CN107622818A - 一种弹性导线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹性导线，采用液态金属与弹性体，将弹性体设计为中空管体结构，液态金属填充其中空部，管体两端设置导电密封件作为导线的两电极端。该弹性导线兼具高电导率与高拉伸性能，并且制备简单，性能稳定，能够应用于各类电子产品，实现电子产品的小型化以及提高携带与使用的方便性。

Description

一种弹性导线及其制备方法

技术领域

本发明涉及导线制备技术领域，特别涉及一种弹性导线及其制备方法，可应用于可拉伸耳机线、可拉伸充电线、可拉伸导电线路等。

背景技术

随着物联网与可穿戴技术的发展，柔性、可伸缩器件是未来电子器件发展的主流趋势。其中，弹性导线是柔性器件发展的关键材料，近年来受到人们的广泛关注。

现有报道的弹性导线，主要由弹性体和导电体组成。导电体主要由金属薄膜，以Ag纳米线为代表的纳米线、纳米管、纳米颗粒等纳米材料，离子导体及其它材料等。弹性导线的复合结构主要有褶皱结构、螺旋结构、网状结构和直线结构等。其中，褶皱结构是把弹性体预拉伸后生长金属薄膜为导电体，释放后形成褶皱的导线；螺旋结构即类似于电话线结构；网状结构是采用金属纳米网为导电体的弹性导线。这三种弹性导线都是通过结构上的设计实现可拉伸的目的，但是存在导电性差、拉伸性能相对较差、以及体积较大等问题。直线结构采用弹性性能好的弹性体，如热塑性弹性体、热固性弹性体等，通过与离子导体等复合的方式实现大的拉伸性能，但是离子导体的导电性能比较差。

发明内容

针对现有弹性导线的不足，本发明提供一种新型的弹性导线，该弹性导线兼具高电导电性与高弹性。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：一种弹性导线，采用液态金属与弹性体，弹性体为两端开口的中空管体结构，称为弹性管，液态金属填充在管体的中空部，管体两端设置密封件，所述密封件为导电材料，并且所述密封件与液态金属形成电接触。

所述的弹性体在外力作用下可拉伸，可以是热塑性弹性体，也可以是热固性弹性体，包括但不限于热塑性弹性体(TPE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)等中的一种或者几种。

所述的液态金属材料是在室温下为液态的金属导电材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金等。

所述的密封件材料不限，包括铜、银、铟等。

作为一种实现方式，所述的密封件由与所述管体内壁结构相匹配的密封头，以及设置在该密封头周边的凸起组成。

作为优选，所述的弹性导线的横截面直径为0.5mm-10mm。

作为优选，所述的液态金属粘附在管体内壁，此时液态金属的体积优选占管体中空部体积的5％-10％。

作为优选，所述管体内壁面进行粗化处理，这样的处理有利于提高液态金属与管体内壁的粘附性，使大部分或者全部液态金属粘附在管体内壁，一方面能够减少液态金属的使用量，降低成本，另一方面避免导线一旦剪裁或者破裂，液态金属将溢出而导致的安全性问题。作为一种实现方式，管体内壁面包含若干凸起，所述凸起的结构不限，其横截面可以呈长方形、圆形、三角形，或者其他多边形等。

本发明还提供了以下三种制备上述弹性导线的方法：

(1)气压法：

采用气压法，在气压作用下将液态金属注射进弹性管中，然后用密封件密封管体两端。

在这种方法中，作为优选，所述的弹性管内壁面经过粗化处理。作为另一种进一步优选方式，所述的弹性管的内壁面设置若干凸起。作为进一步优选，待液态金属填充弹性管后静置一段时间，使液态金属粘附在弹性管内壁，然后控制气压使部分液态金属，即游离的液态金属移出弹性管。

(2)熔融挤出法：

弹性体采用热塑性材料，加热熔融该弹性体，使弹性体和液态金属同步挤出，并且弹性体位于液态金属的外壁，待弹性体固化后用密封件密封管体两端。

在这种方法中，优选采用挤出模具，所述的挤出模具是同轴套接在一起的两个中空管体，外部管体用于弹性体挤出，内部管体用于液态金属挤出。作为一种进一步优选方式，所述的外部管体内壁面经过粗化处理。作为另一种进一步优选方式，所述的外部管体的端面内壁设置若干凸起。在此基础上，作为更加优选，挤出完毕后静置一段时间，使液态金属粘附在弹性管内壁，然后沿轴向抽出或者吸出位于管体中部的部分液态金属，即游离的液态金属。

