本发明专利技术公开了一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器及制备方法。传感器由压敏层以及上下柔性电极构成。压敏层以碳化聚丙烯腈电纺薄膜得到碳纳米纤维作为导电骨架，通过浸涂法在导电纤维之间填充细菌纤维素纳米材料构成柔性薄膜。相较于石墨烯等纳米碳材料，导电碳骨架保留了电纺工艺独特的3D网络特征，具备更好的应力传递特性，且其电导率随碳化工艺可调。细菌纤维素的填充则提高了薄膜的柔韧性以及恢复性能，其穿插在碳纤维之间，进一步提升薄膜内部可变的导电通路数量。本发明专利技术充分利用了碳纳米纤维骨架的压阻性能优势，制备容易、成本低，所制得的传感器同时具备高灵敏度以及宽检测范围，能实现对人体生理信号的实时监测。实时监测。实时监测。
【技术实现步骤摘要】
基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器及制备
[0001]本专利技术属于能量转换技术、可穿戴电子技术、微电子机械系统(MEMS)、柔性聚合物材料与纳米材料领域，具体涉及一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器及制备方法。
技术介绍
[0002]压力作为日常生活中最常见的物理量之一，对其的探测具有十分重要的应用价值。传统的刚性压力传感器利用金属的电阻应变效应或半导体的压阻效应制成，这类器件具有不可弯曲，无法延展的固有性质，只能应用于对某点或者光滑平面的压力探测，而无法在具备特殊表面形貌的环境中工作。尤其是在生物医疗健康领域，如在对脉搏、血压、呼吸、肢体运动等人体生理信号的检测过程中，这类刚性传感器往往因为无法贴合表面、体积较大、穿戴不适、不易便携等缺点而受到很大程度上的应用限制。
[0003]随着柔性电子技术的日益发展，利用柔性功能材料开发设计的压力传感器能有效弥补传统刚性器件的上述不足。便携式的可穿戴柔性压力传感器通过将压力信号转换为电阻、电容的变化或者利用压电效应、摩擦电效应实现对应力的实时检测。其中通过器件内部导电通路增减引起电阻变化反映受力大小的电阻式压力传感器具备信号收集容易、结构简单、能检测静态压力、温度稳定性好等优点，已经受到了广泛的关注。
[0004]目前，柔性电阻式压力传感器敏感层的设计往往是将纳米导电材料如石墨烯、碳纳米管、银纳米线、MXene等分散在柔性聚合物材料中，形成内部具有可变导电网络的复合材料。在此基础上，海绵、气凝胶等三维多孔结构的应用以及电极表面微结构的增设等方法能有效改善传感器的受力形变情况并增加弹性支撑体的比表面积，从而提高传感器的灵敏度以及测量范围。但此类方法往往成本偏高、制备工艺复杂、且很难实现高灵敏度以及宽检测范围的兼容。
[0005]与柔性电阻式压力传感器常用的导电材料相比，通过将聚合物溶液静电纺丝高温碳化得到的三维自支撑导电碳骨架材料制备工艺简单，生产成本低，且自身具备三维多孔结构。此外，相较于石墨烯等二维材料，纳米纤维之间能有效地进行应力传递，在外力撤去后能快速恢复，是适用于电阻式压力传感器设计的优良候选材料。并且纺丝、碳化以及后续处理工艺的可控性也能使得碳化纳米纤维材料的结构特性可以灵活调整，从而使得传感器在设计过程中同时兼顾灵敏度、检测范围、线性度等关键传感参数。
技术实现思路
[0006]本专利技术给出了一种基于碳化静电纺丝纳米纤维柔性电阻式压力传感器及制备方法。该传感器制备工艺简单，生物适应性好、柔性可穿戴，且具备高灵敏度、宽检测范围，能用于对人体生理信号的实时探测。
[0007]为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：
[0008]一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器，包括压敏薄膜、分别贴合
在压敏薄膜上下表面的两片柔性电极；压敏薄膜以聚合物静电纺丝薄膜碳化得到的碳纳米纤维结构作为导电骨架，通过浸涂的方式将纤维状一维纳米材料填充在碳纳米纤维之间构成复合柔性薄膜；在保证电极与敏感薄膜稳定接触后将整个器件进行封装固定，且上下柔性电极各留出一侧粘接引线，用于外接工作电压以及输出信号的测量。
[0009]作为优选方式，为保证聚合物纤维在后续热处理过程中不出现熔融现象以致纤维结构塌陷，聚合物静电纺丝薄膜纳米纤维在碳化前进行预氧化处理，预氧化处理在230～280℃空气气氛下进行，使聚合物纤维内部线性长分子链结构发生环化、交联，形成具有热稳定性的梯形大分子结构。
[0010]作为优选方式，预氧化处理后，使聚合物静电纺丝薄膜纳米纤维在700～900℃氮气气氛下高温碳化，脱去非碳原子，得到碳网络导电骨架，为增强薄膜力学性能，将其与纤维状一维纳米材料通过浸涂法复合，实现聚合物材料穿插在导电纳米碳纤维之间构成的稳定导电网络，同时进一步提高薄膜可变的导电通路数量。
[0011]作为优选方式，静电纺丝得到的纳米纤维薄膜，其三维网络结构在受压后内部纤维之间接触情况改变显著，适用于高灵敏度压阻传感器的设计。不同于其他以纺丝薄膜为模板，掺杂导电材料的方法，本专利技术通过高温碳化静电纺丝薄膜工艺直接制备具备良好导电性能且能保持纺丝纤维结构的纳米碳纤维材料，并以此为骨架制备柔性压阻传感器。这种以导电碳骨架为主体的结构能实现更有效的应力传递，同时具有很好的导电均匀性以及导电相分散性。
[0012]作为优选方式，复合柔性薄膜包括导电的碳纳米纤维以及不导电的纤维状一维纳米材料，通过调节加入的纤维状一维纳米材料的量来调节器件工作性能。加入绝缘相的量将会直接影响器件工作性能，一方面，若加入纤维状一维纳米材料的量太少，则无法起到支撑保护、提高灵敏度的作用；另一方面，若加入过量纤维状一维纳米材料，则将导致绝缘相占据碳纤维之间的导电接触位点，受压后导电路径仍然被阻隔。
