CN107896497B - 复合纱线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合纱线结构(10)，包括：‑第一元件(15)，其包括同轴柔性双组件单丝，所述同轴柔性双组件单丝包括呈现压电特性的导电组件(20)和热塑性组件(30)；‑至少第二元件(40)，其围绕第一元件(15)扭曲，其中第二元件(40)相对于第一元件(15)的弹性具有较低的弹性，使得纱线结构(10)在第一方向上伸长时，纱线结构(10)在第二方向上膨胀，由此纱线的尺寸在第一方向和第二方向上均增加，以在第一元件的所述压电组件上产生附加力。

Description

复合纱线结构

技术领域

本发明涉及一种复合纱线结构，特别涉及一种纺织结构工程和柔性装置物理领域的压电纱线结构。

背景技术

压电性是响应所施加的机械应力在某些材料中产生的电荷。通常，压电材料在压力、应变或脉冲或其组合的情况下在材料的限定层上产生电势。

压电效应是可逆的，即其中从所施加的机械应力产生电荷的材料也具有由施加的电场产生的机械应变的内部产生。压电现象是已知的，并且已经被研究了一个多世纪。

压电装置用于许多技术领域，例如用于阀、能量收集以及用于传感应用。特别地，纺织品中的能量收集已经得到了积极的研究；为此，已经提供了压电纱线。

WO 2014/161920公开了一种用于制造压电和热电纤维的方法，其中纤维具有包含导电柔性热塑性复合物的芯材，所述柔性热塑性复合物包含至少一种聚合物和至少一种导电填料。纤维进一步包括由永久性可极化聚合物制成的周围材料。

因此，该文献公开了具有聚合物所围绕的导电中心的纱线，其中所述纱线实现压电特征。压电纱线可以进一步与导电纱线扭曲在一起。

文献EP 0187829 B1公开了一种允许压电同轴电缆中的可感测压电响应的电缆结构。为此，同轴电缆具有导电聚合物芯，该导电聚合物芯包含其中提供导电颗粒的聚合物材料、围绕导电聚合物芯的压电聚合物层以及围绕压电聚合物层的外导体。电缆还被提供有外护套。

GB 2516987公开了一种具有三维间隔物结构的织物，该结构包括充当针织或机织织物层之间的间隔物的压电材料，以用于通过将机械能转换成电能来收集能量。织物层包括导电纤维，而互连压电间隔纱线包括压电纤维，其可以是单丝和/或复丝。可选地，第一层和第二层可包括薄膜状或实心织物材料。

已知的压电织物的一个普遍问题在于压电效应的强度是有限的。为了增强能量收集，正在对织物结构进行若干项研究，所述研究可提高所产生的能量的量。

发明内容

本发明的目的在于增加包括压电纱线的织物的能量产生。

本发明的另一个目的在于提供压电效应增加的压电纱线。

这些和其他目的通过本发明的纱线结构来实现。

一般而言，本发明涉及具有第一元件的复合纱线结构，所述第一元件包括同轴柔性双组件单丝，所述同轴柔性双组件单丝包括呈现压电特性的导电组件和热塑性组件；至少第二导电元件，所述第二导电元件围绕第一元件的至少一部分设置以提供压电纱线，其特点在于，所述压电纱线具有拉胀特性。

其他目的是本发明优选的实施例。

更具体地，本发明涉及复合纱线结构，其具有：

-第一元件，其包括同轴柔性双组件单丝，所述同轴柔性双组件单丝包括呈现压电特性的导电组件和热塑性组件，

-至少第二元件，其围绕第一元件扭曲，

其中第二元件相对于所述第一元件的弹性具有较低的弹性，使得纱线结构在第一方向上伸长时，纱线结构在第二方向上膨胀，由此纱线的尺寸在第一方向和第二方向上均增加，以在第一元件的所述压电组件上产生附加力。

第二元件是导电元件或包括导电元件以提供所需的压电效应。第二元件可以是非弹性的，即其可具有有限拉伸(伸长)能力，其低于第一元件的拉伸(伸长)特性；换句话说，第二元件不会伸长或很少程度地伸长。

