石墨烯改性彈性織物的應(yīng)變傳感性能研究

楊 寧 王 進 田明偉 曲麗君 朱士鳳

（青島大學(xué)，山東青島，266071）

隨著老齡化社會的全面來臨，加之健康被現(xiàn)代社會重新定義，紡織柔性傳感器受到市場的密切關(guān)注。與傳統(tǒng)的傳感器相比，新型的柔性傳感器具有輕質(zhì)低模、多維多尺度、低成本、結(jié)構(gòu)多元多維化、高柔性及彈性、高親膚性、可彎曲、可折疊甚至可洗滌的特點，可與服裝無縫連接，實現(xiàn)一體化設(shè)計和應(yīng)用[1?2]。紡織基柔性力學(xué)傳感器因其結(jié)構(gòu)可變化性、組合可設(shè)計性等特點在智能可穿戴領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力[3]。

織物結(jié)構(gòu)傳感器是指傳感器的敏感元件為一塊具有針織結(jié)構(gòu)或機織結(jié)構(gòu)的織物[4?7]。不同織物組織結(jié)構(gòu)的彈性面料以其優(yōu)良的延伸性和彈性可作為傳感器的柔性基底應(yīng)用于人機交互領(lǐng)域中，與人體相關(guān)的多種形變能夠被有效檢測，例如脈搏、作用于人體表面的輕微壓力等小尺度形變和手指運動、四肢運動等大尺度應(yīng)變[8]。傳感器將獲得的人體形變信息通過軟件進一步處理，大大提高了人機交互過程的效率和精度，對于檢測人體生理活動具有重要作用[9?12]。

本研究以不同彈性織物作柔性襯底，制備了不同傳感性能的傳感器，通過定伸長拉伸試驗考察傳感器的電阻變化率與應(yīng)變之間的關(guān)系及回復(fù)性，分析不同彈性織物結(jié)構(gòu)對傳感性能穩(wěn)定性和靈敏性的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

織物1為滌氨包覆彈力紗的斜紋機織物（170 g/m2，經(jīng)緯紗均為T 18.5 tex+Pu 44.4 dtex），織物2為滌綸斜紋機織物（190 g/m2，經(jīng)緯紗均為12.2 tex/144 F滌彈力絲），織物3為錦氨雙羅紋針織物（160 g/m2，錦綸/氨綸65/35），以上3種織物均由青島旭騰紡織有限公司提供；石墨烯溶液（固含量為1.2%，石墨烯片層厚度2 nm～3 nm，石墨烯片層尺寸5μm～15μm，溶劑為蒸餾水），由青島華泰科技有限公司提供。

1.2 樣品制備

將石墨烯溶液放在恒溫磁力攪拌儀上分散攪拌1 h，再將3種織物分別用攪拌均勻的石墨烯溶液通過絲網(wǎng)印刷方法進行單次涂層改性處理，烘干之后得到石墨烯改性彈性織物。

2 性能測試方法

利用ST?2258C型多功能數(shù)字式四探針測試儀對石墨烯改性織物的方阻進行測量。測量范圍5.0×10-6Ω～1.0×106Ω。

利用RiKo DKC?1B型步進電機控制器、Keithley 2601B參數(shù)分析儀對石墨烯改性織物的靈敏性和回復(fù)性進行測量。

3 結(jié)果與討論

3.1 伸長率

通過手動拉伸方法，測試3種石墨烯改性前織物的伸長率，結(jié)果見表1。其中，織物1和織物3使用了氨綸。氨綸具有400%～800%的伸長率，且伸長500%時的回復(fù)率高達95%～99%，將其應(yīng)用于織物中對織物彈性有顯著提高。錦氨雙羅紋針織物比其他兩種機織物具有更好的彈性和伸長。

表1 織物伸長率

3.2 導(dǎo)電性

利用ST?2588C型多功能數(shù)字式四探針測試儀，采用4根呈同一直線的探針對被測織物表面施加一定的垂直壓力，測得織物1的方阻為37.6Ω，織物2的方阻為37.9Ω，織物3的方阻為17.2Ω?？梢钥闯?，石墨烯可以很好地提高織物的導(dǎo)電性。導(dǎo)電性與涂料粒徑、黏度及附著力有關(guān)。質(zhì)量分數(shù)為1.2%的石墨烯溶液在織物1、織物2上只涂覆一層時，涂層方阻僅為37.6Ω和37.9Ω。適當(dāng)增加石墨烯的涂覆次數(shù)可增加織物導(dǎo)電性，涂層次數(shù)增多，纖維表面石墨烯包覆層加厚，織物內(nèi)部纖維包覆效果更好，織物導(dǎo)電性改善。導(dǎo)電性還與待涂層織物的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)?？椢锉砻娴慕M織疏松程度、孔隙大小及多少等影響涂層對織物的包覆效果。石墨烯溶液具有一定流動性，容易深入疏松多孔的織物，使織物表面溶液分散均勻，導(dǎo)電性增加。質(zhì)量分數(shù)為1.2%的石墨烯溶液涂覆織物時，織物1、織物2為右斜紋機織物，經(jīng)緯紗間孔隙較小，紗線排列較密，織物致密厚實、硬挺，不利于溶液滲入。相比織物3為雙羅紋針織物，織物由線圈串套且織物的兩層線圈之間有一定間隙，織物多孔洞與間隙，疏松柔軟，溶液能更好滲入雙羅紋針織物的孔洞與間隙，對針織物組織的包覆性更好?？椢?的方阻小于前兩種織物的方阻。

