CN109457310A - 一种具有压电效应的双组分纤维、织物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有压电效应的双组分纤维、织物及其制备方法，该双组分纤维包括具有导电性的高密度聚乙烯芯层和具有压电效应的聚偏氟乙烯皮层，所述高密度聚乙烯芯层内包含有5‑15%的炭黑。经纱采用上述具有压电效应的双组分纤维，纬纱采用商用导电纤维或被薄硅胶包覆的涤纶纱在制造机上织造成织物，可以形成全纺压电传感器。本发明的压电织物在受到外界压力时，内部产生极化现象，机械能转变为电能，通过数据采集设备收集转换成所需电信号。全纺压电传感器是智能纺织品发展中的一大部分，对于医疗领域有极大帮助，能够应用于服装或设备来监测呼吸信号或心率，可以应用于压力监测、执行器等方面。

Description

一种具有压电效应的双组分纤维、织物及其制备方法
技术领域
本发明属于纺织技术领域，具体涉及一种具有压电效应的双组分纤维、织物及其制备方法。
背景技术
随着智能服装的飞速发展，人们希望其具有轻质量、舒适、柔性的特点，对压电传感器也提出了更高的要求。压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器，可在较小力的条件下产生可测量信号，几乎可对任何类型的形变产生反应，且成本低、能耗低。压电传感器可以测量力、压力、加速度等，在工程力学、生物医学、石油勘测、声波测井、电声学等许多技术领域中也获得了广泛的应用。压电材料可分为压电单晶体、压电多晶陶瓷和有机压电材料。传统压电传感器通常以晶体作为压电元件，其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好，可用于减震降噪、加工工艺的监测、航空航海、车辆行驶称重等。以聚偏氟乙烯为代表的有机压电材料具有材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数等优点，在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面均有应用。压电材料还能用作执行器，接受电信号后输出力或位移，也可作为机、电、声、光、热敏感材料，在传感器、换能器、通讯技术领域获得了广泛应用。
电子纺织品将传统电子技术集成到纺织品中，例如压电纺织传感器多用于压力监测，如带有压电传感器的汽车座椅，将聚偏氟乙烯压力计置于座椅面料与泡沫之间，实现压力监测，聚偏氟乙烯是压电纺织传感器最常用的材料，可制成非常薄的膜，附着在几乎任意形状的表面上，作为一种动态应变传感器，适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。但其具有一定不便性，面积过大，薄膜弯曲次数有限制，易损耗。
由背景资料可知，传统压电传感器刚性大，而有机材料制成的压电传感器不能完全满足智能织物所需的轻质、舒适、柔软的特性，易受到摩擦、弯折与损耗，具有一定不便性。以往具有压电效应的PVDF被开发成传感器单丝，需要具有导电性能够直接与数据采集设备相连。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种具有压电效应的双组分纤维、织物及其制备方法，将具有压电效应皮层与可导电芯层结合在一起的方法，使得到的双组分压电纤维能够织成具有良好压电性能和导电性能的电子织物。以往具有压电效应的聚偏氟乙稀被开发成传感器单丝。提供具有导电性能够直接与数据采集设备相连的压电织物的制备技术是智能纺织品发展中的一大部分，在医疗领域能够应用于服装或设备来监测呼吸信号或心率，能作为电容、压力、加速度等传感器，在工程力学、生物医学、石油勘测、声波测井、电声学等许多技术领域中也有广泛的应用。
技术方案：本发明所述的一种具有压电效应的双组分纤维，包括具有导电性的高密度聚乙烯芯层和具有压电效应的聚偏氟乙烯皮层，所述高密度聚乙烯芯层内包含有5-15%的炭黑。
进一步的，所述高密度聚乙烯芯层内包含有10%的炭黑。
本发明还公开了一种具有压电效应的织物，经纱采用上述具有压电效应的双组分纤维，纬纱采用商用导电纤维或被薄硅胶包覆的涤纶纱在制造机上织造而成，形成全纺压电传感器。
