柔性織物傳感器的研究進(jìn)展

曾穎怡，許黛芳，曾 悅，齊雨詩，陳嘉惠，夏蘇珍

(嘉興學(xué)院 設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

近年來，隨著紡織材料和電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多研發(fā)人員開始了對智能服裝的研究。智能服裝需要具備獲取外部信息或感知內(nèi)部狀態(tài)變化的能力，并對變化作出反應(yīng)后反映給使用者[1]，而這種能力離不開傳感器。智能服裝中的傳感器，需要具備可彎曲拉伸、可洗滌、舒適柔軟、輕便易攜帶等特性，雖然目前許多可穿戴設(shè)備上都應(yīng)用了柔性傳感器，但仍不能滿足智能服裝對傳感器的需求。本文總結(jié)了近些年柔性織物傳感器的研究現(xiàn)狀，并對其中存在的問題進(jìn)行分析，探究柔性織物傳感器未來的研發(fā)方向。

1 柔性織物傳感器的研究現(xiàn)狀

1.1 柔性織物傳感器的定義

柔性織物傳感器是以紡織物作為傳感器的柔性基底，通過將導(dǎo)電材料與基底進(jìn)行結(jié)合或直接用導(dǎo)電紗線織造得到的織物基底傳感器，具有柔韌性強(qiáng)、貼體性好、可拉伸等特點(diǎn)，是智能服裝的重要組成部分。目前對柔性織物傳感器的研究主要基于導(dǎo)電材料以及織物基底兩個(gè)方面，常見的導(dǎo)電材料有金屬納米材料、碳基材料、高分子聚合物等，這些材料的電學(xué)屬性會(huì)因物體變形、溫度變化、濕度影響等因素而發(fā)生改變，從而將這種改變轉(zhuǎn)化為可檢測電信號。機(jī)織物、針織物以及非織造織物均能作為織物傳感器的基底，而有特殊線圈結(jié)構(gòu)，具有良好的延展性以及貼體性的針織物，應(yīng)用在服裝的傳感器上能最大限度地接收到人體活動(dòng)信息，受到許多研發(fā)者的青睞。

1.2 柔性織物傳感器的種類

1.2.1柔性織物應(yīng)變/壓力傳感器

柔性織物應(yīng)變/壓力傳感器可將物體的形變或受力轉(zhuǎn)換為電信號，傳統(tǒng)基于金屬、半導(dǎo)體這類剛性材料的應(yīng)變傳感器應(yīng)變范圍、敏感度、柔韌性都比較低，很難滿足智能服裝對傳感器高應(yīng)變的需求[2]，因而催生了對柔性應(yīng)變織物傳感器的研發(fā)。

曹少杰等人[3]以彈性棉織物、聚乙烯醇和碳納米管為原料，將彈性棉織物用處理好的碳納米管PVA溶液進(jìn)行浸泡烘干，以聚酰亞胺薄膜為保護(hù)層減小傳感織物的磨損，制備了叉指型柔性壓力傳感器。PVA的黏附作用使得CNTs均勻地分布在織物上，聚酰亞胺薄膜可以保持傳感器在長期使用過程中的穩(wěn)定性，具有低成本、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。周自強(qiáng)[4]用銀納米線浸涂法制備導(dǎo)電織物，以絲網(wǎng)印刷制造工藝將織物電極多次印刷在織物上得到清晰電路，這種印刷工藝比濺射和光刻更加簡易，更節(jié)約成本，適合大范圍傳感器的制備。肖淵等人[5]以導(dǎo)電銅箔作電極制備織物/PDMS復(fù)合介電層三明治型電容式傳感器，利用PDMS的固化使銅箔與織物無縫貼合，這種制備工藝雖然簡單，但也有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。沈宏駿等人[6]設(shè)計(jì)了一種電容式應(yīng)變傳感器，采用了彈性大、容易拉伸、柔韌性好的硅膠作為介電層以保護(hù)電極層的導(dǎo)電織物，這種三明治結(jié)構(gòu)的傳感器結(jié)構(gòu)較簡單，同時(shí)也降低了成本，具有重復(fù)性好、遲滯性小以及良好的線性關(guān)系等優(yōu)勢。

