CN113174670A - 一种压力传感纤维、纱线、织物、器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压力传感纤维、纱线、织物、器件及其制备方法，其中一种压力传感纤维，包括芯层和包层；所述芯层为电极层；所述包层为介电层。本发明制得的压力传感纤维电极材料及聚合物材料选择范围广，可以采用热拉制工艺生产效率高，适合规模化生产；而进一步制取压力传感纱线及倍捻纱线的柔软性、舒适性、耐磨性；再进一步制取压力传感织物及器件可实现织物的高像素分布式传感阵列结构，并可兼备水洗性和耐久性，满足可穿戴设备的需求。

Description

一种压力传感纤维、纱线、织物、器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性可穿戴领域，具体地，涉及一种压力传感纤维、纱线、织物、器件及其制备方法。
背景技术
随着人工智能技术的发展，个体对高质量生活的追求促进了柔性可穿戴设备的发展。功能性纤维及纱线因其可集成于织物的可穿戴特性应用日益广泛。基于柔性可穿戴设备的蓬勃发展，纤维基传感器作为数字化医养可穿戴设备及人际交互设备的核心，处于采集人体健康生理信息和运动信息的最前端。以织物形态存在的隐形压力传感器，能够在不影响人们日常舒适的生活下，系统地采集到与人体健康密切相关的生理及运动信息，实现疾病的预防、运动检测、人机交互等功能。本专利具体涉及到一种电容式柔性高像素分布式压力传感纤维、纱线及其织物，该纤维、纱线及其织物可用于健康监测、智能家居、人机交互等领域。
目前，大多数所谓的“柔性可穿戴设备”是以薄膜形式或将传感纤维或织物封装在柔性基底内。国内专利CN109932112A涉及一种基于光纤分布式传感的二维面阵列力触觉感知方法，所采用的传感器为啁啾光纤光栅二维力触觉传感面阵，此面阵由多根分布在一个平面上不同位置处的啁啾光纤光栅用单模光纤连接而成，不同的啁啾光纤光栅的反射光谱波长范围均不相同，每个啁啾光纤光栅的轴向尺寸上的任意位置与其反射光谱带宽内的实际波长大小对应，并且在受到外界压力时对应点的波长发生变化，以实现力触觉的点分布感知，但该传感器需将光纤封装于薄膜基底内以实现稳定分布式传感。国内专利CN107478360公开了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，该传感器由纳米纤维薄膜层、电极层以及纳米纤维复合薄膜介电层构成。国内专利CN203719797U提供了一种压电式压力传感器，该传感器通过在柔性基底上利用静电纺丝形成多条压电纤维以实现压力传感。国内专利CN109489874A公开一种碳纤维柔性压力分布传感装置，通过将碳纤维传感阵列封装在柔性基底内实现压力传感。国内专利CN207263346U公开一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置，通过将碳纤维编织成的经纬交叉网络封装于柔性基底内实现分布式传感。国内专利CN208887808U涉及一种电容式曲面压力分布传感装置，由曲面基底、纤维增强复合材料纤维构成，织物中的每根碳纤维不相接触，在纤维数总量不变的情况下，调整绝缘纤维与碳纤维的比例，实现调节压力传感器的空间分辨能力。虽然薄膜基压力传感器具有柔软等优点，然而存在不透气、与生物组织弹性差异明显、洪亮制备难度大等问题。
由功能纤维直接编织构型的织物作为人类“第二皮肤”，其多层级多尺寸结构、穿着舒适性、功能多元化特性更符合人类对柔性可穿戴设备的需求。纤维基压力传感织物根据传感原理可分为电阻式、电容式、摩擦电式、光学式等。国内专利CN111227812A公开了一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用，采用弹性导电纱线，通过编绳法将应力传感器的电极层包裹于传感层中，以制备出集传感与电极复合于一体的“皮芯结构”线状传感材料,进一步通过十字交叉叠加进行压力传感，该传感器因其易受温度、湿度等干扰，且电阻式传感存在豫驰时间大等问题。国内专利CN110864827A提供了一种具有织物结构的摩擦纳米发电传感器阵列，由绝缘间隔线、低亲电性摩擦发电纤维电极、高亲电性摩擦发电纤维电极和其它不导电纤维经纬交错编织而成，在外界压力下摩擦纳米发电机低亲电性纤维电极和高亲电性纤维电极通过周期性的接触-分离由于摩擦起电和诱导效应而带有电性相反的摩擦电荷，摩擦电荷会进一步地诱导出脉冲形式的电势差变化。该传感器因其传感范围较小且传感信号较微弱不易测量而未得到广泛应用。国内专利CN110296778A公开一种无源压力传感纤维及其制备方法，当中间层受到外部压力导致结构发生变化时，其势场对应的能带结构发生变化，带隙的位置相应改变，可被中间层全反射的光子的波长发生变化；若选取自然光作为检测光源，则多层薄膜不同可见光带隙所反射出的光子的颜色对应变化，可通过判断反射光的颜色检测压力的变化，但该传感器依赖于光照，只能在光照良好的情况下工作。美国专利US10145036B1通过环锭纺纱等纺纱技术可以将导电纤维嵌入绝缘纤维束的中心，导电纤维交叉排列构成电容式传感织物，该单根纱线不具备传感功能，且并未实现高像素分布式传感。美国专利US20170249033A1提供了不同电阻及电容传感织物结构及传感原理和在人机交互界面的应用，但该传感阵列单根纱线不具备传感功能。美国专利US20160284436A1描述了用于交互式纺织品的导电线。交互式纺织品的导电线包括：导电芯，其包括至少一根导线；以及由柔性线构成的覆盖层，其覆盖导电芯。可以通过将一根或多根柔性线与导电线绞合，或者通过将柔性线缠绕在导电线周围来形成导电芯，编织到纺织品中以形成电容式触摸传感器的导电线的网格，但该导电线形成的传感阵列需封装在两层织物中，且导电线本身不能实现传感功能，只能通过形成织物从而实现压力传感。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种压力传感纤维、纱线和织物及其制备方法和应用。
