CN216507265U

CN216507265U - 多功能柔性传感装备

Info

Publication number: CN216507265U
Application number: CN202122476824.4U
Authority: CN
Inventors: 龚兴龙; 周建宇; 王胜
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2031-10-14

Abstract

本实用新型涉及一种多功能柔性传感装备，所述多功能柔性传感装备的结构自里向外包括内衬层、导电层与外防护层。所述的多功能柔性传感装备集防护、传感与热管理一体，具有导电和防护与通电发热性能,可以广泛应用于人体的各个身体部位，可以起到防护与升温的功能，保护使用者免受冲击与低温的伤害。

Description

多功能柔性传感装备

技术领域

本实用新型涉及智能穿戴技术领域，具体涉及一种多功能柔性传感装备。

背景技术

智能穿戴技术是一类能够与人的日常穿戴相结合，便携方便的同时实现复杂功能的新型技术。这类技术被广泛应用到电子皮肤,体外诊断和人类的生理运动检测中。其中智能可穿戴装备通常是通过将导电材料与纺织品基体结合研制而成的。其兼具柔性与导电性，可根据电学信号的变化对外界力、磁、光等刺激进行感知与反馈。由于具有良好的监测能力，智能可穿戴装备广泛应用于运动捕捉、医学诊断、人体防护等领域。

随着外界刺激的复杂化与应用需求的多样化，单一功能的可穿戴装备已远远不能满足实际应用需求。基于此，研究人员逐渐展开多功能可穿戴装备的研制工作。

有害的机械碰撞在日常生活中普遍存在。因此，可穿戴防护装备成为近年来的研究热点。利用剪切增稠被认为是一种保护人体有效的策略，并得到了广泛的研究。公开号为CN207172890U的中国专利公开了一种柔软且可叠加使用的高缓冲片材及其制备方法，可根据需求自行裁剪成不同形状且具有优异的缓冲性能。公开号为CN207252840U的中国专利公开了一种柔软舒适的高缓冲护膝及其制备方法，解决现有的运动护具在防护性能与柔软舒适无法兼备的问题，在穿戴舒适的基础上又具有较传统防护材料更加优异的防护性能。

此外，环境温度也是影响人类健康生活的重要因素。电驱动可穿戴焦耳加热器由于具有长期加热稳定性和灵活性等优点，在人体热管理领域受到广泛关注。公开号为CN205658414U的中国专利提供了一种设置有电热膜加热层，可以满足保暖需求的同时灵活操控电子装备的智能手套。公开号为CN206214260U的中国专利提供了一种可穿戴电加热系统，可以在拉伸、弯曲、扭曲等变形条件下仍然保持稳定的电加热性能。

从目前所公开的专利来，对能够对外界多重刺激做出响应行为的智能可穿戴装备的研究仍然较少，特别地，对于能够同时起到人体防护与热管理的可穿戴装备还极其缺乏，且大部分可穿戴装备制备工艺复杂、设计困难。基于上述缺点，该类可穿戴装备难以满足复杂环境下的需求，同时不便于大规模生产应用。

实用新型内容

本实用新型改进传统技术的不足，提供一种多功能柔性传感装备。所述的多功能柔性传感装备集防护、传感与热管理一体，具有导电和防护与通电发热性能。可以起到防护与升温的功能，保护使用者免受冲击与低温的伤害。

具体来说，本实用新型通过如下技术方案实现：

一种多功能柔性传感装备，所述多功能柔性传感装备的结构自里向外包括内衬层、导电层与外防护层。

进一步地，所述的内衬层包括纺织布层和由羟基硅油及硼化物形成的剪切变硬胶层，所述剪切变硬胶层任选地部分地或完全地浸渍所述纺织布层；优选地，所述硅油与硼化物的质量比为10:1至40:1；优选地，所述剪切变硬胶层在30摄氏度至200摄氏度的温度下形成。

进一步地，所述的外防护层包括纺织布层和由羟基硅油及硼化物形成的剪切变硬胶层，所述剪切变硬胶层任选地部分地或完全地浸渍所述纺织布层；优选地，所述硅油与硼化物的质量比为10:1至40:1；优选地，所述剪切变硬胶层在30摄氏度至200摄氏度的温度下形成。

