CN111895902A - 一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，以锌箔纸为纳米纤维接收材料，并利用开槽石墨板夹持纳米纤维膜进行碳化处理，进而获得超薄型纯碳纳米纤维膜。以弹性聚氨酯作为基体，以超薄型碳纳米纤维膜作为导电体，并用导电银胶将碳纳米纤维膜与铜丝相连形成电极，使碳纳米纤维膜包覆于聚氨酯基体中，制得超薄透明型具有高牵伸应变及高灵敏度的柔性应变传感器。本发明可贴附于皮肤表面，检测面部表情的变化和人体关节运动等导致的应变以及声带振动、呼吸等生理信息，并且具有高稳定性；可识别运动过程中人体结构产生的弯曲及牵伸形变。这种传感器可以应用在智能服装及微小形变监测等领域。
Description
技术领域
本发明属于传感器材料技术领域，具体涉及一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法。
背景技术
研究柔性高应变高敏感的传感器成为开发用于智能可穿戴设备的热点方向之一，其具有较高的柔韧性、高应变、高灵敏等优异性能，能够广泛应用于可穿戴电子产品领域，对人体运动及生理信息进行监测或用于人机交互系统。而传统的金属片以及半导体传感器只能在微小应变的条件下使用，且刚性大，不易弯曲，灵敏度低，所以开发柔性高应变/高灵敏应变传感器具有重大意义。目前报道的柔性应变传感器主要以导电的纳米材料及导电聚合物作为导电介质，例如纳米银线、金/银纳米颗粒、纳米炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维膜及碳纳米纤维纱、聚吡喏、聚3,4～乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐、聚苯胺等，也有对普通棉织物、丝织物、麻织物进行碳化处理得到碳纤维织物并设计应变传感器的相关报道。为提高传感器在不同应变阶段的敏感性，部分研究者将多种具有不同结构的导电材料混合使用。传感器中导电材料的结构主要有与聚合物均匀混合结构、膜结构、纱结构、海绵结构、织物结构等。截止目前，还未有研究者利用高透光性的取向超薄碳纳米纤维膜(小于5μm)设计厚度小于200μm的柔性应变传感器的相关报道。
因此，本发明提出了一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，旨在研发一种利用高透光性的取向超薄碳纳米纤维膜(小于5μm)设计厚度小于200μm的柔性应变传感器。
发明内容
本发明目的是提供一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法。
本发明的一种技术方案是：
一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器，包括长方形规整结构的碳纳米纤维膜、第一铜丝、第二铜丝和透明聚氨酯基体，所述第一铜丝的连接端通过导电银胶固定在所述碳纳米纤维膜的左端，所述第二铜丝的连接端通过导电银胶固定在所述碳纳米纤维膜的右侧，所述透明聚氨酯基体包覆所述第一铜丝的连接端、第二铜丝的连接端和所述碳纳米纤维膜，所述透明聚氨酯基体呈“工”字型结构，将所述透明聚氨酯基体分成左基体、连接基体和右基体，则连接基体的长度为10～40mm，所述碳纳米纤维膜的厚度为0.9～3.92μm，宽度为5～10mm，长度为40～70mm，所述碳纳米纤维膜的长度与所述连接基体的长度之差为30mm，所述第一铜丝与所述碳纳米纤维膜的左端端点的距离为5～10mm，所述第二铜丝与所述碳纳米纤维膜的右端端点的距离为5～10mm，所述第一铜丝与所述第二铜丝之间的距离为30～60mm，所述超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的宽度为25mm，长度为70mm，厚度为80μm～200μm。
本发明的另一种技术方案是：
一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)在高速旋转的滚筒表面包覆锌箔纸，利用单针静电纺丝法，通过控制纺丝时间及接收滚筒的转速获得聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜；
(2)将包含锌箔纸的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜夹持于两个多孔陶瓷片之间，在空气氛围下进行预氧化处理，准备一块石墨板，所述石墨板具有长方形的槽，在所述槽的边沿开设有多个半圆孔，所述半圆孔的深度与所述槽的深度相同，将经过预氧化处理后的包含锌箔纸的碳纳米纤维膜放置于所述槽中，随后用另一块平板状的石墨板盖于具有长方形的槽的石墨板上，并在氩气氛围下进行碳化处理，在碳化过程中锌箔纸蒸发，获得纯超薄型碳纳米纤维膜；
(3)将所述纯超薄型碳纳米纤维膜沿纯超薄型碳纳米纤维膜的取向方向或垂直于取向方向进行剪切，制备长方形规整结构的碳纳米纤维膜；