具体来说，本发明涉及如下方面：
1、一种压力传感纤维，包括芯层和包层；
所述芯层为电极层；所述包层为介电层。
2、根据项1所述的压力传感纤维，所述介电层包括聚合物。
3、根据项1所述的压力传感纤维，所述电极层包括导电丝。
4、根据项3所述的压力传感纤维，所述电极层为一根导电丝或由两根以上的导电丝形成。
5、根据项4所述的压力传感纤维，所述电极层由两根以上导电丝加捻形成，优选为三根导电丝加捻形成。
6、根据项4所述的压力传感纤维，所述电极层中两根以上的导电丝绕所述压力传感纤维的轴线呈螺旋结构。
7、根据项1所述的压力传感纤维，所述电极层为导电丝；所述介电层为短纤包裹层。
8、根据项7所述的压力传感纤维，所述短纤包裹层由短纤材料制成，所述短纤材料选自合成化纤和天然纤维中的一种或两种以上。
9、根据项2所述的压力传感纤维，所述聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、掺杂有氟化聚合物的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚碳酸酯、聚亚苯基砜树脂、聚醚砜树脂、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚胺酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚偏二氯乙烯树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙二醇、热塑性弹性体、低密度聚乙烯、聚乙二醇、高密度聚乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚酯和间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物、丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇缩乙醛中的一种或两种以上，优选为聚对苯二甲酸乙二酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚碳酸酯、热塑性弹性体、氟树脂中一种或两种以上。
10、根据项3-8所述的压力传感纤维，所述导电丝选自碳质材料，例如碳纤维；涂有金属导电材料的天然纤维；涂有金属导电材料的合成纤维；金属丝；金属纱线；导电聚合物；液态金属；低熔点合金中的一种或两种以上；优选为铜丝。
11、根据项1所述的压力传感纤维，其截面形状选自圆形、椭圆形或多边形。
12、根据项1所述的压力传感纤维，所述压力传感纤维的最大拉伸比为0％～1000％，具体可以为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、200％、300％、400％、500％、600％、700％、800％或900％。
13、一种压力传感纤维的制备方法，包括：
制备具有轴向通孔的预制棒，所述预制棒由聚合物制成；
将导电丝穿过所述通孔；
通过热拉制制备所述压力传感纤维。
14、根据项13所述的方法，所述通孔为两个以上，且所述通孔之间中心对称；导电丝分别穿过所述通孔。
15、根据项14所述的方法，在热拉制过程中旋转所述预制棒。
16、根据项13所述的方法，所述导电丝为两根以上，对所述导电丝加捻后穿过所述通孔，优选为三根导电丝加捻后穿过所述通孔。
17、根据项13～16中任一项所述方法，所述预制棒制备的方法选自热压法、套管法、薄膜卷绕法、热固法、熔融挤出法、3D打印和机械切割中的一种或两种以上。
18、根据项13所述的方法，所述聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、掺杂有氟化聚合物的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚碳酸酯、聚亚苯基砜树脂、聚醚砜树脂、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚胺酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚偏二氯乙烯树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙二醇、热塑性弹性体、低密度聚乙烯、聚乙二醇、高密度聚乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚酯和间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物、丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇缩乙醛中的一种或两种以上，优选为聚对苯二甲酸乙二酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚碳酸酯、热塑性弹性体、氟树脂中一种或两种以上。
19、根据项13所述的方法，所述导电丝选自碳质材料，例如碳纤维；涂有金属导电材料的天然纤维；涂有金属导电材料的合成纤维；金属丝；金属纱线；导电聚合物；液态金属；低熔点合金中的一种或两种以上；优选为铜丝。
