柔性織物傳感器的研究進展

曾穎怡，許黛芳，曾 悅，齊雨詩，陳嘉惠，夏蘇珍

(嘉興學院 設計學院，浙江 嘉興 314001)

近年來，隨著紡織材料和電子信息技術的迅速發展，越來越多研發人員開始了對智能服裝的研究。智能服裝需要具備獲取外部信息或感知內部狀態變化的能力，并對變化作出反應后反映給使用者[1]，而這種能力離不開傳感器。智能服裝中的傳感器，需要具備可彎曲拉伸、可洗滌、舒適柔軟、輕便易攜帶等特性，雖然目前許多可穿戴設備上都應用了柔性傳感器，但仍不能滿足智能服裝對傳感器的需求。本文總結了近些年柔性織物傳感器的研究現狀，并對其中存在的問題進行分析，探究柔性織物傳感器未來的研發方向。

1 柔性織物傳感器的研究現狀

1.1 柔性織物傳感器的定義

柔性織物傳感器是以紡織物作為傳感器的柔性基底，通過將導電材料與基底進行結合或直接用導電紗線織造得到的織物基底傳感器，具有柔韌性強、貼體性好、可拉伸等特點，是智能服裝的重要組成部分。目前對柔性織物傳感器的研究主要基于導電材料以及織物基底兩個方面，常見的導電材料有金屬納米材料、碳基材料、高分子聚合物等，這些材料的電學屬性會因物體變形、溫度變化、濕度影響等因素而發生改變，從而將這種改變轉化為可檢測電信號。機織物、針織物以及非織造織物均能作為織物傳感器的基底，而有特殊線圈結構，具有良好的延展性以及貼體性的針織物，應用在服裝的傳感器上能最大限度地接收到人體活動信息，受到許多研發者的青睞。

1.2 柔性織物傳感器的種類

1.2.1柔性織物應變/壓力傳感器

柔性織物應變/壓力傳感器可將物體的形變或受力轉換為電信號，傳統基于金屬、半導體這類剛性材料的應變傳感器應變范圍、敏感度、柔韌性都比較低，很難滿足智能服裝對傳感器高應變的需求[2]，因而催生了對柔性應變織物傳感器的研發。

曹少杰等人[3]以彈性棉織物、聚乙烯醇和碳納米管為原料，將彈性棉織物用處理好的碳納米管PVA溶液進行浸泡烘干，以聚酰亞胺薄膜為保護層減小傳感織物的磨損，制備了叉指型柔性壓力傳感器。PVA的黏附作用使得CNTs均勻地分布在織物上，聚酰亞胺薄膜可以保持傳感器在長期使用過程中的穩定性，具有低成本、高穩定性、結構簡單的優點。周自強[4]用銀納米線浸涂法制備導電織物，以絲網印刷制造工藝將織物電極多次印刷在織物上得到清晰電路，這種印刷工藝比濺射和光刻更加簡易，更節約成本，適合大范圍傳感器的制備。肖淵等人[5]以導電銅箔作電極制備織物/PDMS復合介電層三明治型電容式傳感器，利用PDMS的固化使銅箔與織物無縫貼合，這種制備工藝雖然簡單，但也有較好的穩定性和可重復性。沈宏駿等人[6]設計了一種電容式應變傳感器，采用了彈性大、容易拉伸、柔韌性好的硅膠作為介電層以保護電極層的導電織物，這種三明治結構的傳感器結構較簡單，同時也降低了成本，具有重復性好、遲滯性小以及良好的線性關系等優勢。

1.2.2柔性織物溫度傳感器

服裝用的柔性溫度傳感器同樣也要具備可彎曲、可拉伸的特性，并實現外界溫度變化時導電織物的電阻發生改變。由于不同材料電阻受溫度影響范圍不同，與柔性基底材料結合的傳感材料通常會根據其應用環境而采用不同的材料，目前柔性溫度傳感器基底材料主要有有機聚合物材料、厚度小至100 μm左右的金屬箔片等[7]，以紡織品為基底的柔性織物溫度傳感器更易集成在智能服裝中，因而越來越多的研究者對其進行了探索。

張麗娜[8]將感溫元件Pt纖維分別沿經緯向交織嵌入制備Pt/棉織物溫度傳感器，兩兩Pt纖維被棉紗隔開防止相鄰纖維互相影響性能。在理想油浴環境中對傳感織物進行性能系數分析，得出該柔性織物溫度傳感器的線性度相關系數良好，靜態誤差為±1.51%，溫度系數為0.00362/℃，遲滯為4.20%，是性能十分良好的溫度傳感器材料。