本发明还公开了上述一种具有压电效应的双组分纤维的制备方法，采用双组分熔融纺设备进行热塑性聚合物的纺丝，具体方法如下：
（1）将两种聚合物颗粒分别熔融、挤压、计量后用纺丝泵连续定量而均匀地从喷丝头的毛细孔中挤出成型；
（2）经过入流、孔流、变形和稳定的流变过程，在熔体细流温度高、流动性好时进行牵伸，使得双组分压电纤维中α相全部转变为β相，使得压电双组分纤维具有良好的压电性和导电性。
进一步的，步骤（1）中所述熔融温度为240-280°C。
进一步的，步骤（2）中牵伸的牵伸比为3-4.5。
本发明另外还公开了一种具有压电效应的织物的制备方法，在工业用带式织造机上将对应的经纱和纬纱进行织造，所有的经纱采用一根纱线在综丝眼中穿线，综片的尺寸可调，每股穿两根纱线；得到的压电织物受到拉伸试验机系统的张力，样本电极产生的电压信号被连接到数据采集设备，数据采集设备被连接到计算机用来记录结果。
进一步的，所述综片的尺寸为10股/厘米。
有益效果：本发明提供了一种具有压电效应的双组分纤维及压电织物的加工及制备技术，采用偏聚氟乙烯和含有5-15%炭黑的高密度聚乙烯熔融纺丝制成压电双组分纤维，压电双组分纤维作为经纱，商用导电纤维作为纬纱织造成的压电织物具有良好导电性和压电性。受到外界压力时，内部产生极化现象，机械能转变为电能，通过数据采集设备收集转换成所需电信号。全纺压电传感器是智能纺织品发展中的一大部分，对于医疗领域有极大帮助，能够应用于服装或设备来监测呼吸信号或心率。全纺压电传感器在工业方面可以应用于压力监测、执行器等方面。所以本发明应用广泛且能够把需要收集压电信号的纺织品织造成压电织物。
附图说明
图1为本发明的双组分纤维的结构示意图；
图2为本发明的双组分熔融纺设备结构示意图；
图3为本发明双组分纤维织造形成的一种织物结构示意图；
图4为本发明双组分纤维织造形成的另一种织物结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示的一种具有压电效应的双组分纤维，包括具有导电性的高密度聚乙烯芯层13和具有压电效应的聚偏氟乙烯皮层12，所述高密度聚乙烯芯层13内包含有5-15%的炭黑。
本实施例中，为了保证高密度聚乙烯芯层13具有最好的导电效果，高密度聚乙烯芯层13内优选包含有10%的炭黑，以保证最优的导电效果。
压电双组分纤维的纤维芯是在两层含有5-15%炭黑的低密度聚乙烯之间通过熔融焊接连接所有的纤维端，该系统是在135°C的高温压力机中压缩而成。
上述一种具有压电效应的双组分纤维的制备方法，采用双组分熔融纺设备进行热塑性聚合物的纺丝。如图2所示，双组分熔融纺设备包括聚合物料斗1、螺杆挤出机2、纺丝箱3、计量泵4、喷丝头5、甬道6、调温风7、油轮8、导丝盘9、摩擦辊10和卷绕筒子11。螺杆挤出机2的一侧上部与聚合物料斗1连接，螺杆挤出机2的另一侧与纺丝箱3上部连接，所述纺丝箱3下部通过喷丝头5与调温风7连通，纺丝箱3上还设有计量泵4，调温风7还连接有甬道6。调温风7底部分别安装有油轮8、导丝盘9、摩擦辊10和卷绕筒子11。
本实施例中，具有压电效应的双组分纤维的制备方法具体如下：
（1）将两种聚合物颗粒分别熔融、挤压、计量后用纺丝泵连续定量而均匀地从喷丝头的毛细孔中挤出成型；
（2）经过入流、孔流、变形和稳定的流变过程，熔体射流在空气中冷却凝固，形成半成品纤维；然后在熔体细流温度高、流动性好时进行牵伸，使得双组分压电纤维中α相全部转变为β相，使得压电双组分纤维具有良好的压电性和导电性。
优选地，熔融温度为240-280°C，在240-280°C的熔融状态下，形成较稳定的纺丝熔体。
优选地，牵伸的牵伸比为3-4.5，使得双组分压电纤维中α相全部转变为β相，使得压电双组分纤维具有良好的压电性和导电性。
本发明中的具有压电效应的双组分纤维可以制造成对应具有压电效应的织物，从而从而形成一种双组分压电纤维传感器。
具体的，将熔融纺丝得到的压电双分组纤维作为经纱，商用导电纤维或包覆薄硅胶的涤纶纱作为纬纱织造压电织物。织造是在工业用带式织造机上进行的，所有的经纱是用一根纱线在综眼中穿线，综片的尺寸为10股/厘米，两根纱线为一股，使得织造织物（样品）的宽度为30mm。
