一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，尤其涉及一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用。
背景技术
随着人工智能的高速发展和智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。柔性应力传感器作为人造柔性电子器件的核心部分，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤，甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力。其是否能实现高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测等性能是柔性可穿戴电子设备是否能广泛推广的关键。传统的柔性传感材料多为高分子基类柔性薄膜，由于材料自身的局限性，其只能实现部分柔性，从而限制了其发展应用，因此开发全柔性传感材料具有重要的研究意义。
目前，制造柔性应力传感器的主流方式是将传感器的形变转变为电阻值的变化，即压电阻型应力传感器。其中较为常用的制备方法是在柔性基底表面嵌入或覆盖一层导电材料，得到多层结构的应变传感器。导电材料可以是金属膜或导电纳米材料通过各种工艺组装得到导电薄膜。该类导电薄膜的均匀度不高，制得的压力传感器的可重现性较差。且传统的压力传感设备实现传感作用需三层结构(传感层、电极层、传感层)，其组成结构相对较复杂，因此可重复性较差，限制了多样化压力传感器的推广和应用。
此外，传统的柔性应力传感器的基底材料为表面平整的弹性薄膜，如聚甲基乙烯基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、Dragon skin、橡胶等，其表面嵌入或覆盖的导电层均为平面结构。这种平面结构的传感器普遍存在灵敏度不够高，难以检测微小形变的缺点，限制了其发展和应用。因此，迫切需要一种高灵敏度，同时制备工艺简便的新型应力传感器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用，采用弹性导电纱线，通过编绳法将应力传感器的电极层包裹于传感层中，以制备出集传感与电极复合于一体的“皮芯结构”线状传感材料，且可进一步将其直接与普通纱线或线状弹性体混织成片用作柔性压力传感电子器件，应用于检测人体生理健康(脉搏)和全范围运动(面部表情、发声、关节运动)等，且该线状传感材料具备结构简单、稳定性高，制备工艺简便、可重现性好、检测灵敏度高等特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种全纤维基柔性传感器，所述全纤维基柔性传感器包括弹性导电绳芯和由导电纱线编织并包裹在所述弹性导电绳芯外周的传感层，所述弹性导电绳芯的电阻低于所述传感层电阻。
作为上述方案的进一步限定，所述弹性导电绳芯由多根导电纱线绞合编织而成，所述弹性导电绳芯的电阻低于所述传感层电阻的2～8％。
作为上述方案的进一步限定，所述弹性导电绳芯的直径为100～1000μm，伸长率大于等于0.01％。
作为上述方案的进一步限定，所述全纤维基柔性传感器的长度大于等于5cm，直径为0.1～5mm，伸长率大于等于0.01％，所述全纤维基柔性传感器中导电纱线的直径为100～1500μm。
作为上述方案的进一步限定，所述导电纱线包括但不限于为混纺纱线或镀层纱线中的一种或两种组合。
作为上述方案的更进一步限定，所述混纺纱线由普通纤维与导电纤维混纺制得；所述普通纤维为天然纤维、合成纤维、再生纤维、无机纤维和人造纤维中的一种；所述导电纤维包括金属类导电纤维、无机类导电纤维、有机类导电纤维、复合类导电纤维、掺杂类复合纤维或者镀层类复合纤维中的一种或多种。
作为上述方案的进一步限定，所述天然纤维包括但不限于为棉纤维、麻纤维、蚕丝纤维中的一种或多种；所述合成纤维包括但不限于为涤纶、氨纶、维纶、丙纶中的一种或多种；所述再生纤维包括但不限于为粘胶纤维、大豆纤维中的一种或多种；所述无机纤维包括但不限于为玻璃纤维。
