为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和Parafilm膜中的至少一种。
所述的碳纳米管/聚合物复合纳米纤维的聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）、聚氨酯（PU）、聚丙烯腈（PAN）的一种或多种，聚合物的分子量大于等于100000。所述的碳纳米管的直径为20-50 nm, 长度为5–20 µm。
所述基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器长度大于等于5 cm，纳米纤维包芯纱的直径为200-500 μm，伸长率大于等于0.01%，纱中纳米纤维的直径为100-500nm。
一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）将弹性芯纱放入低温等离子体处理仪的下电极中央处理，氧气为工作气体，系统压强保持30 Pa，放电功率为60 W，处理时间为10min，得到等离子体改性的弹性芯纱；
（2）将碳纳米管粉末加入甲苯溶剂中，常温密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的碳纳米管（CNT）溶液；然后加入聚合物，于60℃温度下磁力搅拌3 h h得到均匀的碳纳米管/聚合物导电溶液；所述的聚合物为高弹性聚合物；碳纳米管的直径为20 nm, 长度为5µm；所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的质量浓度为9%，碳纳米管（CNT）和聚合物的质量比为1:3；
（3）将步骤（2）所得的碳纳米管/聚合物导电溶液均匀涂覆在步骤（1）所得的离子体改性的弹性芯纱表面，然后置于30℃的烘箱中干燥，循环涂覆4次，得到弹性导电芯纱；
（4）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1:1配置混合溶剂，将碳纳米管粉末加入混合溶剂中，密封条件下强力超声分散5 h得到均匀的碳纳米管溶液；然后加入聚合物颗粒，常温下磁力搅拌5 h得到掺杂碳纳米管的聚合物纺丝溶液；步骤（4）所述的聚合物的分子量大于100000；纺丝溶液中聚合物的质量浓度为8%，碳纳米管的质量浓度为1%；
（5）搭建静电纺丝装置，首先将步骤（3）所得的导电芯纱穿过金属喇叭口卷绕到卷绕装置上，然后将步骤（4）中所得的聚合物纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维包芯纱；步骤（5）所述的静电纺丝装置的静电纺丝电压为14 kV，纺丝溶液总流量为0.5 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10 mm/min；
（6）将步骤（5）所得的纳米纤维包芯纱利用机织原理编织成织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器。
因此， 本发明制备的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器采用了独特的纳米纤维包芯纱结构，以弹性的导电芯纱作为可拉伸的柔性电极，利用简单的静电纺丝方法在弹性导电芯纱表面包覆具有均匀捻度的碳纳米管/聚合物复合纳米纤维制备连续的纳米纤维包芯纱，利用机织原理编织成织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，可用于压力、拉伸和弯曲等多重力学刺激的检测，并具有灵敏度高、响应速度快、可承受应变范围广、稳定性好等特点。这种柔性可拉伸的多模式传感器可以借助弹性薄膜衬底和医用胶带贴附到人体的各个部位，监测人体生理健康（脉搏）和全范围运动（面部表情、发声、关节的运动）等。此外，制作工艺简便、原理可靠、成本低廉、操作简便、产率高和环境友好，有利于向大规模商业化方向发展。

Claims (9)

1.一种基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器，其特征在于：包括弹性导电芯纱和碳纳米管/聚合物复合纳米纤维，碳纳米管/聚合物复合纳米纤维通过静电纺丝技术包覆在弹性导电芯纱表面制备成连续的纳米纤维包芯纱，纳米纤维包芯纱通过机织原理编织成织物，织物利用柔性聚合物封装方式得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器；所述的弹性导电芯纱是在弹性芯纱表面涂覆碳纳米管/聚合物导电溶液制备而成。
2.根据权利要求1所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器，其特征在于：所述的弹性芯纱为具有弹性及回弹性的聚合物材料，所述的具有弹性及回弹性的聚合物材料为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、高弹硅胶和高弹橡胶中的至少一种；所述的弹性芯纱的直径为200-2000um。
3.根据权利要求1所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器，其特征在于：所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的聚合物材料为高弹性聚合物，所述的高弹性聚合物为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和Parafilm膜中的至少一种；所述的弹性芯纱为氨纶长丝。
4.根据权利要求1所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器，其特征在于：所述的碳纳米管/聚合物复合纳米纤维的聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氨酯、聚丙烯腈的一种或多种，聚合物的分子量大于等于100000。
5.根据权利要求1所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器，其特征在于：所述基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器长度大于等于5 cm，纳米纤维包芯纱的直径为200-500 μm，伸长率大于等于0.01%，纱中纳米纤维的直径为100-500 nm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将弹性芯纱放入低温等离子体处理仪的下电极中央处理，得到等离子体改性的弹性芯纱；
（2）制备碳纳米管/聚合物导电溶液：将碳纳米管粉末加入有机溶剂中，常温密封条件下进行强力超声处理，得到均匀分散的碳纳米管溶液；然后加入聚合物，于60-100℃温度下磁力搅拌3 h-8 h得到均匀的碳纳米管/聚合物导电溶液；
（3）将步骤（2）所得的碳纳米管/聚合物导电溶液均匀涂覆在步骤（1）所得的离子体改性的弹性芯纱表面，然后置于30-90℃的烘箱中干燥，循环涂覆4-8次，得到弹性导电芯纱；
（4）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1:（1-0.1）配置混合溶剂，将碳纳米管粉末加入混合溶剂中，密封条件下强力超声分散5-12 h得到均匀的碳纳米管溶液；然后加入聚合物颗粒，常温下磁力搅拌5-15 h得到掺杂碳纳米管的聚合物纺丝溶液；
（5）搭建静电纺丝装置，首先将步骤（3）所得的导电芯纱穿过金属喇叭口卷绕到卷绕装置上，然后将步骤（4）中所得的聚合物纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维包芯纱；
（6）将步骤（5）所得的纳米纤维包芯纱利用机织原理编织成织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，得到基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多功能传感器。
7.根据权利要求5所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的低温等离子体处理仪氧气为工作气体，系统压强保持30-150 Pa，放电功率为60-180 W，处理时间为10-45 min。
8.根据权利要求5所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的聚合物为高弹性聚合物；碳纳米管的直径为20-50 nm, 长度为5–20 µm；所述的碳纳米管/聚合物导电溶液的质量浓度为9-15%，碳纳米管和聚合物的质量比为1:3-10；
根据权利要求5所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的聚合物的分子量大于100000；纺丝溶液中聚合物的质量浓度为8-20%，碳纳米管的质量浓度为1-10%。
9.根据权利要求5所述的基于纳米纤维包芯纱的柔性可拉伸多模式传感器的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的静电纺丝装置的静电纺丝电压为14-22 kV，纺丝溶液总流量为0.5-3.2 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2-8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13-17cm，卷绕速度10-1000 mm/min。
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