CN114575147B - 一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线及柔性织物传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线的制备方法，包括以下步骤：S1、制备碳纳米材料分散液；S2、制备弹性高聚物溶液；S3、制备纳米复合功能材料；S4、预处理弹性纱线，S5、浸染弹性纱线，S6、粗糙化处理弹性纱线，S7、二次浸染弹性纱线，S8、三次浸染弹性纱线。本发明还涉及柔性织物传感器的制备方法，包括以下步骤：S11、编织成弹性织物；S12、裁剪、组装制备柔性织物传感器。通过本发明制备得到的弹性纱线具有超强的柔韧性和力学性能，融合了织物柔韧、舒适、轻盈的服用性能，对外压力、拉伸应变有较高的灵敏度和较宽的检测范围、且能同时实现压力感知和应变传感性能。
Description
技术领域
本发明涉及柔性织物传感器制备技术领域，具体涉及一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线的制备方法及柔性织物传感器的制备方法。
背景技术
随着柔性化成为新型传感器发展的一个新趋势，兼具柔韧舒适、透气轻盈的服用性能和传感性能的柔性器件在医疗健康、运动监测和辅助训练及人机交互等领域具有巨大发展前景。近年来，随着纳米材料的开发和结构设计的精细化发展，传感器件的柔性得到大大提升，但也并未做到完全贴合人体或在大幅度机械拉伸、扭曲后不脱落，保形性较差。因此，柔性传感器在贴附性、舒适度、透气性及保形性方面还有待进一步提升。虽然目前有将织物作为基底制备柔性传感器，但其制备工艺主要采用沉积、溅射、浸泡等方式，这些工艺存在制备流程繁复、环境要求高、材料与织物基底结合力差及均匀性差等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种具备超强柔韧性和力学性能，其表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线，以及利用该弹性纱线编织、制备得到的，且具备可贴附、可透气、可水洗、舒适性好且易保形的柔性织物传感器，以及制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线制备方法，包括以下步骤：
S1、制备碳纳米材料分散液，将质量分数为0.01％-0.2％的碳纳米材料溶入分散剂中，超声0.1-2h均匀分散，配制得到碳纳米材料分散液；
S2、制备弹性高聚物溶液，将质量分数为0.2％-2％的弹性高聚物溶入分散剂中，搅拌0.1～3h，配制得到弹性高聚物溶液；
S3、制备纳米复合功能材料，将所述碳纳米材料分散液和所述弹性高聚物溶液混合搅拌0.5-2h，并超声0.1-2h，制备得到分散均匀的纳米复合功能材料；
S4、预处理弹性纱线，将弹性纱线在乙醇溶液中浸泡1-60min进行预处理；
S5、浸染弹性纱线，将所述预处理后的弹性纱线以一定速度通过放有所述弹性高聚物溶液的浸染装置，再经过热固处理使其处于半固化状态；
S6、粗糙化处理弹性纱线，对上述S5得到的弹性纱线经过粗糙化处理，使半固化状态的弹性高聚物表面凸凹不平；
S7、二次浸染弹性纱线，将上述S6得到弹性纱线以一定速度通过放有所述纳米复合功能材料的浸染装置使其表面附着一层纳米复合材料，再经过热固处理，制备得到表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线，此步骤根据实际需要可以重复几次。
进一步的，根据实际需求，还包括以下步骤：
S8、三次浸染弹性纱线，将步骤S7得到的功能弹性纱线利用浸染工艺在其表面附着一层弹性封装层。
进一步的，所述碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯RGO。
进一步的，所述分散剂为无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、环己烷。
进一步的，所述弹性高聚物为TPU、TPE、PDMS、硅胶。
一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线，根据权利要求1制备得到，包括弹性纱线，所述弹性纱线表面依次附着有弹性高聚物层和纳米复合功能材料层。
进一步的，所述纳米复合功能材料层表面还附着有弹性封装层。
柔性织物传感器的制备方法，包括以下步骤：
S9、编织，利用织布机编织工艺，将权利要求1或2所述附着有纳米复合功能材料的弹性纱线作纬纱，普通纱线作经纱进行编织，得到表面附着有纳米复合功能材料的弹性织物；
