CN1671901A - 导电纱线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及导电丝线。所述丝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而且不导电的绑扎线。整个导电丝线的伸长性受绑扎线的限制。

Description

导电纱线
发明领域
本发明涉及弹性导电纱线，它们的应用以及制造方法。
背景技术
已知很多种用于制造导电纱线的方法。例如，金属丝、丝网或含金属纱线被长期地直接混入织物中以消除静电荷。这些织物通常很难在织机上生产，而且由于裸露的金属丝，导致其与纺织品具有很少的视觉相似和/或具有金属手感。
此外，制备所谓的短纤维纱的方法是已知的。实质上，它们包括将短的纺织纤维与短而且极细的金属纤维一起纺成纱线。根据金属含量，这些纱线具有或多或少的纺织品或金属性质。具有良好的导电性的短纤维纱呈现出金属性外观和表面手感。
中心具有的金属丝被纺织品单根或双根缠绕的方法也是已知的。因为基本上是金属丝决定这些纱线抗张强度，所以通常使用直径大于0.1mm的相对厚的金属丝。这种纱线比较硬因此不能用于纺织品。
EP 250260描述了平行喂入的细金属丝怎样用在被金属丝和纺织丝线缠绕的被缠绕纱线芯部。在该排列中，中心的纺织丝线提供了抗张强度，而平行的细金属丝提供了纱线的导电性。然而，这种纱线是不能显著伸长的。
CH 690686描述了纺织粗纱和金属单丝包芯纱的制备。在环锭纺纱机上的纺纱工艺中，被涂覆的金属丝被加入到粗纱的中心。在纺纱工艺接下来的热处理中，熔融涂覆使中心金属丝附着于纺成的纺织品的外鞘。这些纱线也不能显现出良好的伸长性。
由于导电纱线的断裂和塑性变形，上述的纱线都不能在不损失导电性的情况下具有一定的弹性伸长。
US 4776160、US 5881547和US 5927060的说明书都描述了其中的导电纱线绕中心排列的纺织丝线缠绕的纱线。该排列原则上促进了整个纱线的一定伸长并且不会引起纱线或导电包装(wrapping)的破损。
US 5881547教导了用于击剑服的高抗张强度导电纱线的产品。这些纱线由非导电的芯线和两根交叉的不锈钢丝包装组成。由于所用不锈钢丝的较大直径为0.6mm到1.2mm，所以它们非常硬，几乎不可伸长而且不具有任何弹性。
US 4776160和US 5927060记载了柔性可伸长芯线对于制造具有良好纺织品性质的导电纱线的应用。US 4776160记载了用作芯线的材料，热塑性塑料如尼龙、聚酯、人造丝、丙烯酸纤维、PEEK、PBS、PBI、聚烯烃(PE、PP)和液晶聚合物、聚碳酸酯、聚乙烯醇和芳族聚酸胺纤维。这些材料都不具有橡胶弹性。
US 5927060中描述的优选的复丝合成纤维在不改变导电性的情况下能够承受大约5％的伸长。在此所用的纺织品芯线无论如何都不具有橡胶弹性。此外，仅具有每米200到600捻回的不耐用的包装在鞘部金属丝断裂前的给定条件下只允许较小的伸长。
最后所述的纱线也不具有橡胶弹性。尽管它们在不损失导电性的情况下能够经受3％到5％的较小伸长，但会残留相当大的永久伸长。最后所述的纱线在不断裂或至少不损失导电性的情况下也不能经受超过10％的伸长。
因此，除了导电性外，对于纱线一直要求其展现出高弹性和改进的伸长性。
发明内容
如下是对本发明的应用。如权利要求所述的特征，本发明的目的是提供导电纱线，该纱线在不损失导电性的情况下能够至少是短暂性的较大伸长，并且展现出提高的伸长性。
本发明的这一目的通过权利要求1的纱线来实现。此外根据从属权利要求、说明书和实施例，本发明有益的细节、方面和实施方式是明显的。
