导电纱线/缝纫线、智能织物及由其制成的服装
发明背景
发明领域
本发明涉及导电纱线和导电缝纫线以及由其制成的产品的领域，特别地涉及使用所述导电纱线/缝纫线制造智能织物和智能服装的领域。
背景技术
当前已经形成对智能织物和智能服装的需求，所述智能织物和智能服装通过使用在织物/服装制造中使用的导电纱线而具有导电能力，因此允许操作电传感器、检测器和/或计量装置来测量和跟踪穿着者健康的各个方面。此类智能织物和服装特别适用于军事和运动应用。在军事用途中，此类智能织物用于追踪穿着者的生物识别读数，以及用于战区作战中个人的卫星跟踪。
不幸的是，先前为提供这种导电纱线做出的努力取得的成果有限。当预期使用导电纱线作为缝纫线时更是如此。由于其使用性质，缝纫线必须能够承受在常规缝制操作期间发生的许多重复弯曲和冲击而对其所产生的应力。因此，它必须能够承受这些弯曲和应力而不会断裂。由于制造导电纱线的诸多尝试涉及使用金属线股作为纱线的一部分，而金属线股倾向于通过断裂而屈服于此类重复的弯曲和应力，所以导电缝纫线更加难以提供，因为导电金属线断裂导致导电性破坏。
导电缝纫线的另一个问题是需要能够在不造成电气短路的情况下将导电线缝制在其自身上。
仍然需要导电纱线，特别是导电缝纫线，除了用作纱线或缝纫线之外，还能承受使用时的弯曲和应力，特别是在缝制中的弯曲和应力，同时保持足够高的导电性以提供预期的导电益处。在这种情况下，缝纫线必须在缝制工艺中保持其完整性，并且当将导电线缝制在其自身上时不得导致电路短路。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种导电复合纱线，并且特别地提供一种使得能够在织物中产生导电图案的导电复合缝纫线。
本发明的另一个目的是提供一种使用本发明的导电复合纱线/缝纫线制成的智能织物。
本发明的另一个目的是提供一种使用本发明的智能织物制成的服装。
本发明的这些和其他目的已经单独地或组合地得到满足，方式为发现了包含以下的导电复合纱线/缝纫线：
a)芯，所述芯由至少一根40或更高规格的导电金属线股形成；
b)至少一个内包覆层，所述至少一个内包覆层沿第一方向以足以通过所述内包覆层基本上完全包覆所述芯的速率围绕所述芯缠绕；
c)至少一个外包覆层，所述至少一个外包覆层围绕所述至少一个内包覆层缠绕，其中所述外包覆层沿与所述外包覆层所直接缠绕的包覆层的方向相反的第二方向以足以基本上完全包覆所述外包覆层所直接缠绕的包覆层的速率缠绕；和
d)至少一种粘结剂；以及
e)任选的润滑剂；
以及所述导电复合纱线/缝纫线在生产其中具有导电线段、图案和/或网格的织物和服装中的用途。
具体实施方式
本发明涉及一种导电复合纱线，所述导电复合纱线包含：中心芯，所述中心芯具有一根或多根40或更高规格的导电金属线股；内包覆层，所述内包覆层由一根或多根合成或天然纤维线股组成，所述合成或天然纤维可任选地是高性能纤维；以及外包覆层，所述外包覆层由合成或天然纤维，诸如聚酯或尼龙线股组成；所述导电复合纱线用合适的粘结剂处理，并且任选地在外部施加合适的润滑剂。导电复合纱线特别适合用作缝纫线。
如本文所用的术语“纤维”是指用于组装纱线和织物的基本组分。一般来讲，纤维是长度尺寸远大于其直径或宽度的组分。该术语包括带、条、短纤维以及具有规则或不规则横截面的其他形式的短切纤维、切割纤维或不连续纤维等。“纤维”还包括上述任一种的多种或上述的组合。
如本文所用，术语“高性能纤维”是指合成或天然非玻璃纤维的等级，这些纤维具有大于10g/旦尼尔的高韧度值，使得它们适用于高耐磨性和/或高耐切割性很重要的应用。通常，高性能纤维在最终的纤维结构中具有非常高的分子取向度和结晶度。
