CN113737341A - 弹性皮芯纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹性皮芯纤维及其制备方法。该制备方法通过对预拉伸状态的长丝进行皮层包裹，释放应力后，能够形成特殊的三维螺旋结构，显著提高了纤维的可拉伸性能。尤其是采用横截面为非对称结构的长丝和具有弹性的成膜物质进行包裹，能够在皮层表面形成粗糙的褶皱和多孔结构，提高表面形貌的粗糙度。进一步在其表面制备导电等功能层，功能层的附着牢度较高，纤维的拉伸导电性也显著提高，可很好地用于可穿戴电子设备。

Description

弹性皮芯纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合纤维制备技术领域，尤其涉及一种弹性皮芯纤维及其制备方法。

背景技术

随着科技社会发展，可穿戴柔性电子设备逐渐走入人们生活，已成为人类生活及科技发展不可或缺的部分。常规导电纤维在实际应用时，形变量通常受到材料或结构的限制，使得产品的延展性、柔韧性较差，无法满足大形变应用时的需求。特别是大形变时，会破坏导电纤维中的导电通路，造成器件失效甚至破坏。

柔性可拉伸导电纤维作为一种理想的可穿戴柔性电子设备的制备材料，能够满足使用过程中的弯曲、拉伸等各种变形需求，实现了信息获取、传输、储能等器件的柔性化，受到了研究者们的广泛关注。因此，研究与开发柔性可拉伸的导电纤维具有重要意义。

目前，人们对柔性可拉伸导电纤维的研究，主要采用常规涂层或复合纺丝等方法，将导电物质与成纤聚合物共混，通过熔融纺丝、湿法纺丝等方法制备弹性导电纤维。存在工艺复杂、性能稳定性差、结构单一、纤维较粗等缺点，限制了可拉伸导电纤维的实际应用。

有鉴于此，有必要设计一种改进的弹性皮芯纤维以及以此为基础的柔性可拉伸导电纤维，以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种弹性皮芯纤维及其制备方法。本发明通过对预拉伸状态的长丝进行皮层包裹，释放应力后，能够形成特殊的三维螺旋多孔结构，显著提高了纤维的可拉伸性能和表面形貌的丰富性。进一步在其表面制备导电等功能层，纤维的拉伸导电性显著提高，可很好地用于可穿戴电子设备。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种弹性皮芯纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1.将芯层长丝按预设牵伸比例进行预牵伸；

S2.配制皮层溶液；

S3.通过固液形式的微流体涂层包覆技术，将所述皮层溶液包覆在预牵伸后的芯层长丝表面固化成膜，然后释放芯层长丝的预牵伸应力，得到弹性皮芯纤维。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述芯层长丝为横截面为非对称结构的弹性长丝。

作为本发明的进一步改进，所述弹性长丝是由若干根单丝组成的长丝集束，当预牵伸时，若干根单丝之间彼此压迫，使得所述弹性长丝的横截面呈非对称结构。

作为本发明的进一步改进，所述弹性长丝的材料包括但不限于为聚氨酯、聚醚酯、聚烯烃、橡胶中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述预设牵伸比例为0％-1200％。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述皮层溶液的溶剂为挥发速率不同的多种溶剂组成的混合溶剂，用于在固化过程中产生多孔结构。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述皮层溶液中包括弹性成膜物质。

作为本发明的进一步改进，所述皮层溶液中的成膜物质包括但不限于为SBS、PU、PVP中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述皮层溶液中还包括功能材料。

作为本发明的进一步改进，所述功能材料为导电材料、磁性材料、传感材料中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述固液形式的微流体涂层包覆技术包括如下步骤：将所述预牵伸后的芯层长丝从微流体控制装置的内层通道牵伸出来；将所述皮层溶液从微流体控制装置的外层通道挤出，在出口处与所述预牵伸后的芯层长丝汇合，并包覆在其表面，待溶剂挥发后固化成膜。