本发明的纱线由至少一根弹性芯线、至少一根缠绕芯线的导电丝线和至少一根缠绕芯线的绑扎线组成。整个导电纱线的伸长性受绑扎线的限制。
这种导电纱线具有大量改进的性质。该纱线展现出可跨越大范围拉伸载荷的弹性。与背景技术中已知的导电纱线相反，张力的过载不会降低本发明纱线的导电性。这通过由绑扎线限制纱线的伸长性来实现。通过用绑扎线限制伸长性，可以额外地使该纱线在它的整个载荷范围内保持它的弹性。
根据本发明的优选实施方式，丝线的回复力不均衡地增加超出了固定拉伸载荷。回复力的不均衡增加的原因在于绑扎线。也就是说，超出了固定拉伸载荷，所述绑扎线通过展开它的螺旋形成每单位芯线长度较小数量的回数不能再屈服这个载荷，而只通过纵向的伸长产生了进一步的拉伸。螺旋结构的展开转变会导致绑扎线本身在其长度方向的有效拉伸，这导致了回复力的强烈增加，阻碍了纱线的进一步伸长。该回复力的不均衡增加出现在导电丝线还未断裂时的拉伸载荷。该纱线因而仍然是导电的。
绑扎线伸长性的范围首先取决于材料性质和绑扎线绕芯线的回数。较大的伸长性通常通过较大的回数获得。另外，材料较高的断裂伸长导致了伸长性的增加。
材料的断裂伸长被理解为通过拉伸载荷使材料直到断裂时的该材料的平均伸长。它用来决定受力材料的强度。因而，具有高断裂伸长的材料在其断裂前可被大范围的拉伸。
根据本发明，整个导电纱线的伸长性受绑扎线的限制。为了满足这个特性，芯线、导电丝线和绑扎线就材料和缠绕芯线的导电丝线和绑扎线包装的数量来进行适当的调整。另外，有利地是，一些纱线制造领域技术人员已知的其它参数是可以调整的。也就是说，伸长性进一步取决于缠绕芯线所产生的力。并且，不同的丝线材料呈现出不同的摩擦系数，这使个别丝线互相移动所必需消耗的力不同。
对于纱线制造领域的技术人员来说，这种选择是没有问题的。对于选择适当的材料和制造参数，本领域技术人员通常给出一定的芯线，用细金属丝包裹它，然后确定绑扎线，以使该纱线获得规定的性质。
必须意识到在所合成的纱线中缠绕芯线的回数不仅受实际完成的回数的影响，也受芯线预拉伸程度的影响。芯线预拉伸的强力越高，在减轻芯线的载荷之后，每单位长度芯线的回数增加的越惊人。
根据本发明的优选实施方式，芯线由橡胶弹性材料组成。术语“橡胶弹性材料”应理解为在材料变形和随后的载荷减轻后，该材料又恢复到原始状态。根据DIN 7724(1972年2月)，有两种弹性，即能量弹性(钢弹性)和熵弹性(橡胶弹性)。
根据本发明的优选实施方式，弹性芯线呈现出至少50％的断裂伸长，优选至少100％，特别优选至少200％。更特别优选，该芯线具有至少300％的断裂伸长，尤其是至少400％，特别优选至少500％。
弹性丝线是整个纱线单元具有橡胶弹性的原因。市场上提供了多种橡胶弹性丝线，从中可以选择适合相关应用的材料。这些材料包括天然和合成橡胶、不同种类的聚酯和聚醚弹性材料、改性聚酯、已交联热塑塑料等。聚酯—聚氨酯弹性体和/或聚醚—聚氨酯弹性体特别适合用作用于橡胶弹性芯线的材料。
伸长后，由于芯线的橡胶弹性，本发明的纱线再缩短到至少与原始长度差不多的长度。根据本发明的优选实施方式，在纵向弹性伸长至少15％以后，导电纱线在不损失其导电性的情况下呈现出5％的最大永久伸长。特别优选，在纵向弹性伸长至少30％以后，导电纱线在不损失其导电性的情况下呈现出5％的最大永久伸长。
该芯线可以适合相关应用的形状使用。引用一些变体作为示例：单丝、复丝、分段型和变形型。如果需要，复合丝线也可平行或捻合的用在芯部。同种或不同种的丝线可以并排地使用。
完成的该包芯纱的弹性芯具有至少一个导电包装。该弹性芯可用导电丝线多次缠绕。还能以不同的缠绕方向施加这些导电包装，如果适当，它们能通过中间层彼此分离。