(4)配备质量分数为5％聚氨酯溶液，利用第一铜丝和第二铜丝将所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的两端固定在载玻片上，所述第一铜丝的连接端与所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的左端端点距离为5～10mm，所述第二铜丝的连接端与所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的右端端点距离为5～10mm，随后用小于0.05g的质量分数为5％的聚氨酯溶液将所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的两端固定，再用导电银胶将所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜分别与第一铜丝的连接端、第二铜丝的连接端连接，并进行干燥处理，所述干燥温度为60℃，时间为0.5h，形成左、右两电极；
(5)取小于0.1g的质量分数为5％的聚氨酯溶液将左、右两电极间的碳纳米纤维膜的边缘固定于所述载玻片上；
(6)配备质量分数为5％～15％的聚氨酯溶液，再取所述聚氨酯溶液快速铺展至碳纳米纤维膜表面，随后用银针将所述聚氨酯溶液均匀铺展，进行热风处理，直至所述聚氨酯溶液完全干燥形成透明聚氨酯基体，获得初级传感器；
(7)在室温下，静置两天，将所述初级传感器从所述载玻片上揭下，此时碳纳米纤维膜被包裹在所述聚氨酯基体内，沿碳纳米纤维膜的边缘将所述初级传感器剪裁成“工”字型结构形成超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器。
进一步的，在步骤(1)中，所述聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜中石墨烯的质量分数为1％。
进一步的，在步骤(1)中，所述锌箔纸的厚度为10～25μm，所述纺丝时间为10～45min，所述滚筒的转速为200～1000转/分钟，所述聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜的取向度为28.1％～61.7％。
进一步的，在步骤(2)中，所述槽的深度为0.2～0.5mm，所述半圆孔的半径为0.2～0.5mm。
进一步的，在步骤(2)中，所述预氧化处理的条件为270℃/1.5h，所述碳化处理的条件为1100℃/3h，所述纯超薄型碳纳米纤维膜的厚度为0.9～3.92μm。
进一步的，在步骤(3)中，所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的宽度为5～10mm，长度为40～70mm。
进一步的，在步骤(4)中，所述左、右两电极之间的距离为30～60mm。
进一步的，在步骤(6)中，所述热风处理的温度为60℃。
进一步的，在步骤(7)中，所述超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的宽度为25mm，长度为70mm，厚度为80μm～200μm。
本发明提供了一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，其优点是：低成本、低耗能，传感器具有高透明度、高应变及高敏感性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法中，所提及的具有长方形的槽的石墨板的结构示意图；
图2为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法的流程示意图；
图3为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制得的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(取向度61.7％)的传感器对不同拉伸应变的检测结果图；
图4为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器对膝关节弯曲的检测结果图；
图5为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器对脉搏振动的检测结果图；
图6为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器对手指弯曲的检测结果图；
图7为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器对声波震动的检测结果图；
图8为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于垂直于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜的传感器对不同拉伸应变的检测结果图；
图9为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于垂直于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜的传感器的应变传感曲线图；
