【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于可穿戴柔性傳感器領域，特別是涉及一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法。
技術介紹
1、紗線基應變傳感器具有良好柔性、易于編織、可拉伸形變等優點，在人機交互和智能可穿戴領域等方面具有良好的應用潛力。共軛靜電紡絲工藝具有操作簡單、原料來源范圍廣等技術優勢，所獲得的納米纖維紗線具有纖維直徑小(300～1000nm)、外力作用下易于形變等特點，在紗線基應變傳感器制備方面具有獨特優勢，例如專利cn201710451744.9一種碳/石墨烯柔性應變傳感器，碳/石墨烯復合納米纖維紗具有脆性大、導電性能高的特點，可能導致傳感器在受力時易斷裂，且其電阻變化可能不敏感；專利cn202210296896.7一種多元納米碳纖維紗應變傳感器，該傳感器在重復使用后性能可能下降，如洗滌超過30次后性能保持不變，可能影響其長期使用的可靠性；專利cn202110795748.5一種具有表面間隔結構的導電螺旋紗線自供電傳感器利用摩擦生電，可能存在摩擦生電層與導電電極之間的接觸問題，影響傳感器的穩定性和耐久性。目前公布的納米纖維紗線傳感器的原理是納米纖維的滑移帶來紗線電阻的變化，但加捻后納米纖維之間緊密排列，無法感應微小外力作用，響應時間長；同時這些納米纖維紗線傳感器的力學強度低、多次循環外力作用下傳感性能穩定性差，限制了其在人體活動監測、運動行為追蹤、醫學健康恢復、用戶五感識別等領域的實際應用。
2、因此，需提供一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，克服目前紗線基應變傳感器感應靈敏度低、響應時間長、無法
技術實現思路
1、本專利技術的目的是克服目前紗線基應變傳感器感應靈敏度低、響應時間長、無法感應微小外力作用、多次循環外力作用下傳感性能穩定性差等缺陷，提供了一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述的制備方法為：
2、第一步：將聚氨酯溶于良溶劑中配制紡絲液，通過電輔助芯紡技術制備出納米纖維/牽引長絲復合紗線，并添加外加應力對牽引長絲賦予形變；
3、第二步：將上述形變狀態下的納米纖維/牽引長絲復合紗線，放置于導電納米顆粒/聚合物稀溶液中浸漬；
4、第三步：將上述浸漬后的復合紗線浸漬在水中，通過非溶劑誘導相分離在復合紗線表面構筑納米顆粒/聚合物導電層；
5、第四步：去除拉外加應力，對復合紗線進行熱處理去除非溶劑水，獲得凹凸狀納米纖維復合竹節包芯紗傳感器。
6、作為優選的技術方案：
7、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述第一步中采用電輔助芯紡技術制備納米纖維/長絲復合紗線，其中電輔助芯紡技術是共軛靜電紡絲工藝和包芯紗成型工藝的協同組合，兩個封裝紡絲溶液的注射器分別與高壓正極/負極連接，通過一定應變下牽引長絲收集納米纖維，納米纖維包覆在牽引長絲上獲得納米纖維復合紗線。
8、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述第一步電輔助芯紡技術紡絲溶液中選擇聚合物為聚氨酯，選擇溶劑為n-n二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、n-n二甲基乙酰胺、丙酮中一種或幾種的組合，配制紡絲溶液聚合物的質量分數為3～30％。
9、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述第一步電輔助芯紡技術紡絲溶液中選擇聚合物為聚氨酯，選擇溶劑為n-n二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、n-n二甲基乙酰胺、丙酮中一種或幾種的組合，配制紡絲溶液聚合物的質量分數為3～30％。
10、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述電輔助芯紡技術共軛靜電紡絲工藝中正負高壓電壓為±3～±30kv，兩個注射器紡絲角度為10～80°，灌注速度為0.5～5ml/h，接收距離為5～30cm，紡絲環境溫度為10～40℃，環境濕度為40％～90％rh。
11、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述第二步浸漬工藝中選擇聚合物為聚乙烯醇縮丁醛、聚酰胺、聚乙烯吡咯烷酮中一種或幾種的組合，選擇導電納米顆粒為銀納米顆粒、銅納米顆粒、炭黑納米顆粒中一種或幾種的組合，選擇溶劑為選擇溶劑為乙醇、氮甲基吡咯烷酮、叔丁醇中一種或幾種的組合，配制浸漬液中聚合物質量分數為1～5％、導電納米顆粒的質量分數為1～30％，浸漬時間為10～60s。
12、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述第三步浸漬工藝中選擇水作為非溶劑誘導聚合物相分離，在納米纖維復合紗線表面構筑穩定的納米顆粒/聚合物導電層，浸漬時間為10～60s，浸泡溫度為20～30℃。
13、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述第四步熱處理工藝中熱處理溫度為70～160℃，處理時間為5～30min，獲得納米纖維復合竹節包芯紗。
14、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器具有徑向核殼結構、軸向凹凸結構，當外力作用下納米纖維導電層產生高靈敏度伸直-形變變化，復合紗線傳感器表現出優異的負電阻響應特性。
15、如上所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，所述納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器具有極高的靈敏度(s≥25)、出色線性傳感特性(相關指數r2＝99.8％)、具有低至小至0.01n的應力檢測限，同時竹節包芯紗具有優異的力學性能(拉伸斷裂強度≥100mpa、斷裂伸長≥200％)，可以通過織造工藝復合進入織物中，實現對人體運動狀態和身體健康情況的實時檢測。
16、本專利技術的有益效果：
17、(1)本專利技術中的納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器，采用電輔助芯紡技術(結合共軛靜電紡絲工藝和包芯紗成型工藝)制備納米纖維/長絲復合紗線，在成紗工藝中采用拉伸裝置對牽涉長絲維持一定形變；并在拉伸狀態下利用非溶劑誘導相分離技術構筑納米顆粒/聚合物導電層，完成后去除拉伸裝置的外力作用，牽涉長絲回復原長度，使得最終紗線具有徑向核殼結構、軸向凹凸結構。