20、一种压力传感纤维的制备方法，包括：
通过环锭纺纱工艺中的包芯纺纱工艺将短纤包裹层包裹在电极层表面形成介电层。
21、根据项20所述的方法，所述电极层为两根以上导电丝加捻形成。
22、根据项20所述的方法，所述短纤包裹层由短纤材料制成，所述短纤材料选自合成化纤和天然纤维中的一种或两种以上。
23、一种压力传感纱线，包括：
压力传感纤维和压力传感纤维外侧的短纤包裹层；
所述压力传感纤维选自项1～6中任一所述压力传感纤维。
24、根据项23所述的压力传感纱线，所述短纤包裹层为短纤材料，所述短纤材料选自合成化纤和天然纤维中的一种或两种以上。
25、一种压力传感倍捻纱线，由两根以上压力传感纱线加捻形成，所述压力传感纱线选自项23～24所述压力传感纱线的一种或两种以上。
26、一种压力传感倍捻纱线，由压力传感纱线与导电丝加捻形成，所述压力传感纱线选自项23～24所述压力传感纱线的一种或两种以上。
27、一种根据项23或24所述的压力传感纱线的制备方法，为通过环锭纺纱机将短纤包裹层包裹在压力传感纤维表面。
28、一种压力传感织物，其中设置有传感纤维或纱线；
所述传感纤维或纱线包括压力传感纤维、压力传感纱线和压力传感倍捻纱线中的一种或两种以上；
所述压力传感纤维选自项1～12所述压力传感纤维中一种或两种以上；
所述压力传感纱线选自项23～24所述压力传感纱线中一种或两种以上；
所述压力传感倍捻纱线选自项25或26所述压力传感倍捻纱线中一种或两种以上。
29、根据项28所述的一种压力传感织物，其由所述传感纤维或纱线与合成纤维和/或天然纤维编织而成。
30、根据项28所述的一种压力传感织物，所述传感纤维或纱线在所述压力传感织物上形成互锁结构从而实现压力传感。
31、根据项28所述的一种压力传感织物，其为编织绳结构。
32、根据项28～31中任一项所述的压力传感织物，压力传感纤维的间距为10μm以上，优选10μm～50cm。
33、根据项28所述的压力传感织物，所述压力传感织物的压力传感灵敏度为0.001kPa-1～1kPa-1。
34、根据项28、29和31中任一项所述的一种压力传感织物的制备方法，将所述传感纤维或纱线编织在所述压力传感织物中从而实现压力传感。
35、一种根据项34所述的方法，所述压力传感织物为通过编绳机交替编织形成编织绳结构。
36、一种根据项34所述的方法，所述压力传感织物为通过机织编织形成经纬织物。
37、一种根据项30所述的一种压力传感织物的制备方法，为通过所述将传感纤维或纱线在压力传感织物上进行刺绣形成互锁结构从而实现压力传感。
38、一种分布式压力传感织物器件，包括压力传感织物、电源、微型处理器模块、模数转换器模块、通信模块；
所述压力传感织物选在项28～33中一种或两种以上。
39、根据项38所述的一种分布式压力传感织物器件，其空间精度为0.01mm2以上，优选为0.01mm2-2500cm2。
本申请制得的压力传感纤维电极材料及聚合物材料选择范围广，可以采用热拉制工艺生产效率高，适合规模化生产；而进一步制取压力传感纱线及倍捻纱线的柔软性、舒适性、耐磨性；再进一步制取压力传感织物及器件可实现织物的高像素分布式传感阵列结构，并可兼备水洗性和耐久性，满足可穿戴设备的需求。
附图说明
图1为一个实施例中的一种压力传感纤维示意图：(a)导电丝加捻的压力传感纤维示意图；(b)双导电丝的压力传感纤维示意图；(c)导电丝螺旋分布的压力传感纤维示意图；(d)设置短纤包裹层的压力传感纤维示意图
图2为一个实施例中的压力传感纤维制备方法示意图；
图3为一个实施例中的一种压力传感纱线示意图：(a)两根压力传感纱线加捻形成的压力传感倍捻纱线示意图；(b)多根压力传感纱线加捻形成的压力传感倍捻纱线示意图；
图4为一个实施例中的压力传感织物结构：(a)刺绣互锁结构的压力传感织物示意图，(b)编织绳结构的压力传感织物示意图，(c)经纬编织结构的压力传感织物示意图。
图5为一个实施例中的压力传感织物器件示意图。
附图标记：1、聚合物层；2、导电丝；3、预制棒；4、预制棒夹具；5、拉丝塔加热炉；6、纤维测径仪；7、拉丝塔张力检测装置；8、定制拉丝塔的副牵引；9、收线盘；10、压力传感纤维；11、短线包裹层；12、压力传感纱线；13、压力传感倍捻纱线；14、天然纤维；15、刺绣结构压力传感织物；16、编绳结构压力传感织物；17、经纬编织压力传感织物；18、模数转换器；19、微处理器；20、蓝牙传输模块；21、压力传感织物器件。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，应当理解，实施例仅用于进一步说明和阐释本发明，并非用于限制本发明。
除非另外定义，本说明书中有关技术的和科学的术语与本领域内的技术人员所通常理解的意思相同。虽然在实验或实际应用中可以应用与此间所述相似或相同的方法和材料，本文还是在下文中对材料和方法做了描述。在相冲突的情况下，以本说明书包括其中定义为准，另外，材料、方法和例子仅供说明，而不具限制性。以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但不用来限制本发明的范围。
本文中的术语的含义如下：
“预制棒”是可以用来拉制纤维的材料预制件，其结构决定了纤维的结构。
“热拉制”是指通过热源对预制棒的部分区域进行加热，使预制棒软化，再从加热区域的一端或两端进行手动或机械拉伸，也称为“热拉丝”。
环锭纺纱工艺中的“包芯纺纱工艺”是指将所用纤维包缠在芯丝外的过程，一般由两种纤维组成，内部称作芯纱，外部称作外包纤维。
“互锁结构”是指两组织针以相对的方向牵拉出各自的线圈，织物便在两组织针间的缝隙中，特征为织物正反两面都可以看到线圈，但为两组织针各自的正面线圈，因此线圈是互锁结构。