图10为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(取向度28.1％)的传感器对不同拉伸应变的检测结果图；
图11为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(取向度28.1％)的传感器的应变传感曲线图；
图12为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于不同取向度的碳纳米纤维的传感器对拉伸应变的检测结果图；
图13为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(宽度为10mm)的传感器对不同拉伸应变的检测结果图；
图14为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(宽度为10mm)的传感器的应变传感曲线图；
图15为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于不同宽度的碳纳米纤维的传感器对拉伸应变的检测结果图；
图16为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(厚度为3.92μm)的传感器对不同拉伸应变的检测结果图；
图17为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(厚度为3.92μm)的传感器的应变传感曲线图；
图18为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于不同厚度的碳纳米纤维的传感器对拉伸应变的检测结果图。
具体实施方式
本发明通过静电纺丝的方法制备取向聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜，然后经过预氧化及碳化制备得到纤维呈定向排列的碳纳米纤维膜，并将其与聚氨酯复合制备了一种低成本、低耗能，且具有高透明度、高应变及高敏感性的超薄型碳纳米纤维膜柔性应变传感器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器，利用取向碳纳米纤维膜与聚合物复合制备柔软的、高应变性及灵敏性的应变传感器。其结构包括长方形规整结构的碳纳米纤维膜、第一铜丝、第二铜丝和透明聚氨酯基体，第一铜丝的连接端通过导电银胶固定在碳纳米纤维膜的左端，第二铜丝的连接端通过导电银胶固定在碳纳米纤维膜的右侧，透明聚氨酯基体包覆第一铜丝的连接端、第二铜丝的连接端和所述碳纳米纤维膜，透明聚氨酯基体呈“工”字型结构。上述结构中，碳纳米纤维膜对300～700nm波长光线的透光率可达到50％，其厚度及取向度可根据传感性能的需要，通过控制纺丝时间及接收滚筒的转速任意改变，当滚筒在200～1000转/分钟之间时，取向度从28.1％增加到61.7％；当纺丝时间为10～45min时，碳纳米纤维膜厚度从0.9μm增加到3.92μm。当拉伸应变在40％以上时，其敏感系数((ΔR/R0)/(ΔL/L0))达到140以上，能够应用于人体运动及生理信息监测、人机交互等领域。
请参阅图2，图2为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法的流程示意图。如图2所示，上述结构的制备方法，包括：
(1)在高速旋转的滚筒表面包覆厚度为10～25μm的锌箔纸，利用单针静电纺丝法，通过控制纺丝时间及接收滚筒的转速任意改变，滚筒在200～1000转/分钟之间时，聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜的取向度从28.1％增加到61.7％；
(2)将包含锌箔纸的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜夹持于两多孔陶瓷片间在空气氛围下进行预氧化处理，预氧化条件为270℃/1.5h；再将经过预氧化处理后的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜放置于一块具有长方形槽的石墨板中，请参阅图1，图1为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法中，所提及的具有长方形的槽的石墨板的结构示意图。如图1所示，槽的深度为0.2～0.5mm，槽边开半圆孔，半径为0.2～0.5mm，并与长方形槽深度相同，随后用另一块无槽石墨板覆盖，并在氩气氛围下进行碳化处理，碳化条件为1100℃/3h。的碳化过程中锌箔纸蒸发，可获得无破损的纯超薄型碳纳米纤维膜，厚度为0.9～3.92μm。开槽石墨板的作用是防止纳米纤维膜在碳化过程中因收缩受力撕裂，保证碳纳米纤维膜的完整性及平整度；槽边半圆孔的作用是在保持空气流通的同时利于锌蒸气的流出；
