CN110987245A - 一种纤维状压力发光传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种纤维状压力发光传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
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Abstract

本发明属于柔性传感和显示器件技术领域,具体为一种纤维状压力发光传感器及其制备方法和应用。本发明方法包括:设计具有微结构的纤维模板;在纤维模板表面涂覆兼具压力传感和发光功能的聚合物复合材料;去除模板,形成内表面具有单轴取向褶皱结构的中空聚合物复合纤维;将导电纤维和聚合物复合纤维同轴组装,得到纤维状压力发光传感器。该器件具有高灵敏度、低检出限和高循环稳定性;并在同一个器件上实现传感和发光功能,即将压力变化用肉眼可见光展示出来。本发明压力发光传感器可编织成可穿戴织物直接穿戴在人体上,通过电致发光强度和分布的变化来实时检测在运动过程中产生的力的变化;进一步作为检测个人日常活动的可视化传感平台。

Description

一种纤维状压力发光传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于柔性传感与显示器件技术领域,具体涉及一种纤维状压力发光传感器及其制备方法和应用。
背景技术
近些年来,可穿戴领域蓬勃发展。其中可穿戴压力传感器由于在个性化医疗,软体机器人以及人机交互等方面具有非常大的应用前景而备受研究者的关注。然而,由于通常的薄膜状压力传感器在长期动态过程中容易脱落和破损,限制了其实际的应用。在这方面,纤维状压力传感器具有独特优势。可以和透气舒适的织物集成,可以有效避免以上问题。
同时,在实际应用过程,实现压力信号的实时反馈是非常重要的,在一定程度上能够避免某些特殊的情况,比如运动性损伤。然而传统的传感往往需要复杂辅助设备以及外电路来实现这样的功能。这就带来器件的便携性等问题。因此,通过器件结构材料的选择和设计,实现单一纤维状器件同时对外力进行检测和实时反馈是非常重要的。但令人感到遗憾的,这样的器件到目前为止还未实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异的压力传感功能和显示功能的纤维状可穿戴的压力发光传感器及其制备方法和应用。
本发明提供的纤维状压力发光传感器,具有高的灵敏度和稳定性,同时以人皮肤作为电极,简化了器件结构,在同一器件上实现压力传感功能以及把压力信号转变发光信号并显示出来的功能。
本发明提供的纤维状的压力发光传感器,采用同轴结构的设计方式,其中,以发光粉和聚合物复合材料中空纤维作为壳层,导电纤维电极作为内电极,以皮肤作为外电极;通过巧妙的模板方法结合化学刻蚀的方法,在壳层内表面上制备了单轴取向的褶皱结构。
本发明提供的纤维状的压力发光传感器的制备方法,具体步骤为:
(1)制备具有单轴取向的螺纹结构的纤维模板:取直径为10-100微米的纤维,缠绕在直径50-500微米纤维基底上;缠绕速度为500-5000rpm,缠绕角度为30°-90°;
(2)配制具有发光和压力传感功能的混合物:将荧光粉与聚合物预聚体以0.5:1-5:1(即(0.5-5):1)的质量比超声混合;
(3)制备内表面具有单轴取向褶皱结构的复合中空纤维:将步骤(2)中配制的混合物涂覆在步骤(1)中的纤维模板上,然后在100-160℃的油浴中固化10-90s,再用溶液溶解去除模板,然后将其依次用丙酮、乙醇和水超声5-10分钟,最后60-80℃烘箱干燥10-30分钟,得到内表面具有单轴取向褶皱结构的复合中空纤维;
(4)组装纤维状的压力发光传感器:将直径为50-500微米的导电纤维电极插入到步骤(3)制备的复合中空纤维中,得到纤维状的压力发光传感器。
本发明步骤(1)中,所述具有单轴取向的螺纹结构的纤维模板,其螺纹直径可自由调节为10-100微米,缠绕角度为30°-90°,螺纹间距为10-500微米。
本发明中,所述缠绕纤维和基底纤维为为金、银、铜、铁等的金属纤维,或者为聚乙烯醇、聚乙二醇等高分子纤维。
本发明步骤(3)中,所述内表面具有单轴取向褶皱结构的复合中空纤维。褶皱结构直径可自由调节为10-100微米,角度为30°-90°,间距为10-500微米。
本发明步骤(3)中,所述去除模板的溶液为三氯化铁丙酮溶液或水溶液等,浓度为0.05-0.5克每毫升。
本发明步骤(4)中,所述导电纤维电极材料为金、银、铜、或铁等金属纤维,或者为聚吡咯、聚苯胺等导电高分子纤维,或者为碳纳米管、碳纤维、石墨烯纤维等复合纤维。
本发明制备的纤维状的压力发光传感器,可用于制备可穿戴设备,具体是将纤维状的压力发光传感器编织成织物,穿戴在人体上(接触人体皮肤);该织物连接电容测试设备,用于检测外力引出的电容变化,从而根据电容的变化来检测个人受到外力的大小和分布;或者该织物连接发光驱动设备,通过电致发光强度和分布的变化来实时检测人在运动过程中(例如手指弯曲)产生的力的变化。而且其能够进一步发展为一个检测个人日常活动的可视化传感平台。