纱线的行为与拉胀纱线的行为相当或相同；由具有低弹性的第二元件提供的对于伸长的约束，或者换句话说，高刚性迫使第一细丝元件横向于伸长的方向膨胀，从而围绕拉伸的第二元件弯曲和扭曲。换句话说，在本发明的复合纱线的未拉伸状态下，第一元件形状具有大致直线形状；第二元件以螺旋体围绕第一直线元件扭曲。

在拉伸时，第二元件沿拉伸-伸长的方向形成基本上或几乎直线的形状；一旦第二元件被拉入大致直线状态，由于其非弹性特性的缘故，第二元件无法被进一步拉伸，即这是因为第二元件无法以与第一元件相同的方式伸长。本发明的纱线的第二非弹性元件的状态的这种改变迫使弹性的第一元件从其最初直线形状改变为螺旋/正弦状态，其中第一元件围绕第二元件扭曲。结果是纱线的整体尺寸，即整个纱线的宽度增加；因此，可以说复合纱线具有拉胀特性。

本发明提供了新一类的纱线结构，其可以通过拉胀效应和压电效应的组合的方式产生两个导体之间的增强的电势差。

本发明的又一个目的是利用拉胀效应和压电效应的这种组合来增加物品中产生的电势差的物品。示例性物品是织物、服装、衣服和绳索。

本发明的再一个目的在于提供一种纺织纱线以及包括这种纺织纱线的织物，其可用于诸如纺织传感器的应用中。

自1980年代后期以来，拉胀材料是已知的。拉胀材料是在沿着垂直于第一方向的第二方向拉伸时沿第一方向变得更厚和/或更宽的材料，这与许多普通材料是相反的。相反的行为也是已知的，即在压力下收缩，而不是如从普通材料所预期的那样变得更宽。

拉胀织物已经被用于有限数量的特定用途，诸如传感器、过滤器和智能绷带。如上所述，本发明的效果在于，当纱线结构受到沿轴向作用的力时，整个结构也在横向上膨胀，从而引起拉胀效应。

由于纱线结构是压电的，因而单纱线的拉胀性和压电性的组合增加了因纱线的膨胀而在压电材料上产生的压力，由此增大了所产生的电势差。

根据本发明的示例性实施例，纱线结构在第一方向上伸长时，第二元件被拉伸到几乎直线的位置，并且围绕第一元件以使得第一元件在第二方向上以螺旋形式成形的方式使第一元件变形。

该实施例的效果在于，当纱线结构用于织物时，拉胀效应增加存在于织物中的所有压电纱线的宽度，这是通过所有的压电组件产生附加压力的现象，从而引起相应导体之间的附加潜在发展。

本发明的另一个方面提供了一种包含多个复合纱线结构的纺织织物，其中所述复合纱线结构包括：

-第一元件，其包括同轴柔性双组件单丝，所述同轴柔性双组件单丝包括呈现压电特性的导电组件和热塑性组件，

-第二元件，其围绕第一元件扭曲，

其中第二元件是导电元件或者包括导电元件，并且相对于第一元件的弹性具有较低的弹性，使得纱线结构在第一方向上伸长时，纱线结构在第二方向上膨胀，由此纱线的尺寸在第一方向和第二方向上均增加，以在第一元件的所述压电组件上产生附加力。

根据示例性实施例，其中第一元件膨胀的方向与第一方向成角度并可基本垂直于第一方向。

附图说明

现在将通过示例的方式参考示例性和非限制性附图更详细地描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1A和1B以第一(1A)配置和第二(1B)配置示出了根据本发明第一实施例的复合纱线结构；