(3)将纯超薄型碳纳米纤维膜沿纳米纤维的取向方向或垂直于取向方向进行剪切，制备长方形规整结构的碳纳米纤维膜。碳纳米纤维膜的宽度为5～10mm，长度为40～70mm；
(4)配备一定质量分数(5％)的聚氨酯溶液。利用铜丝将碳纳米纤维膜两端固定在载玻片上，铜丝与碳纳米纤维膜的近端端点距离为5～10mm，随后用小于0.05g的质量分数为5％的聚氨酯溶液将碳纳米纤维膜的两端固定，再用导电银胶将碳纳米纤维膜与铜丝连接，并进行干燥处理，干燥温度为60℃，时间为0.5h，形成电极。两电极之间的距离为30～60mm；
(5)取小于0.1g的质量分数为5％的聚氨酯溶液将两电极间的碳纳米纤维膜的边缘固定于载玻片上，防止碳纳米纤维膜因溶液表面张力而发生卷曲及撕裂；
(6)配备一定质量分数(5％～15％)的聚氨酯溶液，取所需一定质量的聚氨酯溶液快速铺展到碳纳米纤维膜表面，随后用银针将聚氨酯溶液均匀铺展，进行热风处理，热风处理的温度为60℃，直到聚氨酯溶液完全干燥形成透明聚氨酯薄膜，此时，铜丝、碳纳米纤维膜、透明聚氨酯薄膜共同构成初级传感器；
(7)在室温下，静置两天去除初级传感器中的溶剂以及聚合物中的内应力，将其从载玻片上揭下，碳纳米纤维膜被包覆于聚氨酯基体表面。随后沿纳米纤维膜的边缘将其剪裁成“工”字型结构形成应变传感器，其中传感器的剪裁宽度为25mm，长度70mm。传感器的厚度在80μm～200μm之间。这个“工”字型结构形成应变传感器，其透明聚氨酯基体即为“工”字型结构，为了便于对这个结构及尺寸详细说明，现将这个“工”字型结构旋转90度放置，按其结构和大小将透明聚氨酯基体从左至右分成三部分，即左基体、连接基体和右基体，通过连接基体将左、右基体相连，左基体和右基体对称设置，连接基体的长度为10～40mm，碳纳米纤维膜的长度与连接基体的长度之差为30mm，该超薄型高透光性碳纳米纤维膜柔性应变传感器具有可拉伸(<70％)、可弯曲且具有高灵敏度(>140)等特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
实施例1
一种超薄型高透明性碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，步骤如下：
(1)制备取向纳米纤维膜
利用高速旋转装置制备聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜，接收滚筒直径为76mm，转速为1000转/分钟，纺丝时间20min，聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜的取向度为61.7％。
(2)碳纳米纤维膜的制备
将聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜(包含锌箔纸)夹持于两多孔陶瓷片间进行预氧化处理；再将经过预氧化处理后的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜放置于一块具有长方形槽的石墨板中，请参阅图1，图1为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法中，所提及的具有长方形的槽的石墨板的结构示意图。如图1所示，其中石墨板的尺寸为60mm×120mm，槽边宽5mm，槽的深度为0.5mm，槽边开半径为0.5mm的半孔；随后用另一块无槽石墨板覆盖，并进行碳化处理，获得碳纳米纤维膜，厚度为1.6μm，透光率为36％。对碳纳米纤维膜沿纳米纤维平行方向剪切长度为50mm，宽度为7mm。预氧化条件为270℃/1.5h，碳化条件为1100℃/3h。
(3)传感器的制备
配备10wt％的聚氨酯溶液。利用铜丝(直径为0.1mm)将上述碳纳米纤维膜两端固定在载玻片上，铜丝与碳纳米纤维膜的近端端点距离为5mm；随后用少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将碳纳米纤维膜的两端固定，再用导电银胶将碳纳米纤维膜与铜丝连接，并进行电热干燥处理，形成电极，两电极之间的距离为40mm；待电极干燥后取少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将两电极间的碳纳米纤维膜的边缘固定于载玻片上，防止碳纳米纤维膜因溶液表面张力而发生卷曲及撕裂，再取所需一定质量的聚氨酯溶液快速铺展到碳纳米纤维膜表面，并迅速用银针将聚氨酯溶液均匀铺展，并进行热风干燥处理。在室温下，静置两天去除传感器中的溶剂以及聚合物中的内应力，最后沿织物垂直方向将其揭下，并沿碳纳米纤维膜的边缘将其剪裁成“工”字型结构形成柔韧的、可弯曲的应变传感器，“工”字型结构的尺寸为7mm×20mm。制备过程如图2所示。传感器的厚度为135μm。
(4)传感器的拉伸传感性能
