CN111118889A - 一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111118889A
CN111118889A CN201911243150.4A CN201911243150A CN111118889A CN 111118889 A CN111118889 A CN 111118889A CN 201911243150 A CN201911243150 A CN 201911243150A CN 111118889 A CN111118889 A CN 111118889A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber membrane
flexible
sensing fiber
conductive material
flexible sensing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911243150.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111118889B (zh
Inventor
罗洪盛
蒋砚
周洹楷
姚仰荣
杨纪元
吴少英
李郑文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN201911243150.4A priority Critical patent/CN111118889B/zh
Publication of CN111118889A publication Critical patent/CN111118889A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111118889B publication Critical patent/CN111118889B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M11/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
    • D06M11/83Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with metals; with metal-generating compounds, e.g. metal carbonyls; Reduction of metal compounds on textiles
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M11/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
    • D06M11/73Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with carbon or compounds thereof
    • D06M11/74Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with carbon or compounds thereof with carbon or graphite; with carbides; with graphitic acids or their salts
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/16Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M2101/00Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
    • D06M2101/16Synthetic fibres, other than mineral fibres
    • D06M2101/18Synthetic fibres consisting of macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M2101/20Polyalkenes, polymers or copolymers of compounds with alkenyl groups bonded to aromatic groups
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M2101/00Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
    • D06M2101/16Synthetic fibres, other than mineral fibres
    • D06M2101/30Synthetic polymers consisting of macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M2101/00Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
    • D06M2101/16Synthetic fibres, other than mineral fibres
