纳米纤维与织物电极一体化的可穿戴传感器件的制作方法

本发明涉及绿色新能源传感器领域，特别涉及一种基于纳米纤维及织物电极为一体的可穿戴传感器。

背景技术：

随着研究的不断深入，可穿戴电子设备不仅需要满足其功能性，同时对其柔韧性、舒适性提出了更高的要求，因此具有高柔韧性的pdms成为了研究热点，不过pdms本身不透气，不适合与皮肤长期接触，而纳米纤维具有超轻、超柔以及良好的透气性等优势，在可穿戴设备领域受到了越来越多的关注。

在可穿戴设备中，除了可穿戴基材是研究中的热点，用于可穿戴设备中的电极材料更是制约柔性可穿戴发展的一个重要因素，一方面，传统的电极材料主要为刚性材料，例如铝箔、铜箔等，不适合应用于可穿戴设备；另一方面，对于纳米纤维而言，目前采用的大多是涂覆或者丝网印刷的方式将导电材料负载在纤维膜表面，这样做会带来两方面的弊端，一方面导电材料与基底接触不牢，对于拉伸器件而言，在拉伸过程中，导电材料会与基底发生分离，影响其导电性能，同时也会影响基底的拉伸性能；另一方面，由于纳米纤维的孔多为连通孔，因此在涂覆或者印刷的过程中会出现渗液的现象，这样既不美观，最主要的是影响其透气性能，降低其舒适度。

除了上述的因素外，对于一款可穿戴设备而言，目前仍然迫切需要一种耐用和可持续的能源来驱动这些电子设备。对此较为可靠的解决方案之一是通过摩擦起电的方式，收集人体运动产生的能量，并将其转化为电能，为可穿戴电子设备提供动力，使其持续工作。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种纳米纤维与织物电极一体化的高拉伸自供能可穿戴传感器件的制备方法，该传感器具有超高的拉伸性能、透气性能、耐水解性能以及可作为自供能机制供应自身输出传感信号，可应用于可穿戴电子皮肤领域。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种纳米纤维与织物电极一体化的可穿戴传感器件的制备方法，包括如下步骤：

1).进行同轴织物电极编织：以导电银线为轴心，利用编织技术在其外缠绕多股电负性较强的纱线，不要将银线暴露在外面，使其成为同轴织物电极；

2).tpu静电纳米纤维膜的制备：将1.0～3.0g的tpu溶解在10～15ml的二氯甲烷及n,n-二甲基甲酰胺的混合纺丝溶剂中，其中二氯甲烷及n,n-二甲基甲酰胺的体积比为1:1～5:1，配制tpu纺丝溶液，进行纺丝；静电纺丝电压为18～25kv，推进速度为0.6～1ml/h，接收距离为15～20cm，得到tpu静电纺纳米纤维膜；

3).将步骤2)制备好的tpu静电纳米纤维膜放入烘箱中进行一定时间的干燥处理；

4).将步骤3)干燥好的tpu静电纳米纤维膜缠绕在步骤1制备好的同轴织物电极表面，并进行热压封装处理，即可。

作为优选，轴心的所述的导电银线为该传感器的电极材料，外层缠绕的纱线作为摩擦负极材料，最外层的静电纺丝纳米纤维膜作为摩擦正极材料。

作为优选，所述的电负性较强的纱线可为pvdf、ptfe、ptfe-hfp、fep。

作为优选，所用的静电纺纳米纤维膜可为：pet、pan、tpu、pa6、pa56、fpu、tpee之类的高分子材料。

作为优选，缠绕在导电银线外侧的纱线的股数为12～24根。

作为优选，制备好的同轴织物电极既可作为单根直线结构进行使用，也可将其进行弯曲折叠成为蛇形结构进行使用。

作为优选，所述的可穿戴传感器件的结构可为单根直线结构、蛇形结构。

作为优选，所述的静电纺纳米纤维膜的厚度为25～50μm。

本发明还公开了上述制备方法所制成的可穿戴传感器件。

本发明具有以下特点：1)纳米纤维膜具有良好的拉伸性能；2)该器件能作为自供能传感器，可直接将机械能转化为电信号；3)可用在可穿戴传感器方面，在人体动作监测方面有绝对的优势；4)该发明采用的静电纺丝技术和编织技术，具有制备工艺成熟、选材广泛、成本低、实用性强、可大规模生产等优势。

附图说明

图1为纳米纤维与织物电极一体化的高拉伸自供能可穿戴传感器件的简单制备过程；

图2为tpu纳米纤维膜的微观形貌图；

图3为tpu的具体拉伸曲线。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

一种纳米纤维与织物电极一体化的可穿戴传感器件的制备方法，包括如下步骤：

1).进行同轴织物电极编织：以导电银线为轴心，利用编织技术在其外缠绕多股电负性较强的纱线，缠绕在导电银线外侧的纱线的股数为12～24根，不要将银线暴露在外面，使其成为同轴织物电极；轴心的所述的导电银线为该传感器的电极材料，外层缠绕的纱线作为摩擦负极材料，最外层的静电纺丝纳米纤维膜作为摩擦正极材料。

