CN111304770A - 一种透明导电纤维及其制备方法和在织物显示器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于智能电子器件技术领域，具体为一种透明导电纤维及其制备方法和在织物显示器中的应用。本发明方法包括：通过将聚合物与离子液体导电组分进行复合，制备得到性质均匀，稳定，并且可纺的透明导电原料，通过纺丝工艺纺制为纤维。透明导体在发光器件中是不可或缺的一部分，透明导电纤维在可穿戴显示设备中起到关键的作用，通过将透明导电纤维与涂有发光活性层的导电纤维进行编织，在纤维搭接点处形成发光像素点，构成织物显示器，该显示器与日常织物有相同的透气性、柔性。

Description

一种透明导电纤维及其制备方法和在织物显示器中的应用
技术领域
本发明属于智能电子器件技术领域，具体涉及一种透明导电纤维及其制备方法和在织物显示器中的应用。
背景技术
电子织物为我们日常生活电子化数字化提供了无限的可能，电子织物的构建是基于一系列功能纤维通过编织来实现的。其中，导电的纤维电极是织物电子系统的基石。研究者基于金属材料、导电聚合物材料以及碳纳米材料等开发了一系列纤维电极。但是对于构建织物发光显示器件，作为织物电子系统与外界进行交互的不可或缺的部分，我们需要一种同时兼顾透明、导电、高度柔性、耐受性等多项指标的纤维电极，目前还没有开发出合适的候选方案。目前平面发光器件使用最为广泛的透明电极材料为氧化铟锡（ITO），但是其导电膜层显脆性，弯折情况下容易发生裂痕导致失效，此外，基于银纳米线的透明电极具有较高的柔性，但是纳米银结构容易氧化，稳定性不佳，以及银纳米线膜层与基底结合力有限，制成纤维电极后，在编织过程中以及使用过程中容易发生膜层破损的情况。
离子液体作为一种极低挥发度、高化学稳定性、透明的导电材料，在柔性透明电极的制备中展现出了很大潜力。通过选择合适的聚合物基质，与离子液体进行复合制备出有良好柔性、可拉伸性以及透明度的离子液体凝胶，工艺简单，成本低廉。通过将离子液体与纺织工业中最常用的氨纶的原料——聚氨酯，进行复合，再将其通过纺丝工艺制备成纤维，以一种低成本、简易、高效的方式得到透明导电纤维。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有良好柔性、可拉伸性的透明导电纤维及其制备方法和在织物显示器中的应用。
本发明提供的透明导电纤维的制备方法，具体步骤如下：
（1）将聚酯型聚氨酯原料与离子液体溶解在有机溶剂中，形成透明均匀的前驱体溶液；
（2）蒸发溶剂，得到透明均匀的聚氨酯-离子液体复合材料；
（3）通过熔融纺丝的工艺，制备出透明纤维导体。
本发明步骤（1）中，前驱体溶液的制备方法为：
将聚酯型聚氨酯溶解于极性有机溶剂中，形成均匀透明溶液；聚酯型聚氨酯的质量分数计为有机溶剂的10~50wt%；然后加入离子液体原料，搅拌均匀，离子液体相对于溶液中聚酯型聚氨酯质量比为0.1~2；
其中，所述聚酯型聚氨酯，其聚酯多元醇链段二元羧酸单体为乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸的一种或多种；二元醇单体为乙二醇、丙二醇、丁二醇、二乙二醇、戊二醇、己二醇、三羟甲基丙烷、丙三醇的一种或多种；聚酯多元醇官能度为2~3，相对分子质量400~4000 g/mol；所述离子液体为为咪唑类、吡啶类、季磷盐类、季铵盐类、哌啶类、吡咯类离子液体中的一种或多种；所述有机溶剂为N,N’-二甲基甲酰胺、N,N’-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃中的一种或几种。
本发明步骤（2）中，蒸发溶剂的方法如下：
（1）溶剂蒸干操作前，将聚氨酯-离子液体前驱体溶液预加热至50~80℃；
（2）前驱体溶液自然流平成为厚度0.5~4 mm的液膜，溶剂烘干温度60~100℃，烘干时间2~8 h。
本发明步骤（3）中，熔融纺丝温度为150~250℃，纺丝口出丝直径5~500 μm，出丝后通过鼓风冷却迅速降至100℃以下。
本发明制备的透明导电纤维，具有优异的性能，包括良好柔性、可拉伸性和导电性，可用于制备织物显示器。该透明导电纤维断裂拉伸量大于500%，在100%形变范围内弹性回复率为100%，250微米直径纤维在400~700nm波段范围内透光率高于90%，导电性高于0.1mS/cm。
具体是将上述透明导电纤维和涂有发光活性层的导电纤维、导电纤维、传统纺织纱线通过编织工艺所制得织物显示器。
所述发光活性层材料包括聚合物发光材料、有机小分子发光材料、无机量子点发光材料、钙钛矿发光材料和交流电致发光材料的一种或多种；所述的导电纤维包括基于铜、银、铝、铁、金、铂等金属材料的单丝、复丝以及以其为镀层的纤维，基于共轭导电聚合物、导电碳材料的纤维以及复合材料纤维。
所述的织物显示器以涂有发光活性层的导电纤维和传统纺织纱线为经线，相邻导电纤维之间由传统纺织纱线隔开；以透明导电纤维、导电纤维、传统纺织纱线为纬线，在编织过程中一根透明导电纤维与一根导电纤维合股编织或者紧贴编织，最终织物中两者始终保持接触，相邻透明导电纤维之间由传统纺织纱线隔开。
所述织物显示器通过透明导电纤维与涂有发光活性层的导电纤维接触形成具有发光功能的像素点，通过透明导电纤维与涂有发光活性层的导电纤维在纬向和经向上的周期性排列形成显示阵列。
所述织物显示器的显示和控制通过控制电路与织物中的所有导电纤维依次进行电学连接来实现。
本发明的织物显示器与日常织物有相同的透气性、柔软性。
附图说明
图1为实施例中织物显示器织物组织图示例。
图2为实施例中透明纤维照片。
图3为实施例中织物显示器发光照片。
图4为织物显示器单个发光点示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施案例，示例性的说明及帮助进一步理解本发明，但实施案例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部的技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案的限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改换或替换，均属于本发明保护范围。
1、透明导电纤维的制备：称取10g聚酯型聚氨酯（聚酯链段为聚己二酸乙二醇酯，Mn1000），溶解于40gN,N’-二甲基甲酰胺中，加入10g1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，搅拌得到均匀透明的前驱体溶液；将前驱体溶液摊平于平底玻璃容器中，形成约2mm厚的液膜，70℃烘干12h后切碎为颗粒。将原料加热至180℃熔融，使用单头喷丝孔挤出直径为0.25mm的单丝，挤出速度为2cm/s，挤出后使用10℃冷风机迅速冷却纤维。收卷于线筒上。
2、涂有发光活性层的导电纤维的制备：使用100 D镀银尼龙复丝作为导电纤维，采用浸涂-烘干法在镀银尼龙丝表面负载发光活性层：将铜掺杂的硫化锌电致发光粉与水性聚氨酯乳液混合，电致发光粉与聚氨酯质量比为2：1，导电纤维通过盛有混合料的料槽后在130℃的热风下烘干，三遍涂覆后成品导电发光活性纤维直径约300微米。
3、织物显示器的制备：传统纺织纱线采用32支双股棉纱，导电纤维采用100 D镀银尼龙复丝。经纱密度60/英寸，纬纱密度60/英寸。织物组织图如图2所示。

