智能紡織品用溫度傳感紗研究進展

王浣雨, 孟粉葉, 胡吉永, 楊旭東

(1.東華大學 紡織學院,上海 201620; 2.嘉興職業技術學院 時尚設計學院,浙江 嘉興 314000)

健康的新陳代謝和相對恒定的體溫是人體進行生命活動的基礎[1],體溫過高或過低都會影響人體內酶的活性,從而影響人體新陳代謝的正常運行,造成各種細胞、組織和器官的紊亂,甚至死亡[2]。2020年爆發的新型冠狀病毒侵入人體后,早期主要癥狀一般表現為發熱,若未重視得到及時有效的治理,將導致人體呼吸困難,病情加重,嚴重時可能引發呼吸窘迫綜合癥而致死。相對恒定的體溫是維持體內環境穩定,保證新陳代謝等生命活動正常進行的必要條件。因此在人體健康監測[3-4]中,體溫是一個不可忽視的重要指標,實時準確的體溫監測顯得尤為重要。

現有的體溫測量儀器一般可分為接觸式和非接觸式兩種,接觸式是將測溫元件與人體直接接觸,如水銀體溫計和其他溫度傳感器;非接觸式則在測量時無需接觸人體皮膚,如紅外線測溫儀。早期常用的水銀體溫計能夠較為準確地測量人體溫度,穩定性好,但水銀體溫計呈剛性,與人體皮膚的貼合性差,測量時影響人體活動[5]。此外,對于兒童和部分病人而言,水銀體溫計不能按需放置在指定位置,從而無法準確獲得體溫。紅外線測溫儀通過紅外線傳感器接收人體紅外線信號[6],根據人體熱輻射能量的高低顯示溫度。這種測量方法通常無需接觸皮膚,速度快,但測量過程中易受皮膚的輻射率水平和環境等因素影響[7],從而精確度低。其他常用傳感器根據材料與溫度相關的物理響應[8],如電阻、體積、氣壓和光譜等,被開發成多種接觸式硬質溫度傳感器,常見的有熱電、熱阻和光纖這三種。相比水銀體溫計,硬質溫度傳感器無污染、攜帶方便;相較于紅外測溫儀,硬質溫度傳感器的精確度和分辨率較高,穩定性好,成本較低。但是,硬質溫度傳感器的材質往往為硬質體,可穿戴性和舒適性差。

使用硬質材料的接觸式傳感器實時監測人體溫度,容易在皮膚上產生壓力點[8],使人體感到不適。為了提高溫度傳感器與皮膚的貼合效果,實現體溫的連續實時準確測量,柔性溫度傳感器受到越來越多研究人員的廣泛關注。紙和薄膜作為基底賦予溫度傳感器一定的柔韌性,但其易受環境影響、透氣性差,貼附于皮膚上舒適度低。紡織品使溫度傳感器能夠以不同形式嵌入織物的網絡結構中[9],具有薄、輕、軟、柔韌、結實、可變形、透氣[8]等優點,是制備可穿戴設備的良好基底材料。早期溫度傳感紡織品是通過縫合[10-11]或包埋[12-14]的方式將溫度傳感器與織物結合,整體顯得非常笨重;后來隨著油墨等新型材料快速發展,使用噴墨打印[15-16]、絲網印刷[17-18]、氣相沉積[19]溫敏材料等形成電子紡織品,舒適度提升,但易受力損壞;現在開發出新型溫度傳感紗線[20],特別是近年來研究的溫敏型混合電子紗線[7,21],克服了溫敏電阻紗的敏感材料與引線材料難分離和不能定點溫度監測的缺陷,柔軟性好,具有隱蔽性,能賦予紡織品額外的電子功能,適合用于測試人體溫度。

本文通過介紹不同類型的溫度傳感紗及其工作原理,特別關注溫敏傳感紗在制作方法、基本性能和應用等方面的最新研究進展,并指出目前溫度傳感紗在開發中面臨的潛在技術挑戰,以期推動溫度傳感紗及其智能紡織品的產業化和應用。