1.2.2柔性織物溫度傳感器

服裝用的柔性溫度傳感器同樣也要具備可彎曲、可拉伸的特性，并實(shí)現(xiàn)外界溫度變化時(shí)導(dǎo)電織物的電阻發(fā)生改變。由于不同材料電阻受溫度影響范圍不同，與柔性基底材料結(jié)合的傳感材料通常會(huì)根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境而采用不同的材料，目前柔性溫度傳感器基底材料主要有有機(jī)聚合物材料、厚度小至100 μm左右的金屬箔片等[7]，以紡織品為基底的柔性織物溫度傳感器更易集成在智能服裝中，因而越來越多的研究者對其進(jìn)行了探索。

張麗娜[8]將感溫元件Pt纖維分別沿經(jīng)緯向交織嵌入制備Pt/棉織物溫度傳感器，兩兩Pt纖維被棉紗隔開防止相鄰纖維互相影響性能。在理想油浴環(huán)境中對傳感織物進(jìn)行性能系數(shù)分析，得出該柔性織物溫度傳感器的線性度相關(guān)系數(shù)良好，靜態(tài)誤差為±1.51%，溫度系數(shù)為0.00362/℃，遲滯為4.20%，是性能十分良好的溫度傳感器材料。

付冬等人[9]將具有溫度響應(yīng)的含芘基咪唑類離子液體與石墨及有機(jī)物制備成溫度響應(yīng)性油墨，通過絲網(wǎng)印刷工藝將芯片印刷于柔性基底上制備柔性織物溫度傳感器，這種油墨具備一定的粘度，在A4紙、PET和白色棉布這三種粗糙程度不同的基底上都十分均勻致密，且可以穩(wěn)定附著于表面。另外，印刷芯片的電流變化率會(huì)隨溫度的升高而升高，使傳感器響應(yīng)更靈敏且具備可重復(fù)性。

1.2.3柔性織物濕度傳感器

濕度傳感器可以監(jiān)測人體皮膚和呼出氣體中的水分含量，對診斷潛在疾病有十分重要的作用[10]。

王婷婷[11]通過探討不同導(dǎo)電紗線及不同織物基底對傳感器及天線標(biāo)簽性能的影響和刺繡叉指電容式濕度傳感器的性能，使用銅絲包纏紗和純棉機(jī)織牛仔布制備織物基RFID濕度傳感器，該傳感器的靈敏度和重復(fù)性較好，雖然避免了傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷電極因多次使用致電極破損的問題，但其濕滯也相較絲網(wǎng)印刷傳感器更大。

王麗紅[12]通過將滌綸包氨綸包芯紗(CSY)浸于MXene溶液中，完成基于MXene的CSY(MCSY)的制備，由于該纖維的孔隙小，內(nèi)部壓強(qiáng)小，芯吸效應(yīng)十分顯著，導(dǎo)電材料透濕更完全，且紗線不會(huì)因?yàn)樵诔睗癍h(huán)境中生銹而降低穩(wěn)定性和使用年限，是生產(chǎn)柔性濕度傳感器較為理想的材料。

1.3 柔性織物傳感器的制備

柔性織物傳感器的兩種制備方法，一是涂層法，即通過將傳感材料以印刷、涂覆等方式附于織物基底上；二是嵌織法，即通過導(dǎo)電紗線進(jìn)行柔性基底的織制或通過刺繡等方法嵌入織物基底。

1.3.1涂層法

涂層法使織物基底具有傳感性能，獲得的傳感器有更好的靈敏度和線性度，是目前使用最廣泛的柔性織物傳感器制備方法。Zhang L等人[13]利用化學(xué)鍵的強(qiáng)相互作用將多功能聚合物和碳管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的導(dǎo)電涂層穩(wěn)定附著在織物表面，解決了人體分泌的油脂、汗液以及穿戴磨損等影響傳感器使用壽命及靈敏度的問題。林佳濛等人[14]利用等離子體技術(shù)對聚吡咯進(jìn)行處理，改善其在滌綸經(jīng)編織物上的附著量和附著牢度，并得出當(dāng)?shù)入x子預(yù)處理4次時(shí)附著效果最佳。牟迪迪等人[15]以氧化石墨烯分散液作染液，采用傳統(tǒng)浸軋染色工藝，在棉/氨綸織物表面覆上氧化石墨烯納米薄膜，利用多巴胺在自聚合時(shí)的強(qiáng)還原性制備導(dǎo)電性能良好的還原氧化石墨烯棉/氨綸柔性傳感器。常勝男等人[16]對棉織物進(jìn)行碳化處理后，用熱塑性聚氨酯溶液浸泡織物得到導(dǎo)電基底用以制備柔性壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)得出該傳感器的可重復(fù)性高達(dá)4000次且傳感性能優(yōu)異。

