CN107385623B - 一种柔性应变传感机织物及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性应变传感机织物及其制作工艺，所述柔性应变传感机织物包括非导电弹性机织物和弹性导电纱线，所述弹性导电纱线作为浮纹纱线固结在非导电弹性机织物表面形成浮纹图案，所述弹性导电纱线的两端设有用于电连接的接头和引线。本发明提供的柔性应变传感机织物，结构简单、柔软性好、舒适性高、可水洗、可实现连续生产，具有全方向上的应变传感功能，机织物的灵敏度高且稳定性好，在智能纺织品领域有很好的应用前景，适用性广；另外，本发明还具有制作工艺简单、使用方便、应变传感织物表面图案可设计，具有美观性等优点，具有极强的实用价值，值得广泛推广应用，相对于现有技术，具有显著性进步。

Description

一种柔性应变传感机织物及其制作工艺

技术领域

本发明涉及一种织物及其制作工艺，具体涉及一种柔性应变传感机织物及其制作工艺，属于纺织技术领域。

背景技术

随着社会的发展，纺织品在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色，出现了许多功能化的纺织品。如防水透湿纺织品，可以改善织物舒适性、减少环境污染；阻燃纺织品，可用于消防；还有抗紫外线纺织品，电磁屏蔽纺织品等。智能纺织品也越来越受到国内外研究学者的关注，其可用于医疗监测、健康监测、娱乐等领域。

应变传感器是测量物体受力变形所产生应变的一类传感器，与传统采用刚性材料制成的传感器不同，柔性应变传感器由于采用柔性材料制成，具有柔韧性好，可自由弯曲甚至折叠的特性，具有更广泛的应用前景。随着新型材料和智能材料研究，国内外研究人员对普通电阻应变传感器基底材料进行改进，在非导电高分子材料中添加导电介质或将导电聚合物涂覆在柔性基底上以获得具有应变敏感性的柔性应变传感器(例如：CN200910137579.5、CN201410825934.9等)。目前已经有相关报道将柔性应变传感器应用于纺织品上以制备出可以实时监测穿着者的肢体活动以及呼吸信息或心率信息等信息的智能纺织品。但是些导电基体或导电聚合物应用于纺织品时缺乏了纺织品应有的柔软舒适感。

将导电纱线用于织物中制造柔性织物应变传感器可将传感原件与织物结构更好地融合成有机整体。相关报道有很多，其原理是在织物受力拉伸过程中，组成织物的导电纱线间距增大，从而使导电纱线之间的接触电阻增大，实现电阻式应变传感。目前采用的导电纤维多为钢丝、银等金属导电纤维或金属导电纤维和服用纤维的混纺纤维，这类方法获得的织物在舒适性和透气性能方面仍有待改进。

碳纳米管(CNT)具有优异的力学、电学和化学性能，碳纳米管理论的杨氏模量约为1TPa，拉伸强度约100GPa；碳纳米管实验所得杨氏模量和拉伸强度分别为0.8TPa和60GPa；碳纳米管还有很高的电流密度，变化范围很广的电导率(200-109S/cm)；除此之外碳纳米管还有很好的压阻性能，当碳纳米管受到拉力作用时，其电阻会发生变化。上述优良性能使得碳纳米管成为新一代的应变传感材料应用于智能纺织品。由于碳纳米管的纳米尺寸，其在实际应用中受到很大的挑战，为了拓展碳纳米管的应用，碳纳米管宏观集合体的制备显得很有必要。碳纳米管纱线是由相互交错的碳纳米管组装并连接而形成的微米级纤维材料，近年来人们采用湿法纺丝、气相沉积法等方法将碳纳米管制作成碳纳米管纱线。碳纳米管纱线具有良好的柔性和导电性能，将其织入织物中，通过织物受力拉伸使组成织物的碳纳米管纱线受力拉伸产生电阻变化，可实现电阻式应变传感，因此，碳纳米管纱线在可穿戴电子产品及智能纺织品领域有很好的应用前景。中国专利200610147211中将具有信息感知与传输双重功能的导电纤维即碳纳米管改性聚氨酯纤维作为纬纱织入织物中，形成柔性的传感织物，但是该方法要求纬纱贯穿织物幅宽方向，且需保持连续性，传感织物在经纱方向不可裁剪；同时还要求导电纤维之间用绝缘纱线相间隔开，仅利用导电纤维的信息感知功能实现应变传感；此外，该方法中所用到的的导电纤维电阻较高，电阻率为10⁸Ω·cm，使得织物的灵敏性较低。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种柔性应变传感机织物及其制作工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性应变传感机织物，包括非导电弹性机织物和弹性导电纱线，所述弹性导电纱线作为浮纹纱线固结在非导电弹性机织物表面形成浮纹图案，所述弹性导电纱线的两端设有用于电连接的接头和引线。

