CN111174947B

CN111174947B - 织物基随身柔性压力传感器的制备方法

Info

Publication number: CN111174947B
Application number: CN202010039920.XA
Authority: CN
Inventors: 李召岭; 楼梦娜; 朱苗苗; 卫学典; 丁彬; 俞建勇
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: CN111174947A

Abstract

本发明公开了一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，制备摩擦电正性包缠纱和摩擦电负性包缠纱，将所得的摩擦电正/负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的摩擦电正性织物；将摩擦电正性织物与摩擦电负性织物进行组合，形成织物基随身柔性压力传感器。本发明通过提高电正性和电负性摩擦材料单位面积内材料之间的有效接触面积，提升摩擦纳米发电机的电输出性能，提高基于摩擦纳米发电机的柔性压力传感器的传感性能；将其用在人体关节部位进行随身运动信号的监测，和用在颈动脉处进行人体脉搏信号的监测，得到相应具有参考价值的信号结果，为医疗诊断和健康评估提供有效参考依据。

Description

织物基随身柔性压力传感器的制备方法

技术领域

本发明属于柔性压力传感器、智能可穿戴和运动健康和医疗监测领域，具体涉及一种织物基随身运动信号和人体脉搏信号监测用高灵敏度柔性压力传感器的制备方法。

背景技术

近年来，柔性可穿戴压力传感器在医疗监测领域的应用研究越来越深入和成熟，相对于目前在医疗系统中使用的监测体征信号的设备，可穿戴柔性压力传感器具备体积小、携带方便、可穿戴、自驱动等优势。随着现代技术的迅速发展和生活水平的不断提升，人体运动健康以及脉搏信号的实时监测在疾病诊断、康复治疗以及健康评估中的作用越来越重要，且设备越来越微型化和多功能化，这也是当下对于此类长期监测用设备的要求。要实现对人体运动健康以及脉搏信号的实时监测，亟需解决的问题就是确保传感器的灵敏度、供能的持续性，另外就是器件的可穿戴性，其中一个有效的解决方法就是设计具有自驱动功能的织物基随身柔性压力传感器。基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机能够将环境中的机械能，包括人体运动机械能、声能等能量转化成电能，具有较高的能量转化效率，能够有效将压力信号转化为电信号，因此可以用作织物基柔性自驱动压力传感器的制备原理，以实现对人体运动健康以及脉搏信号的实时监测，这是制备运动信号和脉搏监测用柔性压力传感器切实可行的方法。同时摩擦发电为原理的压力传感器具有材料选择性广、质轻、结构设计多样等特点，织物基摩擦电式柔性压力传感器还具备良好的柔软性、透气性、耐水洗性、耐久性和可染性等优异的特点，能与衣服、运动鞋、护腕、护臂等纺织服饰用品有机复合，实现穿着舒适性，实现真正意义上的“可穿”。此类压力传感器设备具有自驱动、透气性、可水洗性、耐久性、可染性等优点，朝着“可穿”方向发展的同时需要兼顾设备的灵敏度、使用寿命、供能等问题，将其应用在人体运动信号和脉搏信号的监测中，能实现对人体运动量的调节和控制以及通过脉搏信号分析进行心血管疾病的预防，为运动健康和医疗诊断等提供有效的参考资料，具有重要研究意义。

为了提高柔性压力传感器的稳定性和灵敏度，主要通过改善摩擦发电器件的输出性能来解决，方法目前主要是通过优化摩擦材料的表面结构或者通过增加单位面积内摩擦材料的接触面积来实行性能的提升。目前广泛采用等离子体刻蚀、电化学腐蚀、纳米压印等方法，在摩擦层表面形成纳米线、纳米棒、纳米孔等粗糙结构。国内专利CN109123854A公开了一种摩擦纳米发电织物，第一导电纱线电极、第二导电纱线电极、第一导电织物、第二导电织物和非导电纱线织物；所述第一导电织物通过第一导电纱线电极相连并相互导通；所述第二导电织物通过第二导电纱线电极相连并相互导通；所述非导电纱线织物位于第一导电织物与第二导电织物之间，使得第一导电织物与第二导电织物相互隔开，并彼此绝缘。本发明适用面广，只要外界绝缘物质与两导电织物发生了相对运动，就能产生摩擦电荷，从而产生电流。国内专利CN109525140A公开了一种透气的针织间隔织物摩擦发电机及其制备方法，其特征是：具有复合层结构，自上而下依次为顶层、间隔层和底层，顶层和底层都为三线添纱组织；三线添纱组织由面纱、地纱以及位于二者之间的中间纱构成，顶层和底层的面纱位于复合层的最外侧且都为绝缘纱线，顶层和底层的中间纱为导电纱线，顶层和底层的地纱相对且分别对应为摩擦电负性纱线和摩擦电正性纱线，间隔层由一组同时与顶层和底层的地纱连接的间隔丝构成。但是以上这些制备方法所用工艺复杂、设备昂贵、成本较高，同时难以进一步提升摩擦纳米发电机的输出性能。因此需开发一种简单高效的制备工艺，能够有效获得高输出性能摩擦发电式压力传感器，从而提高柔性压力传感器的灵敏度，以拓宽织物基摩擦发电式压力传感器在新型医疗和运动健康监测领域中的应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种织物基随身运动信号和人体脉搏信号监测用高灵敏度柔性压力传感器的制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1）：制备摩擦电正性包缠纱，使用摩擦电正性材料尼龙长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电正性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；

