CN112522837B - 一种多应力感知型智能电子纺织品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多应力感知型智能电子纺织品及其制备方法，所述纺织品包括：第一柔性电子织物层、第二柔性电子织物层以及置于所述第一柔性电子织物层和所述第二柔性电子织物层之间的电容织物层；第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层中包括弹性导电纱线，弹性导电纱线连接数据采集器，通过数据采集器采集电容织物层因压力而产生的电容信号，第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层因拉力产生的电阻信号，从而实现智能电子纺织品压力和拉力的双重感知。

Description

一种多应力感知型智能电子纺织品及其制备方法
技术领域
本发明涉及智能纺织品技术领域，特别是涉及一种多应力感知型智能电子纺织品及其制备方法。
背景技术
目前智能纺织品是纺织领域的发展新方向，智能纺织品可感知外界的应力并作出响应。目前，纺织基力学传感器按照敏感元件的工作原理可分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器；各种纺织结构的电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器被成功研发，具有理性的灵敏度和耐久性。但是目前研究工作主要集中单一功能(压力、拉力)的纺织基传感器，同时具有多应力感知纺织基传感器仍未报道，然而，智能纺织品在穿着过程中，不可避免地经受压力/拉力的双重影响。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种多应力感知型智能电子纺织品及其制备方法，通过外界压力对电容织物产生电容信号和外界拉力对柔性电子织物层产生电阻信号，实现对纺织品压力和拉力的双重感知。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，所述方法包括：
弹性导电纱线制备；
将多条所述弹性导电纱线依次纺织复合到绝缘弹性织物上，各所述弹性导电纱线之间不交叉，获得复合织物；
在所述复合织物上沉积多个电极，获得柔性电子织物层；多个所述电极均匀分布且均分布在所述弹性导电纱线上；
电容织物制备，所述电容织物为一个独立的传感点，所述传感点的外壳为绝缘材料，所述外壳内部填充介电材料；所述传感点的弹性恢复率在设定阈值范围内；
将多个所述电容织物置于两个所述柔性电子织物层之间，多个所述电容织物构成电容织物层，所述电容织物层和所述柔性电子织物层之间使用粘合剂粘合；各所述柔性电子织物层中各电极与各所述传感点一一对应粘合，两个所述柔性电子织物层分别记为第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层，所述第一柔性电子织物层中弹性导电纱线与所述第二柔性电子织物层中弹性导电纱线呈设定角度交叉，各所述弹性导电纱线连接数据采集模块。
可选地，所述方法还包括：采用热熔聚氨酯薄膜、热熔聚乙烯薄膜、热熔EVA薄膜、热熔聚氨酯无纺布、热熔聚乙烯无纺布或热熔EVA无纺布对粘合后的所述柔性电子织物层的外表面进行封装。
可选地，所述绝缘材料包括三维间隔织物、海绵、多孔硅胶或多孔橡胶。
可选地，所述介电材料包括空气、聚二甲基硅氧烷、硅胶或橡胶。
可选地，所述粘合剂为热熔聚氨酯无纺布、热熔聚乙烯无纺布、热熔聚酯无纺布或薄膜。
可选地，所述弹性导电纱线为弹性包芯纱线或导电弹力长丝。
可选地，所述弹性包芯纱线的制作方法包括：
将皮层导电纱线用绝缘胶浸泡设定时间；
将浸泡后的所述皮层导电纱线烘干；
采用包芯细纱机对烘干后的所述皮层导电纱进行包芯纺织加工。
可选地，所述皮层导电纱线包括导电银纱线、石墨烯纱线、不锈钢纱线、碳纳米管纱线、导电金纱线、聚苯胺导电纱或聚吡咯导电纱。
可选地，所述导电弹力长丝的制作方法包括：
将纱线基体浸润到导电墨水中浸泡，所述纱线基体包括氨纶、硅胶纱线、橡胶纱线或聚氨酯长丝；
对浸泡后的所述纱线基体经过压辊后烘干。
本发明还公开了一种多应力感知型智能电子纺织品，所述多应力感知型智能电子纺织品通过上述多应力感知型智能电子纺织品的制备方法制备得到，所述纺织品包括：
第一柔性电子织物层、第二柔性电子织物层以及置于所述第一柔性电子织物层和所述第二柔性电子织物层之间的电容织物层；