付冬等人[9]將具有溫度響應的含芘基咪唑類離子液體與石墨及有機物制備成溫度響應性油墨，通過絲網印刷工藝將芯片印刷于柔性基底上制備柔性織物溫度傳感器，這種油墨具備一定的粘度，在A4紙、PET和白色棉布這三種粗糙程度不同的基底上都十分均勻致密，且可以穩定附著于表面。另外，印刷芯片的電流變化率會隨溫度的升高而升高，使傳感器響應更靈敏且具備可重復性。

1.2.3柔性織物濕度傳感器

濕度傳感器可以監測人體皮膚和呼出氣體中的水分含量，對診斷潛在疾病有十分重要的作用[10]。

王婷婷[11]通過探討不同導電紗線及不同織物基底對傳感器及天線標簽性能的影響和刺繡叉指電容式濕度傳感器的性能，使用銅絲包纏紗和純棉機織牛仔布制備織物基RFID濕度傳感器，該傳感器的靈敏度和重復性較好，雖然避免了傳統絲網印刷電極因多次使用致電極破損的問題，但其濕滯也相較絲網印刷傳感器更大。

王麗紅[12]通過將滌綸包氨綸包芯紗(CSY)浸于MXene溶液中，完成基于MXene的CSY(MCSY)的制備，由于該纖維的孔隙小，內部壓強小，芯吸效應十分顯著，導電材料透濕更完全，且紗線不會因為在潮濕環境中生銹而降低穩定性和使用年限，是生產柔性濕度傳感器較為理想的材料。

1.3 柔性織物傳感器的制備

柔性織物傳感器的兩種制備方法，一是涂層法，即通過將傳感材料以印刷、涂覆等方式附于織物基底上；二是嵌織法，即通過導電紗線進行柔性基底的織制或通過刺繡等方法嵌入織物基底。

1.3.1涂層法

涂層法使織物基底具有傳感性能，獲得的傳感器有更好的靈敏度和線性度，是目前使用最廣泛的柔性織物傳感器制備方法。Zhang L等人[13]利用化學鍵的強相互作用將多功能聚合物和碳管導電網絡形成的導電涂層穩定附著在織物表面，解決了人體分泌的油脂、汗液以及穿戴磨損等影響傳感器使用壽命及靈敏度的問題。林佳濛等人[14]利用等離子體技術對聚吡咯進行處理，改善其在滌綸經編織物上的附著量和附著牢度，并得出當等離子預處理4次時附著效果最佳。牟迪迪等人[15]以氧化石墨烯分散液作染液，采用傳統浸軋染色工藝，在棉/氨綸織物表面覆上氧化石墨烯納米薄膜，利用多巴胺在自聚合時的強還原性制備導電性能良好的還原氧化石墨烯棉/氨綸柔性傳感器。常勝男等人[16]對棉織物進行碳化處理后，用熱塑性聚氨酯溶液浸泡織物得到導電基底用以制備柔性壓力傳感器，實驗得出該傳感器的可重復性高達4000次且傳感性能優異。

1.3.2嵌織法

嵌織法相比涂層法有更良好的形變性、耐用性和較大的測量范圍，可以解決因拉伸幅度過大破壞涂層從而影響傳感性能的問題。這個方法的關鍵在于導電紗線的制備以及織物結構的設計。

導電紗線的制備通常是將導電纖維直接進行紡紗或通過將導電材料包覆于非導電紗線上這兩種方式。畢曙光[17]等人針對柔性應變傳感器合成了長達120 μm、尺寸均一且長度可控的長銀納米線，這種長度的銀納米線在加入了陰離子水性聚氨酯(WPU)與彈性織物結合制備成傳感器后，極易在WPU薄膜表面形成導電網絡，導電性能和靈敏度都得到提高。通過將導電材料與聚合物混合，利用聚合物的特性為紗線提供良好的可紡性，進而獲得性能良好的導電紗線，解決一般導電紗線在織制時低韌性和脆性過高的問題。

柔性導電織物的傳感性能除了受導電材料影響外，還與基底的材料與結構有關。王雙等人[18]加入碳納米管紗線進行機織物基底的織造，以探究嵌入類平紋織物傳感性能。實驗表明，紗線與紗線之間的交點處存在摩擦力，會影響織物的傳感性能，在一定范圍內，織物表面的經向浮線越長，傳感性能越好，另外，短碳納米管纖維的紗線有更好的傳感性能，更適用于織制織物傳感器的基底。徐樂平[19]用脫膠、碳化等方式處理天然絲綢得到具有導電性的碳布(CSF)，對比了素縐緞、順紆、雙縐、雙喬四種絲綢處理后得到的不同CSF的性能，結果表明經緯同向都加捻后的順紆導電織物的傳感性能更好。利用碳化絲綢制備的柔性應變傳感器有很好的傳感性能與服用性能，制備工藝簡單且經濟環保，市場應用前景可觀。

