纤维或丝状体的制作方法

专利名称：纤维或丝状体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纤维或丝状体，尤其是适于在织物或服装内用于产生光学可检测的效果的纤维或丝状体。
已知很多制造色彩变化或发光纤维的方法。
一个已知的方法是使用被穿孔的光学纤维从而当在纤维一端给光时光通过穿孔“泄漏”出来。该方法的一个缺陷在于需要外光源如LED。
另一个已知的方法也是利用一种特定的热变色材料，也就是在温度变化的影响下改变色彩的材料。欧洲专利EP0410415公开了这样的方法。在很多实践中没有直接使用电激励是一个缺陷，并且周围的温度变化也影响了效果。
又一个已知的方法基于对在电场的影响下发光的电发光体的使用。在英国专利申请GB2273606和国际专利申请WO97/15939中描述了这类方法。这类方法在一个纤维中结合至少两个电极以制造电场。
尽管可能对使用该方法的纤维色彩进行有效控制，但必须对纤维施加高电压来获得色彩变化。此外，这种方法制造的纤维在日光下对比度差，因为电荧发光的效果是发射光线。
本发明尤其涉及可穿戴的电子学领域。该领域旨在将特殊功能如传感，致动，发光以及色彩变化与服装融为一体。优选能够将色彩变化特性融入纺织品以制造服装，家俱等。这种技术可以用来制造可穿戴的显示器，可穿戴的指示器，并且也可出于美学的原因轻易造成色彩或图案的改变。
已知可通过将导电的纤维和包含电光材料的纤维交织的方法来制造可穿戴的显示器。这样的显示器的问题之一在于发光效应没有融入单纤维。这就意味着服装或其它由该纤维构成的产品的整体效果不一致。此外必须使用两套包含导电成分的交织纤维或置于织品结构上的额外导电层。
本发明的一个目的在于提供一种纤维或丝状体，其中单纤维或细丝中包含色彩变化功能，并且该色彩变化可被有效控制。
本发明的另一个目的在于在施加的低电压下实现色彩变化，并且取得较好的色对比度。
本发明的又一个目的在于通过本发明的纤维或丝状体制造织品，该织品可用来形成例如服装或家俱。
根据本发明的第一个方面，提供一种丝状体或纤维，包括一种体积调节色彩产生物质；以拉长芯形式保存物质的保存装置，该装置至少部分透光，以及激励物质以产生组分体积变化的激励装置，从而改变纤维的颜色。
因此，通过本发明，可以真正实现纤维或丝状体的色彩变化或发光的融合，因为色彩变化的功能被融入单纤维，单个丝状体或线中。
此外，本发明的纤维或丝状体的色彩变化可被有效控制，并且比以上提到的已知方法必需的电压小。典型地，根据本发明，在纤维或丝状体中大约10mV的电压就可实现色彩变化。
此外，由于使用了体积调节色彩产生物质，通过反射原理就可实现色彩变化。这就意味着在日光下可实现较好的色对比度。
该物质可包括任何已知的体积调节色彩产生物质，例如US6,287,485描述的类型。
这样的光调节材料模拟自然界中色素细胞的行为。头足类动物例如鱿鱼和章鱼具有迅速改变皮肤颜色和图案的能力。这都归功于它们皮肤内存在的色素细胞。这一类型色素细胞包括一个内含着色剂的弹性色素袋和多个肌肉纤维。变色的机制基于着色剂的扩散和聚集，从而在肌肉的运动下导致色素袋大小的可逆变化。当色素袋膨胀时，色彩出现，并且当色素袋收缩时色彩褪去。
在自然色素细胞原理的基础上，设计出模拟其色彩变化机制的材料(参见R.Akashi，H.Tsutsui，A.Komura聚合物凝胶模拟色素细胞的发光调节，Adv.Mater.2002，Vol.14，No.24，pp.1808-1811)。
这些材料是包含高浓度着色剂如色素的激励-反应凝胶。它们根据外界激励例如温度、pH、光或电场的变化产生相应的容积相的可逆转变。
温度诱发的改变中观察到容积变化超过350倍，同时由于施加低到1V/cm的电场在一定凝胶体中测量到高达100倍的体积变化。
