一种具有负压阻效应的织物传感器及其应用的制作方法

本发明涉及一种织物传感器，属于功能和智能纺织品以及柔性电子器件领域，特别是一种具有负压阻效应的可用于人体生理信息监测的含石墨烯涂层织物传感器及其应用。

背景技术：

具有感知能力的智能织物在许多应用中都很有价值，比如压缩疗法监测，感应手套功能掌握识别和运动传感，手的姿势和手势监测，膝关节角度测量，动作捕捉，中风病人治疗评估，腰椎曲度监测，身体姿势和手势分析，生物力学变量监测、慢性心肺疾病监测，心肺监测迹象，精神健康缓解监测和其他健康相关应用。

智能织物通常涉及将传感器集成到织物中，传感器的耐久性、单一功能、有限的功能区域和成本令人担忧；另一种方法是金属纤维、碳纤维等导电纤维直接通过机织机织针织等加工方式，其服用性能有很大限制。而这些研究或发明均未涉及负压阻效应传感器及其应用。本发明涉及一种不用的织物传感器，利用传统织物结构，以导电材料(如石墨烯、导电聚合物等)等导电功能材料涂层，作为织物传感器，这种传感器兼具负压阻效应的应变传感功和良好的服用、家用功能等，提供了新技术，克服了上述问题。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有负压阻效应的织物传感器及其应用，解决了如何制备一种兼具负压阻效应的应变传感功能和良好的服用、家用功能的传感织物及其应用的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：选用弹性针织基布为基材，浸渍于含石墨烯导电材料分散液中，通过搅动和按压，增加浸渍率，取出烘干，重复上述操作1次至多次；然后经水合肼还原，清洗烘干，获得经涂层复合的织物传感器；在织物上设置至少两个电极，通过导电银胶、铝箔、铜导线等与外接电流源和电压测量仪器连接的，通过其对拉伸、刺压，扭转，摆动等应变的压阻效应的表征，实现具有负压阻效应的应变传感。

本发明所述织物传感器的负压阻效应，即在载荷加载和应变增加时，电阻呈反向降低；载荷卸载和应变回复时，电阻反向增加。区别于现有的压阻传感器技术。

优选的，所述具有负压阻效应的织物传感器中，织物基材包括不限于涤/棉，涤/聚氨酯等纤维纱线混纺混织，弹性伸长可达到但不限于100％；导电相材料包括但不限于石墨烯、石墨烯/导电高聚物等。

优选的，所述具有负压阻效应的织物传感器中，复合工艺包括但不限于在直接在表面涂层织物，以及纤维、纱线表面涂层后加工成织物；优选的，采用改进的hummers法制备的氧化石墨溶液，通过一次及多次浸渍法在织物表面涂层，经水合肼还原成还原氧化石墨烯(石墨烯)，形成复合涂层织物，作为织物传感器感应元件和主体。

进一步地，所述具有负压阻效应的织物传感器中，以还原氧化石墨烯涂层涤纶/聚氨酯纬编针织结构基布织物传感器，浸渍用氧化石墨溶液溶度为1～200mg/l，浸渍为3～20次，烘干温度为30～95℃，包括但不限于在纬向拉伸应变10～100％下，复合织物多级结构发生变形，导致电阻下降，电阻变化率(δr/r0)稳定在-10％～-200％左右；从而实现了织物传感器的负压阻效应。更优选的，所述还原氧化石墨烯涂层涤纶/聚氨酯织物传感器，浸渍用氧化石墨溶液溶度为50mg/l，烘干温度为60℃，重复上述浸渍与烘干操作10次；所制得的传感织物在纬向拉伸应变10.7％下，复合织物多级结构发生变形，导致电阻下降，电阻变化率(δr/r0)稳定在-65％左右；而在经向拉伸应变10.7％下，电阻变化率(δr/r0)稳定在-12％左右；在刺压应变45％(刺压深度比上夹持长度)下，复合织物多级结构发生变形，导致电阻下降，电阻变化率(δr/r0)稳定在-50％左右；而在经向拉伸应变67％下，电阻变化率(δr/r0)稳定在-70％左右；从而实现了具有负压阻效应和压阻效应各项异性的织物传感器。

更进一步地，所述具有负压阻效应的织物传感器中，负压阻效应和压阻效应各项异性包括但不限于拉伸应变，刺压应变，扭转应变，摆动应变；优选的，各循环次数在100次以上，电阻变化率保持稳定。

优选的，所述具有负压阻效应的织物传感器中，可拉伸结构包括不限于经编或纬编弹性可拉伸纺织结构。

优选的，所述具有负压阻效应的织物传感器中，包括但不限于织物本体，导电银胶，金属压筘等材料和方式；更优选的，导电银胶与铜导线连接，沿着垂直于应力轴的方向横跨整个织物传感器，成条带状电极。

优选的，所述具有负压阻效应的织物传感器，通过电极连接外加电流和电压测试系统，在受到应变时，所述织物传感器通过多级结构发生变形，电阻发生稳定的规律性反向变化，实现负压阻效应和压阻效应各项异性；

