碳纳米管修饰3D纤维网基压力传感器的制备及性能.pdf

印染（2024 No.1）碳纳米管修饰3D纤维网基压力传感器的制备及性能叶苏娴1，张蕊1，张婷3，陈晓静3，王建1，2，邹专勇1，2，3 1.绍兴文理学院，浙江省清洁染整技术研究重点实验室，浙江 绍兴 312000；2.绍兴市高性能纤维及制品重点实验室，浙江 绍兴 312000；3.浙江喜临门软体家具有限公司，浙江 绍兴 312000摘要：为改善纤维基传感器灵敏度低和响应范围窄等问题，提出了一种以3D纤维网为基材，采用超声辅助浸渍碳纳米管修饰纤维表面，构建出了3D纤维网络结构的压阻式压力传感器。介绍了3D纤维网传感器的制备过程，并对所制备的传感器形貌结构、力学传感性能及应用进行了测试与表征。结果表明：碳纳米管修饰3D纤维网的传感器灵敏度为3.5310-3kPa-1，具有较好的线性度和较高的灵敏度；检测范围达到200 kPa；响应时间和回复时间分别为153 ms和226 ms；经过2 000次循环施加压力测试表现出较好的稳定性和耐久性。该传感器能够用于监测人体的运动，如手指弯曲、手腕弯曲、手指点击和脚跟压力等，在可穿戴电子织物领域具有广阔的应用前景。关键词：碳纳米管；3D纤维网；超声辅助浸渍；柔性压力传感器；传感性能中图分类号：TS106；TP212文献标志码：BDOI：10.3969/j.yinran.202401007Preparation of carbon nanotube modified 3D fiber mesh based pressure sensor and its performanceYE Suxian1,ZHANG Rui1,ZHANG Ting3,CHEN Xiaojing3,WANG Jian1,2,ZOU Zhuanyong1,2,31.Key Laboratory of Clean Dyeing and Finishing Technology of Zhejiang Province,Shaoxing University,Shaoxing 312000,China;2.Shaoxing Key Laboratory of High Performance Fibers&Products,Shaoxing 312000,China;3.Zhejiang Xilinmen Upholstered Furniture Co.,Ltd.,Shaoxing 312000,ChinaAbstract:To improve the issues of low sensitivity and narrow response range of fiber-based sensors,a resistive pressure sensor with 3D fiber network structure is constructed by using 3D fiber network as the substrateand ultrasound-assisted impregnation of carbon nanotubes to modify the fiber surface.The preparation process of 3D fiber mesh sensors is introduced,and the morphology,mechanical sensing performance and application of the prepared sensors are tested and characterized.The results show that the sensor sensitivity of carbon nanotube modified 3D fiber mesh is 3.5310-3kPa-1with good linearity and high sensitivity.The detectionrange reaches 200 kPa.The response time and recovery time are 153 ms and 226 ms,respectively.After 2 000cycles of pressure testing,the sensor shows good stability and durability,which can be used to monitor humanmovement,such as finger bending,wrist bending,finger tapping,and heel pressure.It has broad applicationprospects in the field of wearable electronic fabrics.Key words:carbon nanotubes;3D fiber mesh;ultrasound-assisted impregnation;flexible pressure sensor;sensing performance随着科技的快速发展，传感器已经广泛应用于人们的生活中，并且在不同的研究领域受到了极大的关注。