CN114739280B - 一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法，首先将炭黑/碳纳米管/石墨烯均匀分散在二甲基甲酰胺/四氢呋喃混合溶剂中，再将热塑性聚氨酯颗粒溶解在分散液中配制纺丝液，经静电纺丝的方法形成纳米纤维束，随后对其加捻得到由多元纳米碳纤维组成的导电纱线，最后用锡箔纸和导电银胶在纱线两端制备电极得到多元纳米碳纤维纱应变传感器。该制备方法简单合理，可大批量制备具有可编织性和可洗性的导电纳米纤维纱，该纱线可以直接作为应变传感器使用。该纱线传感器可直接编织或者缝入服装、护腕和护膝等运动装备以及人体上的其他物件，如：黏贴于人体的膏药，探测人体运动以及呼吸和心跳等生理信息。

Description

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器材料技术领域，具体涉及一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法。

背景技术

纳米纤维纱具有高长径比、大表面积和小尺寸等优点，被广泛应用于传感器、电容器和发电机等领域。这些应用通常要求纳米纤维纱具有良好的导电性。如方法一：先制备聚氨酯纳米纤维纱，然后在纱线表面喷涂银纳米线分散液制备导电复合纳米纤维纱；如方法二：先将氧化石墨烯分散在纺丝液中，静电纺丝制备纳米纤维纱，然后将纱线先后浸泡在三氯化铁和吡咯溶液中得到导电纳米纤维纱；如方法三：分别在湿法静电纺丝的纺丝液和接收浴中分散氧化石墨烯，然后在水合肼蒸汽中还原氧化石墨烯以提高纳米纤维纱的导电性。上述方法通常需要两步以上的工艺，并且操作复杂，纱线自身的均一性及稳定性差。在柔性基体中共混纳米碳材料构建可拉伸的导电网络是开发柔性应变传感器的常用方法。例如：将炭黑分散在橡胶材料中，将碳纳米管分散在有机硅弹性体中，将石墨烯分散在环氧树脂中等，制备了对应变具有电阻响应的柔性传感器。将多种工艺相结合，掺杂两种结构不同的纳米碳材料可以改善柔性应变传感器的性能，例如：通过两步化学气相沉积，先后浸涂，真空抽提混合分散液等方法将一维碳纳米管和二维石墨烯复合，构建具有协同作用的二元导电网络。但是上述方法的制备工艺复杂，且传感器的制备过程不稳定，制备的传感器不具有可编织性和可洗性。

因此，本发明提出了一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法。

发明内容

本发明目的是提供一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法。

本发明的一种技术方案是：

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器，包括纳米纤维，所述纳米纤维内部具有由点状炭黑、线状碳纳米管和片状石墨烯相互桥接构成的多元导电网络，当所述炭黑的质量分数为0～35％，所述碳纳米管的质量分数为0～35％，所述石墨烯的质量分数为0～15％，所述炭黑、碳纳米管和石墨烯的总质量分数为15％～35％，其余组分为热塑性聚氨酯时，传感器的电导率为3.59×10^-6～0.212S/cm，最大探测应变为93％～439％，在100％应变范围内的灵敏度为4.67～1258.3，响应时间小于300ms，可稳定重复响应超过5000个循环，洗涤超过30次后性能保持不变。

本发明的另一种技术方案是：

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)纺丝液的制备：将炭黑、碳纳米管、石墨烯和对纳米碳颗粒具有防沉效果的分散剂添加到二甲基甲酰胺和四氢呋喃混合溶剂中，搅拌后进行超声分散，随后将热塑性聚氨酯颗粒添加到多元纳米碳分散液中，并搅拌后再进行超声分散，获得纺丝液；