所述第一柔性电子织物层包括复合织物和均匀分布在所述复合织物上的电极；所述复合织物为多条弹性导电纱线复合到绝缘弹性织物上的织物，各所述弹性导电纱线之间不交叉；
所述第二柔性电子织物层与所述第一柔性电子织物层结构相同；
所述电容织物层包括多个传感点，所述传感点的弹性恢复率在设定阈值范围内，所述传感点的外壳为绝缘材料，所述外壳内部填充有介电材料；第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层中各电极与各传感点一一对应贴合粘合；
所述第一柔性电子织物层中弹性导电纱线与所述第二柔性电子织物层中弹性导电纱线呈设定角度交叉；各所述弹性导电纱线连接数据采集模块。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种多应力感知型智能电子纺织品及其制备方法，所述纺织品包括：第一柔性电子织物层、第二柔性电子织物层以及置于所述第一柔性电子织物层和所述第二柔性电子织物层之间的电容织物层；通过数据采集器采集电容织物层因压力而产生的电容信号，第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层因拉力产生的电阻信号，从而实现智能电子纺织品压力和拉力的双重感知。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种多应力感知型智能电子纺织品的制备方法流程示意图；
图2为本发明实施例一种多应力感知型智能电子纺织品主视图；
图3为本发明实施例一种多应力感知型智能电子纺织品俯视图；
图4为本发明实施例柔性电子织物层结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种多应力感知型智能电子纺织品及其制备方法，通过外界压力对电容织物产生电容信号和外界拉力对柔性电子织物层产生电阻信号，实现对纺织品压力和拉力的双重感知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为一种多应力感知型智能电子纺织品的制备方法流程示意图；如图1所示，一种多应力感知型智能电子纺织品的制备方法包括以下步骤：
步骤101：弹性导电纱线制备。
其中，步骤101具体包括：弹性导电纱线为弹性包芯纱线或导电弹力长丝。
弹性包芯纱线的制作方法包括：
将皮层导电纱线用绝缘胶浸泡设定时间。其中，绝缘胶包括聚氨酯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)、共聚酯(Ecoflex)和硅胶中的任意一种或几种。浸泡设定时间为1～100分钟。
将浸泡后的所述皮层导电纱线烘干。烘干温度为60～100℃。皮层导电纱线表面绝缘胶涂层厚度为10～1000微米。绝缘胶涂层是为了避免皮层导电纱接触短路。
采用包芯细纱机对烘干后的所述皮层导电纱进行加工。其中，包芯细纱机转速10～300m/min，皮层导电纱线螺距为1～10mm。
其中，皮层导电纱线包括导电银纱线、石墨烯纱线、不锈钢纱线、碳纳米管纱线、导电金纱线、聚苯胺导电纱或聚吡咯导电纱。
导电弹力长丝是经由表面涂层导电改性加工而成，导电弹力长丝的制作方法包括：
将纱线基体浸润到导电墨水中浸泡，所述纱线基体包括氨纶、硅胶纱线、橡胶纱线或聚氨酯长丝。
对浸泡后的所述纱线基体经过压辊后烘干。其中压辊压力为3～30Mpa，烘干温度为60～100℃。
导电弹力长丝的制作简称两浸两压工艺，其中两浸两压工艺是指纱线基体在导电墨水浸泡后经过压辊后烘干的过程重复两次，即纱线基体经过两次浸泡和两次压辊后制备而成。
其中，导电墨水包括导电相和粘合剂相，导电相包括石墨烯、纳米银和碳纳米管，粘合剂相包括聚氨酯和聚丙烯酸粘合剂，导电相和粘合剂相比例为1:10～10:1。
步骤102：将多条所述弹性导电纱线依次纺织复合到绝缘弹性织物上，各所述弹性导电纱线之间不交叉，获得复合织物。
其中，步骤102中将多条所述弹性导电纱线复合到绝缘弹性织物上具体包括：弹性导电纱线通过梭织、针织、缝纫、刺绣等纺织加工方法复合到弹性织物上。
本实施例复合织物中各弹性导电纱线之间相互平行，间距范围为1mm～10mm，复合织物中弹性导电纱线的数量为1～1000根。
弹性导电纱线为高弹性导电纱线，其电导率为0.1～10000S/m，弹性伸长率为5～300％，强力为100～300Mpa，细度为20～500微米。
步骤103：在所述复合织物上沉积多个电极，获得柔性电子织物层；多个所述电极均匀分布且均分布在所述弹性导电纱线上。
其中多个电极在所述复合织物上形成电极矩阵。
