CN112127147B - 多功能导电纱线及其制备和在柔性可穿戴电子织物中的应用 - Google Patents

多功能导电纱线及其制备和在柔性可穿戴电子织物中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多功能导电纱线及其制备和在柔性可穿戴电子织物中的应用。一种导电纱线的制备方法，包括如下步骤：(1)获得接触角在80°以下、应变能力在10％以上的纱线；(2)对步骤(1)的纱线进行预拉伸，拉伸比在1‑2.5之间，将银纳米线分散液涂覆到预拉伸后的纱线上，干燥得到含有银纳米线层的纱线，使含有银纳米线层的纱线的电阻值在3‑7Ω/cm之间；所述银纳米线表面含有PVP层；(3)对含有银纳米线层的纱线进行预拉伸，拉伸比在1‑1.4之间，然后在其表面涂覆液态的有机弹性聚合物的前体，再经固化在纱线表面形成将纱线完全包覆的有机弹性聚合物层，得到导电纱线。本发明提供的导电纱线具有高机械应变稳定性和高应变敏感性，可用于柔性可穿戴电子织物中。

Description

多功能导电纱线及其制备和在柔性可穿戴电子织物中的应用
技术领域
本发明涉及一种导电纱线及其制备方法和在柔性可穿戴电子织物中的应用。
背景技术
柔性和可拉伸材料非常适合用于人造皮肤，人机交互，监控人体运动和个人保健等。电子织物在储能，传感，致动和通讯方面表现出卓越的性能。最近，具备优异的导电性能和机械性能的纳米材料，例如碳纳米管、金属纳米线和石墨烯，已经用于制备导电纱线。而银纳米线(AgNWs)由于其优异的导电性和延展性，在导电纱线应用方面它们已展示出广泛的发展前景。此外，还采用了各种方法来制造基于AgNWs的导电纱线，例如喷涂、浸涂、激光划刻和旋涂。其中，最简单方便的方法是将AgNWs沉积到纱线基底上。
可穿戴电子织物必须具备透气性、柔韧性和可拉伸性等，用以舒适有效的监测人体活动或提供长时间的稳定加热。但是机械变形(例如拉伸和弯曲)通常会破坏电子织物导电纤维之间的连通性，这会导致整个织物的电阻不一致，最终会导致电子织物失效。因此，机械变形稳定性是新型电子织物的基本研究目标。因此，长期稳定性是新的导电纱线的一个重要研究目标。Cheng等人开发了一种具有分层EcoFlex涂层CuNW结构的导电纤维，用于稳定、可拉伸和可穿戴的加热装置。Liu等人研制了一种具有优异力学性能和加热性能的碳纳米管基纤维，可反复拉伸高达150％的长度，具有较高的稳定性和可逆性。同时，还研究了基于AgNWs纱线的多功能可穿戴电子产品。赵等人制备了一种聚合物增强粘附性的AgNW纤维，用于同时应变传感和加热，在拉伸应变(1～200％)下表现出快速、可重复和稳定的响应，并具有较高的加热温度。
下述两个关键因素被用于评估电子织物的加热和传感性能：机械变形期间温度输出的稳定性以及对应变变化的敏感性。目前，大多数报道的导电纱线表现出较差的应变灵敏度因子(GF)，这限制了它们对细微变形的敏感性。此外，由于纱线中的导电材料易于氧化或脱落，因此可穿戴设备的寿命短，这对于获得具有长期保存期限和使用期限的可穿戴设备而言必须克服。因此，多功能纱线的应变稳定性和传感性能必须先提高，然后才能用于可销售的可穿戴电子设备。
为此，我们选择了柔性聚对苯二甲酸乙二酯(PET)/橡胶包芯线作为沉积AgNW的基材，以生产导电纱线。然后，通过应用绝缘聚二甲基硅氧烷(PDMS)层保护AgNW免受氧化和脱离，这也有助于提高所施加机械变形下导电性能的稳定性。用PET/AgNW/PDMS纱线织成的织物被用于制备多功能的加热和传感材料，该材料具有高拉伸性，优异的加热稳定性和对机械变形的高敏感性。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种导电纱线的制备方法。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种导电纱线，其具有高机械应变稳定性和高应变敏感性。
本发明要解决的第三个技术问题是提供所述导电纱线在柔性可穿戴电子织物中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种导电纱线的制备方法，包括如下步骤：
(1)获得接触角在80°以下、应变能力在10％以上的纱线；