传感器在不同的应变范围循环拉伸的应变传感性能结果请参阅图3，图3为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制得的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(取向度61.7％)的传感器对不同拉伸应变的检测结果图。如图3所示。传感器分别在10％和20％的应变条件下测试；结果表明传感器具有优异的敏感系数及稳定性，敏感系数在20以上，且应变范围与电阻变化率之间具有优异的线性关系，线性度为0.997。
(5)传感器对膝关节弯曲的传感性能
将传感器固定于膝关节处，测量传感器对膝关节弯曲的感应能力，结果请参阅图4，图4为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器对膝关节弯曲的检测结果图。如图4所示。结果显示传感器对膝关节弯曲具有优异的敏感性。
(6)传感器的脉搏跳动传感性能
将传感器固定在人的脉搏处，研究传感器对运动前后脉搏跳动的监测识别能力。结果请参阅图5，图5为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器对脉搏振动的检测结果图。如图5所示，传感器能够捕捉到脉搏的跳动，速度为75/分钟。在进行深蹲1分钟的运动后，脉搏跳动速度达到116/分钟。
(7)手指弯曲的应变传感性能
将传感器固定在人的食指关节处，研究传感器对手指弯曲的监测识别能力。结果请参阅图6，图6为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器对手指弯曲的检测结果图。如图6所示，传感器能够监测到手指的弯曲。
(8)声波震动的监测传感性能
将传感器悬空于音响表面，进行单一音频的监测，速度分别为1s、0.7s、0.4s，结果请参阅图7，图7为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器对声波震动的检测结果图。如图7所示，传感器能够精确监测到音频的个数。
实施例2
一种超薄型高透明性碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，步骤如下：
(1)制备取向纳米纤维膜
制备方法同实施例1，滚筒转速为800转/分钟，纺丝时间20min，纳米纤维膜的取向度为61.3％。
(2)碳纳米纤维膜的制备
碳纳米纤维膜的制备过程同实施例1，石墨板的尺寸为60mm×120mm，槽边宽5mm，槽的深度为0.2mm，槽边开半径为0.2mm的半孔；获得的碳纳米纤维膜厚度为1.6μm，透光率为36％。对碳纳米纤维膜沿纳米纤维垂直方向剪切长度为70mm，宽度为7mm。
(3)传感器的制备
配备5wt％的聚氨酯溶液。利用铜丝(直径为0.1mm)将上述碳纳米纤维膜两端固定在载玻片上，铜丝与碳纳米纤维膜的近端端点距离为5mm；随后用少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将纳米膜的两端固定，再用导电银胶将碳纳米纤维膜与铜丝连接，并进行电热干燥处理，形成电极，两电极之间的距离为50mm；待电极干燥后取少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将两电极间的碳纳米纤维膜的边缘固定于载玻片上，防止碳纳米纤维膜因溶液表面张力而发生卷曲及撕裂，再取所需一定质量的聚氨酯溶液快速铺展到碳纳米纤维膜表面，并迅速用银针将聚氨酯溶液均匀铺展，并进行热风干燥处理。在室温下，静置两天去除传感器中的溶剂以及聚合物中的内应力，最后沿织物垂直方向将其揭下，并沿碳纳米纤维膜的边缘将其剪裁成“工”字型结构形成柔韧的、可弯曲的应变传感器，“工”字型结构的尺寸为7mm×20mm。传感器的厚度为90μm。
(4)传感器的拉伸传感性能
传感器在不同的应变范围循环拉伸的应变传感性能结果请参阅图8，图8为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于垂直于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜的传感器对不同拉伸应变的检测结果图。如图8所示。传感器分别在20％、40％和60％的应变条件下测试；结果表明传感器具有优异的敏感系数及稳定性随应变的增加传感器的敏感性逐渐增加，请参阅图9，图9为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于垂直于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜的传感器的应变传感曲线图。如图9所示。传感器在0～40％的应变范围内的平均敏感系数为5.9，线性度为0.948；在40％～70％的应变范围内的平均敏感系数为140.4，线性度为0.961；在大于70％的应变范围内的平均敏感系数为846.7，线性度为0.963。
实施例3
一种超薄型高透明性碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，步骤如下：
(1)制备取向纳米纤维膜
制备装置同实施例1，滚筒转速为200转/分钟，纺丝时间20min，纳米纤维膜的取向度为28.1％。
(2)碳纳米纤维膜的制备
