CN112030546A - 一种柔性液态金属智能纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，具体包括如下步骤：截取一定长度的普通纤维，采用喷笔喷涂的方式将液态金属均匀的喷涂在纤维上，喷涂完成后立即垂直悬挂，最后采用封装材料对喷涂液态金属后的纤维进行封装。该方法使得普通纤维变成具有导电性和导热性的智能纤维的同时，也有效避免了纤维本身的特性被破坏，使得智能纤维还具有其本身柔性好、弹性和形变好以及伸长度高等优点；该方法喷涂的液态金属以及封装材料均匀性好，避免某处由于均匀性问题而出现发热、导电性高等问题；并且，本发明操作简单、快捷、方便，可批量进行智能纤维的生产，有利于智能化纤维的推广。

Description

一种柔性液态金属智能纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及纤维材料技术领域，具体涉及一种柔性液态金属智能纤维的制备方法。
背景技术
智能材料是一种能够模拟生命系统，感知环境变化，实时改变自身一个或多个性能参数，使所需的复合材料或材料能够适应变化的环境的复合材料或材料。传统服装工业中的纤维虽然具有各种优异的性能，但它们不具有导电性，无法实现智能化。随着高科技的发展，纤维被赋予了感知和信息处理的功能，使人们的日常服装具有智能、反应和反馈的能力。
智能纤维作为智能纺织品的一部分，是一种真正意义上的智能可穿戴产品，它不仅能感知外部环境或内部状态的变化和刺激，还能对其做出响应。高性能光纤、智能光纤和革命性光纤是未来可穿戴电子设备不可缺少的组成部分。目前，智能纤维织物的设计主要是基于功能纤维材料。功能纤维材料有两种：一种是对外界或内部的刺激强度，如应力、应变、光、电、磁、热、湿、化学、生物化学和辐射等，具有传感功能，称为“传感材料”，可用于制作各种传感器；另一种是当外部环境或内部状态发生变化时做出响应或驱动的材料，可用于制作离子交换、光纤、形状记忆合金、光致变色、热致变色、电磁变色、伸缩材料等各种驱动器的化学功能纤维，具有传感和驱动功能的材料称为“智能材料”，如光敏改性纤维材料、热敏改性纤维材料和电致变色纤维材料。
为了使纺织品具有导电性，大部分研究集中在天然纤维、合成纤维和金属纤维组成的导电纱线的开发上。常用的纤维缠绕材料主要有石墨烯、碳纳米管、银纳米线、形状记忆材料等导体和半导体。传统制作智能纤维一般都会采用电沉积法，即：将需要沉积的材料(大多数为金属材料)作为阳极，将纤维作为阴极，这样就可以将需要沉积的材料沉积到纤维表面。但电沉积法操作复杂，制备效率低、制备成本高，无法用于智能纤维的批量生产，在一定程度上限制了智能纤维的推广。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，利用液态金属良好的导电性和导热性，赋予普通纤维良好的导电性与导热性；同时，该方法简单、快捷、方便，可批量进行智能纤维的生产，有利于智能化纤维的推广。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，其特征在于：
包括如下步骤：选择具有一定粘附性的普通纤维，截取适当的长度；然后将截取到的纤维采用夹子固定在用于喷涂的架子上，再采用喷笔喷涂的方式将液态金属均匀的喷涂在纤维上；喷涂完成后，立即将喷涂后的纤维进行垂直悬挂；待液态金属不再滴落后，静置一段时间，最后采用封装材料对喷涂液态金属后的纤维进行封装；封装后的纤维继续悬挂、风干。
作进一步优化，所述普通纤维采用碳纤维或涤纶。
作进一步优化，为了确保液态金属的喷涂均匀性以及流动特性，所述液态金属镓、铟、锡、铅均匀混合而成，其质量比为67～71：22～24：1～3：4～8。
优选的，所述镓、铟、锡、铅的质量比为69:23:2:6。