金属丝、丝绳或丝网、导电涂覆合成纤维、具有金属部分的短纤维纱、导电聚合物丝线和导电填充合成纤维尤其适合用作导电丝线。该单一等级或混合的导电丝线能够单独或复合使用。用作导电丝线的金属单丝的直径为0.01-0.1mm，优选0.02-0.06mm，特别优选0.03-0.05mm。
尽管，原则上，可以被附加涂覆的许多金属和合金适合用作导电丝线，但由于技术和经济因素，特别优选使用铜丝、镀银铜丝和不锈钢丝。涂层或涂漆类金属丝的使用提高了本发明纱线的抗腐蚀性和可洗性。这种纱线不仅可容易地洗涤，而且它们甚至能经受干洗。
除了金属单丝外，复丝不锈钢纱线特别适合于制造本发明的纱线。单根不锈钢丝的厚度为0.002mm-0.02mm。所含单丝的数量为10至200根。
用于弹性芯的导电包装的镀银合成纱线可用在许多应用中。耐洗、镀银尼龙丝线特别适合于制造本发明的纱线。市场上提供了单丝和复丝纱线。在具有相同纱线直径的情况下，与单丝纤维相比较，用复丝纱线作为包装能达到更高的芯部表面覆盖率。
除了导电包装外，该纱线包括其它的包装。这种包装能具有各种功能。引用一些作为示例：电绝缘(外部、内部或中间多层导电层)、机械性擦伤保护、快速运转机器上纱线改进的加工性质、颜色、光泽、外观、手感、表面手感、过拉伸保护、抗张强度、以一个方向缠绕后纱线内部扭应力的均衡。应当指出另外的绑扎线通常是不导电的。但是，本发明还覆盖了呈现出任何等级导电性的绑扎线。
对于许多应用来说，具有内部弹性芯、含导电丝线的内部包装和以相反方向缠绕的纺织品外部包装的纱线结构是适合的。倘若强拉伸，则要构造外部包装，它先于内部导电包装完全拉伸。这样，在导电包装被损坏之前，外部包装能够中断拉伸。
本发明纱线更优选的实施方式包括复丝纱线作为非导电包装的应用。当缠绕芯部时，复丝纱线优选在芯线上层状排列自己，这样与单丝相比较具有相同外部直径的它们能产生相当大的表面覆盖率。
根据应用，所有类型的丝线都适用于所述的外层包装。引入一些有代表性的可能的材料作为示例：尼龙、聚酯、人造纤维、聚酰胺、亚麻、羊毛、丝、棉、聚丙烯、不同形式的凯夫拉尔(kevlar)、所有类型的混合纤维和含金属纱线，如镀银尼龙。
可用不同的方法制造本发明的纱线。优选的方法是传统的纱线卷绕。此处，中心的弹性丝线在拉伸机上拉伸。拉伸的弹性芯线通过旋转的空心锭子。在空心锭子上安装了带有导电丝线或绑扎线的筒管。随着均匀卷取的弹性芯线传送该丝线，以使导电丝线或绑扎线以螺旋形状缠绕芯线。当缠绕后拉伸的芯线再松弛时，各个捻回实质上比缠绕期间更紧密的靠在一起。
与非弹性纱线相比较，在其它生产条件相同的情况下，可以高牵伸地制造橡胶弹性纱线，这使得缠绕后纱线松弛引起的捻回更为紧密。用所引用的方法，弹性纱线能够比非弹性纱线更紧密地缠绕。
作为基本原则，外层丝线对芯线的缠绕造成了导致纱线呈放松状态的内部扭力，也就是说，当从筒管上退绕时，自身进行了加捻。绕芯线缠绕两根丝线可能会消除这些内部扭力。这被称作纱线的“平衡”。也就是说，如果第二根丝线以与第一根丝线相反的方向缠绕芯线，就会产生相反方向的扭力。现在，通过简单的试验调整材料和回数以使扭力的大小近似相等，使合成的扭力几乎为零。因此，确保放松状态的纱线的自身加捻非常小，或根本不加捻。
因而，根据本发明优选的实施方式，导电丝线和绑扎线以相反的方向缠绕弹性芯线。因此，例如，如果导电丝线以S方向缠绕弹性芯线，那么绑扎线以Z方向缠绕弹性芯线。从而形成交叉缠绕。
本发明还包括本发明纱线和织物对数据传输以及电元件和电子元件的电源供应的应用。此外，还包括本发明纱线和织物作为与带状电缆或局部分辨可激活(local-resolution-activatable)二维基体相似的导电材料的应用，其能够并排传输不同的电信号而没有明显的相互干扰。
