CN106468015A - 一种彩色轻质导电纺织线的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，涉及纺织品的加工。包括以下步骤：1)合成铜纳米线；2)制备铜银核壳结构纳米线；3)将步骤2)得到的铜银核壳结构纳米线与纤维素混合溶剂混合，得导电处理液，具体方法如下：将纤维素溶于乙酸乙酯和乙醇混合液中，再加入步骤2)得到的铜银核壳结构纳米线，振荡后即得导电处理液；4)纺织品经导电处理液浸泡后，提取、静置、干燥，得导电纺织线；5)重复步骤4)以增加纺织线的电导率；6)将导电纺织线包裹透明硅胶膜，得彩色轻质导电纺织线。可将各种纺织物制作为导电材料，且保持其本身的颜色、柔韧性、可洗涤性，制作方法简便，无需加热、化学处理。

Description

一种彩色轻质导电纺织线的制作方法

技术领域

本发明涉及纺织品的加工，特别是涉及一种彩色轻质导电纺织线的制作方法。

背景技术

随着纺织科技的日新月异，智能纺织品正在纺织领域掀起一场新的变革。一直在军用领域独受青睐的智能纺织品，渐渐融入人们的生产、生活中，成为时尚与科技相结合的纺织新宠，一些专家甚至推崇其为“纺织工业的未来”。20世纪六七十年代，“可穿戴的计算机”面世，最初的产品中，纺织品仅仅作为电缆和连接器的载体，其上简单地安装着电子元件。其体积庞大、功能单一，还不能称为真正的“智能纺织品”。20世纪80年代以来，在外界条件刺激下能够发生可逆相转变的智能凝胶引起了研究人员的特殊关注，很多学者尝试将水凝胶与纺织品结合以获取智能纺织品。1988年，美国陆军研究办公室组织了首届智能材料与结构的专题研讨会。1989年，日本的高木俊宜教授将信息科学融于材料物性和功能，首先提出了智能材料的概念。之后的数十年，智能纺织品的发展迅速。2000年，第一届Avantex国际未来服装用纺织品和技术论坛于法兰克福召开，智能纺织品掀开了神秘的面纱。智能纺织品包括了一下诸多的功能性，如：智能调温纺织品、形状记忆纺织品、防水透湿纺织品、变色纺织品、仿生纺织品、安防护纺织品、电子纺织品等。其中的电子功能的智能纺织品尤为重要，且与未来生活息息相关。

电子智能纺织品是基于电子技术，将传感、通讯、人工智能等高科技手段应用于纺织技术上而开发出的新型纺织品。由于电子元件的加入，为纺织品提供了新的解决途径，同时也带来了新的安全隐患和加工难题，因此与其它纺织品不同，针对电子智能纺织品的研究已形成一套独立的理论和实践体系。在电子智能纺织品的研发过程中，需要融合多学科知识，并注重科技与时尚的交融。为了实现电子智能纺织功能，导电型的纺织物就成为连接微小电子元件和纺织物之间的重要桥梁，因此各种导电纺织线和导电布的研究和开发，成功智能服饰设计革新的重要基础。

智能型纺织品经常是可导电性的(Conductive Textiles)，其导电性的功能来自：(1)涂布导电性物质(Conductive Coating)；(2)添加导电性物质(Conductive Filling)或使用(3)导电性纤维(Conductive Fibers)等，。一般导电性物质是由金属(Metal)、碳纤(Carbon)或导电性高分子(Conductive Polymers)所组成。其中纯金属纤维因具有刚性(Rigid)、不透明、质量重、价格昂贵、不易加工等等缺点。

由于上述问题，市面上可以获得导电金银线，一般都很重，而且通常只有金属、银灰色等金属色泽，彩色的轻质导电纺织线至今仍无法得到，亟待技术上的革新。2010年美国康奈尔大学表示，科学家通过合作研究开发出一种特殊的棉线，它能够像金属线那样导电，同时保持着普通棉线重量轻和穿着舒适的特性。但仍然不能表现纺织品的色彩和质地。近期，人们发现金属纳米线，例如Cu纳米丝和Ag纳米线通过压印法形成的透明导电薄膜具有优异的性能，可以和ITO相比拟。

