柔性應(yīng)變織物傳感器研究進(jìn)展

王 雙， 劉 瑋， 劉曉霞

(上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620)

綜述與評(píng)論

柔性應(yīng)變織物傳感器研究進(jìn)展

王 雙， 劉 瑋， 劉曉霞

(上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海201620)

傳感器是智能紡織品的重要組成部分。柔性智能傳感器具有柔韌性好，可自由彎曲的特性，可使服裝在獲得智能化的同時(shí)保持其原有的舒適性能。以織物為基礎(chǔ)的柔性應(yīng)變傳感器能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)與服裝的無(wú)縫整合，在智能紡織品領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。主要介紹了柔性應(yīng)變織物傳感器的不同制備方法及其應(yīng)變傳感特性。

傳感器； 柔性； 應(yīng)變； 織物

0 引 言

應(yīng)變傳感器是測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一類傳感器[1]。與傳統(tǒng)采用剛性材料制成的傳感器不同，柔性應(yīng)變傳感器由于采用柔性材料制成，具有柔韌性好，可自由彎曲甚至折疊的特性，具有更廣泛的應(yīng)用前景[2]。尤其可作為智能紡織品的重要組成部分，使紡織品可在實(shí)現(xiàn)"智能性"的同時(shí)滿足其他各種機(jī)械性能，且不影響或盡量避免影響紡織品的原有特性，如柔軟度、手感等[3]。電阻式織物應(yīng)變傳感器多采用導(dǎo)電紗線并基于針織物結(jié)構(gòu)，通過針織物線圈結(jié)構(gòu)的形變產(chǎn)生織物電阻變化從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感，導(dǎo)電紗線多采用不導(dǎo)電紗線鍍銀以及導(dǎo)電紗線與其他功能性紗線復(fù)合的方式[4]。

隨著新型材料和智能材料研究，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)普通電阻應(yīng)變傳感器基底材料進(jìn)行改進(jìn)，在非導(dǎo)電高分子材料中添加導(dǎo)電介質(zhì)或?qū)?dǎo)電聚合物涂覆在柔性基底上以獲得具有應(yīng)變敏感性的柔性導(dǎo)電復(fù)合材料[1]。聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酰亞胺等作為基底材料已廣泛用于柔性壓力傳感器的制作，有別于采用金屬應(yīng)變計(jì)的測(cè)力傳感器和采用n型半導(dǎo)體芯片的擴(kuò)散型普通壓力傳感器，此類具有良好的柔韌性、導(dǎo)電性及壓阻特性，在智能服裝、智能運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人“皮膚”等方面廣泛應(yīng)用[5]。

近年來(lái)，柔性織物應(yīng)變傳感器受到了眾多關(guān)注，并取得了一定的研究成果。以織物為基礎(chǔ)的柔性應(yīng)變傳感器多為導(dǎo)電織物，大體可分為2種：利用編織技術(shù)將導(dǎo)電紗線織入到織物中；直接對(duì)織物進(jìn)行導(dǎo)電涂層整理制備織物柔性應(yīng)變傳感器。

1 以導(dǎo)電紗線為基礎(chǔ)的柔性應(yīng)變織物傳感器

根據(jù)導(dǎo)電紗線的原料不同，目前，較多研究將不導(dǎo)電的紗線采取鍍金屬銀的方式制備導(dǎo)電紗線，以及將導(dǎo)電紗線與不導(dǎo)電功能紗線采用多種復(fù)合的方式制備導(dǎo)電復(fù)合紗線(比如包芯紗等)。

1.1 以鍍銀紗線為基礎(chǔ)的柔性應(yīng)變織物傳感器

將不具備導(dǎo)電性的紗線表面鍍銀后，與其他紗線交織制備導(dǎo)電織物，對(duì)其進(jìn)行拉伸測(cè)試，可表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電性能。目前，研究較多的是以針織結(jié)構(gòu)為基體的交織織物，例如王金鳳等人[6]采用的鍍銀導(dǎo)電錦綸絲在應(yīng)變?yōu)? %內(nèi)的初始電阻為26.41 Ω，計(jì)算得其應(yīng)變靈敏度為K=2.51。將鍍銀導(dǎo)電錦綸絲與其他紗線編織了五種緯編針織結(jié)構(gòu)柔性傳感器，研究發(fā)現(xiàn)：選擇較小的圈距、較大的線圈長(zhǎng)度、較高的單位長(zhǎng)度紗線電阻率、較多的線圈縱、行數(shù)和較少的線圈橫、列數(shù)，可以設(shè)計(jì)出敏感度高且測(cè)量簡(jiǎn)易方便的針織柔性傳感器。韓瀟等人[7]制備了以鍍銀導(dǎo)電錦綸紗為面紗的緯平針添紗組織柔性傳感器。在傳感區(qū)域尺寸縱行數(shù)×橫列數(shù)為240×15時(shí)，靈敏度最高為47.43，實(shí)驗(yàn)表明:在橫、列數(shù)相同的情況下，電阻隨縱、行數(shù)的增加而線性增加；在縱、行數(shù)相同的情況下，電阻隨橫、列數(shù)的減少而線性增加，電阻與應(yīng)變的擬合曲線斜率也有同樣的規(guī)律。

