一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器及其制备方法，基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器包括芯层弹性纱线、中间层导电材料和外层封装材料；所述芯层弹性纱线为双线螺纹纱，所述中间层导电材料包括应变敏感层和固定在应变敏感层两端的电极；所述双线螺纹纱包括支撑芯纱和双线螺纹结构，双线螺纹结构是在支撑芯纱表面形成的两条螺旋形的连续凸起结构；其制备方法为：S1：制备双线螺纹纱；S2：制备双线螺纹导电纱；S3：在双线螺纹导电纱两端形成两个电极；S4：制备基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器。本发明专利技术的制备方法简单易行，制得的基于双线螺纹导电纱的柔性传感器具有大应变工作范围，且线性度优异，滞后性低，灵敏度好。敏度好。敏度好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于柔性可穿戴应变传感器
，涉及一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着对人体运动和生理信息实时检测的需求增长，具有微型化和智能化的柔性可穿戴电子设备引起了人们极大关注。其中，柔性应变传感器是可穿戴电子设备的重要组成部分之一。然而，传统的半导体或金属传感器由于其刚性特性，可拉伸性差，无法满足人体的大应变运动检测。相比较传统的应变传感器，基于纱线基的柔性应变传感器因其柔性好、可拉伸性高、制造成本低、易于集成等优势在智能可穿戴领域表现出巨大优势。
[0003]目前，制备线性应变传感器的方法主要有两种，一是将导电填料与弹性聚合物混合通过湿法纺丝或者熔融纺丝制备导电纤维。这种方法所得导电纤维的应变传感机制是基于导电填料在弹性聚合物中渗流，电阻随着纤维的几何形状和内部电导率变化而变化。导电填料的增加会增强弹性基体的刚性，从而降低了纤维的可拉伸性和弹性回复率，恶化滞后性。其次，由于依赖于渗流网络的机械稳定性，线性度难以调整。另一种方法是通过将导电材料负载在弹性纤维或者弹性纱线的表面上。这种方法所得到所得导电纤维/纱线的传感机制主要是基于导电材料与弹性基材的机械性能不匹配，在拉伸过程中导电材料产生微裂纹从而改变电阻。虽然采用涂覆法能使应变传感器具有良好的机械性能和可拉伸性，但是因为导电层本身缺乏灵活性，在大应变下会快速形成大的纵向裂纹导致导电通路断开，从而限制了器件的有效感应范围。
[0004]就纱线结构设计而言，文献1(Highly stretchable and strain sensitive fibers based on braid
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like structure and sliver nanowires[J].Appl Mater Today,2020,19(5):100610.)选用编织纱为弹性基材，银纳米线为导电相，通过多次浸渍制备出在较大的传感范围内具有较高的灵敏度的纱线传感器，但是，纱线传感器在应变30％循环拉伸下表现出明显的滞后性，一个周期后电阻增加了23.6％。这是因为纱线微观结构恢复不足，微裂纹在释放后不能完全合并，存在较高的滞后性，限制了其在可穿戴传感器中的应用。另外，文献2(A stretchable and highly sensitive graphene
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based fiber for sensing tensile strain,bending,and torsion[J].Adv Mater,2015,27(45):7365
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71.)开发了一种类似压缩弹簧结构的石墨烯基复合纱线。这种双包缠复合纱线多次拉伸循环后性能稳定，具有较宽应变范围，但是其灵敏度较低且线性度差，在超过100％应变后相对电阻变化不明显。
[0005]综上所述，上述纱线基柔性应变传感器易因纤维间的滑移带来滞后性高、重复性差的问题，且通过包缠或编织结构调控传感性能难以兼顾良好的灵敏度和宽线性应变范围。因此有必要克服纤维间滑移对现有纱线传感器性能的限制，开发一种新型的宽线性应变范围、低滞后性和良好重复稳定性的纱线应变传感器，以满足实际精准传感应用的需要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器及其制备方法。本专利技术的柔性应变传感器的双线螺纹通过热压低熔点热熔丝使其粘合在氨纶丝表面，并形成双线螺纹形态，构成低熔点热熔丝和氨纶两种异质材料一体化的双线螺纹纱。低熔点热熔丝经热熔粘接在氨纶芯丝表面而融为一体，克服了现有纱线基应变传感器因在应变过程中纤维间的滑移带来滞后性高和重复性差的问题。相对于拉伸应变均匀分布的纯氨纶丝，这种双线螺纹纱在拉伸过程中能诱导氨纶表面应变再分布。其中，因为在拉伸过程中，双线螺纹逐渐伸直，螺圈直径变小，而氨纶纵向伸长且径向收缩。由于两者变化泊松比不同，双线螺纹在伸长过程中限制了氨纶的拉伸性，使得拉伸过程中双线螺纹之间的氨纶表面区域受到挤压且拉伸受限，从而产生的应变较小，从而双螺纹线之间的氨纶表面区域产生较小的应变，而氨纶其他均匀光滑区域产生较大的应变，且这种应变分布效应可以通过修改双线螺纹结构参数来实现调控。另外，在轴向应变作用下，螺纹线逐渐伸直，呈现的应变较其他区域最小。这种节律式应变分布使得纱线应变传感器在拉伸过程中产生多尺度裂纹，从而既能保持良好的灵敏度，又能实现宽的线性应变范围，进而能更好地应用于实时监测人体运动状况。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，包括芯层弹性纱线、中间层导电材料和外层封装材料；