(3)电场法：

采用导电溶液，电极阳极与阴极置于该导电溶液中，通电状态下形成导电回路；将液态金属置于该导电溶液中靠近阴极一侧，将弹性管置于该导电溶液中，通电状态下，在电场作用下液态金属往阳极方向移动，从而使液态金属进入弹性管中，然后用密封件密封管体两端。

在这种方法中，作为一种优选，所述的弹性管内壁面经过粗化处理。作为另一种优选，所述的弹性管的内壁面设置若干凸起。作为进一步优选，待液态金属填充弹性管后断电静置一段时间，使液态金属粘附在弹性管内壁，然后通电使部分液态金属，即游离的液态金属移出弹性管。

本发明结合液态金属与弹性体构成弹性导线，将弹性体设计为中空管体结构，液态金属填充其中空部，管体两端设置导电密封件作为导线的两电极端，具有如下优点：

(1)液态金属具有优异的导电性，其电导率达到2×10⁶S/m；同时，液态金属具有优异的“柔性”，作为导电体不会限制弹性体的拉伸性能，因此本发明的弹性导线兼具高电导率与高拉伸性能，其电导率可达到3.4×10⁶S/m，拉伸倍率可高达3200％；

(2)本发明采用结构优化，能够降低导线中液态金属的含量，不仅降低了成本，而且提高了安全性，有利于实用化。

(3)本发明的弹性导线制备简单，性能稳定，能够应用于各类电子产品，例如将其以用于耳机线、电源线、电路线等，能够实现这些电子产品的小型化以及提高携带与使用的方便性。

附图说明

图1是本发明实施例1弹性导线中的弹性体与液态金属的结构示意图；

图2是本发明实施例1弹性导线中的密封件与管体的封装结构示意图；

图3是图2的右侧横截面结构图；

图4是本发明实施例1弹性导线的拉伸应变和电阻值关系；

图5是本发明实施例1弹性导线的伸长倍率与拉伸应力的关系图；

图6是本发明实施例2弹性导线中的弹性体与液态金属的结构示意图；

图7是利用电场法制备本发明实施例2弹性导线的结构图；

图8是本发明实施例3弹性导线中的弹性体与液态金属的结构示意图；

图9是利用同步挤出法制备本发明实施例3弹性导线的挤出模具结构示意图；

图10是图9的右侧横截面结构放大图；

图11是本发明实施例4弹性导线中的弹性体与液态金属的结构示意图；

图12是本发明实施例5中制得的耳机线未拉伸、拉伸一倍和拉伸两倍时耳机的频谱响应范围。

其中，附图标记为：1弹性体、2液态金属、3管体中部、4凸起、5密封头、6弹性管孔、7密封头凸起、8玻璃器皿、9氢氧化钠溶液、10阳极、11阴极、12挤出模具的头部、13外部管体、14内部管体、15模具凸起。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，弹性导线采用液态金属与弹性体，弹性体为热塑性弹性体TPE，液态金属为GaInSn合金。

如图1所示，弹性体1为两端开口的中空管体结构，液态金属2填充在管体的中空部。如图2与3所示(为了清楚起见，图2与图3较图1的尺寸比例进行稍许放大)，管体两端设置密封件，本实施例中密封件由与管体内壁结构相匹配的金属密封头5，以及设置在该密封头周边的凸起7组成，密封头5与液态金属2形成电接触，凸起7经弹性管两端的弹性管孔6伸出。

本实施例中，制备上述弹性导线的具体步骤为：

(1)用熔融挤出法制备弹性管，弹性管呈两端开口的中空管体，其内壁光滑，选取10厘米长的弹性管，在弹性管两端打孔，形成弹性管孔6；

(2)使用注射头以及气压控制器，气压控制器调节气压大小，在气压作用下将液态金属通过注射头注入弹性管的中空部；

(3)用密封头5密封弹性管的两开口端，并且密封头5与液态金属2形成电接触，密封头伸入弹性管的长度为2-3mm，在弹性管孔6的位置安装凸起7，用胶水固定伸入弹性管孔6的凸起部分。

