CN109487394A - 一种包芯柔性导线及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种包芯柔性导线及其制备方法和应用，属于智能纺织复合材料领域。该包芯柔性导线包括芯部和包覆芯部表面的纱线，所述芯部包括石墨烯改性导电材料，所述纱线包括绝缘纤维。本申请的包芯柔性导线导电率高、质轻、柔性好，应用于智能纺织领域可保持普通纺织品的外观和触感，不会降低其舒适效果，同时制备工艺简单，成本低廉，适用范围广。

Description

一种包芯柔性导线及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及一种包芯柔性导线及其制备方法、导电织物和智能纺织品，属于智能纺织复合材料领域。

背景技术

性可穿戴智能纺织是近年来最炙手可热的研究热点，是智能纺织中最重要的一个分支。柔性可穿戴智能纺织将导电材料与传统非导电纺织灵活结合，颠覆了电子元件僵硬外壳的传统设定，使其变得柔软、弹性、轻便、灵活，可大面积接触皮肤，可随意大幅度变形而不影响人的活动与产品功能，并可实现长期穿戴，满足人们对于轻便性、柔软性和舒适性的要求。

纺织用导电材料主要用在抗静电纺织品、屏蔽电磁波纺织品、智能纺织品和防侦察伪装材料等领域。目前传统的导电纤维产品可选范围窄，金属纤维往往刚性较大，炭黑系纤维强力较差，颜色深黑色，普遍成本较高，舒适性欠缺。采用新材质和新技术制得的导电纺织品用途不断拓展，具有良好柔韧性的导电材料受到了广泛的关注。现有的柔性导线的外壳多为树脂或其它合成化学材料，且会含有各种添加剂，具有透气性差、吸湿散热性差、触感和舒适度不佳，不适合人体的长期服用接触。

发明内容

为了解决上述问题，提供了一种包芯柔性导线，该包芯柔性导线导电率高、质轻、柔性好，应用于智能纺织领域可保持普通纺织品的外观和触感，不会降低其舒适效果；同时提供的该包芯柔性导线的制备工艺简单，成本低廉，适用范围广。

根据本申请的一个方面，提供了一种包芯柔性导线，其包括芯部和包覆芯部表面的纱线，所述芯部包括石墨烯改性导电材料，所述纱线包括绝缘纤维。

所述石墨烯导电复合材料在所述合成纤维的表面的附着牢固度高，所述石墨烯改性导电材料的导电性好。所述纱线均匀的包覆在所述石墨烯导电复合材料的表面而防止其表面暴露。

可选地，所述石墨烯改性导电材料包括合成纤维和合成纤维表面粘附的石墨烯导电复合材料。

优选地，所述合成纤维选自腈纶纤维、涤纶纤维、尼龙纤维、丙纶纤维、氯纶纤维和锦纶纤维的一种或多种。这些合成纤维的柔性纱线具有良好的韧性，且有利于与石墨烯导电复合材料的牢固结合。本申请的石墨烯改性导电材料有利于后续与纱线通过包芯工艺制备包芯柔性导线。

优选地，所述石墨烯导电复合材料包含可导电的石墨烯材料。更优选地，所述石墨烯导电复合材料选自单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯和生物质石墨烯中的一种或多种。石墨烯导电材料在合成纤维的表面形成导电层，使得包芯柔性导线的一端至另一端是电性导通的。且石墨烯电阻率低、导热系数高导电率高，是制备柔性导线的绝佳材料。

为了使得包芯柔性导线具有更好的柔韧性和舒适度，对其使用的芯部和包覆芯部表面的纱线的纱支的了大量的实验探索。可选地，所述石墨烯改性导电材料中的合成纤维为短纤纱或长丝。

优选地，所述短纤纱纱支为40-120支。更优选地，所述短纤纱纱支为60-80支。

优选地，所述长丝纱支为30-200D。更优选地，所述长丝纱支为70-150D。

本申请的短纤纱纱支和长丝纱支的支数范围可以使得作为芯部的石墨烯改性导电材料具有优异的导电性能，并且适合做包芯纱线的芯纱，低于本申请的使用的合成纤维的细度的包芯柔性导线的导电效果不好，高于本申请的合成纤维的细度的的制备的包芯柔性导线容易暴露芯部。