1.2 以復(fù)合紗線為基礎(chǔ)的柔性應(yīng)變織物傳感器

將具備導(dǎo)電性的紗線(本身具備導(dǎo)電的單紗或者采用鍍銀等方式處理后導(dǎo)電的單紗)與其他不導(dǎo)電功能性紗線通過包芯紗等復(fù)合方式得到的導(dǎo)電復(fù)合紗線，再將導(dǎo)電復(fù)合紗線與其他紗線交織制備導(dǎo)電織物。在復(fù)合過程中，各組分的成分均會(huì)對(duì)復(fù)合紗線的導(dǎo)電性形成影響，例如李準(zhǔn)準(zhǔn)等人[8]以滌綸紗線為基材制備了滌綸/聚苯胺導(dǎo)電紗線，測(cè)試聚苯胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)導(dǎo)電紗線導(dǎo)電性的影響。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)pH值為2～3，過硫酸銨為2g，聚苯胺用量為10 g時(shí)，導(dǎo)電紗線的電阻率最小為96，導(dǎo)電性最好。張保宏等人[9]研究了過硫酸銨、苯胺以及硫酸濃度等條件對(duì)于聚苯胺/滌綸復(fù)合導(dǎo)電紗線導(dǎo)電性能的影響，結(jié)果表明：過硫酸銨/苯胺單體摩爾比1︰1，硫酸濃度1 mol/L時(shí)，復(fù)合紗線電阻約為300 Ω/cm，此時(shí)導(dǎo)電性最好。

同樣導(dǎo)電復(fù)合紗線也多采用針織結(jié)構(gòu)為基體進(jìn)行拉伸應(yīng)變研究，例如劉燾等人[10]以柔性涂炭纖維為原材料，制備了緯平和1+1羅紋兩種針織物結(jié)構(gòu)，對(duì)其傳感性能測(cè)試結(jié)果說(shuō)明并股緯平針織傳感器的靈敏度最好，其量規(guī)因數(shù)(gauge factor,GF)值為1.520。但相較于有關(guān)柔性傳感器研究的文獻(xiàn)中靈敏度的范圍：1.15～3.1，其研究的針織物柔性傳感器靈敏度相對(duì)較低。易紅霞等人[11]制備了以鍍銀導(dǎo)電纖維和錦/氨包芯紗復(fù)合的柔性傳感器，設(shè)計(jì)規(guī)格為22橫列×200縱行，隨著固定電阻增加，針織柔性傳感器靈敏度降低；拉伸應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，傳感器靈敏度降低；當(dāng)選用固定電阻為7.5 Ω，拉伸應(yīng)變?yōu)?0 %時(shí)復(fù)合紗線靈敏度最高，其GF值接近2.500。 吳艷平等人[12]以棉氨綸包芯紗整體為芯線提供彈性，不銹鋼/滌/棉混紡紗作為外包紗提供導(dǎo)電性，測(cè)試表明：二次包纏紗的GF平均值為4.138 5，較一次包纏紗的靈敏度要好；一次包纏的緯平針織物的GF平均值為4.127 7，較羅紋織物要好；對(duì)于任何織物均在拉伸速度為10 mm/min時(shí)靈敏度最高，接近于4.14左右。 Hong Jianhan等人[13]以緯編針織結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用聚乙烯(UHMWPE)/聚苯胺(PANI)復(fù)合紗，復(fù)合紗的電導(dǎo)率為(0.87±0.1)S/cm，制備了針織物傳感器，對(duì)織物傳感器的拉伸應(yīng)變性能進(jìn)行研究,如圖1。結(jié)果表明：在相對(duì)較低的應(yīng)變范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變的增加，織物的電阻增加，選用織物密度為每英寸22.3個(gè)線圈，拉伸應(yīng)變10 %時(shí)織物電阻最大為0.4×105 Ω。

圖1 UHMWPE/PANI緯編針織傳感器結(jié)構(gòu)

