一種柔性可穿戴應(yīng)變傳感器及其制備方法【專利摘要】本發(fā)明涉及到應(yīng)變傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器及其制備方法。本發(fā)明提供一種柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，其特征在于，柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器包括上絕緣層，導(dǎo)電層和下絕緣層，導(dǎo)電層位于上絕緣層和下絕緣層的中間；所述上絕緣層和下絕緣層由具有柔性可穿戴特性的高分子材料制成；所述導(dǎo)電層為具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜。本發(fā)明的應(yīng)變傳感器具有原料成本低、產(chǎn)品性能優(yōu)良、工藝操作簡單、應(yīng)變測試范圍廣(適用于大應(yīng)變下的響應(yīng))和靈敏度高等優(yōu)點?！緦＠f明】一種柔性可穿戴應(yīng)變傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明涉及到應(yīng)變傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器及其制備方法。【
背景技術(shù)：
】[0002]導(dǎo)電高分子復(fù)合材料(CPCs)由導(dǎo)電填料與高分子基體復(fù)合制備而成。CPCs在應(yīng)力、溫度、氣體、液體等外場的刺激下，常表現(xiàn)出豐富的響應(yīng)行為，這種獨特的性質(zhì)使CPCs可用作為理想的敏感器件。應(yīng)變傳感器通過應(yīng)力場刺激帶來的復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)改變，實現(xiàn)CPC電阻、電導(dǎo)率和電容的變化?；趹?yīng)力場改變而弓I起復(fù)合材料電阻變化的應(yīng)變傳感器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于身體健康檢測、運動檢測與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方面。目前，隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對于可穿戴設(shè)備的需求日益增長，柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器應(yīng)運而生。[0003]傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器一般利用剛性材料制備，具有較差的伸展性和不可穿戴的特點。2008年，Pham等(PhamGT1ParkYB,LiangZ,etal.Processingandmodelingofconductivethermoplastic/carbonnanotubefilmsforstrainsensing.CompositesPartBEngineering,2008,39(1):209-216)制備出聚二甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/多壁碳納米管(MWCNT)復(fù)合材料，該材料在低于I%的應(yīng)變下具有可逆的應(yīng)變響應(yīng)，缺點是PMMA柔性不佳，因此基于此復(fù)合材料的應(yīng)變傳感器伸展性也較差。2013年，Zhang等(ZhangR,DengHjValencaRjetal.Strainsensingbehav1urofelastomericcompositefilmscontainingcarbonnanotubesundercyclicloading.CompositesScience&Technology，2013，74(4):1-5)制備了熱塑性聚氨酯(TPU)/多壁碳納米管復(fù)合材料，這種復(fù)合材料在5%的應(yīng)變下具有良好的應(yīng)變響應(yīng)性，但在較大的應(yīng)變下出現(xiàn)肩峰，材料不具備應(yīng)變傳感器的實用特征。2016年，Amjadi等(AmjadiM1KyungK,ParkI,etal.Stretchable,Skin-Mountable,andWearableStrainSensorsandTheirPotentialApplicat1ns:AReview.AdvancedFunct1nalMaterials,2016,26(11):1678-1698)綜述了柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的研究進(jìn)展，該材料在未來智能機器人、醫(yī)療器械、健康監(jiān)測等領(lǐng)域均具有重大的潛在應(yīng)用價值。