作为本发明的进一步改进，所述微流体控制装置的内层通道和外层通道的横截面为偏心圆结构。

作为本发明的进一步改进，所述制备方法还包括：在所述弹性皮芯纤维表面制备一层导电材料。

作为本发明的进一步改进，所述弹性皮芯纤维表面的导电材料通过磁控溅射制备得到。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种弹性皮芯纤维，采用以上任一项所述的制备方法制备得到。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的弹性皮芯纤维的制备方法，以具有一定成膜性聚合物为皮层材料，预拉伸的弹性长丝为芯层材料，皮层材料固化后，释放弹性纤维长丝的预应力，制备得到一种具有新型三维螺旋结构弹性皮芯复合纤维。此种螺旋结构的弹性皮芯复合纤维具有良好的柔性和可拉伸性，能够用于柔性可拉伸器件的制备。通过调控皮层溶剂的组成以及固化环境，还能在纤维表面形成微孔结构，从而提高纤维表面粗糙度，有利于导电等功能物质与纤维的结合。

2.本发明提供的弹性皮芯纤维的制备方法，优选横截面为非对称结构的弹性长丝为芯层材料和具有弹性的成膜物质为皮层材料，在预牵伸状态下皮层材料包裹芯层长丝，并能够随着弹性芯丝一起释放应力，更易形成微观的三维螺旋结构，而且螺旋结构规整度和可调控性高；同时表面还形成了褶皱和微孔结构，显著提高纤维表面形貌的丰富度，为表面进一步改性提供有效途径。

3.本发明提供的弹性皮芯纤维的制备方法，通过在皮层添加功能材料，或者在制备的弹性皮芯纤维表面再制备一层功能材料，例如导电材料，能够得到拉伸循环性能较好的导电纤维，150％牵伸条件下，电阻变化率仅6％。因此，可作为柔性导线应用于可穿戴电子设备中。

4.本发明提供的弹性皮芯纤维的制备方法，采用固液形式的微流体涂层包覆技术，进行皮层包覆，芯层材料的弹性纤维长丝进入芯片通道时，始终保持处于预牵伸状态；微流控芯片可以精确地调控皮层溶液的流量，使得制备保持平衡，保证了纤维结构的均匀性。皮层溶液从芯片通道末端挤出后，会有挤出胀大的现象，能够更好地包裹在芯丝上。因此，本发明通过一步法制备得到表面具有多级结构的复合弹性皮芯纤维，皮层和芯层的结合牢度高，具有制备方法简单快速、对环境无污染，相对湿法纺丝的方法，不产生废液的优点。

附图说明

图1为弹性皮芯纤维的微流体涂层技术制备示意图。

图2为微流控芯片的C型结构示意图。

图3为弹性皮芯纤维溅射过程样品制备示意图。

图4为SBS、PU和SBS/PU的红外光谱图。

图5为实施例1中PU长丝集束的电镜图。

图6为实施例1制备的SBS₁₅/PU₃₀₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图7为实施例1制备的SBS₁₅/PU₃₀₀皮芯复合弹性纤维在定伸长400％条件下，第30次循环应力-应变曲线。

图8为实施例1制备的Cu/SBS₁₅/PU₃₀₀复合导电纤维在不同拉伸应变下的循环拉伸导电性能曲线。

图9为实施例1制备的Cu/SBS₁₅/PU₃₀₀复合导电纤维在手指关节弯曲过程的电阻变化曲线。

图10为实施例1制备的Cu/SBS₁₅/PU₃₀₀复合导电纤维接入到LED演示电路中，拉伸过程中LED灯的点亮情况实物图。

图11为实施例2制备的SBS₂₅/PU₂₀₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图12为实施例2制备的SBS₂₅/PU₂₀₀皮芯复合弹性纤维在定伸长400％条件下，第30次循环应力-应变曲线。