进一步地，所述导电层由导电金属碳化物、碳纳米管膜、石墨烯膜、铜箔中的一种或多种形成。

进一步地，通过3D打印机打印模具，将硅橡胶基体浇筑在模具中，得到不同形状的柔性模具，所得模具用于制备多功能柔性传感装备中的导电层。

进一步地，其中所述导电层在零下196摄氏度至零下30摄氏度的温度下形成；优选地，所述导电层在零下196摄氏度至零下50摄氏度的温度下形成。

进一步地，其中所述的硼化物选自氧化硼、硼酸、硼酸盐或卤化硼中的一种或者多种。

进一步地，其中所述的纺织布选自凯夫拉、石棉、聚乙烯纺织品、亚克力板、棉织物、硅橡胶膜、涤纶、丝绸、莱赛尔、无纺布中的一种或多种。

制备如上所述的多功能柔性传感装备的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将剪切变硬胶溶解，得到溶液；优选地，所述的剪切变硬胶的制备方法包括：(1)将硅油与硼化物混合；(2)对步骤(1)中获得的混合物在室温至200摄氏度的温度进行热处理；

b.在步骤a得到的溶液中浸渍纺织布并烘干；

c.将导电层压贴在步骤b所得产物上；

d.将另一份步骤b所得产物与步骤c所得产物压贴在一起，压贴后所得产物中，导电层处于两份烘干的浸渍纺织布中间。

在本实用新型的另一个方面，提供一种多功能柔性传感装备的制备方法，所述方法包括以下步骤：

a.将硅油与硼化物混合；

b.对步骤a中获得的混合物在180℃下热处理；

c.将步骤b所得产物溶解，得到溶液；

d.将纺织布浸入步骤c所得的溶液并干燥；

e.将导电层压贴在步骤d所得的纺织布上；

f.将另一层步骤d所得的纺织布压贴在步骤e所得产物上。其中压贴后所得产物中，导电层处于两份烘干的浸渍纺织布中间。

在本实用新型的另一个方面，提供了一种基于3D打印方法设计织物上的导电通路方法，所述方法包括以下步骤：

g.利用3D打印机打印出不同形状的模具；

h.将PDMS的基本组分和固化剂两部分均匀混合；

i.将步骤h所得混合物进行真空除气处理；

j.将步骤i所得混合物倒入步骤g所得模具中，并室温固化；

k.将步骤j所得进行放入丙酮溶液中超声溶解外部模具，取出PDMS模具；

l.将导电金属碳化物溶液导入步骤k所得的模具中，放入液氮-196摄氏度冷冻；

m.将步骤l所得放入冷冻干燥机，在-50摄氏度真空环境下冷冻干燥；

n.将步骤m所得取出，剪去PDMS模具部分，得到不同图案的、可压贴在织物上的导电层。

本实用新型提供的多功能柔性传感装备可以广泛应用于人体的各个身体部位，拓展了传统柔性可穿戴装备的功能类别，使之对力、生理信号、磁场具有良好的感知反馈能力，在对于人体的生理活动进行传感的同时，由于剪切变硬胶与导电层的存在，可以起到良好的防护与保暖作用，使人体免受冲击与低温的伤害。在装备的结构设计过程中，巧妙地运用了3D打印技术，可以使导电层更加复杂，进而满足不同的应用需求。因此，该装备结构在智能可穿戴装备领域的传感与防护等方面具有较大的潜力。

附图说明

图1为不同导电金属碳化物含量的结构的阻抗。

图2为实例2所得的剪切变硬胶在不同剪切速率下的储能模量曲线。

图3为多功能柔性可穿戴装备结构贴附在手指上的传感性能。

图4为多功能柔性可穿戴装备结构贴附在咽喉上的传感性能。

图5为多功能柔性可穿戴装备结构贴附在腕部脉搏处的传感性能。

图6为多功能柔性可穿戴装备结构对于磁场的响应

图7为多功能柔性可穿戴装备结构在落锤冲击下的防护效果。

图8为多功能柔性可穿戴装备结构在不同电压下温度的可调控性。

图9为多功能柔性可穿戴装备结构在不同电压下的升温-降温曲线。

图10为多功能柔性可穿戴装备结构在5伏特电压下多次开关的稳定性测试结果。

图11为多功能柔性可穿戴装备结构在5伏特电压下长时间加热的稳定性测试结果。

图12为多功能柔性可穿戴装备结构在使用不同纺织品时对于发热效应的影响。

图13为多功能柔性传感装备的结构示意图。

图中，1—内衬层；2—导电层；3—外防护层

具体实施方式

一种多功能柔性传感装备，所述多功能柔性传感装备的结构自里向外包括内衬层1、导电层2与外防护层3，其结构如图13所示。

下面的实施例所制得的样品的性能参数按照如下测试方法进行测试：

A、测量样品的阻抗与电阻变化率的具体方式如下：

将样品平放在桌面上/贴合在手指处/贴合在咽喉处/贴合在手腕处，使用导线连接在阻抗仪(Solartron Analytical,AMETEK Advanced Measurement Technology,Inc.，英国)的正负极，利用阻抗仪系统观察样品的阻抗和在外部刺激下电阻的变化。

