CN109003711B - 一种柔性同轴导线的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种柔性同轴导线，包括：导电芯和包裹在所述导电芯外表面的静电纺膜，所述导电芯的材料为柔性导电材料，所述静电纺膜的材料为柔性高分子绝缘材料。且该柔性同轴导线的柔性好、电导率高，且具有外部绝缘、超柔、超轻的特点；且柔性同轴导线的稳定性和人体贴合性极佳，以静电纺膜作为绝缘层，还使其具有优异的生物相容性，可以与皮肤直接贴合，在可穿戴电子的集成方面，例如，个人医疗监测、人体运动检测、人机互动、虚拟现实娱乐技术等方面，表现出广阔的应用前景。

Description

一种柔性同轴导线的制备方法
技术领域
本发明涉及柔性可穿戴电子技术领域，更具体地，涉及一种柔性同轴导线的制备方法。
背景技术
近年来，可穿戴电子设备发展快速，成为下一代电子产品开发的重要趋势。作为可穿戴电子设备的重要分支，柔性导线在可穿戴电子的集成化中起到了重要作用。可穿戴电子器件之间的导电连接线应具有一定机械柔性、高可弯折性、高耐久性、生物相容性、外部绝缘性、防水性等特点以实现其可穿戴的特性以及其在个体医疗、运动检测、人机互动、虚拟现实娱乐技术等方面的广阔应用。
而传统基于金属导线的材料，由于其外部绝缘材料通常为较硬的树脂、塑料等，所以整体刚性较大；而且传统的导线不面向柔性可穿戴设备的应用，所以尺寸(直径)也较大。以上两点导致传统导线不便于和柔性电子器件贴合，无法满足柔性可穿戴电子设备集成的要求。
目前直径在微米级的柔性导线主要包括三类：1.石墨烯和碳纳米管等通过湿法纺丝得到的表面不绝缘的导电芯；2.在柔性或可拉伸的纤维或高分子表面通过化学或物理的方法修饰上一层导电纳米材料；3.在较细的金属导线外部包裹一层绝缘材料。相较于传统材料，新型柔性导电线更加微型化，成为柔性可穿戴电子领域研究的热点。如何制备具有高导电性、高力学强度、超柔、超轻、防水、防漏电、生物兼容性的导线成为柔性可穿戴电子集成化应用面临的重要挑战。
发明内容
针对上述的技术问题，本发明提供一种柔性同轴导线的制备方法。
第一方面，本发明提供一种柔性同轴导线，包括：导电芯和包裹在所述导电芯外表面的静电纺膜，所述导电芯的材料为柔性导电材料，所述静电纺膜的材料为柔性高分子绝缘材料。
其中，所述柔性导电材料包括：金属、碳材料或高分子导电材料；所述柔性高分子绝缘材料包括：人造高分子绝缘材料或天然高分子生物材料。
其中，所述碳材料包括：石墨烯、碳纳米管或碳纤维；所述人造高分子绝缘材料包括：聚乙烯吡咯烷酮或聚环氧乙烷；所述天然高分子生物材料包括蜘蛛丝或蚕丝。
其中，所述的柔性同轴导线，还包括：贴合在所述静电纺膜外表面的防水层。
其中，所述的柔性同轴导线，还包括：与所述导电芯及所述静电纺膜相互贴合的功能层，所述功能层包括传感层、变色层、储能层和药物释放层中的一层或多层。
第二方面，本发明提供一种制备柔性同轴导线的方法，包括：采用静电纺丝的方法将柔性高分子绝缘材料沉积在沿轴向旋转的导电芯上，以在所述导电芯的表面形成一层静电纺膜，且所述导电芯的材料为柔性导电材料。
其中，所述制备柔性同轴导线的方法，还包括：在所述静电纺膜外表面进行疏水涂层后处理，以得到具有防水功能的柔性同轴导线。
其中，所述制备柔性同轴导线的方法，还包括：将功能层的材料沉积在所述导电芯和所述静电纺膜之间，以在所述导电芯和静电纺膜之间形成功能层；且所述功能层包括传感层、储能层和药物释放层中的一层或多层。
其中，所述制备柔性同轴导线的方法，还包括：将变色层的材料沉积在所述导电芯和所述静电纺膜之间；或者，将变色层的材料涂覆在所述静电纺膜的外表面，以得到具有变色功能的柔性同轴导线。
其中，当静电纺膜的材料为蚕丝时，将所述柔性同轴导线置于100-280℃的惰性气氛下100-300分钟，以得到具有防水功能的柔性同轴导线。
