CN114622317B - 一种电阻式应变传感包覆纱及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电阻式应变传感包覆纱及其制备方法，采用双包工艺，将两根皮芯导电复丝包覆一根绝缘弹性丝，形成电阻式应变传感包覆纱；电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；芯丝为绝缘弹性丝，内层和外层包覆丝为皮芯导电复丝；内层包覆丝和外层包覆丝以一定捻度和相反捻向包覆芯丝；内层包覆丝和外层包覆丝的线密度大于芯丝的线密度。本发明利用包覆纱的制备方式，将原本电阻值大、伸长率小、对拉伸应变不敏感的皮芯导电复丝，赋予了具有一定的灵敏度、大应变范围及高循环拉伸稳定性的应变传感特征，制得的电阻式应变传感包覆纱对湿度不灵敏，不易氧化，耐用性好，传感性能稳定。

Description

一种电阻式应变传感包覆纱及其制备方法
技术领域
本发明属于纺织应变传感器技术领域，涉及一种电阻式应变传感包覆纱及其制备方法。
背景技术
随着网络、能源、信息技术和人工智能的蓬勃发展，人们正在进入一个万物互联的智能时代。在这个时代，人们借助智能设备和无线通信技术实现与万物交互，而纺织传感器作为智能设备中获取信息数据的重要器件，具备感知各种物理或化学刺激并将其转化为可视化信号的功能，因此受到了广泛的关注和积极探索。纺织传感器主要有纱线式传感器和织物式传感器，相对而言，纱线式传感器的生产设计和应用更灵活。纱线应变传感器因舒适、柔软且具有较大变形范围的特点，可与服装结合制成智能可穿戴产品，用于长期检测人体生理及运动信号变化，在个人保健、体育、远程医疗和机器人等领域具有广阔的应用前景。
电阻式纱线应变传感器要求有一定的可测电阻值和受到应变能够产生电阻变化的灵敏度，满足实用性的同时还要求稳定性。为获得可测的电阻值和应变响应的灵敏度，纱线需要具备一定的导电性、拉伸形变以及形变回复率。满足上述要求的制备方法一般分为三类：一是采用弹性体与导电材料共混纺丝制备具有导电性的弹性长丝(纱)，或者对弹性纤维浸渍或涂覆导电材料，这类弹性导电长丝具有高灵敏度和大应变传感范围，但它们的电阻变化主要归结于导电丝或纱线自身的形变，在反复使用过程中导电性和传感灵敏度因塑性形变而变化，降低产品的传感性能；二是以弹性长丝为芯层，外层包覆长丝或短纤，然后进行浸渍或涂覆导电材料，制备具有导电性的弹性包芯纱或包覆纱，这类导电弹性包芯纱或包覆纱(专利CN106894133A)(Polyurethane/Cotton/Carbon Nanotubes Core-SpunYarn as High Reliability Stretchable Strain Sensor for Human Motion Detection[J].Applied Materials&Interfaces,2016,8(37).)同样具有高灵敏度和大应变，缺点是在反复使用过程中导电物质易脱落，无法满足传感器的重复稳定性和耐久性要求，且通过浸渍或涂覆导电材料要求包覆纱较粗，通常直径大于0.5mm，无法直接织入服装实践应用，此外，以浸渍和涂覆导电材料的方式制备的纱线应变传感器难以实现大规模生产；三是以弹性长丝为芯层，外层包覆导电性长丝或短纤，不需要浸渍涂层，这类导电弹性包芯纱或包覆纱，根据外层的导电性，灵敏度和应变传感范围可调，传感器的重复稳定性和耐久性取决于外层的导电长丝或短纤。
专利CN1671901A公开了一种导电纱线，该纱线包括至少一根弹性芯线、至少一根缠绕芯线的导电丝线和至少一根缠绕芯线且不导电的绑扎线，通过由绑扎线限制纱线的伸长性，可以额外地使该纱线在拉伸载荷范围内保持它的弹性。专利CN101728005A公开了一种压力敏感导电纱线，用于检测不同的生物学信息，通过将导电纤维与非导电纤维混纺成纱，再将两根该混纺导电纱线以相反反向双重地卷绕在弹力纱线上而成，实现了较好的重复性。但上述两种导电纱线直接以金属丝线、不锈钢纤维、镀银丝线等作为导电材料，不具备良好的耐候性，且作为包缠纱其弯曲刚度较大，使纱线的柔软舒适性降低，限制了它的实用价值。
综上所示，现有的可用作电阻式应变传感纱线中，包覆纱形式的导电纱线具有更稳定可靠的结构，它利用导电的包覆纱之间的接触与分离状态引起电阻变化，而获得了更好的可重复性。但现有技术选用金属丝线、不锈钢纤维、镀银丝线等作为导电材料，易受环境温湿度的影响而氧化，且舒适性较差。
为此，亟待研究一种同时具有耐候性和稳定性的电阻式应变传感纱线。
发明内容
