丝或纤维的制作方法

专利名称：丝或纤维的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种丝或纤维，尤其是用于织物或衣服、其目标是使织物或衣服的一个或者多个特性发生改变的丝或纤维。
已知有大量的改变纤维或丝尺寸的方法。用占原始尺寸的分数表示的纤维尺寸的改变称为应变。已知可以利用激励器来改变纤维的尺寸。但是，大多数已知材料显示极其有限的应变，就是说，当受到刺激时，只能发生有限的位移或形状改变。例如压力材料的应变小于1％，形状记忆合金的应变小于8％，铁电聚合物的应变小于5％。
已知有些材料具有大得多的应变，例如离子聚合物凝胶和介电弹性体。但是，这些材料的缺点在于要么需要通常为液体的离子导体，要么需要达到102伏/微米级的极高电场。具有大的、线性应变的材料是很少的。
本发明的目的在于提供一种丝或者纤维，所述丝或纤维的尺寸响应于激励器可发生可控和可逆的改变。
本发明的另一个目的在于提供一种丝或者纤维，所述丝或纤维可以发生相当大的应变。
根据本发明，提供了一种丝或纤维，包括液晶弹性体，和能够激励所述丝或纤维从而导致其尺寸发生改变的激励器。
优选地，丝或纤维的激励导致其轴向或线性尺寸发生改变。表达为占原始线性尺寸的比的线性尺寸的改变称为线性应变。
液晶弹性体包括功能性的长链弹性体、多个介晶(mesogenic)侧链和交联剂。
形成介晶侧链的介晶是液晶活性基团。
交联剂将长链弹性体连接起来，也是可以是液晶活性的。
已知液晶具有将各向同性相与液晶相分离的各向同性相边界。
由于液晶弹性体的性质，尤其是液晶的有序结合，以及长链弹性体的构象，当液晶从液相经过各向同性相边界时，弹性体链的长度会下降。
该过程是可逆的，因此从各向同性相至液晶相时，材料会再膨胀。
已知当液晶从各向同性相至液晶相时其膨胀可达300％。
有利的是，至少部分介晶侧链是对齐的。对于大的单轴收缩和膨胀，要求几乎所有的介晶侧链对齐。这样，由相变导致的改变在整个弹性体上是单向的，从而可以将局部应变相加以产生大的总应变。对齐的液晶弹性体称为液态单晶弹性体(LSCE)。
液晶各向同性相转变通常通过温度诱导产生，可以根据介晶侧链的类型、交联剂的类型、以及这两种化合物的浓度比例来调整温度值。允许较大范围的转变温度，从室温或更低最高至大于100℃的温度。
例如，当用4’-甲氧基苯-4-(1-丁烯氧基)苯甲酸作介晶侧链时，将丁烯氧基团替换为乙烯氧基时，向列型(或近晶型)到各向同性相的转变温度下降可超过25℃。相似地，用己烯氧基替代丁烯氧基时，转变温度升高约25℃。另外，增加该例中每单元主链长度的介晶侧链数目通常也使向列型(或近晶型)到各向同性相的转变温度升高。
有利的是，激励器包含一个沿丝或纤维轴向延伸的电极。
优选的是，电极为弹性的。这样，当激励时，电极可以随着纤维的膨胀而膨胀，收缩而收缩。
弹性电极可为例如波状的。
有利的是，电极包括铬-金。
铬-金薄膜的厚度为5-100纳米，通过电子束蒸发可以沉积在纤维或丝上，以便形成一个顺从电极。该电极一直保持其导电性直到应变超过20％。这样的薄膜可以均匀地涂覆于丝或纤维上。
优选的是，电极包括至少部分沿丝或纤维长度延伸的螺旋状丝。
电极可以基本上沿着丝或纤维的外表面延伸。另外，电极也可以在丝或纤维内部延伸。当电极在丝或纤维内部延伸时，其可以与纤维或丝的轴基本同轴延伸。
便利的是，激励器包括导电材料。这些导电材料可以是例如碳纤维或者导电聚合物。