楊斌等人[14]采用不銹鋼長(zhǎng)絲制備了單面經(jīng)編織物和緯平平面織物，對(duì)織物進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)于經(jīng)編織物，其初始電阻為13.525 6 Ω，拉伸至斷裂，相對(duì)電阻隨應(yīng)變?cè)黾佣鴾p少，在應(yīng)變范圍ε=2.15 %～17.69 %間幾乎成一線性關(guān)系，相對(duì)電阻變化靈敏度為-3.917 l/ε。對(duì)于緯平平面織物，織物拉伸至60 %后再恢復(fù)到應(yīng)變?yōu)榱?，同樣織物相?duì)電阻隨應(yīng)變?cè)黾佣鴾p少，在應(yīng)變范圍ε=28.464 2 %～48.548 4 %間成線性關(guān)系。Shayan Seyedin等人[15]以PU/PEDOT:PSS復(fù)合紗制備了緯平針織結(jié)構(gòu)的傳感器，在0 %～100 %拉伸范圍內(nèi)，0～500次循環(huán)中，測(cè)試了不同厚度針織物的電阻大小。結(jié)果表明：?jiǎn)螌拥尼樋椊Y(jié)構(gòu)傳感器的電阻最大，接近700 kΩ，對(duì)應(yīng)的GF值為-0.2。Atalay Ozgur等人[16]以鍍銀尼龍紗線制備了緯平針織物傳感器，當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?0 %時(shí)，織物的電阻最高，對(duì)應(yīng)的GF值在3.44左右。

2 以導(dǎo)電涂層改性為基礎(chǔ)的柔性應(yīng)變織物傳感器

涂層織物是指在織物表面涂覆完全連續(xù)的聚合物涂層，尼龍或聚酯長(zhǎng)絲織物一般采用直接涂層；針織物結(jié)構(gòu)疏松、容易伸長(zhǎng)，一般采用轉(zhuǎn)移涂層，即將聚合物涂在離型紙上形成薄膜，然后再將薄膜壓在織物上。對(duì)涂覆原料上研究較多的為碳系涂層，例如張奕等人[2]利用熔混法將nm級(jí)的炭黑粉末分散在具有兩相結(jié)構(gòu)的SBS復(fù)合聚合物中，炭黑粉末的添加量為27.6 %。然后將化學(xué)物質(zhì)氯代特戊酰氯(CPC)材料涂層在滑翔傘布上，制作成完整的CPC傳感器，在織物拉伸斷裂的過程中同時(shí)檢測(cè)傳感器的電阻率。結(jié)果表明:斷裂伸長(zhǎng)率小于15 %時(shí)，傳感器的響應(yīng)是非線性的；當(dāng)斷裂伸長(zhǎng)率大于15 %時(shí)，傳感器的響應(yīng)幾乎是線性的。經(jīng)計(jì)算可得CPC傳感器的衡量因子斜率K值為80，傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)體K的最大值一般為2.1。廖麗芳等人[17]研究了以滌綸為基體的涂炭紗線的導(dǎo)電性能，隨著拉伸率的增大，紗線的傳感性能降低：在0 %～12 %拉伸范圍內(nèi)，F(xiàn)6S150，F(xiàn)12S150(F為紗線根數(shù)，S為紗線捻度)均有較好的線性度和靈敏度，GF分別為10.627，19.178；在0 %～30 %拉伸范圍內(nèi)，F(xiàn)12S150靈敏度最好，其GF值為19.968。

