本發明屬于智能穿戴設備領域,特別涉及一種拉脹的編織紗線傳感器及其制備方法和應用。
背景技術:
1、電阻式應變紗線傳感器是一類基于紗線或其他線材的傳感器,是通過在不同的拉伸應變下的電阻變化來傳感應變,由于其結構簡單、高度靈活和易于集成,因此在可穿戴傳感領域(如智能運動、醫療保健和人機界面)顯示出巨大潛力。
2、目前的電阻式應變紗線傳感器結構包括鑲嵌結構、芯-殼結構和纏繞結構。
3、鑲嵌結構電阻式應變紗線傳感器通過將導電顆粒嵌入線形彈性基底中,以實現超高的感應閾值。然而,導電顆粒在日常使用中可能會在重復的機械摩擦和清洗中剝落脫落,這可能對人體健康有害。
4、芯-殼結構電阻式應變紗線傳感器主要有兩種制備方法:一種是直接從噴嘴擠出同心擴展的核殼絲,但需要精確控制紡絲溶液的比例,且制備過程很繁瑣;另一種方法是使用各種電化學技術將高彈性紗線表面涂覆導電材料,但在拉伸過程中,導電涂層會產生裂縫從而導致電阻的變化。
5、纏繞結構電阻式應變紗線傳感器通過纏繞或加捻形成,相對而言,纏繞結構電阻式應變紗線傳感器具有制備過程簡單、不易損壞的優點。
6、纏繞結構電阻式應變紗線傳感器按拉伸變形效果又分為非拉脹式和拉脹式,其中,拉脹的紗線傳感器對力的感應更靈敏,因此應用較為廣泛。
7、文獻《full-fiber?auxetic-interlaced?yarn?sensor?for?sign-languagetranslation?glove?assisted?by?artificial?neural?network.nano-micro?letters,2022,14(1):1-14.》中公開了一種拉脹的纏繞結構紗線傳感器(如圖4(a)所示),其由中間的彈性芯紗和外側的兩根反向纏繞的導電紗組成,在一定范圍的拉伸下視覺直徑增大(如圖4(b)所示),外側兩根導電紗的交織點接觸面積會隨拉伸發生變化,從而產生整體電阻的變化。然而,現有技術的拉脹的纏繞結構紗線傳感器的結構不夠穩定,在8000次循環拉伸之后包纏紗發生明顯位移導致原始電阻產生變化,且靈敏度和傳感滯后需要被進一步改善。
技術實現思路
1、本發明的目的是解決現有技術存在的問題,提供一種拉脹的編織紗線傳感器及其制備方法和應用,本發明是通過編織方法獲得具有拉脹效果的編織紗線傳感器,其結構如圖1所示。
2、為達到上述目的,本發明采用的技術方案如下:
3、一種拉脹的編織紗線傳感器,包括彈性芯紗、剛性外包紗和彈性外包紗,剛性外包紗和彈性外包紗均螺旋纏繞在彈性芯紗的表面,且剛性外包紗和彈性外包紗相互交織形成包覆網絡,彈性芯紗和彈性外包紗均不導電,剛性外包紗的數量為1,剛性外包紗為導電復絲;
4、或者,剛性外包紗的數量為2且反向纏繞,剛性外包紗為導電單絲或導電復絲。
5、本發明的編織紗線具有拉脹效果,在拉伸下,剛性外包紗伸直,彈性芯紗扭轉并逐漸與剛性外包紗交換位置,導致整個編織紗線的視覺直徑增大,即拉脹。
6、本發明的編織紗線中剛性外包紗的數量為1或2,當剛性外包紗的數量為1時,剛性外包紗為導電復絲,由于導電復絲由許多更細的導電長絲組成,在拉伸過程中,各細導電長絲之間的接觸發生變化,導致整體的電阻產生變化,因此編織紗線可作為應變傳感器;當剛性外包紗的數量為2時,由于在拉伸過程中,兩根反向纏繞的剛性外包紗的交織點接觸面積會隨拉伸發生變化,從而產生整體電阻的變化,因此編織紗線可作為應變傳感器。
7、本發明的編織紗線中,彈性外包紗與剛性外包紗互鎖,可以避免剛性外包紗沿彈性芯紗的滑動,顯著增強傳感器結構的穩定性;彈性外包紗可以在互鎖點提供額外的壓力,由于增加了擠壓效應,可以進一步增強傳感器的靈敏度;彈性外包紗可以進一步增強彈性芯紗的回彈力,有望減少傳感滯后現象,增加彈性耐久性。
8、作為優選的技術方案:
9、如上所述的一種拉脹的編織紗線傳感器,拉脹的編織紗線傳感器在未拉伸狀態下的初始電阻值為0.1~5000ω/cm,剛性外包紗在纏繞前未拉伸狀態下的初始電阻值為0.1~500ω/cm。
10、如上所述的一種拉脹的編織紗線傳感器,彈性芯紗和彈性外包紗均具有高彈性延伸性和高彈性回復率;
11、彈性芯紗的彈性延伸率為100%~700%,100%伸長下彈性回復率≥95%;
12、彈性外包紗的彈性延伸率為100%~700%,100%伸長下彈性回復率≥95%;
13、剛性外包紗的彈性小于彈性芯紗,剛性外包紗的彈性延伸率為0%~100%。
