CN113846399B - 一种高灵敏度应变传感复合纱线及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合纱线技术领域，本发明提供了一种高灵敏度应变传感复合纱线，所述高灵敏度应变传感复合纱线包含碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维；所述碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维的质量比为0.13～0.19:1:0.5～0.65。本发明还提供了一种高灵敏度应变传感复合纱线的制备方法及其应用。本发明的复合纱线具有高灵敏度和高稳定性，优异的机械性能、导电性能和耐久性，可有效感应从小尺度运动如发声时喉结运动等到大尺度运动如手指手腕弯曲。

Description

一种高灵敏度应变传感复合纱线及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合纱线技术领域，尤其涉及一种高灵敏度应变传感复合纱线及其制备方法和应用。
背景技术
目前，基于纤维材料的高性能传感材料的研究尚处于起步阶段，批量生产纤维基高性能应力敏感材料的工艺技术还未完全成熟。基于纤维及其集合体的柔性应力传感材料作为生理信号监测用智能可穿戴产品的最重要组成部分，其成功开发和产业化有助于调整国民关注健康的方式，辅助老龄事业单位和相关医疗行业进一步落实政府政策，缓解各类社会养老服务需求。因此，大力开展纤维基应力应变传感材料的基础研究，进一步形成产业化制备和应用迫在眉睫。
应变传感器存在电阻松弛现象、工艺复杂、成本高、循环稳定性差、难以在灵敏度和拉伸之间取得平衡等问题，如何制备同时具有高灵敏度和大的工作应变范围的应变传感器仍然是一个巨大的挑战。选择合适的基底、进行结构设计将选择的纤维与导电材料结合制备耐久性的可拉伸复合纱线，既不影响导电纱线的导电性和稳定性，又能保证在拉伸状态下的耐久性和灵敏度是制备柔性复合传感纤维的关键。
因此，研究开发一种具有高灵敏度和高稳定性，以及优异的机械性能、导电性能和耐久性的应变传感复合纱线，具有重要的价值和意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种高灵敏度应变传感复合纱线及其制备方法。本发明的复合纱线具有高灵敏度和高稳定性，优异的机械性能、导电性能和耐久性，可有效感应从小尺度运动如发声时喉结运动等到大尺度运动如手指手腕弯曲。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高灵敏度应变传感复合纱线，所述高灵敏度应变传感复合纱线包含碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维；所述碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维的质量比为0.13～0.19:1:0.5～0.65。
本发明还提供了一种高灵敏度应变传感复合纱线的制备方法，包含如下步骤：
1)将羊毛毛条在软水剂和水的混合液中进行预处理，得到预处理后的羊毛毛条；
2)将预处理后的羊毛毛条在碳纳米管油墨中浸渍处理之后进行干燥处理，得到碳纳米管/羊毛毛条；
3)采用摩擦纺将碳纳米管/羊毛毛条包覆在聚氨酯纤维表面，得到高灵敏度应变传感复合纱线。
作为优选，步骤1)所述羊毛毛条和水的质量比为1:80～100；所述软水剂在混合液中的质量浓度为2～6g/L。
作为优选，步骤1)所述羊毛毛条的长度为6～12cm，宽度为1～2cm，厚度为0.1～0.8cm；所述预处理的温度为80～100℃，时间为15～20min。
作为优选，步骤2)所述碳纳米管油墨中，碳纳米管的质量分数为0.1～0.2％；步骤2)所述碳纳米管油墨和步骤1)所述羊毛毛条的体积质量比为9～11mL：0.45～0.65g。
作为优选，步骤2)所述浸渍处理的次数为3～5次，每次浸渍处理的温度为80～100℃，时间为0.5～1.5h；所述干燥处理的温度为80～100℃。
作为优选，步骤3)所述摩擦纺的过程中，碳纳米管/羊毛毛条的喂入速率为0.5～0.7m/min，输出速率为13～17m/min；分梳辊的转速为4200～6000r/min，摩擦辊的转速为6300～6800r/min。
本发明还提供了一种高灵敏度应变传感复合纱线在检测人体运动方面的应用。
本发明的有益效果包括以下几点：
1)本发明的高灵敏度应变传感复合纱线在不同的外部刺激下具有稳定的响应性、适应性和良好的导电性、机械性能，保证了传感器在可穿戴应用中的适应性和可靠性。
2)本发明的聚氨酯纤维使复合纱线具有优异的耐久性和良好的应变性能，保证了传感器在人体运动检测中具有良好的耐久性。