S10、将步骤S9制备的大面积弹性织物上剪取合适尺寸的功能织物，采用物理接触方式制备柔性电极实现电性连接，组装制备得到弹性织物基的柔性织物传感器。
进一步的，步骤S10中所述物理接触方式采用缝纫、钉鸡眼扣/气眼扣、印刷或粘贴。
本发明的有益效果是：
1、本发明的碳纳米材料具有超强的柔韧性和力学性能，通过与弹性高聚物复合，再附着到弹性纱线上，通过三者超强柔韧性和力学性能的有机结合，融合了织物柔韧、舒适、轻盈的服用性能和柔性传感器件的功能性、连接性和智能性，对外压力、应力应变有较高的灵敏度、较宽的检测范围、且能同时实现压力感知和应变传感性能。
2、本发明采用的浸染工艺和编织工艺简便快速、成本低、适合批量制备。
附图说明
图1为本发明表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线的制备流程。
图2为表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线的结构图。
图3为本发明柔性织物传感器的制备流程。
图4为柔性织物传感器的拉伸应变-电阻曲线图。
图5为柔性织物传感器压力-电阻曲线图。
101、弹性纱线，102、弹性高聚物层，103、纳米复合功能材料层，104、弹性封装层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线制备方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
S1、制备碳纳米材料分散液，将超强柔韧性和力学性能的碳纳米材料(质量分数为0.01％-0.2％)溶入分散剂中，在50-300w功率下超声0.1-2h，使其充分混合，配制得到1-1.5mg/ml的碳纳米材料均匀分散液。其中，碳纳米材料可以采用碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯RGO等，分散剂可以采用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、环己烷等。
S2、制备弹性高聚物溶液，将弹性高聚物(质量分数为0.2％-2％)溶入分散剂中，搅拌0.1～3h，配置得到10-15mg/ml的弹性高聚物溶液。其中弹性高聚物可以采用TPU、TPE、PDMS、硅胶等，分散剂可以采用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、环己烷等。
S3、制备纳米复合功能材料，将上述碳纳米材料分散液和上述弹性高聚物溶液充分混合搅拌0.5-2h，并在100-300W功率下超声0.1-2h，制备得到分散均匀的纳米复合功能材料。本发明的纳米复合功能材料不仅具备良好的柔韧性和弹性，还具备良好的电学性能和化学性能。
S4、预处理弹性纱线，将弹性纱线在乙醇溶液中浸泡1-60min进行预处理，使其表面具有官能团，便于和弹性高聚物溶液中的官能团结合。
S5、浸染弹性纱线，将预处理后的弹性纱线以一定速度通过放有上述弹性高聚物溶液的浸染装置，再经过热固处理(50-120℃加热装置干燥0.1-2h)，使其处于半固化状态，以增强后续工序中浸染纳米复合功能材料中，纳米复合功能材料层与弹性高聚物层的附着牢固性和稳定性。
S6、粗糙化处理弹性纱线，对上述S5得到的弹性纱线经过粗糙化处理(通过乙醇溶液中浸泡1-60min)，使半固化状态的弹性高聚物表面凸凹不平，进一步增强纳米复合功能材料层与弹性高聚物层的附着牢固性和稳定性。
S7、二次浸染弹性纱线，将上述S6得到弹性纱线以一定速度通过放有上述纳米复合功能材料的浸染装置，使其表面附着一层纳米复合功能材料，再经过热固处理(50-120℃加热装置干燥0.1-2h)，使其固化，得到表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线，此步骤根据实际需要可以重复几次，使其表面充分浸染，以提高弹性纱线的柔韧性能和力学性能。
S8、三次浸染弹性纱线，将上述S7得到的功能弹性纱线根据需要可以再利用浸染工艺在其表面附着一层弹性封装层，所述弹性封装层浸染弹性高聚物溶液后固化而成，起一定的保护作用。
如图2所示，为一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线的结构图，包括弹性纱线101，其表面依次附着包裹有弹性高聚物层102、纳米复合功能材料层103和弹性封装层104。其中弹性纱线优选直径0.1-1mm的弹性纱线，弹性高聚物层的厚度为10-500μm，纳米复合功能材料层的厚度为10μm-1mm，弹性封装层的厚度为10-500μm。弹性高聚物层102为其提供良好的柔韧性能和力学性能，纳米复合功能材料层103进一步提高其柔韧性能和力学性能。