    • D06M2101/30Synthetic polymers consisting of macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M2101/38Polyurethanes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

本发明属于柔性传感技术领域,公开了一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用。所述传感纤维膜包括柔性基底纤维膜和杂化的导电网络层;将柔性高分子材料溶于有机溶剂进行静电纺丝,所得产物置于20~40℃干燥,制得柔性基底纤维膜;将柔性基底纤维膜放置在纳米导电材料分散液中超声,然后使纳米导电材料与柔性基底纤维膜复合,经洗涤后干燥制得。本发明的多功能柔性传感纤维膜具备透气性好,且能够实现对水/湿汽、温度/近红外光、应力应变等多重刺激因素快速响应。可应用在柔性电子传感、可穿戴电子设备领域中。

Description

一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于柔性传感技术领域,更具体地,涉及一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着智能终端的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景,传感器在人体健康监测方面发挥着至关重要的作用,而柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点,并且能够通过实时监测脉搏、心跳、体温、肌肉群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,甚至实现疾病的前期预防和诊断,使其成为最受关注的电学传感器之一。而随着信息时代的应用需求越来越高,对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值以及对于材料的多功能化要求逐步提高。
但是,目前对于传感器的研究大多还停留在对单一刺激的响应,而对于构建能够同时实现对水/湿气、温度、应力应变等多重刺激的传感器仍然是个挑战。而普通传感器由于其质脆的性质使电子器件难以进行弯曲或延展,一旦有较大变形将损坏电子器件,从而导致测量范围受到较大影响。此外,从目前所发表的成果来看,湿度传感器在科研、军事、农业、医疗器械等众多领域有着广泛地应用,但传统湿度传感器多为刚性材料,不具有柔韧性和延展性,很难适用于表面弯曲的触觉探测等。由于柔性传感技术在人工智能、健康医疗器械和可穿戴电子产品中有重要作用,因此,开发具备灵敏度高、灵活性强、柔性透气且可穿戴等优点为一体的新型湿度传感器亦成为了研究热点。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点,本发明目的在于提供一种多功能柔性传感纤维膜。
本发明的另一目的在于提供上述多功能柔性传感纤维膜的制备方法。该方法结合柔性基底纤维膜的微纳米层级结构与其良好的柔韧性,能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量及提高穿戴舒适度;调节导电物质沉积种类、组分和沉积量,可达到不同传感灵敏度的目的,以满足信息时代对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值以及对于材料的多功能化的要求。
本发明的再一目的在于提供上述多功能柔性传感纤维膜的应用。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
一种多功能柔性传感纤维膜,所述传感纤维膜包括柔性基底纤维膜和杂化的导电网络层;将柔性高分子材料溶于有机溶剂进行静电纺丝,所得产物置于20~40℃干燥,制得柔性基底纤维膜;将柔性基底纤维膜放置在纳米导电材料分散液中超声,然后使纳米导电材料与柔性基底纤维膜复合,经洗涤后干燥制得。
优选地,所述柔性基底纤维膜的分子量为1000~1000000;所述柔性传感纤维膜在每隔24h的失水率为2.8~8%;在干湿态变化下,所述柔性传感纤维膜在3~10s内对水/湿气刺激响应,且电阻变化率在0.2~5;所述柔性传感纤维膜在3~10s内对热刺激响应,且电阻变化率达到0.3~5;所述柔性传感纤维膜在3~10s内对应力应变刺激响应,且电阻变化率增大到10~105
优选地,所述柔性高分子材料为聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯或环氧树脂;所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃中的一种以上。
优选地,所述柔性高分子材料的质量和有机溶剂的体积比为(80~200)mg:1ml。
优选地,所述纳米导电材料分散液中纳米导电材料的质量和分散剂的体积比为(0.1~5)mg:1ml。
优选地,所述纳米导电材料分散液中分散剂为无水乙醇、去离子水或异丙醇。
优选地,所述纳米导电材料为零维导电材料、一维导电材料或二维导电材料中的一种以上。
更为优选地,所述零维导电材料为镓铝合金、镓铋合金、鎵铟合金或鎵铟锡合金;
更为优选地,所述一维导电材料为银纳米线和/或碳纳米管,所述二维导电材料为碳化钛和/或石墨烯。
优选地,所述干燥的时间均为1~12h。
所述的多功能柔性传感纤维膜的制备方法,包括如下具体步骤:
S1.将柔性高分子材料溶于有机溶剂进行静电纺丝,将其产物置于20~40℃干燥1~12h,制备柔性基底纤维膜;
