專利名稱：絲或纖維的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種絲或纖維，尤其是用于織物或衣服、其目標是使織物或衣服的一個或者多個特性發(fā)生改變的絲或纖維。
已知有大量的改變纖維或絲尺寸的方法。用占原始尺寸的分數(shù)表示的纖維尺寸的改變稱為應變。已知可以利用激勵器來改變纖維的尺寸。但是，大多數(shù)已知材料顯示極其有限的應變，就是說，當受到刺激時，只能發(fā)生有限的位移或形狀改變。例如壓力材料的應變小于1％，形狀記憶合金的應變小于8％，鐵電聚合物的應變小于5％。
已知有些材料具有大得多的應變，例如離子聚合物凝膠和介電彈性體。但是，這些材料的缺點在于要么需要通常為液體的離子導體，要么需要達到102伏/微米級的極高電場。具有大的、線性應變的材料是很少的。
本發(fā)明的目的在于提供一種絲或者纖維，所述絲或纖維的尺寸響應于激勵器可發(fā)生可控和可逆的改變。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種絲或者纖維，所述絲或纖維可以發(fā)生相當大的應變。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種絲或纖維，包括液晶彈性體，和能夠激勵所述絲或纖維從而導致其尺寸發(fā)生改變的激勵器。
優(yōu)選地，絲或纖維的激勵導致其軸向或線性尺寸發(fā)生改變。表達為占原始線性尺寸的比的線性尺寸的改變稱為線性應變。
液晶彈性體包括功能性的長鏈彈性體、多個介晶(mesogenic)側(cè)鏈和交聯(lián)劑。
形成介晶側(cè)鏈的介晶是液晶活性基團。
交聯(lián)劑將長鏈彈性體連接起來，也是可以是液晶活性的。
已知液晶具有將各向同性相與液晶相分離的各向同性相邊界。
由于液晶彈性體的性質(zhì)，尤其是液晶的有序結(jié)合，以及長鏈彈性體的構(gòu)象，當液晶從液相經(jīng)過各向同性相邊界時，彈性體鏈的長度會下降。
該過程是可逆的，因此從各向同性相至液晶相時，材料會再膨脹。
已知當液晶從各向同性相至液晶相時其膨脹可達300％。
有利的是，至少部分介晶側(cè)鏈是對齊的。對于大的單軸收縮和膨脹，要求幾乎所有的介晶側(cè)鏈對齊。這樣，由相變導致的改變在整個彈性體上是單向的，從而可以將局部應變相加以產(chǎn)生大的總應變。對齊的液晶彈性體稱為液態(tài)單晶彈性體(LSCE)。
液晶各向同性相轉(zhuǎn)變通常通過溫度誘導產(chǎn)生，可以根據(jù)介晶側(cè)鏈的類型、交聯(lián)劑的類型、以及這兩種化合物的濃度比例來調(diào)整溫度值。允許較大范圍的轉(zhuǎn)變溫度，從室溫或更低最高至大于100℃的溫度。
例如，當用4’-甲氧基苯-4-(1-丁烯氧基)苯甲酸作介晶側(cè)鏈時，將丁烯氧基團替換為乙烯氧基時，向列型(或近晶型)到各向同性相的轉(zhuǎn)變溫度下降可超過25℃。相似地，用己烯氧基替代丁烯氧基時，轉(zhuǎn)變溫度升高約25℃。另外，增加該例中每單元主鏈長度的介晶側(cè)鏈數(shù)目通常也使向列型(或近晶型)到各向同性相的轉(zhuǎn)變溫度升高。
有利的是，激勵器包含一個沿絲或纖維軸向延伸的電極。
優(yōu)選的是，電極為彈性的。這樣，當激勵時，電極可以隨著纖維的膨脹而膨脹，收縮而收縮。
