聚乳酸非织造基材触摸传感电子织物制备及其性能

徐瑞东, 王 航, 曲丽君,2, 田明伟,2

(1. 青岛大学 纺织服装学院, 山东 青岛 266071;2. 青岛大学 省部共建生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室, 山东 青岛 266071)

随着人工智能技术的迅速发展,人机交互应用引起了人们的极大关注[1-2]。触摸传感设备是人机交互中信号采集的核心组成部分,可采集人体不同触摸动作并将其转换为电信号。根据传感机制,柔性触摸传感设备可分成电容式[3-4]、压阻式[5-6]、压容式[7-8]以及摩擦电式[9-10]。电容式触摸传感器凭借低能耗、高精度以及高鲁棒性等优异特性,受到越来越多的关注[11-12]。其中,柔性电容式触摸传感设备是下一代可穿戴触摸传感设备的最佳候选,目前各类薄膜状柔性电容触摸传感设备被广泛研究[13-14]。然而,此类设备大多采用图案化金属电极,存在抗弯折性能差的问题。在多次形变过程中,电极不可避免地产生微裂纹,影响设备的触摸性能[15-16],成为柔性电容式触摸传感设备的发展瓶颈。

离子水凝胶是一类具有本征柔性的导电材料。与金属电极相比,更能适应人体运动,因此离子水凝胶触摸传感设备逐渐成为研究热点[17-18]。然而,这类设备多采用硅胶材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等进行封装,造成设备热湿舒适性差,极大地限制此类设备在可穿戴领域的应用。聚乳酸是一种新型生物基材料,具有天然的生物可降解性。通过非织造加工工艺,可将聚乳酸纤维相互缠结得到具有可降解功能的绿色非织造材料[19-20]。与传统的硅胶基材料相比,聚乳酸非织造布具有手感柔软、保湿透气以及抗菌等功能,因此为柔性触摸设备提供了一个理想的穿戴平台。

本文采用聚乳酸非织造布为基材,以聚丙烯酰胺/氯化锂离子水凝胶为导电材料,制备层叠结构电容式触摸传感电子织物,分析各组分微观形貌及性质。通过引入聚乳酸非织造布,并在离子水凝胶体系内建立双向导电网络,以期为可穿戴人机交互设备开辟新的路线。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚乳酸非织造布(面密度为10 g/m2,浙江永光非织造布股份有限责任公司),氯化锂(LiCl,纯度≥99%,中国医药集团有限公司),丙烯酰胺(AAM,纯度≥99%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司),N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA,纯度为99%, 上海阿拉丁生化科技股份有限公司),过硫酸铵(APS,纯度≥98%,德国默克生命科学有限公司),四甲基乙二胺(TEMED,纯度≥99%,德国默克生命科学有限公司),石墨烯固态浆料(固含量为10%,宁波石墨烯科技有限责任公司),去离子水。

1.2 样品制备

将2 mol/L的AAM单体以及2.1 mol/L的LiCl、质量分数为0.006%的MBAA交联剂以及质量分数为0.16%的APS热引发剂共溶解于去离子水中,快速搅拌后,置于KS-180EI超声波清洗仪(宁波海曙科生超声设备有限责任公司)中处理30 min,得到混合均匀的水凝胶溶液。然后,向水凝胶溶液中加入质量分数为0.25%的TEMED加速剂。快速搅拌后倒入丙烯酸模具中,置于真空烘箱(70 ℃)中静置2 h,得到聚丙烯酰胺/氯化锂离子水凝胶。

将石墨烯固态浆料倒入AH-2010纳米均质仪(苏州安拓思纳米技术有限公司)中,在高压(85 MPa)下反复分散3次后得到均匀的石墨烯水溶液。将聚乳酸非织造布浸泡在石墨烯水溶液中10 min,然后置于70 ℃真空烘箱中干燥,得到导电聚乳酸非织造布。将聚丙烯酰胺/氯化锂离子水凝胶与2层聚乳酸非织造布层叠(仅上层为导电非织造布)制备层叠结构触摸传感电子织物。

1.3 形貌观察

采用JEOL JSM-840扫描电子显微镜(日本电子株式会社)观察离子水凝胶和聚乳酸非织造布表面形貌。表征测试前,采用LC-12N真空冷冻干燥机(上海力辰仪器科技有限公司)对离子水凝胶冷冻干燥72 h,其中冷冻功率为350 W,冷冻温度为-70 ℃ ;采用ETD-800离子溅射仪(北京欧波同光学技术有限公司)对干燥试样喷金处理1 min,测试电压为10 kV。

