可穿戴拉伸傳感織物的研究進展*

阮小瑩,賈 可,王勝男,王小戀,殷 琴,葉雅昕

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

0 引 言

智能紡織品是指在特定的環(huán)境中能與使用對象進行相互作用的現(xiàn)代新型紡織品,相互作用包括可穿戴傳感作用、自動清潔作用等[1]?？纱┐鱾鞲凶饔猛ㄟ^監(jiān)測壓力、應(yīng)變、溫度、濕度、酸堿度等信號的變化,將物理或化學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號。隨著智能產(chǎn)品的普及,可穿戴傳感織物呈現(xiàn)出巨大的市場前景[2]。

對于可穿戴拉伸傳感織物,其原理是將拉伸狀態(tài)下紡織品基材產(chǎn)生的物理形變轉(zhuǎn)換為電子信號后從中獲取所需測量信息。例如,將拉伸傳感織物固定于手腕處測量人體心率[3]；將拉伸傳感器織物固定于胸口處測量人體呼吸頻率[4]；或?qū)鞲衅髦糜陉P(guān)節(jié)處檢測人體運動全過程。服裝作為可穿戴電子器件的理想載體,促使可穿戴電子材料向質(zhì)輕、高柔韌性、導(dǎo)電強等方向發(fā)展。然而,實現(xiàn)可穿戴電子拉伸傳感織物靈敏度高、傳感性能穩(wěn)定、服用性能良好仍是很大的挑戰(zhàn)。

本文將可穿戴拉伸傳感織物分為三類；基于金屬材料的拉伸傳感織物、基于導(dǎo)電碳材料的拉伸傳感織物以及基于導(dǎo)電聚合物的拉伸傳感織物,分別綜述了近年來國內(nèi)外制備可穿戴拉伸傳感織物的研究進展。

1 基于金屬材料的拉伸傳感織物

金屬導(dǎo)電纖維具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、柔韌性和耐腐蝕性[5]。傳統(tǒng)金屬導(dǎo)電纖維最先觸及可穿戴傳感領(lǐng)域[6],最早的導(dǎo)電纖維主要是利用金屬的導(dǎo)電性能直接拉絲,主要有銅纖維、不銹鋼纖維和鋁纖維,導(dǎo)電性能接近純金屬,是導(dǎo)電性能最好的幾種纖維。

早期實驗中,楊斌等人[7]直接采用不銹鋼長絲制備緯平針結(jié)構(gòu)和編鏈結(jié)構(gòu)針織物進行拉伸實驗。實驗觀察到在一定范圍內(nèi),不銹鋼織物的電阻隨應(yīng)變增加而下降且呈線性關(guān)系,這表明不銹鋼針織結(jié)構(gòu)可用來作為應(yīng)變傳感器,解決了高溫下進行大拉伸應(yīng)變的測量難題。

李煜天等人[8]將不銹鋼纖維與滌綸混合編織導(dǎo)電織物進行拉伸傳感測試,并加入氨綸絲進行改良。發(fā)現(xiàn)加入氨綸的導(dǎo)電織物靈敏度大于普通導(dǎo)電織物,此外織物的拉伸應(yīng)變傳感性能還與其編織結(jié)構(gòu)相關(guān),與其密度呈負相關(guān)。雖然不銹鋼/滌綸纖維導(dǎo)電性能優(yōu)異,織物傳感靈敏度很好,但編織過程難度較大,并其穿著舒適性仍需改善。

江南大學(xué)張舒的團隊[9]用鍍銀錦綸與氨綸交織制備經(jīng)編導(dǎo)電織物。在拉伸應(yīng)變較小的情況下,電阻隨應(yīng)變的增加先增加再減少最終基本保持穩(wěn)定。并且織物靈敏度會隨鍍銀紗線延展線長度的增加而提高,最后總結(jié)出隨應(yīng)變增加,上下層間接觸電阻與同層紗線間接觸電阻的動態(tài)變化規(guī)律。

WU Y Y等人[10]在單根纖維上鍍金制備高導(dǎo)電性的鍍金紡織品。當(dāng)織物拉伸15 %時電阻降低80 %,繼續(xù)拉伸直至160 %此電阻值均保持不變,這種良好的可拉伸性和導(dǎo)電性相結(jié)合的拉伸傳感織物同樣具有耐磨、耐汗的耐久性,所以適用于連接服裝等紡織品中的獨立器件。

雖然基于金屬材料的拉伸傳感織物其導(dǎo)電性優(yōu)良、穩(wěn)定且具有耐高溫高壓及耐化學(xué)腐蝕等特性,但是金屬纖維的手感較硬,易脆斷、熱縮性差,纖維之間的抱合力差,因此其可紡性差。

