[0001] 本发明属于智能压力传感技术领域，涉及抗拉伸干扰的可拉伸的压力传感织物及其制备方法、应用。

[0002] 柔性压力传感器是通过将压力作用转换成电信号，从而实现对于压力的实时监测的智能装置。近年来，随着人工智能、物联网和可穿戴电子等技术快速发展，柔性压力传感器在人机交互、医疗健康、电子皮肤和感知重建等领域体现出广阔应用前景，备受关注。柔性织物基压力传感器，也称为压力传感织物，具备独特的纺织结构。与传统的薄膜状、块状压力传感器相比，体现出纺织品良好的轻柔性、可变形性、生物相容性以及穿戴舒适性。

[0003] 柔性摩擦纳米发电机，是利用摩擦起电和静电感应相耦合的原理，通过两种电负性不同柔性高分子聚合物材料的相互接触产生摩擦电荷，在两种材料接触分离过程中，在外电路产生交流电信号，实现机械能到电能的转化。基于摩擦产电现象的摩擦纳米发电机(TENG)，在自供电压力传感方面体现出独特的优势与应用潜力。

[0004] 李辉等人在《柔性全编织摩擦纳米发电织物的制备》(纺织学报，2018)中报道了通过锥形编织的方法将聚酰胺纤维与涤纶缝纫线分别缠绕在镀银的金属长丝表面，形成两种皮芯结构的复合导电纤维绳，其中皮层聚酰胺纤维与涤纶纤维缝纫线作为摩擦层，芯层镀银金属长丝作为电极层，将2种复合导电纤维绳经机织制备成柔性自供能织物作为摩擦纳米发电机。

[0005] 中国发明专利CN115118176A公开了一种拉伸不敏感的摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机为三明治结构，从上往下依次为摩擦层、电极、封装层；将液体有机小分子单体、交联剂、光引发剂混合溶液渗入摩擦层与封装层的聚合物薄膜中，再经过紫外光照射处理，使被紫外光照射部分形成交联互穿网络，增加薄膜局部区域的机械强度。当摩擦纳米发电机受横向应力产生应变时，在高模量区域与未改性部分有较大的应变差异，在不同拉伸状态下对高模量区域施加定量的压力能够获得稳定的摩擦电输出。该发明仅公开了摩擦纳米发电机，但是并未进一步将摩擦纳米发电机进行编织成发电织物，研究其抗拉伸干扰能力，且该发明的制备工艺复杂，使用有机试剂，与环境友好的理念相悖。

[0006] 现如今的压力传感织物已经获得了较大的发展，然而还面临着众多亟待解决的科学难题，其中，如何开发、制备具有良好抗拉伸干扰能力的压力传感织物，实现压力/拉力解耦合，避免在实际应用场景中拉伸变形对于压力传感信号的影响，是现在面临的重大课题之一。

[0056] 下面结合实施例和对比例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0057] 实施例1

[0058] 一种可拉伸的压力传感织物，其制备方法，包括以下步骤：

[0059] S1、以镀银尼龙纱线为导电内芯，使用高速编织机，通过高速编织工艺(高速编织机的齿轮比为0.3)，将镀银尼龙纱线缠绕在高速编织机的中线轴上，将聚对苯二甲酸乙二醇酯长丝作为外侧纱线，固定在编织机交织结构的8个线轴上。开启编织机后，随着交织结构的转动，一半外侧纱线顺时针旋转，一半逆时针旋转，从而围绕镀银尼龙纱线形成致密的摩擦产电外层，构筑具有皮芯结构的摩擦纳米发电纱线；

