[发明专利]一种复合纳米纤维膜及柔性应变传感器的制备方法

说明书

本发明公开了一种复合纳米纤维膜及柔性应变传感器的制备方法，一种复合纳米纤维膜的步骤为：先将高分子颗粒溶解于有机溶剂制备出纺丝溶液；将纺丝溶剂转移到注射器中，通过注射器将纺丝溶液挤出，调节静电纺丝相关参数使射流稳定从而在收集板上收集到纳米纤维膜；将银纳米线分散液稀释并水浴超声分散后，用真空辅助抽滤的方法在预拉伸的纳米纤维膜上沉积一层金属纳米线层；通过高温退火提高纳米线间和纳米线与弹性基底间的结合力。所制备的柔性应变传感器具有大传感范围，可用于弯曲、拉伸、扭转等变形的检测。

技术领域

本发明属于柔性应变传感器技术领域，具体涉及一种复合纳米纤维膜及柔性应变传感器的制备方法。

背景技术

应变传感器是一类重要的传感器件，当传感器件受到外力作用时自身会发生形变，导致器件的电阻或电容发生变化。通过检测这些物理量的变化，从而实现应变检测的功能。近年来，柔性可穿戴应变传感器逐渐成为应变传感器领域的研究热点。这种柔性应变传感器具有良好的灵敏度、重复性和稳定性等传感特性，已经成为了电子皮肤、可穿戴电子设备、柔性人机交互设备等领域的核心器件。随着社会信息化的进一步发展，基于柔性应变传感器的各种新型设备正在逐步应用于娱乐、工业、医疗保健和消费电子等领域。尤其是生物医疗及仿生机器人与柔性传感技术的结合，已经成为了近些年的研究热点。

目前，这类可穿戴应变传感器中多采用导电纳米材料(如碳纳米管、石墨烯、金属纳米线等)作为传感器的敏感材料，并将导电纳米材料置于弹性基底的表面或内部以实现与弹性基底的结合，借助固态导电纳米材料构成导电网络。然而，通过这种方式制备的柔性应变传感器通常不能兼具高灵敏度和大检测范围。为提高检测范围往往需要加大导电纳米材料的用量，这会导致灵敏度降低，同时带来了成本上的问题。如何在减少昂贵的导电纳米材料的用量的同时，制备具备较大感测范围和较高灵敏度的柔性传感器仍然是一大挑战。同时，固态导电纳米材料与弹性基底间的结合力通常较弱，在拉伸过程中导电网络易发生断裂从而使传感机制失效，造成柔性应变传感器的传感范围较小。因此，在减少昂贵的导电纳米材料用量，保证传感器灵敏度的同时，制备具有较大传感范围的柔性应变传感器仍是一大挑战。

发明内容

本发明提供了一种复合纳米纤维膜及柔性应变传感器的制备方法，通过该方法制备的柔性应变传感器在保证一定灵敏度的情况下获得了较大的检测范围。

为达到上述目的，本发明所述一种用于柔性应变传感器的复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、取质量分数为25％～30％的聚氨酯颗粒加入溶剂中，使聚氨酯颗粒完全溶解，得到纺丝溶液；

S2、将S1得到的纺丝溶液转移到静电纺丝设备中的注射器中，用注射器将纺丝溶液挤出，调节静电纺丝参数，使挤出的纺丝溶液液滴在静电场的作用下形成稳定射流，射流经过电场力的拉伸、溶剂挥发和固化最终沉积在收集板上，形成纳米纤维膜，对所述纳米纤维膜进行预拉伸；

S3、将金属纳米线分散液稀释并超声分散，使用真空抽滤的方法在S2预拉伸后的纳米纤维膜上沉积一层金属纳米线，将沉积有金属纳米线的纳米纤维膜放入真空干燥箱中退火，得到复合纳米纤维膜。

进一步的，S1中，溶剂由N,N-二甲基甲酰胺溶液和丙酮溶液组成，其中N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量分数为50％～75％。

进一步的，S2中，静电纺丝参数包括纺丝液推进速度、纺丝电压和接收距离，所述推进速度为6μL/min～10μL/min，纺丝电压为8.65kV～12kV，接收距离为10cm～14cm。

进一步的，S3中，金属纳米线为银纳米线。

进一步的，S3中，金属纳米线分散液中，金属纳米线含量为1mg～1.8mg，稀释后的浓度为0.01mg/mL～0.018mg/mL，水浴超声分散时间为25min～30min。

进一步的，S3中，真空抽滤的步骤为：