可以采用下文中描述的激励器类型，从而在纤维或丝中产生欧姆热。在这种丝或纤维中，液晶弹性体的各向同性相变是由温度诱导的。
液晶弹性体可包含含有聚甲基氢硅氧烷的弹性体主链，包含4-丁-3-烯氧基苯甲酸-4-甲氧基苯酯的介晶侧链，和包括例如基于1-(4-羟基-4’-联苯)-2-[4-(10-十一烯氧基)苯基]丁烷的聚醚的交联剂，所述聚醚具有向列型特性。
有利的是，激励器包含第一和第二电极，两电极彼此分开。这样的电极布置可以用于在纤维两端施加电场，从而使纤维为可以电寻址的。在这种丝或纤维中，液晶弹性体通过施加电场而使液晶相的状态(例如近晶型)发生改变。为此，介晶需带有手性原子，例如(2S)-2-甲基丁基4-(4’-羟基苯甲羧基)苯甲酸酯。
便利的是，两个电极均基本上沿丝或纤维的外表面延伸。
或者，第一电极基本沿着丝或纤维的外表面延伸，第二电极在丝或纤维内部延伸。在另一实施例中，第一和第二电极均可用于在丝或纤维内部延伸。
或者，第一和第二电极都包括指状电极。这种布置可用于在纤维的长度方向诱导电场。
优选的是，第一和第二电极都是有弹性的。有利的是，第一电极和第二电极中的至少一个为波状的。便利的是，第一和第二电极中的至少一个电极包括铬-金。第一和第二电极中的一个或两个可以由厚度为5-100纳米的铬-金薄膜构成。在应变超过20％时，所述电极可以保持其导电性。这样的薄膜可以均匀涂覆于丝或纤维上。
优选的是，液晶弹性体包含一种铁电液晶体弹性体，尤其是液态单晶弹性体。
在这样的材料中，相转变和材料的激励都是由电场诱发的。
应用铁电液晶弹性体，优选铁电型液态单晶弹性体可产生非常巨大的横向电收缩。
可通过施加1伏/微米级的电场来诱发这种液晶弹性体发生相转变。
便利的是，激励器中包括结合至介晶侧链中的偶氮基团。
将偶氮基团结合至介晶侧链中使得能够采用辐射诱导反式至顺式的光致异构化反应，在该反应中，顺式异构体具有扭结的非介晶形状。这意味着对丝或纤维进行辐射可以导致丝或纤维的膨胀。当用另一波长的光进行照射时，丝或纤维出现舒张或收缩。
这样的纤维由液晶弹性体构成，其中通过结合光敏性介晶侧链基团，例如[4-(4-丁烯氧基)-4’-甲氧基]偶氮苯，和/或光敏性介晶交联剂，例如二-[4-(11-十一烯氧基)]偶氮苯，通过辐射诱导各向同性相变。
参考以下附图，通过举例的方式对本发明进行详细描述，附图包括；

图1是形成本发明纤维或丝的一部分的液晶弹性体的基本结构；图2的图形显示了本发明的丝或纤维的应变，所述应变作为归一化温度T/TN-I的函数，其中TN-I是指液晶向列型至各向同性相的转变温度；图3a-3h的示意图显示了根据本发明的由液晶弹性体构成的丝或纤维，其中通过温度诱导产生各向同性相变；图4a，4b和4c的示意图显示了根据本发明的第二实施例，其中丝或纤维由液晶弹性体构成，其中通过施加电场诱导产生各向同性相变；图5的示意图显示了本发明的第三实施例，其中丝或纤维由含有偶氮基团的液晶弹性体构成，其中应变由辐射诱导产生；图6的示意图为由根据本发明的丝或纤维构成的可变导电织物；图7的示意图显示了一件外衣，衣袖的袖口中结合有图6所述的织物；图8是图7所示外衣袖口阻力的示意图，所述阻力为形成外衣的织物中诱导产生的应变的函数；图9的校正曲线与图7所示外衣袖口施加至穿衣者的力相关；图10a-10d显示了在不同应变(即袖口的不同阻力)下测量的随时间变化的阻力。
参考图1，适合形成本发明纤维或丝的液晶弹性体(LCE)的基本结构通常用附图标记2表示。LCE包括功能性的长链弹性体4，如PDMS，介晶侧链6和交联剂8。介晶是液晶活性基团，交联剂将长链弹性体4和第二长链弹性体4交联起来。