B、测量剪切变硬胶储能模量的具体方式如下：

剪切变硬胶被模具压制成厚度为1毫米、直径为20毫米的圆柱体。使用商用流变仪(Physica MCR 301,Anton Paar Co.，奥地利)对其流变性能进行表征。

C、测量样品发热效应的具体方式如下：

将样品放置在透明盒子中，减少外部气流对于温度的扰动。将热电偶(CEM华盛昌四通道多路巡检仪4路热电偶)的探头放置在样品中央。电脑连接热电偶到，实时记录温度变化并且导出数据。

实施例1：

剪切变硬胶的制备方法如下：

取下列质量比的原料：

硅油：硼酸＝40:1

将100g硅油与2.5g硼酸混合搅拌，放入温度为180摄氏度的烘箱中，待硅油凝结成块后，加入250μL的正辛酸，待正辛酸使结块软化，再次搅拌。放回温度为180℃的烘箱中继续加热15分钟后取出。

其中：所述的硅油为深圳市千京科技发展有限公司QK-501羟基硅油，在25摄氏度下粘度为15-30，羟基含量8-9。

实施例2：

剪切变硬胶的制备方法如下：

取下列质量比的原料：

硅油：硼酸＝30:1

将100g硅油与3.33g硼酸混合搅拌，放入温度为180摄氏度的烘箱中，待硅油凝结成块后，加入250μL正辛酸，待正辛酸使结块软化，再次搅拌。放回温度为180℃的烘箱中继续加热15分钟后取出。

实施例3：

剪切变硬胶的制备方法如下：

取下列质量比的原料：

硅油：硼酸＝20:1

将100g硅油与5g硼酸混合搅拌，放入温度为180摄氏度的烘箱中，待硅油凝结成块后，加入250μL正辛酸，待正辛酸使结块软化，再次搅拌。放回温度为180℃的烘箱中继续加热15分钟后取出。

实施例4：

剪切变硬胶的制备方法如下：

取下列质量比的原料：

硅油：硼酸＝10:1

将100g硅油与10g硼酸混合搅拌，放入温度为180摄氏度的烘箱中，待硅油凝结成块后，加入250μL正辛酸，待正辛酸使结块软化，再次搅拌。放回温度为180℃的烘箱中继续加热15分钟后取出。

分别测试实施例1-4中制得的剪切变硬胶的储能模量，测试方法按照前述测试方法中的B、测量剪切变硬胶储能模量的具体方式进行，测试结果如下：

硅油：硼酸	10:1	20:1	30:1	40:1
					初始储能模量(Pa)	136.5	232.2	823.6	1047.9
终止储能模量(Pa)	82483.6	104291.7	265363.6	321260.4

初始模量在剪切频率为0.1Hz条件下测得，终止模量在剪切频率为10Hz条件下测得。

硼酸是制备剪切变硬胶工艺中最常见的硼化物。类似地，氧化硼、硼化盐、卤化硼等一系列硼化物均可以参与反应，为最终产物中的硼-氧键引入硼元素，此处不再一一列举。

实施例5：

以下所用原料是道康宁184SYLGARD184灌封胶PDMS聚二甲基硅氧烷(是由液体组分组成的双组分套件产品，包括基本组分与固化剂)。

硅橡胶基体的制备步骤如下：

取下列质量比例的原料：

基本组分：固化剂＝20:1

将液态的基本组分与固化剂倒入烧杯，用玻璃棒搅拌使其均匀混合。将混合物在0.04MPa的压力和室温下放置30分钟，待无气泡后取出。随后将其放入温度为60摄氏度的烘箱中，待其固化后得到所需硅橡胶基体。

实施例6：

硅橡胶基体的制备步骤如下：

取下列质量比例的原料：

基本组分：固化剂＝10:1

将液态的基本组分与固化剂倒入烧杯，用玻璃棒搅拌使其均匀混合。将混合物在0.04MPa的压力和室温下放置30分钟，待无气泡后取出。随后将其放入60摄氏度的烘箱中，待其固化后得到所需硅橡胶基体。

实施例7：

硅橡胶基体的制备步骤如下：

取下列质量比例的原料：

基本组分：固化剂＝5:1

硅橡胶基体的制备步骤如下：将液态的基本组分与固化剂倒入烧杯，用玻璃棒搅拌使其均匀混合。将混合物在0.04MPa的压力和室温下放置30分钟，待无气泡后取出。随后将其放入60摄氏度的烘箱中，待其固化后得到所需硅橡胶基体。

