CN107345367A - 可拉伸的超细导电纤维 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可拉伸超细导电纤维的构建和制备方法。上述可拉伸超细导电纤维，其构成至少包含弹性芯1和导电层2，可包含绝缘保护层3。弹性芯采用原材热熔后瞬间冷凝成丝方式制备而成，导电层在弹性芯上层层铺叠组成。该纤维同时具有良好的可拉伸性和导电性，拉伸1000%的情况下电阻变化小于2%；而且反复使用2000次以上，性能衰减仍小于5%，真正实现超大形变的同时保持性能稳定。

Description

可拉伸的超细导电纤维

技术领域

本发明涉及可拉神电子学领域，更确切的讲，涉及一种可拉伸的超细导电纤维。

背景技术

最初的导电纤维是采用直径约为8μm的不锈钢制成。70年代各种导电性的有机合成纤维蓬勃兴起，各种类型的导电纤维大量被研制开发出来。已开发的导电纤维主要有金属纤维、碳素复合纤维和腈纶铜络合纤维等。国内使用的导电纤维大多是用金属纤维或腈纶铜络合纤维和其他纤维混纺、交织而制成的。

虽然导电纤维种类繁多，但是以上方法制备出来的导电纤维几乎都存在着不可克服的问题，大形变与稳定的导电性无法共存。因为就材料学来讲，大形变和电阻稳定，本就是两个相互矛盾和对立的因素。刚性材料通常具有优异的导电性能，但是可拉伸性能差；柔性材料形变较大，但是导电性极差。世界各国的研究者正在实验寻找既有良好的导电性又具有柔韧性和可拉伸性的材料。目前，获得可拉伸导电纤维的方式主要有两种：一种方法是将导电纳米材料和弹性体混合制成复合材料，这种方法简单有效，通常可以获得具有较好可拉伸性和导电性的复合材料。但这种方法制备出的复合材料在拉伸过程中电阻不稳定，会增加几倍甚至上百倍。另外一种方法是在弹性体上建造具有特殊结构和构型的导电薄膜。这种“表面覆盖”方法可以使传统的金属材料和半导体材料承受一定程度的拉伸应变并保持较稳定的电阻。这种方法制备的导电弹性体材料在拉伸过程中电阻比较稳定，只是受导电材料本身力学性能的限制，材料最大应变通常小于20%。而且由于附着导电层薄，导电弹性体的电阻通常很大，且拉伸过程中电阻不稳定，极大的限制了可拉伸电子学的研究以及该导电弹性体在可拉伸器件的应用。

鉴于以上，如果可以研发另外一种方法，制备可大幅拉伸、同时导电性能稳定的超细纤维，在柔性电子领域、可穿戴产品中具有巨大的应用前景，可极大的推动柔性电子领域、尤其是可穿戴电子产品的发展。此外，可拉伸的导电纤维还可应用于其它领域，例如柔性显示器、太阳能电池、健康监测器和电子皮肤等。

发明内容

本发明提供一种可拉伸超细导电纤维的构建思路和制备方法。该材料同时具有良好的可拉伸性和导电性，拉伸1000%的情况下电阻变化小于2%，反复使用2000次以上，性能衰减仍小于5%。

上述超细导电纤维复合材料的构建，其构成至少包含弹性芯1和导电层2，可包含绝缘保护层3，结构示意图见说明书附图1。弹性芯采用原材热熔后瞬间冷凝成丝方式制备而成，导电层在弹性芯上层层铺叠组成。制备过程请参考说明书附图2，详情请见具体实施方式中的实施例说明。

本发明所述的可拉伸超细导电纤维，所述弹性层芯由白油与橡胶弹性体按照一定比例混合、热熔搅拌后，用木棒以较快的速率拉出橡胶，粘附在木棒上的橡胶在拉伸过程中遇到相对低温的空气凝固，便形成了弹性芯；此方法生成超软弹性芯直径约为40-450um。使用此方法制作的弹性芯具有极好的可拉伸性能，最高拉伸系数可达10倍以上，是目前橡胶材质中拉伸倍数最长的材料之一。该弹性芯为超细导电纤维超大形变的实现奠定了基础，同时也为导电纤维的导电层提供了附着基底。

本发明所述的可拉伸超细导电纤维，所述导电层采用石墨烯、单臂碳纳米管或者多壁碳纳米管等先进碳材料薄膜。石墨烯、碳纳米管本身具有轻的质量、优异的力学性能以及极好的导电性，由此制备超细导电纤维材料不仅具有强韧的结构，同时也可具备优异的电学性能。