(2)对步骤(1)的纱线进行预拉伸，拉伸比在1-2.5之间，将银纳米线(AgNWs)分散液涂覆到预拉伸后的纱线上，干燥得到含有AgNWs层的纱线，使含有AgNWs层的纱线的电阻值在3-7Ω/cm之间；所述AgNWs分散液中的银纳米线表面含有PVP层；
(3)对含有AgNWs层的纱线进行预拉伸，拉伸比在1-1.4之间，然后在其表面涂覆液态的有机弹性聚合物的前体，再经固化在纱线表面形成将纱线完全包覆的有机弹性聚合物层，从而得到导电纱线；所述的有机弹性聚合物为PDMS或Ecoflex。
本发明中，由于增大纱线表面的亲水性，有助于增强银纳米线在纱线表面的粘附，故本发明使用的纱线的接触角需在80°以下，以确保银纳米线在纱线表面的有效粘附。本发明的纱线材质可以是亲水性的，也可以是疏水性的，若原始纱线材质的接触角大于80°，则需要对其进行表面亲水化处理使其接触角达到80°以下，所述的表面亲水化处理可参照文献方法进行操作。具体而言，所述的表面亲水化处理的方法可以是紫外臭氧处理、等离子体处理或外加亲水性物质涂层，从而改变纱线的表面张力。其中，紫外臭氧处理最为便利，效果也好，故优选采用紫外臭氧处理。此外，由于本发明的导电纱线将用于柔性可穿戴电子织物，故要求纱线也具有柔性，本发明要求纱线的应变能力在10％以上。作为优选，所述的超声清洗是将柔性织物基材。作为优选的具体实施方式，所述纱线的材质可以是聚酯、棉、聚丙烯腈、聚氨酯中的一种，更优选为聚酯。所述的纱线在使用之前需进行清洗，在具体实施方式中，可对其进行超声清洗，如依次放在去离子水和乙醇中进行超声清洗5-10min。
本发明使用的AgNW分散液可通过文献报道的方法进行制备。作为优选，所述银纳米线直径为10-200nm，长度为15-200μm；更优选银纳米线直径为10-45nm，长度为15μm-50μm。作为一种优选的具体实施方式，所述的AgNW分散液通过如下方法获得：以无水乙醇为纯化溶剂，采用动态搅拌清洗方法对由多元醇还原法制备得到的AgNWs原液进行纯化，去除AgNWs原液中含有的有机物、银纳米颗粒和短棒，得到纯化后的AgNWs；将纯化后的AgNWs分散在无水乙醇中配成AgNW分散液。所述的AgNWs原液是由多元醇还原法制备得到，其通常使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为生长导向剂来获得，具体推荐以硝酸银为银源，乙二醇为还原剂和溶剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为生长导向剂，氯化钠和溴化钠为晶型诱导剂，采用多元醇还原法制备得到AgNWs原液。所述的动态搅拌清洗方法可参照现有文献报道的步骤进行操作，如文献[Chen G,Bi L,Yang Z,et al.Water-based purification of ultrathinsilver nanowires toward transparent conductive films with a transmittancehigher than 99％.ACS Applied Materials&Interfaces,2019,11:22648-22654.]。本发明具体推荐所述步骤(1)按照如下进行：将AgNW原液倒入带有孔径小于银纳米线长度的滤膜和搅拌桨的纯化装置中，用无水乙醇进行稀释，转动搅拌桨，在清洗过程中，将无水乙醇慢慢滴入纯化装置中，以保持溶液恒定体积，清洗一定时间后先进行一次正压过滤，然后加入PVP水溶液，摇晃均匀后再进行一次正压过滤，收集纯化后的AgNWs。作为优选，银纳米线直径为15～30nm，长度为20～40μm，滤膜孔径为8μm，搅拌速度为900rpm，清洗时间为40min。作为优选，所述的PVP的相对分子质量为55000，PVP水溶液的浓度为0.5wt％。
本发明步骤(2)中，在涂覆AgNW分散液之前，对纱线进行预拉伸，有助于银纳米线分散液在纱线中充分渗透，从而获得抗机械变形的高稳定性纱线。作为优选，预拉伸的拉伸比为1.9-2.2。