步骤2）：制备摩擦电负性包缠纱，使用摩擦电负性材料PTFE长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电负性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；

步骤3）：将步骤1）所得的摩擦电正性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的摩擦电正性织物；

步骤4）：将步骤2）所得的摩擦电负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的摩擦电负性机织物；

步骤5）：将摩擦电正性织物与摩擦电负性织物进行两两配合使用，形成四种织物基随身柔性压力传感器。

优选地，所述步骤1）、步骤2）具体为：将尼龙或PTFE长丝包缠到电极材料不锈钢纱线上作为摩擦层材料，使用调速电机进行包缠工作，即得摩擦电正/负性包缠纱。

优选地，所述步骤1）或步骤2）得到的包缠纱中的不锈钢纱线完全被尼龙或PTFE长丝包缠在内部，无露出部分，避免漏电现象的发生对器件性能造成巨大影响。

优选地，所述步骤3）、步骤4）中的织造工艺为手工编织成经纬纱线垂直交错结构的机织物类型的织物；织造工艺采用针织、机织、非织造或两种及两种以上不同成型方法的混合工艺。

优选地，所述步骤3）中的摩擦电正性织物、步骤4）中的摩擦电负性机织物的尺寸均为4cm×4cm。

优选地，所述织物基随身柔性压力传感器在经过水洗之后输出性能未出现明显变化，且织物的颜色可根据要求进行染色改变。

优选地，所述步骤1）的摩擦电正性材料为乙基纤维素、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚己内酯、丝素、棉、醋酸纤维素、聚己二酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯和聚丁二酸乙二醇酯中的任意一种或几种的混合物；所述步骤2）的摩擦电负性材料为聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、聚醚砜、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、氟化聚醚酰亚胺、聚碳酸酯和聚酰亚胺中的任意一种或几种的混合物。

优选地，所述步骤1）、步骤2）中的电极材料为导电织物、铜、银、银纳米线、铜合金、金、铝、铁、铝合金、碳纤维、石墨、石墨烯和碳纳米管中的至少一种。

本发明还提供了上述织物基随身柔性压力传感器的制备方法所制备的织物基随身柔性压力传感器的应用，其特征在于，包括将所述织物基随身柔性压力传感器用于对人体关节部位进行随身运动信号的监测，和/或用在颈动脉处对人体脉搏信号进行实时监测。

本发明通过织物成型技术一步制备得到摩擦电正性织物和摩擦电负性织物，提高电正性和电负性摩擦材料单位面积内材料之间的有效接触面积，提升摩擦纳米发电机的电输出性能，提高基于摩擦纳米发电机的柔性压力传感器的灵敏度和稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与纳米压印技术、等离子体刻蚀、电化学腐蚀等方法在材料表面形成纳米棒、纳米线、纳米孔等粗糙结构相比，本发明采用织物成型技术实现单位面积内摩擦材料之间的有效接触面积增加，从而提高器件的输出性能，且织物基压力传感器的可染性、耐水洗性、耐久性等性能更接近于传统服装，属于真正的可穿戴电子设备，具有设备简单、工艺简便、成本低廉等特点。

2、本发明采用调速电机辅助制备包缠纱，具有设备简单、工艺简便等特点。

3、本发明织物作为柔性压力传感器的制备基础，有效提升摩擦发电器件对于机械能的转换效率，同时实现其优异柔性和舒适性，同时具备类似服装的透气性和耐水洗性等性能，实现器件的可穿戴性能。

4、本发明制备的基于织物的摩擦电式压力传感器具有良好的柔性和舒适性，可与人体服饰有机结合形成用于运动健康和脉搏信号监测的设备，用于实现自驱动人体运动健康的监测以及脉搏信号的实时监测和信息反馈。