由于温度降低时，液态金属的粘性增加、流动阻力也会随之增加，液态金属的流速与流态随温度的变化而不断变化，从而导致液态金属在纤维表面附着时均匀性差：开始附着时液态金属流动性好、朝一个方向进行流动，从而在一个方向聚集，进而造成部分液态金属层厚、部分液态金属层薄的厚度不均的问题。本发明采用喷笔喷涂的方式、喷涂后采用立即悬挂的方式，在减少单位面积液态金属喷涂量的同时、利用液态金属本身的特性确保液态金属喷涂的均匀性；同时配合液态金属的成分配比(液态金属的成分配比确保其与纤维之间的粘附力以及其流动性保持在一个适中范围)，确保喷涂后液态金属在纤维表面均匀附着一层厚度适中的液态金属层、多余液态金属滴落，从而保证液态金属层厚度的均匀性，进而确保纤维具有良好导电导热特性的同时、避免液态金属过厚影响纤维的自身特性(如伸长度、刚性、弹性和形变等)。
作进一步优化，所述封装步骤具体为：采用吸管吸取封装材料，然后从各个方向对垂直悬挂的纤维进行滴落封装材料，使封装材料均匀包裹喷涂液态金属后的纤维。
采用吸管滴落的方式进行封装材料层的制备，一是避免凝固时间短的封装材料堵塞喷枪或喷嘴，导致封装材料无法正常进行制备；二是确保封装材料的厚度均匀性，由于是对垂直悬挂的液态金属层进行滴落封装、液态金属具有一定的粘附性，因此其仅在其表面粘附厚度一定的封装材料，同时液态金属的均匀粘附确保了封装材料的均匀性。
优选的，所述封装材料多余的滴落在专门的收集装置中。
作进一步优化，所述封装材料采用PVA材料或环氧树脂材料中的任一种。
作进一步优化，所述环氧树脂材料由环氧树脂与交联剂组成，其质量比为2.5～3.5:0.5～1.5；所述PVA材料由PVA与蒸馏水组成，其质量比为0.8～1.2:9～11。
优选的，所述封装材料采用PVA材料。
作进一步优化，所述智能纤维由内层向外依次为普通纤维、液态金属层、封装层；所述液态金属层均匀包裹所述普通纤维，所述封装层均匀包裹所述液态金属层。
作进一步优化，所述液态金属层的厚度为3μm～5μm。
作进一步优化，所述封装层的厚度为4μm～6μm。
本发明具有如下技术效果：
本发明方法通过在普通纤维上进行液态金属层以及封装层的涂覆，利用了液态金属良好的导电性和导热性，使得普通纤维变成具有导电性和导热性的智能纤维，同时，三层结构组合以及制备方法的结合有效避免了纤维本身的特性被破坏，使得智能纤维还具有其本身柔性好、弹性和形变好以及伸长度高等优点；该方法喷涂的液态金属以及封装材料均匀性好，避免某处由于均匀性问题而出现发热、导电性高等问题，从而破坏纤维或损伤纤维使用者；并且，本发明操作简单、快捷、方便，可批量进行智能纤维的生产，有利于智能化纤维的推广。
附图说明
图1为本发明实施例中柔性液态金属智能纤维的切面制作流程示意图。
图2为本发明实施例中柔性液态金属智能纤维的剖面示意图。
图3为本发明实施例中柔性液态金属智能纤维的立体示意图。
图4为本发明柔性液态金属智能纤维的SEM图像。
图5为本发明柔性液态金属智能纤维的内部3层材料接触润湿过程；其中，图(a)为液态金属与PVA的接触角，图(b)为液态金属与环氧树脂的接触角，图(c)为液态金属与碳纤维的接触角，图(d)为液态金属与涤纶的接触角。
图6为本发明柔性液态金属智能纤维在外加电流的情况下的发热示意图。
其中，1、普通纤维；2、液态金属层；3、封装材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1～6所示，一种柔性液态金属智能纤维，由内层向外依次为普通纤维1、液态金属层2、封装层3；液态金属层2均匀包裹普通纤维1，封装层3均匀包裹液态金属层2。其中，普通纤维1采用常见纤维、如涤纶，其直径范围可采用本领域常见的普通纤维直径；液态金属层2的厚度为3μm；封装层3的厚度为4μm。
