基于纳米银线的超疏水柔性织物压力传感器及其制备方法

1.本发明涉及可穿戴传感器技术领域，尤其涉及基于纳米银线的超疏水柔性织物压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着电子产品柔性化、小型化、功能化方向发展，智能化可穿戴器件已经成为学术界和产业界的研发热点。其中，具有力敏相应特性的电子纺织品不仅将压力转换成电信号，模拟人体皮肤功能探测生理信号，而且还可以保留纺织品的柔软舒适、易穿戴、耐洗涤等优势，因此设计和制备织物电子器件已引起国内外研究人员的重视，并将成为未来的发展趋势。
3.典型的柔性传感器一般由柔性衬底、活性层及界面层组成。功能性电子织物一般多采用织物基材作为柔性衬底，在功能性电子织物的制备中，活性层与织物间制备方法的兼容性非常重要，良好的整合的活性层与织物基材，不仅可以为电子织物提供良好的传感性能，而且还可以最大限度地保留织物基材的柔顺性、机械稳定性和耐久性，使电子织物具有智能可穿戴产品特性。当前，电阻型织物压力传感器已经被广泛报道，它们主要是采用多种多样的纳米材料，例如金属纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯、静电纺丝纳米纤维等。
4.纳米银线因其具有良好的导电性、化学稳定性常被用来复合到其它柔性材料中制备具有高导电性、高柔韧性的电极。将纳米银线与纺织品复合具有制备工艺简单、耐用性好、柔韧性强、获得抗菌和防紫外功能等优点，是制备电子织物的理想方法之一。
5.一般来说，电子织物材料的制备方法主要有通过涂层或印刷，即将电子材料整合到织物基材表面并赋予织物电子功能；纺丝技术，即通过纤维制备工艺将电子材料直接加工为微纳米结构的电子纤维或织物；贴附和嵌入，即将微电子元件或织物电路嵌入到纺织品表面或内部构建外接式电子织物。低温或室温下采用浸渍加工法，即将织物浸泡在导电溶液中并随着溶剂挥发，在织物表面沉积导电物质形成导电功能层是最常用的方法。该方法不仅简单，且比较适用于大规模生产。
6.目前，虽然导电织物的研究以及应用范围均获得较大发展，已有报道的导电织物具有各自的优点，但普遍还存在导电性弱，导电材料与织物附着力差，导电织物功能单一等问题，在一定程度上限制了其商业应用。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于纳米银线的超疏水柔性全织物压力传感器及其制备方法。本发明方法通过丝网印刷的纳米银线叉指电极为底电极，采用浸渍纳米银线织物为压阻层，采用vhb胶带封装压阻层和底电极，制备成全织物柔性压力传感器。本发明方法制备的压力传感器具有高灵敏度、快速响应时间、高柔韧性等特点。此外，该制备工艺简单，非常适用于大规模制造。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
丝网印刷织物电极的制备方法如下：（1）将羟甲基纤维素在水溶液中溶解完全，再向其中加入一定量的水性聚氨酯溶液，在1500~2000 rpm/分钟条件下搅拌10分钟， 然后加入纳米银线，在1500～2000 rpm/分钟条件下搅拌30分钟，配制成纳米银线墨水。
9.（2）将设计好的丝网印刷网版放置于干净的织物上，固定好网版后将纳米银线导电墨水放到网版上，用刮板在网版上刮涂纳米银线墨水，刮涂次数是10～20次，刮涂完成后将网版从一侧缓慢抬起，织物表面即可出现清晰的电路。将印有电路的织物放入干燥箱70～80℃烘干15～30分钟，获得导电织物底电极。
10.（3）将干净织物放入盛有无水乙醇的烧杯中搅拌清洗以去除织物上的杂质，再用大量的去离子水反复清洗，放入干燥箱70～80℃烘干1小时。然后把织物完全浸入到一定浓度的纳米银线乙醇分散液中1 分钟，取出后放120~150℃ 的烘箱中干燥 10~20 分钟。为了得到不同导电性导电织物，可以重复上面的步骤 2