作为优选方案，弹性导电纱线作为浮纹纱线在非导电弹性机织物表面纬向排列形成浮纹图案。

作为进一步优选方案，弹性导电纱线仅在浮纹图案纬向的边缘与非导电弹性机织物的纬纱形成交织点，弹性导电纱线通过交织点固结在非导电弹性机织物表面。

作为优选方案，所述弹性导电纱线的数量至少为一根。

作为进一步优选方案，至少两根弹性导电纱线作为浮纹纱线固结在非导电弹性机织物表面形成交叠的浮纹图案。

作为优选方案，所述弹性导电纱线为由导电纳米材料构成的导电纱线或由导电纳米材料改性的天然纤维或化学纤维构成的导电纱线。

作为进一步优选方案，所述导电纳米材料为碳纳米管或石墨烯。

作为更进一步优选方案，所述弹性导电纱线为表面具有聚乙烯醇涂层或聚氨酯涂层的碳纳米管纱线。

作为更进一步优选方案，所述弹性导电纱线为石墨烯改性聚氨酯纤维纱线。

作为优选方案，所述弹性导电纱线直径大于40μm，断裂应力大于100MPa，最大应变率大于30％。

作为优选方案，所述弹性导电纱线的电阻率为10²～10⁵Ω·cm，应变灵敏度大于2，灵敏度较高。

作为优选方案，所述非导电弹性机织物为三原组织、变化组织、联合组织、重组织、双层组织、多层组织、起毛起绒组织、纱罗组织或三维组织的机织物。

作为进一步优选方案，所述非导电弹性机织物为平纹、斜纹、缎纹、提花或双层织物组织结构的二维机织物或三维正交机织物。

作为优选方案，柔性应变传感机织物中，组成非导电弹性机织物的纱线为单一纱线或混纺纱线，纱线为天然纱线(例如：棉、麻、毛等)或人工化纤长丝(例如：氨纶、锦纶、涤纶、腈纶等)。

作为优选方案，引线通过接头与弹性导电纱线相连接。

作为进一步优选方案，接头的材质选自银、金、锡中的任意一种。

作为进一步优选方案，引线为银丝或铜丝。

一种制作上述柔性应变传感机织物的工艺，包括如下步骤：

a)以弹性导电纱线作为浮纹纱线，所述浮纹纱线与构成非导电弹性机织物的经纱和纬纱在浮纹织机上进行织造，使弹性导电纱线固结在非导电弹性机织物表面形成浮纹图案；

b)在弹性导电纱线的两端设有用于电连接的接头和引线，即得所述的柔性应变传感机织物。

相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

本发明提供的柔性应变传感机织物，将弹性导电纱线作为浮纹纱线固结在非导电弹性机织物表面形成浮纹图案，通过浮纹图案的形变实现应变传感功能，使得柔性应变传感机织物的应变传感功能不仅源自与导电纱线自身的应变传感功能，还来自于织物拉伸过程中导电纱线相互间距变化使浮纹区域的电阻值变化而产生的电阻式应变传感，从而共同利用了导电纱线的自身的应变传感功能和导电纱线之间相互接触的电阻式应变传感，使得柔性应变传感机织物各方向上均具有应变传感功能，灵敏度高，稳定性好，可用于测量面内多方向的应变，适用于制作成柔性可穿戴产品用以实时监测穿着者的肢体活动以及呼吸信息或心率信息；并且，导电纱线浮在局部非导电弹性机织物表面，对机织物的整体性并未造成破坏，不会影响织物的服用性能和力学性能，形成的柔性应变传感机织物不仅柔软性好、舒适性高，还可水洗，可实现连续生产；另外，柔性应变传感机织物中非导电弹性机织物可以任意选择常用天然纱线或人工化纤长丝，机织物结构也不受限制，适用范围广；另外，本发明还具有制作工艺简单、使用方便、应变传感织物表面图案可设计，具有美观性等优点，具有极强的实用价值，值得广泛推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种柔性应变传感机织物的正面结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的一种柔性应变传感机织物的背面结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的一种柔性应变传感机织物在循环往复拉伸过程中的电阻变化曲线图；

图4是本发明实施例2提供的一种柔性应变传感机织物的正面结构示意图；

图5是本发明实施例2提供的一种柔性应变传感机织物的背面结构示意图；

图6是本发明实施例3提供的一种柔性应变传感机织物的正面结构示意图；

图7是本发明实施例3提供的一种柔性应变传感机织物的背面结构示意图；

图中标号示意如下：1-非导电弹性机织物；2-弹性导电纱线；3-接头；4-引线；5-交织点。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。

实施例1

如图1和图2所示：本发明提供的一种柔性应变传感机织物，包括非导电弹性机织物1和弹性导电纱线2，所述弹性导电纱线2作为浮纹纱线固结在非导电弹性机织物1表面形成浮纹图案，所述弹性导电纱线2的两端设有用于电连接的接头3和引线4。