碳纳米纤维膜的制备过程同实施例1，石墨板的尺寸为60mm×120mm，槽边宽5mm，槽的深度为0.3mm，槽边开半径为0.3mm的半孔；获得的碳纳米纤维膜厚度为1.6μm，透光率为36％。对碳纳米纤维膜沿纳米纤维平行方向剪切长度为50mm，宽度为7mm。
(3)传感器的制备
配备15wt％的聚氨酯溶液。利用铜丝(直径为0.1mm)将上述碳纳米纤维膜两端固定在载玻片上，铜丝与碳纳米纤维膜的近端端点距离为5mm；随后用少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将纳米膜的两端固定，再用导电银胶将碳纳米纤维膜与铜丝连接，并进行电热干燥处理，形成电极，两电极之间的距离为40mm；待电极干燥后取少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将两电极间的碳纳米纤维膜的边缘固定于载玻片上，防止碳纳米纤维膜因溶液表面张力而发生卷曲及撕裂，再取所需一定质量的聚氨酯溶液快速铺展到碳纳米纤维膜表面，并迅速用银针将聚氨酯溶液均匀铺展，并进行热风干燥处理。在室温下，静置两天去除传感器中的溶剂以及聚合物中的内应力，最后沿织物垂直方向将其揭下，并沿碳纳米纤维膜的边缘将其剪裁成“工”字型结构形成柔韧的、可弯曲的应变传感器，“工”字型结构的尺寸为7mm×20mm。传感器的厚度为160μm。
(4)传感器的拉伸传感性能
传感器在不同的应变范围循环拉伸的应变传感性能结果请参阅图10，图10为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(取向度28.1％)的传感器对不同拉伸应变的检测结果图。如图10所示。传感器分别在20％、40％、60％和80％的应变条件下测试；结果表明传感器具有优异的敏感系数及稳定性，敏感系数在3以上，且应变范围与电阻变化率之间具有优异的线性关系，线性度为0.754。请参阅图11，图11为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(取向度28.1％)的传感器的应变传感曲线图。如图11所示，在超过80％的应变条件下，传感器的敏感性迅速提高，达到770以上，线性度为0.935。
(5)基于不同取向度的碳纳米纤维的传感器的拉伸应变传感性能
基于不同取向度的碳纳米纤维膜(宽度为7mm，厚度为1.6μm)的传感器的拉伸应变传感性能结果请参阅图12，图12为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于不同取向度的碳纳米纤维的传感器对拉伸应变的检测结果图。如图12所示。结果发现，随碳纳米纤维膜取向度从28.1％逐渐增加到61.7％，传感器的应变范围减小，但其对小应变的敏感性增加。
实施例4
一种超薄型高透明性碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，步骤如下：
(1)制备取向纳米纤维膜
制备装置同实施例1，滚筒转速为800转/分钟，纺丝时间20min，纳米纤维膜的取向度为61.3％。
(2)碳纳米纤维膜的制备
碳纳米纤维膜的制备过程同实施例1，获得的碳纳米纤维膜厚度为1.6μm，透光率为36％。对碳纳米纤维膜沿纳米纤维平行方向剪切长度为60mm，宽度为10mm。
(3)传感器的制备
配备10wt％的聚氨酯溶液。利用铜丝(直径为0.1mm)将上述碳纳米纤维膜两端固定在载玻片上，铜丝与碳纳米纤维膜的近端端点距离为5mm；随后用少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将纳米膜的两端固定，再用导电银胶将碳纳米纤维膜与铜丝连接，并进行电热干燥处理，形成电极，两电极之间的距离为50mm；待电极干燥后取少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将两电极间的碳纳米纤维膜的边缘固定于载玻片上，防止碳纳米纤维膜因溶液表面张力而发生卷曲及撕裂，再取所需一定质量的聚氨酯溶液快速铺展到碳纳米纤维膜表面，并迅速用银针将聚氨酯溶液均匀铺展，并进行热风干燥处理。在室温下，静置两天去除传感器中的溶剂以及聚合物中的内应力，最后沿织物垂直方向将其揭下，并沿碳纳米纤维膜的边缘将其剪裁成“工”字型结构形成柔韧的、可弯曲的应变传感器，“工”字型结构的尺寸为10mm×20mm。传感器的厚度为140μm。
(4)传感器的拉伸传感性能
传感器在不同的应变范围循环拉伸的应变传感性能结果请参阅图13，图13为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(宽度为10mm)的传感器对不同拉伸应变的检测结果图。如图13所示。传感器分别在10％和20％的应变条件下测试；结果表明传感器具有优异的敏感系数及稳定性，敏感系数在26以上，请参阅图14，图14为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(宽度为10mm)的传感器的应变传感曲线图。如图14所示，应变范围与电阻变化率之间具有优异的线性关系，线性度为0.928。