(2)纳米纤维纱的制备：采用静电纺丝装置将所述纺丝液连续制备多元纳米碳纤维束，再将所述纳米碳纤维束并合、加捻和定型形成多元纳米碳纤维纱；

(3)传感器的制备：截取3～10cm的多元纳米碳纤维纱，用导电银胶将纱线两端固定在两片1cm×2cm的铝箔纸之间形成电极，在常温下等待所述多元纳米碳纤维纱完全干燥后，用绝缘胶带封装铝箔电极，根据需要测量的范围调节传感器所使用纱线的长度，形成多元纳米碳纤维纱应变传感器。

进一步的，在步骤(1)中，所述分散剂为改性PVA或含有芳香基团的非离子表面活性剂。

进一步的，在步骤(1)中，所述搅拌为在温度为25±5℃的条件下以200r/min的转速搅拌12～24h，所述超声分散的功率为200～500W，时间为1～3h。

进一步的，在步骤(1)中，所述四氢呋喃在混合溶剂中的质量分数为20％～50％。

进一步的，在步骤(1)中，所述纺丝液中热塑性聚氨酯的质量分数为8％～12％。

进一步的，在步骤(1)中，所述炭黑、碳纳米管和石墨烯的总质量为溶质总质量的15％～35％，其中，所述炭黑的质量分数为0～35％，所述碳纳米管的质量分数为0～35％，所述石墨烯的质量分数为0～15％，所述分散剂的添加量为所述炭黑、碳纳米管和石墨烯的总质量的10％～30％。

进一步的，在步骤(2)中，所述纺丝液的喂入速度为2～10ml/h，工作电压为26～40kV，辅助电压为20～34kV，喷丝针头尖端与接收浴液液面的距离为20～30cm，卷绕装置的收集速度为80～160m/h，干燥装置为常温鼓风机，纺丝环境的相对湿度控制在35％以下。

进一步的，在步骤(2)中，所述多元纳米碳纤维纱中纳米碳纤维束的并合数为2～10根，捻度为1000～3500捻/米。

进一步的，在步骤(2)中，所述定型的方法为将沸水置于双层真空烘箱的下层，将纱线固定在铁盘上后置于所述烘箱的上层，所述定型的温度为120～150℃，时间为0.5～2h。

本发明提供了一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法，其优点是：制备方法简单合理，可大批量制备具有可编织性和可洗性的导电纳米纤维纱，这种纱线可以直接作为应变传感器使用。当炭黑、碳纳米管、石墨烯的质量分数分别为24％、3％、3％时，纱线传感器的电导率为0.154S/cm，最大探测应变为227％，在100％应变范围内的灵敏度为17.7，响应时间为220ms，可稳定重复响应超过5000个循环，洗涤超过30次后性能保持不变。该纱线传感器可直接编织或者缝入服装、护腕和护膝等运动装备以及人体上的其他物件，如：黏贴于人体的膏药，探测人体运动以及呼吸和心跳等生理信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，

图1为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法中，所提及的纺丝液制备过程的示意图；

图2为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法中，所提及的纳米纤维纱制备过程的示意图；

图3为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法所制得的传感器的示意图；

图4为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法所制得的单调拉伸下三元纳米碳纤维纱应变传感器的应变传感性能的测试图；

图5为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法所制得的循环拉伸下三元纳米碳纤维纱应变传感器的应变传感性能的测试图；

图6为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器静态应变传感性能和响应时间的测试图；

图7为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的耐久性的测试图；

图8为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的可洗性的测试图；

图9为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器对不同关节运动的监测曲线图；

图10为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器对肘关节不同运动幅度的监测曲线图；

图11为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法所制备的单调拉伸下二元纳米碳纤维纱应变传感器的应变传感性能的测试图；

图12为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法所制备的循环拉伸下二元纳米碳纤维纱应变传感器的应变传感性能的测试图；

图13为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法所制备的单调拉伸下一元纳米碳纤维纱应变传感器的应变传感性能的测试图；

图14为本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法所制备的循环拉伸下一元纳米碳纤维纱应变传感器的应变传感性能的测试图。