1 溫度傳感紗的工作原理和類型

溫度傳感紗的監測原理是基于導體或半導體的電阻、光纖中的光波參量等物理因素隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度。如電子式體溫計就是根據導體電阻隨溫度變化這一特性將體溫轉化為電信號,并通過轉換處理在顯示器上輸出數字信息[22]。許多物理響應都與溫度有關,研究者根據這些特性將溫度傳感分為熱電、光纖和熱阻傳感。

1.1 熱電溫度傳感紗

熱電溫度傳感器由兩種不同的熱電偶(導體、半導體或兩者組合)組成,當兩個觸點溫度不同時,根據熱電現象產生電勢差或電壓[8],這種電勢使電子從熱端(測量端)移動到冷端(參考端),產生“塞貝克熱電效應”[23],如圖1(a)所示。Ryan等[24]在家蠶蠶絲上涂覆聚3,4亞乙基二氧噻吩(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene),PEDOT)和聚苯乙烯磺酸鹽(Poly(styrenesulfonate),PSS)的聚合物制備熱電傳感紗,并將其刺繡到羊毛織物上形成含有26根P型紗線的熱電織物。結果顯示,當溫差為50 ℃時,每根5 cm長的P型紗線的V輸出/ΔT≈13 μVK-1;當溫差為120 ℃時,每根P型紗線的V輸出/ΔT≈12 μVK-1,具有較好的傳感穩定性、耐磨性和可洗性。基于此,Ryan等[25]通過在商用聚對苯二甲酸乙二醇酯(Poly(ethylene terephthalate),PET)縫紉線上涂覆多壁碳納米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)和聚N-乙烯基吡咯烷酮(Poly(N-vinylpyrrolidone),PVP)的納米復合材料制備N型紗線,由PEDOT和PSS涂覆的染色絲線形成P型紗線[24],以制備一種帶有38根N/P型紗線的熱電傳感織物,如圖1(b)所示。實驗結果顯示,在溫度差為80 ℃時,該織物在116 ℃的溫度和7.1 nW的最大功率輸出下能產生143 mV的開路電壓。顯然,利用纖維集合體的熱電特性,它們可被用作溫度傳感器。

圖1 熱電偶溫度傳感器及帶38根N/P型紗線的熱電傳感織物Fig.1 Thermocouple temperature sensor and thermoelectrictextile with 38 N/P type yarns

熱電偶測量溫度時要求冷端溫度保持不變,若冷端環境溫度變化,將嚴重影響測量準確性。采用冷結補償法可減小冷端溫度變化造成的影響,但會增加成本、質量和復雜性,因此早期較少用于可穿戴傳感器的使用[26]。但是,熱電偶可從溫度梯度中獲取電能,由熱電溫度傳感紗制成的織物可根據人體溫度與寒冷環境之間的溫度差發電,產生對溫度的傳感響應,且這種響應不依賴電池,實現自主驅動。這有利于在穿戴環境下實現傳感器的持續工作,未來在溫度傳感紗中的應用依賴于恰當解決冷端補償問題。

1.2 光纖溫度傳感紗

光纖作為光波傳輸介質時,易受外界環境溫度等因素影響,導致光纖中傳輸的光波特征參量(振幅、相位、波長、偏振態)發生變化[27],從而可反映周圍環境溫度變化。光纖測溫經歷了光纖光柵(Fiber bragg grating,FBG)測溫和分布式線型光纖測溫兩個階段,前者利用光柵受溫度調制反射波長發生變化的原理,如圖2(a)所示,后者采用光纖中的拉曼散射效應和光時域反射技術(定位精度約0.5 m),已知在可穿戴應用中一般使用前者。根據光波參量反映溫度變化這一特性,Li等[28]將FBG傳感器封裝在聚合物填充帶中,并通過大管套小管的方式將FBG傳感器完整地織入織物中,以研究人體與穿戴式FBG傳感器之間的傳熱數學模型,并進行穩態熱分析。模擬結果顯示,智能服裝中的FBG傳感器測得的溫度可以代表臨床上的人體溫度。Jung等[29]使用玻璃纖維作為主編織線,凱夫拉纖維為外層纖維,將嵌入式FBG傳感器和尼龍纖維編織在一起制備一種類似紗線的三維編織復合材料,如圖2(b)所示。實驗過程顯示,布拉格波長的變化與冷卻步驟中的溫度變化有關,因此計算應變時應減去溫度影響布拉格波長偏移量部分。結果表明,FBG傳感器可估計三維編織復合材料的內部應變,但嵌入后FBG傳感器的三維編織復合材料的熱光系數不一致,使用前需計算。