作为上述方案的进一步限定，所述金属类导电纤维包括但不限于为金、银、铜、铁、铝、不锈钢中的任一种或多种形成的金属纤维；所述无机类导电纤维包括但不限于为石墨纤维、碳纤维、硅纤维、碳纳米管纤维中的任一种或多种；所述有机类导电纤维包括普通纤维及负载在所述普通纤维上的导电聚合物；所述复合类导电纤维包括但不限于为所述金属纤维、无机导电纤维、有机导电纤维及普通纤维中的任意两种或两种以上的纤维复合制成的纤维；所述掺杂类复合纤维由热塑性材料与导电材料共混后以熔融纺丝、湿法纺丝、干法纺丝或静电纺丝法制得；所述镀层类复合纤维由导电材料在热塑性纤维表面经过涂层处理制成。
作为上述方案的进一步限定，所述热塑性材料包括但不限于为聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或多种；所述热塑性纤维由所述热塑性材料经过熔融纺丝或者湿法纺丝制得。
作为上述方案的进一步限定，所述镀层纱线包括普通纱线及经过涂层处理负载于所述普通纱线上的导电材料。
作为上述方案的进一步限定，所述导电材料选自单壁/多壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、碳黑、石墨微片、金属纳米粒子、金属纳米线/片、液态金属、金属氧化物粉体、导电钛白粉、离子液体或导电聚合物中的一种；所述导电聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔、聚苯硫醚、聚对亚苯、聚苯胺衍生物、聚噻吩衍生物和聚吡咯衍生物的中的一种或多种。
本发明的另一目的在于提供所述的一种全纤维基柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、用绕管机将传感层用导电纱线分别绕于编织筒管上，以获得传感层用编绳绳股筒管；
S2、将多根导电纱线绞合编织成一束绳芯，再经绕管机将该绳芯用导电纱线绕于编织筒管上，从而获得编绳绳芯筒管；
S3、将传感层用编绳绳股筒管插在2～20锭编绳机的锭竿上；而绳芯筒管置于编绳机下部的铁锭上，绳芯筒管上的导电纱线从编绳机下部的中央孔内引入，从编织导纱孔引出，并与传感层用编绳绳股汇集；
S4、摇动手轮，锭子转动编织成线状传感材料混合编绳的始端；将线状传感材料混合编绳的始端绕牵引盘5～7道，合上离合器，开机编织，从而加工出线状传感材料混合编绳。
作为上述方案的进一步限定，步骤S4中，编织时保持各绳股间的张力平衡，所述传感层用编绳绳股之间相互交叉编织成线状传感材料混合编绳面子，线状传感材料的弹性导电绳芯则充填在线状传感材料混合编绳的中央；最后将编织成型的线状传感材料混合编绳从编绳机上引出，并缠绕于卷取辊上，加工成线状传感材料混合编绳。
本发明的再一目的在于提供所述的一种全纤维基柔性传感器的应用，将所述全纤维基柔性传感器与普通纱线或线状弹性体混织成片制作大面积柔性压力传感电子器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用弹性导电纱线，通过编绳法将应力传感器的电极层包裹于传感层中，以制备出集传感与电极复合于一体的“皮芯结构”线状传感材料，且可进一步将其直接与普通纱线或线状弹性体混织成片用作柔性压力传感电子器件，应用于检测人体生理健康(脉搏)和全范围运动(面部表情、发声、关节运动)等领域，且该线状传感材料具备结构简单、稳定性高，制备工艺简便、可重现性好、检测灵敏度高等特点。
(2)本发明通过调节纱线种类、纱线细度、纱线捻度及纱线含量等变量，采用绳编法实现对压力传感性能的调控，进而实现根据所需的压力传感性能快速制备出性能优异的线状传感材料，从而有助于推动智能可穿戴电子设备的发展。
(3)本发明提供的全纤维柔性传感器及其制备方法实现压力传感性能的原理在于：当线状传感材料的传感层在受到压力作用时，发生形变，传感区厚度随之发生变化，进而使得电阻发生变化，通过测试电阻大小即可转化为压力信号。本发明的线状传感材料性能稳定可靠、易调控，从而为性能多样化的压力传感器的制备提供有效途径。
附图说明
图1为本发明全纤维柔性传感器及其制备方法的结构示意图。
图2为将两根实施例1制得的全纤维基柔性传感器十字交叉叠加，在不同压力下测试得到的压力-电阻曲线.
