CN115452205A - 一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115452205A
CN115452205A CN202210963654.9A CN202210963654A CN115452205A CN 115452205 A CN115452205 A CN 115452205A CN 202210963654 A CN202210963654 A CN 202210963654A CN 115452205 A CN115452205 A CN 115452205A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spinning
pressure sensor
oriented
thermoplastic elastomer
nozzle
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.)
Pending
Application number
CN202210963654.9A
Other languages
English (en)
Inventor
汪滨
金旭
张秀芹
徐治君
邝旻翾
崔萌
陈彦锟
谷潇夏
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.)
Beijing Institute Fashion Technology
Original Assignee
Beijing Institute Fashion 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 Beijing Institute Fashion Technology filed Critical Beijing Institute Fashion Technology
Priority to CN202210963654.9A priority Critical patent/CN115452205A/zh
Publication of CN115452205A publication Critical patent/CN115452205A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring 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
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0015—Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D01D5/003—Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/28—Formation of filaments, threads, or the like while mixing different spinning solutions or melts during the spinning operation; Spinnerette packs therefor
    • D01D5/30—Conjugate filaments; Spinnerette packs therefor
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
    • D04H1/4326—Condensation or reaction polymers
    • D04H1/4358—Polyurethanes
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring 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
    • G01L1/142—Measuring 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

本发明提供了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，该电容式柔性压力传感器包括上、下电极层，以及位于上、下电极层之间的取向纳米纤维膜，所述上、下电极层为取向导电纳米纤维膜，该取向导电纳米纤维膜由纳米纤维膜掺杂导电物质和质子酸得到，该电容式柔性压力传感器检测范围宽，可实现从微弱压力的脉搏监测到较大压力的肢体运动监测，可覆盖人体运动的全范围监测，同时还具有灵敏度高、响应速度快、伸长率和断裂伸长率高、透湿透气性好等优点，可应用于可穿戴柔性压力传感器，此外，该电容式柔性压力传感器制备方法简单、能耗低，佩戴舒适，应用前景良好。

Description

一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其 制备方法
技术领域