‑
5 次。
11.（4）采用喷涂法将含氟聚倍半硅氧烷的乙醇溶液涂覆在导电织物表面，放置在干燥箱中70～80 ℃烘干15～30分钟获得超疏水抗菌导电织物。
12.（5）将超疏水抗菌导电织物作为压阻层，丝网印刷的纳米银线叉指电极作为底电极，用 vhb 胶带封装压阻层与叉指电极制作成压力传感器。
13.本发明采用上述步骤（1）中的纳米银线墨水中纳米银线的质量百分比浓度为8～15%，纳米银线直径20~40 nm，长度20~30
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14.本发明采用上述步骤（1）中采用丝网印刷实现纳米银线在织物表面附着制作叉指电极。
15.本发明采用上述步骤（1）中配制的纳米银线墨水由下述质量百分含量的物料组成：纳米银线是8～15%，羟甲基纤维素是1.5～3.5%，水性聚氨酯是0.5~1%，水是80.5～90%。
16.本发明采用上述步骤（3）中配制的纳米银线乙醇溶液中纳米银线的质量百分含量是3%~9%，纳米银线直径20~40 nm，长度20~30
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17.本发明采用上述步骤（4）中含氟聚倍半硅氧烷的乙醇溶液的质量百分比含量为3～5 %。
18.本发明的有益效果是：本发明采用丝网印刷的纳米银线叉指电极为底电极，不仅保障底电极的柔韧性和导电性，而且羟甲基纤维素与织物间牢固的结合能力，极大地提高了纳米银线与织物间的附着能力；采用浸渍纳米银线织物为压阻层，且在压阻层织物表面喷涂超疏水功能层，不仅赋予压阻层导电织物良好的导电性、自清洁能力，而且超疏水功能层作为阻隔层提高织物使用稳定性，防止纳米银线在机械力的作用下脱落。本发明方法制备的压力传感器具有高灵敏度、快速响应时间、高柔韧性、全织物等特点。此外，该制备工艺简单，非常适用于大规模制造。
附图说明
19.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的实施方式一起用于解释本发明，但不构成对本发明的限制。
20.图1是本发明实施例1丝网印刷纳米银线织物的sem图；图2是本发明实施例1浸泡2次的纳米银线织物的sem图；图3是本发明实施例1超疏水导电织物的静态接触角图；
图4是本发明实施例2丝网印刷纳米银线织物的sem图；图5是本发明实施例2浸泡4次的纳米银线织物的sem图；图6是本发明实施例2超疏水导电织物的静态接触角图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.实施例1：所述一种基于纳米银线的超疏水柔性全织物压力传感器及其制备方法：（1）将2克羟甲基纤维素在100毫升水溶液中溶解完全，再向其中加入0.5克的水性聚氨酯溶液，在1500~2000 rpm/分钟条件下搅拌10分钟，然后加入8克纳米银线，在1500～2000 rpm/分钟条件下搅拌30分钟，配制成纳米银线墨水。
23.（2）将设计好的丝网印刷网版放置于干净的织物上，固定好网版后将纳米银线导电墨水放到网版上，用刮板在网版上刮涂纳米银线墨水，刮涂次数是20次，刮涂完成后将网版从一侧缓慢抬起，织物表面即可出现清晰的电路。将印有电路的织物放入干燥箱70～80℃烘干15～30分钟，获得导电织物底电极，测试电极的方阻为0.9欧/方。
24.（3）将干净织物放入盛有无水乙醇的烧杯中搅拌清洗以去除织物上的杂质，再用大量的去离子水反复清洗，放入干燥箱70～80℃烘干1小时。然后把织物完全浸入到9%的纳米银线乙醇分散液中1 分钟，取出后放120~150℃ 的烘箱中干燥 10~20 分钟，以重复上面的步骤 2 次。