可选地，所述包芯柔性导线的耐湿摩擦牢度达不小于3级，比电阻小于1.4×10⁵Ω·cm。

进一步地，所述包芯柔性导线的耐湿摩擦牢度达不小于4级，比电阻小于1.4×10⁵Ω·cm。

可选地，所述纱线的纱支为10-60支，所述绝缘纤维包括天然纤维和/或人造纤维。

优选地，所述纱线的纱支为16-32支，所述绝缘纤维选自棉纤维、竹纤维和蚕丝纤维中的一种或多种。本申请的纱线的支数范围可以使得能够比较均匀的包覆石墨烯改性导电材料，不漏芯。

为了进一步提高石墨烯导电复合材料在合成纤维表面的附着力，可选地，所述的包芯柔性导线还包括粘附于所述合成纤维表面的交联剂、湿摩擦牢度提升剂、分散剂和水。

优选地，所述石墨烯导电复合材料、交联剂、湿摩擦牢度提升剂、分散剂和水的重量比为3-6：1-3：1-3：0.2-1：2-5。进一步地，所述石墨烯导电复合材料、交联剂、湿摩擦牢度提升剂、分散剂和水的重量比为5：1.5：1：0.5：2。

进一步地，所述交联剂选自烯类交联剂、有机硅类交联剂和树脂类交联剂的一种或几种组合；优选环氧氯丙烷树脂交联剂。

进一步地，所述湿摩擦牢度提升剂选自交联反应型固色剂、聚胺类固色剂、季铵化反应性树脂、季铵盐类反应型高聚物以及水性聚氨酯类湿摩牢度提升剂，优选水性聚氨酯类湿摩牢度提升剂。

进一步地，所述分散剂选自阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型的一种或几种组合，优选木质素磺酸盐类和聚合物分散剂类。

根据本申请的另一方面，提供了一种上述包芯柔性导线的制备方法，首先通过染色工艺将合成纤维粘附石墨烯导电复合材料生产石墨烯改性导电材料，然后通过包芯工艺，在石墨烯改性导电材料外层包覆绝缘纤维制成的纱线，制备柔性导线。

该包芯柔性导线的制备方法包括下述步骤：

提供染料，所述染料中包含石墨烯改性导电材料、交联剂和溶剂；

提供石墨烯改性导电材料，通过染色方法将所述染料粘附在所述合成纤维表面；

提供纱线，所述纱线由绝缘纤维制得；

通过包芯工艺将所述纱线包覆在所述石墨烯改性导电材料的表面，制得所述包芯柔性导线。

优选地，所述染料还包括分散剂、湿摩擦牢度提升剂。所述染料包括重量比为3-6：1-3：1-3：0.2-1：2-5的石墨烯改性导电材料、交联剂、湿摩擦牢度提升剂、分散剂和水。

进一步地，所述纱线由粗纱工艺制得。由绝缘纤维制成的纱线均匀包覆在石墨烯改性导电材料的周围，不漏芯。绝缘纤维粗纱线优选天然纤维，具有优异的皮肤触感。

可选地，所述染色方法采用一浴两步染色法，其包括下述步骤：

1)初染工艺：将合成纤维在20-40℃的温度下使用染料和水的混合物中染色10-20min，染料用量为2-15％(o.w.f)；

2)复染工艺：调整染料用量为20-60％(o.w.f)，升温至40-100℃，染色时间20-60min，即制得所述石墨烯改性导电材料；

所述染料中的石墨烯导电复合材料的浓度为30-60wt％，所述初染和复染工艺的浴比为1:15-30。

进一步地，所述初染工艺中染料用量为6-10％(o.w.f)。进一步地，所述复染工艺中染料用量为30-50％(o.w.f)。

进一步地，所述染料中的石墨烯导电复合材料的浓度为30％-50％，浴比为1:20。

进一步地，所述复染工艺的温度为60-80℃，时间为30-40min。

可选地，所述复染工艺的升温速率为2-3℃/min。

采用一浴两步法的染色方法，所述石墨烯导电复合材料在所述合成纤维的表面的附着牢固度高，石墨烯改性材料能够均匀覆盖合成纤维表面，从而保证了所制备的石墨烯导电材料表面光滑，摩擦系数小，摩擦牢度提升。另一方面，调节上染温度及上染时间，保证石墨烯改性复合材料通过交联剂上染合成纤维的最佳条件。

