一种可用于监测人体生理信息的织物应变传感器的制备方法及应用

技术领域：

本发明属于智能纺织品和柔性电子元件领域，尤其涉及一种可用于监测人体生理信息的织物应变传感器的制备方法及应用。

技术背景：

在各种应用中，能够承受大应变的软应变传感器受到极大重视，例如用于监测人体生理信息的可穿戴设备，用于检测其变形程度的软体机器人。随着材料和制造技术的发展，诸如电容，电阻率，压电和电感之类的不同测量机制已成功应用于软应变传感器。特别地，基于应变响应的软电阻应变传感器由于其易于制造，低功耗而受到了广泛的关注。

通常，软电阻应变传感器由两部分组成，一是作为感测部分的导电膜，二是作为支撑部分的弹性基底。因此，基底的形变改变了导电膜中的导电路径从而引发电阻的变化。传统弹性基底的材料通常选用聚二甲基硅氧烷(pdms)，ecoflex和热塑性弹性体(tpe)。

近来，使用织物作为弹性基底的应变传感器也受到了广泛的关注，与基于弹性体的应变传感器相比，其在多种结构和导电纳米材料的强粘附性方面显示出优势。此外，基于织物的应变传感器可以提供更好的佩戴舒适度，因此更适合于可穿戴的传感设备。

技术实现要素：
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本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出了一种可用于监测人体生理信息的织物应变传感器的制备方法及应用。采用尼龙氨纶织物作为弹性基底，多壁碳纳米管(mwcnt)和还原氧化石墨烯(rgo)为传感器提供导电路径，可以有效的提高应变传感器的线性度和稳定性。通过弹性基底即尼龙氨纶织物受到外部接触力时，其形变将导致导电路径的变化从而引起电阻变化，通过监控电阻变化从而实现对外部接触力的有效监测。

为了解决传统方法制备的柔性应变传感器存在的问题，本发明提供了一种可用于监测人体生理信息的织物应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

s1：将经过预处理后的尼龙氨纶织物预拉伸，并用透明胶带将预拉伸后的织物固定于玻璃器皿上；将拉伸后的尼龙氨纶织物浸泡在超声环境下的还原氧化石墨烯分散液中；浸泡30分钟后，取出烘干后得到还原氧化石墨烯织物；

s2：将步骤s1所得还原氧化石墨烯织物以同样的方法浸入多壁碳纳米管分散液中。浸泡30分钟后，取出烘干后得到还原氧化石墨烯/多壁碳纳米管织物；

s3：将步骤s2所得石墨烯/多壁碳纳米管织物放松至30％应变，再次浸入还原氧化石墨烯分散液中30分钟，取出烘干后得到还原氧化石墨烯/多壁碳纳米管/还原氧化石墨烯织物；

s4：最后通过释放到初始状态得到石墨烯/多壁碳纳米管导电织物；

s5：基于所获得的石墨烯/多壁碳纳米管复合导电织物，通过在织物表面涂覆导电银浆，引出导线，能够获得还原氧化石墨烯/多壁碳纳米管/还原氧化石墨烯织物应变传感器。

进一步的，所述步骤s1中预处理方法为：将尼龙氨纶织物分别放入乙醇和去离子水中超声处理，取出烘干后得到预处理后的尼龙氨纶织物。

进一步的，所述步骤s1中将经过预处理后的尼龙氨纶织物预拉伸的应变程度不超过50％。

进一步的，所述步骤s2中多壁碳纳米管分散液的制备方法为：将多壁碳纳米管粉末加入到tsipd溶液中，40khz下超声处理30分钟，静置2小时，即得到浓度为2mg/ml的多壁碳纳米管分散液。

进一步的，所述步骤s1和s3中还原氧化石墨烯分散液的制备方法为：

s11：在去离子水中加入氧化石墨烯粉末，在40khz超声环境中均匀分散，得到5mg/ml的氧化石墨烯溶液；

s12：将50％水合肼溶液添加到步骤s11所得氧化石墨烯溶液以1～1.5：1比例混合，将混合溶液置于水浴中并于90℃下加热2小时，进行水热还原制备还原氧化石墨烯溶液；

