基于紡織材料的應(yīng)變傳感器制備技術(shù)及應(yīng)用

左 涵,胡紫茜,李朝威,付譯鋆,成 悅,張 偉,李大偉

(1.南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通 226019; 2.安全防護(hù)用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,江蘇 南通 226019)

近期可穿戴個(gè)性化設(shè)備的使用激增,使得以紡織品為基礎(chǔ)的應(yīng)變傳感器變得越來(lái)越重要,這些傳感器可以舒適地佩戴,并能感知到身體的各種壓力。應(yīng)變傳感器是一種能將物理變形轉(zhuǎn)換為可測(cè)量信號(hào)的裝置。應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、拉伸性能好、傳感范圍廣等特點(diǎn),是各種應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。在織物的各個(gè)生產(chǎn)階段(即在纖維紡絲階段,在紗線/織物制造過程中或在最終的織物整理階段),都可能會(huì)對(duì)織物施加應(yīng)變感應(yīng)功能。因此,紡織應(yīng)變傳感器可以從結(jié)構(gòu)上分為纖維、紗線或織物傳感器。[1]

各種應(yīng)變傳感機(jī)制包括壓電、電容和電阻傳感已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)。在傳感方面,紡織應(yīng)變傳感器主要可以分為電阻式、電容式和壓電式。電阻應(yīng)變傳感器的工作機(jī)理是通過導(dǎo)電材料在人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中的電阻變化來(lái)顯示變形;電容式應(yīng)變傳感器可以將人體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電容變化,具有功耗低、不受高溫影響的優(yōu)點(diǎn);壓電式應(yīng)變傳感器可以將人體產(chǎn)生的動(dòng)壓力通過壓電材料轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。[2]紡織品中常用的壓電材料是有機(jī)聚偏二氟乙烯(PVDF),采用紡絲法制備了壓電織物傳感器。其中壓阻式應(yīng)變傳感器因其靈敏度高、頻響快、延展性好、信號(hào)采集方便、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用。[3]

1 導(dǎo)電材料

導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料由于其獨(dú)特的電子、化學(xué)和機(jī)械性能,其柔韌性和柔軟性對(duì)基于紡織的可穿戴電子產(chǎn)品至關(guān)重要,[4]已經(jīng)使用并研究了諸如導(dǎo)電聚合物、金屬和金屬氧化物納米粒子/納米線,基于碳的微米/納米材料,例如碳粒子(CP)、碳納米管(CNTs)、碳纖維(CNFS)和石墨烯之類的材料。這些材料在光電器件、化學(xué)和生物傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。[5]用這種導(dǎo)電材料纖維制成的器件具有較高的電學(xué)性能,如場(chǎng)強(qiáng)效應(yīng)高、遷移率好、亞閾值斜率大、工作電壓較低,是設(shè)計(jì)低功率電路的重要考慮因素。[6]

1.1 導(dǎo)電聚合物

理想情況下,如果所有的電子功能都能在纖維中實(shí)現(xiàn),這些纖維將為智能服裝提供完美的基材,因?yàn)樗鼈兛梢栽诩徔椷^程中自然地集成到紡織品中。[7]由于將高級(jí)電子功能集成到紡織纖維的技術(shù)復(fù)雜性,目前這種纖維的例子很少。最有前途的材料可能是有機(jī)聚合物或小分子化合物,因?yàn)樗鼈兙哂袃?nèi)在的柔韌性,或者可以混合在纖維中制成復(fù)合材料。此外,由于它們是由基本構(gòu)件合成的,因此可以調(diào)整它們,使其具有特定的化學(xué)、物理和電子特性。自從發(fā)現(xiàn)共軛聚合物可以通過摻雜來(lái)導(dǎo)電以來(lái),在導(dǎo)電聚合物纖維領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作。[8]這些導(dǎo)電聚合物因其獨(dú)特的電子、電學(xué)、磁性和光學(xué)特性而具有重要的科學(xué)和技術(shù)意義。一般而言,導(dǎo)電聚合物(如聚吡基、聚苯胺、PEDOT)在生產(chǎn)低成本、輕量化和柔性傳感器方面具有巨大潛力。[9]導(dǎo)電聚合物還具有生物相容性、易于表面修飾、表面積大等優(yōu)點(diǎn)。[10]

