一种空间三维网络结构的石墨烯导电织物以及制备方法和应用技术

本发明专利技术实施例涉及一种空间三维网络结构的石墨烯导电织物及其制备方法和应用，本发明专利技术将具有高比表面积的碳纳米材料与具有高比表面积的三维织物结合，可以产生优异的协同效应，形成空间三维联通导电网络；同时在简化制备工艺的情况下可以弥补普通二维织物需要吸附或包覆多层导电材料来形成涂层厚度方向上的三维导电形式，而且本发明专利技术三维织物具有质轻、柔韧性好、导电性能均匀稳定、发热效率高、能耗低及耐久性好等一系列优点，此外，其三维结构还可使织物的耐水洗牢度和耐摩擦牢度获得较大程度的改善。

【技术实现步骤摘要】
一种空间三维网络结构的石墨烯导电织物以及制备方法和应用
本专利技术涉及纺织品领域，尤其是涉及一种空间三维网络结构的石墨烯导电织物。
技术介绍
随着电子行业的快速发展，导电织物用于智能可穿戴、抗静电、抗电磁屏蔽及电热转换等成为研究热点，现有的导电织物制备方法通常有三大类，一类是前处理，即在纺丝阶段在聚合物中引入导电成分进行熔融或溶液纺丝获得导电纤维，此类方法导电成分引入量比较有限，导电效果不佳，而且还要考虑导电成分与基体的结合性以及导电材料加入对纤维可纺性能的影响等；第二类是中间处理，主要是对纤维或纱线进行导电处理，方法主要有采用普通纤维与金属纤维混纺、纤维或纱线表面引入导电材料(金属镀覆、导电高分子材料或碳系导电材料包覆)等，其中采用金属纤维混纺，金属纤维本身的可加工性及其织造加工较为困难，制得得织物手感粗糙，服用舒适性较差；而采用金属镀覆的制备工艺复杂、加工成本高、且金属的比重大，不能满足织物轻质、柔软的要求。第三类则是后处理，以织物为基体在其表面进行导电处理，主要有织物基底上表面均匀涂覆和织物浸渍导电材料两种方法，织物表面涂覆的方法成本较低、工艺简单、生产效率高，但缺点是采用刮涂的方式在织物基底上形成的涂层容易造成织物孔隙堵塞，影响织物透气性和服用性，而且织物耐洗性较差，随着洗涤次数增加导电性能会发生急剧降低，而且涂层织物耐弯折性较差，一旦涂层产生裂纹，就会造成织物导电失效；结合第二和第三类方法，在保证织物透气性和柔软性的前提下，将碳系导电材料引入纤维、纱线或织物表面成为目前的应用热点。如边绍伟等人以棉布为基体材料，石墨烯为导电材料，采用重复数次浸渍-烘干的方法在棉织物纤维表面覆盖氧化石墨烯，然后通过原位化学还原的方法将氧化石墨烯还原成石墨烯，从而使棉织物具有良好的导电性能(专利CN105088749A)。然而该专利技术需要通过数次浸渍-烘干的制备工序才能获得导电性能较佳的织物，这主要是因为采用碳系导电材料进行导电处理时，导电微粒在导电涂层较薄时，在二维涂层平面内的导电粒子平均接触较少，不能有效建立连通的导电通路，在不断增加导电涂层厚度后，可以在涂层厚度方向上形成导电粒子的三维立体结构，在该结构中导电粒子平均的接触概率得到增加，可以形成一个交叉的立体导电网络，使电阻率迅速下降；然而这种通过增加涂层厚度来提高导电性的方法不仅使制备工序繁琐复杂，而且导电材料的厚度越厚，一是导电材料包覆牢度差，容易脱落，耐水洗和耐磨擦性能不佳，其次是附着较厚导电材料的织物硬挺，织物不易弯折，弯折次数增加表面导电材料容易产生裂纹，造成导电失效。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种具有空间三维网络结构的导电织物，本专利技术将具有高比表面积的碳纳米材料与具有高比表面积的三维织物结合，可以产生优异的协同效应，形成空间三维联通导电网络；同时在简化制备工艺的情况下可以弥补普通二维织物需要吸附或包覆多层导电材料来形成涂层厚度方向上的三维导电形式，而且本专利技术三维织物具有质轻、柔韧性好、导电性能均匀稳定、发热效率高、能耗低及耐久性好等一系列优点，此外，其三维结构还可使织物的耐水洗牢度和耐摩擦牢度获得较大程度的改善。