CN111987485A - 一种柔性导线的柔性导电连接件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性导线的柔性导电连接件及其制备方法。柔性导线包含液态金属；柔性导电连接件包括柔性高分子丝、套设在柔性高分子丝外围的柔性导电环，以及套设在柔性导电环外围的柔性绝缘环；并且柔性导电环一端的外围未覆盖柔性绝缘环，保持裸露；柔性导电连接件与柔性导线固定连接，并且柔性导电环的裸露端伸入柔性导线中与液态金属相接触，形成导电连接。通过该连接件能够与柔性导线实现良好的导电连接，并且该连接件具有良好的柔性与稳定性，与该柔性导线构成全柔性结构，在柔性电子技术具有广泛的应用前景。

Description

一种柔性导线的柔性导电连接件及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种柔性导线的柔性导电连接件及其制备方法。
背景技术
随着柔性电子学及可穿戴设备的发展，柔性导线因其可拉伸性和舒适性而越来越受到人们的关注，在人机交互、人体健康/运动监测、智能服装等领域具有广泛的应用前景。
目前，柔性导线主要有三种：(1)直接利用导电纱线、导电纤维等编织而成的柔性导线，其电导率比较低，不耐揉洗；(2)用传统铜丝线缠绕成弹簧线等形式的柔性导线，其结构不够紧凑，触感较差；(3)利用液态金属、离子液体等填充在柔性管形成的柔性导线，其导电性、柔性均较好，但是与外部单元的连接无法做到导电性好、柔软、稳定；(4)利用导电银浆、导电凝胶、导电填料等与高分子复合的导电高分子作为柔性导线，其不耐弯折、拉伸稳定性差或电导率差。
相比而言，第(3)种柔性导线的导电性与柔弹性较好，具有良好的应用前景。目前这种柔性导线与外部导电单元连接时的连接方法主要有两种：
(1)直接用棒状或柱状金属电极与液态金属连接，外层用灌封胶等连接固定；该方法引入了刚性电极，从而破坏了液态金属导线的柔性，导致存在使用不舒服感；
(2)利用导电胶进行填充、密封、连接；但是，导电胶的导电性较差，无法满足对导电性要求高的使用环境。
因此，如何将柔性导线与外部进行导电连接，使连接部分兼顾良好的导电性、柔软与稳定性对实现全柔导电体具有重要意义。
发明内容
本发明针对基于液态金属的柔性导线，提供一种连接件，通过该连接件能够与柔性导线实现良好的导电连接，并且该连接件具有良好的柔性与稳定性，与该柔性导线构成全柔性结构。
本发明提供的技术方案为：一种柔性导线的柔性导电连接件，所述柔性导线包含液态金属，其特征是：
如图1所示，所述柔性导电连接件包括柔性高分子丝、柔性导电环与柔性绝缘环；沿高分子丝长度方向，导电环套设在柔性高分子丝外围，柔性绝缘环套设在柔性导电环外围，并且柔性导电环一端的外围保持裸露，该端记作A端；
柔性导电连接件与柔性导线连接时，二者之间固定连接，并且柔性导电环的A端伸入柔性导线中，柔性导电环裸露的外围与液态金属相接触，形成导电连接。
所述固定连接方式不限，包括在相接触部位进行粘结、缝合、铆接、插拔、卡扣等方式等，或者通过柔性固定层将二者固定连接在一起。
所述固定层由具有粘结作用的材料构成，包括但不限于胶水、硅胶、聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂、聚乳酸等材料中的一种或多种。
本发明还提供一种制备所述柔性导电连接件的方法，包括如下步骤：
(1)在柔性高分子丝外围附着一层处理剂I，然后包裹导电层，加热固化；
(2)将步骤(1)得到的导电层外围附着一层处理剂II，然后包裹柔性绝缘层；
(3)将步骤(2)得到的柔性绝缘层的A端去除，使该端的导电层外围裸露。
所述柔性高分子丝由柔性高分子材料构成，呈线状或者丝状，具有一定支撑作用。所述柔性高分子材料包括但不限于乳胶、硅胶、聚氨酯(PU)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚亚酰胺(PI)、聚酯类(PET、PBT等)、聚乳酸(PLA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)等材料或以它们为基底的复合材料，以及金、银、铜、石墨烯、碳纳米管等导电纳米颗粒中的一种及多种与硅胶、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚亚酰胺(PI)、聚酯类(PET、PBT等)、聚乳酸(PLA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶等复合形成的导电复合材料的一种或多种。
