柔性织物传感器的研究进展

曾颖怡，许黛芳，曾 悦，齐雨诗，陈嘉惠，夏苏珍

(嘉兴学院 设计学院，浙江 嘉兴 314001)

近年来，随着纺织材料和电子信息技术的迅速发展，越来越多研发人员开始了对智能服装的研究。智能服装需要具备获取外部信息或感知内部状态变化的能力，并对变化作出反应后反映给使用者[1]，而这种能力离不开传感器。智能服装中的传感器，需要具备可弯曲拉伸、可洗涤、舒适柔软、轻便易携带等特性，虽然目前许多可穿戴设备上都应用了柔性传感器，但仍不能满足智能服装对传感器的需求。本文总结了近些年柔性织物传感器的研究现状，并对其中存在的问题进行分析，探究柔性织物传感器未来的研发方向。

1 柔性织物传感器的研究现状

1.1 柔性织物传感器的定义

柔性织物传感器是以纺织物作为传感器的柔性基底，通过将导电材料与基底进行结合或直接用导电纱线织造得到的织物基底传感器，具有柔韧性强、贴体性好、可拉伸等特点，是智能服装的重要组成部分。目前对柔性织物传感器的研究主要基于导电材料以及织物基底两个方面，常见的导电材料有金属纳米材料、碳基材料、高分子聚合物等，这些材料的电学属性会因物体变形、温度变化、湿度影响等因素而发生改变，从而将这种改变转化为可检测电信号。机织物、针织物以及非织造织物均能作为织物传感器的基底，而有特殊线圈结构，具有良好的延展性以及贴体性的针织物，应用在服装的传感器上能最大限度地接收到人体活动信息，受到许多研发者的青睐。

1.2 柔性织物传感器的种类

1.2.1柔性织物应变/压力传感器

柔性织物应变/压力传感器可将物体的形变或受力转换为电信号，传统基于金属、半导体这类刚性材料的应变传感器应变范围、敏感度、柔韧性都比较低，很难满足智能服装对传感器高应变的需求[2]，因而催生了对柔性应变织物传感器的研发。

曹少杰等人[3]以弹性棉织物、聚乙烯醇和碳纳米管为原料，将弹性棉织物用处理好的碳纳米管PVA溶液进行浸泡烘干，以聚酰亚胺薄膜为保护层减小传感织物的磨损，制备了叉指型柔性压力传感器。PVA的黏附作用使得CNTs均匀地分布在织物上，聚酰亚胺薄膜可以保持传感器在长期使用过程中的稳定性，具有低成本、高稳定性、结构简单的优点。周自强[4]用银纳米线浸涂法制备导电织物，以丝网印刷制造工艺将织物电极多次印刷在织物上得到清晰电路，这种印刷工艺比溅射和光刻更加简易，更节约成本，适合大范围传感器的制备。肖渊等人[5]以导电铜箔作电极制备织物/PDMS复合介电层三明治型电容式传感器，利用PDMS的固化使铜箔与织物无缝贴合，这种制备工艺虽然简单，但也有较好的稳定性和可重复性。沈宏骏等人[6]设计了一种电容式应变传感器，采用了弹性大、容易拉伸、柔韧性好的硅胶作为介电层以保护电极层的导电织物，这种三明治结构的传感器结构较简单，同时也降低了成本，具有重复性好、迟滞性小以及良好的线性关系等优势。

1.2.2柔性织物温度传感器

服装用的柔性温度传感器同样也要具备可弯曲、可拉伸的特性，并实现外界温度变化时导电织物的电阻发生改变。由于不同材料电阻受温度影响范围不同，与柔性基底材料结合的传感材料通常会根据其应用环境而采用不同的材料，目前柔性温度传感器基底材料主要有有机聚合物材料、厚度小至100 μm左右的金属箔片等[7]，以纺织品为基底的柔性织物温度传感器更易集成在智能服装中，因而越来越多的研究者对其进行了探索。

张丽娜[8]将感温元件Pt纤维分别沿经纬向交织嵌入制备Pt/棉织物温度传感器，两两Pt纤维被棉纱隔开防止相邻纤维互相影响性能。在理想油浴环境中对传感织物进行性能系数分析，得出该柔性织物温度传感器的线性度相关系数良好，静态误差为±1.51%，温度系数为0.00362/℃，迟滞为4.20%，是性能十分良好的温度传感器材料。