如图1所示，所述弹性导电纱线2的数量为一根，该弹性导电纱线2作为浮纹纱线在非导电弹性机织物表面1纬向排列形成方形的浮纹图案。

如图2所示，弹性导电纱线2仅在浮纹图案纬向的边缘与非导电弹性机织物2的纬纱形成交织点5，弹性导电纱线2通过交织点5固结在非导电弹性机织物1表面(从图2可见，柔性应变传感机织物的背面仅留下交织点，接头3和引线4也隐藏于背面)。

非导电弹性机织物1采用氨纶包芯纱线与棉纱线交织的平纹织物结构，具体说，以棉纱线作为经纱，氨纶包芯纱作为纬纱。

所述弹性导电纱线2为表面具有聚氨酯涂层的碳纳米管纱线，直径约为80微米，受外力断裂时的应力接近400MPa，最大应变率约为40％，电阻率为10²Ω·cm，平均传感系数(应变灵敏度)为3.5。

用于电连接的接头3采用导电银胶，引线4采用导电铜丝；引线4通过接头3连接于弹性导电纱线2的两端。

所述柔性应变传感机织物的制作工艺，包括如下步骤：

a)以单根弹性导电纱线2作为浮纹纱线，所述浮纹纱线与构成非导电弹性机织物1的经纱和纬纱在浮纹织机上进行织造，使弹性导电纱线2固结在非导电弹性机织物1表面形成方形的浮纹图案；

b)在弹性导电纱线2的两端设有用于电连接的接头3和引线4，即得所述的柔性应变传感机织物。

柔性应变传感机织物制作过程中，可以通过凸轮连杆机构或浮纹机花型织造控制系统改变浮纹纱线所构成的浮纹图案的花型参数，通过改变浮纹图案的花型参数可以实现对柔性应变传感机织物的应变传感性能的调节。

对所述柔性应变传感机织物的稳定性进行测试：

将柔性应变传感机织物在织物拉伸仪的上下两个夹头上，再将引线4分别连接万用表的正负极的表头；模仿人体脉搏及心脏跳动的频率与强度，设置好织物拉伸仪与万用表的参数后，在动态拉伸过程中，浮纹图案区域受力变形后产生电阻变化，从而实现织物的应变传感功能，经向每次拉伸应变为4％，循环往复拉伸30次，测试电阻变化曲线，测试结果如图3所示。

图3为本实施例提供的柔性应变传感机织物在循环往复拉伸过程中的电阻变化曲线图；从图3可见，柔性应变传感机织物在经向每次拉伸应变为4％，循环往复拉伸30次过程中，其传感系数在往复拉伸30次后约为3，说明本发明的柔性应变传感机织物具有很好的稳定性。

实施例2

如图4和图5所示：本发明提供的一种柔性应变传感机织物，包括非导电弹性机织物1和弹性导电纱线2，所述弹性导电纱线2作为浮纹纱线固结在非导电弹性机织物1表面形成浮纹图案，所述弹性导电纱线2的两端设有用于电连接的接头3和引线4。

如图4所示，所述弹性导电纱线2的数量为一根，该弹性导电纱线2作为浮纹纱线在非导电弹性机织物表面1纬向排列形成多个方形并列排布的浮纹图案。

如图5所示，弹性导电纱线2仅在浮纹图案纬向的边缘与非导电弹性机织物2的纬纱形成交织点5，弹性导电纱线2通过交织点5固结在非导电弹性机织物1表面(从图5可见，柔性应变传感机织物的背面仅留下交织点，接头3和引线4也隐藏于背面)。

非导电弹性机织物1采用氨纶包芯纱线与涤纶短纤纱线交织的平纹织物结构，具体说，以涤纶短纤纱作为经纱，氨纶包芯纱作为纬纱。

所述弹性导电纱线2为石墨烯改性聚氨酯纤维纱线，直径约为150微米，受外力断裂时的应力接近200MPa，最大应变率约为120％，电阻率为10⁴Ω·cm，平均传感系数(应变灵敏度)为10。

用于电连接的接头3采用导电银胶，引线4采用导电铜丝；引线4通过接头3连接于弹性导电纱线2的两端。

所述柔性应变传感机织物的制作工艺，包括如下步骤：

a)以单根弹性导电纱线2作为浮纹纱线，所述浮纹纱线与构成非导电弹性机织物1的经纱和纬纱在浮纹织机上进行织造，使弹性导电纱线2固结在非导电弹性机织物1表面形成多个方形并列排布的浮纹图案；

b)在弹性导电纱线2的两端设有用于电连接的接头3和引线4，即得所述的柔性应变传感机织物。

对所述柔性应变传感机织物的稳定性进行测试，经测试，所述柔性应变传感机织物在经向每次拉伸应变为4％，循环往复拉伸30次过程中，其传感系数在往复拉伸30次后约为9，说明本发明的柔性应变传感机织物具有很好的稳定性。