本发明涉及柔性传感器制备的可穿戴电子皮肤领域，具体涉及一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法，应用于人体运动全范围的实时监测。
背景技术
随着可穿戴设备的发展，用于检测人体运动的可穿戴传感系统引起了学术界和工业界的广泛关注，其中，低成本、超低功耗、对温度变化的耐受性、高灵敏度和低滞后性的电容式柔性压力传感器成为研究热点之一。
虽然目前电容式柔性压力传感器的研究已经取得了较大进展，但对于其实际应用仍然存在一些问题，亟待解决。例如，在微结构设计方面，常用的微结构构造方法，如光刻法、蚀刻法、3D打印和天然模具成形等技术或多或少存在成本高、工艺复杂、工业化困难，组织均匀性和可调性差等问题。而且，当在较大压力下使用时，柔性电容式压力传感器的灵敏度会下降。因此，如何同时提高传感器的灵敏度和工作范围是推进电容式柔性压力传感器在某些领域应用的关键问题。
除此之外，现存的柔性电容式压力传感器还面临佩戴舒适性较差的问题。由于在传感器的制备过程中选择的基体材料大都是不透气的材料，附着在人体上时人体皮肤无法呼吸，这牺牲了穿戴的舒适性。因此，需要研发一种高灵敏度、检测范围宽、透气的电容式柔性压力传感器。
纳米纤维膜不但具有质量轻、比表面积大、良好的柔韧性和丰富的微观结构等优点，而且具有超高的孔隙率，甚至超过90％，因而在研究中受到了越来越多的青睐。
发明内容
基于上述技术背景，本发明人进行了锐意进取，结果发现：取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜浸泡于苯胺和质子酸得到的溶液中，然后添加引发剂进行反应，制得取向导电纳米纤维膜，该取向导电纳米纤维膜置于纳米纤维膜的上层和下层，得到电容式柔性压力传感器，该电容式柔性压力传感器具有较高的伸长率和断裂强度，力学性能优异，同时具备超高的灵敏度、响应速度快、检测范围宽等优点，其可实现从微弱压力的脉搏监测到较大压力的肢体运动监测，可实现人体运动的全范围监测，此外，该电容式柔性压力传感器还具有制备方法简单、能耗低等优点，从而完成本发明。
本发明第一方面在于提供一种电容式柔性压力传感器，该电容式柔性压力传感器包括上、下电极层，以及位于上、下电极层之间的介电层；
所述上、下电极层为取向导电纳米纤维膜，该取向导电纳米纤维膜由取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜、苯胺和质子酸制得，介电层为取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜，该取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜由热塑性弹性体聚氨酯溶液经共轭取向静电纺丝得到。
本发明第二方面在于提供一种本发明第一方面所述电容式柔性压力传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、热塑性弹性体聚氨酯溶于溶剂中，得到纺丝溶液；
步骤2、纺丝溶液置于静电纺丝装置中进行共轭取向静电纺丝，得到取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜；
步骤3、取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜置于苯胺和质子酸混合溶液中浸泡，然后于引发剂存在下进行反应，得到取向导电纳米纤维膜；
步骤4、取向导电纳米纤维膜和取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜进行组装，得到电容式柔性压力传感器。
本发明第三方面在于提供一种根据本发明第一方面所述电容式柔性压力传感器或由本发明第二方面所述制备方法制得的电容式柔性压力传感器的应用，其可应用于人体监测系统中。
附图说明
图1示出本发明采用的共轭静电纺丝装置示意图；
图2示出实施例1～3制得取向导电纳米纤维膜的SEM照片；
图3示出实施例2制得导电纳米纤维膜、纳米纤维膜以及电容式柔性压力传感器的应力-应变曲线图；
图4示出实施例1～3制得柔性压力传感器的灵敏度曲线图；
图5示出实施例2制得柔性压力传感器的响应时间曲线图；
图6示出实施例2制得取向纳米纤维膜和柔性压力传感器的透气性柱状图；
图7示出实施例2制得柔性压力传感器的人体大幅度动作识别曲线图；
图8示出实施例2制得柔性压力传感器的人体小幅度动作识别曲线图。
附图标号说明
1-辊筒收集器；
2-共轭纺丝喷头；
3-注射泵；
4-正极；
5-负极。
具体实施方式
下面将对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明第一方面在于提供一种电容式柔性压力传感器，该电容式柔性压力传感器包括上、下电极层，以及位于上、下电极层之间的介电层。
所述上、下电极层为取向导电纳米纤维膜，该取向导电纳米纤维膜由取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜、苯胺和质子酸制得，介电层为取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜，该取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜由热塑性弹性体聚氨酯溶液经共轭取向静电纺丝得到。
