[发明专利]一种同轴三层PET/CB/TPU复合纤维应变传感器及其制造方法

说明书

本发明属于应变传感器制备技术领域，提供了一种同轴三层PET/CB/TPU复合纤维应变传感器及其制备方法。该复合纤维应变传感器由内向外依次为PET、CB、TPU的三层同轴的复合纤维构成；所述PET的外表面通过溶解‑涂覆的工艺涂覆了一层CB颗粒，CB颗粒的外表面通过浸渍法负载了一层TPU颗粒；其制备方法包括：S1、将PET颗粒、CB纳米颗粒和TPU颗粒真空干燥；S2、PET纤维的熔融纺丝；S3、PET/CB纤维的制备；S4、PET/CB/TPU纤维的制备。本发明通过溶解‑涂覆工艺法，制备同轴三层PET/CB/TPU复合纤维具有更高的杨氏模量和拉伸强度，传感范围扩大一倍多，具有高灵敏度和优异的耐久性，制备工艺简单，反应原料来源广泛且低成本，可以流水线连续工业化生产，有利于大规模的工业生产应用。

技术领域

本发明属于应变传感器制备技术领域，具体涉及一种同轴三层PET/CB/TPU复合纤维应变传感器及其制造方法。

背景技术

由于聚合物基体和碳纳米填料的优异性能，使得掺杂炭黑(CB)或碳纳米管(CNTs)的导电聚合物复合材料(CPCs)成为最适合制备传感器的材料之一。许多研究人员已经报道了基于各种聚合物基体的应变传感器。然而，聚对苯二甲酸乙二醇酯(聚酯，PET)多被报道为柔性基底，并掺杂昂贵的石墨烯开发应变传感器。最近，关于以低成本和简化工艺生产高效应变传感器的需求被提出。现有技术关于传感器的改进方法包括以下几个方面：采用甲苯将石墨烯涂覆到弹性体外层；使用逐层组装技术在聚氨酯纱线上涂覆了超薄CPC层，其可以直接编织到手套的手指部位中；以及设计了一种溶解涂层工艺，以提供具有较低电阻率和永久导电性的导电纤维等。

尽管上述涂覆方法可有效制备应变传感器，但是在实际制备导电纤维的过程中，导电CB颗粒只是包覆在PET基体的外层，在长期使用过程中会脱落或丢失，导致导电纤维在传感器的使用过程中传感性受损，且现有的功能性涂层纤维的拉伸强度差，传感范围小。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有功能性涂层纤维存在的上述问题，提供一种同轴三层PET/CB/TPU复合纤维应变传感器及其制造方法。

本发明提供一种同轴三层PET/CB/TPU复合纤维应变传感器，其特征在于，包括由内向外依次为PET、CB、TPU的三层同轴的复合纤维构成。

优选的，所述PET是PET颗粒经熔融纺丝法制成的PET熔融纺丝纤维，所述PET的外表面通过溶解-涂覆的工艺涂覆了一层CB颗粒，CB颗粒的外表面通过浸渍法负载了一层TPU颗粒。

本发明还提供了上述同轴三层PET/CB/TPU复合纤维应变传感器的制造方法，包括如下步骤：

S1、将PET颗粒干燥，CB纳米颗粒和TPU颗粒干燥；

S2、PET纤维的熔融纺丝：将S1中的PET颗粒采用熔融纺丝法在260～290℃下制备PET熔融纺丝纤维；

S3、PET/CB纤维的制备：采用溶解-涂覆的工艺，称取S1中干燥的CB纳米颗粒放入THF/DMF混合溶剂中，混合，将S2中的PET纤维浸泡在混合溶剂中后，取出涂覆有CB粒子的PET纤维，进行通风干燥；

S4、PET/CB//TPU纤维的制备：将S3制备的PET/CB浸入TPU溶液后取出干燥，得到同轴三层PET/CB/TPU复合纤维；

其中，CB颗粒、THF/DMF混合溶剂、TPU溶液的比例为0.5～5g：80～500mL：80～400mL。

优选的，S3步骤中，所述磁力搅拌器的速度为200～300r/min，搅拌时间为20～50min。

优选的，S3步骤中，所述超声时间为20～40min，超声功率为功率为70-180W，超声频率为40KHz。

优选的，S3步骤中，THF/DMF的体积比为(7～9):(3～1)。