实施例3

如图6和图7所示：本发明提供的一种柔性应变传感机织物，包括非导电弹性机织物1和弹性导电纱线2，所述弹性导电纱线2作为浮纹纱线固结在非导电弹性机织物1表面形成浮纹图案，所述弹性导电纱线2的两端设有用于电连接的接头3和引线4。

如图6所示，所述弹性导电纱线2的数量为两根，该弹性导电纱线2作为浮纹纱线在非导电弹性机织物表面1纬向排列形成形成交叠的浮纹图案。织物受到拉伸作用时，交叠区域导电纱线相对位置发生改变可进一步提高电阻变化率，实现电阻变化的增益效果。

如图7所示，弹性导电纱线2仅在浮纹图案纬向的边缘与非导电弹性机织物2的纬纱形成交织点5，弹性导电纱线2通过交织点5固结在非导电弹性机织物1表面(从图7可见，柔性应变传感机织物的背面仅留下交织点，接头3和引线4也隐藏于背面)。

非导电弹性机织物1采用锦纶长丝与锦纶氨纶包缠丝交织的平纹织物结构，具体说，以锦纶长丝作为经纱，锦纶氨纶包缠丝作为纬纱。

所述弹性导电纱线2为碳纳米管纱线包缠的锦纶长丝，直径约为150微米，受外力断裂时的应力接近350MPa，最大应变率约为80％，电阻率为10²Ω·cm，平均传感系数(应变灵敏度)为30。

用于电连接的接头3采用导电银胶，引线4采用导电铜丝；引线4通过接头3连接于弹性导电纱线2的两端。

所述柔性应变传感机织物的制作工艺，包括如下步骤：

a)以两根弹性导电纱线2作为浮纹纱线，所述浮纹纱线与构成非导电弹性机织物1的经纱和纬纱在浮纹织机上进行织造，使弹性导电纱线2固结在非导电弹性机织物1表面形成形成交叠的浮纹图案；

b)在弹性导电纱线2的两端设有用于电连接的接头3和引线4，即得所述的柔性应变传感机织物。

对所述柔性应变传感机织物的稳定性进行测试，经测试，所述柔性应变传感机织物在经向每次拉伸应变为4％，循环往复拉伸30次过程中，其传感系数在往复拉伸30次后约为30，说明本发明的柔性应变传感机织物具有很好的稳定性。

综上所述，本发明提供的柔性应变传感机织物，结构简单、柔软性好、舒适性高、可水洗、可实现连续生产，具有全方向上的应变传感功能，机织物的灵敏度高且稳定性好，可用于测量面内多方向的应变，可用于制作成柔性可穿戴产品用以实时监测穿着者的肢体活动以及呼吸信息或心率信息，在智能纺织品领域有很好的应用前景，适用性广；另外，本发明还具有制作工艺简单、使用方便、应变传感织物表面图案可设计，具有美观性等优点，具有极强的实用价值，值得广泛推广应用，相对于现有技术，具有显著性进步。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性应变传感机织物，其特征在于：包括非导电弹性机织物和弹性导电纱线，所述弹性导电纱线作为浮纹纱线在非导电弹性机织物表面纬向排列形成浮纹图案，弹性导电纱线仅在浮纹图案纬向的边缘与非导电弹性机织物的纬纱形成交织点，弹性导电纱线通过交织点固结在非导电弹性机织物表面，所述弹性导电纱线的两端设有用于电连接的接头和引线。

2.根据权利要求1所述的柔性应变传感机织物，其特征在于：所述弹性导电纱线的数量至少为一根。

3.根据权利要求1所述的柔性应变传感机织物，其特征在于：所述弹性导电纱线为由导电纳米材料构成的导电纱线或由导电纳米材料改性的天然纤维或化学纤维构成的导电纱线。

4.根据权利要求3所述的柔性应变传感机织物，其特征在于：所述导电纳米材料为碳纳米管或石墨烯。

5.根据权利要求1所述的柔性应变传感机织物，其特征在于：引线通过接头与弹性导电纱线相连接。

6.根据权利要求1所述的柔性应变传感机织物，其特征在于：接头的材质选自银、金、锡中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的柔性应变传感机织物，其特征在于：引线为银丝或铜丝。

8.一种制作权利要求1所述的柔性应变传感机织物的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

a)以弹性导电纱线作为浮纹纱线，所述浮纹纱线与构成非导电弹性机织物的经纱和纬纱在浮纹织机上进行织造，使弹性导电纱线固结在非导电弹性机织物表面形成浮纹图案；

b)在弹性导电纱线的两端设有用于电连接的接头和引线，即得所述的柔性应变传感机织物。