作为优选，所述柔性高分子丝采用乳胶丝。
所述处理剂I是用于增强柔性导电层在柔性高分子丝上的浸润性或附着力的材料，包括但不限于十二烷基硫酸钠、硬脂酸钠、甘胆酸钠、磷脂、胆碱、蛋白质等表面活性剂的溶液，聚乙烯醇(PVA)、乙醇、丙酮、乙二胺、乙酸乙酯等有机溶剂，等离子体、氧气、臭氧、氯气等材料中一种或多种。
作为优选，所述处理剂I采用聚乙烯醇(PVA)溶液。
所述导电层由具有导电能力的柔性材料构成，包括但不限于金、银、铜、铝、锌等金属膜材料，金、银、铜、铝、锌等金属纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管、石墨、液态金属、导电胶、导电凝胶、导电银浆等材料中的一种或多种材料的复合材料，以及它们与硅胶、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚亚酰胺(PI)、聚酯类(PET、PBT等)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶等材料形成的导电复合材料。
作为优选，所述导电层由导电银浆构成。
作为优选，通过固化将包裹在高分子丝外的导电层由非稳定态变为稳定态。所述固化通过真空、冷却、加热、加压、加磁场等方式中一种或多种方式实现，优选为加热固化的方式。
所述处理剂II是用于增强绝缘层在导电层上的浸润性或附着力的材料，包括但不限于十二烷基硫酸钠、硬脂酸钠、甘胆酸钠、磷脂、胆碱、蛋白质等表面活性剂的溶液，聚乙烯醇(PVA)、乙醇、丙酮、乙二胺、乙酸乙酯等有机溶剂，等离子体，氧气、臭氧、氯气等材料中一种或多种。
作为优选，所述处理剂II采用聚乙烯醇(PVA)溶液。
所述柔性绝缘层是指具有绝缘性的柔性材料，包括但不限于硅胶、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚亚酰胺(PI)、聚酯类(PET、PBT等)、聚乳酸(PLA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、天然橡胶、合成橡胶等绝缘材料中的一种或多种，以及以它们为基材的复合材料。
作为优选，所述柔性绝缘层采用硅胶材料。
处理剂I附着到高分子丝表面，以及处理剂II附着在导电层表面的方式不限，包括浸泡、蘸取、刮涂、化学生长、涂覆、涮洗等方式中的一种或多种。
作为优选，采用浸泡的方式将处理剂I附着到高分子丝表面，以及处理剂II附着在导电层表面。
将导电层包裹在高分子丝表面，以及将绝缘层包裹在导电层表面的方式，包括浸泡、蘸取、刮涂、化学生长、涂覆、共挤出、喷涂等方式中的一种或多种。
作为优选，采用浸泡和刮涂两者并用的处理方式将导电层包裹在高分子丝表面，以及将绝缘层包裹在导电层表面。
去除柔性绝缘层的方式不限，包括剥、削、切、烧、剪、激光处理等物理手段，以及腐蚀、溶解等化学手段等方式中一种或多种。
作为优选，采用剥、削的方式去除柔性绝缘层。
本发明采用柔性高分子丝、柔性导电环与柔性绝缘环构成柔性连接件，以柔性高分子丝为内核，其外围套设柔性导电环，柔性导电环外围套设柔性绝缘环，并且柔性导电环一端的外围未被柔性绝缘环覆盖，该柔性连接件与包含液态金属的柔性导线连接时，柔性导电环裸露的外围与液态金属相接触，构成导电连接。该柔性导电连接件结构简单，一方面能够保证与柔性导线的导电连接，另一方面具有柔性，性能稳定，因此与柔性导线构成了全柔性结构，使用舒适感强，在柔性电子技术，例如人机交互、人体健康/运动监测、智能服装等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1、2中柔性导线与柔性导电连接件的连接结构示意图。
图2是图1中柔性导电连接件的截面图。
图3是本发明实施例1中柔性导电连接件的制备过程示意图。
