CN105928980B - 织物拉伸传感器的制备方法 - Google Patents

织物拉伸传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种织物拉伸传感器的制备方法，首先选择一种高弹纱线，织造成织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；然后根据计算结果和天线所需的工作频率，计算天线的辐射元的基本尺寸，选择一种弹性导电纱线与高弹纱线一起织造天线的辐射元、馈电线以及接地板；最后通过垂直捆绑纱，将各部分织造成为一个整体的拉伸变形时频率变化明显且存在线性规律的织物天线结构。本发明将容易拉伸变形的纺织结构与天线元件相结合，实现了一种同时兼具无线信号传输功能和拉伸传感功能的拉伸传感织物；该传感织物具有结构完整性好，在外力作用下变形稳定均匀、可以预测的特点；产品成本较低，性能稳定，有利于推广使用。

Description

织物拉伸传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种织物拉伸传感器的制备方法，属于功能纺织品以及智能纺织品技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，信息科学、材料科学等相关技术与传统纺织品不断发展融合，纺织品已突破了原有保温和美化的使用范畴，在保持纺织品原有属性的前提下，朝着功能化和智能化的方向发展，赋予了纺织品独特的使用功能，逐渐步入了智能纺织品的新时代。将传统服装纺织与电子信息、半导体、无线电通讯等交叉学科的相互结合，成为了传统行业与高新技术的一个交汇点，为智能纺织品的蓬勃发展打下了坚实基础，开辟了全新的发展领域，扩宽了内涵。电子智能纺织品是传感、通讯、人工智能等高科技手段应用于纺织品技术上而开发出的新型纺织品。
目前为止，对纺织结构的传感器已经有了大量的研究。第一阶段是将传统的面料和一些普通的电子元件，如传感器、电阻、二极管、芯片等通过对面料和服装结构的设计把电子元件附加在纺织品或服装上。该种传感器不能折叠，不能清洗，且无法大规模生产。第二阶段电子智能纺织品发展到把传感器、处理器、存储器等电子元件微化，将其与纤维结合，制作成特种纤维，如导电纤维等，再用这些特种纤维编织成面料，制作成服装。这种传感器克服了早期传感器不能折叠、不能清洗的缺点，但是这种结构仍是将单一功能的传感元件、收发信号元件嵌入到纺织品中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何制备一种兼具无线信号传输功能和拉伸传感功能的拉伸传感织物。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于，该方法由以下3个步骤组成：
步骤1：选择一种高弹纱线，织造成织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；
步骤2：根据天线所需的工作频率和所得到的介电常数，计算天线的辐射元的基本尺寸，选择一种弹性导电纱线，与所述高弹纱线一起织造天线的辐射元、馈电线以及接地板；
步骤3：通过垂直捆绑纱，将介质基片、辐射元、馈电线以及接地板织造成为一个整体的、拉伸变形时频率变化明显且存在线性规律的织物天线结构；
其中，所述高弹纱线和弹性导电纱线的断裂伸长率均不低于50％。
优选地，所述步骤1中，高弹纱线的介电性能为：介电常数2-8，介电损耗角正切0.00001-0.01。
更优选地，所述步骤1中，高弹纱线为弹性氨纶、涤纶弹性纱线或弹性橡胶纱线。
进一步地，所述高弹纱线密度为40-2000dtex，可以通过调整经纬纱线的模量来调整织物的拉伸传感灵敏度。
优选地，所述步骤1中，织物为三维结构织物或拉伸状态下结构变化均匀的二维弹性结构织物。
更优选地，所述三维结构织物为三维正交织物、三维角联锁织物或三维间隔织物。
优选地，所述步骤2中，弹性导电纱线的电导率为103-108s/m。
更优选地，所述步骤2中，弹性导电纱线为弹性金属镀层纱线或弹性金属包缠纱线。
进一步地，所述弹性金属镀层纱线的制作方法为：将弹性纱线在设定预拉伸的情况下进行金属电镀，电镀结束后释放预拉伸作用力并回缩，即可得到弹性金属镀层纱线；
所述弹性金属包缠纱线的制作方法为：弹性纱线在设定预拉伸的情况下，将导电纤维包缠于芯纱表面，包缠结束后释放预拉伸作用力并回缩，即可得到弹性金属包缠纱线。
更进一步地，所述设定预拉伸为30％-80％。
优选地，所述步骤3中，垂直捆绑纱为柱纱或间隔纱线。
优选地，所述织物天线结构基于微带天线结构、平面天线结构或曲面共形天线结构。
优选地，所述织物天线结构基于对称振子天线结构或相控阵天线结构。
优选地，在拉伸作用下，织物天线结构发生变形，从而导致天线的工作频率发生变化；通过对天线信号的监测反推织物天线结构的拉伸变形情况，从而实现织物天线结构拉伸传感监测功能。
优选地，所述天线的工作频率可选用L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段等，可按照实际需求的工作频率来设计织造天线的尺寸。