本发明还提供了一种柔性织物传感器的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：
S9、编织，利用织布机编织工艺，将上述制备的表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线作纬纱，普通纱线作经纱，编织成大面积的表面附着有纳米复合材料的弹性织物。
S10、裁剪、组装制备柔性织物传感器，根据传感器尺寸大小，需要从S9制备的大面积弹性织物上剪取合适的尺寸功能织物，采用物理接触方式(如缝纫、钉鸡眼扣/气眼扣、印刷、粘贴等方式)，以其为基底和作为高灵敏的敏感材料层，在其表面制备柔性电极实现电性连接，再经过组装制备弹性织物基柔性织物传感器。
实施例1
一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线制备方法，包括以下步骤：
S1、将质量分数为0.01％的碳纳米材料溶入分散剂中，在50-300w功率下超声0.1-2h，使其充分混合，配制得到1mg/ml的碳纳米材料均匀分散液。
S2、将质量分数为0.2％弹性高聚物溶入分散剂中，搅拌0.1～3h，配置得到10mg/ml的弹性高聚物溶液。
S3、将上述碳纳米材料分散液和上述弹性高聚物溶液充分混合搅拌0.5-2h，并在100-300W功率下超声0.1-2h，制备得到分散均匀的纳米复合功能材料。
S4、将弹性纱线在乙醇溶液中浸泡1-60min进行预处理。
S5、将预处理后的弹性纱线以一定速度通过放有上述弹性高聚物溶液的浸染装置，再经过热固处理，在50-120℃加热装置干燥0.1-2h，使其处于半固化状态。
S6、对上述S5得到的弹性纱线经过粗糙化处理，通过乙醇溶液中浸泡1-60min。
S7、将上述S6得到弹性纱线以一定速度通过放有上述纳米复合功能材料的浸染装置，使其表面附着一层纳米复合功能材料，再经过热固处理(50-120℃加热装置干燥0.1-2h)，使其固化，得到表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线。
S8、将上述S7得到的功能弹性纱线根据需要可以再利用浸染工艺在其表面附着一层弹性封装层。
一种柔性织物传感器的制备方法，包括以下步骤：
S9、编织，利用织布机编织工艺，将上述制备的表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线作纬纱，普通纱线作经纱，编织成大面积的表面附着有纳米复合材料的弹性织物。
S10、裁剪、组装制备柔性织物传感器，根据传感器尺寸大小，需要从S9制备的大面积弹性织物上剪取合适的尺寸功能织物，采用物理接触方式(如缝纫、钉鸡眼扣/气眼扣、印刷、粘贴等方式)，以其为基底和作为高灵敏的敏感材料层，在其表面制备柔性电极实现电性连接，再经过组装制备弹性织物基柔性织物传感器。
实施例2
一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线制备方法，包括以下步骤：
S1、将质量分数为0.2％的碳纳米材料溶入分散剂中，在50-300w功率下超声0.1-2h，使其充分混合，配制得到1mg/ml的碳纳米材料均匀分散液。
S2、将质量分数为2％弹性高聚物溶入分散剂中，搅拌0.1～3h，配置得到10mg/ml的弹性高聚物溶液。
S3、将上述碳纳米材料分散液和上述弹性高聚物溶液充分混合搅拌0.5-2h，并在100-300W功率下超声0.1-2h，制备得到分散均匀的纳米复合功能材料。
S4、将弹性纱线在乙醇溶液中浸泡1-60min进行预处理。
S5、将预处理后的弹性纱线以一定速度通过放有上述弹性高聚物溶液的浸染装置，再经过热固处理(50-120℃加热装置干燥0.1-2h)，使其处于半固化状态。
S6、对上述S5得到的弹性纱线经过粗糙化处理(通过乙醇溶液中浸泡1-60min)。
S7、将上述S6得到弹性纱线以一定速度通过放有上述纳米复合功能材料的浸染装置，使其表面附着一层纳米复合功能材料，再经过热固处理(50-120℃加热装置干燥0.1-2h)，使其固化，得到表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线。