本发明提供一种电阻式应变传感包覆纱及其制备方法。本发明的目的之一是解决现有技术中的对包覆纱浸渍或涂覆导电材料形成的应变传感器较粗，无法直接织入服装的问题，目的之二是解决现有技术中的导电纱包覆弹性芯纱形成的应变传感器耐候性及柔软性较差的问题。本发明的电阻式应变传感包覆纱线密度低、柔软性好、耐候性强、传感性能稳定，适于织入服装。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电阻式应变传感包覆纱，具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；芯丝为绝缘弹性丝，内层包覆丝和外层包覆丝为皮芯导电复丝；内层包覆丝和外层包覆丝以一定捻度和相反捻向包覆芯丝；内层包覆丝和外层包覆丝的线密度大于芯丝的线密度，内外两层包覆丝的线密度大于芯丝的线密度是保证包覆纱的传感机理的一项前提条件，只有这样设置才能实现负灵敏度，否则可能在拉伸过程中，电阻随应变非单调变化，而缩小了包覆纱可用的应变传感范围；现有技术的电阻式应变传感包覆纱都是包覆丝线密度小于芯丝，因为选用的芯丝都很粗，这就带来了无法直接织入服装的问题，以及在拉伸过程中包覆纱始终很紧密，不够柔软，现有技术中包覆纱的灵敏度也都是正的。
作为优选的技术方案：
如上所述的电阻式应变传感包覆纱，电阻式应变传感包覆纱的线密度为100～500旦尼尔；电阻式应变传感包覆纱的应变传感范围为60％～200％，灵敏度为-10～-0.1；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻式应变传感包覆纱的电阻变化率为-200％～-2％，电阻变化率保持稳定，波动范围为-10％～-0.1％；电阻式应变传感包覆纱在湿度30％～100％环境下电阻差异小于1％。
如上所述的电阻式应变传感包覆纱，芯丝的线密度为20～100旦尼尔，内层包覆丝和外层包覆丝的线密度为40～200旦尼尔。
如上所述的电阻式应变传感包覆纱，芯丝的断裂强度至少为1cN/dtex，断裂伸长率至少为400％，在300％伸长率下的弹性回复率至少为90％；内层包覆丝和外层包覆丝的断裂强度至少为2.5cN/dtex，断裂伸长率至少为10％。
如上所述的电阻式应变传感包覆纱，所述芯丝由弹性体聚合物纺丝而成；
所述皮芯导电复丝的芯层为绝缘聚合物，皮层为导电材料和绝缘聚合物的混合物，皮层和芯层的体积比为1:9～9:1，皮层中导电材料的质量分数至少为10％；
所述皮芯导电复丝的电导率大于等于0.01S/cm；
所述皮芯导电复丝的干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异小于1％。
如上所述的电阻式应变传感包覆纱，所述弹性体聚合物为聚氨酯、聚醚酯、橡胶、聚醚酰胺或它们的混合物，本发明仅列举常见可制作绝缘弹性丝的物质，其它能实现该功能的物质同样适用于本发明；
所述绝缘聚合物为聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚氯乙烯；本发明仅列举常见绝缘聚合物的种类，其它能实现该功能的物质同样适用于本发明；
所述导电材料为金属材料、炭材料、导电金属化合物和导电高分子材料中的一种以上。
本发明还提供制备如上任一项所述的电阻式应变传感包覆纱的方法，采用双包工艺，利用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将绝缘弹性丝以一定倍数预牵伸，再使用两根皮芯导电复丝以一定捻向和捻度包覆在预牵伸的绝缘弹性芯丝上，形成电阻式应变传感包覆纱。
作为优选的技术方案：
如上所述的方法，具体步骤如下：
(1)预牵伸绝缘弹性丝；
(2)第一根皮芯导电复丝以Z捻向或S捻向缠绕包覆绝缘弹性丝，捻度为500～1500捻/米，形成单包纱；
(3)第二根皮芯导电复丝以S捻向或Z捻向缠绕包覆单包纱，且捻度与第一层包覆丝的捻度相同，形成双包纱；
(4)双包纱释放施加在芯丝的预牵伸后，逐步卷绕到纱筒表面；
(5)将双包纱进行热定型，形成电阻式应变传感包覆纱。
如上所述的方法，步骤(1)中预牵伸倍数为2～5倍。
如上所述的方法，步骤(2)中单包纱直径与芯丝直径之比为1.5:1～3:1；步骤(3)中双包纱直径与芯丝直径之比为2.5:1～4.5:1。
如上所述的方法，步骤(4)中热定型温度为50～250℃，时间为1～24h。
本发明的原理如下：