图13为实施例3制备的SBS₁₅/PU₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图14为实施例4制备的SBS₁₅/PU₄₀₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图15为实施例4制备的SBS₁₅/PU₄₀₀皮芯复合弹性纤维在定伸长400％条件下，第30次循环应力-应变曲线。

图16为实施例5制备的SBS₁₅/PU₂₀₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图17为实施例6制备的PVP₁₅/PU₂₀₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图18为实施例7制备的SBS₁₅/PU₂₀₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图19为实施例8制备的SBS₁₅/PU₂₀₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图20为实施例9制备的SBS₁₅/PET₂₀₀皮芯复合弹性纤维不同放大倍数下的电镜图。

图21为本发明基于微流体涂层技术制备弹性皮芯纤维的装置的结构示意图。

图中，1-芯层长丝；11-皮层溶液；12-皮芯复合纤维；13-三维螺旋结构弹性皮芯纤维；14-亚克力框；

2-压力控制器；3-第一导轮；4-第二导轮；5-微流控芯片；6-液体注射器；7-加热固化装置；7-1-红外加热灯；7-2-温度传感器；8-温度控制器；9-减速装置；10-络筒装置；11-平台支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供的弹性皮芯纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1.将芯层长丝1按预设牵伸比例进行预牵伸；

S2.配制皮层溶液11；

S3.通过固液形式的微流体涂层包覆技术，将所述皮层溶液11包覆在预牵伸后的芯层长丝1表面固化成膜，然后释放芯层长丝1的预牵伸应力，得到弹性皮芯纤维。

通过采用上述技术方案，本发明以具有一定成膜性聚合物为皮层材料，预拉伸的弹性长丝为芯层材料，调控纺丝工艺，制备出一种与常规单一直线型的弹性纤维有所不同的新型三维螺旋结构弹性皮芯复合纤维13。此种螺旋结构的弹性皮芯复合纤维13具有良好的柔性和可拉伸性，而且制备工艺简单，可重复性高，能够用于柔性可拉伸器件的制备。

在步骤S1中，所述芯层长丝1优选为横截面为非对称结构的弹性长丝。本发明实验结果表明，采用非对称结构的弹性长丝，在预牵伸状态下被皮层材料包裹，释放应力后，更易形成微观的三维螺旋结构，而且螺旋结构规整度和可调控性高。

优选地，所述弹性长丝是由若干根(例如6-20根，优选为8、10、12根)单丝组成的长丝集束，当预牵伸时，若干根单丝之间彼此压迫，使得所述弹性长丝的横截面呈非对称结构。单丝的直径为0.5～100μm，横截面优选为规则圆形；弹性长丝的细度为40-140D，在截面上呈非对称结构。

所述弹性长丝的材料包括但不限于为聚氨酯、聚醚酯、聚烯烃、橡胶中的一种或多种，优选为聚氨酯长丝或橡胶丝或其复合长丝。所述预设牵伸比例为0％-1200％，优选为100％～1000％，更优选为100％～600％，更优选为200％～400％，在实际应用中，可根据芯丝性能及皮芯纤维的需求性能，对牵伸比例进行调节。通过对弹性长丝进行不同程度的预牵伸，能够对弹性皮芯复合纤维的螺旋结构进行调控，如螺旋角等。

在步骤S2中，所述皮层溶液11的溶剂优选为挥发速率不同的多种溶剂组成的混合溶剂，用于在固化过程中产生多孔结构。例如甲苯/乙酸乙酯、甲苯/丙酮、乙醇/丙酮等，固化过程溶剂梯度挥发发生相分离过程，在纤维表面形成微孔结构，使得纤维具有较大的表面粗糙度，有利于导电等功能物质与纤维的结合。在此过程中，能够通过调节皮层材料的浓度(15-25％)、环境温度(20-40℃)、湿度(40％-60％)等参数，对固化过程进行调控，进而对复合纤维的螺旋结构与表面形貌进行调控。

