一种基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器及其制备方法和应用

本发明涉及柔性传感与监测，尤其涉及一种基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、柔性传感器是电子设备感知外界变化刺激的媒介，是获取环境信息的桥梁，在柔性电子、可穿戴设备、软体机器人器械等领域有大量应用需求。传感器通常依据其探测信号功能进行划分，包括但不限于应力应变传感器、温度传感器、光敏传感器、距离传感器、位移传感器、加速度传感器、辐射传感器、特定化学物质传感器等。随着电子设备向小型化、集成化、多功能化和低功耗方向的发展，一个设备集成多个单一功能的传感器不仅增加了电子设备的体积，也间接增加了功耗和冗余性，因此，传感器也逐渐向多功能化方向演变。

2、目前具备探测两种或两种以上物理量功能的传感器相对较少。多功能的实现主要可从两个角度出发：一是制备一种能够对多种物理或化学刺激产生响应的复合材料；二是经过独特的结构设计，实现功能的增加。2018年，g.zhao等制备了一种可利用压阻效应、压电效应和摩擦电效应探测应力和弯曲的双功能传感器，其功能的实现就是基于镶嵌压电纳米颗粒的碳化聚合物静电纺丝纤维（g. zhao, x. zhang, x. cui, et al.piezoelectric polyacrylonitrile nanofiber film-based dual-function self-powered flexible sensor [j]. acs applied material interfaces,2018,10,15855~15863）；中国专利cn111595506a公开了通过传感器基底内部金字塔状的微凸体结构将切向力产生的形变增强为纤维之间的接触与微观形变，提高传感器对切向力的传感能力，从而使传感器实现法向力/应变和切向力探测的双重功能，不能实现电阻随温度的变化。温度和应变是两种不同的物理量，难以通过结构设计实现两种物理量的集成，而通过复合材料较易实现。

3、现有技术中还没有同时具有温度敏感性和应变敏感性的传感器。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器及其制备方法和应用。本发明制得的柔性传感器可探测温度和应力，能够应用于柔性电子、可穿戴器件、软体机器人等领域。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器的制备方法，包括以下步骤：

4、将第一聚合物和溶剂混合，得到芯材溶液；

5、将第二聚合物、离子液体和溶剂混合，得到壳材溶液；

6、在绝缘柔性基底表面，利用所述芯材溶液和壳材溶液进行同轴静电纺丝，得到传感纤维层，所述传感纤维层包括同轴核壳静电纺丝微纳米纤维和绝缘柔性基底；

7、将所述同轴核壳静电纺丝微纳米纤维与导线连接，将两个所述传感纤维层面对面贴合，得到所述基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器，所述面对面贴合为所述同轴核壳静电纺丝微纳米纤维对向贴合。

8、优选地，所述第一聚合物包括聚乳酸、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚己内酯、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素中的一种或多种。

9、优选地，所述第二聚合物为聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧乙烷或聚乙烯醇。

10、优选地，所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰）酰亚胺或1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐。

11、优选地，所述第二聚合物和离子液体的质量比为1:2~2:1。

12、优选地，所述同轴静电纺丝包括以下参数：内喷嘴孔径0.3~0.5mm，外喷嘴孔径0.7~1.2mm，推进速率0.1~5ml/h，直流电压5~20kv，双轴喷嘴与收集器的接收距离5~25cm，湿度20~70%rh。

13、优选地，所述绝缘柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷或柔性硅胶。

14、优选地，所述芯材溶液和壳材溶液中聚合物的浓度独立地为5~50wt%。

15、本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器。

16、本发明还提供了上述技术方案所述的基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器在柔性电子、可穿戴器件和软体机器人领域中的应用。

17、本发明提供了一种基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器的制备方法，包括以下步骤：将第一聚合物和溶剂混合，得到芯材溶液；将第二聚合物、离子液体和溶剂混合，得到壳材溶液；在绝缘柔性基底表面，利用所述芯材溶液和壳材溶液进行同轴静电纺丝，得到传感纤维层，所述传感纤维层包括同轴核壳静电纺丝微纳米纤维和绝缘柔性基底；将所述同轴核壳静电纺丝微纳米纤维与导线连接，将两个所述传感纤维层面对面贴合，得到所述基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器，所述面对面贴合为所述同轴核壳静电纺丝微纳米纤维对向贴合。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

19、本发明利用同轴静电纺丝得到的同轴核壳静电纺丝微纳米纤维具备离子凝胶同轴均匀包覆聚合物纤维的核壳结构，聚合物芯材提供强度与韧性，壳材中的离子凝胶导电性随温度变化，同时结合纤维形变与接触引起纤维网络电阻变化，使传感器具有温度传感和应变传感的双重功能，在柔性电子、可穿戴器件、软体机器人等领域具有巨大应用价值

20、且本发明利用同轴静电纺丝法制备一步得到，工艺简便，成本较低，无需反复浸渍包覆。

技术特征：

1.一种基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一聚合物包括聚乳酸、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚己内酯、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二聚合物为聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧乙烷或聚乙烯醇。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述同轴静电纺丝包括以下参数：内喷嘴孔径0.3~0.5mm，外喷嘴孔径0.7~1.2mm，推进速率0.1~5ml/h，直流电压5~20kv，双轴喷嘴与收集器的接收距离5~25cm，湿度20~70%rh。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷或柔性硅胶。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芯材溶液和壳材溶液中聚合物的浓度独立地为5~50wt%。

7.权利要求1~6任一项所述制备方法制得的基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器。

8.权利要求7所述的基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器在柔性电子、可穿戴器件和软体机器人领域中的应用。

技术总结本发明提供了一种基于同轴结构的离子凝胶复合微纳米纤维柔性双功能传感器及其制备方法和应用，属于柔性传感与监测技术领域。本发明提供芯材溶液、壳材溶液，利用所述芯材溶液和壳材溶液进行同轴静电纺丝，得到传感纤维层，将同轴核壳静电纺丝微纳米纤维与导线连接，将两个所述传感纤维层面对面贴合，得到柔性双功能传感器。本发明利用同轴静电纺丝得到的同轴核壳静电纺丝微纳米纤维具备离子凝胶同轴均匀包覆聚合物纤维的核壳结构，聚合物芯材提供强度与韧性，壳材中的离子凝胶导电性随温度变化，同时结合纤维形变与接触引起纤维网络电阻变化，使传感器具有温度传感和应变传感的双重功能。技术研发人员：赵更锐,王宏刚,任俊芳,高贵,陈生圣,刘文广,杨保平,杨生荣,张俊彦受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/2/19