(5)基于不同宽度的碳纳米纤维的传感器的拉伸应变传感性能
基于不同宽度的碳纳米纤维膜(取向度为61.3％，厚度为1.6μm)的传感器的拉伸应变传感性能结果请参阅图15，图15为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于不同宽度的碳纳米纤维的传感器对拉伸应变的检测结果图。如图15所示。结果发现，随碳纳米纤维膜宽度从5mm增加到7mm，再增加到1mm，传感器的应变范围提高，但其对小应变的敏感性减小。
实施例5
一种超薄型高透明性碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，步骤如下：
(1)制备取向纳米纤维膜
制备装置同实施例1，滚筒转速为800转/分钟，纺丝时间45min，纳米纤维膜的取向度为61.3％。
(2)碳纳米纤维膜的制备
碳纳米纤维膜的制备过程同实施例1，获得的碳纳米纤维膜厚度为3.92μm，透光率为5％。对碳纳米纤维膜沿纳米纤维平行方向剪切长度为40mm，宽度为7mm。
(3)传感器的制备
配备15wt％的聚氨酯溶液。利用铜丝将上述碳纳米纤维膜两端固定在载玻片上，铜丝与碳纳米纤维膜的近端端点距离为5mm；随后用少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将纳米膜的两端固定，再用导电银胶将碳纳米纤维膜与铜丝连接，并进行电热干燥处理，形成电极，两电极之间的距离为30mm；待电极干燥后取少许质量分数为5％的聚氨酯溶液将两电极间的碳纳米纤维膜的边缘固定于载玻片上，防止碳纳米纤维膜因溶液表面张力而发生卷曲及撕裂，再取所需一定质量的聚氨酯溶液快速铺展到碳纳米纤维膜表面，并迅速用银针将聚氨酯溶液均匀铺展，并进行热风干燥处理。在室温下，静置两天去除传感器中的溶剂以及聚合物中的内应力，最后沿织物垂直方向将其揭下，并沿碳纳米纤维膜的边缘将其剪裁成“工”字型结构形成柔韧的、可弯曲的应变传感器，“工”字型结构的尺寸为7mm×20mm。传感器的厚度为180μm。
(4)传感器的拉伸传感性能
传感器在20％的应变范围循环拉伸的应变传感性能结果请参阅图16，图16为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(厚度为3.92μm)的传感器对不同拉伸应变的检测结果图。如图16所示；结果表明传感器具有优异的敏感系数及稳定性，敏感系数在24以上。传感器随应变的增加传感器的敏感性逐渐增加，请参阅图17，图17为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于平行于传感器牵伸方向的碳纳米纤维膜(厚度为3.92μm)的传感器的应变传感曲线图。如图17所示。传感器在0～20％的应变范围内的平均敏感系数为24.5，线性度为0.98；在20％～30％的应变范围内的平均敏感系数为41.1，线性度为0.97；在大于30％的应变范围内的平均敏感系数为409，线性度为0.97。
(5)基于不同厚度的碳纳米纤维的传感器的拉伸应变传感性能
基于不同厚度的碳纳米纤维膜(取向度为61.3％，宽度为7mm)的传感器的拉伸应变传感性能结果请参阅图18，图18为本发明所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法所制备的基于不同厚度的碳纳米纤维的传感器对拉伸应变的检测结果图。如图18所示。结果发现，当纺丝时间分别为15min、20min、25min及45min时，碳纳米纤维膜厚度分别为1.2μm、1.6μm、2.26μm和3.92μm，纤维膜的透光率从50％下降到5％，传感器的应变范围有增加的趋势，但其对小应变的敏感性减小。在厚度达到一定值时，应变范围没有大的变化，但其对小应变的敏感性有所增加。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器，其特征在于：包括长方形规整结构的碳纳米纤维膜、第一铜丝、第二铜丝和透明聚氨酯基体，所述第一铜丝的连接端通过导电银胶固定在所述碳纳米纤维膜的左端，所述第二铜丝的连接端通过导电银胶固定在所述碳纳米纤维膜的右侧，所述透明聚氨酯基体包覆所述第一铜丝的连接端、第二铜丝的连接端和所述碳纳米纤维膜，所述透明聚氨酯基体呈“工”字型结构，将所述透明聚氨酯基体分成左基体、连接基体和右基体，则连接基体的长度为10～40mm，所述碳纳米纤维膜的厚度为0.9～3.92μm，宽度为5～10mm，长度为40～70mm，所述碳纳米纤维膜的长度与所述连接基体的长度之差为30mm，所述第一铜丝与所述碳纳米纤维膜的左端端点的距离为5～10mm，所述第二铜丝与所述碳纳米纤维膜的右端端点的距离为5～10mm，所述第一铜丝与所述第二铜丝之间的距离为30～60mm，所述超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的宽度为25mm，长度为70mm，厚度为80μm～200μm。