付冬等人[9]将具有温度响应的含芘基咪唑类离子液体与石墨及有机物制备成温度响应性油墨，通过丝网印刷工艺将芯片印刷于柔性基底上制备柔性织物温度传感器，这种油墨具备一定的粘度，在A4纸、PET和白色棉布这三种粗糙程度不同的基底上都十分均匀致密，且可以稳定附着于表面。另外，印刷芯片的电流变化率会随温度的升高而升高，使传感器响应更灵敏且具备可重复性。

1.2.3柔性织物湿度传感器

湿度传感器可以监测人体皮肤和呼出气体中的水分含量，对诊断潜在疾病有十分重要的作用[10]。

王婷婷[11]通过探讨不同导电纱线及不同织物基底对传感器及天线标签性能的影响和刺绣叉指电容式湿度传感器的性能，使用铜丝包缠纱和纯棉机织牛仔布制备织物基RFID湿度传感器，该传感器的灵敏度和重复性较好，虽然避免了传统丝网印刷电极因多次使用致电极破损的问题，但其湿滞也相较丝网印刷传感器更大。

王丽红[12]通过将涤纶包氨纶包芯纱(CSY)浸于MXene溶液中，完成基于MXene的CSY(MCSY)的制备，由于该纤维的孔隙小，内部压强小，芯吸效应十分显著，导电材料透湿更完全，且纱线不会因为在潮湿环境中生锈而降低稳定性和使用年限，是生产柔性湿度传感器较为理想的材料。

1.3 柔性织物传感器的制备

柔性织物传感器的两种制备方法，一是涂层法，即通过将传感材料以印刷、涂覆等方式附于织物基底上；二是嵌织法，即通过导电纱线进行柔性基底的织制或通过刺绣等方法嵌入织物基底。

1.3.1涂层法

涂层法使织物基底具有传感性能，获得的传感器有更好的灵敏度和线性度，是目前使用最广泛的柔性织物传感器制备方法。Zhang L等人[13]利用化学键的强相互作用将多功能聚合物和碳管导电网络形成的导电涂层稳定附着在织物表面，解决了人体分泌的油脂、汗液以及穿戴磨损等影响传感器使用寿命及灵敏度的问题。林佳濛等人[14]利用等离子体技术对聚吡咯进行处理，改善其在涤纶经编织物上的附着量和附着牢度，并得出当等离子预处理4次时附着效果最佳。牟迪迪等人[15]以氧化石墨烯分散液作染液，采用传统浸轧染色工艺，在棉/氨纶织物表面覆上氧化石墨烯纳米薄膜，利用多巴胺在自聚合时的强还原性制备导电性能良好的还原氧化石墨烯棉/氨纶柔性传感器。常胜男等人[16]对棉织物进行碳化处理后，用热塑性聚氨酯溶液浸泡织物得到导电基底用以制备柔性压力传感器，实验得出该传感器的可重复性高达4000次且传感性能优异。

1.3.2嵌织法

嵌织法相比涂层法有更良好的形变性、耐用性和较大的测量范围，可以解决因拉伸幅度过大破坏涂层从而影响传感性能的问题。这个方法的关键在于导电纱线的制备以及织物结构的设计。

导电纱线的制备通常是将导电纤维直接进行纺纱或通过将导电材料包覆于非导电纱线上这两种方式。毕曙光[17]等人针对柔性应变传感器合成了长达120 μm、尺寸均一且长度可控的长银纳米线，这种长度的银纳米线在加入了阴离子水性聚氨酯(WPU)与弹性织物结合制备成传感器后，极易在WPU薄膜表面形成导电网络，导电性能和灵敏度都得到提高。通过将导电材料与聚合物混合，利用聚合物的特性为纱线提供良好的可纺性，进而获得性能良好的导电纱线，解决一般导电纱线在织制时低韧性和脆性过高的问题。

柔性导电织物的传感性能除了受导电材料影响外，还与基底的材料与结构有关。王双等人[18]加入碳纳米管纱线进行机织物基底的织造，以探究嵌入类平纹织物传感性能。实验表明，纱线与纱线之间的交点处存在摩擦力，会影响织物的传感性能，在一定范围内，织物表面的经向浮线越长，传感性能越好，另外，短碳纳米管纤维的纱线有更好的传感性能，更适用于织制织物传感器的基底。徐乐平[19]用脱胶、碳化等方式处理天然丝绸得到具有导电性的碳布(CSF)，对比了素绉缎、顺纡、双绉、双乔四种丝绸处理后得到的不同CSF的性能，结果表明经纬同向都加捻后的顺纡导电织物的传感性能更好。利用碳化丝绸制备的柔性应变传感器有很好的传感性能与服用性能，制备工艺简单且经济环保，市场应用前景可观。