5、通过提高单位面积内摩擦材料之间的接触面积来提高摩擦纳米发电机的输出性能，短路电流提高40～150%，开路电压提高75～100%，短路电量提高约35～110%，由此提高柔性压力传感器的稳定性和灵敏度，能够实现对人体脉搏等微弱生理信号的实时监测。本发明工艺流程短，设备简单，成本低廉，传感器灵敏度有显著提高，稳定性优异，在智能可穿戴、随身运动健康和生理信号监测等领域有着广泛应用前景。

附图说明

图1为实施例1制得的织物基随身柔性压力传感器的结构示意图；其中，1为PTFE长丝，作为织物的经纱，2为Nylon包缠不锈钢纱线形成的包缠纱，作为织物的纬纱，1和2编织成经纬纱垂直交错的织物，表现为摩擦电正性（纬纱暴露在外，经纱基本被编织在内部）；3为纯尼龙纱线，作为织物的经纱，4为PTFE长丝包缠不锈钢纱线形成的包缠纱，作为织物的纬纱，3和4编织成经纬纱垂直交错的织物，表现为摩擦电负性，原因同上；

图2为本发明PTFE长丝、不锈钢纱线、单层包覆纱以及多层包覆纱的电镜图；

图3为四种由不同经纬纱编织成的织物组合成的四种压力传感器的对比图；其中，(a)上层为电负性织物，经纬纱全为PTFE，下层为电正性织物，经纬纱全为Nylon；(b)上层为电负性织物，经纬纱全为PTFE，下层为电正性织物，纬纱为Nylon包缠纱，经纱为PTFE；(c)上层为电负性织物，纬纱为PTFE包缠纱，经纱为Nylon，下层为电正性织物，经纬纱全为Nylon；(d)上层为电负性织物，纬纱为PTFE包缠纱，经纱为Nylon，下层为电正性织物，纬纱全为Nylon包缠纱，经纱为PTFE（纬纱全为包缠纱，包含电极；经纱全不是包缠纱，不包含电极）；

图4为四种组合摩擦材料的织物基压力传感器的电输出性能；其中，组合(a)、(b)、(c)、(d)对应为图3中的四种压力传感器；

图5为四种组合摩擦材料的织物基压力传感器的短路电流；

图6为四种组合摩擦材料的织物基压力传感器的短路电量；

图7为使用本发明织物基随身柔性压力传感器未进行水洗时得到的结果；

图8为使用本发明织物基随身柔性压力传感器进行2小时水洗后测试输出电压得到的结果；

图9为使用本发明织物基随身柔性压力传感器进行4小时水洗后测试输出电压得到的结果；

图10为使用本发明织物基随身柔性压力传感器监测到的人体脉搏信号的结果；

图11为使用本发明织物基随身柔性压力传感器监测到的人体拍手时器件输出信号结果；

图12为使用本发明织物基随身柔性压力传感器监测到的手肘处运动的结果；

图13为使用本发明织物基随身柔性压力传感器监测到的膝盖处运动的结果；

图14为使用本发明织物基随身柔性压力传感器监测到的腋下运动时的结果。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

以下实施例所用的各原料均为市售产品，其中，聚四氟乙烯（PTFE）长丝购自东莞市盛芯特殊绳带有限公司，规格直径为0.2mm；锦纶（Nylon）高弹长丝为市售产品，规格为600D；不锈钢纱线购自湖南惠同新材料有限公司，规格为不锈钢纤维直径为14μm，电阻32Ω/m；调速电机购自泰州伟创机电设备有限公司，产品型号参数为10W，220V，0.14A，50Hz，90-1350rpm。

实施例1

一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，具体步骤为：

步骤一：制备摩擦电正性包缠纱，使用尼龙长丝包覆不锈钢纱线形成摩擦电正性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；

步骤二：制备摩擦电负性包缠纱，使用PTFE长丝包覆不锈钢纱线形成摩擦电负性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；

步骤三：将步骤一所得的摩擦电正性包缠纱作为纬纱，尼龙纱与PTFE长丝分别作为经纱手工织造形成相应的两种机织物摩擦电正性织物；

步骤四：将步骤二所得的摩擦电负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱与PTFE长丝分别作为经纱手工织造形成相应的两种摩擦电负性机织物；

步骤五：将两种摩擦电正性织物分别与两种摩擦电负性织物进行组合，形成四种不同组合的织物基摩擦发电机为基础的柔性自驱动压力传感器，并进行输出性能的测试比较，如图3所示为四种压力传感器的组合情况，图4为四种压力传感器的电性能输出情况比较结果，选择出输出性能最佳的组合（d）作为压力传感器的制备基础，得到织物基随身柔性压力传感器；