可选地，所述纱线通过清花、梳棉、并条和粗纱工序制备制得。

作为一种实施方式，所述纱线通过下述方法制备得到：

a.清花：对绝缘纤维依次使用自动抓棉机、混开棉机、多仓混棉机、开棉机、振动棉箱给棉机、单打手成卷机进行处理，采用充分开松、无破洞的工艺原则，自动抓棉机的打手速度控制在720r/min，开棉机打手速度控制在480-560r/min，单打手成卷机打手速度为960-1000r/min，成卷罗拉的速度为10r/min；

b.梳棉：生产状态要求：温度28℃、湿度60％；工艺要求：将绝缘纤维分别进行梳棉，锡林速度为360-410r/min，刺辊速度控制在850-1100r/min，车速控制在60-70m/min；

c.并条：将绝缘纤维进行预并，然后将所述的一种或几种绝缘纤维进行三道并条，获得熟条，并条隔距为8mm×22mm-13mm×25mm之间，混一、混二、混三喇叭口为2.6mm-3.0mm之间；

d.粗纱：粗纱定量为6.0g/10m，牵伸隔距为10×24×32，钳口为5.5mm，捻系数为70-90之间，粗纱加压为控制范围120-135牛顿之间。

可选地，所述包芯工艺的锭速为11345-11405r/min，所述包芯工艺使用的细纱机的总牵伸倍数为33.86-42.26倍；所述包芯工艺的环境温度28-33℃，湿度58-62％。

优选地，所述包芯工艺的锭速为11375r/min，所述包芯工艺使用的细纱机的总牵伸倍数为38倍；所述包芯工艺的环境温度31℃，湿度60％。

作为一种实施方式，包芯工艺包括：石墨烯改性导电材料经过导纱杆、导丝轮进入浮游区与绝缘纤维须条汇合，将石墨烯改性导电材料调整在绝缘纤维须条中心位置，经前罗拉输出；对生产状态要求：温度31℃，湿度60％；工艺要求：锭速11375r/min，控制在±30r/min之内，所述包芯工艺使用的细纱机的总牵伸倍数为33.86倍-42.26倍。

所述包芯工艺使得所述纱线均匀的包覆在所述石墨烯导电复合材料的表面而防止石墨烯导电复合材料的表面暴露。

根据本申请的又一方面，提供了一种智能纺织品或导电织物，其特征在于，包括包芯柔性导线，

所述包芯柔性导线选自任一上述的包芯柔性导线和任一上述方法制备的包芯柔性导线中的至少一种。

优选地，所述包芯柔性导线作为智能纺织品的传感器和/或控制元件的信号传输。

本申请中的比浴是指合成纤维水的重量比，所述的水是指染色时和染料混合的水。

本申请中的单位o.w.f是指染料与合成纤维的重量比。

本申请的有益效果包括但不限于：

(1)本申请制备的包芯柔性导线导电性能达到纺织品要求，通过染色方式制备的石墨烯改性导电材料具有良好的附着牢固度和导电性能，耐湿摩擦牢度达到4级以上，比电阻<1.4×105/Ω·cm。

(2)本申请制备的包芯柔性导线外层采用天然纤维、人造纤维作为绝缘层，保证面料的舒适性，并具有良好的包覆均匀性，可保持普通纺织品的外观和触感，不会降低其舒适效果。

(3)本申请的包芯柔性导线可用于智能纺织品的传感器和控制元件的信号传输，并可保持普通纺织品的外观和触感，不会降低其舒适效果。

(4)本申请的包芯柔性导线制备方式工艺简单，成本低廉，柔性极佳，为传统导线提供了较为理想的替代品，特别适用于织造智能纺织品。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例涉及的包芯柔性导线横截面示意图。

图2为本申请实施例设计的包芯柔性导线制备织物的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。

参考图1，为本申请实施例涉及的包芯柔性导线的横截面示意图，该包芯柔性导线包括：芯部1和包覆在芯部表面的纱线2，包芯柔性导线通过芯部1和纱线2通过包芯工艺制成。芯部1包括石墨烯改性导电材料，其包括合成纤维12和粘附在合成纤维12上的石墨烯导电复合材料14，石墨烯导电复合材料14通过染色工艺粘附在合成纤维12的表面。纱线2包括绝缘纤维。

实施例1

本实施例的包芯柔性导线1#的芯部为石墨烯改性腈纶导电材料，支数为50D；包覆芯部的纱线为精梳长绒棉，支数为32支。所述石墨烯改性腈纶导电材料为采用一浴两步法染色方式将包含石墨烯导电复合材料的染料粘附腈纶长丝。所述染色工艺中使用的染料的生物质石墨烯、环氧氯丙烷树脂交联剂、水性聚氨酯湿摩擦牢度提升剂、木质素磺酸盐分散剂和水的种类比为3-6：1-3：1-3：0.2-1：2-5。进一步地，所述石墨烯导电复合材料、交联剂、湿摩擦牢度提升剂、分散剂和水的重量比为5：1.5：1：0.5：2。

