有機(jī)溶劑泄漏檢測(cè)用傳感織物及其檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

徐 帥,王思晴,張一依,王慧玲,楊曉芳

(鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 鹽城 224005)

近年來(lái),隨著電子信息技術(shù)、可穿戴技術(shù)的發(fā)展,智能紡織品日益受到重視。在已有研究中,各種各樣的柔性傳感器被織入織物,用來(lái)檢測(cè)溫度、應(yīng)力、形變等物理量[1-3],這其中用于檢測(cè)物體性質(zhì)的較少。此外,目前的研究對(duì)于智能紡織品在柔性、面積可延展方面的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮不夠,較少能實(shí)現(xiàn)如光纖那樣的分布式檢測(cè)。本文前期基于梭織物進(jìn)行導(dǎo)電液體泄漏檢測(cè)的相關(guān)研究,既發(fā)揮了紡織品柔性、面積大的優(yōu)勢(shì),又實(shí)現(xiàn)了分布式檢測(cè)[4-5]。然而,這款織物只能檢測(cè)導(dǎo)電液體的泄漏,不能檢測(cè)不導(dǎo)電有機(jī)溶劑的泄漏,這大大限制了其工業(yè)應(yīng)用。工業(yè)常用有機(jī)溶劑包括丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯等,它們一方面對(duì)環(huán)境、人體有害,一方面由于不導(dǎo)電而不易被檢測(cè)。傳統(tǒng)上,面向有機(jī)溶劑的檢測(cè)多采用氣體傳感器[6-7],是一種等待液體溶劑揮發(fā)后再行檢測(cè)的間接檢測(cè),檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng),受環(huán)境風(fēng)速、空間條件影響大,對(duì)于防止微量泄漏發(fā)生不利。一些場(chǎng)合如罐體、法蘭等,要求一種大面積,并且可墊放、覆蓋甚至于包裹的有機(jī)溶劑泄漏傳感織物。這類(lèi)場(chǎng)合要求傳感織物在使用時(shí),應(yīng)能可靠檢測(cè)體積微小達(dá)一個(gè)液滴(0.05 mL)大小的有機(jī)溶劑。對(duì)此,本文基于導(dǎo)電高分子復(fù)合材料,搭配對(duì)應(yīng)的織物組織結(jié)構(gòu),提出一種有機(jī)溶劑泄漏檢測(cè)用傳感織物的設(shè)計(jì)方式。

1 有機(jī)溶劑敏感材料的工作原理

目前,受碳納米管、石墨烯等材料的帶動(dòng),導(dǎo)電高分子復(fù)合材料(CPCs)發(fā)展迅速。導(dǎo)電高分子材料暴露在有機(jī)溶劑中時(shí),其導(dǎo)電性能會(huì)發(fā)生明顯變化,因此可作為面向有機(jī)溶劑的液體傳感器材料?？茖W(xué)界對(duì)于CPCs這種電性能發(fā)生變化的解釋主要?dú)w于逾滲理論。根據(jù)逾滲理論,當(dāng)導(dǎo)電填料含量較低時(shí),其隨機(jī)孤立分布在高分子基體中,填料之間相互接觸的機(jī)率很低,不能形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因此材料的電導(dǎo)率很小,幾乎還是絕緣狀態(tài);隨著導(dǎo)電填料含量的增加,填料間相互接觸的機(jī)率有所提高,形成部分有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因此材料的電導(dǎo)率呈緩慢上升趨勢(shì);當(dāng)填料含量達(dá)到某一臨界值時(shí),所有導(dǎo)電填料將相互搭接形成完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),此時(shí)材料的電導(dǎo)率將發(fā)生突增;而當(dāng)填料含量繼續(xù)增加時(shí),由于此時(shí)基體中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)趨于穩(wěn)定,因此材料的電導(dǎo)率不會(huì)再有明顯的變化[8]。上述填料含量導(dǎo)致電導(dǎo)率突變的臨界值被稱(chēng)為逾滲閾值。填料達(dá)到逾滲閾值的含量時(shí),導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)剛剛形成,結(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)定,當(dāng)高分子基體吸收有機(jī)溶劑時(shí),發(fā)生分子層級(jí)的溶脹而導(dǎo)致材料內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞,材料的電阻值呈上升趨勢(shì);當(dāng)恢復(fù)到正常環(huán)境后,高分子基體因有機(jī)溶劑分子脫附而收縮,被破壞的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)回復(fù)至其初始狀態(tài),材料的電阻值下降至其初始值。根據(jù)材料的電阻值變化情況,可以檢測(cè)有機(jī)溶劑的存在與否。