本发明所述的可拉伸超细导电纤维，制备采用“表面覆盖”方法，将导电层薄膜（石墨烯薄膜或者高取向碳纳米管薄膜）均匀覆盖在大形变预拉伸的弹性芯表面（若是碳纳米管，碳纳米管取向平行于弹性层拉伸方向），形成层叠构造；释放该层叠结构，预拉伸的弹性纤维压缩石墨烯或者碳纳米管薄膜，形成多级褶皱结构，参考说明书附图3收缩状态下弹性芯和导电层形变示意图，再加上导电层优良的力学性能，具有可反复拉伸、可反复扭曲、可反复折弯不易损坏的特点。

本发明所述的可拉伸超细导电纤维，在弹性芯和导电层之上，可覆盖一层绝缘保护层。该绝缘保护层采用超软橡胶，该层既可以保证导电层在拉伸、折弯、扭曲时候不因为相互叠加、解叠加而发生大的电阻变化，同时也起到保护导电层、增大材料机械强度的作用。

目前，一般的弹性导电纤维可拉伸幅度（即应变范围）通常不超过30%，本发明所述超细导电纤维材料应变范围可达到1000%，而且电阻在拉伸过程中变化率小于2%；反复使用2000次以上，性能衰减仍小于5%，真正实现超大形变且性能稳定的超细导电纤维。

附图说明

附图1，（左）可拉伸超细导电纤维示意图，（右）横截面示意图，其中1弹性芯，2导电层，3绝缘保护层。

附图2，可拉伸超细导电纤维的制备过程示意图。

附图3，可拉伸超细导电纤维收缩状态下弹性芯和导电层形变示意图。

附图4，相同厚度不同层数下，超细导电纤维的单位长度电阻与拉伸长度的关系，m为碳管层数。

附图5，超细导电纤维在a弯曲、b扭转、c按压过程中电阻变化曲线图。

附图6，实施例最终得到的样品实物显微镜放大图。

附图7，实施例样品截面扫描电镜图。

具体实施方式

下面参照说明书附图2对本发明的实施方式进行详细说明。

本发明所述可拉伸超细导电纤维由弹性芯1、导电层2、绝缘保护层3层层铺叠形成。详细步骤如下：

（1）弹性芯的制备：本发明所述弹性芯由白油与橡胶弹性体按照一定比例混合，热熔搅拌后，用木棒以较快速率拉出橡胶，粘附在木棒上的橡胶在拉伸过程中遇到相对低温的空气凝固，便形成了弹性芯。见说明书附图2（a）。本实施例选用15#白油与热塑性橡胶SEBS按照5：1比例混合热熔，热熔温度200摄氏度左右；将直径为2.2mm的圆柱形木棒垂直插入熔融的橡胶中，然后以较快的速率拉出木棒，拉出的过程中，粘附在木棒上的橡胶遇到冷空气凝固，便形成了弹性芯。实验人员多次试验证明，橡胶的熔融温度为200 C的情况下，拉扯速度大约为10cm/s ,形成的橡胶芯的直径与木棒插入熔融橡胶中的深度成线性比例，如图2（b）所示。

本实施例后续步骤采用的超软弹性芯直径为250µm。

（2）导电层的制备：导电层可选择石墨烯、碳纳米管等先进碳材料薄膜，本实施例采用碳纳米管薄膜。将步骤1制备的超细弹性芯根据所需拉伸率拉伸至原长的1-10倍，优选的倍数为6-10倍，本实施例选取倍数为10倍。原直径250µm的弹性芯拉伸10倍之后，直径约为79µm。滴少许乙醇于弹性芯上，以利于后续导电层薄膜能紧密贴附在弹性芯上。待乙醇挥发后，在弹性芯之上铺设碳纳米管作为导电层，铺设过程中碳纳米管轴向全部平行于弹性芯轴向方向排列，如图2（c）所示。碳管可选层数范围1-20，最佳范围3-7层，层数太低容易导致铺设不均匀，太高会影响超细导电纤维的形变力度。本实施例选取的层数为6。铺设完毕之后，在碳纳米管之上滴少量乙醇，使碳纳米管全部浸润，可达到碳纳米管与弹性芯紧密贴合的作用。反复拉伸使其在沿轴及周长方向发生形变，几个循环的拉伸与收缩有助于确保纤维结构和属性的可逆性，如图2（d）所示。