1.4 柔性织物传感器的应用

柔软的织物传感器可以在不影响使用者正常活动的情况下对环境的温湿度、人体运动及生理健康等参数进行监测。柔性织物传感器具有轻薄便携的特性，可应用于儿童、老人、残疾人等的日常活动监测。在医学健康监测领域，柔性织物传感器可以与智能服装结合，轻便的传感器可以替代传统医疗器具，让患者活动方便。在一些特殊职业上，比如消防员、户外危险工作者，可以通过智能工作服的设计让工作人员了解自身状况和外部环境。

2 柔性织物传感器存在的问题

2.1 传感涂层的稳定性

通过涂层法制备的柔性织物传感器虽然可以简化制备工艺，且传感器的灵敏度高，但很难确保导电材料能够长期稳定地附着在织物上，且不会因穿着摩擦、水洗等对涂层造成损伤而降低传感器的灵敏度和精确度。涂层法相比其它方法最大的优点就是材料的选择性广，目前已有部分研究者通过材料之间的相互作用改善涂层稳定性，但想充分利用涂层法的优势，还需要对导电涂层的保护进行研究。

2.2 与服装的集成加工方式

柔性织物传感器的研发就是为了使传感器能更好地与服装融为一体，目前许多传感器与服装的结合都是直接进行缝制，服装与传感器之间存在一定差异，即便是十分轻薄的传感器，在穿着时也会让人产生异物感，因此需深入研究集成到服装上的方法，可参考织入、印刷等方式，将传感器与服装融为一体。

2.3 导电纱线的力学性能

嵌织法制备的柔性织物传感器在稳定性和可拉伸性方面比较理想，但会受到导线纱线性能的限制。普通金属纱线的韧性较小，在上机织制过程中易断，不适宜进行大批量的生产，若要加快织制效率还需研究制备简易、成本低的方法，从而增加应用于智能服装的可能性。

3 柔性织物传感器的研究趋势

3.1 传感器的服用性能

目前大多数柔性织物传感器的研究都集中于传感功能的开发以及对灵敏度的研究，对于可洗涤性与透气性等服用性能的研究还比较少，要真正制备理想的应用于服装的柔性织物传感器，需要不断对传感器的弹性、耐磨性、亲肤度等服用性能进行改进。

3.2 与服装集成工艺的研究

现有的将柔性织物传感器集成到服装中的工艺多为嵌织法，实现了传感器与服装之间的无缝集成。戴忆凡等人[20]采用不同线密度的纱线织制织物基底，把镀银导电纱线作为添纱原料，对集成柔性织物传感器的无缝内衣原料以及性能影响进行探究，制备了具有优良服用性能和导电性能的智能无缝内衣。郭秋晨[21]利用添纱提花的方式进行衣片的编织，探索合适的传感器尺寸和织入位置，并对不同导电纱线的传感性能进行分析，改进了集成传感器服装的制备工艺并提高了使用寿命。织入法是比较理想的集成方法，能减少服装加工工序，通过研究导电纱线、传感器尺寸及其传感性能之间的关系，可使研发步骤更加简单，提高效率，降低成本。

3.3 多功能的传感器

柔性织物传感器的研发可以减轻智能服装中复杂元件带来的负担，但现在许多传感器的功能较为单一，而智能服装的发展趋势必然是多功能化，研发可以响应多种功能的传感器不仅可以简化服装的制备工艺，也可以减少元件之间的连接，使智能服装轻便舒适。

4 结语

柔性织物传感器在性能研究方面已有一定成果，但仍有许多不足，研究空间广阔。柔性织物传感器的研发方向可总结为以下几点：对导电纱线的探究，研究纱线属性与传感性能之间的关系，做到纱线生产及传感器制备的可控化；尝试不同的织物基底材料，在寻找到良好服用性能织物的同时秉承绿色环保的理念，并协调好导电材料与基底之间的关系；多功能导电材料的研发有益于减少服装中传感器等元件。

柔性织物传感器的研发结合了纺织技术、电子信息技术等多元学科技术，研发过程只有明确对传感器的性能评估标准，结合多重关系对传感器进行最优化设计，才能让柔性织物传感器在更多领域得到广泛应用。