一种基于印染法制备柔性电子织物传感器的制作方法

本发明属于纺织材料技术领域，具体涉及一种基于印染法制备柔性电子织物传感器的方法及应用。

背景介绍

随着科技越来越发达，用可穿戴电子设备来监测人的运动、生理状况等个人健康资料逐渐进入人们的日常生活。可穿戴电子织物将纺织技术和电子工程相结合，制备的一类新型柔性电子器件，在柔性电路、可拉伸天线、发光二极管、传感器和能量存储等领域具有广泛的应用前景。因其具有优异的贴合性、透气性、质轻和低成本等优点，在可穿戴电子领域具有重要的应用潜力。

本工作提出了一种基于印染法制备柔性电子织物传感器的方法，该电子织物传感器可任意移动、扭动、压缩而保持良好的传感性能，可以编织入日常的服装，辅助设备或者日用品上，这样人的运动行为和生理状况等个人健康资料就可以简单、随时随地地获取。根据信号转换机理，柔性电子织物传感器主要分为电阻型传感器、压电型传感器和电容型传感器。其中，电阻型电子织物传感器工艺简单、成本低、抗干扰能力强、容易实现大规模制备等优点，在实际生产应用中得到了广泛关注。其基本工作原理是将应力作用下产生的应变转化成电阻信号的变化。由于编织的结构可以增加纤维对应力的吸收和释放。在拉伸过程中，一方面由于纤维本身发生拉伸导致电阻发生改变；另一方面在拉伸过程中由于纤维间的接触情况发生改变从而引起接触电阻发生变化。

目前，电子织物的制备方法是将传统的织物或电纺的介电材料功能化，主要是通过打印、碳化、化学气相沉积、溶液浸泡等方法。如专利104114373a（公开日2014.10.22）中利用喷墨打印的方法将pedot：pss喷墨打印到合成纤维织物表面形成导电织物，之后在导电织物上打印电致变色材料的高分辨率的图案，用于可穿戴传感器。专利104533579a（公开日2014.12.24）公开的一种含芯压电纤维织物，将多根含芯压电纤维以不同的编制方法进行编制形成含有压电纤维的功能区作为传感器或者驱动器。专利104939403a中公开了一种基于导电纳米纤维的柔性可穿戴电子织物，将导电纳米纤维编织面料夹层到绝缘面料之间形成柔性可穿戴电子织物。但如何实现大面积、快速简单、低成本、高性能的电子织物电阻型传感器的制备仍是一大挑战。我们采用印染法制备银纳米晶/纤维复合物。该电子织物具有良好的耐久性和机械强度，能够对应变产生灵敏的电学响应，可用于生物监测、运动恢复、刑事侦查、远程操控等可穿戴传感产品领域。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种印染法制备电子织物的方法和应用；通过对涤纶织物进行亲水处理，使银离子溶液在织物表面低温原位还原生成银纳米晶-纤维复合导电织物；将传感器贴于关节处或者编织入检测者的服装，可实时监测身体的关节运动以及肌肉的收缩和伸展。用于生物监测、运动恢复、刑事侦查、远程操控等可穿戴传感产品领域。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

利用印染法制备柔性电子织物传感器的方法，在亲水处理的织物表面低温原位还原生成稳定、均匀的银纳米晶--纤维复合导电织物；该导电织物对形变产生灵敏的、精确的实时电阻响应信号，可制备高性能的电阻型应力传感器，将一个或一组传感器贴付于被监测者的体表皮肤是将一个或者多个传感器组合贴于人的颈部、胳膊、腿部、脚部等重要关节部位，可以体现各种基本以及复杂运动动作特征的部位。将传感器连接到有线或无线设备及信号识别仪器或终端，进行数据采集与分析，实时监测人的日常基本运动如走路、慢跑、跳跃、深蹲、伸展、仰卧起坐等各项基本动作：以及在此基础上，对同一类运动可以实现精确分析，例如：平地走、上楼梯、下楼梯、上坡走和下坡走。可以记录与收集，并分析人的日常生活，工作和运动对应关节的活动或肌肉的收缩和拉伸相关的生理反应产生相应的电阻信号信息。