圖2 FBG傳感器工作原理示意及其三維編織復合材料Fig.2 Working principle of FBG sensor and its three-dimensional braided composite

FBG光纖溫度傳感器測量準確度高、可定位、分布式、抗電磁干擾、攜帶方便,可用作紗線作為智能紡織服裝的傳感元件材料。但光纖溫度傳感器的價格高、柔韌性差,在織入或工作時易受機械應力作用,從而導致光纖斷裂[28],傳感失效。

1.3 熱阻溫度傳感紗

熱阻溫度傳感紗利用材料電阻與溫度的相關性來確定溫度的具體數值[8],通常根據材料的特性分為熱電阻傳感紗和熱敏電阻傳感紗。

1.3.1 熱電阻傳感紗

熱電阻傳感紗是采用金屬作為導體,其電阻隨著溫度升高而增加,這主要是由于較高溫度下的電子振動阻止了電子在導電材料中的自由流動[30]。銅、金、鎳、鉑、銀等金屬是目前最常用的熱電阻材料[31],Yang等[32]采用連續金屬鉑纖維螺旋纏繞彈性聚氨酯(Polyurethane,PU)長絲,制備一種高拉伸生物感溫紗線,如圖3所示。結果顯示,該紗線具有優良的耐溫性(線性度>0.99),高靈敏度(≈0.3 %/℃),高重復性(>1 000個循環),低滯后性(<3%),響應快速,可用于連續監測皮膚溫度。

圖3 高拉伸生物感溫紗線Fig.3 High tensile biological temperature sensitive yarn

熱電阻傳感紗具有較高的精度、線性度和快速響應的特性,可應用于醫療保健和智能檢測等領域,但金屬在空氣中易氧化,成本相對較高,且需要一定長度,測試精度易受周圍濕度或汗液影響,不可定位測量,用于人體體表長時、定位測溫仍需進一步的研究開發。

1.3.2 熱敏電阻傳感紗

熱敏電阻傳感紗是由電阻隨溫度顯著變化的半導體材料制成,根據兩者的相關性分為呈負相關的負溫度系數(Negative temperature coefficient,NTC)電阻材料和呈正相關的正溫度系數(Positive temperature coefficient,PTC)電阻材料[33]。大多數熱敏電阻材料表現出與熱電偶(基于塞貝克效應)不同的負溫度系數特性[8]。通過不同的制備方式將其與紡織纖維結合形成柔性溫度傳感紗,既能實時監測人體溫度,還能保持紡織品的質輕、柔軟、耐用、結實等優點。目前較常用的制備方法為混合紡絲、浸漬涂層、柔性印刷電子和柔性混合電子。