在步骤S2中，皮层溶液11中的成膜物质选自PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、PU等，所述皮层溶液11中优选包括弹性成膜物质。所述成膜物质包括但不限于为SBS、PU。选用成膜物质，能够随着弹性芯丝一起释放应力，能够形成具有褶皱结构和多孔结构的表面形貌。通过皮层和芯层弹性材料的适当搭配，能够得到表面形貌丰富、可拉伸性好(即反复拉伸时皮层材料的结合牢度高，不易被破坏)的皮芯纤维。

所述皮层溶液11中还包括功能材料。通过在皮层溶液11中添加适量的功能材料，使得功能材料与皮层成膜物质一起包覆在弹性芯丝表面，得到功能性弹性皮芯纤维。例如所述功能材料为导电材料、磁性材料、传感材料(例如温湿度传感材料、压敏材料、光敏材料等)中的一种或多种。如此能够得到导电性或磁性的弹性皮芯纤维，拉伸导电性或磁性较好，可作为柔性可拉伸导线应用于智能可穿戴电子设备中。

在步骤S3中，所述固液形式的微流体涂层包覆技术采用的一种基于微流体涂层技术的装置如图21所示，包括微流体控制装置和长丝牵伸装置，微流体控制装置的芯片包括至少两个同轴的C型通道(即内切的偏心圆结构(如图3所示的C型结构)，皮层溶液从末端挤出后，会有挤出胀大的现象，c型口挤出胀大后，能更好地包裹在芯丝上。)；长丝牵伸装置将芯层长丝从内层通道牵伸至出口，皮层微流体溶液从外层通道挤出并与芯层长丝汇合，实现基于微流体涂层技术的固液包覆，得到皮芯纤维。

将预牵伸后的芯层长丝1从微流体控制装置的内层通道牵伸出来；将皮层溶液11从微流体控制装置的外层通道挤出，在出口处与预牵伸后的芯层长丝汇合，并包覆在其表面，待溶剂挥发后固化成膜；然后牵伸至石墨烯分散液中，溶胀涂覆；最后再释放应力。如此操作，芯层材料的弹性纤维长丝进入芯片通道时，始终保持处于预牵伸状态；微流控芯片可以精确地调控皮层溶液的流量，使得制备保持平衡，保证了纤维结构的均匀性。释放预牵伸应力，弹性长丝自然回缩，制备出具有三维螺旋结构弹性皮芯纤维。

长丝牵伸装置包括压力控制器2、减速装置9以及第一导轮3和第二导轮4；压力控制器2和第一导轮3设置于芯片的通道入口之前的位置，减速装置9和第二导轮4设置于芯片的通道出口之后的位置；用于将芯层长丝1从压力控制器2导出，并通过第一导轮3从芯片的芯层通道入口导入，然后从出口导出，经第二导轮4牵引至减速装置9；压力控制器2向芯层长丝1施加压力，减速装置9向芯层长丝1施加牵伸力。压力控制器2与减速装置9之间配合，其中减速装置9配备有电机作为主动装置，压力控制器2未配备电机，仅提供压力作为从动装置。

特别地，压力控制器2设置于平台支架上，微流控芯片5的通道垂直与水平面设置，使得芯层长丝1垂直于水平面拉伸出来，并通过第二导轮4平行水平面传送至减速装置。如此设置，能够使得皮层溶液在重力与表面张力作用下，在出口处向下扩散、流动，出口处的皮层溶液由连续运动中的芯层长丝1带走，皮层溶液在芯层长丝1表面流动固化后包裹在芯层长丝1表面。相比水平拉伸，能够提高皮层包覆的均匀度。

本发明基于微流体涂层技术制备皮芯纤维的装置还包括加热固化装置7，加热固化装置7设置于芯片的通道的出口端，用于加速皮层溶液的固化。皮层溶液通过液体挤出装置(液体注射器6)和连接导管注射至微流控芯片5内，液体注射器6还可为双通道或多通道注射器，多液体注射器内装有多种聚合物组分以实现制备纤维含有多组分、多功能要求。

