鉑修飾碳納米管紗線在柔性傳感器上的應(yīng)用

摘要：碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等性能，但其組裝而成的一維宏觀材料碳納米管纖維/紗線之間的空隙是負(fù)載和電子轉(zhuǎn)移的缺陷位點(diǎn)。文章通過水熱法將鉑納米粒子原位生長(zhǎng)到碳納米管紗線上，可填補(bǔ)紗束間的空隙，用來改善紗線的電學(xué)和力學(xué)性能，并采用間隔嵌入法制備了應(yīng)變傳感器。結(jié)果表明：被鉑粒子修飾過的碳納米管紗線，其拉伸強(qiáng)度從129.54 MPa增加到143.48 MPa，電導(dǎo)率從5.34×104 S/m增加到9.5×104 S/m。通過與立體彈性編織物相結(jié)合，基于紡織品的柔性應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出良好的傳感性能、快速響應(yīng)性、循環(huán)穩(wěn)定性，以及良好的耐洗性、耐候性和耐汗性，且在監(jiān)測(cè)人體不同關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方面展現(xiàn)出優(yōu)異的傳感特性。

關(guān)鍵詞：鉑納米粒子；碳納米管；應(yīng)變傳感器；柔性可拉伸；間隔嵌入；立體彈性編織物

中圖分類號(hào)：TS101.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-7003（2025）03-0065-09

DOI：10.3969/j.issn.1001-7003.2025.03.007

收稿日期：2024-07-24;

修回日期：2025-01-09

基金項(xiàng)目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（BY20221191）； 江西省揭榜掛帥重大項(xiàng)目（20213AAE02017）

作者簡(jiǎn)介：謝金林（2000），女，碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)電材料與智能穿戴。通信作者：邱華，教授，qiuhua@jiangnan.edu.cn。

智能可穿戴是一個(gè)快速新興的研究領(lǐng)域，適用于個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)［1-2］、人機(jī)界面［3-4］、軟機(jī)器人［5-6］和人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)［7-8］等各種應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，基于電阻變化的可穿戴傳感器由于制造簡(jiǎn)單和出色的傳感性能而非常有競(jìng)爭(zhēng)力。其中應(yīng)變傳感器是指將物理形變轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)，應(yīng)用廣泛［9］。基于金屬和半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器具有拉伸性差、變形時(shí)導(dǎo)電性不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，而纖維、紗線、織物或薄膜形式的柔性應(yīng)變傳感器被認(rèn)為是克服這些問題的理想解決方案［10-11］。尤其是纖維/紗線基柔性應(yīng)變傳感器由于其柔軟、輕便、易于加工等優(yōu)勢(shì)，為新一代柔性可穿戴電子產(chǎn)品的開發(fā)提供新的研究方向［12］。

納米級(jí)碳材料可單獨(dú)用作應(yīng)變傳感材料，也可用作軟聚合物中的導(dǎo)電填料［13-14］。其中，碳納米管（Carbon Nanotube， CNT）因其獨(dú)特的sp2鍵合的蜂窩晶格和一維結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能，作為應(yīng)變傳感器具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如今已成為相關(guān)研究的熱點(diǎn)［15-16］。目前由碳納米管宏觀組裝而成的碳納米管纖維的生產(chǎn)主要包括濕法紡絲法［17］、陣列紡絲法［18］和浮動(dòng)催化劑化學(xué)氣相沉積法［19］。然而通過直接紡絲生產(chǎn)的碳納米管纖維因纖維束中的松散堆積結(jié)構(gòu)具有大量空隙，阻礙了碳納米管束之間的有效負(fù)載和電子傳輸，導(dǎo)致其機(jī)械和電學(xué)性能均低于單個(gè)碳納米管。因此，為了解決結(jié)構(gòu)空隙所帶來的上述影響，研究者嘗試通過聚合物滲透［20］和納米材料的摻入［21］來填補(bǔ)這些空隙。通常采用電化學(xué)沉積法將金屬材料沉積到碳納米管纖維或紗線的表面，再通過高溫退火處理、機(jī)械致密化、溶劑致密化、酸處理、化學(xué)摻雜等方法，用以改善原始碳納米管纖維和紗線的熱性能、電學(xué)性能及機(jī)械性能等。但這些方法中大多都是以犧牲碳納米管纖維的電學(xué)性能為前提，來改善其機(jī)械性能，反之亦然［22］。CNT纖維的多孔結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，可以為其他功能納米材料的固定和生長(zhǎng)提供充足的位置。此外，金屬納米顆粒（如Au、Ag、Pt等）由于其低阻抗和強(qiáng)化學(xué)惰性，能夠有效地改善材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性［23］。因此，在CNT纖維上原位修飾金屬納米顆粒的方式可以在不破壞碳納米管纖維原始結(jié)構(gòu)的前提下，進(jìn)一步提升其電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能，并賦予其優(yōu)異的傳感性能。

