制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法技术

本发明专利技术公开了制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，包括以下两类方法：第一类，将具有光催化特性的微米或纳米材料，或金属盐还原剂加入到纺丝液中，利用静电纺丝原理将纺丝液制备成直径为纳米或微米级的单根纤维；将纤维浸入金属盐溶液中，利用还原原理将金属离子还原为单质金属，并附着于纤维表面，得到纳米或微米级导电纤维；第二类，将导电组分在溶液中均匀分散得到纺丝液，采用静电纺丝或同轴静电纺丝的原理制备单根导电纤维。本发明专利技术采用后处理或在纺丝液中掺杂导电组分的方法，制备出微米或纳米级别的导电纤维，方法简单易操作，可能应用于柔性传感器、电子皮肤、大尺寸柔性显示、电磁屏蔽、太阳能电池等领域。

A Method for Preparing Single Ultra-Long Micron or Nano Conductive Fiber

The invention discloses methods for preparing single ultra-long micron or nano conductive fibers, including the following two kinds of methods: first, adding micro or nano materials or metal salt reductants with photocatalytic properties into the spinning solution, using electrospinning principle to prepare single fibers with nanometer or micron diameter, immersing the fibers in metal salt solution and reducing them. In principle, metal ions are reduced to metal and attached to the surface of the fibers to obtain nano or micron conductive fibers. In the second category, conductive components are evenly dispersed in solution to obtain spinning solution, and single conductive fibers are prepared by electrospinning or coaxial electrospinning. The micron or nanometer conductive fibers are prepared by post-processing or doping conductive components in spinning solution. The method is simple and easy to operate, and may be applied to flexible sensors, electronic skin, large-scale flexible display, electromagnetic shielding, solar cells and other fields.