发明内容

本发明旨在针对目前无法获得彩色轻质导电纺织线的缺失，提供可获得各类彩色轻质导电纺织线，使其具有很好的导电性，同时保持其轻质、色泽、柔韧性、稳定性，可纺织、可穿戴、最有利于应用在智能服饰的生长和设计的一种彩色轻质导电纺织线的制作方法。

本发明包括以下步骤：

1)合成铜纳米线；

2)制备铜银核壳结构纳米线；

3)将步骤2)得到的铜银核壳结构纳米线与纤维素混合溶剂混合，得导电处理液，具体方法如下：将纤维素溶于乙酸乙酯和乙醇混合液中，再加入步骤2)得到的铜银核壳结构纳米线，振荡后即得导电处理液；

4)纺织品经导电处理液浸泡后，提取、静置、干燥，得导电纺织线；

5)重复步骤4)以增加纺织线的电导率；

6)将导电纺织线包裹透明硅胶膜，得彩色轻质导电纺织线。

在步骤1)中，所述合成铜纳米线可采用碱性水溶液的葡萄糖还原法合成铜纳米线，具体方法如下：采用强碱稀释为碱性水溶液，作为反应溶剂，混合无机金属铜盐、葡萄糖和乙二胺，在100℃以下反应获得铜纳米线；所述强碱可采用NaOH、KOH等中的一种；所述无机金属铜盐可选自硝酸铜、氯化铜等中的至少一种；所述葡萄糖作为还原剂，乙二胺作为分散剂。

在步骤2)中，所述制备铜银核壳结构纳米线可采用弱酸性溶液的银离子包裹法制备铜银核壳结构纳米线，具体方法如下：在步骤1)得到的铜纳米线加入稀释弱酸和无机银盐，即得铜银核壳结构纳米线；所述弱酸可采用乳酸、抗坏血酸等中的至少一种；所述无机银盐可采用硝酸银、氯化银等中的一种。

在步骤3)中，所述纤维素可选自硝化纤维素、醋酸纤维素、醋酸-丙酸纤维素、醋酸-丁酸纤维素、丙酸纤维素、乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟乙基纤维素等中的至少一种。

在步骤4)中，所述纺织品可采用纺织线或纺织布，所述纺织线可选自棉线、丝线、麻线、涤纶线、尼龙线、锦纶线、维纶线、涤棉混纺线、合成纤维长丝线等中的至少一种；所述纺织布可选自棉布、化纤布、麻布、毛纺布、丝绸、混纺织物等中的至少一种；所述干燥可采用自然晾干或加热烘干。

在步骤6)中，所述透明硅胶膜可由硅胶弹性基体液和固化剂混合得硅胶试剂，再加热烘干，得透明硅胶膜，所述加热烘干的温度可为50～150℃，加热烘干的时间可为0.5h；硅胶弹性基体液与固化剂的质量比可为10︰(0.2～1)。

本发明的关键是：

1)本发明选择强碱(如NaOH、KOH)稀释作为反应溶剂、葡萄糖(作为还原剂)和乙二胺(作为分散剂)，合成亲水性铜纳米线。

2)采用稀释弱酸(乳酸、抗坏血酸其中一种或两种之混合液)，同时加入无机银盐(硝酸银、氯化银之一)，完成铜银核壳纳米线合成。

3)将铜银纳米线制成导电处理液，其成分包括纤维素，可为硝化纤维、醋酸纤维素、醋酸-丙酸纤维素、醋酸-丁酸纤维素、丙酸纤维素、乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟乙基纤维素，其中之一或两种以上之混合，溶于乙酸乙酯和乙醇混合液，提高其包覆能力。

