[发明专利]一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法，以静电纺掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜作为柔性基体，通过原位聚合的方法在掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维表面原位聚合导电聚合物聚噻吩，制备得到具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜，通过在纳米纤维膜表面复合带有导电铜丝的凝胶膜制备得到柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，可用于压力、拉伸和弯曲等多重机械刺激环境的检测，并显示了超高的灵敏度和较宽的传感范围。在人体监测系统中，不仅能够实时监测脉搏、心跳、肌肉群震动等人体健康生理指标，而且能够探测人体的全范围运动包括面部表情、大小关节的运动。

技术领域

本发明属于柔性传感器制备技术领域，具体涉及一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法，应用于人体健康和全范围运动的监测，具体涉及可穿戴电子皮肤领域。

背景技术

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量，因此柔性传感技术在人工智能、健康医疗器械和可穿戴电子产品中有重要作用。普通传感器其硬脆的性质使电子器件难以进行弯曲或延展，一旦有较大变形将导致电子器件损坏，因此，测量范围也受到较大影响。

随着信息时代的应用需求越来越高，对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。因此，与柔性压力传感器本身相关的研究旨在通过采取不同的手段提升器件在灵敏度，量程，重复性，一致性等方面的性能指标。碳纳米管、石墨烯、高分子膜、高分子电解质和有机聚合物等更多性能优越的材料将被逐渐应用于已经成熟的柔性传感器，其延展性和其他性能将会有较大程度的提高。利用这些新材料制作的柔性传感器将能适应更复杂的不平整表面，扩大了传感器的应用范围。但是，目前对于传感器的研究大多还停留在对单一机械刺激的响应，而对于构建能够同时实现对拉力、压力、弯曲的监测与响应的传感器仍然是个挑战。因此提出一种简单且低能耗的方法制备能够具有高灵敏度并能探测动静态压力、拉伸和弯曲的电子皮肤柔性传感器系统很有必要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器及其制备方法，有望作为一种新型的人造电子皮肤服务于未来机器人、义肢使用者和可穿戴设备。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器，该多功能纳米纤维传感器是以静电纺技术制备的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜作为柔性基体，通过原位聚合的方法在掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维膜表面原位聚合聚噻吩，制备得到掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜，其中构成掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的纳米纤维具有皮芯结构，然后在具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的表面复合带有导电铜丝的凝胶膜从而制备得到一种可以传感压力、拉伸和弯曲的柔性可拉伸多功能纳米纤维传感器。

所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器的长度为5-10 mm，宽度≥5-10 mm，厚度≥0.01 mm。

所述的具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维的皮层由导电高分子聚噻吩颗粒组成，皮层厚度为50 -200 nm，所述的具有皮芯结构的掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维的芯层为掺杂氧化石墨烯的聚氨酯纳米纤维，芯层纳米纤维的直径为100 -500 nm，所述掺杂氧化石墨烯的聚氨酯/聚噻吩纳米纤维膜的厚度为80-200μm。

所述的凝胶膜为聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，厚度0.01-5 mm；所述的导电铜丝的直径为0.1-5 mm。

所述的柔性可拉伸的多功能纳米纤维传感器的制备方法，其特征在于步骤如下：