CN104246459B - 复合传感器纤维及其应用 - Google Patents

Abstract

一种复合传感器纤维，其包括丝状芯部(12)和外层(30)，外层包封由可探测的热响应材料制成的中间传感器层(20)。还公开了一种制造复合传感器纤维的方法、一种包括具有由该复合传感器纤维制成的基料的织物的敷料和一种利用所述敷料来监测创口的方法。

Description

复合传感器纤维及其应用

技术领域

本发明大体上涉及包含热响应材料的复合传感器纤维，并且涉及制造所述复合传感器纤维的方法。在特别有益的应用中，本发明涉及复合热变色纤维并且涉及包含这种纤维的织物或者无纺布。在一个方面中，本发明涉及含有热变色织物的敷料或者其他服装，并且提供了一种监测其上施用所述敷料的创口的方法。本发明的复合传感器纤维还可以用于监测例如建筑物件(例如，墙壁、地板和天花板)、金属线、电缆和管道的工程表面上的温度。

背景技术

已经公开了用于包括寝具、服饰、卫生保健和玩具的应用的多种纺织品，在这些纺织品中，将微囊包封的热变色颜料作为分散相结合到合成纤维中(例如，美国专利US 6,444,313和美国专利申请US2003/0087566)，或者利用粘合剂将微囊包封的热变色颜料作为纤维表面的包覆层结合到合成纤维中(例如，美国专利US 4,681,791)。在日本专利公开文件JP 59144613和JP 4756267中也公开了热变色的纱线、织物和服装。日本专利公开文件JP48044522公开了包含胆甾醇型液晶的复合纤维。

美国专利申请US 2008/0279253公开了热变色服装来追踪患者和儿童的体温调节以供临床医生、父母和照护者使用。所述服装包含至少两种对不同的温度范围敏感的热变色染料或者着色剂。这有利于识别身体是过热还是太冷，或者确定加热或冷却装置是否是充分工作的。所描述的实施例包括通过熔喷技术将微囊包封的无色染料添加到聚合物纤维网中。美国专利申请US 2009/00467760中描述了另一种结合有热变色颜料或热变色的条带状温度计的服装。这种服装被推荐作为一种提供早期检测并且防止皮肤表面受冻或者静脉机能不全的器件。

对于热变色液晶材料而言，已经存在对医学应用或者临床应用的一些公开。在美国专利US 5,806,528中，这类材料被推荐用作静脉内输送给患者的流体的温度指示器以确保所述流体的温度不会使患者不舒服或者对患者有害。美国专利申请US 2011/0028804公开了一种当被施加于皮肤上时呈现出热变色特性的外用产品。这种产品旨在用于通过识别出因存在于溃疡形成初期中的炎症引起的升高温度来诊断患者皮肤中的发病状况(例如，坏死和褥疮)。所述外用产品被描述为液体并且可能被用作喷雾剂。所述美国专利申请US2011/0028804建议将液晶混合物或者无色染料用作热变色组分来分散到润肤液或肥皂中。

美国专利US 5,181,905公开了一种含有热变色指示器的创口敷料，这种敷料用于在其被敷贴时监测下面创口的状况。热变色组分为热敏液晶带的形式，其具有许多含有在不同温度下变为呈现颜色的液晶混合物的标记盒。温度的确定取决于当敷料被敷贴时哪个标记盒或哪些标记盒呈现出颜色。

美国专利US 4,433,637描述了一种在黑色背衬上涂敷有微囊包封的液晶或其他的液晶的薄柔性板，其用作测量皮肤表面的温度的器件。

至少在一个或更多个方面中，本发明的目的是提供一种新颖且有用的复合传感器纤维。

本说明书中对任何现有技术的引用不是且不应当被认作是对以下情况的认可或者任何形式的暗示，即该现有技术形成澳大利亚或任何其他管辖权限中的公知常识或者该现有技术可能合理地预期为被所属领域中的技术人员确定、理解以及认为是相关的。

发明内容

在第一方面中，本发明提供了一种复合传感器纤维的新颖结构，该复合传感器纤维可以被有用地改造成复合热变色纤维。在该方面中，本发明还提供了一种用于形成所述复合传感器纤维的方法。