具体实施方式

本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器，通过一步法制备了高导电性纳米纤维纱，并可以直接作为应变传感器应用于纺织品、服装服饰及医用材料中，检测人体的运动和生理信息等。其具有的特点是：纳米纤维内部具有由点状炭黑、线状碳纳米管和片状石墨烯相互桥接构成的多元导电网络，传感器具有高导电性、高应变、高稳定性、可编织性和可洗性等优点。传感器的性能可通过炭黑、碳纳米管和石墨烯的质量比进行调节。当炭黑、碳纳米管、石墨烯的总质量分数分别为15％～35％，其中，炭黑的质量分数为0～35％，碳纳米管的质量分数为0～35％，石墨烯的质量分数为0～15％，其余组分为热塑性聚氨酯时，传感器的电导率为3.59×10-6～0.212S/cm，最大探测应变为93％～439％，在100％应变范围内的灵敏度为4.67～1258.3，响应时间小于300ms，可稳定重复响应超过5000个循环，洗涤超过30次后性能保持不变。该纱线传感器可直接编织或者缝入服装、护腕和护膝等运动装备以及人体上的其他物件，探测人体运动和呼吸、心跳等生理信息。

上述多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，包括：

(1)纺丝液的制备：将炭黑、碳纳米管、石墨烯和任意一种对纳米碳颗粒具有防沉效果的分散剂(如：改性PVA，含有芳香基团的非离子表面活性剂等)添加到二甲基甲酰胺和四氢呋喃混合溶剂中，在25±5℃下以200r/min的转速搅拌12～24h后进行功率为200～500W的超声分散1～3h，随后将热塑性聚氨酯颗粒添加到多元纳米碳分散液中，并在25±5℃下以200r/min的转速搅拌12～24h后再进行功率为200～500W的超声分散1～3h，其中，四氢呋喃在混合溶剂中的质量分数为20％～50％，纺丝液中热塑性聚氨酯的质量分数为8％～12％，溶质中纳米碳材料的总质量分数为15％～35％，其中，炭黑的质量分数为0～35％，碳纳米管的质量分数为0～35％，石墨烯的质量分数为0～15％，分散剂的添加质量为所述炭黑、碳纳米管和石墨烯的总质量的10％～30％。

(2)纳米纤维纱的制备：采用静电纺丝装置将所述纺丝液连续制备为多元纳米碳纤维束，再将所述纳米纤维束并合、加捻和定型形成多元纳米碳纤维纱。纺丝液的喂入速度为2～10ml/h，工作电压为26～40kV，辅助电压为20～34kV，喷丝针头尖端与接收浴液液面的距离为20～30cm，卷绕装置的收集速度为80～160m/h，干燥装置为常温鼓风机，纺丝环境的相对湿度控制在35％以下。所述纳米纤维纱中纳米纤维束的并合数为2～10根，捻度为1000～3500捻/米，定型温度为120～150℃，定型时间为0.5～2h。所述定型的方法是将沸水置于双层真空烘箱的下层，将纱线固定在铁盘上后置于烘箱的上层。

(3)传感器的制备：截取3～10cm的多元纳米碳纤维纱，用导电银胶将纱线两端固定在两片1cm×2cm的铝箔纸之间形成电极，在常温下等待其完全干燥后，用绝缘胶带封装铝箔电极。可根据需要测量的范围调节传感器所使用纱线的长度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。

首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。

实施例1

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)制备三元纳米碳纺丝液

纺丝液的制备过程请参阅图1。将0.686g导电炭黑、0.086g多壁碳纳米管、0.086g单层石墨烯和0.17g分散剂添加到含有15.49g二甲基甲酰胺和3.87g四氢呋喃的混合溶剂中，用磁力搅拌器在室温下充分搅拌后再进行超声分散，之后将2g热塑性聚氨酯颗粒添加到分散液中，再次搅拌直到颗粒完全溶解，再进行超声分散，制得均匀的炭黑/碳纳米管/石墨烯/聚氨酯复合纺丝液。纺丝液中聚氨酯的质量分数为9％，溶质中炭黑的质量分数为24％，碳纳米管的质量分数为3％，石墨烯的质量分数为3％。