1.4 触摸性能测试

在测试前,将柔性电极粘贴在离子水凝胶两侧以备测试。随后采用GA1651A信号发生器(深圳市安泰信科技有限公司)、34461A台式万用表(安捷伦科技有限责任公司)对触摸传感电子织物进行触摸性能测试。

1.4.1 触摸位置识别

采用信号发生器向离子水凝胶两侧电极同时施加相同的交流电压(0.5 V,10 kHz)。两侧串联的台式万用表(A1和A2)用来检测电流变化。待两端电流稳定后,依次触摸织物表面,得到电流变化曲线,其中样品尺寸为60 mm×25 mm×1 mm,触摸点间距为10 mm。

1.4.2 触摸响应时间

采用台式万用表测试触摸传感电子织物的基线电流。待两端电流稳定后,触摸传感电子织物中点并维持5 s。随后撤去外力,得到触摸信号响应时间以及恢复时间。

1.4.3 触摸稳定性能

采用台式万用表测试触摸传感电子织物的初始电流。待两端电流稳定后,分别用不同的频率往复滑移,得到触摸电流变化曲线,其中样品尺寸为110 mm×25 mm×1 mm,滑移距离为100 mm。

1.4.4 抗弯折性

采用台式万用表测试不同弯曲循环后触摸传感电子织物的触摸电流。选择触摸传感电子织物的中点作为测试点,测试初始状态、弯曲50、100、150和300次后中点的触摸电流。

1.4.5 热湿舒适性

将触摸传感电子织物贴合在人体胳膊表面48 h后,观察覆盖皮肤表面温度变化。此外,对织物穿戴层进行透气性以及吸湿性测试。

2 结果与分析

2.1 触摸传感电子织物与水凝胶的微观结构

聚乳酸非织造布与聚丙烯酰胺/氯化锂离子水凝胶的表面形貌如图1所示。可知聚乳酸纤维上下交错缠结,纤维间间距较大,呈现杂乱、蓬松结构(见图1(a))。该结构赋予了聚乳酸非织造布柔软的触感以及优异的透气性。此外,通过芯吸沉积效应,石墨烯纳米片层均匀附着在纤维表面,赋予了聚乳酸非织造布良好的导电性(见图1(b))。在观察水凝胶表面形貌前,需要对其进行冷冻干燥以去除水分,得到水凝胶骨架。由图1(c)可知,聚丙烯酰胺/氯化锂离子水凝胶的表面形貌呈现多孔的三维网状结构,增大了亲水基团和水分的接触面积,可锁住大量水分。此外,这种孔洞结构为离子运动提供通道。

图1 触摸传感电子织物的表面形貌Fig. 1 SEM images of touch-sensing electronic textile. (a) PLA nonwoven fabric; (b) Conductive PLA nonwoven fabric; (c)Polyacrylamide/lithium chloride ionic hydrogel

2.2 织物触摸性能分析

非织造材料基材触摸传感电子织物的传感机制是凝胶内的离子在交流电源的驱动下做往复运动,从而在水凝胶内部构建双向导电网络稳定体系。当手指触摸到织物表面时,由于人体接地,因此触摸点处人体与织物表面形成耦合电容,导致触摸点处电势下降,因此产生触摸电流。

2.2.1 触摸传感电子织物触摸电流变化规律

触摸电流的大小由手指与电极间的距离所决定,因此织物被触摸时,会分成2个阻值单元且触摸电流变化规律互补。靠近电极处的电流流经的阻值单元少,因此触摸电流增大(见图2)。

a—织物触摸界面;b—织物结构;c—织物定位原理图2 触摸传感电子织物触摸定位功能Fig. 2 Touch positioning function of touch- sensing electronic fabric

为验证此规律,选取触摸传感电子织物表面5个点(1#、2#、3#、4#和5#)作为触摸点,依次从左向右触摸如图3所示,台式万用表(A1和A2)分别用来监测触摸传感电子织物左右部分触摸电流的变化规律。依次触摸1#～5#,A1监测的触摸电流呈现下降趋势(从8.08 μA到7.61 μA),然而A2触摸电流呈增加趋势(从7.68 μA 到8.05 μA)。在中点处(3#)2台电流表监测的触摸电流大小近似相等分别为7.85 μA和7.84 μA。上述结果说明,触摸电流大小取决于手指和电极间的距离,手指越靠近电极触摸电流越大,反之触摸电流越小。

图3 触摸传感电子织物触摸电流变化规律Fig. 3 Variation law of touch current of touch sensing electronic textile. (a) Equal distance selection of 5 touch points; Trend of Al (b) and A2 (c) touch current after touching 5 points in turn

