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北京服裝學(xué)院：研發(fā)一種抗拉伸干擾的高靈敏度柔性壓力傳感織物

文章來源：環(huán)球聚氨酯網(wǎng) 更新時間：2024-12-31 13:49:51

近年來隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，用于監(jiān)測人體運(yùn)動的柔性可穿戴傳感器件引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。其中，柔性壓力傳感器在監(jiān)測生理健康信號（如脈搏、血壓、呼吸等）方面發(fā)揮著重要作用。基于織物的壓力傳感器由于具有出色的柔韌性和透氣性，已成為智能可穿戴電子產(chǎn)品發(fā)展的理想選擇。然而，目前大多數(shù)織物基壓力傳感器難以在應(yīng)變干擾的情況下準(zhǔn)確監(jiān)測壓力信號，這限制了它們的進(jìn)一步應(yīng)用。

近日，北京服裝學(xué)院汪濱副教授、張秀芹教授團(tuán)隊針對上述問題，制備了一種共軛電紡核-殼導(dǎo)電納米纖維紗線，并將其編織成具有獨(dú)特針織羅紋結(jié)構(gòu)的傳感織物。核-殼結(jié)構(gòu)紗線的設(shè)計有效提高了壓力傳感靈敏度，且獨(dú)特的編織互鎖結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電路徑留下了伸展空間（抗拉伸）。兩者的協(xié)同效應(yīng)使傳感器對壓力高度敏感但對拉力不敏感，即使在100%拉伸下也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗拉伸干擾壓力傳感性能。該種NYPS-R2×2傳感器具有高達(dá)101.03 kPa−1的高靈敏度，檢測限低至0.14 Pa，響應(yīng)/恢復(fù)時間約為36/54 ms，在1000次壓力循環(huán)測試中表現(xiàn)了出色的分辨率和穩(wěn)定性，且抗拉伸干擾能力優(yōu)異。

研究人員通過共軛電紡技術(shù)制備NYs納米纖維紗線。導(dǎo)電紗線穿過圓錐形噴頭中心，并在收集鼓上纏繞，而TPU納米纖維從兩個高壓噴嘴中噴出并形成泰勒錐，最終附著在導(dǎo)電紗線上形成穩(wěn)定的殼層結(jié)構(gòu)。隨后，通過針織機(jī)將這些紗線編織成不同結(jié)構(gòu)的織物，使其具備優(yōu)異的透氣性和透濕性。將兩片織物疊加形成電容式壓力傳感器NYPS-R2×2，其中導(dǎo)電芯層作為上下電極層，紗線殼層和中間空氣層共同構(gòu)成介電層，從而獲得“三明治”結(jié)構(gòu)的微電容傳感器，使其具備高靈敏度和抗應(yīng)變干擾的能力。

通過示意圖對比織物在100%拉伸前后的形態(tài)，表明即使在極大拉伸下，導(dǎo)電路徑依然不發(fā)生改變。應(yīng)變-電容變化率曲線證明了該傳感器對應(yīng)變的不敏感性。即織物在拉伸過程中，紗線間會發(fā)生旋轉(zhuǎn)和滑移，但不會對介電常數(shù)和電極間距產(chǎn)生影響。計算結(jié)果表明，應(yīng)變干擾因子（SIF）僅為8%，遠(yuǎn)低于壓力引起的電容變化率，證明NYPS-R2×2具有出色的抗應(yīng)變干擾能力。

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