生理体征监测纺织传感器在石化行业中的应用研究*

杨 琳,马艳丽,胡尊芳,耿苗苗

(1．山东省纺织科学研究院,山东青岛 266032 2．山东省特种纺织品加工技术重点实验室,山东青岛 266032 3．山东省产品质量检验研究院,山东济南 250102 4．潍坊市产品质量检验所,山东潍坊 261031)

0 前言

石化行业从业人员工作过程中存在环境温度极端、工作强度高、职业紧张、接触有毒物质等影响健康的不良因素,实时监测其生理体征信息可及时预警,规避潜在风险,提高医疗救助的时效性,对保障从业人员生命健康具有重要意义。

智能电子纺织品是以纺织品为载体或媒介的个人数字终端,与传统硬质可穿戴设备相比,具有柔性、可洗、便捷、异物感弱、心理接受程度高等优势。通过集成压阻、压电、电容、摩擦电效应等纺织基传感器,即可实现对脉搏、心率、血压、体温等生理指标检测,用于实时收集、处理和数字化生理数据,显著提高对个体长期实施生理参数监控和校正的可行性。因此,借助生理体征监测纺织传感器,主动对员工的生理状态、发展方向和优劣程度进行有效识别和评估,具有巨大的市场前景。

生理体征监测纺织传感器可被定义为医疗设备,但其标准化、集成度、稳定性、灵敏度、续航时间、成型技术不成熟,且较传统同类产品相比性价比优势不明显,限制了其进一步推广应用。因此,突破以上技术难题是现阶段的研发重点。本文从生理体征监测纺织传感器的工作机制、成型加工技术、研发趋势方面,介绍生理体征监测纺织传感器的研究进展,旨在推进其在石化行业从业人员健康监测领域的应用。

1 生理体征监测纺织传感器工作机制

1.1 压阻效应

压阻效应是指压力对材料电阻的影响,主要通过改变导电材料之间的接触电阻或导电弹性复合材料中的导电路径来实现。纺织基压阻效应传感器制备一般采用将导电活性材料的端头与电极连接的方式,将压力刺激导致的应变转换为导电活性材料的电阻变化,从而使输出信号发生明显变化。压阻效应纺织基传感器的原料易得、设计简单、易于测量,具有性能稳定、生产便捷、性价比高的优势。

动脉脉搏波形被认为是评估心血管疾病的重要诊断工具。由于动脉压力波动会引起皮肤表面的细微变形(例如,桡动脉和颈动脉脉搏波的皮肤位移约为20 μm和60 μm[1]),因此Liu T,等[2]在普通的织物基底上实现了大面积织物基压力传感器阵列的制备,该纺织传感器单元上下电极均由普通的织物(掩模辅助Ni涂层底层和碳纳米管棉织物表层)构成,当应力施加在其表面时,上层粗糙纤维束和下层叉指电极的金属颗粒接触并分离,引起输出信号变化,灵敏度高(14.4/kPa)、检测限低(2 Pa)、响应快速(约24 ms)、功耗低(<6 μW),可以在复杂的形变下保持机械稳定性,可实时监测脉搏跳动信号。类似于DNA双螺旋结构的纱线构成的纺织柔性压阻器件[3],由5层结构组成,实现了灵敏度、可重复性、线性度、响应/弛豫时间和工作电压的平衡。该压阻传感器会因表皮脉搏跳动而产生电阻变化,实现实时脉搏监测,响应时间和弛豫时间均为2 ms,使用6 000次后仍保持95%的初始性能,且具有出色的信号一致性。