本发明的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，内外层包覆丝以相反捻向和较低捻度包覆芯丝，有着良好的结构稳定性以及优良的物理机械特性，同时绝缘芯丝选用线密度低的弹性体长丝，内外层包覆丝选用线密度大于芯丝的皮芯导电复丝，这使本发明的电阻式应变传感包覆纱在拉伸过程中的变化状态及传感机理如下：在初始状态下，内外两层皮芯导电复丝松散地包覆在绝缘弹性芯丝上，相邻的皮芯导电丝之间存在明显的间隙；当拉伸包覆纱，内外层螺旋状皮芯导电复丝与包覆纱轴向间的夹角减小，且皮芯导电复丝逐渐向内束紧，从而同时减小了单层内相邻皮芯导电丝之间及内外两层皮芯导电复丝间的间隙；单层的皮芯导电丝趋向于紧密、平行排列，接触程度增加，且内外层皮芯导电复丝之间的接触面积增大，因此包覆纱的电阻随拉伸应变的增加而减小，呈现出负灵敏度。包覆纱在拉伸过程中由相对松弛变为相对紧密，松散的初始包覆状态给予了皮芯导电复丝足够向内收缩的空间。因此，包覆纱在应变传感范围内保持柔软，且每层中皮芯导电丝沿芯丝轴向近似于平行排列，使包覆纱总线密度较低，克服了现有技术中浸渍或涂覆导电材料制备的包覆纱应变传感器粗、可编织性差的缺点，可直接用于机织、针织和缝纫加工；包覆丝较芯丝粗且包覆捻度较低，对绝缘弹性芯丝的约束小，使包覆纱具有较大的拉伸应变；皮芯导电复丝皮层中的导电材料大部分被绝缘聚合物覆盖，隔绝了氧气和水分，使得电阻式应变传感包覆纱的电阻受环境影响小，具有优异的耐候性和稳定性；本发明的电阻式应变传感包覆纱可直接与服装面料结合，穿着舒适，可以应用于人体生理信号和运动信号监测。
有益效果：
(1)本发明的电阻式应变传感包覆纱的制备方法，适于大规模生产；
(2)本发明的电阻式应变传感包覆纱线密度低且柔软，可用于机织、针织和缝纫等纺织加工工艺，可直接与服装面料结合并不降低穿着舒适性，适用于智能可穿戴产品的应变信号采集；
(3)本发明的电阻式应变传感包覆纱，对湿度不灵敏，不易氧化，耐用性好，传感性能稳定，克服传统纺织应变传感器耐候性差的缺点；
(4)本发明的电阻式应变传感包覆纱利用包覆纱的制备方式，将原本电阻值大、伸长率小、对拉伸应变不敏感的皮芯导电复丝，赋予了具有一定的灵敏度、大应变范围及高循环拉伸稳定性的应变传感特征。
附图说明
图1为本发明的电阻式应变传感包覆纱的结构示意图；
图2为本发明的皮芯导电复丝的结构示意图；
其中，1-芯丝，2-内层包覆丝，3-外层包覆丝，4-芯层，5-皮层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明中，芯丝的断裂强度及断裂伸长率按照FZ/T 50006-2013测得；
包覆丝的断裂强度及断裂伸长率按照GB/T 3916-2013测得；
芯丝的线密度按照FZ/T 50005-2013测得；
包覆丝的线密度按照GB/T 14343-2008测得；
电阻式应变传感包覆纱的线密度按照GB/T 4743-2009测得；
灵敏度为电阻式应变传感包覆纱从0拉伸至最大应变传感范围内的平均灵敏度。
实施例1
一种电阻式应变传感包覆纱的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：
芯丝：70D/1F的氨纶长丝，断裂强度为1.5cN/dtex，断裂伸长率为560％，在300％伸长率下的弹性回复率为96％；
包覆丝：95D/12F的皮芯导电复丝，断裂强度为3.25cN/dtex，断裂伸长率为24％，电导率为0.011S/cm，干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异为0.8％；如图2所示，皮芯导电复丝的芯层4为聚酯，皮层5为含有导电碳黑的聚酯(导电碳黑的质量分数为30％)，皮层5和芯层4的体积比为2:3；
(2)使用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将芯丝放置在包覆机底部，从下方穿过绕有包覆丝的下空心锭子和上空心锭子，并进行3倍的预牵伸；
(3)下空心锭子的包覆丝以S捻向缠绕包覆在芯丝上，捻度为1230捻/米，完成内层包覆，形成单包纱；其中，单包纱直径与芯丝直径之比为2:1；
(4)上空心锭子的包覆丝以Z捻向缠绕包覆在单包纱上，完成外层包覆，捻度为1230捻/米，形成双包纱；其中，双包纱直径与芯丝直径之比为3.1:1；
(5)双包纱经过导纱杆、卷绕辊以及压纱辊，并释放施加在芯丝的预牵伸，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面；
(6)将双包纱在180℃温度下进行热定型24h，制得电阻式应变传感包覆纱。
