CN111000566B - 具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的可穿戴柔性传感器是一种以腈纶氨纶交织织物为基材的新型可穿戴传感器，用特定原料对基材表面进行处理之后，分别先后浸泡在碳纳米管水溶液和硝酸银的水溶液中，并将银离子还原成银单质，腈纶氨纶交织基材表现出优异的导电性能，可以用来监测人体的宏观（手指关节、手腕关节、肘关节和膝关节）和微观运动（面部肌肉、喉咙振动和眼球转动），并且由于本传感器的基材为普通的经纬交织机织物，完全可以将其组装在人们日常穿着的服饰上，实现人体日常生活活动的实时监测，同时由于传感器基材表面附着有大量的碳纳米管和银微粒，在受到光照之后会发生光热效应，以及具备抗菌功能。

Description

具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器
技术领域
本发明涉及一种柔性可穿戴传感器，具体涉及一种具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器。
背景技术
随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们对自己生活质量和健康越来越关注，希望可以随时监测和查看自身的健康状况，并且可以将监测数据随时传送至移动设备以及指导医生，以便于及时对自身健康状况作出判断、指导，并提出合理性建议。可穿戴柔性传感器是目前引起研究人员广泛关注的一个新兴领域，其具有灵活性、可扩展性、便携性和可穿戴性等优点，具有巨大的开发和应用潜力。
现有技术中的可穿戴柔性传感器存在尺寸大、拉伸范围小、拉伸效果差、输出能力低等缺陷，无法更好的应用在柔性穿戴设备中，特别是在对尺寸、拉伸性能要求较高的日常穿着的服饰上，以及对输出能力、灵敏度要求较高的医学传感系统领域；可穿戴柔性传感器常用于实时监测人体的宏观(手指关节、手腕关节、肘关节和膝关节)运动，现有的可穿戴柔性传感器对关节处无辅助保护、治疗作用，功能较为单一；同时由于可穿戴设备的特殊使用性，使得可穿戴柔性传感器经常处于易滋生细菌的环境中，而现有的可穿戴柔性传感器无实质抗菌性能，长时间使用后需要水洗，极易对传感效果产生影响。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器，其包括腈纶氨纶交织织物(ASF)基材，所述的腈纶氨纶交织织物基材经表面处理后形成表面附着有碳纳米管(CNTs)和纳米银微粒(AgNPs)的传感器基材，所述传感器基材经组装后形成可穿戴柔性传感器。
进一步地，所述的腈纶氨纶交织织物基材径向纱线为腈纶纱线，纬向为氨纶纱线。
进一步地，所述的腈纶氨纶交织织物基材径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线。
所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其包括织物基材的织造、传感器基材的制备以及传感器的组装，具体包括以下步骤：
(1)织物基材的织造：采用径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线经织造成为腈纶氨纶交织的织物基材；
(2)传感器基材的制备：
(2.1)织物基材的初步处理，将腈纶氨纶交织织物基材放入装有去离子水的容器中超声处理5-15min，以去除织物基材表面的杂质；
(2.2)将经步骤(2.1)处理后的织物基材进行牛血蛋白溶液浸泡处理，使其表面容易吸附碳纳米管；
(2.3)将经步骤(2.2)处理后的织物基材放入碳纳米管溶液中浸泡处理，使织物基材表面附着碳纳米管；
(2.4)将附着有碳纳米管的织物基材浸泡在硝酸银溶液中，然后向烧杯中滴加一定量的柠檬酸钠溶液来将织物基材表面的银离子还原为纳米银微粒，得到表面同时附着有碳纳米管和纳米银微粒的传感器基材；
(3)传感器的组装：将步骤(2)得到的传感器基材裁减为长条状，在其两端用铜导电胶和铜导线连接，基材的上下两个面用弹性胶带贴附后，达到和人体表面皮肤隔绝的目的，得到可穿戴柔性传感器。
进一步地，步骤(2.2)中所述的牛血蛋白溶液浸泡处理工艺为：将织物基材浸泡在0.5wt％的牛血蛋白溶液中20-40min。
进一步地，步骤(2.3)中所述的碳纳米管溶液浸泡处理工艺为：将织物基材置于0.2wt％的碳纳米管的水分散液中浸泡20-30h，重复5次。
进一步地，步骤(2.4)中所述的硝酸银溶液为0.3-0.5wt％的硝酸银水溶液；所述浸泡在硝酸银溶液中的具体处理工艺为：硝酸银溶液经油浴加热115-125℃，浸泡处理25-35min。
