CN112179263B - 一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器及其制备方法，该方法包括如下步骤：(1)采用挤出机将热塑性弹性体熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为140～200℃，螺杆转速为60～100rpm；(2)将导电填料分散液处理到热塑性弹性体线材表面，制得电导率为0.1～10S/m的导电高分子复合线材；其中，导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；(3)在导电高分子复合线材首末两端加装电极制得柔性应变传感器。制得的柔性应变传感器在应变拉伸和回复过程中单调变化，不存在肩峰现象，具有良好的电阻信号回复性和稳定性，制备方法简单，生产成本低，适合规模化工业生产。

Description

一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器及其制备方法。
背景技术
应变传感器是一种基于应变引起电学信号变化原理制成的传感器，可将被测对象的运动定量转换成电学信号的变化，适用于人体临床诊断、健康监测、人机界面、电子皮肤和智能机器人等多个领域。传统的应变式传感器主要由金属或者陶瓷等无机材料制成，但是这种传感器的柔性差，可测量的应变范围较小，这极大的限制了应变式传感器的使用范围。相比传统的应变传感器，由导电高分子复合材料制成的柔性应变传感器克服了无机材料坚硬的缺点，具有质轻、柔韧、可拉伸和易加工等特点，在电子皮肤、可穿戴器件等柔性应用领域表现出巨大优势。
用于制作柔性应变传感器的导电高分子复合材料通常是以橡胶、热塑性弹性体等弹性高分子材料为基体，加入各种导电填料制备而成，它在保持高分子基体许多优异特性的同时，还可方便地根据使用需求来调节材料的电学、力学和其他性能，受到该领域研究者和产业界的广泛关注。如期刊《Journal of Materials Chemistry C》上发表的文章(Ultra-stretchable,sensitive and durable strain sensors based on polydopamineencapsulated carbon nanotubes/elastic bands)介绍了一种橡胶弹力绳表面吸附碳纳米管制备的柔性应变传感器，该应变传感器具有较高的应变响应范围和灵敏度，较好的使用稳定性。但由于弹性高分子材料的分子运动具有较强的滞后性，在循环拉伸过程中会产生较大的残余应变，导致其制备的应变传感器通常存在“肩峰”现象，使得材料的电阻信号在应变回复过程中变化较为复杂，不是单调下降，严重限制了柔性应变传感器的应用。
因此，研究一种可以消除肩峰现象且制备具有良好的电阻信号回复性和稳定性的柔性应变传感器具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器及其制备方法，所述柔性应变传感器的锯齿沟槽结构可减弱弹性高分子材料的滞后性，减少材料产生的残余应变，因此，本发明制备的传感器电阻在拉伸过程中单调上升，在应变回复过程中单调下降，不存在肩峰现象，具有良好的电阻信号回复性和稳定性，并且制备方法简单，生产成本低，适合规模化工业生产。
为达到上述目的，本发明采用的方案如下：
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器，包括导电高分子复合线材及其两端的电极，导电高分子复合线材主要由热塑性弹性体线材及其表面的导电填料构成；
导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；
导电高分子复合线材的电导率为0.1～10S/m。电导率低于该范围，最终制得的传感器导电性能差，无法实现传感器的功能；高于该范围，传感器的导电性能过好，电阻变化对应变作用不敏感。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器，呈喇叭状的结构单元的长度为0.5～2.0mm；长度太小，锯齿沟槽的结构不明显，减弱弹性高分子材料的滞后性效果不明显，进而对传感器性能的影响小；长度太大，锯齿沟槽在挤出过程中易被破坏。
导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径1～4mm(直径过小，线材的力学性能差，无法实现多次反复使用；直径过大，线材的力学性能过强，无法在较小应力下拉伸，由其制备的传感器无法监测微小形变)，优选为1.5～2mm；最大处对应的直径1.5～6mm。
如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器，导电高分子复合线材与电极通过导电银浆或导电碳浆连接；电极为铜线或者铜箔；
热塑性弹性体线材的材质为热塑性聚氨酯(TPU)、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体(TPAE)和热塑性硫化橡胶(TPV)中的一种以上；
苯乙烯类热塑性弹性体为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)或者苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物(SEPS)；烯烃类热塑性弹性体为二烯类热塑性弹性体或者氯乙烯类热塑性弹性体；
导电填料为多壁碳纳米管、碳纤维、炭黑、金属纳米颗粒、金属纳米线、金属氧化物粉末、过渡金属碳/氮化物和石墨烯中的一种以上。导电填料分散液可由商业购买所得，也可自制。
如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为0.5～5％。质量百分比低于该范围制得的高分子复合线材不导电，高于该范围工艺上很难实现。
本发明还提供制备如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的方法，包括如下步骤：
(1)采用挤出机将热塑性弹性体粉料或粒料熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为140～200℃，螺杆转速为60～100rpm；限定加工温度为140～200℃，温度过低，聚合物难以塑化，无法熔融挤出加工；温度过高，聚合物熔体的弹性效应下降，会发生稳定流动，不会产生粗细相间的结构，并且高温会造成聚合物热降解，力学性能下降；限定螺杆转速为60～100rpm，转速过低，聚合物熔体稳定流动，不会产生粗细相间的结构；转速过高，聚合物熔体会发生无规破裂；
