CN112030296A - 一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱及其制备方法，柔性导电纱由碳纤维绒毛(即碳纤维单丝束)、芯纱、环状粘合剂和外包长丝组成；碳纤维单丝束共n束，沿芯纱轴向依次排列，且每一束都环绕在芯纱上；环状粘合剂共n条，沿芯纱轴向间距排列，且每一条都环绕在芯纱上；沿与芯纱轴线平行的方向X，各束碳纤维单丝的前端与各条环状粘合剂一一对应连接，前一束碳纤维单丝的后端覆盖后一束碳纤维单丝的前端；外包长丝呈螺旋状缠绕在各束碳纤维单丝上；方法为：首先将粘合剂涂覆在芯纱上，然后粘附碳纤维单丝，接着对粘合剂进行定型处理，最后缠绕外包长丝。本发明的方法简单，导电纱柔性、导电性、结构强度和耐磨性优良。

Description

一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱及其制备方法
技术领域
本发明属于纺织技术领域，涉及一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱及其制备方法。
背景技术
现阶段，针对线性导电结构的研究已经有了众多涉猎，其已应用于智能可穿戴、纳米发电机、电磁屏蔽以及触摸屏等众多领域。尤其是柔性导电线材无疑是研究的热点和难点，以智能可穿戴领域为例，所使用的导电线材多是金属丝、可导电高分子聚合物的原料，金属丝的导电性能良好，但柔性太差，大范围的适用满足不了服用特点，而可导电高分子聚合物拥有一定的柔性，但是电导率太低。除此之外，碳基原料也经常作为适用对象，例如石墨烯、碳纤维等，都拥有良好的导电性，但石墨烯价格昂贵且多用于对现有原料进行涂覆使用，耐磨损性能差，使用寿命较短。在碳基材料的使用中，多数材料经碳化后，其柔性差、强度低或者两者不能兼得，其不能够作为柔性线材使用，而商用碳纤维长丝以服用纱线的细度进行使用，其柔性依然要远差于常规服用纱线。而在很多领域，导电纱线的柔性和耐磨性是必须同时具备。
因此，为提升相关行业的产品性能，研究一种导电性能优良、柔性大、耐磨性好、结构强度高的纱线是亟待需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱及其制备方法，解决的是现有技术中作为相关行业导电线材性能的不足，尤其是导电线材不能同时具备良好的柔性、导电性、结构强度和耐磨性的不足。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，由碳纤维绒毛、芯纱、环状粘合剂和外包长丝组成；碳纤维绒毛为具有一定长度的碳纤维单丝(由碳纤维长丝经分梳切断后形成)束，碳纤维单丝束共多束，沿芯纱轴向依次排列，且每一束都环绕在芯纱上；环状粘合剂共多条，沿芯纱轴向间距排列，且每一条都环绕在芯纱上；碳纤维单丝束的束数与环状粘合剂的条数相等，沿与芯纱轴线平行的方向X，各束碳纤维单丝的前端与各条环状粘合剂一一对应连接，前一束碳纤维单丝的后端覆盖后一束碳纤维单丝的前端；外包长丝呈螺旋状缠绕在各束碳纤维单丝上，本发明可通过调控外包长丝的螺旋形态保证碳纤维单丝被整体贴服于芯纱上。
本发明在芯纱的表面包覆了导电性能优良的碳纤维单丝，通过将外包长丝缠绕在碳纤维单丝上，使得碳纤维单丝贴服在芯纱表面，通过控制各束碳纤维单丝的长度、环状粘合剂的宽度和环状粘合剂的排列间距使得前一束碳纤维单丝的后端覆盖后一束碳纤维单丝的前端，缠绕外包长丝后不同区域的碳纤维单丝相接触，导电纱的任一横截面都含有碳纤维单丝成分，因而导电纱整体导电性能优良；
本发明中环状粘合剂是在芯纱上间距排列的，并未连续排列，几乎不影响最终纱线的柔性，因而导电纱的柔性较好；同时碳纤维的直径一般在5微米到8微米之间，芯纱一般选用常用的服用或工业用纱线，其直径在100微米以上，碳纤维的细度远低于芯纱，对芯纱的柔性的影响微乎其微；
本发明的导电材料为碳纤维单丝，其是通过环状粘合剂和外包长丝固定在芯纱上的，不同于现有技术的涂覆的方式，其不容易发生脱落，因而导电纱的耐磨性好；
本发明所选用的芯纱可以是强度足够高的天然纤维制品或化纤，亦或是其它高强度的柔性材料，导电纱受到外部作用力时芯纱是主要的承受载体，因而导电纱的结构强度高。
本发明的柔性导电纱通过将导电的碳纤维单丝分布在常规服用纱线表面，实现了常规服用纱线作为基底芯纱，导电碳纤维单丝作为导电介质，控制芯纱细度可以调控最终产品的细度规格，调控碳纤维单丝长度可以调控不同区域的碳纤维所接触的面积从而调控电导率，在不同的使用场合提供可供选择的产品。
本发明的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，通过控制粘合剂的涂覆位置及含量，将一定含量的碳纤维单丝粘合在芯纱表面，通过外包长丝的束缚作用，在保证纱线的柔性和重量的同时，达到纱线整体导电的效果。
本发明提供了一种集柔性和导电性于一体的导电线材，同时其优良的结构强度、耐磨性、服用性能都使其可以在众多领域应用。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，所有的碳纤维单丝等长，即同一束中的碳纤维单丝等长，不同束中的碳纤维单丝等长。同一束或不同束中的碳纤维单丝也可以不等长，只要能够满足前一束长度最短的碳纤维单丝的后端覆盖后一束碳纤维单丝的前端即可。