本发明的第二方面蕴含以下认识，即：由复合热变色纤维形成的织物或者无纺布可以被有效地结合到敷料中，通过该敷料可以在不使用外部电子设备或者温度探针的情况下监测下层创口的状况。在该方面中，本发明还提供了一种监测创口的方法。

在本发明的第一方面中，本发明提供了一种复合传感器纤维，所述复合传感器纤维包括丝状芯部和外层，外层包封由可探测的热响应材料制成的中间传感器层。

在该第一方面中，本发明还提供了一种制造所述复合传感器纤维的方法，包括从丝状芯部的供给源连续地供给丝状芯部并且在一定的温度下围绕芯部共挤热响应材料并围绕热响应材料共挤外层，该温度便于共挤，但在该温度下芯部基本上保持为固态并且外层基本上不会抑制热响应材料的传送。

在一个实施例中，热响应材料是热变色材料。优选的热变色材料包括热变色液晶材料，该热变色液晶材料通常可以是液晶化合物的混合物以便在预定温度范围上获得预定的温度指示精度。

对于热变色应用而言，外层通常是透明的，并且丝状芯部优选被配置成为便于观察热变色材料中的温度变化或者温度梯度变化(例如，特殊颜色的显现或者梯度)提供对照。丝状芯部的有益实施例呈现出大致圆形或者大致三叶形的截面。

本发明的第一方面提供了由本发明的复合传感器纤维形成的或者结合有该复合传感器纤维的材料，例如但不限于织物、无纺布及其他纤维材料。

在本发明的第二方面中，提供了一种敷料，其包括织物，织物具有由根据本发明的第一方面的热变色复合传感器纤维制成的基料，该纤维通过可视地展现出颜色变化或者颜色梯度变化来指示邻近敷料的局部体温变化。

在本发明的第二方面中，本发明还提供了一种监测创口的方法，包括将敷料敷贴至创口，所述敷料包括织物，织物具有由根据本发明的第一方面的热变色复合传感器纤维制成的基料，该纤维通过可视地呈现出颜色变化或者颜色梯度变化来指示邻近敷料的局部体温变化。

本发明的第二方面的热变色纤维优选是根据第一方面的复合传感器纤维，该复合传感器纤维中的中间传感器层包含热变色材料。对于该应用而言，热变色材料优选但不排他地为以下液晶材料的混合物，该液晶材料的混合物选择成使得观察到的颜色变化或者颜色梯度变化在规定的温度范围上提供预定精度内的邻近环境温度的指示。用于创口监测的合适温度范围可以为25℃到45℃，但不限于这个范围。合适的液晶材料是胆甾醇基化合物，但是实际上也可以是非甾醇类。

除非上下文另有要求之外，如本文中所使用的，术语“包括(comprise)”和该术语的变型，例如“comprising”、“comprises”和“comprised”不意图排除其他的添加物、组分、整数或步骤。

根据以下作为示例并参照附图给出的说明，先前段落中所述的方面的其他实施例和本发明的其他方面将变得显而易见。

附图说明

仅作为示例，现在将参照附图进一步描述发明，其中：

图1是根据本发明的第一方面的复合传感器纤维的实施例的可替代的理想化横截面的图形；

图2是用于形成如图1中所描绘的复合传感器纤维的合适的熔化挤出装置的示意图；

图3是图2中所示的装置的模具的简化横截面；

图4是随结合有胆甾醇基液晶材料的特殊混合物的复合传感器纤维的温度变化的在可见范围内的反射光谱的曲线图；以及

图5(通过灰度阴影)描绘了对温暖的人手施加至由复合热变色纤维织成的织物的热变色响应，所述复合热变色纤维与具有图4中所示的响应特性的复合传感器纤维类似。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的复合传感器纤维10的两个优选但非限制性的可替代横截面。每根纤维包括实心的丝状芯部12和外层30，外层30包封由可探测的热响应材料构成的中间传感器层20。外层30具有大致管状结构。在一个实例中，芯部为实心圆柱形，而在另一实例中，芯部为对称的三叶形。两个图示都是理想化的：真实的纤维近似于这些形状。

