一種壓阻纖維、紗線及壓阻傳感器和織物的制作方法

本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)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(shù)：
：隨著人類生活水平的提高，人們對健康的關(guān)注度也隨之上升，對于日常行動、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于促進身體健康或者是對人體關(guān)節(jié)等造成不利的影響。隨著紡織科技的發(fā)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(fā)展。特別是智能電子紡織品融合了紡織技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)多學(xué)科的技術(shù)，使紡織品具有對外界感知和反應(yīng)的功能，為此，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)在鞋子、鞋墊、襪子和衣服中設(shè)計出了各種類型的監(jiān)測系統(tǒng)，以用于監(jiān)視人體的的各種生理參數(shù)。對這些生理參數(shù)的檢測最重要的部件就是傳感器，已經(jīng)有一些產(chǎn)品在織物上縫綴了一些織物傳感器，用于檢測人體運動時產(chǎn)生的壓力等數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)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(xiàn)明顯增加傳感器的部分明顯厚于其他部分的問題，導(dǎo)致人的體感較差，同時現(xiàn)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(shù)無法大面積推廣的問題出現(xiàn)。現(xiàn)有的織物傳感器都無法通過傳統(tǒng)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(chǎn)品的成本與制造復(fù)雜程度。同時由于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(chǎn)品的舒適性及無感程度。本發(fā)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，易于推廣。技術(shù)實現(xiàn)要素：為實現(xiàn)本發(fā)明之目的，采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種壓阻纖維，包括不導(dǎo)電芯和包裹該不導(dǎo)電芯的外層，其中：所述外層由含有碳系導(dǎo)電粒子的熱塑性聚合物構(gòu)成，所述外層為壓阻層；所述芯層由熱塑性聚合物構(gòu)成，該芯層為不導(dǎo)電層。所述的壓阻纖維，其中：所述壓阻外層中的碳系導(dǎo)電粒子占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(dǎo)電粒子占壓阻外層總重量的重量百分比為21.5％-30.5％，優(yōu)選為25％。所述的壓阻纖維，其中：所述壓阻纖維的不導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電纖維，所述多根壓阻纖維和多根不導(dǎo)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(dāng)壓阻紗線包括多根壓阻纖維和多根不導(dǎo)電纖維時，壓阻紗線中，壓阻纖維占壓阻紗線的重量百分比大于或等于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(dǎo)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(dǎo)電紗線選用比電阻小于20ohm/cm的導(dǎo)電紗線。所述的壓阻傳感器，其中：所述導(dǎo)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(guī)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(dǎo)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(qū)域或全部區(qū)域都由織物本體包圍。附圖說明圖1是本發(fā)明壓阻紗線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)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(fā)明壓阻纖維電阻隨壓力變化原理示意圖；圖5為本發(fā)明壓阻織物結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明壓阻紗線雙層結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。具體實施方式如圖1所示，本發(fā)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(jié)構(gòu)(如圖6所示)，外層由含有碳系導(dǎo)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(jīng)過紡絲后形成的壓阻纖維合并捻制而成。由于具有芯層和皮層，所以本發(fā)明壓阻纖維又稱為皮芯型壓阻纖維。所述的壓阻纖維中，壓阻外層的重量占壓阻纖維總重量的5-20％。芯層重量占壓阻纖維總重量的80-95％。壓阻纖維在制作時，將所述熱塑性聚合物及碳系導(dǎo)電粒子(例如炭黑粒子、碳納米管等)及熱塑性聚合物在螺桿或爐柵或坩堝中加熱制成熔體，將所述熱塑性高分子聚合物通過單螺桿擠出機制備成均勻的熔體，得到的兩種熔體通過各自的輸送管路進入復(fù)合擠出組件，通過組件內(nèi)部熔體各自的流道獨立分配與輸送，在復(fù)合擠出組件模板出口處相遇復(fù)合后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(jīng)過一段長度的冷卻區(qū)域冷卻后形成纖維狀。