1) 混合紡絲。混合紡絲法是將對溫度敏感的功能材料添加到用于紡絲的前驅體中,得到對溫度敏感的纖維,通常采用的是濕法紡絲和靜電紡絲這兩種方法,獲得的長絲纖維直徑通常很小,被直接制成紡織品或薄膜。如Bae等[34]將多壁碳納米管和聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)混合,然后通過注射泵拉出均勻的溫度傳感(Carbon nanotubes-based temperature sensor,CTS)絲,并與處理過的棉紗構建一種可穿戴溫度傳感器,靈敏度和精度均與商用紅外傳感器相當,可用于診斷和治療。Huang等[35]使用N-異丙基丙烯酰胺-N-甲基丙烯酰胺熱交聯響應共聚物和PEDOT︰PSS溶液,通過旋涂和靜電紡絲工藝制備了熱響應導電復合材料(Thermoresponsive conductive composite,TCC)薄膜和纖維氈,并在水浴溫度為20～50 ℃時測量TCC薄膜和纖維氈的表面電阻,以分析熱響應導電性能。結果顯示,由于TCC纖維氈的纖維結構,其對溫度的敏感性高于薄膜。Zhang等[36]通過水熱法和靜電紡絲法制備一種Na(Y1-x-yErxYby)F4/聚丙烯腈復合纖維,制備流程如圖4所示,可用于非接觸式溫度測量。在423 K溫度下最大絕對靈敏度為0.446%/K,在303 K下最大相對靈敏度為1.148%/K,可作為微米級專用溫度傳感器。

圖4 水熱法和靜電紡絲法制備NYF-EY/Polyacrylonitrile復合纖維示意Fig.4 Diagrammatic sketch of NYF-EY/PAN composite fibers prepared by hydrothermal and electrospinning methods

通過混合紡絲法獲得的纖維和紗線的靈敏度較好、精度高,測量的穩定性好,織成的紡織品薄而柔軟,穿著舒適,不會使穿著者看見相關電子元器件。但由于是混合紡絲過程,纖維的形態和均勻性仍需提升,這要求紡絲技術進一步發展。

2) 浸漬涂層。浸漬涂層法通常是通過浸/涂工藝在紗線上涂覆熱敏材料,使得紗線電阻隨著溫度變化,從而能夠測量環境或人體溫度。如Lee等[20]在可拉伸氨綸纖維表面通過波浪結構產生微尺度褶皺,并控制其大小和密度,之后在纖維上涂覆溫度感應層(由PEDOT、PSS和多壁碳納米管組成的熱敏導電膏)與保護層形成超彈性溫度傳感纖維,如圖5(a)所示。該方法無需任何金屬材料就能產生顯著的靈敏度和變形,且傳感纖維在可逆方式下表現出高熱敏性(≈0.93%/℃),應變不敏感范圍≤180%,可被用于監測人類手指的溫度分布。Sibinski等[37]在聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)纖維上涂覆由多壁碳納米管和聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methylmethacrylate),PMMA)聚合物樹脂組成的熱敏涂層,并將其封裝后整合到紗線上,形成一維柔性溫度傳感紗,其組成結構如圖5(b)所示。測量不同多壁碳納米管含量的電阻溫度系數,發現當多壁碳納米管在聚合物重量中的含量為2%時,其電阻溫度系數在30～45 ℃內為0.13%/K。

圖5 浸漬涂層法制備傳感纖維示意Fig.5 Schematic diagram of temperature sensing fiberby impregnation coating method

Montazerian等[38]在氨綸(Spandex,SpX)紗線表面涂覆石墨烯納米片(Graphene nanoplatelets,GnP),并將其封裝在可拉伸的硅橡膠(Silicone rubber,SR)護套中,制備用于健康監測和可穿戴應用的柔性溫度傳感紗,制備過程如圖6所示。其傳感溫度范圍和靈敏度可通過浸漬時間和GnP的濃度來調整,硅橡膠護套能避免傳感器受到惡劣條件的影響,從而增加紗線整體的耐用性、拉伸性等。測試結果顯示,封裝在硅橡膠護套中的傳感紗在60 ℃的循環溫度下,其溫度靈敏度為0.43～0.53%/℃,略高于未封裝傳感紗的溫度靈敏度(0.29～0.39%/℃);但未封裝傳感紗的濕度靈敏度更高,且隨GnP含量的增加而增加。

圖6 SpX/GnP/SR柔性溫度傳感紗制備過程示意Fig.6 Schematic diagram of SpX/GnP/SR flexible temperaturesensing yarn preparation process

