一种隔热应变传感纱及其制备方法与应用

1.本发明属于智能纺织品技术领域，尤其涉及一种隔热应变传感纱及其制备方法与应用。


背景技术：

2.随着信息技术的发展以及人们对品质生活的追求，智能传感器的研究受到了广泛关注，将智能传感器件融入传统纺织品中以制备智能可穿戴纺织品更是成为研究的热点。早期的智能可穿戴纺织品大多通过涂覆、包埋、封装等方式将传感器件与织物相结合，整体显得刚硬笨重。后期随着新材料、新技术的发展，又有丝网印刷、气相沉积、喷墨打印等方法制备功能纺织品，虽然在舒适度和重量上得到了改善，但其功能层结构容易受到外力破坏，而功能纱线的提出则很好地改善了上述问题，不仅柔性好，而且还赋予纺织品附加功能。
3.中国专利cn115323514a在皮层、芯层中添加若干空腔结构和气凝胶纳米颗粒以制备隔热复合纱，以降低纱线导热率，起到隔热保温的作用，但缺乏对人体运动状态的传感监测。
4.对于上述提到的隔热和传感功效，文章调研发现，目前针对高温环境研究的功能纱线大多功能单一，很少能够将隔热和传感两种功能都集成到同一纱线中，并保证纱线的稳定性。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种隔热应变传感纱及其制备方法与应用。在氨纶外层编织导电纱线，然后利用摩擦纺在导电纱线外层包裹聚酰亚胺纤维以制备具有隔热功能的复合传感纱，从而更好地应对高温环境。
6.本发明的第一个目的是提供一种隔热应变传感纱的制备方法，包括以下步骤，
7.s1、在弹性纱表面编织导电纱线，得到弹性导电复合纱；编织过程中弹性纱保持自然拉伸状态；
8.s2、通过摩擦纺的方式在s1所述的弹性导电复合纱表面包覆隔热纤维，得到所述隔热应变传感纱，包覆过程中弹性导电复合纱保持自然拉伸状态。
9.在本发明的一个实施例中，所述自然拉伸状态是指在适当的拉力下，保持中间弹性纱处于原长伸直状态，因为弹性纱弹性好，过度拉伸会使中间的弹性纱在纺纱过程中始终大于其原长，这会导致最后制备的隔热应变传感纱的弹性大打折扣。
10.在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述弹性纱选自氨纶、涤纶高弹丝和锦纶高弹丝中的一种或多种。
11.在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述导电纱线选自镀银尼龙纱、镀银阻燃粘胶纱、碳纳米管阻燃粘胶纱、涂层石墨烯纱、镀银涤纶纱和金属纳米线中的一种或多种。
12.在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述编织是在高速编织机上进行，编织
过程中编织的速度为15rpm-25rpm，导出速度为4m/min-6m/min，卷绕速度为5m/min-7m/min；导电纱线的锭数为8、10、12、14或16。
13.在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述隔热纤维选自聚酰亚胺、芳砜纶纤维和陶瓷纤维中的一种或多种。
14.在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述摩擦纺的工艺参数为：喂纱速度为2m/min-4m/min，输出速度为2m/min-4m/min，卷绕速度为3m/min-5m/min。
15.本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备的隔热应变传感纱。
16.本发明的第三个目的是提供一种股线，所述股线由所述隔热应变传感纱制备得到。
17.本发明的第四个目的是提供一种织物，所述的织物由所述股线制备得到；所述股线的捻度为5t、10t或15t。应注意不是捻度越大，传感性能越好，捻度的值是有上界限制的，要保持两根加捻纱线之间留有一定的空隙，以便于当外力施加到股线上，股线发生应变传感后，仍能回复其原状。
18.本发明的第五个目的是提供一种所述的织物在运动监测、隔热中的应用。
19.本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
20.(1)本发明所述的隔热应变传感纱通过将导电纱线编织在弹性纱外，得到的弹性导电复合纱形成一种皮芯结构。该结构中，芯层的弹性纱处于原长伸直状态，在节省原料的同时，也可以充分展现整根弹性纱的弹性；皮层全部由导电纱线充分包缠而成，并且由于芯层弹性纱有弹性，所以制备的弹性导电复合纱无论是受到外力拉伸还是外力按压时，都能产生应变感应，并且导电纱线的有效接触面积大，其应变传感性能更好。
21.(2)本发明所述的隔热应变传感纱以弹性纱为芯丝，外层编织导电纱线制备弹性导电复合纱，并作为传感层；再通过摩擦纺技术在弹性导电复合纱外部包覆隔热纤维以制备隔热应变传感纱，制备流程短、工艺简单、生产成本低，能够实现量化生产。
