CN107574493A - 一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器及其制备方法，该产品的敏感电阻由结合静电纺丝法制得的导电纳米纤维膜，经二次扭转制得双股螺旋线制得，该传感器具有较高的导电率，可实现较大拉伸，大尺寸拉伸时仍具有导电性能，韧性较好、拉伸恢复性高、拉伸稳定性好、承受应变范围广，且制备方法简单，生产成本低廉，适宜大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子器件领域，具体涉及一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，由于柔性可穿戴电子器件可以集成到衣物及整合于人体皮肤来随时、随地获得肢体运动、体温变化、心理变化及健康状况等多种信息，即在非平面的工作环境中灵活工作并促进信息与人的融合，因此，在自然灾害预警、人造电子皮肤、太阳能电池、智能显示屏、可穿戴个人健康监测设备、具有人工智能的机器人及嵌入式医疗器件等领域受到广泛关注。而柔性传感器作为柔性可穿戴器件的核心部件,其性能将影响柔性可穿戴设备的性质、性能与未来发展趋势。静电纺丝技术是一种制备一维功能微纳米纤维的方法，与其他制备方法相比，静电纺丝技术具有装置简单、纺丝成本低廉、可纺材料种类多、独特易操作性和广泛适用性。传统静电纺丝最常见的产物是二维无纺布纤维结构，利用这种技术可以制得具有一定导电性能的微纳米纤维膜材料，但是这类材料虽然大多能弯曲具有一定的柔性，但是，往往不能大范围拉伸，且在较小范围拉伸的情况下，其导电性能多会急剧下降，不能提供很好的电学信号响应，这在某种程度上限制了其在柔性可穿戴器件上的更进一步的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术缺陷，提供一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器及其制备方法，该传感器具有较高的导电率，可实现较大拉伸，大尺寸拉伸时仍具有导电性能，韧性较好、拉伸恢复性高、拉伸稳定性好、承受应变范围广，且制备方法简单，生产成本低廉，适宜大规模生产。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：配制含有导电粒子的纺丝前驱液，用静电纺丝法直接电纺导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折，再次扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：将步骤(3)所得的双股螺旋线的两端安装电极，并将其作为敏感电阻连入应变传感器电路中，即得柔性可拉伸应变传感器。
进一步的，步骤(1)所述的导电粒子为聚苯胺、聚吡咯、聚3,4-二氧乙基噻吩、聚噻吩、聚3-己基噻吩、聚乙炔、聚对苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔、石墨烯、金属纳米线、碳纳米管、金属氧化物中的一种或多种导电物质组成的颗粒，或者所述的导电物质与与聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己内酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种的组成的复合颗粒。
进一步的，所述的步骤(1)电纺制备导电纳米纤维膜：将1.0克聚乙烯吡咯烷酮粉末与3.0克聚3,4-二氧乙基噻吩/聚苯乙烯磺酸，2克无水乙醇混合，然后加入0.2克的二甲基亚砜，室温下磁力搅拌5小时，使溶液混合均匀，再静置90分钟，获得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为12千伏，纺丝距离10cm，纺丝时间15min,即在静电纺丝装置的收集极上获得导电纳米纤维膜。
基于相近的思路，本发明还公开了一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：配制绝缘高分子材料纺丝前驱液，用静电纺丝法直接电纺绝缘纳米纤维膜，将所得绝缘纳米纤维膜浸于导电材料悬浊液或导电高聚物聚合反应液中，负载导电材料，得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折，再次扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：将步骤(3)所得的双股螺旋线的两端安装电极，并将其作为敏感电阻连入应变传感器电路中，即得柔性可拉伸应变传感器。
进一步的，步骤(1)所述的导电材料为聚苯胺、聚吡咯、聚3,4-二氧乙基噻吩、聚噻吩、聚3-己基噻吩、聚乙炔、聚对苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔、石墨烯、金属纳米线、碳纳米管、金属氧化物中的一种或多种；所述的导电高聚物为聚苯胺、聚吡咯、聚3,4-二氧乙基噻吩PEDOT、聚噻吩、聚3-己基噻吩、聚乙炔、聚对苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔中的一种或多种。