采用浸漬涂層法制備的傳感紗靈敏度較高,測量溫度準確,柔韌性好,但通過聚合物材料制備的熱敏涂層的傳感性能容易受到外界環境影響,在拉伸、彎曲等外力作用下又易遭受破壞,從而影響其使用性能和壽命。通過封裝方式可以減小涂層受外界環境和外力作用的影響,但其也會影響溫度敏感性,目前沒有確定封裝方式的具體影響規律。

3) 柔性印刷電子。將薄且柔性的傳感器嵌入紗線作為芯部,由于柔性傳感器可以卷曲或折疊,不僅不會改變傳感器的性能,還能使其完全隱藏在紗線中,良好地貼合紗線,不影響紡織品的美觀和穿著舒適性。Pasindu等[39]通過電子束蒸發沉積技術,使得10/60 nm的鈦/金層沉積在聚酰亞胺襯底上,通過剝離形成具有圖案的柔性薄膜傳感器,如圖7所示。利用針織、編織和包纏三種不同的紗線制造技術來確定合適的包覆技術,并通過在臂帶中嵌入溫敏紗的實驗,驗證溫度傳感紗可用于制造智能測溫服裝。實驗結果顯示,三種傳感紗的熱時間常數均<10 s,與未包纏的傳感器相比,有效靈敏度最多降低14%,且采用雙包纏方法對傳感器性能的影響最小。

圖7 內嵌柔性薄膜傳感器的傳感紗Fig.7 Sensing yarn with embedded flexible film sensor

由柔性薄膜傳感器制成的傳感紗相比剛性傳感器的尺寸較小,從而使用該傳感紗織成的織物厚度較薄,進一步提高紡織品的美觀度和舒適度,但是傳感紗的靈敏度相較于未覆蓋的電阻溫度器較低,且柔性薄膜傳感器在使用過程中易斷裂。這需要外覆層薄而緊密,同時為了捕捉準確的皮膚溫度,紗線需要提前校準,因此為了獲得精確度高而美觀、舒適的傳感紗,對于外覆層的編織方式及紗線的尺寸仍需進一步改進。

4) 柔性混合電子。柔性混合電子是一類將半導體芯片等傳統硬質微小電子元件與柔性電路結合而成的電子器件[40],溫度敏感柔性混合電子紗就是使用互連方式連接半導體溫度傳感器和導線,并通過封裝而形成的電子紗,這類紗線有良好的電學性能,兼具舒適性。

Theodore等[21]使用焊接工藝連接單根銅線(8股細銅絲捻合)與NTC熱敏電阻,以聚合物紡成的熱塑性單絲作載體纖維,并在外層依次封裝圓柱型聚合物樹脂、包覆纖維和針織護套形成混合電子溫度傳感紗線,如圖8所示。結果顯示在25～38 ℃內,溫度響應時間為0.01～0.35 s,適合長期測量溫度,但溫度傳感紗線的精確度較低(±1 ℃),還不足以用于檢測糖尿病足潰瘍的形成(精度為±0.5 ℃)。

圖8 溫度傳感紗橫截面示意Fig.8 Diagram of cross section of temperature sensing yarn

基于上述實驗,Theodore等[7]又使用兩根銅線(7股細銅絲捻合)焊接10 kΩ NTC熱敏電阻,樹脂微盒封裝焊點、熱敏電阻、銅線和高強度支撐纖維,然后外編一層經編網,捻制成外徑約為1.5 mm的電子紗線,結構如圖9所示,用于騎行時的溫度測試。測量結果表明,傳感紗線的溫度讀數與溫控板表面記錄的結果基本一致(相關系數為0.996),鹽溶液對絕緣銅線連接的傳感紗影響較小,但焊接部位易斷裂,耐用性差。