3)本发明的复合纱线制备的传感器可有效感应从小尺度运动如发声时喉结运动等到大尺度运动如手指手腕弯曲，体现其灵敏度和稳定性，为开发多功能柔性应变传感纤维以及用于健康和人体运动监测的可穿戴纺织品应用提供了新的策略。
附图说明
图1为实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线的SEM纵向视图；
图2为实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线在不同伸长率下的伏安曲线图；
图3为实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线在10％恒定应变、不同加载速度下的相对电阻变化图；
图4为实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线检测手腕弯曲到不同角度时的响应曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种高灵敏度应变传感复合纱线，所述高灵敏度应变传感复合纱线包含碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维；所述碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维的质量比为0.13～0.19:1:0.5～0.65。
本发明所述碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维的质量比优选为0.15～0.18:1:0.58～0.62，进一步优选为0.16～0.17:1:0.6。
本发明还提供了一种高灵敏度应变传感复合纱线的制备方法，包含如下步骤：
1)将羊毛毛条在软水剂和水的混合液中进行预处理，得到预处理后的羊毛毛条；
2)将预处理后的羊毛毛条在碳纳米管油墨中浸渍处理之后进行干燥处理，得到碳纳米管/羊毛毛条；
3)采用摩擦纺将碳纳米管/羊毛毛条包覆在聚氨酯纤维表面，得到高灵敏度应变传感复合纱线。
本发明步骤1)所述羊毛毛条和水的质量比优选为1:80～100，进一步优选为1:85～95，更优选为1:90；所述软水剂在混合液中的质量浓度优选为2～6g/L，进一步优选为3～5g/L，更优选为4g/L；所述软水剂优选为软水剂CT粉。
本发明步骤1)所述羊毛毛条的长度优选为6～12cm，进一步优选为8～11cm，更优选为9～10cm；所述羊毛毛条的宽度优选为1～2cm，进一步优选为1.5cm，所述羊毛毛条的厚度优选为0.1～0.8cm，进一步优选为0.2～0.6cm，更优选为0.4～0.5cm。
本发明步骤1)所述预处理的温度优选为80～100℃，进一步优选为85～95℃，更优选为90℃；所述预处理的时间优选为15～20min，进一步优选为16～19min，更优选为17～18min；本发明所述预处理目的是打开羊毛毛条的毛鳞片。
本发明步骤2)所述碳纳米管油墨中，碳纳米管的质量分数优选为0.1～0.2％，进一步优选为0.15％；步骤2)所述碳纳米管油墨和步骤1)所述羊毛毛条的体积质量比优选为9～11mL：0.45～0.65g，进一步优选为10mL：0.5～0.6g，更优选为10mL：0.55g。
本发明步骤2)所述浸渍处理优选在水浴振荡条件下进行；所述浸渍处理的次数优选为3～5次，进一步优选为4次；每次浸渍处理的温度优选为80～100℃，进一步优选为85～95℃，更优选为90℃；每次浸渍处理的时间优选为0.5～1.5h，进一步优选为1h；所述浸渍处理完成后碳纳米管油墨在羊毛毛条上的上染率优选为15.5～17.5％，进一步优选为16～17％，更优选为16.3～16.5％；所述干燥处理的温度优选为80～100℃，进一步优选为85～95℃，更优选为90℃。
本发明步骤3)所述摩擦纺优选采用HFX-02型摩擦纺纱机；所述摩擦纺的过程中，优选将碳纳米管/羊毛毛条喂入分梳辊，将聚氨酯纤维通过摩擦辊；碳纳米管/羊毛毛条的喂入速率优选为0.5～0.7m/min，进一步优选为0.6m/min；碳纳米管/羊毛毛条的输出速率优选为13～17m/min，进一步优选为14～16m/min，更优选为15m/min；分梳辊的转速优选为4200～6000r/min，进一步优选为4500～5500r/min，更优选为4800～5200r/min；摩擦辊的转速优选为6300～6800r/min，进一步优选为6400～6700r/min，更优选为6500～6600r/min。
本发明步骤3)所述高灵敏度应变传感复合纱线优选进行卷取；所述卷取的速率优选为14～16m/min，进一步优选为15m/min，所述卷取为将包覆得到的碳纳米管/羊毛毛条/聚氨酯纤维通过卷绕装置卷绕成筒纱。
