一種壓阻纖維、紗線及壓阻傳感器和織物的製作方法

2023-05-28 19:38:26 1

本發明涉及傳感器領域，尤其是涉及一種壓阻纖維、紗線及壓阻傳感器和織物。
背景技術：
：隨著人類生活水平的提高，人們對健康的關注度也隨之上升，對於日常行動、運動甚至是睡眠姿勢都提出了更高的要求，迫切需要了解個人的出行姿勢、運動方法等是否有利於促進身體健康或者是對人體關節等造成不利的影響。隨著紡織科技的發展和人們生活水平的提高，紡織品逐步向功能化和智能化方向發展。特別是智能電子紡織品融合了紡織技術、電子技術、計算機技術多學科的技術，使紡織品具有對外界感知和反應的功能，為此，現有技術中已經在鞋子、鞋墊、襪子和衣服中設計出了各種類型的監測系統，以用於監視人體的的各種生理參數。對這些生理參數的檢測最重要的部件就是傳感器，已經有一些產品在織物上縫綴了一些織物傳感器，用於檢測人體運動時產生的壓力等數據，但是現有的縫綴在衣物如襪子上的織物傳感器會使得襪子等衣物上出現明顯增加傳感器的部分明顯厚於其他部分的問題，導致人的體感較差，同時現有的織物傳感器檢測精度較低，壽命短，造價高，這樣造成了這一技術無法大面積推廣的問題出現。現有的織物傳感器都無法通過傳統織機一次形成，需要多步工序加工以及改造原有機器，大大增加了產品的成本與製造複雜程度。同時由於柔性織物傳感器均為多層或多部分組成，大大降低了終端產品的舒適性及無感程度。本發明的目的是提供一種壓阻纖維、紗線及壓阻傳感器和織物，檢測精度高，體感舒適度強，使用壽命長，造價低，易於推廣。技術實現要素：為實現本發明之目的，採用以下技術方案予以實現：一種壓阻纖維，包括不導電芯和包裹該不導電芯的外層，其中：所述外層由含有碳系導電粒子的熱塑性聚合物構成，所述外層為壓阻層；所述芯層由熱塑性聚合物構成，該芯層為不導電層。所述的壓阻纖維，其中：所述壓阻外層中的碳系導電粒子佔壓阻外層總重量的重量百分比為10～40％。所述的壓阻纖維，其中：所述壓阻外層中的碳系導電粒子佔壓阻外層總重量的重量百分比為21.5％-30.5％，優選為25％。所述的壓阻纖維，其中：所述壓阻纖維的不導電芯和外層所用的熱塑性聚合物包括聚乙烯pe、聚丙烯pp、聚苯乙烯ps、聚甲基丙烯酸甲酯pmma、尼龍nylon、聚碳酸酯pc，聚對苯二甲酸丁二醇酯pbt中的一種或多種，所述不導電芯和外層所用的熱塑性聚合物材料是相同材料或者是不同材料。一種壓阻紗線，該壓阻紗線由多根壓阻纖維組成，所述多根壓阻纖維之間互相捻合；或者該壓阻紗線包括多根壓阻纖維和多根不導電纖維，所述多根壓阻纖維和多根不導電纖維之間互相捻合，其中：所述壓阻纖維選自如上之一所述的壓阻纖維中的一種。所述的壓阻紗線，其中：所述當壓阻紗線包括多根壓阻纖維和多根不導電纖維時，壓阻紗線中，壓阻纖維佔壓阻紗線的重量百分比大於或等於60％。一種壓阻傳感器，包括傳感器本體和電極，所述壓阻傳感器是單層織物，該壓阻傳感器由傳感器本體和電極一體織造成型，所述傳感器本體由壓阻紗線織造而成，所述電極由導電紗線織造而成，其中：所述壓阻紗線是如上所述的壓阻紗線。所述的壓阻傳感器，其中：所述傳感器本體分別與兩個電極互相接觸。所述的壓阻傳感器，其中：所述兩個電極之間不直接接觸。所述的壓阻傳感器，其中：所述導電紗線選用比電阻小於20ohm/cm的導電紗線。所述的壓阻傳感器，其中：所述導電紗線包括表面鍍金屬紗線。所述的壓阻傳感器，其中所述表面鍍金屬紗線包括鍍銀紗線、鍍銅紗線、鍍金紗線之一或其組合。所述的壓阻傳感器，其中：所述傳感器本體的形狀包括正方形、矩形、圓形、或不規則圖形。一種具有壓阻傳感器的單層織物，包括壓阻傳感器和織物本體，所述壓阻傳感器和織物本體一體織造成型，其中所述壓阻傳感器是如上之一所述的壓阻傳感器，織物本體由不導電紗線織成。