用于应变传感器的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于应变传感器的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷纤维及其制备方法。通过将CNTs嵌入PDMS基底中而形成复合弹性导电纤维。具体是将PDMS前体溶液和固化剂混合后在其中加入CNTs形成半固体，略微干燥固化后通过筛网挤出，将形成的纤维状半固体烘干为固体即得复合弹性导电纤维。本发明专利技术制备工艺简单，反应条件温和，成本低，稳定性好，有利于批量生产。所制备的复合弹性导电纤维中，PDMS具有良好的弹性，嵌入的CNTs起电子传导的作用，该复合弹性导电纤维可制成应变传感器，在生理信号检测传感器的研发和人体健康监测领域得到应用。

Carbon nanotubes/polydimethylsiloxane fibers for strain sensors and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
用于应变传感器的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷纤维及其制备方法
本专利技术属于复合材料合成与应用领域，涉及一种用于应变传感器的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(CNTs/PDMS)纤维的制备。
技术介绍
柔性可穿戴设备因具有可穿戴性、舒适性、远程操作、及时反馈等特点，改变了传统的医疗诊断模式，推动了可穿戴式人体运动和健康监测系统的发展。该系统可用于生物体征的连续、无创、实时、舒适监测，为疾病诊断、预防保健和康复护理提供重要的临床相关信息。以弹性体复合材料为基础，可以采用不同的导电填充材料制备可拉伸应变传感器。导电弹性复合材料在拉伸过程中，弹性体聚合物填充剂的渗透网络被拉长甚至断开，导致复合电阻增加，填充剂加入量降低到渗透阈值，可以增加应变传感器的灵敏度。基于此，选择良好的导电填充材料是制备柔性应变传感器的关键。碳材料(包括CNTs、石墨烯和炭黑等)具有导电性好、固有结构柔韧性好、重量轻、化学和热稳定性高、易于化学功能化、可大规模生产等优点，是柔性、可穿戴电子产品的理想候选材料。而纤维状的材料相对于其他形状(如平面、立体)有利于拉伸、快速响应和恢复，同时可以节省原料。但目前，利用碳材料尚未能够快速、大批量制备出拉伸应变范围以及拉伸应变与电阻响应关系满足可穿戴应变传感器应用的纤维材料产品。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于应变传感器的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷纤维及其制备方法。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种CNTs/PDMS弹性导电纤维(简称CNTs/PDMS纤维)，该弹性导电纤维包括PDMS纤维基体以及分散在该纤维基体内的导电物质CNTs，所述弹性导电纤维中C的质量分数为30％～50％，O的质量分数为19％～25％，Si的质量分数为30％～45％。优选的，所述弹性导电纤维的直径为100～450μm。优选的，所述弹性导电纤维的拉伸应变范围为0～400％。上述CNTs/PDMS弹性导电纤维的制备方法，包括以下步骤：1)将PDMS前体与固化剂混合均匀，得料液；2)将CNTs与所述料液混合均匀，得粘稠状物料；混合中，CNTs的用量为料液质量的0.1～0.2倍；3)将所述粘稠状物料经过预固化处理后透过筛网挤出成型，得到纤维状半固体，或者，将所述粘稠状物料直接透过筛网挤出成型，得到纤维状半固体；4)将纤维状半固体进行固化处理，得到CNTs/PDMS弹性导电纤维。优选的，所述步骤1)中，PDMS前体:固化剂的质量比为10:1～25:1，以保证固化后形成的PDMS具有适宜的硬度和弹性。优选的，所述步骤3)中，预固化处理采用对粘稠状物料进行干燥实现，干燥时间根据粘稠状物料的粘度确定，避免纤维在挤出成型时相互粘连。优选的，所述预固化处理具体包括以下步骤：将粘稠状物料于20～30℃下静置0.5～24小时；或者将粘稠状物料置于50～70℃烘箱中烘干≤1小时。优选的，所述筛网的孔径为100～500μm。优选的，所述步骤4)中，固化处理的条件为将纤维状半固体置于50～70℃烘箱中烘干0.5～5小时，所述烘箱的温度进一步优选为60～65℃。本专利技术的有益效果体现在：本专利技术通过使用挤压法制备了一种固态CNTs/PDMS纤维复合材料，该方法操作简单，反应条件温和，制备成本低，有利于批量生产。所制得的CNTs/PDMS纤维具有良好的弹性、导电性和均一性，其电阻值与拉伸长度存在线性关系，可制成应变传感器并在运动传感器的研发和人体健康监测领域广泛的应用。进一步的，若CNTs/PDMS纤维的直径过大则限制其柔性和拉伸性能，直径过小则因太细而易断。进一步的，若CNTs的用量比例过高则不能成型为纤维，过低则不能导电。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的CNTs/PDMS纤维的形貌直观图。