有機溶劑泄漏檢測用傳感織物及其檢測電路的設計

徐 帥,王思晴,張一依,王慧玲,楊曉芳

(鹽城工業職業技術學院,江蘇 鹽城 224005)

近年來,隨著電子信息技術、可穿戴技術的發展,智能紡織品日益受到重視。在已有研究中,各種各樣的柔性傳感器被織入織物,用來檢測溫度、應力、形變等物理量[1-3],這其中用于檢測物體性質的較少。此外,目前的研究對于智能紡織品在柔性、面積可延展方面的優勢發揮不夠,較少能實現如光纖那樣的分布式檢測。本文前期基于梭織物進行導電液體泄漏檢測的相關研究,既發揮了紡織品柔性、面積大的優勢,又實現了分布式檢測[4-5]。然而,這款織物只能檢測導電液體的泄漏,不能檢測不導電有機溶劑的泄漏,這大大限制了其工業應用。工業常用有機溶劑包括丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯等,它們一方面對環境、人體有害,一方面由于不導電而不易被檢測。傳統上,面向有機溶劑的檢測多采用氣體傳感器[6-7],是一種等待液體溶劑揮發后再行檢測的間接檢測,檢測時間較長,受環境風速、空間條件影響大,對于防止微量泄漏發生不利。一些場合如罐體、法蘭等,要求一種大面積,并且可墊放、覆蓋甚至于包裹的有機溶劑泄漏傳感織物。這類場合要求傳感織物在使用時,應能可靠檢測體積微小達一個液滴(0.05 mL)大小的有機溶劑。對此,本文基于導電高分子復合材料,搭配對應的織物組織結構,提出一種有機溶劑泄漏檢測用傳感織物的設計方式。

1 有機溶劑敏感材料的工作原理

目前,受碳納米管、石墨烯等材料的帶動,導電高分子復合材料(CPCs)發展迅速。導電高分子材料暴露在有機溶劑中時,其導電性能會發生明顯變化,因此可作為面向有機溶劑的液體傳感器材料。科學界對于CPCs這種電性能發生變化的解釋主要歸于逾滲理論。根據逾滲理論,當導電填料含量較低時,其隨機孤立分布在高分子基體中,填料之間相互接觸的機率很低,不能形成有效的導電網絡,因此材料的電導率很小,幾乎還是絕緣狀態;隨著導電填料含量的增加,填料間相互接觸的機率有所提高,形成部分有效的導電網絡,因此材料的電導率呈緩慢上升趨勢;當填料含量達到某一臨界值時,所有導電填料將相互搭接形成完善的導電網絡,此時材料的電導率將發生突增;而當填料含量繼續增加時,由于此時基體中的導電網絡已經趨于穩定,因此材料的電導率不會再有明顯的變化[8]。上述填料含量導致電導率突變的臨界值被稱為逾滲閾值。填料達到逾滲閾值的含量時,導電網絡剛剛形成,結構十分不穩定,當高分子基體吸收有機溶劑時,發生分子層級的溶脹而導致材料內部導電網絡的破壞,材料的電阻值呈上升趨勢;當恢復到正常環境后,高分子基體因有機溶劑分子脫附而收縮,被破壞的導電網絡回復至其初始狀態,材料的電阻值下降至其初始值。根據材料的電阻值變化情況,可以檢測有機溶劑的存在與否。

2 有機溶劑敏感材料的選擇

從有機溶劑敏感材料的工作原理不難看出,影響CPCs導電能力的首要因素是導電填料的性質。碳纖維或碳納米管本身導電性較好,又擁有較大的長徑比,在加工過程中,它們會互相搭接或纏結,從而形成穩定的導電網絡,因此采用此類填料的CPCs的電學性能更加穩定。影響CPCs導電能力的因素還有填料含量,導電填料在CPCs中的含量并不是越高越好;相反,導電填料含量過高時,反而有可能發生團聚,不利于導電填料的分散,影響導電性;此外還可能引發應力集中,消弱CPCs材料的機械性能,降低制得纖維或紗線的可織造性。此外,高分子基體對于CPCs導電性也有較大影響,高分子基體的分子量和模量越高,導電填料越容易均勻分散,整個材料體系也更容易獲得低逾滲值。材料的加工方法對于CPCs的導電性也有較大影響,不同的加工方法和參數,可獲得不同的導電網絡。廣泛使用的方法包括溶液混合法、熔融共混法、原位聚合法等,其中溶液混合法主要依靠溶劑對高分子基體的溶解作用,使導電填料在溶液中分散進行混合,分散效果較好,制得的復合材料電學性能也好[8]。

