CN113201802A - 拉力传感纤维、纱线、织物及拉力传感纤维制备方法 - Google Patents

拉力传感纤维、纱线、织物及拉力传感纤维制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种拉力传感纤维，包括拉力感知层，所述拉力感知层包括聚合物材料和导电材料，以在所述拉力感知层中所占的质量百分比计，所述导电材料为0.01％‑50％，优选为1％‑20％，所述聚合物材料为50％‑99.99％，优选为90％‑99％。本申请提供一种拉力传感纤维，具有优异传感性能，同时兼备日常可穿戴的舒适性、耐磨性、柔性等特点。其制备工艺简单、丝径可控、结构独特且稳定。通过材料和结构的调控，本申请所述的拉力传感纤维还可以具有抗其它因素(温度、湿度等)干扰的特点，通过纺织技术与其它传感纤维结合，实现可穿戴多模态传感器件。

Description

拉力传感纤维、纱线、织物及拉力传感纤维制备方法
技术领域
本申请涉及纤维技术领域，具体涉及一种拉力传感纤维、纱线、织物以及拉力传感纤维制备方法。
背景技术
随着科技的飞速发展，人们对生活水平的需求也越来越高，这使得日常中必不可少的纺织品正朝着智能可穿戴方向发展，因此可穿戴智能纤维及其织物也受到了广泛研究。力作为一种伴随着运动产生的重要指标，催生了可穿戴拉力传感纤维织物的研究和发展，高弹性的纤维、纱线及织物又以其优异的机械特性拥有更广泛的应用价值。本专利具体涉及一种可穿戴高弹拉力传感纤维、纱线及其织物，该纤维、纱线及其织物可以应用于生理指标监测、运动检测、人机交互、电子皮肤等领域。现有的拉力传感纤维或织物的制备工艺或结构要应用于宏量制造的日常可穿戴传感织物都存在一定的局限性。
中国发明专利CN109355715A公开了一种柔性可拉伸的多模式传感器及其制备方法，该专利采用静电纺丝技术将碳纳米管/聚合物复合纳米纤维包覆在弹性导电芯纱表面制备纳米纤维包芯纱。中国发明专利CN109431460A公开了一种柔性高伸缩的具有褶皱结构的应力传感器，采用相似的静电纺丝技术制备纳米纤维包芯纱，并通过原位液相聚合方法在包芯纱的壳层纳米纤维表面聚合包覆一层导电聚合物聚吡咯，最后在纱线表面涂覆一层带有导电铜丝的凝胶膜。中国发明专利CN107858780A公开了一种高强度高弹性弹簧状纤维束制备方法，利用静电纺丝和加捻技术，并在制备过程中添加相应的塑化剂，可用于拉伸传感器。中国发明专利CN108560250A公开了一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用，该导电纤维采用静电纺丝技术在弹性纱线表面包覆一层聚合物纳米纤维膜，然后金属纳米线通过多次浸涂而沉积在其表面结构上。但是，基于静电纺丝技术制备的拉力传感纱线，工艺较为复杂，宏量生产成本高，耐用性较差难以抵挡日常织物的摩擦损伤。
中国发明专利CN107287684A公开了一种高拉伸高灵敏柔性力敏传感纤维及其制备方法，该专利采用湿法纺丝制备具有高度取向的1D/2D杂化网络的弹性复合纤维，将该纤维置于金属前驱体溶液中进行充分溶胀，再置于还原性蒸汽中还原，将金属前驱体还原为零维(0D)的金属纳米粒子，进而制备基于0D/1D/2D三维协同网络的柔性力敏传感纤维。中国发明专利CN109735953A公开了一种同轴湿法纺丝技术制备TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维和可穿戴应力传感应用。但是，采用湿法纺丝制备的拉力传感纤维，难以构建更加复杂的结构或引入连续纤维材料，对结构和材料的进一步改善造成一定困难。
中国发明专利CN110361119A公开了一种复合微结构的柔性应力传感器及其制备方法，将弹性绳浸入导电纳米材料的分散液中。中国发明专利CN106787931A本发明公开了一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及制备方法，采用缠裹的方法，利用介电常数不同的高分子材料作为摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极。美国发明专利US12288308A公开了一种用于测量平面内单向应变的织物应变传感器，该传感器包括导电粒子或纤维的混合物和弹性体基体，将其涂覆于弹性织物基材上。但是，采用浸涂包裹的方法制备拉力传感织物一方面容易脱落，耐用性耐磨性较差，使用寿命受到限制，另一方面其工艺耗时较久，制备周期长。
美国发明专利US201816202399A公开了一种包括金属-纳米合金-碳纳米材料复合材料的导电纤维，采用湿法纺丝制备应变传感器，但是这种方式不能制备具有复杂结构的功能纤维。此外，上述制备工艺所制备的拉力传感纤维、纱线和织物均未涉及抗其它因素干扰的效果。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种拉力传感纤维，具有优异传感性能，同时兼备日常可穿戴的舒适性、耐磨性、柔性等特点。其制备工艺简单、丝径可控、结构独特且稳定。通过材料和结构的调控，本申请所述的拉力传感纤维还可以具有抗其它因素(温度、湿度等)干扰的特点，通过纺织技术与其它传感纤维结合，实现可穿戴多模态传感器件。
本申请的技术方案如下：
1、一种拉力传感纤维，其特征在于，包括拉力感知层，所述拉力感知层包括聚合物材料和导电材料，以在所述拉力感知层中所占的质量百分比计，所述导电材料为0.01％-50％，优选为1％-20％，所述聚合物材料为50％-99.99％，优选为90％-99％。
2、根据项1所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、聚氨酯、氟树脂改性的聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃类共聚物、环烯烃聚合物、聚偏氟乙烯、聚亚苯基砜树脂、聚醚砜树脂、聚乙烯亚胺、聚乙二醇、聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚甲醛、聚苯醚、聚对苯二甲酸丙二酯、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚偏二氯乙烯树脂、醋酸乙烯酯树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯醇缩乙醛、聚酯和间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物、丙烯酸酯共聚物中的一种或两种以上，优选为苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物或聚氨酯。
3、根据项1所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述导电材料选自碳纳米管、炭黑、碳纤维、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS、聚吡咯、聚苯胺、金纳米线/颗粒、银纳米线/颗粒、铜纳米线/颗粒、铁纳米线/颗粒等金属纳米材料中的一种或两种以上，优选为石墨烯和/或Mxene。
4、根据项3所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述导电材料为石墨烯和Mxene，且所述石墨烯与Mxene的质量比为1：(0.2-5)，优选为1：(1-3)，更优选为1:2.5。
5、根据项1所述的拉力传感纤维，其特征在于，在所述拉力感知层的表面还设置有疏水层，所述疏水层包括疏水聚合物材料，所述拉力感知层与所述疏水层的厚度比为1：(0.2-10)。
6、根据项5所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述疏水材料选自派瑞林、氟碳蜡、氟树脂、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯衍生物、聚二甲基硅氧烷衍生物、聚氨酯衍生物、聚酰亚胺衍生物、聚氯乙烯衍生物、聚对苯二甲酸乙二醇酯衍生物、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡等合成高分子熔体聚合物，硅氧烷材料等有机-无机杂化材料中的一种或两种以上，优选为聚二甲基硅氧烷、派瑞林或氟树脂。