复合传感器纤维的特别有用的形式是以下形式：中间传感器层20包括热变色材料，芯部12提供对照以便于观察中间层中的颜色变化和/或颜色梯度变化，并且外层30是基本上透明的以用于观察上述颜色变化或者颜色梯度变化。在特别重要的实施例中，芯部12是包含有黑色颜料或者深色颜料的聚合物，中间传感器层20是热变色液晶混合物。当温度穿越由液晶混合物组分所确定的工作温度范围地增加时，这种复合传感器纤维穿越从红色到蓝色的整个可见光谱可逆地改变颜色。与未包封的热变色液晶混合物的总体特性一致，这种纤维呈现出清楚和可逆的热变色特性。

丝状芯部12可以是单丝纤维或者多丝纤维，鉴于如下所述的成型工艺，丝状芯部优选由高温稳定性聚合物或者金属制成。一种特别适合的这类聚合物是包含黑色颜料或者深色颜料的聚醚醚酮(PEEK)。芯部优选(虽然不是必须的)为其他纤维层提供机械支撑。

在中间层20是热变色材料的情况中，图1的三叶形形状是优选的，因为从任何给定的角度来看时这会使对照背景最明显，同时不损害材料在稍后描述的用于形成复合纤维的共挤工艺中的流动性。在这种情况中，中间层20被分成三个纵向部分，并且芯部12在每个叶片的尖端处接触外层30并从而锚定至外层。

然而，在最简单的情况中，芯部12的横截面可以是大致圆形的。在其他实施例中，芯部的横截面可以是例如为带直边的细长形或线状、或者椭圆形、或者为四叶形、六叶形等的更复杂的形状。

中间传感器层通常在室温下可以是液体、低熔点蜡或者固体。优选的液晶混合物在20℃的室温下是蜡状的或者油质状的。

一种用于形成本发明的复合传感器纤维(特别是优选的复合热变色纤维)的优选工艺是熔化共挤出工艺。图2中提供了用于这种工艺的装置的简图。同时将三种组分进给至配置成用于“绞线涂敷”共挤出的模具40中。图3中示出了结果良好的模具配置的简化横截面形状。

使预制的包含有黑色颜料的高熔化温度的聚合物纤维/丝12'(例如，包含有碳黑颜料的PEEK)通过进料点42竖直地穿过模具40并且通过下游的导丝辊系统50以受控的稳定速率从供给线轴51拉出。与此同时，以稳定速率将预制的热变色液晶混合物20'从液泵52进给到进料点44中，并且通过熔化挤出机54以稳定速率将合适的聚合物30'以熔体进给到进料点46中。

用于外部透明层的合适的聚合物的示例是聚丙烯，其具有基本上低于内芯材料的熔化温度(例如，低于200℃)，并且发现在所示的装置中运行很好。PEEK的熔化温度为343℃。

将液泵维持在例如处于40-80℃的范围内的温度下，以使得液晶混合物能够充分地流动。

在芯部纤维12'穿过模具时，通过围绕芯部12'共挤热变色液晶材料20'并且围绕液晶材料20'共挤外层30'，将液晶层和聚合物层涂敷到芯部纤维12'上。在模具的出口48处，外部聚合物层固化并将热变色中间层圈闭在芯部纤维与外部聚合物层之间。然后，使合成的复合纤维10穿过导丝辊系统50(这可以或者可能不会涉及进一步拉长)，并在绕线机处将复合纤维收集到绕线管56上。

通过导丝辊系统拉/拽出PEEK纤维/丝12'。按照随PEEK纤维的通过速度和期望的负载而定的速率将液晶材料和聚合物熔体同时进给到模具中。通过液泵52控制液晶材料的释放速率。所形成的复合传感器纤维的直径范围通常为5到300微米，优选地30到300微米，最优选地60到300微米，但不限于这些范围，而是取决于横截面形状中的各组分的相对量。

在上述过程中，维持各条件以确保两种组分大致均匀地涂敷在PEEK纤维外侧上。例如，如果模具的温度太低，则聚丙烯熔体会阻止液晶材料在两个聚合物层之间流出模具的过程。因此，将模具的温度设定在一定范围内，该温度范围促进挤出，但是在该温度范围内，芯部基本上保持为固态(因此通常几乎不经受变形或不经受变形)，并且外层不会抑制液晶材料的传送。发现符合用于所述进料组分的上述要求的合适温度范围高于外部材料的熔化温度但是低于内芯材料的熔化温度，例如在170℃到200℃的范围内。

