一种蓄热保暖应变传感复合纱及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于智能纺织品技术领域，尤其涉及一种蓄热保暖应变传感复合纱及其制备方法与应用。

背景技术

关节损伤是一种慢性疾病，是全世界最常见的运动损伤形式之一。关节损伤的主要症状是疼痛、僵硬、关节不稳定、关节肿胀和肌肉无力，这些症状往往导致患者需要长期的护理和治疗策略。为了及时缓解关节疼痛，关节损伤患者通常在家进行长期保养。一般来说，关节损伤的患者大多数使用具有蓄热保暖功能的可穿戴医疗设备进行保养，从而减少关节损伤部位的疼痛增大关节活动范围。因此，对具有蓄热保暖功能的可穿戴医疗设备有很大的市场需求。然而大多数的蓄热保暖功能的可穿戴设备仅仅具有对患病部位热疗的功能，缺乏对关节损伤病人运动的监测。

目前利用聚吡咯、碳黑、碳纳米管、石墨烯和MXenes等功能材料被广泛应用于蓄热保暖的可穿戴医疗设备，并且通过界面聚合、浸渍涂层来增强其光热或电热转换能力，但是这些蓄热保暖的可穿戴设备缺乏实时运动监测功能。中国专利CN 104902598 A中利用碳纳米管制备了一种具有电热功能的复合纱线，具体制备工艺是普通纱线外圈设有碳纳米管，碳纳米管与普通纱线之间设有导电连接剂，碳纳米管外镀有一层银抗氧化层；但是这种电热复合纱线缺乏对人体动作的监测。中国专利CN 110499535 A利用银纳米线为导电载体，聚氨酯为纺丝基材，将聚氨酯纺丝溶液通过水浴法静电纺丝制成聚氨酯纳米纤维，然后将银纳米线分散液雾化喷洒在聚氨酯纳米纤维表面，制备出银纳米线/聚氨酯导电复合纤维纱；但是银纳米线/聚氨酯导电复合纤维纱缺乏对关节炎患者的热疗功能。

针对上述提及的蓄热保暖功能和柔性应变传感器可以看出，现有技术中大多数是针对单独功能的研究，将人体运动监测以及蓄热保暖集成到一个可穿戴设备鲜有报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种蓄热保暖应变传感复合纱及其制备方法与应用。利用炭黑纱线、导电纱线以及弹性丝编织成蓄热保暖应变传感复合纱。将蓄热保暖应变传感复合纱利用捻线机加捻成股线制备成蓄热保暖应变传感复合纱股线，蓄热保暖应变传感复合纱股线具有良好的应变传感性能，在拉伸蓄热保暖应变传感复合纱股线过程中两根纱线发生变形使其电容信号发生变化，从而监测人体运动，此外蓄热保暖应变传感复合纱通过施加电压可以对关节损伤患者进行热疗从而减轻疼痛。

本发明的第一个目的是提供一种蓄热保暖应变传感复合纱的制备方法，包括以下步骤，

S1、将基础纱线浸渍于炭黑浆料，得到炭黑纱线；

S2、将导电纱线和S1所述的炭黑纱线依次编织在弹性丝表面，得到蓄热保暖应变传感复合纱。

在本发明的一个实施例中，在S1中，所述基础纱线选自尼龙纱线、涤纶纱线和晴纶纱线中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，在S1中，所述炭黑浆料的浓度选自1wt％-5wt％。

在本发明的一个实施例中，在S1中，所述炭黑纱线的细度选自70D-120D。

进一步地，所述炭黑纱线的细度选自70D、90D或120D。

在本发明的一个实施例中，在S2中，所述导电纱线选自镀银尼龙、涂层碳纳米管纱线、涂层石墨烯纱线和金属纳米线中的一种或多种；所述导电纱线的细度选自100D-280D。

进一步地，所述导电纱线的细度选自100D、140D、200D或280D。

在本发明的一个实施例中，在S2中，所述弹性丝选自氨纶、涤纶、腈纶和锦纶中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，在S2中，编织过程中编织的速度为10rpm-20rpm，卷绕的速度为1m/min-3m/min；导电纱线和炭黑纱线的锭数均选自8、10、12、14或16。