灵敏度(GF)是传感器的一个重要参数,微观结构的引入可以有效提高织物基压阻传感器的灵敏度。二维结构中裂纹传感器的灵敏度较高,但大多数有裂纹的传感器只有一个应变层,传感范围有限。借助湿法纺丝工艺制备的双应变层裂纹结构的纤维应变传感器[4]具有高灵敏度(GF达到7 381)、较好的传感范围(30%应变)、反应时间快(42 ms)、重复性高(>1 000次)和迟滞率低(7.08%)等优点,将其与织物结合,配合傅里叶变换和希尔伯特-黄算法可以获取人体的呼吸率和心率,误差分别小于2%和3%;对收缩压、舒张压和平均血压的平均测量误差分别为-0.004 2,0.373 0,0.247 2 mmHg,符合美国医疗仪器促进协会和英国高血压协会A级标准。

纺织品具有的透气性、吸湿性、柔软性和舒适触感等优点使其成为柔性压阻传感器的理想载体,特别是用于生理体征监测等具有医疗和保健目的可穿戴电子产品。但由于纺织基压阻传感器中的导电活性材料在使用过程中会频繁产生应变,且受洗涤及环境温度影响,因此其耐用性、稳定性和防水性是需要关注的重点。

1.2 压电效应

压电效应是指电介质材料响应机械应力而产生电位的现象,分为正压电效应及逆压电效应。纺织基压电效应传感器大多为正压电效应,具有体积小、输出信号强、无需电源等优点,其中研究最为广泛的压电高分子材料为聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物。

传统的陶瓷基压电材料(如氧化锌、钛酸钡和锆钛酸铅)的生物相容性低且结构柔韧性差,应用于生物医学方面存在一定局限性;而以PVDF为代表的聚合物压电材料具有优异的柔韧性和生物相容性,因此更适合于生物医学应用。薛彬[5]采用连续静电纺丝法直接组装具有三明治结构的压力传感器,包括两层聚氨酯/银纳米线电极层和一层聚氨酯/聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)压电层。该传感器对不同频率和大小的压力都展现出了高且稳定的输出电压和输出电流。为解决聚合物压电材料弱压电效应和低铁电稳定性,Li T,等[6]制备了一种具有高β相含量和自对准极化特性的核/壳PVDF/多巴胺(DA)纳米纤维,该纳米纤维具有良好的压电性能、稳定性及生物相容性,对检测膈肌运动和血液脉动的微弱生理刺激具有较高的灵敏度和准确性。为促进电纺过程中电活性β相的形成,增强压电性能,Kim D,等[7]在(聚偏氟乙烯-三氟乙烯)中添加钛酸钡纳米颗粒,并将其扭转为纱线结构制成压电纱线。该纱线在低应变速率和高应变速率下的机械行为相似,信号生成精确可靠,可有效监测和识别跳跃、跑步、爬楼梯等7种人体活动,准确率达到99.6%。为了模拟肌肉纤维,Su Y,等[8]将聚多巴胺(PDA)分散到电纺钛酸钡/聚偏二氟乙烯(BTO/PVDF)纳米纤维中,制备了以PDA/BTO/PVDF纳米纤维为构件的非织造压电织物,具有优异的灵敏度(3.95 V/N)和长期稳定性(7 400次循环后输出电压下降<3%),展示了该压电织物在脉搏波测量、人体运动监测方面的应用潜力。

与纺织基压阻效应传感器相比,压电效应传感器的信号输出无需外接电源,具有长续航优势,但柔性聚合物压电材料的压电效应弱且来源较为单一,限制了其推广应用。

1.3 电容效应

电容式传感器通常由两个平板电极和中间的电介质夹层组成。该结构的电容(C)可通过C= (εA)/d计算,其中ε、A和d分别是板间介电层常数、有效电极面积和两个电极之间的距离。由于施加的压力主要影响ε和d,因此传感器的容量会因ε和d的变化而变化,从而输出信号。

