CN105648555B - 同轴导电弹性复合长丝及其制备方法 - Google Patents

同轴导电弹性复合长丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同轴导电弹性复合长丝，包括具有同轴结构的导电层、屏蔽层和绝缘层，绝缘层包裹在导电层外面，屏蔽层镶嵌于绝缘层内部，导电层由导电粒子和弹性聚合物基体组成，绝缘层由弹性聚合物组成，屏蔽层由导电金属颗粒和弹性聚合物基体组成。本发明利用三螺杆技术实现同心圆复合纺丝技术，所得到的弹性复合长丝包含三层结构，其中，导电层为复合纤维的轴部，弹性层为外部环状结构，在弹性层内含有一层很薄的电磁屏蔽层，且三层结构都以弹性聚氨酯为基体。由此，通过简单的步骤和较低的成本即可得到同时具有高弹性、高导电、屏蔽效果好的复合长丝，该长丝可编织到可穿戴面料中去，以实现电子传感设备在紧身面料中的使用。

Description

同轴导电弹性复合长丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合纤维技术领域，尤其涉及一种具有优良导电性、弹性好、变形量大且具有屏蔽功能的同轴导电弹性复合长丝及其制备方法。
背景技术
研究表明，我国正逐步进入“老年型”社会。人口老龄化进程的加快以及各种慢性病在中青年人群中有蔓延的趋势，人们健康意识和保健要求日益增强，所有这一切都正在推动医疗模式从以症状治疗为中心向以预防为主、早诊断、早治疗的模式转变。将医疗服务(如慢性病人监测和疾病康复医疗等)延伸到社区医生和家庭医生，这带来了家庭和社区医疗监护仪器的迅速发展。可穿戴式的无线医疗监护(health care)仪是此类远程实时监测的中心组件，只要戴上轻巧腕表型或其它可穿戴式医疗仪器，居民在家里就可以利用高频率的无线多通道数据传输方式，把相关的人体生理信号如心电图(ECG)、血氧饱和度(SpO2)和血压等数据参数，通过无线网络发送到医院监控中心，监控中心接收信号后作出相应紧急救护，达到远程实时监测的目的。因此，能够应用于准确探测生理信号变化的可穿戴式医疗设备的衣物材料是重要的研究课题。
金属丝具有良好的导电性能，但是将其加入用于穿着的纺织品时容易给人刺痒感。1974年美国杜邦公司采用复合纺丝技术成功制备出以炭黑为导电芯层的复合有机聚合物导电纤维，以用于抗静电纺织品及电磁屏蔽应用领域。聚合物导电纤维在穿戴纺织品中避免了因模量问题给人的不舒适感，而且在导电通道内可在外界刺激下能够快速可逆响应，具有智能及多功能实时监测的潜力，加上制备成本低，编织性及耐洗磨好，应用前景光明。
复合纺丝技术可以把导电颗粒及常规聚合物分层制备。例如将导电组分(碳纳米管、炭黑等)或含有导电组分的母粒与聚合物基体共混，再进一步纺丝得到导电纤维(CN1569939A,CN1438363A,CN101158058A,CN1584140A和CN1563526A)。通常而言，需要加入含量较高的导电粉末到物理共混熔融液中，来提高导电纤维的电学性能，这不仅会使得纺丝熔体过滤性变差，纺丝困难，还会导致纤维的力学性能大幅度下降。而湿法纺丝制备的导电纤维其电导率又偏低(CN1450210A)，而后期的在纤维表面简单的涂层或者沉积导电层，在实际使用中导电效果又容易受外界干扰，导电层也易脱落。而将纤维制备成大量微孔结构，然后将导电颗粒嵌入纤维内部的方法可以制备耐久性导电纤维(CN87104346A)，或者利用常规纤维在金属离子熔融液中煮练制备耐久导电纤维，但其导电性能都较差。常规化学纤维或面料表面黏附导电粒子(CN1424455A，CN1687511A，US6703123，US4716055，US4061827等)其导电耐久性差。目前应用较广的炭黑涂敷型有机导电纤维的电导率在10- 5W-1cm-1(>10-8W-1cm-1导电纤维最低值)左右，但后期编织过程有损坏导电层。
实现导电纤维的弹性，目前多利用复合技术，例如在弹力丝的表面在纺纱工艺中缠绕导电纤维(US20080282665A1，CN1813087B)，弹力纤维在拉伸时，宽松缠绕的导电纤维也随之拉伸变形，实现了弹性及导电的同时性。或者，在常规弹力丝的表面涂敷一层导电颗粒层(CN102121192B)。但这些弹力导电丝没有阐述拉伸时对导电性能的影响，另外，该导电丝的对外界的屏蔽功能也没有考虑。因此在可穿戴电子设备中应用时还具有局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同轴导电弹性复合长丝及其制备方法以提供一种具有优良导电性、弹性好、变形量大且具有屏蔽功能的同轴导电弹性复合长丝。
