一种微纳图案化多孔纤维膜及其制备方法与应用

本发明涉及压力传感器材料，尤其是涉及一种微纳图案化多孔纤维膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、热塑性聚氨酯(tpu)应变式柔性传感器具有质轻、应变范围大、制作简单等显著特点，适用范围广泛，很好地满足了现今智能柔性设备所需的各项要求，展现出非常良好的应用前景。

2、同时，静电纺纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率。因此，tpu静电纺丝膜不仅具备质量轻、应变范围大和制作简便的优势，还具有较高的比表面积和孔隙率等特点，有助于增加传感器与被检测物的接触面积，极大地提高了传感器的灵敏度和其他传感性能。

3、特别的，当采用铜网作为静电纺丝微流的接收器时，能够制造出特殊的图案，这种结构显著提升了传感器的性能。基于这种铜网的静电纺丝膜模式打破了传统，为静电纺丝获得传感器基底提供了新的研究思路。

4、基于上述静电纺丝的新模式，有现有技术制备了化学气相沉积(cvd)生长的3d石墨烯薄膜设计的柔性压力传感膜，其在0-0.2kpa压力范围内具有110(kpa)-1的高灵敏度；另外，还有现有技术制备了利用天然荷叶仿生微结构和独立聚吡咯/银(ppy/ag)杂化膜设计制造的多功能传感器，以及基于pdms微图案衬底设计的传感器，都因其大有效接触面积而具备良好的应变性能。

5、尽管如此，现有技术方案制备的传感器仍存在无法同时实现高灵敏和宽响应的问题，同时还面临材料昂贵和制作过程复杂的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，开发一种负载于柔性压力传感器的微纳图案化多孔纤维膜，使得柔性压力传感器同时具有高灵敏和宽响应的性能。

2、本发明的第一个方面在于：

3、提供一种纤维膜。

4、本发明的第二个方面在于：

5、提供一种纤维膜的制备方法。

6、本发明第三个方面在于：

7、所述纤维膜的应用。

8、本发明还提出一种柔性压力传感器。

9、具体而言，根据本发明的第一个方面采用的技术方案为：

10、一种纤维膜，所述纤维膜的组分包括：

11、热塑性聚氨酯；

12、导电填料；

13、所述纤维膜是通过静电纺丝技术将模板上的含孔微纳结构复制到纤维膜上，从而形成具有图案化结构的纤维膜。

14、根据本发明的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

15、本发明的纤维膜，通过静电纺丝技术将模板上的含孔微纳结构复制到纤维膜上，得到具有图案化结构的纤维膜，其中，模板上的含孔微纳结构与图案化结构是直接对应的。本发明得到的具有图案化结构的纤维膜具有较高的表面积和多级次微观结构，能显著增加纤维对外界刺激的敏感性。因此，可以大幅提高传感器的灵敏性并扩展其响应范围。微纳图案化结构使得纺织出的纤维膜呈现模板上的图案，由于模板具有特定的形状和排列，可以提高纤维的收集效率，防止纤维缠绕和堆积，保持纤维的均匀性。

16、根据本发明的一种实施方式，本发明的纤维膜，具有可调整性，微纳图案化结构可以通过控制接收板的形状结构类型和控制喷头与收集扳之间的距离与电压，来实现纳米纤维的直接制造，从而实现微纳结构的精准控制。

17、根据本发明的一种实施方式，所述导电填料包括碳纳米管和石墨烯。

18、根据本发明的一种实施方式，所述模板包括钢丝网和砂纸。

19、钢丝网和砂纸能够提高纤维接触面积和保持纤维均匀性从而提高传感器的灵敏度和响应范围。

20、根据本发明的一种实施方式，所述钢丝网为100-500目的钢丝网。

21、根据本发明的一种实施方式，所述砂纸为120-320目的砂纸。

22、具体而言，根据本发明的第二个方面采用的技术方案为：

23、一种制备所述纤维膜的方法，包括以下步骤：

24、s1将热塑性聚氨酯与溶剂混合，制备成纺丝溶液；

25、s2以含孔微纳结构模板作为静电纺丝接收装置上的图案模板，将所述纺丝溶液纺丝到模板上，得到纺丝膜；

26、s3将导电填料配制为分散液，混合所述分散液与所述纺丝膜，经抽滤操作，得到所述纤维膜。

27、根据本发明的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

28、首先，通过使用含孔微纳结构模板作为静电纺丝接收装置上的图案模板，可以有效地在纤维膜上复制复杂的微观结构。这种精确的结构复制不仅提高了纤维膜的表面特性和功能性，还能够定向调控纤维膜的孔隙结构和表面形貌，以满足不同应用对纤维膜的特定需求。

29、其次，将导电填料混合到纺丝溶液中，并经过抽滤操作后得到的纤维膜具有良好的导电性能。这使得纤维膜可以广泛应用于电子器件、传感器和智能材料等领域，如电子皮肤、柔性电子器件等，为这些应用提供了重要的功能基础。

30、此外，整个制备过程相对高效且可控性较强。通过调整纺丝溶液的配方和纺丝参数，可以实现对纤维膜厚度、孔隙大小及分布以及导电性能的精确控制。这种精准的工艺控制不仅提升了产品的质量和一致性，还有助于降低生产成本和资源消耗。

31、根据本发明的一种实施方式，所述纺丝溶液中，热塑性聚氨酯的质量百分比为25-30％。

32、根据本发明的一种实施方式，步骤s1中所述溶剂包括n，n-二甲基甲酰胺和四氢呋喃。

33、根据本发明的一种实施方式，所述n，n-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的体积比为1-1.2：1-1.2。

34、根据本发明的一种实施方式，步骤s2中，所述纺丝溶液纺丝到模板上时，为了防止纺丝时喷射丝线上下偏移，采用导电铜箔胶带制作成牛角状来控制喷丝范围。

35、根据本发明的一种实施方式，所述含孔微纳结构模板为钢丝网时，纺丝过程中的纺丝参数为：

36、

37、。静电纺丝是一种利用电场将聚合物溶液或熔融聚合物拉丝成纤维的方法。在这个过程中，特别的，卷绕速度、湿度和接收距离对纤维形成和质量有重要影响。

38、卷绕速度影响着纤维被收集的速度，过高的卷绕速度可能导致纤维拉伸不充分或固化不完整，影响纤维的质量和形态。湿度则直接影响溶液或熔融聚合物的粘度，高湿度会增加粘度，使得纤维形成不均匀或无法形成完整的纤维。接收距离指的是纺丝喷丝口到收集器的距离，过大的距离可能导致纤维在空气中固化不完整或者受到外界影响而质量下降。

39、其中，影响纤维粘度的主要纺丝参数是湿度，湿度对静电纺丝过程中的溶剂蒸发速度和纤维固化速率有显著影响，进而影响纤维的形态和机械性能。较高的湿度通常会减慢溶剂的蒸发，使得纤维在飞行过程中更容易聚集和粘连，从而增加纤维的粘度。

40、根据本发明的一种实施方式，所述含孔微纳结构模板为砂纸时，纺丝过程中的纺丝参数为：

41、

42、根据本发明的一种实施方式，s3中，所述抽滤操作，还包括以下步骤：先混合碳纳米管分散液和所述纺丝膜，经过抽滤、干燥处理后，再混合所述纺丝膜和石墨烯分散液，经过抽滤、干燥处理后，得到所述纤维膜。

43、本发明的另一个方面，还提供一种柔性压力传感器。包括如上述第1方面实施例所述的纤维膜。由于该应用采用了上述纤维膜的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。

44、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。