一种超高弹性导线及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种超高弹性导线及其制备方法，所述超高弹性导线呈螺旋结构，所述超高弹性导线包括底层弹性衬底、粘附于底层弹性衬底表面的呈螺旋结构的柔性导电纤维、以及用于包埋所述柔性导电纤维的柔性填充衬底。

An ultra high elastic wire and its preparation method

The invention provides a super-high elastic wire and a preparation method thereof. The super-high elastic wire has a helical structure. The super-high elastic wire comprises a bottom elastic substrate, a flexible conductive fiber with a helical structure adhering to the surface of the bottom elastic substrate, and a flexible filling substrate for embedding the flexible conductive fiber.

【技术实现步骤摘要】
一种超高弹性导线及其制备方法
本专利技术涉及一种超高弹性导线及其制备方法，属于柔性及可拉伸、可穿戴电子领域以及新材料

技术介绍
传统电子学的发展趋势是微型化以及集成化，而当前电子学的最新发展趋势与发展要求是柔性、可伸缩性以及可穿戴性【非专利文献1,2】。弹性导线是指产生大形变后仍能保持优异导电性的新型柔性导线，是柔性、可穿戴电子器件的重要组成部分，在信息感知和传输方面都具有重要的作用。常见的制备弹性导线的方法包括三大类，第一种是将纳米导电填料填充于弹性聚合物基体中，这种方法的缺点是制备的导线电导率较低，填充量较大会导致聚合物硬度大大增加，影响聚合物基体的弹性【非专利文献3，4】；第二种是将液态金属填充于中空的弹性聚合物纤维中，这种方法的缺点是制备难度大，且毒性较大，不适用于可穿戴电子【非专利文献5】；第三种是将柔性导电材料附于预制波浪或螺旋结构的弹性纤维表面，这种方法的问题在于导电材料与弹性衬底的界面结合不够牢固，循环稳定性较差【非专利文献6，专利文献1】。由于结构和制备方法的限制，目前报道的弹性导线的最大拉伸范围约为初始长度的10倍左右，无法满足超可拉伸电子器件的需求【非专利文献7】。参考技术文献非专利文献1RogersJA,SomeyaT,HuangY.Materialsandmechanicsforstretchableelectronics[J].Science,2010,327(5973):1603-1607.；非专利文献2KimDH,XiaoJ,SongJ,etal.Stretchable,curvilinearelectronicsbasedoninorganicmaterials[J].AdvancedMaterials,2010,22(19):2108-2124.；非专利文献3XuF,ZhuY.Highlyconductiveandstretchablesilvernanowireconductors[J].AdvancedMaterials,2012,24(37):5117-5122.；非专利文献4ChenZ,RenW,GaoL,etal.Three-dimensionalflexibleandconductiveinterconnectedgraphenenetworksgrownbychemicalvapourdeposition[J].Naturematerials,2011,10(6):424-428.；非专利文献5ZhuS,SoJH,MaysR,DesaiS,BarnesW,PourdeyhimiB,DickeyMD,UltrastretchableFiberswithMetallicConductivityUsingaLiquidMetalAlloyCore,AdvancedFunctionalMaterials2013,23,2308–2314.；非专利文献6ChengY,WangRR,SunJ,GaoL,HighlyConductiveandUltrastretchableElectricCircuitsfromCoveredYarnsandSilverNanowires,AcsNano2015,9(4),3887-3895.；非专利文献7LiuZF,FangS,Moura,DingJN,JiangN,DiJ,ZhangM,LeproX,GalvaeDS,HaineCS,Hierarchicallybuckledsheath-corefibersforsuperelasticelectronics,sensors,andmuscles,Science,2015,349,400-404.；专利文献1孙静，程荫，王冉冉，高濂，一种高弹性导电纤维及其制备方法，中国专利技术专利，ZL201510019494.2。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种超高弹性导线及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种超高弹性导线，所述超高弹性导线呈螺旋结构，所述超高弹性导线包括底层弹性衬底、粘附于底层弹性衬底表面的呈螺旋结构的柔性导电纤维、以及用于包埋所述柔性导电纤维的柔性填充衬底。在本专利技术中，超高弹性导线包含两级螺旋结构：一是呈螺旋结构的柔性导电纤维，二是超高弹性导线其本身也呈螺旋结构。该超高弹性导线的拉伸过程可以分为三个阶段：初级拉伸时，超高弹性导线的螺旋结构(二级螺旋结构)的螺距逐渐被拉大直至完全解螺旋。此时螺旋的解螺旋过程完全不会影响导线内部的柔性导电纤维的结构，因而导线的电导率基本不发生衰减。二级拉伸时，柔性导电纤维的螺旋结构(一级螺旋结构)的螺距逐渐被拉大，直至解螺旋。在这个过程中，虽然柔性导电纤维的螺旋结构被逐渐破坏，然而，由于柔性导电纤维为贯穿的单根长丝或长丝束，使得导电网络的连通性并没有发生显著的变化，因而超高弹性导线仍保持优异的导电性。三级拉伸时，柔性导电纤维中则会发生导电材料之间的相互滑移，直至断裂。这个过程中，超高弹性导线的电导率会发生显著的增加。综上所述，双重螺旋结构(两级螺旋结构)的设计可实现超高弹性导线的超高弹性的关键。较佳地，所述超高弹性导线在1000％的大应变下拉伸1000次的相对电阻变化小于10％。较佳地，所述超高弹性导线的初始螺旋直径为500～5000μm。初级拉伸阶段的形变范围由超高弹性导线的螺旋结构的结构参数决定。较佳地，所述超高弹性导线的初始截面直径为10～1500μm。较佳地，所述柔性导电纤维的初始螺旋直径为100～1000μm。二级拉伸阶段的形变范围由柔性导电纤维的螺旋结构的结构参数决定。较佳地，所述柔性导电纤维的初始截面直径为5～500μm。较佳地，所述超高弹性导线的电导率为10-4-105S/cm，最大拉伸范围为超高弹性导线的初始长度的100倍。较佳地，所述柔性导电纤维包括呈螺旋结构纱线、吸附于纱线上的导电材料。又，较佳地，所述纱线为人造纱线和/或天然纤维，优选为涤纶、锦纶、腈纶、氨纶和棉纤维中的至少一种，所述导电材料为金属纳米线、金属纳米颗粒、金属纳米片、石墨烯、碳纳米管、层状MXene相导电陶瓷材料、导电高分子中的至少一种。较佳地，所述底层弹性衬底或/和柔性填充衬底为高弹性聚合物，优选为硅橡胶、聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS中的至少一种。其中，三级拉伸阶段的形变范围由柔性导电纤维和两个衬底材料的力学性质决定。另一方面，本专利技术还提供了一种如上述的超高弹性导线的制备方法，包括：将柔性导电纤维粘附于经预拉伸的底层弹性衬底表面；将弹性预聚物涂覆在柔性导电纤维上并将柔性导电纤维完全包埋，经固化后，释放预拉伸的底层弹性衬底，得到所述超高弹性导线。在本公开中，将具有螺旋结构的柔性导电纤维粘附于经预拉伸的底层弹性衬底上。额庵后将混合好的弹性预聚物滴涂于导电螺旋纱线上将其完全包埋，然后在一定温度下固化形成柔性填充衬底。最后将预拉伸形变释放，得到具有二级螺旋结构的超高弹性导线。具体来说，通过上下层衬底(底层弹性衬底和柔性填充衬底)的应变适配实现导线的自动变形形成二级螺旋结构。也就是说，底层弹性衬底为预拉伸状态，而形成的柔性填充衬底为自然状态，当释放预拉伸的底层弹性衬底时导致了整根导线的自动卷曲，从而形成二级螺旋结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高弹性导线，其特征在于，所述超高弹性导线呈螺旋结构，所述超高弹性导线包括底层弹性衬底、粘附于底层弹性衬底表面的呈螺旋结构的柔性导电纤维、以及用于包埋所述柔性导电纤维的柔性填充衬底。