根据本发明的第一方面的复合纤维的应用包括用于工程表面(例如建筑物表面(墙壁、地板和天花板)、金属线、电缆及管道)和人体表面的热图绘制的温度指示装置。根据本发明的第二方面的所示复合纤维的特别有用的应用是创口敷料。在一个实施例中，复合纤维10可以被编成或者织成不同直径(例如，在2mm到10cm之间)的管状创口敷料。对于该应用而言，中间传感器层20的热变色材料变成具有处于“病理”温度范围25-45℃内的任意工作温度。在更专业的应用中，例如，冻疮患者，将会适当地更改工作温度。作为创口敷料，当敷贴所述敷料时，所述复合纤维使得临床医生和患者能够自我监测、观察或者绘制横跨并围绕创面(wound bed)的温度分布，特别是慢性创口(例如，腿部溃疡、褥疮和糖尿病足溃疡)的温度分布。该类系统的优点在于其不依赖于任何电子设备或者探针的使用，这些电子设备或者探针会是侵入性的、昂贵的以及要不然不实用的。可以通过将观察到的热变色纤维内部的局部颜色与校准的色温图表进行比较来获得温度指示。可以记录绝对温度以及未损坏的周围组织与创面的不同区域之间的温度差或者温度梯度。所观察到的颜色或者颜色梯度理论上应当在规定的病理温度范围(例如，上述的25℃到45℃)或者更集中的范围(例如，27-37℃或33-37℃)上给出差别在0.1到0.5℃内的周围环境温度的精确指示。

创口的温度监测可以在例如有害的炎症与感染(一般伴随有温度的局部升高)或者组织坏死与对组织的血液供给的中断(一般伴随有温度的局部下降)的问题的早期检测方面给予帮助。对正在发展中的问题的早期检测可以致使更恰当的创口处理，从而致使更快的创口愈合。

热变色纤维材料的其他应用包括以下服装(例如，长袜或者短袜)，用于监测被视为处于例如腿部静脉溃疡的慢性创伤扩展的风险下的未损坏皮肤的温度，所希望的是在一些情况下可以完全阻止创口的形成。

通过慎重选择液晶混合物，上述材料在其工作温度范围的下限处呈现红色，并且随着温度的升高颜色贯穿整个可见光谱(红色到黄色到绿色到蓝色)地转换。上述特性是完全可逆的。

已经发现，令人满意的液晶混合物是包含胆甾醇油烯基碳酸酯(COC)、胆甾醇壬酸酯(CN)和胆甾醇2,4-二氯苯甲酸酯(CD)的胆甾醇基化合物的混合物。可接受的混合物包括：

i 50％COC,40％CN,10％CD

ii 40％COC,40％CN,20％CD

iii 30％COC,40％CN,30％CD

其他合适的胆甾醇基衍生物包括但不限于胆甾醇苯甲酸酯、胆甾醇丙酸酯、胆甾醇油酸酯和胆甾醇氯化物。可以通过如下来制备所述混合物，即：称量两种或更多种胆甾醇基衍生物并且将它们加入到玻璃容器中，以及在混合的同时加热到90-110℃，直到所有组分熔化并化合以形成同质的澄清液为止。当被冷却至室温时，所合成的混合物形成浓密和油质的稠度。所选择的化合物及其相对含量决定了热变色混合物的工作温度范围。其他合适的混合物包括胆甾醇基化合物和非甾醇基化合物两者。

已经证实，就上述液晶混合物的热变色响应而言，该液晶混合物穿过模具以及最终圈闭在PEEK层与聚丙烯聚合物层之间不会显著地改变该液晶混合物。

图4示出了当上述液晶混合物(ii)的温度升高时可见范围中的反射光谱是如何从光谱的红色端转移至蓝色的。已经发现，这种特性比未包含的混合物的好并且是可逆的。

包括PEEK芯部、液晶混合物(ii)和聚丙烯外层的复合热变色纤维被织成直径从2mm到10cm变化的管状织物敷料。图5示出了织物100，并且(通过灰度阴影)描绘了对温暖的人手施加至织物的热变色响应。

Claims (11)

1.一种由复合传感器纤维形成或包含复合传感器纤维的织物，复合传感器纤维包括丝状芯部和外层，该外层包封有在丝状芯部和外层之间的由可流动且可探测的热变色液晶材料制成的中间传感器层，