进一步的，所述的步骤(1)电纺制备导电纳米纤维膜：1.2g聚氨酯、3.9g N-N二甲基甲酰胺和3.9g丙酮混合，40℃加热搅拌至均匀透明，得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为13千伏，纺丝距离8cm，空气湿度为45％，纺丝时间10min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜，所得绝缘纳米纤维膜浸于石墨烯溶液中原位浸润负载石墨烯后，将样品自然晾干，即得导电纳米纤维膜。
进一步的，所述的步骤(1)电纺制备导电纳米纤维膜：1.2g聚氨酯、3.9g N-N二甲基甲酰胺和3.9g丙酮混合，40℃加热搅拌至均匀透明，得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为13千伏，纺丝距离8cm，空气湿度为45％，纺丝时间10min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜；将2.542g磺基水杨酸溶于50mL去离子水中，然后加入1.8626g苯胺加入其中，充分搅拌后作为溶液A，将4.564g过硫酸铵溶解在50ml去离子水中，充分搅拌后作为溶液B；溶液A和溶液B置于5℃下冷藏1h，将溶液A和溶液B混合制成聚苯胺聚合反应液，将绝缘纳米纤维膜浸于聚苯胺聚合反应液，在5℃温度下浸泡6.5h，以使得绝缘纤维膜表面原位聚合负载聚苯胺，将样品取出，用去离子水冲洗后自然晾干，即得导电纳米纤维膜。
进一步的，所述的步骤(1)所得的导电纳米纤维膜由平行有序纤维阵列组成。步骤(1)中可以采用现有的制备有序纤维的静电纺丝装置或方法(如滚筒收集、离心电纺等)制备纳米纤维膜，使得直接获得或经后处理获得的纤维膜由有序纤维阵列组成。
进一步的，所述的步骤(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线。
进一步的，所述的步骤(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线。
进一步的，所述的步骤(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
进一步的，步骤(4)所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层。
本发明还公开了由上述方法制得的一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器。这种应变传感器的敏感电阻为基于螺旋缠绕结构基础上的导电双股螺旋线结构，双股螺旋线中纤维紧密接触能够对纤维中的导电粒子起到较好的固定作用，在敏感电阻受力拉伸时确保导电粒子随纤维拉伸均匀运动，从而在较大拉伸的情况下确保导电颗粒在材料中的均匀分布，以确保材料整体的导电性，由导电纤维膜经过二次扭转所得的双股螺旋线具有较大的预拉伸量和韧性，在拉伸过程中可以很好地保持器件的柔性以及电学性能，经测试，该器件的力敏电阻的导电率随拉伸量的增加而减小，其拉伸率可到达1000％，并且具有很好的响应速度、恢复性能，该力敏电阻的拉伸率达200％时，仍能导电，且撤去拉力后力敏电阻能自动恢复原长，而且电学性能也随长度恢复而恢复原状，因此该可拉伸电子器件有望应用于测试膝盖屈伸、手指活动等动作、可拉伸显示屏、皮肤传感器等领域。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器及其制备方法，该传感器具有较高的导电率，可实现较大拉伸，大尺寸拉伸时仍具有导电性能，韧性较好、拉伸恢复性高、拉伸稳定性好、承受应变范围广，且制备方法简单，生产成本低廉，适宜大规模生产。具体而言：
(1)应变传感器的敏感电阻为基于螺旋缠绕结构基础上的导电双股螺旋线结构，双股螺旋线中纤维紧密接触能够对纤维中的导电粒子起到较好的固定作用，在敏感电阻受力拉伸时确保导电粒子随纤维拉伸均匀运动，从而在较大拉伸的情况下确保导电颗粒在材料中的均匀分布，以确保材料整体的导电性，由导电纤维膜经过二次扭转所得的双股螺旋线具有较大的预拉伸量和韧性，在拉伸过程中可以很好地保持器件的柔性以及电学性能，经测试，该器件的力敏电阻的导电率随拉伸量的增加而减小，其拉伸率可到达1000％，并且具有很好的响应速度、恢复性能，该力敏电阻的拉伸率达200％时，仍能导电，且撤去拉力后力敏电阻能自动恢复原长，而且电学性能也随长度恢复而恢复原状，恢复速度快,拉伸恢复率高,因此该可拉伸电子器件有望应用于测试膝盖屈伸、手指活动等动作、可拉伸显示屏、皮肤传感器等领域。
(2)该应变传感器的敏感电阻的敏感电阻在制备过程中先将具有高比表面积、高孔隙率的电纺纳米纤维膜浸于导电材料悬浊液或导电高聚物聚合反应液中，负载导电高聚物，以确保材料具有较高的导电率，在经二次扭转制得具有高导电率、高弹性、高韧性的导电双股螺旋线结构的柔性力敏电阻，该应变传感器的制备方法简单，便于操作和重复，适宜规模化生产，且生产成本较低，实用性较强。
附图说明
图1：实施例1的步骤(2)制得的螺旋线的电子显微镜照片；
图2：实施例1的步骤(3)制得的双股螺旋线的光学显微镜照片；
图3：实施例2的应变传感器在不同拉伸情况下的电流特性曲线；