1.3.2嵌織法

嵌織法相比涂層法有更良好的形變性、耐用性和較大的測量范圍，可以解決因拉伸幅度過大破壞涂層從而影響傳感性能的問題。這個(gè)方法的關(guān)鍵在于導(dǎo)電紗線的制備以及織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

導(dǎo)電紗線的制備通常是將導(dǎo)電纖維直接進(jìn)行紡紗或通過將導(dǎo)電材料包覆于非導(dǎo)電紗線上這兩種方式。畢曙光[17]等人針對柔性應(yīng)變傳感器合成了長達(dá)120 μm、尺寸均一且長度可控的長銀納米線，這種長度的銀納米線在加入了陰離子水性聚氨酯(WPU)與彈性織物結(jié)合制備成傳感器后，極易在WPU薄膜表面形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電性能和靈敏度都得到提高。通過將導(dǎo)電材料與聚合物混合，利用聚合物的特性為紗線提供良好的可紡性，進(jìn)而獲得性能良好的導(dǎo)電紗線，解決一般導(dǎo)電紗線在織制時(shí)低韌性和脆性過高的問題。

柔性導(dǎo)電織物的傳感性能除了受導(dǎo)電材料影響外，還與基底的材料與結(jié)構(gòu)有關(guān)。王雙等人[18]加入碳納米管紗線進(jìn)行機(jī)織物基底的織造，以探究嵌入類平紋織物傳感性能。實(shí)驗(yàn)表明，紗線與紗線之間的交點(diǎn)處存在摩擦力，會(huì)影響織物的傳感性能，在一定范圍內(nèi)，織物表面的經(jīng)向浮線越長，傳感性能越好，另外，短碳納米管纖維的紗線有更好的傳感性能，更適用于織制織物傳感器的基底。徐樂平[19]用脫膠、碳化等方式處理天然絲綢得到具有導(dǎo)電性的碳布(CSF)，對比了素縐緞、順紆、雙縐、雙喬四種絲綢處理后得到的不同CSF的性能，結(jié)果表明經(jīng)緯同向都加捻后的順紆導(dǎo)電織物的傳感性能更好。利用碳化絲綢制備的柔性應(yīng)變傳感器有很好的傳感性能與服用性能，制備工藝簡單且經(jīng)濟(jì)環(huán)保，市場應(yīng)用前景可觀。

1.4 柔性織物傳感器的應(yīng)用

柔軟的織物傳感器可以在不影響使用者正常活動(dòng)的情況下對環(huán)境的溫濕度、人體運(yùn)動(dòng)及生理健康等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。柔性織物傳感器具有輕薄便攜的特性，可應(yīng)用于兒童、老人、殘疾人等的日?；顒?dòng)監(jiān)測。在醫(yī)學(xué)健康監(jiān)測領(lǐng)域，柔性織物傳感器可以與智能服裝結(jié)合，輕便的傳感器可以替代傳統(tǒng)醫(yī)療器具，讓患者活動(dòng)方便。在一些特殊職業(yè)上，比如消防員、戶外危險(xiǎn)工作者，可以通過智能工作服的設(shè)計(jì)讓工作人員了解自身狀況和外部環(huán)境。

2 柔性織物傳感器存在的問題

2.1 傳感涂層的穩(wěn)定性

通過涂層法制備的柔性織物傳感器雖然可以簡化制備工藝，且傳感器的靈敏度高，但很難確保導(dǎo)電材料能夠長期穩(wěn)定地附著在織物上，且不會(huì)因穿著摩擦、水洗等對涂層造成損傷而降低傳感器的靈敏度和精確度。涂層法相比其它方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是材料的選擇性廣，目前已有部分研究者通過材料之間的相互作用改善涂層穩(wěn)定性，但想充分利用涂層法的優(yōu)勢，還需要對導(dǎo)電涂層的保護(hù)進(jìn)行研究。

