CN111155242B - 高弹性导电纳米纤维膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高弹性导电纳米纤维膜及其制备方法和应用，该高弹性导电纳米纤维膜由双层弹性膜作为收集极的静电纺丝装置制得，所述高弹性导电纳米纤维膜为双褶皱结构纳米纤维膜，该高弹性导电纳米纤维膜具有柔性，且可实现大尺度拉伸，具有较好的导电性、压敏性能、拉伸恢复性能和拉伸稳定性能，可用作具有大尺度拉伸需求的柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻。

Description

高弹性导电纳米纤维膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及高弹性导电纳米纤维膜及其制备方法和应用。
背景技术
柔性可穿戴电子器件可以集成到衣物及整合于人体皮肤来随时、随地获得肢体运动、体温变化、心理变化及健康状况等多种信息，即在非平面的工作环境中灵活工作并促进信息与人的融合，因此，在自然灾害预警、人造电子皮肤、太阳能电池、智能显示屏、可穿戴个人健康监测设备、具有人工智能的机器人及嵌入式医疗器件等领域受到广泛关注。而柔性传感器作为柔性可穿戴器件的核心部件,其性能将影响柔性可穿戴设备的性质、性能与未来发展趋势。
静电纺丝技术是一种通用的纳米纤维制备方法，由该方法制备的电纺纳米纤维通常为平面无纺布结构，在电纺前驱液中加入导电物质可制得导电纳米纤维膜，这类导电纳米纤维膜多具有较好的柔性，可应用于柔性可穿戴电子器件，但其拉伸性能有限，因此现有的电纺导电纳米纤维膜无法适用需大尺度拉伸的柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻的应用需求。
发明内容
针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是，提供高弹性导电纳米纤维膜及其制备方法和应用，该高弹性导电纳米纤维膜具有柔性，且可实现大尺度拉伸，具有较好的导电性、压敏性能、拉伸恢复性能和拉伸稳定性能，可用作具有大尺度拉伸需求的柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)纺丝液配置：将高分子材料和导电物质混合溶于溶剂制得纺丝液；
(2)静电纺丝装置搭建：所述静电纺丝装置包括高压电源、供液机构、纺丝喷头和收集极，所述高压电源的正负极分别连接纺丝喷头和收集极；所述收集极包括自下而上依次层叠设置的导电层、第一弹性膜和第二弹性膜，所述第一弹性膜和第二弹性膜均为绝缘材料，所述第一弹性膜和第二弹性膜均处于拉伸状态且固定安装在导电层上，所述第一弹性膜和第二弹性膜沿同方向拉伸，所述第一弹性膜的拉伸量大于第二弹性膜，所述第一弹性膜上沿其拉伸方向均匀排列多个条形凹槽，所述条形凹槽长度方向垂直于第一弹性膜拉伸方向设置，所述第二弹性膜上均匀密布圆形通孔，所述第一弹性膜和第二弹性膜处于未拉伸状态下，所述条形凹槽的槽宽小于圆形通孔直径；
(3)电纺纳米纤维膜：将纺丝液注入静电纺丝装置的供液机构中，开启静电纺丝装置，调整纺丝参数，在所述收集极的第二弹性膜上电纺一层纳米纤维膜后，关闭静电纺丝装置；
(4)取膜：将第二弹性膜和第一弹性膜恢复原长，所得纳米纤维膜随之收缩形成双褶皱结构，将纳米纤维膜自第二弹性膜上取下，即得高弹性导电纳米纤维膜。
作为优选，所述步骤(1)为：将3.4g的热塑性聚氨酯弹性体橡胶溶于16.6g的N,N-二甲基甲酰胺中，在40℃条件下磁力搅拌3个小时，加入0.2g纳米石墨烯粉末继续搅拌6小时得纺丝液；所述步骤(3)的纺丝参数为：纺丝距离8cm，纺丝液推进速度2ml/h，纺丝时间为180min，纺丝电压15kV。