彈性電極可為例如波狀的。
有利的是，電極包括鉻-金。
鉻-金薄膜的厚度為5-100納米，通過電子束蒸發(fā)可以沉積在纖維或絲上，以便形成一個順從電極。該電極一直保持其導電性直到應變超過20％。這樣的薄膜可以均勻地涂覆于絲或纖維上。
優(yōu)選的是，電極包括至少部分沿絲或纖維長度延伸的螺旋狀絲。
電極可以基本上沿著絲或纖維的外表面延伸。另外，電極也可以在絲或纖維內(nèi)部延伸。當電極在絲或纖維內(nèi)部延伸時，其可以與纖維或絲的軸基本同軸延伸。
便利的是，激勵器包括導電材料。這些導電材料可以是例如碳纖維或者導電聚合物。
可以采用下文中描述的激勵器類型，從而在纖維或絲中產(chǎn)生歐姆熱。在這種絲或纖維中，液晶彈性體的各向同性相變是由溫度誘導的。
液晶彈性體可包含含有聚甲基氫硅氧烷的彈性體主鏈，包含4-丁-3-烯氧基苯甲酸-4-甲氧基苯酯的介晶側(cè)鏈，和包括例如基于1-(4-羥基-4’-聯(lián)苯)-2-[4-(10-十一烯氧基)苯基]丁烷的聚醚的交聯(lián)劑，所述聚醚具有向列型特性。
有利的是，激勵器包含第一和第二電極，兩電極彼此分開。這樣的電極布置可以用于在纖維兩端施加電場，從而使纖維為可以電尋址的。在這種絲或纖維中，液晶彈性體通過施加電場而使液晶相的狀態(tài)(例如近晶型)發(fā)生改變。為此，介晶需帶有手性原子，例如(2S)-2-甲基丁基4-(4’-羥基苯甲羧基)苯甲酸酯。
便利的是，兩個電極均基本上沿絲或纖維的外表面延伸。
或者，第一電極基本沿著絲或纖維的外表面延伸，第二電極在絲或纖維內(nèi)部延伸。在另一實施例中，第一和第二電極均可用于在絲或纖維內(nèi)部延伸。
或者，第一和第二電極都包括指狀電極。這種布置可用于在纖維的長度方向誘導電場。
優(yōu)選的是，第一和第二電極都是有彈性的。有利的是，第一電極和第二電極中的至少一個為波狀的。便利的是，第一和第二電極中的至少一個電極包括鉻-金。第一和第二電極中的一個或兩個可以由厚度為5-100納米的鉻-金薄膜構(gòu)成。在應變超過20％時，所述電極可以保持其導電性。這樣的薄膜可以均勻涂覆于絲或纖維上。
優(yōu)選的是，液晶彈性體包含一種鐵電液晶體彈性體，尤其是液態(tài)單晶彈性體。
在這樣的材料中，相轉(zhuǎn)變和材料的激勵都是由電場誘發(fā)的。
應用鐵電液晶彈性體，優(yōu)選鐵電型液態(tài)單晶彈性體可產(chǎn)生非常巨大的橫向電收縮。
可通過施加1伏/微米級的電場來誘發(fā)這種液晶彈性體發(fā)生相轉(zhuǎn)變。
便利的是，激勵器中包括結(jié)合至介晶側(cè)鏈中的偶氮基團。
將偶氮基團結(jié)合至介晶側(cè)鏈中使得能夠采用輻射誘導反式至順式的光致異構(gòu)化反應，在該反應中，順式異構(gòu)體具有扭結(jié)的非介晶形狀。這意味著對絲或纖維進行輻射可以導致絲或纖維的膨脹。當用另一波長的光進行照射時，絲或纖維出現(xiàn)舒張或收縮。
這樣的纖維由液晶彈性體構(gòu)成，其中通過結(jié)合光敏性介晶側(cè)鏈基團，例如[4-(4-丁烯氧基)-4’-甲氧基]偶氮苯，和/或光敏性介晶交聯(lián)劑，例如二-[4-(11-十一烯氧基)]偶氮苯，通過輻射誘導各向同性相變。
參考以下附圖，通過舉例的方式對本發(fā)明進行詳細描述，附圖包括；

