纺织基柔性传感器的研究与应用概述.pdf

纺织基柔性传感器的研究与应用概述杨杨1，武松梅2*（1.安徽省产品质量监督检验研究院，安徽 合肥 230051；2.安徽职业技术学院现代服装学院，安徽 合肥 230011）摘要：电子技术、人工智能等领域高速发展以及新型材料不断涌现，极大地促进了可穿戴电子产品的兴盛发展。柔性传感器是可穿戴电子产品的核心部分。纺织材料具有形变能力、可穿戴性、透气性等优点，是柔性传感器的优异载体形式之一。文章重点从纺织材料的维度介绍了纺织基柔性传感器的特点，以及赋予纺织材料导电性能的方法；阐述了柔性传感器在医疗健康、人体运动方面的应用；提出了纺织基柔性传感器面临的挑战并对其未来的发展进行了展望。关键词：纺织材料；柔性传感器；导电性；智能纺织品中图分类号：TS 102.52文献标志码：A文章编号：1671-1602（2023）17-0030-03Research and Application of Textile-based Flexible SensorsYANG Yang1,WU Songmei2*(1.Anhui product quality supervision and inspection Institute,Hefei 230051,China;2.Department of Modern garment,Anhui Vocational and Technical College,Hefei 230011,China)Abstract:The rapid development of electronic technology,artificial intelligence and other fields,as well as the continuousemergence of new materials,have greatly promoted the prosperous development of wearable electronic products.Flexible sensorsare the core part of wearable electronics.Textile material has the advantages of deformability,wearability,air permeability and soon.It is one of the excellent carriers of flexible sensors.From the dimension of textile materials,this paper introduces thecharacteristics of flexible sensors based on textile materials and the method of endowing textile materials with conductiveproperties,expounds the application of flexible sensors in medical health and human movement.The challenges faced by thetextile-based flexible sensor are presented and its future development is forecasted.Keywords:textile materials;flexible sensor;electrical conductivity;intelligent textile基金项目：2021 年安徽省教育厅省级质量工程“纺织品设计教学团队”（2021jxtd155）；2022 年度安徽省高校科研项目(重大)“徽州服饰文化数字化保护与传承”（2022AH040274）；2018 年大规模在线开放课程（MOOC）示范项目“现代纺纱技术”（皖教秘科 2019 31 号，2018mooc007）第一作者简介：杨杨（1986.07），女，汉族，安徽合肥人，助理工程师，研究方向为纺织品测试及标准，。*通信联系人：武松梅（1979.09），女，汉族，安徽滁州人，副教授，硕士，研究方向为纺织材料功能性研究，。0 引言近年来，人工智能、电子技术等领域高科技的发展，促进了柔性可穿戴电子产品的应运而生。柔性可穿戴电子产品广泛地应用在医疗健康、运动等领域。