CN113062116B - 一种仿生结构应变不敏感导电纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿生结构应变不敏感导电纤维及其制备方法，先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；制得的仿生结构应变不敏感导电纤维为仿枫叶双层褶皱结构，弹性纤维表面具有一层弹性聚合物涂层褶皱，褶皱密度为2～6个/100μm，褶皱平均高度为10～20μm；在弹性聚合物涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度10～45个/100μm，褶皱平均高度为0.5～5μm。本发明制得的导电纤维在高牵伸应变下具有优异的不敏感性能，且在一定程度缓解了传感滞后性。

Description

一种仿生结构应变不敏感导电纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性可穿戴电子学领域和纺织技术领域，具体涉及一种超拉伸应变不敏感的导电纤维及其制备方法，可应用于柔性可穿戴智能纺织品中。
背景技术
随着可穿戴电子产品的不断发展，轻量、便捷和舒适的智能纺织品具有广阔应用前景。一维的纤维基电子器件因体积小，易于成型等优势，受到极大关注和深入研究。可拉伸导电材料是柔性电子设备中必不可少的组成部分。而稳定的导电性能是可拉伸电子设备的关键，同时也是保证电子设备稳定传递电信号的关键。
越来越多的一维应变不敏感导电纤维被用于智能可穿戴设备。目前，一维应变不敏感导电纤维的设计大多为皮芯结构，主要是通过预牵伸工艺实现，具体为在预牵伸的弹性纤维上沉积导电涂层后，释放预牵伸使纤维表面形成褶皱状。现有沉积导电涂层方式主要分为直接沉积和间接沉积两种方式。前者直接在弹性纤维上通过原位聚合或喷涂等方式沉积导电材料。但因导电层与弹性芯材机械性能差异过大，其传感性能存在较大的滞后性。而后者通过将导电材料与弹性材料混合后涂覆到弹性纤维表面，很好地解决了导电纤维传感滞后的问题。但导电弹性涂层在纤维表面形成的褶皱较大，这限制了导电纤维的应变不敏感性能。
因此，开发一种新方法制备一种具有优异的应变不敏感性和较小滞后性的导电纤维，用于智能可穿戴设备具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中应变不敏感导电纤维的应变不敏感性和传感滞后性无法兼得的问题，提供了一种具有仿生结构的应变不敏感的导电纤维及其制备方法。本发明仿生结构为仿枫叶双褶结构。制备方法为，在具有一定牵伸状态的弹性长丝上涂覆弹性聚合物溶液形成弹性较好的褶皱，再给予该纤维更大的牵伸应变后沉积导电涂层。其中，弹性聚合物涂层在弹性纤维表面形成较大褶皱，导电涂层在弹性聚合物褶皱上进一步形成更加细密的褶皱。这种双褶结构导电纤维受到拉伸时，较大弹性的弹性聚合物涂层先展开，细密的导电涂层材料后展开，此种仿生结构设计使其在高牵伸应变下具有优异的不敏感性能，而且弹性聚合物褶皱与弹性基材力学性能差异小，一定程度缓解了传感滞后性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
由弹性聚合物浇筑成的匀质膜的弹性模量与弹性纤维弹性模量间的比值为0.5～2；
在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度大于在单褶结构弹性纤维表面沉积导电涂层的厚度；
弹性聚合物涂层在弹性纤维表面形成较大褶皱(根据褶皱密度衡量褶皱大小，褶皱大小与涂层厚度和预牵伸的倍数有关，预牵伸倍数小，涂层厚形成褶皱越稀越大)，由于导电涂层制备工艺中预牵伸倍数大于聚合物涂层牵伸倍数，且沉积导电涂层的厚度小于弹性聚合物涂层，从而导电涂层在弹性聚合物褶皱上进一步形成更加细密的褶皱。
这种仿生结构导电纤维受到拉伸时，较大弹性的弹性聚合物涂层的褶皱结构先展开，细密的导电涂层的褶皱结构后展开，此种仿生结构设计使其在高牵伸形变下具有优异的不敏感性能(高牵伸下的不敏感性能主要是由密度大的导电涂层褶皱带来的)，而且弹性聚合物褶皱与弹性基材力学性能差异小，一定程度缓解了传感滞后性。此外，导电材料形成的细密褶皱结构可以赋予单位长度下更长的导电通路，进而满足更大的形变。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，所述预牵伸应变的大小为a，0<a<0.3x，优选地为0.15x，所述高于预牵伸应变的牵伸应变大小为b，a<b≤0.3x，选地为0.3x，x为弹性纤维的断裂伸长率。
如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，弹性纤维的断裂伸长率为50～2000％。