2 有機(jī)溶劑敏感材料的選擇

從有機(jī)溶劑敏感材料的工作原理不難看出,影響CPCs導(dǎo)電能力的首要因素是導(dǎo)電填料的性質(zhì)。碳纖維或碳納米管本身導(dǎo)電性較好,又擁有較大的長(zhǎng)徑比,在加工過(guò)程中,它們會(huì)互相搭接或纏結(jié),從而形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因此采用此類(lèi)填料的CPCs的電學(xué)性能更加穩(wěn)定。影響CPCs導(dǎo)電能力的因素還有填料含量,導(dǎo)電填料在CPCs中的含量并不是越高越好;相反,導(dǎo)電填料含量過(guò)高時(shí),反而有可能發(fā)生團(tuán)聚,不利于導(dǎo)電填料的分散,影響導(dǎo)電性;此外還可能引發(fā)應(yīng)力集中,消弱CPCs材料的機(jī)械性能,降低制得纖維或紗線的可織造性。此外,高分子基體對(duì)于CPCs導(dǎo)電性也有較大影響,高分子基體的分子量和模量越高,導(dǎo)電填料越容易均勻分散,整個(gè)材料體系也更容易獲得低逾滲值。材料的加工方法對(duì)于CPCs的導(dǎo)電性也有較大影響,不同的加工方法和參數(shù),可獲得不同的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。廣泛使用的方法包括溶液混合法、熔融共混法、原位聚合法等,其中溶液混合法主要依靠溶劑對(duì)高分子基體的溶解作用,使導(dǎo)電填料在溶液中分散進(jìn)行混合,分散效果較好,制得的復(fù)合材料電學(xué)性能也好[8]。

綜上,選擇碳納米管作為填料,聚乳酸或聚氨酯作為基體,配合合適的填料含量,并采用溶液共混法制備的CPCs更適合作為有機(jī)溶劑敏感材料;將此類(lèi)材料制成長(zhǎng)纖維,可織造獲得有機(jī)溶劑泄漏檢測(cè)用傳感織物。

3 織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)能可靠地檢測(cè)體積微小達(dá)一個(gè)液滴(0.05 m L)大小的有機(jī)溶劑的目標(biāo),織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1中,織物主體部分由不導(dǎo)電經(jīng)紗1和不導(dǎo)電緯紗4按平紋交織而成。在整塊織物上,有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗3間隔分布并被織入織物,導(dǎo)電經(jīng)紗2被設(shè)置在織物左側(cè)并被織入織物?？椫茣r(shí),先織入不導(dǎo)電緯紗4,在織制需要的長(zhǎng)度后,織入導(dǎo)電緯紗5,即獲得有機(jī)溶劑泄漏傳感織物。此外,圖1中,為進(jìn)一步增強(qiáng)電性連接的可靠性,可以將導(dǎo)電經(jīng)紗2和導(dǎo)電緯紗5多根連續(xù)布置。

圖2是有機(jī)溶劑泄漏傳感織物的工作原理示意圖。當(dāng)有機(jī)溶劑6滲透到或滴落在織物上時(shí),會(huì)引起所在位置處的有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗的電阻變化,通過(guò)檢測(cè)電路,即可檢測(cè)到此變化,從而判斷是否發(fā)生有機(jī)溶劑泄漏。具體過(guò)程是:電流I從測(cè)量電路出發(fā),依次流過(guò)導(dǎo)電經(jīng)紗2、導(dǎo)電緯紗5、有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗3,最后回到測(cè)量電路,測(cè)量電路檢測(cè)哪一路電流變小,以此判別泄漏的發(fā)生。