光调节机制归因于可逆的色彩变化，也就是说，光调节是由光吸收区域的变化和凝胶体中着色剂的吸收效率之间的协同作用造成的。
体积调节色彩产生物质可能为例如液体，凝胶，或其它包含体积调节色彩产生材料的组合物。
该物质优选包括浸入聚合物凝胶颗粒的液体溶液。该聚合物凝胶颗粒包括人工色素细胞，并且优选直径为5～100μm的颗粒。
优选色素细胞在液体溶液中的浓度为5～40wt％，凝胶固体的含量特定地为1～10wt％。
受到激励装置激励后，凝胶颗粒膨胀，主要吸收液体溶液中它周围的液体。这就意味着物质的总体积仍然不变，只有凝胶颗粒吸收的体积在增大。
激励装置适宜地包括加热装置以加热物质，该物质包括一个体积调节着色剂，其体积随着温度而变化。加热装置可能以例如一个大致轴向延伸穿过拉长芯的内电极的形式存在。
优选内电极与保存装置隔开几十μm至几百μm的距离，例如100μm。
优选丝状体或纤维还包括使电流流过加热装置从而在丝状体或纤维内造成热效应而造成物质体积改变因而改变色彩的装置。
可选地，激励装置包括电装置以给物质施加电场，该物质包括一个体积调节着色剂，其体积随着电场改变。
电装置可包括例如一对沿拉长芯外表面延伸的电极。丝状体或纤维还包括一个至少部分包裹电极的至少部分透光的隔离层。
优选电极被缠绕并且每个电极大致螺旋状沿内芯延伸。
可选地，电装置可包括一个大致轴向延伸穿过芯的内电极，和一个形成保存装置的外电极，丝状体或纤维还包括一个至少部分包裹第二电极的透光的隔离层。
在该实施例中，第二电极有效地形成了丝状体或纤维的外壳，并且优选由导电的聚合体例如多(乙烯二氧噻吩)(PEDOT)或多苯胺(PANI)形成。
优选纤维或丝状体还包括间隔装置以将纤维保持在预定形态。取决于体积调节着色剂产生物质的性质，可优选在丝状体或纤维中包括间隔件，尤其当该物质为液态因此不具有自我支撑外形时。
该间隔装置优选由不导电材料形成并且可以例如为拉长线或大致球形的。
本发明的实施例中包括一个大致轴向沿芯延伸的内电极，间隔装置可限定内电极和外壳之间的距离。本发明的实施例包括一个外电极，间隔装置在内电极和外电极之间延伸。
优选间隔装置包括一个或多个沿内电极大致螺旋延伸的线。
优选一条或多条线的直径在数十μm至数百μm之间，例如100μm。一条或多条线的直径将确定物质形成的色彩变化层的厚度。
可选地，间隔装置包括多个置于物质中或内电极上的大致球形的间隔件。优选间隔件直径在数十μm至数百μm之间，例如100μm。
本发明的间隔装置特别优选包括一个内电极和一个外电极。间隔装置防止纤维或丝状体自身折叠，从而防止了内电极和外电极彼此接触。
优选保存装置包括一个外壳，优选至少部分透明。但是外壳可选为不透明的。
外壳适合由弹性聚合体形成。优选保存装置包括一个由挤塑的聚合体形成的充分拉长件。优选拉长件包括一个大致内圆柱形空心部件，以及一个大致与第一部件共轴的大致外圆柱形部件。
适宜地，第一部件内部限定一个内电极套。内外部件之间限定了一个间隙，该间隙适合容纳物质。
优选拉长件还包括一个或多个从内部件向外部件延伸并限定了多个孔隙的径向部分，每个部分都容纳物质。
径向部分可充分坚硬，从而防止物质在孔隙间的移动。在该实施例中，每个孔隙之间的物质可选择为在激励下产生不同颜色。
可选地，径向部分可以允许一个或多个孔隙间相通。
优选拉长件还包括一个形成被置于内电极套内的内电极并与拉长件共挤塑的导电芯。
根据本发明的第二个方面，提供了一种形成纤维或丝状体的方法，包括以下步骤形成一个保存装置以保存一个拉长芯形状的体积调节色彩产生物质；将保存装置与激励装置联系以激励体积调节色彩产生物质；以及将体积调节色彩产生物质添加至保存装置限定的孔隙中；以及密封保存装置。