如图1所示，最终制得的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝1、内层包覆丝2和外层包覆丝3；电阻式应变传感包覆纱线密度为350旦尼尔；湿度30％～100％环境下电阻差异为0.8％；应变为63％，灵敏度为-0.1；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻变化率为-2％±0.1％。
实施例2
一种电阻式应变传感包覆纱的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：
芯丝：100D/1F的氨纶长丝，断裂强度为1.5cN/dtex，断裂伸长率为600％，在300％伸长率下的弹性回复率为98％；
包覆丝：150D/24F的皮芯导电复丝，断裂强度为3cN/dtex，断裂伸长率为30％，电导率为0.2S/cm，干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异为0.06％；皮芯导电复丝的芯层为聚丙烯，皮层为含有导电石墨烯的聚丙烯(导电石墨烯的质量分数为20％)，皮层和芯层的体积比为1:3；
(2)使用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将芯丝放置在包覆机底部，从下方穿过绕有包覆丝的下空心锭子和上空心锭子，并进行3.5倍的预牵伸；
(3)下空心锭子的包覆丝以S捻向缠绕包覆在芯丝上，捻度为1000捻/米，完成内层包覆，形成单包纱；其中，单包纱直径与芯丝直径之比为1.8:1；
(4)上空心锭子的包覆丝以Z捻向缠绕包覆在单包纱上，完成外层包覆，捻度为1000捻/米，形成双包纱；其中，双包纱直径与芯丝直径之比为2.8:1；
(5)双包纱经过导纱杆、卷绕辊以及压纱辊，并释放施加在芯丝的预牵伸，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面；
(6)将双包纱在120℃温度下进行热定型12h，制得电阻式应变传感包覆纱。
最终制得的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；电阻式应变传感包覆纱线密度为450旦尼尔；湿度30％～100％环境下电阻差异为0.06％；应变为120％，灵敏度为-0.6；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻变化率为-12％±0.6％。
实施例3
一种电阻式应变传感包覆纱的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：
芯丝：100D/1F的氨纶长丝，断裂强度为1.5cN/dtex，断裂伸长率为600％，在300％伸长率下的弹性回复率为98％；
包覆丝：115D/40F的皮芯导电复丝，断裂强度为2.8cN/dtex，断裂伸长率为20％，电导率为27S/cm，干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异为0.7％；皮芯导电复丝的芯层为聚丙烯腈，皮层为含有铜的聚丙烯腈(铜的质量分数为25％)，皮层和芯层的体积比为3:2；
(2)使用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将芯丝放置在包覆机底部，从下方穿过绕有包覆丝的下空心锭子和上空心锭子，并进行3.5倍的预牵伸；
(3)下空心锭子的包覆丝以S捻向缠绕包覆在芯丝上，捻度为1100捻/米，完成内层包覆，形成单包纱；其中，单包纱直径与芯丝直径之比为1.7:1；
(4)上空心锭子的包覆丝以Z捻向缠绕包覆在单包纱上，完成外层包覆，捻度为1100捻/米，形成双包纱；其中，双包纱直径与芯丝直径之比为2.6:1；
(5)双包纱经过导纱杆、卷绕辊以及压纱辊，并释放施加在芯丝的预牵伸，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面；
(6)将双包纱在140℃温度下进行热定型10h，制得电阻式应变传感包覆纱。
最终制得的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；电阻式应变传感包覆纱线密度为410旦尼尔；湿度30％～100％环境下电阻差异为0.7％；应变为120％，灵敏度为-4.5；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻变化率为-90％±4.5％。
实施例4
