一种耐高温纱线基传感器及其制备方法与应用

本发明属于纺织，尤其涉及一种耐高温纱线基传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，柔性传感器由于其具有便捷、实时感知等优势使其迅速得到发展，其中在极端高温环境下用于消防员生理信号监测和人机交互的柔性传感器不断的引起人们的关注。这要求在极端高温环境下柔性传感器准确的监测人体生理信号，同时兼具优异的传感精度和超长的使用寿命。传统的柔性传感器大多是有聚酯等构成，在高温环境下容易产生不可逆变形从而失去传感功能。纱线基柔性传感器由于易于制备、结构易调整、穿戴舒适的优点，在高温环境下的可穿戴技术应用方面引起了人们的广泛关注。

2、然而目前的纱线基柔性传感器大多由浸渍涂层、原位聚合等方法赋予其导电性能，这种方法会导致导电层易脱落，从而使得柔性传感器耐用性和透气性变差。部分纱线基柔性传感器采用普通纤维制备缺乏热稳定性，这就使其在高温环境下精度较低、响应时间长以及使用寿命短。此外对于通过纱线加捻得到的纱线基柔性传感器经过反复受力后纱线的股线结构容易遭到破坏，从而使其传感性能下降。所以目前迫切需要开发一种结构稳定、耐高温以及传感性能稳定的纱线基柔性传感器。如中国专利cn 113846399a公开了一种高灵敏度应变传感复合纱线及其制备方法和应用，它先利用浸渍涂层的工艺将碳纳米管附着在羊毛纤维表面，然后利用摩擦纺工艺将碳纳米管/羊毛纤维包裹在聚氨酯纤维外层。这种方法制备的应变传感复合纱线在反复拉伸过程中碳纳米管易脱落，从而造成在反复拉伸应变后传感性能变差；且羊毛纤维在高温环境下难以长时间维持使用寿命。中国专利cn114657770a公开了一种蚕丝氨纶复合导电纱线柔性传感器的制备方法，它将蚕丝螺旋缠绕在氨纶外构筑蚕丝/氨纶复合纱，进一步的将氧化石墨烯还原在蚕丝/氨纶复合纱表面得到蚕丝氨纶复合导电纱线。这种方法制备的蚕丝氨纶导电复合纱制备复杂难以大规模制备，在极端高温环境下蚕丝易发生老化导致传感精度下降，此方法制备的蚕丝氨纶复合导电纱线在高温环境下难以实现对人体信号的长时间监测。

3、因此，开发一种在极端高温环境下具有高灵敏度、高稳定性、耐久性优异的纱线基柔性传感器，具有重要的价值和意义。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐高温纱线基传感器及其制备方法与应用。本发明的耐高温传感复合纱包括芯层和鞘层；芯层采用高温适应性强的纤维材料通过浸涂单壁碳纳米管后经过环锭纺得到电极芯纱；鞘层是采用具有良好耐热性的隔热纤维通过摩擦纺工艺包裹在电极芯纱上；进一步通过缝纫结构，将两组耐高温传感复合纱牢固地缝合在织物衬底上形成耐高温纱线基传感器，有效提高了其在高温环境下的适应性、机械性能和耐久性，突破了传统纱线基柔性传感器在高温环境下的局限性。且通过传统纺纱工艺制备，实现了生产成本低、大规模工业化制备。

2、本发明的第一个目的是提供一种耐高温纱线基传感器的制备方法，包括以下步骤，

3、s1、通过浸渍干燥的方式将单壁碳纳米管溶液均匀附着在粗纱上得到导电粗纱，通过环锭纺的方式将导电粗纱纺成电极芯纱；

4、s2、通过摩擦纺的方式在s1所述的电极芯纱表面包缠隔热纤维，得到耐高温传感复合纱；

5、s3、通过缝纫机将两根s2所述的耐高温传感复合纱固定在织物衬底上形成缝纫结构，得到耐高温纱线基传感器。

6、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述浸渍干燥的次数为3-6次；浸渍的时间为0.5h-2h；干燥的温度为65℃-75℃，干燥的时间为0.5h-1.5h。

7、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述单壁碳纳米管溶液的浓度为2mg/ml-6mg/ml。

8、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述粗纱选自阻燃粘胶纤维、海藻纤维、阻燃涤纶纤维和阻燃维纶纤维中的一种或多种；所述粗纱的细度为700tex-900tex。

9、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述环锭纺过程中，锭速为8000r/min-12000r/min，纱线捻度为(60-70)t/10cm。