[0060] 其中，镀银尼龙纱线的规格为20D，聚酯长丝的规格为150D；

[0061] S2、将步骤S1所述的摩擦纳米发电纱线，编织成三宝结，构筑摩擦纳米发电网络，其中摩擦纳米发电网络的网格密度为5.95PPI；

[0062] S3、将步骤S2所述的摩擦纳米发电网络，附着在聚酰胺纤维及聚氨酯纤维的复合面料上，即得所述压力传感织物；

[0063] 步骤S2所述的摩擦纳米发电网络的制备流程图如图1所示；

[0064] 步骤S2所述三宝结的SEM图见图2。

[0065] 实施例2

[0066] 一种可拉伸的压力传感织物，其制备方法，包括以下步骤：

[0067] S1、以镀银尼龙纱线为导电内芯，使用高速编织机，通过高速编织工艺(高速编织机的齿轮比为0.3)，将镀银尼龙纱线缠绕在高速编织机的中线轴上，将聚对苯二甲酸乙二醇酯长丝作为外侧纱线，固定在编织机交织结构的8个线轴上。开启编织机后，随着交织结构的转动，一半外侧纱线顺时针旋转，一半逆时针旋转，从而围绕镀银尼龙纱线形成致密的摩擦产电外层，构筑具有皮芯结构的摩擦纳米发电纱线；

[0068] 其中，镀银尼龙纱线的规格为20D，聚酯长丝的规格为150D；

[0069] S2、将步骤S1所述的摩擦纳米发电纱线，编织成三宝结，构筑摩擦纳米发电网络，其中摩擦纳米发电网络的网格密度为5.10PPI；

[0070] S3、将步骤S2所述的摩擦纳米发电网络，附着在聚酰胺纤维及聚氨酯纤维的复合面料上，即得所述压力传感织物；

[0071] 步骤S2所述的摩擦纳米发电网络的制备流程图如图1所示。

[0072] 实施例3

[0073] 一种可拉伸的压力传感织物，其制备方法，包括以下步骤：

[0074] S1、以镀银尼龙纱线为导电内芯，使用高速编织机，通过高速编织工艺(高速编织机的齿轮比为0.3)，将镀银尼龙纱线缠绕在高速编织机的中线轴上，将聚对苯二甲酸乙二醇酯长丝作为外侧纱线，固定在编织机交织结构的8个线轴上。开启编织机后，随着交织结构的转动，一半外侧纱线顺时针旋转，一半逆时针旋转，从而围绕镀银尼龙纱线形成致密的摩擦产电外层，构筑具有皮芯结构的摩擦纳米发电纱线；

[0075] 其中，镀银尼龙纱线的规格为20D，聚酯长丝的规格为150D；

[0076] S2、将步骤S1所述的摩擦纳米发电纱线，编织成三宝结，构筑摩擦纳米发电网络，其中摩擦纳米发电网络的网格密度为4.25PPI；

[0077] S3、将步骤S2所述的摩擦纳米发电网络，附着在聚酰胺纤维及聚氨酯纤维的复合面料上，即得所述压力传感织物；

[0078] 步骤S2所述的摩擦纳米发电网络的制备流程图如图1所示。

[0079] 对比例1

[0080] 本对比例与实施例1的区别在于，将步骤S2中所述的“编织成三宝结”替换为“编织成双联结”，所述双联结的SEM图见图3。

[0081] 对比例2

[0082] 本对比例与实施例1的区别在于，将步骤S2中所述的“编织成三宝结”替换为“编织成十字结”，所述十字结的SEM图见图4。

[0083] 对比例3

[0084] 本对比例与实施例1的区别在于，将步骤S2中所述的摩擦纳米发电网络的网格密度替换为2.55PPI。

[0085] 对比例4

[0086] 本对比例与实施例1的区别在于，将步骤S2中所述的摩擦纳米发电网络的网格密度替换为3.40PPI。

[0087] 对比例5

[0088] 本对比例与实施例1的区别在于，将步骤S2中所述的摩擦纳米发电网络的网格密度替换为8PPI。

[0089] 对比例6

[0090] 一种可拉伸的压力传感织物，其制备方法，包括以下步骤：

[0091] S1、以镀银尼龙纱线为导电内芯，使用高速编织机，通过高速编织工艺(高速编织机的齿轮比为0.3)，将镀银尼龙纱线缠绕在高速编织机的中线轴上，将聚对苯二甲酸乙二醇酯长丝作为外侧纱线，固定在编织机交织结构的8个线轴上。开启编织机后，随着交织结构的转动，一半外侧纱线顺时针旋转，一半逆时针旋转，从而围绕镀银尼龙纱线形成致密的摩擦产电外层，构筑具有皮芯结构的摩擦纳米发电纱线；

