本發(fā)明屬于聚合物基柔性應(yīng)變傳感器，具體涉及一種軟-硬段交錯的纖維型柔性應(yīng)變傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、柔性應(yīng)變傳感器作為一種能夠?qū)C(jī)械形變轉(zhuǎn)換為電信號的功能器件，在可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測、人機(jī)交互、智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，纖維型柔性應(yīng)變傳感器因其獨特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢，受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的薄膜型或塊狀柔性傳感器相比，纖維型傳感器具有優(yōu)異的柔韌性、可編織性和透氣性，能夠無縫集成到衣物或可穿戴設(shè)備中，實現(xiàn)對人體運動、呼吸、心跳等生理信號的實時監(jiān)測；同時，其輕質(zhì)、透氣和舒適的特性使其適合長時間佩戴。此外，纖維型傳感器易于通過成熟的紡絲工藝（如濕法紡絲、熔融紡絲）進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)，具有工藝簡單、成本低廉、適合大批量生產(chǎn)的顯著優(yōu)勢。

2、然而，盡管纖維型柔性應(yīng)變傳感器具有上述優(yōu)勢，其性能仍面臨顯著挑戰(zhàn)。首先，現(xiàn)有纖維型傳感器多采用均一結(jié)構(gòu)或簡單復(fù)合材料制備，其靈敏度受限于材料本身的力學(xué)和電學(xué)特性；其次，提高靈敏度往往以犧牲工作范圍為代價。例如，裂紋結(jié)構(gòu)的引入可以顯著提升傳感器的靈敏度，但其應(yīng)變響應(yīng)范圍通常較窄（如<50%）。此外，復(fù)雜的制備工藝或昂貴的材料成本也限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

3、因此，開發(fā)一種通過結(jié)構(gòu)設(shè)計顯著提高靈敏度、同時兼顧寬應(yīng)變響應(yīng)范圍，并保持工藝簡單、成本低廉、適合大批量生產(chǎn)的纖維型柔性應(yīng)變傳感器，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一個目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種軟-硬段交錯的纖維型柔性應(yīng)變傳感器，其具有高靈敏度和寬應(yīng)變響應(yīng)范圍。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種軟-硬段交錯的纖維型柔性應(yīng)變傳感器，其包括作為核結(jié)構(gòu)的聚偏氟乙烯纖維和作為鞘結(jié)構(gòu)的熱塑性聚氨酯層，所述熱塑性聚氨酯層包覆于聚偏氟乙烯纖維外周，所述熱塑性聚氨酯層表面具有導(dǎo)電通路層；所述纖維型柔性應(yīng)變傳感器經(jīng)預(yù)拉伸形成軟段-硬段交錯結(jié)構(gòu)，其中軟段為熱塑性聚氨酯層，硬段為聚偏氟乙烯纖維。

4、優(yōu)選地，所述導(dǎo)電通路層為多壁碳納米管導(dǎo)電層或離子液體導(dǎo)電層。

5、本發(fā)明的第二個目的是提供一種工藝簡單、成本低廉、適合大批量生產(chǎn)的基于電子導(dǎo)電機(jī)制的高靈敏度柔性纖維型應(yīng)變傳感器的制備方法。該方法通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用同軸濕法紡絲工藝制備核-鞘結(jié)構(gòu)纖維，再經(jīng)過預(yù)拉伸和剪裁處理，制得上述軟-硬段交錯的纖維型柔性應(yīng)變傳感器。

6、當(dāng)所述導(dǎo)電通路層為多壁碳納米管導(dǎo)電層時，所述方法包括以下步驟：

7、步驟（1）：將熱塑性聚氨酯（tpu）溶解在n,n-二甲基甲酰胺（dmf）中，配制tpu溶液，將聚偏氟乙烯（pvdf）溶解于dmf中，配制pvdf溶液，再通過同軸濕法紡絲設(shè)備制備tpu@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維，在烘箱中干燥，得到干燥的tpu@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維；

8、步驟（2）：將干燥的tpu@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維在有機(jī)溶劑中浸泡，纖維發(fā)生溶脹；

9、步驟（3）：將多壁碳納米管（mwcnts）分散在去離子水中，為了提高mwcnts在去離子水中的分散能力，在去離子水中加入分散劑，為了提高mwcnts在纖維表面的負(fù)載能力，在去離子水中加入乳化劑，將混合液體在細(xì)胞粉碎機(jī)中超聲，得到分散均勻的mwcnts分散液；

10、步驟（4）：將步驟（2）溶脹的tpu@pvdf纖維放置于步驟（3）配制的mwcnts分散液中，通過細(xì)胞粉碎機(jī)的超聲波在tpu@pvdf纖維表面負(fù)載一層mwcnts層，構(gòu)建起mwcnts的導(dǎo)電通路，將制備的這種纖維命名為tpu/mwcnts@pvdf纖維；