4)将纺织线或纺织布，经过浸泡包覆，并取出自然晾干或者加热烘干，使用最简化工艺即可获得彩色透明导电纺织品。

5)该工艺可适用各类纺织品，包括各类纺织线，包括棉线、丝线、麻线、涤纶线、尼龙线、锦纶线、维纶线、涤棉混纺线或合成纤维长丝线等之一或其二者以上之混纺线；各类纺织布，包括棉布、化纤布、麻布、毛纺布、丝绸、及混纺织物等之一或者二者以上之混纺布。

6)涂覆硅胶透明薄膜，提高导电纺织物的机械耐受稳定性，使其耐受弯折、扭转、按压、洗涤等机械处理。包裹透明硅胶膜后的导电纺织线可提升纳米线网络机械耐受稳定性。

本发明取得良好的技术效果，完成各种纺织线、布的导电处理，制备出彩色轻质的导电纺织线，并成功应用于服饰缝制、LED甚至交流电灯泡的点亮测试。

本发明不仅可以将各种纺织物制作为导电材料，而且保持其本身的颜色、柔韧性、可洗涤性等，制作方法极为简便，无需加热、化学处理，本发明可实现纳米线导电网络包裹，获得彩色、透明、导电的各种纺织线，其电阻值可达2/cm。良好地保持了纺织线的质地、轻质、色泽、柔韧性、可洗涤性等；且可进行大规模的工业化制造，适宜应用于各类智能电子纺织品和服装，具有广泛性和灵活性。

附图说明

图1为制备的纯铜纳米线的SEM图。

图2为合成的银包裹Cu核壳结构纳米丝的SEM图。

图3为蚕丝线经过铜银纳米丝油墨浸泡次数与其电导的关系图。

图4为经过铜银纳米丝油墨处理过蚕丝线的光学显微图。

图5为经过铜银纳米丝油墨处理过蚕丝线的SEM图。

具体实施方式

以下以蚕丝线为例，结合附图，对本发明的实施方式和步骤作具体说明，令相关领域技术人员参照此说明文字，得确实实施之。

1、铜银纳米线的合成。

1)亲水性Cu纳米线的合成。

i)反应前准备工作：首先，配制反应试剂，

强碱(如NaOH、KOH)稀释为水溶液，4～12M/L,作为反应溶剂，

无机金属铜盐(硝酸铜、氯化铜其中一种或两种之混合)水溶液，0.1M/L，作为主反应物

葡萄糖水溶液，1g/ml，(作为还原剂)，

乙二胺，100％，(作为分散剂)，

其次，将反应加热箱设定值反应温度(55～90℃)，反应通常应在100℃以下进行，经过升温过程，使其温度稳定。

再次，准备好反应玻璃试剂瓶，须带密封盖。

ii)实验反应阶段：将上述反应试剂以1︰1︰1︰1之比例依次混合注入反应玻璃试剂瓶，并充分振荡，使之混合充分。盖上密封盖并拧紧。至于反应加热箱中，记时开始，经过约1h，反应结束。

iii)铜纳米线提纯：将反应产物溶液转移至离心管并放入离心机中进行离心处理。离心机转速为9000r/min，离心时间设为5min。离心结束后，纳米线固体沉积在离心管底部，将上层废液倒掉后，再次加入去离子水对离心管底部纳米线进行振荡。约1min后，对溶液进行第二次离心处理。重复此离心处理次数不少于3次，最后将纳米线保存在聚乙烯吡咯烷酮水溶液(5wt％)中，增加其分散性，如图1所示。

