CN106894133A - 一种电阻式可拉伸多维力传感纱线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电阻式可拉伸多维力传感纱线，包括一根芯纱和两根包缠纱，一根包缠纱通过螺旋的方式缠绕在所述芯纱上形成纱线，另一根包缠纱以和前一根包缠纱相反的方向螺旋缠绕在所述纱线上形成包覆纱；所述包覆纱为负泊松比纱线结构，且进行导电处理。本发明能够满足无缝嵌入传统服装中实现人体功能性运动及活动的无干扰实时监测要求。

Description

一种电阻式可拉伸多维力传感纱线
技术领域
本发明涉及纺织工程技术领域，特别是涉及一种电阻式可拉伸多维力传感纱线。
背景技术
随着可穿戴式电子的飞速发展，柔性应变传感器的需求日益增加，其独特的弹性、耐磨性和可扩展性可以覆盖三维表面。相对于传统传感器而言，柔性传感器具有柔软舒适、可穿戴性、便携性和隐蔽性等特点，广泛用于身体运动姿态监测和健康状态检测方面。为了检测应变信号，如身体应变(排汗率，心脏率等)，关节的运动，肢体动作等，传感器应该具有灵活，耐磨，透气，舒适和隐蔽的特点。纺织应变传感器的测试原理是，导电纺织品随人体生理活动而产生变形，这种变形使其电阻或电容发生变化，也就是通过电阻或电容变化反应人体生理活动状态。基于纺织类的传感器主要有织物式和纱线式传感器，相对而言，纱线式传感器具有更好的柔软性，产品设计灵活，且空间分辨率更高。
电阻式纱线传感器的基本工作原理是，纱线在拉伸或压缩变形下电阻呈现不同程度的变化。根据经典电阻理论公式，理想圆柱导体的电阻R为：R＝ρ·L/A，式中ρ为材料电阻率、L为导体长度、A为电流流过圆柱导体的横截面面积。因此，电阻式纱线传感器的基本设计原则是控制式中三个参数实现电阻变化。
电阻式纱线传感器的常见结构和制备方法包括两大类。一类是普通纺织纱线/单丝经导电整理而成，诸如普通纱线与导电高聚物的化学/电化学聚合及电镀等。另一类是基于导电纤维/微粒的纺纱/纺丝，一般采用金属纤维和普通纤维混纺成纱，或在纺丝熔融/溶溶液中添加导电材料共混纺丝。诸如专利CN101728005A公开了一种压力敏感导电纱线，能够检测不同的生物信息，该纱线包括由弹性纱线形成的芯纱和具有导电性的缠绕纱卷绕在芯纱上，其中，缠绕纱是不锈钢纤维和非导电纤维的混纺纱。专利CN1671901A公开了一种导电丝线，包括至少一根弹性芯线，至少一根缠绕芯线的导电丝线和不导电的绑扎线，整个导电丝线的弹性受绑扎线的限制，所缠绕的导电丝线采用较细的金属丝。尽管这几种方式实现了较好的拉伸性和重复性，但是金属丝线在使用过程中易发生氧化而降低传感器可重复性和稳定性，且在反复使用过程中也容易断裂而失去传感功能。同时，此类金属丝包缠纱弯曲刚度大大高于普通纱线，以致嵌入织物后降低产品柔软性和可穿戴性。总之，这些发明所公开的纱线传感器不仅难以满足传感器的重复性要求，也不满足可穿戴和长时间实时监测使用。
综上所述，现有发明所公开的传感纱线制备技术中，普通纱线制成的纱线传感器由于受到纱线本身的限制，其可拉伸性小，传感器的传感范围也就受限；利用一般弹性纱线如氨纶做纱线传感器，虽然增大了其传感范围，但其电阻变化主要是由于纱线自身的变形而产生的，在应用过程中，不仅只能满足单向力——拉伸力测试，且因纱线拉伸时纤维之间滑移引起明显的滞后性和塑性变形，传感器的重复性和稳定性差。另外，由于在康复理疗和运动训练等应用中，要求客观记录身体的运动状态，要求传感器不仅能够实现多维外力刺激测量和力的空间分布测量，如一般的压力、横向拉伸力和弯曲，还要与人体共形性好，能够覆盖任意的弯曲和运动表面。因此，现有发明所公开的电阻式传感纱线技术不能满足同时测量拉伸、弯曲和扭转等多维力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电阻式可拉伸多维力传感纱线，满足无缝嵌入传统服装中实现人体功能性运动及活动的无干扰实时监测要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电阻式可拉伸多维力传感纱线，包括一根芯纱和两根包缠纱，一根包缠纱通过螺旋的方式缠绕在所述芯纱上形成纱线，另一根包缠纱以和前一根包缠纱相反的方向螺旋缠绕在所述纱线上形成包覆纱；所述包覆纱为负泊松比纱线结构，且进行导电处理。