优选形成保存装置的步骤和将保存装置与激励装置联系的步骤被合并为一个步骤，该步骤包括将中央拉长芯形状的导电材料和围绕导电拉长芯的一个第一空心拉长件形状的非导电材料共挤塑，以及将一个第二共轴空心拉长件与第一拉长件隔开，第一拉长件和第二拉长件由一个或多个从第一拉长件至第二拉长件延伸的径向延伸部件连接起来。
优选该方法包括在外拉长件的外表面覆盖一个透明导电层。优选该方法还包括在透明导电层的外表面再覆盖一个透明保护隔离涂层。
本发明将参照附图对实施例进行描述，其中

图1为根据本发明的第一个实施例的纤维的截面图；图2为图1中纤维的截面图；图3为根据本发明第二个实施例的纤维的示意图；图4为图3中纤维的截面图；图5为根据本发明第三个实施例的截面图；图6为图5中纤维的示意图；图7a和图7b为根据本发明第四个实施例的纤维的示意图；图8a和图8b为根据本发明的第五个实施例的纤维的示意图；图9为根据本发明第六个实施例的纤维的示意图。
参见图1和图2，根据本发明的纤维由附图标记2表示。纤维2包括形状为电极4沿纤维2的中心轴延伸的激励装置。
纤维2还包括一个体积调节色彩产生物质6，包含以人工色素细胞存在的体积调节着色剂。该物质在保存装置8内，后者为弹性聚合体形成的透明外壳。电极可由任何适宜的材料形成如铜。当电流通过电极4，电极由于自身电阻而发热。该热量促使物质6内温度升高，使溶液内浸泡的色素细胞(未示出)体积变化。这就导致了色彩变化。因为外壳8透明，沿纤维2的长度可见色彩变化。色素细胞包含在浸泡于液体溶液中的聚合物凝胶颗粒内。
典型地，凝胶颗粒的直径范围在5～100μm之间，物质2的径向厚度在数十μm至数百μm之间，典型地为约100μm。
现在来看图3和图4，本发明的第二个实施例由附图标记20表示。纤维20包括两个电极22，24，它们彼此缠绕并沿纤维20轴向延伸。每个电极22，24沿纤维20大致螺旋状延伸。纤维20还包括一个包裹在外壳28内含有色素细胞(未示出)的体积调节色彩产生物质26。通过在两个电极22和24之间施加电压差，就产生了一个电场从而激励色素细胞内的体积变化，导致色彩改变。在电极22，24外覆盖透明隔离涂层30。外壳28的直径在数十μm至数百μm之间，典型地为100μm。
现在来看图5和图6，本发明的第三个实施例由附图标记40表示。纤维40包括一个中心电极42，一个包含色素细胞(未示出)的体积调节色彩产生物质44围绕着它。第二电极46形为套管因而也作为保存装置。第二电极优选由透明导电材料如ITO(铟锡氧化物)制成。但是，该材料的弹性有限，因为它在相对小低应变(典型地2％)下就折断。为保持纤维的弹性，电极46可由导电聚合体例如PEDOT或者PANI形成。通过在两个电极42和46之间施加电压差，就产生了一个电场从而激励色素细胞内的体积变化，导致纤维40色彩改变。该纤维还包括一个透明隔离外壳48以封闭电极46。
在以上本发明的第一和第三个实施例中，可选择在中心电极(4；42)中加入色层。这样的实施例就使得色层可见的颜色状态和色素细胞体积增加引起的可见的色彩改变的第二个状态之间可互相转换。色层可自由选择，色素细胞内的色素颜色也可随意选择。但是，色素的颜色必须与色层相异。
现在来看图7a和图7b，本发明的第四个实施例由附图标记70表示。纤维70与纤维40(参见图5和6)相似，与图5和6中相应的部件用相同的附图标记表示以便于理解。
纤维70还包括间隔线72形状的间隔件。间隔线72确保了物质6体积的一定厚度。这是必要的，因为物质6具有液体特性因此没有固定形状。该实施例中的间隔件形为一条或多条线，缠绕在内电极42上。电极42和电极74之间的距离被间隔线72的直径所限。所述的实施例中，每个间隔线的直径在数十至数百μm之间，典型地为100μm。间隔线应为不导电的以防止内电极和外电极之间短路。