因此，本文通過水熱法將納米鉑粒子自生長(zhǎng)修飾到碳納米管紗線表面，用以填補(bǔ)碳納米管紗線束之間的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)空隙，再將處理后的碳納米管混紡紗線以間隔法嵌入具有大形變的立體彈性編織物中，以提高碳納米管混紡紗線的拉伸應(yīng)變性能。制備而成的鉑粒子修飾碳納米管紗線基柔性可拉伸應(yīng)變傳感器，能夠在人體各關(guān)節(jié)處表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能，可應(yīng)用于智能可穿戴紡織品，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)。因此，對(duì)進(jìn)一步拓寬柔性應(yīng)變傳感器在智能可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用范圍具有一定意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

1.1.1 原 料

氯鉑酸六水合物（AR，阿拉丁生化科技股份有限公司），去離子水（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），檸檬酸鈉（98%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），立體彈性織物（福聯(lián)精編有限公司），碳納米管混紡紗線（實(shí)驗(yàn)室自備）［24］。

1.1.2 儀 器

AR1520/C電子天平（江蘇秉宏生物科技有限公司），SU8100冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立株式會(huì)社），D2 PHASER X射線衍射儀（德國(guó)布魯克AXS有限公司），inVia Reflex顯微共聚焦拉曼光譜儀（英國(guó)雷尼紹公司），WDW-1萬能拉伸機(jī)（濟(jì)南恒思盛大有限公司），Keithley DAQ 6510高精度數(shù)字源表（泰坦科技有限公司），CS150H電化學(xué)工作站（武漢科泰儀器有限公司）。

1.2 方 法

1.2.1 鉑納米粒子修飾碳納米管紗線的制備

取8 cm長(zhǎng)的碳納米管紗線，用去離子水洗滌干凈。分別將紗線完全浸泡在含有5、7、10 μL氯鉑酸溶液的1 mL去離子水中（最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、0.7%和1%），并在3℃下靜置2 h。然后將紗線取出，放入煮沸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的檸檬酸鈉溶液（100 mL）中，再逐滴加入浸泡過紗線的氯鉑酸溶液，繼續(xù)攪拌加熱。0.5 h后取出紗線，用去離子水洗滌，并于室溫下自然干燥。

1.2.2 柔性可拉伸應(yīng)變傳感器的制備

取一根處理后長(zhǎng)度為8 cm的碳納米管紗線，將其一端引入縫合針頭中固定。利用縫合針的穿刺作用，將碳納米管紗線螺旋式縫合纏繞在立體彈性編織物上，相鄰兩紗線的螺距分別控制在2、4、6、8、10 mm，從而制備不同規(guī)格的柔性傳感器。

1.2.3 測(cè)試與表征

使用SU8100冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope， FESEM）在不同倍數(shù)下對(duì)處理前后碳納米管紗線的表面形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，測(cè)試電壓為5 kV。采用D2 PHASER X射線衍射儀（X-Ray Diffractometer， XRD）測(cè)試原始碳納米管紗線和經(jīng)過處理后紗線的晶型結(jié)構(gòu)，測(cè)量范圍2θ=10°～80°。使用inVia Reflex顯微拉曼光譜儀對(duì)碳納米管紗線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，激發(fā)波長(zhǎng)532 nm。計(jì)算G帶（IG）和D帶（ID）的強(qiáng)度，并使用IG/ID比來估計(jì)碳納米管在經(jīng)過處理后的結(jié)構(gòu)破壞程度。

通過WDW-1萬能拉伸機(jī)測(cè)試原始碳納米管紗線和經(jīng)過不同條件處理后紗線的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，夾持距離5 cm，拉伸速度10 mm/min。

使用Keithley DAQ 6510高精度數(shù)字源表測(cè)量紗線的電阻，結(jié)合電鏡圖像測(cè)量紗線的直徑，再根據(jù)下式計(jì)算紗線的電導(dǎo)率：