10、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述电极芯纱的细度为20tex-30tex。

11、在本发明的一个实施例中，在s2中，所述隔热纤维选自聚酰亚胺纤维和/或芳纶纤维。

12、在本发明的一个实施例中，在s2中，所述摩擦纺过程中，精梳辊速度为1000r/min-5000r/min、摩擦辊速度为4500r/min-6000r/min，喂入速度为3.0m/min-7.0m/min、输出速度为7.5m/min。

13、在本发明的一个实施例中，在s2中，所述耐高温传感复合纱中隔热纤维的密度为10g/cm3-40g/cm3。

14、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述缝纫结构选自直线线迹、平角锁边线迹、尖角锁边线迹和曲线锁边线迹中的一种或多种；缝纫结构的线迹密度为(1-4)个周期/1厘米。

15、在本发明的一个实施例中，在s4中，所述缝纫结构具体是一根耐高温传感复合纱在针的驱动下完成与另一根耐高温传感复合纱的勾线运动，从而使底部和顶部线圈之间的嵌入形成耐高温纱线基柔性传感器。

16、本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备的耐高温纱线基传感器。

17、本发明的第三个目的是提供一种所述的耐高温纱线基传感器在智能穿戴中的应用。

18、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

19、(1)本发明所述的耐高温纱线基传感器采用芯鞘结构设计，可以准确控制截面中耐热纤维的分布，从而消除高温影响造成的传感器误差，具有抗温度干扰功能。最后，通过将芯鞘结构的耐高温传感复合纱交错缝合到织物上形成独特的缝纫结构，保持了传感器的稳定性和耐久性，并可兼备水洗性和耐磨性，满足可穿戴设备的需求。

20、(2)本发明所述的耐高温纱线基传感器由于使其通过缝纫结构构筑避免了传统股线结构的纱线基柔性传感器经过反复受力以后传感性能下降的缺陷，同时能够实现高温环境下的稳定传感。

技术特征：

1.一种耐高温纱线基传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的耐高温纱线基传感器的制备方法，其特征在于，在s1中，所述浸渍干燥的次数为3-6次；浸渍的时间为0.5h-2h；干燥的温度为65℃-75℃，干燥的时间为0.5h-1.5h。

3.根据权利要求1所述的耐高温纱线基传感器的制备方法，其特征在于，在s1中，所述单壁碳纳米管溶液的浓度为2mg/ml-6mg/ml。

4.根据权利要求1所述的耐高温纱线基传感器的制备方法，其特征在于，在s1中，所述粗纱选自阻燃粘胶纤维、海藻纤维、阻燃涤纶纤维和阻燃维纶纤维中的一种或多种；所述粗纱的细度为700tex-900tex。

5.根据权利要求1所述的耐高温纱线基传感器的制备方法，其特征在于，在s1中，所述环锭纺过程中，锭速为8000r/min-12000r/min，纱线捻度为(60-70)t/10cm。

6.根据权利要求1所述的耐高温纱线基传感器的制备方法，其特征在于，在s2中，所述隔热纤维选自聚酰亚胺纤维和/或芳纶纤维。

7.根据权利要求1所述的耐高温纱线基传感器的制备方法，其特征在于，在s2中，所述摩擦纺过程中，精梳辊速度为1000r/min-5000r/min、摩擦辊速度为4500r/min-6000r/min，喂入速度为3.0m/min-7.0m/min、输出速度为7.5m/min。

8.根据权利要求1所述的耐高温纱线基传感器的制备方法，其特征在于，在s3中，所述缝纫结构选自直线线迹、平角锁边线迹、尖角锁边线迹和曲线锁边线迹中的一种或多种；缝纫结构的线迹密度为(1-4)个周期/1厘米。

9.一种权利要求1-8任一项所述的方法制备的耐高温纱线基传感器。

10.一种权利要求9所述的耐高温纱线基传感器在智能穿戴中的应用。

技术总结
本发明涉及一种耐高温纱线基传感器及其制备方法与应用，属于纺织技术领域。本发明的制备方法包括以下步骤，S1、通过浸渍干燥的方式将单壁碳纳米管溶液均匀附着在粗纱上得到导电粗纱，通过环锭纺的方式将导电粗纱纺成电极芯纱；S2、通过摩擦纺的方式在电极芯纱表面包缠隔热纤维，得到耐高温传感复合纱；S3、通过缝纫机将两根S2所述的耐高温传感复合纱固定在织物衬底上形成缝纫结构，得到耐高温纱线基传感器。采用芯鞘结构设计，准确控制截面中耐热纤维的分布，从而消除高温影响造成的传感器误差，具有抗温度干扰功能。通过缝纫结构保持了传感器的稳定性和耐久性，并可兼备水洗性和耐磨性，满足可穿戴设备的需求。

技术研发人员：方剑,刘英存,许多,魏雅雯,葛灿,高冲,徐卫林
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15