一种电阻式应变传感包覆纱的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：
芯丝：75D/1F的橡胶丝，断裂强度为1.2cN/dtex，断裂伸长率为550％，在300％伸长率下的弹性回复率为91％；
包覆丝：110D/48F的皮芯导电复丝，断裂强度为4.5cN/dtex，断裂伸长率为15％，电导率为43S/cm，干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异为0.1％；皮芯导电复丝的芯层为聚乙烯，皮层为含有导电氧化银的聚乙烯(导电氧化银的质量分数为12％)，皮层和芯层的体积比为2:1；
(2)使用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将芯丝放置在包覆机底部，从下方穿过绕有包覆丝的下空心锭子和上空心锭子，并进行3倍的预牵伸；
(3)下空心锭子的包覆丝以S捻向缠绕包覆在芯丝上，捻度为850捻/米，完成内层包覆，形成单包纱；其中，单包纱直径与芯丝直径之比为2.2:1；
(4)上空心锭子的包覆丝以Z捻向缠绕包覆在单包纱上，完成外层包覆，捻度为850捻/米，形成双包纱；其中，双包纱直径与芯丝直径之比为3.2:1；
(5)双包纱经过导纱杆、卷绕辊以及压纱辊，并释放施加在芯丝的预牵伸，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面；
(6)将双包纱在120℃温度下进行热定型6h，制得电阻式应变传感包覆纱。
最终制得的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；电阻式应变传感包覆纱线密度为380旦尼尔；湿度30％～100％环境下电阻差异为0.1％；应变为100％，灵敏度为-6；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻变化率为-120％±6％。
实施例5
一种电阻式应变传感包覆纱的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：
芯丝：70D/1F的橡胶丝，断裂强度为1.2cN/dtex，断裂伸长率为540％，在300％伸长率下的弹性回复率为91％；
包覆丝：100D/24F的皮芯导电复丝，断裂强度为5.3cN/dtex，断裂伸长率为10％，电导率为11S/cm，干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异为0.4％；皮芯导电复丝的芯层为聚酰亚胺，皮层为含有铜的聚酰亚胺(铜的质量分数为14％)，皮层和芯层的体积比为1:3；
(2)使用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将芯丝放置在包覆机底部，从下方穿过绕有包覆丝的下空心锭子和上空心锭子，并进行3倍的预牵伸；
(3)下空心锭子的包覆丝以S捻向缠绕包覆在芯丝上，捻度为700捻/米，完成内层包覆，形成单包纱；其中，单包纱直径与芯丝直径之比为2:1；
(4)上空心锭子的包覆丝以Z捻向缠绕包覆在单包纱上，完成外层包覆，捻度为700捻/米，形成双包纱；其中，双包纱直径与芯丝直径之比为3:1；
(5)双包纱经过导纱杆、卷绕辊以及压纱辊，并释放施加在芯丝的预牵伸，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面；
(6)将双包纱在160℃温度下进行热定型8h，制得电阻式应变传感包覆纱。
最终制得的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；电阻式应变传感包覆纱线密度为330旦尼尔；湿度30％～100％环境下电阻差异为0.4％；应变为90％，灵敏度为-1.5；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻变化率为-30％±1.5％。
实施例6
一种电阻式应变传感包覆纱的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：
芯丝：85D/1F的TPEE纤维(热塑性聚酯弹性体纤维)，断裂强度为1.65cN/dtex，断裂伸长率为400％，在300％伸长率下的弹性回复率为90％；
