专利名称：与温度相关的电阻纱线的制作方法背景本发明一般涉及电阻性纱线，尤其是涉及电阻随温度而变化的电阻性纱线。导电元素作为加热材料已经被用于编织物、纺织物等纺织品中。纺织物中加入了导电元素可以使电流通过该导电元素，因此，导电元素，例如纱线，用在纺织品中已成为需要。图示简要描述图1所示是根据本发明实施例放大的横截面图，它示出的是随温度可变化的阻抗纱线。图2所示是通过本发明实施例1英寸纱线上的作为电压函数的电流变化曲线。图3所示是根据本发明制成的纱线和可以放入纺织物中常用导电材料在不同温度下的电阻曲线图。详细描述参阅图1，图1示出根据本发明的一个实施方案制成的纱线10，其电阻取决于纱线的温度。纱线10包含有一个芯纱100和一个具有正向温度系数电阻(PTCR)的护套200，纱线10还包括一个在PTCR护套200上的绝缘体300。如图中所示温度可变电阻纱线10的横截面是一圆形截面，也可以想到，纱线10的横截面可以为其它形状，使之适合于纺织物的构造，像椭圆、扁平或类似其它形状。芯纱100一般是具有适当柔性和强度的适合于纺织纱线的任何材料。芯纱100可以由各种合成纱线构成如聚脂、尼龙、丙稀酸、人造丝、凯夫拉尔、诺梅克斯、玻璃纤维或类似材料，或者可以由天然纤维如棉、木、丝、亚麻或类似材料构成。芯纱100还可以由单纤维、多纤维或人造短纤维等构成。另外，芯纱100可以是扁平纱线、细纱线(spun yarn)或在纺织品中可使用的其他类型的纱线。在一个实施方案中，芯纱100选用的是非导电材料。PTCR护套200是一种随温度增高而电阻加大的材料。在本发明的该实施方案中，如图1所示，护套200一般由不同的电导体210和热膨胀低导电(TELC)基质220混合构成。
不同的电导体210在PTCR护套220中提供一个导电通路。这种导电体210最好是颗粒状例如导电材料的颗粒、导电涂层的球体、导电薄层、导电纤维或类似的导电材料。这些导电颗粒、纤维、薄层由例如碳、石墨、金、银、铜或其他传电导材料构成。被涂覆的球体可以由例如玻璃、陶瓷、铜等材料的球体构成，它们用导电材料例如碳、石墨、金、银、铜或其他导电材料涂覆。在一个实施例中这些球体都是微型球体，其直径大约在10-100微米之间。
TELC基质220的膨胀系数高于导电粒子210。TELC基质220的材料选自随温度升高而膨胀的材料，这样就使TELC基质220内的导电粒子210分开，导电粒子210的分离增大了PTCR护套200的阻抗。TELC基质220也具有必要的柔性能被加入到纱线中。在一个实施方案中，TELC基质220是乙基丙稀酸脂(EEA)或EEA与聚乙稀的合成物。其他满足用作TELC基质220材料要求的材料，包括但不局限于下列物质聚乙稀、聚稀烃、聚乙稀的衍生物、热塑或热固材料。
PTCR护套200可以通过挤压、涂覆的方法施加在芯纱100上，或利用其它方法给芯纱100施加一个材料层。不同电导体210特定类型(例如薄层、纤维、球等等)的选择使纱线具有不同的电阻随温度变化的特性，这也影响了PTCR护套200的机械特性。TELC基质220还可以在工作温度内抵抗和防止纱线的软化或熔化。纱线10的有用电阻值根据需要可以在大约在0.1欧姆/英寸-2500欧姆/英寸的范围内确定。
在1966年3月29日发布的Fred Kohler的美国专利3,243,753中，对适用于PTCR护套200材料的性质做了描述，该专利通过参考结合在此。在1984年4月4日发布的Blackledge等人的美国专利4,818,439中，对适用于PTCR护套200的另一种材料的性质也有描述，该专利通过参考结合在此。
本发明的一个实施方案，TELC基质220可以由交联材料，例如施加到芯纱100上之后通过照射构成。在另一实施方案中，TELC基质220可以用作为TELC基质220的热性聚合物构成。在另一个实施例中，TELC基质220在特殊温度下可以被软化以形成一个插入的“保险丝”，在规定温度范围将TELC基质220的导电性切断。
绝缘体300是适用于纱线柔性的非导电材料，在一个实施方案中，绝缘体的膨胀系数与TELC基质220的膨胀系数非常接近。绝缘体300可以是热塑性塑料、热固塑料或经处理后变为热固性的热塑性塑料，例如聚乙稀。适用于绝缘体300的材料包括聚乙稀、聚氯乙稀或类似材料。绝缘体300可以通过挤压、涂覆、缠绕或缠绕并加热绝缘体300的方法施加到PTCR护套200上。
施加于纱线10的电压产生流过PTCR护套200的电流。当纱线10的温度增高时，PTCR护套200的电阻也增大。在TELC基质220中，纱线10电阻增加是由于导电颗粒210之间的间距加大，使TELC基质220膨胀，使基质中的微通路沿纱线长度方向移动并且增加了PTCR护套200的总电阻。这种特有的温度传导关系适合于特殊应用，例如，传导率慢慢增加到给定值，到温度断点处迅速上升。
通过参考下面的例子可以进一步加深对本发明的理解。
