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碳化棉与黏胶针织物应变传感器的制备与性能.pdf
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1、第4 9卷 第3期2 0 2 3年6月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.3J u n.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 3-0 0 3 3-0 6D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 2.0 4 5 6收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 8通信作者:张佩华,女,教授,研究方向为智能可穿戴纺织品、生物医用纺织品和针织面料产品,E-m a i l:
2、p h z h d h u.e d u.c n引用格式:张静,龙海如,张佩华.碳化棉与黏胶针织物应变传感器的制备与性能J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(3):3 3-3 8.Z HAN G J,L ON G H R,Z HANG P H.P r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f c a r b o n i z e d c o t t o n a n d v i s c o s e k n i t t e d f a b r i c s t r a i n s e n s o r sJ.J o u r n a l
3、 o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(3):3 3-3 8.碳化棉与黏胶针织物应变传感器的制备与性能张 静a,b,龙海如a,b,张佩华a(东华大学 a.纺织学院,b.纺织面料技术教育部重点实验室,上海 2 0 1 6 2 0)摘要:为系统探究碳化针织物柔性应变传感器的传感性能,对棉与黏胶针织物进行碳化处理使其成为导电材料,再与热塑性聚氨酯薄膜进行复合,制得6种柔性应变传感器。通过拉伸试验,研究传感器的拉伸方向、纤维材料及碳化后织物组织结构和密度对传感器的灵敏系数、重现性等传
4、感性能的影响。结果表明:沿横列方向拉伸时传感器的传感性能优于沿纵行方向拉伸;以棉纤维为原料制备的应变传感器的综合传感性能优于黏胶;棉纬平针织物应变传感器的综合传感性能最佳,11罗纹织物次之,双罗纹织物最差;织物密度越小,传感器的传感性能越好。该研究对应变传感器的设计具有一定的指导意义。关键词:针织物应变传感器;碳化棉;碳化黏胶;灵敏系数;重现性中图分类号:T S 1 8 1.8 文献标志码:AP r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f c a r b o n i z e d c o t t o n a n d v i s c o s
5、e k n i t t e d f a b r i c s t r a i n s e n s o r sZHANG J i n ga,b,L ONG H a i r ua,b,ZHANG P e i h u aa(a.C o l l ege o f T e x t i l e s;b.K ey L a b o r a t o ry o f T e x t i l e S c i e n c e&T e c h n o l og y,M i n i s t ry o f E d u c a t i o n,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i
6、 2 0 1 6 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:S i x k i n d s o f f l e x i b l e s t r a i n s e n s o r s w e r e pr epa r e d by c a r b o n i z i ng c o t t o n a n d v i s c o s e k n i t t e d f a b r i c s i n t o c o n d u c t i v e m a t e r i a l s a n d t h e n c o mpo u n d i ng t h e m w i t h
7、 t h e r m opl a s t i c u r e t h a n e f i l m,t o sys t e m a t i c a l ly i n v e s t iga t e t h e s e n s i ng pr ope r t i e s o f f l e x i b l e s t r a i n s e n s o r s f o r c a r b o n i z e d k n i t t e d f a b r i c s.T h e i n f l u e n c e s o f t e n s i l e d i r e c t i o n,f i
8、b e r m a t e r i a l,c a r b o n i z e d f a b r i c s t r u c t u r e a n d d e n s i ty o n t h e s e n s i t i v i ty c o e f f i c i e n t a n d r epe a t a b i l i ty o f t h e s e n s o r s w e r e i n v e s t iga t e d by t e n s i l e t e s t.T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h
