石墨烯改性彈性織物的應變傳感性能研究

楊 寧 王 進 田明偉 曲麗君 朱士鳳

（青島大學，山東青島，266071）

隨著老齡化社會的全面來臨，加之健康被現代社會重新定義，紡織柔性傳感器受到市場的密切關注。與傳統的傳感器相比，新型的柔性傳感器具有輕質低模、多維多尺度、低成本、結構多元多維化、高柔性及彈性、高親膚性、可彎曲、可折疊甚至可洗滌的特點，可與服裝無縫連接，實現一體化設計和應用[1?2]。紡織基柔性力學傳感器因其結構可變化性、組合可設計性等特點在智能可穿戴領域具有很大的應用潛力[3]。

織物結構傳感器是指傳感器的敏感元件為一塊具有針織結構或機織結構的織物[4?7]。不同織物組織結構的彈性面料以其優良的延伸性和彈性可作為傳感器的柔性基底應用于人機交互領域中，與人體相關的多種形變能夠被有效檢測，例如脈搏、作用于人體表面的輕微壓力等小尺度形變和手指運動、四肢運動等大尺度應變[8]。傳感器將獲得的人體形變信息通過軟件進一步處理，大大提高了人機交互過程的效率和精度，對于檢測人體生理活動具有重要作用[9?12]。

本研究以不同彈性織物作柔性襯底，制備了不同傳感性能的傳感器，通過定伸長拉伸試驗考察傳感器的電阻變化率與應變之間的關系及回復性，分析不同彈性織物結構對傳感性能穩定性和靈敏性的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

織物1為滌氨包覆彈力紗的斜紋機織物（170 g/m2，經緯紗均為T 18.5 tex+Pu 44.4 dtex），織物2為滌綸斜紋機織物（190 g/m2，經緯紗均為12.2 tex/144 F滌彈力絲），織物3為錦氨雙羅紋針織物（160 g/m2，錦綸/氨綸65/35），以上3種織物均由青島旭騰紡織有限公司提供；石墨烯溶液（固含量為1.2%，石墨烯片層厚度2 nm～3 nm，石墨烯片層尺寸5μm～15μm，溶劑為蒸餾水），由青島華泰科技有限公司提供。

1.2 樣品制備

將石墨烯溶液放在恒溫磁力攪拌儀上分散攪拌1 h，再將3種織物分別用攪拌均勻的石墨烯溶液通過絲網印刷方法進行單次涂層改性處理，烘干之后得到石墨烯改性彈性織物。

2 性能測試方法

利用ST?2258C型多功能數字式四探針測試儀對石墨烯改性織物的方阻進行測量。測量范圍5.0×10-6Ω～1.0×106Ω。

利用RiKo DKC?1B型步進電機控制器、Keithley 2601B參數分析儀對石墨烯改性織物的靈敏性和回復性進行測量。

3 結果與討論

3.1 伸長率

通過手動拉伸方法，測試3種石墨烯改性前織物的伸長率，結果見表1。其中，織物1和織物3使用了氨綸。氨綸具有400%～800%的伸長率，且伸長500%時的回復率高達95%～99%，將其應用于織物中對織物彈性有顯著提高。錦氨雙羅紋針織物比其他兩種機織物具有更好的彈性和伸長。

表1 織物伸長率

3.2 導電性

利用ST?2588C型多功能數字式四探針測試儀，采用4根呈同一直線的探針對被測織物表面施加一定的垂直壓力，測得織物1的方阻為37.6Ω，織物2的方阻為37.9Ω，織物3的方阻為17.2Ω?？梢钥闯?，石墨烯可以很好地提高織物的導電性。導電性與涂料粒徑、黏度及附著力有關。質量分數為1.2%的石墨烯溶液在織物1、織物2上只涂覆一層時，涂層方阻僅為37.6Ω和37.9Ω。適當增加石墨烯的涂覆次數可增加織物導電性，涂層次數增多，纖維表面石墨烯包覆層加厚，織物內部纖維包覆效果更好，織物導電性改善。導電性還與待涂層織物的表面結構有關。織物表面的組織疏松程度、孔隙大小及多少等影響涂層對織物的包覆效果。石墨烯溶液具有一定流動性，容易深入疏松多孔的織物，使織物表面溶液分散均勻，導電性增加。質量分數為1.2%的石墨烯溶液涂覆織物時，織物1、織物2為右斜紋機織物，經緯紗間孔隙較小，紗線排列較密，織物致密厚實、硬挺，不利于溶液滲入。相比織物3為雙羅紋針織物，織物由線圈串套且織物的兩層線圈之間有一定間隙，織物多孔洞與間隙，疏松柔軟，溶液能更好滲入雙羅紋針織物的孔洞與間隙，對針織物組織的包覆性更好。織物3的方阻小于前兩種織物的方阻。