7、根据项1或5所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述拉力感知层内设置有至少一个导电芯层，所述导电芯层包括电极材料，所述导电芯层直径10μm-150μm，优选为10μm-50μm。
8、根据项7所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述电极材料选自金属丝、金属纱线、碳质材料、电聚合物材料、表面涂覆有金属、碳质材料、电聚合物材料的合成纤维、表面涂覆有金属、碳质材料、电聚合物材料的天然纤维或液态金属材料中的一种或两种以上。
9、根据项8所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述金属丝选自铜丝、钨丝、镍铬丝、不锈钢丝、铂丝、钼丝、金丝或银丝；
所述金属纱线选自不锈钢纱、铁纤维纱、铜纱或银纱；
所述碳质材料选自碳纳米管、炭黑、碳纤维或石墨烯或Mxene；
所述电聚合物材料选自PEDOT:PSS、聚吡咯、聚苯胺；
所述表面涂覆有金属的合成纤维选自涂有金、银、镍及其合金、碳纳米管、炭黑、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS的涤纶纤维、氨纶纤维、腈纶纤维、锦纶纤维、聚丙烯纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、丙烯酸纤维或聚酯纤维；
所述表面涂覆有金属的天然纤维选自涂有金、银、镍及其合金、碳纳米管、炭黑、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS的棉、羊毛、亚麻、丝绸纤维；
所述液态金属材料选自镓铟合金或镓铟锡合金。
10、根据项7-9任一项所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述拉力感知层内设置有多个导电芯层时，多个所述导电芯层沿所述拉力感知层的轴向离散设置。
11、根据项10所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述拉力传感纤维的截面选自三角形、矩形、圆形、多边形、不规则形状中的至少一种。
12、根据项10所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述拉力传感纤维的直径为1μm-3000μm，优选为50μm-1000μm，进一步优选为500μm；
所述拉力传感纤维的拉力传感灵敏度在范围1-500，优选为10-500；
所述拉力传感纤维的最大拉伸比为0％-3000％，优选为300％-1000％。
13、一种根据项1-12任一项所述的拉力传感纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备拉力感知复合母料；
将所述拉力感知复合母料制备成拉力感知预制棒；
将所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维。
14、根据项13所述的制备方法，其特征在于，所述拉力感知复合母料包括聚合物材料和导电材料，以在所述拉力感知复合母料中所占的质量百分比计，所述导电材料的含量为0.01％-50％，优选为1％-20％，所述聚合物材料的含量为50％-99.99％，优选为90％-99％。
15、根据项13所述的制备方法，其特征在于，所述拉力感知复合母料通过物理共混法或者物理/化学共混法或者溶液共混法制备。
16、根据项11所述的制备方法，其特征在于，制备所述拉力感知预制棒的方法选自热压法、套管法、薄膜卷绕法、热固法、熔融挤出法、3D打印以及机械抛光切割法中的至少一种；
将所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝的温度为25℃-600℃，拉制速度为0.1m/min-5000m/min。
17、根据项11所述的制备方法，其特征在于，在所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之前还包括，
制备中空的疏水层预制棒，
将所述拉力感知预制棒套入疏水层预制棒内。
18、根据项17所述的制备方法，其特征在于，所述拉力感知预制棒套入疏水层预制棒内后进行热软化拉丝，得到带有疏水层的拉力传感纤维。
19、根据项11所述的制备方法，其特征在于，在所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之后还包括，将所述拉力传感纤维涂覆一层疏水涂层，得到带有疏水层的拉力传感纤维。
20、根据项11-19任一项所述的制备方法，其特征在于，所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之前还包括，将一根或两根以上的导电丝沿所述拉力感知预制棒的轴向贯穿所述拉力感知预制棒。
21、根据项11-19任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之前还包括，将液态电极材料注入到所述拉力感知预制棒中。
22、根据项11-19任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之后还包括，将液态电极材料注入到拉力传感纤维中。
23、一种拉力传感纱线，其特征在于，包括纱线和项1-10任一项所述的拉力传感纤维，所述纱线与所述拉力传感纤维通过包缠或加捻连接为一体。
24、根据项23所述的拉力传感纱线，其特征在于，所述纱线缠绕在所述拉力传感纤维的表面形成芯包结构，所述拉力传感纤维为芯层，所述纱线为包层。
25、根据项23或24所述的拉力传感纱线，其特征在于，所述纱线选自合成化纤、天然纤维、金属长丝、金属纱线、碳质材料、导电聚合物、表面涂覆有导电材料的合成纤维、表面涂覆有导电材料的天然纤维中的一种或两种以上。
26、根据项24所述的拉力传感纱线，其特征在于，所述合成化纤选自涤纶短纤、氨纶短纤、腈纶短纤、芳纶短纤、锦纶短纤、丙烯酸短纤、聚丙烯短纤、聚酯短纤、尼龙短纤、聚偏氟乙烯短纤以及聚四氟乙烯短纤中的一种或两种以上，优选为聚偏氟乙烯短纤、聚四氟乙烯短纤、氨纶短纤中的一种或两种以上；
所述天然纤维选自羊绒短纤、亚麻短纤以及棉短纤中的一种或两种以上，优选为亚麻短纤或棉短纤；
所述金属纱线选自铜丝、钨丝、镍铬丝、不锈钢丝、铂丝、钼丝、不锈钢纱、铁纱、银纱及其合金丝中的一种或两种以上，优选为铜丝或不锈钢丝；
所述碳质材料选自碳纳米管、炭黑、碳纤维、石墨烯以及Mxene中的一种或两种以上，优选为碳纳米管、石墨烯或Mxene的一种或两种以上；
所述导电聚合物选自PEDOT:PSS、聚吡咯以及聚苯胺中的一种或两种以上，优选为PEDOT：PSS；
所述表面涂覆有导电材料的合成纤维选自涂有金、银、镍及其合金、碳纳米管、炭黑、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS的涤纶纤维、氨纶纤维、腈纶纤维、锦纶纤维、聚丙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、丙烯酸纤维以及聚酯纤维中的一种或两种以上，优选为涂有银的氨纶纤维或芳纶纤维；
所述表面涂覆有金属导电材料天然纤维选自涂有金、银、镍及其合金、碳纳米管、炭黑、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS的棉、羊毛、亚麻以及丝绸纤维中的一种或两种以上，优选为涂有银的棉、亚麻或丝绸纤维。
27、一种拉力传感纱线，其特征在于，包括至少两根项1-10任一项所述的拉力传感纤维，多根所述拉力传感纤维加捻或缠绕连接为一体。
28、一种拉力传感织物，其特征在于，包括项23-27任一项所述的拉力传感纱线和/或项1-10任一项所述的拉力传感纤维。
29、一种分布式拉力传感织物器件，其特征在于，所述分布式拉力传感织物器件包括拉力传感织物，模数转换器，电源，蓝牙发射器，微型处理器等模块，所述拉力传感织物为项28所述拉力传感织物。
