CN112251897A - 一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物及制备方法 - Google Patents

一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物及制备方法，将不锈钢混纺导电纱线经过多巴胺改性后，进一步通过浸渍方式在纱线内部及其表面形成MXene包覆导电层。利用该复合纱线的导电特性，进一步结合针织工艺的自身弹性，开发结构可设计的柔性传感织物。本发明解决了柔性传感织物高应变性、高灵敏度及穿戴舒适性之间的矛盾，所设计织物能够满足其在医疗诊断、体育训练、健康恢复、智能互联等领域的应用需求。同时，本发明工艺简单，易于操作，流程可控，适合实现针织柔性传感织物的规模化制备。

Description

一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物及制备 方法
技术领域
本发明涉及纺织结构柔性应变传感器制备技术领域，具体的，涉及一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物及制备方法。
背景技术
随着智能化技术的发展，柔性可穿戴器件呈现了巨大的发展潜力，而传感器作为核心部件决定着可穿戴装置的灵敏度、稳定性和可靠性。传统的金属或陶瓷基传感器由于材料自身刚性，很难同时具备高应变、高灵敏度及穿戴舒适等特性，进而难以应用于人体运动状态的实时监测。目前报道的制备柔性应变传感器的技术方法主要集中在柔性传感材料的开发领域，例如填充型弹性导电材料，聚合物凝胶导电材料以及新型碳材料等，然而上述材料在应用于可穿戴器件设计过程中往往会面临灵敏度及稳定性差，传感应变测试范围小等不足。一方面，大的测量范围需要传感材料在较大应变时依然保持导电网络的联通，另一方面，高的灵敏度需要材料在应变过程中导电网络结构发生显著的变化。由此看出，解决上述矛盾，同时提高柔性传感器的灵敏度和可测量应变范围是一个极具挑战的课题。
纤维材料的多尺度结构(纤维-纱线-织物-器件)所表现出的柔软性和延展性一方面保证了织物传感材料优异的可穿戴属性(柔软、舒适和透气)，同时其多样的成型技术(机织、针织、编织、刺绣、缝制)，进一步结合导电纤维的应用，可以实现不同类型(电阻型、电容型、电感型、摩擦电和压电型)应变传感器的构筑，由此使纤维或织物型应变传感器在柔性可穿戴器件领域展现出了广阔的应用前景。而应变传感器的设计需要考虑如下问题，传感信号容易被监测(传感器具有较低的电阻)，同时信号变化与测试应变之间具有较好的对应关系；具有较高的灵敏度(在不同的应变条件下传感信号均具有显著变化)；良好的稳定性(多次重复循环测试过程具有可重现的传感信号)以及较宽的应变测试量程来满足不同应用条件下的传感信号传输需求；传感结构具有较高的弹性以保证传感织物形变过后能够快速回到初始状态。上述问题的解决方案需要从材料功能化开发以及织物细观结构设计两方面协同解决，因此，如何制备具有优异传感特性的功能纱线，设计高弹性低滞后的纺织结构成为织物柔性应变传感器开发应用面临的重要技术难题。
发明内容
本发明旨在解决现有柔性传感器高应变性、高灵敏度及穿戴舒适性之间的矛盾，进而满足其在医疗诊断、体育训练、健康恢复、智能互联等领域的应用需求。为此，本发明结合导电功能纱线制备与针织弹性结构设计，开发了一种基于Mxene包覆导电混纺纱线的针织柔性传感织物的制备方法，实现了传感织物高应变性、高灵敏度及穿戴舒适特性的同步提高。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，包括以下步骤：
1)将经等离子体预处理的不锈钢混纺纱线在多巴胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中进行接枝改性；
2)将上述经多巴胺改性的不锈钢混纺纱线在Mxene水溶液中进行多次浸渍-干燥循环；
3)将经MXene包覆的不锈钢混纺纱线，通过物理气相沉积工艺在其表面沉积氟硅烷形成疏水涂层，实现MXene包覆层的封装；
4)将封装MXene包覆层的不锈钢混纺纱线材料，通过针织织造技术形成结构可设计的柔性传感织物。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述不锈钢混纺纱线包括混纺纱和不锈钢纤维，其中不锈钢纤维所占不锈钢混纺纱线的质量比为10-40％，所述混纺纱包括棉纤维、纤维素纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维或丙烯腈纤维中的一种或者几种的组合。