3.3 電阻變化率與應(yīng)變的關(guān)系

所用試樣規(guī)格為10 cm×10 cm。將3種試樣沿經(jīng)向拉伸至最大應(yīng)變限度，利用Keithley 2601B型參數(shù)分析儀測得不同應(yīng)變范圍內(nèi)的電阻起始值及變化值，經(jīng)向應(yīng)變電阻曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)傳感器應(yīng)變小于12.5%時，不同石墨烯改性的彈性織物柔性傳感器的電阻變化率與應(yīng)變均呈線性關(guān)系。

圖1 經(jīng)向電阻?應(yīng)變曲線

根據(jù)公式G F=（ΔR/R0）/ε計算傳感系數(shù)，以計算傳感器的靈敏度，其中，ΔR為加載應(yīng)變時電阻的變化，R0為無應(yīng)變時的電阻，ε為施加應(yīng)變。通過計算，可得出織物1、織物2、織物3的G F分別為29.20、4.31、0.93。織物1作為傳感器，具有較好的傳感系數(shù)，可應(yīng)用于臉部微表情、脈搏跳動、聲帶振動等微小形變的監(jiān)測，應(yīng)用于人體健康檢測與識別?？椢?制成的傳感器可應(yīng)用于手指部位，識別手指對不同文字的書寫。將此傳感器縫入手套中，可識別手部各種動作；將其縫入椅子坐墊及床墊中，可檢測人體休息時的狀態(tài)?？椢?作為柔性襯底傳感系數(shù)較低，可被應(yīng)用于人體的腕部、肘部、膝蓋等大形變監(jiān)測，可以準確反映人體不同時刻的運動狀態(tài)及身體姿態(tài)。

3.4 重復(fù)性

一個良好的應(yīng)變傳感器應(yīng)具有高靈敏度、低電阻值特性。靈敏度高使得傳感器在探測到0.2%等微小應(yīng)變時會出現(xiàn)明顯的信號變化，但高靈敏度的應(yīng)變傳感器在多次重復(fù)使用后容易出現(xiàn)信號誤差。為得到更具耐久性與穩(wěn)定性的柔性襯底，將傳感區(qū)尺寸為10 cm×10 cm的織物結(jié)構(gòu)柔性傳感器沿經(jīng)向從原長拉伸至0.2%應(yīng)變狀態(tài)下，反復(fù)拉伸5000次并同步記錄其電阻變化率，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，織物均可在施加力與去除力時達到指定的阻值?？椢?為雙羅紋針織物，反復(fù)拉伸過程可認為是變形前針織物線圈結(jié)構(gòu)的平衡遭到破壞，而向新的平衡過渡的過程。一是線圈內(nèi)彎曲紗線外形變化。試樣拉伸方向長度增加，垂直方向縮短，部分線段伸直，部分線段更加彎曲。二是紗線在線圈中的方向變化。紗線在線圈中的方向與對織物的拉伸方向間夾角減小，使線圈中的線段在織物拉伸方向的投影長度總和增加。三是紗線間接觸點移動。線圈中部分紗段向另一紗段轉(zhuǎn)移，如圈柱向圈弧轉(zhuǎn)移或反之。因此，對于織物3在反復(fù)拉伸時表現(xiàn)出的電阻相對變化沒有織物1、織物2穩(wěn)定，織物1、織物2具有更良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

圖2 織物重復(fù)性測試

4 結(jié)論

將不同彈性織物作柔性襯底應(yīng)用于傳感器，并對這些傳感器的伸長率、導(dǎo)電性、靈敏性、回復(fù)性進行測試與分析?？椢?導(dǎo)電性優(yōu)于其他兩種織物。3種織物傳感器在應(yīng)變小于12.5%時，均能保持電阻變化率與應(yīng)變的線性關(guān)系?？椢?的傳感系數(shù)為29.2，顯著高于其他兩種織物傳感系數(shù)，具有高靈敏度，更加適用于脈搏、呼吸等微小形變。在回復(fù)性測試中，當(dāng)對織物施加0.2%的應(yīng)變進行反復(fù)拉伸時，織物3的線圈結(jié)構(gòu)平衡破壞，向新平衡過渡，其回復(fù)性和穩(wěn)定性比其他兩種織物差。