一种高导电稳定性超弹性纱线及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高导电稳定性超弹性纱线及其制备方法与应用，制备方法包括以下步骤：（1）制备纺丝液：将热塑性弹性体材料TPE溶解在有机溶剂中，得纺丝液；（2）制备TPE纤维：将步骤（1）得到的纺丝液通过静电纺丝制备成TPE微纳米纤维，纺丝过程中采用金属丝收集TPE纤维，TPE纤维包覆在金属丝表面；（3）将包覆在金属丝表面的TPE纤维从金属丝表面剥离，干燥，得TPE纱线；（4）将液态金属涂覆在干燥后的TPE纱线表面，得弹性导电纱线。本发明专利技术提供的制备方法简单、高效、成本低廉，适用于大批量生产。这种高电导率、高导电稳定性超弹性纱线可用于可穿戴光电子设备和其他所有需要用到可拉伸导体材料的设备。

【技术实现步骤摘要】
一种高导电稳定性超弹性纱线及其制备方法与应用
本专利技术涉及新型电子材料领域，特别涉及一种高性能弹性导电纱线及其制备方法与应用。
技术介绍
可穿戴电子设备在人类生活和各种活动中扮演越来越重要的角色。可穿戴设备主要以具备部分计算功能、可连接手机及各类终端的便携式配件形式存在。主流的产品形态包括以手腕为支撑的手表、腕带类，以脚为支撑的鞋、袜子类，以头部为支撑的眼镜、头盔类，以及智能服装、书包、拐杖、配饰等各类非主流产品形态，涉及的应用包括运动/健康监测、定位、通讯、娱乐、支付等等。权威市场研究机构MarketsandMarkets发布的最新报告预计，到2020年全球可穿戴科技市场规模将达到312.7亿美元，2015-2020年期间的年化复合增速将达到17.8％。这是一个潜力巨大的市场。未来可穿戴设备将对穿戴舒适性和功能性提出越来越高的要求，高性能弹性导电材料的开发已成为影响可穿戴设备技术进一步发展的重要因素。目前弹性导电材料主要通过三种方式实现。第一种方式是将具有可弯折性的导体材料，如金属、碳纳米管、石墨烯等，设计成特殊的结构来实现可变形性。典型的可变形结构包括蛇形、Z字形、弹簧状、波浪状等等。这种方式往往需要结合弹性体材料以实现形变恢复性能。用这种方式实现的弹性导体材料一般可以具有高电导率和高的电阻稳定性，但已有的制备方法往往过程复杂，在制备高集成电路方面具有较高的难度。第二种方法是将微纳米尺度的导电材料，如金属粉体、液态金属颗粒、碳纳米管、石墨烯等，分散在高分子弹性体材料中得到导电弹性体复合材料。这种方法操作简单，通过简单的共混就能得到可拉伸导体材料，容易实现批量化制备。这类材料的导电主要通过导电填料之间的电子遂穿效应实现。导电填料必须达到一定的体积分数才能达到较好的导电性。这类弹性导电材料可以通过增加导电填料的体积分数实现很高的电导率，但同时其力学强度会随着导电填料体积分数的增加而劣化。这类弹性导电材料在拉伸过程中导电填料之间的距离会随着拉伸应变的增加而增大，导致材料电阻迅速增加，因此特别适用于作为传感元器件应用，但不适用于作为电力和电信号传输使用。第三种方法是将液态金属封装到弹性体内部或吸附到多孔弹性体材料的孔洞结构中，将液态金属的高流动性、高导电性和弹性体的高弹性结合在一起得到弹性导体材料。另一方面，纱线是制造织物的最重要材料。由纱线织成的织物和布料具有透气防水、质感柔软、保暖性好等优点。从穿戴舒适性和方便性等角度考虑，未来可穿戴电子设备发展的一个重要方向是将电子设备整合到衣物上，或者将衣物电子功能化。导电纱线是电子织物的基础材料，将在未来高性能可穿戴电子的发展中扮演重要的角色。考虑到某些可穿戴电子设备对大幅度形变的适应以及更好地贴合体表的需求，特别是用于关节部分、颈部、腹部等身体部分的可穿戴电子器件在工作中需要经历大幅度形变，高性能弹性导电纱线及制造技术的发展将对这类可穿戴电子器件的发展产生重要的影响。目前对于弹性导电纤维的研究主要集中在单丝的制备和性能研究，而关于多丝弹性导电纱线的研究还很少。对于实际的穿戴应用，多丝纱线相比于单丝纤维具有更好的柔性和穿戴舒适性。因此，开发高性能弹性导线纱线对于未来可穿戴电子技术的发展具有重要的意义。据申请者所知，目前为止只有专利CN201910517612.0公开了一种弹性导电纱线的制备方法。在该专利中他们将弹性纤维长丝与导电包芯纱加捻包缠，得到弹性导电纱线。这种方法制备的导电弹性纱线制备工艺较为复杂，电阻率较高，且可以达到的最大拉伸应变较低。已公开发表的论文只有文献Nat.Commun.,2019,10,426和Appl.Mater.Today2018,11,255报道了弹性导电纱线的制备。Nat.Commun.,2019,10,426报道的弹性导电纱线是通过加捻的方法获得具有螺旋结构的碳纤维纱线。这种纱线具有很好的弹性(1500％)和导电稳定性，但制备方法非常复杂和繁琐，效率非常低下，并且纱线的电导率较低。Appl.Mater.Today2018,11,255报道的方法是将PEDOT:PSS(导电聚合物)掺杂在PU(聚氨酯)溶液中，通过湿法纺丝的办法获得多丝弹性导电纱线。这种方法适用于工业化批量生产，但是所使用的导电高分子价格较高，并且获得的纱线可拉伸性、电导率和导电稳定性都较低。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点不足，本专利技术旨在提供一种高电导率、高导电稳定性超弹性纱线的设计及制备方法与应用。本专利技术公开的弹性导电纱线相比于已有的同类材料，具有更高的电导率、更高的导电稳定性以及更好的可拉伸性。相比于已有的弹性导电纱线制备方法，本专利技术公开的制备方法可实现金属导电层的包覆，起到绝缘和保护的作用。同时，这种方法还可以用来制备包含多层导电通路的复合纱线，实现更高性能和多功能应用。本专利技术的目的是通过以下技术方案之一实现的。一种高导电稳定性超弹性纱线的制备方法，包括以下步骤：(1)制备纺丝液：将热塑性弹性体材料TPE溶解在有机溶剂中，得纺丝液；(2)制备TPE纤维：将步骤(1)得到的纺丝液通过静电纺丝制备成TPE微纳米纤维，纺丝过程中采用金属丝收集TPE纤维，TPE纤维包覆在金属丝表面；(3)将包覆在金属丝表面的TPE纤维从金属丝表面剥离，干燥，得TPE纱线；(4)将液态金属涂覆在干燥后的TPE纱线表面，得导电弹性纱线。进一步的，在得到的导电弹性纱线表面再次通过静电纺丝包覆上TPE纤维，形成一层包覆层。进一步的，将得到的导电弹性纱线经过若干次步骤(2)和步骤(4)的处理，得含有多层液态金属的复合纱线。进一步的，热塑性弹性体材料TPE为丁苯橡胶SBS、加氢丁苯橡胶SEBS、聚氨酯PU、苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物SIS、加氢嵌段共聚物SEPS、热塑性聚酯弹性体TPEE、热塑性聚氨酯弹性体TPU、热塑性聚烯烃弹性体TPO、热塑性硫化橡胶TPV、反式聚丁二烯TPB、聚酰亚胺TPI、热塑性聚酰胺弹性体TPAE中的一种以上；有机溶剂为甲苯、氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯乙烷、二氯丙烷、三氯丙烷、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜中的一种以上。进一步的，所述液态金属为室温下呈液态的金属。进一步的，所述液态金属为镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟铋合金中的一种以上。进一步的，PE纤维的直径为1～15μm；纺丝液的浓度为3wt％～30wt％；单针头纺丝时，静电纺丝过程中的供液速度为0.3mL/min～3mL/min，外加电压为5～30kV，静电纺丝设备的喷丝头至金属丝之间的最短距离即收集距离为8-20cm。进一步的，步骤(4)所述涂覆方式为刷涂、浸泡、丝网印刷或喷墨打印中的一种以上；涂覆的液态金属的量为0.5～100mg/cm2。进一步的，所述的制备方法制备的高导电稳定性超弹性纱线。本专利技术还提供了所述高导电稳定性超弹性纱线在织物电极、纱线开关、智能导线、柔性电路、人工肌肉、柔性可拉伸发光器件制备中的应用。和现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果和优点：(1)已报道的弹性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导电稳定性超弹性纱线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）制备纺丝液：将热塑性弹性体材料TPE溶解在有机溶剂中，得纺丝液；/n（2）制备TPE纤维：将步骤（1）得到的纺丝液通过静电纺丝制备成TPE微纳米纤维，纺丝过程中采用金属丝收集TPE纤维，TPE纤维包覆在金属丝表面；/n（3）将包覆在金属丝表面的TPE纤维从金属丝表面剥离，干燥，得TPE纱线；/n（4）将液态金属涂覆在干燥后的TPE纱线表面，得导电弹性纱线。/n