一种同轴导电弹性复合长丝，包括具有同轴结构的导电层、屏蔽层和绝缘层，所述导电层设置在复合长丝的中心，所述绝缘层设置在复合长丝的外层，所述屏蔽层连续设置于所述绝缘层内部呈且不与所述导电层接触，所述导电层由导电粒子和弹性聚合物基体组成，所述绝缘层由弹性聚合物组成，所述屏蔽层由导电金属颗粒和弹性聚合物基体组成。
优选地，组分的重量配比为：所述导电层占30～60份，所述屏蔽层占5～10份，其余部分为所述绝缘层的重量比重。
优选地，所述弹性聚合物基体为弹性聚氨酯类聚合物。
优选地，所述导电粒子为碳黑、石墨、石墨烯中的一种或两种以上的组合。
优选地，所述导电金属颗粒为纳米银系、镍系、铜系颗粒中的一种。
优选地，在所述导电层中含有50％～90％wt％的所述导电粒子，在所述屏蔽层中含有70％～90％wt％的所述导电金属颗粒。
相应地，本发明还提供一种用于制备如上所述的同轴导电弹性复合长丝的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1：将导电粒子分散于弹性聚合物熔融液中，通过超声进行分散，得到导电层熔融液；
步骤S2：将导电金属颗粒分散于弹性聚合物熔融液中，通过超声进行分散，得到屏蔽层熔融液；以及
步骤S3：将导电层熔融液、弹性聚合物熔融液和屏蔽层熔融液分别利用第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆挤压导入喷丝板的同轴复合喷丝孔挤出，使三者复合成一体并凝固成丝，形成同轴结构的导电层、屏蔽层和绝缘层，其中，导电层设置在复合长丝的中心，绝缘层设置在复合长丝的外层，屏蔽层连续设置于绝缘层内部且不与导电层接触。
优选地，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆的挤出速率相同。
优选地，用于超声分散的超声波频率为40～53KHZ，功率为50～300W。
优选地，所述弹性导电复合长丝的体积电导率为10-6～102W-1cm-1，断裂伸长率为200％～1000％。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：根据本发明提供的导电弹性复合长丝制备工艺方法，利用三螺杆技术实现同心圆复合纺丝技术，所得到的弹性复合长丝包含三层结构，其中，导电层为复合纤维的轴部，绝缘层为外部环状结构，在绝缘层内含有一层很薄的电磁屏蔽层，且三层结构都以弹性聚氨酯为基体。由此，通过简单的步骤和较低的成本即可得到同时具有高弹性、高导电、屏蔽效果好的复合长丝，该长丝可编织到可穿戴面料中去，以实现电子传感设备在紧身面料中的使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例制备的同轴导电弹性复合长丝的截面结构示意图。
图2为本发明一实施例制备的同轴导电弹性复合长丝的扫描电镜图。
图3为本发明一实施例制备的同轴导电弹性复合长丝时使用的复合喷丝孔的截面示意图。
图中：1-导电层；2-屏蔽层；3-绝缘层；4-喷丝板上对应于导电层的通孔；
5-喷丝板上对应于绝缘层的通孔；6-喷丝板上对应于屏蔽层的通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例制备的同轴导电弹性复合长丝的截面结构示意图。图2为本发明一实施例制备的同轴导电弹性复合长丝的扫描电镜图。如图1和图2所示，同轴导电弹性复合长丝包括具有同轴结构的1、屏蔽层2和绝缘层3，其中，导电层1设置在复合长丝的中心，绝缘层3设置在复合长丝的外层，屏蔽层2连续设置于绝缘层3内部且不与导电层1接触，导电层1由导电粒子和弹性聚合物基体组成，绝缘层3由弹性聚合物组成，屏蔽层2由导电金属颗粒和弹性聚合物基体组成。在本发明一实施例中，屏蔽层2设置于绝缘层3内部且呈连续的环状，本领域技术人员应该理解的是，屏蔽层2也可以以其他的形状连续设置于绝缘层3内部以起到屏蔽的作用，本发明并不以此为限。更具体地，导电层1为设置在复合长丝的轴部，绝缘层3为包裹在导电层1外面的外层环状结构，屏蔽层2为镶嵌于绝缘层3的内部的一层很薄的电磁屏蔽层。优选地，在弹性复合长丝的横截面中，导电层占横截面面积的50％，绝缘层占30％～40％，而屏蔽层占10％～20％。