包覆丝：100D/36F的皮芯导电复丝，断裂强度为2.5cN/dtex，断裂伸长率为13％，电导率为0.7S/cm，干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异为0.05％；皮芯导电复丝的芯层为聚四氟乙烯，皮层为含有导电碳纳米管的聚四氟乙烯(导电碳纳米管的质量分数为20％)，皮层和芯层的体积比为1:1；
(2)使用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将芯丝放置在包覆机底部，从下方穿过绕有包覆丝的下空心锭子和上空心锭子，并进行2.5倍的预牵伸；
(3)下空心锭子的包覆丝以S捻向缠绕包覆在芯丝上，捻度为1300捻/米，完成内层包覆，形成单包纱；其中，单包纱直径与芯丝直径之比为2.4:1；
(4)上空心锭子的包覆丝以Z捻向缠绕包覆在单包纱上，完成外层包覆，捻度为1300捻/米，形成双包纱；其中，双包纱直径与芯丝直径之比为3.6:1；
(5)双包纱经过导纱杆、卷绕辊以及压纱辊，并释放施加在芯丝的预牵伸，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面；
(6)将双包纱在140℃温度下进行热定型12h，制得电阻式应变传感包覆纱。
最终制得的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；电阻式应变传感包覆纱线密度为400旦尼尔；湿度30％～100％环境下电阻差异为0.05％；应变为75％，灵敏度为-0.5；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻变化率为-10％±0.5％。
实施例7
一种电阻式应变传感包覆纱的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：
芯丝：90D/1F的TPAE纤维(热塑性聚酰胺弹性体纤维)，断裂强度为1.8cN/dtex，断裂伸长率为480％，在300％伸长率下的弹性回复率为93％；
包覆丝：100D/24F的皮芯导电复丝，断裂强度为3.4cN/dtex，断裂伸长率为22％，电导率为1S/cm，干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异为0.08％；皮芯导电复丝的芯层为聚氯乙烯，皮层为含有导电碳黑的聚氯乙烯(导电碳黑的质量分数为28％)，皮层和芯层的体积比为3:2；
(2)使用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将芯丝放置在包覆机底部，从下方穿过绕有包覆丝的下空心锭子和上空心锭子，并进行2.5倍的预牵伸；
(3)下空心锭子的包覆丝以S捻向缠绕包覆在芯丝上，捻度为1000捻/米，完成内层包覆，形成单包纱；其中，单包纱直径与芯丝直径之比为1.9:1；
(4)上空心锭子的包覆丝以Z捻向缠绕包覆在单包纱上，完成外层包覆，捻度为1000捻/米，形成双包纱；其中，双包纱直径与芯丝直径之比为2.8:1；
(5)双包纱经过导纱杆、卷绕辊以及压纱辊，并释放施加在芯丝的预牵伸，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面；
(6)将双包纱在70℃温度下进行热定型1h，制得电阻式应变传感包覆纱。
最终制得的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；电阻式应变传感包覆纱线密度为420旦尼尔；湿度30％～100％环境下电阻差异为0.08％；应变为90％，灵敏度为-1；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻变化率为-20％±1％。
实施例8
一种电阻式应变传感包覆纱的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：
芯丝：40D/1F的TPU单丝(热塑性聚氨酯弹性体单丝)，断裂强度为2.3cN/dtex，断裂伸长率为450％，在300％伸长率下的弹性回复率为90％；
包覆丝：70D/24F的皮芯导电复丝，断裂强度为4.7cN/dtex，断裂伸长率为35％，电导率为1.5S/cm，干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异为0.9％；皮芯导电复丝的芯层为聚酰胺6，皮层为含有导电碳纳米管的聚酰胺6(导电碳纳米管的质量分数为35％)，皮层和芯层的体积比为1:2；
(2)使用装有上下空心锭子的纱线包覆机，将芯丝放置在包覆机底部，从下方穿过绕有包覆丝的下空心锭子和上空心锭子，并进行2倍的预牵伸；