[0092] 其中，镀银尼龙纱线的规格为20D，聚酯长丝的规格为150D；

[0093] S2、将步骤S1所述的摩擦纳米发电纱线针织得到具有拉伸变形能力的平纹针织织物，即所述的压力传感织物。

[0094] 对比例7

[0095] 一种可拉伸的压力传感织物，其制备方法，包括以下步骤：

[0096] S1、以镀银尼龙纱线为导电内芯，使用高速编织机，通过高速编织工艺(高速编织机的齿轮比为0.3)，将镀银尼龙纱线缠绕在高速编织机的中线轴上，将聚对苯二甲酸乙二醇酯长丝作为外侧纱线，固定在编织机交织结构的8个线轴上。开启编织机后，随着交织结构的转动，一半外侧纱线顺时针旋转，一半逆时针旋转，从而围绕镀银尼龙纱线形成致密的摩擦产电外层，构筑具有皮芯结构的摩擦纳米发电纱线；

[0097] 其中，镀银尼龙纱线的规格为20D，聚酯长丝的规格为150D；

[0098] S2、将步骤S1所述的摩擦纳米发电纱线针织得到具有拉伸变形能力的罗纹针织织物，即所述的压力传感织物。

[0099] 效果性能试验

[0100] 试验例1、网格密度与压力传感性能、可拉伸变性能力和抗拉伸干扰能力的关系[0101] 1.1压力传感性能

[0102] 压力传感性能检测方法：将样品固定在线性马达的夹具上，样品电极连接在Keithley静电计正极，通过线性马达的周期性移动实现样品与亚克力板接触分离(压力60N，频率2Hz)，使用LabView软件对测试过程中产生的开路电压(Voc)和短路电流(Isc)实行实时数据采集。

[0103] 实施例1制备的摩擦纳米发电网络N‑TENG的电输出性能结果见图5。实施例1压力传感织物在2Hz和60N的电输出性能结果见图6。实施例1‑3和对比例3‑5的压力传感织物的电输出性能见表1。

[0104] 表1

[0105]序号 Voc(V) Isc(μA)
实施例1 40.1 0.13
实施例2 37.1 0.126
实施例3 25.1 0.07
对比例3 12.3 0.025
对比例4 18.2 0.05
对比例5 50.3 0.25

[0106] 实施例1压力传感织物的电流和功率密度随负载电阻变化图见图7。实施例1和对比例3‑5的压力传感织物在1GΩ的负载电阻下最高功率密度见下表2。

[0107] 表2

[0108] 2序号 功率密度(mW/m)
实施例1 2.5
对比例3 0.01
对比例4 0.05
对比例5 5

[0109] 表1和表2的结果表明：实施例1的N‑TENG的开路电压Voc为40.1V，短路电流Isc为‑20.13μA，实施例1的压力传感织物在1GΩ的负载电阻下最高可达2.5mW·m 的功率密度。相较于对比例3‑4使用常规的网格密度制备的压力传感织物，实施例1‑3的压力传感织物在外界压力下的电输出性能显著提高，表现出优异的压力传感信号。

[0110] 1.2可拉伸变形能力

[0111] 图8为本发明实施例1‑3和对比例3‑4中的摩擦纳米发电网络的网格密度图。

[0112] 变形能力测试方法：将摩擦纳米发电网络附着在聚酰胺纤维及聚氨酯纤维的复合面料上，制备得到压力传感织物(如图9所示)。将压力传感织物拉伸至最大变形量，使用游标卡尺测量变形前后的长度，并计算出变形率。