本发明步骤(2)中，可采用喷涂法、浸涂法或滴涂法将AgNW分散液涂覆到纱线上。银纳米线在纱线表面的包覆量会影响导电性能，若一次涂覆不能得到所需的导电性，可以重复多次涂覆、干燥的操作，以增加银纳米线的包覆量，获得所需的导电性。在优选的具体实施方式中，采用滴涂的方式进行涂覆，其中控制AgNW分散液的浓度为1-3mg/mL，更优选浓度在2mg/mL以上，这是因为随着AgNW分散液的浓度增加，所涂纱线上的AgNWs密度也会随着增加，其导电性能随着浓度增大而增大，当AgNWs浓度小于2mg/mL，由于AgNWs的密度较小，其导电性能较差，负载效率太低。滴涂、干燥操作的重复次数可以根据导电性要求而定。
本发明步骤(3)中，对含有AgNWs层的纱线进行预拉伸，同样有助于有机弹性聚合物前体在纱线中充分渗透，从而提高纱线抗机械变形的稳定性。作为优选，对含有AgNWs层的纱线进行预拉伸，拉伸比控制在1.3-1.4。
本发明步骤(3)中，所述的有机弹性聚合物为PDMS或Ecoflex，其中Ecoflex的型号有Ecoflex-30、Ecoflex-50等。液态的有机弹性聚合物前体一般由有机弹性聚合物单体和相应的固化剂组成，其中有机弹性聚合物单体和固化剂的比例的选择对于本发明导电纱线的性能影响很大，因为在不同比例条件下有机弹性聚合物固化对所得到的导电纱线性能影响不同。作为优选，PDMS单体和固化剂的质量比为5-20:1，更优选为10:1。作为优选，Ecoflex单体与固化剂的质量比为1:1。涂敷方式可采用浸涂法或滴涂法，涂敷厚度满足将纱线完全包覆即可。固化温度由所选择的有机弹性聚合物单体和固化剂决定，例如对于PDMS，固化条件为：60℃～100℃环境下固化4～6个小时；对于Ecoflex，固化条件为：70℃～90℃环境下固化3～5个小时。
第二方面，本发明提供了由上述制备方法制得的导电纱线。
本发明制备方法制得的导电纱线，其表面依次包覆有银纳米线层和有机弹性聚合物层，具有良好的导电性以及机械应变下稳定的电学性能和对机械应变敏感的传感性能。
第三方面，本发明提供了所述导电纱线在柔性可穿戴电子织物中的应用。
在一种具体实施方式中，将所述的导电纱线编织成柔性可穿戴电子织物，其中的导电纱线两端使用导电电极接出引线，导电电极为银、铜、铟镓合金中的一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的导电纱线的制备方法得到了具有机械应变下温度稳定输出的加热性能、对应变变化高灵敏的传感性能和长时间保存、使用的导电纱线，其中不经拉伸制备的导电纱线尤其具有高应变灵敏性，GF高达11.4；而经过拉伸预处理制备得到的导电纱线特别具有在较大机械应变(0～100％)下的温度稳定输出的加热性能及良好的循环加热性能。且本发明方法简单易行、成本低，可以批量生产。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1为实施例3的导电纱线和实施例5的柔性可穿戴电子织物的制备流程图。
图2：纯化后的银纳米线的SEM图。
图3：原始PET纱线的SEM图。
图4：紫外臭氧处理前后的PET纱线的接触角，其中a代表处理前，b代表处理后。
图5：原始PET纱线和含有银纳米线层的PET纱线的光学照片。
图6：不同涂覆次数纱线电阻与每单位长度银线质量关系。
图7：不同涂覆次数获得的PET/AgNW纱线的电阻变化图。
图8：SEM显微照片：a-未经紫外臭氧处理的PET纱线，b-经紫外线臭氧处理的PET纱线，c和d-未经紫外臭氧处理的PET纱线涂覆3次AgNWs后，e和f-经紫外线臭氧处理的PET纱线涂覆3次AgNWS后，g-实施例3的PET/AgNW/PDMS纱线的外表面，h和i-实施例3和对比例2得到的PET/AgNW/PDMS纱线的截面(嵌入刻度棒：50μm)。
图9：实施例3纱线PDMS包覆前，包覆后与对比例2纱线PDMS包覆后在不同应变下的电阻变动。
图10：未涂覆银线的PET纱线在0％,20％,40％,60％,80％和100％拉伸应变下的光学显微镜(OM)图。
图11：PDMS层在不同弯曲半径(直、10mm、5mm、3mm和1mm)下的PET/AgNW/PDMS纱线(实施例3)的相对电阻变化
图12：实施例3的PET/AgNW/PDMS纱线在循环拉伸(应变为30％)1700次(内嵌图，中部循环细节)中的相对电阻变化。
