CN107923083B - 纺织织物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纺织织物，其包括交织的导电纱线(22,24；32,34)的第一和第二导电层(20；30)以及包括在第一与第二导电层之间的结构和绝缘纱线(45)的第一中间假层(40)以及与第一和第二导电层(20；30)以及中间层(40)交错的多个接结纱线(47)。结构纱线(45)和接结纱线(47)具有压电性质。

Description

纺织织物
本发明涉及纺织构造工程和柔性装置物理学领域中的纺织织物。
众所周知，纺织品研究是指通过纤维交错制成的任何材料，传统上涉及构造类型以及用于形成这些构造的纱线的材料和方法。
纺织品构造设计涉及到许多限制因素，使得最终的织物建立一定的功能集合，这些特定功能集合已经出现并且作为贯穿人类历史的各种各样的条件下进行的大量测试的结果而被接受。
现代电子纺织品应用为上述的那些添加了其它限制，例如由电子、通信、光学、化学等强加的限制，仅举几个例子。
US 2010/0154918公开了一种一体式编织的三层加热纺织物，其包括隔热织物层、热功能织物层、多根导电纱线和多根连接纱线。导电纱线分布在隔热织物层与热功能织物层之间。连接纱线与隔热织物交错。
连接纱线与隔热织物层和热功能织物层交错，使得导热纱线夹在隔热织物层与热功能织物层之间。
US 8395317公开了一种具有多层经纱的纺织品，其包括上经纱层、下经纱层以及布置在上经纱层与下经纱层之间的中间经纱层，上经纱层包括上导电经纱阵列，下经纱层包括下导电经纱阵列。该织物进一步包括纬纱，其中第一组导电纬纱与上导电经纱阵列交叉，以便在它们之间形成电接触，并且第二组导电纬纱与下导电经纱阵列交叉，以便在它们之间实现电接触。
第二组导电纬纱在上经纱层和中间经纱层中绕非导电经纱形成环，环中每一个提供第一上层连接点，以使电子装置例如LED能够在第一上层连接点与第二上层连接点之间连接。
如已知的那样，压电性质本身表现为响应于施加的机械应力而在某些材料中产生的电荷。通常，压电材料在压力、应变或脉冲或其组合的情况下在限定的材料层上产生电势。
压电效应是可逆的，即由施加的机械应力产生电荷的材料也表现出由施加的电场在内部产生机械应变。压电现象是已知的，并且已经研究了一个多世纪。
压电装置用于许多技术领域，例如用于阀、能量收集和传感应用。尤其，纺织品的能量收集工作已经得到了积极的研究；为此提供了压电纱线。
本发明的目的是创造一种通用多电极织物，其也能够产生和/或收获电力。
这些和其它目的通过一种纺织织物来实现，该纺织织物包括：
-交织的导电纱线的第一导电层；
-交织的导电纱线的第二导电层；
-包括在第一导电层与第二导电层之间的结构纱线的第一中间层，
-与第一导电层和第二导电层以及中间层交错的第一多根接结纱线，其中所述结构纱线和所述接结纱线具有压电性质。
本发明的一个优点是可以用于多种应用，例如能量生成、能量收集、压力传感器等。
优选实施例是从属权利要求的目的。
现在将通过举例的方式参照所附的非限制性附图更详细地描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1示出了根据本发明第一实施例的纺织织物的重复单元；
图2示出了根据本发明第二实施例的纺织织物的重复单元；
图3示出了根据本发明一实施例的纺织织物中的压电部件的极化；
图4示出了根据本发明另一实施例的纺织织物中的压电部件的极化；
图5和6表示采用根据本发明的各种实施例的纺织织物的传感器的不同实施例；以及
图7表示采用根据图6所示实施例的传感器的轻拍(tap)敏感屏幕的实施例。
现在将参考附图来描述示例性实施例，而不意图限制其应用和用途。
在图1中示出了根据本发明的第一实施例的纺织织物10的重复单元。
图1所示的纺织织物10包括由交织的导电纱线22、24构成的第一导电层20和由交织的导电纱线32、34构成的第二导电层30。
在第一导电层20与第二导电层30之间设置由结构纱线45构成的中间层40。
纺织织物10进一步包括与第一导电层20和第二导电层30以及中间层4交错的多根接结纱线47。
第一导电层20和第二导电层30是通过将导电纱线彼此垂直地交叉以形成网格而形成的，由此形成电极假层(pseudo-layer)。
结构纱线45和接结纱线47具有压电性质，并依次形成在导电层之间建立电绝缘的中间假层40，即形成由纱线构成的绝缘层(图1)。