[0113] 图10为本发明实施例1‑3和对比例3‑4中的摩擦纳米发电网络的网格密度与T‑TENG可拉伸变形能力及压力传感性能的对应关系图。

[0114] 实施例1‑3和对比例3‑5的压力传感织物的可拉伸变形能力结果见表3。

[0115] 表3

[0116] 序号 应变率(％)实施例1 105
实施例2 148
实施例3 234
对比例3 494
对比例4 308
对比例5 60

[0117] 由图10和表3的结果可知，当其他参数不变时，仅改变网格密度：网格密度为2.55PPI时，其应变率接近500％；网格密度为3.40PPI时，其应变率约为300％；网格密度为
4.25‑5.95PPI，其应变率降低为105％‑234％；而对比例5网格密度为8PPI时，其应变率仅能达到60％。在其他条件相同的情况下，实施例1‑3使用特定的网格密度，表现出更合适的可拉伸变形能力。

[0118] 1.3抗拉伸干扰能力

[0119] 抗拉伸干扰能力测试方法：将压力传感织物分别拉伸至20％、40％、60％、80％和100％变形率并固定在线性马达的夹具上，样品的电极连接在Keithley静电计的正极，通过线性马达的周期性移动实现样品与天然橡胶接触分离(固定压力60N，频率为2Hz)，使用LabView软件对测试过程中产生的开路电压(Voc)和短路电流(Isc)实行实时数据采集。

[0120] 实施例1‑3和对比例3‑5的压力传感织物在不同拉伸应变，同等压力作用下的电输出性能见表4和表5。

[0121] 表4

[0122]

[0123]

[0124] 表5

[0125]

[0126] 表4和表5结果表明：实施例1‑3的压力传感织物赋予其100％以上的拉伸应变，且在应变增加的情况下，在同等压力作用下电信号变化量小于11.5％，表现出良好的抗拉伸干扰性。其中，实施例1的压力传感织物在同等压力作用下，电信号变化量不超过7％(如图11所示)，抗拉伸干扰性能最好。而对比例3‑4改变了摩擦纳米发电网络的网格密度，在应变增加的情况下，其摩擦产电性能变差，抗拉伸干扰能力变差。

[0127] 因此，在其他条件相同的情况下，使用特定的摩擦纳米发电网络的网格密度，得到的压力传感织物，在感应压力时具有优良的抗拉伸干扰能力。

[0128] 1.4结论

[0129] 上述结果表明：在其他条件均相同的情况下，仅改变摩擦纳米发电网络的网格密度，对比例3‑4的压力传感性能变差；对比例5的可拉伸变形能力变差，难以满足智能穿戴品的应用需求。

[0130] 试验例2、打结方式与压力传感性能、可拉伸变性能力和抗拉伸干扰能力的关系[0131] 2.1压力传感性能

[0132] 压力传感性能检测方法同试验例1。

[0133] 实施例1和对比例1‑2的压力传感织物在2Hz和60N的电输出性能结果见图6。实施例1和对比例1‑2的压力传感织物的电输出性能见表6。

[0134] 表6

[0135] 序号 Voc(V) Isc(μA)实施例1 40.1 0.13
对比例1 18.2 0.12
对比例2 26.1 0.13

[0136] 实施例1和对比例1‑2的压力传感织物在1GΩ的负载电阻下最高功率密度见下表7。

[0137] 表7

[0138] 2序号 功率密度(mW/m)
实施例1 2.5
对比例1 0.1
对比例2 1.5

[0139] 表6和表7的结果表明：相较于对比例1‑2使用常规的打结方式，如十字结或双联结，实施例1使用三宝结的打结方式制备的压力传感织物在外界压力下，展现出良好的电输出性能，压力传感信号优异。