22.(3)本发明所述的隔热应变传感纱由编织、摩擦纺两道纺纱工序制备得到，每道工序都涉及到由两根纱线通过反向旋转运动从而形成包缠结构，并且由于纱线的粗细不可忽略，所以会有空隙存在，这也就意味着每经一道纺纱工序就会有一次空隙产生，两道纺纱工序产生的空隙比纯隔热纤维多，再加上皮芯结构中皮层和芯层之间的空隙，使得隔热应变传感纱具有优异的隔热性能。
23.(4)本发明所述的隔热应变传感纱的中间层和外层分别由导电纱线和隔热纤维构成，不仅具有良好的传感性能，还赋予其良好的隔热性能，经过多次拉伸回复后，仍表现出较高的灵敏度和稳定性。
附图说明
24.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
25.图1为本发明聚酰亚胺隔热应变传感纱的制备流程图；
26.图2为本发明测试例1的不同捻度的聚酰亚胺隔热应变传感纱股线在拉伸至50％时的相对电容变化图；
27.图3为本发明测试例2的15t聚酰亚胺隔热应变传感纱在不同拉伸回复下的稳定性
图；
28.图4为本发明测试例3的棉织物、聚酰亚胺织物及制备的隔热织物的隔热性能。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
30.实施例1
31.参照图1所示，一种隔热应变传感纱及其制备方法与应用，具体包括以下步骤：
32.(1)弹性导电复合纱的制备：选用镀银尼龙纱作为导电纱线，并选定导电纱线的锭数为12，将导电纱线倒绕到纱管上，并按对应的位置分别插入编织机内外层走马锭中，然后将导电纱经过走马锭，从导纱孔穿出，将所有导电纱合并，再将自然伸直状态的氨纶弹性纱经纱线张力器从编织机圆盘中心的圆孔穿出，并和导电纱线一起呈8字形缠绕到牵引盘上，最后从压辊导以5m/min的速度导出，并以6m/min的速度卷绕到筒子上。设置好编织速度为20r/min，启动编织机，内外层锭子带动导电纱线沿着凹槽围绕氨纶弹性纱分别做不同方向的平面圆周运动和正弦曲线状圆周运动，从而使得导电纱线相互交错编织在氨纶芯丝外层形成弹性导电复合纱。
33.(2)聚酰亚胺隔热应变传感纱的制备：将自然伸直状态的弹性导电复合纱穿过尘笼卷绕到筒子上，然后将聚酰亚胺纱线经导纱辊以3m/min的速度喂入牵伸装置，经刺辊开松分离成单纤维状，并由气流输送至尘笼表面，纤维在尘笼表面被吸附凝聚成带状纤维须条。两只尘笼相互压紧并同向回转，使得须条和尘笼表面之间产生摩擦，并随着尘笼表面围绕导电纱线/氨纶复合纱滚动加捻，形成复合纱，并以3m/min的速度输出成纱，最终通过卷绕装置将导电纱线/氨纶/聚酰亚胺复合纱以4m/min的速度卷绕成筒纱，制得一种聚酰亚胺隔热应变传感纱。
34.测试例1
35.基于实施例1测试不同捻度(5t、10t、15t)的聚酰亚胺隔热应变传感纱在相同拉伸下的相对电容变化，其测试过程为：分别剪取6段长度约为12cm的聚酰亚胺隔热应变传感纱，每两段为一组，并以5t、10t、15t的捻度分别对上述三组纱线加捻，其加捻过程主要是通过环锭纺技术以4300r/min的锭速，使得每组中的两根纱线在做圆周运动的纲领、钢丝圈的带动下，相互交叉卷绕加捻，并以此制备不同捻度的聚酰亚胺隔热应变传感纱股线。然后将制备的5t、10t、15t聚酰亚胺隔热应变传感纱股线依次与电容测试装置连接，进行相同程度的拉伸，并记录不同捻度下聚酰亚胺隔热应变传感纱的相对电容变化，结果如图2所示。从图2可以看出，当聚酰亚胺隔热应变传感纱股线的捻度为5t、10t时，对应的相对电容变化分别约为15％、32％，而当聚酰亚胺隔热应变传感纱股线的捻度增大到15t时，相对电容变化最大，可达到45％，由此可见，聚酰亚胺隔热应变传感纱股线具有良好的应变传感性能。聚酰亚胺隔热应变传感纱股线是由两根聚酰亚胺隔热应变传感纱经环锭纺加捻卷绕得到的，当加捻捻度为最大值15t时，由于两根聚酰亚胺隔热应变传感纱交叉缠绕得更加紧密，所以，即便受到较小的外力拉伸或按压，两根聚酰亚胺隔热应变传感纱也能在紧密的结构下实现较大面积的接触，其应变传感的外力范围更大，产生的应变传感信号也更大，从而使得15t聚酰亚胺隔热应变传感纱股线的传感性能最好。
36.测试例2
37.为了测试聚酰亚胺隔热应变传感纱的稳定性，基于测试例1中应变传感性能最优、捻度为15t的聚酰亚胺隔热应变传感纱股线，并从中截取12cm，与电容测试装置连接后，对其进行1000次的拉伸-回复循环，并记录电容变化，结果如图3所示。从图3可以看出，在1000次的拉伸回复运动过程中，15t聚酰亚胺隔热应变传感纱的电容值始终保持相对稳定。由此可见，聚酰亚胺隔热应变传感纱稳定性较好。当聚酰亚胺隔热应变传感纱股线的捻度为15t时，交叉缠绕的两根聚酰亚胺隔热应变传感纱结合得更加紧密，纱线张力更大，两根张力较大的隔热应变传感纱相互缠绕时，彼此之间的运动会相互限制。当聚酰亚胺隔热应变传感纱股线受到外力拉伸发生形变后，两根聚酰亚胺隔热应变传感纱的张力增大，此时，两根隔热应变传感纱之间的相互牵制也会加强，直到外力释放后，回复其原状。整个过程中，构成聚酰亚胺隔热应变传感纱股线的两根聚酰亚胺隔热应变传感纱之间的运动均会彼此限制，并且当捻度为15t时，相互牵制会加强，从而可以很好地保持股线的稳定性。