进一步，所述多巴胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液浓度为5-10mmol/L，pH值为8-10。
进一步，所述不锈钢混纺纱线在多巴胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中进行接枝改性反应溶液的浓度为0.5-5g/L，改性时间为12-48小时。
进一步，所述MXene材料是由MAX相的Ti3AlC2粉末通过氢氟酸刻蚀12-36小时后，经离心、清洗、超声分散后获得。
进一步，浸渍所使用MXene水溶液的浓度为0.5-10mg/mL，浸渍-干燥循环次数为2-10次。
进一步，所述物理气相沉积工艺中所使用的氟硅烷包括三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟代正辛基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷或1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种。
进一步，所述针织组织结构包括纬平组织、罗纹组织、双反面组织、添纱组织、双罗纹组织、畦编组织、衬垫组织、衬纬组织或毛圈组织中的一种或者几种。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明将不锈钢混纺导电纱线经过多巴胺改性后，进一步通过浸渍方式在纱线内部及其表面形成MXene包覆导电层。利用该复合纱线中混纺的不锈钢纤维以及纱线内部及表面包覆MXene材料所带来的导电特性，进一步结合针织工艺的自身弹性，开发结构可设计的柔性传感织物。
应用本发明上述技术方案，通过对不锈钢混纺导电纱线的表面改性处理、MXene包覆技术，同时结合针织工艺的自身弹性及结构可设计性，开发同时具备高应变性、高灵敏度及穿戴舒适性的柔性传感织物。采用本发明方法制备的柔性传感织物纱线10cm电阻值低于49Ω，织物可测试最大应变高于37％，最大传感应变下灵敏度因子大于282，织物可测试最小应变低于1％，最小传感应变下灵敏度因子大于11。
本发明工艺简单，易于操作，流程可控，所设计织物有潜力被广泛应用于医疗诊断、体育训练、健康恢复、智能互联等领域。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，包括如下步骤：
1)将经等离子体预处理的不锈钢混纺纱线在多巴胺的三羟甲基氨基甲烷(Tris-HCl)缓冲溶液中进行接枝改性，反应溶液的浓度为0.5-5g/L，改性时间为12-48小时。多巴胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液浓度为5-10mmol/L，pH值为8-10。不锈钢混纺纱线包括混纺纱和不锈钢纤维，其中不锈钢纤维所占不锈钢混纺纱线的质量比为10-40％，混纺纱包括棉纤维、纤维素纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维或丙烯腈纤维中的一种或者几种的组合。该步骤能够提高混纺纱线表面的可反应性。
2)将上述经多巴胺改性的不锈钢混纺纱线在浓度为0.5-10mg/mL的Mxene水溶液中进行2-10次浸渍-干燥循环过程，实现MXene在混纺纱线内部及表面的包覆，在不锈钢混纺纱基体上形成MXene导电结构。
其中MXene材料是由MAX相的Ti3AlC2粉末通过氢氟酸刻蚀12-36小时后，经离心、清洗、超声分散后获得。
3)将上述具有二级导电结构的MXene包覆不锈钢混纺纱线，通过物理气相沉积工艺在其表面沉积氟硅烷形成疏水涂层，通过疏水涂层的构建实现MXene包覆层的封装。其中氟硅烷包括三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟代正辛基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷或1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种。
4)将上述封装MXene包覆不锈钢混纺纱线的材料，通过针织织造技术，形成结构可设计的柔性传感织物。针织组织结构包括纬平组织、罗纹组织、双反面组织、添纱组织、双罗纹组织、畦编组织、衬垫组织、衬纬组织或毛圈组织中的一种或者几种。
下面给出具体实施例来进一步说明本发明制备方法。
实施例1