图2是沿着图1A所示结构的平面A-A的截面；

图3是仅呈现压电性的纱线结构的截面图；

图4是呈现压电性和拉胀特性的纱线结构的截面图；

图5示出了根据本发明实施例包括多个复合纱线结构的织物的一部分；

图6作为在图1A所示配置中施加到纱线结构的力的函数示出了表示穿过电极的任意值终端电阻器两端的电势的曲线；

图7作为在图1B所示配置中施加到纱线结构的力的函数示出表示穿过电极的任意值终端电阻器两端的电势的曲线；以及

图8作为施加到图5所示织物的力的函数示出表示穿过电极的任意值终端电阻器两端的电势的曲线。

具体实施方式

图1A示出了根据本发明复合纱线结构10在两个不同配置中的实施例。

复合纱线结构10包括第一元件15，所述第一元件15包括同轴柔性双组件单丝，所述同轴柔性双组件单丝包括呈现压电特性的导电组件20和热塑性组件30。在图1-2中可看到，在本发明的实施例中，热塑性组件30围绕导电组件10。

用于导电组件20的合适材料是低密度聚乙烯(LDPE)或高密度聚乙烯(HDPE)与碳纳米管(CNTs)、石墨、石墨烯纳米片、炭黑(无定形碳)、聚苯胺(掺杂)或聚吡咯(掺杂)的共混物。

用于热塑性组件30的合适材料是聚偏二氟乙烯(PVDF)均聚物及其与三氟乙烯P(VDF-co-TrFE)或四氟乙烯P(VDF-co-TFE)、奇数聚酰胺(PA)诸如PA5、PA7、PA11等的共聚物。

如前所述，形成第一元件15的组件20和30具有弹性特性，并且能够被伸长。另外，该第一元件15的组件被共挤出。

复合纱线结构10进一步包括围绕第一元件15扭曲的第二元件40。第二元件40具有张力强度，所述张力强度大于第一元件15的张力强度。此外，第二元件40相对于第一元件15的弹性具有较低的弹性，或者换句话说，相对于第一元件15的刚性具有较高的刚性15。

图1A示出了本发明复合纱线在未拉伸状态下的状态；在这种状态中，第一元件15在基本直线的方向上伸长，并且第二元件40围绕第一元件30扭曲以提供多个匝。第一元件和第二元件之间的弹性差异使得纱线的结构10在第一方向上、即在第一元件的轴线方向上拉伸和伸长时(参见图1B)，结构10的初始形状通过第二元件40的移动而变形；即纱线的结构在与第一方向成角度或基本上垂直于第一方向的第二方向上、即纱线的伸长方向上膨胀，所述方向对应于图1和2中的箭头F的方向。

这种现象导致在第一元件15的所述压电组件30上产生附加力。

当纱线结构10伸长时，第二元件40基本上与伸长方向对准，并且第一元件15通过围绕第二元件40形成一系列曲线而膨胀。此类曲线相对于伸长方向以被包括在30°和90°之间、优选地在30°至80°的角度ɑ成角度，如图1B所示。

如本领域技术人员已知的，测量弹性的可能方式是使用杨氏模量、也称为张力模量或弹性模量，即弹性材料的刚性的度量，其被定义为沿轴线的应力(单位面积的力)与其中虎克(Hooke)定律适用的应力范围内沿该轴线的应变(初始长度上的变形比)的比。如本领域所知的，虎克定律指出，将材料延伸或压缩一定距离所需的力与该距离成比例。

通常，在优选实施例中，第一元件的张力强度在15MPa-78MPa的范围内。第二元件的张力强度优选地在0.5GPa5-2.0GPa的范围内。第二元件与第一元件的张力强度差异至少为422MPa。根据ASTM D638测量张力强度。可采用测量张力强度的其他方法。

用于第二元件的合适材料是银/铜涂覆的聚酯/聚酰胺纱线或全金属长丝纱线，例如由钢制成。根据本发明的示例性实施例，第二元件40可以由至少一个金属长丝制成。

因此，所公开的复合纱线结构10能够用作为柔性压电纱线传感器，所述柔性压电式纱线传感器也呈现拉胀特征，以便当在纱线制造的织物构造或另一个物品中使用时使其性能最大化。

