CN108035032A - 一种三维间隔机织结构压力传感织物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维间隔机织结构压力传感织物及其制备方法。所述织物包括上面纱层及下面纱层，上面纱层与下面纱层通过间隔纱线捆绑为一体。制备方法为：采用三维机织织造工艺织造上面纱层、下面纱层；将碳纳米管纱线沿经纬向织入上面纱层中，交织形成导电网络，即压力传感层；采用间隔纱线将上面纱层、下面纱层相互交织而形成三维间隔传感织物。当该织物表面受到压力时，间隔结构的织物将产生较大的变形，压力传感层中的碳纳米管纱线变形导致电阻变化。该织物在低压力下具有较高的灵敏度，在高压力下具有较好的可回复性能，在工程应用与智能可穿戴领域具有广泛应用。

Description

一种三维间隔机织结构压力传感织物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种三维间隔机织结构压力传感织物及其制备方法，属于压力传感织物技术领域。
背景技术
近年来，随着人们对智能可穿戴纺织品的需求不断增加，传感器技术迅猛发展，纺织结构压力传感器因具有独特的优势而受到普遍的关注。纺织结构传感器具有柔性、空隙、其较大的变形能力和一定的损伤容限，使其可以与人体表面共形，并具有舒适性，应用于可穿戴电子器件。目前，有很多学者已经研究了基于纺织结构的可穿戴电子器件，它们可应用于健康治疗、环境监测、屏幕显示、人机交互、能量收集、能量储存、无线通信交流等领域。
碳纳米管的中空结构使其具有体积小、质量轻、比表面积大的特点，同时其固有的电学性能和机械变形的结合使它们成为未来兼具自适应和自感能力的多功能材料体系的最理想备选。随着研究的深入，碳纳米管越来越多地被应用于传感器领域。然而，现有研究大多将碳纳米管粉末与聚合物熔融混合形成薄膜或是静电纺丝，存在碳纳米管含量低、分散不均匀、取向度低等问题，导致材料的力学和传感性不佳。碳纳米管纱线作为宏观的碳纳米管集合体，其纤维状结构和柔性特质，使其成为了极具潜力的智能纺织材料。碳纳米管纱线具有碳纳米管含量高、分散性好、取向度极高的优点，继承了碳纳米管优异的强度和模量，并且依然具有优异的压阻性能，适用于压力传感器领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有碳纳米管含量低、分散不均匀、取向度低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，包括上面纱层及下面纱层，上面纱层与下面纱层通过间隔纱线捆绑为一体，相邻间隔纱线之间形成间隔空隙，使上面纱层、下面纱层之间构成间隔层；上面纱层包括由上经线构成的上经纱层及由上纬线构成的上纬纱层，上面纱层中交织有经向碳纳米管纱线、纬向碳纳米管纱线，径向碳纳米管纱线、纬向碳纳米管纱线交织成的导电网络构成压力传感层；下面纱层包括由下经线构成的下经纱层及由下纬线构成的下纬纱层。采用上下面纱层、间隔层的三维结构作为所述轻型三维结构碳纳米管压力传感织物的结构载体，为压力传感层提供厚度方向的变形空间，使压力传感层中的碳纳米管纱线可以产生一定的形变。织物上面纱层受压时，根据压力传感层电阻的变化可推断受压的位置和力值。碳纳米管纱线在较大形变范围内反复拉伸传感特性基本不变；当织物上面纱层受到压力时，压力传感层中所述的碳纳米管纱线变形产生电阻变化，电阻变化与织物压力应变关系为对应关系，因此可以根据传感层的电阻变化推断和预测织物受压的位置和压力值。轻型三维结构碳纳米管压力传感织物可根据实际应用需要设计。采用具有不同传感性能参数的碳纳米管纱线，改变间隔纱层高度，压力传感层导电网络尺寸，弹性树脂种类等，可设计出具有不同压力传感范围的三维结构碳纳米管压力传感织物。
优选地，所述上经线、上纬线、下经线、下纬线、间隔纱线为绝缘纱线。
更优选地，所述绝缘纱线采用合成纤维和天然纤维中的任意一种或几种的混合。
