一种中空纤维基可穿戴电容触觉传感器的制备方法及应用

本发明涉及一种触觉传感器，具体涉及一种中空纤维基可穿戴触觉传感器的制备方法及应用。

背景技术：

1、随着“物联网”和柔性电子的蓬勃发展，可穿戴触觉传感器在电子皮肤、人机界面、智慧医疗、人工智能等领域中日益发挥着重要的作用。可穿戴触觉传感器能够将外部的物理接触刺激转化为电信号(如电阻，电压或电容)，具有信号采集方便、灵敏度高、制造简单和成本低等优点，已在学术界和工业界吸引了广泛的研究关注。与柔性聚合物导电薄膜组成的传感器相比，纤维基导电材料组装的传感器不仅机械强力优异，透气性高，易于与传统纺织品结合，而且能够同时实现高的灵敏度，宽的工作范围和出色的长期稳定性。

2、目前，大多数纤维基导电材料的制备是通过涂层技术(如浸渍涂层，喷涂，原位聚合，化学镀等)在纤维基材料表面均匀黏附导电物质，如炭黑，碳纳米管，石墨烯，mxenes纳米片，银纳米线/纳米颗粒，聚吡咯，聚苯胺等。然而，导电涂层在纤维基体上的结合牢度通常是脆弱的，在实际使用中的反复磨损、压缩、弯曲、扭曲和洗涤下会剥离和脱落，引起导电性的永久性下降，这会导传感器的使用稳定性变差及使用寿命缩短。同时，由于暴露在纤维基材外部，导电涂层极易受到高湿度、汗液、阳光照射、腐蚀性液体等环境因素的破坏，致使可穿戴传感器的检测精度下降和应用场景受限；且导电涂层与人体直接接触也会引发健康安全问题。此外，当与传统纺织品集成时，现有的纤维基可穿戴电容式触觉传感器由于复杂的结构设计导致较大的体积，进而影响到纺织品原有的柔韧性、舒适性、透气性和时尚美观性。因此，开发一种导电涂层结合牢度高，抗环境干扰性优异，体积小的纤维基可穿戴触觉传感器就显得格外重要。

3、专利号cn111593432a公布了一种防腐抗菌功能中空纤维及其制备工艺。专利号cn108360253b公布了一种中空载银纤维的制备方法。专利号cn103451921a公布了一种中空抗菌导电纤维及其制备方法。上述研究虽然在小直径(26-30μm)的中空纤维内表面成功涂层了银纳米颗粒，实现了防腐、抗菌和导电的功能，避免环境对导电性的干扰和使用时的人体健康安全问题；但导电银颗粒与中空纤维内表面的结合牢度问题仍然没有解决，不利于传感器性能的长期稳定性。专利号cn112626864a公布了一种导电中空纤维材料及其制备方法和应用，利用聚多巴胺作为粘合剂实现了3,4-乙烯二氧噻吩的聚合物膜在中空纤维内表面的黏附，但较大的纤维直径(2mm)难以满足可穿戴电容式触觉传感器在小体积方面的应用需求。此外，鲜有专利报道应用上述的导电中空纤维制备传感性能稳定、舒适性高的可穿戴触觉传感器。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是：现有的纤维基可穿戴触觉传感器存在体积大，导电涂层与纤维基材的结合牢度差，暴露在外的导电涂层易受环境因素影响而破坏，且导电涂层与人体直接接触会引发不适的问题。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

3、一种中空纤维基可穿戴触觉传感器的制备方法，在负压抽吸辅助下，将导电材料涂覆在中空聚合物纤维的内表面形成导电层，制成复合导电中空纤维；将两根复合导电中空纤维交叉配置后形成可穿戴触觉传感器。

4、优选地，所述聚合物纤维为聚酯、聚酰胺、聚二甲基硅氧烷或热塑性聚氨酯纤维。

5、优选地，所述聚合物纤维的直径范围在15-1500μm。

6、优选地，所述导电材料涂层液为金属前驱体溶液和还原剂溶液组成的化学镀液，导电聚合物单体溶液和还原剂溶液组成的自由基聚合液，导电纳米材料形成的分散液中的至少一种。

7、更优选地，所述金属前驱体溶液包括银氨溶液或硫酸铜络合溶液中的一种；所述导电聚合物单体溶液包括吡咯溶液或苯胺溶液中的一种；所述导电纳米材料为碳纳米管、纳米炭黑、纳米石墨烯、mxenes纳米片、银纳米线中的至少一种。