图3为实施例38制得全纤维基柔性传感垫检测人体脚部受力点所呈现的压力分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
本发明以下具体实施方式中，制得的全纤维基柔性传感器的传感性能测试方法为：
将所述以编绳法制备的“皮芯结构”线状传感材料的电极层连接在电化学工作站的工作电极上，对线状传感材料施加0.5V的电压，使用mark-10对其施加不同压力，测试得到相应压力-电流曲线。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
参照图1，本实施例提供一种全纤维基柔性传感器，所述全纤维基柔性传感器包括弹性导电绳芯1和由导电纱线编织并包裹在所述弹性导电绳芯1外周的传感层2，所述弹性导电绳芯1的电阻低于所述传感层2电阻的5％。
所述弹性导电绳芯由多根导电纱线绞合编织而成，所述弹性导电绳芯的直径为600μm，伸长率大于等于0.01％。
所述全纤维基柔性传感器的长度为5cm，直径为2mm，伸长率大于等于0.01％，所述全纤维基柔性传感器中导电纱线的直径为300μm。
所述导电纱线为混纺纱线，由涤纶纤维与不锈钢纤维按照5:1混纺制得。
上述的一种全纤维基柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、用绕管机将传感层用导电纱线分别绕于编织筒管上，以获得传感层用编绳绳股筒管；
S2、将多根导电纱线绞合编织成一束绳芯，再经绕管机将该绳芯用导电纱线绕于编织筒管上，从而获得编绳绳芯筒管；
S3、将传感层用编绳绳股筒管插在16锭编绳机的锭竿上；而绳芯筒管置于编绳机下部的铁锭上，绳芯筒管上的导电纱线从编绳机下部的中央孔内引入，从编织导纱孔引出，并与传感层用编绳绳股汇集；
S4、摇动手轮，锭子转动编织成线状传感材料混合编绳的始端；将线状传感材料混合编绳的始端绕牵引盘5～7道，合上离合器，开机编织，编织时保持各绳股间的张力平衡，所述传感层用编绳绳股之间相互交叉编织成线状传感材料混合编绳面子，线状传感材料的弹性导电绳芯则充填在线状传感材料混合编绳的中央；最后将编织成型的线状传感材料混合编绳从编绳机上引出，并缠绕于卷取辊上，从而加工出线状传感材料混合编绳。
将两根本实施例制得的全纤维基柔性传感器十字交叉叠加，在不同压力下测试得到的压力-电阻曲线如图2所示。从图中结果可知，随着压力的增大，制得的传感材料的电阻减小。
实施例2-5
实施例2-5提供一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述弹性导电绳芯的直径，测试单根传感材料的断裂强力，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
由上表结果可知，线状传感材料中所述弹性导电绳芯的直径影响着所得包覆结构线状传感材料的断裂强力及其传感性能。综合表中数据可知，在其他条件不变的情况下，随着纱线绳芯直径的增加，所得全纤维柔性传感器及其制备方法的断裂强力得到增加，检测范围值(检测上限)增大，灵敏度增加。
实施例6-9
实施例6-9提供一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述全纤维基柔性传感器中导电纱线的直径，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
由上表结果可知，线状传感材料中所述导电纱线的直径直接影响着所得包覆结构线状传感材料的断裂强力及其传感性能。综合表中数据可知，在其他条件不变的情况下，随着导电纱线直径的增加，制得的全纤维柔性传感器的断裂强力得到增加，检测范围值(检测上限)增大，灵敏度随导电纱线直径的增大呈现先增大后减小的趋势。
实施例10-13
实施例10-13提供一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述全纤维基柔性传感器的直径，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