现在参见图2，其显示了用归一化至低温下长度的纤维长度表示的应变，其作为归一化温度T/TN-I的函数，其中TN-I是指液晶向向列型转变的温度。
根据液晶材料不同，液晶相可以是向列型，近晶型的或者胆甾型的。
从图2可以看出，温度升高诱发应变。温度低于TN-I时，纤维长度发生改变，在温度为T/TN-I＝1时，改变最为明显。
现在参见图3，显示了根据本发明的纤维或丝的第三实施例。图3a-3h中所示的每个纤维或丝都被构造成导致纤维10产热。纤维10包含液晶弹性体12和激励器，所述液晶弹性体使纤维或丝的尺寸发生改变。
在图3a中，激励器的形式是波状电极14。因为电极是波状的，所以随纤维的长度在加热时增加，电极可以轴向拉伸。电极可以部分或全部地沿纤维10的长度延伸。
在图3b中，激励器的形式是电极16，为了使电极能够随着纤维10的伸缩而伸缩，该电极材料是柔性的或者有弹性的。
在图3c中，激励器的形式是电极18，该电极材料也是柔性的或者有弹性的，在纤维内部延伸。
电极14，16，18可以由任何适合的材料，如铬-金合金构成。
参见图3d，纤维10被显示为结合有导电物质20，所述导电物质为例如碳纤维或导电聚合物。
在图3e中，激励器的形式是螺旋状丝，其可以部分或全部地沿纤维10的长度延伸。
图3f和3g显示了与一个或多个导电线24交织在一起的根据本发明的纤维。所述导电线可以是金属、有机导电材料等。纤维的热效应可以通过导电线纤维24产生。
在图3h中，纤维10被显示为具有在纤维10内部延伸的螺旋状导电电极26。
图3a-3h所示的每个设置通过作为不同形式电极的激励器使纤维产生欧姆热。
参见图4a和4b，显示了根据本发明另一实施例的纤维28。
在图4a中，纤维28包含分离的顶部和底部柔性电极30。
在图4b中，纤维28包含两组指状电极32和34。
图4a所示的实施例也可以和图3a，3b或3c所示的实施例相结合。
图4a所示的实施例产生垂直于纤维长度的电场。这表示，施加电场时，所述纤维变宽，导致其长度减少。
在图4b显示的设置中，用电极32和34限定的电极布置在垂直于纤维长度的方向上产生的电场，电场的方向如箭头36所示轮流交替，这表示施加电场时纤维28将变长，从而相应地导致纤维宽度降低。
现参见图5，根据本发明另一实施例的纤维用附图标记38表示。纤维38包含位于液晶弹性体内的偶氮基团。所述纤维可以暴露于辐射40中，该辐射导致纤维中的应变。
引起顺反构象变化的典型波长为365nm，然而通过典型为465nm的UV辐射可以逆转该过程。为了完成光异构化反应，根据所使用的材料，辐射时间可从数秒钟到数分钟。
现参见图6，许多根据本发明的丝或纤维构成的可变导电织物用附图标记42表示。织物42由传统纱线和导电纤维46构成，其中至少某些纱线由弹性材料44构成。
由弹性材料构成的纤维至少部分包括根据本发明的纤维。响应于上述刺激中的一个，如温度、电场、辐射、电流，所述纤维会变长和缩短。从而导致织物电导性的改变。
织物的热绝缘性依赖于其各种性质，其中一种就是夹带在织物结构中的空气量。织物可由相互叠加和相互连接的层构成。另外，织物也可以由具有开放经向结构的经向交联器构成。进一步地，织物可以具有三维正交织造结构。
三维正交织造结构典型地包括第一、第二和第三纤维，它们彼此相互正交。垂直于经向和纬向的纤维由根据本发明的液晶弹性体构成。形成所述第三纤维的液晶弹性体的长度由温度决定。高温将导致所述第三纤维收缩。其导致织造结构中的各层相互推挤。其结果导致织物中夹带的空气量减少，这意味着织物的热绝缘性降低。当温度下降时，所述第三纤维的长度将增加，导致叠加的各层膨胀。其使得织造结构中夹带有更多的空气，从而导致热绝缘性增加。