[0009]所述芯层弹性纱线为双线螺纹纱，所述中间层导电材料包括应变敏感层(即导电层)和固定在应变敏感层两端的电极；
[0010]所述双线螺纹纱包括支撑芯纱和双线螺纹结构，支撑芯纱的材质为弹性纤维，双线螺纹结构的材质为熔点在110℃以下的低熔点热熔丝，双线螺纹结构是在支撑芯纱表面形成的两条螺旋形的连续凸起结构；
[0011]所述应变敏感层为碳基导电材料；
[0012]外层封装材料包覆于双线螺纹导电纱的外周，但并不改变其双线螺纹结构特征。
[0013]作为优选的技术方案：
[0014]如上所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，所述基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器在100％应变内的线性度不低于0.970，灵敏度不低于11.34，滞后率不高于13.3％；
[0015]所述基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器在50％应变下经过2000次循环拉伸后的线性度不低于0.964，灵敏度不低于9.86，滞后率不高于6.3％，具有良好的重复性。
[0016]如上所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，所述双线螺纹纱中一个导程的长度为2～4mm(导程指的是一条螺旋线形成的螺纹上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离)，螺距(螺距指的是相邻两牙在中径线上对应两点间的最小轴向距离)与导程比值为0.4，双线螺纹纱的横截面对应的直径为0.56～0.80mm(这里指的直径参考图1所示)。
[0017]如上所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，所述电极为铜线，所述应变敏感层与所述电极通过导电胶连接。
[0018]如上所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，所述弹性纤维为氨纶
丝，所述低熔点热熔丝的熔点为85～110℃；所述外层封装材料为双组分液体硅橡胶材料，优选为Ecoflex 00
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10～00
‑
50系列。
[0019]如上所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，所述碳基导电材料为碳纳米管、炭黑和石墨烯的一种以上。
[0020]本专利技术还提供一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，其特征在于：包括芯层弹性纱线、中间层导电材料和外层封装材料；所述芯层弹性纱线为双线螺纹纱，所述中间层导电材料包括应变敏感层和固定在应变敏感层两端的电极；所述双线螺纹纱包括支撑芯纱和双线螺纹结构，支撑芯纱的材质为弹性纤维，双线螺纹结构的材质为熔点在110℃以下的低熔点热熔丝，双线螺纹结构是在支撑芯纱表面形成的两条螺旋形的连续凸起结构；所述应变敏感层为碳基导电材料。2.根据权利要求1所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，其特征在于，所述基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器在100％应变内的线性度不低于0.970，灵敏度不低于11.34，滞后率不高于13.3％；所述基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器在50％应变下经过2000次循环拉伸后的线性度不低于0.964，灵敏度不低于9.86，滞后率不高于6.3％。3.根据权利要求1所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，其特征在于，所述双线螺纹纱中一个导程的长度为2～4mm，螺距与导程比值为0.4。4.根据权利要求1所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，其特征在于，所述电极为铜线，所述应变敏感层与所述电极通过导电胶连接。5.根据权利要求4所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，其特征在于，所述弹性纤维为氨纶丝，所述低熔点热熔丝的熔点为85～110℃；所述外层封装材料为双组分液体硅橡胶材料。6.根据权利要求5所述的一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器，其特征在于，所述碳基导电材料为碳纳米管、炭黑和石墨烯的一种以上。7.一种基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：S1：通过包缠机将熔点为85～110℃的低熔点热熔丝缠绕在弹性纤维表面，再经过平板热压机热压低熔点热熔丝，得到双线螺纹纱；所述双线螺纹纱的双线螺纹结构，是指在所述弹性纤维表面，由所述低熔点热熔丝形成的两条螺旋形的连续凸起结构；S2：采用层层组装法，将碳基导电材料涂覆在双线螺纹纱表面，得到双线螺纹导电纱；S3：通过导电胶将铜丝固定在双线螺纹导电纱两端，形成两个电极；S4：采用封装材料对形成有电极的双线螺纹导电纱进行封装，得到基于双线螺纹导电纱的柔性应变传感器。8.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡吉永，黄菲，孟粉叶，晏雄，杨旭东，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：