【技术特征摘要】
1.一种高导电稳定性超弹性纱线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备纺丝液：将热塑性弹性体材料TPE溶解在有机溶剂中，得纺丝液；
（2）制备TPE纤维：将步骤（1）得到的纺丝液通过静电纺丝制备成TPE微纳米纤维，纺丝过程中采用金属丝收集TPE纤维，TPE纤维包覆在金属丝表面；
（3）将包覆在金属丝表面的TPE纤维从金属丝表面剥离，干燥，得TPE纱线；
（4）将液态金属涂覆在干燥后的TPE纱线表面，得导电弹性纱线。


2.根据权利要求1所述的高导电稳定性超弹性纱线的制备方法，其特征在于，在得到的导电弹性纱线表面再次通过静电纺丝包覆上TPE纤维，形成一层包覆层。


3.根据权利要求1所述的高导电稳定性超弹性纱线的制备方法，其特征在于，将得到的导电弹性纱线经过若干次步骤（2）和步骤（4）的处理，得含有多层液态金属的复合纱线。


4.根据权利要求1至3任一项所述的高导电稳定性超弹性纱线的制备方法，其特征在于，热塑性弹性体材料TPE为丁苯橡胶SBS、加氢丁苯橡胶SEBS、聚氨酯PU、苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物SIS、加氢嵌段共聚物SEPS、热塑性聚酯弹性体TPEE、热塑性聚氨酯弹性体TPU、热塑性聚烯烃弹性体TPO、热塑性硫化橡胶TPV、反式聚丁二烯TPB、聚酰亚胺TPI、热塑性聚酰胺弹性体TPAE中的一种以上；有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志军，刘灏珺，许琦，江博凡，钟欣蓉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44