纺织基电容效应传感器是基于外力下电容变化而制成的。丝素蛋白纳米纤维与深共晶溶剂(DES)和工程微结构电极结合制备的丝素蛋白纳米纤维离子压力传感器[9],可实时进行血压测量。该传感器通过由深共晶溶剂整理的电纺丝素蛋白纳米纤维膜电介质和两个离子丝素蛋白纤维/Au薄膜电极组成,其在介电/电极界面和微观结构上引入电双层,以增强压力-电容效应,具有高灵敏度(138.5 kPa-1)、高适形性和较好的透气性(2 056 g/m2h),可保障皮肤血压监测中信号的准确性和稳定性。为提高柔性压力传感器的稳定性及耐久性,Wang Z,等[10]通过引入聚(1-乙烯基-3-丁基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺)制备多孔聚离子液体纳米纤维膜来构建新型的聚合物电介质,进而采用全织物基材料设计了电容式可穿戴压力传感器,能实时监测人体生理活动信号,对微小的外界压力具有较高的灵敏度及超快的响应时间,尤其是在水分干扰(70%RH)和重复洗涤(超过10次)情况下,可非常稳定地感测信号,提升了实际使用环境中传感器的稳定性。

电容式传感器有较强的环境适应性,且有灵敏度高、成本低等优点,但输出阻抗较高、负载能力差,复杂的电路设计会对测量精度产生一定影响。

1.4 摩擦电效应

摩擦纳米发电机是一种新型能量收集和自供电传感技术[11,12],它基于接触起电和静电感应的耦合效应,将机械能转化为电能。纺织品与人体贴合紧密且可以作为摩擦纳米发电机的摩擦材料,用于收集人体机械能并转化为持续稳定能源。纺织基摩擦电效应传感器是将摩擦电效应与静电感应相结合,将生物机械压力转化为电信号,从而实现对生理体征的监测。

纺织摩擦电效应传感器可将动脉跳动引起的细微皮肤形变转化为电能,实现连续脉搏波形监测,如以喷涂法喷涂棉织物分层结构为导电网络的纺织摩擦电传感器[13]有5层结构,具有可扩展、兼容、防水等优点。其信噪比为23.3 dB,响应时间为40 ms,灵敏度为0.21 μA/kPa,在辅助机器学习算法的帮助下,实现了对收缩压和舒张压连续、精确地测量。

纺织摩擦纳米发电机已被用于连续心率监控。例如,Lou M,等[14]利用静电纺丝技术制造的全纤维结构摩擦电效应压力传感器,由聚偏二氟乙烯/Ag纳米线纳米纤维膜、乙基纤维素纳米纤维膜和上下两层导电织物构成,并且使用聚二甲基硅氧烷封装。由于在纳米纤维上引入了分级粗糙结构,这种具有高度形状适应性的可穿戴设备表现出优异的传感能力。在0～3 kPa和3～32 kPa的压力范围内,灵敏度分别达到1.67 V/kPa和0.20 V/kPa,且连续运行7 200个工作循环后仍保持稳定。其通过自供电的方式,既可以检测和量化各种人体运动,也可以实时捕捉个人脉搏波信号以监测健康状态。

可穿戴柔性传感器因需要基底支撑,透气和舒适性不足,长期使用可能会使佩戴者不适。针对上述问题,Fan W,等[15]以导电和尼龙纱线为传感材料,制备了基于摩擦电纳米发电机的多功能压力全织物传感器,压力灵敏度为7.84 mV/Pa,响应时间为20 ms,使用寿命超过10 000次循环,工作频率带宽高达20 Hz,可机洗超40次,具有可工业化编织、耐机洗、穿戴舒适等优点。该织物传感器可直接用于监测颈部、手腕、指尖和脚踝位置的脉搏波以及腹部和胸部的呼吸频率。

现阶段,纺织摩擦电效应传感器存在输出功率较小、功率不稳定、难以稳定供电等不足,因此多用于实时传感领域。此外,外力作用、裁剪、磨损、洗涤也会对其使用性能及耐久性产生影响。但纺织摩擦电效应传感器将织物柔性与摩擦纳米发电机供能融合,为摩擦纳米发电机的发展提供了丰富的设计载体和极具潜力的应用场景。

