一种TPU柔性应变膜、柔性应变传感器及制备方法

本发明涉及传感器制备领域，具体涉及一种tpu柔性应变膜、柔性应变传感器及制备方法。

背景技术：

1、柔性电子设备作为新一代智能产品之一，在健康监测、身体运动跟踪和人机交互等领域中引起了人们极大的兴趣并且具有广泛的应用前景。目前的柔性电子设备通过柔性传感器与人体皮肤相接触的方式，对人体的运动状态以及生理信号进行实时监测，将物理信号转化为电子信号，在计算机软件中显示。柔性传感器具有良好的拉伸性和皮肤附着性，在人体运动检测方面已经大量应用，并取得了较理想的成果。例如利用柔性传感器的快速响应时间对人体的呼吸、脉搏以及吞咽动作等进行监测。相对比于小应变范围下的生理信号，若要对人体关节例如手指关节以及手腕关节的活动进行监测，则需要具有大应变范围的柔性传感器，这种具有大应变范围的柔性传感器，需要确保在大拉伸应变下不被破坏的基础上，兼顾高灵敏度和快速响应速度，从而获得更宽的应变工作范围和稳定的应变能力。目前，具有大应变范围的柔性传感器随着应变范围提升，其传感性能难以较好的保持，因此在应变工作范围仍然有提升的空间。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明目的在于提供一种tpu柔性应变膜及其传感器的制备方法，tpu柔性应变膜通过在真空抽滤法依次在tpu纳米纤维膜上沉积第一碳纳米管层、第二银纳米线层和第三碳纳米管层，获得了一种具有夹层的柔性应变膜，其断裂伸长率高达350％的情况下仍然具有优异的传感性能即高灵敏度、快速响应能力。本发明制备方法简单，能够适合大规模应用。本发明制备的碳纳米管/银纳米线柔性应变传感器具有优异的传感性能，高灵敏度和快速响应时间可以满足人体健康监测中脉搏和呼吸等微弱生理信号监测的要求，宽工作范围能够对人体运动信号提供准确、快速的响应，长期稳定性保障了该传感器的使用持续性。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种tpu柔性应变膜的制备方法，通过真空抽滤法依次在tpu纳米纤维膜上沉积第一碳纳米管层、第二银纳米线层和第三碳纳米管层获得，所述tpu纳米纤维膜是由tpu纺丝溶液静电纺丝得来，纺丝时针头与接收辊之间的距离为12-18cm，电压为12-14kv，纺丝液的流量为0.5-0.9ml/h，纺丝质量浓度为18％，碳纳米管与银纳米线的质量比为3：1，第一碳纳米管层、第二银纳米线层和第三碳纳米管层的厚度比为1.5-2：1：1.5-2。本发明制备得到的tpu纳米纤维膜具有分布均匀的孔隙，结合碳纳米管-银纳米线-碳纳米管-tpu纳米纤维膜夹层结构及厚度的设置，使得与tpu纳米纤维膜接触的第一碳纳米管层作为导电填料充分且均匀的附着在纤维表面，夹层结构能够更加稳固的附着tpu纳米纤维膜上，夹层结构形成的三维网状导电结构更加不易脱落，使得应变膜在断裂伸长率高达350％的情况下仍然具有优异的传感性能即高灵敏度、快速响应能力。

4、纺丝时针头与接收辊之间的距离为15cm，电压为13.65kv，纺丝液的流量为0.7ml/h，纺丝质量浓度为18％。

5、沉积第一碳纳米管层时，碳纳米管分散液质量浓度为1-3mg/ml。

6、沉积第二银纳米线层时，银纳米线分散液质量浓度为1-3mg/ml。

7、沉积第三碳纳米管层时，碳纳米管分散液质量浓度为1-3mg/ml。

8、真空抽滤法沉积过程中，当第一碳纳米管层表面没有溶液时，继续抽滤5-10min，加入银纳米线分散液进行第二银纳米线层的沉积。

9、真空抽滤法沉积过程中，当第二银纳米线层表面没有溶液时，继续抽滤5-10min，加入碳纳米管分散液进行第三碳纳米管层的沉积。在实践过程中，一般情况是等第一碳纳米管层表面完全干燥的情况进行沉积，然而发明人发现，在沉积时，沉积时机也会影响到夹层成型效果，当选择在沉积层表面没有溶液时继续抽滤5-10min后进行第二层的沉积(而非等上一沉积层完全干燥后进行第二层的沉积)，则会使得层与层交汇处有混杂层的出现，而混杂层也会影响到夹层导电网络以及整个膜的拉伸性能：混杂层结构使得层与层之间的附着力得到提升，防止层与层之间在拉伸过程中发生脱落。