可穿戴电子产品能够感知来自外界的各种刺激（如力、变形、温度、湿度等），然后将其转换为电信号，实现这一过程需要传感器来执行。传统的传感器材料多是硬质材料，如金属、半导体，其缺点是体积大、柔韧性差，与人体不贴合，不能有效检测信号，灵敏度低，限制了其应用。柔性传感器与硬质传感器不同，与皮肤贴合度高，能高效捕捉信号，传感性能优异。因此，制备柔性传感器需要选择恰当的柔性基材。纺织材料具有形变能力、可穿戴性、透气性等优点，加上现有纺织加工技术非常发达，使纺织材料成为柔性传感器的优异载体形式之一。因此，与纺织材料结合制备柔性传感器成为研究的热点1。目前，关于可穿戴电子产品的柔性传感器，多从传感机制、传感材料种类、制备方法角度进行介绍。文章重点从纺织材料的维度，介绍了纺织基柔性传感器的特点和赋予纺织材料导电性能的方法以及不同维度的纺织基柔性传感器的性能特点，为大规模生产具有理想性能的纺织基柔性传感器提供指导。1 传感器的分类传感器可将外部刺激转化为模拟电子有效信号输出。根据转换机制的原理不同，柔性传感器一般分为三大类，分别为电阻MATERIALS AND APPLICATION30-式、电容式和压电式。电阻式传感器采用电学间接地测试外力变化大小，快捷方便，应用广泛。电容式传感器灵敏度高，可监测细微的外力。压电式传感器有着响应快、对动态外力刺激高敏感、自供电等方面的优点。2 纺织基柔性传感器的要求通过传感器的转换机理分析，可知当测试体受到外力后，局部变形转换成直接可测量的电信号。柔性基材既是承受外界刺激的受体，又是对外界刺激感知的载体，它的选取对柔性传感器的传感性能有至关重要的作用。选择与皮肤的贴合性良好的纺织材料，需要纺织材料具有导电性及变形回复能力，当纺织材料受到外力作用时产生形变，从而有效地检测和感知应变、触觉和压力的变化，并将它们转换成电信号。因此，导电性是纺织基传感器获得优异性能的必要前提条件。先进的纺织技术制造了各种类型的纤维、纱线以及织物等。从纺织基材的角度，可穿戴柔性传感器可以分为一维线性柔性传感器和二维平面柔性传感器。3 一维线性柔性传感器一维线性柔性传感器包括长丝纤维、纱线、绳索，它们细而长，可以被弯曲、扭转，具有一定的可实现变形能力、灵活的外观设计，易于嵌入，制备的柔性传感器结构简单，应用更加普及。3.1 天然导电纤维天然导电纤维包括金属纤维和碳纤维。常规的不锈钢纤维、铜纤维、铝纤维、钛纤维等是通过对金属进行直接拉丝制造而成的。这些纤维具有很多优点，如导电性极好、强度高、防辐射、耐腐蚀等，但很难纺纱，因为纤维刚度大，纤维间的联系力很弱；同时，可穿戴性差，易刺伤人体皮肤2，所以金属纤维在柔性传感器中应用受到很大限制。碳纤维（CF）的导电率与金属纤维接近，适合用于高温、高机械性能、刚性大的条件下，不适合用于常规服用产品的柔性传感器。Wang3先把氧化锌（ZnO）薄膜包覆在碳纤维（CF）表面，然后制成应变传感器，当受外力作用时，ZnO 和 CF 接触面积发生变化，从而引起电流发生变化。3.2 纺丝法制备导电传感材料一般纺丝方法有两种，一是直接将导电材料进行纺丝；另一种是将一定量的导电物质添加或填充到高分子材料中，制得导电纤维。后一种方法更为常用。导电物质有导电高分子材料以及纳米导电材料，如聚吡咯（PPy）、石墨烯、碳纳米管、炭黑（CB）、MXene 等，其中，纳米导电材料是近些年来研究的焦点。它们拥有优异的柔韧性、机械强度和导电性，具有低维性和大比表面积，在传感器领域中有着很大的应用潜力。Tao 等人4研发了一种具有多孔的石墨烯（GPE）纤维长丝，由其制备一种可以识别脉搏跳动和眼球转动的柔性传感器，测试者佩戴感觉舒适性很好。Cheng 等人5将石墨烯与其他纳米材料进行复合成纤维，制备成应变传感器，两种纳米材料的协同作用增强了传感器的性能。经测试，该应变传感器拉伸变形表现出极高灵敏度，信号响应快速，重现性高。3.3 碳化法制备导电传感材料碳化指的是在隔绝氧气的环境下材料被加热至高温，从而成为碳材料。纤维、纱线、织物都可以是碳化材料。碳化处理的材料由原来的不导电变为可导电。此方法工艺过程简单、环保。Zhang 等6利用碳化方法处理棉纤维制备应变传感器。因为棉纤维易获取，所以制备传感器成本低，经过测试，该传感器可以在较广的变形范围中应用，灵敏度高，可检测微小应变。Wang 等7对蚕丝进行碳化，碳化过程简便，然后将碳化后的蚕丝纤维加工成织物，制造可穿戴的传感器，该应变传感器响应快，性能稳定，耐久性好，能够对人体的细微活动进行检测。