面向织物传感器的芯鞘型导电纤维成型关键技术研究

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近些年,柔性织物传感器因其舒适性、可穿戴性而受到极大的关注。通过织物传感器可以用来记录、监测人体活动和生理信号,包括心跳、关节运动、身体状况、睡眠质量等。其中,导电纤维作为织物传感器的核心组成部分,在本文中对其进行了细致的研究。为了批量化、低成本的制备弹性导电纤维,本文设计了一种包括纤维成形、牵伸、干燥、收集的一步式湿法纺丝装置;通过实验装置制备了不同工艺参数的芯部为纯聚氨酯、鞘部为炭黑/聚氨酯复合材料的弹性导电纤维;通过对纤维内部结构的观测研究了纤维的导电机理;通过对不同工艺参数的纤维进行电力学测试,探究了制备纤维的工艺参数对其机电性能的影响;通过不同编织手法制作了纤维状应变传感器以及压阻式柔性织物压力传感器。本文的具体研究内容如下:(1)设计了一种用于芯鞘型导电纤维制备的一步式湿法纺丝装置,与传统的纺丝装置相比,本文在原有的简易成形与拉伸操作的基础上,设计了用于纤维干燥与卷绕收集的装置部分。选用了同轴喷嘴作为喷丝成形部件,可以用于制备芯鞘分层且具有不同成分、结构的导电纤维。在纺丝装置的设计中,采用两个注射泵完成溶液的推进,通过改变注射泵不同的注射速率来制备芯部和鞘部具有不同成分、含量的纤维。通过并列放置的多个陶瓷加热圈对初生纤维进行不同时间的干燥,并通过包含往复丝杆机构的卷绕装置,对纤维进行交叉式往复收集。通过装配各部分的零件得到了用于芯鞘结构弹性导电纤维制备的湿法纺丝装置。(2)完成了湿法纺丝中纺丝原液的制备,通过已搭建好的纺丝装置,在设定好统一注射速率的注射泵的推进下,采用单因子模型,通过控制变量的方法调节纤维鞘部炭黑含量以及同轴喷嘴口处到第一牵伸辊之间的牵伸比(DR1)得到不同参数的导电纤维。(3)采用CCD相机、扫描电子显微镜(SEM)观测了纤维内部结构,对导电纤维的导电机理进行了研究。借助电子天平采用称重法得到不同参数下纤维的线密度值。通过万用表基于四线法得到了单位长度不同参数下导电纤维的电阻。在电动万能拉伸试验机上,通过拉伸实验测试了纤维的机械性能,研究了不同工艺参数对纤维机械性能的影响。在纤维被拉伸的过程中,结合纤维的线密度得到了不同工艺参数下纤维的断裂强度、断裂应变。在拉伸实验中,采用数字电桥实时记录拉伸过程中导电纤维的电阻变化,根据数据结果分析了制备纤维时工艺参数对其电学性能的影响。结果表明,实验中制备的导电纤维核心呈不规则形状或略微分散的外观,纤维外边缘呈锯齿状。纤维单向拉伸实验表明,炭黑含量与牵伸比对纤维的机电性能有着较大的影响。在相同牵伸比下,单位长度纤维的电阻值在炭黑含量增加的过程中呈逐渐下降的趋势;而在炭黑含量相同的情况下,随着牵伸比的增大,单位长度纤维的电阻值逐渐增加。纤维的渗滤阈值在15 wt%-16 wt%范围内,当炭黑含量在14 wt%-15 wt%间时,纤维电阻受炭黑含量不足的影响表现出较大的数值;在16 wt%-21 wt%间时,炭黑含量逐渐增加的过程中,纤维电阻呈缓慢下降趋势;在21 wt%-30 wt%间时,纤维电阻基本无明显变化。在纤维鞘部炭黑含量增加的过程中,纤维的断裂强度及断裂应变呈逐渐下降趋势。牵伸比的增大也会导致纤维断裂强度的增加。在循环拉伸实验中,经过预拉伸的纤维在不同循环应变下表现出不同的电阻变化规律。在1000次的循环拉伸过程中,表现出较好的电阻重复性,具有较宽的检测范围,较小的应变(0.23%)响应以及较快的响应时间。(4)将导电纤维作为纤维状应变传感器,研究了传感器的导电机理,并通过将传感器固定于人体关节处进行了检测实验。研究表明,传感器具有较高的灵敏度以及较快的电阻响应。将纤维状应变传感器通过嵌织法织入到织物手套中,制备了导电织物手套。将导电织物手套在不同应用场合进行了性能测试,研究表明,这种导电织物手套在不同应用实验中都具有较好的应变区分度,可用于医疗及工业生产活动中。(5)根据不同的编织手段制备了具有不同编织结构的织物压力传感器。基于织入法制备了具有机织平纹、斜纹结构的织物压力传感器。在对传感器的循环受压实验中,由于其紧密的织物结构,表现出较低的灵敏度,较好的变化规律。基于嵌织法制备了具有分层、叠压结构的织物压力传感器。在对传感器不同性能的测试中,传感器表现出了较大的灵敏度、良好的重复性。通过实验数据表明,本文中制备的织物压力传感器可以用于织物地毯以及织物床垫等领域。
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