2.2.2 触摸传感电子织物响应时间

选取触摸传感电子织物的中点(3#)为触摸点,用来测试触摸传感电子织物的响应时间,测试频率为10 kHz。当中点被触摸时,电流从5.84 μA 增长到7.83 μA,所需时间仅为25 ms,证明触摸传感电子织物有优异的响应速度。当外力释放时,电流从7.83 μA下降到5.78 μA,所需时间仅为31 ms,响应时间测试结果如图4所示。证明触摸传感电子织物具有优异的响应性能。

图4 触摸传感电子织物的响应时间Fig. 4 Response time of touch-sensing electronic textile

2.2.3 触摸传感电子织物稳定性能

为证明触摸传感电子织物的触摸稳定性能,现选用3种不同的滑移速度(40、100、200 mm/s)来观察触摸电流的变化规律。同一滑移速度下触摸电流的波动最大仅为5%(快速滑移下)。此外,不同滑移速度下触摸电流增长幅度近似相同如图5所示。以上结果证明,触摸传感电子织物的触摸性能具有优异的稳定性能。

图5 不同滑移速度下触摸传感电子织物触摸性能的稳定性能Fig. 5 Stability of touch-sensing electronic textile at different slip speeds

2.2.4 触摸传感电子织物抗弯折性

区别于传统的金属导体,离子水凝胶具有本征柔性。承受多次弯曲形变后,其三维多孔结构不会被破坏,因此其电学性能不会受影响。为测试非织造基材触摸传感电子织物的抗弯折性,分别对织物进行0、50、100、150和300次的弯曲循环并选择触摸传感电子织物的中点(3#)作为触摸点,监测其电流变化情况。测试结果如图6所示,可知未施加弯曲形变时,中点处的触摸电流为7.86 μA。依次施加不同循环的弯曲形变后,监测中点处的触摸电流分别为7.97、7.96、7.95和7.98 μA。以上结果证明,触摸传感电子织物的触摸性能具有优异的抗弯折性能。

图6 多次弯曲循环下触摸传感电子织物触摸电流变化情况Fig. 6 Current changing trend of touch-sensing electronic textile under multiple bending cycles

2.2.5 触摸传感电子织物热湿舒适性

热湿舒适性是可穿戴设备的重要特性,用以评价穿戴界面(皮肤与器件)微环境的关键指标。传统的柔性水凝胶类触摸设备大都选用PDMS作为基材,长期穿戴过程中无法吸收和释放人体皮肤所产生的湿气和热量,因此会造成皮肤瘙痒或者红肿等疾病,影响人体健康。为赋予柔性水凝胶类触摸设备优异的热湿舒适性,选用聚乳酸非织造布作为基材。将非织造基材触摸传感电子织物贴合在胳膊上一段时间后,观察皮肤表面形态,测试结果如图7所示。可知,在穿戴触摸传感电子织物48 h后,覆盖的皮肤表面温度未出现明显的变化。此外触摸电子织物的穿戴层具有优异的透气透湿性,其透气率可达612 mm/s,证明非织造基材触摸传感电子织物具有优异的热湿舒适性。

图7 触摸传感电子织物和PDMS的热湿舒适性Fig. 7 Thermal and wet comfort of touch-sensing electronic textile and PDMS

2.3 触摸传感电子织物应用

利用非织造基材触摸传感电子织物触摸性能线性变化的规律,将复合织物平均分成4份,分别定义为键盘中的“D”“F”“J”以及“K”。当手指触摸到界面对应字母时,会消除对应的黑色块,结果如图8所示。未触摸前,“F”字母对应的色块为黑色表明需要触摸“F”键来消除。当手指触摸到触摸传感电子织物表面“F”键对应的区域时,黑色块消失,可实现显示界面控制功能。

图8 触摸传感电子织物显示界面控制展示Fig. 8 Display interface control function of touch-sensing electronic textile

3 结 论

本文制备了一种由聚乳酸非织造布与聚丙烯酰胺/氯化锂离子水凝胶复合而成的非织造基材触摸传感电子织物。聚乳酸非织造布改善了传统水凝胶基触摸传感设备热湿舒适性差的弊端,提高了触摸传感电子织物的穿戴舒适性。非织造基材触摸传感电子织物具有触摸定位功能以及优异的响应时间(25 ms)。不同频率的往复触摸滑移测试证明非织造基材触摸传感电子触摸织物具有优异的触摸稳定性能。同时,在弯曲形变下触摸传感电子触摸织物的触摸性能仍保持稳定,证明其在穿戴过程中具有优异的抗弯折性能。此外,触摸传感电子触摸织物在长期穿戴下可维持人体皮肤表面微环境的稳定,具有良好的热湿舒适性。基于此,可开发出一种显示界面控制电子触摸织物,实现实时控制,在可穿戴人机交互领域具有极大的发展潜力。