静电纺纳米纤维膜应变传感器的制备及性能研究

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5G技术的兴起,使得智能可穿戴产品在人体健康监测、运动检测以及人机交互等领域扮演越来越重要的角色。作为智能可穿戴产品的重要组成部分,应变传感器在感知外界刺激、获取数据信息方面发挥着重要作用。目前,应变传感器的研究主要致力于工作范围、灵敏度、响应时间以及工作稳定性等性能的提升。纤维基柔性应变传感器因其较大的比表面积、较轻的质量、优良的透气性、优异的柔韧性和可拉伸性及可编织性等特点,引起了研究人员的广泛关注。本文以静电纺丝技术制备的柔性热塑性聚氨酯(TPU)微纳纤维膜为基材,以具有良好导电性和力学性能的多壁碳纳米管(CNTs)作为导电涂层,制备纤维基柔性应变传感器。为了提高CNTs在TPU纤维上的吸附量和吸附牢度,本文使用多巴胺(DA)改性TPU纤维膜(DATPU),在TPU表面形成活性基团,提高与CNTs的结合性,利用超声的方式使CNTs沉积在DATPU表面(DATPU/CNTs)。为了得到具有优异传感性能的应变传感器,首先采用各向同性和各向异性的静电纺纤维膜作为基材,以CNTs作为导电介质制备两种不同类型的应变传感器。研究基材种类对应变传感器性能的影响,发现各向同性的纤维膜基材更有利于开发性能良好的应变传感器。为了进一步提升应变传感器的性能,向各向同性纤维膜基材上沉积分散性良好的羧基化CNTs(CNTs-COOH),最终得到了一款性能优异的应变传感器。(1)通过静电纺丝技术制备具有各向同性的、纤维随机排列的TPU纤维膜,采用快速多巴胺自聚合法改性TPU纤维膜,并通过表面形貌表征、接触角测试和XPS测试等方法证明多巴胺成功改性了TPU纤维膜。通过对比TPU/CNTs与DATPU/CNTs两种导电纤维膜的机电性能发现,DATPU/CNTs具有较大的工作范围(应变达到422%),较高的灵敏度(gauge factor(GF)=116)和优异的水洗牢度。DATPU/CNTs应变传感器还具有优良的工作稳定性,在5000次往复拉伸测试过程中,表现出优异的耐久性和可重复性。(2)通过静电纺丝技术在高接收辊转速下制备具有各向异性的、纤维定向排列的TPU纤维膜,并以此为基材制备定向DATPU/CNTs导电纤维膜。通过测试定向DATPU/CNTs的机电性能发现,平行于纤维方向(P-DATPU/CNTs)的相对电阻值随应变增加呈线性增加,线性度优异(r~2可以达到0.997)。P-DATPU/CNTs导电纤维膜的工作范围可以达到370%,灵敏度GF为22,工作稳定性和水洗牢度优良,经过5000次拉伸-释放循环之后,P-DATPU/CNTs导电纤维膜仍然可以表现出优良的耐久性和可重复性。(3)以多巴胺改性的非定向TPU纤维膜为基材,采用CNTs-COOH作为导电涂层制备DATPU/CNTs-COOH导电纤维膜。由于CNTs-COOH具有较好的分散性,且与多巴胺的氨基和羟基形成氢键能够更加牢固地吸附在DATPU纤维上,DATPU/CNTs-COOH的工作范围可以达到710%,灵敏度GF可以达到1126,工作稳定性和耐水洗性优异。在15000次拉伸-释放循环的过程中,该导电纤维膜表现出优异的可重复性和耐久性。将其应用于检测人体生理活动,如:吞咽动作、手指关节弯曲、肘关节弯曲和膝关节弯曲,都可以得到良好的响应。将DATPU/CNTs-COOH应变传感器与蓝牙信号采集装置、电池集成到护膝上,制作了一款智能运动检测护膝,该产品能够稳定地输出不同类型的腿部动作信号。
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