30、根据项29所述的分布式拉力传感织物器件，其特征在于，所述分布式拉力传感织物器件中拉力传感纤维的纵向间距为不小于10μm，优选10μm～50cm，横向间距为不小于10μm，优选10μm～50cm。
31、根据项29所述的分布式拉力传感织物器件，其特征在于，所述分布式拉力传感织物器件的空间精度为不小于0.01mm-2，优选为0.01mm-2-2500cm-2。
根据本申请所述的拉力传感纤维，所述拉力传感层中含有导电材料可以排除温度因素对所述纤维的干扰。
根据本申请所述的拉力传感纤维，所述拉力传感层的外部设置的疏水层，可以排除湿度因素对所述纤维的干扰，从而达到最佳的传感效。；
根据本申请所述的拉力传感纤维，通过简单热软化拉伸工艺、一次成型、丝径可控，可制备大批量长丝，适用于工业加工生产。
根据本申请所述的拉力传感纤维，可以制备拉力传感纱线，通过纺纱编织工艺制备柔软、高弹的织物，实现织物的高像素分布式传感阵列结构，可满足智能设备的织物化可穿戴需求。
具体实施方式
以下对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
本申请提供一种拉力传感纤维，包括拉力感知层，所述拉力感知层包括聚合物材料和导电材料，以在所述拉力感知层中所占的质量百分比计，所述导电材料的含量为0.01％-50％，优选为1％-20％，所述聚合物材料的含量为50％-99.99％，优选为90％-99％。
在具体实施方式中，以在所述拉力感知层中所占的质量百分比计，所述导电材料的含量可以为0.01％、0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％、0.5％、0.55％、0.6％、0.65％、0.7％、0.75％、0.8％、0.85％、0.9％、0.95％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、5％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％或50％。
在具体实施方式中，以在所述拉力感知层中所占的质量百分比计，所述聚合物材料的含量可以为99.99％、99.95％、99.9％、99.85％、99.8％、99.75％、99.7％、99.65％、99.6％、99.55％、99.5％、99.45％、99.4％、99.35％、99.3％、99.25％、99.2％、99.15％、99.1％、99.05％、99％、98.5％、98％、97.5％、97％、96.5％、96％、95.5％、95％、94.5％、94％、93.5％、93％、92.5％、92％、91.5％、91％、90.5％、90％、89％、88％、87％、86％、85％、84％、83％、82％、81％、80％、79％、78％、77％、76％、75％、74％、73％、72％、71％、70％、69％、68％、67％、66％、65％、64％、63％、62％、61％、60％、59％、58％、57％、56％、55％、54％、53％、52％、51％或50％。
在本申请中，所述拉力感知母料由所述聚合物材料和导电材料制成。
所述导电材料的含量为0.01％-50％，优选为1％-10％，所述聚合物材料的含量为50％-99.99％，优选为90％-99％。
在本申请中，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、聚氨酯、氟树脂改性的聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃类共聚物、环烯烃聚合物、聚偏氟乙烯、聚亚苯基砜树脂、聚醚砜树脂、聚乙烯亚胺、聚乙二醇、聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚甲醛、聚苯醚、聚对苯二甲酸丙二酯、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚偏二氯乙烯树脂、醋酸乙烯酯树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯醇缩乙醛、聚酯和间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物、丙烯酸酯共聚物中的一种或两种以上，优选为苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物或聚氨酯。
在本申请中，所述导电材料选自碳纳米管、炭黑、碳纤维、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS、聚吡咯、聚苯胺、金纳米线/颗粒、银纳米线/颗粒、铜纳米线/颗粒、铁纳米线/颗粒等金属纳米材料中的一种或两种以上，优选为石墨烯和/或Mxene。
在本申请中，所述导电材料可以为石墨烯和Mxene，且所述石墨烯与Mxene的质量比为1：(0.2-5)，优选为1：(1-3)，更优选为1:2.5。通过共混方法构筑最佳电阻温度系数(TCR)的MXene/石墨烯复合导电材料。
所述石墨烯与Mxene的质量比可以为1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5或1:5。
在本申请中，所述导电材料可以由石墨烯和Mxene组成，且所述石墨烯与Mxene的质量比为1：(0.2-5)，优选为1：(1-3)，更优选为1:2.5。
在本申请中，所述拉力感知层的直径为50-1000μm，优选为50-500μm。所述拉力感知层的直径可以为50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm或1000μm。
在本申请中，在所述拉力感知层的表面还设置有疏水层，所述疏水层包括疏水聚合物材料，以在所述疏水层中所占的质量百分比计，所述拉力感知层的厚度与所述疏水层的厚度比为1：(0.2-10)。
在本申请中，所述所述拉力感知层的厚度与所述疏水层的厚度比可以为1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5、1:8、1:8.5、1:9、1:9.5、1:10。
在本申请中，所述疏水层由疏水聚合物材料制成。
所述拉力传感层外部设置疏水层，可以排除湿度因素对所述纤维的干扰，从而达到最佳的传感效果。
在本申请中，所述疏水材料选自派瑞林、氟碳蜡、氟树脂、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯衍生物、聚二甲基硅氧烷衍生物、聚氨酯衍生物、聚酰亚胺衍生物、聚氯乙烯衍生物、聚对苯二甲酸乙二醇酯衍生物、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡等合成高分子熔体聚合物，硅氧烷材料等有机-无机杂化材料中的一种或两种以上，优选为聚二甲基硅氧烷、派瑞林或氟树脂
在具体的实施方式中，所述拉力感知纤维为芯包结构，所述疏水层为包层，所述拉力感知层为芯层，所述芯层由MXene、石墨烯和苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物制成，聚合物材料(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物)与导电材料(MXene和石墨烯)的质量比为8：100，所述包层的材料为氟树脂。(制备所述拉力感知纤维时将包层聚合物材料(氟树脂)做成空心管套预制棒，将芯层材料制成实心预制棒，然后将芯层的实心预制棒套入包层的空心管套预制棒上后热固化或者将包层聚合物材料热压成膜卷在芯棒表面。)。
在本申请中，所述拉力感知层内设置有至少一个导电芯层，所述导电芯层包括电极材料，所述导电芯层的直径为10μm-150μm，优选为10μm-50μm。
在本申请中，所述导电芯层的直径可以为10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm、150μm。
在本申请中，所述电极材料选自金属丝、金属纱线、碳质材料、电聚合物材料、表面涂覆有金属、碳质材料、电聚合物材料的合成纤维、表面涂覆有金属、碳质材料、电聚合物材料的天然纤维或液态金属材料中的一种或两种以上，优选为金属纱线或碳质材料或液态金属