所述芯纱为弹力纱，所述芯纱的直径大于所述包缠纱的直径。
所述芯纱为氨纶。
所述包缠纱为导电单丝或中低捻导电单纱。
所述包缠纱为涤纶、锦纶或丙纶。
所述导电处理为碳纳米管、氧化石墨烯、本征型导电聚合物、纳米颗粒以及导电纳米线对包覆纱进行导电处理。
所述两根包缠纱中一根包缠纱以Z捻向进行缠绕，另一根包缠纱以S捻向进行缠绕。有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明具有较好的拉伸性和可逆性。芯纱为弹力纱，具有很好的弹性；包缠纱以一定包覆度包缠在弹力纱表面，在拉伸时随芯纱伸长而趋于伸直。鉴于芯纱具有一定可压缩性，两根包缠纱在弯曲内应力下具有挤压嵌入芯纱的趋势，减少传感纱线各构成组分之间的滑移，几乎消除两根导电包缠纱之间的磨损而破化导电性，以致这种双层包覆使得纱线结构在拉伸或挤压时稳定性好，提高纱线传感器的线性度和重复性。
本发明可以直接使用或以织造的方式制成导电织物，用于可穿戴产品，以负泊松比导电纱线/机织物作为核心传感元件，无线蓝牙数据采集卡作为数据采集系统进行人体状态监测，如肘关节运动，身体健康状态监测如呼吸、心率和睡眠状态监测等。以监测人呼吸为例，将所述纱线传感器固定在弹性带上束在身上，用金属导线做电极引出连接数据采集系统，通过观察电阻的变化监测呼吸的强弱和频率，呼吸的强弱用电阻变化的大小表示，呼吸频率用电阻的变化周期表示。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是内层Z捻外层S捻的负泊松比纱线的拉伸结构变化示意图；
图3是纱线电阻与其拉伸率之间的关系图；
图4是纱线传感器弯曲示意图；
图5是导电处理的预拉伸浸渍工艺示意图。
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。
本发明的实施方式涉及一种电阻式可拉伸多维力传感纱线，包括一根芯纱和两根包缠纱，一根包缠纱通过螺旋的方式缠绕在所述芯纱上形成纱线，另一根包缠纱以和前一根包缠纱相反的方向螺旋缠绕在所述纱线上形成包覆纱；所述包覆纱为负泊松比纱线结构，且进行导电处理。
负泊松比纱线结构是两种性质相差较大的纤维束或长丝束或单纱复合而成的包覆纱，其主要结构包括芯纱和包缠纱。本实施方式中，芯纱为弹力纱，直径比包缠纱大，径向具有一定可压缩性。包缠纱为两根导电单丝或中低捻导电单纱，二者以反向双螺旋结构缠绕在芯纱表面，如图1所示。本发明的纱线采用负泊松比结构，通过其在外力刺激下引起的电阻变化反应人体活动状态，利用负泊松比结构纱线显著的应变各向异性特点实现轴向拉伸和径向挤压的同步监测功能。
本发明是在弹性包覆纱上进行导电处理制成多维力传感纱线，弹性包覆纱的结构图如图1所示。其中，弹性芯纱可以选择氨纶或者其他弹性橡胶，包缠纱可以选择普通纱线，如涤纶、锦纶和丙纶等。通过将第一层包缠纱以螺旋方式缠绕在芯纱上，第二层包缠纱以和第一层相反的方向螺旋缠绕在纱线上，制作弹性包覆纱。弹性包覆纱的导电处理可以采用碳纳米管、氧化石墨烯、本征型导电聚合物、纳米颗粒以及导电纳米线等对纱线进行导电处理
本发明的电阻式纱线传感器具有较好的拉伸性和可逆性。芯纱为弹力纱，具有很好的弹性；包缠纱以一定包覆度包缠在弹力纱表面，在拉伸时随芯纱伸长而趋于伸直。鉴于芯纱具有一定可压缩性，两根包缠纱在弯曲内应力下具有挤压嵌入芯纱的趋势，减少传感纱线各构成组分之间的滑移，几乎消除两根导电包缠纱之间的磨损而破化导电性，以致这种双层包覆使得纱线结构在拉伸或挤压时稳定性好，提高纱线传感器的线性度和重复性。
所述负泊松比结构纱线的传感机制为：负泊松比结构纱线在拉伸或压缩时均能引起纱线电阻变化，其中在拉伸条件下的截面逐渐增加，压缩时反向双螺旋结构被挤压而扁平化而具有较大的电阻响应灵敏性，实现多维力传感性能。具体而言，在拉伸时，芯纱伸长，包缠纱逐渐伸直，从而包缠纱的包覆角度发生改变，包缠纱因拉伸挤压扁平化而使二者之间的交叉接触面积增加，同时轴向之间间隙随拉伸而趋于接触消失，如图2所示。因而，由于间隙和包覆角的变化，包缠纱间接触面积增加，接触电阻变逐渐减小，这引起拉伸时负泊松比纱线的总电阻发生变化，如图3所示。在扭转时，内外层包覆纱分别呈现相反的松紧状态，使得与扭转方向相同的包缠纱其包覆层之间接触更紧密，而与扭转方向相反的包缠纱其包覆层呈现退绕趋势，接触更松弛，从而传感纱线的线电阻随扭转而呈现变化；同时，由于内、外层包缠纱在初始时接触紧密程度的差异，导致接触电阻在不同扭转方向时电阻变化大小不同，这一点又被用于辨别扭转方向。在弯曲时，由于负泊松比纱线结构在弯曲内侧的包缠纱圈之间接触更加紧密，而弯曲外侧的包缠纱圈之间趋于分离，以致导电纱之间的接触面积随弯曲程度不同而不同，纱线电阻随之而变化，如图4所示纱线弯曲时的几何结构变化。