18、(2)本專利技術中的納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器具有軸向凹凸結構，即納米纖維導電層在長絲軸向上會形成有規律的拱起結構，當外力作用下納米纖維導電層產生高靈敏度伸直-形變變化，提升了應變傳感器的感應靈敏度，快速感應外界微小外力作用。
19、(3)本專利技術中的納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器具有徑向核殼結構，內層為聚氨酯牽引長絲，外層為納米纖維復合導電層，內層的牽引長絲保證了紗線具有優異的力學性能(拉伸斷裂強度≥100mpa、斷裂伸長≥200％)，在多次循環外力作用下具有穩定傳感性能。
20、本專利技術的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本專利技術而了解。
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1.一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的制備方法為：
2.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第一步中采用電輔助芯紡技術制備納米纖維/長絲復合紗線，其中電輔助芯紡技術為共軛靜電紡絲工藝和包芯紗成型工藝，兩個封裝紡絲溶液的注射器分別與高壓正極/負極連接，通過應變下牽引長絲收集納米纖維，納米纖維包覆在牽引長絲上獲得納米纖維復合紗線。
3.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第一步電輔助芯紡技術中牽引長絲為聚氨酯長絲，規格為50～300dtex；優選地，所述附加給聚氨酯長絲的應變，應變率為50～200％，牽引長絲移動速率為0.1～5m/min。
4.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第一步電輔助芯紡技術紡絲溶液中，良溶劑選自N-N二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、N-N二甲基乙酰胺、丙酮中一種或幾種的組合，配制紡絲溶液中聚合物的質量分數為3～30％。p>
5.根據權利要求1或2所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述電輔助芯紡技術共軛靜電紡絲工藝中正負高壓電壓為±3～±30kV，兩個注射器紡絲角度為10～80°，灌注速度為0.5～5mL/h，接收距離為5～30cm，紡絲環境溫度為10～40℃，環境濕度為40％～90％RH。
6.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第二步浸漬工藝中聚合物稀溶液中的聚合物選自聚乙烯醇縮丁醛、聚酰胺、聚乙烯吡咯烷酮中一種或幾種的組合；優選地，所述第二步浸漬工藝中聚合物稀溶液的溶劑選自乙醇、氮甲基吡咯烷酮、叔丁醇中一種或幾種的組合；優選地，所述第二步浸漬工藝中導電納米顆粒選自銀納米顆粒、銅納米顆粒、炭黑納米顆粒中一種或幾種的組合。
7.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第二步浸漬工藝配制的浸漬液中聚合物質量分數為1～5％，導電納米顆粒的質量分數為1～30％；優選地，第二步浸漬工藝的浸漬時間為10～60s。
8.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第三步浸漬工藝中選擇水作為非溶劑誘導聚合物相分離，在納米纖維復合紗線表面構筑穩定的納米顆粒/聚合物導電層，浸漬時間為10～60s，浸泡溫度為20～30℃。
9.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第四步熱處理工藝中熱處理溫度為70～160℃，處理時間為5～30min。
10.一種如權利要求1～9任一項所述的制備方法得到的高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器，其特征在于，所述納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器具有徑向核殼結構、軸向凹凸結構。
...【技術特征摘要】
1.一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的制備方法為：
2.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第一步中采用電輔助芯紡技術制備納米纖維/長絲復合紗線，其中電輔助芯紡技術為共軛靜電紡絲工藝和包芯紗成型工藝，兩個封裝紡絲溶液的注射器分別與高壓正極/負極連接，通過應變下牽引長絲收集納米纖維，納米纖維包覆在牽引長絲上獲得納米纖維復合紗線。
3.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第一步電輔助芯紡技術中牽引長絲為聚氨酯長絲，規格為50～300dtex；優選地，所述附加給聚氨酯長絲的應變，應變率為50～200％，牽引長絲移動速率為0.1～5m/min。
4.根據權利要求1所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第一步電輔助芯紡技術紡絲溶液中，良溶劑選自n-n二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、n-n二甲基乙酰胺、丙酮中一種或幾種的組合，配制紡絲溶液中聚合物的質量分數為3～30％。
5.根據權利要求1或2所述的一種高靈敏度納米纖維復合竹節包芯紗應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述電輔助芯紡技術共軛靜電紡絲工藝中正負高壓電壓為±3～±30kv，兩個注射器紡絲角度為10～80°，灌注速度為0.5～5ml/h，接收距離為5～30cm，紡絲環境溫度為10～40℃，環境濕度為40％～...
【專利技術屬性】
技術研發人員：余西，黃文兒，潘超梅，方健輝，梁華峰，張海燕，吳弘杰，葉金林，孔萱，王利環，閆建華，王先鋒，于暉，
申請(專利權)人：五邑大學，
類型：發明
國別省市：
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