所述外层是透明的，所述外层的熔化温度低于所述丝状芯部的熔化温度，

其中，所述丝状芯部是单丝纤维或者多丝纤维，具有选自于大致圆形截面和大致三叶形截面的横截面，是包含有黑色颜料或者其他深色颜料的聚醚醚酮，并且被配置成为便于观察所述热变色液晶材料中的温度变化或者温度梯度变化提供对照，并且温度变化或者温度梯度变化包括颜色变化或者颜色梯度变化，并且

其中，该热变色液晶材料包括由胆甾醇油烯基碳酸酯、胆甾醇壬酸酯、胆甾醇2,4-二氯苯甲酸酯、胆甾醇苯甲酸酯、胆甾醇丙酸酯、胆甾醇油酸酯和胆甾醇氯化物中的至少两种构成的混合物，这样的液晶化合物的混合物被选择成在预定温度范围上获得预定的温度指示精度。

2.一种包含根据权利要求1所述的织物的成衣制品。

3.一种制造由复合传感器纤维形成或包含复合传感器纤维的织物的方法，复合传感器纤维包括丝状芯部和外层，该外层包封有在丝状芯部和外层之间的由可流动且可探测的热变色液晶材料制成的中间传感器层，该方法包括：

从所述丝状芯部的供给源连续地供给丝状芯部并且在一定的温度下围绕所述丝状芯部共挤热响应材料以及围绕所述热响应材料共挤所述外层，所述温度便于所述共挤，但在该温度下所述丝状芯部保持为固态并且所述外层不会抑制所述热响应材料的传送；以及

把所述复合传感器纤维形成或包含到织物中；

其中，

所述外层是透明的，所述外层的熔化温度低于所述丝状芯部的熔化温度，

所述丝状芯部是单丝纤维或者多丝纤维，具有选自于大致圆形截面和大致三叶形截面的横截面，是包含有黑色颜料或者其他深色颜料的聚醚醚酮，并且被配置成为便于观察所述热变色液晶材料中的温度变化或者温度梯度变化提供对照，并且温度变化或者温度梯度变化包括颜色变化或者颜色梯度变化，并且

其中，热响应材料由热变色液晶材料构成，该热变色液晶材料包括由胆甾醇油烯基碳酸酯、胆甾醇壬酸酯、胆甾醇2,4-二氯苯甲酸酯、胆甾醇苯甲酸酯、胆甾醇丙酸酯、胆甾醇油酸酯和胆甾醇氯化物中的至少两种构成的混合物，这样的液晶化合物的混合物被选择成在预定温度范围上获得预定的温度指示精度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，该混合物在20℃下是蜡状的或者油质状的。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在选择成能使所述混合物充分地流动的升高温度下通过泵进给所述液晶化合物的混合物。

6.一种敷料，包括根据权利要求1所述的织物，织物具有由所述的热变色的复合传感器纤维制成的基料，所述热变色复合传感器纤维通过可视地呈现出颜色变化或者颜色梯度变化来指示出邻近所述敷料的局部体温变化。

7.根据权利要求6所述的敷料，其中所述复合传感器纤维被选择成由此通过颜色变化或者颜色梯度变化来可视地呈现出邻近所述敷料且在25℃到45℃的范围内的局部体温变化。

8.根据权利要求7所述的敷料，其中所述复合传感器纤维的热响应材料是选择成在25℃到45℃的温度范围内获得预定的温度指示精度的液晶化合物的混合物。

9.一种监测创口的方法，包括将敷料敷贴到所述创口，敷料包括根据权利要求1所述的织物，织物具有热变色的所述复合传感器纤维制成的基料，热变色的所述复合传感器纤维通过可视地呈现出颜色变化或者颜色梯度变化来指示出邻近所述敷料的局部体温变化。

10.根据权利要求9所述的方法，其中选择所述织物的复合传感器纤维以由此通过颜色变化或者颜色梯度变化来可视地呈现出邻近所述敷料且在25℃到45℃的范围内的局部体温变化。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述复合传感器纤维的热响应材料是选择成在25℃到45℃的温度范围内获得预定的温度指示精度的液晶化合物的混合物。