自1970年以來(lái),聚吡咯(PPy)由于其良好的電性能一直是廣泛分析的主題。[11]PPy比中性pH的吡咯單體水溶液更容易沉積。[12]由于其易于化學(xué)或電化學(xué)合成以及高導(dǎo)電性,PPy已被應(yīng)用于生物化學(xué)傳感器、光伏電池、驅(qū)動(dòng)器、電化學(xué)電池、作為生物分子的固定底物和高效的電催化劑,由于其在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、生物相容性以及與生物可降解聚合物的生物降解性,PPy被應(yīng)用于技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。[13]聚吡啶還可以應(yīng)用于生物傳感器的固定化酶、抗體或單鏈DNA、驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人操作器、機(jī)器昆蟲、假肢和肌肉、分子馬達(dá)、細(xì)胞診所和支架、電極、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電池和抗靜電涂層。聚吡咯一體化織物生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一是聚吡咯涂層對(duì)織物基材的附著力差。已經(jīng)做了一些嘗試來(lái)解決這種糟糕的附著力。例如,Mosnácˇková等(2013)開發(fā)了專門合成吡咯功能化硅烷,以提高聚吡咯在聚酰胺織物上的洗滌穩(wěn)定性,并提高PPy層的洗滌牢度。[14]

Stempien等人(2015)開發(fā)了活性噴繪方法,以克服早期解決方案中存在的低導(dǎo)電性問題,并開發(fā)了使用過硫酸銨作為氧化劑的聚吡咯涂層棉織物。[15]為了克服聚吡咯對(duì)織物附著力差的問題,采用等離子體預(yù)處理對(duì)聚酯基材進(jìn)行表面改性。[16]為了改善聚吡咯的功能,可以通過共價(jià)連接氧化還原基團(tuán)和蛋白質(zhì)或低和高分子量分子印跡。[17]PPy對(duì)水分也很敏感,因?yàn)殡S著時(shí)間的推移,它會(huì)由于暴露在水分中而惡化。[18]通過應(yīng)用所需的疏水或聚合反離子,如樟腦磺酸或聚苯乙烯磺酸,可以減少這種限制。[19]綜上所述,從聚吡啶薄膜的電學(xué)、機(jī)械、電化學(xué)和形態(tài)特性來(lái)看,聚吡啶是紡織傳感器生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電聚合物之一。

聚苯胺是一種導(dǎo)電聚合物,在電子和光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究。聚苯胺(PANI)是應(yīng)用最廣泛的有機(jī)導(dǎo)電聚合物。[20]聚苯胺的普及反映了其良好的電性能,包括環(huán)境穩(wěn)定性,易于制備,易于操作。[21-23]聚苯胺的應(yīng)用包括防腐蝕,作為有機(jī)反應(yīng)的催化,以及作為燃料電池、超級(jí)電容器和分析電極。[17]聚苯胺的電學(xué)性質(zhì)直到20世紀(jì)60年代才被發(fā)現(xiàn)。[24]通過應(yīng)用化學(xué)或電化學(xué)氧化聚合方法,聚苯胺也可以集成到紡織品中。聚苯胺的電導(dǎo)率一般取決于聚合氣氛的pH值,而不是化學(xué)結(jié)構(gòu)或所使用的摻雜劑類型。聚苯胺可以用硫酸(H2SO4)、高氯酸(HClO4)和鹽酸(HCl)摻雜。由于聚苯胺的導(dǎo)電性能,聚苯胺被廣泛應(yīng)用于印刷紡織品傳感器的制造和腐蝕防護(hù)。[25]聚苯胺的導(dǎo)電性范圍為10 S/cm～100 S/cm。[26]聚苯胺的電導(dǎo)率取決于加工環(huán)境的pH值、工質(zhì)的pH值、聚合物的氧化還原狀態(tài)以及所應(yīng)用的摻雜劑陰離子的類型。摻雜不同反離子的聚苯胺在溫度大于200℃時(shí)均發(fā)生熱降解。另一方面,由于聚苯胺的非生物降解性、低加工性和缺乏靈活性,其在生物應(yīng)用中的應(yīng)用受到限制。[27]聚苯胺的電導(dǎo)率隨質(zhì)子酸和氧化劑的類型而變化。與其他共軛聚合物相比,聚苯胺具有簡(jiǎn)單和可逆的酸/基摻雜/脫摻雜化學(xué),能夠控制電導(dǎo)率、光學(xué)活性和溶解度等超性能。

聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)是一種共軛聚合物,可用于研究不同的電子性能,如半導(dǎo)體、絕緣、金屬、半金屬特性。2000年,PEDOT被認(rèn)為是目前最穩(wěn)定的導(dǎo)電聚合物。[28]與聚吡咯相比,PEDOT還具有更好的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。[29]當(dāng)PEDOT摻雜聚陰離子如聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)時(shí),形成聚(3,4乙烯-二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)。PEDOT被用于生物傳感和生物工程應(yīng)用,包括心肌貼片、神經(jīng)電極和神經(jīng)移植、濕度、溫度和應(yīng)變傳感器,以及作為壓電傳感器。[30-31]許多機(jī)制已被應(yīng)用于提高PEDOT的導(dǎo)電性:PSS;其中之一是加入高沸點(diǎn)極性溶劑(共溶劑),使PEDOT:PSS更具導(dǎo)電性。[32]PSS離子添加到PEDOT的非晶態(tài)性質(zhì):PSS的分散使載流子在聚合物體系中的傳輸變得困難,從而降低了導(dǎo)電性。[33]高沸點(diǎn)溶劑的加入可以去除多余的PSS離子,提高晶體有序度和電導(dǎo)率。[34]PEDOT:PSS已成為導(dǎo)電聚合物在印刷、涂層、紡絲、有機(jī)電極、太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。[35]基于PEDOT的柔性導(dǎo)電線:PSS因其高導(dǎo)電性、p摻雜形式的高穩(wěn)定性以及數(shù)十年來(lái)良好的成膜性能而吸引了研究人員。[36]PEDOT:與其他導(dǎo)電纖維相比,PSS纖維具有許多優(yōu)勢(shì),如低成本、柔韌性和輕量化。[37]PEDOT:PSS已被用于生產(chǎn)高導(dǎo)電性和可伸縮的傳感器,用于各種應(yīng)用,如服裝、地毯、毯子和汽車座椅、膝關(guān)節(jié)袖原型(受傷后的個(gè)人訓(xùn)練和康復(fù))。[38-39]

1.2 碳基微/納米材料

零、一和二維碳基微/納米材料因其獨(dú)特的特性(例如高電導(dǎo)率)而成為柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的有希望的材料,既可作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的溝道材料,又可作為透明電極,可用于柔性和可穿戴電子產(chǎn)品,具有載流子遷移率(106cm2V-1s-1)、電導(dǎo)率(104S/cm)和優(yōu)異的機(jī)械性能(彈性模量為1 TPa左右)、環(huán)境穩(wěn)定性和生產(chǎn)潛力、低成本。[40]具有大比表面積和機(jī)械性能的多孔碳材料,經(jīng)常用于可穿戴電子產(chǎn)品中,如碳粒子(CP)、碳納米管(CNTs)、碳纖維材料(包括碳微纖維材料和碳納米纖維材料)、石墨烯、碳?xì)饽z等。在各種碳材料中,碳納米管和石墨烯是材料科學(xué)中研究最深入的兩種碳同素異形體,也被認(rèn)為是在可穿戴電子領(lǐng)域具有巨大潛力的電極材料。[41]目前,基于這兩種著名的碳材料制成的電極已成為高性能柔性電子器件的研究熱點(diǎn)。已經(jīng)證明,商品棉線可以轉(zhuǎn)化為智能電子紗和可穿戴織物設(shè)備,用于監(jiān)測(cè)人體生命體征,使用聚電解質(zhì)為基礎(chǔ)的涂層碳納米管。利用單壁碳納米管(SWNT)墨水,通過簡(jiǎn)單的“浸漬和干燥”過程,發(fā)明了一種可拉伸、多孔和導(dǎo)電的紡織織物。[42]在這些導(dǎo)電織物中裝入偽電容材料會(huì)導(dǎo)致器件的面積電容增加24倍。與碳納米管和石墨烯相比,CP因其成本低、具有良好的健康和安全性能、多孔結(jié)構(gòu)以及能夠賦予絕緣聚合物纖維或纖維基紡織基材高導(dǎo)電性而得到廣泛應(yīng)用。而碳纖維因其具有高暴露表面積、高導(dǎo)電性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等顯著特點(diǎn),也被開發(fā)為柔性儲(chǔ)能電極材料。特別是,碳纖維可以被編織成各種形狀的布料。這些織物碳纖維是可穿戴電子器件的優(yōu)秀基材,通常與偽電容材料結(jié)合以提高可穿戴電容的能量密度。[41,43]

