[發明專利]一種基于石墨烯納米纖維紗的柔性可拉伸多功能傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201811050691.0
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109137105B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 何建新;齊琨;周玉嫚;邵偉力;崔世忠;劉凡;胡寶繼;佑曉露;南楠;孫顯強
• 申請（專利權）人: 中原工學院
• 主分類號: D01D5/30
• 分類號: D01D5/30;D01D5/00;D06M13/228;D06M101/38;A61B5/00
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 鄭園;李宣宣

本發明公開了一種基于石墨烯納米纖維紗的高靈敏柔性可拉伸的多功能傳感器，解決的技術問題是隨著柔性傳感器向微型化、智能化、網絡化和多功能化的方向發展，制備同時測量多個參數的多功能傳感器仍然是個挑戰，本發明包括傳感元素、柔性基體和導線，所述的傳感元素為單層氧化石墨烯，所述的柔性基體為彈性聚氨酯納米纖維，彈性聚氨酯納米纖維通過共軛靜電紡絲包裹在石墨烯上得到納米纖維紗，納米纖維紗浸漬于抗壞血酸溶液中還原得到柔性導電石墨烯納米纖維紗，柔性導電石墨烯納米纖維紗兩端與導線連接。本發明利用共軛靜電紡納米纖維紡紗技術制備基于石墨烯納米纖維紗的具有多力傳感和溫敏性能于一體的可拉伸的多功能傳感器。

技術領域

本發明涉及柔性傳感器制備的可穿戴電子皮膚領域，具體涉及一種基于石墨烯納米纖維紗的柔性可拉伸多功能傳感器及其制備方法，應用于人體健康和全范圍運動的實時監測。

背景技術

近年來，通過模仿人體皮膚在溫度、濕度、壓力等方面優異的傳感功能來制備可穿戴電子皮膚，可穿戴電子皮膚在軟體機器人和人工智能等領域受到越來越多的關注。傳感器作為核心部件之一, 將影響可穿戴電子皮膚的功能設計與未來發展。柔性可穿戴傳感器具有輕薄便攜、電學性能優異和集成度高等特點，使其成為最受關注的電學傳感器之一。隨著科技的發展，對被測量信息的范圍、靈敏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。而傳統的基于金屬和半導體的傳感器，由于材料本身性能所限，難以進行彎曲或延展，一旦有較大變形將導致傳感器受到嚴重破壞，相比之下，柔性可拉伸的傳感器可以完全粘附在復雜和凹凸不平的表面上，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。目前，通常是在彈性基底上直接鍵合低楊氏模量的薄導電材料或者使用本身可拉伸的導體組裝器件即由導電物質混合到彈性基體中來實現可穿戴傳感器的拉伸性，柔性可穿戴電子傳感器常用的導電材料有金納米線、導電聚合物、碳納米管和石墨烯等。石墨烯具有輕薄透明，優異的導電導熱性和力學性能等特點. 在傳感技術、移動通訊、信息技術車等方面具有極其重要和廣闊的應用前景。近年來柔性傳感器相關的研究主要集中在將單一的物理變量（壓力，剪切或應變）轉換成電子信號的觸覺傳感器。隨著柔性傳感器向微型化、智能化、網絡化和多功能化的方向發展， 制備同時測量多個參數的多功能傳感器仍然是個挑戰。

隨著科學技術的發展, 特別是納米材料和納米技術的研究不斷深入, 可穿戴傳感器也展現出更為廣闊的應用前景。靜電紡是一種簡單高效、最具有吸引力的納米技術，微納尺度的結構可以提升傳感器的的靈敏度。此外，納米纖維紗中纖維沿軸取向可賦予材料獨特的光學、電學、力學性能，因而有更高附加值的運用。近年來文獻報道也證明，取向納米纖維紗線作為一種新興的納米纖維材料，具有結晶度高、取向度好、抗拉強度大、易于編織等諸多優良特性，在航天、微電子、光電傳輸以及醫學等特殊領域比傳統的納米纖維氈有更好的應用前景。

發明內容

本發明要解決的技術問題是隨著柔性傳感器向微型化、智能化、網絡化和多功能化的方向發展， 制備同時測量多個參數的多功能傳感器仍然是個挑戰，提供一種集多力傳感和溫敏性能于一體的柔性可拉伸的多功能納米纖維紗傳感器及其制備方法。本發明基于聚氨酯納米纖維的彈性多孔結構和石墨烯優異的電學和力學性能，制備一種基于石墨烯納米纖維紗的高靈敏柔性可拉伸的多功能傳感器。

為解決上述技術問題，本發明采用下述技術方案：一種基于石墨烯納米纖維紗的柔性可拉伸多功能傳感器，包括傳感元素、柔性基體和導線，所述的傳感元素為單層氧化石墨烯，所述的柔性基體為彈性聚氨酯納米纖維，彈性聚氨酯納米纖維通過共軛靜電紡絲包裹在石墨烯上得到納米纖維紗，納米纖維紗浸漬于抗壞血酸溶液中還原得到柔性導電石墨烯納米纖維紗，柔性導電石墨烯納米纖維紗兩端與導線連接。通過在柔性導電石墨烯納米纖維紗兩端連接銅導線得到集多力傳感功能和溫敏性能于一體的可拉伸的多功能納米纖維傳感器。三維多孔的納米纖維支架的彈性結構和連續高效的石墨烯導電網絡可以為應力應變傳感提供更多的接觸點和優異的電導率，并具有較大的變形空間和高效的載流子遷移網絡，從而具備靈敏度高、響應速度快、可承受應變范圍廣、穩定性好的多力傳感性能和溫敏性能。