σ=LR·S

（1）

式中：σ為電導(dǎo)率，S/m；L為樣品長(zhǎng)度，m；R為樣品電阻，Ω；S為樣品橫截面積，m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉑納米粒子修飾碳納米管紗線的表面形貌和結(jié)構(gòu)分析

對(duì)碳納米管紗線進(jìn)行了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.5%、0.7%和1%）的處理，用以驗(yàn)證不同處理下的各項(xiàng)性能。通過SEM觀察原始碳納米管紗線和處理后碳納米管紗線的表面形貌和結(jié)構(gòu)（圖1）。圖1（a）為原始碳納米管紗線的SEM圖像，可以看出碳納米管紗線的直徑約為240 μm，表面較為光滑，附有少量雜質(zhì)，且碳納米管紗線內(nèi)部具有清晰可見的CNT網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。圖1（b）（c）分別為0.5%和0.7%的氯鉑酸溶液處理后的Pt-CNTY（簡(jiǎn)稱Pt-CNTY-5和Pt-CNTY-7），可觀察到Pt-CNTY-5表面的鉑納米球粒子（Platinum Nanoparticles， Pt NPs）分布比較稀疏，而Pt-CNTY-7表面的Pt NPs分布較Pt-CNTY-5稍密集，但粒子直徑不均一，小到40～50 nm，大到200 nm左右。圖1（d）為1%的氯鉑酸溶液處理后的Pt-CNTY（簡(jiǎn)稱Pt-CNTY-1）的表面SEM圖像，放大倍數(shù)依次由低到高可看出紗線表面高密度均勻地分布著Pt NPs，且Pt NPs的直徑為100～120 nm。以上結(jié)果表明，檸檬酸鈉對(duì)氯鉑酸起到了很好的還原作用，還原的Pt NPs具有均勻的形貌結(jié)構(gòu)。

2.2 鉑納米粒子修飾碳納米管紗線的物相結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)分析

X射線衍射儀表征了原始碳納米管紗線和鉑修飾碳納米管紗線的物相結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)）。圖2為原始紗線和處理后紗線的XRD圖像。由圖2可看出，Pt-CNTY除了有CNTY在2θ角度為26.5°、43.7°、45.3°和54.0°處的衍射峰對(duì)應(yīng)的（002）（110）（101）和（112）面，同時(shí)存在2θ角度為39.9°、46.2°和68.2°處的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)鉑晶體（111）（200）和（220）的衍射峰。這表明處理后的碳納米管紗線上有單質(zhì)鉑的存在，也證明了Pt NPs成功生長(zhǎng)到了CNTY上。

圖3為處理前后CNTY的拉曼光譜。拉曼光譜結(jié)果顯示，Pt NPs修飾前后的CNTY在1 579 cm-1（G峰）和1 348 cm-1（D峰）處都表現(xiàn)出強(qiáng)吸收信號(hào)。其中，G峰為sp2雜化碳吸收峰，反映了規(guī)整片層石墨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；D峰為sp3雜化碳吸收峰，反映了碳缺陷位點(diǎn)和無定形碳的強(qiáng)度［25］。原始碳納米管紗線的G峰與D峰比值（IG/ID）為2.4，這表明具有良好的sp2雜化碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。被Pt NPs修飾后的CNTY的IG/ID沒有較大幅度的變化，Pt-CNTY的IG/ID值為2.21，這表明Pt NPs的引入并沒有破壞CNTY的結(jié)構(gòu)。

2.3 鉑納米粒子修飾碳納米管紗線的電學(xué)性能分析

通過水熱法用檸檬酸鈉還原氯鉑酸溶液中的鉑單質(zhì)，通過控制氯鉑酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探究了Pt-CNTY在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例下紗線的電學(xué)性能，用以揭示不同鉑粒子對(duì)碳納米管紗線的電子遷移效率的影響。圖4為處理前后碳納米管紗線的電導(dǎo)率，可見未處理的CNTY本身具有良好的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率為5.34×104 S/m。通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯鉑酸溶液處理后，CNTY的電導(dǎo)率明顯提高，其中當(dāng)氯鉑酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.7%和1%時(shí)，Pt-CNTY的電導(dǎo)率分別提高到6.77×104、7.82×104、9.5×104 S/m，分別提高了26.8%、46.4%和77.9%，結(jié)果表明，Pt-CNTY的電導(dǎo)率隨著氯鉑酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。電導(dǎo)率的提升得益于Pt NPs優(yōu)異的導(dǎo)電性，其填充到紗線的間隙當(dāng)中，Pt NPs充當(dāng)有效的導(dǎo)電橋?qū)⑾∈璧奶技{米管束連接起來，提高了電子遷移率，增強(qiáng)了電荷轉(zhuǎn)移效果。