本发明提供的一种柔性同轴导线及其制备方法，通过在导电芯表面包覆一层静电纺膜，且该导电芯的材料采用柔性导电材料，该静电纺膜的材料采用柔性高分子绝缘材料，则得到的柔性同轴导线的柔性好、电导率高，且具有外部绝缘、超柔、超轻的特点；且柔性同轴导线的稳定性和人体贴合性极佳，以静电纺膜作为绝缘层，还使其具有优异的生物相容性，可以与皮肤直接贴合，可以作为医用缝合线，在可穿戴电子的集成方面，可以作为电子器件的连接线，其在个人医疗监测、人体运动检测、人机互动、虚拟现实娱乐技术等方面，表现出广阔的应用前景。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的柔性同轴导线的绝缘层包覆方法示意图；
图2为本发明实施例提供的柔性同轴导线的扫描电子显微镜图；其中(a)为柔性同轴导线的电镜图，插图为传统绝缘导线的电镜图；(b)和(c)为导电芯表面的进一步放大图；(f)为导电芯的材料为碳纳米管的拉曼谱图；(d)和(e)为导电芯表面的进一步放大图；(g)为柔性高分子绝缘层的材料为蚕丝的拉曼谱图；
图3为本发明实施例提供的柔性同轴导线的电力性能测试图；其中(a)为柔性同轴导线的内部导电、外部绝缘的表征；(b)为导电芯在包覆静电纺膜前(实线)、后(虚线)的导电性能的测试结果图；(c)为导电芯在包覆静电纺膜前、后的力学性能的测试结果图；(d)为柔性同轴导线随拉伸程度增加所承受的应力和电流的变化图；
图4为本发明实施例提供的柔性同轴导线的击穿电压的电流数据图，从0V开始加电压过程中(a)为时间-电流图，(a)中插图为未击穿时柔性导电与静电纺膜之间的电流数据图，(b)为电压-时间图；
图5为本发明实施例提供的柔性同轴导线在包覆静电纺膜前、后，在不同湿度环境下电阻随时间的变化图；
图6为本发明实施例提供的柔性同轴导线在不同拉伸情况下的导电性能变化图；以及柔性同轴导线在5000次快速拉伸循环中的导电性能变化图；
图7为本发明另一实施例提供的柔性同轴导线在不同电压下的变色情况；
图8为本发明实施例提供的柔性同轴导线的不同功能层的形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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做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。
本发明实施例提供的柔性同轴导线，包括：导电芯和包裹在所述导电芯表面的静电纺膜，所述静电纺膜的材料为柔性高分子绝缘材料。
其中，导电材料包含碳材料、导电塑料和导电橡胶。
其中，高分子绝缘材料又称高分子电介质，用来隔离带电的或不同电位的导体，使电流能按一定方向流动的聚合物材料；其体积电阻率一般大于109Ω·cm。高分子材料绝大多数都具有优良的绝缘性、品种繁多、原料来源广泛、易于加工、性能可靠的优点，因此应用十分广泛。
其中，静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝；在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。
具体地，采用柔性导电材料作为导电芯，以及采用柔性高分子绝缘材料作为静电纺膜，即采用柔性高分子绝缘材料作为绝缘层，并将该柔性高分子绝缘材料采用静电纺丝技术包覆在导电芯的外表面，以形成一层静电纺膜，则该柔性同轴导线的柔性好、电导率高、质量轻；且柔性同轴导线的稳定性和人体贴合性极佳，以静电纺膜作为绝缘层，还使其具有优异的生物相容性，可以与皮肤直接贴合，可作为医用缝合线；在可穿戴电子的集成方面，可作为电子器件的连接线；其在个人医疗监测、人体运动检测、人机互动、虚拟现实娱乐技术等方面，表现出广阔的应用前景。
在上述实施例的基础上，所述柔性导电材料包括：金属、碳材料或高分子导电材料；所述柔性高分子绝缘材料包括：人造高分子绝缘材料或天然高分子生物材料。所述碳材料包括：石墨烯或碳纳米管或碳纤维；所述人造高分子绝缘材料包括：聚乙烯吡咯烷酮或聚环氧乙烷；所述天然高分子生物材料包括蜘蛛丝或蚕丝。
其中，常用的金属导电材料可分为：金属元素、合金(铜合金、铝合金等)、复合金属以及不以导电为主要功能的其他特殊用途的导电材料4类。
