[发明专利]基于MXene和CNTs的弹簧状柔性应变传感器的制备方法

说明书

本申请关于一种基于MXene和CNTs的弹簧状柔性应变传感器的制备方法，涉及柔性传感领域。为了研究可用于纺织领域的柔性宽应变传感器，本申请提供了一种对纳米纤维膜进行加捻处理的制备工艺，先将TPU颗粒通过静电纺丝制成纳米纤维膜，然后涂覆上导电材料，再通过定向加捻的方式将纤维膜制备成弹簧结构，最后用PDMS封装弹簧状纤维膜，得到基于MXene和CNTs的柔性应变传感器。本工艺方法提升了传感器的拉伸弹性，从而将传感器的应变范围提高到了720％，加捻处理也使得导电填料之间结合得更为紧密，增强了传感器的传感稳定性，通过纺织技术研发手套、护膝、运动装等产品应用于智能服装领域，可实现人体运动监测、医疗诊断以及安全防护等有益效果。

技术领域

本申请涉及柔性传感器技术领域，特别涉及一种基于MXene和CNTs的弹簧状柔性应变传感器的制备方法。

背景技术

随着电子皮肤、人机界面、软机器人和人体活动监测等领域的蓬勃发展，对具有宽工作范围且稳定信号交互的应变传感器的研发需求也日益迫切。柔性应变传感器一般由柔性衬底和导电材料两部分组成，柔性衬底可使器件具有良好的应变性能；导电材料如银纳米线、MXene、CNTs(碳纳米管)、石墨烯和聚吡咯等导电聚合物。

目前柔性衬底和导电材料两者之间结合的方式以涂覆型、聚合物填充型两种制备方式较为常见，但普遍存在导电涂层与柔性基底的不匹配、拉伸过程中导电粒子间连接不紧密以及聚合物的制备工艺复杂等因素，使得传感器在达到较大应变前导电通路便已断开，不能完整地将传感器获得的信号进行反馈和传输，无法实现大应变下的稳定传感。另一方面，目前对于具有宽应变传感器的研发，大多都是从材料本身的选用与组合入手，鲜有从传感器外部结构去挖掘实现大应变范围的相关尝试。这两大因素使得宽工作范围、信号稳定的柔性传感器的制备依旧着面临考验，极大限制了柔性应变传感器在不同领域中的应用与发展。

相关技术中，公开号为CN109576905A的专利披露了一种在TPU纤维膜上涂覆MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，输出的电阻信号在250次循环拉伸下具有较好的稳定性。但是在拉伸到80％时，该传感器由于导电网络断开，电阻开始急剧增加，说明没有经过结构处理的纤维膜其应变范围比较受限，无法实现较大应变范围下的监测与传感。

相关技术中，公开号为CN112900080A的专利披露了一种通过真空辅助抽滤的方法在纳米纤维膜上沉积金属纳米线所制得的柔性应变传感器。该发明将一层银纳米线均匀地附着在TPU纤维膜上，但由于导电材料较单一使其不具有连接牢固的传感网络，以及导电涂层与柔性基底的不匹配等问题，导致在大于150％的应变范围中相对电阻变化过大而失去信号传感作用。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于MXene和CNTs的弹簧状柔性应变传感器的制备方法，以解决上述现有柔性应变传感器应变范围受限、传感稳定性不佳的问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案为：

一种基于MXene和CNTs的弹簧状柔性应变传感器的制备方法，包括：

S1、将TPU颗粒溶解后通过静电纺丝工艺得到纳米纤维膜；

S2、将所述纳米纤维膜放于MXene和CNTs的混合分散体中进行超声涂覆，得到导电纤维膜；

S3、将所述导电纤维膜加捻成弹簧状结构纤维膜；

S4、利用PDMS封装所述弹簧状结构纤维膜，得到基于MXene和CNTs的弹簧状柔性应变传感器。

在一种可能的实现方式中，所述步骤S1中，所述TPU颗粒为热塑性聚氨酯弹性体。

在一种可能的实现方式中，所述步骤S1中，所述TPU颗粒溶解在DMF和THF两种溶剂的其中一种或两种组合当中。

在一种可能的实现方式中，所述步骤S1中，所述将TPU颗粒溶解后进行静电纺丝的时长为1-2h。