S2.将纳米导电材料分散于分散剂中,配制成纳米导电材料分散液;
S3.将柔性基底纤维膜放置在纳米导电材料分散液中超声后,采用抽滤、喷涂或滴涂,使纳米导电材料与柔性基底纤维膜复合,用去离子水清洗除去多余的纳米导电物质,在30~40℃干燥1~12h,制得柔性传感纤维膜。
优选地,所述静电纺丝的参数为:施加的总电压为10~20kV,注射器与滚筒的距离为10~25cm,注射速度为0.5~2ml/h。
所述的多功能柔性传感纤维膜在柔性电子传感或穿戴电子设备领域中的应用。
本发明柔性传感器纤维膜是指采用柔性高分子材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性、透气性、甚至可自由弯曲甚至折叠,而且结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量。在此基础上,柔性高分子电纺膜与纳米导电网络结合,从而得到较高灵敏度并能快速响应多重刺激的柔性传感纤维膜,施加刺激后能在10s内有明显变化。可制备一种透气、能同时实现对水/湿气、温度、应力应变等多重刺激快速响应的柔性传感纤维膜在可穿戴电子领域及其它传感领域有着广泛的应用。本发明方法是利用静电纺丝的方法,将溶于有机溶剂的柔性高分子材料,制备成一块具有微纳米层级结构的柔性基底纤维膜,采取抽滤、超声、喷涂或者滴涂等方法,将导电网络与柔性基底纤维膜复合,随后进行清洗和烘干,最终得到柔性传感纤维膜。
本发明的柔性传感纤维膜的透气性主要为其具有微纳米层级结构,可使水分子从中穿过,使其每隔24h的失水率在2.8%以上。所述的水/湿气刺激响应指在干湿态变化下,该柔性传感纤维膜能在(3-10)s内对刺激快速做出反应,且电阻变化率可达到0.2以上。所述的热刺激响应指在温度升高时,该柔性传感纤维膜能在3-10s内对刺激快速做出反应,且电阻变化率可达到0.3以上。所述的应力应变刺激响应指在应力作用于该材料使其达到一个固定的应变(50%)时,该材料能在3-10s内对刺激快速做出反应,且电阻变化率可增大到10以上。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1.本发明的多功能柔性传感纤维膜的结构主要包括杂化导电网络及柔性基底纤维膜,具备透气性好,且能够同时实现对水/湿汽、温度/近红外光、应力应变等多重刺激因素具有快速响应的特点。其中,柔性基底纤维膜的微纳米层级结构使其保持了良好的透气性,杂化导电网络层对外界多重刺激(如水/湿汽、温度/近红外光、应力应变等)快速响应。并且通过调节纳米导电物质的沉积种类、组分与沉积量,达到较高灵敏度的目的,从而实现多功能传感的优良性能,以满足信息时代对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值以及对于材料的多功能化的要求,能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量及提高穿戴舒适度。
2.本发明制备的多功能柔性基底纤维膜具有微纳米层级结构,由于其良好的孔隙率,使其具有较好的透气性,且当受到外力刺激时,这种附有杂化导电网络结构的柔性传感纤维膜与具有单一导电网络的柔性传感纤维膜相比较显示了较宽的传感范围。
3.本发明将杂化导电层与柔性基底纤维膜结合,整个制作过程简便易操作,原理可靠,工艺简单,产率高。
附图说明
图1为实施例1中柔性基底纤维膜分别在水与空气隔绝的状态和在自然状态下蒸出水汽随时间的曲线图;
图2为实施例2-5所得柔性传感纤维膜在水传感过程中的电阻变化率。
图3为实施例3所得负载了纳米银线的柔性传感纤维膜的扫描电镜图。
图4为实施例3-5所得柔性传感纤维膜在热传感过程中的电阻变化率。
图5为实施例3-5所得柔性传感纤维膜在应力应变发生变化过程中的电阻变化率。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容,但不应理解为对本发明的限制。
实施例1
1.制备:将2.25g热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)溶于25ml的有机溶剂(N,N-二甲基甲酰胺:四氢呋喃的体积比=3:1)中,取5ml该溶液进行静电纺丝。其中,施加的总电压为18kV,注射器与滚筒的距离为13cm,以1ml/h的注射速度进行纺丝后,将纺丝产物置于40℃烘箱内干燥4h,得到柔性基底纤维膜。
2.性能测试:将裁剪长*宽为60mm*60mm的柔性基底纤维膜,分别置于烧杯1和烧杯2中,并加入7.9849g和6.8937g水,将烧杯1的瓶口封住,而烧杯2中的水与空气接触,每隔24h分别称取两个烧杯的质量,计算失水率
Figure BDA0002306824110000051
可以得到烧杯1的失水率分别为2.80%、6.7%、11.6%、15.6%、18.9%、22.2%;烧杯2的失水率分别为8.1%、15%、19.45%、23.9%、31%、34.3%。柔性基底纤维膜分别在水与空气隔绝的状态(烧杯1)和在自然状态下(烧杯2)蒸出水汽随时间的曲线如图1所示。,从图1可知,柔性基底纤维膜的透气性良好,可适用于可穿戴电子设备,提高人体皮肤的舒适度。
实施例2
1.将2.25gTPU溶于25ml的有机溶剂(N,N-二甲基甲酰胺:四氢呋喃体积比=3:1)中,取5ml该溶液进行静电纺丝。其中,施加的总电压为18kV,注射器与滚筒的距离为13cm,以1ml/h的注射速度进行纺丝,将其置于40℃烘箱内干燥4h,得到柔性基底纤维膜。