在本申请中，所述金属丝选自铜丝、钨丝、镍铬丝、不锈钢丝、铂丝、钼丝或银丝，优选为铜丝或不锈钢丝；
所述金属纱线选自不锈钢纱、铁纤维纱、铜纱或银纱，优选为不锈钢纱；
所述碳质材料选自碳纳米管、炭黑、碳纤维或石墨烯或Mxene，优选为碳纤维；
所述电聚合物材料选自PEDOT:PSS、聚吡咯、聚苯胺，优选为PEDOT:PSS；
所述表面涂覆有金属的合成纤维选自涂有金、银、镍及其合金、碳纳米管、炭黑、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS的涤纶纤维、氨纶纤维、腈纶纤维、锦纶纤维、聚丙烯纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、丙烯酸纤维或聚酯纤维，优选为涂有银的氨纶纤维或芳纶纤维；所述表面涂覆有金属的天然纤维选自涂有金、银、镍及其合金、碳纳米管、炭黑、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS的棉花、羊毛、亚麻、丝绸纤维，优选为涂有银的棉，亚麻或丝绸纤维；
所述液态金属材料选自镓铟合金或镓铟锡合金。
在本申请中，所述导电芯层由电极材料制成。
在本申请中，所述拉力感知层内设置有多个导电芯层时，多个所述导电芯层沿所述拉力感知层的轴向离散设置。
本申请还提供一种拉力传感纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制备拉力感知复合母料；
步骤二：将所述拉力感知复合母料制备成拉力感知预制棒；
步骤三：将所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维。
所述拉力感知复合母料中包括聚合物材料和导电材料，以在所述拉力感知层中所占的质量百分比计，所述导电材料的含量为0.01％-50％，优选为1％-20％，所述聚合物材料的含量为50％-99.99％优选为90％-99％。
此处通过拉力感知复合母料制备的拉力传感纤维仅包括拉力感知层。
在本申请中，所述拉力感知复合母料通过物理共混法或者物理/化学共混法或者溶液共混法制备。
在具体实施方式中，物理共混法为通过螺杆挤出机在加热熔融条件下将聚合物材料、导电材料混合均匀，从而制备所述拉力感知复合母料。
在具体实施方式中，物理/化学共混法是在物理共混的基础上会发生一些化学聚合反应，导电材料不参与化学反应，进而增强聚合物物理特性从而制备所述拉力感知复合母料。
在具体实施方式中，溶液共混法是通过采用化学试剂将聚合物材料充分溶解成溶液，接着加入导电材料通过超声或者磁力搅拌器等手段分散均匀，聚合物材料和导电材料不与化学试剂反应。进而除去化学试剂，从而制备所述拉力感知复合母料。
在本申请中，所述拉力感知预制棒的截面选自三角形、矩形、圆形、多边形以及不规则形状中的至少一种。包括但不仅限于此。
在本申请中，所述拉力传感纤维的直径为1μm-3000μm，优选为50μm-1000μm，进一步优选为500μm。
所述拉力传感纤维的直径可以为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm、1000μm、1500μm、2000μm、2500μm或3000μm。
在本申请中，制备所述拉力感知预制棒的方法选自热压法、套管法、薄膜卷绕法、热固法、熔融挤出法、3D打印以及机械抛光切割中的至少一种。
在本申请中，将所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝的温度范围为25℃-600℃，拉制速度为0.1m/min-5000m/min。
在本申请中，所述拉力传感纤维的拉力传感灵敏度(GF＝(ΔR/R0)/ε)在范围1-500，优选为10-500。
GF是灵敏度(guage factor)ΔR代表电阻变化率，R0是初始电阻，ε是纤维形变量(％)。
所述拉力传感纤维的最大拉伸比为0％-3000％，优选为300％-1000％。
最大拉伸比为：将拉力传感纤维进行拉伸，所述纤维能够拉伸的最大长度与原来长度的比值。拉力传感纤维的最大拉伸比越大，所述拉力传感纤维的拉伸性能越好。
在本申请中的一个实施方式为：在所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之前还包括，
制备中空的疏水层预制棒，
将所述拉力感知预制棒套入疏水层预制棒内。
所述拉力感知预制棒套入疏水层预制棒内后进行热软化拉丝，得到带有疏水层的拉力传感纤维。
在本申请中的另一个实施方式为：在所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之后还包括，将所述拉力传感纤维涂覆一层疏水涂层，得到带有疏水层的拉力传感纤维。
在本申请中的一个实施方式为：所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之前还包括，将一根或两根以上的导电丝沿所述拉力感知预制棒的轴向贯穿所述拉力感知预制棒，从而最终可以得到带有导电芯层的拉力传感纤维。
在本申请中的另一个实施方式中，在所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之前还包括，将液态电极材料注入到所述拉力感知预制棒中，从而最终可以得到带有导电芯层的拉力传感纤维。
在本申请中的另一个实施方式中，在所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝之后还包括，将液态电极材料注入到拉力传感纤维中，从而最终可以得到带有导电芯层的拉力传感纤维。
在本申请中上述几种方式可以任意组合，可以得到带有疏水层、导电芯层的拉力传感纤维。
本申请还提供一种拉力传感纱线，包括纱线和所述拉力传感纤维，所述纱线与所述拉力传感纤维通过包缠或加捻连接为一体。所述拉力传感纱线中可以有一根或多跟纱线和一个或多跟拉力传感纤维。所述拉力传感纱线中的纱线数量以及拉力传感纤维的数量可以根据实际需要来确定。
在本申请中，所述纱线缠绕在所述拉力传感纤维的表面形成芯包结构，所述拉力传感纤维为芯层，所述纱线为包层。所述纱线为包芯纱结构。采用这样的设计，对拉力传感纤维的表面进行包纱可以提高该包芯纱做成的织物的舒适性(透气率可达200～800mm/s、透湿率可达200～600g/(m2·h)、PhabrOmeter织物柔软度值<80)。
在本申请中，所述纱线选自合成化纤、天然纤维、金属长丝、金属纱线、碳质材料、导电聚合物、表面涂覆有金属导电材料合成纤维、表面涂覆有金属导电材料天然纤维中的一种或两种以上。
在本申请中，所述合成化纤选自涤纶短纤、氨纶短纤、腈纶短纤、芳纶短纤、锦纶短纤、丙烯酸短纤、聚丙烯短纤、聚酯短纤、尼龙短纤、聚偏氟乙烯短纤以及聚四氟乙烯短纤中的一种或两种以上，优选为聚偏氟乙烯短纤、聚四氟乙烯短纤、氨纶短纤中的一种或两种以上；
所述天然纤维选自羊绒短纤、亚麻短纤以及棉短纤中的一种或两种以上，优选为亚麻短纤或棉短纤；
所述金属纱线选自铜丝、钨丝、镍铬丝、不锈钢丝、铂丝、钼丝、不锈钢纱、铁纱、银纱及其合金丝中的一种或两种以上，优选为不锈钢纱；
所述碳质材料选自碳纳米管、炭黑、碳纤维、石墨烯以及Mxene中的一种或两种以上，优选为碳纤维；
所述导电聚合物选自PEDOT:PSS、聚吡咯以及聚苯胺中的一种或两种以上，优选为PEDOT:PSS；
所述表面涂覆有金属导电材料合成纤维选自涂有金、银、镍及其合金的涤纶纤维、氨纶纤维、腈纶纤维、锦纶纤维、聚丙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、丙烯酸纤维以及聚酯纤维中的一种或两种以上，优选为涂有银的氨纶纤维或芳纶纤维；
所述表面涂覆有金属导电材料天然纤维选自涂有金、银、镍及其合金的棉花、羊毛、亚麻以及丝绸纤维中的一种或两种以上，优选为涂有银的棉，亚麻或丝绸纤维。
本申请提供一种拉力传感纱线，包括至少两根所述拉力传感纤维，多根所述拉力传感纤维加捻或缠绕连接为一体。采用这样的设计，可以对扭转力及按压力进行测量，从而赋予纱线本身更多的力感知功能。
本申请提供一种拉力传感织物，包括项所述拉力传感纱线和/或所述的拉力传感纤维。