优选地，所述天线的工作频率可随织物天线结构长度方向的拉伸应变而变化，也可以随织物天线结构宽度方向的拉伸应变而变化。
本发明织物拉伸传感器采用三维织物制造技术，将弹性导电纱线与高弹纱线织造成为微带天线结构，其辐射元、接地板以及馈电线由弹性导电纱线构成，介质基片由介电性能优良的高弹纱线构成，各个部件通过三维织造工艺织造成为一个整体。当织物发生拉伸变形时，天线的工作频率发生变化。通过对天线信号的监测可反推织物的拉伸变形情况，从而实现织物拉伸传感监测功能。为多功能纺织品和智能纺织结构提供了一种新的设计思路。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、将容易拉伸变形的纺织结构与天线元件相结合，实现了一种同时兼具无线信号传输功能和拉伸传感功能的拉伸传感织物；
2、该传感织物具有结构完整性好，在外力作用下变形稳定均匀、可以预测的特点；
3、该传感织物具有柔性的纺织结构，可通过调整纱线参数和结构参数控制织物的拉伸变形，从而调控传感织物的灵敏度；
4、可采用三维机织间隔织物，中空度高，介电常数小，介电损耗小，制成的微带天线性能更好；
5、采用自动化三维机织工艺，产品成本较低，性能稳定，有利于推广使用，在军工国防、人体运动监测、智能服装与智能结构领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为织物拉伸传感器的制备方法流程图；
图2为拉伸传感织物示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
结合图1，三维正交结构拉伸传感天线织物的制备，具体方法如下：
(1)选用镀银弹性涤纶丝作为导电纱线，将细度为400dtex的弹性涤纶纱(美国杜邦公司)预拉伸50％情况下进行化学镀银，镀银结束后使纱线回缩得到弹性的导电涤纶纱线。
(2)设计天线工作频率为2.5GHz，所制备的三维织物厚度为1.5mm，其介电常数r＝2，根据天线设计理论(参见《天线理论与技术》第六章，钟顺时编著)计算得到单辐射元微带天线尺寸参数；如图2所示。图2中，1为辐射元，2为馈电线，3为基体；W和L分别为辐射元宽和长，WG和LG为成品微带天线的宽和长，FL为馈电线的长度，FD为馈电线的宽度。
(3)织造单辐射元微带天线预制件。设计基本结构预制件包括三层，最上层为弹性导电纱线织造的辐射元结构层；其下层为由弹性涤纶纱线作为经纬纱织造的基体织物层，基体织物层有两层经纱和三层纬纱组成，起到支撑辐射元的作用；最下层为弹性导电纤维织造的接地板层；三层织物结构由相互交织的垂直捆绑纱束缚成为一个整体。在沿织造方向达14mm时，开始织造天线辐射元，完成辐射元前半部分的30.6mm后，到达馈电线时，继续织造后半部分辐射元以及天线结构，织造工作完成。将同轴连接器(JSMA-KFD40)的探针与辐射元的馈电点处焊接，即完成三维正交结构拉伸传感织物的织造过程。
(4)该织物在拉伸率为0％-10％的过程中，其工作频率由2.5GHz减小至2.21GHz，如表1所示。通过对工作频率变化与压缩距离的拟合即得到两者之间的对应关系，利用该对应关系可以通过监测无线信号的变化情况感知织物的受压缩情况。
表1.传感织物长度L方向拉伸应变与工作频率关系
实施例2
基于碳管涂层纱线的拉伸传感天线织物的制备，具体方法如下：
(1)选用多壁碳纳米管涂层细度560dtex氨纶纱(江苏侨新纤维有限公司)线作为弹性导电纱线。将氨纶纱预拉伸50％情况下，浸渍到多壁碳纳米管水性分散液(中国科学院成都有机化学有限公司)中，待水分烘干挥发后释放预拉伸作用力，使纱线回缩得到弹性可拉伸的导电纱线。
(2)设计天线工作频率为3GHz，所制备的三维织物厚度为1.3mm，其介电常数r＝2，根据天线设计理论计算得到单辐射元微带天线尺寸参数，如图2所示。图2中，1为辐射元，2为馈电线，3为基体；W和L分别为辐射元宽和长，WG和LG为成品微带天线的宽和长FL为馈电线的长度，FD为馈电线的宽度。
(3)织造单辐射元微带天线预制件。设计基本结构预制件包括三层，最上层为弹性导电纱线织造的辐射元结构层；其下层为由弹性氨纶纱线作为经纬纱织造的基体织物层，基体织物层有两层经纱和三层纬纱组成，起到支撑辐射元的作用；最下层为弹性导电纤维织造的接地板层；三层织物结构由相互交织的垂直捆绑纱束缚成为一个整体。在沿织造方向达12mm时，开始织造天线辐射元，完成辐射元前半部分的26.8mm后，到达馈电线时，继续织造后半部分辐射元以及天线结构，织造工作完成。将同轴连接器(JSMA-KFD40)的探针与辐射元的馈电点处焊接，即完成三维正交结构拉伸传感织物的织造过程。
(4)该织物在拉伸率为0％-10％的过程中，其工作频率由3GHz减小至2.51GHz，如表2所示。通过对工作频率变化与拉伸距离的拟合即得到两者之间的对应关系，利用该对应关系可以通过监测无线信号的变化情况感知织物的受拉伸形变。
表2.传感织物长度L方向拉伸应变与工作频率关系

