CN112981653B - 非对称结构刺激响应纱线及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非对称结构刺激响应纱线及其制备方法和应用。将非对称结构的并列型复合纤维进行强度加捻，然后进行热定型处理，使得纱线受到的外界的热、湿刺激时不足以破坏定型后纱线的形状。并列型复合纤维包括至少两种并列组分，且两种并列组分的湿膨胀系数和/或热膨胀系数不同使得非对称结构刺激响应纱线发生吸湿膨胀和/或热膨胀收缩时，并列型复合纤维的其中一种组分能够驱动非对称结构刺激响应纱线形状恢复。如此得到的非对称结构热湿响应纱线可用于热湿响应形状记忆驱动器或防缩织物的制备。

Description

非对称结构刺激响应纱线及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及功能纺织材料技术领域，尤其涉及一种非对称结构刺激响应纱线及其制备方法和应用，更具体地涉及一种非对称结构热湿刺激响应纱线及其制备方法和热湿驱动纤维基传感器的应用。
背景技术
随着智能可穿戴设备的发展，纤维基柔性传感器现阶段正被研究者大力研发。对压力传感器的研究已经日渐成熟。但在实际生活和穿着中，温湿度对人体的舒适性影响很大。因此，柔性温湿度传感器的发展也应该引起重视。但现阶段的柔性温湿度传感器多为柔性膜基传感器，不能真正意义上实现可穿戴织物。而现有织物基传感器大多通过在织物上附着一层功能性传感材料实现，涂覆的功能性材料耐水洗性能差，织物的使用寿命受限。因此，纤维基温湿度传感器应是最合适的智能可穿戴的传感器的首选。
纤维基温湿度传感器是利用纤维受到温度或湿度刺激时，发生吸湿或吸热膨胀，从而引起纤维电阻率的变化，实现对温度或湿度的传感检测。因此，要想纤维具有较长的温湿度响应寿命，纤维在反复吸湿或吸热后，必须具备良好的形状恢复性。否则纤维将逐步失去温湿度响应，或者温湿度响应稳定性减弱，影响温湿度传感的准确性。而且纤维吸湿或吸热后的形状恢复速率对其传感检测的灵敏度也有影响。专利CN201810265882公开了一种海藻酸钠纤维基扭转驱动器的制备方法及其应用，加捻的海藻酸钠纤维吸湿膨胀后发生旋转和伸长，实现湿刺激扭转驱动。该方案存在回复滞后性的问题，当受到湿刺激时纤维运动；纤维回复的条件是纤维内部吸收的湿气挥发，但挥发需要时间，因此现阶段大多数单组分加捻纤维制备的驱动器，传感器都有滞后性问题。
有鉴于此，有必要设计一种改进的非对称结构刺激响应纱线，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非对称结构刺激响应纱线及其制备方法和应用。将非对称结构的并列型复合纤维进行强度加捻，然后进行热定型处理，使得非对称结构刺激响应纱线发生吸湿膨胀和/或热膨胀收缩时，并列型复合纤维的其中一种组分能够驱动非对称结构刺激响应纱线形状恢复。如此可用于热湿响应形状记忆驱动器或防缩织物的制备。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种非对称结构刺激响应纱线，所述非对称结构刺激响应纱线是由并列型复合纤维加捻成捻度为10-500捻/10cm的纱线，然后进行热定型处理得到；所述并列型复合纤维包括至少两种并列组分，所述两种并列组分的湿膨胀系数和/或热膨胀系数不同；当所述非对称结构刺激响应纱线发生吸湿膨胀和/或热膨胀并伴随纤维伸长或收缩现象时，撤销湿和/或热刺激，所述并列型复合纤维的其中一种组分驱动所述非对称结构刺激响应纱线形状恢复。
作为本发明的进一步改进，所述两种并列组分的其中一种组分还包含导电材料。
作为本发明的进一步改进，所述两种并列组分的湿膨胀系数和热膨胀系数均不同。