如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，弹性纤维为氨纶纤维、橡胶纤维或聚己内酯纤维，优选为氨纶纤维。
如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，弹性聚合物为聚氨酯、聚己内酯或聚二甲基硅氧烷；
弹性聚合物溶液的浓度为5～10wt％；
弹性聚合物溶液中的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)或三氯甲烷；
在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度为5～30μm。
如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，沉积导电涂层采用原位聚合或喷涂的方法；沉积导电涂层厚度为0.05～0.25μm。
所述原位聚合方法具体制备步骤为：(1)将牵伸状态的单褶结构的弹性纤维浸入氧化剂和掺杂剂的混合溶液中0.5～6小时后，取出干燥；(2)将干燥后的纤维使用导电高分子材料的单体(吡咯或苯胺)在-20～60℃进行聚合1～24小时(可为气相聚合或液相聚合)；(3)将聚合后得到的聚吡咯或聚苯胺导电纤维用去离子水洗涤1～5次后干燥；(4)释放牵伸应变。优选地，原位聚合法制备导电纤维步骤中，所述纤维浸入氧化剂和掺杂剂时间为2小时，聚合温度为4℃，所述聚合方式为气相聚合时，聚合时间为18小时，所述聚合方式为液相聚合时，聚合时间为4小时，去离子水洗涤次数为3次。优选地，导电高分子材料的单体为吡咯时，所述掺杂剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵等，所述氧化剂为过硫酸铵、三氯化铁等；当导电高分子材料单体为苯胺时，所述掺杂剂为盐酸、硫酸、硝酸、樟脑磺酸、十二烷基苯磺酸钠等，所述氧化剂为过硫酸铵、重铬酸钾、三氯化铁和碘酸钾等。
所述喷涂方法具体制备步骤为：(1)通过超声1～5小时和搅拌处理1～5小时，将导电材料均匀分散在乙醇溶液中；(2)在具有一定牵伸应变的单褶弹性纤维上喷涂上述溶液1～5次；(3)干燥后，释放预牵伸应变。优选地，喷涂方法制备导电纤维步骤中，所述超声时间为2小时，搅拌时间为3小时，喷涂次数为3次。优选地，导电材料为碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料以及银纳米线等导电金属纳米材料。
本发明还提供采用如上任一项所述的方法制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，弹性纤维表面具有一层弹性聚合物涂层褶皱，弹性聚合物涂层褶皱密度(沿纤维轴向100μm上褶皱的个数)为2～6个/100μm，弹性聚合物涂层褶皱平均高度(褶皱在纤维径向方向上的长度)为10～20μm；在弹性聚合物涂层褶皱上具有一层更细密的导电涂层褶皱，导电涂层褶皱密度为10～45个/100μm，导电涂层褶皱平均高度为0.5～5μm。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，不敏感导电纤维的电导率为10-1～102S/m，在0.5x应变下的品质因子为0.1～6，在b应变下的加载卸载循环后的滞后程度为4～20％。电导率＝l/RS，其中R为长度为lm的纤维两端的电阻(Ω)，S(m2)为纤维的横截面积；品质因子Q＝(△l/l0)/(△R/R0)，其中△R/R0为相对电阻变化，△l/l0为应变相对变化；滞后程度DH＝(A加载-A卸载)/A加载，其中A加载和A卸载为相对电阻变化在加载或卸载过程中变化曲线与x轴所夹图形面积。
有益效果：
(1)本发明制备的应变不敏感的导电纤维具有仿生的双层褶皱结构，受到拉伸时，弹性大褶皱先展开，随后大褶皱上细小褶皱再展开，实现了超高应变下优异的应变不敏感性能。
(2)本发明制备的应变不敏感的导电纤维的弹性聚合物褶皱与弹性基材力学性能差异小，具有较好的传感滞后性。
附图说明
图1为本发明制得的具有仿生结构应变不敏感导电纤维示意图；
图2为实施例1制得的具有仿生结构应变不敏感导电纤维SEM图；
图3为具有仿生结构应变不敏感导电纤维相对电阻变化-应变曲线；
图4为具有仿生结构应变不敏感导电纤维在300％拉伸(虚线)和释放(实线)过程中的相对电阻变化曲线，插图为局部放大图。
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。
实施例1
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，具体如下：
(1)制备单褶氨纶纤维；
(1.1)原料的准备；
氨纶纤维，断裂伸长率为600％；
将聚氨酯放入四氢呋喃中，均匀搅拌制得的浓度为5wt％的聚氨酯溶液；