Claims (10)

1.一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于，该方法由以下3个步骤组成：
步骤1：选择一种高弹纱线，织造成织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；
步骤2：根据天线所需的工作频率和所得到的介电常数，计算天线的辐射元的基本尺寸，选择一种弹性导电纱线，与所述高弹纱线一起织造天线的辐射元、馈电线以及接地板；
步骤3：通过垂直捆绑纱，将介质基片、辐射元、馈电线以及接地板织造成为一个整体的、拉伸变形时频率变化明显且存在线性规律的织物天线结构；
其中，所述高弹纱线和弹性导电纱线的断裂伸长率均不低于50％。
2.如权利要求1所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，高弹纱线的介电性能为：介电常数2-8，介电损耗角正切0.00001-0.01。
3.如权利要求1或2所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，高弹纱线为弹性氨纶、涤纶弹性纱线或弹性橡胶纱线。
4.如权利要求1所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，织物为三维结构织物或拉伸状态下结构变化均匀的二维弹性结构织物。
5.如权利要求4所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述三维结构织物为三维正交织物、三维角联锁织物或三维间隔织物。
6.如权利要求1所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，弹性导电纱线的电导率为103-108s/m。
7.如权利要求1或6所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，弹性导电纱线为弹性金属镀层纱线或弹性金属包缠纱线。
8.如权利要求7所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述弹性金属镀层纱线的制作方法为：将弹性纱线在设定预拉伸的情况下进行金属电镀，电镀结束后释放预拉伸作用力并回缩，即可得到弹性金属镀层纱线；
所述弹性金属包缠纱线的制作方法为：弹性纱线在设定预拉伸的情况下，将导电纤维包缠于芯纱表面，包缠结束后释放预拉伸作用力并回缩，即可得到弹性金属包缠纱线。
9.如权利要求1所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：所述织物天线结构基于微带天线结构、平面天线结构或曲面共形天线结构。
10.如权利要求1所述的一种织物拉伸传感器的制备方法，其特征在于：在拉伸作用下，织物天线结构发生变形，从而导致天线的工作频率发生变化；通过对天线信号的监测反推织物天线结构的拉伸变形情况，从而实现织物天线结构拉伸传感监测功能。
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