作为本发明的进一步改进，所述两种并列组分的其中一种组分包括亲水聚合物基体和光热转换材料；另一种组分包括疏水聚合物基体和导电材料。
作为本发明的进一步改进，所述热定型处理的温度高于所述亲水聚合物基体和所述疏水聚合物基体的玻璃化转变温度。
作为本发明的进一步改进，所述纱线的捻度为100-2000捻/10cm。
一种以上所述的非对称结构刺激响应纱线的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备非对称结构双组份并列型复合纤维，其中一种组分包括亲水聚合物基体和光热转换材料；另一种组分包括疏水聚合物基体和导电材料；
S2.将所述非对称结构双组份并列型复合纤维加捻成捻度为10-500捻/10cm的纱线，然后进行热定型处理，即得到所述非对称结构刺激响应纱线。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述非对称结构双组份并列型复合纤维通过湿法纺丝制备得到；在步骤S2中，所述热定型处理的温度比所述亲水聚合物基体和所述疏水聚合物基体的玻璃化转变温度中的最大值高0～10℃。
本发明还提供一种以上所述的非对称结构刺激响应纱线的应用，所述非对称结构刺激响应纱线用于热湿驱动纤维基传感器或织物的制备或用于防缩织物的制备或用于热湿舒适性织物的制备。
作为本发明的进一步改进，所述织物的组织结构为针织或机织。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的非对称结构刺激响应纱线，将非对称结构的并列型复合纤维进行强度加捻，然后进行热定型处理，使得纱线受到的外界的热、湿刺激时不足以破坏定型后纱线的形状。纱线在高强度加捻之后，在高于玻璃化转变温度下进行热定型，使得形状恢复驱动力更强；而且非对称并列型复合纤维对形状恢复的驱动具有增强作用。因此，纱线受到外界的热、湿刺激时，不足以破坏定型后纱线的形状。撤去外界热、湿刺激后，并列型复合纤维会再次自动加捻，长度伸长回刺激前的形状。纱线的热、湿刺激响应具有灵敏度高、使用寿命长的优点。
2.本发明提供的非对称结构刺激响应纱线，在并列型复合纤维的一种组分中添加导电材料，使得整根纤维具有导电性。因此，当受到热、湿刺激时，纤维发生收缩或伸长恢复时，自身的电阻会发生变化。通过检测纤维电阻值，即能实现对热、湿刺激的传感响应检测。可用于温湿度双响应的纤维基传感器。
3.本发明提供的非对称结构刺激响应纱线，由于纱线受热、湿刺激后的形状恢复驱动力强，恢复速率快，因此可用于防缩水织物的制备。当织物吸湿蒸发后，非对称结构的并列型复合纤维能够驱动强捻纱线快速恢复原有形状，防止织物缩水。
附图说明
图1为实施例1制备的非对称结构刺激响应纱线的电镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种非对称结构刺激响应纱线，所述非对称结构刺激响应纱线是由非对称并列型复合纤维加捻成捻度为10-500捻/10cm的纱线，然后进行热定型处理得到。所述纱线的捻度优选为100-2000捻/10cm，更优选为500-1500捻/10cm，更优选为800-1200捻/10cm。纱线在高强度加捻之后，在高于玻璃化转变温度下进行热定型，使得形状恢复驱动力更强；而且非对称并列型复合纤维对形状恢复的驱动具有增强作用。因此，纱线受到外界的热、湿刺激时，不足以破坏定型后纱线的形状。撤去外界热、湿刺激后，并列型复合纤维会再次自动加捻，长度伸长回刺激前的形状。
所述非对称并列型复合纤维包括至少两种并列组分，所述两种并列组分的湿膨胀系数和/或热膨胀系数不同。当所述非对称结构刺激响应纱线发生吸湿膨胀和/或热膨胀收缩并撤销湿和/或热刺激后，所述并列型复合纤维的其中一种组分驱动所述非对称结构刺激响应纱线形状快速恢复。