本发明所述共轭取向静电纺丝是指经正极纺丝得到的带有正电荷的取向排列纤维与经负极纺丝得到的带有负电荷的取向排列纤维沉积在辊筒收集器上以形成取向纤维膜。
取向导电纳米纤维膜中，苯胺与热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4，优选为1:1～1:3，更优选为1:1～1:2。
所述质子酸选自磺基水杨酸、盐酸、硫酸、醋酸、植酸中的一种或几种，优选选自磺基水杨酸、盐酸、硫酸、植酸中的一种或几种，更优选为磺基水杨酸。
经试验发现，采用上述质子酸制得的取向导电纳米纤维膜导电性良好，以该取向导电纳米纤维膜作为上、下导电层得到的柔性压力传感器具有超高的灵敏度，响应时间极短，且检测范围宽、稳定性好。
在该取向导电纳米纤维膜中，质子酸与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4，优选为1:1～1:2，更优选为1:1～1:1.5。
质子酸的添加量会影响制得压力传感器的响应性，质子酸的添加量太多或太低，都会降低压力传感器的响应性，质子酸与纳米纤维膜的质量比为上述范围时，得到的压力传感器灵敏度较高、响应速度快、检测范围宽。
热塑性弹性体聚氨酯溶液的质量浓度为5～30％，优选为10～25％。
静电纺丝正电压为5～20kV，优选为7～15kV，更优选为9～12kV。
静电纺丝负电压为5～20kV，优选为7～15kV，更优选为9～12kV。
共轭纺丝正喷头的纺丝角度为15°～75°，优选为15°～60°，更优选为20°～50°。共轭纺丝正喷头的纺丝角度是指共轭纺丝正喷头与辊筒收集器1朝正极4一侧的轴向之间的夹角。
共轭纺丝负喷头的纺丝角度为15°～75°，优选为15°～60°，更优选为20°～50°。
共轭纺丝负喷头的纺丝角度是指共轭纺丝负喷头与辊筒收集器1朝负极5一侧的轴向之间的夹角。
纺丝推速为0.2～5ml/h，优选为0.5～3ml/h，更优选为0.7～2ml/h。
辊筒转速为1000～5000rpm，优选为1500～4000rpm，更优选为1700～3000rpm。
纺丝时间为5～60min，优选为5～40min，更优选为15～40min。
取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的厚度为50～600μm，优选为50～500μm，更优选为150～450μm。
取向导电纳米纤维膜的厚度为50～600μm，优选为50～400μm，更优选为150～300μm。
取向导电纳米纤维膜的电导率为1×10-4～9×10-2S/cm，优选为9×10-4～9×10- 2S/cm，更优选为5×10-3～9×10-2S/cm。
本发明人发现，取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜与取向导电纳米纤维膜的厚度为上述范围时，该电容式柔性压力传感器具有优异的灵敏度和较宽的传感范围，可实现从微弱压力的脉搏监测到较大压力的肢体运动监测，实现对手指弯曲、手腕弯曲、手肘弯曲等人体各种运动的监测。
本发明所述的电容式柔性压力传感器采用三明治结构，基于纳米纤维较大的比表面积以及材料优异的性能，当受到外力刺激时，该电容式柔性压力传感器显示出较高的灵敏度以及极宽的传感范围。该压力传感器的灵敏度可达1.3kPa-1以上，最大检测范围可达120kPa以上，压力响应时间极短，响应时间为40～120ms，恢复时间为40～120ms。
此外，该电容式柔性压力传感器的应变可达1400％～1700％，水蒸气透过率为500～700(g/m2，24h)。
在纳米纤维膜的不同制备方法中，静电纺丝因其工艺可控、生产效率高、成本低等优点被认为是制备纳米纤维膜最有效的方法。因此，本发明提出采用共轭静电纺丝技术制备具有微结构可控、一维取向的柔性纳米纤维膜，然后通过原位聚合法在柔性纳米纤维膜上包覆导电颗粒，制备柔性取向导电纳米纤维膜，最后组装成具有三明治结构的电容式柔性压力传感器。以期获得具有制备过程简单、穿戴舒适性较好且可同时提高传感器灵敏度和工作范围的柔性压力传感器。
本发明第二方面在于提供一种本发明第一方面所述电容式柔性压力传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、热塑性弹性体聚氨酯溶于溶剂中，得到纺丝溶液；
步骤2、纺丝溶液置于静电纺丝装置中进行共轭取向静电纺丝，得到取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜；
步骤3、取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜置于苯胺和质子酸混合溶液中浸泡，然后于引发剂存在下进行反应，得到取向导电纳米纤维膜；
步骤4、取向导电纳米纤维膜和取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜进行组装，得到电容式柔性压力传感器。
以下对该步骤进行具体描述和说明。
