矿井勘探用智能电子织物及其安全防护可穿戴研究*

刘 红,王 航,李煜天,田明伟

(青岛大学纺织服装学院,山东青岛 266071)

0 前言

在智能化时代背景下,安全防护的数字化具有重要意义[1]。现有的安防监测传感器存在质硬、服用性能不佳、与纺织品集成性差等问题,一方面无法满足矿井勘探的舒适性要求,另一方面也会限制工人的施工。因此,开发柔性可穿戴器件矿井勘探用智能服装具有重要价值。

柔性可穿戴传感器克服了传统传感器笨重易脆、力学性能和承受变形能力差的缺点,并且具有尺寸小、重量轻、易于集成并且耐恶劣工作环境等优点[2]。根据感应机理的不同,柔性可穿戴传感器可以分为:电容式、电阻式、摩擦发电式、磁敏式以及压电式[3-6],其中电容式传感器因结构简单、低功耗、低压检测限、快速动态响应等优点,已引起广泛的研究兴趣[7]。目前,制备柔性可穿戴电容传感器的柔性材料主要包括聚合物弹性体、凝胶、纺织材料(纤维、纱线、织物)等[8-10]。聚合物薄膜基、凝胶基和纺织基传感器具有很好的柔软性和传感性能[11-13],在智能可穿戴电子领域具有重要研究意义[14, 15]。

纺织材料优良的可穿戴性能使得发展一种纺织基的电容式压力传感器用以监测人体受到的外界刺激,成为智能可穿戴领域的研究热点。但是,由于常用的纺织材料可压缩量程小和保形性差等问题,导致纺织基的电容式压力传感器存在监测范围小和耐久性差等缺陷。因此,研发一种具有大的监测量程和高耐久的纺织基电容式压力传感器仍然是一个挑战。本文利用镀镍铜机织物和针织物分别作为电极和介电层,设计出一种针织基电容式传感器,并对针织物基电容式传感器的形貌特征、传感性能、舒适性进行测试分析,较聚合物弹性体薄膜基更符合柔性可穿戴电子设备的要求。

1 实验部分

1.1 实验材料

纬平针织物(面密度160 g/m2,绍兴夏帆纺织品有限公司),镀镍铜织物(方阻≤0.05 Ω/sq,东莞市万江创科电子厂)。

1.2 压力传感电子织物的制备

全纺织基柔性电子织物制备流程,如图1所示。

图1 全纺织基柔性电子织物制备示意

a) 裁剪合适尺寸的针织物作为中间介电层。单点传感器中针织物介电层尺寸为1×1 cm2,传感器阵列中尺寸为9×9 cm2。

b) 将镀镍铜机织物激光切割成目标尺寸方便组装测试。设置激光直写仪的切割速度和功率分别为30 mm/s和35 W。将商用镀镍铜织物放入激光直写仪进行切割得到合适的组装尺寸以方便评估传感性能。对于单位点传感器样品,电极尺寸为1 cm×1 cm。传感阵列选用5×5(25个单位点),每个单位点直径尺寸为1 cm,两个单位点电极间隔1 cm,共切割8个电极条分别作为阵列的上下电极,每个电极条尺寸为9 cm×1 cm(不包含导线长度)。

c) 将切割好的镀镍铜机织物电极和针织物中间介电层组装制备得到针织基非接触/触觉双模态传感器。

1.3 测试与表征

a) 扫描电子显微镜(SEM)测试: 采用德国Carl Zeiss公司型号为ZEISSEVO18的扫描电子显微镜对镀镍铜织物电极和针织物介电层的表观形态进行分析。工作电压和距离分别设定为20 kV和10.0 mm。

b) 传感器性能测试:采用北京溪谷高分子科技有限公司的ECA200A型数字电桥测试仪测试针织物基传感器的传感性能,测试频率100 kHz。

c) 传感器压力性能测试:采用东莞市智取精密仪器有限公司型号ZQ-990B的电子万能试验机对针织物基传感器进行施压,量程50 N。

d) 传感器透湿性能测试:采用宁波纺织仪器厂的YG601 H-Ⅱ型织物透湿仪测试针织物基传感器的透湿性。

e) 传感器透气性能测试:采用宁波纺织仪器厂型号为YG461 E-Ⅲ的全自动透气量仪测试针织物基传感器的透气性。

2 结果与讨论

2.1 介电层材料表面结构分析

针织物基传感器的SEM图像如图2所示。从图2(a)和(b)中可以清楚地观察到具有均匀纬平针织线圈结构的中间介电层和经纬纱一上一下交织的平纹机织结构的镀镍铜织物电极。另外,图2(b)中的倍数放大插图显示镍和铜两种金属元素均匀包裹在纤维上,赋予电极优越的导电性能。由2(c)和(d)可知,针织物中间介电层和镀镍铜电极厚度较薄,分别为460,100 μm,这使得两者组装得到的针织物基传感器仍保留轻薄柔软的特点,并且纺织基固有的透湿透气性给予该传感器优越的穿戴舒适性能。

