一种仿生结构应变不敏感导电纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种仿生结构应变不敏感导电纤维及其制备方法，先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；制得的仿生结构应变不敏感导电纤维为仿枫叶双层褶皱结构，弹性纤维表面具有一层弹性聚合物涂层褶皱，褶皱密度为2～6个/100μm，褶皱平均高度为10～20μm；在弹性聚合物涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度10～45个/100μm，褶皱平均高度为0.5～5μm。本发明专利技术制得的导电纤维在高牵伸应变下具有优异的不敏感性能，且在一定程度缓解了传感滞后性。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生结构应变不敏感导电纤维及其制备方法
本专利技术属于柔性可穿戴电子学领域和纺织
，具体涉及一种超拉伸应变不敏感的导电纤维及其制备方法，可应用于柔性可穿戴智能纺织品中。
技术介绍
随着可穿戴电子产品的不断发展，轻量、便捷和舒适的智能纺织品具有广阔应用前景。一维的纤维基电子器件因体积小，易于成型等优势，受到极大关注和深入研究。可拉伸导电材料是柔性电子设备中必不可少的组成部分。而稳定的导电性能是可拉伸电子设备的关键，同时也是保证电子设备稳定传递电信号的关键。越来越多的一维应变不敏感导电纤维被用于智能可穿戴设备。目前，一维应变不敏感导电纤维的设计大多为皮芯结构，主要是通过预牵伸工艺实现，具体为在预牵伸的弹性纤维上沉积导电涂层后，释放预牵伸使纤维表面形成褶皱状。现有沉积导电涂层方式主要分为直接沉积和间接沉积两种方式。前者直接在弹性纤维上通过原位聚合或喷涂等方式沉积导电材料。但因导电层与弹性芯材机械性能差异过大，其传感性能存在较大的滞后性。而后者通过将导电材料与弹性材料混合后涂覆到弹性纤维表面，很好地解决了导电纤维传感滞后的问题。但导电弹性涂层在纤维表面形成的褶皱较大，这限制了导电纤维的应变不敏感性能。因此，开发一种新方法制备一种具有优异的应变不敏感性和较小滞后性的导电纤维，用于智能可穿戴设备具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中应变不敏感导电纤维的应变不敏感性和传感滞后性无法兼得的问题，提供了一种具有仿生结构的应变不敏感的导电纤维及其制备方法。本专利技术仿生结构为仿枫叶双褶结构。制备方法为，在具有一定牵伸状态的弹性长丝上涂覆弹性聚合物溶液形成弹性较好的褶皱，再给予该纤维更大的牵伸应变后沉积导电涂层。其中，弹性聚合物涂层在弹性纤维表面形成较大褶皱，导电涂层在弹性聚合物褶皱上进一步形成更加细密的褶皱。这种双褶结构导电纤维受到拉伸时，较大弹性的弹性聚合物涂层先展开，细密的导电涂层材料后展开，此种仿生结构设计使其在高牵伸应变下具有优异的不敏感性能，而且弹性聚合物褶皱与弹性基材力学性能差异小，一定程度缓解了传感滞后性。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；由弹性聚合物浇筑成的匀质膜的弹性模量与弹性纤维弹性模量间的比值为0.5～2；在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度大于在单褶结构弹性纤维表面沉积导电涂层的厚度；弹性聚合物涂层在弹性纤维表面形成较大褶皱(根据褶皱密度衡量褶皱大小，褶皱大小与涂层厚度和预牵伸的倍数有关，预牵伸倍数小，涂层厚形成褶皱越稀越大)，由于导电涂层制备工艺中预牵伸倍数大于聚合物涂层牵伸倍数，且沉积导电涂层的厚度小于弹性聚合物涂层，从而导电涂层在弹性聚合物褶皱上进一步形成更加细密的褶皱。这种仿生结构导电纤维受到拉伸时，较大弹性的弹性聚合物涂层的褶皱结构先展开，细密的导电涂层的褶皱结构后展开，此种仿生结构设计使其在高牵伸形变下具有优异的不敏感性能(高牵伸下的不敏感性能主要是由密度大的导电涂层褶皱带来的)，而且弹性聚合物褶皱与弹性基材力学性能差异小，一定程度缓解了传感滞后性。此外，导电材料形成的细密褶皱结构可以赋予单位长度下更长的导电通路，进而满足更大的形变。作为优选的技术方案：如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，所述预牵伸应变的大小为a，0<a<0.3x，优选地为0.15x，所述高于预牵伸应变的牵伸应变大小为b，a<b≤0.3x，选地为0.3x，x为弹性纤维的断裂伸长率。如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，弹性纤维的断裂伸长率为50～2000％。如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，弹性纤维为氨纶纤维、橡胶纤维或聚己内酯纤维，优选为氨纶纤维。