图13：实施例3的PET/AgNW/PDMS纱线在循环弯曲(弯曲半径为10毫米)1000次(内嵌图，中间部分的循环细节)中的相对电阻变化
图14：实施例3的PET/AgNW/PDMS纱线在空气中储存不同时间后相对电阻的变化
图15：将实施例3的PET/AgNW/PDMS纱线与LED灯串联接入电路，在对纱线施加70％应变前后LED灯亮度的变化。
图16：实施例3的PET/AgNW/PDMS纱线的加热性能：a-PET/AgNW/PDMS纱线的温度随施加电压的变化而变化(内嵌图为不同电压下PET/AgNW/PDMS纱线的红外热像图)，b-PET/AgNW/PDMS纱线100个加热循环过程变化，c和d-PET/AgNW/PDMS纱线施加不同应变时的电阻及温度变化，e-为PET/AgNW/PDMS纱线施加不同应变时的红外热像图。
图17：对比例2得到的PET/AgNW/PDMS纱线的传感性能：a-对比例2得到的PET/AgNW/PDMS纱线在不同应变下的电阻变动，b-对比例2得到的PET/AgNW/PDMS纱线在不同频率拉伸施加应变电阻变动。
图18：对比例2得到的PET/AgNW/PDMS纱线的传感性能：a和b-监测人体握拳，手指弯曲性能。
图19：a-可穿戴电子织物成果图，b和c-对可穿戴电子织物施加电压情况下的红外热像图。
图20：实施例5制备的导电纱线在小应变下的GF值。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述，所述是对本发明的解释而不是限定。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
实施例中用到的原料和试剂来源为：AgNO3、NaCl、NaBr、乙二醇(EG)和乙醇(ET)是从国药化学试剂有限公司获得。聚乙烯基吡咯烷酮(PVP，K90)来自Sigma-Aldrich。PVP(K30)从Damas-beta获得。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由Dow Coring提供。所有化学品均为分析试剂，无需进一步纯化即可直接使用。PET纱线是从纺织市场购买的。
实施例1：
AgNW原液是根据文献[Chen G,Bi L,Yang Z,et al.Water-based purificationof ultrathin silver nanowires toward transparent conductive films with atransmittance higher than 99％.ACS Applied Materials&Interfaces,2019,11:22648-22654.]制备得到。在乙二醇中制备(A)220.0mM NaBr，(B)210.0mM NaCl和(C)505.0mM PVP K90。依次将乙二醇(116mL)，溶液A(1mL)，溶液B(2mL)，溶液C(15mL)和新鲜的AgNO3(0.6765g在15mL乙二醇中)添加到250mL烧瓶中在室温下的油浴中。然后将溶液以300rpm min-1机械搅拌30min。搅拌后，在20-25min内将油浴的温度缓慢升至180C。同时，在加热过程中，将氮气(150mL min-1)引入溶液中。当温度达到180℃时，关闭氮气并将油浴的温度设定为170℃。10min后，停止搅拌并将反应保持1h。反应完成后，将烧瓶从油浴中移出并将溶液在水中冷却至室温，得到银纳米线(AgNWs)原液，其中银纳米线直径为15～30nm，长度为20～40μm。
实施例2：
将150mL实施例1制备的AgNW原液倒入带有滤膜(孔径为8μm)和六孔搅拌桨的纯化装置中，用无水乙醇稀释至300mL。六孔搅拌桨的搅拌速度设定为900rpm。在清洗过程中，将无水乙醇慢慢滴入纯化装置中，以保持溶液恒定体积，共清洗40min。清洗过后先进行一次正压过滤，然后加入36mL PVP溶液(0.5wt％，K30，分子量为55000)，摇晃均匀后再进行一次正压过滤，收集纯化后的AgNWs备用。纯化后的AgNWs的SEM图如图2所示。
将纯化后的AgNW分散在乙醇中配成一定浓度的AgNW分散液。
实施例3：
