[发明专利]一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法，该自功能传感器包括摩擦层和电极层，所述摩擦层覆盖在电极层表面，所述摩擦层为复合纳米纤维膜，所述电极层包括第一纳米纤维膜和导电纳米材料，所述导电纳米材料敷设在第一纳米纤维膜上表面，本发明提供的柔性可拉伸的自供能传感器用于人体动作监测，主要是基于摩擦纳米发电机的摩擦起电和静电感应效应产生的电信号来反映人体动作特征信号的变化。本发明提出的柔性可拉伸材料结合静电纺丝技术和丝网印刷技术，使整个可穿戴器件兼具柔性可拉伸的特点，可随意扭曲和拉伸，即使在剪切之后，器件仍能够正常工作。

技术领域

本发明涉及传感器制备技术领域，特别涉及一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法。

背景技术

柔性可拉伸电子器件被视为下一代电子产品，在可穿戴领域已受到了广泛关注，然而，目前仍然迫切需要一种耐用和可持续的能源来驱动这些电子设备。对于可穿戴设备而言，较为可靠的解决方案之一是收集人体运动产生的能量，并将其转化为电能，为可穿戴电子设备提供动力，使其持续工作，但目前基于摩擦生电以及静电感应原理的可拉伸器件的摩擦原料多以硅橡胶为主，所制备的可穿戴器件在舒适度上仍面临很大的挑战。另外电极材料在电子设备中同样有着十分重要的地位，目前的电极材料大部分为金属材料如铝箔、铜箔或氧化铟锡等，在长期弯曲过程中产生裂纹，在做柔性电极时有很大的局限性。

发明内容

为克服现有技术中存在的柔性可拉伸电子器件中的电极材料容易产生裂纹等问题，本发明提供了一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器及其制备方法。

具体技术方案如下：

一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器，包括摩擦层和电极层，所述摩擦层覆盖在电极层表面，所述摩擦层为复合纳米纤维膜，所述电极层包括第一纳米纤维膜和导电纳米材料，所述导电纳米材料敷设在第一纳米纤维膜上表面。

优选的，所述第一纳米纤维膜为静电纺TPU纳米纤维膜，所述导电纳米材料为碳纳米管。

优选的，所述摩擦层和电极层的最大拉伸率为400％。

优选的，所述摩擦层和电极层的总膜厚为25～35um。

本发明还提供了一种纳米纤维基的可拉伸自供能传感器的制备方法，

步骤1：在原始纺丝基底上通过高压电源将第一纺丝溶液拉伸成第一纳米纤维膜；

步骤2：利用丝网印刷技术在步骤1所得的第一纳米纤维膜上表面印刷导电纳米材料，形成电极层；

步骤3：将步骤2所得的电极层作为摩擦层的纺丝基底，并利用高压电源在其上表面将第二纺丝溶液与第一纺丝溶液通过共混纺丝拉伸成共混纤维膜，再以共混纤维膜为纺丝基底，在其上表面进行第二纺丝溶液静电纺丝，最终得到复合纳米纤维膜，

步骤4：热压复合纳米纤维膜；

步骤5：将复合纳米纤维膜剥离原始纺丝基底。

优选的，所述第一纺丝溶液为TPU纺丝溶液，所述第二纺丝溶液为PVDF纺丝溶液。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明中的电极层和摩擦层均采用纳米纤维膜，纳米纤维膜具有良好的拉伸性能，该器件能作为自供能传感器，可直接将机械能转化为电信号，人体穿戴舒适，且可用于检测人体动作。

(2)本发明采用静电纺丝技术和丝网印刷技术，制备电极层和摩擦层，制备工艺成熟，成本低，且可大规模生产。通过静电纺丝技术制备出的纳米纤维膜，具有超高拉伸性能，静电纺丝技术与丝网印刷技术相结合制备出的柔性电极，代替以往的金属电极，实现了可弯折性和舒适性。