所述的單層織物，其中：所述壓阻傳感器的大部分區域或全部區域都由織物本體包圍。附圖說明圖1是本發明壓阻紗線結構示意圖；圖2是本發明壓阻紗線電阻隨壓力變化示意圖；圖3是熱塑性聚合物用尼龍時壓阻變化原理示意圖；圖4是本發明壓阻纖維電阻隨壓力變化原理示意圖；圖5為本發明壓阻織物結構示意圖；圖6為本發明壓阻紗線雙層結構橫截面示意圖。具體實施方式如圖1所示，本發明壓阻紗線包括多根壓阻纖維，形成紗線的單只壓阻纖維原絲的橫截面為雙層結構(如圖6所示)，外層由含有碳系導電粒子的熱塑性聚合物組成，芯層由熱塑性聚合物組成，外層包裹芯層，外層為壓阻層。壓阻紗線由多根經過紡絲後形成的壓阻纖維合併捻制而成。由於具有芯層和皮層，所以本發明壓阻纖維又稱為皮芯型壓阻纖維。所述的壓阻纖維中，壓阻外層的重量佔壓阻纖維總重量的5-20％。芯層重量佔壓阻纖維總重量的80-95％。壓阻纖維在製作時，將所述熱塑性聚合物及碳系導電粒子(例如炭黑粒子、碳納米管等)及熱塑性聚合物在螺杆或爐柵或坩堝中加熱製成熔體，將所述熱塑性高分子聚合物通過單螺杆擠出機製備成均勻的熔體，得到的兩種熔體通過各自的輸送管路進入複合擠出組件，通過組件內部熔體各自的流道獨立分配與輸送，在複合擠出組件模板出口處相遇複合後從模板上的擠出微孔擠出；擠出微孔為圓形或異形，將模板上的擠出微孔擠出的熔體細流經過一段長度的冷卻區域冷卻後形成纖維狀。得到的纖維以1～800m/min的速度進行卷繞，形成複合纖維卷裝。由於碳系導電粒子在單絲情況下在熱塑性聚合物中分散均勻程度有限，導電粒子不連續，部分單絲無法形成有效導電體，當在垂直於壓阻紗線的長度的方向上對紗線實施壓力時，紗線中多根單絲相互接觸，形成橫截面較大電阻較小的多絲導體，受壓部分紗線電阻隨壓力的增加而電阻減小，整體電阻變化率變化>＝10％。可以用以下公式對本發明壓阻紗線因受壓而電阻變化的現象進行示意性的解釋：r＝pl/s其中r是導體電阻，p是導體電阻率，l是導體長度，s是導體橫截面積。如圖2所示，對於同一根壓阻紗線來說，在其處於自然狀態時檢測其電阻值，之後在對該壓阻紗線施加如圖2箭頭所示垂直方向的壓力，檢測紗線電阻值，可以發現整體紗線電阻由於垂直壓力受力整體電阻相對於自然狀態下的電阻值減小。如圖3、4所示，本發明皮芯型壓阻纖維的芯部以及皮部都由熱塑性聚合物構成，以尼龍6為例。尼龍6本身具有很好的彈性特質，所以當長絲之間由於垂直壓力相互擠壓時，橫截面上芯部及皮部均會發生變形，使得皮部的炭黑導電碳鏈有更多的機會接觸，導致電阻降低，同時隨著垂直壓力的增加整體紗線電阻與壓力成負相關變化。壓阻纖維的芯層和外層所用的熱塑性聚合物選自：聚乙烯pe、聚丙烯pp、聚苯乙烯ps、聚甲基丙烯酸甲酯pmma、尼龍nylon、聚碳酸酯pc，聚對苯二甲酸丁二醇酯pbt，芯層和外層所用的熱塑性聚合物材料可以相同也可以不同。本發明中，壓阻纖維的外層為壓阻層，該層所含導電性碳系微粒的優選含量為10～40％(重量百分比，即碳系微粒與壓阻層之間的重量比)。導電性碳系微粒的含量低於10％時，得不到作為本發明目的那樣的導電性，不能發揮其壓阻性能。另一方面，高於40％時，不但導電性沒有進一步提高，反而急劇地顯著降低含有導電性炭黑微粒的聚合物的流動性，大大降低紡絲性(纖維形成性)。炭黑微粒完全地粒子狀分散時，一般導電性不充分，當炭黑微粒密度增加到一定程度時，炭黑粒子會以化學鍵的形式結合在一起形成鏈狀構造，則導電性提高。經實驗驗證，炭黑的電阻率是由炭黑鏈與鏈之間的距離決定的，當這些間隙在外部壓力下迫使碳鏈之間距離小於1nm時，在局部間隙會形成高電場，在足夠大的電勢差作用下，電子穿過勢壘產生電子隧道效應，外部壓力越大，導電層內的炭黑鏈相互靠近的部分數量就會提高，從而整體受壓力部分纖維的電阻會隨外部壓力的提升而降低。