[0013]作为优选方式，在传感器受到外加压力后，复合柔性薄膜内部发生形变，碳纳米纤维之间的接触位点增多、复合柔性薄膜表面与柔性电极之间的有效导电通路也随之增加，从而导致器件的电阻显著减小；当压力撤去后，由于碳纳米纤维自身的机械性能以及纤维状一维纳米材料的弹性，器件迅速恢复，电阻值还原。
[0014]作为优选方式，器件柔性电极为在柔性衬底层上蒸镀或印刷的金属平面电极，其材料为铝、铜、银或金。并且/或者柔性衬底层选自聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酯乙二醇酯材料其中一种。
[0015]作为优选方式，聚合物静电纺丝薄膜静电纺丝的原材料选自聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、木质素材料中的一种或者两种以上材料所组成的复合材料。要求所选聚合物材料具备良好成丝性以及热稳定性，在后续高温处理过程中避免可能导致纺丝结构塌陷的热熔融现象。
[0016]作为优选方式，纤维状一维纳米材料选自细菌纤维素、丝素蛋白、纳米纤维晶其中一种。这些具有大长径比特性的纤维状材料能有效穿插在纳米碳纤维之间，形成稳定的复合薄膜，有利于应力的传导。
[0017]作为优选方式，整个器件封装方法选用聚氨酯胶带、聚酰亚胺胶带、聚乙烯胶带其中一种进行密封固定。
[0018]本专利技术还提供一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0019](1)裁剪长宽为2～3cm、厚度为100～300um的柔性衬底层薄膜，经过超纯水、无水乙醇超声清洗后并干燥；
[0020](2)将导电银浆通过丝网印刷技术在柔性衬底层薄膜上印刷一层长方形银电极，干燥后在电极一侧用银浆粘接引线，作为上下柔性电极；
[0021](3)称取1～1.2g的聚丙烯腈粉末，溶解于8.8～9g的N,N
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二甲基甲酰胺溶液中，35～50℃水浴条件下磁力搅拌8～12h，配置出质量分数为10～12wt％的纺丝前驱液；
[0022](4)将纺丝前驱液装入注射器中，设置静电纺丝电压18～20kV，针尖收集器距离12～15cm，推进泵推速8～12uL/min，环境温度为40～50℃，通过铝箔接收纺丝纤维，纺丝2～4h得到宏观表现为白色本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器，其特征在于：包括压敏薄膜、分别贴合在压敏薄膜上下表面的两片柔性电极；压敏薄膜以聚合物静电纺丝薄膜碳化得到的碳纳米纤维结构作为导电骨架，通过浸涂的方式将纤维状一维纳米材料填充在碳纳米纤维之间构成复合柔性薄膜；在保证电极与敏感薄膜稳定接触后将整个器件进行封装固定，且上下柔性电极各留出一侧粘接引线，用于外接工作电压以及输出信号的测量。2.根据权利要求1所述的一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器，其特征在于：聚合物静电纺丝薄膜纳米纤维在碳化前进行预氧化处理，预氧化处理在230～280℃空气气氛下进行，使聚合物纤维内部线性长分子链结构发生环化、交联，形成具有热稳定性的梯形大分子结构，聚合物纤维在后续热处理过程中不出现熔融现象。3.根据权利要求2所述的一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器，其特征在于：预氧化处理后，使聚合物静电纺丝薄膜纳米纤维在700～900℃氮气气氛下高温碳化，脱去非碳原子，得到碳网络导电骨架，然后将其与纤维状一维纳米材料通过浸涂法复合，实现聚合物材料穿插在导电纳米碳纤维之间构成的稳定导电网络，同时进一步提高薄膜可变的导电通路数量。4.根据权利要求1所述的一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器，其特征在于：复合柔性薄膜包括导电的碳纳米纤维以及不导电的纤维状一维纳米材料，通过调节加入的纤维状一维纳米材料的量来调节器件工作性能。5.根据权利要求1所述的一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器，其特征在于：在传感器受到外加压力后，复合柔性薄膜内部发生形变，碳纳米纤维之间的接触位点增多、复合柔性薄膜表面与柔性电极之间的有效导电通路也随之增加，从而导致器件的电阻显著减小；当压力撤去后，由于碳纳米纤维自身的机械性能以及纤维状一维纳米材料的弹性，器件迅速恢复，电阻值还原。6.根据权利要求1所述的一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器，其特征在于：器件柔性电极为在柔性衬底层上蒸镀或印刷的金属平面电极，其材料为铝、铜、银或金；并且/或者柔性衬底层选自聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酯乙二醇酯材料其中一种。7.根据权利要求1所述的一种基于碳化静电纺丝纤维的柔性电阻式压力传感器，其特征在于：...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏元捷，娄永胜，谢光忠，陈春旭，潘虹，刘佳，太惠玲，黎威志，杜晓松，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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