而制備具有大應(yīng)變、高靈敏度的應(yīng)變傳感器無疑具有十分重要的科學(xué)和應(yīng)用價值?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0004]針對上述缺陷，本發(fā)明提供一種柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，該應(yīng)變傳感器適用于大應(yīng)變，并且靈敏度高。[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:[0006]本發(fā)明要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，包括上絕緣層，導(dǎo)電層和下絕緣層，導(dǎo)電層位于上絕緣層和下絕緣層的中間；所述上絕緣層和下絕緣層由具有柔性可穿戴特性的高分子材料制成;所述導(dǎo)電層為具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜。[0007]優(yōu)選的，絕緣層中所述具有柔性可穿戴特性的高分子材料選自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、熱塑性彈性體(TPE)、天然橡膠或合成橡膠中的一種;更優(yōu)選為聚二甲基硅氧烷。[0008]優(yōu)選的，所述高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜由下述方法制得:將導(dǎo)電填料與去離子水混合制得質(zhì)量濃度在0.01?5%的導(dǎo)電填料分散液，然后將高分子纖維膜置于分散液中超聲處理I?lOOmin，使得導(dǎo)電填料均勻附著在高分子纖維膜上，即將導(dǎo)電填料修飾到高分子纖維膜表面，然后在空氣中晾干;從而制得具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜。[0009]更優(yōu)選的，所述高分子纖維膜為通過靜電紡絲制備的電紡纖維膜。[0010]優(yōu)選的，導(dǎo)電層中所述高分子纖維選自苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)纖維、熱塑性聚氨酯(TPU)纖維、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)纖維、聚偏二氟乙烯(PVDF)纖維、聚己內(nèi)酯(PCL)纖維、膠原蛋白纖維或蠶絲蛋白纖維中的至少一種。[0011]優(yōu)選的，所述導(dǎo)電層中導(dǎo)電填料選自石墨烯納米片、碳納米管、碳纖維、金屬納米線或炭黑中的至少一種。[0012]優(yōu)選的，所述的上絕緣層和下絕緣層為聚二甲基硅氧烷;所述高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜為石墨烯納米片修飾到熱塑性聚氨酯纖維膜表面形成的熱塑性聚氨酯纖維/石墨稀納米片復(fù)合膜。[0013]進(jìn)一步，所述柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器還包括導(dǎo)電固定單元和導(dǎo)線，所述導(dǎo)電層兩端各連接有一導(dǎo)線，所述導(dǎo)線與測量儀器相連，導(dǎo)線通過導(dǎo)線固定單元固定于導(dǎo)電層上。[0014]進(jìn)一步，所述導(dǎo)線固定單元為銀膠、雙組份環(huán)氧膠或無機材料導(dǎo)電膠中的至少一種。[0015]本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是提供上述柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器的制備方法，包括如下步驟:[0016]I)在基板上涂覆具有柔性可穿戴特性的彈性高分子材料混合液，然后將其干燥至仍具有良好粘性的程度形成絕緣層；[0017]2)將具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜置于步驟I)的絕緣層上形成導(dǎo)電層，然后通過導(dǎo)線固定單元在導(dǎo)電層的兩端引入導(dǎo)線；[0018]3)再在步驟2)的導(dǎo)電層上涂覆具有柔性可穿戴特性的彈性高分子材料混合液，然后充分干燥即可。[0019]優(yōu)選的，步驟I)中，干燥的條件為:于50?150°C下干燥I?60min。