38.测试例3
39.为了验证聚酰亚胺隔热应变传感纱织物的隔热性能，首先分别以聚酰亚胺纱线为经纱，15t聚酰亚胺隔热应变传感纱股线为纬纱，通过经纬相互交织制得聚酰亚胺隔热应变传感纱股线机织物。然后调节加热片温度到人体正常体温37℃以代替人体皮肤，并依次与相同克重的棉织物、聚酰亚胺织物和聚酰亚胺隔热应变传感纱织物接触，用热电偶分别测试上述三组织物的表面温度，结果如图4所示。从图4可以看出，在相同的接触温度下，聚酰亚胺隔热应变传感纱织物表面的温度约为32.5℃，明显低于棉织物和聚酰亚胺织物表面的温度。其原因是聚酰亚胺纤维分子主链中刚性的芳杂结构赋予聚酰亚胺纤维高热阻，并且在弹性导电复合纱外摩擦纺一层聚酰亚胺纤维时，中间会有部分空气存在，从而可以进一步隔绝外部热量。由此可见，聚酰亚胺隔热应变传感纱织物具有优异的隔热性能。
40.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种隔热应变传感纱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，s1、在弹性纱表面编织导电纱线，得到弹性导电复合纱；编织过程中弹性纱保持自然拉伸状态；s2、通过摩擦纺的方式在s1所述的弹性导电复合纱表面包覆隔热纤维，得到所述隔热应变传感纱，包覆过程中弹性导电复合纱保持自然拉伸状态。2.根据权利要求1所述的隔热应变传感纱的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述弹性纱选自氨纶、涤纶高弹丝和锦纶高弹丝中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的隔热应变传感纱的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述导电纱线选自镀银尼龙纱、镀银阻燃粘胶纱、碳纳米管阻燃粘胶纱、涂层石墨烯纱、镀银涤纶纱和金属纳米线中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的隔热应变传感纱的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述编织是在高速编织机上进行，编织过程中编织的速度为15rpm-25rpm，导出速度为4m/min-6m/min，卷绕速度为5m/min-7m/min；导电纱线的锭数为8、10、12、14或16。5.根据权利要求1所述的隔热应变传感纱的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述隔热纤维选自聚酰亚胺、芳砜纶纤维和陶瓷纤维中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的隔热应变传感纱的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述摩擦纺的工艺参数为：喂纱速度为2m/min-4m/min，输出速度为2m/min-4m/min，卷绕速度为3m/min-5m/min。7.一种权利要求1-6任一项所述的方法制备的隔热应变传感纱。8.一种股线，其特征在于，所述股线由权利要求7所述隔热应变传感纱制备得到。9.一种织物，其特征在于，所述的织物由权利要求8所述股线制备得到；所述股线的捻度为5t、10t或15t。10.一种权利要求9所述的织物在运动监测、隔热中的应用。

技术总结
本发明涉及一种隔热应变传感纱及其制备方法与应用，属于智能纺织品技术领域。本发明所述的隔热应变传感纱的制备方法，包括以下步骤，S1、在弹性纱表面编织导电纱线，得到弹性导电复合纱；编织过程中弹性纱保持自然拉伸状态；S2、通过摩擦纺的方式在弹性导电复合纱表面包覆隔热纤维，得到所述隔热应变传感纱，包覆过程中弹性导电复合纱保持自然拉伸状态。本发明所述的隔热应变传感纱的中间层和外层分别由导电纱线和隔热纤维构成，不仅具有良好的传感性能，还赋予其良好的隔热性能，经过多次拉伸回复后，仍表现出较高的灵敏度和稳定性。仍表现出较高的灵敏度和稳定性。仍表现出较高的灵敏度和稳定性。


技术研发人员：闫妍 方剑 刘英存 许多
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/5