(1)首先，将从市场购买的PET纱线(见图3，将其裁剪成长度在20-24cm)用去离子水和无水乙醇分别超声清洗5min，在空气中60℃下干燥。然后，对PET纱线进行紫外线臭氧清洗10min，得到接触角小于80°的亲水PET纱线，结果如图4所示。
(2)将步骤(1)处理后的PET纱线拉伸到其原始长度的220％并竖直固定，取0.5mL实施例2得到的银纳米线分散液(2mg/mL)滴在一根PET纱线的上段，让其沿纱线自由下落，将纱线涂覆，让银纳米线分散液充分润湿纱线，然后立即在热风下完全干燥。再以相同的步骤操作9次，得到含有银纳米线层的PET纱线(PET/AgNW纱线)，AgNW涂层后的PET纱线照片显示，颜色从白色变为深绿色，这表明AgNWs均匀地分布在纱芯上(图5)。
(3)配制液态的PDMS前体，其中PDMS单体：固化剂的质量比为10：1，混合搅拌得到PDMS前体。将步骤(2)处理后的PET纱线拉伸到其原始长度的140％并竖直固定，然后将0.5mL左右液态的PDMS前体滴涂在PET纱线上，让其沿纱线自由下落，将纱线包裹完全，同时使两端暴露用于电连接。滴涂完毕后放置在80℃烘箱中3h，得到导电纱线(PET/AgNW/PDMS纱线)，其外表面如图8的g所示，截面如图8的h所示。
实施例4
改变步骤(2)中的滴涂、干燥操作(下面简称为涂覆)的次数为1次、2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、12次、14次、16次，其他同实施例3，得到PET/AgNW纱线，其中涂覆3次AgNWS后的纱线的SEM图见图9的e和f，PET/AgNW纱线的电阻和质量见图6和图7。
当涂覆次数从1增加到10时，每单位长度的电阻从800降低到3Ω。涂覆次数的增加导致AgNW涂层质量的提高，量化为每单位长度的质量，这说明了电阻的降低。在甚至更高的涂覆次数下，电阻和质量也不会受到影响(图7)。在较高的涂覆次数中电导率的提高归因于AgNW之间的优化互连，这提供了整个本体中最大数量的相干导电路径。根据实验结果，涂覆次数为10次时，可以提供最佳的电阻和质量。
实施例5
步骤(2)和(3)中，PET纱线进行200％预拉伸，原长包覆PDMS，其他同实施例3，得到导电纱线(PET/AgNW/PDMS纱线)，其GF值如图20所示。所得导电纱线的GF值由以下计算公式得出：
GF＝电阻变动百分比/应变
对比例1
步骤(1)中PET纱线不进行紫外臭氧处理，步骤(2)的涂覆次数为3次，其他同实施例3，得到含有银纳米线层的PET纱线(PET/AgNW纱线)，其SEM图见图8的c和d。
对比例2
步骤(2)和(3)中，PET纱线均不进行预拉伸，其他同实施例3，得到导电纱线(PET/AgNW/PDMS纱线)，其截面图见图8的i所示，其电阻图见图9。
所得导电纱线的GF值由以下计算公式得出：
GF＝电阻变动百分比/应变
该导电纱线的总体GF值在9以上，在5％应变时得到最大GF值为11.4。
实施例5：制备可穿戴电子织物
如图19所示，取10根实施例3制备得到的导电纱线(PET/AgNW/PDMS纱线)，将其以间隔3mm横向竖向各5根固定在商用的护腕上，使用铜线将导电纱线并联起来，然后使用恒压源表对其施加4V电压，红外热像仪测定其加热温度。
下面对原料以及实施例和对比例制备得到导电纱线进行结构表征和性能测试：
图8所示的SEM图显示：未经处理的PET纤维的表面是光滑的(图8的a)，经过紫外臭氧处理后表面变得粗糙(图8的b)。AgNWs在紫外臭氧处理后的PET纤维表面上分布更均匀，这表明紫外臭氧处理可增强AgNWs在PET表面上的附着力(图8的c-f)。从纱线横截面的SEM显微照片(图8的h和i)可以看出，这在层状结构中产生了差异。在纱线拉伸比为220％中，显示出PDMS由于拉伸而完全渗透到PET纤维中，而在纱线拉伸比为100％中，PDMS仅覆盖了最外面的表面。这表明预拉伸为220％的纱线中的PDMS涂层将在拉伸应变下提供更大的稳定性。