此外，本发明的纱线或由其制造的产品能够应用在电磁防护领域或用于消除静电。本发明的纱线在电加热范围内用作加热电阻是可能的。
本发明还包括本发明的纱线作为电加热导体的应用，以及可作为弹性可电加热织物而制造的织物。
本发明另外包括本发明纱线作为传感器材料的应用，优选作为湿度传感器或应力传感器。
具体实施方式
接下来，将基于有代表性的实施方式详细地说明本发明，但要特别指出本发明并不局限于这些列举的实施例。
实施例1：
在纱线绕线机上预拉伸强度为1880分特(dtex)的Lycra 163C弹性丝线(制造商：DuPont De Nemours International S.A.FibresDepartment，Du Pont Straβe 1，Bad Homburg；产品名称：LYCRA弹性纱线；分特/型号：1880dtex T.136C)。该丝线的断裂伸长为500％，撕裂强度为1300cN。伸长100％后，除永久伸长2.4％外该纱线松弛。
使预拉伸Lycra丝线通过空心锭子。该空心锭子承载带有被Lycra丝线充分抽出的0.04mm厚的硬质镀银铜丝(制造商：Elektro-FeindrahtAG in CH-8182 Escholzmatt；产品名称：具有涂层的银/铜纺织金属丝型号TW-D)的圆锥形纱锭。测出的包括漆涂层的金属丝的直径为0.048mm。该金属丝具有21.3％的断裂伸长。
使该被单根金属丝卷绕的Lycra丝线通过第二个空心锭子。该空心锭子承载商业上可得的具有78dtex和34根长丝的PA66复丝聚酰胺纱线(制造商：Radicifil S.p.A./Synfil GmbH，IT-24126 Bergamo；名称：RN01235 78/34/1S；断裂伸长：28％)。PA66纱线与金属丝相反的缠绕芯部。选择机器参数以制得尽可能不具有内部扭力的均衡纱线。
外部的PA66纱线以每米纱线3200次缠绕芯部；内部的金属丝以每米纱线3600次缠绕芯部。内部的金属丝几乎完全被外部的PA66纱线覆盖，以使该纱线具有纺织品外观和表面手感。该纱线具有优良的导电性。如果伸长大约250％，那么通过PA66纱线的完全拉伸该纱线的回复力不均衡地变得更强。只有当伸长大约300％时，由于金属丝断裂该纱线失去了它的导电性。
实施例2：
在商业上可得的动力织机上使用实施例1的弹性导电包芯纱作为纬纱。经轴由0.3mm厚、8根丝线合成的单根加捻棉线组成。当进行交织时，制造出在纬向具有优良的导电性的坚固织物，且该织物在经向不能传导电流。即使在纬向拉伸超过120％后，仍然可以保留这些电性能。如果在经向的定距离间隔连接直流电压电源的电极，可以在纬向一米的间距使用该电压，以运行电接收器，如发光二极管。该织物能够在纬向被拉伸而不影响发光二极管的电源供应。
实施例3：
在商业上可得的动力织机上使用实施例1的弹性导电包芯纱作为纬纱。经轴由导电但不具有橡胶弹性的包芯纱组成。为了制造该经纱，用0.041mm厚、硬质镀银铜丝内部包装和具有78dtex和34根单丝的商业上可得的聚酰胺纱线(PA66)外部包装实现商业上可得的具有100dtex和36根单丝的聚酯纱线。
当进行交织时，制造出在纬向具有优良的导电性的坚固织物，且该织物在经向的导电性与其在纬向的导电性无关。即使在纬向拉伸超过120％后，仍然可以保留这些电性能。具有适当的电子活性可被经济地制造的该织物能够作为基体用于空间分辨信号俘获，或用于运行空间分辨输出装置，如监视器。
实施例4：