其中，高分子导电材料包括复合型高分子导电材料和结构型高分子导电材料，复合型高分子导电材料由通用的高分子材料与各种导电性物质通过填充复合、表面复合或层积复合等方式而制得。主要品种有导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等。结构型高分子导电材料，是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。根据电导率的大小又可分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体。
其中，石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。石墨烯是目前已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性。
其中，碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米管具有高模量、高强度、良好的柔韧性、特殊的电学性能和良好的传热性能等。其中，碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
其中，聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone)简称PVP，是一种非离子型高分子化合物，是N-乙烯基酰胺类聚合物中最具特色，且被研究得最深、广泛的精细化学品品种。其中，聚环氧乙烷又称聚氧化乙烯、缩乙二醇醚。由环氧乙烷经聚合而成的不同聚合度的物质。是聚醚的一种。有热塑性。低分子量的是稠状液体。溶于水。用途较少。高分子量的是蜡状固体。溶于氯仿、二氯乙烷、热苯或甲苯。
其中，蚕丝是熟蚕结茧时所分泌丝液凝固而成的连续长纤维，也称天然丝，是一种天然纤维。
具体地，柔性导电材料为金属、碳材料或高分子导电材料，且碳材料包括石墨烯或碳纳米管。柔性高分子绝缘材料为人造高分子绝缘材料或天然高分子生物材料；且人造高分子绝缘材料包括聚乙烯吡咯烷酮或聚环氧乙烷；所述天然高分子生物材料为蚕丝。因蚕丝具有良好的力学性能及极佳的生物相容性，优选蚕丝作为柔性同轴导线的静电纺膜层；因碳纳米管具有良好的电学性能和力学性能，优选碳纳米管纤维作为柔性同轴导线的导电芯。
在上述实施例的基础上，所述的柔性同轴导线，还包括：贴合在所述静电纺膜外表面的防水层。
其中，防水层中的疏水性分子偏向于非极性，并因此会溶解在中性和非极性溶液(如有机溶剂)中。疏水性分子在水里通常会聚成一团，而水在疏水性溶液的表面时则会形成一个很大的接触角而成水滴状。
具体地，在静电纺外表面设置防水层，例如，采用疏水性绝缘层材料或疏水涂层后处理得到的防水层，例如，疏水性绝缘层或疏水涂层的材料为用PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物等制作；或者用合成高分子熔体聚合物，例如，聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡等制作；则该柔性同轴导线具有防水功能，可用于对防水有一定要求的场所，扩大了该柔性同轴导线的应用范围。
在上述各实施例的基础上，所述的柔性同轴导线，还包括：与所述导电芯及所述静电纺膜相互贴合的功能层，所述功能层包括传感层、变色层、储能层和药物释放层中的一层或多层。
具体地，在导电芯和静电纺膜之间静电纺变色层、传感层、储能层和药物释放层中的一层或多层，相应地，变色层的材料为变色材料、传感层的材料为传感材料、储能层的材料为储能材料以及药物释放层的材料为药物释放材料。
若静电纺在导电芯和静电纺膜之间的为变色层，则该变色层与导电芯相接触，当该柔性同轴导线通电时，则该变色层的变色材料会有相应的颜色变化，因此，该柔性同轴导线具有变色功能。
若静电纺在导电芯和静电纺膜之间的为传感层，例如，该传感层的传感材料或温度和湿度的变化会产生相应的电学信号响应，则该柔性同轴导线具有传感功能。