图1-3中的附图标记为：柔性导线10、液态金属11、弹性硅胶管12、柔性导电连接件20、柔性高分子丝21、柔性导电环22、柔性绝缘环23、柔性固定层30、PET丝41、聚乙烯醇(PVA)溶液42，导电银浆43，PVA溶液44、熔融态的聚苯乙烯(PS)45。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而不对其起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，如图1所示，柔性导线10包含液态金属11，是将液态金属11填充在弹性硅胶管12中形成的，液态金属采用GaInSn。
如图1、2所示，柔性导电连接件20包括柔性高分子丝21、柔性导电环22与柔性绝缘环23。沿柔性高分子丝的长度方向，柔性导电环22套设在柔性高分子丝21的外围，柔性绝缘环23套设在柔性导电环22的外围，并且柔性导电环22的一端(记作A端)的外围保持裸露，未被柔性绝缘环23覆盖。
本实施例中，柔性高分子丝采用柔性材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)丝，柔性导电层采用导电银层，柔性绝缘层采用聚苯乙烯(PS)。
如图1所示，柔性导电连接件20与柔性导线10连接时，二者之间通过固定层30固定连接，并且柔性导电环22的A端伸入柔性导线中，柔性导电环22裸露的外围与液态金属11相接触，形成导电连接。
本实施例中，柔性导电连接件20的制备方法如图3所示：
(1)在PET丝41外围刮涂一层聚乙烯醇(PVA)溶液42，然后包裹一层流体状的导电银浆43，加热120℃，保持15min，使其固化，得到导电层；
(2)在导电层外围涂覆一层PVA溶液44，然后包裹一层熔融态的聚苯乙烯(PS)45，用流动的水冷却至室温，使其固化，得到绝缘层；
(3)将绝缘层一端剥掉，使该端导电层裸露，即该端外围未被绝缘层覆盖。
该柔性导电连接件20与柔性导线10的连接方法如下：
将导电层裸露的一端伸入柔性导线10，使裸露的导电层与液态金属直接接触；使用瞬干胶水，滴涂在柔性导电连接件20与柔性导线10的接触部分四周，形成柔性固定层30，使二者固定连接。
实施例2：
本实施例中，如图1所示，柔性导线10包含液态金属11，是将液态金属11填充在弹性硅胶管12中形成的，液态金属采用GaInSn。
如图1、2所示，柔性导电连接件20包括柔性高分子丝21、柔性导电环22与柔性绝缘环23。沿柔性高分子丝的长度方向，柔性导电环22套设在柔性高分子丝21的外围，柔性绝缘环23套设在柔性导电环22的外围，并且柔性导电环22一端(记作A端)的外围保持裸露，未被柔性绝缘环23覆盖。
本实施例中，柔性高分子丝采用聚氨酯(PU)丝，柔性导电层采用掺杂银粉的聚氨酯(PU)，柔性绝缘层由聚氨酯(PU)构成。
如图1所示，柔性导电连接件20与柔性导线10连接时，二者之间通过柔性固定层30固定连接，并且柔性导电环22的A端伸入柔性导线中，柔性导电环22裸露的外围与液态金属11相接触，形成导电连接。
本实施例中，柔性导电连接件20的制备方法如下：
(1)在PU丝外围刮涂一层聚乙烯醇(PVA)溶液，然后包裹一层银粉和PU溶液，鼓风加热60℃，保持2H，使其固化，得到导电层；
(2)在导电层外围涂覆一层PVA溶液，然后包裹一层聚氨酯(PU)溶液，加热至60℃，保持3H，使其固化，得到绝缘层；
(3)将绝缘层一端剥掉，使该端导电层裸露，即外围未被绝缘层覆盖。
该柔性导电连接件20与柔性导线10的连接方法如下：
将导电层裸露的一端伸入柔性导线10，使裸露的导电层与液态金属直接接触；使用瞬干胶水，滴涂在柔性导电连接件20与柔性导线10的接触部分四周，形成柔性固定层30，使二者固定连接。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应该理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性导线的柔性导电连接件，所述柔性导线包含液态金属，其特征是：
所述柔性导电连接件包括柔性高分子丝、柔性导电环与柔性绝缘环；