本发明还提供了一种高灵敏度应变传感复合纱线在检测人体运动方面的应用。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将1g羊毛毛条(长度为8cm，宽度为1.3cm，厚度为0.2cm)加入软水剂CT粉和水的混合液中，在80℃下预处理20min打开羊毛毛条的毛鳞片。水的质量为82g，软水剂CT粉在水中的浓度为3g/L。然后将预处理的羊毛毛条浸入18mL碳纳米管油墨(碳纳米管的质量分数为0.12％)中，水浴振荡处理5次，每次在82℃下水浴振荡处理1.5h，振荡处理完成后在85℃下干燥，得到碳纳米管/羊毛毛条。
采用HFX-02型摩擦纺纱机进行摩擦纺工艺，将碳纳米管/羊毛毛条喂入分梳辊，将0.52g聚氨酯纤维通过摩擦辊，碳纳米管/羊毛毛条的喂入速率为0.5m/min，输出速率为14m/min，分梳辊的转速为4500r/min，摩擦辊的转速为6300r/min，将碳纳米管/羊毛毛条包覆在聚氨酯纤维表面。然后采用卷绕装置在14.5m/min的速度下将包覆得到的碳纳米管/羊毛毛条/聚氨酯纤维卷绕成筒纱，得到高灵敏度应变传感复合纱线。
实施例2
将1g羊毛毛条(长度为10cm，宽度为1.8cm，厚度为0.7cm)加入软水剂CT粉和水的混合液中，在98℃下预处理15min打开羊毛毛条的毛鳞片。水的质量为95g，软水剂CT粉在水中的浓度为5g/L。然后将预处理的羊毛毛条浸入22mL碳纳米管油墨(碳纳米管的质量分数为0.18％)中，水浴振荡处理3次，每次在95℃下水浴振荡处理0.5h，振荡处理完成后在95℃下干燥，得到碳纳米管/羊毛毛条。
采用HFX-02型摩擦纺纱机进行摩擦纺工艺，将碳纳米管/羊毛毛条喂入分梳辊，将0.63g聚氨酯纤维通过摩擦辊，碳纳米管/羊毛毛条的喂入速率为0.7m/min，输出速率为16m/min，分梳辊的转速为5700r/min，摩擦辊的转速为6800r/min，将碳纳米管/羊毛毛条包覆在聚氨酯纤维表面。然后采用卷绕装置在15.8m/min的速度下将包覆得到的碳纳米管/羊毛毛条/聚氨酯纤维卷绕成筒纱，得到高灵敏度应变传感复合纱线。
实施例3
将1g羊毛毛条(长度为9cm，宽度为1.5cm，厚度为0.4cm)加入软水剂CT粉和水的混合液中，在90℃下预处理17min打开羊毛毛条的毛鳞片。水的质量为90g，软水剂CT粉在水中的浓度为4g/L。然后将预处理的羊毛毛条浸入20mL碳纳米管油墨(碳纳米管的质量分数为0.15％)中，水浴振荡处理4次，每次在90℃下水浴振荡处理1h，振荡处理完成后在90℃下干燥，得到碳纳米管/羊毛毛条。
采用HFX-02型摩擦纺纱机进行摩擦纺工艺，将碳纳米管/羊毛毛条喂入分梳辊，将0.58g聚氨酯纤维通过摩擦辊，碳纳米管/羊毛毛条的喂入速率为0.6m/min，输出速率为15m/min，分梳辊的转速为5000r/min，摩擦辊的转速为6500r/min，将碳纳米管/羊毛毛条包覆在聚氨酯纤维表面。然后采用卷绕装置在15.2m/min的速度下将包覆得到的碳纳米管/羊毛毛条/聚氨酯纤维卷绕成筒纱，得到高灵敏度应变传感复合纱线。
实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线的SEM纵向视图如图1所示。
采用实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线进行电导率测试：
高灵敏度应变传感复合纱线在不同伸长条件(伸长率分别为0％、4％、10％、20％、40％、80％、100％、120％、140％、160％、180％)下的电导率如图2所示。由图2可知，测量电流和外加电位之间的关系几乎是线性的，表明复合纱线的欧姆特性明显，曲线的斜率随着伸长率的增加而逐渐减小，但是依然呈现典型的线性关系。复合纱线具有优异的导电性，原长时电阻为342Ω/cm。根据欧姆定律：R＝U/I，即电阻随斜率的增大而减小。拉伸条件下，在纤维伸长率为180％时，拉伸方向断裂的纱线由于应变的施加，接触点减少，从而电阻增大，电阻由原长342Ω/cm增长到1333Ω/cm。电阻随着伸长率的增加而增大，由此实现由于动作变化引起的电阻变化感应。
采用实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线进行灵敏度测试：
采用实施例3的复合纱线传感器在10％的固定循环应变下对不同频率刺激下的相对电阻变化(ΔR/R0)，如图3所示。由图3可知，当加载速度分别为10、50、75和100mm/min时，复合纱线传感器的ΔR/R0在循环拉伸释放下几乎呈现一个恒定值。同时测量了复合纱线在1～180％伸长率的循环拉伸释放应变下的相对电阻变化。从1～4％的小应变到后来140％、160％、180％的大应变，都体现出规律的波形，表明复合纱线不仅可以检测微小运动，还可以呈现接近原长两倍的大应变规律。