将经等离子体预处理的棉纤维/不锈钢纤维重量比为70：30的不锈钢混纺纱线在浓度为2g/L的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷(Tris-HCl)缓冲溶液中进行接枝改性，其中Tris-HCl缓冲溶液中三羟甲基氨基甲烷的浓度为8mmol/L，缓冲溶液的pH值为9，混纺纱线在多巴胺反应溶液中的改性时间为24小时；将上述经多巴胺改性的不锈钢混纺纱线在浓度为0.5mg/mL的Mxene水溶液中进行10次浸渍-干燥循环过程，实现MXene在混纺纱线内部及表面的包覆，在不锈钢混纺纱基体上形成MXene导电结构；将上述具有二级导电结构的MXene包覆不锈钢混纺纱线，通过物理气相沉积工艺在其表面沉积1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷，形成疏水涂层，通过疏水涂层的构建实现MXene包覆层的封装；将上述封装MXene包覆不锈钢混纺纱线的材料，选用针织织造技术中的双反面组织结构形成柔性传感织物。
实施例2
将经等离子体预处理的棉纤维/聚酯纤维/不锈钢纤维重量比为30：30：40的不锈钢混纺纱线在浓度为0.5g/L的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷(Tris-HCl)缓冲溶液中进行接枝改性，其中Tris-HCl缓冲溶液中三羟甲基氨基甲烷的浓度为5mmol/L，缓冲溶液的pH值为8，混纺纱线在多巴胺反应溶液中的改性时间为14小时；将上述经多巴胺改性的不锈钢混纺纱线在浓度为6mg/mL的Mxene水溶液中进行5次浸渍-干燥循环过程，实现MXene在混纺纱线内部及表面的包覆，在不锈钢混纺纱基体上形成MXene导电结构；将上述具有二级导电结构的MXene包覆不锈钢混纺纱线，通过物理气相沉积工艺在其表面沉积1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷，形成疏水涂层，通过疏水涂层的构建实现MXene包覆层的封装；将上述封装MXene包覆不锈钢混纺纱线的材料，选用针织织造技术中的罗纹组织结构形成柔性传感织物。
实施例3
将经等离子体预处理的棉纤维/聚酰胺纤维/不锈钢纤维重量比为60：30：10的不锈钢混纺纱线在浓度为5g/L的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷(Tris-HCl)缓冲溶液中进行接枝改性，其中Tris-HCl缓冲溶液中三羟甲基氨基甲烷的浓度为8mmol/L，缓冲溶液的PH值为10，混纺纱线在多巴胺反应溶液中的改性时间为12小时；将上述经多巴胺改性的不锈钢混纺纱线在浓度为0.6mg/mL的Mxene水溶液中进行8次浸渍-干燥循环过程，实现MXene在混纺纱线内部及表面的包覆，在不锈钢混纺纱基体上形成MXene导电结构；将上述具有二级导电结构的MXene包覆不锈钢混纺纱线，通过物理气相沉积工艺在其表面沉积三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟代正辛基硅烷，形成疏水涂层，通过疏水涂层的构建实现MXene包覆层的封装；将上述封装MXene包覆不锈钢混纺纱线的材料，选用针织织造技术中的添纱组织结构形成柔性传感织物。
实施例4
将经等离子体预处理的棉纤维/聚丙烯腈纤维/不锈钢纤维重量比为40：40：20的不锈钢混纺纱线在浓度为2g/L的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷(Tris-HCl)缓冲溶液中进行接枝改性，其中Tris-HCl缓冲溶液中三羟甲基氨基甲烷的浓度为10mmol/L，缓冲溶液的PH值为8.5，混纺纱线在多巴胺反应溶液中的改性时间为48小时；将上述经多巴胺改性的不锈钢混纺纱线在浓度为10mg/mL的Mxene水溶液中进行2次浸渍-干燥循环过程，实现MXene在混纺纱线内部及表面的包覆，在不锈钢混纺纱基体上形成MXene导电结构；将上述具有二级导电结构的MXene包覆不锈钢混纺纱线，通过物理气相沉积工艺在其表面沉积三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟代正辛基硅烷，形成疏水涂层，通过疏水涂层的构建实现MXene包覆层的封装；将上述封装MXene包覆不锈钢混纺纱线的材料，选用针织织造技术中的双罗纹组织结构形成柔性传感织物。
下面通过对比例实验与本申请实施例做性能实验对比。
对比例1
将32支棉纱线与碳纤维，在电脑针织横机上以添纱的形式，将碳纤维作为传感纱线添加在以棉纱线为基体的罗纹组织针织结构中，织造针织织物柔性传感器。
对比例2
将棉纤维/聚酯纤维/不锈钢纤维重量比为35：35：30的21支不锈钢混纺纱线，通过络筒上蜡，进一步在电脑针织横机上选用纬平组织结构，织造针织织物柔性传感器。
实施例1-4与对比例的性能测试结果对比见表2。