本发明方法制备的纤维状压力发光传感器,能够在单个设备中同时检测和可视化外力刺激,而且无需复杂而庞大的电路。本发明设计了具有微结构的纤维模板,然后在纤维模板表面涂覆兼具压力传感和发光功能的聚合物复合材料,通过溶液法去除模板,形成内表面具有单轴取向褶皱结构的中空纤维。最后将导电纤维和中空纤维以同轴结构组装为纤维状的压力发光传感器。该器件具有高的灵敏度,具有低的检出限和高的循环稳定性。而且在同一个器件上实现传感和发光功能,即可视化压力变化。
附图说明
图1为纤维状压力发光传感器的制备过程图示。
图2为纤维状压力发光传感器用于检测个人日常活动(例如手指弯曲),其中,a为器件工作示意图,b图为实际工作过程中的光学照片。
图3为纤维状压力发光传感器的结构表征。其中,a为内表面具有单轴取向褶皱结构的纤维的光学照片,b为在紫外光下,硫化锌复合纤维的光学照片,c为纤维内表面的微结构的电镜照片,d为纤维截面的电镜照片。
图4为纤维状压力发光传感器的传感性能表征。其中,a为有无微结构器件的截面示意图,b为不同纤维传感器在不同外力下的电容响应,c为具有微结构的传感器对纸片等物体的实时电容响应,d为传感器弯曲电容响应性。
图5为纤维状压力发光传感器的发光性能表征。其中,a为有无微结构器件对发光的响应程度,b为器件随外力的变化发光亮度的变化,c为器件循环稳定性。
图6为器件弯曲过程发光响应的光学照片。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
(1)纤维模板的制备:将50厘米长的铜丝(直径为50微米)缠绕到20厘米长的不锈钢丝(直径为100微米)形成螺纹结构的纤维模板(参见图1);
(2)硫化锌和聚二甲基硅氧烷混合物的配置:将4.5克聚二甲基硅氧烷预聚体,0.5克的交联剂和5克的硫化锌发光粉混合均匀,在真空烘箱中除气泡(参见图1);
(3)具有单轴取向结构的硫化锌和聚二甲基硅氧烷复合中空纤维的制备:将步骤(1)中制备的模板蘸涂步骤(2)中配置的混合物,然后放入160℃的油浴中固化30秒。然后放入0.1毫克每毫升的三氯化铁丙酮溶液中超声2小时,取出放到乙醇,去离子水中洗涤,烘箱80℃干燥30分钟。形成具有单轴取向褶皱结构的复合中空纤维(如图3(a)和3(b)所示)。微结构的间距为20微米,微结构的高度为20微米(如图3(c)所示)。复合中空纤维的直径为250微米,壁厚为100微米(如图3(d)所示);
(4)纤维状的压力发光传感器的制备:将不锈钢纤维(100微米)插入到步骤(3)中得到的中空复合纤维中,形成纤维状的压力发光传感器(如图4(a)所示)。该器件具有高的灵敏度为16.81N-1(如图4(b)所示)。具有低的检出限为0.098mN(如图4(c)所示),高的弯曲响应性(如图4(d)所示),具有好的发光响应性(如图5(a)和图5(b)),同时表现良好的稳定性(如图5(c)所示)。更进一步,可以贴附到手指关节处,通过发光强度和发光位置实时显示人运动过程中受力情况(如图2和图6所示)。
实施例2
(1)纤维模板的制备:将50厘米长的金属铁纤维(直径为10微米)缠绕到20厘米长的金属铁纤维(直径为50微米)形成螺纹结构的纤维模板;
(2)硫化锌和聚二甲基硅氧烷混合物的配置:将4.5克聚二甲基硅氧烷预聚体,0.5克的交联剂和10克的硫化锌发光粉混合均匀,在真空烘箱中除气泡;
(3)具有单轴取向结构的硫化锌和聚二甲基硅氧烷复合中空纤维的制备:将步骤(1)中制备的模板蘸涂步骤(2)中配置的混合物,然后放入120℃的油浴中固化90秒。然后放入0.5毫克每毫升的三氯化铁丙酮溶液中超声1小时,取出放到乙醇,去离子水中洗涤,烘箱80℃干燥60分钟。得到中空复合纤维;
(4)纤维状的压力发光传感器的制备:将金属银纤维(50微米)插入到步骤(3)中得到的中空复合纤维中,形成纤维状的压力发光传感器。该器件具有高的灵敏度为14N-1,具有低的检出限为0.2mN,高的弯曲响应性。具有好的发光响应性,同时表现良好的稳定性。
实施例3
(1)纤维模板的制备:将50厘米长的聚乙烯醇纤维(直径为100微米)缠绕到20厘米长的金属铁纤维(直径为500微米)形成螺纹结构的纤维模板;
(2)硫化锌和聚二甲基硅氧烷混合物的配置:将4.5克聚二甲基硅氧烷预聚体,0.5克的交联剂和15克的硫化锌发光粉混合均匀,在真空烘箱中除气泡;
(3)具有单轴取向结构的硫化锌和聚二甲基硅氧烷复合中空纤维的制备:将步骤(1)中制备的模板蘸涂步骤(2)中配置的混合物,然后放入140℃的油浴中固化90秒。然后放入水溶液中超声4小时,取出放到乙醇,去离子水中洗涤,烘箱80℃干燥10分钟。得到中空复合纤维;
(4)纤维状的压力发光传感器的制备:将碳纳米管纤维(500微米)插入到步骤(3)中得到的中空复合纤维中,形成纤维状的压力发光传感器。该器件具有高的灵敏度为10N-1,具有低的检出限为0.35mN,良好的弯曲响应性。具有好的发光响应性,同时表现良好的稳定性。