11、步驟（5）：將超聲負(fù)載mwcnts的tpu@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維進(jìn)行預(yù)拉伸，構(gòu)建軟段-硬段交錯結(jié)構(gòu)；這種“軟-硬”段結(jié)構(gòu)的引入將大幅度提高此纖維型應(yīng)變傳感器的靈敏度。將tpu/mwcnts@pvdf纖維進(jìn)行裁剪，在裁剪的纖維兩端涂敷銀漿作為電極，再與銅線相連，制得高靈敏度柔性纖維型應(yīng)變傳感器。

12、優(yōu)選地，步驟（1）中的tpu溶液的質(zhì)量濃度為30-35?wt%，更優(yōu)選為30?wt%；pvdf溶液的質(zhì)量濃度為10-15?wt%，更優(yōu)選為12?wt%。

13、優(yōu)選地，步驟（2）中所用到的有機(jī)溶劑為乙醇（etoh）、丙酮（ace）、乙酸乙酯（ea）、二甲苯等，浸泡時間為24?h。

14、優(yōu)選地，步驟（3）中所述分散劑為聚乙烯吡咯烷酮（pvp），乳化劑為曲拉通-100，mwcnts的質(zhì)量濃度為1-2?wt%，更優(yōu)選為1?wt%。超聲時間為1-1.5?h，更優(yōu)選為1?h。

15、優(yōu)選地，步驟（4）中在細(xì)胞粉碎機(jī)中的超聲時間為2-2.5?h，更優(yōu)選為2?h。

16、優(yōu)選地，步驟（5）中所用的tpu/mwcnts@pvdf纖維進(jìn)行100?%應(yīng)變下的預(yù)拉伸，裁剪后的纖維長度為5-7?cm，電極間距為2?cm。

17、當(dāng)所述導(dǎo)電通路層為離子液體導(dǎo)電層時，所述方法包括以下步驟：

18、步驟（1）：將tpu溶解在dmf中，配制tpu溶液，在tpu溶液中加入離子液體（ils），攪拌均勻得到ils/tpu溶液。將pvdf溶解于dmf中，配制pvdf溶液。

19、步驟（2）：將步驟（1）配制的ils/tpu溶液和pvdf溶液通過同軸濕法紡絲設(shè)備制備tpu/ils@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維,在烘箱中干燥，得到tpu/ils@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維。

20、步驟（3）：?將步驟（2）制備的tpu/ils@pvdf核-鞘結(jié)構(gòu)纖維進(jìn)行預(yù)拉伸后，對其進(jìn)行裁剪并將纖維兩端與銅線相連，制得柔性應(yīng)變傳感器。

21、步驟（1）中的tpu溶液的質(zhì)量濃度為30-35?wt%，更優(yōu)選為30?wt%；其中添加ils的質(zhì)量濃度為30-35?wt%，更優(yōu)選為30?wt%；pvdf溶液的質(zhì)量濃度為10-15?wt%，更優(yōu)選為12wt%。

22、優(yōu)選地，步驟（1）中的離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、n-甲基，甲氧基乙基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1-乙基-3-甲基咪唑雙氟磺酰亞胺鹽、n-甲基丙基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽和1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽中的一種或多種。

23、優(yōu)選地，步驟（3）中所用的tpu/ils@pvdf纖維進(jìn)行100?%應(yīng)變下的預(yù)拉伸，裁剪后的纖維長度為5-7?cm，電極間距為2?cm。

24、本發(fā)明的有益效果是：

25、本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)新穎的纖維型柔性應(yīng)變傳感器，其在核-鞘結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了“軟-硬”段特殊結(jié)構(gòu)，在應(yīng)變作用下，這種結(jié)構(gòu)會顯著加劇導(dǎo)電通路的破壞程度，從而產(chǎn)生比普通纖維更明顯的電阻變化，最終實現(xiàn)靈敏度的顯著提升。該結(jié)構(gòu)設(shè)計在提升柔性纖維型應(yīng)變傳感器的靈敏度方面具有通用性，以柔性纖維型應(yīng)變傳感器為參考，可以聯(lián)想到多層膜和其他相同或相似結(jié)構(gòu)的材料均可通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計取得相同或相似的性能提升。

26、此外，本發(fā)明利用同軸濕法紡絲工藝制備了核-鞘結(jié)構(gòu)纖維，再通過超聲浸漬技術(shù)在纖維表面構(gòu)建導(dǎo)電通路，實現(xiàn)了柔性傳感器低成本和可批量生產(chǎn)，工藝簡單，具有廣闊的應(yīng)用前景。