顯然,圖1、2中,由于導(dǎo)電經(jīng)紗2和導(dǎo)電緯紗5的存在,電信號(hào)的接入和引出都在織物下端完成,避免了重新布線。導(dǎo)電經(jīng)紗2和導(dǎo)電緯紗5在此應(yīng)起到良好的導(dǎo)電作用,并且其導(dǎo)電性不會(huì)因?yàn)榻佑|到有機(jī)溶劑發(fā)生較大的變化,此時(shí)鍍有金屬的化纖復(fù)絲或多股金屬絲是較好的選擇,典型如8.3 tex/40 F的鍍銀錦綸絲、53 tex/2的不銹鋼紗線等。另一方面,圖2中,要可靠地檢測(cè)到有機(jī)溶劑6,相鄰的有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗3之間的間距應(yīng)小于有機(jī)溶劑6在織物上擴(kuò)散后的直徑。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),一滴溶劑滴落到織物上擴(kuò)散后的直徑可達(dá)2 cm以上,因此有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗在織物上的間隔距離選為1～1.5 cm。

圖1 有機(jī)溶劑泄漏傳感織物結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 有機(jī)溶劑泄漏傳感織物工作原理示意圖

4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際使用中,當(dāng)大面積應(yīng)用有機(jī)溶劑泄漏檢測(cè)用傳感織物時(shí),需要檢測(cè)較多數(shù)量經(jīng)紗的電阻變化情況,此時(shí)有必要設(shè)計(jì)專(zhuān)用檢測(cè)電路,圖3是一種典型的測(cè)量電路。圖3中,虛線上方為有機(jī)溶劑泄漏傳感織物的等效電路,虛線下方的方框內(nèi)為測(cè)量電路。R1、R2…Rn為每根或每組有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗的等效電阻,依次導(dǎo)通開(kāi)關(guān)S1、S2…Sn,再讀取R0兩端電壓,通過(guò)電壓的比較可判別哪一根有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗電阻發(fā)生變化。開(kāi)關(guān)S1、S2…Sn的依次導(dǎo)通可由多路選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn),此類(lèi)芯片屬電子電路常用芯片,典型型號(hào)有八選一開(kāi)關(guān)有CD4051、74LS151等型號(hào)[9]。圖3中的毫伏表可以是帶有AD轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)或經(jīng)專(zhuān)用AD芯片轉(zhuǎn)換后接至單片機(jī)。單片機(jī)同時(shí)控制八選一開(kāi)關(guān)挨個(gè)導(dǎo)通。對(duì)于多于8根的經(jīng)紗,可選用多個(gè)八選一芯片組成陣列。

圖3 有機(jī)溶劑泄漏傳感織物工作原理示意圖

在檢測(cè)精度方面,有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗遇到有機(jī)溶劑后電阻值改變得越大,越容易被檢測(cè),并且檢測(cè)可靠性也越高。目前,碳納米管參雜的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料及其制成的長(zhǎng)絲對(duì)于有機(jī)溶劑有較高的敏感性,如碳納米管參雜的聚乳酸導(dǎo)電高分子復(fù)合材料制成的多股長(zhǎng)絲,遇到有機(jī)溶劑后電阻增大可達(dá)10～103倍。這樣,在長(zhǎng)度1 m的敏感經(jīng)紗上,即使有1 cm的部位遭到有機(jī)溶劑浸濕,電阻改變將達(dá)10%～1 000%,這種改變對(duì)于上述電路可以穩(wěn)定檢測(cè)到。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)基于逾滲理論,考慮填料性質(zhì)、含量、分散方法等因素,認(rèn)為溶液共混法制備的碳納米管CPCs更適合作為有機(jī)溶劑敏感材料。

(2)通過(guò)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將有機(jī)溶劑敏感經(jīng)紗間隔織入織物,配合導(dǎo)電經(jīng)緯紗導(dǎo)出信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)在較大面積上檢測(cè)體積微小達(dá)一個(gè)液滴大小的有機(jī)溶劑。

(3)采用多路選擇開(kāi)關(guān)構(gòu)成檢測(cè)電路,可以實(shí)現(xiàn)多跟經(jīng)紗電阻變化的及時(shí)檢測(cè),并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在線泄漏檢測(cè)。

當(dāng)然,受制于CPCs材料導(dǎo)電性,織物長(zhǎng)度目前還不能完全滿(mǎn)足幾米甚至于幾十米的實(shí)際需要,下一步研究應(yīng)集中在材料敏感特性的提高和織物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上。