更优选地，所述合成纤维为涤纶、锦纶、氨纶或维纶；天然纤维为棉纤维或麻纤维。
优选地，所述经向碳纳米管纱线、纬向碳纳米管纱线为纯碳纳米管纱线、改性后的碳纳米管纱线或与其它聚合物复合后的碳纳米管复合纱线。
优选地，所述经向碳纳米管纱线与纬向碳纳米管纱线交织成的导电网络的网格数为3×3、6×6或9×9。
优选地，相邻所述经向碳纳米管纱线或纬向碳纳米管纱线的间距为1～10mm。
优选地，所述织物为纯织物形式或与弹性树脂复合而成的柔性复合织物；弹性树脂为聚氨酯树脂或聚二甲基硅氧烷树脂。
本发明还提供了上述三维间隔机织结构压力传感织物的制备方法，其特征在于，采用三维机织织造工艺织造上面纱层、下面纱层；将碳纳米管纱线沿经纬向织入上面纱层中，交织形成导电网络，即压力传感层；采用间隔纱线将上面纱层、下面纱层相互交织而形成三维间隔传感织物。当该织物表面受到压力时，间隔结构的织物将产生较大的变形，压力传感层中的碳纳米管纱线变形导致电阻变化。
优选地，所述间隔层的厚度由隔距片的高度控制，其高度为1～50mm。
本发明利用具有传感特性的碳纳米管纱线作为功能纤维，采用三维机织织造工艺嵌入三维间隔机织物的表层，形成交织导电网络即压力传感层；将涤纶纤维作为经纬线，分别织造上下面纱层，最后采用间隔纱线将上下面纱层相互交织而形成三维间隔传感织物。当织物表面受到压力时，间隔结构的织物将产生较大的变形，压力传感层中的碳纳米管纱线变形导致电阻变化。该织物在低压力下具有较高的灵敏度，在高压力下具有较好的可回复性能，在工程应用与智能可穿戴领域具有广泛应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明提出的三维间隔机织结构压力传感织物织造方法，可以将拉伸传感功能纤维嵌入到三维间隔织物的表层，实现大的压力变形和灵敏的传感效果；
2.本发明实现的三维间隔机织结构压力传感织物，具有三维结构一体成型优势，重量轻，强度高，可嵌入多根或者多层传感纤维；
3.本发明实现的三维间隔机织结构压力传感织物，可根据织物受压形变与传感层电阻变化的量化对应关系，实现织物受压位置和力值的预测；
4.本发明实现的三维间隔机织结构压力传感织物，在压力下具有较高的传感敏度，在高压力下具有较好的可回复性能、适度的灵敏度以提供高压力下大变形检测时高信噪比，压力检测范围较广；
5.本发明提出的三维间隔机织结构压力传感织物适合于产业化生产，在压力传感器领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的用于检测低压范围下(1～10kPa)受压的位置和力值的三维间隔机织结构压力传感织物的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为实施例2提供的用于检测中压范围下(10～100kPa)受压的位置和力值的三维间隔机织结构压力传感织物的俯视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1-3所示，为本发明制备的一种三维间隔机织结构压力传感织物，其包括上面纱层1及下面纱层2，上面纱层1与下面纱层2通过间隔纱线31捆绑为一体，相邻间隔纱线31之间形成间隔空隙32，使上面纱层1、下面纱层2之间构成间隔层3；上面纱层1包括由上经线11构成的上经纱层13及由上纬线12构成的上纬纱层14，上面纱层1中交织有经向碳纳米管纱线41、纬向碳纳米管纱线42，径向碳纳米管纱线41、纬向碳纳米管纱线42交织成的导电网络43构成压力传感层4；下面纱层2包括由下经线21构成的下经纱层23及由下纬线22构成的下纬纱层24。
实施例1
一种用于检测低压范围下(1～10kPa)受压的位置和力值的三维间隔机织结构压力传感织物的制备方法：