步骤1、热塑性弹性体聚氨酯溶于溶剂中，得到纺丝溶液。
所述溶剂选自二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二氯甲烷中的一种或几种，优选选自二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的一种或两种。
二甲基甲酰胺和四氢呋喃的质量比为1：(0.1～2)，优选为1：(0.3～1.5)，更优选为1：(0.5～1.5)。采用上述质量比的混合溶剂，可将热塑性弹性体聚氨酯完全溶解于溶剂中，纺丝后纤维直径更均一。
在本发明中，所述热塑性弹性体聚氨酯的相对分子质量大于等于90000，优选相对分子质量大于等于120000。
当聚合物分子量过低时，射流拉伸流动存在阻力，静电纺出的纳米纤维易形成串珠结构，当分子量达到适宜范围时才会趋于稳定，形成均匀的纳米纤维。采用上述相对分子质量的热塑性弹性体聚氨酯进行静电纺丝，所得纤维均一且无串珠，形貌较好。
优选在磁力搅拌下进行溶解，溶解温度为常温，搅拌时间为5～20h，优选为7～17h，更优选为10～15h。在上述溶解温度下得到的纺丝溶液更均匀。
纺丝溶液的质量浓度为5～30％，优选质量浓度为10～25％。
步骤2、纺丝溶液置于静电纺丝装置中进行共轭取向静电纺丝，得到取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜。
将上述纺丝溶液置于图1所示的静电纺丝装置中进行静电纺丝，该静电纺丝装置包括辊筒收集器1、共轭纺丝喷头2、注射泵3、正极4和负极5。共轭纺丝喷头2和注射泵3分别位于辊筒收集器1和正极4、负极5之间，共轭纺丝喷头2位于注射泵3和辊筒收集器1之间。共轭纺丝喷头2包括共轭纺丝正喷头和共轭纺丝负喷头，共轭纺丝正喷头和共轭纺丝负喷头呈一定角度对称分布在辊筒收集器1的两侧，共轭纺丝正喷头位于正极4一侧，共轭纺丝负喷头位于负极5一侧。
正极4和负极5之间的距离为5～30cm，优选为10～25cm，更优选为10～20cm。
所述共轭纺丝喷头2与辊筒收集器1之间的距离为5～30cm，优选为10～20cm，更优选为12～17cm。
纺丝电压包括静电纺丝正电压和静电纺丝负电压，静电纺丝正电压为5～20kV，优选为7～15kV，更优选为9～12kV。
静电纺丝负电压为5～20kV，优选为7～15kV，更优选为9～12kV。
在电场作用下，两个共轭纺丝喷丝头尖端的射流被拉伸，形成了带相反电荷的纳米纤维，它们相互吸引抱合在一起，其中的溶剂挥发固化，最终沉积在接收器上，得到取向纳米纤维膜。
共轭纺丝正喷头的纺丝角度为15°～75°，优选为15°～60°，更优选为20°～50°。共轭纺丝正喷头的纺丝角度指共轭纺丝正喷头与辊筒收集器1朝正极4一侧的轴向之间的夹角。
共轭纺丝负喷头的纺丝角度为15°～75°，优选为15°～60°，更优选为20°～50°。共轭纺丝负喷头的纺丝角度指共轭纺丝负喷头与辊筒收集器1朝负极5一侧的轴向之间的夹角。
纺丝推速为0.2～5ml/h，优选为0.5～3ml/h，更优选为0.7～2ml/h。
辊筒转速为1000～5000rpm，优选为1500～4000rpm，更优选为1700～3000rpm。
辊筒转速和纺丝推速之间应维持在适宜的比例范围内，辊筒转速过大，会导致纺丝不连贯的缺点，而纺丝推速过大，则会导致纳米纤维直径和纤维膜厚度均一性差等缺点，辊筒转速和纺丝推速为上述范围时，得到的纳米纤维直径均匀，纳米纤维膜厚度均一。
纺丝时间为5～60min，优选为5～40min，更优选为15～40min。
纺丝时间会影响制得纳米纤维的形貌，纺丝时间太长或太短会使纳米纤维直径均一度下降，纺丝时间为上述范围时，制得的纳米纤维直径均一，有利于提高传感器的响应灵敏性。
步骤3、取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜置于苯胺和质子酸混合溶液中浸泡，然后于引发剂存在下进行反应，得到取向导电纳米纤维膜。
所述质子酸选自磺基水杨酸、盐酸、硫酸、醋酸、植酸中的一种或几种，优选选自磺基水杨酸、盐酸、硫酸、植酸中的一种或几种，更优选为磺基水杨酸。
质子酸在反应过程中起到聚合反应所需的酸性环境和质子源两个作用，聚苯胺为导电聚合物，而本征态的聚苯胺无法导电，只有通过质子酸掺杂后电导率才会大幅度提升。掺杂后取向导电纳米纤维膜的电导率为1×10-4～9×10-2S/cm，优选为9×10-4～9×10-2S/cm，更优选为5×10-3～9×10-2S/cm。
苯胺与质子酸的质量比为1:1～1:4，优选为1:1～1:3，更优选为1:1～1:1.5。
苯胺与质子酸置于溶剂中得到苯胺和质子酸混合溶液，溶剂优选为水。
苯胺与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4，优选为1:1～1:3，更优选为1:1～1:2。
所述苯胺与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为上述范围时，苯胺在纳米纤维膜表面负载较均匀，得到的纳米纤维膜导电性良好。
浸泡时间为5～60min，优选为10～50min，更优选为10～40min。