1.3 金屬納米粒子/納米線

金屬的低維納米結(jié)構(gòu),例如納米線(NWs)或納米顆粒,對(duì)基于纖維的柔性和可穿戴電子產(chǎn)品特別有吸引力,因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅８叩膶?dǎo)電性。[44]例如,鍍鎳和鍍金凱夫拉纖維可以顯示6 S/cm的電導(dǎo)率值。[45]在硅錐纖維中加入銀薄片可以達(dá)到470 S/cm,而使用商用無(wú)極鍍液鍍銀的尼龍纖維墊在加入約17 wt%的銀時(shí),可以達(dá)到1800 S/cm。[46]然而,粗糙、霧霾、穩(wěn)定性等問題阻礙了其在工業(yè)上的出現(xiàn)。目前正在努力提高金屬納米線/納米粒子的穩(wěn)定性,并將其用于柔性電子應(yīng)用。最近的一份出版物展示了金屬納米線的前景,在一種新型的全纖維壓電納米發(fā)電機(jī)中,金屬NWs使用了一種高延展性鍍銀聚酰胺織物作為彈性織物電極。[47]在模擬人類行走條件的循環(huán)壓縮試驗(yàn)中,合成的發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出高耐久性(大于1000 000次加載循環(huán))和良好的發(fā)電性能。與其他金屬箔或金屬涂層薄膜電極相比,織物電極的三維結(jié)構(gòu)提供了更可靠的電接觸和靈活性,這對(duì)于電極處于大量變形周期的柔性和可穿戴發(fā)電機(jī)至關(guān)重要。[6]

1.4 纖維電極

纖維電極輕便、耐用、柔韌、可折疊、舒適,是可穿戴電子產(chǎn)品的理想選擇。它們已被廣泛研究用于各種可穿戴應(yīng)用,從干表面生物電位測(cè)量,如心電圖、肌電圖和電刺激、天線電極、光伏電池、電力納米發(fā)電機(jī)、電池、電容,幾乎所有三明治結(jié)構(gòu)的可穿戴電子設(shè)備。紡織結(jié)構(gòu)的電極如單纖維、紗線和織物已經(jīng)開發(fā)和研究。其中一些由碳納米管、金屬或金屬合金制成,如銅、銀、鎳合金、不銹鋼;其他的則由絕緣織物通過表面涂層、電鍍、刺繡、印刷和復(fù)合制成。因此,存在許多混合或復(fù)合結(jié)構(gòu),包括還原氧化石墨烯/尼龍紗線、石墨烯-鐵電混合電極、紗線上的功能涂層、聚(苯乙烯-β-異丁烯-β-苯乙烯)-聚(3-己基噻吩)(SIBS-P3HT)導(dǎo)電復(fù)合纖維、銀-硅纖維、纖維含有液態(tài)金屬合金,如注入到三嵌段共聚物組成的可拉伸中空纖維芯中的共晶鎵銦(EGaIn)。SEBS樹脂(在SEBS樹脂中獲得),一種由納米銀粒子和橡膠纖維與扭曲石墨烯紗線組成的導(dǎo)電復(fù)合氈。[6]針織物電極在高性能電力發(fā)電機(jī)中發(fā)揮了重要作用。通過將鍍銀的聚酰胺復(fù)合纖維紗線加入彈性針織物電極中,夾有由NaNbO3納米線和PVDF復(fù)合納米纖維制成的壓電非織造布,如圖1、圖2所示。[47]這樣的全纖維納米發(fā)電機(jī)至少能在100萬(wàn)次壓縮周期內(nèi)不發(fā)生故障。

圖1 (a)全纖維電力納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,(b)完全封裝好的發(fā)電機(jī)設(shè)備的照片。

圖2 納米發(fā)電機(jī)在一系列加載循環(huán)下的發(fā)電:(a)全纖維發(fā)生器開路電壓輸出、(b)全纖維發(fā)生器電流輸出、(c)全纖維發(fā)生器長(zhǎng)期穩(wěn)定性(壓力0.2 MPa,頻率1 hz)、(d)以鋁箔為電極,由相同PVDF-NaNbO3納米纖維非織造布組成的發(fā)電機(jī)輸出(壓力:0.2 MPa,頻率:1 hz)