考察实施例3制备的PET/AgNW纱线和PET/AgNW/PDMS纱线以及对比例2制备的PET/AgNW/PDMS纱线在不同的拉伸应变下的电阻变化，其结果如图9所示。由图9可见，实施例3制备的PET/AgNW纱线拉伸至其原始长度的140％(即40％拉伸应变)时，相对电阻增加了不到2.5倍。此外，在40％拉伸应变下，对比例2制备的PET/AgNW/PDMS的相对电阻显示出大于3倍的增长，这显示了对比例2制备的PET/AgNW/PDMS纱线的潜在应变传感功能。相反，由于保留了由PDMS层提供的AgNW互连性，在40％拉伸应变下，实施例3制备的PET/AgNW/PDMS纱线仅显示出相对电阻的微小增加(增加0.4倍)。这显示了实施例3制备的PET/AgNW/PDMS纱线的应变电阻稳定性，具有潜在应变稳定加热功能。OM表征了由施加的拉伸应变引起的PET纱线的表面微观结构变化(图10)。在60％的拉伸应变下，PET纤维之间的间隙变大，从而破坏了相互连接的AgNW网络，进而使电阻增加。随着拉伸应变进一步增加至100％，未观察到PET纤维之间的间隙的进一步扩大。对于对比例2制备的PET/AgNW/PDMS纱线，直到40％的拉伸应变，都观察到了类似的效果。然而，在40％和100％的拉伸应变之间，由于来自外部PDMS层的压缩力，AgNWs重新连接，导致电阻降低。最后，在实施例3制备的PET/AgNW/PDMS纱线中观察到的拉伸应变耐受性提高归因于在涂覆过程中用PDMS回填PET纤维之间的缝隙，从而在拉伸过程中保护了相互连接的AgNWs。
还考察了实施例3制备的PET/AgNW/PDMS纱线在各种变形模式下的机电性能，以评估其在可穿戴加热设备中的适用性(图11-15)。当通过弯曲变形时，当弯曲半径从10mm缩小到1mm时，相对电阻仅增加10％(图11)。同时，在30％拉伸应变(1Hz)下循环拉伸1700次的试验中，相对电阻最大变化为40％(图12)；在一个循环弯曲试验中，以弯曲半径为10mm循环弯曲1000次，相对电阻最大变化为3％(图13)。值得注意的是，在空气中储存六个月后，PET/AgNW/PDMS纱线的电阻仅增加了7％(图14)。最后，通过将实施例3的PET/AgNW/PDMS纱线与LED灯串联接入电路中，考察在对纱线施加70％拉伸应变前后LED灯亮度的变化(图15)。在向PET/AgNW/PDMS纱线施加70％的拉伸应变后，未检测到LED阵列亮度的显著变化，这表明由应变增加引起的电阻变化对通过纱线的导电率的影响可忽略不计。这些机电测试表明，PET/AgNW/PDMS纱线可持久耐用，稳定且可靠地用于可穿戴加热设备。
然后通过在施加各种电压和应变时通过红外(IR)成像测量纱线的温度来评估应变对实施例3的PET/AgNW/PDMS纱线加热性能的影响(图16)。随着施加电压的增加，纱线的温度也逐渐升高，直至达到饱和温度，在固定电压下，该温度在至少30s内保持稳定(图16的a)。在5V的电压下达到90℃的温度。红外图像表明，在所有施加电压下，整个纱线的温度均一，这表明AgNW分布均匀。然后在l＝5cm，r＝1.2mm和Rn＝10Ω·cm-1的纱股上以4V的恒定电压研究了PET/AgNW/PDMS纱加热的稳定性和可靠性。通过加热循环考察了PET/AgNW/PDMS纱线对施加电压的温度响应(图16的b)。每60秒将施加的电压从关闭(0V)切换到开启(4V)。施加电压后，由于纱线电阻低，温度在30s内从30℃迅速升高。冷却速度相同。循环100次后未观察到加热行为的显著变化，这表明PET/AgNW/PDMS纱线的快速焦耳加热性能对于长期可穿戴加热设备而言是适当稳定且可靠的。
然后，通过在施加固定的4V电压的同时以20％的增速逐渐增加所施加的拉伸应变，进一步研究实施例3制备的PET/AgNW/PDMS纱线的加热性能。在整个实验中记录了电阻(图16的c)和温度(图16的d)。当向纱线施加20％的拉伸应变时，电阻增加，温度降低，但在20％和100％的应变之间都稳定。这证实了焦耳加热的程度与PET/AgNW/PDMS纱线的电阻成正比，在拉伸变形下，电阻会增加。在整个纱线上，施加的应变为0％，20％，40％，60％，80％和100％时，温度也是均匀的(图16的e)。应变下的这种加热行为在指定应变下提供了可预测的稳定温度，这对于可穿戴加热设备至关重要。