2.一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在高速旋转的滚筒表面包覆锌箔纸，利用单针静电纺丝法，通过控制纺丝时间及接收滚筒的转速获得聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜；
(2)将包含锌箔纸的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜夹持于两个多孔陶瓷片之间，在空气氛围下进行预氧化处理，准备一块石墨板，所述石墨板具有长方形的槽，在所述槽的边沿开设有多个半圆孔，所述半圆孔的深度与所述槽的深度相同，将经过预氧化处理后的包含锌箔纸的碳纳米纤维膜放置于所述槽中，随后用另一块平板状的石墨板盖于具有长方形的槽的石墨板上，并在氩气氛围下进行碳化处理，在碳化过程中锌箔纸蒸发，获得纯超薄型碳纳米纤维膜；
(3)将所述纯超薄型碳纳米纤维膜沿纯超薄型碳纳米纤维膜的取向方向或垂直于取向方向进行剪切，制备长方形规整结构的碳纳米纤维膜；
(4)配备质量分数为5％的聚氨酯溶液，利用第一铜丝和第二铜丝将所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的两端固定在载玻片上，所述第一铜丝的连接端与所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的左端端点距离为5～10mm，所述第二铜丝的连接端与所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的右端端点距离为5～10mm，随后用小于0.05g的质量分数为5％的聚氨酯溶液将所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的两端固定，再用导电银胶将所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜分别与第一铜丝的连接端、第二铜丝的连接端连接，并进行干燥处理，所述干燥温度为60℃，时间为0.5h，形成左、右两电极；
(5)取小于0.1g的质量分数为5％的聚氨酯溶液将左、右两电极间的碳纳米纤维膜的边缘固定于所述载玻片上；
(6)配备质量分数为5％～15％的聚氨酯溶液，取所述聚氨酯溶液快速铺展至碳纳米纤维膜表面，随后用银针将所述聚氨酯溶液均匀铺展，进行热风处理，直至所述聚氨酯溶液完全干燥形成透明聚氨酯基体，获得初级传感器；
(7)在室温下，静置两天，将所述初级传感器从所述载玻片上揭下，此时碳纳米纤维膜被包裹在所述聚氨酯基体内，沿碳纳米纤维膜的边缘将所述初级传感器剪裁成“工”字型结构形成超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器。
3.根据权利要求2所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜中石墨烯的质量分数为1％。
4.根据权利要求2所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述锌箔纸的厚度为10～25μm，所述纺丝时间为10～45min，所述滚筒的转速为200～1000转/分钟，所述聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜的取向度为28.1％～61.7％。
5.根据权利要求2所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述槽的深度为0.2～0.5mm，所述半圆孔的半径为0.2～0.5mm。
6.根据权利要求2所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述预氧化处理的条件为270℃/1.5h，所述碳化处理的条件为1100℃/3h，所述纯超薄型碳纳米纤维膜的厚度为0.9～3.92μm。
7.根据权利要求2所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述长方形规整结构的碳纳米纤维膜的宽度为5～10mm，长度为40～70mm。
8.根据权利要求2所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述左、右两电极之间的距离为30～60mm。
9.根据权利要求2所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(6)中，所述热风处理的温度为60℃。
10.根据权利要求2所述的一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(7)中，所述超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的宽度为25mm，长度为70mm，厚度为80μm～200μm。
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