优选地，所述的印染法制备导电织物的方法是将含有离子型反应溶液在亲水处理的织物表面低温原位还原生成均匀的银纳米晶-纤维复合材料。

优选地，所述的织物的纹路可以是任意编织纹路，如平纹、斜纹或缎纹等。

优选地，所述的织物的材质可以是由天然纤维，如蚕丝纤维、棉纤维或大豆纤维等；也可以是合成纤维如涤纶纤维、尼龙纤维、氨纶纤维、莫代尔纤维或胶粘纤维等编织而成的。优选的，所述的织物的材质为涤纶纤维，尼龙纤维，氨纶，丝绸等人工合成和天然纤维

所述的前驱体溶液可以是但不限于银离子反应型溶液，还可以是铂、金、银、铜、铝离子型反应溶液中的一种或几种。优选地，所述的离子型前驱体溶液是由醋酸银、甲酸和氨水组成。

所述的低温原位还原，发生还原反应的温度可以通过恒温恒湿箱、干燥箱、热台、真空干燥箱等设备控制溶液还原时的温度，优选地，低温原位为干燥箱90℃干燥完全。

所述的导电织物对形变具有高灵敏、高精度的实时电阻响应。优选地，对拉伸形变量在0%~100%有明显电阻变化响应，其最小感应形变量在0.1%，最小感应面积是0.1mm²，最小响应时间在2ms。

所述的高性能的柔性应力传感器是将电子印染的织物进行拉伸，在拉伸过程中纤维本身的电阻值以及纤维间的接触电阻值发生改变。

所述的将一个或一组传感器贴付于被监测者的体表皮肤是将一个或者多个传感器组合贴于人的颈部、胳膊、腿部、脚部等重要关节部位，可以体现各种基本以及复杂运动动作特征的部位。

所述的传感器连接到有线或无线设备及信号识别仪器或终端，进行数据采集与分析是传感器通过有线方式连接，或者无线连接可以但不限于是蓝牙，wifi或rf射频天线中的一种，连接到信号识别仪器或终端。

所述的实时监测人在日常运动如走路、慢跑、跳跃、深蹲、伸展、仰卧起坐等各项基本动作：以及在此基础上，对同一类运动可以实现精确分析，例如：平地走、上楼梯、下楼梯、上坡走和下坡走。可以记录与收集，并分析人的日常生活，工作和运动对应关节的活动或肌肉的收缩和拉伸相关的生理反应产生相应的电阻信号信息。

所述产品的应用领域为：可用于生物监测、运动恢复、远程操控等可穿戴传感产品领域是基于电子织物的电阻响应式传感器可用在表生物监测、运动恢复、远程操控等可穿戴产品上。

附图说明

图1.本发明中印染法制备柔性电子织物示意图。

图2.本发明中亲水处理的织物和银前驱体在织物表面原位还原得到银-纤维复合织物扫描电子显微镜图片。

图3.本发明中导电织物的原始及拉伸条件下的光学图片。

具体实施方式

实施例1

将1.2g乙酸银和3ml氨水溶液通过旋涡混合仪在室温下均匀混合20秒，接下来将2.4ml甲酸每90秒一滴的速度滴入上述混合液，每滴一滴通过旋涡混合均匀。在整个过程中，溶液颜色由鲜亮的橘红色变成棕色进而变成灰黑色。将溶液静置12小时，大颗粒充分沉淀，将上清液移入另一个样品瓶，用0.22μm的滤膜过滤。得到银离子反应型溶液的浓度约为22%。将亲水处理的锁扣型涤纶织物在该离子反应型溶液中浸泡10分钟，接下来置于聚四氟乙烯疏水基底上放入90℃热台上干燥15分钟，制成银纳米晶-纤维导电织物传感器。将一片传感器贴附于被测者的手指关节处，并通过铜线连接到监测仪器上，当被测者做出不同手势时，实时记录了由五个手指关节运动引起的电阻变化信息，收集五组数据并分析，可识别出被测者所做的不同手势。