如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，芯纱为服用纱线，服用纱线可以是任意易与粘合剂结合的材质，包括长丝、短纤纱和股线，还可以为其它结构纱线。
如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，各条环状粘合剂的形状和尺寸相同，沿芯纱轴向等间距排列。各条环状粘合剂的形状和尺寸也可以不相同，也可以非等间距排列，此时需要合理设计各束碳纤维单丝的长度以保证前一束碳纤维单丝的后端覆盖后一束碳纤维单丝的前端。
如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，粘合剂为自交联式粘合剂或外交联式粘合剂。
如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，外包长丝为服用长丝，外包长丝的细度要尽可能远小于芯纱，以减少对纱线最终柔性的影响。
如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，碳纤维单丝的长度大于相邻两粘合剂的间距与粘合剂的宽度之和，以保证不同区域的碳纤维单丝相互接触，进而使得纱线整体具有导电性，环状粘合剂的宽度范围为0.5～5mm，环状粘合剂的间距范围为2～20mm，碳纤维单丝的长度范围为3～30mm。
如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的拉伸模量为芯纱拉伸模量的1.1～1.3倍；碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的电导率为20～50S/cm。
本发明还提供了制备如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的方法，首先将粘合剂(呈胶体状)以相同尺寸的环形窄条形态等间距地涂覆在芯纱上，然后将芯纱和碳纤维单丝束竖直放置，按一条粘合剂对应一束碳纤维单丝束的原则，自下而上依次将各束碳纤维单丝的上端环绕芯纱粘附在粘合剂上，所有的碳纤维单丝等长，碳纤维单丝的长度大于相邻两粘合剂的间距与粘合剂的宽度之和，以保证不同区域的碳纤维单丝相互接触，进而使得纱线整体具有导电性，接着对粘合剂进行定型处理，最后采用包缠纺纱工艺将外包长丝呈螺旋状缠绕在各束碳纤维单丝上。
作为优选的技术方案：
如上所述的方法，定型处理采用烘蒸水洗的方式。
发明机理：
现有的导电线材不能同时具备良好的柔性、导电性、结构强度和耐磨性，任一缺陷都足以使其不能作为柔性导电线材进行产业应用。本发明的导电纱具有柔性好、导电性优良、结构强度高、耐磨性能好等优点；导电性能优良是因为本发明在芯纱的表面包覆了导电性能优良的碳纤维单丝，通过将外包长丝缠绕在碳纤维单丝上，使得碳纤维单丝贴服在芯纱表面，通过控制各束碳纤维单丝的长度、环状粘合剂的宽度和环状粘合剂的排列间距使得前一束碳纤维单丝的后端覆盖后一束碳纤维单丝的前端，缠绕外包长丝后不同区域的碳纤维单丝相接触，导电纱的任一横截面都含有碳纤维单丝成分，导电纱整体导电性能优良；柔性好是因为环状粘合剂是在芯纱上间距排列的，并未连续排列，几乎不影响最终纱线的柔性，同时碳纤维的直径一般在5微米到8微米之间，芯纱一般选用常用的服用或工业用纱线，其直径在100微米以上，碳纤维的细度远低于芯纱，对芯纱的柔性的影响微乎其微；结构强度高是因为所选用的芯纱可以是强度足够高的天然纤维制品或化纤，亦或是其它高强度的柔性材料，导电纱受到外部作用力时芯纱是主要的承受载体；耐磨性能好是因为本发明的导电材料为碳纤维单丝，其是通过环状粘合剂和外包长丝固定在芯纱上的，不同于现有技术的涂覆的方式，其不容易发生脱落。此外，本发明的导电纱还具有服用性能好、细度可调、导电率可调等优点，芯纱可以选用服用纱线，外包长丝可以选用服用长丝，调控芯纱细度可以调控导电纱的细度，调控碳纤维单丝长度可以调控不同区域的碳纤维所接触的面积从而调控电导率，在不同的使用场合提供可供选择的产品。
有益效果
(1)本发明的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，是以芯纱为基底，通过粘合剂实现碳纤维单丝聚集，再使用外包长丝对碳纤维单丝束缚并互相连接，可以在保持纱线良好的柔性的同时，使得纱线拥有良好的导电性能；
(2)本发明的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，拥有良好的结构强度和服用性能，可以应用于诸多对导电线材的柔性有要求的领域，例如智能可穿戴领域、柔性屏领域等；
(3)本发明的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，通过控制芯纱的细度可以调控最终产品的细度，通过调控碳纤维单丝的长度和含量可以调控最终产品的电导率，实现不同场合的应用。
附图说明
图1为本发明的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的结构示意图；
其中，1-芯纱，2-环状粘合剂，3-碳纤维绒毛，4-外包长丝。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，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。