图4：实施例2的应变传感器在拉伸率为200％时的拉伸恢复响应曲线。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过实施方式对本方案进行阐述。
实施例1
一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：1.2g聚氨酯(PU)、3.9g N-N二甲基甲酰胺和3.9g丙酮混合，40℃加热搅拌至均匀透明，得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为13千伏，纺丝距离8cm，空气湿度为45％，纺丝时间10min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜，所得绝缘纳米纤维膜浸于石墨烯溶液(溶剂是DMF)中原位浸润负载石墨烯后，将样品自然晾干，即得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线(形貌如图1所示)；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线(形貌如图2所示)；
(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
实施例2
一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：1.2g聚氨酯(PU)、3.9g N-N二甲基甲酰胺和3.9g丙酮混合，40℃加热搅拌至均匀透明，得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为13千伏，纺丝距离8cm，空气湿度为45％，纺丝时间10min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜；将2.542g磺基水杨酸溶于50mL去离子水中，然后加入1.8626g苯胺加入其中，充分搅拌后作为溶液A，将4.564g过硫酸铵溶解在50ml去离子水中，充分搅拌后作为溶液B；溶液A和溶液B置于5℃下冷藏1h，将溶液A和溶液B混合制成聚苯胺聚合反应液，将绝缘纳米纤维膜浸于聚苯胺聚合反应液，在5℃温度下浸泡6.5h，以使得绝缘纤维膜表面原位聚合负载聚苯胺，将样品取出，用去离子水冲洗3次后，自然晾干，即得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
性能测试：图3为本实施例的应变传感器在不同拉伸情况下的电流特性曲线，由图3可以看出本发明的应变传感器的敏感电阻的导电性能随电阻轴向拉伸率的增大而减小，本传感器在不同拉伸情况下具有超快的反应时间。图4为应变传感器在拉伸率为200％时的拉伸恢复响应曲线，由图4可以看出该传感器的力敏电阻的拉伸率(轴向)达200％时，仍能导电，且撤去拉力后力敏电阻能快速自动恢复原长，而且电学性能也随长度恢复而恢复原状，具有较快的响应速度和灵敏度。
实施例3
一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：1.2g聚氨酯(PU)、3.9g N-N二甲基甲酰胺和3.9g丙酮混合，40℃加热搅拌至均匀透明，得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为13千伏，纺丝距离8cm，空气湿度为45％，纺丝时间10min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜；将0.3ml盐酸，1.2ml EDOT，60ml去离子水混合，记作溶液①；将2.16g过硫酸铵，30ml去离子水混合，记作溶液②。在室温下分别用磁力搅拌器搅拌10分钟后，将溶液①逐滴地滴加到溶液②中；再将所得溶液搅拌约10分钟，即得PEDOT聚合反应液,将绝缘纳米纤维膜浸于PEDOT聚合反应液，在4℃温度下密闭环境下浸泡36h，以使得绝缘纤维膜表面原位聚合负载PEDOT，将样品取出，用去离子水冲洗3次后，自然晾干，即得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
实施例4
一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：1.2g聚氨酯(PU)、3.9g N-N二甲基甲酰胺和3.9g丙酮混合，40℃加热搅拌至均匀透明，得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为13千伏，纺丝距离8cm，空气湿度为45％，纺丝时间10min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜；将0.003mol木质素磺酸钠，0.040g PY单体，100ml去离子水混合，记作溶液①；将2.16g过硫酸铵，100ml去离子水混合，记作溶液②。在室温下分别用磁力搅拌器搅拌50分钟后，将溶液①逐滴地滴加到溶液②中；再将所得溶液搅拌约20分钟，即得PPY聚合反应液,将绝缘纳米纤维膜浸于PPY聚合反应液，在4℃温度下密闭环境下浸泡36h，以使得绝缘纤维膜表面原位聚合负载PPY，将样品取出，用去离子水冲洗3次后，自然晾干，即得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