(3)下空心锭子的包覆丝以S捻向缠绕包覆在芯丝上，捻度为900捻/米，完成内层包覆，形成单包纱；其中，单包纱直径与芯丝直径之比为2.5:1；
(4)上空心锭子的包覆丝以Z捻向缠绕包覆在单包纱上，完成外层包覆，捻度为900捻/米，形成双包纱；其中，双包纱直径与芯丝直径之比为4:1；
(5)双包纱经过导纱杆、卷绕辊以及压纱辊，并释放施加在芯丝的预牵伸，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面；
(6)将双包纱在160℃温度下进行热定型4h，制得电阻式应变传感包覆纱。
最终制得的电阻式应变传感包覆纱具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；电阻式应变传感包覆纱线密度为260旦尼尔；湿度30％～100％环境下电阻差异为0.9％；应变为80％，灵敏度为-0.8；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻变化率为-16％±0.8％。

Claims (10)

1.一种电阻式应变传感包覆纱，其特征是：具有双层包覆结构，自内到外依次为芯丝、内层包覆丝和外层包覆丝；芯丝为绝缘弹性丝，内层包覆丝和外层包覆丝为皮芯导电复丝；内层包覆丝和外层包覆丝以一定捻度和相反捻向包覆芯丝；内层包覆丝和外层包覆丝的线密度大于芯丝的线密度
所述电阻式应变传感包覆纱的线密度为100～500旦尼尔；电阻式应变传感包覆纱的应变传感范围为60％～200％，灵敏度为-10～-0.1；在20％的拉伸应变下，循环拉伸10000次，电阻式应变传感包覆纱的电阻变化率为-200％～-2％，波动范围为-10％～-0.1％；电阻式应变传感包覆纱在湿度30％～100％环境下电阻差异小于1％。
2.根据权利要求1所述的电阻式应变传感包覆纱，其特征在于，芯丝的线密度为20～100旦尼尔，内层包覆丝和外层包覆丝的线密度为40～200旦尼尔。
3.根据权利要求1所述的电阻式应变传感包覆纱，其特征在于，芯丝的断裂强度至少为1cN/dtex，断裂伸长率至少为400％，在300％伸长率下的弹性回复率至少为90％；内层包覆丝和外层包覆丝的断裂强度至少为2.5cN/dtex，断裂伸长率至少为10％。
4.根据权利要求1所述的电阻式应变传感包覆纱，其特征在于，所述芯丝由弹性体聚合物纺丝而成；
所述皮芯导电复丝的芯层为绝缘聚合物，皮层为导电材料和绝缘聚合物的混合物，皮层和芯层的体积比为1:9～9:1，皮层中导电材料的质量分数至少为10％；
所述皮芯导电复丝的电导率大于等于0.01S/cm；
所述皮芯导电复丝的干态电阻和浸入水中1小时的湿态电阻差异小于1％。
5.根据权利要求4所述的电阻式应变传感包覆纱，其特征在于，所述弹性体聚合物为聚氨酯、聚醚酯、橡胶、聚醚酰胺或它们的混合物；
所述绝缘聚合物为聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚氯乙烯；
所述导电材料为金属材料、炭材料、导电金属化合物和导电高分子材料中的一种以上。
6.制备如权利要求1～5任一项所述的电阻式应变传感包覆纱的方法，其特征是：采用双包工艺，将两根皮芯导电复丝包覆一根绝缘弹性丝，形成电阻式应变传感包覆纱。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)预牵伸绝缘弹性丝；
(2)第一根皮芯导电复丝以Z捻向或S捻向缠绕包覆预牵伸后的绝缘弹性丝，捻度为500～1500捻/米，形成单包纱；
(3)第二根皮芯导电复丝以S捻向或Z捻向缠绕包覆单包纱，且捻度与第一层包覆丝的捻度相同，形成双包纱；
(4)双包纱释放施加在芯丝的预牵伸后，逐步卷绕到纱筒表面；
(5)将双包纱进行热定型，形成电阻式应变传感包覆纱。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中预牵伸倍数为2～5倍。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中单包纱直径与芯丝直径之比为1.5:1～3:1；步骤(3)中双包纱直径与芯丝直径之比为2.5:1～4.5:1。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(4)中热定型温度为50～250℃，时间为1～24h。
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