基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器研究進(jìn)展

曾瑋宸， 劉 茜

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

0 引 言

近年來，智能紡織品的研究和應(yīng)用已得到廣泛地展開，為了開發(fā)適應(yīng)性更好的智能紡織品，需要使用具有一定監(jiān)測功能(如機(jī)械、熱、化學(xué)、光、溫度、電磁等)并隨之做出敏銳響應(yīng)轉(zhuǎn)換為可用信號的柔性傳感器。與剛性傳感器不同，柔性傳感器采用柔性材料制成，柔韌性好，可自由彎曲，與智能紡織品的貼合性能好，具有非常廣泛的應(yīng)用前景[1]。

導(dǎo)電纖維作為一種智能纖維，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，不僅可以用來消除靜電、吸收電磁波，更重要的是可用于電信號的探測和傳輸。導(dǎo)電纖維可以直接使用，或者通過紡紗的方式制成導(dǎo)電紗線，應(yīng)用于一維傳感的柔性傳感器，也可以通過針織、機(jī)織等織造方法制成導(dǎo)電織物，應(yīng)用于二維傳感的柔性傳感器?；趯?dǎo)電纖維開發(fā)的傳感器具有優(yōu)良的靈敏度、耐久性和柔曲性，具有廣泛的應(yīng)用空間。

本文在明晰導(dǎo)電纖維種類的基礎(chǔ)上，分析了基于導(dǎo)電纖維柔性傳感器的工作原理，歸納分析了一維導(dǎo)電纖維狀和二維導(dǎo)電織物狀柔性傳感器在人體運(yùn)動(dòng)、體征檢測、人機(jī)交互等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，提出了柔性傳感器及智能紡織品的發(fā)展方向。

1 導(dǎo)電纖維

導(dǎo)電纖維是指全部或部分使用金屬或?qū)щ娦杂袡C(jī)物等導(dǎo)電材料或亞導(dǎo)電材料制成的纖維。依據(jù)導(dǎo)電纖維的主要成分及其導(dǎo)電機(jī)理，可將其劃分為金屬類導(dǎo)電纖維、有機(jī)高分子類導(dǎo)電纖維、碳素類導(dǎo)電纖維三類。

1.1 金屬類導(dǎo)電纖維

金屬是良好的導(dǎo)體，用金屬材料制得的導(dǎo)電纖維具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并且具有一定的柔曲性，能耐熱耐腐蝕。金屬材料可以直接制成導(dǎo)電纖維，也可以通過金屬噴涂法使普通纖維獲得導(dǎo)電性，進(jìn)而得到導(dǎo)電纖維。

金屬纖維的直接制作方法主要包括拉拔法、切削法和熔抽法三種。拉拔法有單絲拉拔法和集束拉拔法。單絲拉拔法一次只拉伸一根金屬絲，尺寸精確可控，但工藝繁瑣；集束拉拔法是將金屬絲材復(fù)合組裝，多次多股拉拔到所需的芯絲直徑，生產(chǎn)效率高，成本低，是目前產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)金屬纖維的主要方法[2]。切削法是用刃具將金屬切削成纖維屑，方法簡單，成本低[3]。熔抽法又稱熔融紡絲法，是從液態(tài)金屬中直接生產(chǎn)金屬極細(xì)絲的方法，原理是將金屬加熱成熔融狀態(tài)，再通過一定的裝置將熔融液噴出或甩出而形成金屬細(xì)絲[4]。

金屬纖維的噴涂法是通過真空鍍、化學(xué)鍍、電鍍、磁控濺射等方法，將金屬覆蓋在普通纖維表面，從而得到導(dǎo)電纖維。真空鍍是在真空中加熱金屬，使其在纖維表面上鍍上一層薄且均勻的金屬鍍層；化學(xué)鍍是在含有金屬離子溶液中，通過還原劑將金屬沉積在纖維表面；電鍍法是利用電解的原理，將金屬離子在纖維表面還原的一種方法；磁控濺射是通過粒子轟擊金屬表面，使得被轟出的金屬粒子沉積在纖維表面形成鍍膜的方法。這些方法獲得的導(dǎo)電纖維因?qū)щ妼釉诶w維表面，其導(dǎo)電性能不如純金屬纖維和復(fù)合紡絲纖維，同時(shí)纖維的染色性能可能會受到影響，纖維手感較差、抱合困難、可紡性差，且在后期織造和使用過程中不可避免地因摩擦?xí)箤?dǎo)電層脫落，限制該類導(dǎo)電纖維的使用[5]。