(1.2)先对氨纶纤维施加大小为100％的预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的氨纶纤维表面涂覆聚氨酯溶液后，形成厚度为10μm的涂层；释放预牵伸应变得到单褶结构氨纶纤维；由聚氨酯浇筑成的匀质膜的弹性模量与氨纶纤维弹性模量间的比值为0.8；
(2)对步骤(1)制得的单褶结构氨纶纤维施加大小为150％的牵伸应变后，采用原位聚合的方法在其表面沉积导电涂层，沉积导电涂层厚度为0.07μm，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
其中原位聚合方法的具体步骤为：(I)将牵伸状态的单褶结构的氨纶纤维浸入过硫酸铵和十六烷基三甲基溴化铵的混合水溶液中0.5小时后，取出干燥；(II)将干燥后的纤维使用吡咯单体在4℃进行气相聚合18小时；(III)将聚合后得到的聚吡咯导电纤维用去离子水洗涤3次后干燥；(IV)释放牵伸应变。
制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，如图1～2所示，其仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，氨纶纤维表面具有一层聚氨酯涂层褶皱，褶皱密度为3个/100μm，褶皱平均高度为18μm；在聚氨酯涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度21个/100μm，褶皱平均高度为0.5μm；仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为10S/m，在300％应变下的品质因子为0.4，在150％的加载卸载循环后的滞后程度为20％。
实施例2
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，具体如下：
(1)制备单褶橡胶纤维；
(1.1)原料的准备；
橡胶纤维，断裂伸长率为1200％；
将聚己内酯放入N,N-二甲基甲酰胺中，均匀搅拌制得的浓度为6wt％的聚己内酯溶液；
(1.2)先对橡胶纤维施加大小为150％的预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的橡胶纤维表面涂覆聚己内酯溶液后，形成厚度为12μm的涂层；释放预牵伸应变得到单褶结构橡胶纤维；由聚己内酯浇筑成的匀质膜的弹性模量与橡胶纤维弹性模量间的比值为2；
(2)对步骤(1)制得的单褶结构橡胶纤维施加大小为300％的牵伸应变后，采用原位聚合的方法在其表面沉积导电涂层，沉积导电涂层厚度为0.1μm，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
其中原位聚合方法的具体步骤为：(I)将牵伸状态的单褶结构的橡胶纤维浸入三氯化铁溶液中2小时后，取出干燥；(II)将干燥后的纤维使用吡咯单体在60℃进行气相聚合24小时；(III)将聚合后得到的聚吡咯导电纤维用去离子水洗涤1次后干燥；(IV)释放牵伸应变。
制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，橡胶纤维表面具有一层聚己内酯涂层褶皱，褶皱密度为4个/100μm，褶皱平均高度为14μm；在聚己内酯涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度42个/100μm，褶皱平均高度为0.9μm；仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为102S/m，在600％应变下的品质因子为0.8，在300％的加载卸载循环后的滞后程度为6％。
实施例3
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，具体如下：
(1)制备单褶聚己内酯纤维；
(1.1)原料的准备；
聚己内酯纤维，断裂伸长率为50％；
将聚二甲基硅氧烷放入三氯甲烷中，均匀搅拌制得的浓度为7wt％的聚二甲基硅氧烷溶液；
(1.2)先对聚己内酯纤维施加大小为10％的预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的聚己内酯纤维表面涂覆聚二甲基硅氧烷溶液后，形成厚度为5μm的涂层；释放预牵伸应变得到单褶结构聚己内酯纤维；由聚二甲基硅氧烷浇筑成的匀质膜的弹性模量与聚己内酯纤维弹性模量间的比值为0.5；
(2)对步骤(1)制得的单褶结构聚己内酯纤维施加大小为15％的牵伸应变后，采用原位聚合的方法在其表面沉积导电涂层，沉积导电涂层厚度为0.08μm，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