进一步地，在导电层1中含有50％～90％wt％的导电粒子，即导电粒子与弹性聚合物基体的重量配比为：导电粒子：弹性聚合物基体为1:1～9:1。
进一步地，在屏蔽层2中含有70％～90％wt％的导电金属颗粒，即导电金属颗粒与弹性聚合物基体的重量配比为：导电金属颗粒：弹性聚合物基体为7:3～9:1。
进一步地，在同轴导电弹性复合长丝中，各组分的重量配比为：导电层1占30～60份，屏蔽层2占5～10份，其余部分为绝缘层3的重量比重。优选地，在本发明一实施例中，各组分的重量配比为导电层：屏蔽层：绝缘层为5:1:4。优选地，在本发明另一实施例中，各组分的重量配比为导电层：屏蔽层：绝缘层为6:1:3。
进一步地，弹性聚合物基体为弹性聚氨酯类聚合物。
进一步地，导电粒子为碳黑、石墨、石墨烯中的一种或两种以上的组合。优选地，在本发明一实施例中，在导电层中，导电粒子为70％wt％的碳纳米棒。优选地，在本发明另一实施例中，在导电层中，导电粒子为60％wt％的石墨烯粒子。
进一步地，导电金属颗粒为纳米银系、镍系、铜系颗粒中的一种或两种以上的组合。优选地，在本发明一实施例中，在屏蔽层中，导电金属颗粒为70％wt％的镍系颗粒(平均粒径为500nm)。优选地，在本发明另一实施例中，在屏蔽层中，导电金属颗粒为70％wt％的铜系颗粒(平均粒径为500nm)。
在本发明的另一实施例中，提供了一种制备如上所述的同轴导电弹性复合长丝的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将导电粒子分散于弹性聚合物熔融液中，通过超声进行均匀分散，得到导电层熔融液；
具体地，将50％～90％wt％的导电粒子分散于聚氨酯类聚合物熔融液中，通过超声均匀分散2～10分钟，得到导电层熔融液。
步骤S2：将导电金属颗粒分散于弹性聚合物熔融液中，通过超声进行均匀分散，得到屏蔽层熔融液；
具体地，将70％～90％wt％的导电金属颗粒溶于聚氨酯类聚合物熔融液中，通过超声均匀分散2～5分钟，得到屏蔽层熔融液。
步骤S3：将导电层熔融液、弹性聚合物熔融液和屏蔽层熔融液分别利用第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆挤压导入喷丝板的同轴复合喷丝孔挤出，使三者复合成一体并凝固成丝，形成同轴结构的导电层、屏蔽层和绝缘层，其中，导电层设置在复合长丝的中心，绝缘层设置在复合长丝的外层，屏蔽层连续设置于绝缘层内部且不与导电层接触。
进一步地，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆的挤出速率相同。
进一步地，用于超声分散的超声波频率为40～53KHZ，功率为50～300W。优选地，在本发明一实施例中，超声波频率50KHz，功率为200W。
进一步地，弹性导电复合长丝的体积电导率为10-6～102W-1cm-1，断裂伸长率为200％～1000％。
实施例1
将碳纳米棒70％wt％，分散于聚氨酯类聚合物熔融液中，通过超声分散10分钟，超声波频率为50KHz，功率为200W，使得碳纳米棒颗粒均匀分布于聚氨酯类聚合物熔融液中，将分散后的熔融液利用第一螺杆挤压导入喷丝板的中心孔，作为中心导电层挤出；在中心导电层的外侧利用第二螺杆挤出聚氨酯类聚合物熔融液作为导电层的绝缘包覆层，该绝缘层的聚氨酯和导电层中聚氨酯具有相同的分子量；将镍系颗粒(粒径平均为500nm)70％wt％，分散于聚氨酯类聚合物熔融液中，通过超声分散10分钟，超声波频率为50KHz，使得镍系颗粒均匀分布于聚氨酯类聚合物熔融液中，将分散后的熔融液利用放置于弹性绝缘层中间的第三螺杆挤压导入喷丝板挤出。由此，形成同轴结构的导电层、屏蔽层和绝缘层，其中，导电层占50份50，屏蔽层占10份，绝缘层占40份，且弹性导电复合长丝的体积电导率为10- 3W-1cm-1，断裂伸长率可达1000％。第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆的挤出速率相同，以保证相同拉伸速率及结构均匀性。
实施例2