圖9 電子紗焊接、封裝示意Fig.9 Diagram of welding and packaging of electronic yarn

采用焊接互連、封裝的技術使小型的剛性電子元器件能夠良好地與纖維交織形成紗線,解決其剛性、不舒適的難點,同時賦予紡織品一定的電學性能,實現人機交互。但焊接后電阻與銅絲的焊接點易斷裂,傳感紗的耐用性較差及測量的溫度精確值有待提高等問題仍需進一步研究。

上述各溫度傳感紗的優缺點如表1所示,熱電溫度傳感紗適用于寒冷環境,但在應用中需解決冷端補償問題;光纖溫度傳感紗適用于航天航空、電力、建筑等易燃易爆領域,但柔韌性差、價格高,工作過程受力易斷裂;熱電阻傳感紗可應用于醫療保健和智能檢測等領域,但對于定位測量的精度還需提升。熱敏電阻相較于熱電偶和熱電阻材料能夠檢測微小的溫度變化,靈敏度高[33],適用于溫度靈敏度要求高的醫療領域,可將熱敏電阻傳感紗織成織物和衣物,用于實時監測人體皮膚溫度,特別是印刷電子和混合電子溫度傳感紗適用體表定位溫度測量場景,但紗線的耐用性較差,在多次穿戴過程中易斷裂失效。而且,這些研究都沒有深入探討溫度傳感紗功能失效的模式和機理,也缺乏系統的工藝設計原理用于指導規模化生產。

表1 代表性溫度傳感紗特征比較Tab.1 Comparison of features of typical temperature sensing yarns

2 溫敏傳感紗的性能指標及影響因素

傳統溫度傳感器呈剛性,舒適性差,無法實時攜帶,從而增加了柔性電子設備的需求[2]。溫度傳感紗為了更好地實現體溫監測功能,傳感材料與紗線結合后需具有良好的傳感性能,以達到快速、準確、靈敏的效果,同時也仍需保持紗線的柔軟、舒適和可伸縮性能,在應用過程中能有良好的耐用性、可洗性等性能,從而可應用于智能紡織品。

2.1 熱敏感常數

NTC熱敏電阻測量溫度的能力存在差異,為了衡量這種性能可用熱敏感常數(β)表示,計算公式如下所示:

(1)

式中:R(T0)是初始溫度為T0時的電阻,R(T)是溫度為T時的電阻。

其值越大表明材料的電阻率越高。半導體陶瓷在不同配方和燒結溫度下形成的NTC熱敏電阻的β值均不同,通常在2 000～5 000 K[8]。如Theodore等[21]通過焊接工藝制備的用于檢測糖尿病足潰瘍的溫度傳感紗的β值為3 395 K(20～65 ℃),通過式(1)轉換即可根據電阻知道溫度變化,可提前預警足潰瘍,及時治療減輕癥狀。在醫療領域中,可使用β值高的溫度敏感電子紗制成智能繃帶,對反復感染和發生炎癥的創口反應,從而大幅提升傷口治療效果。

2.2 有效靈敏度

電阻溫度系數(Temperature coefficient of resistance,TCR)是分析電阻型傳感元件溫度靈敏度的關鍵參數[16],通常表示在零功率條件下,其溫度變化1 ℃時電阻的相對變化,計算公式如下所示:

(2)

式中:TCR也可表示為α,Rt為t℃時的電阻,Ri是被測樣品在i℃時的初始電阻,t=i+ΔT。

熱電阻傳感紗和熱敏電阻傳感紗的傳感材料均是熱阻傳感,因此均可使用TCR反映有效靈敏度,其值越大,靈敏度越高。熱電阻傳感紗的TCR值主要由制備的金屬材料決定,如鉑(Pt)的TCR值較低[41],而鎳(Ni)則較高[14]。商用熱敏電阻的有效靈敏度較高,與紗線結合后靈敏度會有不同程度的降低,如Pasindu等[39]采用不同紗線織造技術包覆柔性薄膜傳感器,發現相比裸露的傳感器,包纏后的溫度傳感紗的有效靈敏度最大降低14%,其原因可能是包覆紗和傳感器之間存在熱絕緣體空氣。因此,制備這種溫度敏感電子紗時需考慮包覆的纖維材料蓬松性對其有效靈敏度影響,這對制備包覆工藝穩定性提出了要求。