2)铜银纳米线的合成：

i)反应前准备工作：配制反应试剂，

铜纳米线的水溶液，1mg/ml

稀释弱酸溶液(如乳酸或抗坏血酸)，1M/L

聚乙烯吡咯烷酮水溶液，5wt％

无机银盐水溶液(如硝酸银或氯化银)，0.025M/L

ii)实验反应阶段：将上述反应试剂铜纳米线的水溶液、稀释弱酸溶液、聚乙烯吡咯烷酮水溶液，以4︰11︰4之比例混合注入反应玻璃试剂瓶，并放置于磁力搅拌器上，以600r/min转速搅拌3min；加入无机银盐水溶液(与铜纳米线的水溶液体积比4︰1)，继续搅拌1～2min，反应结束。

iii)铜银纳米线提纯：将反应产物溶液转移至离心管并放入离心机中进行离心处理。离心机转速为9000r/min，离心时间设为5min。离心结束后，纳米线固体沉积在离心管底部，将上层废液倒掉后，再次加入去离子水对离心管底部纳米线进行振荡。约1min后，对溶液进行第二次离心处理。重复此离心处理次数不少于3次，最后将纳米线保存在乙醇中，如图2所示。

2、纺织线导电处理液配制。将铜银纳米线制成导电处理液，以纤维素作为混合油墨溶剂，其成分可包含纤维素，可为硝化纤维、醋酸纤维素、醋酸-丙酸纤维素、醋酸-丁酸纤维素、丙酸纤维素、乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟乙基纤维素，其中之一或两种以上之,混合溶于乙酸乙酯和乙醇混合液，加入铜银纳米线振荡后获得导电处理液。

其试剂配制比例如下：(以硝化纤维为例)

硝化纤维，0.1g

丙酮,3g

乙醇,3g

乙酸乙酯,0.5g

甲苯,2g

3、纺织线或纺织布的导电处理。(以纺织线如蚕丝线为例)

将纺织线浸入配制好的铜银纳米线导电处理液中1min，完成纳米线对纺织线表面及纤维的包覆，取出放置于空气中，自然晾干或者加热烘干(40～100℃)，即可获得彩色透明导电纺织线。重复以上浸泡和烘干过程，可逐渐提升其导电性。比如，完成此循环10～12次，可获得2Ohm/cm的低线电阻，如图3所示。工艺极为简单，可进行大规模工业化生产。

其中各类纺织品，包括各类纺织线，包括棉线、丝线、麻线、涤纶线、尼龙线、锦纶线、维纶线、涤棉混纺线或合成纤维长丝线等之一或其二者以上之混纺线；各类纺织布，包括棉布、化纤布、麻布、毛纺布、丝绸、及混纺织物等之一或者二者以上之混纺布。

4、对铜银纳米线处理的导电纺织线进行测试分析。

通过对铜银纳米线处理的导电纺织线进行光学显微镜和SEM表征，从图4和5中，可以清楚的看到，铜银纳米线完全包裹了蚕丝线的各条纤维，形成纳米线线网络，这是使得纺织线导电的关键结构，从此得到确认。同时，由于所形成的纳米线网络，存在空隙，因此纺织线的色泽仍然可以很好的通过光反射透射，进入观察者眼睛，显示了其原本的颜色；另外，纳米线直径极细，机械性质非常柔软、质量很轻，因此仍然可以保存任何纺织线的柔韧性和轻质特性，这是纳米线网络的另一个关键特点，也是铜银纳米线修饰导电纺织线的优良性能的根本和基础。

5、外层透明硅橡胶覆薄技术。

在制作过程和导电纺织线的稳定性测试过程中，我们发现了铜银纳米线在纺织线表面的附着稳定性不够理想，比如用3M胶带进行粘附和撕扯后，其电阻会有所上升。为提高导电纺织物的机械耐受稳定性，我们提出采用在包覆铜银纳米线网络的表面，涂覆硅胶透明薄膜的方式。其中硅胶透明体，可由硅胶弹性基体液和固化剂以一定比例(10︰0.2～1)调配，制作涂覆硅胶试剂，以浸泡涂覆，加热烘干(50～150℃)0.5h。这样就可以在导电纺织线表面形成透明柔软的保护层，提高纳米线问过的固着力。既保持导电纺织线的电导，同时使其耐受弯折、扭转、按压、洗涤等机械处理，电导维持稳定不变。