将石墨烯粒子60％wt％，分散于聚氨酯类聚合物熔融液中，通过超声分散10分钟，超声波频率为50KHz，功率为200W，使得碳纳米棒颗粒均匀分布于聚氨酯类聚合物熔融液中，将分散后的熔融液利用第一螺杆挤压导入喷丝板的中心孔，作为中心导电层挤出；在中心导电层的外侧利用第二螺杆挤出聚氨酯类聚合物熔融液作为导电层的绝缘包覆层，该绝缘层的聚氨酯和导电层中聚氨酯一具有相同的分子量；将铜系颗粒(粒径平均为500nm)70％wt％，分散于聚氨酯类聚合物熔融液中，通过超声分散10分钟，超声波频率为50KHz,功率为200W，使得铜系颗粒均匀分布于聚氨酯类聚合物熔融液中，将分散后的熔融液利用放置于弹性绝缘层中间的第三螺杆挤压导入喷丝板挤出。由此，形成同轴结构的导电层、屏蔽层和绝缘层，其中，导电层占60份，屏蔽层占10份，绝缘层占30份，且弹性导电复合长丝的体积电导率为10-3W-1cm-1，断裂伸长率可达800％。第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆的挤出速率相同，以保证相同拉伸速率及结构均匀性。
根据本发明提供的导电弹性复合长丝制备工艺方法，利用三螺杆技术实现同心圆复合纺丝技术，所得到的弹性复合长丝包含三层结构，其中，导电层为复合纤维的轴部，绝缘层为外部环状结构，在绝缘层内含有一层很薄的电磁屏蔽层，且三层结构都以弹性聚氨酯为基体。由此，通过简单的步骤和较低的成本即可得到同时具有高弹性、高导电、屏蔽效果好的复合长丝，该长丝可编织到可穿戴面料中去，以实现电子传感设备在紧身面料中的使用。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种同轴导电弹性复合长丝，其特征在于，包括具有同轴结构的导电层、屏蔽层和绝缘层，所述导电层设置在复合长丝的中心，所述绝缘层包覆于所述导电层的外侧，所述屏蔽层连续设置于所述绝缘层内部且不与所述导电层接触，所述导电层由导电粒子和弹性聚合物基体组成，所述绝缘层由弹性聚合物组成，所述屏蔽层由导电金属颗粒和弹性聚合物基体组成。
2.根据权利要求1所述的同轴导电弹性复合长丝，其特征在于，各组分的重量配比为：所述导电层占30～60份，所述屏蔽层占5～10份，其余部分为所述绝缘层的重量比重。
3.根据权利要求1所述的同轴导电弹性复合长丝，其特征在于，所述弹性聚合物基体为聚氨酯类聚合物。
4.根据权利要求1所述的同轴导电弹性复合长丝，其特征在于，所述导电粒子为碳黑、石墨、石墨烯中的一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的同轴导电弹性复合长丝，其特征在于，所述导电金属颗粒为纳米银系、镍系、铜系颗粒中的一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的同轴导电弹性复合长丝，其特征在于，在所述导电层中含有50％～90％wt％的所述导电粒子，在所述屏蔽层中含有70％～90％wt％的所述导电金属颗粒。
7.一种用于制备如权利要求1-6所述的同轴导电弹性复合长丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1：将导电粒子分散于弹性聚合物熔融液中，通过超声进行分散，得到导电层熔融液；
步骤S2：将导电金属颗粒分散于弹性聚合物熔融液中，通过超声进行分散，得到屏蔽层熔融液；以及
步骤S3：将导电层熔融液、弹性聚合物熔融液和屏蔽层熔融液分别利用第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆挤压导入喷丝板的同轴复合喷丝孔挤出，使三者复合成一体并凝固成丝，形成同轴结构的导电层、屏蔽层和绝缘层，其中，导电层设置在复合长丝的中心，绝缘层包 覆于导电层的外侧，屏蔽层连续设置于绝缘层内部且不与导电层接触。
8.根据权利要求7所述的同轴导电弹性复合长丝的制备方法，其特征在于，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆的挤出速率相同。
9.根据权利要求7所述的同轴导电弹性复合长丝的制备方法，其特征在于，用于超声分散的超声波频率为40～53KHZ，功率为50～300W。
10.根据权利要求7所述的同轴导电弹性复合长丝的制备方法，其特征在于，所述弹性导电复合长丝的体积电导率为10-6～102W-1cm-1，断裂伸长率为200％～1000％。
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