[發明專利]一種柔性高伸縮的具有褶皺結構的納米纖維包芯紗應力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201811052885.4
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109431460B
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 周玉嫚;何建新;南楠;劉凡;邵偉力;崔世忠;齊琨;李夢營;王琳琳;張景;李方;陶雪姣;翁凱
• 申請（專利權）人: 中原工學院
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00;D01D5/00;D02G3/02;D02G3/34;D02G3/44
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張真真;張志軍

本發明公開了一種柔性高伸縮的具有褶皺結構的納米纖維包芯紗應力傳感器及其制備方法。采用高性能彈性長絲用作芯紗作為高伸縮的彈性基質，然后通過共軛靜電紡絲技術在預拉伸至一定長度的彈性長絲表面包覆靜電紡納米纖維制備連續的納米纖維包芯紗。通過原位液相聚合方法在包芯紗的殼層納米纖維表面聚合包覆一層導電聚合物聚吡咯，最后在紗線表面涂覆一層帶有導電銅絲的凝膠膜，獲得應力傳感器，并應用于可穿戴電子皮膚上。當受到拉伸、彎曲以及壓力等外部刺激時，這種納米纖維紗線應力傳感器不僅具有較好的力學自適應性，顯示了超高的靈敏度以及較寬的傳感范圍。在人體監測系統中，可實現從微弱應力變化的心率監測到較大應力變化的肢體運動監測。

技術領域

本發明屬于柔性傳感器技術領域，涉及一種柔性高伸縮的具有褶皺結構的納米纖維包芯紗應力傳感器及其制備方法，具體涉及一種利用靜電紡絲技術及液相沉積聚合技術制備柔性高伸縮的具有褶皺結構的納米纖維包芯紗傳感器，應用于人體健康監測系統。

背景技術

人體皮膚能夠將各種機械刺激從外部環境傳遞到大腦。在人造皮膚中實現這一功能是創造先進的人形機器人，生物醫學假體，手術電子手套和穿戴式健康監護裝置的關鍵。為了模仿人體皮膚的性質，人造皮膚應該具有測量由諸如正常壓力，橫向應變和屈曲等多種機械刺激引起的應力的空間分布的能力，為了能夠掌握控制和記錄身體運動，第二，可伸縮性是人造皮膚的重要特性，確保其適應性地覆蓋任意彎曲和移動的表面，例如機器人手臂的關節，并且承受重復和延長的機械變形，例如彎曲和扭曲，第三，為了實現人造皮膚在日常生活中的廣泛應用，人造皮膚應兼容大面積制備，材料成本低廉。在過去十年中，基于柔性基板上的壓力傳感器陣列的人造皮膚的發展已經取得了很大的進展，具有靈敏度高，快響應速度和觸覺映射的分辨率等，但與人體皮膚的差距很大，這些壓力傳感器陣列缺乏可拉伸性，只能提供空間壓力分布信息的功能。為了解決這些問題，選擇本質可伸縮材料的新結構設計傳感器是制造具有多重機械力敏感的和可伸縮機械傳感器的有效策略，因此設計一種體積小巧、柔韌性好且高伸縮的超靈敏納米纖維包芯紗應力傳感器是解決上述問題的關鍵。

靜電紡是一種簡單高效、最具有吸引力的納米技術。利用靜電紡技術制備的納米纖維因尺寸小、空隙率高以及比表面積大，已在較多領域顯示了較好的可應用性。因此，本發明采用高性能彈性長絲用作芯紗作為高伸縮的彈性基質，首先通過共軛靜電紡絲技術在預拉伸至一定長度的彈性長絲表面包覆靜電紡納米纖維制備連續的納米纖維包芯紗，釋放預拉伸的彈性長絲（芯紗）后得到具有褶皺結構的納米纖維包芯紗。然后在包芯紗的納米纖維表面接枝一層導電聚合物，最后在紗線的表面復合帶有導電銅絲的凝膠膜，獲得柔性高伸縮的具有褶皺結構的納米纖維包芯紗應力傳感器，并應用于可穿戴電子皮膚上。

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高伸縮的具有褶皺結構的紗線應力傳感器的制備方法。采用高性能彈性長絲用作芯紗作為高伸縮的彈性基質，然后通過共軛靜電紡絲技術在預拉伸至一定長度的彈性長絲表面包覆靜電紡納米纖維制備連續的納米纖維包芯紗。由于納米纖維和高伸縮的彈性長絲之間的剛度不匹配，釋放預拉伸的彈性長絲可得到具有周期性褶皺結構的納米纖維包芯紗。在此基礎上，通過原位液相聚合方法在包芯紗的殼層納米纖維表面聚合包覆一層導電聚合物，最后在紗線表面涂覆一層帶有導電銅絲的凝膠膜，獲得柔性高伸縮的具有褶皺結構的納米纖維包芯紗應力傳感器，并應用于可穿戴電子皮膚上。當受到拉伸、彎曲以及壓力等外部刺激時，這種納米纖維紗線應力傳感器不僅具有較好的力學自適應性，而且顯示了超高的應力靈敏度以及較寬的傳感范圍。在人體監測系統中，可實現從微弱應力變化的心率監測到較大應力變化的肢體運動監測。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：