柔性应变织物传感器研究进展

王 双， 刘 玮， 刘晓霞

(上海工程技术大学 服装学院，上海 201620)

综述与评论

柔性应变织物传感器研究进展

王 双， 刘 玮， 刘晓霞

(上海工程技术大学服装学院，上海201620)

传感器是智能纺织品的重要组成部分。柔性智能传感器具有柔韧性好，可自由弯曲的特性，可使服装在获得智能化的同时保持其原有的舒适性能。以织物为基础的柔性应变传感器能够最大限度地实现与服装的无缝整合，在智能纺织品领域具有很高的应用价值。主要介绍了柔性应变织物传感器的不同制备方法及其应变传感特性。

传感器； 柔性； 应变； 织物

0 引 言

应变传感器是测量物体受力变形所产生应变的一类传感器[1]。与传统采用刚性材料制成的传感器不同，柔性应变传感器由于采用柔性材料制成，具有柔韧性好，可自由弯曲甚至折叠的特性，具有更广泛的应用前景[2]。尤其可作为智能纺织品的重要组成部分，使纺织品可在实现"智能性"的同时满足其他各种机械性能，且不影响或尽量避免影响纺织品的原有特性，如柔软度、手感等[3]。电阻式织物应变传感器多采用导电纱线并基于针织物结构，通过针织物线圈结构的形变产生织物电阻变化从而实现应变传感，导电纱线多采用不导电纱线镀银以及导电纱线与其他功能性纱线复合的方式[4]。

随着新型材料和智能材料研究，国内外研究人员对普通电阻应变传感器基底材料进行改进，在非导电高分子材料中添加导电介质或将导电聚合物涂覆在柔性基底上以获得具有应变敏感性的柔性导电复合材料[1]。聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚酰亚胺等作为基底材料已广泛用于柔性压力传感器的制作，有别于采用金属应变计的测力传感器和采用n型半导体芯片的扩散型普通压力传感器，此类具有良好的柔韧性、导电性及压阻特性，在智能服装、智能运动、机器人“皮肤”等方面广泛应用[5]。

近年来，柔性织物应变传感器受到了众多关注，并取得了一定的研究成果。以织物为基础的柔性应变传感器多为导电织物，大体可分为2种：利用编织技术将导电纱线织入到织物中；直接对织物进行导电涂层整理制备织物柔性应变传感器。

1 以导电纱线为基础的柔性应变织物传感器

根据导电纱线的原料不同，目前，较多研究将不导电的纱线采取镀金属银的方式制备导电纱线，以及将导电纱线与不导电功能纱线采用多种复合的方式制备导电复合纱线(比如包芯纱等)。

1.1 以镀银纱线为基础的柔性应变织物传感器

将不具备导电性的纱线表面镀银后，与其他纱线交织制备导电织物，对其进行拉伸测试，可表现出较好的导电性能。目前，研究较多的是以针织结构为基体的交织织物，例如王金凤等人[6]采用的镀银导电锦纶丝在应变为2 %内的初始电阻为26.41 Ω，计算得其应变灵敏度为K=2.51。将镀银导电锦纶丝与其他纱线编织了五种纬编针织结构柔性传感器，研究发现：选择较小的圈距、较大的线圈长度、较高的单位长度纱线电阻率、较多的线圈纵、行数和较少的线圈横、列数，可以设计出敏感度高且测量简易方便的针织柔性传感器。韩潇等人[7]制备了以镀银导电锦纶纱为面纱的纬平针添纱组织柔性传感器。在传感区域尺寸纵行数×横列数为240×15时，灵敏度最高为47.43，实验表明:在横、列数相同的情况下，电阻随纵、行数的增加而线性增加；在纵、行数相同的情况下，电阻随横、列数的减少而线性增加，电阻与应变的拟合曲线斜率也有同样的规律。

1.2 以复合纱线为基础的柔性应变织物传感器

将具备导电性的纱线(本身具备导电的单纱或者采用镀银等方式处理后导电的单纱)与其他不导电功能性纱线通过包芯纱等复合方式得到的导电复合纱线，再将导电复合纱线与其他纱线交织制备导电织物。在复合过程中，各组分的成分均会对复合纱线的导电性形成影响，例如李准准等人[8]以涤纶纱线为基材制备了涤纶/聚苯胺导电纱线，测试聚苯胺质量分数对导电纱线导电性的影响。实验表明当pH值为2～3，过硫酸铵为2g，聚苯胺用量为10 g时，导电纱线的电阻率最小为96，导电性最好。张保宏等人[9]研究了过硫酸铵、苯胺以及硫酸浓度等条件对于聚苯胺/涤纶复合导电纱线导电性能的影响，结果表明：过硫酸铵/苯胺单体摩尔比1︰1，硫酸浓度1 mol/L时，复合纱线电阻约为300 Ω/cm，此时导电性最好。