(2)制备三元纳米碳纤维纱

纳米纤维纱的制备过程请参阅图2。利用静电纺丝装置制备炭黑/碳纳米管/石墨烯/聚氨酯复合纳米纤维束，通过并合、加捻和定型过程，制备得到炭黑/碳纳米管/石墨烯/聚氨酯复合纳米纤维纱。其中，纺丝流速为3ml/h，工作电压为26kV，辅助电压为20kV，接收距离为20cm，卷绕速度为80m/h，并合数为10根，捻度为1000捻/米，定型温度为120℃，定型时间为0.5h。当炭黑的质量分数为24％，碳纳米管的质量分数为3％，石墨烯的质量分数为3％时，三元纳米碳纤维纱的性能如表1所示，从表中可知纱线的导电性能远高于导电纤维的标准，力学性能满足纺织加工的需求。

电导率(S/cm)	强度/MPa	伸长率/％
			0.154	60.86	233

表1

(3)传感器的制备

裁剪四片1cm×2cm的铝箔纸，将纱线两端涂覆导电银胶后各自固定在两片铝箔纸中间，在常温下完全干燥后形成电极，电极之间的距离为2cm，传感器的示意图如图3所示。

(4)传感器应变传感性能

传感器被单调拉伸至失效的应变传感性能的测试结果请参阅图4，经预拉伸后在30％应变范围内循环拉伸10次的应变传感性能的测试结果请参阅图5，得到传感器的最大可探测应变为227％，在100％应变范围内的敏感系数为17.74。

(5)传感器的静态应变传感性能和响应时间

对传感器进行准瞬态逐级应变测试，拉伸应变范围为0～100％，每个应变水平保持10s，应变间隔为5％。如图6所示的测试结果表明：在低于60％的应变范围内，传感器在被拉伸后，在静态下电阻减小；当应变大于60％时，在静态下传感器的电阻几乎不变；传感器的响应时间为220ms。

(6)传感器的耐久性

传感器在30％应变范围内循环拉伸5000次的应变传感性能的测试结果请参阅图7，结果表明在1000～1003次和4000～4003次循环内，传感器表现出相同的电阻响应，具有优异的耐疲劳性、稳定性和可重复性。

(7)传感器的可洗涤性

在40℃下，用常规清洗剂将传感器在样品染色机中洗涤30次，每洗涤10次经晾干后传感器的应变传感性能的测试结果请参阅图8，结果表明在经10、20和30次洗涤后，传感器的应变传感性能与洗涤前几乎没有变化，具有优异的可洗涤性。

(8)传感器的可编织性和对人体运动信号的监测

用绣针将传感器缝入膏药中，贴在人体各关节的皮肤表面，研究传感器对关节运动的监测能力。如图9所示传感器对不同关节运动的监测结果，如图10所示传感器对肘关节不同幅度运动的监测结果，结果表明传感器能够被轻易地缝入膏药中，表现出出色的柔韧性和可编织性，并且能够捕捉到关节运动时人体皮肤发生的形变，在具有较好的稳定性的同时，能够精确地分辨出不同关节的运动和不同的运动幅度。

实施例2

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)制备三元纳米碳纺丝液

将0.89g导电炭黑、0.092g多壁碳纳米管、0.092g单层石墨烯和0.32g分散剂添加到含有17.54g二甲基甲酰胺和4.38g四氢呋喃的混合溶剂中，用磁力搅拌器在室温下充分搅拌后再进行超声分散，之后将2g热塑性聚氨酯颗粒添加到分散液中，再次搅拌直到颗粒完全溶解，再进行超声分散，制得均匀的炭黑/碳纳米管/石墨烯/聚氨酯复合纺丝液。纺丝液中聚氨酯的质量分数为8％，溶质中炭黑的质量分数为29％，碳纳米管的质量分数为3％，石墨烯的质量分数为3％。