2 制造方法

紡織應(yīng)變傳感器可以通過各種方法來(lái)制造,如在纖維、紗線或織物上涂覆導(dǎo)電材料;使用導(dǎo)電纖維結(jié)構(gòu),紡絲復(fù)合材料或同軸纖維,對(duì)紗線進(jìn)行幾何操作(或?qū)w維進(jìn)行幾何處理),如:編織。這些方法將在下面詳細(xì)討論。

2.1 涂層技術(shù)

在纖維、紗線或織物上涂覆導(dǎo)電材料是制造紡織應(yīng)變傳感器的一種簡(jiǎn)便方法?？赏ㄟ^原位化學(xué)聚合、氣相聚合、浸涂、噴涂、輥涂、棒涂等方式進(jìn)行。涂層方法可以產(chǎn)生高靈敏度和相對(duì)較高的傳感范圍的織物應(yīng)變傳感器。然而,通過涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)高線性度和循環(huán)穩(wěn)定性是一個(gè)挑戰(zhàn)。[1]滌綸織物可以通過與聚吡咯(PPy)原位聚合產(chǎn)生導(dǎo)電織物,如圖3所示。[48]

圖3 (a)原位聚合實(shí)驗(yàn)示意圖,(b)聚合過程中實(shí)際織物樣品的圖像。

2.2 使用彈性導(dǎo)電復(fù)合纖維

制造紡織應(yīng)變傳感器的一個(gè)有吸引力的方法是使用纖維制造技術(shù),如濕法紡絲和熔體紡絲,將導(dǎo)電填料集成到彈性基體中,從而生產(chǎn)導(dǎo)電彈性復(fù)合纖維。濕法紡絲是用于生產(chǎn)長(zhǎng)絲/紗線/或纖維紡紗,一種涉及三個(gè)步驟的方法:(1)可紡液體的制備,(2)擠壓液體以形成射流,(3)射流硬化。這種液體可能以聚合物熔體或溶液的形式存在。當(dāng)從溶液中紡絲時(shí),射流硬化可以在熱風(fēng)(干紡絲)或凝結(jié)浴(濕紡絲)中發(fā)生,也可以在氣隙紡絲和凝膠紡絲的組合中發(fā)生。[17]在濕法紡絲中,首先制備一種在適當(dāng)溶劑中由聚合物主體和導(dǎo)電填料組成的配方。通過將復(fù)合配方擠壓到凝固浴中獲得纖維。許多導(dǎo)電填料(如CNT、氧化石墨烯和Ag-NW)都可用于溶液處理,這使得濕法紡絲成為一種生產(chǎn)彈性導(dǎo)電復(fù)合纖維的有用技術(shù),用于應(yīng)變傳感應(yīng)用。用于制造纖維應(yīng)變傳感器的濕法紡絲工藝,如圖4。[49]熔融紡絲是將熔融的聚合物切片通過擠壓制成連續(xù)長(zhǎng)絲或纖維的工藝。對(duì)于生產(chǎn)基于共軛聚合物、導(dǎo)電碳材料(如石墨烯和碳納米管)的導(dǎo)電纖維/線來(lái)說,它是最經(jīng)濟(jì)的選擇。[50]一般來(lái)說,這些導(dǎo)電纖維通常使用熱塑性聚合物生產(chǎn),如聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚酰胺(PA)、聚乙烷(PU)和聚酯(PET)。[17]

圖4 用于制造纖維應(yīng)變傳感器的濕法紡絲工藝示意圖

2.3 紡絲同軸復(fù)合纖維

纖維應(yīng)變傳感器可以采用芯殼結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些纖維應(yīng)變傳感器通常由一個(gè)覆有彈性外殼的導(dǎo)電核組成。在本設(shè)計(jì)中,對(duì)核心的一個(gè)重要要求是延展性和導(dǎo)電性。纖維芯子應(yīng)該能夠適應(yīng)較大的拉伸變形,同時(shí)保持導(dǎo)電。利用液態(tài)金屬(LMs)、離子液體(ILs)和碳/彈性體復(fù)合材料等材料制備纖維芯。同軸結(jié)構(gòu)可用于制造電阻式和電容式纖維應(yīng)變傳感器。這些同軸纖維是通過液體注射、濕紡或印刷制作的。[51-53]例如,生產(chǎn)了濕紡有機(jī)硅彈性體保護(hù)的MWCNT(多壁碳納米管)纖維(圖5)和靜電紡高靈敏度和可拉伸的TPUEM/CNTs(碳納米管)/AgNPs(銀納米粒子)復(fù)合材料的制造示意圖如圖6所示。[54-55]