綜上,選擇碳納米管作為填料,聚乳酸或聚氨酯作為基體,配合合適的填料含量,并采用溶液共混法制備的CPCs更適合作為有機溶劑敏感材料;將此類材料制成長纖維,可織造獲得有機溶劑泄漏檢測用傳感織物。

3 織物組織結構設計

根據能可靠地檢測體積微小達一個液滴(0.05 m L)大小的有機溶劑的目標,織物組織結構設計如圖1所示。圖1中,織物主體部分由不導電經紗1和不導電緯紗4按平紋交織而成。在整塊織物上,有機溶劑敏感經紗3間隔分布并被織入織物,導電經紗2被設置在織物左側并被織入織物。織制時,先織入不導電緯紗4,在織制需要的長度后,織入導電緯紗5,即獲得有機溶劑泄漏傳感織物。此外,圖1中,為進一步增強電性連接的可靠性,可以將導電經紗2和導電緯紗5多根連續布置。

圖2是有機溶劑泄漏傳感織物的工作原理示意圖。當有機溶劑6滲透到或滴落在織物上時,會引起所在位置處的有機溶劑敏感經紗的電阻變化,通過檢測電路,即可檢測到此變化,從而判斷是否發生有機溶劑泄漏。具體過程是:電流I從測量電路出發,依次流過導電經紗2、導電緯紗5、有機溶劑敏感經紗3,最后回到測量電路,測量電路檢測哪一路電流變小,以此判別泄漏的發生。

顯然,圖1、2中,由于導電經紗2和導電緯紗5的存在,電信號的接入和引出都在織物下端完成,避免了重新布線。導電經紗2和導電緯紗5在此應起到良好的導電作用,并且其導電性不會因為接觸到有機溶劑發生較大的變化,此時鍍有金屬的化纖復絲或多股金屬絲是較好的選擇,典型如8.3 tex/40 F的鍍銀錦綸絲、53 tex/2的不銹鋼紗線等。另一方面,圖2中,要可靠地檢測到有機溶劑6,相鄰的有機溶劑敏感經紗3之間的間距應小于有機溶劑6在織物上擴散后的直徑。試驗發現,一滴溶劑滴落到織物上擴散后的直徑可達2 cm以上,因此有機溶劑敏感經紗在織物上的間隔距離選為1～1.5 cm。

圖1 有機溶劑泄漏傳感織物結構示意圖

圖2 有機溶劑泄漏傳感織物工作原理示意圖

4 檢測電路設計

在實際使用中,當大面積應用有機溶劑泄漏檢測用傳感織物時,需要檢測較多數量經紗的電阻變化情況,此時有必要設計專用檢測電路,圖3是一種典型的測量電路。圖3中,虛線上方為有機溶劑泄漏傳感織物的等效電路,虛線下方的方框內為測量電路。R1、R2…Rn為每根或每組有機溶劑敏感經紗的等效電阻,依次導通開關S1、S2…Sn,再讀取R0兩端電壓,通過電壓的比較可判別哪一根有機溶劑敏感經紗電阻發生變化。開關S1、S2…Sn的依次導通可由多路選擇開關實現,此類芯片屬電子電路常用芯片,典型型號有八選一開關有CD4051、74LS151等型號[9]。圖3中的毫伏表可以是帶有AD轉換功能的單片機或經專用AD芯片轉換后接至單片機。單片機同時控制八選一開關挨個導通。對于多于8根的經紗,可選用多個八選一芯片組成陣列。

圖3 有機溶劑泄漏傳感織物工作原理示意圖

在檢測精度方面,有機溶劑敏感經紗遇到有機溶劑后電阻值改變得越大,越容易被檢測,并且檢測可靠性也越高。目前,碳納米管參雜的導電高分子復合材料及其制成的長絲對于有機溶劑有較高的敏感性,如碳納米管參雜的聚乳酸導電高分子復合材料制成的多股長絲,遇到有機溶劑后電阻增大可達10～103倍。這樣,在長度1 m的敏感經紗上,即使有1 cm的部位遭到有機溶劑浸濕,電阻改變將達10%～1 000%,這種改變對于上述電路可以穩定檢測到。

5 結束語

(1)基于逾滲理論,考慮填料性質、含量、分散方法等因素,認為溶液共混法制備的碳納米管CPCs更適合作為有機溶劑敏感材料。

(2)通過織物結構設計,將有機溶劑敏感經紗間隔織入織物,配合導電經緯紗導出信號,可以實現在較大面積上檢測體積微小達一個液滴大小的有機溶劑。

(3)采用多路選擇開關構成檢測電路,可以實現多跟經紗電阻變化的及時檢測,并在此基礎上實現在線泄漏檢測。

當然,受制于CPCs材料導電性,織物長度目前還不能完全滿足幾米甚至于幾十米的實際需要,下一步研究應集中在材料敏感特性的提高和織物結構的優化上。