其中原位聚合方法的具体步骤为：(I)将牵伸状态的单褶结构的聚己内酯纤维浸入有过硫酸铵和十二烷基苯磺酸钠的溶液中6小时后，取出干燥；(II)然后将聚己内酯纤维浸入苯胺溶液中在-20℃进行液相聚合18小时；(III)用去离子水洗涤导电纤维5次后干燥；(IV)释放牵伸应变。
制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，聚己内酯纤维表面具有一层聚二甲基硅氧烷涂层褶皱，褶皱密度为2个/100μm，褶皱平均高度为10μm；在聚二甲基硅氧烷涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度15个/100μm，褶皱平均高度为1μm；仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为1S/m；在25％应变下的品质因子为0.5，在15％应变下的加载卸载循环后的滞后程度为10％。
实施例4
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，具体如下：
(1)制备单褶氨纶纤维；
(1.1)原料的准备；
氨纶纤维，断裂伸长率为1600％；
将聚氨酯放入四氢呋喃中，均匀搅拌制得的浓度为8wt％的聚氨酯溶液；
(1.2)先对氨纶纤维施加大小为150％的预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的氨纶纤维表面涂覆聚氨酯溶液后，形成厚度为20μm的涂层；释放预牵伸应变得到单褶结构氨纶纤维；由聚氨酯浇筑成的匀质膜的弹性模量与氨纶纤维弹性模量间的比值为0.9；
(2)对步骤(1)制得的单褶结构氨纶纤维施加大小为300％的牵伸应变后，采用喷涂的方法在其表面沉积导电涂层，沉积导电涂层厚度为0.05μm，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
其中喷涂方法的具体步骤为：(I)通过超声1小时和搅拌处理3小时，将碳纳米管均匀分散在乙醇溶液中；(II)在具有一定牵伸应变的单褶氨纶纤维上喷涂步骤(I)得到的溶液1次；(III)干燥后，释放预牵伸应变。
制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，氨纶纤维表面具有一层聚氨酯涂层褶皱，褶皱密度为4个/100μm，褶皱平均高度为16μm；在聚氨酯涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度40个/100μm，褶皱平均高度为2μm；仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为10-1S/m，在800％应变下的品质因子为1，在300％的加载卸载循环后的滞后程度为5％。
实施例5
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，具体如下：
(1)制备单褶橡胶纤维；
(1.1)原料的准备；
橡胶纤维，断裂伸长率为1800％；
将聚己内酯放入N,N-二甲基甲酰胺中，均匀搅拌制得的浓度为9wt％的聚己内酯溶液；
(1.2)先对橡胶纤维施加大小为200％的预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的橡胶纤维表面涂覆聚己内酯溶液后，形成厚度为15μm的涂层；释放预牵伸应变得到单褶结构橡胶纤维；由聚己内酯浇筑成的匀质膜的弹性模量与橡胶纤维弹性模量间的比值为1.9；
(2)对步骤(1)制得的单褶结构橡胶纤维施加大小为350％的牵伸应变后，采用喷涂的方法在其表面沉积导电涂层，沉积导电涂层厚度为0.15μm，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
其中喷涂方法的具体步骤为：(I)通过超声3小时和搅拌处理5小时，将石墨烯均匀分散在乙醇溶液中；(II)在具有一定牵伸应变的单褶橡胶纤维上喷涂步骤(I)得到的溶液3次；(III)干燥后，释放预牵伸应变。
制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，橡胶纤维表面具有一层聚己内酯涂层褶皱，褶皱密度为6个/100μm，褶皱平均高度为15μm；在聚己内酯涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度45个/100μm，褶皱平均高度为5μm；仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为10S/m，在900％应变下的品质因子为4，在350％应变下的加载卸载循环后的滞后程度为4％。
实施例6