一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，如图1所示，由碳纤维绒毛3、芯纱1、环状粘合剂2和外包长丝4组成；
碳纤维绒毛3为具有一定长度的碳纤维单丝束，碳纤维单丝束共多束，沿芯纱1轴向依次排列，且每一束都环绕在芯纱1上；所有的碳纤维单丝等长；碳纤维单丝的长度范围为3～30mm；
芯纱1为服用纱线，包括长丝、短纤纱和股线；
环状粘合剂2共多条，沿芯纱1轴向间距排列，且每一条都环绕在芯纱1上；各条环状粘合剂2的形状和尺寸相同，沿芯纱1轴向等间距排列；粘合剂为自交联式粘合剂或外交联式粘合剂；环状粘合剂2的宽度范围为0.5～5mm，环状粘合剂2的间距范围为2～20mm；
碳纤维单丝束的束数与环状粘合剂2的条数相等，沿与芯纱1轴线平行的方向X，各束碳纤维单丝的前端与各条环状粘合剂2一一对应连接，前一束碳纤维单丝的后端覆盖后一束碳纤维单丝的前端；
外包长丝4呈螺旋状缠绕在各束碳纤维单丝上；外包长丝4为服用长丝；
碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的拉伸模量为芯纱拉伸模量的1.1～1.3倍；碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的电导率为20～50S/cm。
本发明的碳纤维绒毛结构的柔性导电纱可以保证导电纱的柔性，保证其不因为粘合剂的使用而使得柔性大幅度降低；可以保证外包长丝可以将植入到粘合剂中的碳纤维长丝都束缚在芯纱表面；且可以使得不同区域的碳纤维长丝相互接触，实现纱线的导电。
如上所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的制备方法，首先将粘合剂以相同尺寸的环形窄条形态等间距地涂覆在芯纱上，然后将芯纱和碳纤维单丝束竖直放置，按一条粘合剂对应一束碳纤维单丝的原则，自下而上依次将各束碳纤维单丝的上端环绕芯纱粘附在粘合剂上，所有的碳纤维单丝等长，碳纤维单丝的长度大于相邻两粘合剂的间距与粘合剂的宽度之和，接着对粘合剂进行定型处理(采用烘蒸水洗的方式)，最后采用包缠纺纱工艺将外包长丝呈螺旋状缠绕在各束碳纤维单丝上。

Claims (10)

1.一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，其特征是：由碳纤维绒毛、芯纱、环状粘合剂和外包长丝组成；碳纤维绒毛为具有一定长度的碳纤维单丝束，碳纤维单丝束共多束，沿芯纱轴向依次排列，且每一束都环绕在芯纱上；环状粘合剂共多条，沿芯纱轴向间距排列，且每一条都环绕在芯纱上；碳纤维单丝束的束数与环状粘合剂的条数相等，沿与芯纱轴线平行的方向X，各束碳纤维单丝的前端与各条环状粘合剂一一对应连接，前一束碳纤维单丝的后端覆盖后一束碳纤维单丝的前端；外包长丝呈螺旋状缠绕在各束碳纤维单丝上。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，其特征在于，所有的碳纤维单丝等长。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，其特征在于，芯纱为服用纱线，包括长丝、短纤纱和股线。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，其特征在于，各条环状粘合剂的形状和尺寸相同，沿芯纱轴向等间距排列。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，其特征在于，粘合剂为自交联式粘合剂或外交联式粘合剂。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，其特征在于，外包长丝为服用长丝。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，其特征在于，环状粘合剂的宽度范围为0.5～5mm，环状粘合剂的间距范围为2～20mm，碳纤维单丝的长度范围为3～30mm。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱，其特征在于，碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的拉伸模量为芯纱拉伸模量的1.1～1.3倍；碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的电导率为20～50S/cm。
9.制备如权利要求1～8任一项所述的一种碳纤维绒毛结构的柔性导电纱的方法，其特征是：首先将粘合剂以相同尺寸的环形窄条形态等间距地涂覆在芯纱上，然后将芯纱和碳纤维单丝束竖直放置，按一条粘合剂对应一束碳纤维单丝的原则，自下而上依次将各束碳纤维单丝的上端环绕芯纱粘附在粘合剂上，所有的碳纤维单丝等长，碳纤维单丝的长度大于相邻两粘合剂的间距与粘合剂的宽度之和，接着对粘合剂进行定型处理，最后采用包缠纺纱工艺将外包长丝呈螺旋状缠绕在各束碳纤维单丝上。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，定型处理采用烘蒸水洗的方式。
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