实施例5
一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：将2.2克聚偏氟乙烯(PVDF)加入3.9克N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和3.9克丙酮的混合溶液，加热磁力搅拌3小时后得质量分数为22wt％的PVDF电纺前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为14千伏，纺丝距离10cm，空气湿度为45％，纺丝时间15min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜；将苯胺0.93克、过硫酸铵4.56克、磺基水杨酸1.28克、蒸馏水70毫升混合搅拌均匀，即得聚苯胺聚合反应液,将绝缘纳米纤维膜浸于聚苯胺聚合反应液，在0至4℃温度下密闭环境下浸泡6h，以使得绝缘纤维膜表面原位聚合负载聚苯胺，将样品取出，用去离子水冲洗3次后，真空下室温晾干，即得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
实施例6
一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：将1.0克聚乙烯吡咯烷酮粉末(PVP，分子量130万)与3.0克聚3,4-二氧乙基噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS，质量分数为2.8wt％的水溶液)，2克无水乙醇混合，然后加入0.2克的二甲基亚砜，室温下磁力搅拌5小时，使溶液混合均匀，再静置90分钟，获得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为12千伏，纺丝距离10cm，纺丝时间15min,即在静电纺丝装置的收集极上获得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
实施例7
一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：将1.0克没有掺杂的本征态聚苯胺(分子量为120000)与1.29克樟脑磺酸(HCSA)混合，溶解于100毫升氯仿(CHCl3)中4小时。将得到的深绿色溶液(掺杂态聚苯胺)进行过滤，然后在滤液中加入32毫克聚环氧乙烷PEO(分子量2000000)，室温磁力搅拌2小时后再次将溶液过滤，得到均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为14千伏，纺丝距离10cm，纺丝时间20min,即在静电纺丝装置的收集极上获得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
实施例8
一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：将0.5克聚吡咯粉末(PPY，分子量大于1000)与1.0克十二烷基苯磺酸(DBSA)混合，超声搅拌溶解于10毫升氯仿(CHCl3)中。将得到的溶液(掺杂态聚吡咯PPY-DBSA)用1微米的特氟龙Teflon过滤膜进行过滤。为了适合用于电纺，将滤液进行蒸发浓缩至聚吡咯PPY-DBSA的质量百分比约为35wt％，然后加入适量的其他普通聚合物，例如聚肉桂酸乙烯酯(PVCN，PPY与PVCN的质量比为4:1)，室温磁力搅拌2小时，得到均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为14千伏，纺丝距离10cm，纺丝时间20min,即在静电纺丝装置的收集极上获得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：用银胶把两根铜线分别固定在步骤(3)所得的双股螺旋线的两端作为电极，得到应变传感器电路的敏感电阻，所得的敏感电阻外表面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装形成PDMS保护层，用导线将所得敏感电阻电连接电压源和电流表，即得柔性可拉伸应变传感器。
以上所列举的实施方式仅供理解本发明之用，并非是对本发明所描述的技术方案的限定，有关领域的普通技术人员，在权利要求所述技术方案的基础上，还可以作出多种变化或变形，所有等同的变化或变形都应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：配制含有导电粒子的纺丝前驱液，用静电纺丝法直接电纺导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折，再次扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：将步骤(3)所得的双股螺旋线的两端安装电极，并将其作为敏感电阻连入应变传感器电路中，即得柔性可拉伸应变传感器。
