Advanced Materials Technologies: 以导电包芯纱为基本单元构成的纯织物电容柔性拉伸传感器

近年来随着智能手环、智能手表等智能穿戴设备的热销,智能化穿戴的概念引起了人们的广泛关注。智能化服装可以实时监测人体的健康状况和运动状态,能够给人们的生活带来极大的便利。柔性拉伸传感器作为智能化服装收集动作信号的核心部件起到了至关重要的作用。其中,电容型柔性拉伸传感器具有高线性、低迟滞、稳定性好等优点,是一种理想的动作信号传感器。然而,目前采用的电容型柔性拉伸传感器多为三明治结构,这种平面化的电容结构需要占据较大面积,阻碍了传感器在衣物中的嵌入。此外,组成电容型柔性拉伸传感器的材料大多为聚合物材料,不利于传感器与衣物的融合。

苏州大学化学工程与环境工程学院陈晓东课题组针对这些问题采用银纤维@棉纤维包芯纱作为基本单元,构建了一种具有双螺旋电容结构的双股纱拉伸传感器。其中,银纤维内芯作为电容传感器的电极,棉纤维包覆层作为电容传感器的介电层。得益于制备过程中聚氨酯粘合剂的辅助,构成的双股纱传感器具有稳定的电容结构和牢固的介电层。双股纱传感器表现出较好的线性(R2=0.9975),较低的检测极限(0.5%),快速的响应性(110~230ms)和良好的稳定性(10000次重复实验后无明显变化)。这种双螺旋电容结构使得传感器能够以纱线的形式存在,占用体积较小,可以通过编织、缝纫等方式嵌入到衣物中去。同时,这种双股纱电容传感器由纯织物构成,具有较好的柔软度,不会对衣物的穿戴舒适性造成影响。除此之外,还可以通过将银纤维@棉纤维包芯纱与棉线按机织结构混纺,制备出集成有电容压力传感器的织物,同样具有良好的传感表现。这种以导电包芯纱为基本单元构建织物电容传感器的方法可以实现传感器与衣物的良好融合,为可穿戴柔性传感器的设计提供了新的思路。

相关工作以“Textile-Only Capacitive Sensors for Facile Fabric Integration without Compromise of Wearability”为题,发表在Advanced Materials Technologies(doi.org/10.1002/admt.201900485)上,第一作者为张琪(厦门大学),通讯作者为Timothy V. Kirk(苏州大学)和陈晓东教授(苏州大学)。