CN111549396A - 一种包裹液态金属的纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包裹液态金属纤维的制备方法，该方法基于微流控技术，首先得到具有中空结构的聚合物纤维，通过传送带及转盘收集后，以注射法将液态金属灌入纤维空腔中形成包裹液体金属的纤维。本发明制备的包裹液态金属纤维纤维外壳为聚合物，内部包裹液态金属，纤维直径为100‑1000μm，长度为1cm至10m。本发明的制备方法操作简单、成本较低、实验可重复性强，所制备的纤维结构均匀，尺寸可控，具有良好的导电性，可拉伸变形，能够作为柔性电子系统中不可或缺的导电和传感原件，应用前景广阔。

Description

一种包裹液态金属的纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及导电材料领域，具体涉及一种包裹液态金属的纤维及其制备方法

背景技术

柔性电子是将电子器件与柔性基底相结合的一种新兴电子技术。与传统电子系统相比，柔性电子系统具有更大的灵活性，能够实现不同形变状态下发挥其功能。然而，由于柔性电子系统对于材料柔软形变并且同时兼具良好导电性的要求，对材料的选择提出了挑战。

液态金属是一种在常温下呈液态，不定形、可流动的金属，是熔点不超过铝熔融温度的金属或它们混合物的统称，可看作是由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属兼具了传统金属高的导电性、导热性和流体的低粘度和流动性，被广泛用于热传导剂、热处理剂和柔性电子系统。

与常见的液态金属汞相比，镓基合金表现出更小的毒性，因此常代替汞，被用来制备具有良好导电性、可变形并且耐用的导线、电极、天线、传感器以及其他新型柔性电子器件。然而液体金属表面张力极大，并且容易在空气和水中发生氧化，生成极薄的氧化层覆盖在表面，因此液态金属的操控一直是其应用过程中亟待解决的问题。

微流控技术能够在小尺度上对于流体进行推动、混合、反应等操作，具有原料消耗少，装置集成度高，流体行为高度可控等优点。除了其在生物化学分析方面的广泛应用外，在分子合成和材料制备方面也发挥着显著的作用。尤其是在纤维制备方面，微流控技术已经被广泛用于多种不同材料、微结构纤维材料的制备。

因此，在本发明中，利用微流控技术首先制备外层纤维其次内部灌注液态金属可以连续、稳定、可控制备出包裹液态金属的纤维材料，并使其广泛用于柔性电子系统。

发明内容

为了解决柔性电子系统对导电材料可形变的要求，同时解决液态金属在操控中的难题，本发明提供了一种将液态金属包裹在纤维材料内部的制备方法，制备所得包裹液态金属纤维可应用于柔性电子系统中。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种包裹液态金属的纤维，其制备方法包括以下步骤：

(1)组装微流控芯片系统及传送装置：

构建包含内相通道和连续相通道的同轴微流控芯片、单通道微流控芯片和传送装置，在同轴微流控芯片下放置收集池，在单通道微流控芯片下放置转盘；

(2)包裹液态金属的纤维的制备：

将水相溶液和连续相溶液分别装入同轴微流控芯片的内相通道注射器和连续相溶液注射器，使内相溶液注射器连接内相通道入口，连续相溶液注射器连接连续相通道入口；

用微量蠕动泵将水相溶液和连续相溶液泵入同轴微流控芯片，并控制各相流速；

待水相溶液和连续相溶液在同轴微流控芯片稳定生成同轴层流时，使同轴层流流入外部收集池，通过溶剂挥发法对流体进行固化生成纤维；

经传送带将纤维运送至转盘上，将纤维末端与单通道微流控芯片出口端相连；将液态金属装入单通道微流控芯片注射器，使单通道微流控芯片注射器连接单通道微流控芯片入口，用微量蠕动泵将液态金属泵入所述纤维中，得到包裹液态金属的纤维。

进一步的，所述的同轴微流控芯片采用硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、或聚二甲基硅氧烷微流体芯片制作，同轴微流控芯片的通道内径尺寸在1μm到1mm之间。

进一步的，所述的单通道微流控芯片采用玻璃毛细管和玻璃片组装而成，毛细管内径尺寸在1μm到1mm之间，与同轴微流控芯片通道内径尺寸保持一致。

进一步的，所述的传送装置为用于在所述同轴微流控芯片和所述单通道微流控芯片之间运送纤维的传送机构，所述的传送机构由转轮、转轮上的传送带和支撑转轮的支架组装而成。

进一步的，所述的包裹液态金属的纤维具有核壳结构，壳层为聚合物，内核为液态金属。

进一步的，通过调节各通道尺寸和各相溶液流速，使所述包裹液态金属的纤维的直径为100-1000μm，长度为1cm至10米。

进一步的，内相溶液选取去离子水、乙醇、乙二醇或丙三醇中的一种或两种以上混合材料；连续相溶液选取溶解于氮，氮-二甲基甲酰胺的聚氨酯，聚氨酯占溶剂氮，氮-二甲基甲酰胺的质量体积比为10-20％。