采用不同的液晶弹性体以形成第三纤维可以产生通过不同刺激引发的织物。
这种类型的织物可以用于许多不同的方面。例如所述织物可用于制作胸罩，这种胸罩的支撑度是可变的。如在猛烈体力活动时，希望的是胸罩提供最大支撑。这可以通过将本发明的纤维结合至用于形成胸罩的织物中来实现。纤维的膨胀会引起胸罩的紧密配合降低，而减弱了对乳房的支撑作用。另一方面，纤维的收缩会加强乳房支撑作用。
衣服上的褶皱在决定衣服的外观特征方面有着重要作用。衣服的褶皱受到很多不同参数的影响，所述参数与用于制作衣服的纤维和纱线的机械和物理性质有关。另外，褶皱受到纱线排列的影响，即纱线是针织和/或织造和/或编织等，而且还受到穿衣服的人和衣服之间相互作用的影响。
通过形成部分或全部由本发明所述纤维或丝构成的衣服，形成所述衣服的纤维的可逆性膨胀和收缩将导致褶皱发生改变，其对于例如美观原因来说是所希望的。
部分或全部地用本发明所述纤维或丝制作的布料，还可用于形成血压测量器件。
众所周知，测量人体血压时，需要向戴在待测血压者手臂上的袖囊里打气，从而靠近血管。
测量血压的时候，测量人的心跳。在可以检测到形成完整心跳的两次跳动处的压力对应于收缩压。在仅仅可以检测到一次跳动处的压力对应于舒张压。
测量可以是自动的，从而不需要专业的医生，人们可以在家自己测量血压。但是，已知的器件体积相对较大，而且血压计的袖囊必须精确地缚在手臂上。
通过应用由本发明所述纤维或丝制作的布料，可以制作成织物血压测量器件以测量血压。
参考图7-10，根据本发明实施例的衣服通常用附图标记60表示。衣服的形式可以为衬衫或夹克或其他类似的衣物，其包含由根据本发明的丝或纤维制作的袖口62，因此具有可变的电绝缘性。这表示，袖口62的阻力随着其应变的变化而变化。
图8的图形表示对于两种不同液晶弹性体而言袖口62的阻力和袖口的应变之间的关系。虚线I表示阻力和应变之间的关系，其中随着应变的增加，阻力减少。实线II表示阻力和应变之间的关系，其中随着应变的增加，阻力增加。
形成袖口62的材料中的应变由上述的外部刺激诱导产生，最优选的是通过施加电流或电场诱导产生。
选择形成袖口62的纤维的液晶弹性体，以便袖口62中诱导产生的应变导致袖口收缩。袖口的收缩与收缩力F有关，所述收缩力反过来对应于特定的压力P。P等于F除以袖口表面积A。其意味着P＝F/A。
袖口首先收缩至没有测量到阻力变化的程度。在这一阶段，袖口的压力大于收缩压，如图10a所示。在随后袖口放松的几个阶段，在一段时间内应变保持恒定，袖口的阻力测量为时间的函数。当袖口的压力小于收缩压时，心脏的脉动使袖口周期性膨胀和收缩，根据附图8所示的应变-阻力函数关系，引起阻力下降或者升高。
在图8中实线II为假定的上升函数，心脏脉动使袖口出现暂时性的膨胀，将引起阻力的下降，这是因为袖口的膨胀意味着应变的下降。
在图8所示的阻力R2和应变S2处，测到阻力的第一次波动，见图10b。在该点处，袖口的压力等于收缩压(Ps)。重复时间Δt产生的心跳频率f＝60×Δt-1。根据校正曲线的对应力为F2，因此在阻力R2处，袖口的压力为F2/A＝PS。
当应变进一步下降时，袖口进一步放松，在阻力R1和应变S1处，测到的阻力信号达到最大，见图10c。对应的压力F1/A为平均血压。