[0140] 2.2可拉伸变形能力

[0141] 变形能力测试方法同试验例1。

[0142] 实施例1和对比例1‑2的压力传感织物的可拉伸变形能力结果见表8。

[0143] 表8

[0144]序号 应变率(％)
实施例1 105
对比例1 60
对比例2 80

[0145] 由表8的结果可知，当其他参数不变时，仅改变压力传感织物的打结方式：对比例1的应变率仅能达到60％；对比例2的应变率仅能达到80％。在其他条件相同的情况下，实施例1使用特定的三宝结的打结方式，表现出100％以上的可拉伸变形能力，能够满足压力传感织物在智能穿戴品中的应用要求。

[0146] 2.3抗拉伸干扰能力

[0147] 抗拉伸干扰能力测试方法同试验例1。

[0148] 实施例1和对比例1‑2的压力传感织物在不同拉伸应变，同等压力作用下的电输出性能见表9、表10和图11‑12。

[0149] 表9

[0150]

[0151] 表10

[0152]

[0153] 表9、表10和图11‑12的结果表明：实施例1的压力传感织物赋予其100％以上的拉伸应变，且在应变增加的情况下，在同等压力作用下电信号变化量小于7％，表现出优异的抗拉伸干扰性能。而对比例1‑2仅改变了摩擦纳米发电网络的打结方式，在应变增加的情况下，其摩擦产电性能变差；并且在同等压力作用下，电信号变化量分别达到了50％和92.3％，抗拉伸干扰能力差。

[0154] 因此，在其他条件相同的情况下，使用特定的打结方式制备的摩擦纳米发电网络，其进一步应用得到的压力传感织物，在感应压力时具有优良的抗拉伸干扰能力。

[0155] 2.4结论

[0156] 上述结果表明：在其他条件均相同的情况下，仅改变摩擦纳米发电网络的打结方式，对比例1‑2的压力传感性能、可拉伸变形能力和抗拉伸干扰能力变差，难以避免在实际应用场景中拉伸变形对于压力传感信号的影响。

[0157] 试验例3、编织方式与压力传感性能、可拉伸变性能力和抗拉伸干扰能力的关系[0158] 3.1压力传感性能

[0159] 压力传感性能检测方法同试验例1。

[0160] 实施例1和对比例6‑7的压力传感织物的电输出性能见表11。

[0161] 表11

[0162] 序号 Voc(V) Isc(μA)实施例1 40.1 0.13
对比例6 125.1 0.05
对比例7 150.2 0.08

[0163] 实施例1和对比例6‑7的压力传感织物在1GΩ的负载电阻下最高功率密度见下表12。

[0164] 表12

[0165] 2序号 功率密度(mW/m)
实施例1 2.5
对比例6 2.5
对比例7 5

[0166] 表11和表12的结果表明：对比例6‑7将摩擦纳米发电纱线通过针织得到的平纹针织织物或罗纹针织织物，由于针织工艺，其摩擦纳米发电纱线的密度更大，导致其功率密度更高。

[0167] 3.2可拉伸变形能力

[0168] 变形能力测试方法同试验例1。

[0169] 实施例1和对比例6‑7的压力传感织物的可拉伸变形能力结果见表13。

[0170] 表13

[0171]序号 应变率(％)
实施例1 105
对比例6 60
对比例7 120

[0172] 由表13的结果可知，对比例6将摩擦纳米发电纱线通过针织得到平纹针织织物，其应变率仅能达到60％。在其他条件相同的情况下，实施例1表现出100％以上的可拉伸变形能力，能够满足压力传感织物在智能穿戴品中的应用要求。

[0173] 3.3抗拉伸干扰能力

[0174] 抗拉伸干扰能力测试方法同试验例1。

[0175] 实施例1和对比例6‑7的压力传感织物在不同拉伸应变，同等压力作用下的电输出性能见表14和表15。对比例6‑7的压力传感织物在不同拉伸应变，同等压力作用下的电输出性能见图13。

[0176] 表14

[0177]

[0178] 表15

[0179]