若静电纺在导电芯和静电纺膜之间的为储能层，例如，在该柔性同轴导线通电时，该储能层的材料可以存储多余的热能，例如，该储能材料为相变储能材料，则该柔性同轴导线具有储能功能。
若静电纺在导电芯和静电纺膜之间的为药物释放层，在该柔性同轴导线通电时，该药物释放层包裹的药物在预热状态下外壳溶解，进而释放出内部药物，因此，该柔性同轴导线具有药物释放功能。
当然，静电纺在导电芯和静电纺膜之间的功能层也可以为多层，例如，静电纺在导电芯和静电纺膜之间的功能层包括变色层和传感层，则得到的柔性同轴导线同时具有变色功能和传感功能。或者，静电纺在导电芯和静电纺膜之间的功能层包括变色层、传感层、储能层和药物释放层，则得到的柔性同轴导线同时具有变色功能、传感功能、储能功能和药物释放功能。但静电纺在导电芯和静电纺膜之间的功能层并不局限于此。
在本发明实施例中，功能层包括变色层、传感层、储能层和药物释放层中的一层或多层，使得该柔性同轴导线具有相应的功能，进而得到具有多功能的柔性同轴导线，可扩大该柔性同轴导线的使用范围。
另外，变色层还可以贴合在静电纺膜的外表面，则贴合在静电纺膜外表面的变色层的材料为热致变色材料。即，在柔性同轴导线通电的情况下，静电纺膜的温度升高至该热致变色材料的变色温度时，该变色层的颜色会发生变化，则使得该柔性同轴导线具有变色功能。另外，在静电纺膜表面设置第二变色层后，还可以在导电芯与静电纺膜之间设置传感层、储能层和药物释放层中的一层或多层，以形成具有多功能的柔性同轴导线。
本发明实施例提供一种制备柔性同轴导线的方法，包括：采用静电纺丝的方法将柔性高分子绝缘材料沉积在沿轴向旋转的导电芯上，以在所述导电芯的表面形成一层静电纺膜，且所述导电芯的材料为柔性导电材料。
具体地，使得导电芯沿轴向旋转，然后将柔性高分子绝缘材料采用静电纺丝技术沉积该导电芯上，则可以得到柔性同轴导线。例如，利用柔性高分子绝缘材料为原料，如采用丝素蛋白1作为柔性高分子绝缘材料，制备静电纺丝原液2；利用柔性导电材料为原料，如采用碳纳米管3作为柔性导电材料，制备直径在微米级的导电芯4；将导电芯放置于特殊设计的装置5上使其沿轴向旋转，旋转同时开始静电纺，使旋转的导电芯承接电纺丝，从而达到包覆绝缘层的目的，进而得到柔性同轴导线6，如图1所示。
在本发明实施例中，柔性导电材料为导电芯，通过静电纺丝的方法在该导电芯外部包覆一层静电纺膜作为绝缘层，得到的柔性同轴导线，具备高导电性、高力学强度、超柔性、超轻、防水性、外部绝缘性、良好的生物兼容性等特点。
在上述实施例的基础上，所述柔性同轴导线的制备方法，还包括：在所述静电纺膜外表面进行疏水涂层后处理，以得到具有防水功能的柔性同轴导线。
具体地，在静电纺膜外表面进行疏水涂层后处理，例如，选择疏水性绝缘层材料或疏水涂层进行疏水处理，例如，疏水性绝缘层材料或疏水涂层的材料为用PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物等制作；或者用合成高分子熔体聚合物，例如，聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡等制作；则该柔性同轴导线具有防水功能，可用于对防水有一定要求的场所。
在上述实施例的基础上，所述柔性同轴导线的制备方法，还包括：将功能层的材料沉积在所述导电芯和所述静电纺膜之间，以在所述导电芯和静电纺膜之间形成功能层；且所述功能层包括：传感层、储能层和药物释放层中的一层或多层。
具体地，在导电芯和静电纺膜之间沉积功能层，则可以得到具有相应功能的柔性同轴导线，例如，采用静电纺丝的方法在导电芯和静电纺膜之间沉积相变储能材料，则可以得到具有储能功能的柔性同轴导线。例如，采用静电纺丝的方法在导电芯和静电纺膜之间沉积传感材料，则可以得到具有传感功能的柔性同轴导线。例如，采用静电纺丝的方法在导电芯和静电纺膜之间沉积药物释放材料，则可以得到具有药物释放功能的柔性同轴导线。但静电纺在导电芯和静电纺膜之间的电致性能改变层并不局限于此。
在本发明实施例中，功能层包括传感层、储能层和药物释放层中的一层或多层，使得该柔性同轴导线具有相应的功能，进而得到具有多功能的柔性同轴导线。
