PVA/CNT涂层包芯纺纱纱线应变传感器，具有高灵敏度，适用于实时人体运动监测

《Sensors and Actuators A: Physical》：PVA/CNT-coated core-spun yarn strain sensors with high sensitivity for real-time human motion monitoring

本研究采用连续浸涂工艺，将聚乙烯醇（PVA）和碳纳米管（CNT）复合涂层应用于聚酯/氨纶芯纱，制备出高灵敏度（GF=1,481.5）、宽应变范围（0-5%）且耐久性超过1,000次循环的柔性应变传感器。该传感器通过PVA与CNT的氢键结合增强导电网络稳定性，并成功应用于人体多关节运动实时监测及柔性加热系统，为可穿戴健康监测设备提供了 scalable、低成本解决方案。

　　

崔琳琳|陈娟|魏曲阜|严翔|彭青发|陈娟芬|宋明珠|徐燕妮|林建云

江西现代服装工程技术中心，江西服装职业技术学院

摘要

基于柔性纤维的应变传感器因其固有的柔软性、机械顺应性和与纺织系统的兼容性，已成为下一代可穿戴电子产品的关键组件。然而，将导电材料集成到纺织基底中仍然是一个主要挑战，这主要是由于材料分散性差以及缺乏可扩展的、与基底兼容的制造工艺。在这项工作中，我们通过连续浸涂策略开发了一种基于PVA/CNT涂层的聚酯/氨纶芯纱的应变传感器。聚乙烯醇（PVA）的引入促进了碳纳米管（CNTs）与纱线表面之间的强氢键结合，从而增强了复合材料的结构完整性和导电性。得益于层叠结构的协同效应，所制备的传感器具有宽的工作应变范围、高灵敏度（灵敏度为1,481.5）、快速响应时间、超低检测限以及在5%应变下超过1,000次加载-卸载循环后的优异耐久性。当应用于人体各个关节时，该传感器能够可靠地实时捕获全范围的运动信号。本研究提出了一种可扩展、低成本且结构稳定的方法来开发高性能的基于CNT的纱线应变传感器，为可穿戴健康监测和人机接口应用带来了重要前景。

引言

近年来，柔性应变传感器因其轻质结构、出色的柔韧性和适应曲面的能力而受到广泛关注，使其非常适合用于可穿戴电子设备、个性化健康监测、人机接口和软体机器人等领域[1]、[2]、[3]、[4]。其中，基于纱线或纤维的应变传感器因其与传统纺织制造技术的兼容性以及可以直接集成到服装中的潜力而脱颖而出[5]、[6]、[7]。然而，高性能纱线传感器的制造仍然受到导电性差、界面结合弱、伸展性有限以及缺乏可扩展制造方法的限制。特别是，同时实现高灵敏度和宽应变检测范围仍然是实际全范围人体运动监测的关键挑战。

碳纳米管（CNTs）由于其优异的导电性、机械强度和高长径比而成为有前景的传感材料[8]、[9]、[10]。然而，将CNTs直接集成到柔性纱线上通常会受到水介质中分散性差和与纤维表面粘附力弱的阻碍，这影响了连续导电网络的形成[11]、[12]。为了解决这些问题，聚乙烯醇（PVA）被广泛用作粘合剂，以促进CNTs与纺织纤维之间的强氢键结合，从而提高涂层均匀性和网络稳定性[13]、[14]。此外，逐层（LBL）浸涂技术提供了可扩展、低成本且厚度可控的方法，用于在纱线基底上组装PVA/CNT复合层。尽管已经取得了一些进展，但现有的CNT/纱线应变传感器往往无法满足可穿戴应用所需的高灵敏度和宽应变范围的双重要求。

在这项工作中，我们开发了一种基于商用聚酯/氨纶芯纱（CSY）的高性能柔性应变传感器，该传感器通过连续LBL浸涂工艺涂覆了PVA/CNT纳米复合材料。CNTs和PVA形成了层叠的“砖石”结构，提供了电学可调性和机械稳健性。因此，该传感器表现出优异的性能指标，包括最大灵敏度（GF）为1,481、宽应变范围以及快速响应时间，并且在5%应变下可稳定运行超过1000次循环。该传感器还能够可靠地实时监测各种人体关节的运动，如手指、手腕、肘部、膝盖和颈部的运动。此外，其电热功能进一步拓宽了其在可穿戴加热系统中的应用潜力。这些发现为可扩展制造多功能纱线基传感器提供了有前景的策略，适用于下一代智能纺织品和健康监测设备。

材料

聚酯/氨纶芯纱（CSY）购自无锡益棉纺织集团有限公司。去离子水在实验室中制备。十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，分析级）、氢氧化钠（NaOH，分析级）、聚乙烯醇（PVA117，CAS: 9002-89-5，纯度：AR 99.0%）和多壁碳纳米管（MWCNT）浆料（CAS: 308068-56-6）购自深圳市跃创科技有限公司。

基于纱线的柔性应变传感器的制造

碱性预处理溶液的制备：

基于纱线的柔性应变传感器的设计与制造

图1a展示了基于纱线的柔性应变传感器的制造过程。首先对商用聚酯/氨纶芯纱（CSY）进行碱性处理，以增加纤维表面暴露的羟基数量。这种表面改性增强了与聚乙烯醇（PVA）的界面兼容性，PVA在后续的功能化过程中用作粘合剂。作为导电活性材料的碳纳米管（CNTs）与

结论

总结来说，我们通过可扩展的连续浸涂工艺开发了一种基于PVA/CNT涂层的聚酯/氨纶芯纱的高性能柔性应变传感器。PVA的引入使得与CNTs形成了稳定的导电网络结构。得益于这种结构，该传感器表现出宽的应变范围、高灵敏度、快速响应时间以及在5%应变下超过1000次循环后的优异耐久性。机制分析

作者贡献声明

林建云：撰写——原始草稿、可视化、验证、研究、资金获取、数据管理、概念化。陈娟芬：验证、监督、软件开发、研究、正式分析。彭青发：撰写——原始草稿、资源获取、数据管理、概念化。徐燕妮：撰写——原始草稿、资源获取、研究、数据管理。宋明珠：撰写——原始草稿、软件开发、资源管理、项目协调、研究。陈娟：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

2022年江西省教育厅科技研究项目（GJJ2202808）和江西省自然科学基金（20252BAC200296）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

崔琳琳是江西现代服装工程技术中心，江西服装职业技术学院的教员。她的研究方向包括功能性纺织品、可穿戴设备和基于纤维的智能传感材料。