圖5 高度可拉伸纖維的同軸濕紡工藝示意圖

圖6 TPUEM / CNTs/ AgNPs復(fù)合材料的制造示意圖

2.4 編織

紡織應(yīng)變傳感器也可以用導(dǎo)電纖維或紗線編織而成的。導(dǎo)電纖維和紗線已經(jīng)引起了未來(lái)一代可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域的關(guān)注,這種紡織應(yīng)變傳感器是可穿戴應(yīng)用的首選結(jié)構(gòu),因?yàn)樗鼈兛梢詫㈦娮庸δ軣o(wú)縫地集成到最廣泛使用的材料形式之一:紡織品。用于生產(chǎn)長(zhǎng)絲/紗線和/或纖維紡紗,一種涉及三個(gè)步驟的方法:(1)可紡液體的制備,(2)擠壓液體以形成射流,(3)射流硬化。[1]可以用濕法紡絲或熔體紡絲制備,導(dǎo)電纖維的電氣和機(jī)械性能取決于生產(chǎn)它們的材料和方法。Seyedin等人通過濕紡絲方法生產(chǎn)了基于各種導(dǎo)電填料的聚氨酯(PU)纖維,如炭黑(CB, 17 %)、單壁碳納米管(SWCNTs,5 %)和石墨烯(12.5 %)。[56]

早期的織物應(yīng)變傳感器是通過將鋼紗或碳纖維紗編織成管狀平紋織物而制成的(圖7)。[57]雖然導(dǎo)電性高,但這些織物的傳感范圍有限,最高只有20%應(yīng)變?？椢飸?yīng)變傳感器也可以通過將鍍銀導(dǎo)電尼龍紗線與絕緣芯紡萊卡紗線交替編織而成(圖8)。[58]

圖7 管狀針織物和鋼紗針織物的光學(xué)圖像

圖8 通過共編織鍍銀的尼龍和彈性紗線制成的織物應(yīng)變傳感器

3 紡織應(yīng)變傳感器在可穿戴中的應(yīng)用

基于紡織品的應(yīng)變傳感器能夠檢測(cè)大小應(yīng)變,從而使其能夠監(jiān)測(cè)復(fù)合材料中微裂紋的形成(小的應(yīng)變),以及檢測(cè)人體的各種運(yùn)動(dòng)(大小應(yīng)變),以用于與健康和體育相關(guān)的應(yīng)用和娛樂活動(dòng)。以下總結(jié)了紡織品應(yīng)變傳感器的潛在應(yīng)用。

3.1 健康監(jiān)測(cè)

用于疾病預(yù)測(cè)和健康監(jiān)測(cè)的可穿戴和柔性傳感器的發(fā)展在過去幾年中顯著增加。[59]在這種情況下,制作的可穿戴傳感器被放置在胸部或手腕上,以記錄或檢測(cè)不同的重要生理參數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí),這些傳感器能夠通知用戶。這可以通過提供時(shí)間來(lái)采取預(yù)防措施以保護(hù)人體健康。為了獲得更高的性能,需要考慮三個(gè)主要因素:(a)傳感器的位置,(b)傳感器的任務(wù),(c)數(shù)據(jù)分析。[60]由于這些因素對(duì)不同的傳感器不相等,它們必須分別對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行識(shí)別。目前,智能服裝、智能手表、智能手機(jī)等不同的設(shè)備都被認(rèn)為是嵌入可穿戴技術(shù)的傳統(tǒng)產(chǎn)品,用于人類活動(dòng)識(shí)別。[61]由于傳感器制造的進(jìn)步,不同的可穿戴傳感器,如物理健康傳感器、慣性傳感器和環(huán)境傳感器,已被制造和應(yīng)用于醫(yī)療保健。例如:傳統(tǒng)的集中式醫(yī)療保健系統(tǒng)(圖9)要求患者前往醫(yī)院接受任何治療,即使需要緊急醫(yī)療護(hù)理,也要排長(zhǎng)隊(duì)等候。因此,這可能會(huì)危及一些患者的生命。[62]在此背景下,基于柔性電子設(shè)備的可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖10)可以通過每天監(jiān)測(cè)用戶的健康狀況,在早期發(fā)現(xiàn)疾病,從而實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量、無(wú)所不在、分散的醫(yī)療服務(wù)。[62-63]