在上述各实施例的基础上，所述柔性同轴导线的制备方法，还包括：将变色层的材料沉积在所述导电芯和所述静电纺膜之间；或者，将变色层的材料沉积在所述静电纺膜的外表面，以得到具有变色功能的柔性同轴导线。
具体地，在导电芯和静电纺膜之间静电纺变色层，则该变色层的材料为电致变色材料，当该柔性同轴导线通电时，则该电致变色材料会有相应的颜色变化，因此，该柔性同轴导线具有变色功能。或者，在静电纺膜外表面静电纺变色层，则该变色层的材料为热致变色材料，当该柔性同轴导线通电时，静电纺膜的温度升高至该热致变色材料的变色温度时，该热致变色材料会产生相应的颜色变化，因此，该柔性同轴导线具有变色功能。
在上述各实施例的基础上，当静电纺膜的材料为蚕丝时，将所述柔性同轴导线置于100-280℃的惰性气氛下100-300分钟，以得到具有防水功能的柔性同轴导线。
具体地，将蚕丝为绝缘层的柔性同轴导线放入高温加热炉，通入惰性气氛，例如，通入氩气(110sccm)，以3摄氏度/分钟的速度升到250摄氏度，保持60分钟。自然降温后停止通入气体，取出即可得到具有防水功能的柔性同轴导线。
上述各实施例得到的柔性同轴导线，均可应用于柔性可穿戴设备，所述柔性可穿戴设备包括但不限于电子器件连接线、智能纤维或医用缝合线。
以下采用蚕丝作为静电纺膜材料、采用碳纳米管纤维作为导电芯对本发明进行举例说明，但并不用于限制本发明的保护范围。首先，制备静电纺膜溶液：将蚕茧在质量分数为0.5wt％的碳酸氢钠水溶液中煮沸60分钟脱除丝胶，然后将脱胶后的丝素蛋白纤维用去离子水清洗，待丝素蛋白纤维彻底干燥后，将15克丝素蛋白纤维放入46毫升的乙醇/57.6毫升的水/44.4克的氯化钙盐溶液体系中，70℃溶解6小时，然后将其在去离子水中透析72小时得丝素蛋白水溶液，然后将其冷冻干燥得丝素蛋白海绵。将0.3克丝素蛋白海绵溶解于3毫升无水甲酸得10wt％丝素蛋白甲酸溶液。
然后，制备柔性导电材料：S1、在含有800nm厚的二氧化硅膜的硅片上沉积生长碳纳米管所需的催化剂。本实施例采用电子束蒸镀的方法沉积催化剂，具体包括先在二氧化硅膜上蒸镀一层10nm的三氧化二铝，再在三氧化二铝层上蒸镀一层2-5nm的铁。S2、蒸镀后将基底(即硅片)进行超声清洗，清洗过程包括用丙酮、乙醇、水各超声15分钟。S3、将基底放入管式加热炉内，通入反应气体并升温：S3.1、所通入的气体中碳源为乙烯，通入量为30毫升每分钟(单位：sccm)，辅助气体使用的是氩气和氢气的混合气体，通入量分别为140sccm、10sccm。S3.2、管式加热炉的升温速率为73℃/min，反应温度为750℃，反应时间为10min。S4、所得碳纳米管垂直阵列为可纺阵列，即可以从阵列中连续抽出碳纳米管纤维，收集得到的碳纳米管纤维作为柔性导电材料。
其次，用静电纺膜包裹导电芯：即，利用静电纺丝技术，工作电压为25kV，工作距离为8-15cm,丝素蛋白甲酸溶液注射速度为1毫升/小时，进行静电纺丝。通过控制静电纺丝时间，可以控制得到的同轴导线的粗细，例如，柔性同轴导线经过静电纺装置的抽出速度设定为2毫米/秒，即可得到直径在200-500微米之间的柔性同轴导线。所设计的静电纺丝装置的示意图，如图1所示，在一端将导电芯纤维穿过两个同向旋转的电机的转轴，并使静电纺丝装置的喷头置于两个电机转轴连线的中点之上(8-15cm)，在另一端以一定速度不断抽出同轴导线，即可实现连续制备。电机旋转速度控制为1500转/分钟。静电纺膜沉积在高速旋转的导电芯上，形成绝缘层，如图2(a)-图2(g)所示。然后对得到的柔性同轴导线的电力性能进行测试，见图3(a)-图3(d)，可以得出包覆有静电纺膜(即，蚕丝)的柔性同轴导线具有较好的导电性、抗拉性，且柔性同轴导线在拉伸情况下，其电学性能和力学性能较稳定。并对该柔性同轴导线的绝缘性能进行测试，由图4可知，该柔性同轴导线的绝缘性能较好。