9、e s e n s i ng pr ope r t i e s o f t h e s e n s o r s i n t h e c o u r s e d i r e c t i o n i s b e t t e r t h a n t h a t i n t h e w a l e d i r e c t i o n.T h e s e n s i ng pr ope r t i e s o f t h e s t r a i n s e n s o r m a d e o f c o t t o n i s s upe r i o r t o t h a t m a d e o f
10、v i s c o s e.T h e c o mpr e h e n s i v e s e n s i ng pr ope r t i e s o f c o t t o n pl a i n k n i t t e d f a b r i c s t r a i n s e n s o r a r e t h e b e s t,f o l l o w e d by 11 r i b f a b r i c,a n d i n t e r l o c k f a b r i c i s t h e w o r s t.T h e s m a l l e r t h e f a b r i
11、 c d e n s i ty,t h e b e t t e r t h e s e n s i ng pr ope r t i e s o f t h e s e n s o r.T h e r e s e a r c h h a s gu i d i ng s ign i f i c a n c e f o r t h e d e s ign o f s t r a i n s e n s o r.K e y w o r d s:k n i t t e d f a b r i c s t r a i n s e n s o r;c a r b o n i z e d c o t t o
12、n;c a r b o n i z e d v i s c o s e;s e n s i t i v i ty c o e f f i c i e n t;r epe a t a b i l i ty东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 基于碳化天然纤维及再生纤维素纤维织物的柔性应变传感器是一种将碳化后的纺织品作为导电元件与柔性基材结合起来用于感知应变功能的可穿戴装置1-3。其中:作为导电元件的碳化纺织品分为机织物4-6、非织造材料7-9和针织物1 0-1 3三大类;柔性基材起到支撑和保护作用,主要包括弹性硅胶和树脂等。柔性应变传感器只有具备优良的机械柔性、耐久性和拉伸性能,以及较高的灵敏度
13、,才能满足可穿戴电子传感器的要求。近年来,学者们在基于碳化纺织品的柔性应变传感器领域进行了广泛的研究。例如:W a n g等4-5选取特殊结构的丝平纹织物、丝乔其纱,Z h a n g等6选取棉平纹织物等天然纤维机织物作为原材料,在惰性气体中对其进行简单的高温碳化处理后封装在性能稳定的弹性硅胶E c o f l e x或P DM S(聚二甲基硅氧烷)中,制备了一系列具有良好力-电性能的可穿戴应变传感器。C h e n等8开发了一种用P DM S封装的基于碳化纸的应变传感器,该传感器只在小于5%的低应变条件下具有较高的稳定性和快速反应性能,并且平行和垂直于纤维排列方向的弯曲性能表现出各向异性。Y
14、 u等9将碳化的三聚氰胺海绵和有机硅树脂结合起来制成可穿戴应变传感器,该传感器在低应变条件下具有优异的稳定性和快速反应性能,但是其性能受应变输入频率的影响较大。此外,还有学者采用针织物作为碳化原料。针织物独特的线圈穿套结构使其在纵向和横向都具有良好的延伸性1 4。与碳化后的机织物和非织造材料相比,碳 化 后 的 针 织 物 更 适 合 用 作 导 电 元 件。W a n g等1 0将碳化的M o d a l纬平针织物与E c o f l e x相结合制备导电的复合结构,该复合结构虽具有较高的拉伸性能,但是电阻变化率较小,不适合用作应变传感器。C h e n等1 1将碳化针织畦编织物与天然橡胶结
15、合在一起制成传感器,该传感器在低应变下具有较好的力-电性能。D e n g等1 2将碳化棉针织物与P DM S复合,开发了三明治结构的应变传感器,研究了传感器在感知到按压、弯曲和扭转等外界刺激时的力-电性能,但未涉及拉伸状态下的力-电性能。H e等1 3同时开发了基于碳化二维和三维结构针织物的应变传感器,并对其力-电性能进行评价,通过模拟两种针织物在拉伸过程中的结构变化来阐释两者力-电性能的差异。综上所述,碳化天然纤维及再生纤维素纤维针织物应变传感器的传感性能的优劣主要取决于传感器的拉伸方向1 5、碳化织物的纤维种类1 0-1 3、针织物组织结构1 3和织物密度等,然而关于这方面的研究还很单一
16、。综合探究以上因素对传感器的设计和应用具有重要意义。本文先用不同纱线种类(棉和黏胶)和不同织物组织(纬平针、双罗纹、11罗纹)的6种针织物作为材料,经预浸渍(1 0%磷酸氢二胺)、预氧化(在2 4 0 的空气中预氧化6 0 m i n)和高温碳化处理制备导电针织物,并与热塑性聚氨酯薄膜复合,从而制得柔性应变传感器。通过试验探索了该传感器在5 0%应变及小应变拉伸条件下的拉伸方向、纤维材料、碳化后织物组织结构和密度对传感器传感性能的影响。1 碳化针织物应变传感器的制备与测试1.1 原料及试样规格 采用棉短纤纱(天然纤维素纤维)和黏胶长丝(再生纤维素纤维)两种不同原料的针织物进行碳化处理,试样规格
17、如表1所示。表1 碳化前针织物的规格参数T a b l e 1 S p e c i f i c a t i o n s o f k n i t t e d f a b r i c s b e f o r e c a r b o n i z a t i o n试样编号纱线种类织物组织面密度/(gm-2)横密/(纵行(5 c m)-1)纵密/(横列(5 c m)-1)总密度/(线圈(5 c m)-2)1-01 4 t e x棉纬平针1 3 2.7 08 01 0 28 1 6 02-01 4 t e x棉双罗纹1 9 9.7 38 47 66 3 8 43-01 4 t e x棉11罗纹1 4 7