(2)制备三元纳米碳纤维纱

利用静电纺丝装置制备炭黑/石墨烯/聚氨酯复合纳米纤维束，通过并合、加捻和定型过程，制备得到炭黑/石墨烯/聚氨酯复合纳米纤维纱。其中，纺丝流速为2ml/h，工作电压为38kV，辅助电压为32kV，接收距离为28cm，卷绕速度为100m/h，并合数为7根，捻度为1500捻/米，定型温度为120℃，定型时间为2h。当炭黑的质量分数为29％，碳纳米管的质量分数为3％，石墨烯的质量分数为3％时，三元纳米碳纤维纱的性能如表2所示，对比表2和表1可知当纳米碳的总质量分数提高后，纱线的导电性能提升，力学性能下降。

电导率(S/cm)	强度/MPa	伸长率/％
			0.446	47.6	185

表2

(3)传感器的制备

同实施例1。

(4)传感器的应变传感性能

传感器的最大可探测应变为210％，在100％应变范围内的敏感系数为18.86。

实施例3

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)制备二元纳米碳纺丝液

将0.77g导电炭黑、0.086g单层石墨烯和0.17g分散剂添加到含有15.49g二甲基甲酰胺和3.87g四氢呋喃的混合溶剂中，用磁力搅拌器在室温下充分搅拌后再进行超声分散，之后将2g热塑性聚氨酯颗粒添加到分散液中，再次搅拌直到颗粒完全溶解，再进行超声分散，制得均匀的炭黑/石墨烯/聚氨酯复合纺丝液。纺丝液中聚氨酯的质量分数为9％，溶质中炭黑的质量分数为27％，石墨烯的质量分数为3％。

(2)制备二元纳米碳纤维纱

利用静电纺丝装置制备炭黑/石墨烯/聚氨酯复合纳米纤维束，通过并合、加捻和定型过程，制备得到炭黑/石墨烯/聚氨酯复合纳米纤维纱。其中，纺丝流速为4ml/h，工作电压为32kV，辅助电压为26kV，接收距离为25cm，卷绕速度为140m/h，并合数为4根，捻度为3000捻/米，定型温度为140℃，定型时间为1.5h。当炭黑的质量分数为27％，石墨烯的质量分数为3％时，二元纳米碳纤维纱的性能如表3所示，对比表3和表1可知当纳米碳的总质量分数不变时，碳纳米管能同时提升纱线的导电性能和力学性能。

电导率(S/cm)	强度/MPa	伸长率/％
			0.141	44.6	144

表3

(3)传感器的制备

同实施例1。

(4)传感器应变传感性能

传感器被单调拉伸至失效的应变传感性能的测试结果请参阅图11，经预拉伸后在30％应变范围内循环拉伸10次的应变传感性能的测试结果请参阅图12，得到传感器的最大可探测应变为148％，在100％应变范围内的敏感系数为26.75。

实施例4

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)制备二元纳米碳纺丝液

将0.77g导电炭黑、0.086g多壁碳纳米管和0.09g分散剂添加到含有11.05g二甲基甲酰胺和2.76g四氢呋喃的混合溶剂中，用磁力搅拌器在室温下充分搅拌后再进行超声分散1.5h，之后将2g热塑性聚氨酯颗粒添加到分散液中，再次搅拌直到颗粒完全溶解，再进行超声分散1.5h，制得均匀的炭黑/石墨烯/聚氨酯复合纺丝液。纺丝液中聚氨酯的质量分数为12％，溶质中炭黑的质量分数为27％，碳纳米管的质量分数为3％。