2.4 鉑納米粒子修飾碳納米管紗線的力學(xué)性能分析

本文探究Pt-CNTY在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例下紗線的力學(xué)性能，用以揭示不同修飾對(duì)碳納米管紗線強(qiáng)度的影響。由圖5可見，原始碳納米管紗線的斷裂強(qiáng)度為129.54 MPa，伸長(zhǎng)率大概為6.68%，通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯鉑酸溶液處理后，紗線的斷裂強(qiáng)度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，強(qiáng)度分別提高至130.4、134.77、143.48 MPa，相比于原始CNTY的強(qiáng)度分別提高了0.6%、4.03%和10.7%。特別地，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，紗線的斷裂強(qiáng)度達(dá)到了143.48 MPa，其伸長(zhǎng)率也增大到8.67%。強(qiáng)度的提高可能是由于Pt NPs在稀疏的碳納米管網(wǎng)絡(luò)中起到類似于“橋梁”的作用，由于分子間的范德華力增加了碳納米管束與束之間的作用力，所以強(qiáng)度得以提高。

2.5 柔性可拉伸應(yīng)變傳感器的傳感性能分析

2.5.1 環(huán)境對(duì)傳感器性能的影響

為了更好地模擬傳感器在佩戴時(shí)的人體狀況，本文對(duì)傳感器的耐酸堿性和耐高低溫性進(jìn)行了測(cè)試，傳感器的樣品如圖6和7所示。為了模擬傳感器在不同pH值條件下的穩(wěn)定性，本文使用pH值為5～9的溶液，分別將紗線在不同pH值的溶液中浸泡10 min，并基于中性條件（pH值7）計(jì)算電阻變化。其中，傳感器在pH值5時(shí)為模擬人體汗液的條件。由圖8（a）可以看出，傳感器具有良好的耐酸堿性。為了研究不同溫度對(duì)傳感器的影響，分別將傳感器在-200℃、-20℃、28℃、50℃和90℃下處理10 min，然后測(cè)量其電阻變化，如圖8（b）所示。隨著溫度的升高，傳感器的電阻呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但與室溫（28℃）相比，變化并不顯著。此外，為了測(cè)試傳感器的耐用性，通過水洗實(shí)驗(yàn)計(jì)算其電阻變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過20次洗滌后，傳感器的電阻與洗滌前相差不大（圖8（c））。這些結(jié)果表明，基于碳納米管紗線的應(yīng)變傳感器

具有良好的環(huán)境耐久性，這主要?dú)w因于碳納米管紗線穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于碳納米管的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，加之溶液致密化效應(yīng)，使其具有良好的環(huán)境耐久性［26］。

2.5.2 不同規(guī)格傳感器傳感性能對(duì)比

圖9顯示了在電化學(xué)工作站中，給定0.2 V的恒定電壓，間隔為ΔL=6 mm的原始碳納米管紗線和鉑修飾碳納米管紗線傳感器在拉伸和釋放時(shí)傳感器電阻的變化。由圖9（a）可見，當(dāng)將傳感器拉伸相同的距離再釋放回原始長(zhǎng)度時(shí)，不論是原始碳納米管紗線還是鉑修飾碳納米管紗線傳感器都顯示出相同的電阻峰值變化。當(dāng)傳感器拉伸不同距離后釋放回初始長(zhǎng)度時(shí)，傳感器顯示出不同的電阻峰值變化（圖9（b））。這種變化的發(fā)生是由于在拉伸時(shí)，碳納米管紗線受到來自拉伸的縱向力和立體彈性織物橫向擠壓力的作用，從而使紗線內(nèi)部的導(dǎo)電通路之間更緊密地接觸，在釋放時(shí)又恢復(fù)了導(dǎo)電通路的緊密性。