“空间精度”是指压力传感织物器件可识别压力的空间分辨率。
“PMMA”：聚甲基丙烯酸甲酯。
“SEBS”：氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。
“碳质材料”：碳基材料，具有良好的导电性。碳质材料包括碳纳米管(CNT)、炭黑(CB)、碳纤维(CF)、石墨烯，MXene等。
“最大拉伸比”：压力传感纤维拉伸后的长度与初始长度之比。
“低熔点合金”：是指熔点在300℃以下的金属及其合金，通常由Bi、Sn、Pb、In等低熔点金属元素组成。
“套管法”：一种将芯棒置入包层管内部的预制棒制备方式。
在一个实施例中提供了一种压力传感纤维，如图1所述，包括芯层和包层；
所述芯层为电极层；所述包层为介电层。
在一个压力传感纤维的实施例中，如图1所示，所述介电层包括聚合物，具体的，本实施例中的介电层为聚合物层1。
在一个压力传感纤维的实施例中，如图1所示，所述电极层包括导电丝，具体的，本实施例中的电极层为导电丝2。
在一个压力传感纤维的实施例中，所述芯层电极层为一根导电丝2或由两根以上导电丝2形成。
在一个压力传感纤维的实施例中，如图1(a)所示，所述电极层由两根以上导电丝2加捻而成，优选为三根导电丝加捻而成。
在一个压力传感纤维的实施例中，所述电极层为两根以上导电丝绕所述压力传感纤维的轴线呈螺旋结构，需要说明的是，本申请中所述压力传感纤维的轴线是指一条假想的且在所述压力传感纤维轴向的所述压力传感纤维的中轴线，如图1(c)所示为3根导电丝2呈螺旋结构。
在一个压力传感纤维的实施例中，所述电极层为导电丝；所述介电层为短纤包裹层。
在一个压力传感纤维的实施例中，所述短纤包裹层由短纤材料制成，所述短纤材料选自合成化纤和天然纤维中的一种或两种以上。
所述合成化纤包括：涤纶短纤、氨纶短纤、腈纶短纤、芳纶短纤、锦纶短纤、丙烯酸短纤、聚丙烯短纤、聚酯短纤、尼龙短纤、聚偏氟乙烯(PVDF)短纤等；
所述天然纤维包括：羊绒短纤、亚麻短纤、棉短纤等。
在一个压力传感纤维的实施例中，所述聚合物层选自聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、掺杂有氟化聚合物的PMMA复合材料、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚碳酸酯、聚亚苯基砜树脂、聚醚砜树脂、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚胺酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚偏二氯乙烯树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙二醇、热塑性弹性体、低密度聚乙烯、聚乙二醇、高密度聚乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚酯和间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物、丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇缩乙醛中的一种或两种以上，优选为聚对苯二甲酸乙二酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚碳酸酯、热塑性弹性体、氟树脂中一种或两种以上。
在一个压力传感纤维的实施例中，所述导电丝选自碳质材料、涂有金属导电材料的天然纤维、涂有金属导电材料的合成纤维、金属丝、金属纱线、导电聚合物、液态金属、低熔点合金中的一种或两种以上，优选为铜丝。
所述碳质材料包括：碳纤维、碳纳米管(CNT)、炭黑(CB)、碳纤维(CF)、石墨烯，MXene等；
涂有金属导电材料的天然纤维包括：涂有银、镍、金及其合金等金属导电材料的棉花、羊毛、亚麻、丝绸纤维等天然纤维等。
涂有金属导电材料的合成纤维包括：涂有金/银纳米线/颗粒、银、镍、金及其合金等金属导电材料的涤纶纤维、氨纶纤维、腈纶纤维、芳纶纤维、锦纶纤维、聚丙烯纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)纤维、尼龙纤维、丙烯酸纤维、聚酯纤维等合成纤维等。
所述金属丝包括：铜丝、钨丝、镍铬丝、不锈钢丝、铂丝、钼丝、银丝及其合金丝等。
所述金属纱线包括：不锈钢纱、铁纤维纱、铜纱、银纱等。
所述导电聚合物包括：PEDOT:PSS、PPy、PANI等；
所述液态金属包括：共晶镓铟(EGaIn)等；
所述低熔点合金包括：Sn等。
在一个压力传感纤维的实施例中，其截面形状选自圆形、椭圆形或多边形。如图1所示，给出了截面为圆形的实施例。
在一个压力传感纤维的实施例中，所述压力传感纤维的最大拉伸比为0％～1000％。
在一个实施例中提供了一种压力传感纤维的制备方法，如图2所示，包括：
制备具有轴向通孔的预制棒，所述预制棒由聚合物制成；
将导电丝穿过所述通孔；
通过热拉制制备所述压力传感纤维。
在一个压力传感纤维的制备方法的实施例中，
所述通孔为两个以上，所述通孔之间中心对称；
导电丝分别穿过所述通孔。
在一个压力传感纤维的制备方法的实施例中，在热拉制过程中旋转所述预制棒。
在一个压力传感纤维的制备方法的实施例中，所述导电丝为两根以上，对所述导电丝加捻后穿过所述通孔，优选为三根导电丝加捻后穿过所述通孔。
在一个压力传感纤维的制备方法的实施例中，所述预制棒制备的方法选自热压法、套管法、薄膜卷绕法、热固法、熔融挤出法、3D打印和机械切割中的一种或两种以上。