再次，对静电纺膜包裹导电芯的柔性同轴导线进行防水处理：将柔性同轴导线放入高温加热炉，通入氩气(110sccm)，以3摄氏度/分钟的速度升到250摄氏度，保持60分钟。自然降温后停止通入气体，取出得到具有防水功能的蚕丝同轴导线。将该具有防水功能的柔性同轴导线和碳纳米管纤维均处于相同湿度环境下，测试其电学性能，由图5可知，在湿度为10％、70％时，随着时间的延长，具有防水功能的柔性同轴导线与碳纳米管纤维的电阻变化较为接近，相差在1％以内，说明蚕丝外层的引入不会对导电芯的电学性能带来较大变化。最后，实现柔性同轴导线在大范围内的可拉伸性：将柔性同轴导线螺旋缠绕到预拉伸的弹性纤维上，所用弹性纤维为Ecoflex，直径为1毫米。在预拉伸100％的情况下，其最大导电拉伸可以达到100％。其在5000的循环测试中表现出良好的稳定性，具体表现为电阻变化小于1％，如图6所示。
对该实施例的柔性同轴导线进行力、电性能测量：利用SHIMADZU AGS-X万能拉伸试验机测量力学性能；利用Keithley2400/2410源表和综合物性测量系统测量电学性能，得到：
以蚕丝为外部绝缘层(即，静电纺膜)的柔性同轴导线，导电芯与绝缘层之间的击穿电压为346V(图4)，在此基础上：以碳纳米管纤维为导电芯的柔性同轴导线的导电率为3.1×104S/m，断裂伸长率为6.4％，拉伸强度为1100MPa(如图3(b)、(c))；以石墨烯纤维为导电芯的柔性同轴导线的导电率范围为105～2.2×107S/m，断裂伸长率为1～20％，拉伸强度为500-2200MPa。
值得注意的是，本发明实施例中的柔性同轴导线的性能主要由导电芯决定，外部电纺的绝缘层基本不影响内部导电芯原本的电学性能；同时，导电芯是主要的承力部分，改变导电芯的材料可以制备不同的导线，以满足不同应用的力学性能要求。
变色功能的处理步骤：为了使柔性同轴导线具有电致变色的功能，可以将变色材料直接电纺在导电芯和静电纺膜(绝缘层)之间；也可以将热致变色的粉体材料直接涂覆于绝缘层表面，通过通电过程中电流产生的焦耳热，使热致变色材料升温变色，从而实现变色纤维的功能。热致变色材料为商用温变粉，变色温度为37摄氏度，在高于37摄氏度的时候，温变粉由深绿色变为白色，如图7所示。当电压从0V加至10V，变色纤维逐渐由常温下的深绿色变为白色。
药物释放功能的处理步骤：为了使柔性同轴导线具有药物释放的功能，可以将热释放微胶囊负载到柔性同轴导线的静电纺膜上。当负载药物的柔性同轴导线作为医用缝合线时，可以通过加电压而加热静电纺膜中药物胶囊，使得药物在特定时期释放到伤口深处。此处热释放药物所用的胶囊膜为天然磷脂制备的热敏脂质体，膜相变温度是41℃-43℃，当电压加到15V时便可以将药物释放出来。
传感功能的处理步骤：PVDF作为柔性同轴导线的传感层材料，即，将PVDF作为压力传感层静电纺于导电芯与绝缘层(绝缘静电纺膜)之间，当柔性同轴导线受到外部压力时，可以检测到柔性导电芯中的电流信号有明显变化。从而实现其压力传感功能。
功能层的静电纺参数如下：
Figure GDA0002090305850000141
接收静电纺膜的电机在距离针头8-15厘米处，接收电机的旋转速度控制为1500转/分钟。图8展示了功能层PVB、PVDF和PVA的形貌。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种柔性同轴导线的制备方法，其特征在于，包括：
采用静电纺丝的方法将柔性高分子绝缘材料沉积在沿轴向旋转的导电芯上，以在所述导电芯的表面形成一层静电纺膜，且所述导电芯的材料为柔性导电材料，所述柔性导电材料包括：金属、碳材料或高分子导电材料；
制备得到的柔性同轴导线包括导电芯和包裹在所述导电芯外表面的静电纺膜，所述导电芯的材料为柔性导电材料，所述静电纺膜的材料为柔性高分子绝缘材料；