【技术特征摘要】
1.一种超高弹性导线，其特征在于，所述超高弹性导线呈螺旋结构，所述超高弹性导线包括底层弹性衬底、粘附于底层弹性衬底表面的呈螺旋结构的柔性导电纤维、以及用于包埋所述柔性导电纤维的柔性填充衬底。2.根据权利要求1所述的超高弹性导线，其特征在于，所述超高弹性导线的初始螺旋直径为500～5000μm。3.根据权利要求1或2所述的超高弹性导线，其特征在于，所述超高弹性导线的初始截面直径为10～1500μm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的超高弹性导线，其特征在于，所述柔性导电纤维的初始螺旋直径为100～1000μm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的超高弹性导线，其特征在于，所述柔性导电纤维的初始截面直径为5～500μm。6.根据权利要求1-5中任一项所述的超高弹性导线，其特征在于，所述超高弹性导线的电导率为10-4～105S/cm，最大拉伸范围为超高弹性导线的初始长度的100倍。7.根据权利要求1-6中任一项所述的超高弹性导线，其特征在于，所述柔性导电纤维包括呈螺旋结构的纱线、吸附于纱线上的导电材料。8.根据权利要求7所述的超高弹性导线，其特征在于，所述纱线为人造纱线和/或天然纤维，优选为涤纶、锦纶、腈纶、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冉冉，孙静，程荫，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31