浸泡后向其中添加引发剂，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的一种或几种，，优选为过硫酸铵。
引发剂与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为(1～4):1，优选质量比为(1～3):1，更优选质量比为(1～2):1。
所述反应优选在冰水浴中进行，反应时间为1～15h，优选为1～12h，更优选为2～10h。
聚苯胺均匀的负载在纳米纤维膜表面，随着反应时间的延长，负载在纳米纤维膜表面的聚苯胺逐渐增多，分布均匀，此外，经试验发现，反应时间还会影响电容式柔性压力传感器的灵敏度，该压力传感器的灵敏度随着反应时间的延长先增加后降低，反应时间为上述范围时，该压力传感器具有优异的灵敏度。
步骤4、取向导电纳米纤维膜和取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜进行组装，得到电容式柔性压力传感器。
将两片取向导电纳米纤维膜分别置于取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的上表面和下表面，取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜为中间介电层。
该电容式柔性压力传感器中，所述取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的厚度为50～600μm，优选为50～500μm，更优选为150～450μm。
所述取向导电纳米纤维膜的厚度为50～600μm，优选为50～400μm，更优选为150～300μm。
取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜和取向导电纳米纤维膜的厚度会影响压力传感器的灵敏度，取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的厚度不宜太厚，纳米纤维膜太厚会导致灵敏度降低。
本发明第三方面在于提供一种根据本发明第一方面所述电容式柔性压力传感器或由本发明第二方面所述制备方法制得的电容式柔性压力传感器的应用，其可应用于人体监测系统中。
本发明所具有的有益效果：
(1)本发明利用简单的共轭静电纺丝技术和原位化学聚合法制备得到柔性取向导电纳米纤维膜，最后组装成三明治结构的电容式柔性压力传感器，整个制备过程简便易操作、工艺简单，还具有成本低廉、能耗低、对环境友好等优点；
(2)得益于该取向导电纳米纤维膜独特的取向结构，本发明制备的基于共轭静电纺丝的导电柔性压力传感器具有较大的伸长率和较高的断裂强度，力学性能有效提升；
(3)本发明制备的电容式柔性压力传感器具备超高的灵敏度，其灵敏度可达1.3kPa-1以上，同时还具有响应速度快、检测范围宽、舒适透气、稳定性好等优点，压力响应时间为30～120ms，恢复时间为30～120ms，最大检测范围可达120kPa以上；
(4)本发明所述的电容式柔性压力传感器可用于人体实时健康监测以及人体全范围运动监测，且穿戴舒适性良好，此外，其还具有良好的温度和湿度的抗干扰能力。
实施例
以下通过具体实例进一步阐述本发明，这些实施例仅限于说明本发明，而不用于限制本发明范围。
实施例1
将4g热塑性聚氨酯颗粒(MW＝130,000)加入20mL二甲基甲酰胺和四氢呋喃混合溶剂中，其中，二甲基甲酰胺和四氢呋喃的质量比为1:1.3，常温下磁力搅拌12h得到均一稳定的纺丝溶液。
按照图示1搭建共轭静电纺丝装置，将上述所得的热塑性弹性体聚氨酯纺丝溶液通过注射泵3分别通入到共轭纺丝喷头2中，注射泵3分别与正极4和负极5相连，共轭纺丝喷头2位于注射泵3和辊筒接收器1之间，共轭纺丝喷头2包括共轭纺丝正喷头和共轭纺丝负喷头，共轭纺丝正喷头位于正极4一侧，共轭纺丝负喷头位于负极5一侧，正极4和负极5之间的距离为15cm，共轭纺丝喷头2与辊筒接收器1之间的距离为15cm，设置静电纺丝正电压和负电压均为10kV，共轭纺丝正喷头和共轭纺丝负喷头的纺丝角度均为45°，纺丝推速为1.0ml/h，辊筒转速为2000rpm，纺丝时间为30min，得到共轭静电纺丝TPU纯膜。
称取2.3g过硫酸铵粉末加入50mL去离子水中配制溶液A，然后称取1.0g的苯胺和1.2g磺基水杨酸溶解于50mL去离子水中得到溶液B，将1.2g共轭静电纺丝TPU(热塑性弹性体聚氨酯)纯膜浸入B溶液中，将TPU纳米纤维膜在B溶液中浸泡30min后，将溶液A缓慢加入到溶液B中，以保证充分混合。接下来在冰水浴中反应2h，随后将膜从溶液中取出，用去离子水清洗数遍，然后在室温下干燥得到柔性取向导电纳米纤维膜。
将上述得到的取向导电PANI/TPU纳米纤维膜分别用于上、下电极层，中间介电层采用取向TPU纳米纤维膜组成，其中，上下取向导电PANI/TPU纳米纤维膜的厚度为300μm，共轭静电纺丝取向TPU纯膜的厚度为400μm，将三层材料通过超声波焊接的方式进行组装，以此作为一个三明治结构的电容式柔性压力传感器。
实施例2
以与实施例1相似的方式进行电容式柔性压力传感器的制备，区别仅在于：在冰水浴中反应4h。