18、.7 85 47 43 9 9 64-01 6 0 d t e x黏胶纬平针1 2 7.2 08 01 0 08 0 0 05-01 6 0 d t e x黏胶纬平针1 1 6.6 07 08 45 8 8 06-01 6 0 d t e x黏胶纬平针1 0 6.4 06 47 44 7 3 6 碳化前的浸渍剂磷酸氢二胺,由西陇化工股份有限公司提供,用于织物的预浸渍处理,具有阻燃作用,目的是在初始碳化阶段保护棉和黏胶针织物,减少该织物的损耗。应变传感器的封装材料热塑性聚氨酯(T P U)薄膜购于上海和和热熔胶有限公司。固定导线的银胶由亚盛电子科技提供。未经特殊说43 第3期张 静,等:碳化棉与
19、黏胶针织物应变传感器的制备与性能明,本研究所使用的化学品均为分析级。1.2 针织应变传感器的制备 先将棉和黏胶针织物进行浸渍(质量分数为1 0%的磷酸氢二胺)预处理,烘干后置于管式碳化炉中预氧化(在2 4 0 的空气中预氧化6 0 m i n),并在该炉中于9 0 0 下进行碳化处理,最终得到碳化针织物。详细步骤参照文献1 5 中碳化针织物的制备方法。碳化后针织物的主要规格参数如表2所示。碳化后针织物仍然保持了织物的完整性和相对稳定的结构,表面伸出的棉纤维较少,线圈密度有所增大1 6。碳化织物的力学性能参照文献1 5,沿横列方向的 拉 伸 应 变 和 拉 伸 强 度 分 别 为6 9.0 0
20、0%和0.0 6 1 MP a,沿纵行方向的拉伸应变和拉伸强度分别为3 0.5 5 9%和0.1 7 4 MP a。表2 碳化后针织物的规格参数T a b l e 2 S p e c i f i c a t i o n s o f k n i t t e d f a b r i c s a f t e r c a r b o n i z a t i o n试样编号纱线种类织物组织面密度/(gm-2)横密/(纵行(5 c m)-1)纵密/(横列(5 c m)-1)总密度/(线圈(5 c m)-2)1-C棉纬平针5 3.6 01 0 81 4 01 5 1 2 02-C棉双罗纹8 1.6 09 6
21、9 49 0 2 43-C棉11罗纹6 2.5 66 09 85 8 8 04-C黏胶纬平针5 4.0 01 0 81 4 01 5 1 2 05-C黏胶纬平针4 9.2 08 51 2 01 0 2 0 06-C黏胶纬平针4 4.8 08 01 1 08 8 0 0 将碳化针织物分别沿横列与纵行方向裁剪成长4 c m、宽1 c m的矩形片段,采用银胶将铜线粘贴在矩形片段的两端;将带离型纸的T P U薄膜裁剪成合适的尺寸,用电熨斗加热使薄膜与碳化针织物黏合,冷却至室温后剥离离型纸,获得封装好的碳化针织应变传感器试样,如图1所示。将表2中的6种碳化针织物作为导电材料,依次制备传感器试样A 1、A
22、 2、A 3、D 1、D 2、D 3。图1 封装后的针织应变传感器F i g.1 K n i t t e d s t r a i n s e n s o r a f t e r e n c a p s u l a t i o n1.3 传感性能测试与表征 采用Z Q-9 9 0 L B型拉伸仪(东莞市智取精密仪器有限公司)对传感器试样进行拉伸应变测试,拉伸速度为6 0 mm/m i n,试样夹持距离为4 0 mm。采用DM 3 6 8 0型数字万用表同步记录拉伸过程中试样的电阻变化情况。所有试样分别沿横列方向和纵行方向 拉 伸 至5 0%应 变,对 传 感 性 能 进 行 初 步 评价1 7。
23、每种传感器测试3个试样,结果取平均值。传感器的灵敏系数G是评价针织柔性应变传感器的一个重要指标1 7,可表示为G=(R-R0)R01 0 0%(1)式中:为拉伸方向上的应变;R为应变为时的实时电阻;R0为初始静态电阻;公式的分子为电阻变化率,令r=(R-R0)1 0 0%/R0。通过预拉伸试验发现,部分传感器的电阻变化率-应变曲线线性度较低且存在灵敏系数为负值的情况。为进行统一比较,引入最大灵敏系数Gm a x,即电阻变化率-应变曲线上的最大斜率。当Gm a x为负值时采用最大灵敏系数的绝对值|Gm a x|。在评价纤维材料和织物组织结构对传感器性能的影响时,为排除其他结构参数的影响,引入比灵
24、敏系数|Gm a x|P的概念,即每个线圈最大灵敏系数的绝对值(用织物总密度去除传感器的最大灵敏系数的绝对值)。|Gm a x|和|Gm a x|P是评价负灵敏系数的重要指标,其数值越大,传感器性能越好。选择灵敏系数最大以及线性度最好的传感器,进行小应变状态下的重现性及响应性能测试,以应对复杂和多变的应用场景。重现性测试的拉伸应变分 别 为0.5%和1.0%,拉 伸 速 度 分 别 为5和1 0 mm/m i n,隔距为4 0 mm,拉伸次数为3 0 0次。通过测试传感器拉伸至0.1%应变时的响应时间评价传感器对小应变的响应性能。2 结果与讨论2.1 电阻变化率-应变测试结果 6种传感器沿横列
25、与纵行方向拉伸至5 0%应变时的电阻变化率-应变曲线如图2所示。传感器的53东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 最大灵敏系数Gm a x及其绝对值|Gm a x|,以及比灵敏系数|Gm a x|P的计算结果如表3所示。图2 传感器沿纵、横向拉伸至5 0%应变时的电阻变化率-应变曲线F i g.2 R e l a t i v e r e s i s t a n c e c h a n g e-s t r a i n c u r v e s f o r s e n s o r s s t r e t c h e d t o 5 0%s t r a i n a l o n g t h e c o
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