本发明还公开了一种高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)纺丝液配置：将高分子材料溶于溶剂制得纺丝液；
(2)静电纺丝装置搭建：所述静电纺丝装置包括高压电源、供液机构、纺丝喷头和收集极，所述高压电源的正负极分别连接纺丝喷头和收集极；所述收集极包括自下而上依次层叠设置的导电层、第一弹性膜和第二弹性膜，所述第一弹性膜和第二弹性膜均为绝缘材料，所述第一弹性膜和第二弹性膜均处于拉伸状态且固定安装在导电层上，所述第一弹性膜和第二弹性膜沿同方向拉伸，所述第一弹性膜的拉伸量大于第二弹性膜，所述第一弹性膜上沿其拉伸方向均匀排列多个条形凹槽，所述条形凹槽长度方向垂直于第一弹性膜拉伸方向设置，所述第二弹性膜上均匀密布圆形通孔，所述第一弹性膜和第二弹性膜处于未拉伸状态下，所述条形凹槽的槽宽小于圆形通孔直径；
(3)电纺纳米纤维膜：将纺丝液注入静电纺丝装置的供液机构中，开启静电纺丝装置，调整纺丝参数，在所述收集极的第二弹性膜上电纺一层纳米纤维膜后，关闭静电纺丝装置；
(4)取膜：将第二弹性膜和第一弹性膜恢复原长，所得纳米纤维膜随之收缩形成双褶皱结构，将纳米纤维膜自第二弹性膜上取下，得基底膜；
(5)复合导电材料：在基底膜表面复合导电物质即得高弹性导电纳米纤维膜。
作为优选，所述步骤(1)为：将3.4g的热塑性聚氨酯弹性体橡胶溶于16.6g的N,N-二甲基甲酰胺中，在40℃条件下磁力搅拌3个小时得纺丝液；所述步骤(3)的纺丝参数为：纺丝距离8cm，纺丝液推进速度2ml/h，纺丝时间为180min，纺丝电压15kV；所述步骤(5)为：将步骤(4)所得的基底膜浸入10wt％的纳米石墨烯溶液(溶剂乙醇)中浸泡，每次浸泡时间为15min，将样品取出清洗后，自然晾干得高弹性导电纳米纤维膜。
作为优选，所述高分子材料为聚氨酯、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、尼龙-66中的一种或多种；所述导电物质为石墨烯、碳纳米管、银纳米线、金纳米线、聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、聚噻吩、聚(3-己基噻吩)、聚乙炔、聚对苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔中的一种或多种。
作为优选，步骤(2)所述导电层设为金属板，所述第一弹性膜沿其拉伸方向的一端通过第一连接部件固定在金属板上，另一端通过第二连接部件可拆卸的连接金属板；所述第二弹性膜沿其拉伸方向的一端也通过第一连接部件固定在金属板上，另一端通过第三连接部件可拆卸的连接金属板；所述第一连接部件为抵接在第二弹性膜上表面的第一压条，所述第一压条垂直于所述第二弹性膜拉伸方向设置，所述第一压条两端部均设有可穿设第一固定螺栓的第一通孔，所述金属板上对应所述第一通孔设置第一螺孔组件，所述第一螺孔组件包括两个与第一固定螺栓相适配的第一螺孔，两个第一螺孔分设于两个第一通孔正下方，所述第一压条两端部分别通过穿设于所述第一通孔内的第一固定螺栓连接所述第一螺孔；所述第二连接部件为抵接在第一弹性膜上表面的第二压条，所述第二压条垂直于所述第一弹性膜拉伸方向设置，所述第二压条两端部均设有可穿设第二固定螺栓的第二通孔，所述金属板上对应第二通孔设置第二螺孔组件，所述第二螺孔组件包括两个与所述第二固定螺栓相适配的第二螺孔，两个第二螺孔分设于两个第二通孔正下方，所述第二压条两端部分别通过所述第二固定螺栓连接所述第二螺孔，所述第二螺孔组件设为多个且沿所述第一弹性膜拉伸方向均匀排布；所述第三连接部件为抵接在第二弹性膜上表面的第三压条，所述第三压条垂直于所述第二弹性膜拉伸方向设置，所述第三压条两端部均设有可与所述第二螺孔连通的第三通孔，所述第三通孔可穿设所述第二固定螺栓，所述第三压条两端部分别通过穿设于所述第三通孔第二固定螺栓连接所述第二螺孔。