步骤六：使用上述制备的压力传感器进行器件的耐水洗性能测试，得到如图7-9的测试结果；使用上述制备的压力传感器监测人体颈部的脉搏信号，将电正性织物置于颈动脉处，使用单电极原理能够监测到脉搏信号，得到相应的测试结果，对信号进行分析处理，得到如图10的信号结果，实现对人体运动信号和脉搏信号的监测应用。

结果显示，上述制备的压力传感器在水洗之后输出性能未产生明显变化，验证了其耐水洗性能。将电正性织物置于颈动脉处，使用单电极原理能够监测到脉搏信号，并且对脉搏信号进行具体分析，放大信号可以发现在5s内监测到了8个信号峰，以此推算表明在一分钟内脉搏跳动大约为96次，属于正常范围内，从而实现一定意义上的对人体健康的监测。

实施例2

一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，具体步骤为：

步骤三：将步骤一所得的摩擦电正性包缠纱作为纬纱， PTFE长丝作为经纱手工织造形成相应的摩擦电正性织物；

步骤四：将步骤二所得的摩擦电负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱作为经纱手工织造形成相应的摩擦电负性机织物；

步骤五：将摩擦电正性织物与摩擦电负性织物进行组合，形成织物基摩擦发电机为基础的柔性自驱动压力传感器，得到运动信号和人体脉搏信号监测用柔性压力传感器；

步骤六：使用上述制备的压力传感器监测人体拍手时产生的信号结果如图11所示，传感器在人拍手的时候会产生信号，随着拍手速度的变化输出信号也会产生变化，拍手速度加快，电压输出信号的频率也相应增加，可以实现对人体运动健康的监测目的。

实施例3

一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，具体步骤为：

步骤六：使用上述制备的压力传感器监测人体运动时手肘和膝盖部位产生的信号得到的信号结果如图12和图13所示，将传感器的两片织物置于手肘和膝盖部位，手肘和膝盖运动的时候也能检测到运动信号，运动速度加快时输出信号会发生相应的改变，单位时间内输出的峰值数量增加，可以实现对人体运动健康的监测目的。

实施例4

一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，具体步骤为：

步骤六：使用上述制备的压力传感器监测人体运动时腋下部位产生的信号得到的信号结果如图14所示，将传感器的两块作用织物置于腋下，在晃动手臂时也能检测到运动信号，运动加快，输出信号加快，运动减慢，输出信号也减慢，可以实现对人体运动健康的监测目的。

Claims

1.一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

步骤2）：制备摩擦电负性包缠纱，使用摩擦电负性材料PTFE长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电负性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；所述步骤1）或步骤2）得到的包缠纱中的不锈钢纱线完全被尼龙或PTFE长丝包缠在内部；所述步骤1）、步骤2）中的电极材料为导电织物、铜、银、银纳米线、铜合金、金、铝、铁、铝合金、碳纤维、石墨、石墨烯和碳纳米管中的至少一种；

步骤3）：将步骤1）所得的摩擦电正性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的两种摩擦电正性织物；

步骤4）：将步骤2）所得的摩擦电负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的两种摩擦电负性机织物；

步骤5）：将摩擦电正性织物与摩擦电负性织物进行两两配合使用，形成四种织物基随身柔性压力传感器；

所述步骤1）中的摩擦电正性材料为乙基纤维素、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚己内酯、丝素、棉、醋酸纤维素、聚己二酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯和聚丁二酸乙二醇酯中的任意一种或几种的混合物；所述步骤2）中的摩擦电负性材料为聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、聚醚砜、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、氟化聚醚酰亚胺、聚碳酸酯和聚酰亚胺中的任意一种或几种的混合物。

2.如权利要求1所述的织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1）、步骤2）具体为：将尼龙或PTFE长丝包缠到电极材料不锈钢纱线上作为摩擦层材料，使用调速电机进行包缠工作，即得摩擦电正/负性包缠纱。

3.如权利要求1所述的织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3）、步骤4）中的织造工艺为手工编织成经纬纱线垂直交错结构的机织物类型的织物；织造工艺采用针织、机织、非织造或两种及两种以上不同成型方法的混合工艺。

4.如权利要求1或3所述的织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中的摩擦电正性织物、步骤4）中的摩擦电负性机织物的尺寸均为4cm×4cm。

5.如权利要求1所述的织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述织物基随身柔性压力传感器在经过水洗之后输出性能未出现明显变化，且织物的颜色可根据要求进行染色改变。

6.权利要求1-5任意一项所述的织物基随身柔性压力传感器的制备方法所制备的织物基随身柔性压力传感器的应用，其特征在于，包括将所述织物基随身柔性压力传感器用于对人体关节部位进行随身运动信号的监测，和/或用在颈动脉处对人体脉搏信号进行实时监测。