参照图8a和8b，本发明的第五个实施例由附图标记80表示。纤维80包括一个中心电极82，被一个体积调节色彩产生物质86，外电极84和外壳88围绕。纤维80还包括形为大致球形间隔件置于物质86中的间隔件90。每个间隔件90的直径约等于内电极82和外电极84之间的适宜距离。这也限定了物质86的厚度，典型地在数十至数百μm之间，例如100μm。间隔件90应为不导电的以防止内外电极之间短路。间隔件位于物质86内或直接置于内电极82上。
现在参照图9，本发明纤维的第六个实施例由附图标记100表示。纤维100通过共挤塑形成。在该挤压过程中至少使用两种材料一种导电材料形成内电极110，以及一种非导电材料形成外壳120。非导电材料可例如为聚合材料。
借助内部的大致圆柱形部分130，外壳120形为至少大致封闭中心电极110。外壳还包括彼此间隔沿中心部分130向与中心部分130大致共轴的大致外圆柱形部分150延伸的径向部分140。外壳120因此限定了沿纤维100长度延伸的孔隙160。这些孔隙可彼此隔离，或者物质能在孔隙间移动。
这样的几何结构可以通过使用现有的共挤塑技术通过吐丝管来实现。纤维100还包括一个例如由ITO或导电聚合体形成的透明导电层170以及透明保护隔离涂层180。层170和涂层180围绕在挤出外壳120外。孔隙160被体积调节色彩产生物质190例如毛细填充物充满。
尽管图9示出了具有三个孔隙部分160的纤维100，必须理解，其它几何结构和不同数量的孔隙也是可能的。外壳180为纤维100增加了强度和结构。
必须了解，其它带有例如图3所述的缠绕电极的中心电极和/或套管电极的组合，也是可能的，以便产生电场。
色素细胞内的色素可以变化以得到不同颜色。一件色彩变化的织物可以通过将具有不同色彩特性或不同色素并且各个类型独立控制的不同类型纤维交织而成。
权利要求
1.一种丝状体或纤维(2)，包括一种体积调节色彩产生物质(6)；以拉长芯形式保存物质的保存装置(8)，该保存装置至少部分透光；以及激励物质以产生物质体积变化的激励装置(4)，从而改变丝状体或纤维的颜色。
2.如权利要求1所述的丝状体或纤维，其中所述物质包括一种体积调节着色剂。
3.如权利要求2所述的丝状体或纤维，其中体积调节着色剂包括人工色素细胞。
4.如权利要求2或3所述的丝状体或纤维，其中体积调节着色剂包括聚合物凝胶颗粒，该颗粒浸泡在液体溶液中，聚合物凝胶颗粒和液体溶液一同形成所述物质。
5.如权利要求3所述的丝状体或纤维，其中聚合物凝胶颗粒的直径在5～100μm之间。
6.如权利要求4或5任一项所述的丝状体或纤维，其中聚合物凝胶颗粒的浓度在5～40wt％之间，并且凝胶固体含量在1～10wt％之间。
7.如任意一项前述权利要求所述的丝状体或纤维，其中保存装置(8)包括一个外壳。
8.如权利要求7所述的丝状体或纤维，其中外壳为透明的。
9.如权利要求7或8所述的丝状体或纤维，其中外壳由柔性聚合体形成。
10.如权利要求2～9中任一项所述的丝状体或纤维，其中激励装置包括加热装置以加热物质，并且体积调节着色剂的类型为体积随着温度变化而变化的类型。
11.如权利要求10所述的丝状体或纤维，其中加热装置包括一个穿过拉长芯大致轴向延伸的内电极(4)。
12.如权利要求10或11所述的丝状体或纤维，还包括促使电流通过加热装置的装置。
13.如权利要求11或12所述的丝状体或纤维，其中内电极(4)与保存装置隔开数十至数百μm的距离，典型地为100μm。
14.如权利要求2～9中任一项所述的丝状体或纤维，其中激励装置包括电装置(22，24)以对物质施加电场，并且体积调节着色剂的类型为体积随着电场的改变而改变的类型。
