CN108896199A - 一种可拉伸的纱线传感器及其制备方法 - Google Patents

一种可拉伸的纱线传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可拉伸的纱线传感器及其制备方法，涉及柔性传感器技术领域。该传感器包括弹性纱线和按照“S”型螺旋缠绕在所述弹性纱线表面的电极纱线。电极纱线包括敏感纤维、与敏感纤维两端相连接的电极线和包覆在敏感纤维和电极线表面的封装层。敏感纤维包括基体纤维以及涂覆在基体纤维表面的温敏材料或湿敏材料。纱线传感器以电极线为电极，以封装层为介电材料，通过敏感纤维电阻的变化来监测温度或湿度变化。本发明还提供了纱线传感器的制备方法。制备成的纱线传感器，稳定性好，灵敏度高，且所有结构均为柔性材料，轻薄可贴附，能舒适地贴合在人体皮肤表面，实现长期、实时监测的目的。

Description

一种可拉伸的纱线传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性传感器技术领域，特别涉及一种可拉伸的纱线传感器及其制备方法。
背景技术
目前，市面上采用的温度、湿度传感器为水银温度计、电子体温计或者红外温度计，这些温度计均属于刚性材料，且体积较大。目前大部分热电阻式温度传感器采用温敏材料制作，以金属材料作为传感层，最常用的有铂电阻和铜电阻，但是这些传感器采用非柔性材料制成，不具有生物兼容性。而柔性传感器，也都是在不能拉伸的柔性基底上，不能拉伸。
而且现阶段，可应用于纺织品的温度传感器的制备主要是依赖于将硬质温度传感器嵌入至纺织品中。例如，专利CN104264315B公开了一种体温传感器织物的织造方法，将刚性的温度传感器嵌入在两块纺织面料当中，但所制备的温度传感器不具有贴合人体皮肤的柔性。专利CN106932119A公开了一种印刷式织物基柔性温度传感器，在纺织品上直接印刷温敏性的材料，得到能感应温度变化的织物传感器，但是这种方法得到的温度传感器需要额外的电极层材料，且得到的传感器灵敏度较低。因此，需要开发可拉伸的传感器，在运动或外力作用下，仍能正常工作，且与人体体表的相容性好，实时检测人体在各种运动状况下的健康信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可拉伸的纱线传感器，此纱线传感器结构简单，柔韧性好，稳定性和灵敏度高，在拉伸变形的情况下，仍可正常工作。
本发明的另一目的在于提供一种可拉伸的纱线传感器的制备方法，制备材料易得，各项参数易于控制。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种可拉伸的纱线传感器，包括弹性纱线和按照“S”型螺旋缠绕在所述弹性纱线表面的电极纱线；所述电极纱线包括敏感纤维、与所述敏感纤维两端相连接的电极线和包覆在所述敏感纤维和所述电极线表面的封装层；所述敏感纤维包括基体纤维以及涂覆在所述基体纤维表面的温敏材料或湿敏材料；所述纱线传感器以所述电极线为电极，以所述封装层为介电材料，通过所述敏感纤维电阻的变化来监测温度或湿度变化。
本发明还提出一种可拉伸的纱线传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1，将所述温敏材料或湿敏材料涂覆在所述基体纤维表面，制得所述敏感纤维；
S2，将所述敏感纤维的两端均与所述电极线连接后，将所述介电材料涂覆到所述敏感纤维和所述电极线表面，形成所述电极纱线；
S3，将所述电极纱线缠绕在所述弹性纱线表面，得到可拉伸的所述纱线传感器。
本发明实施例的可拉伸的纱线传感器及其制备方法的有益效果是：
本发明实施例提供的可拉伸的纱线传感器采用来源广泛、价格低廉的纺织材料作为柔性基底，与温敏材料或湿敏材料相结合，采用柔性封装层材料作为保护层。制备成的纱线传感器，稳定性好，灵敏度高，且所有结构均为柔性材料，轻薄可贴附，能舒适地贴合在人体皮肤表面，实现长期、实时监测的目的。