然后验证了对比例2得到的PET/AgNW/PDMS纱线作为可穿戴传感器的潜在应用。拉伸应变从0到30％施加，增量为5％，停留时间为30s，最后释放回0％(图17的a)。当施加的拉伸应变从0％增加到30％时，相对电阻逐渐增加，因为AgNW网络中各个纳米线之间的欧姆接触逐渐消失。当施加的拉伸应变增加到30％以上时，相对电阻逐渐降低，这是由于如上所述对PET芯的压缩力所致。在保持施加的应变的持续时间内，仅检测到电阻的微小变化，表明具有高稳定性。当应变恢复到0％时，原始电阻恢复为原始AgNW网络，这是由于PET/AgNW/PDMS纱线具有显著的弹性。还发现相对电阻的响应在高达50％的最大拉伸应变的循环拉伸模式下以及在0.03至0.9Hz的不同频率下都稳定(图17的b)。这些实验结果证实，PET/AgNW/PDMS纱线具有监测人体总体和精细运动所需的耐用性、可靠性和弹性。
最后，考察对比例2制备的PET/AgNW/PDMS纱线可用于人体运动检测设备的能力。对于粗大的运动，将PET/AgNW/PDMS纱线连接到指关节和食指，然后将手指反复弯曲和拉直(图18的a)。纱线的相对电阻在弯曲过程中增加，并在中指关节恢复到原始位置后返回到原始值。为了进行精细运动，将PET/AgNW/PDMS纱线连接到手指与手背之间的关节处，然后将手反复握紧拳头并放松(图18的b)。再次观察到稳定和可重复的响应。
以上详细描述了本发明的较佳实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的实验与技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种导电纱线的制备方法，包括如下步骤：
(1)获得接触角在80°以下、应变能力在10％以上的纱线；所述的纱线为聚酯PET；
(2)对步骤(1)的纱线进行预拉伸，拉伸比在1.9-2.2之间，将银纳米线分散液涂覆到预拉伸后的纱线上，干燥得到含有银纳米线层的纱线，使含有银纳米线层的纱线的电阻值在3-7Ω/cm之间；所述银纳米线分散液中的银纳米线表面含有PVP层；
(3)对含有银纳米线层的纱线进行预拉伸，拉伸比在1.3-1.4之间，然后在其表面涂覆液态的有机弹性聚合物的前体，再经固化在纱线表面形成将纱线完全包覆的有机弹性聚合物层，从而得到导电纱线；所述的有机弹性聚合物为PDMS。
2.如权利要求1所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：所述银纳米线直径为10-200nm，长度为15-200μm。
3.如权利要求2所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：所述银纳米线直径为10-45nm，长度为15μm-50μm。
4.如权利要求1所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：所述的银纳米线分散液通过如下方法获得：以无水乙醇为纯化溶剂，采用动态搅拌清洗方法对由多元醇还原法制备得到的银纳米线原液进行纯化，去除银纳米线原液中含有的有机物、银纳米颗粒和短棒，得到纯化后的银纳米线；将纯化后的银纳米线分散在无水乙醇中配成银纳米线分散液。
5.如权利要求4所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：所述的银纳米线原液通过如下方法制备得到：以硝酸银为银源，乙二醇为还原剂和溶剂，聚乙烯吡咯烷酮为生长导向剂，氯化钠和溴化钠为晶型诱导剂，采用多元醇还原法制备得到银纳米线原液。
6.如权利要求1所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：所述液态的有机弹性聚合物前体由有机弹性聚合物单体和相应的固化剂组成，其中PDMS单体和固化剂的质量比为5-20:1，固化条件为：60℃～100℃环境下固化4～6个小时。
7.如权利要求6所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：所述PDMS单体和固化剂的质量比为10:1。
8.根据权利要求1所述制备方法制得的导电纱线。
9.如权利要求8所述的导电纱线在柔性可穿戴电子织物中的应用。
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