為了減小汗液和潮濕環境對溫度傳感紗的影響,研究人員在制備過程采用封裝技術對傳感材料進行包覆,但封裝材料的傳熱性能會影響傳感紗靈敏度等性能。如Li等[28]將FBG傳感器封裝在5.0%過氧化甲乙酮和2.0%環烷酸鈷在25 ℃下的共聚物,測試結果顯示封裝后的FBG溫度靈敏度幾乎是裸露的15倍。

2.3 響應時間

在動態測試過程中,電子紗中的傳感器不是與被測表面直接接觸,因此紗線測得的溫度與被測溫度之間可能會存在一定差值,可用響應時間來反映溫度敏感電子紗對溫度變化響應的快慢,指達到最終穩定值所需的時間[21]。一般指溫度傳感器的溫度變化量由零達到介質溫度與溫度傳感器初始溫度之差的63.2%所用的時間[42],時間越短說明電子紗對溫度的響應越快。Pasindu等[39]在測試針織、編織和包纏方式對溫度傳感紗響應時間的影響時發現,當溫度階躍變化時,雙包纏紗線的響應時間最短,這可能是因為雙包纏結構的厚度最小,使得紗線內部的傳感器離被測表面更近,從而時間變短。除此之外,傳感紗內的支撐纖維、傳感材料外包覆的保護套均會增加紗線的電容和電阻,從而提高電子紗的響應時間。

2.4 遲 滯

溫度傳感器在傳感過程中會受到外部影響,從而使同一輸入量對應的正行程(由小到大)和負行程(由大到小)的輸出特性曲線不一致,遲滯就是用來反映在輸入的正負過程中失調的程度[43]。測試過程中可用最大遲滯性誤差δh表示,即一個周期內相同溫度對應的電阻的最大差值,計算公式如下所示:

(3)

式中:(ΔR)max是一個周期內(t0～t℃)相同溫度下對應電阻的最大差值,Rt是t℃對應的電阻值,Rt0是t0℃對應的電阻值。

目前測試溫度敏感電子紗遲滯性的研究還很少,但柔性傳感織物的遲滯性研究趨于成熟,因此測試溫度傳感紗的遲滯可參考感溫織物。如Gu等[43]將連續Pt纖維嵌入雙層機織結構制得柔性感溫織物,在20～50 ℃內測試其感溫性能,結果顯示感溫織物的遲滯僅為3.65%(δh越小說明遲滯性越小,反應越快速)。由于加熱臺的冷卻效果較好,因此感溫織物受環境影響小,溫度傳感紗及其織成的織物也可通過加熱臺來測試遲滯性。

2.5 耐洗滌性

嵌入衣物用于長程監測人體溫度的溫度敏感電子紗,不僅要具有溫度傳感性能,還需具有良好的洗滌性。通常電子紡織品不能承受洗滌過程的潮濕環境,以及反復彎曲和磨損。為了解電子紗線洗滌失敗的原因,Hardy等[44]對銅絲電子紗線、照明電子紗線、溫度傳感紗線和聲音傳感紗線這4種不同類型電子紗線進行封裝后評價其水洗耐久性,清洗實驗參照標準BS EN ISO 6330—2012《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》。結果顯示,在電子紗線中加入一根高抗拉伸紗線能有效防止其在洗滌和干燥循環過程中失效,封裝尺寸增大會加速電子紗在洗滌過程中的失效,且銅絲易從封裝微莢中滑移斷裂而失效。類似的,Simegnaw等[45]將發光表面貼裝元件通過熱風焊接方式集成到導電不銹鋼絲中形成電子紗,參照標準BS EN ISO 6330—2012測試紗線的耐洗滌性。實驗結果表明,使用熱縮管密封焊接部位能降低電子紗線的故障率,但紗線的耐洗性仍需提高。顯然,封裝技術能提高溫度敏感電子紗線的抗洗滌性,也使其制成的紡織品能在水環境中使用,如用于監測游泳運動員的體溫、潛水員的身體狀態及各類水上運動人員的生命體征,以及防止汗液對傳感元件電氣性能的影響。