如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，弹性聚合物为聚氨酯、聚己内酯或聚二甲基硅氧烷；弹性聚合物溶液的浓度为5～10wt％；弹性聚合物溶液中的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)或三氯甲烷；在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度为5～30μm。如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，沉积导电涂层采用原位聚合或喷涂的方法；沉积导电涂层厚度为0.05～0.25μm。所述原位聚合方法具体制备步骤为：(1)将牵伸状态的单褶结构的弹性纤维浸入氧化剂和掺杂剂的混合溶液中0.5～6小时后，取出干燥；(2)将干燥后的纤维使用导电高分子材料的单体(吡咯或苯胺)在-20～60℃进行聚合1～24小时(可为气相聚合或液相聚合)；(3)将聚合后得到的聚吡咯或聚苯胺导电纤维用去离子水洗涤1～5次后干燥；(4)释放牵伸应变。优选地，原位聚合法制备导电纤维步骤中，所述纤维浸入氧化剂和掺杂剂时间为2小时，聚合温度为4℃，所述聚合方式为气相聚合时，聚合时间为18小时，所述聚合方式为液相聚合时，聚合时间为4小时，去离子水洗涤次数为3次。优选地，导电高分子材料的单体为吡咯时，所述掺杂剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵等，所述氧化剂为过硫酸铵、三氯化铁等；当导电高分子材料单体为苯胺时，所述掺杂剂为盐酸、硫酸、硝酸、樟脑磺酸、十二烷基苯磺酸钠等，所述氧化剂为过硫酸铵、重铬酸钾、三氯化铁和碘酸钾等。所述喷涂方法具体制备步骤为：(1)通过超声1～5小时和搅拌处理1～5小时，将导电材料均匀分散在乙醇溶液中；(2)在具有一定牵伸应变的单褶弹性纤维上喷涂上述溶液1～5次；(3)干燥后，释放预牵伸应变。优选地，喷涂方法制备导电纤维步骤中，所述超声时间为2小时，搅拌时间为3小时，喷涂次数为3次。优选地，导电材料为碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料以及银纳米线等导电金属纳米材料。本专利技术还提供采用如上任一项所述的方法制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，弹性纤维表面具有一层弹性聚合物涂层褶皱，弹性聚合物涂层褶皱密度(沿纤维轴向100μm上褶皱的个数)为2～6个/100μm，弹性聚合物涂层褶皱平均高度(褶皱在纤维径向方向上的长度)为10～20μm；在弹性聚合物涂层褶皱上具有一层更细密的导电涂层褶皱，导电涂层褶皱密度为10～45个/100μm，导电涂层褶皱平均高度为0.5～5μm。作为优选的技术方案：如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，不敏感导电纤维的电导率为10-1～102S/m，在0.5x应变下的品质因子为0.1～6，在b应变下的加载卸载循环后的滞后程度为4～20％。电导率＝l/RS，其中R为长度为lm的纤维两端的电阻(Ω)，S(m2)为纤维的横截面积；品质因子Q＝(△l本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于：先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；/n由弹性聚合物浇筑成的匀质膜的弹性模量与弹性纤维弹性模量间的比值为0.5～2；/n在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度大于在单褶结构弹性纤维表面沉积导电涂层的厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于：先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
由弹性聚合物浇筑成的匀质膜的弹性模量与弹性纤维弹性模量间的比值为0.5～2；
在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度大于在单褶结构弹性纤维表面沉积导电涂层的厚度。


2.根据权利要求1所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于，所述预牵伸应变的大小为a，0<a<0.3x，所述牵伸应变的大小为b，a<b≤0.3x，x为弹性纤维的断裂伸长率。


3.根据权利要求2所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于，弹性纤维的断裂伸长率为50～2000％。


4.根据权利要求3所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于，弹性纤维为氨纶纤维、橡胶纤维或聚己内酯纤维。


5.根据权利要求1所述的一种仿生结构应...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛吉富，李沂蒙，高娅娅，李超婧，王富军，王璐，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31