[0020]優(yōu)選的，步驟2)中，具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜由下述方法制得:將導(dǎo)電填料與去離子水混合制得質(zhì)量濃度在0.0I?5%的導(dǎo)電填料分散液，然后將高分子纖維膜置于分散液中超聲處理I?lOOmin，使得導(dǎo)電填料均勻附著在高分子纖維膜上，即將導(dǎo)電填料修飾到高分子纖維膜表面，然后在空氣中晾干;從而制得具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜。[°021]優(yōu)選的，步驟I)和步驟3)中，所述絕緣層的厚度為10?400μηι。[0022]優(yōu)選的，步驟3)中，干燥的條件為:于50?150°C下干燥5?120min。[0023]本發(fā)明的有益之處在于:[0024]本發(fā)明的應(yīng)變傳感器是將導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)植入到柔性的聚合物基底內(nèi)制備得的柔性可穿戴設(shè)備。其具有原料成本低、產(chǎn)品性能優(yōu)良、工藝操作簡單、應(yīng)變測試范圍廣(適用于大應(yīng)變下的響應(yīng))和靈敏度高等優(yōu)點。此外，它能夠固定在手指關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等處用于應(yīng)變檢測，在健康監(jiān)測和運動檢測等領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。【附圖說明】:[0025]圖1為本發(fā)明柔性可穿戴應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)的立體圖，包括絕緣層1、導(dǎo)電層2、絕緣層5、導(dǎo)線3和導(dǎo)線固定單元4;所述的絕緣層I為上絕緣層，絕緣層5為下絕緣層;所述的導(dǎo)電層2是置于中間；導(dǎo)電層2兩端通過導(dǎo)線固定單元4與導(dǎo)線3連接，導(dǎo)線3連接外界測量裝置，導(dǎo)線固定單元4是銀膠。[0026]圖2為本發(fā)明的應(yīng)變傳感器在5%應(yīng)變下200次循環(huán)的時間-電阻曲線。[0027]圖3為本發(fā)明的應(yīng)變傳感器在200%應(yīng)變下200次循環(huán)的時間-電阻曲線。[0028]圖4為本發(fā)明的應(yīng)變傳感器在1%、2%、3%、4%和5%應(yīng)變下各5個循環(huán)的時間-電阻曲線。[0029]圖5為本發(fā)明的應(yīng)變傳感器在50%、100%、150%和200%應(yīng)變下各5個循環(huán)的時間-電阻曲線?！揪唧w實施方式】[0030]本發(fā)明提供一種應(yīng)變傳感器的制備方法，一種具體的實施方式為:在基板上旋涂上厚度為10?400μπι的PDMS，將其置于50?150°C的烘箱中I?60min，后將導(dǎo)電填料修飾過的電紡纖維膜置于其上，然后通過導(dǎo)線固定單元引入導(dǎo)線，最后在上邊旋涂上一層厚度為10?400yn^^PDMS，置于50?150°C的烘箱中，使其完全固化即可；其中，導(dǎo)電填料修飾到電紡纖維膜上的方法是:將導(dǎo)電填料與去離子水混合制得質(zhì)量濃度在0.01?5%的導(dǎo)電填料分散液，然后將電紡纖維膜置于分散液中超聲處理I?lOOmin，然后將其置于空氣中晾干。[0031]本發(fā)明中以電紡的熱塑性聚氨酯纖維膜作為導(dǎo)電層的基底，導(dǎo)電填料均勻分散在纖維膜上預(yù)制成具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電層；由于采用具有柔性可穿戴特性的高分子材料作為基底，能夠極大程度上展現(xiàn)出其良好的伸展性能，當(dāng)對應(yīng)變傳感器進(jìn)行循環(huán)拉伸測試時，在拉伸的過程中，隨著拉伸應(yīng)變的增大，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)逐漸破壞，電阻將會變大;在回復(fù)的過程中，隨著應(yīng)變的減小，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)逐漸恢復(fù)，電阻將會變小；同樣正是由于彈性基體的存在，使得該應(yīng)變傳感器能夠在極大應(yīng)變范圍內(nèi)具有響應(yīng)性。此外，本發(fā)明應(yīng)變傳感器具有三層結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于:首先材料本身性質(zhì)穩(wěn)定，可以保護(hù)導(dǎo)電填料修飾的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不脫落、不被破壞和腐蝕;其次材料在循環(huán)拉伸過程中回復(fù)性好，不會產(chǎn)生大的殘余電阻。