【技术实现步骤摘要】
制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法
本专利技术属于超细导电纤维制备领域，特别涉及利用静电纺丝技术制备单根导电微米纤维的方法。
技术介绍
目前，柔性传感、电子皮肤、可穿戴设备、大面积显示步入快速发展期。这些技术目前常用的导电材料和方法有透明导电氧化物(TCO)、金属网格、银纳米线等等。其中透明导电氧化物(TCO)以氧化铟锡(ITO)应用最为广泛，对于ITO薄膜或导电纤维，在可见光范围内，其透射率可达90％以上，其红外光区的反射率也在85％以上，两者与其低电阻率相结合，使得ITO成为当今应用最多的透明导电材料。但ITO脆性高，易折断，尤其不适用于柔性屏。且铟元素会逐渐耗尽,限制了产业的可持续发展。另外，TCO薄膜柔性差，对光的镜面反射作用较强，对光的利用效率较低，在柔性透明器件中应用存在较大缺陷。金属网格技术利用银、铜等金属材料在基底上生长形成导电金属网格图案。金属网格的电阻率比ITO低，通常小于10Ω/□，可以实现卷对卷生产，可用于柔性器件。但金属网格技术很难控制网格线的线宽，以至于透光度不理想。银纳米线(AgNW)具有超高的电导率、长径比，优异的柔韧性能，但其分布均匀性差、雾度大、不稳定，严重制约了银纳米线在主流电子产品中的规模化应用。另外，在柔性显示技术方面，石墨烯、导电高分子等材料性能优异。石墨烯在可见光波段具有高载流子迁移率、高透过率的特点，但石墨烯制备技术复杂，能够低成本且大规模制备光电性能优异的石墨烯的方法尚在探索当中。导电高分子薄膜可以采用液相法大规模制备，成本低，且具有优良的力学性能，但是当透过率高于90％时，其电阻率过大，难以应用于对材料电学性能要求高的器件中。静电纺丝是指材料在加热熔融或溶液状态下，通过静电场作用形成纤维的过程。静电纺丝技术操作简便，适用的纺丝原材料范围广，制备的纤维具有均匀连续的优势。目前静电纺丝技术已经用于生产多种高分子的微米或纳米纤维，应用于光学电子器件、生物组织工程等领域。将导电材料与静电纺丝技术相结合，有望可控、连续制备导电微米或纳米纤维，能满足透明导电材料的导电性和光学透射率要求。利用纤维的连续性可控制备薄膜或连接功能单分子电子元件的微纳米导电纤维。但静电纺纤维不稳定，很难制备出高取向性、可分离的单根长纤维，这一缺点也限制了该技术的进一步应用。如何取得高均匀性、具有优异物理和化学性能的单根微米或纳米纤维并赋予其导电性，需要综合考虑工艺参数、纺丝物质种类、装置工作环境等多方面因素，解决在具体应用中出现的技术问题。纤维制备装置以及优选合适的方法，以最佳方式实现连续、单根导电微米或纳米纤维的制备。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷，本专利技术的目的是提供一种制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，以使得到的导电纤维直径在十微米以下甚至纳米量级，且具有较理性的导电性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术提供了两类方法来制备单根微米或纳米导电纤维。第一类方法采用以下技术方案：一种制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，其步骤为：将具有光催化特性的微米或纳米材料，或金属盐还原剂加入到纺丝液中；利用静电纺丝原理将纺丝液制备成直径为纳米或微米级的单根纤维；将纤维浸入金属盐溶液中，利用还原原理将金属离子还原为单质金属，并附着于纤维表面，得到所述单根超长微米或纳米导电纤维。作为优选技术方案，所述光催化特性的微米或纳米材料为半导体光催化材料。作为优选技术方案，通过光催化还原金属盐的方法制备单根超长微米或纳米导电纤维，具体步骤为：步骤a1，配制纺丝液时，将半导体光催化材料及其分散剂加入，并分散，得到纺丝液；步骤a2，在基底上，采用静电纺丝原理将步骤a1得到的纺丝液制成纳米或微米级的单根纤维；步骤a3，将步骤a2得到的纤维浸入金属盐溶液，在光照射下将金属离子在纤维表面还原为单质金属；干燥后烧结，得到单根超长微米或纳米导电纤维。作为优选技术方案，通过还原法制备金属纤维得到单根超长微米或纳米导电纤维，具体步骤为：步骤b1，配制纺丝液时，将金属还原剂加入，并分散，得到纺丝液；步骤b2，在基底上，采用静电纺丝原理将步骤b1得到的纺丝液制成纳米或微米级的单根纤维；步骤b3，将步骤b2得到的纤维浸入金属盐溶液，在纤维中的金属还原剂的作用下将金属离子在纤维表面还原为单质金属；干燥后烧结，得到单根超长微米或纳米导电纤维。作为优选技术方案，通过银镜反应在纤维表面负载纳米或微米银，得到单根超长微米或纳米导电纤维，具体步骤为：步骤c1，将高聚物和硝酸银的还原剂溶解，机械搅拌至溶液均匀后静置，得到纺丝液；步骤c2，利用静电纺丝原理在基底上将步骤c1的纺丝液制备成纳米或微米单根纤维；步骤c3，将步骤c2得到的纤维浸入硝酸银溶液中，然后转移至正在发生银镜反应的溶液中反应，干燥后烧结，得到单根超长微米或纳米导电纤维。第二类方法采用以下技术方案：一种制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，其步骤为：将导电组分在溶液中均匀分散得到纺丝液，采用静电纺丝或同轴静电纺丝的方法制备单根超长微米或纳米导电纤维。作为优选技术方案，采用同轴喷头制备高分子材料为壳、导电成分为芯的芯壳结构导电纤维；具体步骤为：采用同轴喷头，将包含纳米或微米结构的导电成分纺丝液置于内部喷头，将高分子聚合物液体置于外部喷头。作为优选技术方案，在纺丝液中同时加入导电聚合物及金属导电成分，使较为分散的金属微米或纳米结构通过导电聚合物相互连接。作为优选技术方案，将直径为微米或纳米级的金属线搅拌分散于纺丝液中，利用静电纺丝原理制得金属线沿纤维长度方向分布且相互搭接的单根超长微米或纳米导电纤维。有益效果：本专利技术提供的制备超长导电微米纤维的方法，实现了纳米纤维的不分裂、稳定垂直下落，并可在相当长的尺寸上连续纺丝，可实现单根纳米纤维的图案化设计。经过纤维后处理或在纺丝液中加入导电组分，得到的纤维能够与导电组分相结合，有效提高导电性能。附图说明图1是本专利技术提供的以同轴静电纺丝方法制得的单根芯壳结构微米级导电纤维。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术中所述的单根超长微米或纳米导电纤维中的“超长”指的是稳定连续制备，一般范围为几米至几十米，具体长度由接收基底限制，以及实际制备工艺控制水平决定。实施例1静电纺丝将半导体光催化材料制备成直径微米或纳米级的纤维，利用光催化方法将金属盐还原并附着于纤维表面，形成微米或纳米级导电纤维。该方法步骤如下：步骤a1，配制纺丝液时，将半导体光催化材料及其分散剂加入，并分散，得到纺丝液；步骤a2，在基底上，采用静电纺丝原理将步骤a1得到的纺丝液制成微米或纳米级的单根纤维；步骤a3，将步骤a2得到的纤维浸入金属盐溶液，在光照射下将金属离子在纤维表面还原为单质金属；干燥后烧结，得到单根超长微米或纳米级导电纤维。具体采用优选的实施例如下：(1)将1.0gTiO2、0.1g六偏磷酸钠加入到8.0mL正丁醇中，超声分散2h；在上述溶液中加入1.0gPVB(聚乙烯醇缩丁醛)，机械搅拌3h至溶液均匀。静置1h，使得溶液中气泡完全除去，得到纺丝液并利用静电纺丝原理进行纺丝。(2)称取0.849g的AgNO3与1.471g二水合柠檬酸钠，溶于500mL去离子水，机械搅拌溶解。将纤维浸入上述溶液中，紫外灯照射1h后取出干燥，放于2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，其特征在于：其步骤为：将具有光催化特性的微米或纳米材料，或金属盐还原剂加入到纺丝液中；利用静电纺丝原理将纺丝液制备成直径为纳米或微米级的单根纤维；将纤维浸入金属盐溶液中，利用还原原理将金属离子还原为单质金属，并附着于纤维表面，得到所述单根超长微米或纳米导电纤维。

