一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，该电容式柔性压力传感器包括上、下电极层，以及位于上、下电极层之间的取向纳米纤维膜，所述上、下电极层为取向导电纳米纤维膜，该取向导电纳米纤维膜由纳米纤维膜掺杂导电物质和质子酸得到，该电容式柔性压力传感器检测范围宽，可实现从微弱压力的脉搏监测到较大压力的肢体运动监测，可覆盖人体运动的全范围监测，同时还具有灵敏度高、响应速度快、伸长率和断裂伸长率高、透湿透气性好等优点，可应用于可穿戴柔性压力传感器，此外，该电容式柔性压力传感器制备方法简单、能耗低，佩戴舒适，应用前景良好。应用前景良好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性传感器制备的可穿戴电子皮肤领域，具体涉及一种基于共轭取向静电纺丝技术的导电柔性压力传感器及其制备方法，应用于人体运动全范围的实时监测。

技术介绍

[0002]随着可穿戴设备的发展，用于检测人体运动的可穿戴传感系统引起了学术界和工业界的广泛关注，其中，低成本、超低功耗、对温度变化的耐受性、高灵敏度和低滞后性的电容式柔性压力传感器成为研究热点之一。
[0003]虽然目前电容式柔性压力传感器的研究已经取得了较大进展，但对于其实际应用仍然存在一些问题，亟待解决。例如，在微结构设计方面，常用的微结构构造方法，如光刻法、蚀刻法、3D打印和天然模具成形等技术或多或少存在成本高、工艺复杂、工业化困难，组织均匀性和可调性差等问题。而且，当在较大压力下使用时，柔性电容式压力传感器的灵敏度会下降。因此，如何同时提高传感器的灵敏度和工作范围是推进电容式柔性压力传感器在某些领域应用的关键问题。
[0004]除此之外，现存的柔性电容式压力传感器还面临佩戴舒适性较差的问题。由于在传感器的制备过程中选择的基体材料大都是不透气的材料，附着在人体上时人体皮肤无法呼吸，这牺牲了穿戴的舒适性。因此，需要研发一种高灵敏度、检测范围宽、透气的电容式柔性压力传感器。
[0005]纳米纤维膜不但具有质量轻、比表面积大、良好的柔韧性和丰富的微观结构等优点，而且具有超高的孔隙率，甚至超过90％，因而在研究中受到了越来越多的青睐。

