电容式应力传感智能面料的制备方法与流程

本发明涉及纺织面料技术领域，特别的，是一种智能面料的制备方法。

背景技术：

随着现代人对生活质量的要求越来越高，生活的方方面面都要求更便携，更智能，更舒适，因此，“物联网”、“智能家居”、“智能服装”的概念应运而生，而实现这些概念的基础就是将传感部件柔性化。应力传感器是通过将力学信号转化为电信号，再与信号处理器的连接，得到直观的实时应力数据，对于微小应力的感应可以用于生物信号的检测，如心跳、脉搏以及手指触摸等，可应用于智能服装穿、智能家居触控装置、医疗生物信号监测以及机器人的人工皮肤等；对于较大应力的感应可以应用于运动手套、袜子等以便训练中掌握运动员的发力点和力的大小，进行科学智能化的训练。

专利文件cn106236015a发明了一种包含柔性织物传感器的智能床垫，其传感部分是将织物面料置于纳米压力敏感功能材料液体中，利用超声波将纳米敏感功能材料贯穿织物面料的内部并镶嵌在织物面料的表面，再在柔性衬底上通过压印、刻蚀或打印的方法制作图案化电极和电极引线将电极层粘贴或者压合在压敏材料层表面,其传感单元制作工艺复杂，并且压敏功能材料与电极层粘合不便于水洗。专利cn106030467a发明了一种将电极材料沉积到电介质膜的任意一侧而形成的片状柔性传感器，该柔性传感器可以从不同方向产生变形，包括竖直地伸展触摸传感器、水平地伸展触摸传感器、压缩触摸传感器、使触摸传感器弯曲、使触摸传感器扭曲或者使触摸传感器以其它方式变形，但是并不能实现将其形成织物。谷歌的projectjacquard发明了一种利用金属丝作为电极，作绝缘涂层后通过提花编织用普通纱线包缠，交织后形成传感器。其存在的问题是较细的金属丝缺乏延展性，织造较困难，并且在穿、洗、折叠过程中易被折断。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种电容式应力传感智能面料的制备方法，克服了智能织物传感单元所存在的结构复杂、穿着舒适性不好、部分传感器件制备工艺复杂的缺陷。

电容式应力传感智能面料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：利用掺杂或涂覆的方法，以金属、碳或导电高分子制备导电纱线。

步骤二：将具有介电性能的绝缘弹性高分子弹性体涂覆到上一步所得的导电纱线表面，制成介电材料与导电纱线一体化的电极纱线。

步骤三：利用传统纺织技术，如机织等，将上一步所得的一体化电极纱线进行织造，得到具有应力传感功能的传感智能面料。

步骤一具体还包括以下内容：导电纱线的导电成分为金属、碳或导电高分子中的一种或多种的混合物；导电纱线制备方法包括直接制备法、掺杂、涂覆或原位聚合中的一种或多种方法混合使用。

步骤二具体还包括以下内容：导电纱线的具有介电性能的绝缘弹性高分子可为聚二甲基硅氧烷、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、聚氨酯及其衍生物中的一种或多种的混合物；一体化电极纱线的压力灵敏度可通过调节弹性体预聚物与固化剂的比例来进行调控。

步骤三具体还包括以下内容：具有应力传感功能的传感智能面料的制备方法可为机织、针织或三维编织中的一种或多种。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

将有机绝缘弹性体涂敷在导电纱线表面，以导电纱线作为电极，以绝缘弹性体作为介电材料；通过对弹性体弹性模量的控制来控制电容式传感器的灵敏度以及测量范围,采用上述导电纱线，通过传统制造技术形成织物传感阵列.

针对已有的以金属导线前后穿插于织物的电容式传感器存在的安全问题，以及金属导线不耐弯折等，设计了基于介电材料与导电电极一体化的纱线构成的机织物传感阵列，分别作为经纬纱与普通纱线间隔排列，并且可以通过控制导电纱线在经纬纱之间间隔的距离来控制传感矩阵的分辨率。

针对脉搏心跳等生物信号检测要求传感器直接贴服地接触人体地特点，设计了用于贴身穿着的针织物传感阵列。

设计了用于工程复合材料增强体的三维织物传感阵列，并用于材料受力及形变的实时监测。

附图说明

图1为涂覆弹性橡胶绝缘层的一体化导电纱线结构示意图。

图2为基于导电纱线的柔性传感器单元结构示意图。

图3为平纹机织物传感阵列结构示意图。

图4为纬平针针织物传感阵列结构示意图。

图5为三维织物传感阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

一种电容式应力传感智能面料的制备方法，将弹性电介质材料涂覆到导电纱线上形成绝缘层的方法，将电容式传感单元的电极与介电层整合到一根纱线上，利用织物纱线间的交织重叠，通过普通织造技术，如机织、针织、三维织造等，织造出传感矩阵组成织物传感阵列，通过与微型信号处理器的连接，实现各种应力传感功能。