进一步的，液态金属选取鎵铟合金、鎵铟锌合金、鎵铟锡锌合金中的一种材料。

进一步的，收集池中的溶液选自去离子水、乙醇、乙二醇、或丙三醇中的一种或两种以上混合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用微流控技术，基于水动力学作用，设计、构建并集成不同类型微流控芯片，形成先后次第运行的微流控芯片系统，并利用中间的传送装置实现纤维的生成、收集和再处理。本发明利用聚合物溶剂快速挥发的特性，可以在运送和收集过程中实现中空纤维的首先制备，同时借助微流控芯片对于液态金属的可控操作，实现了液态金属的灌注。通过调节各相流体流速，可以生成不同尺寸的液态金属纤维。本发明的制备方法操作简单、实验条件要求低、成本节约、实验可重复性强。本发明所制备的纤维结构均匀、尺寸可控，具有良好的导电和导热特性，可广泛应用于柔性电子器件中。

附图说明

图1是本发明一种用于制备包裹液态金属纤维的微流体装置集成系统示意图。

附图中各部件的标记如下：1-流通管A，2-流通管B，3-收集池，4-转盘，5-传送带，6-支架A，7-流通管C，8-托盘，9-带转轴支架B，10-第一进液动力装置，11-第二进液动力装置，12-第三进液动力装置，13-纤维空腔，14-纤维液态金属内核。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种包裹液态金属的纤维，其通过微流控芯片系统制备而得，所述纤维壳层为聚合物，内部包裹液态金属；所述包裹液态金属纤维的直径为100-1000μm，长度为1cm至10m。

一种用于包裹液态金属纤维的微流控芯片系统，所述微流控芯片系统包括同轴微流控芯片、传送装置和单通道微流控芯片。所述同轴微流控芯片包括流通管A，在所述流通管A的外面套有流通管B；所述单通道微流控芯片由流通管C组成；所述流通管A为水相溶液的流通管道，所述流通管B为连续相通道，所述流通管C为液态金属通道；所述流通管A、B、C中的流体流向相同，所述流通管A、B、C分别与第一进液装置10、第二进液装置11、第三进液装置12连通；所述进液动力装置包括微量蠕动泵和注射器连接针头，所述微量蠕动泵通过导管与所述注射器的连接针头接通，所述注射器连接针头通过导管与所述流通管连通；所述传送装置位于两微流控芯片中间，包括转盘4，传送带5和支架6；所述转盘4与支架6相连固定，所述传送带包裹在转盘4外围。

一种包裹液态金属纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)微流控芯片系统的制备步骤：

首先利用微机械加工的方法，选择玻璃毛细管、玻璃片和针头建立同轴微流控芯片和单通道微流控芯片。同轴微流控芯片包括内相通道和连续相通道，分别为水相溶液通道和聚合物溶液通道。单通道微流控芯片为液态金属流动通道。其次，将转盘、传送带组装在支架上构成传送装置。最后将同轴微流控芯片置于收集池上方，将单通道微流控芯片置于带转轴托盘上，将传送装置置于两微流控芯片中间。

(2)纤维的制备步骤：

将聚氨酯溶解于氮，氮-二甲基甲酰胺中，质量体积比为10-20％，配制聚合物溶液。将配置的聚合物溶液连同去离子水和液态金属分别装入注射器，连接各自通道的口；子啊收集池中装入去离子水、乙醇、乙二醇、或丙三醇中的一种或两种以上混合材料，并保证同轴微流控芯片出口端在收集液面下。

用微量蠕动泵控制各相溶液流速，待水相溶液与连续相溶液形成稳定的共轴流动状态后，流入外部收集池，通过溶剂挥发的方法对流体进行固化，从而形成核壳结构聚合物纤维；将生成的纤维终端用传送装置运送至单通道微流控芯片下方，由于输送过程中内部溶剂挥发，在托盘处可以得到中空聚合物纤维，待转轴托盘上收集一部分纤维后，将纤维终端与单通道微流控芯片出口相连；用微量蠕动泵将液态金属泵入纤维内核，取代空腔形成包裹液态金属纤维。