实施例3
以与实施例1相似的方式进行电容式柔性压力传感器的制备，区别仅在于：在冰水浴中反应6h。
实验例
实验例1扫描电镜测试
对实施例1～3制得的取向导电纳米纤维膜进行扫描电镜测试，形貌测试结果如图2所示。
从图2中可以看出，该取向导电纳米纤维膜中纳米纤维直径均一，纤维直径为500～1500nm，导电物质聚苯胺均匀负载在纳米纤维膜表面，同时可以看出，随着反应时间的延长，纳米纤维膜表面的聚苯胺逐渐增多，且分布均匀。
实验例2力学性能测试
对实施例2制得的取向导电纳米纤维膜及纳米纤维膜采用薄膜拉伸机测量其力学性能，其应力应变曲线如图3所示。
从图3中可以看出纯TPU(热塑性弹性体聚氨酯)和取向导电纳米纤维膜分别在取向方向(轴向)和垂直于取向方向(径向)的力学性能，相较于垂直方向，沿着取向方向的力学测试结果明显优于前者，这归因于通过共轭静电纺丝制备的纳米纤维膜的良好取向以及纤维之间的抱合，大幅提升了取向方向的力学性能。经共轭纺丝取向后拉伸应变可由900％左右提升至1600％附近，拉伸应力可提升4～5倍。
实验例3响应灵敏度及响应时间测试
对实施例1～3制得的电容式柔性压力传感器进行响应灵敏度及响应时间测试，具体测试过程如下：首先打开精密LCR表预热30min；然后将所制备的传感器器件(以取向TPU纳米纤维膜作为介电层)夹于测量模具上，并放置1块盖玻片于器件上，待其稳定后进行读数，记为C0(μF)；用镊子夹取不同的标准砝码放置于载玻片上，待其稳定后读数，记为C(μF)；二者的差值记为ΔC；将测得的数据作图，横坐标为压力P(kPa)，纵坐标为ΔC/C0，分段进行线性拟合，斜率记为灵敏度S，测试结果分别如图4和图5所示。
从图4中可以看出，本发明制得的电容式柔性压力传感器的灵敏度可达1.3～1.8kPa-1，最大检测范围可达120kPa以上。
图5中，可以看出本发明实施例2制得的电容式柔性压力传感器响应时间极短，响应时间为30～120ms，恢复时间为30～120ms。
实验例4水蒸气透过率测试
对实施例2制得的取向TPU纳米纤维纯膜和电容式柔性压力传感器根据美国测试材料协会E96-98方法，测试其水蒸气透过率(WVTR)，水蒸气透过率即在一定的温度、湿度条件下，单位时间内透过单位面积的水蒸气的质量，测试结果如图6所示。
从图6中可以看出，该电容式柔性压力传感器的水蒸气透过率不会随着时间的延长而产生大幅度的变化，水蒸气透过率为500～700(g/m2，24h)。PANI/TPU取向导电纳米纤维膜和取向TPU纳米纤维膜的WVTR比较接近，这说明PANI的加入对取向TPU纳米纤维膜的渗透性影响不大。当以PANI/TPU取向导电纳米纤维膜为上下电极层，以取向TPU纳米纤维膜为中间介电层组装成柔性压力传感器时，测得WVTR为554.69(g/m2，24h)，高于人体皮肤的200～500(g/m2，24h)，说明佩戴这种传感器并不会造成不舒适的感觉。
实验例5实时响应信号测试
对实施例2制得的电容式柔性压力传感器固定在人体上，可实现大范围人体运动时的实时响应信号，测试结果如图7和图8所示。
从图7和图8中可以看出，该电容式柔性压力传感器可对人体中的各种活动进行监测，并发出实时响应信号，对人体从脉搏监测到大幅活动均可进行监测，监测范围广。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电容式柔性压力传感器，其特征在于，该电容式柔性压力传感器包括上、下电极层，以及位于上、下电极层之间的介电层；
所述上、下电极层为取向导电纳米纤维膜，取向导电纳米纤维膜由取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜、苯胺和质子酸制得，介电层为取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜，该取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜由热塑性弹性体聚氨酯溶液经共轭取向静电纺丝得到。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
苯胺与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4，质子酸与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4；
热塑性弹性体聚氨酯溶液的质量浓度为5～20％。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
纺丝电压为5～20kV；纺丝时间为5～60min；
纺丝推速为0.2～5ml/h；辊筒转速1000～5000rpm；
共轭纺丝正喷头的纺丝角度为15°～75°，共轭纺丝负喷头的纺丝角度为15°～75°。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
该电容式柔性压力传感器的灵敏度可达1.3kPa-1以上，最大检测范围可达120kPa以上，压力响应时间为40～120ms，恢复时间为40～120ms，应变可达1400％～1700％，水蒸气透过率为500～700(g/m2，24h)。