作为优选，所述导电层的上表面设为长方形、所述第一弹性膜和所述第二弹性膜均设为长方形膜，所述第一弹性膜和所述第二弹性膜的长边平行设置，所述第一弹性膜和所述第二弹性膜均沿所述第一弹性膜长边方向拉伸，所述第一弹性膜和所述第二弹性膜固定端的短边均设于第一压条正下方，第一弹性膜另一短边设于所述第二压条正下方，第二弹性膜另一短边设于所述第三压条正下方；所述第一压条、第二压条和所述第三压条均由绝缘材料制成；所述第一压条、第二压条和所述第三压条下表面均设有防滑结构。
作为优选，所述步骤(2)中第一弹性膜沿其长度方向预拉伸，预拉伸率为100％，第二弹性膜与第一弹性膜同向拉伸，预拉伸率为30％。
本发明还公开了采用上述制备方法制得的高弹性导电纳米纤维膜，所述高弹性导电纳米纤维膜表面具有双褶皱结构。
作为优选，所述高弹性导电纳米纤维膜沿垂直于其表面双褶皱结构的褶皱长度方向(“垂直于其表面双褶皱结构的褶皱长度方向”即制备过程中第一弹性膜和第二弹性膜的拉伸方向)的最大拉伸率≥1080％。
本发明还公开了一种柔性可拉伸应变传感器，采用上述的高弹性导电纳米纤维膜作为所述柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻，所述力敏电阻两端设有两个条形电极，所述条形电极平行于所述高弹性导电纳米纤维膜表面双褶皱结构的褶皱长度方向设置。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：提供了高弹性导电纳米纤维膜及其制备方法和应用，该高弹性导电纳米纤维膜具有柔性，且可实现大尺度拉伸，具有较好的导电性、压敏性能、拉伸恢复性能和拉伸稳定性能，可用作具有大尺度拉伸需求的柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻。
附图说明
图1为实施例的静电纺丝装置的俯视图；
图2为实施例的静电纺丝装置的主视图；
图3为实施例1制得的高弹性导电纳米纤维膜的光学照片；
图4为实施例1制得的高弹性导电纳米纤维膜的SEM照片；
图5为实施例1的制得的高弹性导电纳米纤维膜作为力敏电阻的柔性可拉伸应变传感器的心率探测图像；
以上各图中：1-金属板，2-第一弹性膜，21-条形凹槽，3-第二弹性膜，31-圆形通孔，4-第一压条，5-第三压条，6-第二压条，7-第一固定螺栓，8-第二固定螺栓，9-第二螺孔组件，91-第二螺孔。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
以下实施例所用的静电纺丝装置包括高压电源、供液机构、纺丝喷头和收集极，所述高压电源的正负极分别连接纺丝喷头和收集极；所述收集极如图1和图2所示，包括自下而上依次层叠设置的导电层、第一弹性膜2和第二弹性膜3，所述第一弹性膜2和第二弹性膜3均为绝缘材料，所述第一弹性膜2和第二弹性膜3均处于拉伸状态且固定安装在导电层上，所述第一弹性膜2和第二弹性膜3沿同方向拉伸，所述第一弹性膜2的拉伸量大于第二弹性膜3，所述第一弹性膜2上沿其拉伸方向均匀排列多个条形凹槽21，所述条形凹槽21长度方向垂直于第一弹性膜2拉伸方向设置，所述第二弹性膜3上均匀密布圆形通孔31。所述第一弹性膜2和第二弹性膜3处于未拉伸状态下，所述条形凹槽21的槽宽小于圆形通孔31直径。