[0032]實施例1應(yīng)變傳感器的制備[0033]制備的方法，具體步驟如下:[0034]將TPU和石墨烯納米片置于80°C的烘箱里干燥8h，除掉其中的水分；[0035](I)靜電紡絲:將5.8g經(jīng)干燥的TPU加入到1ml的N，N-二甲基甲酰胺和IOml的四氫呋喃的混合溶劑中，常溫下機械攪拌2.5h，使之充分溶解，制備成均勻的TPU紡絲溶液；[0036]TPU紡絲溶液經(jīng)靜電紡絲形成TPU電紡纖維:靜電紡絲參數(shù):噴絲口與收集裝置之間的距離為15cm，紡絲電壓為21KV，滾筒轉(zhuǎn)速為1200r/min，收集裝置為包裹有鋁箔的旋轉(zhuǎn)滾筒，當(dāng)高壓所產(chǎn)生的電場力大于溶液的表面張力后，紡絲溶液就會在在噴絲口形成射流，然后經(jīng)過射流不穩(wěn)定、拉伸、溶劑揮發(fā)，最后在旋轉(zhuǎn)滾筒的拉伸作用下，纖維繞著滾筒進(jìn)行沉積，從而形成取向的電紡纖維膜。[0037](2)石墨烯分散液的制備:將0.5g十二烷基磺酸鈉和0.05g干燥的石墨烯納米片加入到10g去離子水中，在超聲清洗機的作用下超聲分散處理60min，即得質(zhì)量濃度為0.05%的石墨烯納米片的均勻分散液。[0038](3)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建:將步驟I)所得TPU電紡纖維膜置于步驟2)所得石墨烯分散液中超聲處理30min，使石墨烯納米片均勻附著在電紡纖維膜上;然后將其置于空氣中常溫下晾干，即可得到具有導(dǎo)電特性的纖維網(wǎng)絡(luò);即石墨烯納米片修飾的THJ電紡纖維膜。[0039](4)應(yīng)變傳感器的制備:首先將聚二甲基硅氧烷主劑和固化劑以質(zhì)量比10:1的比例攪拌15分鐘，然后抽真空20分鐘以除去氣泡，從而制備出均勻的混合液;其次在基板上旋涂上厚度在80μπι左右的混合液，將其置于80°C烘箱中1min，使其處于半固化狀態(tài);然后將步驟3)所得石墨烯納米片修飾過的TPU電紡纖維膜置于聚二甲基硅氧烷上作為導(dǎo)電層，然后通過導(dǎo)線固定單元銀膠在導(dǎo)電層的兩端引入導(dǎo)線;再在石墨烯納米片修飾過的TPU電紡纖維膜(即導(dǎo)電層)上旋涂上一層厚度為80μπι左右的聚二甲基硅氧烷主劑及固化劑的混合液，置于烘箱中，使其完全固化，最后將其從基板上揭下來即可。[0040]圖1為制得的柔性可穿戴應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)的立體圖，這種柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器包括絕緣層I和5，導(dǎo)電層2、導(dǎo)線3和導(dǎo)線固定單元4。其主要由類似于三明治的三層結(jié)構(gòu)組成。所述的絕緣層I和5分別置于上下兩層，所述的導(dǎo)電層2是置于中間；導(dǎo)電層2兩端通過導(dǎo)線固定單元4與導(dǎo)線3連接，導(dǎo)線3連接外界測量裝置，導(dǎo)線固定單元4是銀膠。[0041]性能測試:[0042]將實施例1中的所得的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料置于拉伸機上，兩端通過導(dǎo)線引出，夾在萬用表的電極上，用萬用表原位監(jiān)測和記錄其電阻值的變化，進(jìn)行循環(huán)拉伸性能的測試。[0043]圖2為實施例1所得的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料在5%應(yīng)變下的200次循環(huán)的時間-電阻曲線;從圖中可以看出經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)以后，電阻的相對變化AR/Ro(AR=Rt-Ro,其中Rt和Ro分別定義為試樣在t時刻的電阻和試樣的初始電阻)已經(jīng)達(dá)到一個平臺，表明本發(fā)明所得導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的電阻應(yīng)變響應(yīng)行為已經(jīng)在循環(huán)負(fù)載下達(dá)到了相對穩(wěn)定。[0044]圖3為實施例1所得導(dǎo)電高分子復(fù)合材料在200%拉伸應(yīng)變下的200次循環(huán)的時間-電阻曲線。表明經(jīng)過一定數(shù)量的循環(huán)后，該試樣能夠在循環(huán)中展現(xiàn)出比較好的穩(wěn)定性和良好的重復(fù)性。此外，該試樣具有較大的響應(yīng)度;展現(xiàn)出該試樣可以用來檢測大應(yīng)變，可用作大應(yīng)變傳感器。[0045]圖4為實施例1所得材料在1%、2%、3%、4%和5%拉伸應(yīng)變下各5個循環(huán)的時間_電阻的曲線;可以看出該應(yīng)變傳感器在小應(yīng)變下呈現(xiàn)出比較好的響應(yīng)行為。