10、真空抽滤沉积前，将tpu膜放置在碳纳米管分散液中进行超声前处理。在实践过程中发明人发现，对tpu膜进行上述处理，是为了给后续碳纳米管的沉积提供附着基础，若没有进行此步骤，应变膜上的导电层(即碳纳米管-银纳米线-碳纳米管层)并不能很好的附着在tpu膜上，也就不能随着tpu膜的拉伸进行拉伸，而适当的拉伸会使得导电层表面产生微裂纹从而形成稳定的网络导电结构，进而在具备较高的拉伸伸长率的基础上提升灵敏度和响应能力。因此本发明的着眼点即就在于在提供较高应变范围的情况下，提升传感器的灵敏度和响应能力。在实践中可以观察到tpu纳米纤维膜由白色转变为灰色，这说明了碳纳米管附着在了tpu纳米纤维膜的孔隙中，为后续的沉积提供了附着基础。

11、一种tpu柔性应变传感器的制备方法，将前述的制备方法获得的tpu柔性应变膜烘干贴上导电线而得。

12、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

13、1、本发明通过真空抽滤获得碳纳米管层/银纳米线层/碳纳米管层-tpu纳米纤维膜，能够有效提升应变膜的应变范围，本发明制备的柔性应变传感器具有宽工作范围

14、(0％-350％)，快速响应时间(39ms)和高灵敏度(gf＝1005.8)，对于应用在脉搏等小应变以及人体关节大应变的实时监测上，能够达到监测要求以及长期稳定性要求，具有极大的优势。

15、2、本发明制备方法简单快捷，能够适应大规模生产。

技术特征：

1.一种tpu柔性应变膜的制备方法，其特征在于，通过真空抽滤法依次在tpu纳米纤维膜上沉积第一碳纳米管层、第二银纳米线层和第三碳纳米管层获得，所述tpu纳米纤维膜是由tpu纺丝溶液静电纺丝得来，纺丝时针头与接收辊之间的距离为12-18cm，电压为12-14kv，纺丝液的流量为0.5-0.9ml/h，纺丝质量浓度为18%，碳纳米管与银纳米线的质量比为3：1，第一碳纳米管层、第二银纳米线层和第三碳纳米管层的厚度比为1.5-2：1：1.5-2。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，纺丝时针头与接收辊之间的距离为15cm，电压为13.65kv，纺丝液的流量为0.7ml/h，纺丝质量浓度为18%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，沉积第一碳纳米管层时，碳纳米管分散液质量浓度为1-3mg/ml。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，沉积第二银纳米线层时，银纳米线分散液质量浓度为1-3mg/ml。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，沉积第三碳纳米管层时，碳纳米管分散液质量浓度为1-3mg/ml。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，真空抽滤法沉积过程中，当第一碳纳米管层表面没有溶液时，继续抽滤5-10min，加入银纳米线分散液进行第二银纳米线层的沉积。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，真空抽滤法沉积过程中，当第二银纳米线层表面没有溶液时，继续抽滤5-10min，加入碳纳米管分散液进行第三碳纳米管层的沉积。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，真空抽滤沉积前，将tpu膜放置在碳纳米管分散液中进行超声前处理。

9.一种tpu柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，将权利要求1-8任一项所述的制备方法获得的tpu柔性应变膜烘干贴上导电线而得。

技术总结
本发明公开了一种TPU柔性应变膜、柔性应变传感器及制备方法，通过真空抽滤法依次在TPU纳米纤维膜上沉积第一碳纳米管层、第二银纳米线层和第三碳纳米管层获得，所述TPU纳米纤维膜是由TPU纺丝溶液静电纺丝得来，纺丝时针头与接收辊之间的距离为12‑18cm，电压为12‑14KV，纺丝液的流量为0.5‑0.9ml/h，纺丝质量浓度为18%，碳纳米管与银纳米线的质量比为3：1，第一碳纳米管层、第二银纳米线层和第三碳纳米管层的厚度比为1.5‑2：1：1.5‑2。本发明制备的柔性应变传感器具有宽工作范围（0%‑350%），快速响应时间（39ms）和高灵敏度（GF=1005.8），对于应用在脉搏等小应变以及人体关节大应变的实时监测上，能够达到监测要求以及长期稳定性要求，具有极大的优势。

技术研发人员：秦文峰,李刚,薛云升,彭皓
受保护的技术使用者：中国民用航空飞行学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15