在一个压力传感纤维的制备方法的实施例中，所述聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、掺杂有氟化聚合物的PMMA复合材料、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚碳酸酯、聚亚苯基砜树脂、聚醚砜树脂、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚胺酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚偏二氯乙烯树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙二醇、热塑性弹性体、低密度聚乙烯、聚乙二醇、高密度聚乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚酯和间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物、丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇缩乙醛中的一种或两种以上，优选为聚对苯二甲酸乙二酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚碳酸酯、热塑性弹性体、氟树脂中一种或两种以上。
在一个压力传感纤维的制备方法的实施例中，所述导电丝选自碳质材料、涂有金属导电材料的天然纤维、涂有金属导电材料的合成纤维、金属丝、金属纱线、导电聚合物、液态金属、低熔点合金中的一种或两种以上，优选为铜丝。
所述碳质材料包括：碳纳米管(CNT)、炭黑(CB)、碳纤维(CF)、石墨烯，MXene等；
涂有金属导电材料的天然纤维包括：涂有银、镍、金及其合金等金属导电材料的棉花、羊毛、亚麻、丝绸纤维等天然纤维等。
涂有金属导电材料的合成纤维包括：涂有金/银纳米线/颗粒、银、镍、金及其合金等金属导电材料的涤纶纤维、氨纶纤维、腈纶纤维、芳纶纤维、锦纶纤维、聚丙烯纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)纤维、尼龙纤维、丙烯酸纤维、聚酯纤维等合成纤维等。
所述金属丝包括：铜丝、钨丝、镍铬丝、不锈钢丝、铂丝、钼丝、银丝及其合金丝等。
所述金属纱线包括：不锈钢纱、铁纤维纱、铜纱、银纱等。
所述导电聚合物包括：PEDOT:PSS、PPy、PANI等；
所述液态金属包括：共晶镓铟(EGaIn)等；
所述低熔点合金包括：Sn等。
在一个实施例中提供了一种压力传感纤维的制备方法，包括：
通过环锭纺纱工艺中的包芯纺纱工艺将短纤包裹层包裹在电极层表面形成介电层；
所述电极层为两根以上导电丝加捻形成。
在一个压力传感纤维的制备方法的实施例中，所述短纤包裹层由短纤材料制成，所述短纤材料选自合成化纤和天然纤维中的一种或两种以上。
所述合成化纤包括：涤纶短纤、氨纶短纤、腈纶短纤、芳纶短纤、锦纶短纤、丙烯酸短纤、聚丙烯短纤、聚酯短纤、尼龙短纤、聚偏氟乙烯(PVDF)短纤等；
所述天然纤维包括：羊绒短纤、亚麻短纤、棉短纤等。
在一个实施例中提供了一种压力传感纱线，包括：
压力传感纤维和压力传感纤维外侧的短纤包裹层；
所述压力传感纤维选自上述压力传感纤维中的任一种。
在一个压力传感纱线的实施例中，所述短纤包裹层为短纤材料，所述短纤材料选自合成化纤和天然纤维中的一种或两种以上。
所述合成化纤包括：涤纶短纤、氨纶短纤、腈纶短纤、芳纶短纤、锦纶短纤、丙烯酸短纤、聚丙烯短纤、聚酯短纤、尼龙短纤、聚偏氟乙烯(PVDF)短纤等；
所述天然纤维包括：羊绒短纤、亚麻短纤、棉短纤等。
在一个实施例中提供了一种压力传感倍捻纱线，由两根以上压力传感纱线加捻形成，所述压力传感纱线选自上述述压力传感纱线的一种或两种以上。
压力传感倍捻纱线的制备包括以下步骤：将倍捻机转盘中固定线轴上的压力传感纱线挂在转盘内侧挂钩上后，压力传感纱线和/或导电纱挂在长导管上，通过中芯孔从转盘外侧伸出，经过转盘上侧小孔，张力控制器后，牵引收线，形成倍捻结构，得到压力传感倍捻纱线。
在一个实施例中提供了一种压力传感倍捻纱线，由压力传感纱线与导电丝加捻形成，所述压力传感纱线选上述压力传感纱线的一种或两种以上。
在一个实施例中提供了一种压力传感纱线的制备方法，为通过环锭纺纱机将短纤包裹层包裹在压力传感纤维表面。
具体步骤可以为：
(1)将聚偏氟乙烯短纤粗纱在细纱机中，经牵伸装置倒入罗拉皮辊，得到40支的聚偏氟乙烯短纤细纱；
(2)再将上述聚偏氟乙烯短纤细纱经环锭纺纱机，包覆在拉力传感纤维上，得到具有疏水性能的拉力传感纱线。
在一个实施例中提供了一种压力传感织物，如图4所示，其中设置有传感纤维或纱线；
所述传感纤维或纱线包括压力传感纤维、压力传感纱线和压力传感倍捻纱线中的一种或两种以上；
所述压力传感纤维选自上述压力传感纤维中的一种或两种以上；
所述压力传感纱线选自上述压力传感纱线中的一种或两种以上；
所述压力传感倍捻纱线选自上述压力传感倍捻纱线中的一种或两种以上。
在一个压力传感织物的实施例中，
其由所述传感纤维或纱线与合成纤维和/或天然纤维编织而成。
所述合成纤维包括：涤纶纤维、氨纶纤维、腈纶纤维、芳纶纤维、锦纶纤维、聚丙烯纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)纤维、尼龙纤维、丙烯酸纤维、聚酯纤维等；
所述天然纤维包括：棉花、羊毛、亚麻、丝绸纤维等。
在一个压力传感织物的实施例中，如图4(a)所示，所述传感纤维或纱线在所述压力传感织物上形成互锁结构从而实现压力传感。