如两种并列组分的湿膨胀系数不同，可通过选用不同亲水程度的聚合物进行并列纺丝实现。例如：选用两种亲疏水性不同的同种聚合物：常规尼龙(PA6)和超亲水尼龙，常规聚氨酯(PU)和亲水PU，常规聚乙烯醇(PVA)和疏水PVA等。或者选用两种亲疏水性不同的不同种聚合物：聚氨酯(PU)和海藻酸钠，聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯醇(PVA)等。如此操作，当纱线受到外界湿气刺激时，并列型复合纤维中的亲水相一侧吸湿膨胀，加捻后的纱线会有径向膨胀现象，造成纱线纵向缩短。当撤掉外界湿刺激时，由于疏水相一侧并未发生明显吸湿膨胀，疏水相可带动亲水相快速回复，使得纱线快速恢复到原始状态。因此纱线的湿刺激响应灵敏度高，且使用寿命长。
或者两种并列组分的热膨胀系数不同，可通过在其中一种并列组分中添加光热材料实现。如有机光热材料：黑色素等，无机光热材料：碳化锆、铯钨青铜等。如此操作，当纱线受到外界光热刺激时，并列型复合纤维中的添加有光热材料的一侧吸热显著膨胀，加捻后的纱线发生径向膨胀现象，造成纱线纵向收缩。当撤掉外界湿刺激时，由于未添加光热材料的一侧并未发生明显吸热膨胀，可带动另一侧快速回复，使得纱线快速恢复到原始状态。因此纱线的热刺激响应灵敏度高，且使用寿命长。
或者两种并列组分的湿膨胀系数和热膨胀系数均不同。此时纱线对湿度和温度刺激均具有响应驱动作用，原理同上述单独的湿度刺激响应和温度刺激响应类似。
所述非对称并列型复合纤维的横截面可以为对称型、不对称Janus型或花生型等。
在一些实施方式中，所述两种并列组分的其中一种组分还包含导电材料。如碳纳米管、石墨烯、银纳米线等。导电材料的加入，使得整根纤维具有导电性。因此，当受到热、湿刺激时，纤维发生收缩或伸长恢复时，自身的电阻会发生变化。通过检测纤维电阻值，即能实现对热、湿刺激的传感响应检测。可用于温湿度双响应的纤维基传感器。
优选地，所述两种并列组分的其中一种组分包括亲水聚合物基体和光热转换材料；另一种组分包括疏水聚合物基体和导电材料。如此设置，并列型复合纤维的亲水一侧受到湿度或温度刺激时，发生显著地吸湿膨胀或吸热膨胀，使得加捻后的纱线发生径向膨胀、纵向收缩现象，当撤掉外界刺激时，疏水一侧未发生明显膨胀，可带动另一侧快速回复，使得纱线快速恢复到原始状态。因此纱线的热、湿刺激响应灵敏度高，且使用寿命长。
优选地，所述热定型处理的温度高于所述亲水聚合物基体和所述疏水聚合物基体的玻璃化转变温度，时间为1h。更优选地，所述热定型处理的温度比所述亲水聚合物基体或所述疏水聚合物基体的玻璃化转变温度高0～10℃，并按所述亲水聚合物基体或所述疏水聚合物基体的玻璃化转变温度的更高值计算。具体热定型温度根据纤维决定，如PA6适合120℃，PU适合100℃，PVA适合30℃等。在高于玻璃化转变温度下进行热定型，使得形状恢复驱动力更强。
一种以上所述的非对称结构刺激响应纱线的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备非对称结构双组份并列型复合纤维，其中一种组分包括亲水聚合物基体和光热材料；另一种组分包括疏水聚合物基体和导电材料；
S2.将所述非对称结构双组份并列型复合纤维加捻成捻度为100-2000捻/10cm的纱线，然后进行热定型处理，即得到所述非对称结构刺激响应纱线。
在步骤S1中，所述非对称结构双组份并列型复合纤维通过湿法纺丝制备得到；纺丝液质量浓度为10％-30％，挤出速度为1-80m/min，牵伸速度为1-300m/min。根据纺丝液不同，凝固浴可以选择水、乙醇、异丙醇中的一相或几相混合溶液。光热材料为亲水基体材料质量的1wt％～10wt％。在疏水组分中加入导电物质，如碳纳米管、石墨烯、银纳米线等。导电物质为疏水基体材料质量的1wt％～10wt％。