更优选的，采用4探针法，在织物上通过导电银胶设置4个电极，外部两电极施加恒定电流，内部两电极测量电压；采用机械测试系统施加并测量织物拉伸应变与应力，试样与拉伸夹具绝缘；在拉伸形变期间，同时连续数字化的测量电阻，应变和应力。获得织物传感器电阻与应变/应力之间的压阻效应对应关系；进而利用该压阻效应对应关系可实现织物传感器对拉伸应变与应力的感应与监测。

优选的，所述具有负压阻效应的织物传感器中，在包括但不限于用于服装、手套、桌椅套等智能纺织材料使用时，通过电阻变化对人体运动与健康监测，从而实现织物传感器的健康监测等功能。

(三)有益效果

本发明提供了一种具有负压阻效应的织物传感器及其应用。具备以下有益效果：

(1)、该具有负压阻效应的织物传感器及其应用，通过以涂层方式将含石墨烯导电材料复合在针织基布上，构筑出可以变形的纺织结构材料，在施加拉伸等应变时，通过纺织多尺度结构及其滑移与形变，即附着在纤维纱线表面的含石墨烯导电材料会产生多尺度的滑移，形变与界面重构，实现了负压阻效应，提供了一种具有负压阻效应的织物传感器。

(2)、该具有负压阻效应的织物传感器及其应用，通过该织物传感器实现了对拉伸、刺压、扭转、摆动和摩擦等应变的监测，进而可对人体不同类型运动与生理指标的进行综合性监测传感。

(3)、该具有负压阻效应的织物传感器及其应用，通过该织物传感器以针织与多次浸渍涂层工艺实现，石墨烯制备技术成熟，工艺简单，易操作，对设备要求非常简单，生产成本低，功能稳定，有良好的科学价值和效益前景，有利于在人体生理与防护监测、功能与智能纺织品以及柔性电子领域的应用。

(4)、该具有负压阻效应的织物传感器及其应用，通过该织物传感器轻柔，在拉伸、刺压、弯曲、扭转等应变作用下折痕可恢复，可作为服装、服装部件、手套、桌椅套等多种形式和用途的织物传感产品，具有良好服用、家用性能，市场应用前景广。

附图说明

图1为本发明实施例1涤纶/聚氨酯基布和石墨烯/涤纶/聚氨酯(黑色)传感织物照片；

图2为本发明实施例1石墨烯/涤纶/聚氨酯织物传感器(导电银胶与铝箔作为电极引出)压阻效应(电阻与应变对应的变化关系)测试系统照片；

图3为本发明实施例1涤纶/聚氨酯基布中纱线长丝束拉伸形态(图上部)与回复形态(图上部)；

图4为本发明实施例1石墨烯/涤纶/聚氨酯(黑色)传感织物循环拉伸(240次)的负压阻效应数据图，其中(b)为局部数据放大图；

图5为本发明实施例2石墨烯/聚苯胺/聚苯胺/涤纶/聚氨酯(黑色)传感织物照片；

图6为本发明实施例2石墨烯/聚苯胺/涤纶/聚氨酯(黑色)传感织物一次拉伸负压阻效应(应变-电阻对应关系)数据图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

将经过酒精和蒸馏水洗涤过的纬编弹性针织基布，浸渍改进的hummers法制得氧化石墨分散液中，浸渍用氧化石墨溶液溶度为50mg/l，烘干温度为60℃，重复上述浸渍与烘干操作10次；然后通过将所得织物置于95℃过量水合肼溶液中还原1h，最后用酒精和蒸馏水进行多次洗涤，60℃烘干。电极设置与封装用导电胶和铝箔绕织物一圈。

图1为涤纶/聚氨酯基布和石墨烯/涤纶/聚氨酯(黑色)传感器照片，可以看出浸渍涂覆后，织物颜色由白色变成黑灰色，织物表面附着了大量的石墨烯片。图2为测试系统照片，实时测量电阻变化和应变，表征其负压阻效应。图3为基布中纱线长丝束拉伸形态(图上部)与回复形态(图上部)，可以看出，拉伸状态下，纱线直径减小，纤维排列更加紧密，纤维间界面接触更多。图4是循环拉伸(240次)的电阻-应变关系数据图，可以看出电阻与应变呈稳定的反向对应关系，呈负压阻效应。

实施例2

与实施例1不同之处：(1)浸渍溶液为氧化石墨与聚苯胺共混溶液，溶度分别为50mg/l和5mg/l，(2)重复上述浸渍与烘干操作次数为3次。

图5为石墨烯/聚苯胺/涤纶/聚氨酯(黑色)传感器照片，呈棕黑色，说明织物表面附着了一定量的石墨烯/聚苯胺。图6是实施例2一次拉伸至形变450％的电阻-应变关系数据图，可以看出电阻与应变的反向对应关系，呈负压阻效应。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。