[0180] 表14、表15和图13的结果表明：实施例1的压力传感织物赋予其100％以上的拉伸应变，且在应变增加的情况下，在同等压力作用下电信号变化量小于7％，表现出优异的抗拉伸干扰性能。而对比例6‑7将摩擦纳米发电纱线针织得到具有拉伸变形能力的平纹针织织物或罗纹针织织物，在应变增加的情况下，在同等压力作用下，电信号变化量分别达到了280％和166.3％，抗拉伸干扰能力差。

[0181] 因此，在其他条件相同的情况下，实施例1得到的压力传感织物，在感应压力时具有优良的抗拉伸干扰能力。

[0182] 3.4结论

[0183] 上述结果表明：将摩擦纳米发电纱线针织得到的压力传感织物，对比例6的可拉伸变形能力变差；对比例6‑7的抗拉伸干扰能力变差，难以避免在实际应用场景中拉伸变形对于压力传感信号的影响。

[0184] 试验例4、稳定性和耐水洗性能检测

[0185] 稳定性性能检测方法：设置长周期的循环测试实验，将可拉伸的压力传感织物在1Hz频率，60N压力冲击下，连续拍打10000s，测试拍打期间压力传感织物的电输出性能。

[0186] 实施例1的可拉伸的压力传感织物连续拍打10000s的稳定性测试检测图见图14，其中局部放大的左图为前10个周期的详细电压变化图，局部放大的右图为后10个周期的详细电压变化图。实施例1和对比例1‑7的可拉伸的压力传感织物连续拍打10000s的稳定性测试结果见表16。

[0187] 表16

[0188]

[0189]

[0190] 耐水洗性能检测方法：将装有洗衣液以及自来水的烧杯放置在磁力搅拌器上，加入磁子，用于模拟家用式滚筒洗衣机。将压力传感织物放入烧杯中。旋转速度设定为500rpm，每次洗涤时间为20分钟，之后放置在60℃烘箱中干燥30min，将压力传感织物在2Hz频率，60N压力冲击下，测试每次洗涤后压力传感织物的电输出性能，测试次数为20次。

[0191] 实施例1的可拉伸的压力传感织物的耐水洗性能检测电压图见图15；实施例1和对比例1‑7的可拉伸的压力传感织物的耐水性性能检测电压见表17。

[0192] 表17

[0193]序号 水洗0次后的Voc(V) 水洗20次后的Voc(V)
实施例1 40.1 43.2
实施例2 37.1 40.2
实施例3 25.1 27.4
对比例1 18.2 15.1
对比例2 26.1 20.3
对比例3 12.3 15.2
对比例4 18.2 20.2
对比例5 50.3 57.7
对比例6 125.1 120.3
对比例7 150.2 140.8

[0194] 本发明实施例的可拉伸的压力传感织物表现出优良的循环工作稳定性(10000s)(如图14所示)与耐水洗性(如图15所示)。对比例使用十字结、双联结、不同的网格密度、不同的编织方式，使得材料的稳定性和耐水洗性能变差。

[0195] 应用例

[0196] 利用本发明的可拉伸的压力传感织物在压力传感时的抗拉伸干扰能力，将其用于运动监测领域及制备用于医疗康复的产品。

[0197] 将实施例1的可拉伸的压力传感织物穿戴于人体上，通过监测可拉伸的压力传感织物在卧床病人在不同动作时传输的电信号变化，实现对于卧床病人的自供电压力传感。

[0198] 本发明实现了对不同动作下的卧床病人所受的压力进行监测，并能够对较长时间保持同一压力的情况进行预警(如图16所示)，防止褥疮的发生。

[0199] 将实施例1的可拉伸的压力传感织物穿戴于人体上，能够对运动中的人体的呼吸脉搏等生理体征、以及手掌所受篮球的压力作用情况进行准确监测(如图17所示)，从而满足智能消防服上的自供电传感需求。

[0200] 最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。