S8、将上述S7得到的功能弹性纱线根据需要可以再利用浸染工艺在其表面附着一层弹性封装层。
一种柔性织物传感器的制备方法，包括以下步骤：
S9、编织，利用织布机编织工艺，将上述制备的表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线作纬纱，普通纱线作经纱，编织成大面积的表面附着有纳米复合材料的弹性织物。
S10、裁剪、组装制备柔性织物传感器，根据传感器尺寸大小，需要从S9制备的大面积弹性织物上剪取合适的尺寸功能织物，采用物理接触方式(如缝纫、钉鸡眼扣/气眼扣、印刷、粘贴等方式)，以其为基底和作为高灵敏的敏感材料层，在其表面制备柔性电极实现电性连接，再经过组装制备弹性织物基柔性织物传感器。
如图4所示，为本发明柔性织物传感器的拉伸应变-电阻曲线图，本发明制备的柔性织物传感器可实现0-30％范围内的线性应变感知。
如图5所示，为本发明柔性织物传感器压力-电阻曲线图，本发明制备的柔性织物传感器可实现0-5kg的压力范围感知。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、制备碳纳米材料分散液，将质量分数为0.01％-0.2％的碳纳米材料溶入分散剂中，超声0.1-2h均匀分散，配制得到碳纳米材料分散液；
S2、制备弹性高聚物溶液，将质量分数为0.2％-2％的弹性高聚物溶入分散剂中，搅拌0.1～3h，配制得到弹性高聚物溶液，所述弹性高聚物为TPU、TPE、PDMS、硅胶；
S3、制备纳米复合功能材料，将所述碳纳米材料分散液和所述弹性高聚物溶液混合搅拌0.5-2h，并超声0.1-2h，制备得到分散均匀的纳米复合功能材料；
S4、预处理弹性纱线，将弹性纱线在乙醇溶液中浸泡1-60min进行预处理；
S5、浸染弹性纱线，将预处理后的弹性纱线以一定速度通过放有所述弹性高聚物溶液的浸染装置，再经过热固处理使其处于半固化状态；
S6、粗糙化处理弹性纱线，将上述步骤S5得到的弹性纱线加入至乙醇溶液中浸泡1min-60min进行粗糙化处理，使半固化状态的弹性高聚物表面凸凹不平；
S7、二次浸染弹性纱线，将上述步骤S6得到弹性纱线以一定速度通过放有所述纳米复合功能材料的浸染装置使其表面附着一层纳米复合材料，再经过热固处理，制备得到表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线，此步骤根据实际需要可以重复几次。
2.如权利要求1所述的一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线制备方法，其特征在于：还包括步骤：
S8、三次浸染弹性纱线，将步骤S7得到的功能弹性纱线利用浸染工艺在其表面附着一层弹性封装层。
3.如权利要求1或2所述的一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线制备方法，其特征在于：所述碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯RGO。
4.如权利要求1或2所述的一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线制备方法，其特征在于：所述分散剂为无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、环己烷。
5.一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线，其特征在于：根据权利要求1制备得到，包括弹性纱线，所述弹性纱线表面依次附着有弹性高聚物层和纳米复合功能材料层。
6.如权利要求5所述的一种表面附着有纳米复合功能材料的弹性纱线，其特征在于：所述纳米复合功能材料层表面还附着有弹性封装层。
7.柔性织物传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S9、编织，利用织布机编织工艺，将权利要求1或2所述附着有纳米复合功能材料的弹性纱线作纬纱，普通纱线作经纱进行编织，得到表面附着有纳米复合功能材料的弹性织物；
S10、将步骤S9制备的大面积弹性织物上剪取合适尺寸的功能织物，采用物理接触方式制备柔性电极实现电性连接，并进行组装制备得到弹性织物基的柔性织物传感器。
8.如权利要求7所述的柔性织物传感器的制备方法，其特征在于：步骤S10中所述物理接触方式采用缝纫、钉鸡眼扣/气眼扣、印刷或粘贴。
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