本發(fā)明涉及傳感器材料，尤其涉及一種基于摩擦紡的非均質(zhì)紗線及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展，柔性壓力傳感紗線在智能紡織品領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。這些紗線能夠集成到日常服飾中，直接與人體接觸，用于監(jiān)測人體運動、姿勢變化等生理信息。然而，現(xiàn)有紗線傳感器在反復變形狀態(tài)下，其電學和力學性能易受破壞，導致界面結(jié)合力降低，嚴重影響了智能紡織品的耐久性和傳感性能。

2、傳統(tǒng)的電容式壓力傳感紗線主要由導電材料與傳統(tǒng)纖維材料復合而成。這些紗線在受到摩擦、彎曲、拉伸、壓縮、洗滌等機械變形時，導電材料與纖維之間的界面結(jié)合力會降低，從而影響傳感器的穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。為解決這一問題，研究人員嘗試通過涂層技術(shù)增強導電材料與纖維基材之間的界面牢度，但大部分導電材料直接裸露在紗線外部，使得傳感器在大變形或持續(xù)摩擦時循環(huán)穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。

3、此外，將導電材料轉(zhuǎn)移到紗體內(nèi)部是提高傳感穩(wěn)定性的另一種策略。然而，導電填料如碳納米管、石墨烯、銀納米顆粒等難以均勻分散在聚合物纖維中，限制了傳感器電氣性能的提升。紗線的包芯結(jié)構(gòu)、包纏結(jié)構(gòu)和編織結(jié)構(gòu)具有較高的機械穩(wěn)定性，但這些結(jié)構(gòu)在實際使用過程中容易分層，難以維持穩(wěn)定的紗線結(jié)構(gòu)，降低了紗線的機械性能。

4、智能可穿戴設(shè)備友好的交互界面和智能識別在新型人機交互和智能設(shè)備發(fā)展中具有重要意義。傳統(tǒng)的多點位紗線/織物傳感陣列難以實現(xiàn)高分辨率傳感，且面臨傳感數(shù)據(jù)采集困難和集成難度大等挑戰(zhàn)。因此，通過紗線結(jié)構(gòu)調(diào)控實現(xiàn)更簡單高效的智能可穿戴設(shè)備差異化信號交互界面是一個巨大的挑戰(zhàn)。

5、中國發(fā)明專利cn114739280a公開了一種多元納米碳纖維紗應(yīng)變傳感器及其制備方法，首先將炭黑/碳納米管/石墨烯均勻分散在二甲基甲酰胺/四氫呋喃混合溶劑中，再將熱塑性聚氨酯顆粒溶解在分散液中配制紡絲液，經(jīng)靜電紡絲的方法形成納米纖維束，隨后對其加捻得到由多元納米碳纖維組成的導電紗線，最后用錫箔紙和導電銀膠在紗線兩端制備電極得到多元納米碳纖維紗應(yīng)變傳感器。該制備方法簡單合理，可大批量制備具有可編織性和可洗性的導電納米纖維紗，該紗線可以直接作為應(yīng)變傳感器使用。該紗線傳感器可直接編織或者縫入服裝、護腕和護膝等運動裝備以及人體上的其他物件，如：黏貼于人體的膏藥，探測人體運動以及呼吸和心跳等生理信息。但該制備的多元納米碳纖維紗應(yīng)變傳感器的耐磨性和介電傳感性能較差，而且制備工藝復雜，還不能完全滿足智能可穿戴用料需求。

6、中國發(fā)明專利cn109023614a公開了一種柔性智能紗線傳感器，包括導電紗線、紗線托持部件、紗線捻回數(shù)控制機構(gòu)和張力機構(gòu)；所述紗線托持部件包括絕緣托桿，與所述絕緣托桿連接的鉸鏈和下絕緣托板，與所述鉸鏈連接的固定電極夾，與所述下絕緣托板連接的側(cè)絕緣板，與所述側(cè)絕緣板連接的旋轉(zhuǎn)電極夾；所述紗線捻回數(shù)控制機構(gòu)與所述旋轉(zhuǎn)電極夾連接，驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)電極夾旋轉(zhuǎn)來改變導電紗線的捻回數(shù)；所述張力機構(gòu)包括張力桿和套設(shè)在所述張力桿上的張力調(diào)節(jié)滑塊，所述張力桿與所述固定電極夾連接；所述導電紗線放置在所述固定電極夾與所述旋轉(zhuǎn)電極夾之間。該發(fā)明利用導電纖維的柔性特征，根據(jù)設(shè)定的導電紗線捻回數(shù)的變化實現(xiàn)電阻大小的調(diào)節(jié)。但該柔性智能紗線傳感器的介電傳感性能較差，設(shè)備復雜，不利于在現(xiàn)有上產(chǎn)業(yè)設(shè)備上使用。