(2)将导电填料分散液处理到热塑性弹性体线材表面，制得导电高分子复合线材；
(3)在导电高分子复合线材首末两端加装电极制得柔性应变传感器。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，挤出机为单螺杆挤出机或者双螺杆挤出机；
机头口模的横截面为直径1～3mm的圆形。直径过小，所挤出的线材的力学性能差，无法实现多次反复使用；直径过大，所挤出的线材的力学性能过强，无法在较小应力下拉伸，由其制备的传感器无法监测微小形变。
如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，步骤(2)具体为：将溶胀后的热塑性弹性体线材置于导电填料分散液中或者将导电填料分散液喷涂到溶胀后的热塑性弹性体线材表面；再通过50～70℃干燥处理12～48h后制得导电高分子复合线材；溶胀处理的作用是使热塑性弹性体的链段获得运动能力，有利于导电填料在超声作用下打入线材内部。
如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，导电填料分散液的制备过程为：将导电填料置于去离子水中，在250～450W的超声功率下0～25℃超声分散0.5～1h得到导电填料的质量浓度为0.1～0.5％的导电填料分散液(低于该范围会导致填料的填充效果下降，高于该范围会导致分散液中的填料沉降)。
如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，溶胀后的热塑性弹性体线材是将热塑性弹性体线材置于有机溶剂中搅拌溶胀0.5～1小时得到；
有机溶剂为二氧六环、丙酮、甲苯、石油醚、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、甲酸、二氯甲烷中的一种以上，不同热塑性弹性体使用不同有机溶剂，保证热塑性弹性体在有机溶剂中只溶胀不溶解。
如上所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，加装电极的过程为：使用导电银浆或导电碳浆将电极连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在70～90℃条件下固化0.5～2h。
本发明的原理是：
首先，本发明中采用的热塑性弹性体的熔体具有明显的弹性效应，热塑性弹性体(熔体)与挤出机的机头口模内壁之间缺乏粘着力，随着螺杆转速提高，应力集中效应使熔体贮能大大增加，当能量累积到超过熔体与机头口模内壁之间的摩擦力所能承受的极限时，将造成熔体沿口模内壁滑动，同时释放出能量。释放出能量后的熔体又会再次与机头口模内壁粘合，从而再集中能量，再发生滑动。在本发明的热塑性弹性体线材的挤出过程中，由于这种“滑动-粘合-滑动”的交替过程，使得热塑性弹性体(熔体)的挤出过程出现不连续性，进而使得挤出物(即热塑性弹性体线材)是由呈喇叭状的结构单元顺向相连，表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构。其次，本发明采用了具有锯齿沟槽结构的热塑性弹性体线材，溶胀、喷涂等处理没有引起热塑性弹性体的溶解，则其结构被保留下来，使得导电高分子复合线材具有相同的结构特点。
现有技术中的应变传感器中，其采用的弹性高分子材料的分子运动具有较强的滞后性，在循环拉伸过程中会产生较大的残余应变，导致其制备的应变传感器通常存在肩峰现象，并且应变回复到零后电阻不能完全回复；
本发明将制得的具有连续锯齿沟槽结构的导电高分子复合线材用于制备柔性应变传感器，由于导电高分子复合线材具有周期性连续存在的“锯齿”，“锯齿”相对于“沟槽”部分直径更大、力学性能更强，在循环拉伸过程中，该“锯齿”相当于物理交联点，可有效分散作用于导电高分子复合线材的拉力，提高材料各段受力和变形的均匀性，从而减弱导电高分子复合线材的滞后性，减少导电高分子复合线材产生的残余应变，因此，由其制得的柔性应变传感器不存在肩峰现象，具有良好的回复性和稳定性。
有益效果
本发明的具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器是由呈喇叭状的结构单元顺向相连，表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构的线材制成，这种结构可以消除肩峰现象，赋予应变传感器良好的回复性和稳定性；
本发明应变传感器制备方法简单，生产成本低，适合规模化工业生产。
附图说明
图1为实施例1制备的导电高分子复合线材在放大倍数为30倍下的扫描电镜照片；
图2为实施例1制备的柔性应变传感器进行50％应变循环拉伸时的电阻响应度-时间曲线；
图3为对比例1制备的传感器在放大倍数为30倍下的扫描电镜照片；
图4为对比例1制备的传感器进行50％应变循环拉伸时的电阻响应-时间曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明中对制得的柔性应变传感器进行电阻响应度-时间曲线的测试方法为：将传感器两端固定在万能拉伸试验机上，以50mm/min的速度进行拉伸，当应变达到50％时，再以相同速度恢复至初始位置，如此反复进行10个循环，获得电阻响应度-时间曲线；其中，电阻响应度为ΔR/R0，R0为初始电阻，ΔR为(实时电阻-初始电阻)。用10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度来表征应变传感器的回复性和重复性，其值越接近于0，回复性和重复性越好；并且制得的应变传感器具有较宽的应变响应范围，可监测0～150％范围内的应变；该应变传感器还具有优秀的耐久性，经过2000次的循环拉伸后仍能保持稳定的应变传感性能。
表1原料准备
Figure BDA0002668995610000051
实施例1
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径1mm的圆形的双螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为180℃，螺杆转速为100rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀1小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在400W的超声功率下25℃超声分散1h得到质量浓度为0.5％的导电填料分散液；
