一种芯-鞘结构的可拉伸纤维及其制备方法与应用技术

本申请公开了一种芯

【技术实现步骤摘要】
一种芯
‑
鞘结构的可拉伸纤维及其制备方法与应用


[0001]本申请属于可拉伸导电纤维
，具体涉及一种芯
‑
鞘结构的可拉伸纤维及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]相较于传统的刚性结构材料，纤维因具有优异的机械强度、柔韧性和易于集成特性，可通过涂覆、电镀、编织等方式制备成可拉伸功能纤维，在在智能传感、可穿戴能源等众多领域具有巨大的应用潜力。可拉伸功能纤维可进一步通过编织方法与商用纤维、织物集成为智能纺织品，这是是纺织领域是革新，更是智能可穿戴设备发展的突破。然而，可拉伸功能纤维发展至今仍然存在诸多的问题：首先，纤维制备工艺复杂，成本较高；其次，柔性纤维材料与无机导电材料在模量、可拉伸性上存在严重的机械失配，通过复合得到的导电纤维机械强度低、柔韧性较差，很难实现纤维的导电性和可拉伸性的平衡；最后，涂覆的无机导电材料与纤维基底结合力较弱，易发生脱落现象，不利于可拉伸导电纤维的长期使用。因此，研制一种新型的低成本与高效的可拉伸纤维制备工艺，实现纤维的导电性和高可拉伸性的兼得，对于智能纺织品的发展具有重要意义。
[0003]静电纺丝是一种特殊的纤维加工制造工艺，具有制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等诸多优点。制备的静电纺丝纤维具有超高的长径比，纤维柔软且形状适应性好，并且，静电纺丝纤维具有高的比表面积，是无机导电材料理想的复合基材。进一步将静电纺丝纤维加捻制备单纱，单纱整体为纤维互相约束形成的多孔单纱，选择跨尺度的低维无机导电材料填充于多孔单纱内部，进一步采用静电纺丝纤维对单纱进行封装，不仅能够有效解决机械失配的问题，而且还能避免导电材料脱落引起的纤维电学性能的波动，这将使得高性能的可拉伸导电纤维制备成为可能。