在纱线绕线机上预拉伸1880dtex的Lycra 163C弹性丝线(DuPontDe Nemours GmbH，Du Pont Straβe 1，D-61352，Bad Homburg)。使预拉伸的Lycra丝线通过空心锭子。该空心锭子承载带有被Lycra丝线充分抽出的具有30旦尼尔(denier)和18根单丝的镀银聚酰胺丝线(X-static，Life SRL，I-25015 Desenzano，Italy)的圆锥形纱锭。使被镀银纤维单根缠绕的该Lycra丝线通过第二个空心锭子。该空心锭子承载商业上可得的具有33dtex和10根单丝的PA66复丝聚酰胺纱线。PA66纱线与镀银纤维相反的缠绕芯部。选择机器参数以制得尽可能不具有内部扭力的均衡纱线。外部的PA66纱线以每米纱线3200次缠绕芯部；内部的镀银丝线以每米纱线3600次缠绕芯部。内部的镀银丝线几乎完全被外部的PA66纱线覆盖。该纱线具有优良的导电性。如果伸长大约250％，那么通过PA66纱线的完全拉伸该纱线的回复力不均衡地变得更强。只有当伸长大约320％时，包鞘Lycra芯部的该纱线断裂。
实施例5：
在商业上可得的动力织机上使用实施例1的弹性导电包芯纱作为纬纱。经轴由导电但不具有橡胶弹性的包芯纱组成。为了制造该经纱，用具有30旦尼尔(denier)和18根单丝的镀银聚酰胺丝线(X-static，LifeSRL，I-25015 Desenzano，Italy)内部包装和具有33dtex和10根单丝的商业上可得的聚酰胺纱线(PA66)外部包装完成商业上可得的具有100dtex和36根单丝的聚酯纱线。
当进行交织时，制造出具有优良的导电性的坚固织物。由于经纱和纬纱中镀银包装的不完全绝缘，织物中的所有导电纱线彼此电接触。即使在纬向拉伸超过100％后，仍然可以保留这些方向独立的导电性。这种织物对电磁辐射具有优良的屏蔽性，尤其是对1-2000MHz的电磁辐射。
实施例6：
在商业上可得的动力织机上使用实施例1的弹性导电包芯纱作为经纱。经轴交替地由每个8根同样丝线的序列组成。实施例1所述纱线的8根线束交替出现而且纱线没有导电部分。除了用具有78dtex和34根单丝的PA66复丝聚酰胺纱线代替金属丝以外，没有导电部分的丝线基本上完全地与实施例1所述的纱线相符。商业上可得的复丝聚酰胺纱线被用作纬纱。
以这种方法制造的弹性带具有彼此电绝缘的共存的导电带。为了甚至在潮湿环境中防止导电带之间的短路，可有利地用塑料涂覆的金属丝制造纱线。该实施例所述的扁平弹性电缆显著地适用于连接衣物中的电和电子成分。可以在不损失导电性的情况下在经向拉伸该弹性带。当衣物磨损时，该弹性带对皱纹和折叠是不敏感的。
实施例7：
实施例2中的弹性纬向导电织物通过商业上可得的1.1cm宽和50cm长的扁平电缆连接器在纬向被电接触。施加直流电压后，电流流动。在连接点中间，由NTC电阻决定电流引起的温度的升高。在热功率为5W(1.4A在3.6V)时，增加的温度为30℃。在热功率为13W(2A在6.5V)时，增加的温度为64.5℃。
该织物的伸长性和纺织品表面手感使它特别适合于制造能够与身体直接接触的弹性电热纺织品。应用的例子包括短袜、关节加热器、背部加热器、手套、弹性绷带等。

Claims (29)

1.一种导电纱线，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的绑扎线，其特征在于整个导电纱线的伸长性受绑扎线的限制。
2.根据权利要求1所述的导电纱线，其特征在于，超出固定拉伸载荷，绑扎线影响导电纱线回复力的不均衡增长，回复力的不均衡增长出现在纱线的导电性丧失之前。
3.根据权利要求1或2所述的导电纱线，其特征在于该芯线由橡胶弹性材料组成。
4.根据权利要求1至3的至少一项所述的导电纱线，其特征在于该弹性芯线呈现出至少50％的断裂伸长，优选至少100％，特别优选至少200％。