一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，包括如下步骤：选择具有一定粘附性的涤纶，截取适当的长度；然后将截取到的纤维采用夹子固定在用于喷涂的架子上，再采用喷笔喷涂的方式将液态金属均匀的喷涂在纤维上；喷涂完成后，立即将喷涂后的纤维进行垂直悬挂；待液态金属不再滴落后，静置一段时间，最后采用封装材料对喷涂液态金属后的纤维进行封装，封装的步骤具体为：采用吸管吸取封装材料，然后从各个方向对垂直悬挂的纤维进行滴落封装材料，使封装材料均匀包裹喷涂液态金属后的纤维；封装后的纤维继续悬挂、风干。
液态金属的配置：称取镓、铟、锡、铅各一份，其质量比为67：22：1：4；将它们放置在一个合适的烧杯中，将烧杯放置在水浴锅中，将水浴锅温度设置为70℃，使其在70℃下进行水浴加热，加热使几种金属达到熔融状态，然后在烧杯中加入一颗磁力搅拌子，使已经处于熔融状态的几种金属在70℃以下进行磁力搅拌1h下，1h后取出烧杯，完成液态金属的制备。
封装材料采用环氧树脂材料；环氧树脂材料的配置：称取一份环氧树脂以及一份交联剂，其质量比为3:1，将环氧树脂与交联剂混合并用玻璃棒充分搅拌均匀，大约搅拌5min即可。
实施例2：
如图1～6所示，一种柔性液态金属智能纤维，由内层向外依次为普通纤维1、液态金属层2、封装层3；液态金属层2均匀包裹普通纤维1，封装层3均匀包裹液态金属层2。其中，普通纤维1采用常见纤维、如涤纶，其直径范围可采用本领域常见的普通纤维直径；液态金属层2的厚度为4μm；封装层3的厚度为5μm。
一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，包括如下步骤：选择具有一定粘附性的涤纶，截取适当的长度；然后将截取到的纤维采用夹子固定在用于喷涂的架子上，再采用喷笔喷涂的方式将液态金属均匀的喷涂在纤维上；喷涂完成后，立即将喷涂后的纤维进行垂直悬挂；待液态金属不再滴落后，静置一段时间，最后采用封装材料对喷涂液态金属后的纤维进行封装，封装的步骤具体为：采用吸管吸取封装材料，然后从各个方向对垂直悬挂的纤维进行滴落封装材料，使封装材料均匀包裹喷涂液态金属后的纤维；封装后的纤维继续悬挂、风干。
液态金属的配置：称取镓、铟、锡、铅各一份，其质量比为69：23：2：6；将它们放置在一个合适的烧杯中，将烧杯放置在水浴锅中，将水浴锅温度设置为85℃，使其在85℃下进行水浴加热，加热使几种金属达到熔融状态，然后在烧杯中加入一颗磁力搅拌子，使已经处于熔融状态的几种金属在85℃以下进行磁力搅拌1h下，1h后取出烧杯，完成液态金属的制备。
封装材料采用PVA材料；PVA材料的配置：称取一份固体PVA以及一份蒸馏水，其质量比为1:10，将PVA与蒸馏水混合并用玻璃棒充分搅拌均匀，放入70℃的水浴中再加入一颗磁力搅拌子进行水浴加热0.5h，完成PVA材料的制作。
实施例3：
如图1～6所示，一种柔性液态金属智能纤维，由内层向外依次为普通纤维1、液态金属层2、封装层3；液态金属层2均匀包裹普通纤维1，封装层3均匀包裹液态金属层2。其中，普通纤维1采用常见纤维、如碳纤维，其直径范围可采用本领域常见的普通纤维直径；液态金属层2的厚度为5μm；封装层3的厚度为6μm。
一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，包括如下步骤：选择具有一定粘附性的碳纤维，截取适当的长度；然后将截取到的纤维采用夹子固定在用于喷涂的架子上，再采用喷笔喷涂的方式将液态金属均匀的喷涂在纤维上；喷涂完成后，立即将喷涂后的纤维进行垂直悬挂；待液态金属不再滴落后，静置一段时间，最后采用封装材料对喷涂液态金属后的纤维进行封装，封装的步骤具体为：采用吸管吸取封装材料，然后从各个方向对垂直悬挂的纤维进行滴落封装材料，使封装材料均匀包裹喷涂液态金属后的纤维；封装后的纤维继续悬挂、风干。
液态金属的配置：称取镓、铟、锡、铅各一份，其质量比为71：24：3：8；将它们放置在一个合适的烧杯中，将烧杯放置在水浴锅中，将水浴锅温度设置为100℃，使其在100℃下进行水浴加热，加热使几种金属达到熔融状态，然后在烧杯中加入一颗磁力搅拌子，使已经处于熔融状态的几种金属在100℃以下进行磁力搅拌1h下，1h后取出烧杯，完成液态金属的制备。