本专利技术还提供一种空间三维网络结构的石墨烯导电织物的制备方法。该方法制备工艺简单，织造效率高，适合工业化生产。本专利技术是通过下述技术方案实现的：一种空间三维网络结构的导电织物，其特征在于，以整体三维织物为骨架载体进行导电处理得到的，导电材料附着率为1-20％，(优选3-10％)，所述导电材料为具有高比表面积的碳纳米材料。本专利技术的碳纳米材料与三维整体骨架织物的协同效应可以建立全面高效的三维导电网络，该织物的面内和厚度方向均具有优异的导电性能。本专利技术所述的三维织物采用具有超吸水功能的纱线或超吸水纤维或与其它普通纤维混纺的纱线进行织造。所述超吸水纤维包括PVA基纤维、PNA系纤维、纤维素基纤维、聚羧酸系纤维、丙烯酸盐类或丙烯酰胺类、棉纤维中的一种或其多种组合。所述超吸水纤维制备方法可以为亲水性聚合物纺丝、超吸水树脂纺丝、纤维亲水化改性。本专利技术所述的三维织物，优选采用超吸水纤维作为三维织物的经纬纱线或编织纱，通过三维机织、编织及缝合中的任意一种来实现载体三维织物的织造；在织物进行导电处理时会迅速通过三维织物厚度方向排布的纤维先将水性浆液中导电碳纳米材料有效分布于织物厚度方向各个空间并连接成网，其次沿织物面内方向排布的纤维快速分布并连接成导电网络，最终形成以三维织物为载体的三维整体空间导电网络。本专利技术采用超吸水纤维混织，所得三维织物可以避免导电材料在织物表面的堆积，能够使导电成分有效分布于织物内部各个位置，不但在基于纱线的三维空间排布上获得导电网络，还可在织物内部纤维或纱线之间通过高比表面积的碳系导电材料相互连接，缩短导电通路，导电性能提升，织物的电阻降低。本专利技术所述的三维导电织物可在织机上直接实现多层纱线的交织成形，后期使用不需再裁剪和多层二维织物的铺设，相较于仅面内具有纤维分布的二维织物，其厚度方向上也有纤维分布，织物具有很好的空间网状整体效果。本专利技术所述的碳纳米材料为石墨烯、石墨、碳纳米管、碳纤维、导电碳黑中的一种或多种以上的复合。优选碳纳米材料为石墨烯与非石墨烯其它材料复合，其比例为(5-6):(1-5)。本专利技术所述的导电处理方法是使用导电浆料对织物进行浸渍、浸轧或过滤-烘干方式进行导电处理，所用导电浆料为碳系水性或油性导电浆料。优选地，从环境友好方面考虑，导电处理采用水性导电浆料。进一步优选，所述水性导电浆料的制备，将石墨烯水性膏体稀释于水和乙醇的混合溶液中，采用砂磨机在转速1000-5000r/min砂磨分散1-10h(优选3-7h)，然后将非石墨烯碳纳米材料加入上述分散液中继续砂磨分散1-10h(优选3-7h)后，再将粘结剂加入上述分散液搅拌1-5h(优选3-5h)，然后超声分散1-10h(优选3-7h)，获得水性导电浆料；所配制水性导电浆料的固含量在1-20％。所述石墨烯水性膏体的石墨烯含量为1-8％。所述碳纳米材料与粘合剂的质量比为(1-4)：(1-3)。所述粘结剂为水性聚氨酯、水性聚乙烯醇、水性环氧、水性丙烯酸、水性聚酯中的至少一种。优选所配制水性导电浆料的固含量控制在2-7％。本专利技术中所述非石墨烯碳纳米材料为石墨、碳纳米管、碳纤维、导电碳黑中的一种或多种以上的复合。本专利技术所述空间三维网络结构石墨烯导电织物采用浸轧-烘干的方式进行导电处理，将配制好的水性导电浆料置于浸轧机浆槽中，三维织物通过牵引张力浸入浆槽，浸浆时间为0.3min-15min，优选0.5min-2min，然后经过压浆辊进行压浆使浆液完全渗透到织物内部，压浆辊压力为0.01MPa-0.3MPa(优选，0.1-0.2MPa)经烘干装置60-110℃(优选80-100℃)烘干，烘干后导电材料完全包覆在纤维或纱线表面，同时碳纳米材料在纤维与纤维之间，纱线与纱线之间建立导电通路，最终获得三维导电织物，其导电材料附着率为1-20％，(优选3-10％)。