圖1是形成本發(fā)明纖維或絲的一部分的液晶彈性體的基本結(jié)構(gòu)；圖2的圖形顯示了本發(fā)明的絲或纖維的應變，所述應變作為歸一化溫度T/TN-I的函數(shù)，其中TN-I是指液晶向列型至各向同性相的轉(zhuǎn)變溫度；圖3a-3h的示意圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的由液晶彈性體構(gòu)成的絲或纖維，其中通過溫度誘導產(chǎn)生各向同性相變；圖4a，4b和4c的示意圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，其中絲或纖維由液晶彈性體構(gòu)成，其中通過施加電場誘導產(chǎn)生各向同性相變；圖5的示意圖顯示了本發(fā)明的第三實施例，其中絲或纖維由含有偶氮基團的液晶彈性體構(gòu)成，其中應變由輻射誘導產(chǎn)生；圖6的示意圖為由根據(jù)本發(fā)明的絲或纖維構(gòu)成的可變導電織物；圖7的示意圖顯示了一件外衣，衣袖的袖口中結(jié)合有圖6所述的織物；圖8是圖7所示外衣袖口阻力的示意圖，所述阻力為形成外衣的織物中誘導產(chǎn)生的應變的函數(shù)；圖9的校正曲線與圖7所示外衣袖口施加至穿衣者的力相關；圖10a-10d顯示了在不同應變(即袖口的不同阻力)下測量的隨時間變化的阻力。
參考圖1，適合形成本發(fā)明纖維或絲的液晶彈性體(LCE)的基本結(jié)構(gòu)通常用附圖標記2表示。LCE包括功能性的長鏈彈性體4，如PDMS，介晶側(cè)鏈6和交聯(lián)劑8。介晶是液晶活性基團，交聯(lián)劑將長鏈彈性體4和第二長鏈彈性體4交聯(lián)起來。
現(xiàn)在參見圖2，其顯示了用歸一化至低溫下長度的纖維長度表示的應變，其作為歸一化溫度T/TN-I的函數(shù)，其中TN-I是指液晶向向列型轉(zhuǎn)變的溫度。
根據(jù)液晶材料不同，液晶相可以是向列型，近晶型的或者膽甾型的。
從圖2可以看出，溫度升高誘發(fā)應變。溫度低于TN-I時，纖維長度發(fā)生改變，在溫度為T/TN-I＝1時，改變最為明顯。
現(xiàn)在參見圖3，顯示了根據(jù)本發(fā)明的纖維或絲的第三實施例。圖3a-3h中所示的每個纖維或絲都被構(gòu)造成導致纖維10產(chǎn)熱。纖維10包含液晶彈性體12和激勵器，所述液晶彈性體使纖維或絲的尺寸發(fā)生改變。
在圖3a中，激勵器的形式是波狀電極14。因為電極是波狀的，所以隨纖維的長度在加熱時增加，電極可以軸向拉伸。電極可以部分或全部地沿纖維10的長度延伸。
在圖3b中，激勵器的形式是電極16，為了使電極能夠隨著纖維10的伸縮而伸縮，該電極材料是柔性的或者有彈性的。
在圖3c中，激勵器的形式是電極18，該電極材料也是柔性的或者有彈性的，在纖維內(nèi)部延伸。
電極14，16，18可以由任何適合的材料，如鉻-金合金構(gòu)成。
參見圖3d，纖維10被顯示為結(jié)合有導電物質(zhì)20，所述導電物質(zhì)為例如碳纖維或?qū)щ娋酆衔铩?br> 在圖3e中，激勵器的形式是螺旋狀絲，其可以部分或全部地沿纖維10的長度延伸。
圖3f和3g顯示了與一個或多個導電線24交織在一起的根據(jù)本發(fā)明的纖維。所述導電線可以是金屬、有機導電材料等。纖維的熱效應可以通過導電線纖維24產(chǎn)生。
在圖3h中，纖維10被顯示為具有在纖維10內(nèi)部延伸的螺旋狀導電電極26。