所述拉力传感纱线和/或所述的拉力传感纤维经编、纬编、梭织等机织方式，错针绣、乱针绣、网绣、满地绣、锁丝、纳丝、纳锦、平金、影金、盘金、铺绒、刮绒、戳纱、洒线、挑花等刺绣方式，平针、螺纹、双反面等针织方式，团锦结、盘长结、吉祥结、万字结、八字结、平结、蛇结等编绳方式得到所述拉力传感织物。
本申请提供一种分布式拉力传感织物器件，所述分布式拉力传感织物器件包括拉力传感织物，模数转换器，电源，蓝牙发射器，微型处理器等模块。
通过将所述拉力传感织物中的导电芯层连接至模数转换模块进行模数转换后，微型处理器进行数据处理后，经由蓝牙传输模块发射数据至终端设备，其中电源为模数转换器，蓝牙传输模块，微型处理器供电。
所述分布式拉力传感织物器件，通过受到拉力后，织物中横向纵向拉力传感纱线发生形变，电阻的大小变化体现拉力的大小，从而实现分布式拉力传感。
在本申请中，所述分布式拉力传感织物器件中拉力传感纤维的纵向间距为最小可达10μm，优选10μm～50cm，横向间距为最小可达10μm，优选10μm～50cm。
在本申请中，所述分布式拉力传感织物器件的空间精度为最小可达0.01mm-2，优选为0.01mm-2-2500cm-2。
空间精度指的是最小的传感单元传感面积，根据拉力传感纤维在织物中分布的密度，纤维间距约小，传感点密度越大，传感的空间精度越小，传感性能越高像素。
实施例
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊要求，均为常规方法。
下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1(石墨烯5wt％)
制备无电极拉力感知纤维，具体的操作步骤如下：
步骤一：制备拉力感知复合母料
(1)量取苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)颗粒99.5g、环己烷200mL、石墨烯0.5g。
(2)将SEBS和环己烷加入烧杯混合，置于磁力搅拌器上，80℃水浴加热搅拌，直至颗粒充分溶解，得到SEBS和环己烷的均匀混合溶液。
(3)在混合溶液中加入石墨烯，经磁力搅拌器搅拌后置于超声器中超声分散15min，得到苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)、石墨烯、环己烷混合溶液。
(4)将混合溶液倒入锡箔纸折叠的20cm×20cm×2cm(长×宽×高)的容器中进行干燥。在通风橱中风干24小时后，再放入鼓风干燥箱或真空干燥箱在70℃温度下干燥48小时。
(5)将干燥的混合样品用剪刀切碎至长和宽均小于8mm的块状，放入干燥箱备用，即得到拉力感知复合母料，在所述拉力感知复合母料中石墨烯的质量分数为0.5％。
步骤二：所述拉力感知复合母料制备拉力感知预制棒(热压法)
(1)准备一个不锈钢半圆柱模具凹槽，大小为φ20mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(2)将所述拉力感知复合母料放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定180℃。
(3)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(4)将模具取出，继续加入所述拉力感知复合母料，重复上述步骤，直至成型。
(5)重复所有步骤，得到两个半圆柱预制棒，将其合并为一个完整的圆柱预制棒，并用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒，所述预制棒致密均匀。
步骤三：拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维
(1)将上述拉力感知预制棒固定在钻台的夹具中，在预制棒下端3mm处径向打孔，孔径根据钻头大小决定，直径为1.5mm。
(2)将预制棒固定在送棒装置上，预制棒的下端径向穿入金属丝，在金属丝下端固定20g砝码。
(3)打开加热炉，上温区温度设定为185℃，下温区温度设定为285℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。
(4)预制棒加热软化后，料头下落，依次经过测径仪，牵引轴，收丝装置，设定送棒速度为0.1mm/min，稳定收丝速度0.16m/min，由此得到丝径为500μm的拉力感知纤维。
实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2中的导电材料采用MXene替换实施例1中的石墨烯，各项参数见表1。
实施例3与实施例1的不同之处在于，实施例3中的导电材料采用石墨烯和MXene代替石墨烯，其中石墨烯：MXene＝1：2.5，各项参数见表1。
实施例4与实施例1的不同之处在于，SEBS以及石墨烯的含量不同，各项参数见表1。
实施例5与实施例4的不同之处在于，实施例5中的导电材料采用MXene替换实施例4中的石墨烯，各项参数见表1。
实施例6与实施例4的不同之处在于，实施例6中的导电材料采用石墨烯和MXene代替石墨烯，其中石墨烯：MXene＝1：2.5，各项参数见表1。
实施例7(石墨烯：MXene＝1：2.5，8wt％，疏水层为氟树脂)
制备无电极，疏水层为氟树脂的拉力感知纤维，具体的操作步骤如下：
步骤一：制备拉力感知复合母料
(1)量取苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)颗粒92g、环己烷200mL、石墨烯2.29g，MXene 5.71g。
(2)将SEBS和环己烷加入烧杯混合，置于磁力搅拌器上，80℃水浴加热搅拌，直至颗粒充分溶解，得到SEBS和环己烷的均匀混合溶液。
(3)在混合溶液中加入石墨烯和MXene，经磁力搅拌器搅拌后置于超声器中超声分散15min，得到苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)、石墨烯、MXene、环己烷混合溶液。
(4)将混合溶液倒入锡箔纸折叠的20cm×20cm×2cm(长×宽×高)的容器中进行干燥。在通风橱中风干24小时后，再放入鼓风干燥箱或真空干燥箱在70℃温度下干燥48小时。
(5)将干燥的混合样品用剪刀切碎至长和宽均小于8mm的块状，放入干燥箱备用，即得到拉力感知复合母料，在所述拉力感知复合母料中，石墨烯和MXene的总的质量分数为8％。
步骤二：所述拉力感知复合母料制备拉力感知预制棒(热压法)
(1)准备一个不锈钢半圆柱模具凹槽，大小为φ20mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(2)将所述拉力感知复合母料放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定180℃。
(3)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(4)将模具取出，继续加入所述拉力感知复合母料，重复上述步骤，直至成型。
(5)重复所有步骤，得到两个半圆柱预制棒，将其合并为一个完整的圆柱预制棒，并用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒的芯棒，所述芯棒致密均匀。
(6)准备一个不锈钢正方形模具凹槽，大小为25mm×25mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(7)将氟树脂颗粒放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定160℃。
(8)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(9)将模具取出，继续加入氟树脂颗粒，重复上述步骤，直至成型，得到一个完整的矩形预制棒，将预制棒机械加工为外径24mm，内径20mm的空心管，即拉力感知预制棒的包层。
(10)将步骤(9)得到的预制棒的包层套管在步骤(5)得到的拉力感知预制棒的芯棒外后，表面用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒。