25.（4）采用喷涂法将3%的含氟聚倍半硅氧烷的乙醇溶液涂覆在导电织物表面，放置在干燥箱中70～80 ℃烘干15～30分钟获得超疏水抗菌导电织物，测试导电织物的方阻为0.8欧/方。
26.（5）将超疏水抗菌导电织物作为压阻层，丝网印刷的纳米银线叉指电极作为底电极，用 vhb 胶带封装压阻层与叉指电极制作成压力传感器。
27.测试压力传感器在0~5 kpa范围内，灵敏度为1.97
×
10
4 kpa
‑1~4.61
×
10
4 kpa
‑1，响应时间在3~13 ms，检测限位2.1 pa，5 μl水滴在其上的接触角为154.19。
28.实施例2：所述一种超疏水抗菌导电织物及其制备方法：（1）将3.5克羟甲基纤维素在100毫升水溶液中溶解完全，再向其中加入1克的水性聚氨酯溶液，在1500~2000 rpm/分钟条件下搅拌10分钟，然后加入15克纳米银线，在1500～2000 rpm/分钟条件下搅拌30分钟，配制成纳米银线墨水。
29.（2）将设计好的丝网印刷网版放置于干净的织物上，固定好网版后将纳米银线导电墨水放到网版上，用刮板在网版上刮涂纳米银线墨水，刮涂次数是10次，刮涂完成后将网版从一侧缓慢抬起，织物表面即可出现清晰的电路。将印有电路的织物放入干燥箱70～80℃烘干15～30分钟，获得导电织物底电极，测试电极的方阻为0.4欧/方。
30.（3）将干净织物放入盛有无水乙醇的烧杯中搅拌清洗以去除织物上的杂质，再用
大量的去离子水反复清洗，放入干燥箱70～80℃烘干1小时。然后把织物完全浸入到3%的纳米银线乙醇分散液中1 分钟，取出后放120~150℃ 的烘箱中干燥 10~20 分钟，以重复上面的步骤 4 次。
31.（4）采用喷涂法将5%的含氟聚倍半硅氧烷的乙醇溶液涂覆在导电织物表面，放置在干燥箱中70～80 ℃烘干15～30分钟获得超疏水抗菌导电织物，测试导电织物的方阻为0.07欧/方。
32.（5）将超疏水抗菌导电织物作为压阻层，丝网印刷的纳米银线叉指电极作为底电极，用 vhb 胶带封装压阻层与叉指电极制作成压力传感器。
33.测试压力传感器在0~5 kpa范围内，灵敏度为1.21
×
10
4 kpa
‑1~5.38
×
10
4 kpa
‑1，响应时间在3~13 ms，检测限位1.78 pa，5 μl水滴在其上的接触角为158.09。
34.实施例3：所述一种超疏水抗菌导电织物及其制备方法：（1）将2克羟甲基纤维素在100毫升水溶液中溶解完全，再向其中加入0.5克的水性聚氨酯溶液，在1500~2000 rpm/分钟条件下搅拌10分钟，然后加入15克纳米银线，在1500～2000 rpm/分钟条件下搅拌30分钟，配制成纳米银线墨水。
35.（2）将设计好的丝网印刷网版放置于干净的织物上，固定好网版后将纳米银线导电墨水放到网版上，用刮板在网版上刮涂纳米银线墨水，刮涂次数是10次，刮涂完成后将网版从一侧缓慢抬起，织物表面即可出现清晰的电路。将印有电路的织物放入干燥箱70～80℃烘干15～30分钟，获得导电织物底电极，测试电极的方阻为0.4欧/方。
36.（3）将干净织物放入盛有无水乙醇的烧杯中搅拌清洗以去除织物上的杂质，再用大量的去离子水反复清洗，放入干燥箱70～80℃烘干1小时。然后把织物完全浸入到3%的纳米银线乙醇分散液中1 分钟，取出后放120~150℃ 的烘箱中干燥 10~20 分钟，以重复上面的步骤 3 次。
37.（4）采用喷涂法将3%的含氟聚倍半硅氧烷的乙醇溶液涂覆在导电织物表面，放置在干燥箱中70～80 ℃烘干15～30分钟获得超疏水抗菌导电织物，测试导电织物的方阻为0.1欧/方。
38.（5）将超疏水抗菌导电织物作为压阻层，丝网印刷的纳米银线叉指电极作为底电极，用 vhb 胶带封装压阻层与叉指电极制作成压力传感器。
39.测试压力传感器在0~5 kpa范围内，灵敏度为1.21
×
10
4 kpa
‑1~4.61
×
