一种自驱动交互式光电传感纱线及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种自驱动交互式光电传感纱线及其制备方法和应用。该光电传感纱线包括可拉伸光学皮层和螺旋式电学芯层，所述可拉伸光学皮层为热塑弹性体

【技术实现步骤摘要】
一种自驱动交互式光电传感纱线及其制备和应用


[0001]本专利技术属于柔性传感器及其制备和应用领域，特别涉及一种自驱动交互式光电传感纱线及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]人类对机械刺激的认知行为通常是视觉和触觉的结合，这种双峰结合的感知模式赋予我们比机器更好的触感和沉浸感。在当前的人机交互领域，通常追求力学传感器在电子(数字化)可读接口的优化。这种传感模式单一且肉眼无法读取，难以建立有效的人机对话，而基于肉眼可读的用户界面却很少被探索[Science Robotics,2019,4(32):eaax2198]。更具挑战性的是，这种双峰感知的交互机制需要一个合适的可穿戴载体，它要求载体必须具有柔性，可拉伸性，耐久性，舒适性和低功耗。电子皮肤是具有柔性甚至可拉伸性的二维薄膜，被广泛用于人机界面。但是，当前的电子皮肤不透气，并且不允许同时进行大尺度的双曲率弯曲和面内剪切[Advanced Materials,2019,32(5):1901958]。相比之下，纤维编织的智能服装具有出色的舒适性，能适应人体各种不规则的三维变形，从而提供具有高电子精度的身临其境的互动式体验[Advanced Materials,2020,32(5):1901971.1
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1901971.25]。因此，智能服装作为理想的可穿戴集成平台，已成为新的关注焦点。
[0003]纤维/纺织电子是具有感知、传输功能的纤维模块，是构建双峰交互式智能服装的理想工具。但是，智能服装的开发仍然面临一些关键问题。在基本原理上，纤维电子器件中多种传感方式的融合往由于不同传感机制之间的差异和不兼容的限制。大多数双模设备是多种传感机制的简单叠加，更无法实现协同作用[IEEE Sensors Journal,2017,17(17):5678
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5686]。在材料和设备设计上，双峰融合模式的多材料体系对一维纤维电器件的材料和结构设计提出了额外的严格要求。目前还没有适用于双峰电子器件的通用材料体系或结构。在工业生产上，由于精细结构和复杂材料体系的限制，能连续制造和编织双峰纤维电子器件目前仍然不成熟。现有的厘米级和手工制作的纤维电子产品在智能服装行业中的几乎没有推广的可能性[Science,2017,357(6353):773
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778]。目前为止，可连续化制备的自驱动交互式光电传感纱线是目前迫切需要而尚未被开发研究热点。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种自驱动交互式光电传感纱线及其制备方法和应用，以克服现有技术中纤维传感器件中传感模式单一，电学功耗高，肉眼无法读取，可扩展性不足，应用单一的缺陷。
[0005]本专利技术提供一种自驱动交互式光电传感纱线，所述光电传感纱线包括可拉伸光学皮层和螺旋式电学芯层，所述可拉伸光学皮层包覆于螺旋式电学芯层表面，所述可拉伸光学皮层为热塑弹性体
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力致发光粒子复合材料，所述螺旋式电学芯层包括导电纤维芯和包缠导电纤维芯表面的介电纤维。
[0006]所述热塑弹性体包括聚苯乙烯
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丁二烯嵌段聚合物SEBS、尼龙弹性体PEBAX、聚氨
酯弹性体TPU、聚酯弹性体TPEE中的一种或几种。不同热塑弹性体材料由于分子链结构的差异，在外力作用下其应力的传递和耗散能力不同，其原理为：由于热塑弹性体高分子材料为共嵌段聚合物，分子链中包含柔性链段和刚性链段两种，其中柔性链段在拉伸过程中由于分子链滑移、摩擦而发生能量耗散而放热；刚性链段拉伸过程中起到应力传递作用，能有效将外界应力通过分子链传递至力致发光粒子表面。不同热塑弹性体
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力致发光皮层复合材料的应力耗散和应力传递可用应力
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应变曲线测定(图3中a)，其能量损耗因子如图3c，不同复合材料的发光强度如图3中b。
[0007]所述力致发光粒子包括ZnS:Cu
2+
、ZnS:Mn
2+
、SrAl2O4:Eu
2+
、CaZnOS:Mn
2+
中的一种或几种。
[0008]所述导电纤维包括Ni
‑
Cu导电纤维、不锈钢金属纱线、导电银纱线、记忆合金纤维、碳纤维中的一种或几种。
[0009]所述介电纤维材料包括聚偏二氟乙烯三氟乙烯共聚物P(VDF