2 基于導(dǎo)電碳材料的拉伸傳感織物

隨著納米技術(shù)的深入研究,以石墨烯(graphene,GO)和碳納米管(carbon nanotube,CNT)為代表的導(dǎo)電碳材料,因兼具優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能,這些年引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。陸婷等人[11]用碳纖維制備經(jīng)編導(dǎo)電織物,并與不銹鋼經(jīng)編導(dǎo)電織物進行對比,反復(fù)拉伸恢復(fù)循環(huán)下發(fā)現(xiàn),碳纖維導(dǎo)電織物具備拉伸傳感性能,且循環(huán)間的重演性比不銹鋼纖維織物好。這是因為碳纖維表面相對光滑,摩擦因數(shù)小,織物拉伸恢復(fù)時塑性變形小[12]。

杜敏芝團隊[13]通過化學(xué)沉積涂覆碳化的方法使棉織物具備導(dǎo)電性,在曲率為0.6～1 cm的低拉伸應(yīng)變情況下,經(jīng)過碳化處理的二氧化錳石墨烯整理后的棉織物,標準電阻變化率可達0.82。

CNT是含碳量超過90 %的高強高模纖維[14],Obaid A等人[15]將多根CNT集結(jié)成束然后加捻為股線并進行拉伸應(yīng)變實驗,測得傳感系數(shù)為75,這一優(yōu)良性能足以使其成為新一代的拉伸傳感材料。Maity D等人[16]將銀納米顆粒、塑料、CNT混合制備成可印刷的油墨,通過數(shù)字油墨噴涂的方法研制出了靈敏度良好的柔性拉伸應(yīng)變傳感器,如圖1。

圖1 納米數(shù)字油墨傳感器

Lee J等人[17]通過在CNT中加入銀納米線(AgNW)改善CNT的導(dǎo)電性。在此基礎(chǔ)上,Chun K Y等人[18]也在CNT中加入微米級銀片,起主導(dǎo)作用的CNT作為柔性和導(dǎo)電支架,在材料層間會與銀片或銀顆粒結(jié)合并形成“橋”的結(jié)構(gòu),構(gòu)成有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),如圖2。雖然導(dǎo)電性會得到改善,但納米銀片含量增加會導(dǎo)致復(fù)合材料易碎且彈性降低。

圖2 在聚對苯二甲酸乙二醇酯襯底上的AgNW/單壁碳納米管混合結(jié)構(gòu)

Liu W等人[19]將聚乙烯醇(PVA)浸漬后的CNT紗線嵌入機織物,如圖3?？椢飩鞲邢禂?shù)相比沒有浸漬PVA的傳感織物由0.91提高到了1.64；并且此應(yīng)變傳感器對手指關(guān)節(jié)運動檢測表現(xiàn)出快速而精確的響應(yīng)。

圖3 CNT/PVA紗線示意以及實物

同樣是針對高靈敏度的人體關(guān)節(jié)需求,Cai G M等人[20]用氧化石墨烯(graphene oxide,GO)涂層彈性好的尼龍/聚氨酯織物后,再還原GO制備柔性拉伸應(yīng)變感應(yīng)織物。這種織物靈敏度較高,應(yīng)變范圍較大(0 %～30 %),且具有較好穩(wěn)定性。所以,在用作實時監(jiān)測包括手指彎曲和腕部彎曲的人體運動監(jiān)測時,也表現(xiàn)出巨大的開發(fā)潛能,如圖4所示。

圖4 實時監(jiān)測結(jié)果

至今,碳基柔性拉伸應(yīng)變傳感織物已被廣泛應(yīng)用于人體運動檢測和個人健康監(jiān)視監(jiān)測等領(lǐng)域,雖然部分高質(zhì)量的碳材料已經(jīng)被投入大規(guī)模批量生產(chǎn)中,但是生產(chǎn)過程還存在很多缺陷,已知的解決方法又成本較高,這大大限制了碳材料進一步的發(fā)展。

3 基于導(dǎo)電聚合物的拉伸傳感織物

導(dǎo)電聚合物覆蓋在天然纖維或化學(xué)纖維上也是制備拉伸應(yīng)變傳感織物的方法之一,常用的導(dǎo)電性能優(yōu)異材料有聚苯胺、聚吡咯、聚氨酯等。目前的制備方法有冷凍干燥法、印刷法、氣相沉積法等。

Wang J P等人[21]將聚吡咯沉積涂覆在氨綸纖維表面,這種導(dǎo)電纖維拉伸形變后,導(dǎo)電層斷裂使電阻急劇增加,靈敏度良好,但傳感重復(fù)性較差。洪劍寒團隊[22]以超高分子量聚乙烯長絲為基材,用原位聚合法使其表面附著聚苯胺,制備出超高分子量聚乙烯/聚苯胺復(fù)合導(dǎo)電紗線,再織造拉伸傳感織物,織物電阻隨拉伸增大而增大,到達一定值后隨拉伸增大而減??；在應(yīng)變小于20 %時,織物有較高敏感度,其傳感因子數(shù)量可達30以上；多次拉伸后,傳感織物表現(xiàn)出良好的傳感重復(fù)性。