本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备得到的蓄热保暖应变传感复合纱。

本发明的第三个目的是提供一种股线：所述股线由所述蓄热保暖应变传感复合纱制备得到。

本发明的第四个目的是提供一种织物，所述织物由所述蓄热保暖应变传感复合纱股线制备得到，所述蓄热保暖应变传感复合纱股线的捻度为10T、15T或20T。由于单根蓄热保暖应变传感复合纱电阻变化小，只能两根纱线进行加捻使其构成电容应变传感器，其机理是通过加捻使得两根蓄热保暖复合纱构成电容应变传感器，在拉伸股线的过程中两根蓄热保暖复合纱发生形变进而导致电容变化。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的蓄热保暖应变传感复合纱所选的材料制备简便，材料可选范围广泛，具备大规模工业化制备的潜力。

(2)本发明所述的蓄热保暖应变传感复合纱以弹性丝为芯纱，依次在弹性丝表面编织中间层导电纱线和外层炭黑纱线，制备工艺简单，生产成本低，工艺流程短，具有大规模生产的潜力。

(3)本发明所述的蓄热保暖应变传感复合纱具有良好的传感性能、蓄热性能和电热性能，且蓄热保暖应变传感复合纱的传感性能具有高灵活、高灵敏和稳定性好的特点。

(4)本发明所述的蓄热保暖应变传感复合纱织物，不仅具有优异的光热转化和电热性能，不仅能准确监测人体运动，而且可以对关节炎患者疼痛部位进行热疗从而减轻关节炎患者的疼痛。

附图说明

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：

图1为本发明蓄热保暖应变传感复合纱的制备流程图；

图2为本发明不同捻度的蓄热保暖应变传感复合纱股线在不同拉伸时的电容相对变化图；

图3为本发明15T蓄热保暖应变传感复合纱股线在不同拉伸时的灵敏度图；

图4为本发明15T蓄热保暖应变传感复合纱股线在循环应变下的耐久性图；

图5为本发明15T蓄热保暖应变传感复合纱织物在不同电压下温度变化图；

图6为本发明15T蓄热保暖应变传感复合纱织物在阳光下施加1V电压下的温度变化图；

图7为本发明15T蓄热保暖应变传感复合纱织物贴合人体膝盖时热疗1h前后膝盖运动的相对电信号的变化图；

图8为本发明15T蓄热保暖应变传感复合纱织物贴合人体手肘时测试热疗1h前后手肘运动的相对电信号的变化图。

具体实施方式

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。

在本发明中，除非另有说明，炭黑浆料购自三菱，型号为MA100。

在本发明中，除非另有说明，炭黑尼龙的细度为70D。

在本发明中，除非另有说明，镀银尼龙的细度为100D。

实施例1

参照图1所示，一种蓄热保暖应变传感复合纱及其制备方法与应用，具体包括以下步骤：

(1)蓄热保暖应变传感复合纱的制备：将尼龙纱线浸入2wt％炭黑浆料中，10min后取出放入烘箱进行干燥，得到炭黑尼龙。将导电纱线16锭镀银尼龙和16锭炭黑尼龙用绕线机卷绕在编织机锭子上，然后将镀银尼龙和炭黑尼龙按顺序放入编织机的内层和外层携丝器。将编织机拨盘装置上携丝器的丝线拉出来，一一固定在芯轴，然后将弹性丝氨纶经过纱线张力器从编织机底部的圆筒穿出，与固定在芯轴上的镀银尼龙、炭黑尼龙固定在卷绕装置上；编织机开机后，携丝器上的镀银尼龙、炭黑尼龙通过8字运动和O字旋转运动将镀银尼龙编织在氨纶外层，形成镀银尼龙/氨纶复合纱，此时编织机的编织速度为10rmp、卷绕速度为2m/min，同时最外层的炭黑尼龙也编织在镀银尼龙/氨纶复合纱外层形成蓄热保暖应变传感复合纱。