采用三维机织织造技术，两层上经线11与两层下经线21分别穿入装有双眼综丝的综框，一层上纬线12与一层下纬线22穿入改装后的多层箭杆引纬装置，间隔纱线31穿入普通综框；两层上经线11与一层上纬线12交织形成的上经纱层13和上纬纱层14共同组成上面纱层1，两层下经线21与一层下纬线22交织形成的下经纱层23和下纬纱层24共同组成下面纱层2；通过加减纱工艺，将碳纳米管纱线(苏州捷迪纳米有限公司)沿经纬向按一定的间距间隔织入上面纱层1中，经向碳纳米管纱线41与纬向碳纳米管纱线42交织成导电网络43，形成压力传感层4；完成引纬动作后，在上经纱层13与下经纱层14间放入阻隔片控制间隔层3的高度，间隔纱线31相互交织组成织物厚度方向上间隔层3；间隔纱线31将上面纱层1与下面纱层2捆绑为一体，上面纱层1、下面纱层2和间隔层3同时织造成三维织物；织物与柔性树脂结合制备出轻型三维压力传感织物，如图1、2所示。
上经线11、上纬线12、下经线21、下纬线22和间隔纱线31均为高强高模聚乙烯纤维，细度均为300tex。
间隔层3的高度由隔距片的高度控制，隔距片为自制长为30mm，高2mm，厚度1mm的铝箔板。
采用的上面纱层1、下面纱层2和间隔层3的三维结构作为轻型三维结构碳纳米管压力传感织物的结构载体，为压力传感层提供厚度方向的变形空间，使压力传感层4中的碳纳米管纱线可以产生一定的形变。
经向碳纳米管纱线41与纬向碳纳米管纱线42直径为40μm，断裂应力超过100MPa，具有超过30％的最大应变。碳纳米管纱线电阻率为105Ω·cm，且自身的拉伸应变传感系数为2.6。
压力传感层4中相邻的经向碳纳米管纱线41与纬向碳纳米管纱线42的间距为“1cm×1cm”。
优选的，压力传感层4中经向碳纳米管纱线41与纬向碳纳米管纱线42交织形成的导电网络43的尺寸可以根据实际需要设计，为“5×5”(经纱方向碳纳米管纱线根数为5根，纬纱方向碳纳米管纱线根数为5根)。
织物上面纱层1受压时，根据压力传感层4电阻的变化可推断受压的位置和力值。
碳纳米管纱线具有拉伸传感特性，可以产生较大形变，并在较大形变范围内反复拉伸传感特性基本不变；经向碳纳米管纱线41与纬向碳纳米管纱线42交织形成导电网络43，使轻型三维结构碳纳米管压力传感织物具有压力传感功能；织物上面纱层1受到压力时，压力传感层4中碳纳米管纱线变形产生电阻变化，根据电阻变化的强弱可推断织物上面纱层1受压的位置和力值。
上面纱层1、下面纱层2与间隔纱层3和压力传感4层同时织造为一体成型。
与轻型三维结构碳纳米管压力传感织物复合的柔性树脂为聚二甲基硅氧烷树脂(道康宁公司)，采用手糊工艺，涂覆树脂后在60℃2下固化10小时。
轻型三维结构碳纳米管压力传感织物在低压范围下(1～5kPa)具有较高的传感性能、灵敏度，高压力下(5～10kPa)具有较好的可回复性能、适度的灵敏度以提供高压力下大变形检测时高信噪比。
实施例2
一种用于检测中压范围下(10～100kPa)受压的位置和力值的三维间隔机织结构压力传感织物的制备方法：
轻型三维结构碳纳米管压力传感织物的织造方法与实施例1相同，不同的是采用具有不同传感性能参数的碳纳米管纱线，改变间隔层3的高度，压力传感层4中导电网络43尺寸，弹性树脂种类，设计出用于检测中压范围下(10～100kPa)受压的位置和力值的三维间隔机织结构压力传感织物，如图3所示。
上经线11、上纬线12、下经线21、下纬线22和间隔纱线31均为高强高模聚乙烯纤维，细度均为300tex。
间隔层3的高度由隔距片的高度控制，隔距片为自制长为30mm，高5mm，厚度1mm的铝箔板。
经向碳纳米管纱线41与纬向碳纳米管纱线42直径为40μm，断裂应力超过100MPa，具有超过30％的最大应变。碳纳米管纱线电阻率为105Ω·cm，且自身的拉伸应变传感系数为2.6。
压力传感层4中相邻的经向碳纳米管纱线41与纬向碳纳米管纱线42的间距为“2cm×2cm”。
压力传感层4中经向碳纳米管纱线41与纬向碳纳米管纱线42交织形成的导电网络43的尺寸可以根据实际需要设计，为“3×3”(经纱方向碳纳米管纱线根数为3根，纬纱方向碳纳米管纱线根数为3根)。