2.取5mg石墨烯与4mg纳米银线醇溶液分散于11ml去离子水中。每次从所配置的溶液中取(2-3)ml置于10ml的小试管中,用去离子水将其稀释为(8-7)ml,将其震荡使其均匀分散,抽滤,最终使导电网络与柔性基底纤维膜完全复合。随后放入40℃烘箱内烘干12h,得到负载纳米银线/石墨烯的柔性传感纤维膜,该纤维膜具有透气性且快速响应多重刺激。
测试所得负载纳米银线/石墨烯的柔性传感纤维膜的水传感功能,将柔性传感纤维膜裁剪出长*宽为30mm*20mm的样品,并用万用表测量其电阻为53Ω。将柔性传感纤维膜继续裁剪出长*宽为30mm*5mm的样条,样条夹距为20mm。当水浸湿纤维膜时,其在3-10s内对水浸润刺激做出响应,并且电阻变化率
Figure BDA0002306824110000052
可达2.35。
实施例3
1.将2.25gTPU溶于25ml的有机溶剂(N,N-二甲基甲酰胺:四氢呋喃体积比=3:1)中,取5ml该溶液进行静电纺丝。其中,施加的总电压为18kV,注射器与滚筒的距离为13cm,以1ml/h的注射速度进行纺丝,将其置于40℃烘箱内干燥4h,得到柔性基底纤维膜。
2.取4mg纳米银线醇溶液分散于11ml去离子水中。每次从所配置的溶液中取(2-3)ml置于10ml的小试管中,用去离子水将其稀释为(8-7)ml,将其震荡使其均匀分散,抽滤(喷涂或滴涂),最终使导电网络与柔性基底膜完全复合。随后放入40℃烘箱内烘干12h,得到负载纳米银线的柔性传感纤维膜,该纤维膜具有透气性且快速响应多重刺激。
测试所得负载纳米银线的柔性传感纤维膜的水传感功能及微观结构,图3为实施例3中负载了纳米银线的柔性传感纤维膜的扫描电镜图。从图3可知,纳米导电层间有孔隙可使蒸发的水分子通过。接下来将柔性传感纤维膜裁剪出长*宽为30mm*20mm的样品,并用万用表测量其电阻为397Ω。将柔性传感纤维膜继续裁剪出长*宽为30mm*5mm的样条,样条夹距为20mm。当水浸湿纤维膜时,其在3-10s内对水浸润刺激做出响应,电阻变化率达0.25。在干湿态转变前后的负载纳米银线的柔性传感纤维膜的电阻变化率曲线如图2中所示。
测试所得负载纳米银线的柔性传感纤维膜对温度的响应功能,继续取另一长*宽为30mm*5mm的柔性传感纤维膜样条,使用万用表测量其电阻为143Ω,样条夹距为20mm。当加热该柔性传感纤维膜时,其在3-10s内对温度刺激做出响应,电阻变化率达到-0.59。从室温(25℃)条件下,温度升高导致电阻变大,此温度传感器如图4中的纳米银线曲线所示。
测试所得负载纳米银线的柔性传感纤维膜对应力应变刺激的响应功能,继续取另一长*宽为30mm*5mm的柔性传感纤维膜样条,使用万用表测量其电阻为527Ω,样条夹距为20mm。在分别拉伸10%、20%、30%、40%、50%时,电阻变化率分别为5.8、22.1、116.7、992.5、10056.9,灵敏度=电阻变化率/应变,分别为58、110.5、389、2481.5、20113.8。此柔性传感纤维膜作为应变传感器,在可控条件下,拉伸过程中的负载纳米银线的柔性传感纤维膜的电阻变化率与应变的曲线如图5所示。
实施例4
1.将2.25gTPU溶于25ml的有机溶剂(N,N-二甲基甲酰胺:四氢呋喃体积比=3:1)中,取5ml该溶液进行静电纺丝。其中,施加的总电压为18kV,注射器与滚筒的距离为13cm,以1ml/h的注射速度进行纺丝,将其置于40℃烘箱内干燥4h,得到柔性基底纤维膜。
2.取4mg碳化钛醇溶液分散于11ml去离子水中。每次从所配置的溶液中取(2-3)ml置于10ml的小试管中,用去离子水将其稀释为(8-7)ml,将其震荡使其均匀分散,抽滤,最终使导电网络与柔性基底膜完全复合。随后放入40℃烘箱内烘干12h,得到负载碳化钛的柔性传感纤维膜,该纤维膜具有透气性且快速响应多重刺激。
测试所得负载碳化钛的柔性传感纤维膜的水传感功能,将柔性传感纤维膜裁剪出长*宽为30mm*20mm的样品,并用万用表测量其电阻为212Ω。当水浸湿纤维膜时,其在3-10s内对水浸润刺激做出响应,电阻变化率达0.86。在干湿态转变前后的负载碳化钛的柔性传感纤维膜的电阻变化率曲线如图2中所示。
测试所得负载碳化钛的柔性传感纤维膜对温度的响应功能,继续取另一长*宽为30mm*5mm的柔性传感纤维膜样条,使用万用表测量其电阻为267Ω,样条夹距为20mm。当加热该柔性传感纤维膜时,其在3-10s内对温度刺激做出响应,电阻变化率达到0.33。从室温(25℃)条件下,温度升高导致电阻变大,此温度传感器如图4中的碳化钛曲线所示。
测试所得负载碳化钛的柔性传感纤维膜对应力应变刺激的响应功能,继续取另一长*宽为30mm*5mm的柔性传感纤维膜样条,使用万用表测量其电阻为401Ω,样条夹距为20mm。在分别拉伸10%、20%、30%、40%、50%时,电阻变化率分别为161.5、491.0、630.6、853.2、1857.7,灵敏度=电阻变化率/应变,分别为1615、2455、2102、2133、3715.4。此柔性传感纤维膜作为应变传感器,在可控条件下,拉伸过程中的负载碳化钛的柔性传感纤维膜的电阻变化率与应变的曲线如图5所示。
实施例5
1.将2.25gTPU溶于25ml的有机溶剂(体积比N,N-二甲基甲酰胺:四氢呋喃=3:1)中,取5ml该溶液进行静电纺丝。其中,施加的总电压为16kV,注射器与滚筒的距离为13cm,以1ml/h的注射速度进行纺丝,将其置于40℃烘箱内干燥4h,得到柔性基底纤维膜。
2.取4mg纳米银线与2-4mg碳化钛分散于11ml去离子水中。每次从所配置的溶液中取(2-3)ml置于10ml的小试管中,用去离子水将其稀释为(8-7)ml,将其震荡使其均匀分散,抽滤,最终使其抽滤完全。随后放入40℃烘箱内烘干12h,即得到负载纳米银线/碳化钛的柔性传感纤维膜,其具有透气性且快速响应多重刺激。