实施例一：

一种介电材料与电极一体化纱线状传感器及其机织物传感阵列的制备方法，本实施例采用聚二甲基硅氧烷（pdms）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（sbs）等一种绝缘弹性体或多种的混合物。弹性体的弹性模量控制可以通过控制预聚物与其交联剂的配比来实现，模量变化范围可以在2mpa—40mpa之间变动，其对应的灵敏度范围为0.01—4kpa^-1，模量越低灵敏度越高。当灵敏度高于0.5kpa^-1时，可以用来监测心跳，脉搏等人体生理状态；低于此灵敏度的传感器可用于智能服装，智能家居的触摸传感。

导电纱线以金属、碳或导电高分子中的一种或多种混合物为导电主体制备纱线，可采用直接制备法，为增强导电纱线的强度，还采用在锦纶、芳纶等高强高模纱线上掺杂及涂覆导电金属及碳纳米材料的方法制备导电纱线。

绝缘弹性体的制备：分别采用pdms预聚物与交联剂的配比为5:2、10:1、20:1、30:1、40:1，配比的确定取决于所需要的传感器的灵敏度。常温下将两组分搅拌均匀后抽真空半小时去除气泡。

弹性绝缘体的涂覆烘燥：将导电纱线在上述去气泡后的混合粘性液体中反复浸渍烘燥，可以根据后道制造工序中对纱线的细度要求控制涂层的厚度，得到的纱线结构如图1所示。

将两根上述方法制备出的导电纱线经纬纱交织点就形成了一个电容式传感器，其结构如图2所示。

采用传统机织制造技术，分别以上述导电纱线作为经纬纱间隔交织，形成电容式传感阵列，如图3所示。本实施例中以机织平纹为例说明本发明，但不限于平纹。

实施例二：

一种基于导电聚合物的介电材料与电极一体化的纱线或纤维状传感器及其针织物传感阵列的制备方法，本实施例针对针织物延展性较大的问题，发明了一种以导电聚合物为电极的纱线或纤维状传感器及其织物传感阵列的制备方法，采用聚胺酯（pu）、聚氢化苯乙烯-聚乙烯丁烯-聚苯乙烯嵌段共聚物（sebs）的一种或多种混合物作为绝缘弹性体，通过熔融挤出直接涂覆的方法制备一体化纱线或纤维传感器应用于在针织物中。

导电纱线采用pedot:pss（聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸）及其延展性导电增强剂（十二烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸钠）或聚苯胺（pani）为原料通过湿法纺丝制备导电纤维或纱线。以聚苯胺为例，将质量分数为20%的聚苯胺溶解在二氯乙酸（dca）中，水浴加热到70℃制成纺丝原液，采用湿法纺丝，以丙酮为凝固浴，制备聚苯胺导电纤维，将制得的导电纤维放入真空烘箱50—60℃烘燥。

涂覆弹性绝缘介电材料：采用如实施例1所述调配pdms预聚物与交联剂的比例，形成黏胶状或熔融pu形成的粘流态聚合物的一种或多种组合，涂覆到上述方法制成的导电纱线上，干燥固化后形成均匀弹性绝缘介电层。

针织物传感阵列的形成：以针织纬平针为例，但不仅限于纬平针，相邻两根纱线采用此导电纱线，在线圈沉降弧交叠处可形成上述电容式应力传感器，如图4所示。pedot：pss、pani导电聚合物制备的导电纱线具有很好的延展性，能适应针织面料形变能力，且针织物多用于贴身穿着的服装，如内衣，泳衣，弹性运动服等，可以很好的监测人体的脉搏心跳等生理信号，可用于运动员的训练监，病人身体状况的监测。

实施例3

一种基于导电纱线的电容式传感器及其在三维织物增强体复合材料上的应用，三维织物以其变化多样的三维立体结构，便利的加工方式，常作为工程复合材料的增强体使用，本实施例利用导电纱线与绝缘树脂复合，提供了一种可实时监测工程复合材料形变量的电容式传感器。

导电纱线的制备：导电纱线采用实施例1、实施例2中相同方法，以金属、碳或导电高分子中的一种或多种混合物为导电主体制备纱线，采用直接制备法、为增强导电纱线的强度，还采用在锦纶、芳纶等高强高模纱线上掺杂及涂覆导电金属及碳纳米材料的方法制备导电纱线。

纱线式电极与弹性介电材料的形成：采用实施例1和实施例2中所述绝缘弹性体材料的一种或多种，如pu与pet复合涂层于导电纱线上，通过采用不同分子量的绝缘弹性体材料，或不同种类复合的比例来调控绝缘介电材料的压缩弹性模量、剪切刚度、弯曲刚度等机械力学性能，实现不同灵敏度的应力传感器。

电容式应力应变传感器的形成：三维织物的底层与顶层部分纱线采用本实施例所述导电纱线，并预留出一定长度作为引线连接外部检测电路，所形成的三维织物直接与树脂等基体复合，通过热轧等方式固化后形成的三维织物复合材料可实时监测材料所受压力及形变量，以便在使用中判断材料是否需要修复或更换。

上述实施例只用于说明本发明而不限于此应用范围，阅读本发明后在此基础上对所用材料、配比等，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。