Claims (8)

1.一种纤维状压力发光传感器的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)制备具有单轴取向的螺纹结构的纤维模板:取直径为10-100微米的纤维,缠绕在直径50-500微米纤维基底上;缠绕速度为500-5000rpm,缠绕角度为30°-90°;
(2)配制具有发光和压力传感功能的混合物:将荧光粉与聚合物预聚体以0.5:1-5:1的质量比超声混合;
(3)制备内表面具有单轴取向褶皱结构的复合中空纤维:将步骤(2)中配制的混合物涂覆在步骤(1)中的纤维模板上,然后在100-160℃的油浴中固化10-60s,再用溶液溶解模板,然后将其依次用丙酮、乙醇和水超声5-10分钟,最后60-80℃烘箱干燥10-30分钟,得到内表面具有单轴取向褶皱结构的复合中空纤维;
(4)组装纤维状的压力发光传感器:将直径为50-500微米的导电纤维电极插入到步骤(3)制备的复合中空纤维中,得到纤维状的压力发光传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述具有单轴取向的螺纹结构的纤维模板,其螺纹直径的自由调节范围为10-100微米,缠绕角度为30°-90°,螺纹间距为10-500微米。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,缠绕纤维和基底纤维为金、银、铜或铁金属纤维,或者为聚乙烯醇或聚乙二醇高分子纤维。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述内表面具有单轴取向褶皱结构的复合中空纤维中,褶皱结构直径的自由调节范围为10-100微米,角度为30°-90°,间距为10-500微米。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述去除模板溶液为三氯化铁丙酮溶液或水溶液,浓度为0.05-0.5克每毫升。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述导电纤维电极材料为金、银、铜、或铁金属纤维,或者为聚吡咯或聚苯胺导电高分子纤维,或者为碳纳米管、碳纤维或石墨烯纤维。
7.一种由权利要求1-6之一所述制备方法得到的纤维状压力发光传感器;以发光粉和聚合物复合材料中空纤维作为壳层,导电纤维电极作为内电极,以皮肤作为外电极;在壳层内表面上具有单轴取向的褶皱结构。
8.如权利要求7所述的纤维状压力发光传感器在制备可穿戴设备中的应用,将纤维状的压力发光传感器编织成织物,穿戴在人体上;该织物连接电容测试设备,用于检测外力引出的电容变化,从而根据电容的变化来检测个人受到外力的大小和分布;或者该织物连接发光驱动设备,通过电致发光强度和分布的变化来实时检测人在运动过程中产生的力的变化;进一步地,作为检测个人日常活动的可视化传感平台。
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