测试所得负载纳米银线/碳化钛的柔性传感纤维膜的水传感功能,将柔性传感纤维膜裁剪出长*宽为30mm*20mm的样品,并用万用表测量其电阻为537Ω。当水浸湿纤维膜时,其在3-10s内对水浸润刺激做出响应,并且电阻变化率可达-0.6。在干湿态转变前后的负载纳米银线/碳化钛的柔性传感纤维膜的电阻变化率曲线如图2中所示。
测试所得负载纳米银线/碳化钛的柔性传感纤维膜对温度的响应功能,将柔性传感纤维膜裁剪出长*宽为30mm*20mm的样品,并用万用表测量其电阻为37Ω。将柔性传感纤维膜继续裁剪出长*宽为30mm*5mm的样条,样条夹距为20mm。当加热该柔性传感纤维膜时,其在3-10s内对温度刺激做出响应,并且电阻变化率可达到2.8。从室温(25℃)条件下,温度升高导致电阻变大,此温度传感器如图3中的纳米银线/碳化钛曲线所示。
将负载纳米银线/碳化钛的柔性传感纤维膜裁剪出长*宽为30mm*20mm的样品,并用万用表测量其电阻为691Ω。将柔性传感纤维膜继续裁剪出长*宽为30mm*5mm的样条,样条夹距为20mm。在分别拉伸10%、20%、30%、40%、50%时,电阻变化率分别为10.4、46.8、363.7、3125.0、31836.9,灵敏度=电阻变化率/应变,分别为104、234、1212、7812、63672。此柔性传感纤维膜作为应变传感器,在可控条件下,拉伸过程中的负载纳米银线/碳化钛的柔性传感纤维膜的电阻变化率与应变的曲线如图5所示。
图2为实施例2-5所得柔性传感纤维膜在水传感过程中的电阻变化率。其中,负载纳米银线与石墨烯的柔性传感纤维膜(实施例2),负载纳米银线的柔性传感纤维膜(实施例3),负载碳化钛的柔性传感纤维膜(实施例4),负载纳米银线/碳化钛的柔性传感纤维膜(实施例5)。从图2中可知,纳米银线/石墨烯曲线相对其它三条曲线的电阻变化率范围大;纳米银线/碳化钛曲线比纳米银线曲线、碳化钛曲线的电阻变化率范围大,而且响应速度相对较快,说明柔性传感纤维膜比具有单一导电网络的柔性传感纤维膜相比拥有更高的灵敏度,并且通过调节导电物质的沉积种类、组分与沉积量,在水传感过程中达到较高的灵敏度。
图4为实施例3-5所得柔性传感纤维膜在热传感过程中的电阻变化率。其中,负载纳米银线的柔性传感纤维膜(实施例3),负载碳化钛的柔性传感纤维膜(实施例4)负载纳米银线与碳化钛的柔性传感纤维膜(实施例5)。从图4中可知,纳米银线/碳化钛曲线比纳米银线曲线、碳化钛曲线的电阻变化率范围大,而且响应速度相对较快,说明柔性传感纤维膜比具有单一导电网络的柔性传感纤维膜相比拥有更高的灵敏度,并且通过调节导电物质的沉积种类、组分与沉积量,在热传感过程中达到较高的灵敏度。
图5为实施例3-5所得柔性传感纤维膜在应力应变发生变化过程中的电阻变化率。其中,负载纳米银线的柔性传感纤维膜(实施例3),负载碳化钛的柔性传感纤维膜(实施例4)负载纳米银线与碳化钛的柔性传感纤维膜(实施例5)。从图5中可知,纳米银线/碳化钛曲线比纳米银线曲线、碳化钛曲线的电阻变化率范围大,而且响应速度相对较快,说明柔性传感纤维膜比具有单一导电网络的柔性传感纤维膜相比拥有更高的灵敏度,并且通过调节导电物质的沉积种类、组分与沉积量,在应力应变传感过程中达到较高的灵敏度。
从图1、图3可知,该多功能柔性纤维膜具有微纳米层级结构,水分子可穿过其中孔隙,具有良好的透气性;图2、图4及图5中可知,通过调节导电物质的沉积种类、组分与沉积量,这种附有杂化导电网络结构的柔性传感纤维膜在水传感、湿度传感、及应力应变传感过程中达到较高的灵敏度;而具有单一导电网络的柔性传感纤维膜的传感效果不佳。
本发明柔性基底纤维膜的分子量为1000~1000000;所述柔性传感纤维膜在每隔24h的失水率为2.8~8%;在干湿态变化下,所述柔性传感纤维膜在3~10s内对水/湿气刺激响应,且电阻变化率在0.2~5;所述柔性传感纤维膜在3~10s内对热刺激响应,且电阻变化率达到0.3~5;所述柔性传感纤维膜在3~10s内对应力应变刺激响应,且电阻变化率增大到10~105
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施。例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能柔性传感纤维膜,其特征在于,所述传感纤维膜包括柔性基底纤维膜和杂化的导电网络层;将柔性高分子材料溶于有机溶剂进行静电纺丝,所得产物置于20~40℃干燥,制得柔性基底纤维膜;将柔性基底纤维膜放置在纳米导电材料分散液中超声,然后使纳米导电材料与柔性基底纤维膜复合,经洗涤后干燥制得。
2.根据权利要求1所述的多功能柔性传感纤维膜,其特征在于,所述柔性基底纤维膜的分子量为1000~1000000;所述柔性传感纤维膜在每隔24h的失水率为2.8~8%;在干湿态变化下,所述柔性传感纤维膜在3~10s内对水/湿气刺激响应,且电阻变化率在0.2~5;所述柔性传感纤维膜在3~10s内对热刺激响应,且电阻变化率达到0.3~5;所述柔性传感纤维膜在3~10s内对应力应变刺激响应,且电阻变化率增大到10~105
3.根据权利要求1所述的多功能柔性传感纤维膜,其特征在于,所述柔性高分子材料为聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯或环氧树脂;所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃中的一种或以上。