步骤三：拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维
(1)将上述拉力感知预制棒固定在钻台的夹具中，在预制棒下端3mm处径向打孔，孔径根据钻头大小决定，直径为1.5mm。
(2)将预制棒固定在送棒装置上，预制棒的下端径向穿入金属丝，在金属丝下端固定20g砝码。
(3)打开加热炉，上温区温度设定为185℃，下温区温度设定为285℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。
(4)预制棒加热软化后，料头下落，依次经过测径仪，牵引轴，收丝装置，设定送棒速度为0.1mm/min，稳定收丝速度0.16m/min，由此得到丝径为500μm的抗干扰拉力感知纤维。
实施例8与实施例7的不同之处在于，疏水层的材料采用派瑞林代替氟树脂，各项参数见表1。
实施例9与实施例7的不同之处在于，疏水层的材料采用聚二甲基硅氧烷代替氟树脂，各项参数见表1。
实施例10(石墨烯：MXene＝1：2.5，8wt％；导电芯层为不锈钢纱线)
制备中心不锈钢纱线电极的拉力感知纤维，具体的操作步骤如下：
步骤一：制备拉力感知复合母料
(1)量取苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)颗粒92g、环己烷200mL、石墨烯2.29g，MXene 5.71g。
(2)将SEBS和环己烷加入烧杯混合，置于磁力搅拌器上，80℃水浴加热搅拌，直至颗粒充分溶解，得到SEBS和环己烷的均匀混合溶液。
(3)在混合溶液中加入石墨烯和MXene，经磁力搅拌器搅拌后置于超声器中超声分散15min，得到苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)、石墨烯、MXene、环己烷混合溶液。
(4)将混合溶液倒入锡箔纸折叠的20cm×20cm×2cm(长×宽×高)的容器中进行干燥。在通风橱中风干24小时后，再放入鼓风干燥箱或真空干燥箱在70℃温度下干燥48小时。
(5)将干燥的混合样品用剪刀切碎至长和宽均小于8mm的块状，放入干燥箱备用，即得到拉力感知复合母料，在所述拉力感知复合母料中，石墨烯和MXene的总的质量分数为8％。
步骤二：所述拉力感知复合母料制备拉力感知预制棒(热压法)
(1)准备一个不锈钢半圆柱模具凹槽，大小为φ20mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(2)将所述拉力感知复合母料放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定180℃。
(3)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(4)将模具取出，继续加入所述拉力感知复合母料，重复上述步骤，直至成型。
(5)重复所有步骤，得到两个半圆柱预制棒，将其合并为一个完整的圆柱预制棒，并用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒，所述预制棒致密均匀。
步骤三：拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维
(1)将上述拉力感知预制棒固定在钻台的夹具中，在预制棒横截面中心处沿轴向进行贯彻打孔，同时在预制棒下端3mm处径向打孔，孔径根据钻头大小决定，直径为1.5mm。
(2)将预制棒固定在送棒装置上，将一卷直径为50μm左右的不锈钢纱线固定在预制棒上端并将线从预制棒中心孔穿过，预制棒的下端径向穿入金属丝，在打结后的金属丝和不锈钢线头下端固定20g砝码。
(3)打开加热炉，上温区温度设定为185℃，下温区温度设定为285℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。
(4)预制棒加热软化后，料头下落，依次经过测径仪，牵引轴，收丝装置，设定送棒速度为0.1mm/min，稳定收丝速度0.16m/min，由此得到丝径为500μm的抗温度干扰拉力感知纤维。
实施例11与实施例10的不同之处在于，采用镓铟锡合金代替不锈钢纱线，各项参数见表1。
实施例12与实施例10的不同之处在于，采用铜丝代替不锈钢纱线，各项参数见表1。
实施例13(石墨烯：MXene＝1：2.5，8wt％，疏水层为氟树脂，导电芯层为双电极铜丝)
制备双电极，疏水层为氟树脂的拉力感知纤维，具体的操作步骤如下：
步骤一：制备拉力感知复合母料
(1)量取苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)颗粒92g、环己烷200mL、石墨烯2.29g，MXene 5.71g。
(2)将SEBS和环己烷加入烧杯混合，置于磁力搅拌器上，80℃水浴加热搅拌，直至颗粒充分溶解，得到SEBS和环己烷的均匀混合溶液。
(3)在混合溶液中加入石墨烯和MXene，经磁力搅拌器搅拌后置于超声器中超声分散15min，得到苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)、石墨烯、MXene、环己烷混合溶液。
(4)将混合溶液倒入锡箔纸折叠的20cm×20cm×2cm(长×宽×高)的容器中进行干燥。在通风橱中风干24小时后，再放入鼓风干燥箱或真空干燥箱在70℃温度下干燥48小时。
(5)将干燥的混合样品用剪刀切碎至长和宽均小于8mm的块状，放入干燥箱备用，即得到拉力感知复合母料，在所述拉力感知复合母料中，石墨烯和MXene的总的质量分数为8％。
步骤二：所述拉力感知复合母料制备拉力感知预制棒(热压法)
(1)准备一个不锈钢半圆柱模具凹槽，大小为φ20mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(2)将所述拉力感知复合母料放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定180℃。
(3)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(4)将模具取出，继续加入所述拉力感知复合母料，重复上述步骤，直至成型。
(5)重复所有步骤，得到两个半圆柱预制棒，将其合并为一个完整的圆柱预制棒，并用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒芯棒，所述预制棒芯棒致密均匀。
(6)准备一个不锈钢正方形模具凹槽，大小为25mm×25mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(7)将氟树脂颗粒放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定160℃。
(8)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(9)将模具取出，继续加入氟树脂颗粒，重复上述步骤，直至成型，得到一个完整的矩形预制棒，将预制棒机械加工为外径24mm，内径20mm的空心管，即拉力感知预制棒的包层。
(10)将步骤(9)得到的预制棒包层套管在步骤(5)得到的拉力感知预制棒芯棒外后，表面用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒。
步骤三：拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维
(1)将上述拉力感知预制棒固定在钻台的夹具中，在预制棒横截面中心处沿轴向进行贯彻打孔，同时在预制棒下端3mm处径向打孔，孔径根据钻头大小决定，直径为1.5mm。
(2)将预制棒固定在送棒装置上，将一卷直径为50μm左右的不锈钢纱线固定在预制棒上端并将线从预制棒中心孔穿过，预制棒的下端径向穿入金属丝，在打结后的金属丝和不锈钢线头下端固定20g砝码。
(3)打开加热炉，上温区温度设定为185℃，下温区温度设定为285℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。