织物上面纱层1受压时，根据压力传感层4电阻的变化可推断受压的位置和力值。
与轻型三维结构碳纳米管压力传感织物复合的柔性树脂为柔性聚氨酯树脂(拜耳公司)，采用手糊工艺，涂覆树脂后在80℃2下固化12小时。
轻型三维结构碳纳米管压力传感织物在低压范围下(10～30kPa)具有较高的传感性能、灵敏度，高压力下(30～100kPa)具有较好的可回复性能、适度的灵敏度以提供高压力下大变形检测时高信噪比。

Claims (10)

1.一种三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，包括上面纱层(1)及下面纱层(2)，上面纱层(1)与下面纱层(2)通过间隔纱线(31)捆绑为一体，相邻间隔纱线(31)之间形成间隔空隙(32)，使上面纱层(1)、下面纱层(2)之间构成间隔层(3)；上面纱层(1)包括由上经线(11)构成的上经纱层(13)及由上纬线(12)构成的上纬纱层(14)，上面纱层(1)中交织有经向碳纳米管纱线(41)、纬向碳纳米管纱线(42)，径向碳纳米管纱线(41)、纬向碳纳米管纱线(42)交织成的导电网络(43)构成压力传感层(4)；下面纱层(2)包括由下经线(21)构成的下经纱层(23)及由下纬线(22)构成的下纬纱层(24)。
2.如权利要求1所述的三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，所述上经线(11)、上纬线(12)、下经线(21)、下纬线(22)、间隔纱线(31)为绝缘纱线。
3.如权利要求2所述的三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，所述绝缘纱线采用合成纤维和天然纤维中的任意一种或几种的混合。
4.如权利要求3所述的三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，所述合成纤维为涤纶、锦纶、氨纶或维纶；天然纤维为棉纤维或麻纤维。
5.如权利要求1所述的三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，所述经向碳纳米管纱线(41)、纬向碳纳米管纱线(42)为纯碳纳米管纱线、改性后的碳纳米管纱线或与其它聚合物复合后的碳纳米管复合纱线。
6.如权利要求1所述的三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，所述经向碳纳米管纱线(41)与纬向碳纳米管纱线(42)交织成的导电网络(43)的网格数为3×3、6×6或9×9。
7.如权利要求1所述的三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，相邻所述经向碳纳米管纱线(41)或纬向碳纳米管纱线(42)的间距为1～10mm。
8.如权利要求1所述的三维间隔机织结构压力传感织物，其特征在于，所述织物为纯织物形式或与弹性树脂复合而成的柔性复合织物；弹性树脂为聚氨酯树脂或聚二甲基硅氧烷树脂。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的三维间隔机织结构压力传感织物的制备方法，其特征在于，采用三维机织织造工艺织造上面纱层(1)、下面纱层(2)；将碳纳米管纱线沿经纬向织入上面纱层(1)中，交织形成导电网络(43)，即压力传感层(4)；采用间隔纱线(31)将上面纱层(1)、下面纱层(2)相互交织而形成三维间隔传感织物。
10.权利要求1-8任意一项所述的三维间隔机织结构压力传感织物的制备方法，其特征在于，所述间隔层(3)的厚度由隔距片的高度控制，其高度为1～50mm。
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