圖3a-3h所示的每個設置通過作為不同形式電極的激勵器使纖維產(chǎn)生歐姆熱。
參見圖4a和4b，顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的纖維28。
在圖4a中，纖維28包含分離的頂部和底部柔性電極30。
在圖4b中，纖維28包含兩組指狀電極32和34。
圖4a所示的實施例也可以和圖3a，3b或3c所示的實施例相結(jié)合。
圖4a所示的實施例產(chǎn)生垂直于纖維長度的電場。這表示，施加電場時，所述纖維變寬，導致其長度減少。
在圖4b顯示的設置中，用電極32和34限定的電極布置在垂直于纖維長度的方向上產(chǎn)生的電場，電場的方向如箭頭36所示輪流交替，這表示施加電場時纖維28將變長，從而相應地導致纖維寬度降低。
現(xiàn)參見圖5，根據(jù)本發(fā)明另一實施例的纖維用附圖標記38表示。纖維38包含位于液晶彈性體內(nèi)的偶氮基團。所述纖維可以暴露于輻射40中，該輻射導致纖維中的應變。
引起順反構(gòu)象變化的典型波長為365nm，然而通過典型為465nm的UV輻射可以逆轉(zhuǎn)該過程。為了完成光異構(gòu)化反應，根據(jù)所使用的材料，輻射時間可從數(shù)秒鐘到數(shù)分鐘。
現(xiàn)參見圖6，許多根據(jù)本發(fā)明的絲或纖維構(gòu)成的可變導電織物用附圖標記42表示?？椢?2由傳統(tǒng)紗線和導電纖維46構(gòu)成，其中至少某些紗線由彈性材料44構(gòu)成。
由彈性材料構(gòu)成的纖維至少部分包括根據(jù)本發(fā)明的纖維。響應于上述刺激中的一個，如溫度、電場、輻射、電流，所述纖維會變長和縮短。從而導致織物電導性的改變。
織物的熱絕緣性依賴于其各種性質(zhì)，其中一種就是夾帶在織物結(jié)構(gòu)中的空氣量?？椢锟捎上嗷クB加和相互連接的層構(gòu)成。另外，織物也可以由具有開放經(jīng)向結(jié)構(gòu)的經(jīng)向交聯(lián)器構(gòu)成。進一步地，織物可以具有三維正交織造結(jié)構(gòu)。
三維正交織造結(jié)構(gòu)典型地包括第一、第二和第三纖維，它們彼此相互正交。垂直于經(jīng)向和緯向的纖維由根據(jù)本發(fā)明的液晶彈性體構(gòu)成。形成所述第三纖維的液晶彈性體的長度由溫度決定。高溫將導致所述第三纖維收縮。其導致織造結(jié)構(gòu)中的各層相互推擠。其結(jié)果導致織物中夾帶的空氣量減少，這意味著織物的熱絕緣性降低。當溫度下降時，所述第三纖維的長度將增加，導致疊加的各層膨脹。其使得織造結(jié)構(gòu)中夾帶有更多的空氣，從而導致熱絕緣性增加。
采用不同的液晶彈性體以形成第三纖維可以產(chǎn)生通過不同刺激引發(fā)的織物。
這種類型的織物可以用于許多不同的方面。例如所述織物可用于制作胸罩，這種胸罩的支撐度是可變的。如在猛烈體力活動時，希望的是胸罩提供最大支撐。這可以通過將本發(fā)明的纖維結(jié)合至用于形成胸罩的織物中來實現(xiàn)。纖維的膨脹會引起胸罩的緊密配合降低，而減弱了對乳房的支撐作用。另一方面，纖維的收縮會加強乳房支撐作用。