将功能层的材料沉积在所述导电芯和所述静电纺膜之间，以在所述导电芯和静电纺膜之间形成功能层，所述功能层包括传感层和药物释放层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在所述静电纺膜外表面进行疏水涂层后处理，以得到具有防水功能的柔性同轴导线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功能层还包括储能层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，还包括：将变色层的材料沉积在所述导电芯和所述静电纺膜之间；或者，将变色层的材料涂覆在所述静电纺膜的外表面，以得到具有变色功能的柔性同轴导线。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当静电纺膜的材料为蚕丝时，将所述柔性同轴导线置于100-280℃的惰性气氛下100-300分钟，以得到具有防水功能的柔性同轴导线。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性高分子绝缘材料包括：人造高分子绝缘材料或天然高分子生物材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳材料包括：
石墨烯、碳纳米管或碳纤维；
所述人造高分子绝缘材料包括：聚乙烯吡咯烷酮或聚环氧乙烷；
所述天然高分子生物材料包括蜘蛛丝或蚕丝。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110211729B (zh) * 2019-06-24 2021-02-26 南京邮电大学 一种多层同轴结构微电缆及其制备方法
CN111081411A (zh) * 2019-12-09 2020-04-28 河北碳垣纳米科技有限公司 碳纳米管纤维柔性电缆

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1545103A (zh) * 2003-11-24 2004-11-10 吉林大学 电纺丝法制备带有塑料绝缘皮的纳米级铜导线
CN102220658A (zh) * 2011-06-07 2011-10-19 扬州大学 聚对苯二甲酸丙二醇酯纳米导电纤维及制备方法
CN103173882A (zh) * 2013-04-11 2013-06-26 大连海事大学 制备石墨烯/蚕丝复合纤维的方法
CN105070366A (zh) * 2015-08-31 2015-11-18 中原工学院 一种碳纳米纤维电缆及其制备方法
CN105256407A (zh) * 2015-11-03 2016-01-20 西北工业大学 基于同轴静电纺丝工艺的“核-壳”结构的碳-碳化硅复合纳米纤维及制备方法
CN106968023A (zh) * 2017-05-05 2017-07-21 郑州大学 具有皮芯结构的导电高分子复合纤维及其制备方法
CN107103966A (zh) * 2017-04-01 2017-08-29 青岛大学 一种基于电纺的银纳米线/聚偏氟乙烯复合纳米电缆

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1545103A (zh) * 2003-11-24 2004-11-10 吉林大学 电纺丝法制备带有塑料绝缘皮的纳米级铜导线
CN102220658A (zh) * 2011-06-07 2011-10-19 扬州大学 聚对苯二甲酸丙二醇酯纳米导电纤维及制备方法
CN103173882A (zh) * 2013-04-11 2013-06-26 大连海事大学 制备石墨烯/蚕丝复合纤维的方法
CN105070366A (zh) * 2015-08-31 2015-11-18 中原工学院 一种碳纳米纤维电缆及其制备方法
CN105256407A (zh) * 2015-11-03 2016-01-20 西北工业大学 基于同轴静电纺丝工艺的“核-壳”结构的碳-碳化硅复合纳米纤维及制备方法
CN107103966A (zh) * 2017-04-01 2017-08-29 青岛大学 一种基于电纺的银纳米线/聚偏氟乙烯复合纳米电缆
CN106968023A (zh) * 2017-05-05 2017-07-21 郑州大学 具有皮芯结构的导电高分子复合纤维及其制备方法

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