其中电极加工方法包括丝网印花、磁控溅射、化学沉积等方法。
采用丝网印花工艺，根据电极尺寸结构设计平面丝网印花纹版，将导电墨水置于平面丝网上，用刮刀进行印花处理。
采用磁控溅射工艺，根据电极尺寸结构设计磁控溅射模板，磁控溅射强度10～1000W，磁控溅射时间1～10分钟，真空度10-2～10-3Pa。
采用化学沉积工艺，将前驱体(硝酸银、硫酸铜、氯金酸、苯胺、吡咯、噻吩)等沉积于织物表面，经还原剂处理制备而成导电电极。电极材料为导电银、导电铜、导电金、石墨烯、碳纳米管、Mxene、炭黑、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
本实施例中电极尺寸为：长(1mm～3cm)*宽(1mm～3cm)，各电极之间间距为1mm～5cm。
步骤104：电容织物制备，所述电容织物为一个独立的传感点，所述传感点的外壳为绝缘材料，所述外壳内部填充介电材料；所述传感点的弹性恢复率在设定阈值范围内。
其中，步骤104中，传感点的尺寸根据电极的尺寸和结构设计，电极均裁剪成规定的尺寸，并填充介电材料。介电材料包括空气、PDMS、硅胶和橡胶。
步骤105：将多个所述电容织物置于两个所述柔性电子织物层之间，多个所述电容织物构成电容织物层，所述电容织物层和所述柔性电子织物层之间使用粘合剂粘合；各所述柔性电子织物层中各电极与各所述传感点一一对应粘合，两个所述柔性电子织物层分别记为第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层，所述第一柔性电子织物层中弹性导电纱线与所述第二柔性电子织物层中弹性导电纱线呈设定角度交叉，各所述弹性导电纱线连接数据采集模块。
其中，步骤105具体包括：数据采集模块采集外界压力对电容织物层产生的电容信号和外界拉力对第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层产生的电阻信号，从而实现压力和拉力的双重感知。
第一柔性电子织物层、电容织物层和第二柔性电子织物层按照顺序依次层叠粘合衬进行粘合，粘合温度100～160℃，粘合压力1～10Mpa，粘合时间1～30分钟。粘合剂为热熔聚氨酯无纺布、热熔聚乙烯无纺布、热熔聚酯无纺布或薄膜。
本实施例中，所述第一柔性电子织物层中弹性导电纱线与所述第二柔性电子织物层中弹性导电纱线垂直交叉。
在第一柔性电子织物层与第二柔性电子织物层外表面由热熔聚氨酯薄膜、热熔聚乙烯薄膜、热熔EVA薄膜、热熔聚氨酯无纺布、热熔聚乙烯无纺布或热熔EVA无纺布进行封装，封装温度100～160℃，封装压力1～10Mpa，封装时间1～30分钟。其中，EVA是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的英文简称，EVA的英文全称为ethylene-vinyl acetate copolymer。
本发明还公开了一种多应力感知型智能电子纺织品，如图2-4所示，多应力感知型智能电子纺织品包括：
第一柔性电子织物层1、第二柔性电子织物层3以及置于所述第一柔性电子织物层1和所述第二柔性电子织物层3之间的电容织物层2；
所述第一柔性电子织物层1包括复合织物和均匀分布在所述复合织物上的电极4；所述复合织物为多条弹性导电纱线6复合到绝缘弹性织物5上的织物，各所述弹性导电纱线6之间不交叉；
所述第二柔性电子织物层3与所述第一柔性电子织物层1结构相同；
所述电容织物层2包括多个传感点和各所述传感点之间填充的介电材料，所述传感点材料的弹性恢复率在设定阈值范围内，所述传感点材料为绝缘材料；第一柔性电子织物层1和第二柔性电子织物层3中各电极4与所述电容织物层2中各传感点一一对应贴合粘合；
所述第一柔性电子织物层1中弹性导电纱线5与所述第二柔性电子织物层3中弹性导电纱线5呈设定角度交叉；各所述弹性导电纱线5连接数据采集模块。
本实施例中弹性导电纱线为高弹性导电纱线，其电导率为0.1～10000S/m，弹性伸长率为5～300％，强力为100～300Mpa，细度为20～500微米。电极4的尺寸为：长(1mm～3cm)*宽(1mm～3cm)，各电极之间间距为1mm～5cm。
各弹性导电纱线之间相互平行，间距范围为1mm～10mm，复合织物中弹性导电纱线的数量为1～1000根。第一柔性电子织物层1中弹性导电纱线与第二柔性电子织物层3中弹性导电纱线5垂直交叉。
本发明的多应力感知型智能电子纺织品的结构比较简单和灵活，可根据需求和应用场景更换感知方式。可对小形变/压力的灵敏感知，也可对大形变/压力的大范围感知。