4.根据权利要求1所述的多功能柔性传感纤维膜,其特征在于,所述柔性高分子材料的质量和有机溶剂的体积比为(80~200)mg:1ml;所述纳米导电材料分散液中纳米导电材料的质量和分散剂的体积比为(0.1~5)mg:1ml,所述纳米导电材料分散液中分散剂为无水乙醇、去离子水或异丙醇。
5.根据权利要求1所述的多功能柔性传感纤维膜,其特征在于,所述纳米导电材料为零维导电材料、一维导电材料或二维导电材料中的一种以上。
6.根据权利要求5所述的多功能柔性传感纤维膜,其特征在于,所述零维导电材料为镓铝合金、镓铋合金、鎵铟合金或鎵铟锡合金,所述一维导电材料为银纳米线和/或碳纳米管,所述二维导电材料为碳化钛和/或石墨烯。
7.根据权利要求1所述的多功能柔性传感纤维膜,其特征在于,所述干燥的时间均为1~12h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的多功能柔性传感纤维膜的制备方法,其特征在于,包括如下具体步骤:
S1.将柔性高分子材料溶于有机溶剂进行静电纺丝,将其产物置于20~40℃干燥1~12h,制备柔性基底纤维膜;
S2.将纳米导电材料分散于分散剂中,配制成纳米导电材料分散液;
S3.将柔性基底纤维膜放置在纳米导电材料分散液中采用超声、抽滤、喷涂或滴涂,将纳米导电材料与柔性基底纤维膜复合,用去离子水清洗除去多余的纳米导电物质,在30~40℃干燥1~12h,制得柔性传感纤维膜。
9.根据权利要求8所述的多功能柔性传感纤维膜的制备方法,其特征在于,所述静电纺丝的参数为:施加的总电压为10~20kV,注射器与滚筒的距离为10~25cm,注射速度为0.5~2ml/h。
10.权利要求1-8任一项所述的多功能柔性传感纤维膜在柔性电子传感或穿戴电子设备领域中的应用。
CN201911243150.4A 2019-12-06 2019-12-06 一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用 Active CN111118889B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911243150.4A CN111118889B (zh) 2019-12-06 2019-12-06 一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911243150.4A CN111118889B (zh) 2019-12-06 2019-12-06 一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111118889A true CN111118889A (zh) 2020-05-08
CN111118889B CN111118889B (zh) 2022-11-22

Family

ID=70497688

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911243150.4A Active CN111118889B (zh) 2019-12-06 2019-12-06 一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111118889B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112432976A (zh) * 2020-11-10 2021-03-02 陕西科技大学 具有表面褶皱结构的透明柔性传感材料及制备方法和应用
CN112489853A (zh) * 2020-11-25 2021-03-12 北京石墨烯研究院 一种柔性导电膜、其制备方法及柔性电子器件
CN112626630A (zh) * 2020-12-20 2021-04-09 江苏纳盾科技有限公司 一种基于二维纳米碳化钛导电浆的制备方法及应用
CN112923954A (zh) * 2021-01-25 2021-06-08 西安工业大学 基于三明治式纺丝薄膜的一体式柔性传感器及制造方法
CN112957030A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 西安交通大学 一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统
CN113130807A (zh) * 2021-04-16 2021-07-16 河北工业大学 一种发光器件及其制备方法和应用
CN113832553A (zh) * 2021-09-13 2021-12-24 大连理工大学 一种温度-应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法
CN114543649A (zh) * 2022-01-11 2022-05-27 华南理工大学 一种弹力绳织物基底拉伸传感器、设备及制造方法
CN115341385A (zh) * 2022-08-05 2022-11-15 四川大学 具有Janus结构的柔性可拉伸电子纤维膜材料及制备
CN115815092A (zh) * 2022-11-24 2023-03-21 电子科技大学 一种具有双层导电网络的超疏水导电无纺布的制备方法和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106674998A (zh) * 2017-01-05 2017-05-17 广东工业大学 一种基于形状记忆的多重刺激传感导电高分子材料及其制备方法以及应用