图2 针织物基传感器的SEM图像

2.2 压力传感性能分析

针织物基电容传感器的压力响应性能如图3所示。电容变化量随着压力的增强逐渐减小,与压力呈非线性关系。可能是由于中间针织层在压力作用下被压实紧密,厚度变形逐渐减小,相应输出电容变化量也随之逐渐减小,如图3(a)。针织基电容传感器承压高达400 kPa,在0～30,30～300,300～400 kPa范围内,该传感器的灵敏度分别为1.26×10-3,2.46×10-3,4.42×10-4kPa-1。对传感器进行一个400 kPa的加/卸压测试,图3(b)显示双模态针织基传感器在加/卸压产生的最大迟滞率为21.41%,迟滞性较小,猜测产生迟滞性的原因可能是针织物中纤维毛羽间的相互缠连。

图3 针织物基电容传感器压力相应性能

针织物基电容传感器也表现出了优异的微压检测能力,见图4。从图4(a)可知,当重量为60 mg(5.88 Pa)的小纸片放置在传感器上,传感器有明显电容变化响应,相对电容变化率为2%。由图4(b)可知,针织基传感器在105,132 ,200 kPa这3种不同压力刺激下的相对电容变化率分别为24.44%,32.30%,49.49%。结果证明针织基传感器具有稳定的压力响应性能,并且能够清晰分辨出不同压力的刺激。针织基传感器在重复加卸压(约150 kPa)超过8 000次循环(一个循环约2 s)后,没有明显的电容信号漂移,进一步证明双模态针织基传感器具有优秀的耐久性和稳定性,如图4(c)所示。

图4 针织物基电容传感器和低压响应及耐久性能

为探索针织物基传感阵列的压力空间分布识别性能,将重物放置于传感阵列33单元点处,如图5所示,由于传感阵列各单位点之间存在串扰行为,重物所产生的压力分布由传感器阵列33单位点呈减小趋势向四周扩散,可以清晰呈现重物的压力分布,并精确定位重物所在位置。

图5 双模态针织物基传感阵列的多位点压力响应性能

2.3 服用性能分析

为进一步探讨双模态针织物基传感器的穿戴舒适性能,如图6所示,对比研究了5×5针织物基和PDMS基传感阵列的透湿透气性能。由图6(a)可知, PDMS基传感器和针织物基传感阵列的透湿性分别为 4.40 g/(m2·h)和168.20 g/(m2·h),对比发现针织物基传感器的透湿性是PDMS基传感阵列的38倍,透湿性能突出。另外,从图6(b)可观察到,PDMS基传感器和针织物基传感阵列的透气性分别为 3.18 mm/s和537.86 mm/s,针织物基传感器的透气性是PDMS基传感阵列的169倍,透气性能优异。结果证明双模态针织基传感阵列具有良好的穿着舒适性。

图6 针织物基传感器和PDMS基传感器的透湿性和透气性

3 全纺织基柔性电子织物在安全防护领域中的应用

3.1 智能压力感知手套应用

可识别物体特征的触觉技术在人机交互及体育运动训练中具有重要价值。针织物基电容式压力传感器可实现与纺织品的有效集成,具有柔软、舒适、高灵敏性等特征。根据人体工效学原理,将针织物基电容式传感器设计为手部握力传感器,可完成抓握、按压等监测,压力采集简单、高效,在搬运重物、攀爬运动中工人手部发力监测具有重要意义。

以手部按压为例,如图7所示,将手部完全按压于桌面,可清晰显示手部细节,包括手掌压力、手指部位压力分布等。可知,该电子织物可监测手部用力时的压力,显像分辨率高,在运动识别、健康监测、人机交互等领域具有实际应用价值。

图7 智能压力感知手套及手部施压压力监测效果

3.2 智能压力感知训练毯应用

记录训练过程中步态特征,对分析石油工人动作具有重要意义。针织物基电容传感器具有大规模、批量化生产等特点,可集成于纺织品中,制备形成智能压力感知训练毯。智能压力感知地毯可清晰显示足底压力分布和臀部压力分布,基于获得的数据,可分析行走状态、坐姿等。

4 结论

本文介绍了一款基于电容效应的全纺织基柔性电子织物,由镀镍机织物和针织物分别作为电极和中间介电层构成,拥有良好的透气和透湿性,分别为168.20 g/m2h、537.86 mm/s。具有检测范围大(<400 kPa),高灵敏度(0.000 44～0.002 5 kPa-1)、耐久性好(8 000次压力循环)等优点,可充分感知和记录石油勘探工人运动过程体能数据,如速度、压力等。该传感器与纺织品的集成性高,在矿井勘探领域及其他领域具有广阔的应用前景。