ΔR/R0的计算公式为：ΔR/R0＝(R-R0)/R0；其中，ΔR为电阻变化，R0为复合纱线的初始电阻，R为复合纱线在一定拉伸条件下的电阻。
采用实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线进行耐久性和循环稳定性测试：
复合纱线传感器在保持恒定10％拉伸应变下(拉伸速度为75mm/min)进行2000次循环，来评估复合纱线作为传感器的耐久性和循环稳定性。由测量结果可知，ΔR/R0值(ΔR/R0的计算公式与上述相同)在整个周期中经历几乎相同的上升循环和下降循环，表明传感器具有稳定的、可重复的应变传感性能。
采用实施例3的高灵敏度应变传感复合纱线进行可穿戴应用测试：
为了展现复合纱线潜在的可穿戴应用，在身体的不同部位制造了一个应变传感系统，以监控人体不同程度的运动，如手指、手腕运动、书写和发声时喉结运动。基于复合纱线的应变传感系统被固定在手腕关节上，以监控手腕弯曲到不同角度时的响应，如图4所示。
结果显示：随着手腕弯曲角度的增加，ΔR/R0值(ΔR/R0的计算公式与上述相同)逐渐增加；当手腕伸直时，复合纱线恢复原长，即手腕放松到其初始状态时，ΔR/R0值回落到原始值；手腕保持恒定频率和幅度的弯曲或伸直行为导致应变曲线中的周期性峰值。ΔR/R0值随着手腕弯曲而实时增加，表明了基于复合纱线的应变传感系统具有高灵敏度和快速响应性，在检测健康和人体运动方面有重要的应用前景。手腕弯曲到不同角度时的电阻变化响应的测量有可能用于检测骨折患者的恢复程度，或者用于侦测各种人体动作，帮助运动员调整移动幅度以便取得更好的成绩。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高灵敏度应变传感复合纱线，其特征在于，所述高灵敏度应变传感复合纱线由碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维组成；所述碳纳米管、羊毛和聚氨酯纤维的质量比为0.13~0.19:1:0.5~0.65；
所述的高灵敏度应变传感复合纱线的制备方法，包含如下步骤：
1）将羊毛毛条在软水剂和水的混合液中进行预处理，得到预处理后的羊毛毛条；
2）将预处理后的羊毛毛条在碳纳米管油墨中浸渍处理之后进行干燥处理，得到碳纳米管/羊毛毛条；
3）采用摩擦纺将碳纳米管/羊毛毛条包覆在聚氨酯纤维表面，得到高灵敏度应变传感复合纱线；
步骤3）所述摩擦纺的过程中，碳纳米管/羊毛毛条的喂入速率为0.5~ 0.7m/min，输出速率为13~17m/min；分梳辊的转速为4200~6000r/min，摩擦辊的转速为6300~ 6800r/min。
2.权利要求1所述的高灵敏度应变传感复合纱线的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
1）将羊毛毛条在软水剂和水的混合液中进行预处理，得到预处理后的羊毛毛条；
2）将预处理后的羊毛毛条在碳纳米管油墨中浸渍处理之后进行干燥处理，得到碳纳米管/羊毛毛条；
3）采用摩擦纺将碳纳米管/羊毛毛条包覆在聚氨酯纤维表面，得到高灵敏度应变传感复合纱线；
步骤3）所述摩擦纺的过程中，碳纳米管/羊毛毛条的喂入速率为0.5~ 0.7m/min，输出速率为13~17m/min；分梳辊的转速为4200~6000r/min，摩擦辊的转速为6300~ 6800r/min。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1）所述羊毛毛条和水的质量比为1:80~100；所述软水剂在混合液中的质量浓度为2~6g/L。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤1）所述羊毛毛条的长度为6~12cm，宽度为1~2cm，厚度为0.1~ 0.8cm；所述预处理的温度为80~100℃，时间为15~20min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2）所述碳纳米管油墨中，碳纳米管的质量分数为0.1~0.2%；步骤2）所述碳纳米管油墨和步骤1）所述羊毛毛条的体积质量比为9~11mL：0.45~0.65g。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2）所述浸渍处理的次数为3~5次，每次浸渍处理的温度为80~100℃，时间为0.5~1.5h；所述干燥处理的温度为80~100℃。
7.权利要求1所述的高灵敏度应变传感复合纱线在检测人体运动方面的应用。
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