[發明專利]一種柔性可拉伸的多功能納米纖維傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201710329152.X
• 申請日: 2017-05-11
• 公開（公告）號: CN107192485B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 何建新;王利丹;邵偉力;齊琨;周玉嫚;佑曉露;南楠;孫顯強;胡寶繼;盧凱;崔世忠
• 申請（專利權）人: 中原工學院
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;B82Y15/00;D06M15/63;D06M101/30
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 孫詩雨;張志軍

本發明公開了一種柔性可拉伸的多功能納米纖維傳感器及其制備方法，以靜電紡摻雜氧化石墨烯的聚氨酯納米纖維膜作為柔性基體，通過原位聚合的方法在摻雜氧化石墨烯的聚氨酯納米纖維表面原位聚合導電聚合物聚噻吩，制備得到具有皮芯結構的摻雜氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩納米纖維膜，通過在納米纖維膜表面復合帶有導電銅絲的凝膠膜制備得到柔性可拉伸的多功能納米纖維傳感器，可用于壓力、拉伸和彎曲等多重機械刺激環境的檢測，并顯示了超高的靈敏度和較寬的傳感范圍。在人體監測系統中，不僅能夠實時監測脈搏、心跳、肌肉群震動等人體健康生理指標，而且能夠探測人體的全范圍運動包括面部表情、大小關節的運動。

技術領域

本發明屬于柔性傳感器制備技術領域，具體涉及一種柔性可拉伸的多功能納米纖維傳感器及其制備方法，應用于人體健康和全范圍運動的監測，具體涉及可穿戴電子皮膚領域。

背景技術

柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性、甚至可自由彎曲甚至折疊，而且結構形式靈活多樣，可根據測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對特殊環境與特殊信號進行精確快捷測量，因此柔性傳感技術在人工智能、健康醫療器械和可穿戴電子產品中有重要作用。普通傳感器其硬脆的性質使電子器件難以進行彎曲或延展，一旦有較大變形將導致電子器件損壞，因此，測量范圍也受到較大影響。

隨著信息時代的應用需求越來越高，對被測量信息的范圍、精度和穩定情況等各性能參數的期望值和理想化要求逐步提高。因此，與柔性壓力傳感器本身相關的研究旨在通過采取不同的手段提升器件在靈敏度，量程，重復性，一致性等方面的性能指標。碳納米管、石墨烯、高分子膜、高分子電解質和有機聚合物等更多性能優越的材料將被逐漸應用于已經成熟的柔性傳感器，其延展性和其他性能將會有較大程度的提高。利用這些新材料制作的柔性傳感器將能適應更復雜的不平整表面，擴大了傳感器的應用范圍。但是，目前對于傳感器的研究大多還停留在對單一機械刺激的響應，而對于構建能夠同時實現對拉力、壓力、彎曲的監測與響應的傳感器仍然是個挑戰。因此提出一種簡單且低能耗的方法制備能夠具有高靈敏度并能探測動靜態壓力、拉伸和彎曲的電子皮膚柔性傳感器系統很有必要。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種柔性可拉伸的多功能納米纖維傳感器及其制備方法，有望作為一種新型的人造電子皮膚服務于未來機器人、義肢使用者和可穿戴設備。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種柔性可拉伸的多功能納米纖維傳感器，該多功能納米纖維傳感器是以靜電紡技術制備的摻雜氧化石墨烯的聚氨酯納米纖維膜作為柔性基體，通過原位聚合的方法在摻雜氧化石墨烯的聚氨酯納米纖維膜表面原位聚合聚噻吩，制備得到摻雜氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩納米纖維膜，其中構成摻雜氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩納米纖維膜的納米纖維具有皮芯結構，然后在具有皮芯結構的摻雜氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩納米纖維膜的表面復合帶有導電銅絲的凝膠膜從而制備得到一種可以傳感壓力、拉伸和彎曲的柔性可拉伸多功能納米纖維傳感器。

所述的柔性可拉伸的多功能納米纖維傳感器的長度為5-10 mm，寬度≥5-10 mm，厚度≥0.01 mm。

所述的具有皮芯結構的摻雜氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩納米纖維的皮層由導電高分子聚噻吩顆粒組成，皮層厚度為50 -200 nm，所述的具有皮芯結構的摻雜氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩納米纖維的芯層為摻雜氧化石墨烯的聚氨酯納米纖維，芯層納米纖維的直徑為100 -500 nm，所述摻雜氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩納米纖維膜的厚度為80-200μm。

所述的凝膠膜為聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，厚度0.01-5 mm；所述的導電銅絲的直徑為0.1-5 mm。

所述的柔性可拉伸的多功能納米纖維傳感器的制備方法，其特征在于步驟如下：