一种具有液体单向传输的Janus纤维膜应变传感器的制备方法

本发明属于柔性电子、智能纺织材料及多功能可穿戴传感器的交叉，具体涉及一种具有液体单向传输的静电纺丝janus纤维膜应变传感器的制备方法，通过调控纤维膜的表面润湿性差异与微观结构，实现液体的定向传输与界面稳定调控，并结合导电组分构建宽应变范围和高灵敏度柔性应变传感器。

背景技术：

1、近年来，基于静电纺丝纤维膜的可穿戴应变传感器因其优异的柔性、透气性及贴肤舒适性，在人机交互、人体运动监测与健康管理等领域受到广泛关注。其中，janus纤维膜凭借其独特的两面异性结构实现液体传输功能，在调控汗液定向输运、提升界面稳定性及增强复杂环境适应性方面展现出显著优势。将导电组分与静电纺丝梯度孔径结构纤维膜基底相结合并用功能层对传感器梯度改性，可实现对人体运动和生理信号的实时监测同时兼具液体单向传输特性，从而拓展了其在复杂环境下可穿戴智能传感领域的应用潜力。

技术实现思路

1、本发明目的在于，基于静电纺丝技术构建具有梯度孔径结构的纤维膜作为柔性基底，协同调控纤维膜的梯度孔径结构与表面润湿性差异，并引入mxene/cnts复合导电网络制备出一种具备液体定向传输特性和良好透气性的可穿戴应变传感器。并且本发明所制备的传感器具有高灵敏度与宽应变响应范围，可满足复杂形变条件下的稳定信号检测需求，为多功能可穿戴电子器件及智能纺织系统的实际应用提供了新的技术路径。

2、为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种具有液体单向传输的janus纤维膜应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

4、1）静电纺丝梯度孔径结构tpu纤维膜的制备：将tpu颗粒加入到thf/dmf的混合溶液中搅拌后得到均匀的tpu/thf/dmf纺丝溶液；将纺丝溶液转移到注射器中进行静电纺丝，得到静电纺丝梯度孔径结构tpu纤维膜；

5、2）mxene/cnts/tpu复合导电纤维膜的制备：ctab表面改性：将tpu纤维膜置于ctab溶液中，通过超声辅助进行表面改性并干燥；mxene/cnts浸渍沉积：将干燥后的tpu纤维膜浸渍于mxene/cnts混合分散溶液中超声辅助沉积导电材料并干燥；再重复进行一次ctab表面改性和mxene/cnts浸渍沉积过程后，得到mxene/cnts/tpu复合导电纤维膜；

6、3）具有液体单向传输的janus纤维膜应变传感器的制备：将mxene/cnts/tpu复合导电纤维膜单侧浸入da/ta的混合溶液后干燥，得到具有液体单向传输的janus纤维膜应变传感器。

7、进一步的，上述的制备方法，步骤1）中，所述搅拌转速为300 rpm，搅拌时间为4 h。

8、进一步的，上述的制备方法，步骤1）中，所述静电纺丝的条件为：接收滚筒转速为90 rpm，接收距离为24 cm，推进速度为2 ml/h，以10 kv、12 kv、14 kv的纺丝电压分别连续纺丝40 min。

9、进一步的，上述的制备方法，步骤1）中，所述thf/dmf的混合溶液中，thf和dmf的体积比为1:1。

10、进一步的，上述的制备方法，步骤1）中，所述tpu/thf/dmf纺丝溶液的浓度为18wt%。

11、进一步的，上述的制备方法，步骤2）中，所述ctab表面改性具体为：将tpu纤维膜置于ctab溶液中超声改性30 min后放入60℃烘箱中干燥15 min；mxene/cnts浸渍沉积具体为：将干燥后的tpu纤维膜放入mxene/cnts混合溶液中超声浸渍20 min后放入60℃烘箱中干燥15 min。

12、进一步的，上述的制备方法，步骤2）中，所述ctab溶液的浓度为0.2 mg/ml，用量为120 ml。

13、进一步的，上述的制备方法，步骤2）中，所述mxene/cnts混合分散溶液中的mxene、cnts和去离子水的含量分别为120 mg、1.2-4.8 mg和120 ml。

14、进一步的，上述的制备方法，步骤3）中，所述的da/ta的混合溶液的制备方法为：将三羟甲基氨基甲烷tris溶解在去离子水中，缓慢加入盐酸调节溶液ph到8.5，得到tris缓冲溶液；将盐酸多巴胺da和单宁酸ta加入tris缓冲溶液中搅拌溶解，得到da/ta的混合溶液。

15、更进一步的，上述的制备方法，步骤3）中，所述tris缓冲溶液是在120 ml去离子水中含有121 mg tris；da/ta的混合溶液中，da和ta的含量分别为200 mg和200 mg。

16、本发明提供的具有液体定向传输和应变传感性能的da-ta/mxene/cnts/tpu静电纺丝janus纤维膜应变传感器，可广泛应用于人体运动与生理信号实时监测、人机交互系统以及智能健康管理等领域。其独特的液体单向传输特性能够有效调控皮肤表面汗液与湿气分布，提升复杂出汗/潮湿环境下信号采集的稳定性与可靠性。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、1、本发明所提供的制备方法具有良好的可调控性，可通过灵活调节mxene与cnts的质量配比，实现对复合导电网络结构的精确设计，从而在不同应用需求下对传感器的灵敏度与应变范围进行有效调控。

19、2、本发明通过静电纺丝和分步浸渍法，在具有梯度孔径结构的tpu纤维膜表面成功附着高导电性纳米材料mxene/cnts和亲水材料da/ta，使janus复合纤维膜传感器同时实现了宽应变和高灵敏度的良好传感性能以及液体单向传输特性。

20、3、本发明制备的janus纤维膜应变传感器由于其梯度孔径结构和梯度润湿性差异，该传感器对环境湿度变化具有良好的适应能力，可实现对汗液等体液的定向调控与传输，有效避免液体在界面处的无序积聚，从而保持传感界面的相对干燥与稳定状态，显著提高信号输出的稳定性与可靠性。

1.一种具有液体单向传输的janus纤维膜应变传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述搅拌转速为300 rpm，搅拌时间为4 h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述静电纺丝的条件为：接收滚筒转速为90 rpm，接收距离为24 cm，推进速度为2 ml/h，以10 kv、12 kv、14 kv的纺丝电压分别连续纺丝40 min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述thf/dmf的混合溶液中，thf和dmf的体积比为1:1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述tpu/thf/dmf纺丝溶液的浓度为18wt%。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述ctab表面改性具体为：将tpu纤维膜置于ctab溶液中超声改性30 min后放入60℃烘箱中干燥15 min；mxene/cnts浸渍沉积具体为：将干燥后的tpu纤维膜放入mxene/cnts混合溶液中超声浸渍20 min后放入60℃烘箱中干燥15 min。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述ctab溶液的浓度为0.2mg/ml，用量为120 ml。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述mxene/cnts混合分散溶液中的mxene、cnts和去离子水的含量分别为120 mg、1.2-4.8 mg和120 ml。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述da/ta的混合溶液的制备方法为：将三羟甲基氨基甲烷tris溶解在去离子水中，缓慢加入盐酸调节溶液ph到8.5，得到tris缓冲溶液；将盐酸多巴胺da和单宁酸ta加入tris缓冲溶液中搅拌溶解，得到da/ta的混合溶液。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述tris缓冲溶液是在120 ml去离子水中含有121 mg tris；da/ta的混合溶液中，da和ta的含量分别为200 mg和200 mg。