1.4 柔性織物傳感器的應用

柔軟的織物傳感器可以在不影響使用者正?；顒拥那闆r下對環境的溫濕度、人體運動及生理健康等參數進行監測。柔性織物傳感器具有輕薄便攜的特性，可應用于兒童、老人、殘疾人等的日常活動監測。在醫學健康監測領域，柔性織物傳感器可以與智能服裝結合，輕便的傳感器可以替代傳統醫療器具，讓患者活動方便。在一些特殊職業上，比如消防員、戶外危險工作者，可以通過智能工作服的設計讓工作人員了解自身狀況和外部環境。

2 柔性織物傳感器存在的問題

2.1 傳感涂層的穩定性

通過涂層法制備的柔性織物傳感器雖然可以簡化制備工藝，且傳感器的靈敏度高，但很難確保導電材料能夠長期穩定地附著在織物上，且不會因穿著摩擦、水洗等對涂層造成損傷而降低傳感器的靈敏度和精確度。涂層法相比其它方法最大的優點就是材料的選擇性廣，目前已有部分研究者通過材料之間的相互作用改善涂層穩定性，但想充分利用涂層法的優勢，還需要對導電涂層的保護進行研究。

2.2 與服裝的集成加工方式

柔性織物傳感器的研發就是為了使傳感器能更好地與服裝融為一體，目前許多傳感器與服裝的結合都是直接進行縫制，服裝與傳感器之間存在一定差異，即便是十分輕薄的傳感器，在穿著時也會讓人產生異物感，因此需深入研究集成到服裝上的方法，可參考織入、印刷等方式，將傳感器與服裝融為一體。

2.3 導電紗線的力學性能

嵌織法制備的柔性織物傳感器在穩定性和可拉伸性方面比較理想，但會受到導線紗線性能的限制。普通金屬紗線的韌性較小，在上機織制過程中易斷，不適宜進行大批量的生產，若要加快織制效率還需研究制備簡易、成本低的方法，從而增加應用于智能服裝的可能性。

3 柔性織物傳感器的研究趨勢

3.1 傳感器的服用性能

目前大多數柔性織物傳感器的研究都集中于傳感功能的開發以及對靈敏度的研究，對于可洗滌性與透氣性等服用性能的研究還比較少，要真正制備理想的應用于服裝的柔性織物傳感器，需要不斷對傳感器的彈性、耐磨性、親膚度等服用性能進行改進。

3.2 與服裝集成工藝的研究

現有的將柔性織物傳感器集成到服裝中的工藝多為嵌織法，實現了傳感器與服裝之間的無縫集成。戴憶凡等人[20]采用不同線密度的紗線織制織物基底，把鍍銀導電紗線作為添紗原料，對集成柔性織物傳感器的無縫內衣原料以及性能影響進行探究，制備了具有優良服用性能和導電性能的智能無縫內衣。郭秋晨[21]利用添紗提花的方式進行衣片的編織，探索合適的傳感器尺寸和織入位置，并對不同導電紗線的傳感性能進行分析，改進了集成傳感器服裝的制備工藝并提高了使用壽命?？椚敕ㄊ潜容^理想的集成方法，能減少服裝加工工序，通過研究導電紗線、傳感器尺寸及其傳感性能之間的關系，可使研發步驟更加簡單，提高效率，降低成本。

3.3 多功能的傳感器

柔性織物傳感器的研發可以減輕智能服裝中復雜元件帶來的負擔，但現在許多傳感器的功能較為單一，而智能服裝的發展趨勢必然是多功能化，研發可以響應多種功能的傳感器不僅可以簡化服裝的制備工藝，也可以減少元件之間的連接，使智能服裝輕便舒適。

4 結語

柔性織物傳感器在性能研究方面已有一定成果，但仍有許多不足，研究空間廣闊。柔性織物傳感器的研發方向可總結為以下幾點：對導電紗線的探究，研究紗線屬性與傳感性能之間的關系，做到紗線生產及傳感器制備的可控化；嘗試不同的織物基底材料，在尋找到良好服用性能織物的同時秉承綠色環保的理念，并協調好導電材料與基底之間的關系；多功能導電材料的研發有益于減少服裝中傳感器等元件。

柔性織物傳感器的研發結合了紡織技術、電子信息技術等多元學科技術，研發過程只有明確對傳感器的性能評估標準，結合多重關系對傳感器進行最優化設計，才能讓柔性織物傳感器在更多領域得到廣泛應用。