同样导电复合纱线也多采用针织结构为基体进行拉伸应变研究，例如刘焘等人[10]以柔性涂炭纤维为原材料，制备了纬平和1+1罗纹两种针织物结构，对其传感性能测试结果说明并股纬平针织传感器的灵敏度最好，其量规因数(gauge factor,GF)值为1.520。但相较于有关柔性传感器研究的文献中灵敏度的范围：1.15～3.1，其研究的针织物柔性传感器灵敏度相对较低。易红霞等人[11]制备了以镀银导电纤维和锦/氨包芯纱复合的柔性传感器，设计规格为22横列×200纵行，随着固定电阻增加，针织柔性传感器灵敏度降低；拉伸应变增加时，传感器灵敏度降低；当选用固定电阻为7.5 Ω，拉伸应变为10 %时复合纱线灵敏度最高，其GF值接近2.500。 吴艳平等人[12]以棉氨纶包芯纱整体为芯线提供弹性，不锈钢/涤/棉混纺纱作为外包纱提供导电性，测试表明：二次包缠纱的GF平均值为4.138 5，较一次包缠纱的灵敏度要好；一次包缠的纬平针织物的GF平均值为4.127 7，较罗纹织物要好；对于任何织物均在拉伸速度为10 mm/min时灵敏度最高，接近于4.14左右。 Hong Jianhan等人[13]以纬编针织结构为基础，利用聚乙烯(UHMWPE)/聚苯胺(PANI)复合纱，复合纱的电导率为(0.87±0.1)S/cm，制备了针织物传感器，对织物传感器的拉伸应变性能进行研究,如图1。结果表明：在相对较低的应变范围内，随着应变的增加，织物的电阻增加，选用织物密度为每英寸22.3个线圈，拉伸应变10 %时织物电阻最大为0.4×105 Ω。

图1 UHMWPE/PANI纬编针织传感器结构

杨斌等人[14]采用不锈钢长丝制备了单面经编织物和纬平平面织物，对织物进行了拉伸试验，结果表明：对于经编织物，其初始电阻为13.525 6 Ω，拉伸至断裂，相对电阻随应变增加而减少，在应变范围ε=2.15 %～17.69 %间几乎成一线性关系，相对电阻变化灵敏度为-3.917 l/ε。对于纬平平面织物，织物拉伸至60 %后再恢复到应变为零，同样织物相对电阻随应变增加而减少，在应变范围ε=28.464 2 %～48.548 4 %间成线性关系。Shayan Seyedin等人[15]以PU/PEDOT:PSS复合纱制备了纬平针织结构的传感器，在0 %～100 %拉伸范围内，0～500次循环中，测试了不同厚度针织物的电阻大小。结果表明：单层的针织结构传感器的电阻最大，接近700 kΩ，对应的GF值为-0.2。Atalay Ozgur等人[16]以镀银尼龙纱线制备了纬平针织物传感器，当拉伸应变为40 %时，织物的电阻最高，对应的GF值在3.44左右。

2 以导电涂层改性为基础的柔性应变织物传感器

涂层织物是指在织物表面涂覆完全连续的聚合物涂层，尼龙或聚酯长丝织物一般采用直接涂层；针织物结构疏松、容易伸长，一般采用转移涂层，即将聚合物涂在离型纸上形成薄膜，然后再将薄膜压在织物上。对涂覆原料上研究较多的为碳系涂层，例如张奕等人[2]利用熔混法将nm级的炭黑粉末分散在具有两相结构的SBS复合聚合物中，炭黑粉末的添加量为27.6 %。然后将化学物质氯代特戊酰氯(CPC)材料涂层在滑翔伞布上，制作成完整的CPC传感器，在织物拉伸断裂的过程中同时检测传感器的电阻率。结果表明:断裂伸长率小于15 %时，传感器的响应是非线性的；当断裂伸长率大于15 %时，传感器的响应几乎是线性的。经计算可得CPC传感器的衡量因子斜率K值为80，传统的金属导体K的最大值一般为2.1。廖丽芳等人[17]研究了以涤纶为基体的涂炭纱线的导电性能，随着拉伸率的增大，纱线的传感性能降低：在0 %～12 %拉伸范围内，F6S150，F12S150(F为纱线根数，S为纱线捻度)均有较好的线性度和灵敏度，GF分别为10.627，19.178；在0 %～30 %拉伸范围内，F12S150灵敏度最好，其GF值为19.968。