此外，该纱线传感器原料低廉、工艺简单、操作方便、各项参数容易控制，且含有温敏材料或湿敏材料的电极纱线在弹性纱表面缠绕之后，可以在拉伸弯曲变形的情况下，电阻信号不会产生变化，传感器仍能稳定工作，只有温度湿度变化时，电阻信号才会发生改变。以此为基础，该纱线传感器可作为织物的单根纱线单元，该温度传感器也可轻易编织入纺织品中，作为智能内衣的原材料。也可广泛应用于生物医学和可穿戴电子设备等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的可拉伸的纱线传感器的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的可拉伸的纱线传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供电极纱线缠绕弹性纱线的结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的纱线传感器的电阻随温度的变化曲线；
图5为本发明实施例1提供的纱线传感器在拉伸过程中的电阻变化曲线。
图标：1-弹性纱线；2-电极纱线；21-基体纤维；22-敏感层；23-封装层；3-电动搅拌器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种可拉伸的纱线传感器及其制备方法进行具体说明。
如图2所示，本发明实施例提供的一种可拉伸的纱线传感器，包括弹性纱线1和按照“S”型螺旋缠绕在所述弹性纱线1表面的电极纱线2；所述电极纱线2包括敏感纤维、与所述敏感纤维两端相连接的电极线和包覆在所述敏感纤维和所述电极线表面的封装层23。所述敏感纤维包括基体纤维21以及涂覆在所述基体纤维21表面的温敏材料或湿敏材料，温敏材料或湿敏材料在基体纤维21表面形成一层敏感层22。所述纱线传感器以所述电极线为电极，以所述封装层23为介电材料，通过所述敏感纤维电阻的变化来监测温度或湿度变化。
进一步地，所述纱线传感器的最大伸长长度为所述纱线传感器长度的两倍，直径为5nm～2mm。具有上述结构的纱线传感器，通过敏感纤维电阻信号发生变化来感应温度、湿度变化，灵敏度高。而且上述纱线传感器可拉伸，该传感器在拉伸弯曲变形的情况下，电阻信号不会改变，不会妨碍纱线传感器的正常工作。而且，该纱线传感器直径小，柔韧性好，可作为织物的单根纱线单元，将该传感器轻易编织入纺织品中，可作为智能内衣的原材料。
本发明实施例还提供一种可拉伸的纱线传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1，将所述温敏材料或湿敏材料涂覆在所述基体纤维21表面，制得所述敏感纤维。
进一步地，温敏材料选自石墨烯、碳纳米管、石墨粉、金属纳米线、金属纳米粒子、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐和导电聚合物中的一种或多种。其中，所述导电聚合物选自PEDOT:PSS、聚苯胺和聚吡咯中的至少一种。上述材料均是良好的温敏材料，也是良好的导电材料，能在感应温度的变化的同时，温敏材料的电阻也会产生相应的变化。
进一步地，所述湿敏材料为高分子聚合物与导电材料的复合材料，或为金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻和陶瓷湿敏电阻中的一种。其中，所述高分子聚合物选自聚酰亚胺、聚苯乙烯和醋酸纤维素中的至少一种。所述导电材料选自炭黑、石墨烯、金属纳米粒子和金属纳米线中的一种或多种。湿敏材料的选择主要由两点，一是能灵敏地感应到湿度变化而电阻产生变化，二是能导电。故在选用不能导电的高分子聚合物作为原材料的同时，需要与导电材料一起进行混合制成湿敏材料。
进一步地，所述基体纤维21为人造纤维或天然纤维。优选地，在本发明的较佳实施例中，基体纤维21优选为蚕丝纤维或棉纤维。蚕丝纤维柔软有弹性，拉伸力强，耐热性好，不易断裂。棉纤维来源广泛、价格低廉，拉伸能力好。
进一步地，可依据温敏材料与湿敏材料的性质，通过浸渍涂布、滴涂、提拉或旋涂的方式将温敏材料或湿敏材料涂覆在基体纤维21表面，形成一层敏感层22。
S2，将所述敏感纤维的两端均与所述电极线连接后，将所述介电材料涂覆到所述敏感纤维和所述电极线表面，形成所述电极纱线2。
进一步地，所述电极线为金属导电线，例如金、银或铜制成的导电线，这种导电线材料易于取得。电极线还可以是可涂覆的导电材料，导电材料选自金属纳米粒子、金属纳米线、碳材料、导电高分子材料中的一种。金属纳米粒子和金属纳米线的材质可选自金、银和铂。碳材料选自无定型碳、石墨、碳纳米管和石墨烯中的一种。导电高分子材料选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺衍生物、聚噻吩衍生物和聚吡咯衍生物的中的一种或多种。