衣服上的褶皺在決定衣服的外觀特征方面有著重要作用。衣服的褶皺受到很多不同參數(shù)的影響，所述參數(shù)與用于制作衣服的纖維和紗線的機械和物理性質(zhì)有關。另外，褶皺受到紗線排列的影響，即紗線是針織和/或織造和/或編織等，而且還受到穿衣服的人和衣服之間相互作用的影響。
通過形成部分或全部由本發(fā)明所述纖維或絲構(gòu)成的衣服，形成所述衣服的纖維的可逆性膨脹和收縮將導致褶皺發(fā)生改變，其對于例如美觀原因來說是所希望的。
部分或全部地用本發(fā)明所述纖維或絲制作的布料，還可用于形成血壓測量器件。
眾所周知，測量人體血壓時，需要向戴在待測血壓者手臂上的袖囊里打氣，從而靠近血管。
測量血壓的時候，測量人的心跳。在可以檢測到形成完整心跳的兩次跳動處的壓力對應于收縮壓。在僅僅可以檢測到一次跳動處的壓力對應于舒張壓。
測量可以是自動的，從而不需要專業(yè)的醫(yī)生，人們可以在家自己測量血壓。但是，已知的器件體積相對較大，而且血壓計的袖囊必須精確地縛在手臂上。
通過應用由本發(fā)明所述纖維或絲制作的布料，可以制作成織物血壓測量器件以測量血壓。
參考圖7-10，根據(jù)本發(fā)明實施例的衣服通常用附圖標記60表示。衣服的形式可以為襯衫或夾克或其他類似的衣物，其包含由根據(jù)本發(fā)明的絲或纖維制作的袖口62，因此具有可變的電絕緣性。這表示，袖口62的阻力隨著其應變的變化而變化。
圖8的圖形表示對于兩種不同液晶彈性體而言袖口62的阻力和袖口的應變之間的關系。虛線I表示阻力和應變之間的關系，其中隨著應變的增加，阻力減少。實線II表示阻力和應變之間的關系，其中隨著應變的增加，阻力增加。
形成袖口62的材料中的應變由上述的外部刺激誘導產(chǎn)生，最優(yōu)選的是通過施加電流或電場誘導產(chǎn)生。
選擇形成袖口62的纖維的液晶彈性體，以便袖口62中誘導產(chǎn)生的應變導致袖口收縮。袖口的收縮與收縮力F有關，所述收縮力反過來對應于特定的壓力P。P等于F除以袖口表面積A。其意味著P＝F/A。
袖口首先收縮至沒有測量到阻力變化的程度。在這一階段，袖口的壓力大于收縮壓，如圖10a所示。在隨后袖口放松的幾個階段，在一段時間內(nèi)應變保持恒定，袖口的阻力測量為時間的函數(shù)。當袖口的壓力小于收縮壓時，心臟的脈動使袖口周期性膨脹和收縮，根據(jù)附圖8所示的應變-阻力函數(shù)關系，引起阻力下降或者升高。
在圖8中實線II為假定的上升函數(shù)，心臟脈動使袖口出現(xiàn)暫時性的膨脹，將引起阻力的下降，這是因為袖口的膨脹意味著應變的下降。
在圖8所示的阻力R2和應變S2處，測到阻力的第一次波動，見圖10b。在該點處，袖口的壓力等于收縮壓(Ps)。重復時間Δt產(chǎn)生的心跳頻率f＝60×Δt-1。根據(jù)校正曲線的對應力為F2，因此在阻力R2處，袖口的壓力為F2/A＝PS。
當應變進一步下降時，袖口進一步放松，在阻力R1和應變S1處，測到的阻力信號達到最大，見圖10c。對應的壓力F1/A為平均血壓。
當應變進一步下降時，在阻力R0處，信號消失，見圖10d。其意味著，此時袖口壓力F0/A等于舒張壓(Pd)。
衣服60進一步包括電子控制單元(未示出)，所述單元可以尋址到形成纖維的液晶彈性體，所述纖維形成袖口62，并且所述單元可以測到依賴于時間的袖口阻力。進一步地，控制單元可以通過應用預定的校正曲線從依賴于測量時間的阻力計算出壓力。最后，控制單元可以從心跳頻率計算出時間長度。
權利要求