得到的压电织物受到拉伸试验机系统的张力，样本电极产生的电压信号被连接到数据采集设备，数据采集设备被连接到计算机用来记录结果。当全纺压电传感器在外界机械力作用下发生形变时，会在其两个相对的表面产生符号相反的正负电荷，即机械能转变为电能，从而将压力转化为电信号。
本实施例中，如图3和图4所示，可以按照不同编织结构可以织造成双组分压电纤维传感器，经纱方向为双组分压电纤维，纬纱方向为商用导电纤维或包覆薄硅胶的涤纶纱。传感器在受到外界机械力作用下发生形变时，会在其两个相对的表面产生符号相反的正负电荷，即机械能转变为电能，从而将压力转化为电信号。
这种全纺压电传感器在外界机械力作用下发生形变时，受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象，在其两个相对的表面产生符号相反的正负电荷，即机械能转变为电能，从而将压力转化为电信号。产生的电压信号被连接到数据采集设备，数据采集设备被连接到计算机用来记录结果。因此压电传感器具有预期的导电性能和压电性能，能够满足医疗、工业等领域对于织物压电传感器的需求。
本发明提供了一种具有压电效应的双组分丝及压电织物的加工及制备技术，偏聚氟乙烯和含有5-15%炭黑的高密度聚乙烯熔融纺丝制成压电双组分纤维，压电双组分纤维作为经纱，商用导电纤维作为纬纱织造成的压电织物具有良好导电性和压电性。受到外界压力时，内部产生极化现象，机械能转变为电能，通过数据采集设备收集转换成所需电信号。全纺压电传感器是智能纺织品发展中的一大部分，对于医疗领域有极大帮助，能够应用于服装或设备来监测呼吸信号或心率。全纺压电传感器在工业方面可以应用于压力监测、执行器等方面。所以本发明应用广泛且能够把需要收集压电信号的纺织品织造成压电织物。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种具有压电效应的双组分纤维，其特征在于：包括具有导电性的高密度聚乙烯芯层（13）和具有压电效应的聚偏氟乙烯皮层（12），所述高密度聚乙烯芯层（13）内包含有5-15%的炭黑。
2.根据权利要求1所述的一种具有压电效应的双组分纤维，其特征在于：所述高密度聚乙烯芯层（13）内包含有10%的炭黑。
3.一种具有压电效应的织物，其特征在于：经纱采用如权利要求1或2所述的具有压电效应的双组分纤维，纬纱采用商用导电纤维或被薄硅胶包覆的涤纶纱在制造机上织造而成，形成全纺压电传感器。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有压电效应的双组分纤维的制备方法，其特征在于：采用双组分熔融纺设备进行热塑性聚合物的纺丝，具体方法如下：
（1）将两种聚合物颗粒分别熔融、挤压、计量后用纺丝泵连续定量而均匀地从喷丝头的毛细孔中挤出成型；
（2）经过入流、孔流、变形和稳定的流变过程，在熔体细流温度高、流动性好时进行牵伸，使得双组分压电纤维中α相全部转变为β相，使得压电双组分纤维具有良好的压电性和导电性。
5.根据权利要求4所述的一种具有压电效应的双组分纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述熔融温度为240-280°C。
6.根据权利要求4所述的一种具有压电效应的双组分纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）中牵伸的牵伸比为3-4.5。
7.根据权利要求3所述的一种具有压电效应的织物的制备方法，其特征在于：在工业用带式织造机上将对应的经纱和纬纱进行织造，所有的经纱采用一根纱线在综丝眼中穿线，综片的尺寸可调，每股穿两根纱线；得到的压电织物受到拉伸试验机系统的张力，样本电极产生的电压信号被连接到数据采集设备，数据采集设备被连接到计算机用来记录结果。
8.根据权利要求7所述的一种具有压电效应的织物的制备方法，其特征在于：所述综片的尺寸为10股/厘米。
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