5.根据权利要求4所述的导电纱线，其特征在于该芯线呈现出至少300％的断裂伸长，优选至少400％，特别优选至少500％。
6.根据权利要求1至5的至少一项所述的导电纱线，其特征在于该橡胶弹性芯线由天然橡胶、合成橡胶、聚酯弹性材料、聚醚弹性材料、改性聚酯和/或已交联的热塑塑料组成。
7.根据权利要求6所述的导电纱线，其特征在于该橡胶弹性芯线由聚酯-聚氨酯弹性体和/或聚醚-聚氨酯弹性体组成。
8.根据权利要求1至7的至少一项所述的导电纱线，其特征在于纵向弹性伸长至少15％后，该纱线在不丧失导电性的情况下呈现出5％的最大永久伸长。
9.根据权利要求1至8的至少一项所述的导电纱线，其特征在于纵向弹性伸长至少30％后，该纱线在不丧失导电性的情况下呈现出5％的最大永久伸长。
10.根据权利要求1至9的至少一项所述的导电纱线，其特征在于用作导电丝线的金属单丝的直径为0.01-0.1mm，优选0.02-0.06mm，特别优选0.03-0.05mm。
11.根据权利要求1至10的至少一项所述的导电纱线，其特征在于涂覆金属的合成纤维被用作导电丝线。
12.根据权利要求11所述的导电纱线，其特征在于单丝镀银纤维被用作导电丝线。
13.根据权利要求1至11的至少一项所述的导电纱线，其特征在于金属复丝纱线被用作导电丝线。
14.根据权利要求13所述的导电纱线，其特征在于镀银复丝纱线被用作导电丝线。
15.根据权利要求1至10的至少一项所述的导电纱线，其特征在于不锈钢纤维被用作导电丝线。
16.根据权利要求1至15的至少一项所述的导电纱线，其特征在于绑扎线缠绕在芯线的外部，所述芯线被导电丝线缠绕。
17.根据权利要求1至15的至少一项所述的导电纱线，其特征在于导电丝线插绕在芯线的外部，所述芯线被绑扎线缠绕。
18.根据权利要求1至7的至少一项所述的导电纱线，其特征在于每米纱线中，导电丝线缠绕弹性芯线至少1,000次，优选至少2,000次，特别优选至少3,000次。
19.根据权利要求1至18的至少一项所述的导电纱线，其特征在于每米纱线中，绑扎线缠绕弹性芯线至少1,000次，优选至少2,000次，特别优选至少3,000次。
20.根据权利要求1至19的至少一项所述的导电纱线，其特征在于导电丝线和绑扎线以相反的方向缠绕弹性芯线。
21.一种制造权利要求1至20的导电纱线的方法，包括以下步骤：
a)在拉伸机上机械拉伸弹性芯线，
b)使该拉伸的芯线通过承载导电丝线并绕其纵轴旋转的空心锭子，和
c)使已经被导电丝线单根缠绕的拉伸芯线通过第二个承载绑扎线并绕其纵轴旋转的空心锭子，第二个空心锭子的旋转方向与第一个空心锭子的旋转方向相反。
22.一种织物，其包括至少一根权利要求1至20的导电纱线或根据权利要求21制造的导电纱线。
23.权利要求1至20所限定的导电纱线或根据权利要求21制造的导电纱线用于传输电信号。
24.根据权利要求23所述的应用，该电信号是模拟和/或数字信号。
25.权利要求1至20所限定的导电纱线或根据权利要求21制造的导电纱线用于为电气或电子元件提供电流。
26.权利要求1至20所限定的导电纱线或根据权利要求21制造的导电纱线用于借助电流产生热量。
27.权利要求1至20所限定的导电纱线或根据权利要求21制造的导电纱线用于屏蔽电磁场。
28.权利要求1至20所限定的导电纱线或根据权利要求21制造的导电纱线用于消除静电荷。
29.权利要求1至20所限定的导电纱线或根据权利要求21制造的导电纱线用作传感器材料，优选为湿度传感器或应力传感器。
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