优选地，在本发明的较佳实施例中，银纳米线既可以作为温敏材料，还可以作为电极线，可以省去电极线的连接步骤，节约成本与制备时间。
进一步地，与所述敏感纤维每端均与所述电极线具有5～15mm的重合区域，以确保电极的稳定性。
进一步地，所述介电材料选自聚合物材料和生物蛋白质材料中的至少一种。将介电材料涂覆在敏感纤维和电极线表面，形成一层封装层23。封装层23具有高弹性，生物相容性好的优点。
进一步地，所述聚合物材料选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯及聚二甲基硅氧烷衍生物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯衍生物、聚氨酯衍生物、聚酰亚胺衍生物、聚氯乙烯衍生物和聚对苯二甲酸乙二醇酯衍生物中的一种。在本发明较佳实施例中，选用PDMS作为介电材料。PDMS作为一种高分子有机硅化合物，惰性，无毒，不易燃，透光性良好、生物相容性佳，且具有高弹性，是一种绝佳的绝缘封装材料。
进一步地，所述生物蛋白质材料选自蚕丝蛋白、羊毛角蛋白、牛血清蛋白、改性蚕丝蛋白、改性羊毛角蛋白和改性牛血清蛋白中的一种。在本发明的较佳实施例中，优选蚕丝蛋白作为生物蛋白质材料。蚕丝蛋白是一种天然的生物蛋白质，具有良好的生物相容性、生物降解性和光学性能。蚕丝蛋白为柔性衬底，具有对皮肤刺激性小，柔软性好、价格便宜等优点，使得制备成的纱线传感器也可广泛应用于生物医学和可穿戴电子设备等领域。
进一步地，介电材料需要多次涂覆与轧干。涂覆过程是将介电材料装备到敏感纤维和电极线表面，轧干过程是为了除去敏感纤维上多余的介电材料，使介电材料涂覆均匀。最后形成的封装层23厚度为0.2～0.5mm。
S3，将所述电极纱线2缠绕在所述弹性纱线1表面，得到可拉伸的所述纱线传感器。
进一步地，所述弹性纱线1为具有优异弹性及回弹性的聚合材料。在本发明较佳实施例中，弹性纱线1优选为氨纶纱线。氨纶纱线具有高断裂伸长和高弹性回复率，在外力作用下产生可恢复的弹性形变。一般选取8～15cm的氨纶纱线作为弹性纱线1。
更进一步地，氨纶纱线需要进行前处理，除去氨纶纱线的杂物，让其更具备高弹性。氨纶纱线前处理步骤包括：将6g氢氧化钠加入100ml乙醇和300ml的混合溶液中，取市售氨纶纱线浸泡在配置好的混合溶液中，在45℃条件下浸泡1h，再用去离子水清洗3遍，之后在60℃条件下烘干。
进一步地，如图3所示，所述电极纱线2缠绕在所述弹性纱线1表面的步骤包括：
S31，将所述弹性纱线1的两端固定在两个电动搅拌器3的转杆上，所述电极纱线2一端与所述弹性纱线1的一端一起固定。
S32，开启所述电动搅拌器3开关，将转速控制在250～350r/min，所述电极纱线2以3～8s/cm的速度沿所述转杆轴向方向移动缠绕所述弹性纱线1表面。
进一步地，在本发明较佳实施例中，转速控制在300r/min，电极纱线2以5s/cm的速度沿所述转杆轴向方向移动缠绕所述弹性纱线1表面。如图3所示，两电动搅拌器3朝同一方向转动，适当的转速保证弹性纱线1在转动过程中不易断裂，以适当的移动速度前进，使电极纱线2均匀缠绕在弹性纱线1表面，不重叠，减少缠绕时间。
S33，使用透明防水胶固定所述电极纱线2和所述弹性纱线1的两端，得到所述纱线传感器。
进一步地，缠绕完毕后，关闭电动搅拌器3，在端点处用透明防水胶固定封装的电极纱线2与弹性纱线1，并且剪去多余的弹性纱线1，得到可拉伸的纱线传感器。
按照上述方法制备的可拉伸的纱线传感器，灵敏度和稳定度高，可将其应用在可穿戴系统，功能性服装，医疗健康监测，环境温湿度度监测，柔性电子皮肤，机器人传感系统，航天航空技术等领域。将可拉伸的纱线传感器应用于医疗健康监测，可以监测人体表皮温度变化，湿度变化，出汗量统计，呼吸量湿度检测等等。功能性服装的纱线传感器的应用包括运动功能服装、功能发带、护腕、鞋垫，以及拉链，配饰等。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的一种可拉伸的纱线温度传感器，按照以下步骤制成：
(1)氨纶纱线前处理：氨纶纱线前处理：将6g氢氧化钠加入100ml乙醇和300ml的混合溶液中，将市售氨纶纱线在45℃条件下浸泡在混合溶液中1h，再用去离子水清洗3遍，在60℃条件下烘干。
(2)棉纤维前处理及亲水性处理：将市售棉纤维用去离子水清洗3遍，在等离子体空气条件下处理10min。