在一个压力传感织物的实施例中，如图4(b)所示，其为编织绳结构。
在一个压力传感织物的实施例中，压力传感纤维的间距为10μm以上，优选10μm～50cm。在本发明中，压力传感纤维的间距最小可达10μm。
在一个实施例中，所述压力传感织物的压力传感灵敏度为0.001kPa-1～1kPa-1。
在一个实施例中提供了一种压力传感织物的制备方法，为将所述传感纤维或纱线编织在织物中从而实现压力传感。
在一个实施例中提供了一种压力传感织物的制备方法，所述压力传感织物为通过编绳机交替编织形成编织绳结构。
本实施例中，具体的操作步骤如下：
(1)将24组缠绕压力传感纱线的线轴固定在提花编织机的线盘上，将24组压力传感纱线分别穿过导线孔后在顶端打结；
(2)启动提花编织机，进行编织操作，即可得到压力传感织物。
在一个实施例中提供了一种压力传感织物的制备方法，所述压力传感织物为通过机织编织形成经纬织物。
具体的操作步骤如下：
(1)将得到的压力传感纤维或压力传感纱线作为纬纱，取合适长度和根数的其他纤维或压力传感纤维或压力传感纱线穿过梭织机的综眼和筘齿，整齐排列于综框中作为经纱，为避免过强的摩擦作用磨损纤维，调整卷布辊经纱使张力均匀且松紧适度；
(2)根据经纬交织的变化规律，利用开口机构按序带动上下两层经纱形成梭口通道；
(3)在梭子上缠绕纤维作为纬纱，将梭子往复交替通过梭口通道进行编织，与织机上的其他机构相配合调整纬纱的排列密度，在卷布辊上卷绕引离织物，即可得到压力传感织物。
在一个实施例中提供了一种压力传感织物的制备方法，为通过将所述传感纤维或纱线在压力传感织物上进行刺绣形成互锁结构从而实现压力传感。
具体的操作步骤如下：
(1)将压力传感纱线闯过缝纫机针孔；
(2)将商用织物置于缝纫机下，开始正面缝纫；
(3)正面缝纫后，剪短线头在背面进行缝纫，使得纱线在织物正反面形成交替互锁结构，得到压力传感织物。
在一个实施例中提供了一种分布式压力传感织物器件，包括压力传感织物、电源、微型处理器模块、模数转换器模块、通信模块；
所述压力传感织物选自上述压力传感织物中的一种或两种以上压力传感织物的组合。
在一个压力传感织物器件的实施例中，其空间精度为0.01mm2以上，优选为0.01mm2-2500cm2。在本发明中，空间精度最小可达0.01mm2。
以上的压力传感纤维电极材料及聚合物材料选择范围广，可以采用热拉制工艺生产效率高，适合规模化生产；而进一步制取压力传感纱线实现纱线的柔软性、舒适性、耐磨性；进一步制取压力传感织物及器件可实现织物的高像素分布式传感阵列结构，并可兼备水洗性和耐久性，满足可穿戴设备的需求。
实施例
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊要求，均为常规方法。
下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一、制备压力传感纤维，具体的操作步骤如下:
热压法制备预制棒包括以下步骤：(1)称取60g氟树脂，放入100mm×22mm×22mm(长×宽×高)的模具中，该模具为不锈钢凹槽，凹槽四周用特氟龙薄膜包覆防止热软化后聚合物料与模具黏连。(2)将装有氟树脂的模具上下两侧覆盖不锈钢板，放入热压机，保证加压过程中受力均匀。设定热压机上温度为120℃，将模具中的混合料在1MPa的压力下预热3min后将压强升至5MPa，重复该步骤直至预制棒成型。(3)将热压完毕的预制棒用冲子取出后放入干燥箱中备用。
挤出法制备预制棒包括以下步骤：将上述60g氟树脂放入料筒中，选择空心结构模具，模具外径为25mm，长为100mm，设置加热温度为180℃，将料筒放入挤压机打开送棒，熔融挤出得到模具形状的预制棒。
空心结构预制棒的加工包括以下步骤：(1)将上述制备的预制棒放在车床夹具中，通过调节转速以及进刀距离加工预制棒，车床转速在150～300r/min,通过车床将预制棒加工成横截面直径为20mm的圆形，长度100mm。(2)将上述车床加工的预制棒用钻台进行轴向打孔，钻头直径为1.5mm，经钻台加工后得到外径为20mm内径为1.5mm空心预制棒，将得到空心预制棒下端3mm处径向打孔，即可得到带孔结构的压力传感预制棒。
加捻结构电极层的制备包括以下步骤：将倍捻机转盘中固定线轴上的丝径为50μm的铜丝挂在转盘内侧挂钩上后，铜丝挂在长导管上，通过中芯孔从转盘外侧伸出，经过转盘上侧小孔，张力控制器后，牵引收线，形成加捻结构。
将上述制备的带孔结构的压力传感纤维预制棒进行热拉制拉丝包括以下步骤：(1)将上述三根铜丝加捻形成的导电丝缠绕在环形收纳线圈上，将导电丝的自由端穿过固定于拉丝设备上的预制棒通孔，将预制棒的下端径向穿入金属丝，同时在导电丝与金属丝下端固定20g砝码。(2)打开加热炉，上温区温度设定为195℃，下温区温度设定为295℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。(3)预制棒加热软化后，料头下落，依次经过测径仪，张力计，牵引轴，设定送棒速度为0.1mm/min，稳定收丝速度0.16m/min，由此得到丝径为500μm的压力传感纤维，结构如图1(a)所示。
二、制备压力传感纱线，具体的操作步骤如下：
将上一步制得的压力传感纤维作为芯纱，再将芯纱外表面包覆具有疏水性能的聚偏氟乙烯(PVDF)纤维形成包芯纱，具体的操作步骤如下：
(1)将聚偏氟乙烯短纤粗纱在细纱机中，经牵伸装置倒入罗拉皮辊，得到40支的聚偏氟乙烯短纤细纱；
(2)再将上述聚偏氟乙烯短纤细纱经环锭纺纱机，包覆在拉力传感纤维上，得到具有疏水性能的拉力传感纱线。
三、制备压力传感织物，具体的操作步骤如下：