在众多传感器中，柔性压力传感器以低成本、方便携带和高度灵活性的优势在市场上占据着主导地位1-3。相比于传统的刚性传感器，柔性传感器具有承受各种压力和变形的能力，更加适合日常生活中使用4。其中，压阻传感器由于能够量化电阻值与外力之间的关系，从而实现对物理信号（如压力、弯曲等）的监测和测量，备受人们关注5。此外，由于压阻传感器灵活性高，不仅可以应用于大面积的表面，还可以嵌入到各种设备中，实现对设备内部的变形和应力的监测，因此，压阻传感器在医疗、健康监测、机器人、智能家居等领域具有广泛的应用前景6-7。目前，制备高性能柔性可穿戴压力传感器的方法主要涉及材料、结构和工艺的创新。引入碳纳米管（CNT）、石墨烯、纳米银线等材料作为柔性电极，以及对柔性电极表面进行微结构化等方法，可以有效提高传感器的灵敏度8-11。碳纳米管具有低成本、高导热、高导电性、高纵横比、独特的光学和热性能等优点，适用于电子、生物医学和工业等行业12-13。基于CNT特殊的电学性能，RAMALINGAME 等人14开发出一种基于CNT聚合物复合材料的高柔性压阻传感器矩阵，其中的压力负载可以通过电阻的形式输出，灵敏度较高并且滞后性低，可用于动态压力监测。由此可以看出CNT在传感器市场有着很大的应用潜力15。收稿日期：2023-10-16；修回日期：2023-12-28基金项目：2023年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）（2023R465032）。作者简介：叶苏娴（2001），女，本科，课题方向为柔性传感纺织品。通信作者：王建（1989），男，讲师，博士。E-mail：。52碳纳米管修饰3D纤维网基压力传感器的制备及性能印染（2024 No.1）为使可穿戴设备具有使用舒适性，柔性可穿戴压力传感器需要具备灵活、舒适、轻便、透气、可水洗等特点，同时也应能够与衣服结合或者直接贴合在身体上。然而，传统的压力传感器大多采用弹性基板制作，这使得其大面积应用存在着不利于皮肤呼吸的问题。3D纤维网具有许多优异的特性，比如比表面积大、孔隙率高以及易改性等，使其成为制备柔性传感器的理想材料。此外，该材料还具有良好的可塑性和可加工性，可以通过简单的加工手段进行功能改性，以满足不同应用需求。本研究以3D纤维网为基材、CNT为导电材料，制备出3D纤维网结构的压阻式压力传感器；通过对3D纤维网进行表面亲水化处理，调控不同的CNT浸渍时间，构建出不同CNT涂层的3D纤维网压阻式柔性压力传感器；通过表征和测试传感器的形貌结构和力学传感性能，对传感器的灵敏度、循环稳定性、压力检测范围及其在人体表面的应用进行了研究。1试验部分1.1主要材料与仪器材料3D纤维网海绵（尼龙/涤纶纤维，3M中国有限公司），羧基化多壁碳纳米管（CNT，江苏先丰纳米材料科技有限公司），NaOH（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），去离子水（实验室自制），十二烷基苯磺酸钠（上海泰坦科技股份有限公司）仪器SU3800 型电子显微镜（日本日立有限公司），F-020SD型超声波清洗机（深圳福洋科技集团有限公司），DM6500型系列数字万用表（美国Keithley仪器有限公司），DHG-9070型鼓风干燥箱（上海恒一科学仪器有限公司），SC-50型电子测力计（深圳深测仪器有限公司）1.2CNT水溶液的配制取适量十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中，加入0.45 g CNT粉末，超声处理30 min（控制超声温度低于30，防止CNT团聚），得到CNT质量分数为0.45%的水溶液，密封保存，待用。1.3CNT修饰3D纤维网压力传感器的制备首先，配制质量分数为5%的NaOH溶液，将3D纤维网海绵（尺寸2 cm3 cm）浸入NaOH溶液中30 min，对纤维表面进行刻蚀并提高其亲水性能。然后，将3D纤维网用去离子水充分清洗，以去除残留的NaOH溶液，放入烘箱烘干30 min以除去表面水分。再将3D纤维网浸入CNT水溶液中，控制超声搅拌时间。取出经过CNT修饰的3D纤维网，放入烘箱烘干30 min。利用导电银浆将导电铜丝分别固定在CNT修饰的3D纤维网左右两端，从而得到CNT修饰3D纤维网压力传感器。CNT修饰3D纤维网压力传感器的制备过程见图1。