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TrFE)、聚苯乙烯PS、聚乳酸PLA、聚酰胺6PA6、聚氨酯PU中的一种或几种。介电纳米纤维材料需与皮层复合材料间摩擦极性相互配合，皮芯材料之间摩擦电信号越高，电学传感的灵敏度和信噪比越高，如图4测试的摩擦电压(图4中a)和摩擦电荷信号(图4中b)。
[0010]本专利技术还提供一种自驱动交互式光电传感纱线的制备方法，包括：
[0011](1)采用改进共轭纺丝，两极喷丝口分别装有正、负高压，纺丝液在静电力牵伸作用下成为介电纳米纤维，并通过缠绕混加捻至导电纤维芯表面(如图1中a所示)，得到电学芯层；
[0012](2)将热塑弹性体聚合物和力致发光粒子按质量比1:0.2～1:1.2进行物理预混、双螺杆熔融混合和挤出造粒(如图1中b所示)；
[0013](3)采用改进熔融纺丝(如图1中c所示)，将步骤(2)得到的力致发光粒子
‑
热塑弹性体复合造粒料和步骤(1)中电学芯层分别通过改进融入纺丝的两个口模，调控造粒料(皮层材料)的进料速度V1，电学芯层的进料速度V2和引取速度V3，使可拉伸光学皮层和电学芯层在中空喷丝板处共同挤出，经过水冷、牵伸(图1中d和e)和应力调节步骤(图1f)，使电学芯层形成内置螺旋结构，从而得到自驱动交互式光电传感纱线。
[0014]所述步骤(1)中纺丝正、负高压范围在+8～+12kV，
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8～
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12kV区间；缠绕棍速度为100～300rad/min。
[0015]所述步骤(2)物理预混为：球磨转速为200～400rad/min；球磨时间为10～20min。
[0016]所述步骤(2)双螺杆熔融混合和挤出造粒为：将物理预混料置于双螺杆挤出机中，控制进料速度为30～50rad/min；双螺杆转速为18～30rad/min；双螺杆的三区温度分别为120～140℃；160～180℃和200～220℃；将挤出的力致发光粒子
‑
热塑弹性体复合线材进行切粒，如图1中b。
[0017]所述步骤(3)改进熔融纺丝中：力致发光粒子
‑
热塑弹性体复合造粒料进料温度为200～240℃，进料速度V1为30～50rad/min；电学芯层的进料速度V2为40～60rad/min；引取速度V3为50～70rad/min；应力区域：包括两个定滑轮和四个动滑轮组以及重物，重物施加应力大小为10～50N。纱线在动滑轮组缠绕的圈数(1～2圈)用于平均纱线受到的应力，纱线依次通过定滑轮(应力存储)、动滑轮组(应力平均)和定滑轮(应力释放)，如图1中f所示。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自驱动交互式光电传感纱线，其特征在于，所述光电传感纱线包括可拉伸光学皮层和螺旋式电学芯层，所述可拉伸光学皮层包覆于螺旋式电学芯层表面，所述可拉伸光学皮层为热塑弹性体
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力致发光粒子复合材料，所述螺旋式电学芯层包括导电纤维芯和包缠导电纤维芯表面的介电纤维。2.根据权利要求1所述的光电传感纱线，其特征在于，所述热塑弹性体包括聚苯乙烯
‑
丁二烯嵌段聚合物SEBS、尼龙弹性体PEBAX、聚氨酯弹性体TPU、聚酯弹性体TPEE中的一种或几种；力致发光粒子包括ZnS:Cu
2+
、ZnS:Mn
2+
、SrAl2O4:Eu
2+
、CaZnOS:Mn
2+
中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的光电传感纱线，其特征在于，所述导电纤维包括Ni
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Cu导电纤维、不锈钢金属纱线、导电银纱线、记忆合金纤维、碳纤维中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的光电传感纱线，其特征在于，所述介电纤维材料包括聚偏二氟乙烯三氟乙烯共聚物P(VDF
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TrFE)、聚苯乙烯PS、聚乳酸PLA、聚酰胺6PA6、聚氨酯PU中的一种或几种。5.一种自驱动交互式光电传感纱线的制备方法，包括：(1)采用改进共轭纺丝，两极喷丝口分别装有正、负高压，纺丝液在静电力牵伸作用下成为介电纳米纤维，并通过缠绕混加捻至导电纤维芯表面，得到电学芯层；(2)将热塑弹性体聚合物和力致发光粒子按质量比1:0.2～1:1.2进行物理预混、双螺杆熔融混合和挤出造粒；(3)采用改进熔融纺丝，将步骤(2)得到的力致发光粒子
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热塑弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青红，杨伟峰，侯成义，李耀刚，王宏志，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：