5.一种电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤1、热塑性弹性体聚氨酯溶于溶剂中，得到纺丝溶液；
步骤2、纺丝溶液置于静电纺丝装置中进行共轭取向静电纺丝，得到取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜；
步骤3、取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜置于苯胺和质子酸混合溶液中浸泡，然后于引发剂存在下进行反应，得到取向导电纳米纤维膜；
步骤4、取向导电纳米纤维膜和取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜进行组装，得到电容式柔性压力传感器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述静电纺丝装置包括辊筒收集器(1)、共轭纺丝喷头(2)、注射泵(3)、正极(4)和负极(5)；
共轭纺丝喷头(2)包括共轭纺丝正喷头和共轭纺丝负喷头；
共轭纺丝喷头(2)和注射泵(3)分别位于辊筒收集器(1)和正极(4)、负极(5)之间，共轭纺丝喷头(2)位于注射泵(3)和辊筒收集器(1)之间；
正极(4)和负极(5)之间的距离为5～30cm，共轭纺丝喷头(2)与辊筒收集器(1)之间的距离为5～30cm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，
静电纺丝正电压为5～20kV，静电纺丝负电压为5～20kV，；纺丝时间为5～60min；
纺丝推速为0.2～5ml/h；辊筒转速为1000～5000rpm；
共轭纺丝正喷头的纺丝角度为15°～75°，共轭纺丝负喷头的纺丝角度为15°～75°。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，
所述质子酸选自磺基水杨酸、盐酸、硫酸、醋酸、植酸中的一种或几种，
苯胺与质子酸的质量比为1:1～1:4。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，
反应在冰水浴中进行，反应时间为1～15h。
10.一种根据权利要求1至4之一所述的电容式柔性压力传感器或由权利要求5至9之一所述制备方法制得的电容式柔性压力传感器的应用，其可应用于人体监测系统中。
CN202210963654.9A 2022-08-11 2022-08-11 一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法 Pending CN115452205A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210963654.9A CN115452205A (zh) 2022-08-11 2022-08-11 一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210963654.9A CN115452205A (zh) 2022-08-11 2022-08-11 一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115452205A true CN115452205A (zh) 2022-12-09

Family

ID=84298511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210963654.9A Pending CN115452205A (zh) 2022-08-11 2022-08-11 一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115452205A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116463856A (zh) * 2023-04-03 2023-07-21 浙江大学 一种具有优异信号稳定性的导电相自生长压敏材料、传感器及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116463856A (zh) * 2023-04-03 2023-07-21 浙江大学 一种具有优异信号稳定性的导电相自生长压敏材料、传感器及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107192485B (zh) 一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法
Wang et al. Fabrication of high-performance wearable strain sensors by using CNTs-coated electrospun polyurethane nanofibers