采用上述收集机构的电纺装置，纺丝液在电场力作用拉伸为纤维沉积于预拉伸的第二弹性膜3上表面与第二弹性膜3接触作用，同时通过通孔31与第二弹性膜3下方的预拉伸的第一弹性膜2接触作用，通过具有不同拉伸量和不同图案的第一弹性膜2和第二弹性膜3共同作用，在电纺纳米纤维的表面形成双褶皱结构，这种双褶皱结构在周期性排布的大褶皱之间还形成了密布的细小褶皱，相较于以单层预拉伸的弹性基底材料作为收集机构制得的具有单一褶皱结构的电纺纤维膜，大褶皱之间细小褶皱的形成可有效增大电纺纤维膜的拉伸性能，使电纺纳米纤维膜拉伸性能的提高超越单层弹性基底材料的最大预拉伸量限制，能够更大限度的提高电纺纳米纤维膜的拉伸性能，圆形通孔31的孔径较大可使沉积于第二弹性膜3上的电纺纳米纤维更加充分的与下层的预拉伸第一弹性膜2的条形凹槽21接触作用，确保电纺纳米纤维的双褶皱结构的形成。将该静电纺丝装置应用于导电纳米纤维膜的制备可有效提高导电材料的拉伸性能，将从而获得具有柔性，且可实现大尺度拉伸，具有较好的导电性、压敏性能、拉伸恢复性能和拉伸稳定性能的导电膜材料，该导电膜材料可用作具有大尺度拉伸需求的柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻。
具体的，所述供液机构可包括注射器针管，所述注射器针管注射泵上；所述纺丝喷头可包括设于注射器针管上的金属针头，所述金属针头连接高压电源正极，所述导电层连接高压电源负极。所述静电纺丝装置也可包括气流辅助装置，如可对纺丝喷头沿射流方向提供热气流的吹风机等，除此之外，所述电纺装置的供液机构和纺丝喷头也可采用其他的常规设置方式。
具体的，所述导电层设为金属板1，所述第一弹性膜2和第二弹性膜3均为弹性橡胶膜，所述第一弹性膜2沿其拉伸方向的一端通过第一连接部件固定在金属板1上，另一端通过第二连接部件可拆卸的连接金属板1；所述第二弹性膜3沿其拉伸方向的一端也通过第一连接部件固定在金属板1上，另一端通过第三连接部件可拆卸的连接金属板1。
具体的，所述第一连接部件为抵接在第二弹性膜3上表面的第一压条4，所述第一压条4垂直于所述第二弹性膜3拉伸方向设置，所述第一压条4两端部均设有可穿设第一固定螺栓7的第一通孔，所述金属板1上对应所述第一通孔设置第一螺孔组件，所述第一螺孔组件包括两个与第一固定螺栓7相适配的第一螺孔，两个第一螺孔分设于两个第一通孔正下方，所述第一压条两端部分别通过穿设于所述第一通孔内的第一固定螺栓7连接所述第一螺孔。
具体的，所述第二连接部件为抵接在第一弹性膜2上表面的第二压条6，所述第二压条6垂直于所述第一弹性膜2拉伸方向设置，所述第二压条6两端部均设有可穿设第二固定螺栓8的第二通孔，所述金属板1上对应第二通孔设置第二螺孔组件9，所述第二螺孔组件9包括两个与所述第二固定螺栓8相适配的第二螺孔91，两个第二螺孔91分设于两个第二通孔正下方，所述第二压条6两端部分别通过所述第二固定螺栓8连接所述第二螺孔91，所述第二螺孔组件9设为多个且沿所述第一弹性膜2拉伸方向均匀排布。采用上述结构，可通过第二压条6与不同位置的第二螺孔组件9连接灵活调整第一弹性膜2的拉伸量，以得到大褶皱和细小褶皱按不同比例排布的双褶皱纳米纤维膜，从而使电纺装置可更加灵活的调整电纺纤维的拉伸性能。