CN107603188A (zh) * 2017-08-29 2018-01-19 广东工业大学 一种基于形状记忆的增强型自愈合柔性导电高分子复合材料及其制备方法和应用
CN108560250A (zh) * 2018-04-24 2018-09-21 中国人民解放军总医院 一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用
CN109576905A (zh) * 2018-12-05 2019-04-05 河北工业大学 一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106674998A (zh) * 2017-01-05 2017-05-17 广东工业大学 一种基于形状记忆的多重刺激传感导电高分子材料及其制备方法以及应用
CN107603188A (zh) * 2017-08-29 2018-01-19 广东工业大学 一种基于形状记忆的增强型自愈合柔性导电高分子复合材料及其制备方法和应用
CN108560250A (zh) * 2018-04-24 2018-09-21 中国人民解放军总医院 一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用
CN109576905A (zh) * 2018-12-05 2019-04-05 河北工业大学 一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MIAONING REN等: ""Highly stretchable and durable strain sensor based on carbon nanotubes decorated thermoplastic polyurethane fibrous network with aligned wavelike structure",Miaoning Ren等,《Chemical Engineering Journal》,第762–777页", 《CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL》 *
武泽润等: "石墨烯-碳纳米管/热塑性聚氨酯导电高分子复合材料的气体敏感响应行为研究", 《塑料工业》 *
段莎莎等: "银纳米线基柔性导电材料的研究进展", 《中国材料进展》 *
辛智青等: "《印刷制造原理与技术》", 31 July 2019, 文化发展出版社 *
郑勰等: "刺激响应性电纺纳米纤维", 《化学进展》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112432976A (zh) * 2020-11-10 2021-03-02 陕西科技大学 具有表面褶皱结构的透明柔性传感材料及制备方法和应用
CN112489853A (zh) * 2020-11-25 2021-03-12 北京石墨烯研究院 一种柔性导电膜、其制备方法及柔性电子器件
CN112626630A (zh) * 2020-12-20 2021-04-09 江苏纳盾科技有限公司 一种基于二维纳米碳化钛导电浆的制备方法及应用
CN112923954A (zh) * 2021-01-25 2021-06-08 西安工业大学 基于三明治式纺丝薄膜的一体式柔性传感器及制造方法
CN112957030A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 西安交通大学 一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统
CN113130807A (zh) * 2021-04-16 2021-07-16 河北工业大学 一种发光器件及其制备方法和应用
CN113130807B (zh) * 2021-04-16 2024-04-30 河北工业大学 一种发光器件及其制备方法和应用
CN113832553A (zh) * 2021-09-13 2021-12-24 大连理工大学 一种温度-应变双功能传感一体化透气薄膜的制备方法
CN114543649A (zh) * 2022-01-11 2022-05-27 华南理工大学 一种弹力绳织物基底拉伸传感器、设备及制造方法
CN115341385A (zh) * 2022-08-05 2022-11-15 四川大学 具有Janus结构的柔性可拉伸电子纤维膜材料及制备
CN115815092A (zh) * 2022-11-24 2023-03-21 电子科技大学 一种具有双层导电网络的超疏水导电无纺布的制备方法和应用
CN115815092B (zh) * 2022-11-24 2023-06-30 电子科技大学 一种具有双层导电网络的超疏水导电无纺布的制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN111118889B (zh) 2022-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111118889B (zh) 一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用
Wen et al. Recent progress in silk fibroin-based flexible electronics