15.如权利要求14所述的丝状体或纤维，其中电装置包括一对沿拉长芯外表面延伸的外电极(22，24)，丝状体或纤维还包括一个至少部分包裹电极的至少部分透光的隔离涂层(28)。
16.如权利要求15所述的丝状体或纤维，其中外电极(22，24)缠绕，并且沿芯大致螺旋状延伸。
17.如权利要求14所述的丝状体或纤维，其中电装置包括一个沿芯大致轴向延伸的内电极(42)，以及保存装置，该保存装置包括一个外电极(46)，丝状体或纤维还包括一个透光隔离涂层(48)，至少部分包裹外电极。
18.如权利要求17所述的丝状体或纤维，其中外电极(46)包括一个导电聚合体。
19.如权利要求17或18所述的丝状体或纤维，其中外电极(46)为透明的。
20.如权利要求17～19中任一项所述的丝状体或纤维，其中外电极(46)为柔性的。
21.如权利要求15所述的丝状体或纤维，还包括一个穿过拉长芯轴向延伸的内电极。
22.如前述权利要求任一项所述的丝状体或纤维，还包括间隔装置。
23.如权利要求22所述的丝状体或纤维，其中间隔装置包括一个或多个穿过芯大致轴向延伸的间隔线(72)。
24.如权利要求22所述的丝状体或纤维，其中间隔装置包括多个大致球形的间隔件(90)。
25.如权利要求24所述的丝状体或纤维，其中大致球形的间隔件包含在物质(6)中。
26.如权利要求11或21，或权利要求11或21的任何从属权利要求所述的丝状体或纤维，其中间隔装置位于内电极(4)和保存装置(8)之间。
27.如权利要求15或17，或权利要求15或17的任何从属权利要求所述的丝状体或纤维，其中间隔装置位于内电极(4)与一个或多个外电极(46)之间。
28.如权利要求26或27所述的丝状体或纤维，其中间隔装置包括一个或多个沿内电极螺旋状延伸的间隔线。
29.如权利要求26或27所述的丝状体或纤维，其中间隔装置包括沉积于内电极上的大致球形的间隔件。
30.如权利要求22至29中任一项所述的丝状体或纤维，其中间隔装置由非导电材料形成。
31.如权利要求11或21，或权利要求11或21的任何从属权利要求所述的丝状体或纤维，还包括一个位于内电极(4)上的色层。
32.由多个前述权利要求任一项所述的丝状体或纤维制成的服装。
33.由多个前述权利要求任一项所述的丝状体或纤维制成的织物。
34.一种形成纤维或丝状体的方法，包括以下步骤形成一个保存装置以保存一种拉长芯形式的体积调节色彩产生物质；将保存装置与激励装置联系以激励体积调节色彩产生物质；以及将体积调节色彩产生物质添加至保存装置限定的孔隙中；以及密封保存装置。
35.如权利要求34所述的方法，其中形成保存装置的步骤和将保存装置与激励装置联系的步骤被合并为一个步骤，该步骤包括将中央拉长芯形状的导电材料和围绕导电拉长芯的一个第一空心拉长件形状的非导电材料共挤塑，以及将一个第二共轴空心拉长件与第一拉长件隔开，第一拉长件和第二拉长件由一个或多个从第一拉长件至第二拉长件延伸的径向延伸部件连接起来。
36.如权利要求35所述的方法，还包括在外拉长件的外表面沉积一个透明导电层。
37.如权利要求36所述的方法，还包括在透明导电层的外表面上沉积一个透明保护隔离涂层。
全文摘要
一种丝状体或纤维(2)，包括一种体积调节色彩产生物质(6)；以拉长芯形式保存物质的保存装置(8)，该装置至少部分透光；以及激励物质以产生体积变化的激励装置(4)，从而改变丝状体或纤维的颜色。
文档编号D01F1/04GK1898421SQ200480038239
公开日2007年1月17日 申请日期2004年12月14日 优先权日2003年12月20日
发明者J·M·J·登图恩德尔, J·T·A·维尔德比克, J·M·克兰斯, M·P·B·范布鲁根 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司