沿柔性高分子丝的长度方向，导电环套设在柔性高分子丝外围，柔性绝缘环套设在柔性导电环外围，并且柔性导电环一端的外围保持裸露，该端记作A端；
柔性导电连接件与柔性导线连接时，柔性导电环的A端升入柔性导线中，柔性导电环裸露的外围与液态金属相接触，形成导电连接。
2.如权利要求1所述的柔性导电连接件，其特征是：柔性导电连接件与柔性导线的连接方式包括在相接触部位进行粘结、缝合、铆接、插拔、卡扣中的一种或者几种，将二者固定连接在一起，或者通过柔性固定层将二者固定连接在一起。
3.如权利要求2所述的柔性导电连接件，其特征是：所述柔性固定层材料包括胶水、硅胶、聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂、聚乳酸中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的柔性导电连接件，其特征是：所述柔性高分子丝包括乳胶、硅胶、聚氨酯(PU)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚亚酰胺(PI)、聚酯类(PET、PBT等)、聚乳酸(PLA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)材料或以它们为基底的复合材料，以及金、银、铜、石墨烯、碳纳米管中的一种及多种与硅胶、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚亚酰胺(PI)、聚酯类(PET、PBT等)、聚乳酸(PLA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶复合形成的导电复合材料的一种或多种。
5.如权利要求1所述的柔性导电连接件，其特征是：所述导电层包括金属膜材料，金属纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管、石墨、液态金属、导电胶、导电凝胶、导电银浆中的一种或多种材料的复合材料，以及它们与硅胶、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚亚酰胺(PI)、聚酯类、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶形成的导电复合材料。
6.如权利要求1所述的柔性导电连接件，其特征是：所述柔性绝缘层包括硅胶、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚亚酰胺(PI)、聚酯类、聚乳酸(PLA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、天然橡胶、合成橡胶中的一种或多种，以及以它们为基材的复合材料。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的柔性导电连接件的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)在柔性高分子丝外围附着一层处理剂I，然后包裹导电层；
(2)将步骤(1)得到的导电层外围附着一层处理剂II，然后包裹柔性绝缘层；
(3)将步骤(2)得到的柔性绝缘层的A端去除，使该端的导电层外围裸露。
8.如权利要求7所述的柔性导电连接件的制备方法，其特征是：所述处理剂I包括表面活性剂的溶液，有机溶剂，以及等离子体、氧气、臭氧、氯气材料中一种或多种；
所述处理剂II包括表面活性剂的溶液，有机溶剂，以及等离子体、氧气、臭氧、氯气材料中一种或多种。
9.如权利要求7所述的柔性导电连接件的制备方法，其特征是：所述步骤(1)与步骤(2)中的附着方式包括浸泡、蘸取、刮涂、化学生长、涂覆、涮洗中的一种或多种；
所述步骤(1)与步骤(2)中的包裹方式包括浸泡、蘸取、刮涂、化学生长、涂覆、涮洗中的一种或多种。
10.如权利要求7所述的柔性导电连接件的制备方法，其特征是：所述步骤(3)中，去除柔性绝缘层的方式包括物理方式以及化学方式。
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