对上述制得的弹性导线进行拉伸性电阻测试，测试结果如图4所示，可以看出，该弹性导线的电性能良好，拉伸前后电阻的绝对变化较小，导线伸长两倍后，电阻变化仅为1.5Ω。

测试上述制得的弹性导线的拉伸断裂率，如图5中，可以看出，该弹性导线最长可拉伸32倍。

实施例2：

本实施例中，弹性导线采用液态金属与弹性体，与实施例1相同，弹性体为热塑性弹性体TPE，液态金属为GaInSn合金。

本实施例中，弹性导线的结构与实施例1基本相同，所不同的是，如图6所示，液态金属粘附在管体的内壁，管体中部3呈中空状。

本实施例中，制备上述弹性导线的具体步骤为：

(1)用熔融挤出法制备弹性管，弹性管呈两端开口的中空管体，其内壁光滑，选取10厘米长的弹性管，在弹性管两端打孔，形成弹性管孔6；

(2)如图7所示，选取玻璃容器8，倒入氢氧化钠溶液9，在溶液中放入10厘米长的弹性体1和液态金属2，其中弹性管1的A端靠近液态金属2，另一端B端远离液态金属2，在液态金属2远离弹性体1的一侧放置铜板阴极11，并通负电，在弹性体1的B端放置铜板阳极10，通正电。在通电状态下，正负电极与氢氧化钠溶液形成电回路，在电场作用下液态金属往阳极方向移动，即往弹性管中移动，使液态金属填充进入弹性管中，然后停止通电，静置一段时间使至少部分液态金属粘附在弹性管内壁，接着继续通电，部分液态金属移出弹性管，剩余粘附于弹性管内壁的液态金属。

(3)用金属密封头5密封弹性管的两开口端，并且金属密封头5与液态金属2形成电接触，金属密封头伸入弹性管的长度为2-3mm，在弹性管孔6的位置安装凸起7，用胶水固定伸入弹性管孔6的凸起部分。

实施例3：

本实施例中，弹性导线采用液态金属与弹性体，与实施例1相同，弹性体为热塑性弹性体TPE，液态金属为GaInSn合金。

本实施例中，弹性导线的结构与实施例1基本相同，所不同的是，如图8所示，弹性体1的管体中空内壁面包含若干凸起。

本实施例中，制备上述弹性导线的具体步骤为：

(1)采用挤出机同步挤出弹性管和液态金属的方法。设计挤出模具，如图9所示，该挤出模具的头部是同轴套接在一起的两个中空管体13与14，内部管体14形成液态金属的挤出通道，液态金属2通过气压注入到内部管体14中，同时，外部管体13管与内部管体14形成热塑性弹性体的挤出通道。并且，如图10所示，外部管体13端部的内壁面含有凸起15，本实施例中，该凸起的截面呈长方形。

(2)弹性体颗粒放入挤出机中后加热，使其达到熔融状态。通过控制挤出机的挤出速度和液态金属的挤出气压，使弹性管从挤出模具的头部挤出一定时间后液态金属和弹性管从挤出模具的头部同步挤出。由于热塑性弹性体的热膨胀效应，弹性管的内壁膨胀从而与液态金属粘附，同时，液态金属也对弹性管起到降温冷却的效应。

(3)在弹性管两端打孔，形成弹性管孔6；用金属密封头5密封弹性管的两开口端，并且金属密封头5与液态金属2形成电接触，金属密封头伸入弹性管的长度为2-3mm，在弹性管孔6的位置安装凸起7，用胶水固定伸入弹性管孔6的凸起部分。