具体操作过程如下：

(1)按照图1所示，将玻璃管B用胶固定在玻璃片上，然后将玻璃管A插入玻璃管B中并用胶固定在玻璃片上，在胶没有完全干的情况下，在显微镜下调整玻璃管间的位置，使得玻璃管A的尖头流出端口位于玻璃管B的正中间，最后将点样针头固定在玻璃管A与玻璃管B的连接处，用胶填补玻璃管A与玻璃管B入液口间的孔隙。将组装完毕的装置固定在收集池上方，收集池中注入收集液，保证玻璃管B流出端口位于收集液面下方。该收集液为40mL乙醇和40mL去离子水的混合溶液。

(2)按照图1所示，将玻璃管C用胶固定在玻璃片上。将组装完毕的单通道微流控芯片固定在托盘上方，托盘由支架固定。

(3)按照图1所示，将转盘，传送带，支架组装成传送装置，并将传送装置置于两微流控芯片之间。

(4)通过第一进液动力装置中的泵1和1mL的注射器向A管入液口推注去离子水溶液，通过第二进液动力装置中的泵2和10mL的注射器向B管中推注聚氨酯溶液。

(5)当装置中混合溶液流入收集池中，氮，氮-二甲基甲酰胺迅速与周围收集液相互溶解，生成核壳结构聚合物纤维。

(6)将生成纤维从收集池中捞出，经过传送装置运送到带转轴托盘中收集，在此过程中，纤维内核溶液挥发使得纤维空腔形成。

(7)将收集到的中空纤维终端与单通道微流控装置出口端相连接，由于纤维在空气中的收缩作用，纤维末端可与装置出口端紧密相连。

(8)通过第三进液动力装置中的泵3和1mL的注射器向C管入液口注入液态金属，从单通道微流控芯片出口处流出并进入纤维空腔中，形成包裹液态金属纤维。

本发明的制备方法操作简单、成本较低、实验可重复性强，本发明所制备的纤维结构均匀、尺寸可控，具有良好的导电和导热特性，可广泛应用于柔性电子器件中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：

(1)组装微流控芯片系统及传送装置：

构建包含内相通道和连续相通道的同轴微流控芯片、单通道微流控芯片和传送装置，在同轴微流控芯片下放置收集池，在单通道微流控芯片下放置转盘；

(2)包裹液态金属的纤维的制备：

将水相溶液和连续相溶液分别装入同轴微流控芯片的内相通道注射器和连续相溶液注射器，使内相溶液注射器连接内相通道入口，连续相溶液注射器连接连续相通道入口；

用微量蠕动泵将水相溶液和连续相溶液泵入同轴微流控芯片，并控制各相流速；

待水相溶液和连续相溶液在同轴微流控芯片稳定生成同轴层流时，使同轴层流流入外部收集池，通过溶剂挥发法对流体进行固化生成纤维；

经传送带将纤维运送至转盘上，将纤维末端与单通道微流控芯片出口端相连；将液态金属装入单通道微流控芯片注射器，使单通道微流控芯片注射器连接单通道微流控芯片入口，用微量蠕动泵将液态金属泵入所述纤维中，得到包裹液态金属的纤维。

2.根据权利要求1所述的一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：所述的同轴微流控芯片采用硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷微流体芯片制作，同轴微流控芯片的通道内径尺寸在1μm到1mm之间。

3.根据权利要求2所述的一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：所述的单通道微流控芯片采用玻璃毛细管和玻璃片组装而成，毛细管内径尺寸在1μm到1mm之间，与同轴微流控芯片通道内径尺寸保持一致。

4.根据权利要求1所述的一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：所述的传送装置为用于在所述同轴微流控芯片和所述单通道微流控芯片之间运送纤维的传送机构，所述的传送机构由转轮、转轮上的传送带和支撑转轮的支架组装而成。

5.根据权利要求1所述的一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：所述的包裹液态金属的纤维具有核壳结构，壳层为聚合物，内核为液态金属。

6.根据权利要求1所述的一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：通过调节各通道尺寸和各相溶液流速，使所述包裹液态金属的纤维的直径为100-1000μm，长度为1cm至10米。

7.根据权利要求1所述的一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：内相溶液选取去离子水、乙醇、乙二醇或丙三醇中的一种或两种以上混合材料；连续相溶液选取溶解于氮，氮-二甲基甲酰胺的聚氨酯，聚氨酯占溶剂氮，氮-二甲基甲酰胺的质量体积比为10-20％。

8.根据权利要求1所述的一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：液态金属选取鎵铟合金、鎵铟锌合金、鎵铟锡锌合金中的一种材料。

9.根据权利要求1所述的一种包裹液态金属的纤维，其特征在于：收集池中的溶液选自去离子水、乙醇、乙二醇、或丙三醇中的一种或两种以上混合材料。

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