CN110823265A - 一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法，该自功能传感器包括摩擦层和电极层，所述摩擦层覆盖在电极层表面，所述摩擦层为复合纳米纤维膜，所述电极层包括第一纳米纤维膜和导电纳米材料，所述导电纳米材料敷设在第一纳米纤维膜上表面，本发明提供的柔性可拉伸的自供能传感器用于人体动作监测，主要是基于摩擦纳米发电机的摩擦起电和静电感应效应产生的电信号来反映人体动作特征信号的变化。本发明提出的柔性可拉伸材料结合静电纺丝技术和丝网印刷技术，使整个可穿戴器件兼具柔性可拉伸的特点，可随意扭曲和拉伸，即使在剪切之后，器件仍能够正常工作。

Description

一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器制备技术领域，特别涉及一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法。
背景技术
柔性可拉伸电子器件被视为下一代电子产品，在可穿戴领域已受到了广泛关注，然而，目前仍然迫切需要一种耐用和可持续的能源来驱动这些电子设备。对于可穿戴设备而言，较为可靠的解决方案之一是收集人体运动产生的能量，并将其转化为电能，为可穿戴电子设备提供动力，使其持续工作，但目前基于摩擦生电以及静电感应原理的可拉伸器件的摩擦原料多以硅橡胶为主，所制备的可穿戴器件在舒适度上仍面临很大的挑战。另外电极材料在电子设备中同样有着十分重要的地位，目前的电极材料大部分为金属材料如铝箔、铜箔或氧化铟锡等，在长期弯曲过程中产生裂纹，在做柔性电极时有很大的局限性。
发明内容
为克服现有技术中存在的柔性可拉伸电子器件中的电极材料容易产生裂纹等问题，本发明提供了一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法。
具体技术方案如下：
一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器，包括摩擦层和电极层，所述摩擦层覆盖在电极层表面，所述摩擦层为复合纳米纤维膜，所述电极层包括第一纳米纤维膜和导电纳米材料，所述导电纳米材料敷设在第一纳米纤维膜上表面。
优选的，所述第一纳米纤维膜为静电纺TPU纳米纤维膜，所述导电纳米材料为碳纳米管。
优选的，所述摩擦层和电极层的最大拉伸率为400％。
优选的，所述摩擦层和电极层的总膜厚为25～35um。
本发明还提供了一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的制备方法，
步骤1：在原始纺丝基底上通过高压电源将第一纺丝溶液拉伸成第一纳米纤维膜；
步骤2：利用丝网印刷技术在步骤1所得的第一纳米纤维膜上表面印刷导电纳米材料，形成电极层；
步骤3：将步骤2所得的电极层作为摩擦层的纺丝基底，并利用高压电源在其上表面将第二纺丝溶液与第一纺丝溶液通过共混纺丝拉伸成共混纤维膜，再以共混纤维膜为纺丝基底，在其上表面进行第二纺丝溶液静电纺丝，最终得到复合纳米纤维膜，
步骤4：热压复合纳米纤维膜；
步骤5：将复合纳米纤维膜剥离原始纺丝基底。
优选的，所述第一纺丝溶液为TPU纺丝溶液，所述第二纺丝溶液为PVDF纺丝溶液。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明中的电极层和摩擦层均采用纳米纤维膜，纳米纤维膜具有良好的拉伸性能，该器件能作为自供能传感器，可直接将机械能转化为电信号，人体穿戴舒适，且可用于检测人体动作。
(2)本发明采用静电纺丝技术和丝网印刷技术，制备电极层和摩擦层，制备工艺成熟，成本低，且可大规模生产。通过静电纺丝技术制备出的纳米纤维膜，具有超高拉伸性能，静电纺丝技术与丝网印刷技术相结合制备出的柔性电极，代替以往的金属电极，实现了可弯折性和舒适性。
(3)静电纺丝技术用于制备纳米纤维，是通过对原料的选择以及纺丝工艺的调控，可制备出具有柔性可拉伸的纳米纤维膜，将电极印刷在柔性可拉伸的纳米纤维膜上作为传感器器件，则可直接将人体不同运动形式产生的机械能转化为电信号，成为自驱动的柔性可拉伸传感器器件。可拉伸传感器器件可适用于不同拉伸扭曲状态，且具有良好的回复能力，可广泛应用于可穿戴设备中，如监测手指、肘关节以及膝关节等动作。纳米纤维与丝网印刷技术相结合的优势在于真正实现了全柔性器件的目的，同时静电纺丝技术与丝网印刷技术操作简单、原料成本低廉，具有一定的实用性和产业化的前景。