具体的，所述第三连接部件为抵接在第二弹性膜3上表面的第三压条5，所述第三压条5垂直于所述第二弹性膜3拉伸方向设置，所述第三压条5两端部均设有可与所述第二螺孔91连通的第三通孔，所述第三通孔可穿设所述第二固定螺栓8，所述第三压条5两端部分别通过穿设于所述第三通孔第二固定螺栓8连接所述第二螺孔91。采用上述结构，可通过第三压条5与不同位置的第二螺孔组件9连接灵活调整第二弹性膜3的拉伸量，结合对第一弹性膜2的拉伸量的灵活调整，更加灵活的调整电纺纤维膜的大褶皱和细小褶皱的排布比例，使电纺装置可更加灵活的调整电纺纤维的拉伸性能。
具体的，如图1所示，所述导电层的上表面设为长方形、所述第一弹性膜2和所述第二弹性膜3均设为长方形膜，所述第一弹性膜2和所述第二弹性膜3的长边平行设置，所述第一弹性膜2和所述第二弹性膜3均沿所述第一弹性膜2长边方向拉伸，所述第一弹性膜2和所述第二弹性膜3固定端的短边均设于第一压条4正下方，第一弹性膜2另一短边设于所述第二压条6正下方，第二弹性膜3另一短边设于所述第三压条5正下方。
具体的，所述第一压条4、第二压条6和所述第三压条5均由绝缘材料制成。采用绝缘材料的压条可避免压条对电纺装置电场的影响，使电纺过程更加稳定可控。
具体的，所述第一压条4、第二压条6和所述第三压条5下表面均设有防滑结构。防滑结构的设置可增大压条与第一弹性膜2和所述第二弹性膜3间的接触力，方便压条更加牢固的夹持固定第一弹性膜2和所述第二弹性膜3。
具体的，所述步骤(2)中第一弹性膜沿其长度方向预拉伸，预拉伸率为100％，第二弹性膜与第一弹性膜同向拉伸，预拉伸率为30％。
实施例1
一种高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)纺丝液配置：将高分子材料和导电物质混合溶于溶剂制得纺丝液；
(2)静电纺丝装置搭建，搭建如图1和图2所示的静电纺丝装置；
(3)电纺纳米纤维膜：将纺丝液注入静电纺丝装置的供液机构中，开启静电纺丝装置，调整纺丝参数，在所述收集极的第二弹性膜上电纺一层纳米纤维膜后，关闭静电纺丝装置；
(4)取膜：将第二弹性膜和第一弹性膜恢复原长，所得纳米纤维膜随之收缩形成双褶皱结构，将纳米纤维膜自第二弹性膜上取下，即得高弹性导电纳米纤维膜。
具体的，所述步骤(1)为：将3.4g的热塑性聚氨酯弹性体橡胶溶于16.6g的N,N-二甲基甲酰胺中，在40℃条件下磁力搅拌3个小时，加入0.2g纳米石墨烯粉末继续搅拌6小时得纺丝液；所述步骤(3)的纺丝参数为：纺丝距离8cm，纺丝液推进速度2ml/h，纺丝时间为180min，纺丝电压15kV。
由上述方法制得的高弹性导电纳米纤维膜的表面形貌如图3和图4所示，从图3可以看出实施例1制得的高弹性导电纳米纤维膜表面具有两种不同尺寸的褶皱，其微观结构如图4所示，图4中凸起部为纤维膜的细小褶皱，由于大褶皱尺寸较大，SEM图中未显示大褶皱结构，即通过本实施例的方法制得了具有双褶皱结构的高弹性导电纳米纤维膜，经拉伸性能测试，测得实施例1所得的高弹性导电纳米纤维膜的最大拉伸率为1200％，具有优越的拉伸弹性性能，可用作具有大尺度拉伸需求的柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻。
所述最大拉伸率的计算方法为：
最大拉伸率＝(膜的最大拉伸长度/膜的原长)*100％
一种柔性可拉伸应变传感器，采用上述的高弹性导电纳米纤维膜作为所述柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻，所述力敏电阻两端设有两个条形电极，所述条形电极平行于所述高弹性导电纳米纤维膜表面双褶皱结构的褶皱长度方向设置，将所得的柔性可拉伸应变传感器贴于靠近心脏的胸部皮肤处以进行心率测试，所得心率探测图像如图5所示，从图5可以看出该柔性可拉伸应变传感器具有很高的灵敏度，可以测得微小的搏动，从而实现心率测试。