如本文所用的术语“长丝”是指无限长或极长的纤维，诸如在天然蚕丝中发现的纤维。该术语还指通过挤出工艺等生产的人造纤维。构成纤维的各个长丝可具有多种横截面中的任一种，以包括圆形、锯齿形或细圆齿形、豆形或其他形状。
在本发明的上下文中，除非另有说明，否则术语“聚酯”和“尼龙”一般性地使用并且分别包括聚酯和尼龙族纤维的任何常规成员。尼龙优选为尼龙-6，6。聚酯优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯。
如本文所用的术语“纱线”是指由纺织纤维、长丝或适合于针织、编织、或以其他方式缠结以形成纺织物的形式的材料组成的连续线股。纱线可以体现为多种形式以包括：由通常通过加捻而结合在一起的短纤维组成的短纤纱；由许多连续长丝或线股组成的复丝纱线；或由单个线股组成的单丝纱线。
如本文所用的术语“空气交织(air%20interlacing)”是指使多个纱线线股经受空气喷射以组合这些线股，并由此形成单个间歇式交缠线股。这种处理有时称为“空气粘着(airtacking)”。该术语不用于指“交络(intermingling)”或“缠结(entangling)”工艺，这种工艺在本领域中是指一种对复丝纱线实施空气压紧以有助于它在(特别地)编织工艺中的进一步加工的方法。已经交络的纱线线股通常不与另一种纱线组合。相反，各个复丝线股在单个线股的范围内相互缠结。这种空气压紧用作纱线上浆的替代方法和提供改善的抗粘性能的措施。该术语也不是指为增加单纱或多纱线股的体积而进行的众所周知的空气变形(airtexturizing)。因此，复合纱线中的空气交织方法和合适的设备在美国专利6,349,531；6,341,483；和6,212,914中作出描述；所述专利的内容特此以引用方式并入。
术语“复合纱线”是指由可相同或不同的两根或更多根纱线制备的纱线。复合纱线可以体现为多种形式，其中所述两根或更多根纱线相对于彼此处于不同的取向。根据所需复合纱线的特性，所述两根或更多根纱线可以是平行的、一根围绕其他根缠绕的、加捻在一起的、或者以上任意或所有的组合、以及其他取向。此类复合纱线的实例提供于美国专利4,777,789；5,177,948；5,628,172；5,845,476；6,351,932；6,363,703和6,367,290中，所述专利的内容特此以引用方式并入。
在本发明的耐火复合纱线中，芯包含一根或多根金属导电线股。金属导电线股可以由任何导电金属制成，并且优选地由不锈钢或铜制成。优选地，为了提供足够的金属芯柔韧性，金属导电线股应为40或更高规格的金属，更优选为42或更高规格，最优选为44或更高规格。在一些优选的实施方案中，芯包含至少2根金属线股，所述线股最优选地用聚酰胺或聚氨酯护套彼此绝缘(具有这种聚合物护套的金属线股是可商购的)。对于高于150℃的应用，优选聚酰胺包覆的金属线股。当在芯中使用不锈钢丝时，不锈钢丝的直径优选为0.5-4密耳，更优选直径为1-2密耳，最优选直径为1.6密耳(0.0016英寸)。取决于预期用途，芯可任选地包含其他类型的纱线。在某些实施方案中，芯还包含玻璃纤维以改善耐切割性，或者可包含高性能纱线，诸如超高分子量聚烯烃(诸如SPECTRA或DYNEEMA)或芳族聚酰胺纱线。当包含玻璃纤维时，玻璃纤维可以具有任何重量/等级，包括但不限于下表1中的那些：
表1
芯可以具有任何所需的旦尼尔，这取决于所需的纱线/缝纫线的单位重量。优选地，芯具有50至1500，更优选200至900的旦尼尔。