CN109115266B (zh) 一种可穿戴多功能柔性传感器及其制备方法
Li et al. Advances in electrospun nanofibers for triboelectric nanogenerators
Tian et al. Electromechanical deformation sensors based on polyurethane/polyaniline electrospinning nanofibrous mats
CN104963089B (zh) 一种柔软透气的电极薄膜材料、触觉传感器及其制备方法
WO2021114321A1 (zh) 一种柔性导电纤维膜材料及其制备方法
CN111118889B (zh) 一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用
CN107574493A (zh) 一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器
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
Wang et al. Superhydrophobic, biocompatible and durable nanofiber composite with an asymmetric structure for anisotropic strain sensing and body motion detection
Guo et al. Stretchable, conductive and porous MXene-based multilevel structured fibers for sensitive strain sensing and gas sensing
CN113670487B (zh) 一种基于仿生多级结构复合柔性压阻传感器及其制备方法
Shi et al. Piezoresistive fibers with record high sensitivity via the synergic optimization of porous microstructure and elastic modulus
Gong et al. Flexible and wearable strain sensor based on electrospun carbon sponge/polydimethylsiloxane composite for human motion detection
Uzabakiriho et al. Stretchable, breathable, and highly sensitive capacitive and self-powered electronic skin based on core–shell nanofibers
CN115452205A (zh) 一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法
Yin et al. Electrospun micro/nanofiber with various structures and functions for wearable physical sensors
Jin et al. A highly sensitive and wide-range pressure sensor based on orientated and strengthened TPU nanofiber membranes fabricated by a conjugated electrospinning technology
Lin et al. Twisted microropes for stretchable devices based on electrospun conducting polymer fibers doped with ionic liquid
Luo et al. Preparation and tensile conductivity of carbon nanotube/polyurethane nanofiber conductive films based on the centrifugal spinning method
Jiang et al. Single flexible nanofibers to achieve simultaneous construction of piezoelectric elements and nanoresistance networks for tiny force sensing
CN104746239A (zh) 一种软相高分子/聚酰亚胺梯度型复合纳米纤维膜及其制备方法
CN112223879A (zh) 一种可自诊断的压电pvdf纤维膜增强复合材料的制备方法
CN112903146B (zh) 一种真皮基柔性压力传感器的制备方法及应用

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