在步骤S2中，所述热定型处理的温度比所述亲水聚合物基体和所述疏水聚合物基体的玻璃化转变温度中的最大值高0～10℃，优选高2℃、3℃、4℃或5℃。
本发明还提供一种以上所述的非对称结构刺激响应纱线的应用，所述非对称结构刺激响应纱线用于热湿驱动纤维基传感器或织物的制备或用于防缩织物的制备或用于热湿舒适性织物的制备。所述织物的组织结构为针织或机织。由于纤维结构易于编织，可以做成大面积可穿戴织物。在实际应用时，织造风格、纹路、织物组织可由服装风格改变。
纱线受到湿、热刺激变化的原因在于：当纱线加捻并定型后，纱线受热、湿刺激会出现解捻、收缩的现象，这是由加捻的结构造成的。当纱线一端固定，一端自由运动时，纱线受外界刺激时解捻和收缩两个现象都十分明显。但如果纱线放在织物里应用，每一根纱线的运动会受到旁边纱线的限制，解捻的现象会受到限制，以收缩现象为主。当撤去外界刺激后，纱线会回复到刺激前的状态(类似形状记忆的效果)。
其中，用于热湿驱动纤维基传感器或织物的原理在于，当两种并列组分的其中一种组分中添加导电材料时，整根纤维具有导电性。因此，当受到热、湿刺激时，纤维发生收缩或伸长恢复时，自身的电阻会发生变化。通过检测纤维电阻值，即能实现对热、湿刺激的传感响应检测。可用于温湿度双响应的纤维基传感器。
用于防缩织物的原理在于，本发明提供的非对称结构刺激响应纱线，由于在高强度加捻之后，在高于玻璃化转变温度下进行热定型，使得形状恢复驱动力更强；而且非对称并列型复合纤维对形状恢复的驱动具有增强作用。当织物吸水收缩(织缩、纱线和纤维收缩)后，由于本发明提供的非对称结构刺激响应纱线的形状恢复力强，恢复速率快，因此水分蒸发后，纱线能够恢复原有形状，防止织物缩水。
实施例1
一种非对称结构刺激响应纱线，通过以下步骤制备：
S1.制备非对称结构双组份并列型复合纤维
将超亲水尼龙6与黑色素混合配制成纺丝液，超亲水尼龙6的含量为20wt％，黑色素的含量为5wt％；
将常规尼龙6与石墨烯配制成浓度纺丝液，常规尼龙6的含量为20wt％，石墨烯的含量为5wt％；
将上述两种纺丝液进行双组份并列复合湿法纺丝，挤出速度为40m/min，牵伸速度为150m/min，凝固浴为水和乙醇混合溶液，得到非对称结构双组份并列型复合纤维；
S2.将所述非对称结构双组份并列型复合纤维加捻成捻度为300捻/10cm的纱线，然后在120℃下进行热定型处理1h，即得到所述非对称结构刺激响应纱线。
请参阅图1所示，可以看出，纱线加捻度较大，成麻花状。
将纱线进行湿度和温度刺激，湿度刺激条件为纤维感应外界湿度变化，温度刺激条件为纤维感应外界温度变化。
实施例2-5
一种非对称结构刺激响应纱线，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S2中，纱线的捻度如表1所示。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。以下重复10次湿刺激后长度恢复率是指纱线恢复后的长度与原始长度的比值。
表1实施例2-5的捻度及湿、热刺激性能数据
Figure BDA0002935633180000081
从表1可以看出，随着捻度的增加，长度收缩率变大，重复10次湿刺激后长度恢复率先增大后减小，说明捻度过大或过小均不利于热湿刺激响应寿命的提高。非对称结构的纱线恢复时间较短，可重复性好；且热刺激比湿刺激时的收缩率高，说明超亲水尼龙基材的纱线热响应性更强。当基体材料为聚乙烯醇等超亲水纤维时，纱线的湿刺激响应会大于热刺激或与之相同。因此，在实际使用时，可根据需求选取合适的基体材料。
对比例1