2.如权利要求1所述的一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)电纺制备导电纳米纤维膜：将1.0克聚乙烯吡咯烷酮粉末与3.0克聚3,4-二氧乙基噻吩/聚苯乙烯磺酸，2克无水乙醇混合，然后加入0.2克的二甲基亚砜，室温下磁力搅拌5小时，使溶液混合均匀，再静置90分钟，获得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为12千伏，纺丝距离10cm，纺丝时间15min,即在静电纺丝装置的收集极上获得导电纳米纤维膜。
3.一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电纺制备导电纳米纤维膜：配制绝缘高分子材料纺丝前驱液，用静电纺丝法直接电纺绝缘纳米纤维膜，将所得绝缘纳米纤维膜浸于导电材料悬浊液或导电高聚物聚合反应液中，负载导电材料，得导电纳米纤维膜；
(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜扭转成螺旋线；
(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折，再次扭转成双股螺旋线；
(4)器件组装：将步骤(3)所得的双股螺旋线的两端安装电极，并将其作为敏感电阻连入应变传感器电路中，即得柔性可拉伸应变传感器。
4.如权利要求3所述的一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的导电材料为聚苯胺、聚吡咯、聚3,4-二氧乙基噻吩、聚噻吩、聚3-己基噻吩、聚乙炔、聚对苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔、石墨烯、金属纳米线、碳纳米管、金属氧化物中的一种或多种；所述的导电高聚物为聚苯胺、聚吡咯、聚3,4-二氧乙基噻吩PEDOT、聚噻吩、聚3-己基噻吩、聚乙炔、聚对苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔中的一种或多种。
5.如权利要求3所述的一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)电纺制备导电纳米纤维膜：1.2g聚氨酯、3.9g N-N二甲基甲酰胺和3.9g丙酮混合，40℃加热搅拌至均匀透明，得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为13千伏，纺丝距离8cm，空气湿度为45％，纺丝时间10min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜，所得绝缘纳米纤维膜浸于石墨烯溶液中原位浸润负载石墨烯后，将样品自然晾干，即得导电纳米纤维膜。
6.如权利要求3所述的一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)电纺制备导电纳米纤维膜：1.2g聚氨酯、3.9g N-N二甲基甲酰胺和3.9g丙酮混合，40℃加热搅拌至均匀透明，得均一的纺丝前驱液，将纺丝前驱液注入静电纺丝装置的储液机构中，纺丝电压为13千伏，纺丝距离8cm，空气湿度为45％，纺丝时间10min,即在静电纺丝装置的收集极上获得绝缘纳米纤维膜；将2.542g磺基水杨酸溶于50mL去离子水中，然后加入1.8626g苯胺加入其中，充分搅拌后作为溶液A，将4.564g过硫酸铵溶解在50ml去离子水中，充分搅拌后作为溶液B；溶液A和溶液B置于5℃下冷藏1h，将溶液A和溶液B混合制成聚苯胺聚合反应液，将绝缘纳米纤维膜浸于聚苯胺聚合反应液，在5℃温度下浸泡6.5h，以使得绝缘纤维膜表面原位聚合负载聚苯胺，将样品取出，用去离子水冲洗后自然晾干，即得导电纳米纤维膜。
7.如权利要求1或3所述的一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)所得的导电纳米纤维膜由平行有序纤维阵列组成。步骤(1)中可以采用现有的制备有序纤维的静电纺丝装置或方法(如滚筒收集、离心电纺等)制备纳米纤维膜，使得直接获得或经后处理获得的纤维膜由有序纤维阵列组成。
8.如权利要求1或3所述的一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)制备螺旋线：将步骤(1)所得的导电纳米纤维膜一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动纤维膜一端由慢至快旋转，将导电纳米纤维膜扭转成螺旋线。
9.如权利要求1或3所述的一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)制备双股螺旋线：将步骤(2)所得的螺旋线对折后，一端固定，另一端连接旋转电机转轴，开启旋转电机，调节电机转速，使得电机转轴带动对折后的螺旋线一端由慢至快旋转，将螺旋线扭转成双股螺旋线。
10.一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，由权利要求1或3的方法制得。
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