内包覆纱线和外包覆纱线可以是任何类型的纱线，包括天然纤维与合成纤维，并且优选是合成纤维，包括但不限于聚酯、尼龙、人造丝、棉、丙烯酸类等。在某些实施方案中，可能希望内包覆纱线是高性能纱线或高韧度纱线。合适的高韧度纱线包括具有极低或不存在的伸长率的任何高韧度纱线，优选是选自由玻璃纤维、芳族聚酰胺和陶瓷纤维组成的组的至少一种，最优选是玻璃纤维。由于此内包覆层是螺旋形施加的，当受到在缝制操作中产生的弯曲应力时，该螺旋形构造将允许内包覆层在一定程度上伸长(即使在用于制备内包覆层的纱线本身几乎没有伸长特性的情况下)以防止损坏或破损，特别是在优选的玻璃纤维实施方案中。内包覆层以足以提供芯包覆的每英寸转数速率围绕芯缠绕，并且根据芯的旦尼尔和直径以及构成内包覆层的纱线的旦尼尔而变化。优选地，内包覆层的缠绕速率为4至15tpi，更优选为6至12tpi。内包覆纱线可具有任何所需的旦尼尔，这同样取决于最终产品纱线的所需尺寸。优选地，内包覆层具有50至1500，最优选100至1000的旦尼尔。
外包覆层可以由任何所需的纤维(包括天然纤维与合成纤维)制成，并且优选是合成纤维，包括但不限于聚酯或尼龙。与内包覆层一样，外包覆层可以具有任何所需的旦尼尔，这取决于所得纱线产品的最终尺寸，并且优选为50至1500旦尼尔，最优选为100至1000旦尼尔。然后以足以完全包覆内包覆层的速率缠绕外包覆层，速率优选为4至15tpi，更优选为6至12tpi，这同样取决于芯/内包覆层组合的复合旦尼尔和构成外包覆层的纱线的旦尼尔。外包覆层优选地保护芯和内包覆层。
在本发明的耐火实施方案中，可以使用美国专利7,111,445(其内容特此以引用方式整体并入本文)中描述的耐火缝纫线，并将本发明的金属线股加入到芯中。在此类优选实施方案中，如果缝制产品存在于火中，则内包覆层将保持完整并将织物部分保持在一起，即使芯可能熔化。
所得复合纱线可具有任何所需的复合旦尼尔，并且优选具有300至2000，更优选500至1500，最优选1000至1400的测量复合旦尼尔。虽然这是测量的复合旦尼尔，但所得纱线的尺寸与含有非金属的复合纱线的典型复合旦尼尔相当，为150至1000，更优选为350至750，最优选为500至600。测量的复合旦尼尔高得多的原因是芯中金属线股的密度较高(因此每单位体积的重量较高)。
一旦形成复合纱线，就对其进行精加工操作，其中施加至少一种粘结剂和任选的至少一种润滑剂。这些粘结剂和润滑剂可以以任何常规方式施加，所述方式包括但不限于喷涂在纤维上、通过湿润辊施加、或者将纱线浸入含有粘结剂或润滑剂的浴(或者是纯的或者作为合适的有机溶剂或水性溶剂的溶液)中。优选的润滑剂是添加了石蜡的硅氧烷。已经发现令人满意的附加润滑剂是RAYOLAN 1813、Boehme FILATEX或KL 400(Kelmar)。当复合纱线是复合缝纫线时，对复合纱线进行润滑以使得缝纫线在缝制操作期间反复滑动经过针眼时能够承受针的热量。
用至少一种合适的粘结剂处理复合纱线，所述粘结剂包括但不限于选自由以下组成的组的至少一种：聚氨酯、聚丙烯酸类、尼龙和其他常规纤维粘结组合物。可以将粘结剂施加至组装的芯、施加至内包覆层或施加至完全组装的复合纱线的外部。优选地，将粘结剂施加至完全组装的复合纱线的外部。一旦施加了粘结剂，允许粘结剂干燥或固化以提供纱线纤维的充分粘结。
本发明涵盖导电纱线/缝纫线的各种实施方案，包括但不限于：
-在芯中具有3根、4根或更多根金属线股以提供额外的高导电性水平的导电纱线/缝纫线；这些较高水平的金属线股通常必须与柔韧性要求相平衡，以便提供仍然可以被缝制、针织或织造的纱线/缝纫线；