織物結(jié)構(gòu)上，目前，研究較多以針織結(jié)構(gòu)為主，衣衛(wèi)京等人[18]以針織面料作為基布，通過印花方式涂覆導(dǎo)電復(fù)合材料制成具有應(yīng)變傳感功能的導(dǎo)電面料，對(duì)其拉伸試驗(yàn)表明：變形從0 %～100 %時(shí)，應(yīng)力和電阻變化率均相應(yīng)地增加；沿經(jīng)向拉伸較緯向拉伸具有更好的電阻變化線性度、更小的應(yīng)力和電阻變化滯后，且相應(yīng)系數(shù)在4以上。碳系導(dǎo)電復(fù)合材料涂覆到針織面料后形成的導(dǎo)電針織面料具有明顯的壓阻特性，可以用作柔性壓力或應(yīng)變傳感器的靈敏元件，衣衛(wèi)京等人[19]研究了該導(dǎo)電針織面料在受到較小壓力時(shí)的壓阻性能，并探討了不同結(jié)構(gòu)和測(cè)試條件對(duì)其壓阻性能的影響。結(jié)果表明：在0～3 kPa的壓力范圍內(nèi)該導(dǎo)電針織面料的壓力與電阻呈現(xiàn)非常好的線性關(guān)系，且在重復(fù)測(cè)試時(shí)具有良好的重復(fù)性；改變針織面料表面的涂層，壓力測(cè)量能在更寬的范圍內(nèi)調(diào)整。Xue P等人[20]制備了聚吡咯針織涂層柔性應(yīng)變傳感器，研究結(jié)果顯示：低聚合溫度下化學(xué)氣相沉積法制備的導(dǎo)電織物的應(yīng)變靈敏超過400，拉伸范圍超過50 %。 顧昊等人[21]測(cè)試了涂覆不同含量的導(dǎo)電炭黑涂層的棉織物的導(dǎo)電性能，當(dāng)炭黑質(zhì)量含量在15 %時(shí)，織物電阻最低為4.2×104 Ω·cm，導(dǎo)電性最好。 景凡等人[22]自制金屬銀包覆空心微珠，將其應(yīng)用于織物涂層整理，試驗(yàn)測(cè)得隨著鍍銀微珠填加量的增加，涂層織物的電阻率降低，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。當(dāng)鍍銀微珠與粘合劑4︰10質(zhì)量混合時(shí)，電阻率為0.862 Ω·cm，與相同條件下銀粉涂層織物的電阻率0.743 Ω·cm相接近。

近年來(lái)，許多其他領(lǐng)域的學(xué)者研究設(shè)計(jì)了一系列柔性應(yīng)變織物的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更好地將智能服裝與人體相結(jié)合。例如肖小玉等人[23]為指導(dǎo)慢性阻塞性肺疾病患者完成標(biāo)準(zhǔn)的呼吸操康復(fù)訓(xùn)練，設(shè)計(jì)了一種穿戴式呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括呼吸波傳感器、數(shù)據(jù)采集電路板和手機(jī)APP軟件。通過該系統(tǒng)，患者能實(shí)時(shí)觀測(cè)自身呼吸波形和各項(xiàng)呼吸參數(shù)，通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)呼吸曲線，根據(jù)同步提示音修正并完成標(biāo)準(zhǔn)呼吸操。張新貴等人[24]針對(duì)模擬和數(shù)字2種心率傳感器無(wú)線信號(hào)傳送距離短的狀況，結(jié)合體育運(yùn)動(dòng)的實(shí)際需求，重點(diǎn)研究了數(shù)字心率傳感器無(wú)線中繼裝置的工作原理，設(shè)計(jì)了針對(duì)Polar數(shù)字心率傳感器的無(wú)線中繼裝置，為后續(xù)遠(yuǎn)端無(wú)線心率實(shí)時(shí)處理提供了硬件平臺(tái)。

3 結(jié) 論

目前，國(guó)內(nèi)外研制的柔性織物傳感器主要將電子元件嵌入織物、將導(dǎo)電紗線織入織物，或通過具有涂層的間隔織物以及導(dǎo)電高聚物薄膜實(shí)現(xiàn)。編織法和涂層法制備柔性織物應(yīng)變傳感器，是大部分研究柔性智能服裝的首選方法，大量的研究成果也證實(shí)該類傳感器靈敏度高，但對(duì)于可穿戴服裝來(lái)講，其舒適性、耐水洗性、可重復(fù)性仍然是需要進(jìn)一步研究的課題。另外，以碳納米管材料為基體的柔性應(yīng)變傳感器，其應(yīng)變傳感機(jī)理模型尚未完善，碳納米管紗線在針織物、機(jī)織物和編織物中的傳感模型也是未來(lái)的研究方向之一；國(guó)內(nèi)外對(duì)于碳納米管傳感器在應(yīng)用方面的研究也還止步于靜態(tài)拉伸應(yīng)變微小變形，對(duì)于動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變的大應(yīng)變變形方面的研究很少，可以作為今后的研究方向。

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Researchprogressofflexiblefabricstrainsensor

WANG Shuang， LIU Wei， LIU Xiao-xia

(CollegeofFashionTechnology，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China)

Sensor is the essential part for smart textiles. With the excellent property of flexibility, flexible smart sensor can make the smart clothing maintain its comfortability. Especially, the flexible fabric stain sensor can fully realize the seamless integration with the clothing, which makes it has significant potential in smart textiles.Different methods to prepare the flexible fabric strain sensors and their sensing properties are introduced.

sensor; flexible; strain; fabric

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0001—03

TP 212.6

A

1000—9787(2017)12—0001—03

2016—10—28

王 雙(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘技{米管復(fù)合材料的制備及傳感性研究。