基于长银纳米线的应变传感与电热双功能包芯纱的制备及其性能

针对柔性应变传感器目前存在的灵敏度低、应变范围窄、反复拉伸后性能不稳定、功能单一等问题,采用预拉伸浸渍法以商用弹性包芯纱为柔性基体、水性聚氨酯(WPU)为分散剂和黏合剂、长银纳米线(AgNWs)为导电材料制备了具有应变传感与电热双功能的包芯纱。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜、数字万用表、万能试验机、菲力尔热像仪对AgNWs的晶体结构及双功能包芯纱的形貌结构、电学性能、力学性能、电热性能进行表征和分析。结果表明：当弹性包芯纱的预拉伸应变量为30%且AgNWs的负载量为15%时,制备的双功能包芯纱的鞘层棉纤维上形成了致密的AgNWs导电网络;在宽应变范围(0%～70%)内呈现明显的应变传感性能,灵敏度最高可达12.8,反复拉伸后的应变传感和力学性能稳定;在手指的运动监测中,手指发生小幅度和大幅度的弯曲变化,双功能包芯纱均能做出相应的电信号响应,体现了高灵敏度;5 V电压下,静态拉伸范围为0%～50%时,双功能包芯纱的温度变化范围为49.8～65.7℃,体现了优异的电热性能。     

镀银聚酰胺6/聚酰胺6纳米纤维包芯纱电容传感器的构筑

为获得线形螺旋结构且具有良好传感性能的大应变柔性应变-电容传感器，采用水浴静电纺丝法以镀银聚酰胺6为芯纱，制备了镀银聚酰胺6/聚酰胺6纳米纤维包芯纱，并将其缠绕在橡筋上制备应变-电容式柔性传感器。对纳米纤维包芯纱的结构与力学性能进行表征与测试，分析了应变-电容传感器的传感性能，并探索了其在人体运动监测中的应用。结果表明：聚酰胺6纳米纤维在镀银聚酰胺6表面形成结构完整的包覆层，直径分布主要在80～100 nm范围内，平均直径为95.53 nm;相较于芯纱，纳米纤维包芯纱的力学性能基本保持不变；制备的柔性传感器表现出良好的应变-电容传感性能，在6.67%的应变下敏感因子可达3.93,并具有良好的重复性，该传感器可用于人体运动的实时监测。     

静电纺纤维膜应变传感器制备及性能研究

采用真空抽滤的方法制备一种柔性可拉伸纤维膜传感器,该传感器具有灵敏度高、稳定性好、拉伸性能好、透气等特点。该传感器以静电纺丝技术为基础,将聚氨酯(TPU)纤维膜作为传感器基底,通过真空抽滤的方法将多壁碳纳米管(MWCNTs)和银纳米线(AgNWs)加载在TPU纤维膜上。扫描电镜图像显示,多壁碳纳米管和银纳米线与TPU纤维形成致密的导电网络。而且MWCNTs-AgNWs-TPU可拉伸纤维膜传感器具有良好的导电性,在50%应变下灵敏度高达438 kPa~(-1),具有优良的耐久性(>1 000循环)和水蒸气透过率,这种性能保证了传感器可以作为一种可穿戴设备来监测人体各部位的运动。     

石墨烯/微球导电纳米纤维传感纱线的制备及性能北大核心

为制备高灵敏的柔性纱线型压力传感器,利用共轭静电纺纱和静电喷雾技术一步制备出嵌入氧化石墨烯(GO)片和聚苯乙烯(PS)微球的纳米纤维传感纱线,进一步结合化学还原工艺得到石墨烯/微球导电纳米纤维传感纱线,并组装成纱线型压力传感器。试验表征了传感纱线的形貌、力学性能和导电性能,并测试了传感器的压力传感性能和应用性能。结果表明:该传感器具有良好的柔性和可拉伸性,在0.01~0.05 N、0.05~0.50 N和0.50~2.00 N三个压力范围内的灵敏度分别为32.51 N^(-1)、16.485 N^(-1)和2.712 N^(-1),具有良好的压力响应循环稳定性和可靠性,可应用于监测呼气、手指运动等信号和摩斯电码,在智能纺织品、健康监测、人工智能等领域具有广阔的应用前景。     

纳米纤维膜基柔性压力传感器的优化设计制备

为获得一种灵敏度高、制备工艺简单、轻薄透气的柔性压力传感器,采用静电纺丝热塑性弹性体聚氨酯(TPU)纳米纤维膜为基底和介电层,以碳纳米管导电油墨为电极涂料,通过超声波焊接方式制备三明治结构的纳米纤维膜基柔性压力传感器,并研究其压力传感性能与纳米纤维膜厚度和微观结构之间的关系。结果表明:随着纺丝时间增加,TPU纳米纤维膜厚度增加,拉伸应力增大,断裂伸长率减小;在9.8~49 000 Pa压力范围内,TPU纳米纤维膜基柔性压力传感器灵敏度随纺丝时间增加而减小,当纺丝时间为1 h时,其灵敏度高达4.97 kPa^-1,该纳米纤维膜基柔性压力传感器具有灵敏度高、响应范围广的特点。     

离子型水凝胶复合织物构筑及其应变传感性能

针对离子型水凝胶界面舒适性差和耐久性低的问题，提出吸湿透气织物为基体的复合型水凝胶应变传感器的研究策略，构建丙烯酰胺水溶液溶剂体系下共溶解N-N亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵以及氯化锂的水凝胶体系，采用热聚合工艺合成聚丙烯酰胺/氯化锂(PAAM/LiCl)离子型导电水凝胶，制备三明治结构的离子型水凝胶针织复合织物，研究不同拉伸比例对复合织物电流变化率的影响规律。结果表明：离子型水凝胶复合织物的应变灵敏度系数最高可达0.94,表现出优异的灵敏度；在50%的应变条件下，稳定拉伸5 000次后仍具有良好的稳定性；在室温下放置7 d,复合织物的质量变化率仅为3.5%,表现出优异的耐久性。离子型水凝胶复合织物对语言以及人体运动状态有优异的识别能力，在可穿戴应变传感领域具有广阔的应用前景。     

经编导电针织物的应变-电阻传感性能

为探讨经编导电织物的应变-电阻传感性能,将镀银锦纶与氨纶或涤纶在特里科经编机上采用两梳交织,制备了具有不同组织结构的4种经编导电织物,测试了4种织物在拉伸条件下的电阻变化,得到经编导电织物的电阻随应变的变化规律,分析了组织结构以及氨纶弹性对经编针织柔性导电织物的应变-电阻传感性能的影响。结果表明:所选镀银锦纶导电纤维具有良好的可编织性;非弹性经编导电织物的电阻随应变的增加呈现先减小,再趋于平稳,最后略有上升的趋势;非弹性经编导电织物随着镀银纱线延展线长度的增加,造成小应变下的灵敏度增加;弹性经编导电织物呈现出电阻随应变的增加先增加再减少最终趋于平稳的趋势。     

基于纳米纤维包芯纱的压力传感器的制备及性能表征

利用化学镀镍法制备一种柔性的导电棉纱电极,通过静电纺丝技术将纳米纤维包覆在镀镍棉纱表面作为介电层,设计得到了一种基于PU纳米纤维包芯纱的柔性电容式压力传感器。利用扫描电子显微镜对纳米纤维以及棉纤维的形貌进行表征,并通过数字源表和LCR电桥仪对纱线以及传感器的性能进行表征。结果表明:镀镍棉纱的电导率随着镀镍时间的延长而增大,当镀镍时间为8 h时,其电导率为25 S/cm,时间超过8 h后,电导率变化不大;镀镍后的棉纱显示出良好的力学性能;另外,基于纳米纤维包芯纱的压力传感器具有良好的传感性能,其灵敏度平均可达到0.375 N。     

静电纺纳米纤维柔性应变传感器的研究现状

为系统分析静电纺纳米纤维应变传感器的设计方法和材料种类对传感性能的影响,进一步明晰其传感机制,综述了碳纳米纤维、聚偏二氟乙烯和聚氨酯纳米纤维基柔性应变传感器的制备方法,比较了这些传感器的敏感系数、应变范围及稳定性等的优势与缺陷,介绍了静电纺纳米纤维材料应变传感器在人体运动、生命健康监测等领域的研究现状和发展趋势。最后提出传感器基体的应变能力及恢复性对其应变范围及稳定性具有决定性影响,其基体形成的导电网络结构在应变过程中易发生结构损伤,且初始电阻越小,基体及导电网络的有效应变范围越大,传感器的性能越好,认为未来开发具有高应变范围、灵敏性及稳定性的静电纺纳米纤维基应变传感器将是一个重要发展方向。     

基于聚多巴胺修饰的聚吡咯导电织物制备与应变传感性能

为改善聚吡咯(PPy)导电层与织物基底的结合牢度,提高应变传感器的稳定性,以聚多巴胺为粘合剂,采用原位聚合法制备聚吡咯/聚多巴胺(PPy/PDA)导电涤纶/氨纶织物,探究PPy/PDA导电涤纶/氨纶织物的导电性能和应变传感性能。用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱分析其表面形貌与结构,采用实验室自制的KTC传感器测试盒,测试其灵敏度和稳定性。结果表明,与PPy导电涤纶/氨纶织物相比,PPy/PDA导电涤纶/氨纶织物表面导电层更均匀,导电填料与基底的结合牢度更高,制得的传感元件灵敏度高,在500次重复应变后的稳定性更好,可应用于人体运动检测和康复训练等领域。     

嵌入三维编织复合材料的碳纳米线应变传感特性

为实现三维编织复合材料的原位结构健康监测,研制了嵌入碳纳米线的三维五向编织复合材料预制件,建立了基于三维编织复合材料试件的碳纳米线应变传感实验系统,分析了嵌入三维编织复合材料中的碳纳米线应变传感特性。结果表明：在单调拉伸和循环加载卸载过程中,嵌入三维编织复合材料的碳纳米线传感器电阻变化与试件应变的线性相关性较高;在较大载荷循环加载卸载后,碳纳米线传感器产生的残余电阻可用于检测试件的损伤或累积损伤;引入电阻应变相关系数建立了电阻变化净差值与机械应变净差值的应变传感方程,可实现基于碳纳米线传感器的三维编织复合材料原位结构健康监测。     

手臂监测传感器的设计与验证

文章将人体手臂分为3个区域测试不同角度下每个区域的伸长率,确定了手臂皮肤伸长变化规律最显著的区域为II,理想状态下假设服装伸长与皮肤伸长同步,所以选择在第II区域即肘关节处设计传感器。制备了6种不同组织结构,不同横列数和相同纵行数的导电织物,测试了6种织物在纵向拉伸条件下的电阻变化,得到了导电织物的电阻随应变的变化规律,分析了组织结构和横列数不同对导电织物应变-电阻传感性能的影响,结果表明:导电织物选择采用横列数250纵行数80的2+2假罗纹结构,其线性拟合度和灵敏度最好。通过手臂弯曲实验验证了该针织柔性传感器及其测试系统的可行性。     

喷丝速率对连续水浴静电纺纳米纤维包芯纱结构与性能的影响

为实现工艺参数对纳米纤维包芯纱的结构调控，采用连续水浴静电纺丝的方法，以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维为芯纱，聚酰胺6(PA6)纳米纤维为包覆层，制备兼具纳米纤维特性和传统纱线力学性能的纳米纤维包芯纱。对PET/PA6纳米纤维包芯纱的形态、晶体结构和力学性能进行分析与表征。结果表明：纳米纤维包芯纱具有良好的皮芯结构；PA6包覆层的纳米纤维直径为66～80 nm,其孔隙率随喷丝速率的提高而下降，结晶度在19%～24.15%范围内，且随喷丝速率的提高而减小；PA6纳米纤维包覆层的断裂强度和断裂伸长率随喷丝速率的增大而降低，其断裂强度降为常规PA6纤维的1/5;纳米纤维包芯纱保持了芯纱的强力与断裂伸长率等力学性能。     

柔性应变传感针织物的研究进展

针织物具有良好的延伸性和弹性,适于制备柔性应变传感器。对近几年国内外电阻式柔性应变传感针织物的研究进行综述,总结针织物柔性传感器的制备材料和方法,包括基于导电金属材料、基于导电高聚物、基于纳米碳材料的传感针织物,并研究分析组织结构对织物传感性能的影响。该研究为应变传感针织物的材料选择和结构设计提供参考。     

PPy@PU纳米纤维膜的制备及其电磁屏蔽和应变传感性能

利用静电纺丝技术制备了聚氨酯(PU)纳米纤维膜材料，通过原位液相聚合在PU纳米纤维表面形成连续的聚吡咯(PPy)导电网络，构建了柔性PPy@PU纳米纤维导电膜材料，系统研究了聚合PPy前后PU纳米纤维形貌的变化、吡咯(Py)单体在纤维表面的最佳聚合条件以及PPy@PU纳米纤维膜的电磁屏蔽和应变传感性能。结果表明:PPy能够较好地聚合在PU纳米纤维表面，且当聚合时间为6 h、Py单体浓度为0.15 mol/L、膜厚为0.124 mm时，PPy@PU纳米纤维膜具有较好的柔性，电导率为722 S/m，在X波段(8.2～12.4 GHz)的电磁屏蔽效能为25.02 d B;同时在该条件下，PPy@PU纳米纤维膜具有优异的应变传感性能，在伸长率为50%时，电阻变化率为94.6%，最大拉伸应变系数可达326.3。说明构建的PPy@PU纳米纤维膜材料可以应用于具有电磁屏蔽和应变传感功能的可穿戴电子设备领域。     