韓瀟團隊[23]同樣采用原位聚合法制備滌綸與聚苯胺復(fù)合的導(dǎo)電針織物,這種復(fù)合導(dǎo)電針織物橫向拉伸傳感性能幾乎為0,而縱向拉伸時表現(xiàn)出良好的傳感性能。而Li Y等人[24]又在以上基礎(chǔ)上用氣相沉積法在錦綸/萊卡針織物上沉積一層導(dǎo)電聚吡咯,使織物在拉伸應(yīng)變僅為50 %時同樣具有較強的傳感靈敏度。

中原工學(xué)院佑曉露課題組[25]利用靜電紡技術(shù),制備以鍍鎳棉紗為芯紗,以GO摻雜的聚氨酯(polyurethane,PU)納米纖維包覆在芯紗表面,并編織成導(dǎo)電織物,如圖5。這種介電層的多孔納米結(jié)構(gòu)以及彈性復(fù)合紗的包纏結(jié)構(gòu)可以大大提高該導(dǎo)電織物的傳感單元靈敏度,同時在微小應(yīng)力的監(jiān)測上具有杰出的表現(xiàn),包括在聲音識別、無接觸的氣流監(jiān)測、手指和腕部肌肉移動以及手指無接觸靠近等領(lǐng)域均有應(yīng)用潛質(zhì)。

圖5 電容式電子織物傳感器的制備流程示意

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),炭化蠶絲或再生絲素蛋白具有良好的導(dǎo)電能,可用于能量轉(zhuǎn)換和儲存,天然纖維具有良好的電磁屏蔽作用[26]。Ghosh S等人[27]將聚吡咯、聚乙炔等具有導(dǎo)電性能的材料涂覆在炭化后的平紋棉織物上(圖6),電導(dǎo)率可以達到半導(dǎo)體甚至于金屬導(dǎo)體的水平,可拉伸至500 %,且顯示出較高的靈敏度。

圖6 制備增強拉伸應(yīng)變傳感棉織物

陳婷婷[28]用原位聚合法制備聚吡咯涂層織物后,添加鹽酸摻雜劑改善聚吡咯涂層織物導(dǎo)電性,再用聚多巴胺表面進行改性處理提高聚吡咯涂層織物的穩(wěn)定性,最后用壓燙法將粘合襯與鹽酸摻雜,制備出三明治結(jié)構(gòu)的聚吡咯涂層復(fù)合傳感織物。該聚吡咯涂層織物的電阻穩(wěn)定性增加了45.79 %以上。

現(xiàn)有的研究中,化學(xué)結(jié)構(gòu)或物理構(gòu)型均易被水洗破壞、傳感精確度易受環(huán)境濕度影響制約著拉伸應(yīng)力傳感器的進一步發(fā)展。加州大學(xué)孫剛等人[29]采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且疏水性好的聚離子液體基納米材料作為電介質(zhì),并引入([PBVIm][TFSI])聚合物,通過靜電紡絲構(gòu)建聚離子液體納米纖維膜覆蓋在織物表面。這種應(yīng)力傳感織物具有良好的傳感性能,其較高的靈敏度能夠?qū)崟r監(jiān)測人體生理活動的信號,并在水洗條件下、濕度大的環(huán)境中依然保持很高的傳感穩(wěn)定性。

目前,導(dǎo)電聚合物基拉伸應(yīng)變傳感織物的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建雖然實現(xiàn)了方法上的多樣化[30],但制備流程基本都存在著工藝復(fù)雜、成本高以及環(huán)境污染等問題。

4 結(jié) 論

織物附加的傳感性能是實現(xiàn)織物走向高級智能化的一個重要環(huán)節(jié)[31，32],拉伸傳感是對物體表面幾何形態(tài)等物理特征的準確感應(yīng)[31]。隨著研究的深入,除了上述綜述外,目前還有學(xué)者將半導(dǎo)體、液體金屬、離子液體等做成導(dǎo)電織物[33,34],或通過紡織刺繡原理與紡織印花技術(shù)[35]制備可穿戴拉伸傳感織物。

然而,可穿戴拉伸傳感織物的實際應(yīng)用中仍然存在一些尚未解決的問題,例如,摻入織物中的導(dǎo)電纖維因其納米尺度的結(jié)構(gòu)特征,在使用中其韌性、靈敏度較差很容易斷頭、不耐磨,無法長期使用；導(dǎo)電材料涂層后的傳感織物容易涂層不均,或?qū)щ妼映练e牢度低,容易脫落等。隨著后續(xù)多學(xué)科交叉的合作研究,有望有學(xué)者對拉伸傳感織物在多功能模塊集成化、微型化、高度靈敏性與穩(wěn)定性方面進一步完善,并構(gòu)建出傳感感應(yīng)織物的知識體系。