进一步地，步骤(2.4)中所述的柠檬酸钠溶液为体积为硝酸银溶液3-4％的0.1wt％的柠檬酸钠水溶液。
进一步地，所述的长条状长宽为3×1cm的长条。
本发明提供了一种具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器-ASF/CNTs/AgNPs可穿戴柔性传感器，与现有技术相比，本发明所具备的有益效果为：
(1)本发明以经纬交织的机织物为基材，通过牛血蛋白(BSA)对基材进行表面处理，使其达到容易吸附碳纳米管的目的；表面吸附有碳纳米管的基材经过硝酸银的浸泡和还原，使大量银微粒聚集在织物纤维表面，达到高导电性的效果；
(2)本发明织物基材径向纱线为双股腈纶纱线，纬向为氨纶纱线，在将基材进行横向拉伸的时候，传感器基材可以达到100％的拉伸效果，大的拉伸范围为传感器的广泛应用提供保障；
(3)本发明传感器的衡量因子(GF)达到1799，GF和拉伸应变范围是衡量传感器的两个重要指标，ASF/CNTs/AgNPs可穿戴柔性传感器具有优异的电学和传感性能；
(4)本发明传感器用于手指关节、手腕关节、肘关节和膝关节等关节的宏观监测，以及面部肌肉、喉咙振动和眼球转动等微观方面的监测；
(5)本发明传感器在可见光以及红外光等的照射下会发生光热效应，贴附在人体关节处生热，在红外光照射下2分钟可以达到39.6℃；在正午阳光下照射70秒可以达到33℃，对于有关节疾病的人还具有辅助治疗的作用；
(6)本发明传感器由于有银的存在，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的杀菌效果均达到99％的杀伤效果，具有优异的抗菌效果。
附图说明
图1为本发明的传感器基材的表面微观结构图；
图2为本发明传感器的灵敏度曲线图；
图3为本发明传感器在红外光照射下的光热效应图；
图4为本发明传感器基材的抗菌效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：一种具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器，其包括腈纶氨纶交织织物(ASF)基材，所述的腈纶氨纶交织织物基材经表面处理后形成表面附着有碳纳米管(CNTs)和纳米银微粒(AgNPs)的传感器基材，所述传感器基材经组装后形成可穿戴柔性传感器；所述的腈纶氨纶交织织物基材径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线。
所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其包括织物基材的织造、传感器基材的制备以及传感器的组装，具体包括以下步骤：
(1)织物基材的织造：采用径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线经织造成为腈纶氨纶交织的织物基材；
(2)传感器基材的制备：
(2.1)织物基材的初步处理，将腈纶氨纶交织织物基材放入装有去离子水的容器中超声处理10min，以去除织物基材表面的杂质；
(2.2)将经步骤(2.1)处理后的织物基材浸泡在0.5wt％的牛血蛋白溶液中30min，使其表面容易吸附碳纳米管；
(2.3)将经步骤(2.2)处理后的织物基材置于0.2wt％的碳纳米管的水分散液中浸泡24h，重复5次，使织物基材表面附着碳纳米管；
(2.4)将附着有碳纳米管的织物基材浸泡在0.4wt％的硝酸银水溶液中，油浴加热120℃，浸泡处理30min，然后向烧杯中滴加体积为硝酸银溶液3.5％的0.1wt％的柠檬酸钠水溶液将织物基材表面的银离子还原为纳米银微粒，得到表面同时附着有碳纳米管和纳米银微粒的传感器基材；
(3)传感器的组装：将步骤(2)得到的传感器基材裁减为3×1cm的长条，在其两端用铜导电胶和铜导线连接，基材的上下两个面用弹性胶带贴附后，达到和人体表面皮肤隔绝的目的，得到可穿戴柔性传感器。
实施例2：一种具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器，其包括腈纶氨纶交织织物(ASF)基材，所述的腈纶氨纶交织织物基材经表面处理后形成表面附着有碳纳米管(CNTs)和纳米银微粒(AgNPs)的传感器基材，所述传感器基材经组装后形成可穿戴柔性传感器；所述的腈纶氨纶交织织物基材径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线。