由上表结果可知，线状传感材料中所述全纤维基柔性传感器的直径会直接影响所得包覆结构线状传感材料的断裂强力及其传感性能。综合表中数据可知，在其他条件不变的情况下，随着线状传感材料直径的增加，所得全纤维基柔性传感器的断裂强力得到增加，检测范围值(检测上限)增大，灵敏度随线绳直径的增大呈现先增大后减小的趋势。因此，在实际应用过程中，可根据需求调节线状传感材料的直径以获得不同断裂强力及压力传感性能的线状全纤维基柔性传感器。
实施例14-29
实施例14-29提供一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，所述全纤维基柔性传感器中所述导电纱线的种类，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
从上表结果可以看出，当编绳的直径一定时，通过调整纱线种类，得到了不同检测上限范围和灵敏度的线状传感材料。同时对比上表中结果可以看出，绳芯和传感层中导电纱线所用到的材料对制得的全纤维基柔性传感器的压力传感性能存在显著影响。因此可将不同种类导电纱线进行复合或者对纱线进行涂层处理，以制得具有不同检测上限和灵敏度的线状传感材料。因此，在实际应用中，可通过调整纱线种类，以获得不同压力传感性能的柔性压力传感器件，以满足不同的应力传感性能需求。
实施例30-37
实施例30-37提供了一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述全纤维基柔性传感器中所述弹性导电绳芯、所述传感层中导电纱线的种类，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
其中，金属类导电纱线均为金纱线，无机类导电纱线均为碳纤维纱线，有机类导电纱线均为表面附着聚吡咯的棉纱线，复合导电纱线均为表面附着聚吡咯的棉纤维与碳纤维混纺纱线，普通纱线均为涤纶纱线。
由上表可以看出，当全纤维基柔性传感器的直径一定时，通过调整绳芯和传感层中导电纱线的组成，得到了不同检测上限范围和灵敏度的线状传感材料。对比各实施例结果可以看出，绳芯和传感层中导电纱线的组成会对制得的全纤维基柔性传感器件的压力传感性能产生显著影响。因此，在实际应用过程中，可通过调整绳芯和传感层的纱线种类，以制得不同传感性能的线状全纤维基柔性传感器，从而满足不同的应力传感性能需求，为多样化压力传感器的推广和应用提供新的方向。
实施例38
实施例38提供了一种由实施例1制得全纤维基柔性传感器编织而成的大面积压力传感垫，其编制方法如下：
利用机织平纹组织结构，将实施例1制得的全纤维基柔性传感材料与普通纱线(涤纶纱线)按照1:5的比例周期性地喂入织机构成织物经纱，并以同样的比例周期性地喂入织机构成织物纬纱，从而构成上下交织的典型平纹织物。由此制得的平纹织物中每个经纬纱交织点均为信号采集点，将每一根全纤维基柔性传感器中的电极与采集电路连接，用于检测人体脚部受力点。
本实施例制得的全纤维基柔性传感垫检测人体脚部受力点所呈现的压力分布图结果如图3所示。从图中所呈现的结果可以看出，当人体脚部踩压于传感垫上部是，脚部轮廓清晰可见，且可明显看出前脚掌和脚跟部采集的信号较为显著，这是由于脚部着力点主要位于前脚掌和脚跟部。由此表明可将本发明制得的全纤维基柔性传感器应用于人体临床诊断、健康评估、健康监控、柔性电子皮肤，甚至工业机器人等领域，以实现高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测等性能。
综上可知，本发明制备的包覆结构的线状全纤维基柔性传感器，基于弹性导电纱线较大的比表面积以及材料优异的性能特点，当受到外力刺激时，柔性高伸缩的纳米纤维纱线应力传感器显示了超高的灵敏度以及较宽的传感范围。在人体监测系统中，可实现从微弱压力的心率监测到较大压力的肢体运动监测。此外，本发明的制作工艺简便、成本低廉，有利于向大规模商业化全柔性应力传感器方向发展。
以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围；凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，利用以上所揭示的技术内容做出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更改、修饰与演变，均仍属于本发明的保护范围。