2 传感器成型加工技术

生理体征监测用纺织传感器以纺织品为载体,既具有柔性电子柔软、可弯曲和可拉伸等优势,还具有纺织品特有的透湿、透气、导汗、调节温度等舒适性特征。电子器件的引入难免会对纺织品的本征属性产生影响,因此,现阶段主要采用织造法和涂覆式以降低影响。

2.1 织造法

2.1.1 机织法

机织法是指在机织物中引入传感材料,并通过组织结构设计使其具有传感性能的方法。为识别多种外界刺激,解决单一功能的离散传感器简单组合在纺织品上的问题,Ma Y,等[16]借助具有芯鞘纱和间隔织物组件的复合织物,制备了一种具有双重触觉和张力刺激响应的“多合一”电子织物,通过加捻前在芯鞘纱涂覆绝缘聚氨酯层,解决芯鞘纱非单调响应难题。该电子纺织品宽形变范围大(90%)、宽压力检测范围高(110 kPa)、且具有良好的耐久性(约100 000次循环)和服用性能,可精确监测运动。

为解决三明治结构的电容型柔性拉伸传感器难以嵌入衣物的问题,Zhang R,等[17]采用银纤维内芯作为电容传感器电极,将棉纤维包覆层作为介电层,构建了一种双螺旋结构的双股纱电容传感器,具有较好的线性(R2=0.997 5),较低的检出限(0.5%),快速的响应性(110～230 ms)和良好的稳定性(10 000次重复实验后无明显变化)。

2.1.2 针织法

与机织法类似,针织法是指在针织物中引入传感材料,但具有形变范围大、易成型等优点。Zhu T,等[18]利用氧化石墨烯和聚二甲基硅氧烷微纳米粒子浸涂针织聚酯织物,制备了一种超疏水、导电的应变传感器,其水接触角为156°,可拉伸至原长度的2倍或弯曲至80°仍保持在150°以上。应变传感器可快速响应水振动、水下手指弯曲、液滴冲击等不同刺激,可用于远程监控水上运动。Lu D,等[19]基于针织物优异的弹性,通过壳聚糖静电自组装,获得了一种负电阻变化的多功能还原氧化石墨烯导电织物传感器,具有宽工作范围(60%应变)、快速响应时间(22 ms)和超过4 000次循环的耐久性,兼具应变/压力双模传感。

现阶段,织造法制得的生理体征监测智能电子纺织品工序较为繁琐,与普通纱线相比导电纱特数和抗弯刚度较大,织造过程中易发生损伤,影响织物传感器的传感性能,但具有较高的灵敏度和线性度,且手感、舒适性和使用性接近常规纺织品,是用于人体监测的较优选择。

2.2 涂覆法

涂覆法是指将金属颗粒、碳基材料或高分子导电活性材料通过印刷、包覆等手段附着于纤维或织物表面,形成导电涂层,是现阶段较为常见的织物传感器制备方式。

2.2.1 印刷法

印刷法通过精密印刷技术将具有电子功能的油墨制作成电子器件或电路,已在柔性集成电路、射频天线、薄膜太阳能电池和柔性显示等柔性电子领域得到广泛应用。Liu Q,等[20]设计了一种生产简易的全织物基柔性压力传感器,其中顶部压阻层通过将导电材料可控地涂覆于弹性织物上得到,底部电极层通过丝网印刷技术将弹性导电材料打印在柔性非弹性织物基板上制得,最后缝纫得到压力传感器,该传感器可集成到衣物中,实现对人体生理活动信号的无线实时监测。为批量化生产织物传感器,Chen X,等[21]使用炭黑-有机硅弹性体复合材料结合丝网印刷工艺制造织物应变传感器的传感与电连接组件,并通过研究织物应变传感器的尺寸效应,实现了几乎仅由传感部分响应应变。该传感器工作范围宽(60%应变),线性良好,疲劳寿命长(约50 000次循环),机械强度高,生产简易且成本低(11美元/m2),适用于人体运动监测。