工艺路线参考图2。①将长绒棉依次经过清花、梳棉、并条和粗纱工艺；②将石墨烯导电复合材料和合成纤维(如腈纶长丝)制成石墨烯改性腈纶导电材料；分别将①②制得的产品进行细纱包芯工艺制得包芯柔性导线，再进行后纺即后续纺制，即制得纺织制品。

包芯柔性导线的制备方法具体包括步骤：

1、石墨烯改性腈纶导电材料的制备：石墨烯导电复合材料通过一浴两步法染色方式均匀包覆在腈纶周围，具体染色方法包括下述步骤：

染料中石墨烯材料的质量百分含量为50％，浴比为1：20；

初染工艺为：常温加入包含石墨烯导电复合材料的染料溶液，运行15分钟，包含石墨烯导电复合材料的染料的用量为8％(o.w.f)；

复染工艺为：常温加入包含石墨烯导电复合材料的染料，运行10分钟，石墨烯导电复合材料溶液的用量为40％(o.w.f)；升温至60℃，升温速度控制在2-3℃/min，运行40分钟，固色：90℃，运行30分钟。

2、清花：对长绒棉使用自动抓棉机、混开棉机、多仓混棉机、开棉机、振动棉箱给棉机、单打手成卷机进行处理，采用充分开松、无破洞的工艺原则，自动抓棉机的打手速度控制在720r/min，开棉机打手速度控制在480-560r/min，单打手成卷机打手速度为960r/min，成卷罗拉的速度为10r/min。

3、梳棉：生产状态要求：温度28℃、湿度60％；工艺要求：将长绒棉进行梳棉，锡林速度为380r/min，刺辊速度控制在850-1100r/min，车速控制在70m/min。

4、并条：采用两道并条，并条隔距为10mm×22mm，车速211m/min。

5、粗纱：粗纱定量为6.0g/10m，牵伸隔距为10×24×32，钳口为5.5mm，捻系数为73。

6、包芯工艺(细纱)：石墨烯改性腈纶导电材料经过导纱杆、导丝轮进入浮游区与长绒棉纤维须条汇合，将石墨烯改性腈纶导电材料调整在长绒棉纤维须条中心位置，经前罗拉输出；对生产状态要求：温度31℃，湿度60％；工艺要求：锭速11375r/min，控制在±30r/min之内，使用的细纱机的总牵伸倍数为33.86-42.26倍。

实施例2

本实施例的包芯柔性导线2#的芯部为石墨烯改性涤纶导电材料，支数为70D；包覆芯部的纱线为精梳长绒棉/柞蚕丝，支数为21支，所述长绒棉/柞蚕丝中的长绒棉和柞蚕丝的比例为80：20。所述石墨烯改性涤纶导电材料为石墨烯导电复合材料采用染色工艺包覆涤纶长丝。

本实施例与实施例1的不同之处在于：

1、包芯柔性导线2#的绝缘纤维改为长绒棉与柞蚕丝混纺，石墨烯改性腈纶导电材料改为石墨烯改性涤纶导电材料，涤纶长丝在80℃碱性条件下处理15分钟，热洗过酸，测PH值为中性，再进行实施例1中的染色步骤，以增加涤纶与石墨烯导电材料的牢固度。

2、柞蚕丝原料需要添加抗静电剂加湿回潮；梳棉工序机后加装加湿器以提高其抱合力，龙头立柱内主动带轮由Ф100MM改Ф105MM；并条工序采用三道并条；粗纱工序设计捻系数提高至85。

对比例1

制备的对比包芯柔性导线D1#与实施例1的包芯柔性导线1#的制备方法不同之处在于：使用一浴一步法制备石墨烯改性腈纶导电材料，具体包括：

染色工艺：常温加入包含石墨烯导电复合材料的染料，运行20分钟，石墨烯导电复合材料溶液的用量为48％(o.w.f)；升温至60℃，升温速度控制在2-3℃/min，运行45分钟，固色：90℃，运行30分钟。

实施例3

对实施例1、实施例2和对比例1分别制备的包芯柔性导线1#、2#、对比包芯柔性导线D1#性能进行测试，可知包芯柔性导线1#、2#具有良好的附着牢固度和导电性能，可用于智能纺织产品、导电织物，而对比包芯柔性导线D1#的附着牢固度和导电性较差。以实施例1包芯柔性导线(石墨烯改性腈纶导电材料)为例说明测试结果见表1。