(2)蓄热保暖应变传感复合纱股线的制备：将蓄热保暖应变传感复合纱筒子套在环锭捻线机静止的空心管上，两根复合纱线由筒子顶端引出，经过空心管，再进入锭管与储纱盘的径向孔。储纱盘随锭子回转，纱线则随锭子每转一转加一个捻回，两根纱线螺旋状交叉紧紧缠绕起来，分别设置捻度为10T、15T、20T，得到蓄热保暖应变传感复合纱股线。

(3)蓄热保暖应变传感复合纱织物的制备：利用机织织造技术，以炭黑尼龙为经纱，蓄热保暖应变传感复合纱为纬纱，其中每隔3cm将15T蓄热保暖应变传感复合纱股线打入一纬，从而得到蓄热保暖应变传感复合纱织物。

测试例1

对实施例1的不同捻度的蓄热保暖应变传感复合纱股线的应变传感性能进行研究，以确定最优传感性能蓄热保暖应变传感复合纱股线的捻度。将实施例1中10T、15T、20T蓄热保暖复合纱股线置于移动滑台，并且在蓄热保暖复合纱股线一端连接LCR数字电桥，在100mm/min的速度下将网络状应变传感复合纱拉伸至原长的70％，结果如图2所示。从图2可以看出，15T蓄热保暖应变传感复合纱股线相对电信号变化最大，可以达到60％，表现出优异的传感性能。这是因为捻度过大或者过小都会导致拉伸过程中蓄热保暖应变传感复合纱股线变形较小。因此为了方便测试，选择15T蓄热保暖应变传感复合纱股线进行后续的电容信号测试。

测试例2

对实施例1的15T蓄热保暖应变传感复合纱股线的传感性能进行测试。将15T蓄热保暖复合纱股线置于移动滑台，并且在蓄热保暖复合纱股线一端连接LCR数字电桥，在100mm/min的速度下将网络状应变传感复合纱拉伸至原长的70％，记录电容信号变化，结果如图3所示，结果如图3所示。从图3可以看出，15T蓄热保暖应变传感复合纱股线在拉伸至70％的灵敏度，测试发现其灵敏度为0.854，线性度为0.962,，表现出优异的灵敏度。

测试例3

将15T蓄热保暖复合纱股线在100mm/min的速度拉伸释放5000次，记录电容信号变化，结果如图4所示。从图4可以看出，在重复循环5000次时，这种电容式应变传感复合纱的相对电容变化率基本保持稳定，依旧保持良好的传感性能。

测试例4

对实施例1的15T蓄热保暖应变传感复合纱织物的蓄热保暖性能进行验证。将15T蓄热保暖应变传感复合纱织物接通DC稳压电源，设置电源箱电压为1V，使用热电偶测试15T蓄热保暖应变传感复合纱织物上层的温度，结果如图5所示。从图5可以看出，随着施加电压的增大，15T蓄热保暖应变传感复合纱织物的温度逐渐增大，在2.5V电压下温度能达到75℃左右，15T蓄热保暖应变传感复合纱织物具有优异的电热性能。这是因为蓄热保暖复合纱表层的炭黑尼龙具有优异的吸热性能以及蓄热保暖复合纱电热性能优异。

测试例5

对15T蓄热保暖应变传感复合纱织物的光热和电热性能进行验证，将15T蓄热保暖应变传感复合纱织物放置在太阳下并施加1V电压，用热电偶监测15T的蓄热保暖应变传感复合纱织物表面的温度变化，结果如图6所示。从图6可以看出在施加1V电压下的蓄热保暖应变传感复合纱织物在户外一天之后温度依然比环境温度高11.2℃。蓄热保暖应变传感复合纱织物具有良好的光热和电热性能。

测试例6

利用实施例1的15T蓄热保暖应变传感复合纱织物监测关节炎患者热疗前后的运动，测试蓄热保暖应变传感复合纱织物是否能通过热疗缓解关节炎患者的疼痛。将15T蓄热保暖应变传感复合纱机织物贴合在关节炎病人的膝盖上和手臂关节处，分别收集了进行热疗前后关节产生的电信号，如图7-8所示。从图7-8可以看出，经过热疗前后关节炎患者的运动范围变得更加广泛，这表明15T蓄热保暖应变传感复合纱机织物具有优异的蓄热保暖性能，可以缓解关节炎患者的疼痛，具有广阔的应用前景。

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。