更详细地说，在图1中可看到，当复合纱线结构10在纵向方向上受到大于零的力F时，例如沿着复合纱线的轴线，则发生复合纱线结构10的变形。即，结构10被伸长了长度L，但与此同时，结构10相对于力F的方向在垂直或成角度的方向上横向地膨胀。如图中可见，纱线在被力F拉伸后，总宽度增加，从X的初始宽度开始并达到X+Y的较大宽度。

换句话说，在复合纱线结构10中，当纱线结构10在第一方向上伸长时，第二元件40伸长，并且同时以在第二方向上以几乎正弦的方式成形第一元件15的方式拉伸第一元件15。换句话说，纱线在横向上膨胀。

因此，向复合纱线结构10施加力F导致第一元件15的导电组件20与第二元件40之间的电势增加。能够例如在诸如传感器的应用中通过外部电路(为简单起见未示出)收集该电势。

考虑到如上所述的包括多个复合纱线结构10的织物结构，如果本发明的至少一个复合纱线彼此相邻，即如果它们足够接近以通过膨胀步骤相互偏置，则还可以实现整个织物中的压电拉胀协同效应。

图5中示出诸如上述一个结构的示例性结构。

织物中的这种压电拉胀协同作用由以下两个组件产生。第一个效应在于，由于通过拉伸时产生的压电材料的横向压力，例如通过施加力F，纱线结构10具有压电特征。

第二个效应是，与相同结构的单纱线相比，该压力在织物内成指数地更高，这是由于形成织物的所有压电纱线变得更宽的事实，这是通过所有的压电组件产生附加压力的现象，从而导致相应导体之间的附加潜在发展。

在任何情况下，复合纱线结构10能够通过压电性在两个导体之间产生增强的电势差，并且在拉伸时具有负泊松(Poisson)比，其中泊松比被定义为膨胀百分比除以材料的横向方向上的压缩百分比。

在机织织物结构或绳索结构内，因附加力，本发明的复合纱线10通过使用其拉胀特征产生增强的电势差，所述附加力来自单独纤维与纱线相比经受增加的横向压力的事实，所述纱线在相同的机织结构内是压电的但不是拉胀的。

这些附加力具有不同的方向，因而使用不同的压电常数，诸如d33，即当压电材料受到电场影响时的体积变化，而不是d31。

众所周知，压电常数、也被称为压电性系数量化当压电材料受到电场影响时的体积变化，或者其施加应力时的极化。

在本发明的各种实施例中，张力刺激的一部分因拉胀性而转化为织物构造内的横向刺激。这意味着物理刺激改变方向，这又意味着使用不同的压电系数组来产生电输出。

由此给出仅具有压电性的纱线结构(图3)与呈现压电性和拉胀特性的纱线结构(图4)之间的视觉示意性比较。

在图3中不存在拉胀性，所使用的压电常数仅为d1，这是由公式d1＝V1/F1给出的能量收集常数，其中V1是产生的电势，并且F1是纵向力(图3)。

当第一元件15、即双组件元件也受到朝向其中心的压力时，另一个压电常数作为加法运行，即由公式d2＝V1/F1+V2/F2给出的d2，其中V1和V2是产生的电势，F1是纵向力，并且F2是垂直于F1的力(图4)。

在根据本发明的各种实施例由多个纱线结构制成的织物或绳索结构(例如在图5中示出的结构)的情况下，可以定义附加力F3。

除了力F1和F2之外，力F3还定义了当纱线在织物内或绳索内实现时的附加增益因子。

由于每根纱线由于其拉胀行为而变得更大，所以图4中的力F2比独立纱线的情况增加更多。

在这种情况下，作用在压电组件30上的总力增加到F2+F3的值。

值F3代表由于织物或绳索结构中的相邻纱线(其也可以是拉胀的)相互施加附加力从而抵抗由于拉胀效应引起它们变宽的事实而引起的力的值。

这种现象可增加组件30的压电材料上的整体压力。在一定范围内，该现象有助于获得作为应变传感器的最终纱线的更高的整体效率。

将要考虑的另一个参数可以是第二元件40的扭曲角度，其限定整个纱线的每单位长度的匝数。扭曲角度由例如中心双组件的柔软度来定义，并且可以被相应地校准：如果匝数超过必要的匝数，则拉胀行为将不会出现，这是因为中心双组件将具有足够的机械抗弯曲性。