附图说明
图1为本发明一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的结构示意图；
图2为本发明一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的制备流程图；
图3为本发明一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的工作原理图；
图4为本发明一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的拉伸曲线；
图5为本发明一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器中PVDF的表面形貌图；
图6为本发明一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器中TPU的表面形貌图；
图7为本发明一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器中的印刷电极图。
图中，1-TPU纳米纤维膜，2-导电纳米材料，3-TPU/PVDF共混纳米纤维膜，4-PVDF纳米纤维膜，5-TPU纺丝溶液，6-PVDF纺丝溶液，7-高压电源，8-原始纺丝基底。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器，包括摩擦层和电极层，摩擦层覆盖在电极层表面，如图1所示，摩擦层为复合纳米纤维膜，电极层包括第一纳米纤维膜和导电纳米材料2，导电纳米材料2敷设在第一纳米纤维膜上表面。如图5和6所示，为PVDF和TPU纳米纤维的表面形貌图，第一纳米纤维膜为静电纺TPU纳米纤维膜1，导电纳米材料2为碳纳米管。如图4所示，摩擦层和电极层的最大拉伸率为400％，且纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的膜厚为25～35um。
如图2所示，本发明还提供了一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的制备方法，
步骤1：在原始纺丝基底8上通过高压电源将第一纺丝溶液拉伸成第一纳米纤维膜；
步骤2：利用丝网印刷技术在步骤1所得的第一纳米纤维膜上表面印刷导电纳米材料2，形成电极层；
步骤3：将步骤2所得的电极层作为摩擦层的纺丝基底，并利用高压电源在其上表面将第二纺丝溶液与第一纺丝溶液通过共混纺丝拉伸成共混纤维膜，再以共混纤维膜为纺丝基底，在其上表面进行第二纺丝溶液静电纺丝，最终得到复合纳米纤维膜，
步骤4：热压复合纳米纤维膜；
步骤5：将复合纳米纤维膜剥离原始纺丝基底8。
优选的，第一纺丝溶液为TPU纺丝溶液5，第二纺丝溶液为PVDF纺丝溶液6。
本实验中采用的纳米纤维膜制备方法不局限于静电纺丝，亦可为熔融纺丝等其他纺丝方法，印刷方式不局限于丝网印刷，亦可为喷墨打印等其他印刷方法。第一纳米纤维膜不局限于PDMS、PMMA、TPEE、PI、PA6、PVDF-HFP、PVDF、PAN、PET、TPU、PA66、PA56等。电极材料可以为各种导电纳米材料2，不局限于Ag纳米颗粒、Ag纳米线、Au纳米颗粒、未改性/改性的碳纳米管、未改性/改性的石墨烯等。实施例1以静电纺丝技术制得的TPU、PVDF纳米纤维膜3和丝网印刷碳纳米管电极为例说明，如图7所示，为印刷电极图。丝网印刷的基底材料表面的微纳结构有利于提高印刷电极和基底之间的结合力，同时也能提升传感器件的灵敏度。
实施例1：
一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的制备方法，
步骤1：在原始纺丝基底8上通过高压电源7将TPU纺丝溶液5拉伸成TPU纳米纤维膜1；
步骤2：利用丝网印刷技术在步骤1所得的TPU纳米纤维膜1上表面印刷导电纳米材料9，形成电极层；
步骤3：将步骤2所得的电极层作为摩擦层纺丝基底，并利用高压电源在其上表面将PVDF纺丝溶液与TPU纺丝溶液通过共混纺丝拉伸成共混纤维膜，再以共混纤维膜为纺丝基底，在其上表面进行PVDF纺丝溶液静电纺丝，最终得到复合纳米纤维膜，