(4)将溶胀后的热塑性弹性体线材置于导电填料分散液中，再通过68℃干燥处理24h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为0.8％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构，如图1所示；呈喇叭状的结构单元的长度为1.5mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径1.8mm，最大处对应的直径2.4mm；该导电高分子复合线材的电导率为0.9S/m；
(5)使用导电银浆将铜线连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在80℃条件下固化导电银浆1h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线(如图2所示)中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为0.01，具有良好的回复性和稳定性。
对比例1
一种柔性应变传感器的制备方法，采用与实施例1相同的原料及方法，区别仅在于：挤出机的加工温度为220℃，螺杆转速为40rpm。
图3为对比例1制备的传感器在放大倍数为30倍下的扫描电镜照片，通过图3可以看出该柔性应变传感器具有表面光滑、直径均匀的结构。
对比例1制备的传感器的电导率为1.1S/m，该应变传感器在50％应变循环拉伸时的电阻响应-时间曲线如图4所示，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度逐渐上升，但存在一个肩峰；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度逐渐下降，同样存在一个肩峰，且10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为1.67，具有较差的回复性和稳定性，因此，其电阻变化在拉伸和回复过程中比较复杂，无法在实际应用中被应用。
将实施例1与对比例1进行对比可以看出，实施例1制得的呈喇叭状的结构单元顺向相连且表面均匀分布有连续锯齿沟槽的结构可以赋予柔性应变传感材料更好的回复性和稳定性，消除肩峰现象，这是由于热塑性弹性体线材的分子运动具有较强的滞后性，在循环拉伸过程中会产生较大的残余应变，导致其制备的应变传感器通常存在肩峰现象，并且应变回复到零后电阻不能完全回复，而对于具有锯齿沟槽结构的热塑性弹性体线材，周期性存在的“锯齿”结构相当于物理交联点，可有效分散作用于线材的拉力，提高材料各段受力和变形的均匀性，从而减弱热塑性弹性体线材的滞后性，减少热塑性弹性体线材产生的残余应变，因此，由其制得的柔性应变传感器不存在肩峰现象，具有良好的回复性和稳定性。
实施例2
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径2mm的圆形的单螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为190℃，螺杆转速为60rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀1小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在400W的超声功率下25℃超声分散0.5h得到质量浓度为0.3％的导电填料分散液；
(4)将导电填料分散液喷涂到热塑性弹性体线材表面，再通过60℃干燥处理24h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为0.5％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；呈喇叭状的结构单元的长度为1.6mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径2.4mm，最大处对应的直径4.8mm；该导电高分子复合线材的电导率为1.1S/m；
(5)使用导电银浆将铜线连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在70℃条件下固化导电银浆2h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为0.02。
实施例3
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径3mm的圆形的单螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为150℃，螺杆转速为70rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀0.5小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在450W的超声功率下25℃超声分散0.8h得到质量浓度为0.1％的导电填料分散液；
(4)将溶胀后的热塑性弹性体线材置于导电填料分散液中，再通过70℃干燥处理12h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为1％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；呈喇叭状的结构单元的长度为1.8mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径4.0mm，最大处对应的直径6.0mm；该导电高分子复合线材的电导率为2.1S/m；
(5)使用导电银浆将铜线连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在75℃条件下固化导电银浆1.2h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为-0.07。
实施例4
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径2mm的圆形的单螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为160℃，螺杆转速为80rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀0.8小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在440W的超声功率下23℃超声分散1h得到质量浓度为0.2％的导电填料分散液；