1.2 有機(jī)高分子類導(dǎo)電纖維

有機(jī)高分子材料在過去通常被認(rèn)為絕緣體，而1976年，美國賓夕法尼亞大學(xué)的化學(xué)家Diarmid M的研究小組首次發(fā)現(xiàn)摻雜后的聚乙炔(poly acetylene，PA) 具有類似金屬的導(dǎo)電性[6]。隨著對導(dǎo)電高分子材料認(rèn)識的不斷深入，人們相繼又發(fā)現(xiàn)了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子導(dǎo)電物質(zhì)。

與金屬類導(dǎo)電纖維不同，有機(jī)高分子類導(dǎo)電纖維通常不能單獨(dú)使用，需要和其他纖維混紡得到導(dǎo)電紗線。導(dǎo)電高分子材料也可以通過原位聚合法、蒸汽法、黏合法等后處理方法在附著于其他纖維表面賦予其導(dǎo)電性。

有機(jī)高分子類導(dǎo)電纖維的直接生產(chǎn)方法主要包括溶液紡絲法和熔體紡絲法。溶液紡絲法是將有機(jī)物溶液直接紡絲得到導(dǎo)電纖維。熔體紡紗法是先將有機(jī)物熔融再進(jìn)行紡絲。Soroudi A 等人[7]制備了聚丙烯、聚苯胺和碳納米管(CNTs)共混物，并將其熔融紡成纖維細(xì)絲。結(jié)果表明，所制備的纖維具有良好的導(dǎo)電性、熱性能和機(jī)械性能。

有機(jī)高分子導(dǎo)電纖維的后處理方法包括黏合法、蒸汽法、原位聚合法等。黏合法是通過黏合劑，將有機(jī)導(dǎo)電粒子黏合在纖維表面使其具有導(dǎo)電性；蒸汽法是將纖維放置在苯胺蒸汽中，使苯胺在纖維表面聚合從而獲得一層導(dǎo)電膜；原位聚合法是將導(dǎo)電聚合物單體與催化劑全部加入溶液中，由于導(dǎo)電聚合物單體在溶液中是可溶的，而其聚合物在整個(gè)體系中是不可溶的，所以在纖維上發(fā)生聚合反應(yīng)。例如，以普通纖維作為基材，將其置于苯胺溶液中，使纖維表面吸附苯胺單體，再置于催化劑溶液中，使苯胺在基質(zhì)纖維表面發(fā)生聚合，形成一層聚苯胺導(dǎo)電層，就能制備得到有皮芯結(jié)構(gòu)的聚苯胺改性導(dǎo)電纖維[8]。

1.3 碳素類導(dǎo)電纖維

碳元素在自然界中有多種同素異形體，如石墨、金剛石、石墨烯等都是其無機(jī)存在形式。而將碳元素用于導(dǎo)電材料也有多種形式，如碳纖維、炭黑、石墨烯、CNTs等。其中，碳纖維本身就可以作為導(dǎo)電纖維直接使用，而炭黑、CNTs、石墨烯等碳素材料則需要通過導(dǎo)電改性或者混紡的方式在普通纖維的基礎(chǔ)上制成導(dǎo)電纖維。

碳纖維有聚丙烯腈基、瀝青基及黏膠基三大類，將這些基材在高溫下經(jīng)過氧化、碳化、牽伸等過程就能制得碳纖維。CNTs、石墨烯、炭黑等在制備導(dǎo)電纖維時(shí)，人們嘗試了很多種方法。胡馨之等人[9]以聚氨酯為彈性結(jié)構(gòu)相，納米炭黑為導(dǎo)電功能相，基于非溶劑致相分離原理，通過濕法紡絲工藝制備納米炭黑/聚氨酯彈性導(dǎo)電纖維，發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)合纖維中炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40 %時(shí)，相應(yīng)電導(dǎo)率為7.6 S/m，較純聚氨酯纖維提高了10個(gè)數(shù)量級，纖維具有較好的導(dǎo)電性能。由于炭黑價(jià)格低廉、纖維制備簡單，該種復(fù)合纖維具有良好的應(yīng)用前景。Lu Z等人[10]使用石墨烯層層包裹—還原的方法制備了導(dǎo)電蠶絲纖維。先將蠶絲浸泡在帶有正電荷的牛血清蛋白( BSA) 溶液中進(jìn)行改性，然后將BSA/蠶絲纖維浸入氧化石墨烯溶液中。氧化石墨烯由于表面含有羧基、羥基等含氧基團(tuán)，其表面電位呈現(xiàn)負(fù)值，通過正負(fù)電荷相互吸引，能夠更有效地將氧化石墨烯附著到蠶絲纖維表面，最后使用水合肼將氧化石墨烯還原為石墨烯。重復(fù)上述氧化石墨烯浸涂—水合肼還原的過程，即可得到石墨烯導(dǎo)電蠶絲織物。程芳華等人[11]采用濕法紡絲工藝制備出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %的CNTs/熱塑性聚氨酯(TPU)導(dǎo)電納米復(fù)合纖維。該纖維具備良好的電導(dǎo)率(0.64 S/m)，強(qiáng)度(9.81 MPa)和高的斷裂伸長率(487 %)。