7、中國發(fā)明專利cn108896199a公開了一種可拉伸的紗線傳感器及其制備方法，涉及柔性傳感器技術(shù)領(lǐng)域。該傳感器包括彈性紗線和按照“s”型螺旋纏繞在所述彈性紗線表面的電極紗線。電極紗線包括敏感纖維、與敏感纖維兩端相連接的電極線和包覆在敏感纖維和電極線表面的封裝層。敏感纖維包括基體纖維以及涂覆在基體纖維表面的溫敏材料或濕敏材料。紗線傳感器以電極線為電極，以封裝層為介電材料，通過敏感纖維電阻的變化來監(jiān)測溫度或濕度變化。該發(fā)明還提供了紗線傳感器的制備方法。制備成的紗線傳感器，穩(wěn)定性好，靈敏度高，且所有結(jié)構(gòu)均為柔性材料，輕薄可貼附，能舒適地貼合在人體皮膚表面，實現(xiàn)長期、實時監(jiān)測的目的。但是該紗線傳感器的電極紗線在紗線外面纏繞，穿著舒適性極差，且傳感效果易受外部環(huán)境影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明提供了一種基于摩擦紡的非均質(zhì)紗線及其制備方法與應(yīng)用，旨在通過創(chuàng)新的紗線結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料組合，提高紗線的耐久性和傳感性能，同時實現(xiàn)一維紗線的多位點差異化傳感，為智能可穿戴設(shè)備提供新的解決方案。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

3、一種基于摩擦紡的非均質(zhì)紗線的制備方法如下：

4、采用摩擦紡紗，將導電長絲分別作為芯絲和外包長絲，短纖維作為短纖維須條；芯絲和短纖維須條采用摩擦紡紗常規(guī)方式喂入，短纖維須條先經(jīng)過喂入輥，再通過牽伸輥進行牽伸，再進入分梳輥分梳，進入到摩擦輥中的纖維凝聚區(qū)，通過外包長絲喂入組件對外包長絲施加周期性的諧波遷移，外包長絲喂入組件帶動外包長絲在纖維凝聚區(qū)內(nèi)進行諧波遷移，實現(xiàn)層間縫合互嵌式復合紗線的可控構(gòu)筑，在摩擦紡紗過程中，依次將短纖維須和外包長絲繞卷在芯絲外側(cè)，形成芯絲的外包層，外包層為短纖維和導電長絲的互嵌結(jié)構(gòu)，得到非均質(zhì)紗線。

5、所述外包長絲喂入組件設(shè)置在摩擦輥外，且能沿所述芯絲方向移動，所述外包長絲喂入組件的喂入點設(shè)置在分梳輥前。

6、所述外包長絲喂入組件用于將外包長絲沿芯絲方向喂入摩擦輥中并與短纖維須條嵌入繞包在芯絲上。

7、所述導電長絲為鍍銀長絲、不銹鋼、銅、鋁絲中的至少一種。

8、所述短纖維為棉纖維、羊毛纖維、粘膠纖維、聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維、聚乳酸纖維、亞麻纖維、黃麻纖維、竹纖維、莫代爾纖維、萊賽爾纖維中的至少一種。

9、所述纖維凝聚區(qū)的寬度范圍為0.1～0.4m。

10、所述摩擦紡紗的參數(shù)為：摩擦輥速度為3000～5000r/min，分梳棍速度為3000～5000r/min，短纖維須條的喂入速度為0.3～1m/min，輸出速度為15～20m/min，卷曲速度為15～20m/min，非均質(zhì)紗線中短纖維與芯絲的質(zhì)量比為5～20：1。

11、所述外包長絲喂入組件的周期性的諧波遷移距離為0.2～0.4m，速度為2～6m/min。

12、本發(fā)明制備的基于摩擦紡的非均質(zhì)紗線用于智能紡織品和可穿戴設(shè)備。

13、本發(fā)明的理論依據(jù)和設(shè)計主要基于纖維張力轉(zhuǎn)移理論、摩擦紡紗技術(shù)以及介電傳感原理。發(fā)明利用纖維張力轉(zhuǎn)移理論，通過在摩擦紡紗過程中對導電長絲施加周期性的諧波遷移，實現(xiàn)導電長絲與短纖維的層間縫合互嵌式復合結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)筑出具有非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的紗線。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計旨在提高紗線的機械穩(wěn)定性和耐磨性，同時通過調(diào)控長絲的空間分布，實現(xiàn)紗線在一維方向上的差異化介電傳感性能，為智能可穿戴設(shè)備提供了一種高耐久性、高靈敏度的壓力傳感解決方案。此外，還涉及對紗線結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系進行深入研究，包括非均質(zhì)結(jié)構(gòu)對紗線耐久性和傳感性能的影響，以揭示多級結(jié)構(gòu)纖維集體應(yīng)力傳遞機制與失效規(guī)律。

14、這些內(nèi)容共同構(gòu)成了本發(fā)明的核心，旨在通過非均質(zhì)紗線結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，提高紗線的機械穩(wěn)定性和介電傳感性能，為智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展提供新的思路和技術(shù)支持。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下幾個有益效果：

16、1)本發(fā)明通過在摩擦紡紗過程中施加周期性的諧波遷移，使得導電長絲與短纖維形成層間縫合互嵌式結(jié)構(gòu)，顯著提高了紗線的機械穩(wěn)定性和耐磨性，解決了傳統(tǒng)傳感紗線在反復變形下性能易受損的問題。

17、2)本發(fā)明利用非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了紗線在一維方向上的多位點差異化傳感，通過調(diào)控導電長絲的分布，優(yōu)化了紗線的介電傳感性能，提高了傳感器的靈敏度和響應(yīng)時間，為智能可穿戴設(shè)備提供了更為精確和高效的傳感能力。

18、3)本發(fā)明的非均質(zhì)紗線在保持高耐久性和傳感性能的同時，還具有較好的柔軟性和熱濕舒適性，適合直接與皮膚接觸，滿足了智能可穿戴設(shè)備在實際應(yīng)用中對舒適性和功能性的雙重需求。