实施例4：

本实施例中，弹性导线采用液态金属与弹性体，与实施例1相同，弹性体为热塑性弹性体TPE，液态金属为GaInSn合金。

本实施例中，弹性导线的结构与实施例3基本相同，所不同的是，如图11所示，液态金属粘附在管体的内壁，管体中部3呈中空状。

本实施例中，制备上述弹性导线的具体步骤为：

(1)用挤出法制备弹性管，弹性管呈两端开口的中空管体，其内壁含有正方形凸起结构，选取10厘米长的弹性管，在弹性管两端打孔，形成弹性管孔6；

(2)使用注射头以及气压控制器，气压控制器调节气压大小，在气压作用下将液态金属通过注射头注入弹性管的中空部，然后关闭气压静置一段时间使至少部分液态金属粘附在弹性管内壁，接着打开气压，从弹性管中抽出部分液态金属，剩余粘附于弹性管内壁的液态金属。

(3)用金属密封头5密封弹性管的两开口端，并且金属密封头5与液态金属2形成电接触，金属密封头伸入弹性管的长度为2-3mm，在弹性管孔6的位置安装凸起7，用胶水固定伸入弹性管孔6的凸起部分。

实施例5：

本实施例中，弹性导线的结构与实施例1完全相同。

本实施例中，制备上述弹性导线的具体步骤与实施例1基本相同，所不同的是步骤(1)中选取30厘米长的弹性管，从而制得30厘米长的弹性导线。

采用四根上述制得的弹性导线焊接到耳机喇叭和配件中，制作成可拉伸的耳机线。

测试该耳机线未拉伸、拉伸一倍，以及拉伸两倍时耳机的频谱响应范围，结果如图12所示，耳机的频谱范围20-20kHz，即，耳机线在拉伸前长度为30厘米、拉伸一倍后长度为60厘米，以及拉伸两倍后长度为90厘米，都能工作于这个频率范围。因此，该可拉伸耳机线能正常工作。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弹性导线，采用液态金属与弹性体，其特征是：弹性体为两端开口的中空管体结构，液态金属填充在管体的中空部，管体两端设置密封件，所述密封件为导电材料，并且所述密封件与液态金属形成电接触。

2.如权利要求1所述的弹性导线，其特征是：所述弹性体包括热塑性弹性体(TPE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)中的一种或者几种；

作为优选，所述的液态金属是汞、镓铟合金、镓铟锡合金，或者过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金；

作为优选，所述的密封件材料包括铜、银、铟。

3.如权利要求1所述的弹性导线，其特征是：所述的密封件由与所述管体内壁结构相匹配的密封头，以及设置在该密封头周边的凸起组成；

作为优选，所述的管体内壁面经过粗化处理；或者，所述的管体内壁面包含若干凸起。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的弹性导线，其特征是：所述的液态金属粘附在管体内壁。

5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的弹性导线的制备方法，其特征是：采用气压法，在气压作用下将液态金属注射进弹性管中，然后用密封件密封管体两端。

6.如权利要求5所述的弹性导线的制备方法，其特征是：待液态金属填充弹性管后静置一段时间，使至少部分液态金属粘附在弹性管内壁，然后控制气压移出位于管体中部的液态金属。

7.如权利要求1至3中任一权利要求所述的弹性导线的制备方法，其特征是：弹性体采用热塑性材料，加热熔融该弹性体，使弹性体和液态金属同步挤出，并且弹性体位于液态金属的外壁，待弹性体固化后用密封件密封管体两端。

8.如权利要求7所述的弹性导线的制备方法，其特征是：采用挤出模具，所述的挤出模具是同轴套接在一起的两个中空管体，外部管体用于弹性体挤出，内部管体用于液态金属挤出；

作为优选，挤出完毕后静置一段时间，使至少部分液态金属粘附在弹性管内壁，然后沿轴向抽出或者吸出位于管体中部的液态金属。

9.如权利要求1至3中任一权利要求所述的弹性导线的制备方法，其特征是：采用导电溶液，电极阳极与阴极置于该导电溶液中，通电状态下形成导电回路；将液态金属置于该导电溶液中靠近阴极一侧，将弹性管置于该导电溶液中，通电状态下，在电场作用下液态金属往阳极方向移动，从而使液态金属进入弹性管中，然后用密封件密封管体两端。

10.如权利要求9所述的弹性导线的制备方法，其特征是：待液态金属填充弹性管后断电静置一段时间，使至少部分液态金属粘附在弹性管内壁，然后通电使位于管体中部的液态金属移出弹性管。