圖9 傳統(tǒng)的集中式醫(yī)療保健系統(tǒng)

圖10 基于可穿戴遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的便攜式醫(yī)療保健系統(tǒng)

3.2 身體運(yùn)動(dòng)測(cè)量

附著在不同身體部位的紡織應(yīng)變傳感器展示了它們?cè)趥鞲写笮∩眢w運(yùn)動(dòng)方面的應(yīng)用。早期的研究介紹了PPy涂層萊卡織物應(yīng)變傳感器在監(jiān)測(cè)人體膝蓋運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用。[64]例如,織物應(yīng)變傳感器裝配在緊身衣褲上,用于監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)在伸展、彎曲、行進(jìn)、慢跑、跳躍和下蹲時(shí)的各種運(yùn)動(dòng)。(圖11)通過監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)阻力的相對(duì)變化,可以跟蹤膝關(guān)節(jié)的不同運(yùn)動(dòng)。[65-67]

圖11 用于下肢運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的可穿戴紡織品傳感系統(tǒng)

3.3 數(shù)據(jù)手套

數(shù)據(jù)手套是一種帶有多個(gè)應(yīng)變傳感器的輸入設(shè)備,用于監(jiān)測(cè)各種手部動(dòng)作,廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)和手勢(shì)識(shí)別。紡織應(yīng)變傳感器能夠檢測(cè)各種手指運(yùn)動(dòng),這使得新型數(shù)據(jù)手套的實(shí)現(xiàn)成為可能,柔軟的和大范圍的紡織傳感器取代了傳統(tǒng)的剛性和低范圍傳感器。[68]例如這個(gè)集成的可穿戴數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)顯示了不同的手指手勢(shì),例如“一個(gè)”、“兩個(gè)”、“確定”、“四個(gè)”和“良好”(圖12)。[69]該數(shù)據(jù)手套展示了基于手指彎曲狀態(tài)(例如部分彎曲)的復(fù)雜表示的多級(jí)應(yīng)變感測(cè)。

圖12 使用十個(gè)獨(dú)立的AgNW涂層P(VDF-TrFE)纖維傳感器制作的數(shù)據(jù)手套的照片,以及與不同手勢(shì)相關(guān)的信號(hào)

3.4 娛樂

可伸縮應(yīng)變傳感器也在娛樂領(lǐng)域得到了應(yīng)用,比如一種可穿戴紡織品鍵盤,由帶圖案的PEDOT制成,在滌綸針織面料上安裝PSS電極。這款數(shù)字式紡織鍵盤有10個(gè)按鍵(由0到9的數(shù)字組成),通過與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連的單片機(jī)來(lái)測(cè)量電極電容的變化。觸摸每個(gè)鍵時(shí),鍵的電容超過一定的閾值,電腦屏幕顯示相應(yīng)的數(shù)字。該工作證明了針織織物傳感器可以感知人類手指的觸覺輸入(圖13)。[70]在另一項(xiàng)工作中,一個(gè)原型可穿戴紡織設(shè)備將GWF應(yīng)變傳感器集成到可穿戴樂器中。GWF傳感器嵌入聚二甲基硅氧烷 (PDMS)矩陣中,構(gòu)成一個(gè)柔性傳感器,安裝在每根手指和上臂上,然后連接到一個(gè)硬件設(shè)備上,將信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程智能手機(jī)。使用定制的移動(dòng)應(yīng)用程序,用戶可以重新編排旋律,通過動(dòng)作播放音樂(圖14)。[71]

圖13 穿戴在手臂上的PEDOT:PSS涂層織物傳感器制成的可穿戴鍵盤的照片,以及當(dāng)在鍵盤上按數(shù)字“5”時(shí)電容變化

圖14 由GWF / PDMS傳感器制成的可穿戴無(wú)線音樂儀器的照片

4 結(jié)論

紡織應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、拉伸性能好、傳感范圍廣等特點(diǎn),在可穿戴領(lǐng)域已引起越來(lái)越多的關(guān)注度。并且可穿戴紡織品傳感器在紡織品領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用需要一種新的思維方式。在不同的領(lǐng)域,如健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)、娛樂等新領(lǐng)域,靈活的智能紡織品的需求在不斷增長(zhǎng),以滿足特殊的功能。紡織應(yīng)變傳感器在可穿戴領(lǐng)域中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。