3.4 包缠法制备导电传感材料导电包缠纱线常以弹性纤维为芯纱，外包导电纤维，这样纱线具有两种纤维的性能。利用芯纱的优异弹性，可实现在拉伸条件下传感器的传感性能稳定。相对来说，此工艺简单、易操作。很多研究者采用包缠纱制备柔性传感器。Ge 等人8以橡胶纤维为芯层，外包层为螺旋状的银纳米线制备了皮芯型的导电纱线。在反复拉伸测试中，表现出优良的传感性能。3.5 后处理法制备导电传感材料研究者将金属粉末、其他导电性材料通过物理或化学方法沉积在纤维多孔质表面制备具有导电性的纤维。常见的制备方法有喷涂法、浸渍法等，这类纱线传感器的制备过程比较简单。Wei9等在预拉伸的聚氨酯纤维表面涂覆银纳米线油墨，从而在纤维的表面形成褶皱的微观结构形态，利用该纤维制造成柔性压电传感器。该传感器因褶皱的纤维表面，灵敏度得到显著提高，适合制备可穿戴设备和智能织物。3.6 编织法制备导电传感材料编织是利用细而长的纱线进行相互交错或钩串，形成条状或者块状纺织品。研究者将纱线编织成一体成型结构的绳索，经过结构设计沿着圆周方向上的纱线交叉点可以导电，使导电点增多，即便高形变下其传感性能也很稳定。Zhang 等10采用单编链方法制作绳索柔性传感器，相互串套的线圈，增加了纱线间的接触点，增加导电通路而呈网格状，传感性能得以提高。Quan 等11在高弹的氨纶纱表面编织涤纶复丝形成绳索，然后对绳索进行导电处理，制备成柔性应变传感器。4 二维平面织物类柔性传感器织物传感器具有柔韧性、反复拉伸变形能力，可与皮肤大面积接触，因此，具有导电能力的织物在柔性传感器领域应用有广Vol.45/No.17/Westleather31-阔的前景。4.1 织造法制备导电传感材料将导电纤维或导电纱线等通过机织、针织、刺绣等方法织入或嵌入织物中，使其具有良好的导电性。Yan 等12利用碳化的聚丙烯腈纳米纤维纱（CPNY）制成纬编针织物应变传感器，传感器的传感性能优异、灵敏度高、稳定性好。4.2 负载处理法制备导电传感材料涂层、浸渍、印刷等方式复合到织物的表面制备导电织物。织物导电负载的一些方法也适用于处理纱线。该类织物的导电材料因在织物的外表面，能更灵敏地检测外界压力的变化。4.2.1 涂层法制备导电传感材料涂层法是将导电传感材料通过物理或化学方法与纺织品进行结合，在纺织品表面形成一层导电膜。涂层方法适用于大多数织物，操作简便，适合大批量生产，成本低。Muthukumar 等13将聚苯胺涂在尼龙/莱卡织物表面，制备检测肘部、膝盖处弯曲运动的电阻传感器。4.2.2 浸渍法制备导电传感材料浸渍法不需要复杂的设备，简便易行，但在织物表面为了获得足够多的负载量，一般需要多次浸渍-干燥的过程，比较耗费时间，导电层的均匀性不易掌控。Zhang14等对聚酯织物用等离子技术预处理后，放入氧化石墨烯（GO）分散溶液中浸渍，再进行还原处理，建立了多层导电通路，制备检测关节部位的活动、呼吸、声带等变化。4.2.3 喷涂法制备导电传感材料喷涂法设备及操作均较简单，涂层较均匀、高效，但是喷涂液体耗费量大，易分散在空气中，造成环境污染。Huang15等制备了灵敏高的应变织物传感器，通过自旋涂覆方式将石墨烯纳米片（GNPs）、聚苯胺（PANI）和少量硅橡胶与莱卡弹性织物结合，该织物传感器可检测手指的弯曲度。4.2.4 化学聚合法制备导电传感材料化学聚合法包括气相沉积、原位聚合等，只需要一步即可在织物表面涂敷导电材料。气相聚合法涂层均匀性好，但设备复杂，此法制备导电传感材料工艺过程复杂，难以实现规模化生产。原位聚合法简单、高效，但涂层均匀性不易控制。4.2.5 印刷法制备导电传感材料印刷是将不同形状、大小的导电线路或图案直接印刷在织物上，具有高效、成本低廉、制造过程简单、适应性好的优势。但是适合印刷用的墨水种类选择较少。5 结语随着生活水平日渐提高，科技高速地发展，智能纺织品在数字化医疗、运动领域等展现出巨大的潜力。但纺织基柔性传感器仍面临着一些挑战。柔性传感器能源供给及能量消耗，纺织基传感器能否进行标准化生产，智能纺织品耐水洗性能的研究，柔性传感器与纺织品结合的安全性能等，是柔性传感器未来值得研究的方向。参考文献：1Naoto F,Tadaaki K,Takashi M,et al.Successful simultaneous repair oftraumatic aortic 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