上一步制得的压力传感纱线以刺绣的方式在购买的织物(本实施例中为牛仔布料，布料厚度为1mm)上形成正反面交替互锁结构，具体的操作步骤如下：
(1)将压力传感纱线穿过缝纫机针孔；(2)将商用织物置于缝纫机下，开始正面缝纫；(3)正面缝纫后，剪短线头在背面进行缝纫，使得纱线在织物正反面形成交替互锁结构，得到压力传感织物。
具体的，得到的压力传感织物中压力传感纤维的编织纵向间距为1mm，横向间距为1mm。
四、制备压力传感织物器件
分布式压力传感织物器件包括压力传感织物，模数转换器，电源，蓝牙传输模块(通信模块)，微型处理器等模块组装而成，具体如图5所示。具体的工作过程如下：
(1)纱线中导电丝连接至模数转换模块进行模数转换后，微型处理器进行数据处理后，经由蓝牙传输模块发射数据至终端设备，其中电源向模数转换器，蓝牙传输模块，微型处理器供电。(2)通过受到压力后，织物中压力传感纱线交叉点电容的变化大小感知压力的大小实现分布式压力传感，或通过受到压力后加捻形成的两根压力传感纱线中的互电容变化感知压力的大小实现压力分布式传感。(3)分布式压力传感织物器件中压力传感纤维的编织纵向间距为1mm，横向间距为1mm，编织间距决定了分布式压力传感织物器件的空间精度为1mm2。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于压力传感纤维的制备方法不同，由此，得到的压力传感纤维也不相同，具体的操作步骤如下：
预制棒制备方法同实施例1，将60g氟树脂通过上述热压法或挤出法制备出预制棒。
制备具有中心对称的2个轴向贯通孔的预制棒包括以下步骤：(1)将上述制备的预制棒放在车床夹具中，通过调节转速以及进刀距离加工预制棒，车床转速在150-300r/min,通过车床将预制棒加工成横截面直径为20mm的圆形，长度100mm。(2)将上述车床加工的预制棒用钻台进行轴向打孔，钻头直径为1.5mm，经钻台加工后得到外径为20mm，在一条直径的5mm处和15mm处分别有直径为1.5mm贯通孔的预制棒，将得到预制棒下端3mm处径向打孔，即可得到双孔结构的压力传感预制棒。
将上述制备的带孔结构的压力传感纤维预制棒进行热拉制拉丝包括以下步骤：(1)分别将两组丝径均为50μm的铜丝缠绕在两个环形收纳线圈上，将铜丝的自由端穿过固定于拉丝设备上的预制棒通孔，将预制棒的下端径向穿入金属丝，同时在铜丝与金属丝下端固定20g砝码。(2)打开加热炉，上温区温度设定为195℃，下温区温度设定为295℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。(3)预制棒加热软化后，料头下落，依次经过测径仪，张力计，牵引轴，设定送棒速度为0.1mm/min，稳定收丝速度0.16m/min，由此得到丝径为500μm的压力传感纤维，结构如图1(b)所示。
实施例3
实施例3与实施例2的不同点仅在于预制棒为三孔结构，且三孔之间呈等边三角形而且预制棒的轴线位于该等边三角形的中心，从而得到三孔结构的压力传感预制棒(三孔的轴线与预制棒轴线的距离均为5mm)。相应的，则为三根丝径均为50μm的铜丝分别穿入制棒通孔进行相应的压力传感纤维制备。得到丝径为500μm的压力传感纤维。
实施例4
实施例4与实施例1的区别仅在于压力传感纤维的制备方法不同，由此，得到的压力传感纤维也不相同，具体的操作步骤如下：
预制棒制备方法同实施例1，将60g氟树脂通过热压法或挤出法制备出预制棒。
制备具有3个轴向贯通孔(三个贯通孔在预制棒横截面上呈等边三角形，且预制棒的轴线位于该等边三角形的中心)的预制棒的加工包括以下步骤：(1)将上述制备的预制棒放在车床夹具中，通过调节转速以及进刀距离加工预制棒，车床转速在150-300r/min,通过车床将预制棒加工成直径为20mm的圆形，长度100mm。(2)将上述车床加工的预制棒用钻台进行轴向打孔，钻头直径为1.5mm，经钻台加工后得到外径为20mm，在得到在预制棒横截面上呈等边三角形且预制棒的轴线位于该等边三角形的中心的三个贯通孔，贯通孔的直径为1.5mm的预制棒，将得到预制棒下端3mm处径向打孔，即可得到三孔结构的压力传感预制棒(三孔的轴线与预制棒轴线的距离均为5mm)。
将上述制备的带孔结构的压力传感纤维预制棒进行热拉制拉丝包括以下步骤：(1)分别将三组丝径均为50μm的铜丝缠绕在三个环形收纳线圈上，将铜丝的自由端穿过固定于拉丝设备上的预制棒通孔，将预制棒的下端径向穿入金属丝，同时在铜丝与金属丝下端固定20g砝码。(2)打开加热炉，上温区温度设定为195℃，下温区温度设定为295℃，当加热区温度达到预设温度时，定长下棒。(3)预制棒加热软化后，料头下落后，打开旋转电机，使预制棒以10rpm/min旋转，纤维依次经过测径仪，张力计，牵引轴，设定送棒速度为0.1mm/min，稳定收丝速度0.16m/min，由此得到丝径为500μm的压力传感纤维，结构如图1(c)所示。
另外，实施例5～10与实施例1的区别仅在于导电丝的结构与材料不同、预制棒的材料不同。其中:
实施例5与实施例1的区别仅在于导电丝为三根丝径50μm不锈钢丝加捻形成的导电丝材料，预制棒为氟树脂材料；
实施例6与实施例1的区别仅在于导电丝为掺杂CNT(碳纳米管)的氟树脂复合材料(CNT与氟树脂的质量比为2：8)，预制棒为氟树脂材料，所述掺杂CNT的氟树脂复合材料在压力传感纤维中的丝径等效于三根丝径50μm不锈钢丝加捻形成的导电丝材料；
实施例7与实施例1的区别仅在于导电丝为掺杂CB(炭黑)的氟树脂复合材料(CB与氟树脂的质量比为2：8)，预制棒为氟树脂材料，所述掺杂CB的氟树脂复合材料在压力传感纤维中的丝径等效于三根丝径50μm不锈钢丝加捻形成的导电丝材料；