步骤4：热压复合纳米纤维膜；
步骤5：将复合纳米纤维膜剥离原始纺丝基底8。
如图1所示，在静电纺TPU纳米纤维膜1上采用丝网印刷技术印刷碳纳米管，作为电极层，在电极层上首先进行TPU、PVDF共混静电纺丝，得到TPU/PVDF共混纳米纤维膜，然后在TPU/PVDF共混纳米纤维膜再静电纺一定时间的PVDF，最终得到TPU/PVDF//PVDF复合纳米纤维膜作为摩擦层，即得到一个单电极模式的摩擦纳米发电机传感器。当PVDF纳米纤维膜4和皮肤接触时，由于摩擦起电和静电感应效应，碳纳米管电极材料和地面之间会有电流和电压的输出信号。
如图2所示，首先TPU纺丝溶液5在高压电源7的作用下，在原始纺丝基底8上拉伸成TPU纳米纤维膜1，通过丝网印刷技术在其上面印刷导电纳米材料2作为电极层；将电极层作为摩擦层的纺丝基底，并利用高压电源7在其上表面将PVDF纺丝溶液6与TPU纺丝溶液5拉伸成TPU/PVDF共混纳米纤维膜3，再利用高压电源7将PVDF纺丝溶液6在TPU/PVDF共混纳米纤维膜3上进行静电纺丝，最终得到TPU/PVDF//PVDF复合纳米纤维膜，作为摩擦层,该步骤将电极层与摩擦层合为一体，使其得到一个单电极的摩擦纳米发电机器件。
工作原理：如图3所示，在初始状态下，皮肤与PVDF纳米纤维膜4完全接触，PVDF纳米纤维薄由于摩擦起电作用使得PVDF纳米纤维膜4表面带负电，此时上下摩擦面的正负电荷处于平衡状态，外接回路中没有电流。PVDF纳米纤维膜4和皮肤发生分离的时候，由于两种摩擦材料之间的距离变大，电子会从地移动到碳纳米管电极材料；当PVDF纳米纤维膜4与碳纳米管导电纳米材料2距离达到最大的时候，碳纳米管电极会感应出与PVDF纳米纤维膜4表面等量的负电荷。当PVDF纳米纤维膜4与皮肤相互靠近的时候，为了平衡PVDF纳米纤维膜4上的电荷，电子从碳纳米管导电纳米材料2中流入地表，PVDF纳米纤维膜4与皮肤逐渐靠近最终相互接触，工作状态回到最初状态，即开始下一个循环。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器，其特征在于：包括摩擦层和电极层，所述摩擦层覆盖在电极层表面，所述摩擦层为复合纳米纤维膜，所述电极层包括第一纳米纤维膜和导电纳米材料，所述导电纳米材料敷设在第一纳米纤维膜上表面。
2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器，其特征在于：所述第一纳米纤维膜为静电纺TPU纳米纤维膜，所述导电纳米材料为碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器，其特征在于：所述摩擦层和电极层的最大拉伸率为400％。
4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器，其特征在于：所述摩擦层和电极层的总膜厚为25～35um。
5.一种用于权利要求1～4任一项所述的纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的制备方法，其特征在于：
步骤1：在原始纺丝基底上通过高压电源将第一纺丝溶液拉伸成第一纳米纤维膜；
步骤2：利用丝网印刷技术在步骤1所得的第一纳米纤维膜上表面印刷导电纳米材料，形成电极层；
步骤3：将步骤2所得的电极层作为摩擦层的纺丝基底，并利用高压电源在其上表面将第二纺丝溶液与第一纺丝溶液通过共混纺丝拉伸成共混纤维膜，再以共混纤维膜为纺丝基底，在其上表面进行第二纺丝溶液静电纺丝，最终得到复合纳米纤维膜，
步骤4：热压复合纳米纤维膜；
步骤5：将复合纳米纤维膜剥离原始纺丝基底。
6.根据权利要求5所述的一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的制备方法，其特征在于：所述第一纺丝溶液为TPU纺丝溶液，所述第二纺丝溶液为PVDF纺丝溶液。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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