10
4 kpa
‑1，相应时间在3~13 ms，检测限位1.78 pa，5 μl水滴在其上的接触角为154.19。
40.实施例4：所述一种超疏水抗菌导电织物及其制备方法：（1）将3.5克羟甲基纤维素在100毫升水溶液中溶解完全，再向其中加入0.5克的水性聚氨酯溶液，在1500~2000 rpm/分钟条件下搅拌10分钟，然后加入15克纳米银线，在1500～2000 rpm/分钟条件下搅拌30分钟，配制成纳米银线墨水。
41.（2）将设计好的丝网印刷网版放置于干净的织物上，固定好网版后将纳米银线导电墨水放到网版上，用刮板在网版上刮涂纳米银线墨水，刮涂次数是10次，刮涂完成后将网版从一侧缓慢抬起，织物表面即可出现清晰的电路。将印有电路的织物放入干燥箱70～80℃烘干15～30分钟，获得导电织物底电极，测试电极的方阻为0.18欧/方。
42.（3）将干净织物放入盛有无水乙醇的烧杯中搅拌清洗以去除织物上的杂质，再用大量的去离子水反复清洗，放入干燥箱70～80℃烘干1小时。然后把织物完全浸入到7%的纳米银线乙醇分散液中1 分钟，取出后放120~150℃ 的烘箱中干燥 10~20 分钟，以重复上面的步骤2 次。
43.（4）采用喷涂法将4%的含氟聚倍半硅氧烷的乙醇溶液涂覆在导电织物表面，放置在干燥箱中70～80 ℃烘干15～30分钟获得超疏水抗菌导电织物，测试导电织物的方阻为0.05欧/方。
44.（5）将超疏水抗菌导电织物作为压阻层，丝网印刷的纳米银线叉指电极作为底电极，用 vhb 胶带封装压阻层与叉指电极制作成压力传感器。
45.测试压力传感器在0~5 kpa范围内，灵敏度为1.65
×
10
4 kpa
‑1~5.72
×
10
4 kpa
‑1，相应时间在3~13 ms，检测限位2.8 pa，5 μl水滴在其上的接触角为157.19。
46.实施例5：所述一种超疏水抗菌导电织物及其制备方法：（1）将3.5克羟甲基纤维素在100毫升水溶液中溶解完全，再向其中加入0.5克的水性聚氨酯溶液，在1500~2000 rpm/分钟条件下搅拌10分钟，然后加入15克纳米银线，在1500～2000 rpm/分钟条件下搅拌30分钟，配制成纳米银线墨水。
47.（2）将设计好的丝网印刷网版放置于干净的织物上，固定好网版后将纳米银线导电墨水放到网版上，用刮板在网版上刮涂纳米银线墨水，刮涂次数是10次，刮涂完成后将网版从一侧缓慢抬起，织物表面即可出现清晰的电路。将印有电路的织物放入干燥箱70～80℃烘干15～30分钟，获得导电织物底电极，测试电极的方阻为0.18欧/方。
48.（3）将干净织物放入盛有无水乙醇的烧杯中搅拌清洗以去除织物上的杂质，再用大量的去离子水反复清洗，放入干燥箱70～80℃烘干1小时。然后把织物完全浸入到6%的纳米银线乙醇分散液中1 分钟，取出后放120~150℃ 的烘箱中干燥 10~20 分钟，以重复上面的步骤 3 次。
49.（4）采用喷涂法将4%的含氟聚倍半硅氧烷的乙醇溶液涂覆在导电织物表面，放置在干燥箱中70～80 ℃烘干15～30分钟获得超疏水抗菌导电织物，测试导电织物的方阻为1.2欧/方。
50.（5）将超疏水抗菌导电织物作为压阻层，丝网印刷的纳米银线叉指电极作为底电极，用 vhb 胶带封装压阻层与叉指电极制作成压力传感器。
51.测试压力传感器在0~5 kpa范围内，灵敏度为2.28
×
10
4 kpa
‑1~5.14
×
10
4 kpa
‑1，相应时间在3~13 ms，检测限位2.6 pa，5 μl水滴在其上的接触角为158.32。
52.申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的有效替换及辅助成分的添加，具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。