2 基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器

柔性傳感器是一種具有一定柔性的、可以將非電學(xué)的物理量、化學(xué)量和生物量等轉(zhuǎn)換成電信號的裝置?；趯?dǎo)電纖維的柔性傳感器可以將導(dǎo)電纖維或者導(dǎo)電織物產(chǎn)生的機(jī)械變形轉(zhuǎn)換為電子信號輸出，從而獲得測量信息。這種基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器根據(jù)敏感元件的工作原理主要分為電阻型[12]柔性傳感器和電容型[13]柔性傳感器。

2.1 電阻型柔性傳感器

在種類繁多的柔性傳感器中，電阻型柔性傳感器的應(yīng)用非常廣泛，尤其是電阻應(yīng)變式柔性傳感器。這類傳感器的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，當(dāng)導(dǎo)電纖維或者導(dǎo)電織物在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變(壓縮或拉伸)時(shí)，其電阻值隨之變化，引起傳感器中電路的電流變化，通過一定的函數(shù)關(guān)系和模數(shù)轉(zhuǎn)換，就可以得到材料機(jī)械形變。通常用靈敏系數(shù)(gauge factor)表征電阻式應(yīng)變傳感器的靈敏度K=ΔR/(Rε),其中，K為靈敏系數(shù)，ε為形變量，ΔR/R為電阻變量?，F(xiàn)以金屬類導(dǎo)電纖維為例介紹其工作原理。

如圖1所示，l為導(dǎo)電纖維軸向長度，r為橫向半徑，ρ為電阻率，則其電阻相對變化表示為

式中E為材料的彈性模量，ε為材料的應(yīng)變，u為材料的泊松比。材料的靈敏系數(shù)為K=1+2u+λE。不同材料的靈敏系數(shù)有一定差別，在制備傳感器時(shí)，應(yīng)該選擇合適的傳感材料。

圖1 金屬類導(dǎo)電纖維在力F作用下的拉伸示意[14]

2.2 電容型柔性傳感器

電容型柔性傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使得電容器中其中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而引起電容的變化，從而實(shí)現(xiàn)信號變換[15]。

電容型柔性傳感器包括3個(gè)可變參數(shù)，忽略邊際效應(yīng)時(shí)，電容器的電容C0表示為C0=εS0/d。其中,S0為極板遮蓋面積，d為極板距離，ε為介電常數(shù)。

基于導(dǎo)電纖維的電容型力學(xué)傳感器通常是變極距型電容型傳感器，即通過改變極板之間的距離d來改變傳感器的電容。Lee J[16]將聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為介質(zhì)層涂覆在導(dǎo)電纖維表面，并將2個(gè)PDMS涂覆的纖維垂直疊加，成功地制備出一種十字交叉纖維狀電容式傳感器。所得到的壓力傳感器具有較高的靈敏度(0.21 kPa-1)，在毫秒(ms)范圍內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間非?？?，在超過10 000個(gè)周期內(nèi)具有很高的穩(wěn)定性。而導(dǎo)電織物可以和夾層電介質(zhì)通過多層結(jié)構(gòu)組裝成電容型柔性傳感器。與電阻型柔性傳感器相比，電容型柔性傳感器中具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3 基于導(dǎo)電纖維柔性傳感器的應(yīng)用

不同柔性材料制備的柔性傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域各不相同，如柔性光學(xué)傳感器通過光纖斷裂后光信號的變化來判斷戰(zhàn)場上士兵的受傷部位和程度;柔性溫度傳感器利用熱敏電阻感應(yīng)環(huán)境中的溫度變化。傳感器的重要功能就是信號的探測和傳輸，因此導(dǎo)電性能優(yōu)良、靈敏度高的導(dǎo)電纖維對于傳感器的開發(fā)是非常重要的;加之導(dǎo)電纖維的柔韌性、可紡性、穩(wěn)定性等特性，使得基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器在智能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用尤為重要。基于纖維或織物形態(tài)的柔性傳感器能織入紡織服裝中，或疊層在人體皮膚上，用于健康監(jiān)測；安裝在人體關(guān)節(jié)部位，實(shí)現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測；與電腦連接實(shí)現(xiàn)智能的人機(jī)交互。