因此，在利用導電性炭黑微粒使聚合物導電化當中，不破壞上述結構使炭黑微粒在聚合物中分散就變得非常重要。因此，炭黑微粒的鏈越長，以及聚合物中存在的炭黑微粒的密度越高，接觸機率就越大，電阻率越小，電導性就越高。另外，本發明此皮芯型壓阻纖維的皮層由炭黑及熱塑性聚合物母粒形成，母粒本身混入了炭黑,因此具有彈性特性的熱塑性聚合物介質具有了壓阻特性，當壓力作用於母粒之上時，整體母粒電阻由於皮層中炭黑導電鏈距離減小，整體母粒電阻率減少。由於紗線皮層有相同結構母粒形成，當受應力變化時，壓阻纖維表面電阻率減少。在對本發明的壓阻紗線在進行壓阻變化測量實驗中發現，當在潮溼環境，如紗線不慎受潮等情況下，在不施加壓力時，壓阻紗線的電阻相比於乾燥環境下的壓阻紗線的電阻變小了很多，同時在對該受潮壓阻紗線施加壓力時，其電阻的變化程度不十分明顯，經過分析發現，由於潮溼環境下水分子的介入，導致壓阻紗線出現了電阻急劇下降的情況，這導致在潮溼環境下無法檢測到施壓時壓阻紗線電阻明顯變化的結果，導致由此構成的壓阻傳感器無法給出滿意的檢測信號。為了解決這一問題，在製造壓阻紗線時，需要在多根壓阻纖維之外進一步添加多根不導電纖維，將該多根壓阻纖維與多根不導電纖維(例如滌綸或錦綸等不導電纖維)合併捻制而成壓阻紗線，通過這種方式製造的壓阻紗線在潮溼的環境中，在自然狀態下和受到壓力的狀態下測得到電阻值有較大的差別，自然狀態下的電阻值至少是受壓狀態下的電阻值的3倍。並且通過增加炭黑粒子在壓阻紗線壓阻外層中的比例降低整個壓阻傳感器的電阻從而拉大與潮溼皮膚的電阻的差距，從而降低由於皮膚潮溼對於傳感器數據的影響。下面通過具體案例對實驗樣本進行描述。壓力電阻測試：將底面與傳感器面積相似的重物附加在傳感器上，通過改變重物質量大小測試傳感器的電阻變化。案例1：將佔壓阻層總重量12.5％、粒徑30～50nm、比電阻≤10ω·cm的高結構導電炭黑粉體與佔壓阻層總重量86.5％的聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)以及佔壓阻層總重量1.0％的分散劑、偶聯劑和抗氧劑等助劑經包覆、分散、混合後，經雙螺杆造粒製得壓阻層材料；以纖維級聚對苯二甲酸乙二醇酯切片為非導電芯層材料；兩組份分別加入複合紡絲機的a、b料倉，進入乾燥機進行乾燥,得到36f-90d的壓阻紗線。將得到的壓阻紗線與總體60d尼龍高彈絲紗線進行捻合後通過織機加工成2cm*2cm的矩形壓阻傳感器進行壓力電阻測試。最終製得傳感器最大壓力感應為7.3kg，最大壓力時傳感器電阻為92kohm,0壓力時，電阻為151kohm。案例2：壓阻紗線製備方法同案例1，將壓阻層成分配比改為38.5％的粒徑30～50nm、比電阻≤10ω·cm的高結構導電炭黑粉體與佔功能層(壓阻層)總重量60.5％的聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)以及相應的佔壓阻層總重量1.0％的分散劑、偶聯劑、抗氧劑等混合製成壓阻層材料；以纖維級聚己內醯胺切片為非導電芯層材料製成36f-90d的壓阻紗線。將得到的壓阻紗線與總體60d尼龍高彈絲紗線進行捻合後通過織機加工成2cm*2cm的矩形壓阻傳感器進行壓力電阻測試。最終製得傳感器最大壓力感應為12.2kg，最大壓力時傳感器電阻為22kohm,0壓力時，電阻為62khm。案例3：將壓阻層成分配比改為炭黑25.5％，73.5％的聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)，其餘為分散劑、偶聯劑、抗氧劑等。製得36f-90d的壓阻紗線後與60d尼龍高彈絲紗線進行捻合。