由圖9可以看出，鉑修飾碳納米管紗線傳感器在拉伸和釋放循環(huán)過程中，其電阻變化率約為51%，而原始碳納米管紗線傳感器的電阻變化率約為17%，經(jīng)過鉑納米粒子修飾后紗線傳感器的電阻變化是原始紗線傳感器的3倍。這主要是因?yàn)殂K納米粒子的原位生長(zhǎng)連接了碳納米管紗線束之間的空隙，從而連接了導(dǎo)電通路，增加了碳納米管紗線的電導(dǎo)率，最終使得鉑修飾碳納米管紗線傳感器的靈敏度更高。

同時(shí)，對(duì)于制備的其他間隔的傳感器也進(jìn)行了同樣的測(cè)試，如圖10所示。無論是哪種規(guī)格的傳感器，都可以產(chǎn)生類似的電阻變化，且鉑修飾碳納米管紗線傳感器的電阻變化都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始碳納米管紗線傳感器的電阻變化。此外，間隔較小的傳感器雖然有較長(zhǎng)的拉伸應(yīng)變（約115%），但是在拉伸時(shí)對(duì)于微小形變的響應(yīng)不敏感；間隔較大的傳感器雖然對(duì)微小形變響應(yīng)明顯，但是應(yīng)變小，在拉伸過程中容易斷裂。因此，選取合適間隔的傳感器對(duì)后續(xù)應(yīng)用有著很重要的影響。

2.5.3 耐久性測(cè)試和人體關(guān)節(jié)傳感測(cè)試

上述測(cè)試結(jié)果已經(jīng)表明，制備的各種規(guī)格傳感器都可以通過拉伸和釋放來產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生電阻信號(hào)。本文選取鉑納米粒子修飾的間隔為ΔL=6 mm的應(yīng)變傳感器做進(jìn)一步研究。間隔為ΔL=6 mm的應(yīng)變傳感器在0.2 V電壓下，持續(xù)300次拉伸和釋放過程中（傳感器的拉伸應(yīng)變?yōu)?0%）的電阻變化率曲線如圖11所示。

由圖11可知，選取的應(yīng)變傳感器在拉伸一定長(zhǎng)度后釋放，其電阻變化率大概為2 %，并且在長(zhǎng)達(dá)300次拉伸循環(huán)中輸出的電信號(hào)穩(wěn)定性、可重復(fù)性好，具有耐久性。由于立體彈性編織物優(yōu)異的伸長(zhǎng)率和碳納米管混紡紗優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能，所以循環(huán)的拉伸-釋放行為對(duì)傳感性能影響較小。

將制備的應(yīng)變傳感器應(yīng)用于人體關(guān)節(jié)，用人體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電阻信號(hào)變化來檢測(cè)人體活動(dòng)，從而監(jiān)測(cè)人體健康。將制備的傳感器分別固定在人體的關(guān)節(jié)處（手指、手肘和手腕處），當(dāng)人在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)來監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)活動(dòng)，如圖12所示。結(jié)果表明，所制備的應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出良好的靈活性和可操作性。在測(cè)試中，將手指和手肘分別從0°彎曲到90°，對(duì)電阻變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和監(jiān)測(cè)。由圖12（a）（b）可看出，由于應(yīng)變傳感器具有良好的彈性和導(dǎo)電性，應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出穩(wěn)定而規(guī)整的信號(hào)，最大電阻變化約為40%。此外，由于手腕的彎曲角度比較小，約為45°，最大電阻變化約為14%（圖12（c）），明顯小于其他兩個(gè)部位在90°時(shí)產(chǎn)生的電阻變化，這表明應(yīng)變傳感器具有良好的分辨能力。

綜上結(jié)果表明，所制備的可拉伸應(yīng)變傳感器耐久性好，并且具有監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的能力。基于應(yīng)變傳感器良好的傳感效果和所產(chǎn)生的傳感耐久性，可用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)人體活動(dòng)。

3 結(jié) 論

本文以碳納米管混紡紗為基材，通過水熱法用檸檬酸鈉還原劑來還原氯鉑酸溶液中的鉑單質(zhì)，將鉑納米粒子原位生長(zhǎng)到碳納米管紗束之間。探究了氯鉑酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鉑納米粒子原位生長(zhǎng)的影響，證明了表面功能化處理對(duì)紗線的電學(xué)和力學(xué)性能的影響。將處理后的碳納米管混紡紗線和立體彈性編織物相結(jié)合，以間隔嵌入法螺旋嵌入立體彈性編織物中，制備了具有不同間隔的柔性應(yīng)變傳感器。對(duì)制備的鉑修飾碳納米管紗線基柔性可拉伸應(yīng)變傳感器進(jìn)行表征，并對(duì)傳感器的拉伸性、傳感性能及耐久性等進(jìn)行了測(cè)試表征。具體結(jié)論如下：

