同轴湿纺炭黑—硅胶复合内涂层柔性纤维应变传感器*

陈 娟，盛 斌，陈上碧，肖杰俣，熊 岩

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093;2.上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093)

0 引 言

近年来，柔性可穿戴应变传感器由于在人体运动监测、医疗保健、电子皮肤等领域的迅速发展而受到了越来越多的关注[1,2]。传统的应变传感器一般是由金属与半导体衬底组成，硬度大且灵敏度低，应变范围小(<5 %)，难以用于人体运动等一些大幅度应变的监测。因此，人们开发了各种新的材料和方法来制备柔性应变传感器。目前，制备柔性应变传感器一般采取两种策略。第一种，将导电活性材料(碳纳米管[3]、金属纳米线[4]、石墨烯[5]等)融入柔性基底中；第二种采用涂层的方法(电镀、电化学沉积[6]、浸涂[7]等)将导电材料涂覆在弹性基材上。例如陈哲曦等人利用超声辅助烧结法在传统的纳米银导电墨水中引入碳纳米管浆料制备了一种柔性纸基应变传感器[8]；汪海船等人通过向聚二甲基硅氧烷中掺杂多壁碳纳米管和NH4HCO3制备了一种具有多孔结构的柔性压阻复合材料[9]。除了新的材料和新的制备方法，在柔性应变传感器中引入一些微结构也是提高传感器性能的一个研究方向。例如，多孔、裂纹、波纹、等结构已被用于柔性传感器的制备中[10]。微结构可以增大柔性传感器在应变过程中的形变量,从而提高传感器的灵敏度。

本文通过简单的同轴湿纺工艺，利用Ecoflex、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、炭黑(carbon black,CB)、CHCl3等材料制备了一种多层中空结构的纤维状应变传感器。外层是弹性基底层，由纯Ecoflex材料制成；内层为导电层，由CB/PDMS复合材料制成。当同轴纤维固化完成后便得到了具有裂纹结构的多层中空复合纤维，具有良好的应变效应，可用来监测人体运动，具有作为可穿戴电子设备的应用潜力。

1 实 验

1.1 原料与化学试剂

Ecoflex(Ecoflex—0030,美国Smooth-On公司)包括主剂A和固化剂B；PDMS(Sylgard184,道康宁公司)包括主剂和固化剂；CB(ECP600JD,天津艾维信化工科技有限公司)，纯度98 %，颗粒直径60～80 nm;CHCl3(国药集团化学试剂有限公司);去离子水(河南省新乡市佳洁宝公司)。PDMS是一种具有优异柔弹性的高分子材料，化学性能稳定，具有生物兼容性,易与导电颗粒复合，常被用作柔性基材[11]。Ecoflex是一种硅胶，相比于PDMS具有更高的拉伸性，最大拉伸量约为900 %。

1.2 CB-Ecoflex复合纤维制备

CB-Ecoflex复合纤维制作过程如图1所示，主要可分为三步:1)将Ecoflex A液与Ecoflex B液以体积比1︰1混合，搅拌均匀，用做同轴纤维外层纺丝液。2)将一定量的CB和PDMS混合均匀，加入CHCl3和固化剂(主剂与固化剂质量比为10︰1)后，放入超声清洗机中超声分散30 min，使CB分散均匀，用于同轴纤维内层纺丝液；……