3.1 健康監(jiān)測

基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器因其質(zhì)地柔軟并且拉伸性能良好，可以直接貼合在人體皮膚上，或織入紡織服裝中，用于人體健康監(jiān)測。高靈敏度的傳感器可以檢測到由于血流、脈搏和呼吸導(dǎo)致的微小皮膚應(yīng)變，將這些人體信息數(shù)字化后用于健康的分析，如血壓、呼吸率和心跳等。

蔡倩文[17]將不銹鋼絲、銅絲、鍍銀纖維等金屬導(dǎo)電纖維在電腦橫機(jī)上試織了緯平針和滿針羅紋的柔性傳感針織試樣，研究了不同導(dǎo)電纖維和不同針織組織的等效電阻變化規(guī)律，并利用針織柔性傳感試樣進(jìn)行了呼吸測試，發(fā)現(xiàn)鍍銀纖維滿針羅紋織物的穩(wěn)定性和透氣性最好，其織物能真實(shí)感應(yīng)穿著者的生理指標(biāo)。Toan D等人[18]以高強(qiáng)度、高柔韌性的可紡性CNTs紗線為導(dǎo)電絲，石墨為電極，以及輕質(zhì)、可回收和生物降解的紙張作為柔性襯底，不使用任何有毒化學(xué)物質(zhì)，制備了一種用于醫(yī)療保健方面的柔性傳感器。這種傳感器可以舒適地貼在人體皮膚上，實(shí)時(shí)檢測人體呼吸，監(jiān)測呼吸系統(tǒng)疾病。在進(jìn)一步的研究中，Dinh T在同一傳感器上集成了溫度檢測功能，它可以使用非接觸模式測量體溫。

3.2 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測

隨著科技水平的提升，越來越多的運(yùn)動(dòng)愛好者開始采用科學(xué)的運(yùn)動(dòng)方式。美國運(yùn)動(dòng)協(xié)會的一項(xiàng)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的人，有86 %的共同習(xí)慣是定期添置或更新運(yùn)動(dòng)裝備，這些運(yùn)動(dòng)者希望能在運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測自己的運(yùn)動(dòng)情況，而這些運(yùn)動(dòng)裝備的核心系統(tǒng)就是柔性傳感器?；趯?dǎo)電纖維的柔性傳感器穿戴性能好、質(zhì)量較輕，能在監(jiān)測運(yùn)動(dòng)者的腹部呼吸、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、心律變化等信息的同時(shí)而不影響其運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

王燕等人[19]將石墨烯導(dǎo)電纖維編制成導(dǎo)電織物，將其粘接在聚合物和醫(yī)用膠帶復(fù)合膜上，組裝出一種柔性、耐磨的應(yīng)變傳感器。當(dāng)外力作用于傳感器時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生高密度裂紋，導(dǎo)致電流通路減少，電阻增大，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)信號被記錄下來。這種傳感器具有超輕、靈敏度較好、可逆性高、易于制造、易于跟蹤人體皮膚變形等特點(diǎn)，可以用來精確監(jiān)測一些細(xì)微的人體運(yùn)動(dòng)，包括握拳、發(fā)聲、表情變化、眨眼、呼吸和脈搏等。謝娟[20]采用緯編針織技術(shù)將鍍銀尼龍導(dǎo)電紗線和棉纖維、不銹鋼混紡紗線織成柔性針織傳感織物，分析了織物的雙向拉伸力電性能并建立了相應(yīng)的模型，并研制了一款智能T恤和智能護(hù)腕，實(shí)現(xiàn)對人體肢體運(yùn)動(dòng)的識別和監(jiān)測。兩種產(chǎn)品分別用于監(jiān)測腹部呼吸和肘、膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，穩(wěn)定性好，滯后性小。Atalay A[21]設(shè)計(jì)了一種以導(dǎo)電針織物為電極，硅彈性體為介質(zhì)的柔性傳感器。這種傳感器將同軸電纜的導(dǎo)線與熱塑性薄膜傳感器封裝連接，具有高線性度，低遲滯性等特點(diǎn)，可集成在手套上用于監(jiān)控手指運(yùn)動(dòng)。