实施例2

将1.2g乙酸银和3ml氨水溶液通过旋涡混合仪在室温下均匀混合20秒，接下来将2.4ml甲酸每90秒一滴的速度滴入上述混合液，每滴一滴通过旋涡混合均匀。在整个过程中，溶液颜色由鲜亮的橘红色变成棕色进而变成灰黑色。将溶液静置12小时，大颗粒充分沉淀，将上清液移入另一个样品瓶，用0.22μm的滤膜过滤。得到银离子反应型溶液的浓度约为22%。将亲水处理的锁扣型涤纶织物在该反应型溶液中浸泡15分钟，接下来置于聚四氟乙烯疏水基底上放入90℃热台上干燥20分钟，制成银纳米晶-纤维导电织物传感器。将一片传感器贴附于被测者肘关节处，并通过蓝牙模块连接到监测仪器上，当被测者做出弯曲和伸开手臂时，实时记录了由肘关节运动引起的电阻变化信息，收集数据并分析，可识别出被测者弯曲手臂还是伸开手臂。

实施例3

将1.2g乙酸银和3ml氨水溶液通过旋涡混合仪在室温下均匀混合20秒，接下来将2.4ml甲酸每90秒一滴的速度滴入上述混合液，每滴一滴通过旋涡混合均匀。在整个过程中，溶液颜色由鲜亮的橘红色变成棕色进而变成灰黑色。将溶液静置12小时，大颗粒充分沉淀，将上清液移入另一个样品瓶，用0.22μm的滤膜过滤。得到银离子反应型溶液的浓度约为22%。将亲水处理的平纹型尼龙织物在该反应型溶液中浸泡10分钟，接下来置于聚四氟乙烯疏水基底上放入90℃热台上干燥15分钟，制成银纳米晶-纤维导电织物传感器。将一片传感器贴附于被测者膝关节处，并通过蓝牙模块连接到监测仪器上，当被测者做出走路、慢跑、快跑、深蹲、跳跃等动作时，实时记录了由膝关节运动引起的电阻变化信息，收集数据并分析，可识别出被测者具体执行哪种动作。

实施例4

将1.2g乙酸银和3ml氨水溶液通过旋涡混合仪在室温下均匀混合20秒，接下来将2.4ml甲酸每90秒一滴的速度滴入上述混合液，每滴一滴通过旋涡混合均匀。在整个过程中，溶液颜色由鲜亮的橘红色变成棕色进而变成灰黑色。将溶液静置12小时，大颗粒充分沉淀，将上清液移入另一个样品瓶，用0.22μm的滤膜过滤。得到银离子反应型溶液的浓度约为22%。将亲水处理的斜纹型氨纶织物在该反应型溶液中浸泡10分钟，接下来置于聚四氟乙烯疏水基底上放入90℃热台上干燥15分钟，制成银纳米晶-纤维导电织物传感器。将一片传感器贴编织入运动服的肩部关节处，并通过rf射频天线连接到监测仪器上，当被测者做出举手、扩胸、俯卧撑、投篮等动作时，实时记录了由肩关节运动引起的电阻变化信息，收集数据并分析，可识别出被测者具体执行哪种动作。