一种非对称结构刺激响应纱线，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S2中，加捻后未进行热定型处理。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
对比例2
一种刺激响应纱线，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中两种纺丝液中的聚合物均为超亲水尼龙6。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
对比例3
一种刺激响应纱线，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中两种纺丝液中的聚合物均为超亲水尼龙6，且均添加有黑色素。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
表2对比例1-3的湿、热刺激性能数据
Figure BDA0002935633180000091
从表2可以看出，对比例1未热定型的纱线在加捻后立即退捻，无法形成热湿响应的驱动器。单一组分的纱线恢复时间明显变长。且由于湿刺激作用下纤维中的水分无法立刻挥发，所以重复实验时有衰减。
综上所述，本发明提供的非对称结构刺激响应纱线，通过将非对称结构的并列型复合纤维进行强度加捻，然后进行热定型处理，使得纱线受到的外界的热、湿刺激时不足以破坏定型后纱线的形状。纱线在高强度加捻之后，在高于玻璃化转变温度下进行热定型，使得形状恢复驱动力更强；而且非对称并列型复合纤维对形状恢复的驱动具有增强作用。因此，纱线受到外界的热、湿刺激时，不足以破坏定型后纱线的形状。撤去外界热、湿刺激后，并列型复合纤维会再次自动加捻，长度伸长回刺激前的形状。纱线的热、湿刺激响应具有灵敏度高、使用寿命长的优点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种非对称结构刺激响应纱线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制备非对称结构双组份并列型复合纤维，其中一种组分包括亲水聚合物基体和光热转换材料；另一种组分包括疏水聚合物基体和导电材料；
S2.将所述非对称结构双组份并列型复合纤维加捻成捻度为10-500捻/10cm的纱线，然后进行热定型处理，即得到所述非对称结构刺激响应纱线；
当所述非对称结构刺激响应纱线发生吸湿膨胀和/或热膨胀并伴随纤维伸长或收缩现象时，撤销湿和/或热刺激，所述并列型复合纤维的其中一种组分驱动所述非对称结构刺激响应纱线形状恢复。
2.根据权利要求1所述的非对称结构刺激响应纱线的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述非对称结构双组份并列型复合纤维通过湿法纺丝制备得到；在步骤S2中，所述热定型处理的温度比所述亲水聚合物基体和所述疏水聚合物基体的玻璃化转变温度中的最大值高0～10℃。
3.一种非对称结构刺激响应纱线，其特征在于，采用权利要求1或2中任一项所述的制备方法制备得到。
4.根据权利要求3所述的非对称结构刺激响应纱线，其特征在于，所述非对称结构刺激响应纱线的两种并列组分的湿膨胀系数和热膨胀系数均不同。
5.一种权利要求3或4中任一项权利要求所述的非对称结构刺激响应纱线的应用，其特征在于，所述非对称结构刺激响应纱线用于热湿驱动纤维基传感器或用于防缩织物的制备或用于热湿舒适性织物的制备。
6.根据权利要求5所述的非对称结构刺激响应纱线的应用，其特征在于，所述织物为针织织物或机织织物。
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