(2)制备二元纳米碳纤维纱

利用静电纺丝装置制备炭黑/石墨烯/聚氨酯复合纳米纤维束，通过并合、加捻和定型过程，制备得到炭黑/石墨烯/聚氨酯复合纳米纤维纱。其中，纺丝流速为8ml/h，工作电压为36kV，辅助电压为30kV，接收距离为22cm，卷绕速度为110m/h，并合数为5根，捻度为3200捻/米，定型温度为150℃，定型时间为0.5h。当炭黑的质量分数为27％，碳纳米管的质量分数为3％时，二元纳米碳纤维纱的性能如表4所示，将表4和表1对比可知当纳米碳的总质量分数不变时，石墨烯能提升纱线的导电性能，但降低力学性能。

电导率(S/cm)	强度/MPa	伸长率/％
			0.115	75.5	322

表4

(3)传感器的制备

同实施例1。

(4)传感器应变传感性能

传感器的最大可探测应变为241％，在100％应变范围内的敏感系数为8。

实施例5

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)制备一元纳米碳纺丝液

将0.86g导电炭黑和0.17g分散剂添加到含有15.49g二甲基甲酰胺和3.87g四氢呋喃的混合溶剂中，用磁力搅拌器在室温下充分搅拌后再进行超声分散1h，之后将2g热塑性聚氨酯颗粒添加到分散液中，再次搅拌直到颗粒完全溶解，再进行超声分散1h，制得均匀的炭黑/聚氨酯复合纺丝液。纺丝液中聚氨酯的质量分数为9％，溶质中炭黑的质量分数为30％。

(2)制备一元纳米碳纤维纱

利用多针水浴静电纺丝装置制备炭黑/聚氨酯复合纳米纤维束，通过并合、加捻和热定型过程，制备得到炭黑/聚氨酯复合纳米纤维纱。其中，纺丝流速为10ml/h，工作电压为40kV，辅助电压为34kV，接收距离为30cm，卷绕速度为160m/h，并合数为2根，捻度为3500捻/米，定型温度为150℃，定型时间为2h。当炭黑的质量分数为30％，一元纳米碳纤维纱的性能如表5所示，对比表5和表1可知当纳米碳的总质量分数不变时，同时加入碳纳米管和石墨烯能保持纱线的力学性能的同时增加导电性能。

电导率(S/cm)	强度/MPa	伸长率/％
			0.126	57.44	289

表5

(3)传感器的制备

同实施例1。

(4)传感器应变传感性能

传感器被单调拉伸至失效的应变传感性能的测试结果请参阅图13，经预拉伸后在30％应变范围内循环拉伸10次的应变传感性能的测试结果请参阅图14，得到传感器的最大可探测应变为234％，在100％应变范围内的敏感系数为9.11。

实施例6

一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法，步骤如下：

(1)制备一元纳米碳纺丝液

将0.35g单层石墨烯和0.04g分散剂添加到含有14.12g二甲基甲酰胺和3.53g四氢呋喃的混合溶剂中，用磁力搅拌器在室温下充分搅拌后再进行超声分散3h，之后将2g热塑性聚氨酯颗粒添加到分散液中，再次搅拌直到颗粒完全溶解，再进行超声分散3h，制得均匀的炭黑/聚氨酯复合纺丝液。纺丝液中聚氨酯的质量分数为10％，溶质中石墨烯的质量分数为15％。

(2)制备一元纳米碳纤维纱

利用多针水浴静电纺丝装置制备炭黑/聚氨酯复合纳米纤维束，通过并合、加捻和热定型过程，制备得到炭黑/聚氨酯复合纳米纤维纱。其中，纺丝流速为6ml/h，工作电压为27kV，辅助电压为21kV，接收距离为22cm，卷绕速度为150m/h，并合数为10根，捻度为1500捻/米，定型温度为120℃，定型时间为1.5h。石墨烯的质量分数为15％时，一元纳米碳纤维纱的性能如表6所示，可知当纳米碳的总质量分数较低，纱线的导电性能和力学性能都较差。