【技术特征摘要】
1.一种制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，其特征在于：其步骤为：将具有光催化特性的微米或纳米材料，或金属盐还原剂加入到纺丝液中；利用静电纺丝原理将纺丝液制备成直径为纳米或微米级的单根纤维；将纤维浸入金属盐溶液中，利用还原原理将金属离子还原为单质金属，并附着于纤维表面，得到所述单根超长微米或纳米导电纤维。2.根据权利要求1所述的制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，其特征在于：所述光催化特性的微米或纳米材料为半导体光催化材料。3.根据权利要求1或2所述的制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，其特征在于：通过光催化还原金属盐的方法制备单根超长微米或纳米导电纤维，具体步骤为：步骤a1，配制纺丝液时，将半导体光催化材料及其分散剂加入，并分散，得到纺丝液；步骤a2，在基底上，采用静电纺丝原理将步骤a1得到的纺丝液制成纳米或微米级的单根纤维；步骤a3，将步骤a2得到的纤维浸入金属盐溶液，在光照射下将金属离子在纤维表面还原为单质金属；干燥后烧结，得到单根超长微米或纳米导电纤维。4.根据权利要求1所述的制备单根超长微米或纳米导电纤维的方法，其特征在于：通过还原法制备金属纤维得到单根超长微米或纳米导电纤维，具体步骤为：步骤b1，配制纺丝液时，将金属还原剂加入，并分散，得到纺丝液；步骤b2，在基底上，采用静电纺丝原理将步骤b1得到的纺丝液制成纳米或微米级的单根纤维；步骤b3，将步骤b2得到的纤维浸入金属盐溶液，在纤维中的金属还原剂的作用下将金属离子在纤维表面还原为单质金属；干...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏昂，郑丽华，位威，刘泽江，
申请(专利权)人：南京邮电大学，苏州泛普科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32