CN109735953A - Tpe/pani皮芯结构弹性导电纤维制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴湿法纺丝技术制备TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维和可穿戴应力传感应用，其中所制备的方法包括将溶解于二氯甲烷的苯乙烯与2‑甲基‑1，3‑丁二烯聚合物(TPE)和聚苯胺(PANI)水凝胶皮芯湿法纺丝制备出具有皮为TPE，芯为PANI结构的高弹性导电纤维。由于TPE本身具有良好的可拉伸性能和无毒；PANI本身导电性能优越；以及在TPE管内粘连了大量的PANI，在拉伸过程中，可通过拉伸错位继续构成导电通路。因此本发明可以作为可穿戴器件，很好的对手指弯曲变化；腕部转动和肘部转动弯曲响应，并模拟得出一系列相应的工作曲线。

Description

TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法及应用

技术领域

本发明涉及基于皮芯结构的弹性导电纤维材料的制备方法和可穿戴应用，属于纤维纺丝生产制备技术领域。

背景技术

可拉伸导体是可穿戴电子设备，柔性显示器，晶体管，机械传感器和能量设备的重要组成部分。可拉伸纤维导体对于下一代可穿戴电子设备非常重要，因为它们很容易批量生产，编织成织物，用作应变传感器和电子皮肤。在设计应变传感器纤维之前，必须考虑几个关键因素，包括人体运动的较大拉伸范围，应变传感器的电阻与应变之间的良好线性关系，高灵敏度(GF)和快速响应时间。此外，应变传感器的电阻应具有以下性质：易于通过材料的应变和回弹来控制，数千个周期后的高度稳定的传感信号以及易于检测的低电阻。

与市场上现有的应变传感器相比，电阻式传感器由于其合成工艺简单，运行时能耗低，机械性能可调，易于检测等特点，具有更大的应用前景和市场前景。虽然市场上现有的电阻式应变传感器的合成工艺简单，制造成本低，但拉伸性能只能达到5％，不足以满足穿戴应变传感的需求(一般形变要求大于50％)。因此，应变电阻传感器的研究目前主要集中在最大应变范围，灵敏度和快速响应时间上。

设计纤维应变传感器主要有两种思路。首先，在拉伸状态下，通过物理或化学键，在弹性纤上维涂覆一层导电材料，以赋予弹性纤维导电性。然而，导电网络的一些接触活性部位可能在反复拉伸往复的过程中被破坏，导致弹性纤维传感器的GF和耐久性变差。另一个被广泛使用的思路是将导电材料和弹性聚合物直接混合，然后通过熔融纺丝或湿法纺丝合成弹性电阻式纤维传感器。由于纤维内部的导电材料可以很好地构建成导电网络，并且活性部位和弹性基体结合牢固。因此，该方法用于合成适用于各种人体运动模拟的可穿戴式纤维传感器。但由于弹性聚合物掺杂导电材料，内部分子排列紊乱，纤维拉伸性能差，导电性差，限制了该方法合成纤维的应用。

因此，具有较大的GF，优良的拉伸性能，能耗低，能够很好的模拟人体大规模和超微动作模拟的弹性导电纤维制备方法是本发明亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种有较大的GF，优良的拉伸性能，能耗低，能够很好的模拟人体大规模和超微动作模拟的弹性导电纤维制备方法。本发明的另一个目的是提供通过上述方法制备得到纤维的应用。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物和PANI水凝胶皮芯湿法纺丝，制得弹性导电纤维。

优选地，所述皮芯湿法纺丝包括以下步骤：

步骤101、将二氯甲烷和苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物混合，制得芯结构纺丝液M1；

步骤102、将苯胺溶解于稀盐酸溶液后，加入过硫酸铵，制得芯结构PANI水凝胶纺丝液M2；

步骤103、分别将芯结构纺丝液M1和芯结构PANI水凝胶纺丝液M2装入推进泵，连接好皮芯针头，乙醇为凝固浴，湿法纺丝制得所述弹性导电纤维。

优选地，步骤101中，相对于100g的所述二氯甲烷，所述苯乙烯与所述2-甲基-1，3-丁二烯聚合物的用量为50g。

优选地，步骤102中，相对于100g的所述水，所述聚苯胺和过硫酸铵的用量分别为10g和27g。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的制备方法制备得到的弹性导电纤维的应用，其特征在于，将所制得的弹性导电纤维与铜丝、导电胶和环氧胶组装成拉伸传感器。

优选地，所述拉伸传感器的组装方法包括以下步骤：

步骤201、将弹性导电纤维两端剪断制得线段M3；

步骤202、将线段M3的两端分别插入沾有导电胶的铜丝，制得线段M4；

步骤203、将线段M4两端用环氧胶固定，制得器件M5，器件M5即为所述拉伸传感器。

优选地，将所述器件M5接入到数字源表和万能材料试验机联用设备中，控制拉伸速率，得到一系列电阻与时间变化图；

或将所述器件M5接入到数字源表和身体不同部位的皮肤上，通过控制腕部和肘部的变化，得到一系列工作曲线。

通过上述技术方案，本发明可以作为可穿戴器件，很好的对手指弯曲变化；腕部转动和肘部转动弯曲响应，并模拟得出一系列相应的工作曲线。本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1A是实施例1中制得的基于弹性导电纤维材料的外形图；

图1B是实施例1中制得的基于弹性导电纤维材料原始和拉伸外形图；

图2A是实施例2中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器的相对应变-相对电阻变化图和计算出相应的GF；