织物结构上，目前，研究较多以针织结构为主，衣卫京等人[18]以针织面料作为基布，通过印花方式涂覆导电复合材料制成具有应变传感功能的导电面料，对其拉伸试验表明：变形从0 %～100 %时，应力和电阻变化率均相应地增加；沿经向拉伸较纬向拉伸具有更好的电阻变化线性度、更小的应力和电阻变化滞后，且相应系数在4以上。碳系导电复合材料涂覆到针织面料后形成的导电针织面料具有明显的压阻特性，可以用作柔性压力或应变传感器的灵敏元件，衣卫京等人[19]研究了该导电针织面料在受到较小压力时的压阻性能，并探讨了不同结构和测试条件对其压阻性能的影响。结果表明：在0～3 kPa的压力范围内该导电针织面料的压力与电阻呈现非常好的线性关系，且在重复测试时具有良好的重复性；改变针织面料表面的涂层，压力测量能在更宽的范围内调整。Xue P等人[20]制备了聚吡咯针织涂层柔性应变传感器，研究结果显示：低聚合温度下化学气相沉积法制备的导电织物的应变灵敏超过400，拉伸范围超过50 %。 顾昊等人[21]测试了涂覆不同含量的导电炭黑涂层的棉织物的导电性能，当炭黑质量含量在15 %时，织物电阻最低为4.2×104 Ω·cm，导电性最好。 景凡等人[22]自制金属银包覆空心微珠，将其应用于织物涂层整理，试验测得随着镀银微珠填加量的增加，涂层织物的电阻率降低，导电性能增强。当镀银微珠与粘合剂4︰10质量混合时，电阻率为0.862 Ω·cm，与相同条件下银粉涂层织物的电阻率0.743 Ω·cm相接近。

近年来，许多其他领域的学者研究设计了一系列柔性应变织物的监测系统，更好地将智能服装与人体相结合。例如肖小玉等人[23]为指导慢性阻塞性肺疾病患者完成标准的呼吸操康复训练，设计了一种穿戴式呼吸监测系统，系统包括呼吸波传感器、数据采集电路板和手机APP软件。通过该系统，患者能实时观测自身呼吸波形和各项呼吸参数，通过对比标准呼吸曲线，根据同步提示音修正并完成标准呼吸操。张新贵等人[24]针对模拟和数字2种心率传感器无线信号传送距离短的状况，结合体育运动的实际需求，重点研究了数字心率传感器无线中继装置的工作原理，设计了针对Polar数字心率传感器的无线中继装置，为后续远端无线心率实时处理提供了硬件平台。

3 结 论

目前，国内外研制的柔性织物传感器主要将电子元件嵌入织物、将导电纱线织入织物，或通过具有涂层的间隔织物以及导电高聚物薄膜实现。编织法和涂层法制备柔性织物应变传感器，是大部分研究柔性智能服装的首选方法，大量的研究成果也证实该类传感器灵敏度高，但对于可穿戴服装来讲，其舒适性、耐水洗性、可重复性仍然是需要进一步研究的课题。另外，以碳纳米管材料为基体的柔性应变传感器，其应变传感机理模型尚未完善，碳纳米管纱线在针织物、机织物和编织物中的传感模型也是未来的研究方向之一；国内外对于碳纳米管传感器在应用方面的研究也还止步于静态拉伸应变微小变形，对于动态拉伸应变的大应变变形方面的研究很少，可以作为今后的研究方向。

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Researchprogressofflexiblefabricstrainsensor

WANG Shuang， LIU Wei， LIU Xiao-xia

(CollegeofFashionTechnology，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China)

Sensor is the essential part for smart textiles. With the excellent property of flexibility, flexible smart sensor can make the smart clothing maintain its comfortability. Especially, the flexible fabric stain sensor can fully realize the seamless integration with the clothing, which makes it has significant potential in smart textiles.Different methods to prepare the flexible fabric strain sensors and their sensing properties are introduced.

sensor; flexible; strain; fabric

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0001—03

TP 212.6

A

1000—9787(2017)12—0001—03

2016—10—28

王 双(1992-)，女，硕士研究生，主要研究方向为碳纳米管复合材料的制备及传感性研究。