得到的纖維以1～800m/min的速度進行卷繞，形成復(fù)合纖維卷裝。由于碳系導(dǎo)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(dǎo)電粒子不連續(xù)，部分單絲無法形成有效導(dǎo)電體，當(dāng)在垂直于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(dǎo)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(fā)明壓阻紗線因受壓而電阻變化的現(xiàn)象進行示意性的解釋：r＝pl/s其中r是導(dǎo)體電阻，p是導(dǎo)體電阻率，l是導(dǎo)體長度，s是導(dǎo)體橫截面積。如圖2所示，對于同一根壓阻紗線來說，在其處于自然狀態(tài)時檢測其電阻值，之后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(fā)現(xiàn)整體紗線電阻由于垂直壓力受力整體電阻相對于自然狀態(tài)下的電阻值減小。如圖3、4所示，本發(fā)明皮芯型壓阻纖維的芯部以及皮部都由熱塑性聚合物構(gòu)成，以尼龍6為例。尼龍6本身具有很好的彈性特質(zhì)，所以當(dāng)長絲之間由于垂直壓力相互擠壓時，橫截面上芯部及皮部均會發(fā)生變形，使得皮部的炭黑導(dǎo)電碳鏈有更多的機會接觸，導(dǎo)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(guān)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(fā)明中，壓阻纖維的外層為壓阻層，該層所含導(dǎo)電性碳系微粒的優(yōu)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(dǎo)電性碳系微粒的含量低于10％時，得不到作為本發(fā)明目的那樣的導(dǎo)電性，不能發(fā)揮其壓阻性能。另一方面，高于40％時，不但導(dǎo)電性沒有進一步提高，反而急劇地顯著降低含有導(dǎo)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(dǎo)電性不充分，當(dāng)炭黑微粒密度增加到一定程度時，炭黑粒子會以化學(xué)鍵的形式結(jié)合在一起形成鏈狀構(gòu)造，則導(dǎo)電性提高。經(jīng)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(dāng)這些間隙在外部壓力下迫使碳鏈之間距離小于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(chǎn)生電子隧道效應(yīng)，外部壓力越大，導(dǎo)電層內(nèi)的炭黑鏈相互靠近的部分數(shù)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(dǎo)電性炭黑微粒使聚合物導(dǎo)電化當(dāng)中，不破壞上述結(jié)構(gòu)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，接觸幾率就越大，電阻率越小，電導(dǎo)性就越高。另外，本發(fā)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(zhì)具有了壓阻特性，當(dāng)壓力作用于母粒之上時，整體母粒電阻由于皮層中炭黑導(dǎo)電鏈距離減小，整體母粒電阻率減少。由于紗線皮層有相同結(jié)構(gòu)母粒形成，當(dāng)受應(yīng)力變化時，壓阻纖維表面電阻率減少。在對本發(fā)明的壓阻紗線在進行壓阻變化測量實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在潮濕環(huán)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于干燥環(huán)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(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，由于潮濕環(huán)境下水分子的介入，導(dǎo)致壓阻紗線出現(xiàn)了電阻急劇下降的情況，這導(dǎo)致在潮濕環(huán)境下無法檢測到施壓時壓阻紗線電阻明顯變化的結(jié)果，導(dǎo)致由此構(gòu)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，在制造壓阻紗線時，需要在多根壓阻纖維之外進一步添加多根不導(dǎo)電纖維，將該多根壓阻纖維與多根不導(dǎo)電纖維(例如滌綸或錦綸等不導(dǎo)電纖維)合并捻制而成壓阻紗線，通過這種方式制造的壓阻紗線在潮濕的環(huán)境中，在自然狀態(tài)下和受到壓力的狀態(tài)下測得到電阻值有較大的差別，自然狀態(tài)下的電阻值至少是受壓狀態(tài)下的電阻值的3倍。并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濕皮膚的電阻的差距，從而降低由于皮膚潮濕對于傳感器數(shù)據(jù)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(zhì)量大小測試傳感器的電阻變化。案例1：將占壓阻層總重量12.5％、粒徑30～50nm、比電阻≤10ω·cm的高結(jié)構(gòu)導(dǎo)電炭黑粉體與占壓阻層總重量86.5％的聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)以及占壓阻層總重量1.0％的分散劑、偶聯(lián)劑和抗氧劑等助劑經(jīng)包覆、分散、混合后，經(jīng)雙螺桿造粒制得壓阻層材料；以纖維級聚對苯二甲酸乙二醇酯切片為非導(dǎo)電芯層材料；兩組份分別加入復(fù)合紡絲機的a、b料倉，進入干燥機進行干燥,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后通過織機加工成2cm*2cm的矩形壓阻傳感器進行壓力電阻測試。