一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法

本发明属于传感器，尤其涉及一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法。

背景技术：

1、近些年来，随着科学的不断发展，人们对于纺织品的要求不再是局限于舒适保暖，外形美观，越来越多的科学技术融入到纺织品中，智能纺织品应运而生。通过穿戴智能纺织品，可以实时监测人体的各项数据以及周围的环境数据，因此智能纺织品在医疗卫生，公众健康以及环境监测等方面具有广阔的前景。而智能纺织品的发展离不开传感器的开发及应用，在20世纪50年代，随着半导体技术的发展，传感器的制造成本大幅降低，同时性能也得到了大幅提升。这使得传感器得到了广泛的应用，包括工业自动化、医疗、环境监测、交通运输等领域。随着信息技术的发展，传感器的应用范围也不断扩大。现代传感器不仅可以测量物理量，还可以实现图像、声音、位置等信息的采集和处理。传感器的类型有压力传感器、温度传感器、湿度传感器、机械传感器、化学传感器。温度传感器是利用温度的变化，将温度信号转换为电信号，如热电偶、热敏电阻等。湿度传感器是利用湿度的变化，将湿度信号转换为电信号，如电容式湿度传感器、电阻式湿度传感器等。机械传感器是利用机械变形或运动，将机械信号转换为电信号，如压力传感器、位移传感器等。化学传感器是利用化学反应或物理变化，将化学信号转换为电信号，如气体传感器、ph传感器等。压力传感器是利用压力的变化，将压力信号转换为电信号，如压力传感器、差压传感器等。

2、应变传感器离不开力的检测，而力学传感器可以将检测到的力学(压力、拉力等)信号按照设定好的条件转换成可以被检测并输出的信号，力学传感器一般有三个部分，力学检测元件、信息转换元件和基本电路部分。力学检测元件检测力的变化，通过信息转换元件将力的变化信息转换成电信号，再通过基本电路部分进行表达或输出数据。

3、当前，在发展智能纺织品的道路上，传感器是一大难点。传统的传感器由于质地坚硬，无法在智能纺织品中发挥应有的作用，智能纺织品对传感器的要求是需要传感器具有柔韧性，能够被编入智能纺织品中而不影响纺织品原本的性能，而传统传感器难以与纺织品相融合，限制了智能纺织品的发展。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，以氨纶长丝为纺织基底材料，利用1×1四步法编织技术在三维编织机上织制具有三维立体结构的三维编织物(氨纶编织物)，随后通过超声浸渍将多壁碳纳米管溶液分散浸渍到氨纶编织物表面，赋予其导电性，同时，氨纶长丝编织成的氨纶弹力纱可以为织物提供一个较好的回弹力，在拉伸外力作用下，氨纶长丝发生形变，其表面的碳纳米管导电网络的连续性被破坏，进而改变整根氨纶织物的电阻，通过分析电阻的变化规律，即可推断出应变大小，最终达到应变传感的效果。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，包括以下步骤：以氨纶长丝为原料，利用四步法编织技术将其编织成三维编织物，随后通过超声浸渍将多壁碳纳米管溶液分散到所述三维编织物表面，干燥即得。

3、进一步地，所述三维编织物的排纱规格为3*3、4*4、5*5或3*5。

4、进一步地，排纱规格为4*4的三维编织物的编织角为40°-60°。

5、进一步地，排纱规格为4*4的三维编织物的编织角为40°(小编织角)、50°(中编织角)或60°(大编织角)。

6、进一步地，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为0.75mg/ml-10mg/ml。

7、进一步地，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为0.75mg/ml、1mg/ml、2.5mg/ml、5mg/ml、7.5mg/ml或10mg/ml。

8、进一步地，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为2.5mg/ml或5mg/ml。

9、进一步地，所述超声浸渍的过程如下：将所述三维编织物浸渍到多壁碳纳米管溶液中，所述多壁碳纳米管溶液将所述三维编织物完全没入，将浸渍有所述三维编织物的多壁碳纳米管溶液放入超声装置中，以水作为介质进行超声传递，其中，水的高度高于所述多壁碳纳米管溶液的高度，重复超声浸渍-干燥过程，直至浸渍有多壁碳纳米管的三维编织物的电阻不再发生变化。