本发明的多应力感知型智能电子纺织品具有较高的感知灵敏度，对拉力的灵敏度GF值>1，耐久性>10万次；对压力的灵敏度S>0.1kPa-1，耐久性>10万次。同时具有理想的耐水洗，耐水洗50次以上。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
弹性导电纱线制备；
将多条所述弹性导电纱线依次纺织复合到绝缘弹性织物上，各所述弹性导电纱线之间不交叉，获得复合织物；
在所述复合织物上沉积多个电极，获得柔性电子织物层；多个所述电极均匀分布且均分布在所述弹性导电纱线上；
电容织物制备，所述电容织物为一个独立的传感点，所述传感点的外壳为绝缘材料，所述外壳内部填充介电材料；所述传感点的弹性恢复率在设定阈值范围内；
将多个所述电容织物置于两个所述柔性电子织物层之间，多个所述电容织物构成电容织物层，所述电容织物层和所述柔性电子织物层之间使用粘合剂粘合；各所述柔性电子织物层中各电极与各所述传感点一一对应粘合，两个所述柔性电子织物层分别记为第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层，所述第一柔性电子织物层中弹性导电纱线与所述第二柔性电子织物层中弹性导电纱线呈设定角度交叉，各所述弹性导电纱线连接数据采集模块。
2.根据权利要求1所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：采用热熔聚氨酯薄膜、热熔聚乙烯薄膜、热熔EVA薄膜、热熔聚氨酯无纺布、热熔聚乙烯无纺布或热熔EVA无纺布对粘合后的所述柔性电子织物层的外表面进行封装。
3.根据权利要求1所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述绝缘材料包括三维间隔织物、海绵、多孔硅胶或多孔橡胶。
4.根据权利要求1所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述介电材料包括空气、聚二甲基硅氧烷、硅胶或橡胶。
5.根据权利要求1所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述粘合剂为热熔聚氨酯无纺布、热熔聚乙烯无纺布或热熔聚酯无纺布。
6.根据权利要求1所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述弹性导电纱线为弹性包芯纱线或导电弹力长丝。
7.根据权利要求6所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述弹性包芯纱线的制作方法包括：
将皮层导电纱线用绝缘胶浸泡设定时间；
将浸泡后的所述皮层导电纱线烘干；
采用包芯细纱机对烘干后的所述皮层导电纱进行包芯纺织加工。
8.根据权利要求7所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述皮层导电纱线包括导电银纱线、石墨烯纱线、不锈钢纱线、碳纳米管纱线、导电金纱线、聚苯胺导电纱或聚吡咯导电纱。
9.根据权利要求6所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法，其特征在于，所述导电弹力长丝的制作方法包括：
将纱线基体浸润到导电墨水中浸泡，所述纱线基体包括氨纶、硅胶纱线、橡胶纱线或聚氨酯长丝；
对浸泡后的所述纱线基体经过压辊后烘干。
10.一种多应力感知型智能电子纺织品，所述多应力感知型智能电子纺织品通过权利要求1-9任一项所述的多应力感知型智能电子纺织品的制备方法制备得到，其特征在于，所述纺织品包括：
第一柔性电子织物层、第二柔性电子织物层以及置于所述第一柔性电子织物层和所述第二柔性电子织物层之间的电容织物层；
所述第一柔性电子织物层包括复合织物和均匀分布在所述复合织物上的电极；所述复合织物为多条弹性导电纱线复合到绝缘弹性织物上的织物，各所述弹性导电纱线之间不交叉；
所述第二柔性电子织物层与所述第一柔性电子织物层结构相同；
所述电容织物层包括多个传感点，所述传感点的弹性恢复率在设定阈值范围内，所述传感点的外壳为绝缘材料，所述外壳内部填充有介电材料；第一柔性电子织物层和第二柔性电子织物层中各电极与各传感点一一对应贴合粘合；
所述第一柔性电子织物层中弹性导电纱线与所述第二柔性电子织物层中弹性导电纱线呈设定角度交叉；各所述弹性导电纱线连接数据采集模块。
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