所述高分子材料除了采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)外，还可以采用聚氨酯、纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、尼龙-66中的一种或多种。
所述导电物质除了采用纳米石墨烯粉末外，还可以采用碳纳米管、银纳米线、金纳米线、聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、聚噻吩、聚(3-己基噻吩)、聚乙炔、聚对苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔中的一种或多种。
对比例1
采用预拉伸率为100％的弹性橡胶膜替换实施例1步骤(2)的收集极，以实施例1相同的制备方法步骤、纺丝液配方、纺丝参数制得导电纳米纤维膜，作为第一对照纳米纤维膜。
经拉伸性能测试，测得对比例1所得的第一对照纳米纤维膜的最大拉伸率为680％。
对比例2
采用金属板1作为替换实施例1步骤(2)的收集极，以实施例1相同的制备方法步骤、纺丝液配方、纺丝参数制得无纺布结构的导电纳米纤维膜，作为第二对照纳米纤维膜。
经拉伸性能测试，测得对比例2所得的第二对照纳米纤维膜的最大拉伸率为350％。
通过实施例1与对比例1、对比例2所得的导电纳米纤维膜的最大拉伸率对比可以看出，实施例1的收集机构进行电纺形成的双褶皱结构可有效增大导电纳米纤维膜的拉伸性能，使导电纳米纤维膜拉伸性能的提高超越单层弹性基底材料的最大预拉伸量限制，能够更大限度的提高导电纳米纤维膜的拉伸性能和比表面积,使其更好的适用于大尺寸拉伸应变传感器的使用需求。
实施例2
一种高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)纺丝液配置：将高分子材料溶于溶剂制得纺丝液；
(2)静电纺丝装置搭建：搭建如图1和图2所示的静电纺丝装置；
(3)电纺纳米纤维膜：将纺丝液注入静电纺丝装置的供液机构中，开启静电纺丝装置，调整纺丝参数，在所述收集极的第二弹性膜上电纺一层纳米纤维膜后，关闭静电纺丝装置；
(4)取膜：将第二弹性膜和第一弹性膜恢复原长，所得纳米纤维膜随之收缩形成双褶皱结构，将纳米纤维膜自第二弹性膜上取下，得基底膜；
(5)复合导电材料：在基底膜表面复合导电物质即得高弹性导电纳米纤维膜。
具体的，所述步骤(1)为：将3.4g的热塑性聚氨酯弹性体橡胶溶于16.6g的N,N-二甲基甲酰胺中，在40℃条件下磁力搅拌3个小时得纺丝液；所述步骤(3)的纺丝参数为：纺丝距离8cm，纺丝液推进速度2ml/h，纺丝时间为180min，纺丝电压15kV；所述步骤(5)为：将步骤(4)所得的基底膜浸入10wt％的纳米石墨烯溶液(石墨烯溶液以无水乙醇为溶剂)中浸泡，每次浸泡时间为15min，将样品取出清洗后，自然晾干得高弹性导电纳米纤维膜。经测试由上述方法制得的高弹性导电纳米纤维膜的最大拉伸率为1080％。
由上述方法制得的基底膜具有双褶皱结构，使得采用这种基底膜复合导电物质制得的高弹性导电纳米纤维膜也具有双褶皱结构，同样具有类似实施例1的高弹性导电纳米纤维膜的柔性，且可实现大尺度拉伸，具有较好的导电性、压敏性能、拉伸恢复性能和拉伸稳定性能，可用作具有大尺度拉伸需求的柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纺丝液配置：将高分子材料和导电物质混合溶于溶剂制得纺丝液；