10、进一步地，单次超声浸渍时间为10min；单次干燥温度为80℃，单次干燥时间为1h。

11、一种根据上述的制备方法制备得到的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器。

12、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

13、本发明以氨纶长丝为纺织基底，氨纶弹性优异，而强度比乳胶丝高2-3倍，线密度也更细，并且更耐化学降解，氨纶的耐酸碱性、耐汗、耐海水性、耐干洗性和耐磨性均较好。使用氨纶丝作为纺织基底，可以获得较高的粘弹性，在智能纺织品的使用过程中不会发生断裂，能够保证其耐用性，氨纶丝本身并不导电，需要对其进行改性使其获得导电性，然后检测其电阻变化，得出信息结论。为了满足智能可穿戴纺织品的要求，柔性传感器需要具有高灵敏度、良好的柔性及粘弹性、优异的稳定性和生物相容性等特点。目前，金属纳米颗粒、纳米线、导电聚合物以及碳材料等是使用较多的活性材料，然而，金属纳米颗粒和纳米线的化学稳定性一般，且本身的拉伸性能会受到限制，阻碍了进一步发展，导电聚合物的导电性一般，机械性能较差，柔韧性也受到限制，碳材料由于具有优异的物理化学性质，在近年来飞速发展，尤其是碳纳米管(cnts)材料，具有良好的柔性、稳定性，可以赋予柔性传感器较高的灵敏度和优异的稳定性。多壁碳纳米管是一种理想的材料，碳纳米管是一种纳米级的材料，因为纳米结构在某一维度或更多维度具有量子限制效应，以及特殊的光、电、磁性质，目前为止，碳纳米管被认为是最具有希望的纳米级材料。碳纳米管其实就是石墨烯网卷曲形成管状的纳米级材料，通过在超声波溶液中浸渍，使碳纳米管分散开来，借助基底使碳纳米管分散在2d网络中就形成了碳纳米管涂层，碳纳米管既具有金属性也具有半导体性，因此在物体表面涂覆一层碳纳米管涂层，可以使原本不具备导电性能的材料获得导电性。

技术特征：

1.一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以氨纶长丝为原料，利用四步法编织技术将其编织成三维编织物，随后通过超声浸渍将多壁碳纳米管溶液分散到所述三维编织物表面，干燥即得。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，所述三维编织物的排纱规格为3*3、4*4、5*5或3*5。

3.根据权利要求2所述的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，排纱规格为4*4的三维编织物的编织角为40°-60°。

4.根据权利要求3所述的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，排纱规格为4*4的三维编织物的编织角为40°、50°或60°。

5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为0.75mg/ml-10mg/ml。

6.根据权利要求5所述的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为0.75mg/ml、1mg/ml、2.5mg/ml、5mg/ml、7.5mg/ml或10mg/ml。

7.根据权利要求6所述的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为2.5mg/ml或5mg/ml。

8.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，所述超声浸渍的过程如下：将所述三维编织物浸渍到多壁碳纳米管溶液中，所述多壁碳纳米管溶液将所述三维编织物完全没入，将浸渍有所述三维编织物的多壁碳纳米管溶液放入超声装置中，以水作为介质进行超声传递，其中，水的高度高于所述多壁碳纳米管溶液的高度，重复超声浸渍-干燥过程，直至浸渍有多壁碳纳米管的三维编织物的电阻不再发生变化。

9.根据权利要求8所述的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，单次超声浸渍时间为10min；单次干燥温度为80℃，单次干燥时间为1h。

10.一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器，其特征在于，根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。

技术总结
本发明提供了一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，属于传感器技术领域，包括以下步骤：以氨纶长丝为原料，利用四步法编织技术将其编织成三维编织物，随后通过超声浸渍将多壁碳纳米管溶液分散到所述三维编织物表面，本发明将多壁碳纳米管溶液分散浸渍到氨纶三维编织物表面，赋予其导电性，同时，氨纶长丝编织成的氨纶弹力纱可以给织物提供一个较好的回弹力，在拉伸外力作用下，氨纶长丝发生形变，其表面的碳纳米管导电网络的连续性被破坏，进而改变整根氨纶织物的电阻，通过分析电阻的变化规律，即可推断出应变大小，最终达到应变传感的效果。

技术研发人员：张曼,冯宇,权英,李甫,费鹏飞,张爱琴,刘淑强,贾潞,张钰晶
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16