外层卷绕法构建皮芯结构的自供电弹性传感纤维及其性能优化方法技术

本发明专利技术公开了一种外层卷绕法构建皮芯结构的自供电弹性传感纤维，所述自供电弹性传感纤维包括外层鞘壳和内芯。外层鞘壳包括弹性膜层和导电层，弹性膜层与内芯相接触的内表面具有微纳凸起阵列结构，弹性膜的另一面涂覆有导电层。将导电剂充分黏附于高分子物料上形成可拉伸电极层，再涂覆硅胶预聚体，形成弹性内芯。弹性膜层的微纳凸起阵列结构有助于在压力作用下增大外层鞘壳与内芯间的搭接面积，进而增大产电电压及电流，弹性膜层中含有功能导电材料还原氧化石墨烯，也有助于提高产电效率。利用超弹、高柔的内芯、含有功能导电材料与微纳凸起阵列结构的弹性膜层之间的协同作用，制备得到不需要外接电源的纤维状弹性自供电传感器，用以实现对人体关节运动及生命体征的监测。测。

【技术实现步骤摘要】
外层卷绕法构建皮芯结构的自供电弹性传感纤维及其性能优化方法


[0001]本专利技术属于纤维纺丝生产制备
，具体属于可穿戴智能材料领域，特别涉及一种外层卷绕法构建皮芯结构的自供电弹性传感纤维或传感器。

技术介绍

[0002]可穿戴智能传感材料在人体感应、人工智能、医用仿生等领域具有巨大的应用潜力，为人类的运动监测、健康检测等方面提供了无限可能，因此得到了国内外学术界的广泛关注。其中，智能可穿戴织物具有轻质低模量、高柔高弹性、结构多元多维化、成本低廉、高亲肤性等特点，相较于智能手环、智能眼镜、智能皮肤等传感设备，在智能可穿戴领域具有独特的优势。
[0003]然而，现如今的大多数智能传感材料都需要通过外接电源进行供电，以满足持续工作，一方面不利于节约能源，另一方面会大大影响设备在实际应用中的便携性、舒适性和长期使用性。此外，为了满足穿戴在人体上的应用需求，理想的自供电可穿戴织物需要具备足够的延展性，以适应或模拟人体大幅度的变形及移动。因此，制备具有良好自供电能力的弹性纺织品，是现如今智能可穿戴传感器的重要发展方向之一，具有重要的研究意义。
[0004]为满足去除外接电源的应用需求，研究者们将基于摩擦电效应制备的纳米发电机应用于自供电传感织物的设计与制备中。而自供电纤维由于其独特的柔韧性与可编织性，成为自供电可穿戴传感器的重要研发方向之一。通过选用不同材料构造内表面纤维及外层皮层，开发出若干种具有皮芯结构的摩擦自供电传感纤维。
[0005]受限于所选用的材料，现如今制备得到的皮芯结构摩擦自供电纤维多不具备拉伸回弹性，与人体贴合性不理想，而国内外关于具有皮芯双层结构的高弹性自供电智能纤维方面的研究还鲜有报道。此外，研究发现，提高摩擦比表面积有利于制备高功率摩擦供电智能纤维，从而提高传感器的感应敏感程度。
[0006]现有技术中，提高摩擦比表面积的方法主要包括：通过在纤维中空管中修饰纳米线/棒的手段来提高摩擦比表面积，制备高功率摩擦供电智能纤维。这种方法的不足之处在于成型方法复杂，不利于规模化生产，而且修饰上去的纳米线/棒与基体间界面结合力弱，会导致器件耐磨性差，从而影响器件的稳定性。或者通过软印刷法，即通过模板构建高聚物表面微纳结构，由于使用的是固定形状的模板，所以过程稳定、操作简单、成本低廉、便于批量生产，且可以通过选用合适的原材料获得界面结合良好的复合片层。然而这种方法多适用于片状材料的表面修饰，无法进行纤维内外表面的直接修饰。
[0007]鉴于上述原因，亟需研究一种制备方法简单、结构简单、超弹、灵敏度高的自供电弹性传感纤维。