s13：最后将步骤s12所得还原氧化石墨烯溶液与tsipd溶液按照1：0.7～1比例混合并进行超声处理制成还原氧化石墨烯分散液。

一种基于上述方法制备的织物应变传感器在人体生理信息的监测方面的应用。

附图说明：

图1是本发明中基于织物的应变传感器的制备方法流程图。

图2是本发明中还原氧化石墨烯分散液的制备方法流程图。

图3是本发明中多壁碳纳米管分散液的制备方法流程图。

图4是导电织物的电镜扫描表征图。

图5是对人体脉搏进行监测时应变传感器的相对电阻的变化图。

有益效果：

交叉拉伸浸涂法是先拉伸后浸涂，这样每一次放松，织物表面的导电网络会收缩叠加，导电路径更丰富。先浸涂尺寸小的石墨烯也是为了可以更多的在织物表面附着导电材料，多壁碳纳米管尺寸较大，可以提供一定的拉伸性。并且交叉拉伸浸涂法一来能够进一步增加导电材料，二是也可以弥补拉伸后造成的路径损坏。

具体实施方案：

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施对本发明进行详细描述。

实施例1：

如图1所示，本发明提供了一种可用于监测人体生理信息的织物应变传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

s1：将经过预处理后的尼龙氨纶织物预拉伸至50％应变，并用透明胶带将预拉伸后的织物固定于玻璃器皿上。将拉伸后的尼龙氨纶织物浸泡在超声环境下的还原氧化石墨烯分散液中。浸泡30分钟后，取出烘干后得到还原氧化石墨烯织物。

预处理方法为：将尼龙氨纶织物分别放入乙醇和去离子水中超声处理，取出烘干后得到预处理后的尼龙氨纶织物。

其中，还原氧化石墨烯分散液的制备方法如图2所示：在去离子水中加入氧化石墨烯粉末制备5mg/ml的氧化石墨烯溶液，在40khz超声环境中均匀分散；将50％水合肼溶液添加到氧化石墨烯溶液中以1.2：1比例混合，将混合溶液置于水浴中并于90℃下加热2小时，进行水热还原制备还原氧化石墨烯溶液；最后将还原氧化石墨烯溶液与tsipd溶液按照1：0.8比例混合并进行超声处理制成还原氧化石墨烯分散液，所述氧化石墨烯粉末(直径：0.5-5μm，厚度：0.8-1.2nm，纯度：约99％)。

s2：将石墨烯织物以同样的方法浸入多壁碳纳米管分散液中。浸泡30分钟后，取出烘干后得到还原氧化石墨烯/多壁碳纳米管织物。

其中，多壁碳纳米管分散液的如图3所示：将多壁碳纳米管粉末加入到tsipd溶液中，40khz下超声处理30分钟，静置2小时，即得到浓度为2mg/ml的多壁碳纳米管分散液。所述的多壁碳纳米管分散液使用的材料包括多壁碳纳米管粉末(外径：5-15nm,长度：10-30μm，纯度：>95％，sa:>200m2/g，真密度：2.1g/cm3，ec:>100s/cm)。

s3：将石墨烯/多壁碳纳米管织物放松至30％应变，再次浸入还原氧化石墨烯分散液中30分钟，取出烘干后得到还原氧化石墨烯/多壁碳纳米管/还原氧化石墨烯织物。

s4：最后通过释放到初始状态得到导电织物。根据实际情况的需要，可以自行调整交叉浸泡的次数和每次浸泡时织物的应变程度。

s5：基于所获得的导电织物，通过在织物表面涂覆导电银浆，引出导线，能够获得还原氧化石墨烯/多壁碳纳米管/还原氧化石墨烯织物应变传感器。

实施例2：

通过扫描电子显微镜(sem)对导电织物的表面形态进行了表征，如图4所示。可以看出，还原氧化石墨烯均匀地涂覆在织物线上。为了显示微折叠的还原氧化石墨烯结构，放大了图4(a)中的矩形区域。如图4(b)所示，可以清楚地区分出由两个还原氧化石墨烯浸渍涂层产生的两个微折叠石墨烯层。当拉伸导电织物时，下层石墨烯层和上层石墨烯层之间的相对滑动导致它们的重叠面积减小，从而导致它们之间的接触电阻增大。

实施例3：

一种可用于监测人体生理信息的织物应变传感器的应用。对人体脉搏进行监测，以测试应变传感器对人体生理信息的监测能力。桡动脉位于手腕拇指侧，是中医临床常用的心率测量方法。因此，为了模拟实际应用，我们将应变传感器通过透明胶带贴在手腕桡动脉上。应变传感器3秒内的波形信号如图5所示。可以看出，虽然电阻的相对变化很小，最大值为1.2％，并且在连续的四个周期内没有出现较大的漂移。因此应变传感器对人体生理信息的监测表现出了良好的测量稳定性。