本发明为了保证导电纱线的柔软性以及电学性能，可采用本征型导电高聚物、氧化石墨烯、碳纳米管、纳米颗粒和导电纳米线等进行导电处理，采用预拉伸浸渍处理工艺，如图5所示。
下面通过两个具体的实施例来进一步说明本发明。
实施例1：首先将导电锦纶长丝以Z捻向以一定的包缠角度缠绕氨纶纤维，然后再以S捻向包缠纤维，得到内层Z捻外层S捻的负泊松比结构纱线。弹性包覆纱的导电处理的预拉伸过程图如图5所示，依照浆纱工艺设计纱线在一定拉伸状态下浸渍处理，使纱线吸附充分，利用两个压辊的速度差对纱线实现拉伸，便于在现有纺织设备基础上实现产业化生产。
由于独特的螺旋包覆结构，使得纱线传感器具有较大的可拉伸性和较好的可逆性，纱线拉伸变形时，纱线的微观螺旋结构也在变化，螺旋结构的改变使得单层包缠纱间的接触电阻变化，内外层包缠纱间的接触电阻也会改变，这样使得纱线总电阻变化，如图2和3所示。负泊松比结构纱线是内层Z捻、外层S捻，在顺时针扭转纱线内松外紧，内外层接触电阻增加，纱线整体电阻变大，而在逆时针扭转时纱线内紧外送，内外层接触电阻变小，纱线整体电阻减小。负泊松比结构纱线独特的螺旋结构使得纱线传感器分别在拉伸、扭转和弯曲时都有较好的电阻变化灵敏性。
实施例2：参照实施例1负泊松比结构纱线制作方法，但是采用锦纶缠绕芯纱内层S外层Z捻的方式，导电处理的方法参照实施例1。这种内层S捻外层Z捻的负泊松比纱线传感器在拉伸和弯曲时的电阻响应与实施例1变化趋势相同，但是在扭转时的电阻变化与实施例1相反，顺时针扭转纱线内紧外松，内外层包缠纱线接触减小，接触电阻变小，使得负泊松比纱线电阻减小，相反，逆时针扭转时，纱线内松外紧，内外层接触变大，整体纱线电阻增加。
由此可见，本发明的电阻式可拉伸多维力传感纱线既能够实现小变形下的高灵敏性，也具有大传感范围，在应用时，既能测量大应变范围的肢体运动等，也能监测细微的应变，如呼吸和心跳等身体变化。
不难发现，本发明可以直接使用或以织造的方式制成导电织物，用于可穿戴产品，以负泊松比导电纱线/机织物作为核心传感元件，无线蓝牙数据采集卡作为数据采集系统进行人体状态监测，如肘关节运动，身体健康状态监测如呼吸、心率和睡眠状态监测等。以监测人呼吸为例，将所述纱线传感器固定在弹性带上束在身上，用金属导线做电极引出连接数据采集系统，通过观察电阻的变化监测呼吸的强弱和频率，呼吸的强弱用电阻变化的大小表示，呼吸频率用电阻的变化周期表示。

Claims (7)

1.一种电阻式可拉伸多维力传感纱线，包括一根芯纱和两根包缠纱，其特征在于，一根包缠纱通过螺旋的方式缠绕在所述芯纱上形成纱线，另一根包缠纱以和前一根包缠纱相反的方向螺旋缠绕在所述纱线上形成包覆纱；所述包覆纱为负泊松比纱线结构，且进行导电处理。
2.根据权利要求1所述的电阻式可拉伸多维力传感纱线，其特征在于，所述芯纱为弹力纱，所述芯纱的直径大于所述包缠纱的直径。
3.根据权利要求1所述的电阻式可拉伸多维力传感纱线，其特征在于，所述芯纱为氨纶。
4.根据权利要求1所述的电阻式可拉伸多维力传感纱线，其特征在于，所述包缠纱为导电单丝或中低捻导电单纱。
5.根据权利要求1所述的电阻式可拉伸多维力传感纱线，其特征在于，所述包缠纱为涤纶、锦纶或丙纶。
6.根据权利要求1所述的电阻式可拉伸多维力传感纱线，其特征在于，所述导电处理为碳纳米管、氧化石墨烯、本征型导电聚合物、纳米颗粒以及导电纳米线对包覆纱进行导电处理。
7.根据权利要求1所述的电阻式可拉伸多维力传感纱线，其特征在于，所述两根包缠纱中一根包缠纱以Z捻向进行缠绕，另一根包缠纱以S捻向进行缠绕。
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