图2为本专利技术实施例1制备的CNTs/PDMS纤维的扫描电镜图。图3为本专利技术实施例1制备的CNTs/PDMS纤维的能谱图。图4为本专利技术实施例1制备的CNTs/PDMS纤维在不断拉伸直至断裂情况下的应力-应变关系曲线图。图5为本专利技术实施例1制备的CNTs/PDMS纤维在不同拉伸比例下对应的电阻变化率(△R/R0)表征图；其中R0为无拉伸下纤维的电阻值，△R为纤维被拉伸不同长度对应的实时电阻变化量(即相对于R0的变化量)。图6为本专利技术实施例4制备的CNTs/PDMS纤维在循环拉伸不同长度(25％、50％、75％、100％、125％、150％)时的应力-应变关系曲线图。图7为本专利技术实施例4制备的CNTs/PDMS纤维在循环拉伸不同长度时电阻变化率(△R/R0)表征图；其中，R0为无拉伸下纤维的电阻值，△R为纤维伸长量(拉伸长度)分别为无拉伸下纤维长度的25％、50％、75％、100％、125％、150％时纤维的电阻值变化(即相对于R0的变化量)。图8为由图7得出的不同循环拉伸长度和电阻变化率的线性关系拟合图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。实施例11)用天平称量1g的PDMS前体、0.1g的PDMS固化剂和0.2g的CNTs。2)将称量的PDMS前体与PDMS固化剂于室温混合震荡5分钟并放入培养皿，将称量的CNTs边搅拌边加入所述培养皿中，直到所述培养皿中的溶液变成粘稠的黑色半固体。3)将注射器前端预先用小刀切断并磨平，保留前后直径相同的圆柱体区域，即得到无头注射器，将粘稠的黑色半固体装进配有活塞的无头注射器的圆柱体内并压实。4)推动活塞杆，将无头注射器内的混合物透过120μm孔径的筛网并挤出，将挤出的纤维状半固体放入60℃烘箱中固化1小时，制成固态的CNTs/PDMS弹性导电纤维(简称CNTs/PDMS纤维，图1)。所制备的CNTs/PDMS纤维长度可调节，平均直径为100μm(图2)，在纤维的微观结构中可见CNTs嵌入到PDMS基底中(图2)，该纤维含C(49.07％)、O(19.79％)及Si(31.14％)三种元素(图3)，其中C来自CNTs和PDMS，O和Si来自于PDMS。经断裂拉伸实验可知(图4)，所制备的CNTs/PDMS纤维具有较好的弹性，拉伸长度达到340％，断裂强度为16.71MPa，杨氏模量为7.64MPa，说明具有较强的韧性。CNTs/PDMS纤维导电性能检测：1)取所制成的长度2cm的弹性导电纤维，并作为一个变值电阻串联在含有一个定值电阻的电路中，在拉伸该弹性导电纤维的过程中，用示波器检测其两端的电压，并换算出电阻值，然后计算其在拉伸状态下的电阻值变化情况；2)通过测量和计算不同拉伸长度对应的电阻值绘制拉伸长度与电阻变化率的关系图，并拟合二者的关系(图5)。实施例21)用天平称量1g的PDMS前体、0.1g的PDMS固化剂和0.175g的CNTs。2)将称量的PDMS前体与PDMS固化剂于室温混合震荡5分钟并放入培养皿，将称量的CNTs边搅拌边加入所述培养皿中，直到所述培养皿中的溶液变成粘稠的黑色半固体。3)将注射器前端预先用小刀切断并磨平，保留前后直径相同的圆柱体区域，即得到无头注射器，将粘稠的黑色半固体装进配有活塞的无头注射器的圆柱体内并压实，将装有半固体的注射器放入60℃烘箱中预固化10分钟。4)取出无头注射器，推动活塞杆，将无头注射器内的混合物透过120μm孔径的筛网并挤出，将挤出的纤维状半固体放入6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CNTs/PDMS弹性导电纤维，其特征在于：该弹性导电纤维包括PDMS纤维基体以及分散在该纤维基体内的CNTs，所述弹性导电纤维中C的质量分数为30％～50％，O的质量分数为19％～25％，Si的质量分数为30％～45％。

【技术特征摘要】
1.一种CNTs/PDMS弹性导电纤维，其特征在于：该弹性导电纤维包括PDMS纤维基体以及分散在该纤维基体内的CNTs，所述弹性导电纤维中C的质量分数为30％～50％，O的质量分数为19％～25％，Si的质量分数为30％～45％。2.根据权利要求1所述一种CNTs/PDMS弹性导电纤维，其特征在于：所述弹性导电纤维的直径为100～450μm。3.根据权利要求1所述一种CNTs/PDMS弹性导电纤维，其特征在于：所述弹性导电纤维的拉伸应变范围为0～400％。4.一种CNTs/PDMS弹性导电纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将PDMS前体与固化剂混合均匀，得料液；2)将CNTs与所述料液混合均匀，得粘稠状物料；混合中，CNTs的用量为料液质量的0.1～0.2倍；3)将所述粘稠状物料经过预固化处理后透过筛网挤出成型，得到纤维状半固体，或者，将所述粘稠状物料直接透过筛网挤出成型，得到纤维状半固体；4)将...

【专利技术属性】
技术研发人员：李菲，李迎春，徐峰，方天舒，郭晓锦，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61