Claims (9)

1.一种透明导电纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将聚酯型聚氨酯原料与离子液体溶解在有机溶剂中，形成透明均匀的前驱体溶液：将聚酯型聚氨酯溶解于极性有机溶剂中；聚酯型聚氨酯的质量分数计为有机溶剂的10~50wt%；然后加入离子液体原料，搅拌均匀，离子液体相对于溶液中聚酯型聚氨酯质量比为0.1~2；
所述聚酯型聚氨酯，其聚酯多元醇链段二元羧酸单体为乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸的一种或多种；二元醇单体为乙二醇、丙二醇、丁二醇、二乙二醇、戊二醇、己二醇、三羟甲基丙烷、丙三醇的一种或多种；聚酯多元醇官能度为2~3，相对分子质量400~4000g/mol；所述离子液体为咪唑类、吡啶类、季磷盐类、季铵盐类、哌啶类、吡咯类离子液体中的一种或多种；所述有机溶剂为N,N’-二甲基甲酰胺、N,N’-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃中的一种或几种；
（2）蒸发溶剂，得到透明均匀的聚氨酯-离子液体复合材料；
（3）通过熔融纺丝的工艺，制备出透明纤维导体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，蒸发溶剂的方法如下：
（1）溶剂蒸干操作前，将聚氨酯-离子液体前驱体溶液预加热至50~80℃；
（2）前驱体溶液自然流平成为厚度0.5~4 mm的液膜，溶剂烘干温度60~100℃，烘干时间2~8 h。
3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，熔融纺丝温度为150~250℃，纺丝口出丝直径5~500 μm，出丝后通过鼓风冷却迅速降至100℃以下。
4.由权利要求1-3之一所述制备方法得到的透明导电纤维。
5.由权利要求4所述的透明导电纤维在制备织物显示器中的应用，其特征在于，把所述透明导电纤维和涂有发光活性层的导电纤维、导电纤维、传统纺织纱线通过编织工艺制备织物显示器。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述发光活性层材料为聚合物发光材料、有机小分子发光材料、无机量子点发光材料、钙钛矿发光材料和交流电致发光材料的一种或多种；所述导电纤维为基于铜、银、铝、铁、金、铂金属材料的单丝或复丝以及以其为镀层的纤维，或基于共轭导电聚合物、导电碳材料的纤维以及复合材料纤维。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，以涂有发光活性层的导电纤维和传统纺织纱线为经线，相邻导电纤维之间由传统纺织纱线隔开；以透明导电纤维、导电纤维、传统纺织纱线为纬线，在编织过程中一根透明导电纤维与一根导电纤维合股编织或者紧贴编织，最终织物中两者始终保持接触，相邻透明导电纤维之间由传统纺织纱线隔开；
透明导电纤维与涂有发光活性层的导电纤维接触形成具有发光功能的像素点，通过透明导电纤维与涂有发光活性层的导电纤维在纬向和经向上的周期性排列形成显示阵列。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，通过控制电路与织物中的所有导电纤维依次进行电学连接来实现织物显示器的显示和控制。
9.由根据权利要求7所述的应用得到的织物显示器。
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