技术实现思路

[0008]为了克服上述问题，本专利技术人对现有的可穿戴传感器进行了锐意研究，研究出一
种外层卷绕法构建皮芯结构的自供电弹性传感纤维，所述自供电弹性传感纤维包括外层鞘壳和内芯，外层鞘壳包括弹性膜层和导电层，其中，弹性膜层与内芯相接触的内表面具有微纳凸起阵列结构，弹性膜的另一面涂覆有导电层。将导电剂充分黏附于高分子物料上形成可拉伸电极层，再涂覆硅胶预聚体，形成弹性内芯。弹性膜层的微纳凸起阵列结构，有助于在压力作用下增大外层鞘壳与内芯相互之间的搭接面积，进而增大产电电压及电流，弹性膜层中含有功能导电材料还原氧化石墨烯，有助于提高产电效率，使自供电弹性传感纤维的电压及电流响应更灵敏；本专利技术利用超弹、高柔的内芯，及含有功能导电材料与微纳凸起阵列结构弹性膜层之间的协同作用，实现对人体关节运动及生命体征进行监测，从而完成了本专利技术。
[0009]具体来说，本专利技术的目的在于提供以下方面：
[0010]第一方面，提供一种皮芯结构的自供电弹性传感纤维，所述自供电弹性传感纤维包括外层鞘壳和其中包覆的内芯。
[0011]第二方面，提供一种外层卷绕法构建皮芯结构的自供电弹性传感纤维的制备方法，所述方法包括：
[0012]步骤1，制备内芯；
[0013]步骤2，制备外层鞘壳；
[0014]步骤3，将步骤2制得的外层鞘壳卷绕包覆步骤1制得的内芯形成自供电弹性传感纤维。
[0015]第三方面，提供一种根据第一方面所述的自供电弹性传感纤维或第二方面所述的方法制得的自供电弹性传感纤维在智能穿戴方面的应用。
[0016]本专利技术所具有的有益效果包括：
[0017](1)本专利技术提供的皮芯结构的自供电弹性传感纤维，外层鞘壳的内表面具有微纳凸起阵列结构，有助于在压力作用下，增大其与内芯之间的搭接面积，进而增大产电电压与电流，实现对信号的精确捕捉和对不同动作状态的准确辨析。
[0018](2)本专利技术提供的皮芯结构的自供电弹性传感纤维，运用膜层预聚体由液态向固态的固化过程将氧化石墨烯固定，再还原成还原氧化石墨烯，使其均匀分散于膜层预聚体中，有助于提高自供电弹性传感纤维的产电效率，并使其在外力的作用下产生弹性形变不发生断裂。
[0019](3)本专利技术提供的皮芯结构的自供电弹性传感纤维，具有拉伸回弹性，利用超弹、高柔的内芯及含有功能导电材料与微纳凸起阵列结构的弹性膜层之间的协同作用，实现对人体关节运动及生命体征的监测，对于感知心脏跳动、脉博和眨眼等人体局部微小形变具有高的灵敏度。
[0020](4)本专利技术提供的皮芯结构的自供电弹性传感纤维的制备方法简单，成本低廉、便于批量生产，其中微纳凸起阵列结构的弹性膜层不会影响自供电弹性传感纤维的稳定性。
附图说明
[0021]图1示出本专利技术实施例1制得的表面具有微纳凸起阵列结构的rGO/PDMS弹性膜层照片；
[0022]图2示出本专利技术实验例1自供电弹性传感纤维的电压及电流响应测试图；
[0023]图3示出本专利技术实验例2自供电弹性传感纤维的电压及电流响应测试图；
[0024]图4示出本专利技术实验例3自供电弹性传感纤维在不同拉伸形变下的电压响应测试图；
[0025]图5
‑
(a)示出本专利技术实验例4自供电弹性传感纤维对人体腕关节弯曲响应测试图；
[0026]图5
‑
(b)示出本专利技术实验例4自供电弹性传感纤维对人体说话时声带振动的监测信号响应测试图；
[0027]图6示出本专利技术实验例5自供电弹性传感纤维循环使用的电压响应测试图。
具体实施方式
[0028]下面通过附图和实施例对本专利技术进一步详细说明。通过这些说明，本专利技术的特点和优点将变得更为清楚明确。
[0029]在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0030]本专利技术的第一方面，其目的在于提供一种外层卷绕法构建皮芯结构的自供电弹性传感纤维，所述自供电弹性传感纤维包括外层鞘壳和其中包覆的内芯。
[0031]在本专利技术中，所述内芯通过将高分子物料浸渍于导电剂分散液中形成可拉伸电极层，并在可拉伸电极层表面涂覆内芯预聚体制得。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种皮芯结构的自供电弹性传感纤维，其特征在于，所述自供电弹性传感纤维包括外层鞘壳和其中包覆的内芯。2.根据权利要求1所述的自供电弹性传感纤维，其特征在于，所述外层鞘壳为层结构，包括弹性膜层和导电层，所述内芯、弹性膜与导电层的重量比为(0.1～1.6):(1～10):(0.01～0.1)3.根据权利要求2所述的自供电弹性传感纤维，其特征在于，所述自供电弹性传感纤维能监测2000kPa以下范围内的压强，甚至可以监测1kPa以下的压强；超过3000次循环保持稳定，优选地，其循环次数大于4000次，例如5000次。4.根据权利要求2或3所述的自供电弹性传感纤维，其特征在于，弹性膜层与内芯相接触的内表面具有微纳凸起阵列结构，弹性膜的另一面涂覆有导电层。5.根据权利要求4所述的自供电弹性传感纤维，其特征在于，所述微纳凸起阵列结构中，凸起结构为柱体或锥体，凸起结构的高度为0.5～10μm。6.根据权利要求4所述的自供电弹性传感纤维，其特征在于，所述弹性膜层通过预先制备具有微纳凸起阵列结构的模板，并在模板上...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴汉光，付琨，苏志强，
申请(专利权)人：北京服装学院，
类型：发明
国别省市：