Wang et al. A highly stretchable carbon nanotubes/thermoplastic polyurethane fiber-shaped strain sensor with porous structure for human motion monitoring
Trung et al. A stretchable strain-insensitive temperature sensor based on free-standing elastomeric composite fibers for on-body monitoring of skin temperature
Zhu et al. Highly sensitive, ultrastretchable strain sensors prepared by pumping hybrid fillers of carbon nanotubes/cellulose nanocrystal into electrospun polyurethane membranes
Yu et al. Patterned, highly stretchable and conductive nanofibrous PANI/PVDF strain sensors based on electrospinning and in situ polymerization
Wang et al. Polyurethane/cotton/carbon nanotubes core-spun yarn as high reliability stretchable strain sensor for human motion detection
CN110514326B (zh) 一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法
Ma et al. From molecular reconstruction of mesoscopic functional conductive silk fibrous materials to remote respiration monitoring
Wang et al. Flexible wearable graphene/alginate composite non-woven fabric temperature sensor with high sensitivity and anti-interference
Xia et al. A thermally flexible and multi-site tactile sensor for remote 3D dynamic sensing imaging
CN108050926B (zh) 具有高灵敏度和大应变响应的应变传感器及其制备方法
Zhang et al. Carbonized cotton fabric-based multilayer piezoresistive pressure sensors
Wang et al. Fabrication of high-performance wearable strain sensors by using CNTs-coated electrospun polyurethane nanofibers
CN102954848A (zh) 新型柔性力学传感器及其制备方法
Feng et al. A waterproof and breathable textile pressure sensor with high sensitivity based on PVDF/ZnO hierarchical structure
Li et al. Materials, preparation strategies, and wearable sensor applications of conductive fibers: a review
CN113280938A (zh) 一种柔性温度传感器及其制备方法
CN109099832A (zh) 应变传感器及其制造方法
CN110699949B (zh) 一种具有压力/摩擦力传感功能的柔性自粘布、柔性力学传感器及其制备方法
Ma et al. Screen-printed carbon black/recycled Sericin@ Fabrics for wearable sensors to monitor sweat loss
Ko et al. High durability conductive textile using MWCNT for motion sensing
CN108414584A (zh) 一种柔性、可穿戴湿敏传感器的制备方法及其在呼吸检测中的应用
Tang et al. Biomass-derived multifunctional 3D film framed by carbonized loofah toward flexible strain sensors and triboelectric nanogenerators
Zhang et al. Washable and breathable electret sensors based on a hydro-charging technique for smart textiles

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant