织物基随身柔性压力传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，制备摩擦电正性包缠纱和摩擦电负性包缠纱，将所得的摩擦电正/负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的摩擦电正性织物；将摩擦电正性织物与摩擦电负性织物进行组合，形成织物基随身柔性压力传感器。本发明专利技术通过提高电正性和电负性摩擦材料单位面积内材料之间的有效接触面积，提升摩擦纳米发电机的电输出性能，提高基于摩擦纳米发电机的柔性压力传感器的传感性能；将其用在人体关节部位进行随身运动信号的监测，和用在颈动脉处进行人体脉搏信号的监测，得到相应具有参考价值的信号结果，为医疗诊断和健康评估提供有效参考依据。

Preparation of fabric based portable flexible pressure sensor

【技术实现步骤摘要】
织物基随身柔性压力传感器的制备方法
本专利技术属于柔性压力传感器、智能可穿戴和运动健康和医疗监测领域，具体涉及一种织物基随身运动信号和人体脉搏信号监测用高灵敏度柔性压力传感器的制备方法。
技术介绍
近年来，柔性可穿戴压力传感器在医疗监测领域的应用研究越来越深入和成熟，相对于目前在医疗系统中使用的监测体征信号的设备，可穿戴柔性压力传感器具备体积小、携带方便、可穿戴、自驱动等优势。随着现代技术的迅速发展和生活水平的不断提升，人体运动健康以及脉搏信号的实时监测在疾病诊断、康复治疗以及健康评估中的作用越来越重要，且设备越来越微型化和多功能化，这也是当下对于此类长期监测用设备的要求。要实现对人体运动健康以及脉搏信号的实时监测，亟需解决的问题就是确保传感器的灵敏度、供能的持续性，另外就是器件的可穿戴性，其中一个有效的解决方法就是设计具有自驱动功能的织物基随身柔性压力传感器。基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机能够将环境中的机械能，包括人体运动机械能、声能等能量转化成电能，具有较高的能量转化效率，能够有效将压力信号转化为电信号，因此可以用作织物基柔性自驱动压力传感器的制备原理，以实现对人体运动健康以及脉搏信号的实时监测，这是制备运动信号和脉搏监测用柔性压力传感器切实可行的方法。同时摩擦发电为原理的压力传感器具有材料选择性广、质轻、结构设计多样等特点，织物基摩擦电式柔性压力传感器还具备良好的柔软性、透气性、耐水洗性、耐久性和可染性等优异的特点，能与衣服、运动鞋、护腕、护臂等纺织服饰用品有机复合，实现穿着舒适性，实现真正意义上的“可穿”。此类压力传感器设备具有自驱动、透气性、可水洗性、耐久性、可染性等优点，朝着“可穿”方向发展的同时需要兼顾设备的灵敏度、使用寿命、供能等问题，将其应用在人体运动信号和脉搏信号的监测中，能实现对人体运动量的调节和控制以及通过脉搏信号分析进行心血管疾病的预防，为运动健康和医疗诊断等提供有效的参考资料，具有重要研究意义。为了提高柔性压力传感器的稳定性和灵敏度，主要通过改善摩擦发电器件的输出性能来解决，方法目前主要是通过优化摩擦材料的表面结构或者通过增加单位面积内摩擦材料的接触面积来实行性能的提升。目前广泛采用等离子体刻蚀、电化学腐蚀、纳米压印等方法，在摩擦层表面形成纳米线、纳米棒、纳米孔等粗糙结构。国内专利CN109123854A公开了一种摩擦纳米发电织物，第一导电纱线电极、第二导电纱线电极、第一导电织物、第二导电织物和非导电纱线织物；所述第一导电织物通过第一导电纱线电极相连并相互导通；所述第二导电织物通过第二导电纱线电极相连并相互导通；所述非导电纱线织物位于第一导电织物与第二导电织物之间，使得第一导电织物与第二导电织物相互隔开，并彼此绝缘。本专利技术适用面广，只要外界绝缘物质与两导电织物发生了相对运动，就能产生摩擦电荷，从而产生电流。国内专利CN109525140A公开了一种透气的针织间隔织物摩擦发电机及其制备方法，其特征是：具有复合层结构，自上而下依次为顶层、间隔层和底层，顶层和底层都为三线添纱组织；三线添纱组织由面纱、地纱以及位于二者之间的中间纱构成，顶层和底层的面纱位于复合层的最外侧且都为绝缘纱线，顶层和底层的中间纱为导电纱线，顶层和底层的地纱相对且分别对应为摩擦电负性纱线和摩擦电正性纱线，间隔层由一组同时与顶层和底层的地纱连接的间隔丝构成。但是以上这些制备方法所用工艺复杂、设备昂贵、成本较高，同时难以进一步提升摩擦纳米发电机的输出性能。因此需开发一种简单高效的制备工艺，能够有效获得高输出性能摩擦发电式压力传感器，从而提高柔性压力传感器的灵敏度，以拓宽织物基摩擦发电式压力传感器在新型医疗和运动健康监测领域中的应用范围。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种织物基随身运动信号和人体脉搏信号监测用高灵敏度柔性压力传感器的制备方法。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：步骤1)：制备摩擦电正性包缠纱，使用摩擦电正性材料尼龙长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电正性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；步骤2)：制备摩擦电负性包缠纱，使用摩擦电负性材料PTFE长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电负性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；步骤3)：将步骤1)所得的摩擦电正性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的摩擦电正性织物；步骤4)：将步骤2)所得的摩擦电负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的摩擦电负性机织物；步骤5)：将摩擦电正性织物与摩擦电负性织物进行两两配合使用，形成四种织物基随身柔性压力传感器。优选地，所述步骤1)、步骤2)具体为：将尼龙或PTFE长丝包缠到电极材料不锈钢纱线上作为摩擦层材料，使用调速电机进行包缠工作，即得摩擦电正/负性包缠纱。优选地，所述步骤1)或步骤2)得到的包缠纱中的不锈钢纱线完全被尼龙或PTFE长丝包缠在内部，无露出部分，避免漏电现象的发生对器件性能造成巨大影响。优选地，所述步骤3)、步骤4)中的织造工艺为手工编织成经纬纱线垂直交错结构的机织物类型的织物；织造工艺采用针织、机织、非织造或两种及两种以上不同成型方法的混合工艺。优选地，所述步骤3)中的摩擦电正性织物、步骤4)中的摩擦电负性机织物的尺寸均为4cm×4cm。优选地，所述织物基随身柔性压力传感器在经过水洗之后输出性能未出现明显变化，且织物的颜色可根据要求进行染色改变。优选地，所述步骤1)的摩擦电正性材料为乙基纤维素、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚己内酯、丝素、棉、醋酸纤维素、聚己二酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯和聚丁二酸乙二醇酯中的任意一种或几种的混合物；所述步骤2)的摩擦电负性材料为聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、聚醚砜、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、氟化聚醚酰亚胺、聚碳酸酯和聚酰亚胺中的任意一种或几种的混合物。优选地，所述步骤1)、步骤2)中的电极材料为导电织物、铜、银、银纳米线、铜合金、金、铝、铁、铝合金、碳纤维、石墨、石墨烯和碳纳米管中的至少一种。本专利技术还提供了上述织物基随身柔性压力传感器的制备方法所制备的织物基随身柔性压力传感器的应用，其特征在于，包括将所述织物基随身柔性压力传感器用于对人体关节部位进行随身运动信号的监测，和/或用在颈动脉处对人体脉搏信号进行实时监测。本专利技术通过织物成型技术一步制备得到摩擦电正性织物和摩擦电负性织物，提高电正性和电负性摩擦材料单位面积内材料之间的有效接触面积，提升摩擦纳米发电机的电输出性能，提高基于摩擦纳米发电机的柔性压力传感器的灵敏度和稳定性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、与纳米压印技术、等离子体刻蚀、电化学腐蚀等方法在材料表面形成纳米棒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：/n步骤1)：制备摩擦电正性包缠纱，使用摩擦电正性材料尼龙长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电正性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；/n步骤2)：制备摩擦电负性包缠纱，使用摩擦电负性材料PTFE长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电负性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；/n步骤3)：将步骤1)所得的摩擦电正性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的两种摩擦电正性织物；/n步骤4)：将步骤2)所得的摩擦电负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的两种摩擦电负性机织物；/n步骤5)：将摩擦电正性织物与摩擦电负性织物进行两两配合使用，形成四种织物基随身柔性压力传感器。/n

【技术特征摘要】
1.一种织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1)：制备摩擦电正性包缠纱，使用摩擦电正性材料尼龙长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电正性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；
步骤2)：制备摩擦电负性包缠纱，使用摩擦电负性材料PTFE长丝包覆电极材料不锈钢纱线形成摩擦电负性包缠纱，其中，所述的包缠工艺通过电动马达实现，且不锈钢纱线作为电极使用；
步骤3)：将步骤1)所得的摩擦电正性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的两种摩擦电正性织物；
步骤4)：将步骤2)所得的摩擦电负性包缠纱作为纬纱，尼龙纱或PTFE长丝作为经纱，织造形成相应的两种摩擦电负性机织物；
步骤5)：将摩擦电正性织物与摩擦电负性织物进行两两配合使用，形成四种织物基随身柔性压力传感器。


2.如权利要求1所述的织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1)、步骤2)具体为：将尼龙或PTFE长丝包缠到电极材料不锈钢纱线上作为摩擦层材料，使用调速电机进行包缠工作，即得摩擦电正/负性包缠纱。


3.如权利要求1或2所述的织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1)或步骤2)得到的包缠纱中的不锈钢纱线完全被尼龙或PTFE长丝包缠在内部。


4.如权利要求1所述的织物基随身柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3)、步骤4)中的织造工艺为手工编织成经纬纱线垂直交错结构的机织物类型的织物；织造工艺采用针织、机织、非织造或两种及两种以上不同成型方法的混合工艺。

【专利技术属性】
技术研发人员：李召岭，楼梦娜，朱苗苗，卫学典，丁彬，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31