贯穿本说明书，术语假层将被用作为功能层的同义词，因为织物(即使其中也可能存在物理层)不一定总是由完美限定的物理层形成的，而是根据本发明的各种实施例，纺织织物的一些功能区域可具有确定的功能性质，例如电导率、电隔离性质、压电性等。
为了使结构纱线45和接结纱线47具有绝缘性质，可采用以下材料。
一种可能的选择是聚偏二氟乙烯(PVDF)及其压电衍生物。
可采用的其它材料是聚四氟乙烯(PTFE)钛酸锆酸铅(PZT)、钛酸钡、磷酸镓、电气石、铌酸铅-钛酸铅(PMN-PT)、氧化锌等，它们被浇铸到纤维内使用或用作为分散在基质材料内的纳米颗粒或微米颗粒。
接结纱线47与第一导电层20的上部和第二导电层30的底部交叉或者反之亦然，以形成交错结构，即纺织织物10。
在图2中表示了根据本发明第二实施例的纺织织物100的重复单元。
根据图2所示实施例的纺织织物100还包括由结构纱线55制成的第二中间层50和由交织的导电纱线62、64制成的第三导电层60，包含在第二导电层30和第三导电层60之间。
纺织织物100还包括多根接结纱线67，使第二导电层30和第三导电层60与其中包含在其中的第二中间层50交错。
以这种方式，由于第一导电层20和第二导电层30通过接结纱线47交错在一起，并且第二导电层30和第三导电层60通过接结纱线67交错在一起，因而纺织织物100形成一种一体式纺织品结构。
第二中间层50的结构纱线55和第二多根接结纱线67的接结纱线67具有压电性质。第二中间层50形成中间假层50，该中间假层50在导电层之间建立电绝缘，即形成由纱线形成的绝缘层(图2)。
为了使第二中间层50的结构纱线55和第二多根接结纱线的接结纱线67具有绝缘性质，可采用以下材料。
一种可能的选择是聚偏二氟乙烯(PVDF)及其压电衍生物。
可采用的其它材料是聚四氟乙烯(PTFE)钛酸锆酸铅(PZT)、钽酸钡、磷酸镓、电气石、铌酸铅-钛酸铅(PMN-PT)、氧化锌等，它们被浇铸到纤维内使用或用作为分散在基质材料内的纳米颗粒或微米颗粒。
在图1和2所示的两个实施例中，纺织织物构造形成多个堆叠在彼此之上的离散的假层。
例如，在图1所示的实施例中，导电层20、30被中间层40分开，因而整个织物结构10可作为由中间层分开的电极来操作。
如在以下描述中将显而易见，上述构造具有很大的通用性并且可以用于许多不同的应用中。
在第一种应用中，结构纱线45、55可设置有压电性质。同样，接结纱线47、67也可设置有压电性质。
如已知的那样，压电性质表现为响应于施加的机械应力而在某些材料中产生的电荷。通常，压电材料在压力、应变或脉冲或其组合的情况下在材料的限定层上产生电势。
如此实现的纺织织物可用于横跨导电层20、30生成电势。
关于压电纱线，第一种可能性是这种压电纱线在其它地方被极化，并且在编织织物时已具有压电性质。这种压电性质可以通过在强电场梯度和热量下聚合材料的取向或极化来获得。
第二种可能性是在横跨导电层20、30的电场梯度下进行热处理，以便为绝缘纱线和接结纱线提供压电性质。
这些纱线的材料可以选择成使得它们可以在超过其玻璃化转变温度(Tg)的热量下被极化，例如通过将整个织物插入极化炉200中，并且因此自例如电池220生成的电场梯度下，形成纱线的单位压电偶极(dipole)可以对准并且如图3所示横跨连续的假电极层施加。图3中的箭头示出了极化方向。
另一种可能性是当纱线在构造内移动时获得压电响应的自我最大化的增益，直到它们汇合到它们的最终位置为止。因此，如图4所示，为了使压电增益最大化，这就要求纱线相对于两个集流电极所在的位置在不同的方向上极化。同样，如前面的图3所示，图4中的箭头也显示了极化方向。
此外，在图4所示的结构中，构成织物10的不同材料已被表示为：导体纱线C、压电纱线P和插入到织物中在外观和感觉上建立纺织品性质的普通或常规纱线(即例如棉)O。在所建立的纺织品性质中还包括染色能力、水分管理和悬垂性。
最终的织物可用作为能量收集器，即利用外部来源获得并被存储能量的过程。
如果最终的织物被用作为传感器，则相应的纱线将全部是压电和导电的或者采用部分压电和导电的纱线。
常规和/或导体纱线密度可以根据具体的应用调整为与图4所示的不同的配置，以用于对织物的电和/或纺织品性质进行精调。
为了制造导电纱线，可采用由常规纺织材料(天然和合成)例如棉制成的纱线，该纺织品材料涂覆有导电材料，例如石墨烯纳米片、炭黑纳米颗粒、无定形碳、碳纳米管或碳纳米带或本征导电聚合物层，诸如聚吡咯。