455#5.H*M-+L（a）砝码放在中间（b）砝码放在对角图9CNT压阻传感器多点位压力传感性能Fig.9Multi-point pressure sensing performance of the CNTpiezoresistive sensor如图9（a）所示，当砝码放置于中间点位时，只有中间点位的阻值发生了大幅度的变化，其他点位没有显著变化。为了进一步探究其多点位传感性能，在阵列的对角点位放置砝码图9（b），可以看到只有对角的两处传感器输出的电信号发生了显著的变化。阵列可以精确呈现重物的压力分布所在位置，表明CNT压阻传感器具有良好的压力位置识别性能。被施加压力的传感范围传出的电阻数值急剧变化而其他未施加压力的部位其电阻值没有明显的变化幅度。2.4应用性能考虑到CNT压阻传感器受压后电阻值会发生变化，笔者认为该传感器可以用于监测人体的生理活动。为了验证设想，将传感器分别固定在手指、手腕、脚跟处以及平面上，探测手指、手腕、脚跟以及敲击时的状态，试验结果如图10所示。LV-+LLV-+L（a）手指弯曲（b）手腕活动 LV-+LF&F&LV-+LFF（c）手指点击（d）脚跟压力图10传感器的应用性能Fig.10Application performance of sensor图10（a）显示：当手指弯曲时，传感器纤维网受到关节的挤压导致厚度减小，纤维网之间的导电通路增55印染（2024 No.1）加，接触电阻急剧下降；而当手指舒展时，传感器可以快速恢复，表现出电阻信号的增加。图10（b）显示：当手腕弯曲时，传感器的纤维受到压力压迫，传感器相对电阻急速减小，而手腕恢复平行状态后，传感器相对电阻又快速回升到初始状态，表明该传感器可以用于监测人体关节的运动和扭转，在健康监测领域具有广阔的应用前景。图10（c）中，将传感器固定在平面上，用手指点击的方式输入压力源，发现手指点击频率的变化可以清晰地从传感器的相对电阻信号表现出来，且每次点击的波形一致，只是相对电阻变化的频率发生了改变。图10（d）中，将传感器固定在脚后跟，用于监测人在走路时的变化，当慢走和快走时，传感器的相对电阻变化较明显，可以区分出不同走路状态的变化。3结论利用CNT对3D纤维网海绵进行表面改性处理，设计出了一种压阻式纤维基柔性传感器。由于该传感器是全纤维的结构，可以根据应用环境和场所的不同，裁剪出适合的尺寸和形状并嵌入到传统纺织品中，不会影响穿戴纺织品的舒适性和安全性。通过对传感器的形貌、压力传感性能和应用性能进行分析，结果如下：（1）CNT修饰3D纤维网压力传感器具有高灵敏度性、快速响应性和优异的循环稳定性，并具备良好的压力识别性能。（2）以CNT修饰3D纤维网压力传感器构建的33传感器阵列，具有较好的空间分辨率，当对其中某一部分施压时，该传感阵列快速感知到施压的位置，精确地绘制压力的位置和局部分布。（3）CNT压阻传感器具有优异的应用性能，可用于人体关节的监测和人体压力的感知，有望应用于人体健康和运动监测领域。参考文献：1XU F,LI X,SHI Y,et al.Recent developments for flexible pressuresensors：A reviewJ.Micromachines,2018,9（11）：580.2NAG A,MUKHOPADHYAY S C,KOSEL J.Wearable flexible sensors：A reviewJ.IEEE Sensors Journal,2017,17（13）：3949-3960.3LI J,BAO R,TAO J,et al.Recent progress in flexible pressure sensorarrays：From design to applicationsJ.Journal of 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s。整理后织物的易去污性在45级。该工艺对整理织物的荧光性能影响不大。（3）荧光黄10G染色涤纶织物经易去污整理后，具有较好的耐洗涤性能，10次洗涤后易去污性为4级，30次洗涤后其耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度均达到4级以上，且荧光性能满足相关标准要求。参考文献：1袁志磊，刘萧，陈珏成，等.高可视性服装的分类和检测评价J.印染助剂，2021，38（3）：57-61.2项伟，杨宏林，邵艺，等.环卫职业服面料仿丝绸染整工艺J.印染，2014，40（5）：23-26.3项伟，杨宏林，冯云.涤纶织物的分散荧光黄染色性能J.印染，2018，44（19）：25-29.4杨宏林，项伟，王小丽，等.涤棉针织物的分散荧光黄/涂料荧光黄染色J.印染，2020，46（9）：40-44.5朱宁.白光激光照明对荧光材料的要求J.照明工程学报，2018（3）：58-61.（上接第51页）56