柔性纺织电阻传感器的研究进展

　　摘要：纺织电阻传感器具有质量轻、柔性好和可拉伸等优良特性，在可穿戴电子产品领域具有很大的应用价值。本文根据近年来不同纺织材料基电阻传感器的研究进展，介绍了无捻纤维(束)基电阻传感器、纱线(长丝纱、短纤维纱、复合纱)基电阻传感器和织物(针织物、机织物、非织造织物)基电阻传感器的制备、性能及应用研究。在纱线基电阻传感器中，主要基于导电涂覆纱线受力过程中纤维的内在弹性或长丝之间接触程度的变化所引起电阻改变的原理，制备电阻传感器;对于织物电阻传感器，主要利用织物结构体的变形特征并结合对织物进行导电涂覆或碳化等方法，制备电阻传感器。

　　关键词：电阻传感器;纱线;织物;弹性;导电涂覆

　　随着纺织材料和纳米技术的进步，可穿戴柔性传感器得到了研究者极大的关注，可穿戴柔性力学传感器的研究应用体现在很多方面：电子皮肤[1~3]、人体运动监测[4,5]、智能机器人[6,7]和保健监护[8~10]等。与传统刚性传感器相比，柔性可穿戴传感器具有良好的柔韧性、可拉伸性及可连续监测等优势[11,12]。

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　　柔性应变电阻传感器是以导电活性材料(碳基材料[13,14]和金属纳米材料[15~17])作为电信号传输介质，在受力时柔性基体(弹性聚合物[18,19]和纺织品[20,21])产生形变(压缩、弯曲、拉伸、扭转等)，引起导电材料的电阻变化的装置或器件。以纺织材料为基底的电阻传感器具有质量轻、柔性好、可拉伸等优良特性，在智能可穿戴领域具有独特的优势。本文综述了以不同纺织材料基电阻传感器的研究现状，重点介绍了国内外近几年以无捻纤维(束)为基底、以纱线为基底和以织物为基底的电阻传感器的制备、性能及应用研究。

　　1电阻传感结构和机理

　　柔性传感器按信号转换机制主要分为压阻式、电容式和压电式三大基本形式[22~24]。目前柔性纺织应变传感器多是以电阻式传感器为主，该类传感器是由于纤维、纱线和织物结构的改变导致电阻变化，在受力过程中导电材料间接触电阻和长度电阻的改变引起织物电信号的相应变化，并以电阻的形式表现出来[25,26]。传感系数GF[27,28]用于表示柔性应变传感器灵敏度，GF=∆R/(R0×ε),ε=∆L/L0，式中：R0为传感器的电阻值;ΔR=R–R0，式中：R为拉伸条件下传感器的电阻值;ε为外加应变;L0为传感器长度;ΔL=L–L0，式中：L为传感器拉伸条件下的长度[29,30]。目前，柔性纺织应变传感器以无捻纤维(束)基、纱线基和织物基传感器为主。

　　2无捻纤维(束)基电阻传感器

　　通过物理涂覆和化学接枝等的方法将碳基材料和金属纳米材料整理到弹性纤维(束)的表面制成无捻纤维(束)基电阻传感器。Liao等[31]制备一种由氧化锌纳米线和聚氨酯纤维组成的传感器，它集聚应变、温度和紫外线3种不同的传感能力，拥有高拉伸能力(可高达150%)。作为应变传感器的快速响应时间为38ms，灵敏度因数15.2，在循环10000次加载实验仍具有高稳定性;作为温度传感器的温度检测的高温灵敏度为39.3%/℃;作为紫外线传感器的电信号的响应和复位很慢，响应时间29.8~37.1s和复位时间6.6~10.1s。Zhu等[32]利用玻璃毛细管的虹吸原理，将银纳米线(AgNW)嵌入到聚氨酯(PU)纤维的表面层内，制备PU纤维传感器，该纤维在拉伸过程中，AgNW会随PU纤维形变而运动，从而产生较强的电传感信号。

　　Fig.1显示PU/AgNW纤维结构以及PU/AgNW应变传感器电阻随手腕运动的变化。Wu等[33]用碳黑和天然橡胶构成的导电聚合物涂覆氨纶纱，制备高度敏感的应变传感器，传感器的应变灵敏度因数39，这个传感器可以监测接近皮肤的微小运动，贴在测试者的前额，可以监测面部表情变化。Li等[34]采用层层组装技术制备石墨烯/聚氨酯(皮层/芯)的纱线传感器，该传感器有很高的灵敏度(应变系数86.9),良好的线性(相关系数为0.97)和可重复性(重复性误差为1.81%),和低滞后(滞后误差为9.08%)，同时由于在聚氨酯芯上涂有一层薄薄的石墨烯纳米薄片，纱线传感器的热稳定性也略有提高。

　　3纱线基电阻传感器

　　目前，纱线基电阻传感器是将导电活性材料通过表面接枝、浸渍和原位聚合等方法复合到纱线表面，使具有一定的导电性。纱线基电阻传感器根据纱线的结构和外形分为3类：以长丝纱为基底的电阻传感器;以短纤维纱为基底的电阻传感器;以复合纱为基底的电阻传感器。

　　3.1以长丝纱为基底的电阻传感器Zhong等[35]将银纳米线与聚烯烃纳米纤维纱在特定的混合溶剂中制成导电纱线。该传感器在应变为0%~65%内的，灵敏度系数最高达13920，可响应最小检测极限为0.065%。其在4500个循环中，应变为10%，具有良好的耐久性。拉伸和释放应变的响应时间分别为10ms和15ms。同时，该传感器还成功地应用单纱实现对人体运动检测。