1.一種絲或纖維(10)，其包含液晶彈性體(2)以及激勵器，所述激勵器能夠激勵絲或絲，從而導致絲或纖維的尺寸發(fā)生改變。
2.根據(jù)權利要求1所述的絲或纖維，其中液晶彈性體包含功能性長鏈彈性體(4)、多個介晶側(cè)鏈(6)和交聯(lián)劑(8)。
3.根據(jù)權利要求2所述的絲或纖維，其中至少部分介晶的側(cè)鏈對齊。
4.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的絲或纖維，其中激勵器包含一個沿纖維或絲軸向延伸的電極(14)。
5.根據(jù)權利要求4所述的絲或纖維，其中電極(16)是彈性的。
6.根據(jù)權利要求5所述的絲或纖維，其中電極(14)是波狀的。
7.根據(jù)權利要求1-4中任意一項所述的絲或纖維，其中電極包含螺旋狀絲(22)，其至少部分沿絲或纖維的長度延伸。
8.根據(jù)權利要求4-7中任意一項所述的絲或纖維，其中電極是鉻-金電極。
9.根據(jù)權利要求4-8中任意一項所述的絲或纖維，其中電極基本上沿絲或纖維外表面延伸。
10.根據(jù)權利要求4-8中任意一項所述的絲或纖維，其中電極在絲或纖維內(nèi)部延伸。
11.根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的絲或纖維，其中激勵器包含第一(30)和第二(30)電極，兩電極彼此相互分離。
12.根據(jù)權利要求11所述的絲或纖維，其中第一和第二電極均基本沿絲或纖維外表面延伸。
13.根據(jù)權利要求11所述的絲或纖維，其中第一電極基本沿絲或纖維外表面延伸，第二電極在絲或纖維內(nèi)部延伸。
14.根據(jù)權利要求11、12或13所述的絲或纖維，其中第一和第二電極各包含指狀電極(32、34)。
15.根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的絲或纖維，其中激勵器包含導電物質(zhì)。
16.根據(jù)權利要求15所述的絲或纖維，其中導電物質(zhì)包含碳纖維。
17.根據(jù)權利要求15所述的絲或纖維，其中導電物質(zhì)為導電聚合物。
18.根據(jù)權利要求1或2所述的絲或纖維，其中液晶彈性體包含鐵電液晶體。
19.根據(jù)權利要求2中及其任一從屬權利要求所述的絲或纖維，其中激勵器包含結(jié)合有偶氮基團的介晶側(cè)鏈。
20.一種織物(42)，含有許多液晶彈性體的彈性體纖維和許多與所述彈性體纖維交織在一起的導電線。
21.一種織物，其由許多權利要求1-19中任意一項所述的絲或纖維制成。
22.一種衣服，其由權利要求20或21中所述的織物制成。
23.一種血壓測定器件，其由權利要求20或21中所述的織物制成。
24.一種熱絕緣控制裝置，其由權利要求20或21中所述的織物制成。
全文摘要
一種絲或纖維，包含液晶彈性體和激勵器，所述激勵器能夠激勵絲或纖維，從而導致絲或纖維的尺寸發(fā)生改變。
文檔編號D01F1/10GK1954102SQ200580015299
公開日2007年4月25日 申請日期2005年5月18日 優(yōu)先權日2004年5月20日
發(fā)明者M·P·B·范布魯根, J·M·克蘭斯, J·M·J·登圖恩德, J·T·A·威爾德比克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司