(4)预制棒加热软化后，料头下落，依次经过测径仪，牵引轴，收丝装置，设定送棒速度为0.1mm/min，稳定收丝速度0.16m/min，由此得到丝径为500μm的抗干扰拉力感知纤维。
实施例14与实施例7的不同之处在于，实施例17采用聚氨酯代替了SEBS，各项参数见表1。
对比例1(石墨烯：MXene＝1：6，55wt％，疏水层为氟树脂)
制备无电极，疏水层为氟树脂的拉力感知纤维，具体的操作步骤如下：
步骤一：制备拉力感知复合母料
(1)量取苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)颗粒45g、环己烷200mL、石墨烯7.86g，MXene 47.14g。
(2)将SEBS和环己烷加入烧杯混合，置于磁力搅拌器上，80℃水浴加热搅拌，直至颗粒充分溶解，得到SEBS和环己烷的均匀混合溶液。
(3)在混合溶液中加入石墨烯和MXene，经磁力搅拌器搅拌后置于超声器中超声分散15min，得到苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)、石墨烯、MXene、环己烷混合溶液。
(4)将混合溶液倒入锡箔纸折叠的20cm×20cm×2cm(长×宽×高)的容器中进行干燥。在通风橱中风干24小时后，再放入鼓风干燥箱或真空干燥箱在70℃温度下干燥48小时。
(5)将干燥的混合样品用剪刀切碎至长和宽均小于8mm的块状，放入干燥箱备用，即得到拉力感知复合母料，石墨烯和MXene的质量分数在55wt.％。
步骤二：所述拉力感知复合母料制备拉力感知预制棒(热压法)
(1)准备一个不锈钢半圆柱模具凹槽，大小为φ20mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(2)将所述拉力感知复合母料放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定180℃。
(3)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(4)将模具取出，继续加入所述拉力感知复合母料，重复上述步骤，直至成型。
(5)重复所有步骤，得到两个半圆柱预制棒，将其合并为一个完整的圆柱预制棒，并用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒芯棒，所述预制棒芯棒致密均匀。
(6)准备一个不锈钢正方形模具凹槽，大小为25mm×25mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(7)将氟树脂颗粒放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定160℃。
(8)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(9)将模具取出，继续加入氟树脂颗粒，重复上述步骤，直至成型，得到一个完整的矩形预制棒，将预制棒机械加工为外径24mm，内径20mm的空心管，即拉力感知预制棒的包层。
(10)将步骤(9)得到的预制棒包层套管在步骤(5)得到的拉力感知预制棒芯棒外后，表面用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒。
步骤三：拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维
(1)将上述拉力感知预制棒固定在钻台的夹具中，在预制棒下端3mm处径向打孔，孔径根据钻头大小决定，直径为1.5mm。
(2)将预制棒固定在送棒装置上，预制棒的下端径向穿入金属丝，在金属丝下端固定20g砝码。
(3)打开加热炉，上温区温度设定为185℃，下温区温度设定为285℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。
(4)预制棒加热软化后，料头下落，依次经过测径仪，牵引轴，收丝装置，设定送棒速度为0.1mm/min，但导电材料掺杂质量比过高，苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)不具有流动性，因此无法从预制棒热拉制形成纤维。
对比例2(石墨烯：MXene＝1：9，8wt％，疏水层为氟树脂)
制备无电极，疏水层为氟树脂的拉力感知纤维，具体的操作步骤如下：
步骤一：制备拉力感知复合母料
(1)量取苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)颗粒92g、环己烷200mL、石墨烯0.80g，MXene 7.20g。
(2)将SEBS和环己烷加入烧杯混合，置于磁力搅拌器上，80℃水浴加热搅拌，直至颗粒充分溶解，得到SEBS和环己烷的均匀混合溶液。
(3)在混合溶液中加入石墨烯和MXene，经磁力搅拌器搅拌后置于超声器中超声分散15min，得到苯乙烯-丁二烯-苯乙嵌共聚物(SEBS)、石墨烯、MXene、环己烷混合溶液。
(4)将混合溶液倒入锡箔纸折叠的20cm×20cm×2cm(长×宽×高)的容器中进行干燥。在通风橱中风干24小时后，再放入鼓风干燥箱或真空干燥箱在70℃温度下干燥48小时。
(5)将干燥的混合样品用剪刀切碎至长和宽均小于8mm的块状，放入干燥箱备用，即得到拉力感知复合母料，石墨烯和MXene的质量分数在8wt.％。
步骤二：所述拉力感知复合母料制备拉力感知预制棒(热压法)
(1)准备一个不锈钢半圆柱模具凹槽，大小为φ20mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(2)将所述拉力感知复合母料放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定180℃。
(3)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(4)将模具取出，继续加入所述拉力感知复合母料，重复上述步骤，直至成型。
(5)重复所有步骤，得到两个半圆柱预制棒，将其合并为一个完整的圆柱预制棒，并用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒芯棒，所述预制棒芯棒致密均匀。
(6)准备一个不锈钢正方形模具凹槽，大小为25mm×25mm×100mm，凹槽用聚四氟乙烯薄膜紧密包裹。
(7)将氟树脂颗粒放进不锈钢模具凹槽中，模具上部先覆盖一层聚四氟乙烯薄膜防止黏连，再覆盖上不锈钢板，平稳置入热压机中，温度设定160℃。
(8)模具先处于1MPa的压力下预热5min，再将加压至5MPa热压10min。
(9)将模具取出，继续加入氟树脂颗粒，重复上述步骤，直至成型，得到一个完整的矩形预制棒，将预制棒机械加工为外径24mm，内径20mm的空心管，即拉力感知预制棒的包层。
(10)将步骤(9)得到的预制棒包层套管在步骤(5)得到的拉力感知预制棒芯棒外后，表面用耐热胶带包裹固定，放入管式炉中设定180℃热固化，得到拉力感知预制棒。
步骤三：拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维
(1)将上述拉力感知预制棒固定在钻台的夹具中，在预制棒下端3mm处径向打孔，孔径根据钻头大小决定，直径为1.5mm。
(2)将预制棒固定在送棒装置上，预制棒的下端径向穿入金属丝，在金属丝下端固定20g砝码。
(3)打开加热炉，上温区温度设定为185℃，下温区温度设定为285℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。
(4)预制棒加热软化后，料头下落，依次经过测径仪，牵引轴，收丝装置，设定送棒速度为0.1mm/min，稳定收丝速度0.16m/min，由此得到丝径为500μm的拉力感知纤维不具有抗温度干扰的功能。
对比例3为西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所(BEBC)李菲教授团队制备的拉力传感纤维Smart Glove Integrated with Tunable MWNTs/PDMSFibers Made ofa One-Step ExtrusionMethod for FingerDexterity,Gesture,andTemperature Recognition https://doi.org/10.1021/acsami.0c08114。
