基于蜂巢组织一体成型的柔性压力分布传感织物及性能研究

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随着纺织品的不断创新,智能性纺织材料越来越多。采集环境信号的纺织传感材料是一种重要的智能纺织品,近年来倍受关注。除了传感功能外,纺织传感材料还展现出轻质、低模、高弹、亲肤等特征,在健康监测、智能医疗、康复训练和智慧养老等领域中有着独特的应用优势。然而,纺织传感材料灵敏度低、力学性能差、重复性低、稳定性不高,制约着纺织传感材料的直接应用。因此,设计和开发高性能纺织传感材料已经成为重要的研究方向。蜂巢织物是一种单层却有立体效果的机织面料,是构建柔性力学传感材料的优良载体。本课题首先研究了蜂巢织物的结构特点、形成机理,通过在蜂巢组织内排列导电与非导电纱的位置顺序,制备了基于电容阵列原理的压力分布传感器,并对织物中所使用的经纬纱以及导电纤维、织物形貌进行了表征;然后对所制备的蜂巢织物物理性能进行了测试与对比,包括透气性、保暖性、吸水性、透湿性、抗弯性、压缩性和拉伸性。此外,根据蜂巢织物独特的立体结构构建了电容式压力传感模型,利用数学公式分析蜂巢织物电容传感的工作原理,并对其特征参数进行了研究,包括灵敏度、线性度、测量范围和重复性等;最后,通过自主设计的软硬件信号采集系统测试传感织物的交织点在不同压力下电容变化和基于电容阵列的压力分布变化,同时,利用织物传感器在不同应用环境下进行了应用测试和分析。实验结果表明,蜂巢组织单元内的纱线浮长同时增加或减少,形成两面倒金字塔和内部空间四面体的立体结构。当织物含有弹性纱线时,立体效果更明显。增加织物密度会导致织物结构更紧密,厚度和克重更大。此外,织物中引入弹性纱和碳纤维均会导致织物的克重增大,对蜂巢织物的基本特征以及形貌产生较大影响。舒适性指标方面,使用弹性纱和增加纬纱密度均会导致织物厚度增大,织物的透气性和透湿性减小,保暖性和吸水性提升。力学性能方面,弹性纱增加了织物厚度,降低了织物对压缩响应的敏感度。随着织物密度增加,蜂巢织物的抗弯性能增加,提高了织物的断裂强力。与无弹性纱蜂巢织物相比,有弹性纱蜂巢织物具有更高的经纱强度,并且由于弹性纱线和蜂巢立体结构的存在,蜂巢织物在纬纱方向上的拉伸长度可达到原长度的5-15倍。传感性能方面,蜂巢织物压力传感器在施加低压力范围内(<10 k Pa),灵敏度GF值达0.045 k Pa-1。此外,该传感织物具有低迟滞性、快速响应时间以及良好的重复性和稳定性。通过测试织物传感器单交织点在不同压力下的电容变化,证明该柔性电容传感器可以检测各种压力应用场景,如手指按压、握手和重物放置。此外,蜂巢织物可构建电容阵列结构,用于测试不同重量物体压缩下的压力分布,并且电容峰值随着重量的增加而增大,能够成功监测各类加载情况下的压力分布。蜂巢织物压力传感器制备工艺简单,一体成型而成本低,信号输出稳定,性能优良,易产业化,未来可在健康监测、医疗器械、人机界面和电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。
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