表1实施例与对比例的性能对比
Figure BDA0002722657440000081
从表1可以看出，本发明制备的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物，其纱线10cm电阻值低于49Ω，织物可测试最大应变高于37％，最大传感应变下灵敏度因子大于282，织物可测试最小应变低于1％，最小传感应变下灵敏度因子大于11。由表1可以看出，本发明所制备的基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物不仅具有较大的传感响应应变，同时在测试应变范围内具备较高的灵敏度因子，结合针织织物自身的舒适型，可以看出该传感织物可以良好实现高应变、高灵敏度及穿戴舒适等特性，从而使该织物能够作为可穿戴传感织物应用于人体运动状态的实时监测，满足医疗诊断、体育训练、健康恢复、智能互联等领域的需求。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将经等离子体预处理的不锈钢混纺纱线在多巴胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中进行接枝改性；
2)将上述经多巴胺改性的不锈钢混纺纱线在Mxene水溶液中进行多次浸渍-干燥循环；
3)将经MXene包覆的不锈钢混纺纱线，通过物理气相沉积工艺在其表面沉积氟硅烷形成疏水涂层，实现MXene包覆层的封装；
4)将封装MXene包覆层的不锈钢混纺纱线材料，通过针织织造技术形成结构可设计的柔性传感织物。
2.根据权利要求1所述的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，其特征在于，所述不锈钢混纺纱线包括混纺纱和不锈钢纤维，其中不锈钢纤维所占不锈钢混纺纱线的质量比为10-40％，所述混纺纱包括棉纤维、纤维素纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维或丙烯腈纤维中的一种或者几种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，其特征在于，所述多巴胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液浓度为5-10mmol/L，pH值为8-10。
4.根据权利要求1所述的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，其特征在于，所述不锈钢混纺纱线在多巴胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中进行接枝改性反应溶液的浓度为0.5-5g/L，改性时间为12-48小时。
5.根据权利要求1所述的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，其特征在于，所述MXene材料是由MAX相的Ti3AlC2粉末通过氢氟酸刻蚀12-36小时后，经离心、清洗、超声分散后获得。
6.根据权利要求1所述的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，其特征在于，浸渍所使用MXene水溶液的浓度为0.5-10mg/mL，浸渍-干燥循环次数为2-10次。
7.根据权利要求1所述的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积工艺中所使用的氟硅烷包括三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟代正辛基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷或1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物的制备方法，其特征在于，所述针织组织结构包括纬平组织、罗纹组织、双反面组织、添纱组织、双罗纹组织、畦编组织、衬垫组织、衬纬组织或毛圈组织中的一种或者几种。
9.根据权利要求1-8任一项所述方法制备的一种基于Mxene包覆导电纱线的针织柔性传感织物，其特征在于，所述柔性传感织物纱线10cm电阻值低于49Ω，织物可测试最大应变高于37％，最大传感应变下灵敏度因子大于282，织物可测试最小应变低于1％，最小传感应变下灵敏度因子大于11。
10.一种基于权利要求1所述的针织柔性传感织物在医疗诊断、体育训练、健康恢复和智能互联中应用。
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