1）以檸檬酸鈉為還原劑，采用水熱法可以使鉑納米粒子均勻地生長(zhǎng)到碳納米管紗線的間隙中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的氯鉑酸溶液還原的鉑納米粒子具有最為均勻的分布和粒子直徑，其粒子直徑為100～120 nm。

2）被鉑粒子修飾過的碳納米管紗線，其拉伸強(qiáng)度從129.54 MPa增加到143.48 MPa，電導(dǎo)率從5.34×104 S/m增加到9.5×104 S/m。說明鉑粒子的引入在不破壞紗線力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提升了紗線的電學(xué)性能。

3）綜合考慮拉伸應(yīng)變和強(qiáng)度因素，選取間隔為6 mm的傳感器進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。該應(yīng)變傳感器具有良好的耐洗性、耐候性和耐汗性，在持續(xù)300次的拉伸-釋放循環(huán)中仍表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

4）采用螺旋嵌入法制備應(yīng)變傳感器，制備方法簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。且制備的應(yīng)變傳感器能夠監(jiān)測(cè)手指、手腕和手肘等關(guān)節(jié)活動(dòng)，可適用于智能可穿戴產(chǎn)品的開發(fā)，這對(duì)進(jìn)一步拓寬柔性應(yīng)變傳感器在智能可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用范圍具有一定意義。

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Application of platinum-modified carbon nanotube yarns on flexible sensors

XIE Jinlin， GU Peng， QIU Hua

（College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract：With the development of science and technology and the continuous improvement of people’s demand for quality of life， electronic components are gradually combined with flexible substrates. Flexible wearable devices， which have many advantages such as flexibility， deformation and good biological adaptability， have received increasing attention. Specifically， the flexible strain sensor is an important direction in the development of flexible wearable devices， and it is also a research hotspot in recent years. Traditional commercial strain sensors， generally made of metal or semiconductors， have the characteristics of low cost， stable performance， and wide application. However， due to the nature of metal or semiconductor materials， the strain range is generally not more than 5%， the flexibility is poor， and the sensitivity factor is about 2. Traditional strain sensors are difficult to apply to measurements under high strain conditions， and cannot meet the requirements of large strain range， flexibility， wearability， comfort， and biocompatibility required by wearable sensors. In recent years， the rapid development of flexible strain sensors has the characteristics of large sensing range， high sensitivity， lightness and softness. It provides a feasible way to measure strain under large strain and flexible conditions， and the temperamental strain sensor shows great application prospects in the fields of motion monitoring， human health monitoring， and human-computer interaction. Carbon nanotube fibers/yarns have excellent electrical， mechanical， and thermal properties， and are widely used in many fields such as flexible robots， smart fabrics， flexible wearable devices， and thermal management. However， the gaps in the carbon nanotube fiber bundles hinder the payload and electron transport between the carbon nanotube bundles， resulting in lower mechanical and electrical properties than individual carbon nanotubes.

In this study， platinum nanoparticles were self-grown onto the surface of carbon nanotube yarns by hydrothermal method to fill the gaps in the conductive network between carbon nanotube yarn bundles， and then the treated carbon nanotube blended yarns were embedded in the three-dimensional elastic braid with large deformation by spacing method to improve the tensile strain performance of carbon nanotube blended yarns. The hydrothermal method could make the platinum nanoparticles grow uniformly into the gap of the carbon nanotube yarn， and the particle diameter was about 100-120 nm. The tensile strength of carbon nanotube yarn modified with platinum particles increased from 129.54 MPa to 143.48 MPa， and the conductivity increased from 5.34×104 S/m to 9.5×104 S/m. To sum up， the prepared strain sensor has good washability， weather resistance and sweat resistance， and exhibits good cyclic stability during 300 continuous stretch-release cycles. In addition， the prepared flexible strain sensor can also monitor finger， wrist， elbow and other joint movements， showing great potential in the field of smart wearable devices.

Key words：

platinum nanoparticles; carbon nanotubes; strain sensors; flexible and stretchable; interval embedding; three-dimensional elastic braid