所得到2cm*2cm的矩形壓阻傳感器數據為：傳感器最大壓力感應為11.5kg，最大壓力時傳感器電阻為26kohm,0壓力時，電阻為72kohm。實施例4-6按實施例1-3類似方法實施，不再詳述，主要不同之處在於壓阻層成分中的聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)被聚己內醯胺(pa6)替換，所選用的分散劑、偶聯劑、抗氧劑與實施例1-3相同。實施例1-6數據如下表：結論1對比實驗後數據發現，pbt對比pa6作為壓阻層中聚合物對施加壓力時的電阻變化產生了影響。經過1-3組數據與4-6組數據的對比發現，使用pa6作為纖維中聚合物使得傳感器的最大壓力感應及傳感器電阻最大差值都要明顯高於pbt。通過對1-3組數據、4-6組數據進行分別對比發現，當壓阻層中的炭黑含量增加時傳感器的最大壓力感應有所提升，但當炭黑比例增加到一定量時，數據變化開始趨於不明顯，考慮到成本等綜合因素，第5組數據為最優方案。實施例7-11：在以數據5的配比方案為基礎下，對壓阻紗線中壓阻纖維及非導電纖維在壓阻紗線中的配比情況進行了研究，數據對比如下：實施例7-11數據如下表：結論2在以數據5的配比方案為基礎下，對壓阻紗線中壓阻纖維及非導電纖維在壓阻紗線中的配比情況進行了研究。實驗數據發現，在總紗線密度不變的情況下，增加壓阻紗線中的壓阻纖維的配比可以有效提升傳感器的最大壓力感應及傳感器電阻最大差值。當壓阻纖維配比提高到一定程度時，傳感器的功能提升開始趨於平緩。通過數據對比發現，考慮到成本等綜合因素的影響，第8組數據為最優方案。實施例12-14：在以數據8方案為基礎下，對於壓阻紗線總體孔數對於傳感器功能的影響進行了研究，數據對比如下：實施例12-14數據如下表：案例121314壓阻紗線總線密度(dtex)120120120非導電紗線總線密度(dtex)606060壓阻紗線整體孔數(f)604836傳感器最大壓力感應(kg)19.518.316.8最大壓力時傳感器電阻(kohm)1210270壓力時傳感器電阻(kohm)777582傳感器最大差值(kohm)656555結論3在以數據8方案為基礎下，對於壓阻紗線總體孔數對於傳感器功能的影響進行了研究。當壓阻紗線的孔數提升，壓阻紗線中壓阻纖維與非導電纖維的融合度會更加均勻。通過實驗數據得知，當總體紗線孔數提升時，傳感器最大壓力感應及傳感器最大電阻差值均有提升，有效的提高了傳感器的敏感度及性能。壓阻紗線整體孔數大於25f，可在25f-70f之間，優選為60f。本發明還提供了一種壓阻傳感器，如圖5所示，所述壓阻傳感器包括傳感器本體和電極，所述壓阻傳感器也是單層織物，由傳感器本體和電極一體織造成型。圖5還示出了一種具有壓阻傳感器的單層織物，包括壓阻傳感器和織物本體，所述壓阻傳感器和織物本體一體織造成型，織物本體由不導電紗線織成。所述壓阻傳感器的大部分區域或全部區域都由織物本體包圍。所述傳感器本體由本發明上述實施例中的壓阻紗線織造而成，其形狀可以使正方形、矩形、圓形、不規則圖形等；所述電極由導電紗線織造而成，所述導電紗線選用比電阻小於10^2ohm/cm的導電紗線，可以是鍍銀紗線、鍍銅紗線、鍍金紗線等。一個傳感器本體分別與兩個電極互相接觸，從而當傳感器本體受力時，其電阻變化可由電極採集。所述兩個電極互相不直接接觸。所述電極可以分別與中心電子模塊上的兩接口(圖中未示出)相連接，其中一個為電源(vcc)接口。中心電子模塊包含無線傳輸或有線傳輸模塊(usb(有線的模塊)，藍牙，wifi，zigbee或射頻。中心電子模塊可儲存傳感器的電阻變化數據，數據可通過傳輸模塊進行實時或主動同步等方式傳輸到手機，平板，pc等設備進行進一步計算處理。當前第1頁12