徐瑞東, 王 航, 曲麗君,2, 田明偉,2

(1. 青島大學 紡織服裝學院, 山東 青島 266071;2. 青島大學 省部共建生物多糖纖維成形與生態(tài)紡織國家重點實驗室, 山東 青島 266071)

隨著人工智能技術的迅速發(fā)展,人機交互應用引起了人們的極大關注[1-2]。觸摸傳感設備是人機交互中信號采集的核心組成部分,可采集人體不同觸摸動作并將其轉換為電信號。根據(jù)傳感機制,柔性觸摸傳感設備可分成電容式[3-4]、壓阻式[5-6]、壓容式[7-8]以及摩擦電式[9-10]。電容式觸摸傳感器憑借低能耗、高精度以及高魯棒性等優(yōu)異特性,受到越來越多的關注[11-12]。其中,柔性電容式觸摸傳感設備是下一代可穿戴觸摸傳感設備的最佳候選,目前各類薄膜狀柔性電容觸摸傳感設備被廣泛研究[13-14]。然而,此類設備大多采用圖案化金屬電極,存在抗彎折性能差的問題。在多次形變過程中,電極不可避免地產(chǎn)生微裂紋,影響設備的觸摸性能[15-16],成為柔性電容式觸摸傳感設備的發(fā)展瓶頸。

離子水凝膠是一類具有本征柔性的導電材料。與金屬電極相比,更能適應人體運動,因此離子水凝膠觸摸傳感設備逐漸成為研究熱點[17-18]。然而,這類設備多采用硅膠材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等進行封裝,造成設備熱濕舒適性差,極大地限制此類設備在可穿戴領域的應用。聚乳酸是一種新型生物基材料,具有天然的生物可降解性。通過非織造加工工藝,可將聚乳酸纖維相互纏結得到具有可降解功能的綠色非織造材料[19-20]。與傳統(tǒng)的硅膠基材料相比,聚乳酸非織造布具有手感柔軟、保濕透氣以及抗菌等功能,因此為柔性觸摸設備提供了一個理想的穿戴平臺。

本文采用聚乳酸非織造布為基材,以聚丙烯酰胺/氯化鋰離子水凝膠為導電材料,制備層疊結構電容式觸摸傳感電子織物,分析各組分微觀形貌及性質。通過引入聚乳酸非織造布,并在離子水凝膠體系內建立雙向導電網(wǎng)絡,以期為可穿戴人機交互設備開辟新的路線。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚乳酸非織造布(面密度為10 g/m2,浙江永光非織造布股份有限責任公司),氯化鋰(LiCl,純度≥99%,中國醫(yī)藥集團有限公司),丙烯酰胺(AAM,純度≥99%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司),N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA,純度為99%, 上海阿拉丁生化科技股份有限公司),過硫酸銨(APS,純度≥98%,德國默克生命科學有限公司),四甲基乙二胺(TEMED,純度≥99%,德國默克生命科學有限公司),石墨烯固態(tài)漿料(固含量為10%,寧波石墨烯科技有限責任公司),去離子水。

1.2 樣品制備

將2 mol/L的AAM單體以及2.1 mol/L的LiCl、質量分數(shù)為0.006%的MBAA交聯(lián)劑以及質量分數(shù)為0.16%的APS熱引發(fā)劑共溶解于去離子水中,快速攪拌后,置于KS-180EI超聲波清洗儀(寧波海曙科生超聲設備有限責任公司)中處理30 min,得到混合均勻的水凝膠溶液。然后,向水凝膠溶液中加入質量分數(shù)為0.25%的TEMED加速劑。快速攪拌后倒入丙烯酸模具中,置于真空烘箱(70 ℃)中靜置2 h,得到聚丙烯酰胺/氯化鋰離子水凝膠。

將石墨烯固態(tài)漿料倒入AH-2010納米均質儀(蘇州安拓思納米技術有限公司)中,在高壓(85 MPa)下反復分散3次后得到均勻的石墨烯水溶液。將聚乳酸非織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,得到導電聚乳酸非織造布。將聚丙烯酰胺/氯化鋰離子水凝膠與2層聚乳酸非織造布層疊(僅上層為導電非織造布)制備層疊結構觸摸傳感電子織物。

1.3 形貌觀察

采用JEOL JSM-840掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)觀察離子水凝膠和聚乳酸非織造布表面形貌。表征測試前,采用LC-12N真空冷凍干燥機(上海力辰儀器科技有限公司)對離子水凝膠冷凍干燥72 h,其中冷凍功率為350 W,冷凍溫度為-70 ℃ ;采用ETD-800離子濺射儀(北京歐波同光學技術有限公司)對干燥試樣噴金處理1 min,測試電壓為10 kV。

1.4 觸摸性能測試

在測試前,將柔性電極粘貼在離子水凝膠兩側以備測試。隨后采用GA1651A信號發(fā)生器(深圳市安泰信科技有限公司)、34461A臺式萬用表(安捷倫科技有限責任公司)對觸摸傳感電子織物進行觸摸性能測試。

