一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法，以静电纺掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜作为柔性基体，通过原位聚合的方法在掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维表面原位聚合导电聚合物聚噻吩，制备得到具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜，通过在纳米纤维膜表面复合带有导电铜丝的凝胶膜制备得到柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，可用于压力、拉伸和弯曲等多重机械刺激环境的检测，并显示了超高的灵敏度和较宽的传感范围。在人体监测系统中，不仅能够实时监测脉搏、心跳、肌肉群震动等人体健康生理指标，而且能够探测人体的全范围运动包括面部表情、大小关节的运动。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法
本专利技术属于柔性传感器制备
，具体涉及一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法，应用于人体健康和全范围运动的监测，具体涉及可穿戴电子皮肤领域。
技术介绍
柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性、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，因此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。普通传感器其硬脆的性质使电子器件难以进行弯曲或延展，一旦有较大变形将导致电子器件损坏，因此，测量范围也受到较大影响。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和理想化要求逐步提高。因此，与柔性压力传感器本身相关的研究旨在通过采取不同的手段提升器件在灵敏度，量程，重复性，一致性等方面的性能指标。碳纳米管、石墨烯、高分子膜、高分子电解质和有机聚合物等更多性能优越的材料将被逐渐应用于已经成熟的柔性传感器，其延展性和其他性能将会有较大程度的提高。利用这些新材料制作的柔性传感器将能适应更复杂的不平整表面，扩大了传感器的应用范围。但是，目前对于传感器的研究大多还停留在对单一机械刺激的响应，而对于构建能够同时实现对拉力、压力、弯曲的监测与响应的传感器仍然是个挑战。因此提出一种简单且低能耗的方法制备能够具有高灵敏度并能探测动静态压力、拉伸和弯曲的电子皮肤柔性传感器系统很有必要。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法，有望作为一种新型的人造电子皮肤服务于未来机器人、义肢使用者和可穿戴设备。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，该多功能纳米纤维传感器是以静电纺技术制备的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜作为柔性基体，通过原位聚合的方法在掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜表面原位聚合聚噻吩，制备得到掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜，其中构成掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的纳米纤维具有皮芯结构，然后在具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的表面复合带有导电铜丝的凝胶膜从而制备得到一种可以传感压力、拉伸和弯曲的柔性可拉伸多功能纳米纤维传感器。所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器的长度为5-10mm，宽度≥5-10mm，厚度≥0.01mm。所述的具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维的皮层由导电高分子聚噻吩颗粒组成，皮层厚度为50-200nm，所述的具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维的芯层为掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维，芯层纳米纤维的直径为100-500nm，所述掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的厚度为80-200μm。所述的凝胶膜为聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，厚度0.01-5mm；所述的导电铜丝的直径为0.1-5mm。所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器的制备方法，其特征在于步骤如下：（1）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1:1-0.1配置得到混合溶剂，将氧化石墨烯粉末加入混合溶剂中，常温下超声分散3-8h得到均匀的氧化石墨烯溶液，然后加入聚氨酯颗粒，常温下磁力搅拌5-15h得到掺杂氧化石墨烯的聚氨酯溶液；（2）将步骤（1）中所得的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯溶液作为纺丝溶液，转移至注射器中进行静电纺丝，采用滚筒作为接收装置，得到掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜；（3）将步骤（2）所得的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜放入低温等离子体处理仪中处理后得到等离子体改性的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜；（4）将三氯化铁粉末加入无水乙醇中搅拌均匀得到浓度为50mmol/L-100mmol/L的三氯化铁溶液，将步骤（3）所得的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜浸渍于三氯化铁溶液中3-20min，取出置于烘箱中干燥后得到表面均匀附有三氯化铁的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜；（5）将步骤（4）所得的表面均匀附有三氯化铁的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜悬挂于浓度为30-100mmol/L二氧噻吩的三氯甲烷溶液中，在20-40℃条件下进行聚合反应10-30h，然后取出并用无水乙醇冲洗后放入20-70℃真空烘箱中干燥0.5-2h，得到具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩复合导电纳米纤维膜；（6）将两根铜导线用导电银膏固定在步骤（5）所得的具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩复合导电纳米纤维膜的两端形成传感器的两个电极，然后将液态聚二甲基硅氧烷（前聚物：固化剂=10:1，购于美国道康宁公司）涂布在具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩复合导电纳米纤维膜的上下表面，涂布完成后置于真空干燥箱中在30-90℃的条件下固化30min-180min，得到基于掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩复合导电纳米纤维的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器。