(3)温敏材料的配置：取1ml 1-乙基-3甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，加入0.765mL单臂碳纳米管溶液，超声搅拌10min，之后旋转搅拌，配置成温敏材料溶液。
(4)温敏材料的涂覆：将等离子体处理的棉纤维浸泡在配置好的温敏材料10min，取出放在60℃条件下烘干30min，得到敏感纤维。
(5)电极线的制备：将银纳米线溶液浇筑在敏感纤维的两端。
(6)封装：选用双组份的PDMS作为介电材料。双组份的PDMS包括PDMS预聚物与PDMS交联剂。将PDMS预聚物与PDMS交联剂按10:1的体积混合之后，浸轧3次，而后自然干燥得到电极纱线。
(7)将经前处理过的氨纶纱线固定在两个电动搅拌器的转杆上，电极纱线一端与氨纶纱线的一端一起固定。开启所述电动搅拌器开关，将转速控制在300r/min，电极纱线以5s/cm的速度沿转杆轴向方向移动缠绕氨纶纱线。在端点处使用透明防水胶固定电极纱线和氨纶纱线，得到长度为5cm左右的可拉伸的纱线温度传感器。
实施例2
本实施例提供的一种可拉伸的纱线温度传感器，与实施例1的区别之处在于：
步骤(3)温敏材料的配置：采用改进的Hummers法制备10mg/ml的氧化石墨烯溶液。
步骤(4)温敏材料的涂覆：将等离子体处理的棉纤维浸泡在配置好的温敏材料10min，取出放在60℃条件下烘干30min，而后利用水合肼蒸汽将棉纤维表面的氧化石墨烯还原成石墨烯，得到敏感纤维。
实施例3
本实施例提供的一种可拉伸的纱线温度传感器，与实施例1的区别之处在于：步骤(3)温敏材料的配置，并且省去步骤(4)电极线的制备。
本实施例的温敏材料采用的是银纳米线溶液。银纳米线的制备方法，包括以下步骤：
1)在三颈烧瓶加入2.9g聚乙烯吡咯烷酮粉末和100ml丙三醇，在100℃油浴条件下持续搅拌12h，机械搅拌转速为200r/min，均匀混合后等待其冷却至室温，得到第一混合液。
2)将0.79g硝酸银溶解在4.65ml乙二醇溶液中，完全溶解后逐滴加入上述第一混合液中，在180℃油浴条件下反应3.5h，反应结束后冷却至室温，得到银纳米线溶液。
3)将银纳米线溶液滴涂在棉纤维表面。
实施例4
本实施例提供的一种可拉伸的纱线湿度传感器，与实施例1的区别之处在于在基体纤维上涂覆的是湿敏材料。
步骤(3)湿敏材料的配置:将醋酸纤维素与石墨烯分散液等体积均匀混合得到混合溶液。
步骤(4)湿敏材料的涂覆：棉纤维浸渍在混合溶液后轧干，重复3次，在60℃条件下烘干20min，浸轧步骤和烘干步骤重复3次，制得敏感纤维。
步骤(5)电极线制备：选用金属导电线作为电极包缠在敏感纤维两端。
试验例1
对实施例1的纱线温度传感器的灵敏度进行测试。在30至60℃条件下，采用Keithley 2450对纱线传感器两端的电阻进行测量。结果图4所示。
图4展示了实施案例1中温度传感器在温度30～60℃范围内的电阻变化趋势。从结果中可以看出，随着温度的增加，实施例1提供的纱线温度传感器的电阻逐渐减小，整个电阻变化曲线接近线型，线性度好，从而反映了实施案例1提供的纱线温度传感器灵敏度高。
试验例2
对实施例1的纱线温度传感器的进行拉伸试验。对实施例1的纱线温度传感器进行拉伸，拉伸长度为纱线温度传感器长度的0～100％，而后采用Keithley 2450对纱线传感器两端的电阻进行测量。结果图5所示。
图5展示了实施案例1中温度传感器在拉伸过程中的电阻变化曲线。从结果中可以看出，随着拉伸量的增加，实施例1提供的纱线温度传感器的电阻几乎保持不变，整个电阻变化曲线接近一条水平的直线。在拉伸长度为纱线温度传感器长度的0～100％范围内时，电阻变化率只有2.33％。进一步证明了实施例1提供的纱线传感器可以在拉伸弯曲变形的情况下，电阻信号不会产生变化，传感器仍能稳定工作，只有温度变化时，电阻信号才会发生改变。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种可拉伸的纱线传感器，其特征在于，包括弹性纱线和按照“S”型螺旋缠绕在所述弹性纱线表面的电极纱线；所述电极纱线包括敏感纤维、与所述敏感纤维两端相连接的电极线和包覆在所述敏感纤维和所述电极线表面的封装层；所述敏感纤维包括基体纤维以及涂覆在所述基体纤维表面的温敏材料或湿敏材料；所述纱线传感器以所述电极线为电极，以所述封装层为介电材料，通过所述敏感纤维电阻的变化来监测温度或湿度变化。