作为一般规则，并且参考图1，匝数必须足以覆盖处于非伸长配置的纱线结构10的长度L1，并且当纱线结构处于伸长配置时允许达到长度L1+L。如果匝数少于必要匝数，则d2系数将不会有明显的附加项，因此附加的增益将不会高到其原本的程度。考虑到压电层的厚度，其径向厚度通常在从几百纳米到几百微米的范围内，即100nm到800μm，如以双组件第一元件的中心为中心在径向上测量的。

在本发明的一实施例中，可采用附加的第二元件，只要附加的第二元件严格遵循导电的第二元件40的路径，以便不破坏产生拉胀现象所需的纱线几何形状。

换句话说，所有可选扭曲的第二元件应当是相同的或彼此同步的。为了形成该类的可选的长丝结构，导电的第二元件40和所有可能的附加第二元件应当首先被扭曲以形成扭曲的长丝束；然后将扭曲长丝围绕中心双组件元件15扭曲。可选的附加第二元件可以是导电的或隔离的。

已经对本发明的各种实施例进行了模拟。

将特别参考图6-8来解释该类模拟的结果。

图6作为施加到图1A的配置中的纱线结构的力F的函数示出了表示电势的曲线V；在图6的情况下，相对小的力F被施加到纱线结构10，从而使其基本上处于图1A所示的配置中。因此不存在明显的拉胀变形。

在图6中，曲线F代表(并非按比例)施加到纱线结构10的力，并且曲线V代表由于压电效应引起的电势，其随着时间的推移遵循平滑朗道(Landau)类型的电势分布。还要注意的是，电势曲线的形状不会失真。

相反，图7作为施加到图1B的配置中的纱线结构的较强力的函数(曲线F')示出了表示电势的曲线V'。在这种情况下，由于拉胀现象，附加电势发展(曲线V')被生成并被添加到图6中所示的那个。

此外，在图7中，电势的时间发展不同于没有拉胀现象的情况，并且电势强度不同，这两种现象导致电势发展的形状上的失真。还应该注意的是，曲线V和V'下的面积表示所产生的总能量输出，这在图7的情况下更高。

最后，图8作为纱线结构被嵌入图5的织物中时施加的力的函数(曲线F”)示出了表示电势的曲线V”。

在这种情况下，多个纱线结构被并入织物构造或绳索或类似的纺织结构内，其中每个纱线结构经受相邻拉胀纱线的影响以及由该类相邻纱线产生的压力。该现象进一步使电势形状(曲线V”)失真，这是因为纱线结构经历了力的第三分量、即F3。使用压电系数的加权组合。

曲线V”下的面积进一步增加，从而导致对于给定的固定力F”的增加的能量输出，这反过来意味着更高的效率。

在复合纱线结构10中，第一纱线10的导电组件20可以由弹性导电材料制成。作为示例，第一元件10的导电组件20的弹性导电材料可以是包含导电金属杂质的聚合物。例如，该类导电金属杂质可以由银或铜制成。

在替代方案中，第一元件15的导电组件20的弹性导电材料可以是本征(intrinsically)导电聚合物。例如，此类本征导电聚合物可以是聚苯胺(PANI)或聚吡咯(PPy)。复合纱线结构10的热塑性组件可以由聚偏二氟乙烯(PVDF)或任何其他合适的热塑性聚合物制成。

为了在热塑性聚合物中形成压电相，在加热后，拉制的同轴组件在强电场下极化，以对准热塑性聚合物链。可以选择最佳拉制比以在没有电场的情况下进行同轴组件的拉制，以便在热塑性聚合物中施加压电相。

其中，本发明的纱线结构的可能应用包括：i)用于以织物形式进行身***置监测的可穿戴传感器技术；ii)用于从登山到重型海运业(heavy marine)应用的各种领域中使用的绳索的张力监测。