3.3 電阻變化率與應變的關系

所用試樣規格為10 cm×10 cm。將3種試樣沿經向拉伸至最大應變限度，利用Keithley 2601B型參數分析儀測得不同應變范圍內的電阻起始值及變化值，經向應變電阻曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，當傳感器應變小于12.5%時，不同石墨烯改性的彈性織物柔性傳感器的電阻變化率與應變均呈線性關系。

圖1 經向電阻?應變曲線

根據公式G F=（ΔR/R0）/ε計算傳感系數，以計算傳感器的靈敏度，其中，ΔR為加載應變時電阻的變化，R0為無應變時的電阻，ε為施加應變。通過計算，可得出織物1、織物2、織物3的G F分別為29.20、4.31、0.93。織物1作為傳感器，具有較好的傳感系數，可應用于臉部微表情、脈搏跳動、聲帶振動等微小形變的監測，應用于人體健康檢測與識別?？椢?制成的傳感器可應用于手指部位，識別手指對不同文字的書寫。將此傳感器縫入手套中，可識別手部各種動作；將其縫入椅子坐墊及床墊中，可檢測人體休息時的狀態?？椢?作為柔性襯底傳感系數較低，可被應用于人體的腕部、肘部、膝蓋等大形變監測，可以準確反映人體不同時刻的運動狀態及身體姿態。

3.4 重復性

一個良好的應變傳感器應具有高靈敏度、低電阻值特性。靈敏度高使得傳感器在探測到0.2%等微小應變時會出現明顯的信號變化，但高靈敏度的應變傳感器在多次重復使用后容易出現信號誤差。為得到更具耐久性與穩定性的柔性襯底，將傳感區尺寸為10 cm×10 cm的織物結構柔性傳感器沿經向從原長拉伸至0.2%應變狀態下，反復拉伸5000次并同步記錄其電阻變化率，結果如圖2所示。

由圖2可以看出，織物均可在施加力與去除力時達到指定的阻值?？椢?為雙羅紋針織物，反復拉伸過程可認為是變形前針織物線圈結構的平衡遭到破壞，而向新的平衡過渡的過程。一是線圈內彎曲紗線外形變化。試樣拉伸方向長度增加，垂直方向縮短，部分線段伸直，部分線段更加彎曲。二是紗線在線圈中的方向變化。紗線在線圈中的方向與對織物的拉伸方向間夾角減小，使線圈中的線段在織物拉伸方向的投影長度總和增加。三是紗線間接觸點移動。線圈中部分紗段向另一紗段轉移，如圈柱向圈弧轉移或反之。因此，對于織物3在反復拉伸時表現出的電阻相對變化沒有織物1、織物2穩定，織物1、織物2具有更良好的穩定性和可重復性。

圖2 織物重復性測試

4 結論

將不同彈性織物作柔性襯底應用于傳感器，并對這些傳感器的伸長率、導電性、靈敏性、回復性進行測試與分析。織物3導電性優于其他兩種織物。3種織物傳感器在應變小于12.5%時，均能保持電阻變化率與應變的線性關系?？椢?的傳感系數為29.2，顯著高于其他兩種織物傳感系數，具有高靈敏度，更加適用于脈搏、呼吸等微小形變。在回復性測試中，當對織物施加0.2%的應變進行反復拉伸時，織物3的線圈結構平衡破壞，向新平衡過渡，其回復性和穩定性比其他兩種織物差。