电导率(S/cm)	强度/MPa	伸长率/％
			0.002	25.32	74

表6

(3)传感器的制备

同实施例1。

(4)传感器应变传感性能

传感器的最大可探测应变为74％，在50％应变范围内的敏感系数为1397.12。

综上所述，本发明所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法采用单一的静电纺丝工艺制备了内部掺杂炭黑/碳纳米管/石墨烯的多元纳米碳纤维纱，并用锡箔纸和导电银胶在纱线两端制备电极，开发了一种具有高导电性、高应变、高稳定性、可编织性和可洗性的多元纳米碳纤维纱应变传感器。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)纺丝液的制备：将炭黑、碳纳米管、石墨烯和对纳米碳颗粒具有防沉效果的分散剂添加到二甲基甲酰胺和四氢呋喃混合溶剂中，搅拌后进行超声分散，随后将热塑性聚氨酯颗粒添加到多元纳米碳分散液中，并搅拌后再进行超声分散，获得纺丝液；

(2)纳米纤维纱的制备：采用静电纺丝装置将所述纺丝液连续制备多元纳米碳纤维束，再将所述纳米碳纤维束并合、加捻和定型形成多元纳米碳纤维纱；

(3)传感器的制备：截取3～10cm的多元纳米碳纤维纱，用导电银胶将纱线两端固定在两片1cm×2cm的铝箔纸之间形成电极，在常温下等待所述多元纳米碳纤维纱完全干燥后，用绝缘胶带封装铝箔电极，根据需要测量的范围调节传感器所使用纱线的长度，形成多元纳米碳纤维纱应变传感器。

2.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述分散剂为改性PVA或含有芳香基团的非离子表面活性剂。

3.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述搅拌为在温度为25±5℃的条件下以200r/min的转速搅拌12～24h，所述超声分散的功率为200～500W，时间为1～3h。

4.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述四氢呋喃在混合溶剂中的质量分数为20％～50％。

5.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述纺丝液中热塑性聚氨酯的质量分数为8％～12％。

6.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述炭黑、碳纳米管和石墨烯的总质量为溶质总质量的15％～35％，其中，所述炭黑的质量分数为0～35％，所述碳纳米管的质量分数为0～35％，所述石墨烯的质量分数为0～15％，所述分散剂的添加量为所述炭黑、碳纳米管和石墨烯的总质量的10％～30％。

7.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述纺丝液的喂入速度为2～10ml/h，工作电压为26～40kV，辅助电压为20～34kV，喷丝针头尖端与接收浴液液面的距离为20～30cm，卷绕装置的收集速度为80～160m/h，干燥装置为常温鼓风机，纺丝环境的相对湿度控制在35％以下。

8.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述多元纳米碳纤维纱中纳米碳纤维束的并合数为2～10根，捻度为1000～3500捻/米。

9.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述定型的方法为将沸水置于双层真空烘箱的下层，将纱线固定在铁盘上后置于所述烘箱的上层，所述定型的温度为120～150℃，时间为0.5～2h。

10.根据权利要求1所述的一种多元纳米碳纤维纱应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述多元纳米碳纤维纱应变传感器包括纳米纤维，所述纳米纤维内部具有由点状炭黑、线状碳纳米管和片状石墨烯相互桥接构成的多元导电网络，当所述炭黑的质量分数为0～35％，所述碳纳米管的质量分数为0～35％，所述石墨烯的质量分数为0～15％，所述炭黑、碳纳米管和石墨烯的总质量分数为15％～35％，其余组分为热塑性聚氨酯时，传感器的电导率为3.59×10^-6～0.212S/cm，最大探测应变为93％～439％，在100％应变范围内的灵敏度为4.67～1258.3，响应时间小于300ms。