最終制得傳感器最大壓力感應(yīng)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：壓阻紗線制備方法同案例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(jié)構(gòu)導(dǎo)電炭黑粉體與占功能層(壓阻層)總重量60.5％的聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)以及相應(yīng)的占壓阻層總重量1.0％的分散劑、偶聯(lián)劑、抗氧劑等混合制成壓阻層材料；以纖維級聚己內(nèi)酰胺切片為非導(dǎo)電芯層材料制成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后通過織機加工成2cm*2cm的矩形壓阻傳感器進行壓力電阻測試。最終制得傳感器最大壓力感應(yīng)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)，其余為分散劑、偶聯(lián)劑、抗氧劑等。制得36f-90d的壓阻紗線后與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(shù)據(jù)為：傳感器最大壓力感應(yīng)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，主要不同之處在于壓阻層成分中的聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)被聚己內(nèi)酰胺(pa6)替換，所選用的分散劑、偶聯(lián)劑、抗氧劑與實施例1-3相同。實施例1-6數(shù)據(jù)如下表：結(jié)論1對比實驗后數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生了影響。經(jīng)過1-3組數(shù)據(jù)與4-6組數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，使用pa6作為纖維中聚合物使得傳感器的最大壓力感應(yīng)及傳感器電阻最大差值都要明顯高于pbt。通過對1-3組數(shù)據(jù)、4-6組數(shù)據(jù)進行分別對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓阻層中的炭黑含量增加時傳感器的最大壓力感應(yīng)有所提升，但當(dāng)炭黑比例增加到一定量時，數(shù)據(jù)變化開始趨于不明顯，考慮到成本等綜合因素，第5組數(shù)據(jù)為最優(yōu)方案。實施例7-11：在以數(shù)據(jù)5的配比方案為基礎(chǔ)下，對壓阻紗線中壓阻纖維及非導(dǎo)電纖維在壓阻紗線中的配比情況進行了研究，數(shù)據(jù)對比如下：實施例7-11數(shù)據(jù)如下表：結(jié)論2在以數(shù)據(jù)5的配比方案為基礎(chǔ)下，對壓阻紗線中壓阻纖維及非導(dǎo)電纖維在壓阻紗線中的配比情況進行了研究。實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，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(yīng)及傳感器電阻最大差值。當(dāng)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于平緩。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，考慮到成本等綜合因素的影響，第8組數(shù)據(jù)為最優(yōu)方案。實施例12-14：在以數(shù)據(jù)8方案為基礎(chǔ)下，對于壓阻紗線總體孔數(shù)對于傳感器功能的影響進行了研究，數(shù)據(jù)對比如下：實施例12-14數(shù)據(jù)如下表：案例121314壓阻紗線總線密度(dtex)120120120非導(dǎo)電紗線總線密度(dtex)606060壓阻紗線整體孔數(shù)(f)604836傳感器最大壓力感應(yīng)(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(jié)論3在以數(shù)據(jù)8方案為基礎(chǔ)下，對于壓阻紗線總體孔數(shù)對于傳感器功能的影響進行了研究。當(dāng)壓阻紗線的孔數(shù)提升，壓阻紗線中壓阻纖維與非導(dǎo)電纖維的融合度會更加均勻。通過實驗數(shù)據(jù)得知，當(dāng)總體紗線孔數(shù)提升時，傳感器最大壓力感應(yīng)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(shù)大于25f，可在25f-70f之間，優(yōu)選為60f。本發(fā)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(dǎo)電紗線織成。所述壓阻傳感器的大部分區(qū)域或全部區(qū)域都由織物本體包圍。所述傳感器本體由本發(fā)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(guī)則圖形等；所述電極由導(dǎo)電紗線織造而成，所述導(dǎo)電紗線選用比電阻小于10^2ohm/cm的導(dǎo)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(dāng)傳感器本體受力時，其電阻變化可由電極采集。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?zhèn)鞲衅鞯碾娮枳兓瘮?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可通過傳輸模塊進行實時或主動同步等方式傳輸?shù)绞謾C，平板，pc等設(shè)備進行進一步計算處理。當(dāng)前第1頁12