1.4.1 觸摸位置識別

采用信號發(fā)生器向離子水凝膠兩側電極同時施加相同的交流電壓(0.5 V,10 kHz)。兩側串聯(lián)的臺式萬用表(A1和A2)用來檢測電流變化。待兩端電流穩(wěn)定后,依次觸摸織物表面,得到電流變化曲線,其中樣品尺寸為60 mm×25 mm×1 mm,觸摸點間距為10 mm。

1.4.2 觸摸響應時間

采用臺式萬用表測試觸摸傳感電子織物的基線電流。待兩端電流穩(wěn)定后,觸摸傳感電子織物中點并維持5 s。隨后撤去外力,得到觸摸信號響應時間以及恢復時間。

1.4.3 觸摸穩(wěn)定性能

采用臺式萬用表測試觸摸傳感電子織物的初始電流。待兩端電流穩(wěn)定后,分別用不同的頻率往復滑移,得到觸摸電流變化曲線,其中樣品尺寸為110 mm×25 mm×1 mm,滑移距離為100 mm。

1.4.4 抗彎折性

采用臺式萬用表測試不同彎曲循環(huán)后觸摸傳感電子織物的觸摸電流。選擇觸摸傳感電子織物的中點作為測試點,測試初始狀態(tài)、彎曲50、100、150和300次后中點的觸摸電流。

1.4.5 熱濕舒適性

將觸摸傳感電子織物貼合在人體胳膊表面48 h后,觀察覆蓋皮膚表面溫度變化。此外,對織物穿戴層進行透氣性以及吸濕性測試。

2 結果與分析

2.1 觸摸傳感電子織物與水凝膠的微觀結構

聚乳酸非織造布與聚丙烯酰胺/氯化鋰離子水凝膠的表面形貌如圖1所示?？芍廴樗崂w維上下交錯纏結,纖維間間距較大,呈現(xiàn)雜亂、蓬松結構(見圖1(a))。該結構賦予了聚乳酸非織造布柔軟的觸感以及優(yōu)異的透氣性。此外,通過芯吸沉積效應,石墨烯納米片層均勻附著在纖維表面,賦予了聚乳酸非織造布良好的導電性(見圖1(b))。在觀察水凝膠表面形貌前,需要對其進行冷凍干燥以去除水分,得到水凝膠骨架。由圖1(c)可知,聚丙烯酰胺/氯化鋰離子水凝膠的表面形貌呈現(xiàn)多孔的三維網(wǎng)狀結構,增大了親水基團和水分的接觸面積,可鎖住大量水分。此外,這種孔洞結構為離子運動提供通道。

圖1 觸摸傳感電子織物的表面形貌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 織物觸摸性能分析

非織造材料基材觸摸傳感電子織物的傳感機制是凝膠內的離子在交流電源的驅動下做往復運動,從而在水凝膠內部構建雙向導電網(wǎng)絡穩(wěn)定體系。當手指觸摸到織物表面時,由于人體接地,因此觸摸點處人體與織物表面形成耦合電容,導致觸摸點處電勢下降,因此產(chǎn)生觸摸電流。

2.2.1 觸摸傳感電子織物觸摸電流變化規(guī)律

觸摸電流的大小由手指與電極間的距離所決定,因此織物被觸摸時,會分成2個阻值單元且觸摸電流變化規(guī)律互補?？拷姌O處的電流流經(jīng)的阻值單元少,因此觸摸電流增大(見圖2)。

a—織物觸摸界面;b—織物結構;c—織物定位原理圖2 觸摸傳感電子織物觸摸定位功能Fig. 2 Touch positioning function of touch- sensing electronic fabric

為驗證此規(guī)律,選取觸摸傳感電子織物表面5個點(1#、2#、3#、4#和5#)作為觸摸點,依次從左向右觸摸如圖3所示,臺式萬用表(A1和A2)分別用來監(jiān)測觸摸傳感電子織物左右部分觸摸電流的變化規(guī)律。依次觸摸1#～5#,A1監(jiān)測的觸摸電流呈現(xiàn)下降趨勢(從8.08 μA到7.61 μA),然而A2觸摸電流呈增加趨勢(從7.68 μA 到8.05 μA)。在中點處(3#)2臺電流表監(jiān)測的觸摸電流大小近似相等分別為7.85 μA和7.84 μA。上述結果說明,觸摸電流大小取決于手指和電極間的距離,手指越靠近電極觸摸電流越大,反之觸摸電流越小。

圖3 觸摸傳感電子織物觸摸電流變化規(guī)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 觸摸傳感電子織物響應時間

選取觸摸傳感電子織物的中點(3#)為觸摸點,用來測試觸摸傳感電子織物的響應時間,測試頻率為10 kHz。當中點被觸摸時,電流從5.84 μA 增長到7.83 μA,所需時間僅為25 ms,證明觸摸傳感電子織物有優(yōu)異的響應速度。當外力釋放時,電流從7.83 μA下降到5.78 μA,所需時間僅為31 ms,響應時間測試結果如圖4所示。證明觸摸傳感電子織物具有優(yōu)異的響應性能。