(2)静电纺丝装置搭建：所述静电纺丝装置包括高压电源、供液机构、纺丝喷头和收集极，所述高压电源的正负极分别连接纺丝喷头和收集极；所述收集极包括自下而上依次层叠设置的导电层、第一弹性膜和第二弹性膜，所述第一弹性膜和第二弹性膜均为绝缘材料，所述第一弹性膜和第二弹性膜均处于拉伸状态且固定安装在导电层上，所述第一弹性膜和第二弹性膜沿同方向拉伸，所述第一弹性膜的拉伸量大于第二弹性膜，所述第一弹性膜上沿其拉伸方向均匀排列多个条形凹槽，所述条形凹槽长度方向垂直于第一弹性膜拉伸方向设置，所述第二弹性膜上均匀密布圆形通孔，所述第一弹性膜和第二弹性膜处于未拉伸状态下，所述条形凹槽的槽宽小于圆形通孔直径；
(3)电纺纳米纤维膜：将纺丝液注入静电纺丝装置的供液机构中，开启静电纺丝装置，调整纺丝参数，在所述收集极的第二弹性膜上电纺一层纳米纤维膜后，关闭静电纺丝装置；
(4)取膜：将第二弹性膜和第一弹性膜恢复原长，所得纳米纤维膜随之收缩形成双褶皱结构，将纳米纤维膜自第二弹性膜上取下，即得高弹性导电纳米纤维膜。
2.根据权利要求1所述的高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)为：将3.4g的热塑性聚氨酯弹性体橡胶溶于16.6g的N,N-二甲基甲酰胺中，在40℃条件下磁力搅拌3个小时，加入0.2g纳米石墨烯粉末继续搅拌6小时得纺丝液；所述步骤(3)的纺丝参数为：纺丝距离8cm，纺丝液推进速度2ml/h，纺丝时间为180min，纺丝电压15.5kV。
3.一种高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纺丝液配置：将高分子材料溶于溶剂制得纺丝液；
(2)静电纺丝装置搭建：所述静电纺丝装置包括高压电源、供液机构、纺丝喷头和收集极，所述高压电源的正负极分别连接纺丝喷头和收集极；所述收集极包括自下而上依次层叠设置的导电层、第一弹性膜和第二弹性膜，所述第一弹性膜和第二弹性膜均为绝缘材料，所述第一弹性膜和第二弹性膜均处于拉伸状态且固定安装在导电层上，所述第一弹性膜和第二弹性膜沿同方向拉伸，所述第一弹性膜的拉伸量大于第二弹性膜，所述第一弹性膜上沿其拉伸方向均匀排列多个条形凹槽，所述条形凹槽长度方向垂直于第一弹性膜拉伸方向设置，所述第二弹性膜上均匀密布圆形通孔，所述第一弹性膜和第二弹性膜处于未拉伸状态下，所述条形凹槽的槽宽小于圆形通孔直径；
(3)电纺纳米纤维膜：将纺丝液注入静电纺丝装置的供液机构中，开启静电纺丝装置，调整纺丝参数，在所述收集极的第二弹性膜上电纺一层纳米纤维膜后，关闭静电纺丝装置；
(4)取膜：将第二弹性膜和第一弹性膜恢复原长，所得纳米纤维膜随之收缩形成双褶皱结构，将纳米纤维膜自第二弹性膜上取下，得基底膜；
(5)复合导电材料：在基底膜表面复合导电物质即得高弹性导电纳米纤维膜。
4.根据权利要求1或3所述的高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述高分子材料为聚氨酯、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、尼龙-66中的一种或多种；所述导电物质为石墨烯、碳纳米管、银纳米线、金纳米线、聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、聚噻吩、聚(3-己基噻吩)、聚乙炔、聚对苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)为：将3.4g的热塑性聚氨酯弹性体橡胶溶于16.6g的N,N-二甲基甲酰胺中，在40℃条件下磁力搅拌3个小时得纺丝液；所述步骤(3)的纺丝参数为：纺丝距离8cm，纺丝液推进速度2ml/h，纺丝时间为180min，纺丝电压15kV；所述步骤(5)为：将步骤(4)所得的基底膜分三次浸入10wt％的纳米石墨烯溶液浸泡，每次浸泡时间为15min，将样品取出清洗后，自然晾干得高弹性导电纳米纤维膜。
