[发明专利]一种基于石墨烯纳米纤维纱的柔性可拉伸多功能传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯纳米纤维纱的高灵敏柔性可拉伸的多功能传感器，解决的技术问题是随着柔性传感器向微型化、智能化、网络化和多功能化的方向发展，制备同时测量多个参数的多功能传感器仍然是个挑战，本发明包括传感元素、柔性基体和导线，所述的传感元素为单层氧化石墨烯，所述的柔性基体为弹性聚氨酯纳米纤维，弹性聚氨酯纳米纤维通过共轭静电纺丝包裹在石墨烯上得到纳米纤维纱，纳米纤维纱浸渍于抗坏血酸溶液中还原得到柔性导电石墨烯纳米纤维纱，柔性导电石墨烯纳米纤维纱两端与导线连接。本发明利用共轭静电纺纳米纤维纺纱技术制备基于石墨烯纳米纤维纱的具有多力传感和温敏性能于一体的可拉伸的多功能传感器。

技术领域

本发明涉及柔性传感器制备的可穿戴电子皮肤领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米纤维纱的柔性可拉伸多功能传感器及其制备方法，应用于人体健康和全范围运动的实时监测。

背景技术

近年来，通过模仿人体皮肤在温度、湿度、压力等方面优异的传感功能来制备可穿戴电子皮肤，可穿戴电子皮肤在软体机器人和人工智能等领域受到越来越多的关注。传感器作为核心部件之一, 将影响可穿戴电子皮肤的功能设计与未来发展。柔性可穿戴传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点，使其成为最受关注的电学传感器之一。随着科技的发展，对被测量信息的范围、灵敏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。而传统的基于金属和半导体的传感器，由于材料本身性能所限，难以进行弯曲或延展，一旦有较大变形将导致传感器受到严重破坏，相比之下，柔性可拉伸的传感器可以完全粘附在复杂和凹凸不平的表面上，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。目前，通常是在弹性基底上直接键合低杨氏模量的薄导电材料或者使用本身可拉伸的导体组装器件即由导电物质混合到弹性基体中来实现可穿戴传感器的拉伸性，柔性可穿戴电子传感器常用的导电材料有金纳米线、导电聚合物、碳纳米管和石墨烯等。石墨烯具有轻薄透明，优异的导电导热性和力学性能等特点. 在传感技术、移动通讯、信息技术车等方面具有极其重要和广阔的应用前景。近年来柔性传感器相关的研究主要集中在将单一的物理变量（压力，剪切或应变）转换成电子信号的触觉传感器。随着柔性传感器向微型化、智能化、网络化和多功能化的方向发展， 制备同时测量多个参数的多功能传感器仍然是个挑战。

随着科学技术的发展, 特别是纳米材料和纳米技术的研究不断深入, 可穿戴传感器也展现出更为广阔的应用前景。静电纺是一种简单高效、最具有吸引力的纳米技术，微纳尺度的结构可以提升传感器的的灵敏度。此外，纳米纤维纱中纤维沿轴取向可赋予材料独特的光学、电学、力学性能，因而有更高附加值的运用。近年来文献报道也证明，取向纳米纤维纱线作为一种新兴的纳米纤维材料，具有结晶度高、取向度好、抗拉强度大、易于编织等诸多优良特性，在航天、微电子、光电传输以及医学等特殊领域比传统的纳米纤维毡有更好的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是随着柔性传感器向微型化、智能化、网络化和多功能化的方向发展， 制备同时测量多个参数的多功能传感器仍然是个挑战，提供一种集多力传感和温敏性能于一体的柔性可拉伸的多功能纳米纤维纱传感器及其制备方法。本发明基于聚氨酯纳米纤维的弹性多孔结构和石墨烯优异的电学和力学性能，制备一种基于石墨烯纳米纤维纱的高灵敏柔性可拉伸的多功能传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种基于石墨烯纳米纤维纱的柔性可拉伸多功能传感器，包括传感元素、柔性基体和导线，所述的传感元素为单层氧化石墨烯，所述的柔性基体为弹性聚氨酯纳米纤维，弹性聚氨酯纳米纤维通过共轭静电纺丝包裹在石墨烯上得到纳米纤维纱，纳米纤维纱浸渍于抗坏血酸溶液中还原得到柔性导电石墨烯纳米纤维纱，柔性导电石墨烯纳米纤维纱两端与导线连接。通过在柔性导电石墨烯纳米纤维纱两端连接铜导线得到集多力传感功能和温敏性能于一体的可拉伸的多功能纳米纤维传感器。三维多孔的纳米纤维支架的弹性结构和连续高效的石墨烯导电网络可以为应力应变传感提供更多的接触点和优异的电导率，并具有较大的变形空间和高效的载流子迁移网络，从而具备灵敏度高、响应速度快、可承受应变范围广、稳定性好的多力传感性能和温敏性能。