所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其包括织物基材的织造、传感器基材的制备以及传感器的组装，具体包括以下步骤：
(1)织物基材的织造：采用径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线经织造成为腈纶氨纶交织的织物基材；
(2)传感器基材的制备：
(2.1)织物基材的初步处理，将腈纶氨纶交织织物基材放入装有去离子水的容器中超声处理5min，以去除织物基材表面的杂质；
(2.2)将经步骤(2.1)处理后的织物基材浸泡在0.5wt％的牛血蛋白溶液中20min，使其表面容易吸附碳纳米管；
(2.3)将经步骤(2.2)处理后的织物基材置于0.2wt％的碳纳米管的水分散液中浸泡20h，重复5次，使织物基材表面附着碳纳米管；
(2.4)将附着有碳纳米管的织物基材浸泡在0.3wt％的硝酸银水溶液中，油浴加热115℃，浸泡处理35min，然后向烧杯中滴加体积为硝酸银溶液3％的0.1wt％的柠檬酸钠水溶液将织物基材表面的银离子还原为纳米银微粒，得到表面同时附着有碳纳米管和纳米银微粒的传感器基材；
(3)传感器的组装：将步骤(2)得到的传感器基材裁减为3×1cm的长条，在其两端用铜导电胶和铜导线连接，基材的上下两个面用弹性胶带贴附后，达到和人体表面皮肤隔绝的目的，得到可穿戴柔性传感器。
实施例3：一种具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器，其包括腈纶氨纶交织织物(ASF)基材，所述的腈纶氨纶交织织物基材经表面处理后形成表面附着有碳纳米管(CNTs)和纳米银微粒(AgNPs)的传感器基材，所述传感器基材经组装后形成可穿戴柔性传感器；所述的腈纶氨纶交织织物基材径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线。
所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其包括织物基材的织造、传感器基材的制备以及传感器的组装，具体包括以下步骤：
(1)织物基材的织造：采用径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线经织造成为腈纶氨纶交织的织物基材；
(2)传感器基材的制备：
(2.1)织物基材的初步处理，将腈纶氨纶交织织物基材放入装有去离子水的容器中超声处理15min，以去除织物基材表面的杂质；
(2.2)将经步骤(2.1)处理后的织物基材浸泡在0.5wt％的牛血蛋白溶液中40min，使其表面容易吸附碳纳米管；
(2.3)将经步骤(2.2)处理后的织物基材置于0.2wt％的碳纳米管的水分散液中浸泡30h，重复5次，使织物基材表面附着碳纳米管；
(2.4)将附着有碳纳米管的织物基材浸泡在0.5wt％的硝酸银水溶液中，油浴加热125℃，浸泡处理25min，然后向烧杯中滴加体积为硝酸银溶液4％的0.1wt％的柠檬酸钠水溶液将织物基材表面的银离子还原为纳米银微粒，得到表面同时附着有碳纳米管和纳米银微粒的传感器基材；
(3)传感器的组装：将步骤(2)得到的传感器基材裁减为3×1cm的长条，在其两端用铜导电胶和铜导线连接，基材的上下两个面用弹性胶带贴附后，达到和人体表面皮肤隔绝的目的，得到可穿戴柔性传感器。
图1为本发明的传感器基材的表面微观结构图，其中a为腈纶纱线表面形貌，b为附着碳纳米管和银微粒的腈纶纱线表面形貌，c为b图表面放大图；d为氨纶纱线表面形貌，e为附着碳纳米管和银微粒的氨纶纱线表面形貌，f为e图表面放大图。图2本发明传感器的灵敏度曲线图，本发明的传感器拉伸在100％时的灵敏度高达1799。由于传感器是可以贴附在人体关节部位的，所以光热效应对关节有问题的人来说有一定的辅助治疗作用，对本发明的传感器进行光热实验，结果如图3所示(图中的a为ASF-腈纶氨纶交织织物，b为ASF/CNTs/AgNPs-负载碳管和银纳米颗粒的腈纶氨纶交织织物)，数据结果如表1所示，从图3及表1可知，本发明的传感器具有良好的光热效应，光热实验条件为：光源：红外光；光源距离样品高度：30cm；红外灯型号：PHILIPS INFRARED-R95E，电压230V，功率100W，波长范围0.76-5μm。抗菌效果实验结果如图4所示(其中，S.aureus-金黄色葡萄球菌，革兰氏阳性菌；E.coli-大肠杆菌，革兰氏阴性菌；ASF-腈纶氨纶交织织物；ASF/CNTs/AgNPs-负载碳管和银纳米颗粒的腈纶氨纶交织织物)，将织物裁减成1×1cm的块状，放入24孔板，滴加菌液之后放置1小时，之后进行抗菌测试；测试结果显示ASF对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌基本没有杀菌效果，活菌数目的减少是因为织物本身的吸附作用；ASF/CNTs/AgNPs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有很好的杀灭效果，杀菌率分别为98.9％和99.6％。