2.根据权利要求1所述的可拉伸的纱线传感器，其特征在于，所述纱线传感器的最大伸长长度为所述纱线传感器长度的两倍，直径为5nm～2mm。
3.一种如权利要求1～2任意一项所述的可拉伸的纱线传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将所述温敏材料或湿敏材料涂覆在所述基体纤维表面，制得所述敏感纤维；
S2，将所述敏感纤维的两端均与所述电极线连接后，将所述介电材料涂覆到所述敏感纤维和所述电极线表面，形成所述电极纱线；
S3，将所述电极纱线缠绕在所述弹性纱线表面，得到可拉伸的所述纱线传感器。
4.根据权利要求3所述的可拉伸的纱线传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述温敏材料选自石墨烯、碳纳米管、石墨粉、金属纳米线、金属纳米粒子、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐和导电聚合物中的一种或多种；其中，所述导电聚合物选自PEDOT:PSS、聚苯胺和聚吡咯中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的可拉伸的纱线传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述湿敏材料为高分子聚合物与导电材料的复合材料，或为金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻和陶瓷湿敏电阻中的一种；其中，所述高分子聚合物选自聚酰亚胺、聚苯乙烯和醋酸纤维素中的至少一种；所述导电材料选自炭黑、石墨烯、金属纳米粒子和金属纳米线中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的可拉伸的纱线传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，与所述敏感纤维每端均与所述电极线具有5～15mm的重合区域。
7.根据权利要求3所述的可拉伸的纱线传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述电极线为金属导电线，或为可涂覆的导电材料制成；其中，所述金属导电线的材质为金、银或铜；所述导电材料选自金属纳米粒子、金属纳米线、碳材料、导电高分子材料中的一种；所述碳材料选自无定型碳、石墨、碳纳米管和石墨烯中的一种；所述导电高分子材料选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺衍生物、聚噻吩衍生物和聚吡咯衍生物的中的一种或多种。
8.根据权利要求3所述的可拉伸的纱线传感器的制备方法，其特征在于在，步骤S2中，所述介电材料选自聚合物材料和生物蛋白质材料中的至少一种；所述聚合物材料选自聚二甲基硅氧烷、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯及聚二甲基硅氧烷衍生物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯衍生物、聚氨酯衍生物、聚酰亚胺衍生物、聚氯乙烯衍生物和聚对苯二甲酸乙二醇酯衍生物中的一种；所述生物蛋白质材料选自蚕丝蛋白、羊毛角蛋白、牛血清蛋白、改性蚕丝蛋白、改性羊毛角蛋白和改性牛血清蛋白中的一种。
9.根据权利要求3所述的可拉伸的纱线传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述弹性纱线为具有弹性及回弹性的聚合物材料。
10.根据权利要求3所述的可拉伸的纱线传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述电极纱线缠绕在所述弹性纱线表面的步骤包括：
S31，将所述弹性纱线的两端固定在两个电动搅拌器的转杆上，所述电极纱线一端与所述弹性纱线的一端一起固定；
S32，开启所述电动搅拌器开关，将转速控制在250～350r/min，所述电极纱线以3～8s/cm的速度沿所述转杆轴向方向移动缠绕所述弹性纱线表面；
S33，使用透明防水胶固定所述电极纱线和所述弹性纱线的两端，得到所述纱线传感器。
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