碳纳米管修饰3D纤维网基压力传感器的制备及性能.pdf
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1、印染(2024 No.1)碳纳米管修饰3D纤维网基压力传感器的制备及性能叶苏娴1,张蕊1,张婷3,陈晓静3,王建1,2,邹专勇1,2,3 1.绍兴文理学院,浙江省清洁染整技术研究重点实验室,浙江 绍兴 312000;2.绍兴市高性能纤维及制品重点实验室,浙江 绍兴 312000;3.浙江喜临门软体家具有限公司,浙江 绍兴 312000摘要:为改善纤维基传感器灵敏度低和响应范围窄等问题,提出了一种以3D纤维网为基材,采用超声辅助浸渍碳纳米管修饰纤维表面,构建出了3D纤维网络结构的压阻式压力传感器。介绍了3D纤维网传感器的制备过程,并对所制备的传感器形貌结构、力学传感性能及应用进行了测试与表征。结
2、果表明:碳纳米管修饰3D纤维网的传感器灵敏度为3.5310-3kPa-1,具有较好的线性度和较高的灵敏度;检测范围达到200 kPa;响应时间和回复时间分别为153 ms和226 ms;经过2 000次循环施加压力测试表现出较好的稳定性和耐久性。该传感器能够用于监测人体的运动,如手指弯曲、手腕弯曲、手指点击和脚跟压力等,在可穿戴电子织物领域具有广阔的应用前景。关键词:碳纳米管;3D纤维网;超声辅助浸渍;柔性压力传感器;传感性能中图分类号:TS106;TP212文献标志码:BDOI:10.3969/j.yinran.202401007Preparation of carbon nanotube
3、modified 3D fiber mesh based pressure sensor and its performanceYE Suxian1,ZHANG Rui1,ZHANG Ting3,CHEN Xiaojing3,WANG Jian1,2,ZOU Zhuanyong1,2,31.Key Laboratory of Clean Dyeing and Finishing Technology of Zhejiang Province,Shaoxing University,Shaoxing 312000,China;2.Shaoxing Key Laboratory of High P
4、erformance Fibers&Products,Shaoxing 312000,China;3.Zhejiang Xilinmen Upholstered Furniture Co.,Ltd.,Shaoxing 312000,ChinaAbstract:To improve the issues of low sensitivity and narrow response range of fiber-based sensors,a resistive pressure sensor with 3D fiber network structure is constructed by us
5、ing 3D fiber network as the substrateand ultrasound-assisted impregnation of carbon nanotubes to modify the fiber surface.The preparation process of 3D fiber mesh sensors is introduced,and the morphology,mechanical sensing performance and application of the prepared sensors are tested and characteri
6、zed.The results show that the sensor sensitivity of carbon nanotube modified 3D fiber mesh is 3.5310-3kPa-1with good linearity and high sensitivity.The detectionrange reaches 200 kPa.The response time and recovery time are 153 ms and 226 ms,respectively.After 2 000cycles of pressure testing,the sens
7、or shows good stability and durability,which can be used to monitor humanmovement,such as finger bending,wrist bending,finger tapping,and heel pressure.It has broad applicationprospects in the field of wearable electronic fabrics.Key words:carbon nanotubes;3D fiber mesh;ultrasound-assisted impregnat
8、ion;flexible pressure sensor;sensing performance随着科技的快速发展,传感器已经广泛应用于人们的生活中,并且在不同的研究领域受到了极大的关注。在众多传感器中,柔性压力传感器以低成本、方便携带和高度灵活性的优势在市场上占据着主导地位1-3。相比于传统的刚性传感器,柔性传感器具有承受各种压力和变形的能力,更加适合日常生活中使用4。其中,压阻传感器由于能够量化电阻值与外力之间的关系,从而实现对物理信号(如压力、弯曲等)的监测和测量,备受人们关注5。此外,由于压阻传感器灵活性高,不仅可以应用于大面积的表面,还可以嵌入到各种设备中,实现对设备内部的变形和应力
9、的监测,因此,压阻传感器在医疗、健康监测、机器人、智能家居等领域具有广泛的应用前景6-7。目前,制备高性能柔性可穿戴压力传感器的方法主要涉及材料、结构和工艺的创新。引入碳纳米管(CNT)、石墨烯、纳米银线等材料作为柔性电极,以及对柔性电极表面进行微结构化等方法,可以有效提高传感器的灵敏度8-11。碳纳米管具有低成本、高导热、高导电性、高纵横比、独特的光学和热性能等优点,适用于电子、生物医学和工业等行业12-13。基于CNT特殊的电学性能,RAMALINGAME 等人14开发出一种基于CNT聚合物复合材料的高柔性压阻传感器矩阵,其中的压力负载可以通过电阻的形式输出,灵敏度较高并且滞后性低,可用于
10、动态压力监测。由此可以看出CNT在传感器市场有着很大的应用潜力15。收稿日期:2023-10-16;修回日期:2023-12-28基金项目:2023年浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)(2023R465032)。作者简介:叶苏娴(2001),女,本科,课题方向为柔性传感纺织品。通信作者:王建(1989),男,讲师,博士。E-mail:。52碳纳米管修饰3D纤维网基压力传感器的制备及性能印染(2024 No.1)为使可穿戴设备具有使用舒适性,柔性可穿戴压力传感器需要具备灵活、舒适、轻便、透气、可水洗等特点,同时也应能够与衣服结合或者直接贴合在身体上。然而,传统的压力传感器大多采用弹性基
11、板制作,这使得其大面积应用存在着不利于皮肤呼吸的问题。3D纤维网具有许多优异的特性,比如比表面积大、孔隙率高以及易改性等,使其成为制备柔性传感器的理想材料。此外,该材料还具有良好的可塑性和可加工性,可以通过简单的加工手段进行功能改性,以满足不同应用需求。本研究以3D纤维网为基材、CNT为导电材料,制备出3D纤维网结构的压阻式压力传感器;通过对3D纤维网进行表面亲水化处理,调控不同的CNT浸渍时间,构建出不同CNT涂层的3D纤维网压阻式柔性压力传感器;通过表征和测试传感器的形貌结构和力学传感性能,对传感器的灵敏度、循环稳定性、压力检测范围及其在人体表面的应用进行了研究。1试验部分1.1主要材料与
12、仪器材料3D纤维网海绵(尼龙/涤纶纤维,3M中国有限公司),羧基化多壁碳纳米管(CNT,江苏先丰纳米材料科技有限公司),NaOH(上海阿拉丁生化科技股份有限公司),去离子水(实验室自制),十二烷基苯磺酸钠(上海泰坦科技股份有限公司)仪器SU3800 型电子显微镜(日本日立有限公司),F-020SD型超声波清洗机(深圳福洋科技集团有限公司),DM6500型系列数字万用表(美国Keithley仪器有限公司),DHG-9070型鼓风干燥箱(上海恒一科学仪器有限公司),SC-50型电子测力计(深圳深测仪器有限公司)1.2CNT水溶液的配制取适量十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中,加入0.45 g CNT粉
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