2.2 與服裝的集成加工方式

柔性織物傳感器的研發(fā)就是為了使傳感器能更好地與服裝融為一體，目前許多傳感器與服裝的結(jié)合都是直接進(jìn)行縫制，服裝與傳感器之間存在一定差異，即便是十分輕薄的傳感器，在穿著時(shí)也會(huì)讓人產(chǎn)生異物感，因此需深入研究集成到服裝上的方法，可參考織入、印刷等方式，將傳感器與服裝融為一體。

2.3 導(dǎo)電紗線的力學(xué)性能

嵌織法制備的柔性織物傳感器在穩(wěn)定性和可拉伸性方面比較理想，但會(huì)受到導(dǎo)線紗線性能的限制。普通金屬紗線的韌性較小，在上機(jī)織制過程中易斷，不適宜進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，若要加快織制效率還需研究制備簡易、成本低的方法，從而增加應(yīng)用于智能服裝的可能性。

3 柔性織物傳感器的研究趨勢

3.1 傳感器的服用性能

目前大多數(shù)柔性織物傳感器的研究都集中于傳感功能的開發(fā)以及對靈敏度的研究，對于可洗滌性與透氣性等服用性能的研究還比較少，要真正制備理想的應(yīng)用于服裝的柔性織物傳感器，需要不斷對傳感器的彈性、耐磨性、親膚度等服用性能進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 與服裝集成工藝的研究

現(xiàn)有的將柔性織物傳感器集成到服裝中的工藝多為嵌織法，實(shí)現(xiàn)了傳感器與服裝之間的無縫集成。戴憶凡等人[20]采用不同線密度的紗線織制織物基底，把鍍銀導(dǎo)電紗線作為添紗原料，對集成柔性織物傳感器的無縫內(nèi)衣原料以及性能影響進(jìn)行探究，制備了具有優(yōu)良服用性能和導(dǎo)電性能的智能無縫內(nèi)衣。郭秋晨[21]利用添紗提花的方式進(jìn)行衣片的編織，探索合適的傳感器尺寸和織入位置，并對不同導(dǎo)電紗線的傳感性能進(jìn)行分析，改進(jìn)了集成傳感器服裝的制備工藝并提高了使用壽命?？椚敕ㄊ潜容^理想的集成方法，能減少服裝加工工序，通過研究導(dǎo)電紗線、傳感器尺寸及其傳感性能之間的關(guān)系，可使研發(fā)步驟更加簡單，提高效率，降低成本。

3.3 多功能的傳感器

柔性織物傳感器的研發(fā)可以減輕智能服裝中復(fù)雜元件帶來的負(fù)擔(dān)，但現(xiàn)在許多傳感器的功能較為單一，而智能服裝的發(fā)展趨勢必然是多功能化，研發(fā)可以響應(yīng)多種功能的傳感器不僅可以簡化服裝的制備工藝，也可以減少元件之間的連接，使智能服裝輕便舒適。

4 結(jié)語

柔性織物傳感器在性能研究方面已有一定成果，但仍有許多不足，研究空間廣闊。柔性織物傳感器的研發(fā)方向可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：對導(dǎo)電紗線的探究，研究紗線屬性與傳感性能之間的關(guān)系，做到紗線生產(chǎn)及傳感器制備的可控化；嘗試不同的織物基底材料，在尋找到良好服用性能織物的同時(shí)秉承綠色環(huán)保的理念，并協(xié)調(diào)好導(dǎo)電材料與基底之間的關(guān)系；多功能導(dǎo)電材料的研發(fā)有益于減少服裝中傳感器等元件。

柔性織物傳感器的研發(fā)結(jié)合了紡織技術(shù)、電子信息技術(shù)等多元學(xué)科技術(shù)，研發(fā)過程只有明確對傳感器的性能評估標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合多重關(guān)系對傳感器進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能讓柔性織物傳感器在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。