[0046]圖5為實施例1所得材料在50%、100%、150%、200%拉伸應(yīng)變下的各5個循環(huán)的時間電阻情況，可看出該應(yīng)變傳感器在大應(yīng)變下具有比較好的響應(yīng)行為，且具有大的響應(yīng)度。[0047]綜上所述，本發(fā)明所制備出的應(yīng)變傳感器具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性;產(chǎn)品性能優(yōu)良、工藝操作簡單、應(yīng)變測試范圍廣、響應(yīng)度高和靈敏度高等優(yōu)點。復(fù)合材料的柔韌性使其可作為柔性可穿戴設(shè)備使用?！局鳈?quán)項】1.柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述應(yīng)變傳感器包括上絕緣層，導(dǎo)電層和下絕緣層，導(dǎo)電層位于上絕緣層和下絕緣層的中間；所述上絕緣層和下絕緣層由具有柔性可穿戴特性的高分子材料制成;所述導(dǎo)電層為具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述具有柔性可穿戴特性的高分子材料選自聚二甲基硅氧烷、熱塑性彈性體、天然橡膠或合成橡膠中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜由下述方法制得:將導(dǎo)電填料與去離子水混合制得質(zhì)量濃度在0.0l?5%的導(dǎo)電填料分散液，然后將高分子纖維膜置于分散液中超聲處理I?lOOmin，使得導(dǎo)電填料均勻附著在高分子纖維膜上，即將導(dǎo)電填料修飾到高分子纖維膜表面，然后在空氣中晾干；從而制得具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，其特征在于，導(dǎo)電層中所述高分子纖維選自苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纖維、熱塑性聚氨酯纖維、聚丁二酸丁二醇酯纖維、聚偏二氟乙烯纖維、聚己內(nèi)酯纖維、膠原蛋白纖維或蠶絲蛋白纖維中的至少一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)電層中導(dǎo)電填料選自石墨稀納米片、碳納米管、碳纖維、金屬納米線或炭黑中的至少一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1?5任一項所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述上絕緣層和下絕緣層為聚二甲基硅氧烷;所述高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜為石墨烯納米片修飾到熱塑性聚氨酯纖維膜表面形成的熱塑性聚氨酯纖維/石墨烯納米片復(fù)合膜。7.根據(jù)權(quán)利要求1?6任一項所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器還包括導(dǎo)電固定單元和導(dǎo)線，所述導(dǎo)電層兩端各連接有一導(dǎo)線，所述導(dǎo)線與測量儀器相連，導(dǎo)線通過導(dǎo)線固定單元固定于導(dǎo)電層上;進(jìn)一步，所述導(dǎo)線固定單元為銀膠、雙組份環(huán)氧膠或無機材料導(dǎo)電膠中的至少一種。8.權(quán)利要求1?7任一項所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:1)在基板上涂覆具有柔性可穿戴特性的高分子材料混合液，然后將其干燥至仍具有良好粘性的程度形成絕緣層；2)將具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子纖維/導(dǎo)電填料復(fù)合膜置于步驟I)的絕緣層上形成導(dǎo)電層，然后通過導(dǎo)線固定單元在導(dǎo)電層的兩端引入導(dǎo)線；3)再在步驟2)的導(dǎo)電層上涂覆具有柔性可穿戴特性的高分子材料混合液，然后充分干燥即可。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，步驟I)中，干燥的條件為:于50?150°C下干燥I?60min;步驟3)中，干燥的條件為:于50?150°C下干燥5?120min。10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，步驟I)和步驟3)中，所述絕緣層的厚度為10?400μπι。【文檔編號】G01B7/16GK106052544SQ201610327953【公開日】2016年10月26日【申請日】2016年5月18日【發(fā)明人】代坤,李國杰,李澤宇,鄭國強,劉春太,申長雨【申請人】鄭州大學(xué)