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，具体如下：
(1)制备单褶聚己内酯纤维；
(1.1)原料的准备；
聚己内酯纤维，断裂伸长率为60％；
将聚二甲基硅氧烷放入三氯甲烷中，均匀搅拌制得的浓度为10wt％的聚二甲基硅氧烷溶液；
(1.2)先对聚己内酯纤维施加大小为10％的预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的聚己内酯纤维表面涂覆聚二甲基硅氧烷溶液后，形成厚度为8μm的涂层；释放预牵伸应变得到单褶结构聚己内酯纤维；由聚二甲基硅氧烷浇筑成的匀质膜的弹性模量与聚己内酯纤维弹性模量间的比值为0.6；
(2)对步骤(1)制得的单褶结构聚己内酯纤维施加大小为12％的牵伸应变后，采用喷涂的方法在其表面沉积导电涂层，沉积导电涂层厚度为0.2μm，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
其中喷涂方法的具体步骤为：(I)通过超声4小时和搅拌处理4小时，将银纳米线均匀分散在乙醇溶液中；(II)在具有一定牵伸应变的单褶聚己内酯纤维上喷涂步骤(I)得到的溶液4次；(III)干燥后，释放预牵伸应变。
制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，聚己内酯纤维表面具有一层聚二甲基硅氧烷涂层褶皱，褶皱密度为2个/100μm，褶皱平均高度为12μm；在聚二甲基硅氧烷涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度10个/100μm，褶皱平均高度为4μm；仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为102S/m，在30％应变下的品质因子为0.1，在12％应变下的加载卸载循环后的滞后程度为18％。
实施例7
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，具体如下：
(1)制备单褶氨纶纤维；
(1.1)原料的准备；
氨纶纤维，断裂伸长率为1100％；
将聚氨酯放入N,N-二甲基甲酰胺中，均匀搅拌制得的浓度为8wt％的聚氨酯溶液；
(1.2)先对氨纶纤维施加大小为150％的预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的氨纶纤维表面涂覆聚氨酯溶液后，形成厚度为25μm的涂层；释放预牵伸应变得到单褶结构氨纶纤维；由聚氨酯浇筑成的匀质膜的弹性模量与氨纶纤维弹性模量间的比值为0.9；
(2)对步骤(1)制得的单褶结构氨纶纤维施加大小为200％的牵伸应变后，采用喷涂的方法在其表面沉积导电涂层，沉积导电涂层厚度为0.25μm，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
其中喷涂方法的具体步骤为：(I)通过超声5小时和搅拌处理1小时，将银纳米线均匀分散在乙醇溶液中；(II)在具有一定牵伸应变的单褶氨纶纤维上喷涂步骤(I)得到的溶液5次；(III)干燥后，释放预牵伸应变。
制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，氨纶纤维表面具有一层聚氨酯涂层褶皱，褶皱密度为3个/100μm，褶皱平均高度为20μm；在聚氨酯涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度30个/100μm，褶皱平均高度为3μm；仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为102S/m，在550％应变下的品质因子为0.5，在200％应变下的加载卸载循环后的滞后程度为8％。
实施例8
一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，具体如下：
(1)制备单褶氨纶纤维；
(1.1)原料的准备；
氨纶纤维，断裂伸长率为2000％；
将聚氨酯放入四氢呋喃中，均匀搅拌制得的浓度为5wt％的聚氨酯溶液；
(1.2)先对氨纶纤维施加大小为150％的预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的氨纶纤维表面涂覆聚氨酯溶液后，释放预牵伸应变得到单褶结构氨纶纤维；由聚氨酯浇筑成的匀质膜的弹性模量与氨纶纤维弹性模量间的比值为0.8；
(2)对步骤(1)制得的单褶结构的氨纶纤维施加300％的牵伸应变后，浸入0.1mol/L的氯化铁溶液中2小时后，取出干燥；将干燥后的纤维使用吡咯单体在4℃进行气相聚合24小时，将聚合后得到的导电纤维使用去离子水洗涤3遍，干燥释放预牵伸，制得仿生结构应变不敏感导电纤维。