所述步骤（1）中氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的质量浓度为0.1-1%，所述聚氨酯的分子量为50000-200000，所述聚氨酯溶液中聚氨酯的质量浓度为5-20%。所述步骤（2）中静电纺丝时纺丝液流量为0.5-2.0mL/h，纺丝电压为15-25kV，滚筒与针尖之间的距离为15-40cm。所述步骤（3）中将聚氨酯纳米纤维膜放入低温等离子体处理仪的下电极中央，氧气为工作气体，系统压强保持10-100Pa，放电功率为10-60W，处理时间为30-200s。所述步骤（4）中的干燥是在20-80℃的烘箱中干燥3-10min。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术利用简单的静电纺丝法和液相沉积聚合技术，整个制作过程简便易操作，原理可靠，工艺简单，成本低廉，产率高，能耗低，对环境友好。（2）本专利技术通过掺杂氧化石墨烯可以显著降低聚氨酯纳米纤维的细度，同时提高了聚噻吩在纳米纤维膜表面的沉积聚合率。本专利技术所制备的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器具有对压力、拉伸和弯曲多力敏感的性能，三维多孔的纳米纤维支架的弹性结构和连续高效的导电网络可以为压力传感提供更多的接触点，并具有较大的变形空间和可逆能力，从而实现灵敏度高、响应速度快、电导率高、可承受应变范围广、稳定性好的传感性能。（3）本专利技术所制备的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器可用于人体健康监测以及人体全范围运动的探测。在人体监测系统中，不仅能够实时监测脉搏、心跳、肌肉群震动等人体健康生理指标，而且能够探测人体的全范围运动包括面部表情、大小关节的运动。附图说明图1为多功能纳米纤维传感器结构示意图，1PDMS弹性膜、2纳米纤维膜、3铜导线。图2纳米纤维膜及单根纤维的SEM图片。图3单根纳米纤维的TEM图片。图4实施例1中不同压力下多功能纳米纤维传感器的灵敏度。图5实施例1中不同拉伸应变下多功能纳米纤维传感器的灵敏度。具体实施方式下面结合具体实施例，对本专利技术做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限制本专利技术的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述专利技术的内容作出一些非本质的改进和调整。实施例1本实施例的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器的制备方法如下：（1）将二甲基甲酰胺和四本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，其特征在于：该多功能纳米纤维传感器是以静电纺技术制备的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜作为柔性基体，通过原位聚合的方法在掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜表面原位聚合聚噻吩，制备得到掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜，其中构成掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的纳米纤维具有皮芯结构，然后在具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的表面复合带有导电铜丝的凝胶膜从而制备得到一种可以传感压力、拉伸和弯曲的柔性可拉伸多功能纳米纤维传感器。

【技术特征摘要】
1.一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，其特征在于：该多功能纳米纤维传感器是以静电纺技术制备的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜作为柔性基体，通过原位聚合的方法在掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜表面原位聚合聚噻吩，制备得到掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜，其中构成掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的纳米纤维具有皮芯结构，然后在具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的表面复合带有导电铜丝的凝胶膜从而制备得到一种可以传感压力、拉伸和弯曲的柔性可拉伸多功能纳米纤维传感器。2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，其特征在于：所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器的长度为5-10mm，宽度≥5-10mm，厚度≥0.01mm。3.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，其特征在于：所述的具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维的皮层由导电高分子聚噻吩颗粒组成，皮层厚度为50-200nm，所述的具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维的芯层为掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维，芯层纳米纤维的直径为100-500nm，所述的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的厚度为80-200μm。4.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，其特征在于：所述的凝胶膜为聚二甲基硅氧烷膜，厚度0.01-5mm；所述的导电铜丝的直径为0.1-5mm。5.根据权利要求1~4任一所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器的制备方法，其特征在于步骤如下：（1）将二甲基甲酰胺和四氢呋喃按照质量比1:1-0.1配置得到混合溶剂，将氧化石墨烯粉末加入混合溶剂中，常温下超声分散3-8h得到均匀的氧化石墨烯溶液，然后加入聚氨酯颗粒，常温下磁力搅拌5-15h得到掺杂氧化石墨烯的聚氨酯溶液；（2）将步骤（1）中所得的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯溶液作为纺丝溶液，转移至注射器中进行静电纺丝，采用滚筒作为接收装置，得到掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜；（3）将步骤（2）所得的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜放入低温等离子体处理仪中处理后得到等离子体改性的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建新，王利丹，邵伟力，齐琨，周玉嫚，佑晓露，南楠，孙显强，胡宝继，卢凯，崔世忠，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：河南,41