图2B是实施例2中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器在不同应变下的电阻变化图；

图2C是实施例2中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器在不同拉伸频率下的电阻变化图；

图3A和图3B是实施例2中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器的实时响应时间图；

图3C是实施例2中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器在速率为200mm/min，应变在0％-200％之间的电阻变化图；

图4A是实施例3中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器安装在人体伸直手指上的外形图；

图4B是实施例3中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器安装在人体弯曲手指上的外形图；

图4C是实施例3中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器模拟人体手指运动工作曲线；

图5A是实施例3中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器安装在人体伸直肘部上的外形图；

图5B是实施例3中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器安装在人体弯曲肘部上的外形图；

图5C是实施例3中制得的基于弹性导电纤维材料组装的应变传感器模拟人体肘部运动工作曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供了基于弹性导电纤维材料的制备方法，其中，所述制备方法包括：将苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物和PANI水凝胶皮芯湿法纺丝，制得弹性导电纤维。

上述方法制备的弹性导电纤维中，TPE本身具有良好的可拉伸性能和无毒；PANI本身导电性能优越；以及在TPE管内粘连了大量的PANI，在拉伸过程中，可通过拉伸错位继续构成导电通路。因此本发明可以作为可穿戴器件，很好的对手指弯曲变化；腕部转动和肘部转动弯曲响应，并模拟得出一系列相应的工作曲线。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，所述二氯甲烷，所述苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯，所述盐酸，所述苯胺，所述过硫酸铵为常规市售品。

实施例1

本实施例公开了一种TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法，包括以下步骤：

1)将二氯甲烷和苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物混合，制得芯结构纺丝液M1；

2)将苯胺溶解于稀盐酸溶液后，加入过硫酸铵，制得芯结构PANI水凝胶纺丝液M2。

3)分别将纺丝液M1和纺丝液M2装入推进泵，连接好皮芯针头，乙醇为凝固浴，湿法纺丝制得弹性导电纤维。制得的弹性导电纤维材料如图1A所示，其弹性效果如图1B所示。

实施例2

本实施例公开了制备得到的弹性导电纤维的应用方法，包括以下步骤：

1)将弹性导电纤维两端剪断制得长度为1cm长的线段M3；

2)将线段M3两端分别插入沾有导电胶的铜丝，制得线段M4；

3)将线段M4两端用环氧胶固定，制得器件M5；

4)将器件M5接入到数字源表和万能材料试验机联用设备中，控制拉伸速率为200mm/min，拉伸应变为200％，得到图2A电阻与时间变化图，并据此计算出相应的GF值，可以看出本发明弹性导电纤维具有良好的灵敏度；控制拉伸速率为200mm/min，将拉伸应变在0％，50％，100％，150％，200％，250％和300％之间变化，得到图2B电阻与不同应变变化曲线，可以看出本发明的弹性导电纤维可以很好的对不同应变响应；控制拉伸应变在200％，拉伸速率在0.01Hz，0.05Hz，0.1Hz和0.2Hz之间变化，得到图2C可以看出本发明的弹性导电纤维可以很好的对不同拉伸速率响应；控制拉伸应变在100％，拉伸速率在500mm/min，得到图3A和3B可以看出本发明的弹性导电纤维具有良好实时响应性；控制拉伸应变在200％，拉伸速率在200mm/min，循环往复3300次，得到图3C可以看出本发明的弹性导电纤维具有良好动态耐久性。

实施例3

将器件M5接入到数字源表和身体手腕部的皮肤上(如图4A和4B所示)，通过控制腕部得到一系列工作曲线，得到图4C，可以看出本发明的弹性导电纤维可以很好的模拟人体腕部的弯曲动作。

将器件M5接入到数字源表和身体手肘部的皮肤上(如图5A和5B所示)，通过控制腕部得到一系列工作曲线，得到图5C，可以看出本发明的弹性导电纤维可以很好的模拟人体肘部的弯曲动作。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物和PANI水凝胶皮芯湿法纺丝，制得弹性导电纤维。

2.根据权利要求1所述的一种TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法，其特征在于，所述皮芯湿法纺丝包括以下步骤：

步骤101、将二氯甲烷和苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物混合，制得芯结构纺丝液M1；

步骤102、将苯胺溶解于稀盐酸溶液后，加入过硫酸铵，制得芯结构PANI水凝胶纺丝液M2；

步骤103、分别将芯结构纺丝液M1和芯结构PANI水凝胶纺丝液M2装入推进泵，连接好皮芯针头，乙醇为凝固浴，湿法纺丝制得所述弹性导电纤维。

3.根据权利要求2所述的一种TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法，其特征在于，步骤101中，相对于100g的所述二氯甲烷，所述苯乙烯与所述2-甲基-1，3-丁二烯聚合物的用量为50g。

4.根据权利要求2所述的一种TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法，其特征在于，步骤102中，相对于100g的所述水，所述聚苯胺和过硫酸铵的用量分别为10g和27g。

5.一种根据权利要求1所述的制备方法制备得到的弹性导电纤维的应用，其特征在于，将所制得的弹性导电纤维与铜丝、导电胶和环氧胶组装成拉伸传感器。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述拉伸传感器的组装方法包括以下步骤：

步骤201、将弹性导电纤维两端剪断制得线段M3；

步骤202、将线段M3的两端分别插入沾有导电胶的铜丝，制得线段M4；

步骤203、将线段M4两端用环氧胶固定，制得器件M5，器件M5即为所述拉伸传感器。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将所述器件M5接入到数字源表和万能材料试验机联用设备中，控制拉伸速率，得到一系列电阻与时间变化图；

或将所述器件M5接入到数字源表和身体不同部位的皮肤上，通过控制腕部和肘部的变化，得到一系列工作曲线。