表1为各实施例以及对比例的参数
Figure BDA0003041393860000261
应用例
请提供具体检测方法来检测各实施例的性能，从而进行比较。
拉力灵敏度的具体测试方法为：利用数控电动平移台固定所述拉力传感纤维两端，同时所述拉力传感纤维的两端连接Keithley2450电表测试电阻大小，电机拉伸到特定距离进行不同形变量电阻大小测试，记录数据拟合直线，得到拉力灵敏度。
抗湿度干扰指标(湿度灵敏度)的具体测试方法为：将拉力传感纤维两端连接Keithley2450电表，在不同湿度环境测试电阻大小，记录数据拟合曲线，得到湿度灵敏度。
抗温度干扰指标(拉力灵敏度)的具体测试方法为：将拉力传感纤维两端连接Keithley2450电表，在不同温度环境测试电阻大小，记录数据拟合曲线，得到温度灵敏度。
表2为各项实施例以及对比例的拉力传感纤维的性能
Figure BDA0003041393860000271
小结：由表2可知，相较于实施例1-2，实施例3将石墨烯和MXene按照1:2比例混合复合降低了温度干扰(0.01％℃–1)；相较于实施例1-3，实施例4-6将导电材料浓度上调至8wt％实现了拉力灵敏度的显著提高，但实施例4,5因导电材料浓度的提高，传感功能更易受到温度干扰，而实施例6相较于实施例3，将石墨烯和MXene比例调整至1:2.5混合复合实现了最佳的抗温度干扰功能(1×10-3％℃–1)。实施例7-9相较于实施例6，分别将氟树脂，派瑞林，聚二甲基硅氧烷作为疏水材料，皆实现了最佳的抗湿度干扰(0.01％/％RH)。实施例10-12分别使用了不同的电极材料作为导电芯层，将双根线加捻实现传感，因为没有疏水层所以不具备抗湿度干扰功能。实施例13为拉力感知层中嵌入两根50μm铜丝，外部具有疏水包层，进行传感。实施例14相较于实施例7将聚合物材料换为了聚氨酯，效果基本相同。
尽管以上对本申请的实施方案进行了描述，但本申请并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本申请权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本申请保护之列。

Claims (10)

1.一种拉力传感纤维，其特征在于，包括拉力感知层，所述拉力感知层包括聚合物材料和导电材料，以在所述拉力感知层中所占的质量百分比计，所述导电材料为0.01％-50％，优选为1％-20％，所述聚合物材料为50％-99.99％，优选为90％-99％。
2.根据权利要求1所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、聚氨酯、氟树脂改性的聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃类共聚物、环烯烃聚合物、聚偏氟乙烯、聚亚苯基砜树脂、聚醚砜树脂、聚乙烯亚胺、聚乙二醇、聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚甲醛、聚苯醚、聚对苯二甲酸丙二酯、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚偏二氯乙烯树脂、醋酸乙烯酯树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯醇缩乙醛、聚酯和间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物、丙烯酸酯共聚物中的一种或两种以上，优选为苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物或聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述导电材料选自碳纳米管、炭黑、碳纤维、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS、聚吡咯、聚苯胺、金纳米线/颗粒、银纳米线/颗粒、铜纳米线/颗粒、铁纳米线/颗粒等金属纳米材料中的一种或两种以上，优选为石墨烯和/或Mxene。
4.根据权利要求3所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述导电材料为石墨烯和Mxene，且所述石墨烯与Mxene的质量比为1：(0.2-5)，优选为1：(1-3)，更优选为1:2.5。
5.根据权利要求1所述的拉力传感纤维，其特征在于，在所述拉力感知层的表面还设置有疏水层，所述疏水层包括疏水聚合物材料，所述拉力感知层的厚度与所述疏水层的厚度比为1：(0.2-10)。
6.根据权利要求5所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述疏水材料选自派瑞林、氟碳蜡、氟树脂、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯衍生物、聚二甲基硅氧烷衍生物、聚氨酯衍生物、聚酰亚胺衍生物、聚氯乙烯衍生物、聚对苯二甲酸乙二醇酯衍生物、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡等合成高分子熔体聚合物，硅氧烷材料等有机-无机杂化材料中的一种或两种以上，优选为聚二甲基硅氧烷、派瑞林或氟树脂。
7.根据权利要求1或5所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述拉力感知层内设置有至少一个导电芯层，所述导电芯层包括电极材料，所述导电芯层直径为10μm-150μm，优选为10μm-50μm。
8.根据权利要求7所述的拉力传感纤维，其特征在于，所述电极材料选自金属丝、金属纱线、碳质材料、电聚合物材料、表面涂覆有金属、碳质材料、电聚合物材料的合成纤维、表面涂覆有金属、碳质材料、电聚合物材料的天然纤维或液态金属材料中的一种或两种以上；
优选地，所述金属丝选自铜丝、钨丝、镍铬丝、不锈钢丝、铂丝、钼丝、金丝或银丝；
所述金属纱线选自不锈钢纱、铁纤维纱、铜纱或银纱；
所述碳质材料选自碳纳米管、炭黑、碳纤维或石墨烯或Mxene；
所述电聚合物材料选自PEDOT:PSS、聚吡咯、聚苯胺；
所述表面涂覆有金属的合成纤维选自涂有金、银、镍及其合金、碳纳米管、炭黑、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS的涤纶纤维、氨纶纤维、腈纶纤维、锦纶纤维、聚丙烯纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、丙烯酸纤维或聚酯纤维；
所述表面涂覆有金属的天然纤维选自涂有金、银、镍及其合金、碳纳米管、炭黑、石墨烯、Mxene、PEDOT:PSS的棉、羊毛、亚麻、丝绸纤维；
所述液态金属材料选自镓铟合金或镓铟锡合金；
优选地，所述拉力感知层内设置有多个导电芯层时，多个所述导电芯层沿所述拉力感知层的轴向离散设置；
优选地，所述拉力传感纤维的截面选自三角形、矩形、圆形、多边形、不规则形状中的至少一种；
优选地，所述拉力传感纤维的直径为1μm-3000μm，优选为50μm-1000μm，进一步优选为500μm；
所述拉力传感纤维的拉力传感灵敏度在范围1-500，优选为10-500；
所述拉力传感纤维的最大拉伸比为0％-3000％，优选为300％-1000％。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的拉力传感纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备拉力感知复合母料；
将所述拉力感知复合母料制备成拉力感知预制棒；
将所述拉力感知预制棒进行热软化拉丝制备得到拉力传感纤维。
10.一种拉力传感纱线，其特征在于，包括纱线和权利要求1-8任一项所述的拉力传感纤维，所述纱线与所述拉力传感纤维通过包缠或加捻连接为一体。
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