技术实现思路

[0004]本申请旨在解决现有技术的不足，提出一种芯
‑
鞘结构的可拉伸纤维及其制备方法与应用，一方面，通过跨尺度的多孔单纱骨架与低维导电材料的设计与选择，缓解异质材料之间的机械失配问题，实现纤维的导电性和高可拉伸性的兼得，另一方面，采用芯
‑
鞘结构设计提升可拉伸纤维的耐久性与鲁棒性，最后，芯
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鞘结构的可拉伸纤维直接粘附在人体或编织到织物中，可用作柔性导线、人体运动机械能收集、自驱动压力传感、应变传感。
[0005]为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
[0006]一种芯
‑
鞘结构的可拉伸纤维，包括：作为芯结构的导电单纱和作为鞘结构的纤维封装层；
[0007]所述导电单纱由多孔单纱和低维导电材料构成；
[0008]所述纤维封装层由弹性体纤维薄膜构成。
[0009]优选的，所述多孔单纱由所述弹性体纤维薄膜进行加捻制备得到，作为所述导电单纱的基底材料；
[0010]所述低维导电材料在所述多孔单纱的表面构成导电网络。
[0011]优选的，所述弹性体纤维薄膜的材料为橡胶、苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺和乙烯共聚物中的任意一种；
[0012]所述低维导电材料为碳纳米管、石墨烯、二维碳化物、氮化物、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种或多种。
[0013]优选的，所述芯
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鞘结构的可拉伸纤维直径为80
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500μm，所述芯结构的直径为40
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200μm，所述鞘结构的厚度为20
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200μm。
[0014]本申请还提供了一种芯
‑
鞘结构的可拉伸纤维的制备方法，用于制备上述所述的可拉伸纤维，包括以下步骤：
[0015]利用静电纺丝法制备弹性体纤维薄膜；
[0016]将所述弹性体纤维薄膜激光切割后加捻制备得到多孔单纱；
[0017]将所述多孔单纱浸涂于低维导电材料分散液中，超声并烘干，得到导电单纱；
[0018]将所述弹性体纤维薄膜紧密包覆于所述导电单纱，制得所述芯
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鞘结构的可拉伸纤维。
[0019]优选的，所述静电纺丝法的制备工艺包括：静电纺丝电压为18
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22kV，给料量为0.4
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0.8ml/h，接收装置与泰勒锥之间的距离为15
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18cm，接收装置的转速为100
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500rpm，静电纺时间为1
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3h。
[0020]优选的，所述多孔单纱直接由所述弹性纤维薄膜在静电纺丝得到的基底上加捻制备，捻度为400
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1000捻/米。
[0021]本申请还提供了一种芯
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鞘结构的可拉伸纤维的应用，适用于上述所述的可拉伸纤维，包括：所述芯
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鞘结构的可拉伸纤维可以直接粘附在人体或编织到织物中，用于柔性导线、人体运动机械能收集、自驱动压力传感和应变传感。
[0022]与现有技术相比，本申请的有益效果为：一方面，通过跨尺度的多孔单纱骨架与低维导电材料的设计与选择，缓解异质材料之间的机械失配问题，实现纤维的导电性和高可拉伸性的兼得，另一方面，采用芯
‑
鞘结构设计提升可拉伸纤维的耐久性与鲁棒性。芯
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鞘结构的可拉伸纤维具有良好的形状适应性，可以直接粘附在人体皮肤表面或编织到织物中，作为柔性导线，可用于织物中电子元器件的连接，作为单电极模式的摩擦纳米发电机，可用于人体运动机械能收集与自驱动压力传感，作为纤维应变传感器，可用于人体运动的监测，展现出了较强的多功能应用潜力。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本申请实施例的芯
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鞘结构可拉伸纤维的结构示意图；
[0025]图2为本申请实施例的芯
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鞘结构可拉伸纤维制备方法的流程示意图；
[0026]图3为本申请实施例加捻制备的多孔单纱扫描电镜图片；
[0027]图4a为本申请实施例制备的多孔单纱浸涂低维导电材料后的扫描电镜图片，图4b为多孔单纱浸涂低维导电材料后横截面的扫描电镜图片；
[0028]图5a为本申请实施例芯
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鞘结构可拉伸纤维的扫描电镜图片，图5b为芯
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鞘结构可拉伸纤维横截面的扫描电镜图片；
[0029]图6a为本申请实施例芯
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鞘结构可拉伸纤维未拉伸时的照片，图6b为芯
‑
鞘结构可拉伸纤维拉伸时的照片；
[0030]图7为本申请实施例芯
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鞘结构可拉伸纤维用于机械能收集时的工作原理图；
[0031]图8a为本申请实施例芯
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鞘结构可拉伸纤维用于机械能收集时的短路电流，图8b为芯
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芯
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鞘结构的可拉伸纤维，其特征在于，包括：作为芯结构的导电单纱和作为鞘结构的纤维封装层；所述导电单纱由多孔单纱和低维导电材料构成；所述纤维封装层由弹性体纤维薄膜构成。2.根据权利要求1所述一种芯
‑
鞘结构的可拉伸纤维，其特征在于，所述多孔单纱由所述弹性体纤维薄膜进行加捻制备得到，作为所述导电单纱的基底材料；所述低维导电材料在所述多孔单纱的表面构成导电网络。3.根据权利要求1所述一种芯
‑
鞘结构的可拉伸纤维，其特征在于，所述弹性体纤维薄膜的材料为橡胶、苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺和乙烯共聚物中的任意一种；所述低维导电材料为碳纳米管、石墨烯、二维碳化物、氮化物、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种或多种。4.根据权利要求1所述一种芯
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鞘结构的可拉伸纤维，其特征在于，所述芯
‑
鞘结构的可拉伸纤维直径为80
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500μm，所述芯结构的直径为40
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200μm，所述鞘结构的厚度为20
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200μm。5.一种芯
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鞘结构的可拉伸纤维的制备方法，用于制备1
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4任一项所述的可拉伸纤维，其特征在于，包括以下步骤：利用静电纺丝法制备弹性体纤维薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，徐良旭，廖庆良，赵璇，樊留兵，赵树昌，光炜，赵淼，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：