2.2.2 包覆法

包覆法主要应用于线状纺织传感器,如纤维或纱线。根据功能设计又分为单层包覆和多层包覆。Liao X,等[22]在聚氨酯纤维涂覆单层氧化锌晶种,再通过水热反应使聚氨酯纤维生长氧化锌纳米线(ZnO NWs),制得了一种多功能纳米传感器。拉伸过程中,聚氨酯纤维上的ZnO NWs阵列破碎成小碎片,裂缝结构改变了传感器的电阻,从而实现应变传感功能。ZnO NWs的热电效应又使其具有温度传感能力。该传感器应变程度大(高达150%)、灵敏系数约为15、温度监测灵敏度为39.3%/℃。Qu X,等[23]利用湿法纺丝和涂层工艺制备了三层芯鞘结构的电阻-电容混合响应纤维压力传感器,通过调控中间层复合材料电阻电容的杂化响应,优化了传感器的灵敏度,随着灵敏度的提高,传感器可以有效地监测预载范围为0～22.7 kPa的脉冲信号,提高了脉冲监测的容错性。

虽然涂覆法制备的生理体征监测纺织传感器存在涂层均匀性较难控制、异质材料界面结合牢度差、不耐摩擦及洗涤的问题,但其生产工艺简单、复合方式多样、材料来源广泛,制成品灵敏度高、测量范围广,有较为广泛的应用。

3 研发趋势

生理体征监测纺织传感器具有柔性、舒适、可穿戴性优等特点,显示出巨大的应用潜力,已成为柔性电子学较有前景的研究方向。虽然生理体征监测纺织品传感器的工作机制、成型加工技术及相关应用已取得了较多研究成果,但在石化行业中的应用仍面临挑战。

3.1 保证安全性

石化行业生产环境具有高温高压、易燃易爆的特点,从业人员工作中常接触易燃易爆、有毒、易挥发等物质,纺织传感器使用过程中必然会有电荷的产生,而电火花的产生有可能引发爆燃、爆炸等事故,因此,生理体征监测纺织传感器在使用前必须通过石化行业的阻燃、防静电等安全认证,避免因短路、过载、接触不良等导致安全问题。

3.2 提升稳定性

与传统的固态块状或薄膜传感器相比,纺织传感器的性能、质量和可重复性难以稳定控制。纺织传感器使用的导电活性材料直径通常很小,使得其电导率远低于固态电极或薄膜电极。尽管通过引入高导电材料或结构设计可以改善,但纺织传感器的电学性能与服用性能之间的学科隔阂还未打破,需要进一步进行跨学科融合创新,提升其可穿性与使用性。

3.3 降低生产成本

现阶段,大部分纺织传感器为实验室样品,为实现功能创新,多使用昂贵的原材料、复杂的制备工艺或定制设备,导致产品整体生产成本高,市场接受程度低,难以大规模生产和推广应用。

3.4 建立标准规范

受应用规模的限制,纺织传感器缺乏统一的技术规范和测试标准,很难对其灵敏度、循环寿命、滞后性、物理机械性能进行比较。并且由于缺少规模化产品,不同实验室制备纺织传感器所使用的材料、制造方法和工作机制不同,难以对不同功能甚至同一功能进行较为准确地评估或比较。因此,标准化评估体系的建立是纺织传感器商业化的必要保障。

4 结语

生理体征监测纺织传感器作为一种新型的柔性电子形式,具有实时监测脉搏、血压、肢体动作、温度等生命体征的优势,在提升石化行业从业人员职业健康、安全生产水平及工作效率等方面具有巨大的应用潜力。此外,因具有纺织品柔软、亲肤、透湿、透气等服用优点,又结合了柔性电子微型化、功耗低、准确性高、异物感弱的优点,生理体征监测纺织传感器不仅能满足日常穿戴的需求,还将服务于个性化健康/医疗、人机交互、虚拟现实等新兴领域,展现出较好的发展前景。