技术实现思路
r/>[0006]基于上述技术背景，本专利技术人进行了锐意进取，结果发现：取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜浸泡于苯胺和质子酸得到的溶液中，然后添加引发剂进行反应，制得取向导电纳米纤维膜，该取向导电纳米纤维膜置于纳米纤维膜的上层和下层，得到电容式柔性压力传感器，该电容式柔性压力传感器具有较高的伸长率和断裂强度，力学性能优异，同时具备超高的灵敏度、响应速度快、检测范围宽等优点，其可实现从微弱压力的脉搏监测到较大压力的肢体运动监测，可实现人体运动的全范围监测，此外，该电容式柔性压力传感器还具有制备方法简单、能耗低等优点，从而完成本专利技术。
[0007]本专利技术第一方面在于提供一种电容式柔性压力传感器，该电容式柔性压力传感器包括上、下电极层，以及位于上、下电极层之间的介电层；
[0008]所述上、下电极层为取向导电纳米纤维膜，该取向导电纳米纤维膜由取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜、苯胺和质子酸制得，介电层为取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜，该取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜由热塑性弹性体聚氨酯溶液经共轭取向静电纺丝得到。
[0009]本专利技术第二方面在于提供一种本专利技术第一方面所述电容式柔性压力传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0010]步骤1、热塑性弹性体聚氨酯溶于溶剂中，得到纺丝溶液；
[0011]步骤2、纺丝溶液置于静电纺丝装置中进行共轭取向静电纺丝，得到取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜；
[0012]步骤3、取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜置于苯胺和质子酸混合溶液中浸泡，然后于引发剂存在下进行反应，得到取向导电纳米纤维膜；
[0013]步骤4、取向导电纳米纤维膜和取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜进行组装，得到电容式柔性压力传感器。
[0014]本专利技术第三方面在于提供一种根据本专利技术第一方面所述电容式柔性压力传感器或由本专利技术第二方面所述制备方法制得的电容式柔性压力传感器的应用，其可应用于人体监测系统中。
附图说明
[0015]图1示出本专利技术采用的共轭静电纺丝装置示意图；
[0016]图2示出实施例1～3制得取向导电纳米纤维膜的SEM照片；
[0017]图3示出实施例2制得导电纳米纤维膜、纳米纤维膜以及电容式柔性压力传感器的应力
‑
应变曲线图；
[0018]图4示出实施例1～3制得柔性压力传感器的灵敏度曲线图；
[0019]图5示出实施例2制得柔性压力传感器的响应时间曲线图；
[0020]图6示出实施例2制得取向纳米纤维膜和柔性压力传感器的透气性柱状图；
[0021]图7示出实施例2制得柔性压力传感器的人体大幅度动作识别曲线图；
[0022]图8示出实施例2制得柔性压力传感器的人体小幅度动作识别曲线图。
[0023]附图标号说明
[0024]1‑
辊筒收集器；
[0025]2‑
共轭纺丝喷头；
[0026]3‑
注射泵；
[0027]4‑
正极；
[0028]5‑
负极。
具体实施方式
[0029]下面将对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0030]本专利技术第一方面在于提供一种电容式柔性压力传感器，该电容式柔性压力传感器包括上、下电极层，以及位于上、下电极层之间的介电层。
[0031]所述上、下电极层为取向导电纳米纤维膜，该取向导电纳米纤维膜由取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜、苯胺和质子酸制得，介电层为取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜，该取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜由热塑性弹性体聚氨酯溶液经共轭取向静电纺丝得到。
[0032]本专利技术所述共轭取向静电纺丝是指经正极纺丝得到的带有正电荷的取向排列纤维与经负极纺丝得到的带有负电荷的取向排列纤维沉积在辊筒收集器上以形成取向纤维膜。
[0033]取向导电纳米纤维膜中，苯胺与热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4，优选为1:1～1:3，更优选为1:1～1:2。
[0034]所述质子酸选自磺基水杨酸、盐酸、硫酸、醋酸、植酸中的一种或几种，优选选自磺基水杨酸、盐酸、硫酸、植酸中的一种或几种，更优选为磺基水杨酸。
[0035]经试验发现，采用上述质子酸制得的取向导电纳米纤维膜导电性良好，以该取向导电纳米纤维膜作为上、下导电层得到的柔性压力传感器具有超高的灵敏度，响应时间极短，且检测范围宽、稳定性好。
[0036]在该取向导电纳米纤维膜中，质子酸与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4，优选为1:1～1:2，更优选为1:1～1:1.5。
[0037]质子酸的添加量会影响制得压力传感器的响应性，质子酸的添加量太多或太低，都会降低压力传感器的响应性，质子酸与纳米纤维膜的质量比为上述范围时，得到的压力传感器灵敏度较高、响应速度快、检测范围宽。
[0038]热塑性弹性体聚氨酯溶液的质量浓度为5～30％，优选为10～25％。
[0039]静电纺丝正电压为5～20kV，优选为7～15kV，更优选为9～12kV。
[0040]静电纺丝负电压为5～20kV，优选为7～15kV，更优选为9～12kV。
[0041]共轭纺丝正喷头的纺丝角度为15
°
～75
°
，优选为15
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电容式柔性压力传感器，其特征在于，该电容式柔性压力传感器包括上、下电极层，以及位于上、下电极层之间的介电层；所述上、下电极层为取向导电纳米纤维膜，取向导电纳米纤维膜由取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜、苯胺和质子酸制得，介电层为取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜，该取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜由热塑性弹性体聚氨酯溶液经共轭取向静电纺丝得到。2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，苯胺与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4，质子酸与取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜的质量比为1:1～1:4；热塑性弹性体聚氨酯溶液的质量浓度为5～20％。3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，纺丝电压为5～20kV；纺丝时间为5～60min；纺丝推速为0.2～5ml/h；辊筒转速1000～5000rpm；共轭纺丝正喷头的纺丝角度为15
°
～75
°
，共轭纺丝负喷头的纺丝角度为15
°
～75
°
。4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该电容式柔性压力传感器的灵敏度可达1.3kPa
‑1以上，最大检测范围可达120kPa以上，压力响应时间为40～120ms，恢复时间为40～120ms，应变可达1400％～1700％，水蒸气透过率为500～700(g/m2，24h)。5.一种电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：步骤1、热塑性弹性体聚氨酯溶于溶剂中，得到纺丝溶液；步骤2、纺丝溶液置于静电纺丝装置中进行共轭取向静电纺丝，得到取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤维膜；步骤3、取向热塑性弹性体聚氨酯纳米纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪滨，金旭，张秀芹，徐治君，邝旻翾，崔萌，陈彦锟，谷潇夏，
申请(专利权)人：北京服装学院，
类型：发明
国别省市：