制造导电纱线的进一步可能性是：将棉和钢或者绞合的棉和钢以及在棉或聚酯(PES)上涂覆或浸渍或掺杂的纳米片或纳米颗粒或纳米棒等的混合物(blend)。其它材料、例如银和铜也可以本领域公知的各种方式用作为导电部件。
一般而言，根据本发明的各种实施例的纺织织物可用于多种不同的应用。
第一种应用是作为能量收集器来为诸如传感器阵列或任何类型的本地供电电子器件的低功率电子节点供电。
第二种可能的用途是作为轻拍传感器(或输入装置)来控制其它装置，例如用于与软件交互的人机界面，
进一步的可能性是作为紧急情况下击打传感器(hit sensor)的一个组成部分。
由于诸如PVDF等某些压电材料的热电性质，还有另一种可能性是作为热传感器的部件。
最后一个例子可以是触摸或轻拍或击打传感器，诸如用于篮球运动，例如在裁判无法直接看到球员是否实际被撞的情况下，因为这样的事件可能视觉受阻等。
一般而言，织物的使用示例几乎依赖于本文公开的织物将机械刺激转换成电信号生成的能力，然而原则上本发明的各种实施例的纺织织物也可以通过施加交流电势产生小振幅的振动而用作为致动器。
在图5和图6中给出了另一个示例，其表示根据本发明的各种实施例采用纺织织物的传感器10'和120的不同实施例。
在图5所示的传感器10'中，第一导电层20和第二导电层30具有基本相同的电导率，并且在第一导电层20和第二导电层30之间包括中间隔离层40。
当在传感器10'的顶面上施加压力时，产生电脉冲，并且可以通过传感器10'的电子端(即连接到接地参考135的运算放大器130)来感测轻拍信号Va。
传感器10'能够感测其顶面的压力，但无法辨别所施加的力的位置。
在图6所示的传感器120中，第一导电层20和第二导电层30具有基本上相同的电导率，但是第三导电层90具有比第一导电层和第二导电层的电导率低得多的电导率并可用作为电阻层。
中间导电假层被选择为地面135或读出信号的参照。在织物上的特定位置处可以产生电脉冲的轻拍或任何物理刺激传播到如图6所示的附连了前端电子器件(即运算放大器130、130')的接触件处。
通过取两个信号Vb和Vc之间的比率来建立位置灵敏度：i)当接近1的比率表示刺激被施加或电荷在非常接近前端电子器件驻留的位置处产生，而ii)如果在距离前端较远的位置处产生电荷，则该比率将远小于1，因为电阻假层上的信号必须行进很远的距离，并且由于其在电阻层90上的整个路径上的IR电势的下降而变弱。
中间的任何值将给出产生电荷的大致位置，因此位置灵敏度。
本发明的纱线结构的可能的应用包括：
i)用于以织物形式进行身体位置监测的可穿戴式传感器技术；
ii)用于从登山到重海洋应用的各种领域中使用的绳索的拉力监测。
另一种可能的应用是实施为织物的平面轻拍敏感屏幕300(图7)。
轻拍敏感屏幕300能够被实施为一系列条带，每个条带对应于根据图6所示实施例的传感器120，条带中每一个用存储在轻拍屏幕的存储器单元460中的索引1-n标识，存储器单元460连接到轻拍敏感屏幕300的电子控制单元450。
例如，条带索引可以表示第一坐标X，并且Vb/Vc比可以表示平面上的其它坐标，因此在X-Y平面上的位置是已知的。
换句话说，条带中的每一个由诸如图6所描绘的织物位置传感器组成，并且条带沿着垂直于条带自身的纵向的方向以平行方式有序排列，条带中的每一个用存储在轻拍敏感屏幕的存储器单元中的索引识别。
连接到屏幕的电子单元450能够使关于离所触摸的特定条带的运算放大器的距离与识别这种特定条带的索引相关联，并且因此确定触摸在纺织品屏幕上的点。
在图7所示的示例中，在离被连接到所述条带的运算放大器130、130'的距离D处用数字2索引的条带上点P1被触摸。
在根据任何所描述实施例的纺织织物中，相邻层可以相互接触以允许电流流过外部电路。
尽管在前面的概述和详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应该理解的是存在大量的变型。还应该理解的是，一个或多个示例性实施例仅是示例，并不意图以任何方式限制范围、适用性或配置。相反，前面的概述和详细描述将为本领域技术人员提供用于实施至少一个示例性实施例的方便的路线图，应当理解的是，可以在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面做出各种改变而不背离所附权利要求及其合法等同物的范围。

Claims (18)

1.一种纺织织物(10)，其包括：
-交织的导电纱线(22,24)的第一导电层(20)；
-交织的导电纱线(32,34)的第二导电层(30)；