例一与温度相关的电阻纱线由具有PTCR护套的芯纱构成，芯纱为500旦尼尔的复丝聚酯，PTCR护套具有50％碳导电粒子和50％的EEA。平均纱线尺寸大约为40mils，纤度为8100旦尼尔。在把PTCR护套挤压到芯纱上之前，作为PTCR的护套材料需要在华氏165度下，预先干燥至少24小时。然后采用挤压涂覆的方法，在华氏温度大约为430度时，通过一个约为47mils的喷嘴，在6600psi的压力下把TELC基质挤压到芯纱上，然后把带有涂层的芯纱放在温度大约为华氏85度的水中淬火。在大约华氏温度为72度时，纱线的电阻大约为350欧/英寸。制做完成的纱线强度为9.3Ibs断裂伸长率为12％，给定的刚度为4.3克/旦尼尔％。
例二例一中的纱线用聚乙稀涂覆。聚乙稀是Eastmen Chemicai的产品Tenite 812A。在华氏温度大约为230度、压力为800psi下，把聚乙稀挤压在纱线上，然后在大约华氏温度为75度的水中淬火。最终具有绝缘体的纱线直径大约为53mils，纤度13，250旦尼尔。在华氏75度下，绝缘纱线的电阻大约为400欧/英寸。
例三例一中所用的纱线采用的聚乙稀涂覆。绝缘是Dow Plastics的Dow9551。在华氏温度大约为230度、压力为800psi下，把聚乙稀挤压在纱线上，然后在大约华氏温度为75度的水中淬火。最终具有绝缘体的纱线直径大约为53mils，纤度13,250旦尼尔。在华氏75度下，绝缘纱线的电阻大约为400欧/英寸。
例四与温度相关的电阻纱线由具有PTCR护套的芯纱构成，芯纱为500旦尼尔的复丝聚合物，PTCR护套具有50％碳导电粒子和50％的EEA。平均纱线尺寸大约为46mils。在把PTCR护套挤压到芯纱上之前，作为PTCR护套的材料需要在华氏165度下预先干燥至少24小时，然后采用挤压涂覆的方法，在华氏温度大约为430度时，在5600psi.的压力下通过一个约为59mils的喷嘴，把TELC基质挤压到芯纱上。然后把具有涂层的芯纱在大约温度为华氏70度的水中淬火。在大约华氏温度为72度时，纱线的电阻大约为250欧/英寸。
例五与温度相关的电阻纱线由具有PTCR护套的芯纱构成，芯纱为1000旦尼尔的复丝聚，PTCR护套具有50％碳导电粒子的和50％的EE。平均纱线尺寸大约为44mils。在把PTCR护套挤压到芯纱上之前，作为PTCR的护套材料需要在华氏165度下预先干燥至少24小时，然后采用挤压涂覆的方法，在华氏温度大约为415度时，在3900psi的压力下通过一个约为47mils的喷嘴，把TELC基质挤压到芯纱上，然后把具有涂层的芯纱在大约温度为华氏70度的水中淬火。在大约华氏温度为72度时，纱线的电阻大约390欧/英寸。
例六与温度相关的电阻纱线由具有PTCR护套的芯纱构成，芯纱为1000旦尼尔的复丝Kevlar，PTCR护套具有50％碳导电粒子和50％的EEA。平均纱线尺寸大约为32mils。在把PTCR护套挤压到芯纱上之前，作为PTCR的护套材料需要在华氏165度下预先干燥至少24小时，然后采用挤压涂覆的方法，在华氏温度大约为430度时，在3700psi的压力下通过一个约为36mils的喷嘴，把TELC基质挤压到芯纱上，然后把具有涂层的芯纱在大约温度为华氏70度的水中急冷。在大约华氏温度为72度时，纱线的电阻大约为1000欧/英寸。
参考图2，它示出的是给例一中的一英寸纱线加电压，作为电压函数的电流曲线图。用一个四探头的电阻装置，在自然环境下给纱线施加一个稳定增加的直流电压。随着电压的变化通过1英寸长纱线的电流绘于图2。图2显示了根据本发明制成的纱线可以用于限定电流。对电流的限制既控制热的产生又有助于阻止施加给纱线的热应力，以尽可能地减少加热丝的断裂。如图所示，例1中纱线的电流被限制在大约15毫安/每纱。截面积大的纱线可以通过较大的电流，作为高导电纱线，反之，较小截面积或较低导电率的纱线通过的电流亦少。
参考图3，图3所示是根据本发明制成的纱线和可以放入纺织物中常用导电材料在不同温度下电阻随温度变化的曲线图。图上的“TDER纱线”是选自例1中的纱线。“铜电线”是指商用的14号单股铜线。“涂银尼龙纱线”是30旦尼尔涂银尼龙纱线，它来自宾西法尼亚的InstrumentSpecialties-Sauquoit Scranton。“不锈钢丝”是聚酯纱线的外部用四支加捻的不锈钢丝长纤维缠绕的纱线。可以从佐治亚州的Bekaert Fiber Technologies of Marietta买到。在图3中，“相对电阻”是指材料在华氏100度时相对于其值的电阻值。从图中看出三种常用材料都显示出非常小的温度系数。图中还显示出TDER纱线的电阻在华氏250度时因数大于6。这就是聚合物为基的PTCR材料的典型特性，进一步加热将使电阻减小。在实际使用中，产品设计成使它们在使用期间达不到这样的温度范围。
下面的表1所列的是每种材料在华氏150-200度之间的温度系数。从表的最后一列我们看到TDER纱线的温度系数比其它常用传导材料的温度系数高到50倍或更多，这使它适合用于纺织结构。
表

正可变电阻纱线有一个芯，一个护套和一个绝缘体。护套由不同导电体和热膨胀低传导基质混合组成。当纱线的温度增高时护套的阻抗也增加。