8、更优选地，所述的导电材料涂层液为化学镀液，包括银氨溶液和还原剂溶液；银氨溶液包括硝酸银、乙二胺、氨水、水，其中，硝酸银的浓度为5-15g/l，乙二胺的浓度为0.4-1.2ml/l；还原剂溶液包括葡萄糖、酒精、水，其中，葡萄糖的浓度为10-20g/l，酒精的浓度为5-15ml/l；所述导电层采用化学镀液通过化学镀银工艺形成，反应温度为20-25℃，反应时间为30-180min，化学镀银的次数为3-7次。

9、优选地，所述导电层制备前，先对聚合物纤维的内表面进行预处理，所述预处理包括碱处理、敏化处理、活化处理中的至少一种，以提高导电材料在纤维内表面的涂层牢度。

10、更优选地，所述碱处理采用氢氧化钠溶液，其浓度为5-20g/l，处理的时间为20-60min，温度为85℃；所述敏化处理所采用的敏化剂包括氯化亚锡水溶液、盐酸，其中，氯化亚锡的浓度为10-15g/l，盐酸的浓度为8-20ml/l，处理时间为30-90min；所述活化处理所采用的活化剂为氯化钯水溶液、盐酸，其中，氯化钯的浓度为0.1-0.3g/l，盐酸的浓度为2-5ml/l，处理时间为30-90min。

11、优选地，所述交叉配置具体为：将两根复合导电中空纤维直接接触形成交叉点组装成触觉传感器，再将其缝入织物中；或者将两根复合导电中空纤维分别固定在具有导电性或不具有导电性的织物的正、反面形成非直接接触的交叉点，获得触觉传感器织物。金属铝箔仅与纤维的一端连接作为电极，用于更方便的获取电信号；接触是指两根导电中空纤维交叉放置后形成的接触点。同时，因为纤维的外表面是绝缘的pet聚合物，故无论中间的织物是否具有导电性，都可以形成触觉传感器。

12、优选地，复合导电中空纤维的长度3-6cm。

13、本发明还提供了上述制备方法制备的中空纤维基可穿戴触觉传感器在制备用于监测人体生理信号的织物中的应用。

14、本发明制备的中空纤维基可穿戴触觉传感器，柔性高，体积小，在同等压力下比常规实心纤维更易于发生变形，灵敏度高，环境耐受性强，不仅能够准确地监测脉搏，呼吸等人体生理信号，而且能够用于获取非接触物体的停留与离开；同时，也可用于水下传感应用。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

16、(1)本发明提供的中空纤维基可穿戴触觉传感器的制备方法，与同类触觉传感器相比，制备工艺简单、成本低廉、可批量化制备。同时，该中空纤维基可穿戴电容式触觉传感器体积小，易于与传统的纺织品结合，且不影响纺织品原有的柔韧性、透气性、舒适性和时尚美观性，在健康监测、可穿戴人机接口、电子纺织品，智慧医疗等领域具有广阔的应用前景。

17、(2)本发明的步骤s3中，进行碱处理、敏化处理和活化处理后，有效地增加了中空纤维内表面的活性基团种类和数量，有助于化学镀过程中银颗粒在中空纤维内表面的连续生长，形成导电银膜；同时也提高了银颗粒与中空纤维内表面的结合牢度。

18、(3)本发明的步骤s4中，在中空纤维的内表面形成导电银膜，有利于极大地减弱环境因素对传感器性能稳定性的干扰，也可避免传感器中暴露在外的导电涂层因和人体直接接触带来的健康和安全问题。

19、(4)本发明提供的中空纤维基可穿戴触觉传感器能够同时响应接触和非接触的外部刺激，在同等压力下比相同直径的常规实心纤维传感器更易于被压缩，有助于提高传感器的灵敏度。利用电子万能材料试验机和lcr电桥组成的测试平台测试该传感器的传感性能，测试结果表明：在压力模式下，该触觉传感器灵敏度在0-1kpa内为59.86％-83.65％kpa-1，1-100kpa内为0.31％-0.52％kpa-1，压力感知范围为0-100kpa，经过3000个压缩-释放循环测试后，其灵敏度的保持率≥96％；在非接触模式下，该传感器距离感应的灵敏度在0-3cm内为

20、7.68％-9.29％cm-1，在3-16cm内为1.37％-1.75％cm-1，距离感应的范围为0-16cm，经过1000个移动-停留循环后，其灵敏度几乎保持不变；可用于获取和监测脉搏，呼吸等人体生理信号，也可以作为可穿戴的无触人机接口。