-包括在所述第一导电层(20)与第二导电层(30)之间的结构纱线(45)的第一中间层(40)；以及
-与所述第一导电层(20)和第二导电层(30)以及所述中间层(40)的所述结构纱线(45)交错的多根第一接结纱线(47)，其中所述结构纱线(45)和所述第一接结纱线(47)具有压电性质，并且其中所述结构纱线(45)和所述第一接结纱线(47)编织在一起且彼此接触，使得相邻层能够相互接触以允许电流流动。
2.根据权利要求1所述的织物(10)，其特征在于，所述结构纱线(45)和所述第一接结纱线(47)在超过其玻璃化转变温度(Tg)的热量下以及在电场下极化，以向所述结构纱线(45)和所述第一接结纱线(47)提供压电性质。
3.根据权利要求1所述的织物(10)，其特征在于，所述第一接结纱线(47)与所述第一导电层(20)的上部和所述第二导电层(30)的底部交叉或反之亦然。
4.根据权利要求1所述的织物(10)，其特征在于，所述结构纱线(45)的所述第一中间层(40)是电绝缘层。
5.根据权利要求1所述的织物(10)，其特征在于，所述导电纱线(22,24)由涂覆有导电材料的天然或合成材料制成。
6.根据权利要求5所述的织物(10)，其特征在于，涂覆所述导电纱线(22,24)的所述导电材料可选自石墨烯的纳米片、碳黑的纳米颗粒、无定形碳、碳的纳米管或纳米带或者本征导电聚合物层。
7.根据权利要求1所述的织物(10)，其特征在于，所述导电纱线(22,24)由棉和钢的混合物、或者绞合的棉和钢、或者涂覆或浸渍或掺杂在棉或聚酯(PES)上的纳米片或纳米颗粒或纳米棒构成。
8.根据权利要求1所述的织物(10)，其特征在于，还包括：
-结构纱线(55)的第二中间层(50)；
-交织的导电纱线(62,64)的第三导电层(60)；
-所述第二中间层(50)包括在所述第二导电层(30)与第三导电层(60)之间，并且
-与所述第二导电层(30)与第三导电层(60)以及所述第二中间层(50)交错的多根第二接结纱线(67)，其中第二中间层(50)的结构纱线(55)和所述多根第二接结纱线(67)具有压电性质。
9.根据权利要求8所述的织物(10)，其特征在于，所述第一导电层(20)和所述第二导电层(30)具有相同的电导率，并且所述第三导电层(60)具有比所述第一导电层(20)和第二导电层(30)的所述电导率明显低的电导率，并且所述中间层(40,50)具有相同的压电性质。
10.根据权利要求8所述的织物(10)，其特征在于，所述结构纱线(55)的所述第二中间层(50)是电绝缘层。
11.根据权利要求1或8所述的织物(10)，其特征在于，所述结构纱线(45,55)和所述接结纱线(47,67)包括选自聚偏氟乙烯(PVDF)及其压电衍生物、聚四氟乙烯(PTFE)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、磷酸镓、电气石、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)或氧化锌的材料。
12.根据权利要求11所述的织物(10)，其特征在于，用于所述结构纱线(45,55)和所述接结纱线(47,67)的所述材料被浇铸成纤维或者被用作分散在基质材料内的纳米或微米颗粒。
13.一种织物位置传感器，包括根据权利要求1所述的织物和被配置成响应于所述织物上的轻拍压力而生成电信号(Va)的运算放大器(130)。
14.一种织物位置传感器，包括根据权利要求8所述的织物和被配置为生成电信号(Vb，Vc)的运算放大器(130,130')，其中所述电信号之间的比率与相对于所述运算放大器(130,130')的轻拍位置的距离成正比。
15.一种轻拍敏感屏幕(300)，包括：
-多个根据权利要求14所述的织物位置传感器，所述织物位置传感器被配置为织物条带的形式，所述条带以沿着与所述条带的纵向方向垂直的方向平行的方式有序排列，所述条带中的每一个用存储在所述轻拍敏感屏幕(300)的存储器单元(450)中的索引(1-n)识别。
16.一种包括根据权利要求1至12中任一项所述的织物(10)的制品。
17.根据权利要求16所述的制品，其特征在于，所述制品选自用于向低功率电子节点供电的能量收集器、用于紧急情况的击打传感器；热传感器或服装。
18.根据权利要求17所述的制品，其特征在于，所述服装是运动服装，并且所述织物是触摸传感器或轻拍传感器或击打传感器。
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