实施例5

将1.2g乙酸银和3ml氨水溶液通过旋涡混合仪在室温下均匀混合20秒，接下来将2.4ml甲酸每90秒一滴的速度滴入上述混合液，每滴一滴通过旋涡混合均匀。在整个过程中，溶液颜色由鲜亮的橘红色变成棕色进而变成灰黑色。将溶液静置12小时，大颗粒充分沉淀，将上清液移入另一个样品瓶，用0.22μm的滤膜过滤。得到银离子反应型溶液的浓度约为22%。将溶液装入喷墨打印机的墨盒中，利用喷墨打印机将乳液打印在缎纹型丝绸织物等基底上，将亲水处理的斜纹型氨纶织物在该反应型溶液中浸泡10分钟，接下来置于聚四氟乙烯疏水基底上放入90℃热台上干燥15分钟，制成银纳米晶-纤维导电织物传感器。将一片传感器贴附于被测者脚踝关节处，并通过蓝牙模块连接到监测仪器上，当被测者做出走路、慢跑、快跑、深蹲、跳跃等动作时，实时记录了由脚踝关节运动引起的电阻变化信息，收集数据并分析，可识别出被测者具体执行哪种动作。

实施例6

将1.2g乙酸银和3ml氨水溶液通过旋涡混合仪在室温下均匀混合20秒，接下来将2.4ml甲酸每90秒一滴的速度滴入上述混合液，每滴一滴通过旋涡混合均匀。在整个过程中，溶液颜色由鲜亮的橘红色变成棕色进而变成灰黑色。将溶液静置12小时，大颗粒充分沉淀，将上清液移入另一个样品瓶，用0.22μm的滤膜过滤。得到银离子反应型溶液的浓度约为22%。将该离子反应型溶液丝网印刷在亲水处理的锁扣型棉纤维织物上，接下来置于聚四氟乙烯疏水基底上放入90℃热台上干燥15分钟，制成银纳米晶-纤维导电织物传感器。将一片传感器贴附于被测者的腕部，并通过铜线连接到监测仪器上，实时记录由脉搏跳动引起的腕部皮肤起伏引起的电阻变化信息，便得到了被检测者的每分钟脉搏跳动的次数与强度信息。

实施例7

将1.2g乙酸银和3ml氨水溶液通过磁力搅拌器在室温下均匀混合20秒，接下来将2.4ml甲酸每90秒一滴的速度滴入上述混合液，每滴一滴通过磁力搅拌混合均匀。在整个过程中，溶液颜色由鲜亮的橘红色变成棕色进而变成灰黑色。将溶液静置12小时，大颗粒充分沉淀，将上清液移入另一个样品瓶，用0.22μm的滤膜过滤。得到银离子反应型溶液的浓度约为22%。将该离子反应型溶液直写的方法打印在在亲水处理的锁扣型涤纶织物上，接下来置于聚四氟乙烯疏水基底上放入90℃热台上干燥15分钟，制成银纳米晶-纤维导电织物传感器。将一片传感器贴附于被测者的胸部部，并通过铜线连接到监测仪器上，实时记录由脉搏跳动引起的胸腔呼吸起伏引起的电阻变化信息，便得到了被检测者呼吸的频率与强度信息。

实施例8

将1.2g乙酸银和3ml氨水溶液通过磁力搅拌器在室温下均匀混合20秒，接下来将2.4ml甲酸每90秒一滴的速度滴入上述混合液，每滴一滴通过磁力搅拌混合均匀。在整个过程中，溶液颜色由鲜亮的橘红色变成棕色进而变成灰黑色。将溶液静置12小时，大颗粒充分沉淀，将上清液移入另一个样品瓶，用0.22μm的滤膜过滤。得到银离子反应型溶液的浓度约为22%。将该离子反应型反应溶液滴加在亲水处理的锁扣型涤纶织物上，接下来置于聚四氟乙烯疏水基底上放入90℃热台上干燥15分钟，制成银纳米晶-纤维导电织物传感器。将一片传感器贴附于被测者的胸部，并通过铜线连接到监测仪器上，实时记录由脉搏跳动引起的胸腔呼吸起伏引起的电阻变化信息，便得到了被检测者呼吸的频率与强度信息。