6.根据权利要求1或3所述的高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述导电层设为金属板，所述第一弹性膜沿其拉伸方向的一端通过第一连接部件固定在金属板上，另一端通过第二连接部件可拆卸的连接金属板；所述第二弹性膜沿其拉伸方向的一端也通过第一连接部件固定在金属板上，另一端通过第三连接部件可拆卸的连接金属板；所述第一连接部件为抵接在第二弹性膜上表面的第一压条，所述第一压条垂直于所述第二弹性膜拉伸方向设置，所述第一压条两端部均设有可穿设第一固定螺栓的第一通孔，所述金属板上对应所述第一通孔设置第一螺孔组件，所述第一螺孔组件包括两个与第一固定螺栓相适配的第一螺孔，两个第一螺孔分设于两个第一通孔正下方，所述第一压条两端部分别通过穿设于所述第一通孔内的第一固定螺栓连接所述第一螺孔；所述第二连接部件为抵接在第一弹性膜上表面的第二压条，所述第二压条垂直于所述第一弹性膜拉伸方向设置，所述第二压条两端部均设有可穿设第二固定螺栓的第二通孔，所述金属板上对应第二通孔设置第二螺孔组件，所述第二螺孔组件包括两个与所述第二固定螺栓相适配的第二螺孔，两个第二螺孔分设于两个第二通孔正下方，所述第二压条两端部分别通过所述第二固定螺栓连接所述第二螺孔，所述第二螺孔组件设为多个且沿所述第一弹性膜拉伸方向均匀排布；所述第三连接部件为抵接在第二弹性膜上表面的第三压条，所述第三压条垂直于所述第二弹性膜拉伸方向设置，所述第三压条两端部均设有可与所述第二螺孔连通的第三通孔，所述第三通孔可穿设所述第二固定螺栓，所述第三压条两端部分别通过穿设于所述第三通孔第二固定螺栓连接所述第二螺孔。
7.根据权利要求6所述的高弹性导电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述导电层的上表面设为长方形、所述第一弹性膜和所述第二弹性膜均设为长方形膜，所述第一弹性膜和所述第二弹性膜的长边平行设置，所述第一弹性膜和所述第二弹性膜均沿所述第一弹性膜长边方向拉伸，所述第一弹性膜和所述第二弹性膜固定端的短边均设于第一压条正下方，第一弹性膜另一短边设于所述第二压条正下方，第二弹性膜另一短边设于所述第三压条正下方；所述第一压条、第二压条和所述第三压条均由绝缘材料制成；所述第一压条、第二压条和所述第三压条下表面均设有防滑结构。
8.一种高弹性导电纳米纤维膜，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项制备方法制得，所述高弹性导电纳米纤维膜表面具有双褶皱结构。
9.根据权利要求8所述的高弹性导电纳米纤维膜，其特征在于，所述高弹性导电纳米纤维膜沿垂直于其表面双褶皱结构的褶皱长度方向的最大拉伸率≥1080％，所述最大拉伸率＝(膜的最大拉伸长度/膜的原长)*100％。
10.一种柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，采用权利要求8或9所述的高弹性导电纳米纤维膜作为所述柔性可拉伸应变传感器的力敏电阻，所述力敏电阻两端设有两个条形电极，所述条形电极平行于所述高弹性导电纳米纤维膜表面双褶皱结构的褶皱长度方向设置。
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