在本发明的一些实施例中，除了由第二元件40给予整个纱线结构10的拉胀效应之外，热塑性组件30本身可具有拉胀特性。

尽管已经在前面的概述和详细描述中呈现了至少一个示例性实施例，但是应该理解的是，存在大量的变型。还应该理解的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式限制范围、适用性或配置。相反，以上概述和详细描述将为本领域技术人员提供用于实现至少一个示例性实施例的方便的路线图，应当理解，可以对在示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种改变，而不脱离所附权利要求书及它们的合法等效物中阐述的范围。

Claims (18)

1.一种具有第一元件(15)的复合纱线结构(10)，所述第一元件包括同轴柔性双组件单丝，所述同轴柔性双组件单丝包括呈现压电特性的导电组件(20)和热塑性组件(30)；至少第二导电元件(40)，所述第二导电元件围绕所述第一元件(15)的至少一部分设置以提供压电纱线，其特征在于，形成所述第一元件(15)的所述导电组件(20)和所述热塑性组件(30)具有弹性特性并且能够被伸长，以使所述压电纱线呈现拉胀特性，

所述至少第二导电元件(40)围绕所述第一元件(15)扭曲，其中，所述第二导电元件(40)相对于所述第一元件(15)的弹性具有较低的弹性，使得所述复合纱线结构(10)在第一方向上伸长时，所述复合纱线结构(10)在垂直于所述第一方向的第二方向上膨胀，由此所述纱线的尺寸在第一方向和第二方向上均增加，以便在所述第一元件的呈现压电特性的所述热塑性组件(30)上产生附加力。

2.根据权利要求1所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第二导电元件(40)是导电元件或者包括导电元件。

3.根据权利要求2所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述复合纱线结构(10)在所述第一方向上伸长时，所述第二导电元件(40)以提供拉胀作用的方式成形所述第一元件(15)。

4.根据权利要求3所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第二导电元件将所述第一元件(15)成形为围绕所述第二导电元件的螺旋体。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第一元件(15)的所述导电组件(20)由弹性导电材料制成。

6.根据权利要求5所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第一元件(15)的所述导电组件的所述弹性导电材料是包括导电金属杂质的聚合物。

7.根据权利要求5所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第一元件(15)的所述导电组件的所述弹性导电材料是选自低密度聚乙烯(LDPE)或高密度聚乙烯(HDPE)与碳纳米管(CNTs)、石墨、石墨烯纳米片、无定形碳、掺杂聚苯胺或掺杂聚吡咯的共混物或其混合物的材料。

8.根据权利要求5所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第一元件(15)的所述导电组件的所述弹性导电材料是本征导电聚合物。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述热塑性组件(30)包含选自聚偏二氟乙烯(PVDF)均聚物及聚偏二氟乙烯与三氟乙烯P(VDF-co-TrFE)或聚偏二氟乙烯与四氟乙烯P(VDF-co-TFE)或聚偏二氟乙烯与奇数聚酰胺的共聚物的材料。

10.根据权利要求1所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第一元件(15)的张力强度在15MPa－78MPa的范围内，并且所述第二导电元件(40)的张力强度在500MPa－2000MPa的范围内。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述热塑性组件(30)具有拉胀特性。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第二导电元件(40)包括多根长丝，其中至少一根长丝是导电丝。

13.根据权利要求12所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述导电丝是金属丝。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的复合纱线结构(10)，其特征在于，所述第一元件(15)的所述导电元件(20)和所述热塑性组件(30)被共挤出。

15.一种利用拉胀效应和压电效应的组合来增加物品中产生的电势差的物品，所述物品包括根据权利要求1至14中任一项所述的至少一个复合纱线结构(10)。

16.根据权利要求15所述的物品，其特征在于，至少两根根据权利要求1至14中任一项所述的纱线彼此相邻地布置，以在伸长时彼此偏置。

17.根据权利要求15或16所述的物品，其特征在于，所述物品选自织物、服装和绳索。

18.根据权利要求15或16所述的物品，其特征在于，所述物品选自衣服。

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