实施例8与实施例1的区别仅在于导电丝为三根50μm Cu丝加捻形成的导电丝材料，预制棒为SEBS；
实施例9与实施例1的区别仅在于导电丝为三根50μm Cu丝加捻形成的导电丝材料，预制棒为PMMA；
实施例10与实施例1的区别仅在于导电丝为三根50μm Cu丝加捻形成的导电丝材料，预制棒为聚偏氟乙烯。
以上实施例1～7中氟树脂为氟化的聚偏氟乙烯，分子量为18000。
以上实施例中的导电丝的结构与材料、预制棒的材料详见表1：
Figure BDA0003041392380000191
对上述10个实施例中制得的压力传感织物器件通过LCR测试仪及压力试验机进行检测，具体步骤为将实施例中的样品织物放置压力试验机的测试平台上，并将两极导电丝连入LCR测试仪中，其中LCR测试仪和压力试验机共同连接电脑控制，实现同步输出。测试过程中，压力试验机以1mm/min的速度对样品进行施压，记录LCR与压力计的输出数据，拟合出灵敏度曲线，最终得到在压力＜2kPa范围内相应的灵敏度,详见表2。
表2：实施例中压力灵敏度
灵敏度/kPa<sup>-1</sup>
实施例1 0.4
实施例2 0.1
实施例3 0.3
实施例4 0.35
实施例5 0.3
实施例6 0.2
实施例7 0.1
实施例8 0.3
实施例9 0.1
实施例10 0.15
由于选用单根导电丝时，一般需要直径较粗，导致制得的压力传感纤维过硬，穿着不舒服，所以可以通过选择两根以上的细丝来保证灵敏度的同时保证穿着的舒适性。如三根直径50微米的金属丝相比于单根直径100～150微米的金属丝，100～150微米的金属丝弯曲后会变形不易恢复，使得纤维丧失柔性。所以，通过上述四个实施例来研究压力传感纤维中存在多根导电丝时，不同结构对压力传感灵敏度的影响。
其中,实施例1～4相比较：
可以知道，以上四个实施例中，实施例1中的压力传感纤维如图1(a)所示为三根导电丝加捻结构；实施例2中的压力传感纤维如图1(b)所示为两根导电丝平行结构；实施例3中的压力传感纤维与实施例2相似，仅导电丝的数量不同，为三根导电丝平行结构；实施例4中的压力传感纤维如图1(c)所示为三根导电丝绕压力传感纤维轴线呈螺旋结构。
可以看出，以上4个实施例中，实施例2中灵敏度最低，主要是三根直径50微米的金属丝相比于单根直径50微米的金属丝或两根纤维内的电极材料相对面积S更大，因此初始电容更大。在纤维交叉点受到压力时，三根金属丝的纤维内电极相对面积S会变大，且电极间距d会变小，因此，三根金属丝的电容变化率更大，灵敏度更高。
在采用三根直径50微米的金属丝实施例中，实施例3由于金属丝直线平行分布，其相对面积依旧无法达到三根直径50微米的金属丝加捻或螺旋之后的效果，因此灵敏度依旧低于实施例1与实施例4。
而实施例1与实施例4相比之下，实施例1的灵敏度明显优异，主要是因为在相同条件下，三根螺旋分布的金属丝在纤维中分布较为离散，导致电极产生的电场强度较大，因此灵敏度较低。因此实施例1灵敏度最高，明显优于实施例2～4。
另外，实施例1、5～10相比较：
实施例5～7与实施例1相比，主要是导电丝材料不同，其中实施例5采用不锈钢丝，其导电率明显低于Cu丝，传感效果因此降低。实施例6～7采用掺杂导电材料的聚合物复合材料，这种材料一方面工艺上掺杂比例受到限制，另一方面导电性能不如金属丝材料，从而灵敏度更低。因此，优选Cu丝为导电材料进行压力传感纤维的构建。
实施例8～10与实施例1相比，主要是预制棒材料不同，其中实施例8采用PMMA，其介电常数低于氟树脂并且材料本身偏硬，对压力没有很好的形变响应，因此灵敏度较低。实施例9采用SEBS，其介电常数虽然低于氟树脂，但柔性优异且具有弹性，整体上灵敏度低于实施例1。实施例10采用聚偏氟乙酸，介电性能优异，但其硬度较高，灵敏度低于实施例1。因此，优选氟树脂为介电层材料进行压力传感纤维的构建，具体地，氟树脂其介电性能优异，材料柔软对压力响应度高。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力传感纤维，包括芯层和包层；
所述芯层为电极层；
所述包层为介电层。
2.根据权利要求1所述的压力传感纤维，其特征在于，所述介电层包括聚合物。
3.根据权利要求1所述的压力传感纤维，其特征在于，所述电极层包括导电丝。
4.一种压力传感纤维的制备方法，包括：
制备具有轴向通孔的预制棒，所述预制棒由聚合物制成；
将导电丝穿过所述通孔；
通过热拉制制备所述压力传感纤维。
5.一种压力传感纤维的制备方法，包括：
通过环锭纺纱工艺中的包芯纺纱工艺将短纤包裹层包裹在电极层表面形成介电层。
6.一种压力传感纱线，包括：
压力传感纤维和压力传感纤维外侧的短纤包裹层；
所述压力传感纤维选自权利要求1～3中个任一所述压力传感纤维。
7.一种压力传感倍捻纱线，由两根以上压力传感纱线加捻形成，所述压力传感纱线为权利要求6所述压力传感纱线。
8.一种压力传感倍捻纱线，由压力传感纱线与导电丝加捻形成，所述压力传感纱线为权利要求6所述压力传感纱线。
9.一种压力传感织物，其中设置有传感纤维或纱线；
所述传感纤维或纱线包括压力传感纤维、压力传感纱线和压力传感倍捻纱线中的一种或两种以上；
所述压力传感纤维选自权利要求1～3所述压力传感纤维中一种或两种以上；
所述压力传感纱线为权利要求6所述压力传感纱线；
所述压力传感倍捻纱线选自权利要求7或8所述压力传感倍捻纱线中一种或两种以上。
10.一种分布式压力传感织物器件，包括压力传感织物、电源、微型处理器模块、模数转换器模块、通信模块；
所述压力传感织物为权利要求9中所述的压力传感织物。
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