3.3 人機(jī)交互

人機(jī)交互是指用戶和系統(tǒng)通過一定的交互方式完成信息交換，系統(tǒng)可以是機(jī)器也可以是計(jì)算機(jī)軟件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們使用的交互設(shè)備不再僅僅是鍵盤或者鼠標(biāo)，而可以是智能的可穿戴設(shè)備?；趯?dǎo)電纖維的柔性傳感器能夠在這些可穿戴設(shè)備中用作輸入裝備，用戶穿戴上這些智能設(shè)備后發(fā)出指令，通過計(jì)算機(jī)程序就可以驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器人、智能手套、人造肌肉等智能產(chǎn)品。

張乃中等人[22]用腈綸和銀纖維為主體材料，結(jié)合控制芯片和計(jì)算機(jī)編程，利用微電流觸控原理，開發(fā)了一種可演奏音樂的電子智能服裝。當(dāng)用戶通過觸碰T恤衫上的導(dǎo)電織物觸點(diǎn)時(shí)，傳感器獲取微電流信號匯集到芯片上，通過USB接口傳遞給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對軟件的操控來控制游戲或演奏音樂。王剛[23]將鍍銀錦綸絲以添紗方式制成了針織柔性傳感器，并運(yùn)用針織全成形技術(shù)，將傳感器與手套結(jié)合在一起，開發(fā)了一種便于腦卒中患者穿戴的開放式半掌手套。手套指尖掌面處的鍍銀錦綸添紗組織與導(dǎo)線、燈泡、電源相連，使得病人對指時(shí)，對應(yīng)的燈泡發(fā)光，以此來實(shí)現(xiàn)評定患者的對指功能。用萬用表采集病人手部活動(dòng)時(shí)的電阻變化，可以得到病人手腕的彎曲角度、手指的彎曲程度，還可以通過電阻—時(shí)間曲線的波形頻率反映病人手部的活動(dòng)快慢。這種智能手套能及時(shí)準(zhǔn)確地評定患者手功能狀況，有助于醫(yī)生制定合理的康復(fù)訓(xùn)練方案，促進(jìn)患者手功能的恢復(fù)。Gong S等人[24]將聚苯胺顆粒摻雜到金納米纖維薄膜中，制得了一種導(dǎo)電性優(yōu)異、靈敏度高、耐久性好的應(yīng)變型柔性傳感器貼片，乳膠封裝后用于防水的智能手套系統(tǒng)。這種智能手套可以和現(xiàn)有的無線電路直接接口，允許為人類手指遠(yuǎn)程控制機(jī)器人手臂，有利于執(zhí)行外科手術(shù)操作或一些人類無法完成的精細(xì)化和危險(xiǎn)工作。

4 結(jié) 論

隨著人們對各種功能紡織品的需求越來越高，多功能的智能紡織品展現(xiàn)出巨大的市場前景，而作為智能紡織品的核心部件，柔性傳感器將對其未來功能發(fā)展產(chǎn)生非常重要的影響。而柔性傳感器的主體材料決定了其應(yīng)用領(lǐng)域，其中，導(dǎo)電纖維作為柔性傳感器重要的主體材料之一，可以使傳感器保持良好的柔韌性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性性，對應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)靈敏。基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器能與紡織品服裝充分結(jié)合，具有質(zhì)量輕、柔韌性好、安全舒適等其他傳感器所不具有的優(yōu)良特性。為了使柔性傳感器能更好的應(yīng)用于智能紡織品，還應(yīng)該考慮產(chǎn)品的耐洗性、耐曬性、穿戴舒適性等綜合性能。目前國內(nèi)外大多使用的是易制備、靈敏度高的鍍銀金屬類導(dǎo)電纖維和聚合物涂層的有機(jī)導(dǎo)電纖維來研制柔性傳感器。這種涂層類導(dǎo)電纖維開發(fā)的柔性傳感器的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。而對于工藝復(fù)雜、成本較高的CNTs、石墨烯等碳系導(dǎo)電纖維和納米級導(dǎo)電纖維的研究較少，還未能大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，未來應(yīng)著重于高性能的導(dǎo)電纖維開發(fā)，研究導(dǎo)電纖維和其他柔性材料復(fù)合制備的柔性傳感器，取長補(bǔ)短。綜上所述，導(dǎo)電纖維在智能紡織品領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，柔性傳感器在智能紡織品的廣泛應(yīng)用，將是高科技紡織產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。