涂碳纤维导电针织物的结构设计及其传感性能

为开发传感性能稳定且能满足人体穿着舒适性的织物型传感器,选择柔性涂碳导电复合丝,采用纬平和1+1罗纹针织结构制造了织物传感器的雏形。通过对导电针织物样本的反复拉伸,寻找织物电阻的变化与织物拉伸形变之间的关系,并分析导电针织物的导电和传感性能。结果表明:在拉伸力作用下,随着伸长率的增加,涂碳纤维导电针织物的电阻逐渐减小,电阻变化近似于开口向上的抛物线左侧曲线;4种导电针织物中,灵敏度最高为1.52,纬平结构针织物的灵敏度高于1+1罗纹织物,并股纱线针织物比加捻纱线针织物灵敏度高;1+1罗纹组织织物的稳定性与应力松弛特性优于纬平组织织物。     

可识别方向的透明传感器有望提高运动员表现

近日,天津工业大学杨光课题组报道了一种基于静电纺氧化锡锑纳米纤维(ATO)的高灵敏度、方向识别、透明柔性应变传感器。该应变传感器不仅展示出了高透明度(透光率约80%)和出色的传感性能(包括高灵敏度、高线性度、低滞后、良好的重复性和耐用性),更重要的是传感器显示出显著的各向异性传感性能,实现了其不受干扰的单向传感能力,即仅响应沿纳米纤维方向的应变,为开发方向识别透明柔性传感器提供了一种新的思路。     

聚多巴胺修饰还原氧化石墨烯/聚吡咯导电织物的制备及其传感响应特性

为改善导电织物导电层与织物间的界面黏附性,构建有效接触的导电网络,提升传感响应特性,采用聚多巴胺(PDA)对涤纶/氨纶针织物表面进行修饰,制备以还原氧化石墨烯(RGO)和聚吡咯(PPy)为导电层的柔性传感器。借助傅里叶红外光谱仪、扫描电子显微镜、自制KTC传感测试盒、四探针方阻测试仪、万能拉伸试验机等对导电织物进行表征与分析。结果表明：经PDA修饰后的织物与RGO/PPy间的界面黏附性有明显改善,所构建导电网络更为连续,相较于未修饰的导电织物具有更好的耐久性和耐磨性;该织物柔性传感器的拉伸范围在0%～130%之间时,灵敏度增加至39.1,响应时间为0.06 s,可准确识别人体关节运动。     

静电纺纳米纤维包芯纱的成形方法及其应用进展

常规的静电纺丝纳米纤维膜因具有超细直径、超高比表面积、超高孔隙率等优点而得到广泛应用,但一维膜结构纳米纤维集合体的力学性能不能满足纺织生产要求。据此提出在传统纱线表面包覆纳米纤维制备纳米纤维包芯纱,其兼具传统纱线的力学性能和纳米纤维的优良性能,可用于开发制备功能性纺织品。介绍了静电纺纳米纤维包芯纱的成形方法,包括机械集聚、水浴法加捻、气流辅助,分析了这些方法的原理及特点,为纳米纤维包芯纱的制备提供了理论基础。介绍了静电纺纳米纤维包芯纱在柔性传感器、能量储存、生物医疗领域的应用现状,对纳米纤维包芯纱的研究与应用具有借鉴意义。     

双针头连续水浴静电纺的电场模拟及其纳米纤维包芯纱结构

为研究电场变化对皮芯结构纳米纤维包芯纱结构的影响，通过双针头连续水浴静电纺丝法制备了以涤纶长丝为芯纱，锦纶纳米纤维为包覆层，兼具纳米纤维特性和传统纱线力学性能的纳米纤维包芯纱。通过有限元分析软件ANSYS模拟其电场分布，探究了2个针头针尖间距对电场分布及纳米纤维包芯纱结构的影响。结果表明：静电纺丝最大电场强度出现在针尖处，随着针尖间距的增大，电场强度峰值呈现先增大后减小再增大的趋势；当针尖间距为20 mm时，纳米纤维间的黏结较多；随着针尖间距的增大，纳米纤维的形貌更加均匀光滑，其直径呈减小趋势，在针尖间距为80 mm时达到最小值(74.43±10.79) nm;当针尖间距从20 mm增加到60 mm时，纳米纤维包芯纱的孔隙率从20.27%提高到44.08%。