（3）绝缘保护层的制备：最后在导电层2之上再次喷涂软橡胶制备绝缘保护层3，绝缘保护层可采用弹性较大的绝缘橡胶。本实施例采用第一步制备的弹性芯材料，制备方式采用热熔喷涂。喷涂形成的绝缘保护层厚度一般可以达到1-100微米，本实施例喷涂厚度50微米。该橡胶层主要起到两大作用：一是绝缘和保护作用，二是保证导电层2在拉伸、折弯、扭曲时候不因为碳纳米管层相互叠加、解叠加而发生大的电阻变化。

（4）至此，可拉伸的超细导电纤维制备完成。参考说明书附图6样品图、7样品扫描电镜图。

针对以上实施例补充说明、测试如下：

所述超细导电纤维的导电层由先进碳材料薄膜构成的，此处的先进碳材料薄膜可以为石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜，可以为单壁碳纳米管，亦可以为双壁或者多壁碳纳米管。薄膜层数数值越大，导电性能越好。请参考说明书附图3相同厚度不同层数下，超细导电材料的单位长度电阻与拉伸长度的关系，图中m为铺设碳纳米管层数。

上述步骤（2）碳纳米管导电层的铺设方法如下：碳纳米管层由一碳纳米管阵列制备得到，该碳纳米管阵列需基本沿同一方向取向排列。首先，根据所需宽度采用一定宽度的胶带或者刀片自碳纳米管阵列中选取多个碳纳米管一致往外拉伸，以一定的速度沿实际上垂直于碳管阵列生长方向拉伸碳纳米管，所述的多个碳纳米管在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离碳纳米管阵列的基底，并在范德瓦尔力的作用下，使选定的多个碳纳米管分别与其它相邻的碳纳米管首尾相连，连续拉出，根据所需长度，制备相应长度的取膜框并取膜，取下膜后，将其平行于基底方向均匀铺设于基底和电介质之上。

本实施例制备的可拉伸超细导电纤维，能够保持稳定的导电性能和机械性能，在弯曲，扭转，按压过程中，依旧保持电阻值的稳定，电阻变化不超过0.5%（参照附图5）。可拉伸超细导电纤维经过2000次反复拉伸和弯曲后，性能衰减小于5%。

另外，相关领域技术人员还可以依据本发明技术方案做其它变化，依据本发明技术方案所做的变化，都应包含在本技术方案所保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种可拉伸的超细导电纤维，其特征是：至少包含弹性芯和导电层，可包含绝缘保护层；弹性芯采用弹性橡胶原材热熔后瞬间冷凝成丝方式制备而成，导电层在弹性芯上层层铺叠组成。

2.如权利要求1所述的弹性芯，其特征是：由白油与橡胶弹性体按照一定比例混合、热熔搅拌后，用细长棒状物体以较快的速率拉出，粘附在棒上的橡胶在拉伸过程中遇到相对低温的空气凝固，便形成了弹性芯；此方法生成超软弹性芯直径约为40-450um；使用此方法制作的弹性芯具有极好的可拉伸性能，最高拉伸系数可达10倍以上。

3.如权利要求2 所述弹性芯，其特征是：橡胶弹性体优选sebs，白油与橡胶混合比例比例优选1：5（质量体积比）；热熔温度优选200摄氏度；细长棒状物优选直径为1-4mm的圆柱形木棒；拉出速率5-15cm/s，优选10cm/s。

4.如权利要求1所述的导电层，其特征是：采用质量轻、导电性强的先进碳材料，例如石墨烯、单臂或多壁碳纳米管。

5.如权利要求1所述的可拉伸超细导电纤维，其特征是：制备步骤如下：

（1）弹性芯的制备：本发明所述弹性芯由白油与橡胶弹性体按照一定比例混合，热熔搅拌后，用木棒以较快速率拉出橡胶，粘附在木棒上的橡胶在拉伸过程中遇到相对低温的空气凝固，便形成了弹性芯；

（2）导电层的制备：将步骤1制备的超细弹性芯根据所需拉伸率拉伸至原长的1-10倍，滴少许乙醇于弹性芯上，以利于后续导电层薄膜能紧密贴附在弹性芯上；待乙醇挥发后，在弹性芯之上铺设石墨烯或者碳纳米管薄膜作为导电层；导电层铺设层数1-20层，优选3-7层；铺设完毕之后，在导电层之上滴少量乙醇，使导电层全部浸润；反复拉伸使其在沿轴及周长方向发生形变，几个循环的拉伸与收缩有助于确保纤维结构和属性的可逆性；

（3）绝缘保护层的制备：最后在导电层之上再次喷涂软橡胶制备绝缘保护层，绝缘保护层可采用弹性较大的绝缘橡胶。