-具有不同粘结剂的导电纱线，所述粘结剂诸如聚氨酯或聚酰胺，这取决于所寻求的特性；
-导电反射纱线/缝纫线，其中例如通过在纱线/缝纫线的表面中嵌入逆向反射珠(直径在微米或更小的范围内)来提供反射特性；
-导电发光纱线/缝纫线，其中光致发光纱线用作外包覆层的至少一部分；
-磁性纱线/缝纫线，其中芯内包括附加的磁性金属线股(诸如具有低导电性但具有高磁化特性的镍丝线股)；
-彩色编码导电纱线/缝纫线，其中芯中存在的各种金属线股各自涂有不同颜色的聚合物涂层以便于识别；以及
-抗微生物导电纱线/缝纫线，其中本发明的导电纱线/缝纫线通过用抗微生物组合物处理而具有抗微生物性，所述抗微生物组合物诸如美国专利7,939,686中所述的抗微生物组合物，所述专利的全部内容特此以引用方式整体并入。
出于说明的目的，下面列出了几个实施例：
实施例1
芯：两根44规格铜丝和一根1.6密耳不锈钢丝，每根丝都具有聚氨酯涂层
内包覆层：70旦尼尔聚酯(PET)
外包覆层：70旦尼尔聚酯(PET)
粘结剂：聚氨酯
实施例2
芯：两根44规格铜丝，每根铜丝都具有聚氨酯涂层
内包覆层：100旦尼尔聚酯(PET)
外包覆层：100旦尼尔聚酯(PET)
粘结剂：聚酰胺
实施例3
芯：两根40规格铜丝，每根铜丝都具有聚酰胺涂层
内包覆层：50旦尼尔聚酯(PET)
外包覆层：70旦尼尔尼龙(尼龙6，6)
粘结剂：聚氨酯
实施例4
芯：四根44规格铜丝，每根铜丝都具有聚氨酯涂层
内包覆层：70旦尼尔尼龙(尼龙6，6)
外包覆层：70旦尼尔聚酯(PET)
粘结剂：聚氨酯
实施例5
芯：两根44规格铜丝，每根铜丝都具有聚酰胺涂层，100旦尼尔SPECTRA
内包覆层：70旦尼尔聚酯(PET)
外包覆层：70旦尼尔聚酯(PET)
粘结剂：聚氨酯
实施例6
芯：两根44规格铜丝，每根铜丝都具有聚酰胺涂层，G-450玻璃纤维
内包覆层：70旦尼尔聚酯(PET)
外包覆层：70旦尼尔聚酯(PET)
粘结剂：聚氨酯
本发明的优选实施方案是导电复合缝纫线，所述导电复合缝纫线在芯中具有2根金属线股，优选地44规格铜丝。当使用标准的梭芯式缝纫机缝制这种导电缝纫线时，所得线迹提供4引线系统，因此能够提供电源引线、接地引线和2个信号引线。这种系统可用于将导电图案缝制到织物或服装中，以允许连接各种生物计量测量装置或其他电气装置
在本发明的另一个实施方案中，导电复合缝纫线具有由两根44规格铜丝和一根1.6密耳不锈钢丝形成的芯，该芯为缝纫线提供了额外的强度，使得缝纫线可以使用商业级缝纫机进行缝制，同时仍保持所需的导电特性。
本发明的导电缝纫线可用于将任何所需的织物或服装变成“智能织物”或“智能服装”。在本发明的上下文中，术语“智能织物”和“智能服装”意在表示导电图案或网格或至少导电线段已缝制到织物或服装中，从而允许电引线附着到导电线段/图案/网格上，并使得服装的使用能够用于此类服装常见的多种监测或跟踪目的。使用本发明制造的此类织物或服装的主要区别在于，使用标准缝纫机可以容易地将定制图案或网格施加至服装，而不用担心纱线自身交叉并导致短路或其他电气故障发生。
虽然已经在此处和上文详细地描述了某些优选实施方案，但显然可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种改变。例如，如在此处和上文陈述的，导电复合纱线/缝纫线可在芯中包括多根线股、在内包覆层中包括多根线股并且/或者在外包覆层中包括多根线股。