本专利技术导电处理的关键是采用超吸水纤维进行织物织造，然后通过控制浸渍、浸轧或过滤的时间和压力，使导电浆料在超吸水纤维的带动下充分浸入纱线和织物内部，并沿三维织物内纤维的排列方式分布在纤维和纱线表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间三维网络结构的石墨烯导电织物，其特征在于，以整体三维织物为骨架载体进行导电处理，导电材料附着率为1‑20％，优选3‑10％，所述导电材料为具有高比表面积的碳纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种空间三维网络结构的石墨烯导电织物，其特征在于，以整体三维织物为骨架载体进行导电处理，导电材料附着率为1-20％，优选3-10％，所述导电材料为具有高比表面积的碳纳米材料。2.如权利要求1所述的石墨烯导电织物，其特征在于，所述的三维织物采用具有超吸水功能的纱线或超吸水纤维或与其它普通纤维混纺的纱线进行织造；所述超吸水纤维包括PVA基纤维、PNA系纤维、纤维素基纤维、聚羧酸系纤维、丙烯酸盐类或丙烯酰胺类、棉纤维中的一种或其多种组合。3.如权利要求2所述的石墨烯导电织物，其特征在于，所述采用超吸水纤维织造的三维织物在进行导电处理时，通过三维织物厚度方向排布的纤维先将导电碳纳米材料有效分布于织物厚度方向各个空间并连接成网，其次沿织物面内方向排布的纤维快速分布并连接成导电网络，最终形成以三维织物为载体的三维整体空间导电网络。4.如权利要求1所述的石墨烯导电织物，其特征在于，所述的碳纳米材料为石墨烯、石墨、碳纳米管、碳纤维、导电碳黑中的一种或多种以上的复合。优选碳纳米材料为石墨烯与非石墨烯其它材料复合，其比例为(5-6):(1-5)。5.如权利要求1所述的石墨烯导电织物，其特征在于，所述的导电处理方法是采用浸渍、浸轧或过滤导电浆料后，再烘干的方式进行导电处理，所用导电浆料为碳系水性或油性导电浆料。6.如权利要求5所述的石墨烯导电织物，其特征在于，所述水性导电浆料的制备，将石墨烯水性膏体稀释于水和乙醇的混合溶液中，采用砂磨机在转速1000-5000r/min砂磨分散1-10h，优选3-7h，然后将非石墨烯碳纳米材料加入上述分散液中继续砂磨分散1-10h，优选3-7h后，再将粘结剂加入上述分散液搅拌1-5h，优选3-5h，然后超声分散1-10h，优选3-7h，获得水性导电浆料；所配制水性导电浆料的固含量在1-20％，优选所配制水性导电浆料的固含量控制在2-7％。7.如权利要求1所述的石墨烯导电织物，其特征在于，所述石墨烯水性膏体的石墨烯含量为1-8％；所述碳纳米材料与粘合剂的质量比为(1-4)：(1-3)；所述粘结剂为水性聚氨酯、水性聚乙烯醇、水性环氧、水性丙烯酸、水性聚酯中的至少一种。8.如权利要求1所述的石墨烯导电织物，其特征在于，所述导电处理优选采用浸轧-烘干的方式，其步骤是将配制好的水性导电浆料置于浸轧机浆槽中，三维织物通过牵引张力浸入浆槽，浸浆时间为0.3min-15min，优选0.5min-2min，然后经过压浆辊进行压浆使浆液完全渗透到织物内部，压浆辊压力为0.01MPa-0.3MPa，优选0.1-0...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉芬，赖垂林，梅园，刘兆平，
申请(专利权)人：宁波石墨烯创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33