柔性应变传感复合纱及其制备方法及应用

本发明属于织物基柔性应变传感器，具体涉及一种柔性应变传感复合纱及其制备方法及应用。

背景技术：

1、应变传感器通过测量材料在受力变形下的电学性质的改变来反映应变刺激的大小。电阻式织物应变传感器一般有两种制备方法：(1)利用织造或编织技术将导电纱线直接织入到织物结构中；(2)对织物进行导电组分的浸渍、涂层或提拉整理。前者大多基于针织结构，通过线圈结构的形变或传感组分性质的改变产生电阻变化进而实现应变传感功能，其中导电纱线一般通过不导电纱线镀银或与其他功能材料复合的方法来制备。后者一般通过在织物表面涂覆完全连续的导电涂层或浸渍导电填料来制备应变传感织物，通过在传感层中形成裂纹或内部导电网络的变化实现应变传感功能。由于针织物独特的线圈结构，单位长度内的储纱量较多而具有良好的弹性，织物基应变传感器的基底以针织结构为主。目前应变的可视化功能大多由力致变色材料所实现，这是一类能够在外力作用下产生可逆光学性质变化的材料，但其成本较昂贵，并且合成较为复杂。

2、王金凤等以镀银锦纶丝为原料织造纬编针织物作为应变传感材料，在应变为2％内的灵敏度为2.51，具有较低的应变检测范围。衣卫京等以针织物作为基体，通过印花方式将导电复合材料涂覆在织物上制成具有应变传感功能的敏感材料，但其经、纬向的电阻响应不一致，并且由于导电涂层与织物基体的结合力较差，该应变传感织物的稳定性、可水洗性无法得到保证。授权号为cn108680095b的专利提供了一种基于碳纳米纤维纱织物的柔性应变传感器，制备方法包括在织物上下表面涂布聚合物薄膜，但阻碍了织物的舒适性和透气性。公开号为cn115164704a的专利提供了一种层状结构的可穿戴织物应变传感器，包括修饰织物及覆于修饰织物一侧表面的碳基油墨导电薄膜，但该器件的制备工艺较为复杂，且导电薄膜易于在织物基体上分层或脱落。赵凯等利用光子晶体弹性材料分别与纬编针织涤纶布和碳化织物进行结合开发可视化应变传感材料，但光子晶体成本较高，制备难度大，因此不利于器件的批量生产。

3、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种柔性应变传感复合纱及其制备方法及应用，其以两种形变能力(弹性力)和导电能力相差较大的纱线为原料制备复合纱，采用传统的织造方法织造应变传感织物，制备工艺流程简单，有利于批量生产；并且最大限度地保留了织物的原本特性-舒适性、透气性、可水洗性等，能够实现器件与服装的无缝集成。

2、为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供了一种柔性应变传感复合纱，包括：

3、第一纱线，具有第一弹性力；

4、第二纱线，具有第二弹性力；

5、所述第一纱线和所述第二纱线中的其一为导电纱线，所述第一纱线和所述第二纱线中的另一为绝缘纱线；

6、其中，以所述第二纱线为中心线，所述第一纱线缠绕于所述第二纱线上，且在力的作用下，所述第二纱线能以第一纱线为中心线反缠绕于所述第一纱线上；

7、或者，

8、以所述第一纱线为中心线，所述第二纱线缠绕于所述第一纱线上，且在力的作用下，所述第一纱线能以第二纱线为中心线反缠绕于所述第二纱线上。

9、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一弹性力小于所述第二弹性力；以所述第二纱线为中心线，所述第一纱线呈螺旋状缠绕并包覆所述第二纱线。

10、在本发明的一个或多个实施例中，所述柔性应变传感复合纱具有两种状态：

11、在第一状态下，所述第二纱线呈伸直状态，所述第一纱线以缠绕方式完全包覆所述第二纱线设置；

12、在第二状态下，所述第一纱线呈伸直状态，所述第二纱线以缠绕方式包覆所述第二纱线设置；

13、所述柔性应变传感复合纱能受力从第一状态切换至第二状态，并在撤力状态下从第二状态恢复至第一状态。

14、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一弹性力大于所述第二弹性力；

15、以所述第一纱线为中心线，所述第二纱线呈螺旋状缠绕并包覆所述第一纱线。

16、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一纱线均匀缠绕于所述第二纱线上；或者，所述第二纱线均匀缠绕于所述第一纱线上。

17、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一纱线的颜色与所述第二纱线的颜色不同；和/或，

18、所述第一纱线的形状与所述第二纱线的形状不同。

19、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一纱线选自：纯金属纱线、纯碳材料纱线、镀银纱线或混纺纱线，所述第二纱线选自：氨纶包芯纱、变形丝；或者，

20、所述第一纱线选自不导电聚合物长丝或短纤纱，所述第二纱线选自导电聚合物长丝或短纤纱；或者，

21、所述第二纱线选自：纯金属纱线、纯碳材料纱线、镀银纱线或混纺纱线，所述第一纱线选自：氨纶包芯纱、变形丝；或者，

22、所述第二纱线选自不导电聚合物长丝或短纤纱，所述第一纱线选自导电聚合物长丝或短纤纱。

23、本发明一具体实施例还提供了一种柔性应变传感复合纱的制备方法，包括：

24、提供第一纱线，所述第一纱线具有第一弹性力；

25、提供第二纱线，所述第二纱线具有第二弹性力，所述第一纱线和所述第二纱线中的其一为导电纱线，所述第一纱线和所述第二纱线中的另一为绝缘纱线；

26、以所述第二纱线为中心线，将所述第一纱线缠绕于所述第二纱线上；

27、或者，

28、以所述第一纱线为中心线，将所述第二纱线缠绕于所述第一纱线上。

29、本发明一具体实施例还提供了一种柔性应变传感织物，采用上述的柔性应变传感复合纱织造而成。

30、在本发明的一个或多个实施例中，所述柔性应变传感织物为机织物或者编织物。

31、与现有技术相比，本发明的柔性应变传感复合纱，以两种形变能力(弹性力)和导电能力有差别且差别较大的纱线为原料通过缠绕方式制备而成，可通过拉伸改变两种纱线的缠绕状态，以此改变由复合纱织造而成的织物的电学性质(电阻)，使得其具有应变传感功能。

32、本发明的柔性应变传感复合纱，采用颜色或形状或外观有明显区别的两种纱线捻合成复合纱，通过拉伸改变两种纱线的缠绕状态以实现应变的可视化功能。此外，由于在制备过程中不涉及力致变色材料，降低了应变传感复合纱及应变传感织物的成本，有利于批量生产。

33、本发明的柔性应变传感复合纱，采用大纱线捻度和拉伸能力强的纱线来制备，并以此织造应变传感织物，能获得大应变检测范围，适用于大应变应用场景。

34、本发明的柔性应变传感织物，采用柔性应变传感复合纱通过传统的织造方法织造而成，制备工艺流程简单，有利于批量生产，并且采用全纱线、全织物制备可视化应变传感器，最大限度地保留了织物的原本特性-舒适性、透气性、可水洗性等，能够实现器件与服装的无缝集成。

35、本发明的柔性应变传感织物，纱线的原料易得，传感织物的织造工艺简单，流程短，适合批量生产。