当应变进一步下降时，在阻力R0处，信号消失，见图10d。其意味着，此时袖口压力F0/A等于舒张压(Pd)。
衣服60进一步包括电子控制单元(未示出)，所述单元可以寻址到形成纤维的液晶弹性体，所述纤维形成袖口62，并且所述单元可以测到依赖于时间的袖口阻力。进一步地，控制单元可以通过应用预定的校正曲线从依赖于测量时间的阻力计算出压力。最后，控制单元可以从心跳频率计算出时间长度。
权利要求
1.一种丝或纤维(10)，其包含液晶弹性体(2)以及激励器，所述激励器能够激励丝或丝，从而导致丝或纤维的尺寸发生改变。
2.根据权利要求1所述的丝或纤维，其中液晶弹性体包含功能性长链弹性体(4)、多个介晶侧链(6)和交联剂(8)。
3.根据权利要求2所述的丝或纤维，其中至少部分介晶的侧链对齐。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的丝或纤维，其中激励器包含一个沿纤维或丝轴向延伸的电极(14)。
5.根据权利要求4所述的丝或纤维，其中电极(16)是弹性的。
6.根据权利要求5所述的丝或纤维，其中电极(14)是波状的。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的丝或纤维，其中电极包含螺旋状丝(22)，其至少部分沿丝或纤维的长度延伸。
8.根据权利要求4-7中任意一项所述的丝或纤维，其中电极是铬-金电极。
9.根据权利要求4-8中任意一项所述的丝或纤维，其中电极基本上沿丝或纤维外表面延伸。
10.根据权利要求4-8中任意一项所述的丝或纤维，其中电极在丝或纤维内部延伸。
11.根据权利要求1-3中任意一项所述的丝或纤维，其中激励器包含第一(30)和第二(30)电极，两电极彼此相互分离。
12.根据权利要求11所述的丝或纤维，其中第一和第二电极均基本沿丝或纤维外表面延伸。
13.根据权利要求11所述的丝或纤维，其中第一电极基本沿丝或纤维外表面延伸，第二电极在丝或纤维内部延伸。
14.根据权利要求11、12或13所述的丝或纤维，其中第一和第二电极各包含指状电极(32、34)。
15.根据权利要求1-3中任意一项所述的丝或纤维，其中激励器包含导电物质。
16.根据权利要求15所述的丝或纤维，其中导电物质包含碳纤维。
17.根据权利要求15所述的丝或纤维，其中导电物质为导电聚合物。
18.根据权利要求1或2所述的丝或纤维，其中液晶弹性体包含铁电液晶体。
19.根据权利要求2中及其任一从属权利要求所述的丝或纤维，其中激励器包含结合有偶氮基团的介晶侧链。
20.一种织物(42)，含有许多液晶弹性体的弹性体纤维和许多与所述弹性体纤维交织在一起的导电线。
21.一种织物，其由许多权利要求1-19中任意一项所述的丝或纤维制成。
22.一种衣服，其由权利要求20或21中所述的织物制成。
23.一种血压测定器件，其由权利要求20或21中所述的织物制成。
24.一种热绝缘控制装置，其由权利要求20或21中所述的织物制成。
全文摘要
一种丝或纤维，包含液晶弹性体和激励器，所述激励器能够激励丝或纤维，从而导致丝或纤维的尺寸发生改变。
文档编号D01F1/10GK1954102SQ200580015299
公开日2007年4月25日 申请日期2005年5月18日 优先权日2004年5月20日
发明者M·P·B·范布鲁根, J·M·克兰斯, J·M·J·登图恩德, J·T·A·威尔德比克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司