2).tpu静电纳米纤维膜的制备：将1.0g的tpu溶解在10ml的二氯甲烷及n,n-二甲基甲酰胺的混合纺丝溶剂中，其中二氯甲烷及n,n-二甲基甲酰胺的体积比为1:5，配制tpu纺丝溶液，进行纺丝；静电纺丝电压为18～25kv，推进速度为0.6～1ml/h，接收距离为15～20cm，得到tpu静电纺纳米纤维膜，静电纺纳米纤维膜的厚度为25～50μm；

3).将步骤2)制备好的tpu纳米纤维膜放入烘箱中进行一定时间的干燥处理；

4).将步骤3)干燥好的tpu纳米纤维膜缠绕在步骤1制备好的同轴织物电极表面，并进行热压封装处理，即可。

在本实施例中，制备好的同轴织物电极既可作为单根直线结构进行使用，也可将其进行弯曲折叠成为蛇形结构进行使用。因此，可穿戴传感器件的结构可为单根直线结构、蛇形结构。

实施例2：

一种纳米纤维与织物电极一体化的可穿戴传感器件的制备方法，包括如下步骤：

1).进行同轴织物电极编织：以导电银线为轴心，利用编织技术在其外缠绕多股电负性较强的纱线，纱线可为pvdf、ptfe、ptfe-hfp、fep；不要将银线暴露在外面，使其成为同轴织物电极；

2).fpu纳米纤维膜的制备：将3.0g的fpu溶解在15ml的二氯甲烷及n,n-二甲基甲酰胺的混合纺丝溶剂中，其中二氯甲烷及n,n-二甲基甲酰胺的体积比为1:1，配制fpu纺丝溶液，进行纺丝；静电纺丝电压为18～25kv，推进速度为0.6～1ml/h，接收距离为15～20cm，得到fpu静电纺纳米纤维膜，静电纺纳米纤维膜的厚度为25～50μm；

3).将步骤2)制备好的fpu纳米纤维膜放入烘箱中进行一定时间的干燥处理；

4).将步骤3)干燥好的fpu纳米纤维膜缠绕在步骤1制备好的同轴织物电极表面，并进行热压封装处理，即可,缠绕在导电银线外侧的纱线的股数为12～24根；

导电银线为该传感器的电极材料，外层缠绕的纱线作为摩擦负极材料，最外层的静电纺丝纳米纤维膜作为摩擦正极材料。

在本发明中，制备好的同轴织物电极既可作为单根直线结构进行使用，也可将其进行弯曲折叠成为蛇形结构进行使用。因此，可穿戴传感器件的结构可为单根直线结构、蛇形结构。

实施例3：

一种纳米纤维与织物电极一体化的可穿戴传感器件的制备方法，包括如下步骤：

1).进行同轴织物电极编织：以导电银线为轴心，利用编织技术在其外缠绕多股电负性较强的纱线，纱线可为pvdf、ptfe、ptfe-hfp、fep，不要将银线暴露在外面，使其成为同轴织物电极，导电银线为该传感器的电极材料，外层缠绕的纱线作为摩擦负极材料，最外层的静电纺丝纳米纤维膜作为摩擦正极材料，缠绕在导电银线外侧的纱线的股数为12～24根；

2).pan纳米纤维膜的制备：将1.0～3.0g的pan溶解在10～15ml的二氯甲烷及n,n-二甲基甲酰胺的混合纺丝溶剂中，其中二氯甲烷及n,n-二甲基甲酰胺的体积比为1:1～5:1，配制tpu纺丝溶液，进行纺丝；静电纺丝电压为18～25kv，推进速度为0.6～1ml/h，接收距离为15～20cm，得到pan静电纺纳米纤维膜，其厚度为25～50μm；

3).将步骤2)制备好的pan纳米纤维膜放入烘箱中进行一定时间的干燥处理；

4).将步骤3)干燥好的pan纳米纤维膜缠绕在步骤1制备好的同轴织物电极表面，并进行热压封装处理，即可。

本实施例中，制备好的同轴织物电极既可作为单根直线结构进行使用，也可将其进行弯曲折叠成为蛇形结构进行使用。因此，可穿戴传感器件的结构可为单根直线结构、蛇形结构。

工作原理：本发明基于摩擦起电原理，制备一种纳米纤维与织物电极一体化的高拉伸自供能可穿戴传感器件，关键在于可拉伸材料和织物电极的制备。织物电极与可拉伸材料的接触面积对传感器的灵敏度有至关重要的作用。本发明在可穿戴设备、智能人体传感等方面有广泛的应用。且本发明的制备过程是基于目前成熟的大规模生产的技术，在批量化生产及产业化方面有很重要的发展前景。