6、彩色轻质导电纺织线的智能电子服饰应用实例。

为了进一步证明该发明工艺所制作的导电纺织线的应用能力，我们将其缝制到纺织物服饰制品上，如手套、衣物等，通过选择与服饰类似材质的纺织线和相近的颜色，可以隐蔽地将导电线缝织到布料上，并可简单缝接微小电子元器件(如LED)。当通以2.5V的直流电时，LED很稳定的发光，而完成了指示性手套的制作。表明该导电纺织线的良好导电特性和与智能服饰的完美兼容性。

此外，为了测试交流电的耐受能力，我们还进行了交流电通断测试，将其连接到交流110V的普通电灯作为导线，当接通电源时，灯泡可以成功被点亮且亮度明亮，经过1～2h的连续工作，灯泡发光依然稳定，导线也保持稳定。这证明了，该彩色导电线的交流电应用能力和50Hz频率下的稳定特性。

Claims (10)

1.一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)合成铜纳米线；

2)制备铜银核壳结构纳米线；

3)将步骤2)得到的铜银核壳结构纳米线与纤维素混合溶剂混合，得导电处理液，具体方法如下：将纤维素溶于乙酸乙酯和乙醇混合液中，再加入步骤2)得到的铜银核壳结构纳米线，振荡后即得导电处理液；

4)纺织品经导电处理液浸泡后，提取、静置、干燥，得导电纺织线；

5)重复步骤4)以增加纺织线的电导率；

6)将导电纺织线包裹透明硅胶膜，得彩色轻质导电纺织线。

2.如权利要求1所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述合成铜纳米线采用碱性水溶液的葡萄糖还原法合成铜纳米线，具体方法如下：采用强碱稀释为碱性水溶液，作为反应溶剂，混合无机金属铜盐、葡萄糖和乙二胺，在100℃以下反应获得铜纳米线。

3.如权利要求2所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于所述强碱采用NaOH、KOH中的一种；所述无机金属铜盐可选自硝酸铜、氯化铜中的至少一种；所述葡萄糖作为还原剂，乙二胺作为分散剂。

4.如权利要求1所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于在步骤2)中，所述制备铜银核壳结构纳米线采用弱酸性溶液的银离子包裹法制备铜银核壳结构纳米线，具体方法如下：在步骤1)得到的铜纳米线加入稀释弱酸和无机银盐，即得铜银核壳结构纳米线。

5.如权利要求4所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于所述弱酸采用乳酸、抗坏血酸中的至少一种；所述无机银盐可采用硝酸银、氯化银中的一种。

6.如权利要求1所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于在步骤3)中，所述纤维素选自硝化纤维素、醋酸纤维素、醋酸-丙酸纤维素、醋酸-丁酸纤维素、丙酸纤维素、乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟乙基纤维素中的至少一种。

7.如权利要求1所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于在步骤4)中，所述纺织品采用纺织线或纺织布，所述纺织线可选自棉线、丝线、麻线、涤纶线、尼龙线、锦纶线、维纶线、涤棉混纺线、合成纤维长丝线中的至少一种；所述纺织布可选自棉布、化纤布、麻布、毛纺布、丝绸、混纺织物中的至少一种。

8.如权利要求1所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于在步骤4)中，所述干燥采用自然晾干或加热烘干。

9.如权利要求1所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于在步骤6)中，所述透明硅胶膜是由硅胶弹性基体液和固化剂混合得硅胶试剂，再加热烘干，得透明硅胶膜。

10.如权利要求9所述一种彩色轻质导电纺织线的制作方法，其特征在于所述加热烘干的温度为50～150℃，加热烘干的时间为0.5h；硅胶弹性基体液与固化剂的质量比可为10︰(0.2～1)。