(4)将溶胀后的热塑性弹性体线材置于导电填料分散液中，再通过60℃干燥处理24h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为4.5％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；呈喇叭状的结构单元的长度为1.3mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径2.7mm，最大处对应的直径5.1mm；该导电高分子复合线材的电导率为10S/m；
(5)使用导电银浆将铜线连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在80℃条件下固化导电银浆1.3h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为0.12。
实施例5
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径2mm的圆形的单螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为180℃，螺杆转速为90rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀1小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在250W的超声功率下24℃超声分散0.5h得到质量浓度为0.3％的导电填料分散液；
(4)将导电填料分散液喷涂到热塑性弹性体线材表面，再通过50℃干燥处理48h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为2％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；呈喇叭状的结构单元的长度为1.9mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径3.0mm，最大处对应的直径5.5mm；该导电高分子复合线材的电导率为0.1S/m；
(5)使用导电碳浆将铜线连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在80℃条件下固化导电碳浆1.6h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为0.15。
实施例6
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径1mm的圆形的双螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为200℃，螺杆转速为65rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀0.5小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在350W的超声功率下25℃超声分散0.5h得到质量浓度为0.5％的导电填料分散液；
(4)将溶胀后的热塑性弹性体线材置于导电填料分散液中，再通过67℃干燥处理15h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为2.8％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；呈喇叭状的结构单元的长度为0.5mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径1.0mm，最大处对应的直径1.5mm；该导电高分子复合线材的电导率为0.8S/m；
(5)使用导电碳浆将铜箔连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在85℃条件下固化导电碳浆0.7h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为-0.08。
实施例7
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径1mm的圆形的双螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为140℃，螺杆转速为75rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀0.7小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在400W的超声功率下20℃超声分散0.8h得到质量浓度为0.1％的导电填料分散液；
(4)将溶胀后的热塑性弹性体线材置于导电填料分散液中，再通过65℃干燥处理20h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为3％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；呈喇叭状的结构单元的长度为0.8mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径1.3mm，最大处对应的直径3.0mm；该导电高分子复合线材的电导率为5S/m；
(5)使用导电碳浆将铜箔连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在87℃条件下固化导电碳浆0.5h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为0.06。
实施例8
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径1mm的圆形的双螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为185℃，螺杆转速为85rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀0.8小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在350W的超声功率下15℃超声分散0.7h得到质量浓度为0.2％的导电填料分散液；