圖4 觸摸傳感電子織物的響應時間Fig. 4 Response time of touch-sensing electronic textile

2.2.3 觸摸傳感電子織物穩(wěn)定性能

為證明觸摸傳感電子織物的觸摸穩(wěn)定性能,現(xiàn)選用3種不同的滑移速度(40、100、200 mm/s)來觀察觸摸電流的變化規(guī)律。同一滑移速度下觸摸電流的波動最大僅為5%(快速滑移下)。此外,不同滑移速度下觸摸電流增長幅度近似相同如圖5所示。以上結果證明,觸摸傳感電子織物的觸摸性能具有優(yōu)異的穩(wěn)定性能。

圖5 不同滑移速度下觸摸傳感電子織物觸摸性能的穩(wěn)定性能Fig. 5 Stability of touch-sensing electronic textile at different slip speeds

2.2.4 觸摸傳感電子織物抗彎折性

區(qū)別于傳統(tǒng)的金屬導體,離子水凝膠具有本征柔性。承受多次彎曲形變后,其三維多孔結構不會被破壞,因此其電學性能不會受影響。為測試非織造基材觸摸傳感電子織物的抗彎折性,分別對織物進行0、50、100、150和300次的彎曲循環(huán)并選擇觸摸傳感電子織物的中點(3#)作為觸摸點,監(jiān)測其電流變化情況。測試結果如圖6所示,可知未施加彎曲形變時,中點處的觸摸電流為7.86 μA。依次施加不同循環(huán)的彎曲形變后,監(jiān)測中點處的觸摸電流分別為7.97、7.96、7.95和7.98 μA。以上結果證明,觸摸傳感電子織物的觸摸性能具有優(yōu)異的抗彎折性能。

圖6 多次彎曲循環(huán)下觸摸傳感電子織物觸摸電流變化情況Fig. 6 Current changing trend of touch-sensing electronic textile under multiple bending cycles

2.2.5 觸摸傳感電子織物熱濕舒適性

熱濕舒適性是可穿戴設備的重要特性,用以評價穿戴界面(皮膚與器件)微環(huán)境的關鍵指標。傳統(tǒng)的柔性水凝膠類觸摸設備大都選用PDMS作為基材,長期穿戴過程中無法吸收和釋放人體皮膚所產(chǎn)生的濕氣和熱量,因此會造成皮膚瘙癢或者紅腫等疾病,影響人體健康。為賦予柔性水凝膠類觸摸設備優(yōu)異的熱濕舒適性,選用聚乳酸非織造布作為基材。將非織造基材觸摸傳感電子織物貼合在胳膊上一段時間后,觀察皮膚表面形態(tài),測試結果如圖7所示。可知,在穿戴觸摸傳感電子織物48 h后,覆蓋的皮膚表面溫度未出現(xiàn)明顯的變化。此外觸摸電子織物的穿戴層具有優(yōu)異的透氣透濕性,其透氣率可達612 mm/s,證明非織造基材觸摸傳感電子織物具有優(yōu)異的熱濕舒適性。

圖7 觸摸傳感電子織物和PDMS的熱濕舒適性Fig. 7 Thermal and wet comfort of touch-sensing electronic textile and PDMS

2.3 觸摸傳感電子織物應用

利用非織造基材觸摸傳感電子織物觸摸性能線性變化的規(guī)律,將復合織物平均分成4份,分別定義為鍵盤中的“D”“F”“J”以及“K”。當手指觸摸到界面對應字母時,會消除對應的黑色塊,結果如圖8所示。未觸摸前,“F”字母對應的色塊為黑色表明需要觸摸“F”鍵來消除。當手指觸摸到觸摸傳感電子織物表面“F”鍵對應的區(qū)域時,黑色塊消失,可實現(xiàn)顯示界面控制功能。

圖8 觸摸傳感電子織物顯示界面控制展示Fig. 8 Display interface control function of touch-sensing electronic textile

3 結 論

本文制備了一種由聚乳酸非織造布與聚丙烯酰胺/氯化鋰離子水凝膠復合而成的非織造基材觸摸傳感電子織物。聚乳酸非織造布改善了傳統(tǒng)水凝膠基觸摸傳感設備熱濕舒適性差的弊端,提高了觸摸傳感電子織物的穿戴舒適性。非織造基材觸摸傳感電子織物具有觸摸定位功能以及優(yōu)異的響應時間(25 ms)。不同頻率的往復觸摸滑移測試證明非織造基材觸摸傳感電子觸摸織物具有優(yōu)異的觸摸穩(wěn)定性能。同時,在彎曲形變下觸摸傳感電子觸摸織物的觸摸性能仍保持穩(wěn)定,證明其在穿戴過程中具有優(yōu)異的抗彎折性能。此外,觸摸傳感電子觸摸織物在長期穿戴下可維持人體皮膚表面微環(huán)境的穩(wěn)定,具有良好的熱濕舒適性?；诖?可開發(fā)出一種顯示界面控制電子觸摸織物,實現(xiàn)實時控制,在可穿戴人機交互領域具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>