　　Ye等[36]采用浸渍涂覆方法把碳纳米管黏合到天然蚕丝纤维表面制备导电天然蚕丝纤维(CSF)，然后对多根导电天然蚕丝纤维加捻，形成导电天然蚕丝纤维纱(见Fig.2)。当纱延伸时紧密接触，单纤维之间的接触面积增加，电阻减小。电阻变化与纱线变形同步，并在40次循环之后保持稳定。该导电纱可以监测人体活动。吴荣辉等[37]通过浸渍法对蚕丝加捻得到的蚕丝纱编织为闭口编链组织结构进行导电修饰，制备银纳米线涂层的纱线传感器。该传感器在拉伸应变传感方面具有良好的性能，在小于5%的应变范围内，灵敏度因数高达20.14;传感器在拉伸频率0.01~1.00Hz之间有稳定的响应。

　　4织物基电阻传感器

　　织物传感器可以检测复杂平面，检测范围和应用更为广泛。现在，制备织物应变传感器的方法是将导电纱线通过不同制造工艺织成导电织物或织物通过后整理的方式制成导电织物。目前织物电阻传感器按不同织物结构基底材料可分为3种：一是以针织物为基底的应变传感器;二是以机织物为基底的应变传感器;三是以非织造布为基底的应变传感器。

　　4.1以针织物为基底的电阻传感器Atalay等[43]使用镀银尼龙纱线制备了纬平针织物应变传感器，当拉伸应变为40%时，对应的灵敏因数在3.44左右，同时发现该传感器在静态和动态条件下都有良好的响应。Lee等[44]采用简单、可伸缩的浸渍-还原方法，以氨纶/尼龙针织织物为基底材料，制备能够监测手指弯曲等人体运动的石墨烯/织物应变传感器，在40.6%应变范围内具有良好的导电性和高应变因数(18.24)。Chen等[5]采用真空袋装、负压吸附和滴涂3种方法将废棉织物炭化后与天然胶乳复合，开发一种绿色制备柔性传感器的方法。炭化棉经天然橡胶浸渍后，保持了原有的针织结构，具有良好的导电性，所制备的可穿戴柔性应变传感器可以监测人体手指和手臂运动的能力。Cho等[45]将单壁纳米碳黑浆料添加到针织物(77%聚酯纤维/23%氨纶)的基布中，研究一种织物压阻式运动传感器。该织物传感器具有较高的重现性和稳定性，同时验证了织物所感知的运动与加速度传感器之间的一致性，可以感知儿童不同身体部位的运动。

　　4.2以机织物为基底的电阻传感器

　　Zhang等[46]对平纹棉织物进行碳化处理，制备可穿戴应变传感器。应变传感器具有大工作应变范围(>140%)，优良的灵敏度(在应变0%~80%，灵敏度因数25;在应变80%~140%，灵敏度因数64)。此外，传感器可以监测0.02%的微弱应变。Ren等[47]通过氧化石墨烯溶液的真空过滤和热压还原法制备了柔性导电RGO沉积棉织物，电阻变化主要是RGO沉积层的裂纹决定，导电棉织物经400次弯曲后仍能作为应变传感器。

　　Lu等[48]采用热膨胀法制备了石墨烯片(GnPs)，并将其压制成导电石墨烯薄膜。将石墨烯薄膜和尼龙织物集成在一起，良好的导电网络使GF/NF应变传感器具有优良的电性能(导电率为9.09×104S/m)。GF/NF应变传感器具有较高的灵敏度(0%~12%和12%~19%应变下的灵敏度因数分别为9.78和47.6)。手指关节弯曲矫直1000多个周期后，电信号稳定，GF/NF应变传感器对人体手指、腕关节、膝关节和肘关节等不同关节具有检测能力。He等[49]采用还原法和后续抽滤法制备多功能还原氧化石墨烯/亚麻(RGO/LN)织物，所制备的RGO/LN织物作为甲烷气体和应变传感器，具有较高的灵敏度、显著的可靠性和可行性。此外，RGO/LN织物传感器具有良好的耐洗性、透湿性和透气性，显示出其在各种关键环境下应用的巨大潜力。

　　Zheng等[50]把棉织物经石墨烯和聚二甲基硅氧烷处理后制成了CFSS-90和CFSS-45(90和45代表棉纱交织方向与拉伸方向的夹角)织物应变传感器。2种应变传感器均表现出良好的线性电流-电压特性和较快的响应时间(约90ms)。同时其表现出显著的重现性、耐久性(CFSS-45在30%应变下10000个循环)和检测极低应变(约0.4%应变)的传感能力。Ma等[51]提出一种基于棉/氨纶混纺织物的化学镀银传感器，该传感器具有较高的灵敏度，灵敏度因数为26.11，电导率为15.7S/m，同时保持了柔软的性能。另外，由于有银层，织物还具有良好的抗菌性能。它在人体监测中表现出规律性的电阻变化，能够在0.04s的响应时间内监测到微小的外部变形。

　　5结束语

　　目前研究的柔性可穿戴电子传感器在人体生命体征(如心率、呼吸和体温等)和人类运动健身的检测应用较广，但仍然存在很多棘手的问题需要研究者去解决，例如灵敏性、响应时间、重复稳定性、耐久性、制作方法和成本等，很多操作都无法得到实现。未来柔性可穿戴传感器的研究可能主要集中在改进制作工艺和引进高新材料，使其能够快速应用到人们的实际生活中，为人们的生活提供便利。

　　参考文献：

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　　作者：1王军庆1，李龙1，2，吴磊1