封装材料采用PVA材料；PVA材料的配置：称取一份固体PVA以及一份蒸馏水，其质量比为1.2:11，将PVA与蒸馏水混合并用玻璃棒充分搅拌均匀，放入75℃的水浴中再加入一颗磁力搅拌子进行水浴加热0.5h，完成PVA材料的制作。
将实施例1与实施例3中制得的智能纤维进行接触角测试，接触角测如图5所示，从图5可以看出，不管是碳纤维还是涤纶与液态金属的接触角都为钝角，说明其具有一定的润湿性能。
对普通的纤维材料以及本发明实施例1、实施例2中的智能纤维各取3组(长度相同、其他环境条件均一致)进行电阻测试，其结果如下表：
Figure BDA0002680042830000071
由上述试验数据可知，涤纶正常条件下不导电，在通过本发明方法后，增加了其导电特性；同时，对实施例1、实施例2的同一根纤维不同点进行电阻测试，各点的电阻相差值在±0.003Ω之间，证明实施例1与实施例2制得的智能纤维中液态金属各处均匀性较好。同时，实施例1、2中纤维还具有一定的导热性能，其在接通电源后，纤维局部温度相对于环境温度有所提升；并且，该智能纤维具有优良的压电性能，当在实施例1中的纤维的一端施加压力或拉力时，观察到该智能纤维的电阻值可从54.3Ω变化83.6Ω，说明其具有非常好的压电传感功能。
对普通纤维、实施例1以及实施例2中智能纤维的伸长率、柔软度、弹性进行测试，利用RH-R1000柔软度测试仪进行柔软度的测试、利用TSH005进行纤维伸长率，发现实施例1以及实施例2中伸长率、柔软度与普通纤维基本一致，说明增加液态金属层以及封装层未改变纤维的特性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，其特征在于：
包括如下步骤：选择具有一定粘附性的普通纤维，截取适当的长度；然后将截取到的纤维采用夹子固定在用于喷涂的架子上，再采用喷笔喷涂的方式将液态金属均匀的喷涂在纤维上；喷涂完成后，立即将喷涂后的纤维进行垂直悬挂；待液态金属不再滴落后，静置一段时间，最后采用封装材料对喷涂液态金属后的纤维进行封装；封装后的纤维继续悬挂、风干。
2.根据权利要求1所述的一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，其特征在于：所述普通纤维可采用碳纤维或涤纶。
3.根据权利要求1所述的一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，其特征在于：所述封装步骤具体为：采用吸管吸取封装材料，然后从各个方向对垂直悬挂的纤维进行滴落封装材料，使封装材料均匀包裹喷涂液态金属后的纤维。
4.根据权利要求1所述的一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，其特征在于：所述封装材料可采用PVA材料或环氧树脂材料中的任一种。
5.根据权利要求4所述的一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，其特征在于：所述环氧树脂材料由环氧树脂与交联剂组成，其质量比可为2.5～3.5:0.5～1.5；所述PVA材料由PVA与蒸馏水组成，其质量比可为0.8～1.2:9～11。
6.根据权利要求1所述的一种柔性液态金属智能纤维，其特征在于：所述智能纤维由内层向外依次为普通纤维、液态金属层、封装层；所述液态金属层均匀包裹所述普通纤维，所述封装层均匀包裹所述液态金属层。
7.根据权利要求6所述的一种柔性液态金属智能纤维的制备方法，其特征在于：所述封装层的厚度可为4μm～6μm。
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