表1包芯柔性导线1#(石墨烯改性腈纶导电材料50D)的性能测试

表2对比包芯柔性导线D1#的性能测试

表1和表2当中序号1-4的检测项目参照GB/T 18401-2010B国家纺织产品基本安全技术规范进行，序号5检测项目通过比电阻仪检测石墨烯改性腈纶导电材料长丝束。

实测结果表明，本申请的包芯柔性导线1#导电材料具有良好的附着牢固度和导电性能，可用于智能纺织品的传感器和控制元件的信号传输，如智能运动服装、智能床品，监测心率、血压等指标。并可保持普通纺织品的外观和触感，不会降低其舒适效果。对比包芯柔性导线D1#的牢固度差，和导电性能差。本申请未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种包芯柔性导线，其包括芯部和包覆芯部表面的纱线，其特征在于，所述芯部包括石墨烯改性导电材料，所述纱线包括绝缘纤维。

2.根据权利要求1所述的包芯柔性导线，其特征在于，所述石墨烯改性导电材料包括合成纤维和合成纤维表面粘附的石墨烯导电复合材料；

优选地，所述合成纤维选自腈纶纤维、涤纶纤维、尼龙纤维、丙纶纤维、氯纶纤维和锦纶纤维的一种或多种；

优选地，所述石墨烯导电复合材料包含可导电的石墨烯材料；更优选地，所述石墨烯导电复合材料选自单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯和生物质石墨烯中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的包芯柔性导线，其特征在于，所述石墨烯改性导电材料中的合成纤维为短纤纱或长丝；

优选地，所述短纤纱纱支为40-120支；更优选地，所述短纤纱纱支为60-80支；

优选地，所述长丝纱支为30-200D；更优选地，所述长丝纱支为70-150D。

4.根据权利要求1所述的包芯柔性导线，其特征在于，所述包芯柔性导线的耐湿摩擦牢度达不小于3级，比电阻小于1.4×10⁵Ω·cm。

5.根据权利要求1所述的包芯柔性导线，其特征在于，所述纱线的纱支为10-60支，所述绝缘纤维包括天然纤维和/或人造纤维；

优选地，所述纱线的纱支为16-32支，所述绝缘纤维选自棉纤维、竹纤维和蚕丝纤维中的一种或多种。

6.根据权利要求2所述的包芯柔性导线，其特征在于，还包括粘附于所述合成纤维表面的交联剂、湿摩擦牢度提升剂、分散剂和水；

优选地，所述石墨烯导电复合材料、交联剂、湿摩擦牢度提升剂、分散剂和水的重量比为3-6：1-3：1-3：0.2-1：2-5。

7.权利要求1-6中任一项所述的包芯柔性导线的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

提供染料，所述染料中包含石墨烯改性导电材料、交联剂和水；

提供石墨烯改性导电材料，通过染色方法将所述染料粘附在所述合成纤维表面；

提供纱线，所述纱线由绝缘纤维制得；

通过包芯工艺将所述纱线包覆在所述石墨烯改性导电材料的表面，制得所述包芯柔性导线。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述染色方法采用一浴两步染色法，其包括下述步骤：

1)初染工艺：将合成纤维在20-40℃的温度下使用染料和水的混合物中染色10-20min，染料用量为2-15％(o.w.f)；

2)复染工艺：调整染料用量为20-60％(o.w.f)，升温至40-100℃，染色时间20-60min，即制得所述石墨烯改性导电材料；

所述染料中的石墨烯导电复合材料的浓度为30-60wt％，所述初染和复染工艺的浴比为1:15-30。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述纱线通过清花、梳棉、并条和粗纱工序制备制得；

所述包芯工艺的锭速为11345-11405r/min，所述包芯工艺使用的细纱机的总牵伸倍数为33.86-42.26倍；所述包芯工艺的环境温度28-33℃，湿度58-62％；

优选地，所述包芯工艺的锭速为11375r/min，所述包芯工艺的细纱机的总牵伸倍数为38倍；所述包芯工艺的环境温度31℃，湿度60％。

10.一种智能纺织品或导电织物，其特征在于，包括包芯柔性导线，

所述包芯柔性导线选自权利要求1-6中任一项所述的包芯柔性导线和权利要求7-9中任一项所述的方法制备的包芯柔性导线中的至少一种。