分别测试实施例5-7中制得的硅橡胶基体的储能模量，测试方法按照前述测试方法中的B、测量剪切变硬胶储能模量的具体方式进行，测试结果如下：

基本组分：固化剂	5:1	10:1	20:1
				初始储能模量(MPa)	0.18	0.17	0.05
终止储能模量(MPa)	0.22	0.19	0.07

实施例8：

制备Mxene溶液：

1、将2g氟化锂与9M 40ml盐酸在聚四氟乙烯烧杯里搅拌30分钟，转速为400转/分钟。

2、将2g相陶瓷钛铝碳(吉林省11科技11technology Co.,Ltd MAX-Ti3AlC2颗粒尺寸：74微米；分子质量：194.6；密度：4.2克/立方厘米)缓慢加入第一步骤的烧杯中，随后在35摄氏度下以400转/分钟的转速进行磁力搅拌，搅拌24小时。

3、将步骤2所得反应产物倒入离心管，以3500转/分钟的转速进行离心，将上清液作为废液倒出。

4、在步骤3的离心管中加入30毫升去离子水，超声20分钟，以3500转/分钟的转速进行离心，将上清液作为废液倒出。将此步骤重复五次，此时溶液pH值达到5.5-6.5之间。

5、在步骤4的离心管中加入30毫升去离子水，超声2小时。以3500转/分钟的转速进行离心1小时，收集上层溶液作为产物，备用，此产物用于实施例9中。将此步骤重复四次，底部出现无用的灰色的反应剩余物。

实施例9：

制备导电层步骤如下：

1、利用3D打印机(闪铸科技creator-pro)，使用ABS树脂线材(闪铸科技直径1.75毫米)；打印温度230摄氏度，打印硬质铸造空腔，由此得到模具；

2、将由基本组分和固化剂质量比为10:1的液态混合物倒入空腔中，放入温度为80摄氏度的烘箱中，经过20分钟的固化过程后取出；

3、将步骤2所得放入丙酮溶液中超声，ABS树脂溶解于丙酮中，将内部的PDMS软模具取出；

4、将实施例8所得产物倒入步骤3中所得的软模具，放入冷冻干燥仪(宁波新芝scientz-10N/A)中，在-50摄氏度温度下冷冻干燥36小时。

5、将步骤4所得取出，剪去PDMS模具部分，得到具有特定形状的海绵状碳化钛，所述海绵状碳化钛用于实施例10中。

柔性模具则易于剪开剥离，从而得到具有特定形状的海绵状碳化钛。

本实例中所得的柔性模具与传统的硬质模具相比，具有易剥离的特点。若使用传统模具进行冷冻干燥，再取出模具内材料时难以避免地会破坏其原始结构。而柔性模具则易于剪开剥离，从而得到具有特定形状的海绵状碳化钛。

实施例10：

1、将实施例2制备的100克剪切变硬胶放入300毫升乙醇溶液中在室温下超声溶解，得到溶液；

2、在室温下，将凯夫拉纺织布(尺寸为2厘米乘以3毫米)在步骤1所制得的溶液中反复浸渍6次，并烘干，得到浸渍布。其中，所用的凯夫拉纺织布的型号为Kevlar-129，厚度为0.3毫米，面密度为200克/平方米。

3、将20毫克实施例9所制得的海绵状碳化钛用金属棒滚动压贴在步骤2所得浸渍布上；

4、将另一份步骤2所得浸渍布与步骤3所得产物用金属棒滚动压贴在一起，压贴后所得产物中，所述的海绵状碳化钛处于两份步骤2所得的浸渍布中间，形成顺序为浸渍布、海绵状碳化钛和浸渍布的结构，得到多功能柔性传感装备。

本实施例中凯夫拉纺织布被石棉、聚乙烯纺织品、亚克力板、棉织物、硅橡胶膜、涤纶、丝绸、莱赛尔或无纺布所替代，重复上述制备过程，得到不同的多功能柔性传感装备结构。

图1为不同导电金属碳化物含量的结构的阻抗，根据实施例10，改变海绵状碳化钛的含量，从而测得不同海绵状碳化钛含量时多功能柔性传感装备结构的阻抗，结果如图1所示，测试方法如前面A、测量样品的阻抗与电阻变化率的具体方式所述。图2为实施例2所制备的剪切变硬胶在不同剪切速率下的储能模量曲线。图3为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构贴附在手指上的传感性能。图4为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构贴附在咽喉上的传感性能。图5为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构贴附在腕部脉搏处的传感性能。图6为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构对于磁场的响应。图7为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构在落锤冲击下的防护效果。图8为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构在不同电压下温度的可调控性。图9为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构在不同电压下的升温-降温曲线。图10为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构在5伏特电压下多次开关的稳定性测试结果。图11为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构在5伏特电压下长时间加热的稳定性测试结果。图12为实施例10所制备的多功能柔性可穿戴装备结构在使用不同纺织品时对于发热效应的影响。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims

1.一种多功能柔性传感装备，其特征在于，所述多功能柔性传感装备的结构自里向外包括内衬层、导电层与外防护层；所述导电层由导电金属碳化物形成。