2.6 抗機械性

由于嵌入衣物的溫度傳感紗在穿戴中經受復雜應變和濕環境作用,這就要求在制作及使用過程中減小水分、機械應力、汗液等對熱敏材料的影響,目前較常用的方法是采用包覆/封裝技術對電子器件和紗線進行保護。如Montazerian等[38]使用硅橡膠護套(彈性模量比PDMS低40%)保護在氨綸上涂覆GnP的柔性溫度傳感紗,測試其在不同程度拉伸下的電阻變化。實驗結果顯示,SpX/GnP/SR柔性溫度傳感紗在860%～1 140%的應變傳感內傳感性能失效,在目前100%～125%應變內硅橡膠護套增加了紗線整體的可拉伸性。Pasindu等[39]使用三種不同的織造包覆技術包纏柔性薄膜傳感器,在25 mm圓柱體上進行100次彎曲/平直循環,以測試前后紗線的電阻變化判斷失效程度。結果表明,經100次彎曲循環后三種紗線的電阻變化均小于0.2%,說明這種彎曲作用沒有顯著破壞包覆后的三種紗線的電學性能。這些結果說明,包覆封裝技術能提高溫敏電子紗的耐機械性,但目前使用的聚合物材料會降低紗線的柔性和傳熱性,因此后續研究溫敏傳感紗的抗機械性還需考慮包覆/封裝柔性及其對溫度傳感性能的影響問題。

為了清楚展現目前已制備的溫敏傳感紗的性能及其影響因素,它們的現有性能水平和應用如表2所示。從表2不難發現,現有研究結合熱敏材料和紡織纖維開發了不同結構的溫度傳感紗,可應用于體育運動、醫學監測、智能穿戴等場景,但其性能差異較大,基本傳感性能有待優化提高,目前還沒有確定傳感性能與材料、結構的具體關系,也未構建明確的模型和理論支撐溫度傳感紗線的熱傳遞機理。同時,從表2可看出,這些研究在實驗中采用了不同的評價方法說明傳感性,由于測試方法不同,這些結果之間缺乏對比性。正是由于這些研究存在差異和不足,以致對傳感紗的功能失效機理和失效模式尚不清晰,目前還未制定溫度傳感紗的性能和質量評價標準,從而推動傳感紗從實驗室的原型制備到自動化及產業化的商品生產。

表2 溫敏傳感紗的主要性能和應用Tab.2 Important properties and application of temperature sensing yarn

3 結 論

與傳統的體溫監測設備相比,溫度傳感紗有柔軟、舒適等優點,適合用于制作測量人體溫度變化的智能服裝,從而實現實時監測人體健康。近年來,人體溫度傳感紗在制備方法、性能評價及影響因素方面均取得了一定進展。相對而言,光纖溫度傳感紗適合大范圍和電磁環境,熱敏電阻傳感紗中混合電子溫度傳感紗有成本低、靈敏度高、定點測溫的優勢,已成為未來體溫監測衣物的優選溫度傳感器。但是目前研究制得的大多數電子溫度傳感紗的傳感部位易遭受外界影響而失效,靈敏度等相關傳感性能的穩定性仍需提升,使用壽命及可洗性的相關研究還處于開始階段。此外,現有溫度傳感紗線的直徑相比普通紗線偏粗,還無法完全達到衣物對紗線的紡織特性要求。因此,需要相關研究者在傳感紗的紡織特性、結構設計理論、功能失效理論和評價標準方面進一步研究,從而為未來在智能紡織品中的應用選型和使用規范提供更多理論指導。

《絲綢》官網下載

中國知網下載