表1：
Figure BDA0002316600730000061

Claims (9)

1.具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器，其特征在于：包括腈纶氨纶交织织物基材，所述的腈纶氨纶交织织物基材经表面处理后形成表面附着有碳纳米管和纳米银微粒的传感器基材，所述传感器基材经组装后形成可穿戴柔性传感器；
所述的传感器基材的制备方法：
（a）织物基材的初步处理，将腈纶氨纶交织织物基材放入装有去离子水的容器中超声处理5-15min；
（b）将经步骤（a）处理后的织物基材进行牛血蛋白溶液浸泡处理；
（c）将经步骤（b）处理后的织物基材放入碳纳米管溶液中浸泡处理，使织物基材表面附着碳纳米管；
（d）将附着有碳纳米管的织物基材浸泡在硝酸银溶液中，然后向烧杯中滴加一定量的柠檬酸钠溶液来将织物基材表面的银离子还原为纳米银微粒，得到表面同时附着有碳纳米管和纳米银微粒的传感器基材；
将所述传感器基材的制备方法制得的传感器基材裁减为长条状，在其两端用铜导电胶和铜导线连接，基材的上下两个面用弹性胶带贴附后，得到可穿戴柔性传感器。
2.根据权利要求1所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器，其特征在于：所述的腈纶氨纶交织织物基材径向纱线为腈纶纱线，纬向为氨纶纱线。
3.根据权利要求1或2所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器，其特征在于：所述的腈纶氨纶交织织物基材径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于：包括织物基材的织造、传感器基材的制备以及传感器的组装，具体包括以下步骤：
（1）织物基材的织造：采用径向纱线为32/2双股腈纶纱线，纬向为40s单股氨纶纱线经织造成为腈纶氨纶交织的织物基材；
（2）传感器基材的制备：
（2.1）织物基材的初步处理，将腈纶氨纶交织织物基材放入装有去离子水的容器中超声处理5-15min；
（2.2）将经步骤（2.1）处理后的织物基材进行牛血蛋白溶液浸泡处理；
（2.3）将经步骤（2.2）处理后的织物基材放入碳纳米管溶液中浸泡处理，使织物基材表面附着碳纳米管；
（2.4）将附着有碳纳米管的织物基材浸泡在硝酸银溶液中，然后向烧杯中滴加一定量的柠檬酸钠溶液来将织物基材表面的银离子还原为纳米银微粒，得到表面同时附着有碳纳米管和纳米银微粒的传感器基材；
（3）传感器的组装：将步骤（2）得到的传感器基材裁减为长条状，在其两端用铜导电胶和铜导线连接，基材的上下两个面用弹性胶带贴附后，得到可穿戴柔性传感器。
5.根据权利要求4所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2.2）中所述的牛血蛋白溶液浸泡处理工艺为：将织物基材浸泡在0.5wt%的牛血蛋白溶液中20-40min。
6.根据权利要求4所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2.3）中所述的碳纳米管溶液浸泡处理工艺为：将织物基材置于0.2wt%的碳纳米管的水分散液中浸泡20-30h，重复5次。
7.根据权利要求4所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2.4）中所述的硝酸银溶液为0.3-0.5wt%的硝酸银水溶液；所述浸泡在硝酸银溶液中的具体处理工艺为：硝酸银溶液经油浴加热115-125℃，浸泡处理25-35min。
8.根据权利要求4所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2.4）中所述的柠檬酸钠溶液为体积为硝酸银溶液3-4%的0.1wt%的柠檬酸钠水溶液。
9.根据权利要求4所述的具有光热效应和抗菌功能的可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于：所述的长条状长宽为3×1cm的长条。
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