制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其仿生结构为仿枫叶双层褶皱结构，氨纶纤维表面具有一层聚氨酯涂层褶皱，褶皱密度为5个/100μm，褶皱平均高度为15μm；在聚氨酯涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度40个/100μm，褶皱平均高度为1μm；仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为102S/m，在1000％应变下的品质因子为6，在300％应变下的加载卸载循环后的滞后程度为4％(如图4所示，插图为局部放大图)。
对比例1
一种导电纤维的制备方法，基本同实施例8，不同之处仅在于步骤(2)是直接将步骤(1)制得的单褶结构氨纶纤维浸入0.1mol/L的氯化铁溶液中2小时后，取出干燥；再将干燥后的纤维使用吡咯单体在4℃进行气相聚合24小时，将聚合后得到的导电纤维使用去离子水洗涤3遍，干燥。
对比例2
一种导电纤维的制备方法，基本同实施例8，不同之处在于步骤(1.2)是直接将氨纶纤维涂覆聚氨酯溶液，不经过牵伸处理得到具有聚氨酯涂层的氨纶纤维；步骤(2)是直接将步骤(1)制得的具有聚氨酯涂层的氨纶纤维浸入0.1mol/L的氯化铁溶液中2小时后，取出干燥；再将干燥后的纤维使用吡咯单体在4℃进行气相聚合24小时，将聚合后得到的导电纤维使用去离子水洗涤3遍，干燥。
如图3所示，与传统单褶结构(对比例1)相比，具有仿生结构导电纤维(实施例8)在1000％应变下相对电阻变化仅为1.68，而传统单褶结构的导电在960％应变下相对电阻变化达到30，而无褶皱结构的导电纤维(对比例2)在360％应变下，相对电阻变化达到30，具有仿生结构导电纤维的相对电阻变化在更高的应变下远低于传统单褶结构导电纤维和无褶皱结构的相对电阻变化，这是因为具有仿生结构导电纤维受到拉伸时，较大弹性的弹性聚合物涂层先展开，细密的导电涂层材料后展开，使其在高牵伸应变下具有优异的不敏感性能。

Claims (6)

1.一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于：先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；
由弹性聚合物浇筑成的匀质膜的弹性模量与弹性纤维弹性模量间的比值为0.5~2；
在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度大于在单褶结构弹性纤维表面沉积导电涂层的厚度；
所述预牵伸应变的大小为a，0<a<0.3x，所述牵伸应变的大小为b，a<b≤0.3x，x为弹性纤维的断裂伸长率；
弹性纤维的断裂伸长率为50~2000%。
2.根据权利要求1所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于，弹性纤维为氨纶纤维、橡胶纤维或聚己内酯纤维。
3.根据权利要求1所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于，弹性聚合物为聚氨酯、聚己内酯或聚二甲基硅氧烷；
弹性聚合物溶液的浓度为5~10wt%；
弹性聚合物溶液中的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃或三氯甲烷；
在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度为5~30μm。
4.根据权利要求1所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，其特征在于，沉积导电涂层采用原位聚合或喷涂的方法；沉积导电涂层的厚度为0.05~0.25μm。
5.采用如权利要求1~4任一项所述的方法制得的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其特征在于：弹性纤维表面具有一层弹性聚合物涂层褶皱，弹性聚合物涂层褶皱密度为2~6个/100μm，弹性聚合物涂层褶皱平均高度为10~20μm；在弹性聚合物涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，导电涂层褶皱密度10~45个/100μm，导电涂层褶皱平均高度为0.5~5μm。
6.根据权利要求5所述的一种仿生结构应变不敏感导电纤维，其特征在于，仿生结构应变不敏感导电纤维的电导率为10-1~102S/m，在0.5x应变下的品质因子为0.1~6，在b应变下的加载卸载循环后的滞后程度为4~20%。
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