(4)将导电填料分散液喷涂到热塑性弹性体线材表面，再通过55℃干燥处理24h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为4％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；呈喇叭状的结构单元的长度为0.7mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径1.9mm，最大处对应的直径3.5mm；该导电高分子复合线材的电导率为1.6S/m；
(5)使用导电碳浆将铜箔连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在90℃条件下固化导电碳浆0.5h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为0.14。
实施例9
一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用机头口模的横截面为直径2mm的圆形的双螺杆挤出机将热塑性弹性体(见表1)熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为195℃，螺杆转速为60rpm；
(2)将热塑性弹性体线材置于温度为23℃的有机溶剂(见表1)中搅拌溶胀0.9小时得到溶胀后的热塑性弹性体线材；
(3)将导电填料(见表1)置于去离子水中，在380W的超声功率下22℃超声分散0.9h得到质量浓度为0.3％的导电填料分散液；
(4)将溶胀后的热塑性弹性体线材置于导电填料分散液中，再通过60℃干燥处理24h制得导电高分子复合线材；其中，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为5％；
该导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；呈喇叭状的结构单元的长度为2.0mm；导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径3.3mm，最大处对应的直径5.6mm；该导电高分子复合线材的电导率为4.7S/m；
(5)使用导电碳浆将铜箔连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在77℃条件下固化导电碳浆1.5h制得柔性应变传感器；
制得的柔性应变传感器的电阻响应度-时间曲线中，当传感器在逐渐拉伸状态时，其电阻响应度单调上升；当传感器在逐渐回复状态时，其电阻响应度单调下降，不存在肩峰现象，10个拉伸-回复循环结束时的电阻响应度为0.21。

Claims (10)

1.一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器，其特征是：包括导电高分子复合线材及固定在其两端的电极，导电高分子复合线材主要由热塑性弹性体线材及其表面的导电填料构成；
热塑性弹性体线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，且表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；
导电高分子复合线材的构型为呈喇叭状的结构单元顺向相连，导电高分子复合线材的表面均匀分布有连续锯齿沟槽结构；
导电高分子复合线材的电导率为0.1~10S/m。
2.根据权利要求1所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器，其特征在于，导电高分子复合线材的构型中呈喇叭状的结构单元的长度为0.5~2.0mm；
导电高分子复合线材的横截面最小处对应的直径1~4mm，最大处对应的直径1.5~6mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器，其特征在于，导电高分子复合线材与电极通过导电银浆或导电碳浆连接；电极为铜线或者铜箔；
热塑性弹性体线材的材质为热塑性聚氨酯、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体和热塑性硫化橡胶中的一种以上；
导电填料为多壁碳纳米管、碳纤维、炭黑、金属纳米颗粒、金属纳米线、金属氧化物粉末、过渡金属碳/氮化物和石墨烯中的一种以上。
4.根据权利要求1所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器，其特征在于，导电填料占导电高分子复合线材质量的百分比为0.5~5%。
5.制备如权利要求1~4中任一项所述的一种具有锯齿沟槽结构的柔性应变传感器的方法，其特征是包括如下步骤：
（1）采用挤出机将热塑性弹性体熔融挤出成热塑性弹性体线材；挤出机的加工温度为140~200℃，螺杆转速为60~100rpm；
（2）将导电填料分散液处理到热塑性弹性体线材表面，制得导电高分子复合线材；
（3）在导电高分子复合线材首末两端加装电极制得柔性应变传感器。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，挤出机为单螺杆挤出机或者双螺杆挤出机；
机头口模的横截面为直径1~3mm的圆形。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，导电填料分散液的制备过程为：将导电填料置于去离子水中，在250~450W的超声功率下0~25℃超声分散0.5~1h得到质量浓度为0.1~0.5%的导电填料分散液。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，加装电极的过程为：使用导电银浆或导电碳浆将电极连接在导电高分子复合线材的首末两端，并在70~90℃条件下固化0.5~2h。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（2）具体为：将溶胀后的热塑性弹性体线材置于导电填料分散液中或者将导电填料分散液喷涂到溶胀后的热塑性弹性体线材表面；再通过50~70℃干燥处理12~48h后制得导电高分子复合线材。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，溶胀后的热塑性弹性体线材是将热塑性弹性体线材置于有机溶剂中搅拌溶胀0.5~1小时得到；
有机溶剂为二氧六环、丙酮、甲苯、石油醚、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、甲酸、二氯甲烷中的一种以上。
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