14、如上所述的一種拉脹的編織紗線傳感器,彈性芯紗、剛性外包紗和彈性外包紗三者的粗細關系為:彈性芯紗>剛性外包紗≥彈性外包紗,因為較粗的彈性芯紗才能引起編織紗線傳感器的明顯拉脹效果,而彈性外包紗主要起結構固定作用,過粗會影響編織紗線傳感器的整體外觀和拉脹效果。
15、如上所述的一種拉脹的編織紗線傳感器,彈性芯紗的纖度為100~10000d,剛性外包紗的纖度為50~1000d,彈性外包紗的纖度為20~500d。
16、如上所述的一種拉脹的編織紗線傳感器,彈性芯紗為純紡紗、包芯紗、包覆紗或復合紗,其中含有彈性纖維,彈性纖維為二烯類彈性纖維(橡膠絲)、乳膠絲、聚氨酯纖維(氨綸)、熱塑性聚氨酯彈性纖維(tpu纖維)、聚醚酯彈性纖維、聚烯烴彈性纖維(dow?xla纖維)、復合彈性纖維(t400纖維)中的一種以上;
17、剛性外包紗為金屬纖維、炭黑系纖維、導電型金屬化合物纖維和導電高分子型纖維中的一種以上;
18、彈性外包紗為純紡紗、包芯紗、包覆紗或復合紗,其中含有彈性纖維,彈性纖維為二烯類彈性纖維(橡膠絲)、乳膠絲、聚氨酯纖維(氨綸)、聚醚酯彈性纖維、聚烯烴彈性纖維(dow?xla纖維)、復合彈性纖維(t400纖維)中的一種以上。
19、如上所述的一種拉脹的編織紗線傳感器,剛性外包紗和彈性外包紗的包覆角度α(即編織紗中心軸線與外包紗之間的角度,如圖1所示)均相同,0°<α<90°。
20、如上所述的一種拉脹的編織紗線傳感器,剛性外包紗和彈性外包紗的總數量為偶數,優選的為4、8、16或32,本發明中彈性外包紗的數量可以調節,可以增強傳感器結構的設計靈活性。
21、如上所述的一種拉脹的編織紗線傳感器,拉脹的編織紗線傳感器的最大拉伸工作應變大于50%,傳感應變系數(應變系數即電阻變化率與應變的比值)大于2,傳感滯后(傳感滯后即拉伸和回復過程中同一電阻值對應的應變的最大差值與總體應變差值的比值)小于10%,可重復拉伸循環次數大于20000次。
22、本發明還提供制備如前任一項所述的一種拉脹的編織紗線傳感器的方法,采用圓形編織機進行編織,圓形編織機包括底盤,底盤中心設有圓孔,底盤上設有n個通過軌道沿順時針方向移動的錠子和n個通過軌道沿逆時針方向移動的錠子,n≥1,所有的錠子環繞底盤中心分布;
23、編織時,將1個繞有剛性外包紗的紗管固定在任意1個錠子上,或者將2個繞有剛性外包紗的紗管固定在2個移動方向相反的錠子上,在其余的錠子上分別固定1個繞有彈性外包紗的紗管;每個錠子上均安裝1個與紗管的頂部卡住的放線器;將彈性芯紗穿過圓孔;編織過程中,外包紗通過錠子沿軌道的移動在彈性芯紗外圍形成交織的包覆網絡,通過調整錠子移動速度和最終形成的編織紗的牽伸速度的配比b,可以改變外包紗的包覆角度α,b越大則α越大。
24、作為優選的技術方案:
25、如上所述的方法,彈性外包紗所用放線器為3d打印制品,材料為聚乳酸(pla)、abs塑料、petg塑料、尼龍、熱塑性聚氨酯彈性體(tpu)、聚碳酸酯(pc)、木材、碳纖維、pc/abs、高抗沖聚苯乙烯(hips)、聚乙烯醇(pva)、asa樹脂、聚丙烯(pp)、聚甲醛(pom)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(fep)中的一種以上;放線器通過自身的重力控制紗線放出,當紗線的張力增大到一定值時,放線器會被抬起,使紗線放出一段長度;現有編織機的放線器為鋼鐵材質,比較重,紗線需受較大的張力才能放出;而本發明所用的彈性外包紗非常細,彈性很好,且編織傳感器需要彈性外包紗所受的張力很小,因此要定制輕質量的放線器,以減輕彈性外包紗在編織過程中所受的張力。
26、本發明還提供如前任一項所述的一種拉脹的編織紗線傳感器的應用,拉脹的編織紗線傳感器通過針織、機織或縫紉技術嵌入服裝中,通過關節部位的彎曲引起的拉伸傳感進行運動或健康監測。
27、有益效果:
28、(1)本發明制得的拉脹的編織紗線傳感器中彈性外包紗與剛性外包紗互鎖,可以避免剛性外包紗沿彈性芯紗的滑動,顯著增強傳感器結構的穩定性,并且彈性外包紗可以在互鎖點提供額外的壓力,由于增加了擠壓效應,可以進一步增強編織紗線傳感器的靈敏度,同時彈性外包紗可以進一步增強彈性芯紗的回彈力,減少傳感滯后現象,增加彈性耐久性。
29、(2)本發明的制備方法簡單,可規模化生產,且兼具高靈敏度、結構穩定性和耐久性的優點。