[发明专利]一种具有卷曲结构的柔性弹性体纤维膜及其制备和应用

说明书

本发明涉及复合材料领域，涉及一种具有卷曲结构的柔性弹性体纤维膜及其制备和应用。本发明提供一种制备具有卷曲结构的柔性弹性体纤维膜的方法，所述制备方法为：将柔性弹性体纤维膜在低表面张力的醇类物质中浸泡处理10～60min。本发明首次指出当柔性弹性体纤维膜在低表面张力的醇类物质中浸泡处理后，能够使柔性弹性体纤维膜具有卷曲结构，即微观上呈波浪型的柔性弹性体纤维结构，制得了一种具有新型结构的柔性弹性体纤维膜。当将该纤维膜用作应变传感器时，为传感器提供了弹性和顺应性，并且可以很大程度地减少拉力对基材的损伤。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，涉及一种具有卷曲结构的柔性弹性体纤维膜及其制备和应用。

背景技术

可穿戴的电子设备由于可对人体及其周边环境进行实时以及长时间的监测，因而引起了广泛的关注。其中，基于压阻效应的应变传感器由于组装过程简易、灵敏度高且无迟滞效应，在可穿戴器件领域有着很大的实际应用潜力，有望用于医疗保健、健康监测、人机互动等。作为可穿戴传感器，必须具有高的灵敏度、良好的拉伸性、长时间的耐久性等。传统的具有高导电能力的材料，如金属、碳类材料都是刚性的，并不具有弹性以及柔韧性，会导致可穿戴电子设备电路僵硬，故极少应用。因此高效构建适用于可穿戴器件的柔性导电功能层是制备高性能可穿戴柔性压力传感设备的关键问题。

近些年来，人们在可拉伸应变传感器方面做了许多努力。为了赋予传感器良好的可拉伸性能，人们通常将导电的微纳材料如碳纳米管、石墨烯、银纳米线、MXene等与高分子弹性体复合。如2018年Zuoli He等人用湿法纺丝制备了多壁碳纳米管和聚氨酯材料的复合纤维，最终得到的导电纤维断裂伸长率高达565％，灵敏度最高可达5200，这种共混制备传感器的方法虽然操作简单，但是高浓度的导电填料会限制复合材料的柔韧性和拉伸性，并且均匀分散填料粒子也是需要考虑的一大问题，填料的聚集不仅会使传感性能受到影响，复合材料的力学性能也会受到影响。2020年Zengyu Hui等人以弹性的橡皮筋为芯，将弹性较差的聚酯纤维以三种不同的方式编织在橡皮筋外面，最后浸涂聚吡咯/聚乙烯醇导电墨水，其中一种传感器检测范围可达200％，且能实现灵敏度为38.9的线性传感。这种通过结构设计等方式，将刚性材料设计为可拉伸结构(如弹簧、剪纸等)固然可以增加传感器的拉伸性能，但是增加了加工的复杂程度，并且如何增加导电层和基体之间的相互作用力也是亟待解决的问题。

综上所述，具有高灵敏度和宽检测范围的可穿戴应变传感器虽然已经取得较大进展，但是传感过程稳定性好、加工过程简单且环境友好的传感器依旧需要深入研究。

发明内容

本发明的目的在于用简便的方法制备具有卷曲结构的柔性弹性体纤维膜，扩大弹性基体的拉伸范围，并且采用一种聚合物辅助金属沉积的方法在纤维表面构筑导电层，旨在解决现有应变传感器延展性差、导电层易滑脱、耐久性差等问题。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种制备具有卷曲结构的柔性弹性体纤维膜的方法，所述制备方法为：将柔性弹性体纤维膜在低表面张力的醇类物质中浸泡处理10～60min即可。

进一步，所述柔性弹性体为可电纺的弹性体，选自：聚氨酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、乙烯-丁烯共聚物(SEBS)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的至少一种。

进一步，所述低表面张力的醇类物质选自：乙醇、甲醇、乙醚、丙醇或二丁醇中的至少一种。

优选的，所述柔性弹性体纤维膜采用静电纺丝法制备。

进一步，所述柔性弹性体纤维膜采用下述方法制得：将柔性弹性体粒料溶解于相应的溶剂中，搅拌得到均匀的柔性弹性体溶液；然后由带有高速辊筒的静电纺丝机纺丝；其中，辊筒转速为1000～3000rpm(优选为2800rpm)。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种改性柔性弹性体纤维膜，所述改性柔性弹性体纤维膜采用上述方法制得。