具体地，加热固化装置7包括红外加热灯7-1，温度传感器7-2，的红外加热灯7-1、温度传感器7-2与温度控制器8连接，实现温度的智能控制。红外加热灯7-1可替换为紫外线加热固化灯。

在一些实施方式中，本发明基于微流体涂层技术制备皮芯纤维的装置还包括络筒装置10，其与减速装置9有一定速度差，用于将得到的皮芯纤维进行卷曲状态下的打包卷绕。

纺丝装置内还可设置排风装置，使得整个制备过程在一个安全通风的环境下进行。

包括如下步骤：将所述预牵伸后的芯层长丝1从微流体控制装置的内层通道牵伸出来；将所述皮层溶液11从微流体控制装置的外层通道挤出，在出口处与所述预牵伸后的芯层长丝1汇合，并包覆在其表面，待溶剂挥发后固化成膜。如此操作，芯层材料的弹性纤维长丝进入芯片通道时，始终保持处于预牵伸状态；微流控芯片可以精确地调控皮层溶液11的流量，使得制备保持平衡，保证了纤维结构的均匀性。

具体地，请参阅图1所示，利用微流体涂层技术，通过微流控芯片通道设计，以具有一定成膜性的聚合物溶液为皮层，包裹经预牵伸的芯层弹性长丝表面，在芯片出口处，包裹在弹性长丝表面的聚合物溶液快速固化成膜，得到皮芯复合纤维12；而后释放预牵伸应力，弹性长丝自然回缩，制备出具有三维螺旋结构弹性皮芯纤维13。

聚合物溶液由注射泵注入微流体控制装置的外通道中，在出口处与弹性长丝汇合，聚合物溶液由于重力与表面张力，在出口处开始向下扩散、流动，出口处的聚合物溶液由连续运动中的弹性长丝带走，聚合物溶液在PU长丝表面流动固化后包裹在PU表面。由于溶剂的快速挥发，聚合物溶液在弹性长丝表面快速固化成膜，形成具有皮芯结构的复合弹性纤维。调控聚合物溶液的流量与弹性长丝的收卷速度，可达到动态平衡状态，实现连续制备。由于内外层材料的回缩率差异，经预牵伸的PU释放拉伸应力后，纤维回缩到稳定状态，复合纤维形成三维螺旋结构。

所述制备方法还包括：在所述弹性皮芯纤维表面制备一层导电材料。所述弹性皮芯纤维表面的导电材料优选通过磁控溅射制备得到。

以上述具有螺旋结构的复合纤维作为柔性基底，通过磁控溅射在纤维表面制备一层复合纳米导电层，得到了具有三维螺旋结构的柔性可拉伸复合导电纤维。该方法制备的导电纤维直径较细，表面结构丰富，具有良好的拉伸导电稳定性。

由于复合弹性纤维属于三维螺旋结构，需要将其正反面进行溅射，才能使复合弹性纤维基材均匀导电。如图3所示，将复合弹性纤维固定在切割好的镂空亚克力框14上，再将亚克力框14固定在样品台上，单面溅射完毕后，翻转亚克力板，进行反面溅射镀膜。

实施例1

一种弹性皮芯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)配制皮层溶液：将乙酸乙酯与甲苯配置成混合比为3:1的混合溶剂，待用。称取适量的SBS母粒缓慢地加入到混合溶剂中，常温下磁力搅拌12h直至SBS颗粒完全溶解，配得质量分数为15％的SBS溶液，溶液质地澄清透明。

(2)芯材选择140D的PU长丝，预牵伸为300％。

(3)利用微流体涂层技术，通过微流控芯片通道设计，以SBS溶液为皮层，包裹在经预牵伸的芯层PU长丝表面，在芯片出口处，包裹在PU长丝表面的SBS溶液快速固化成膜，而后释放预牵伸应力，PU纤维自然回缩，制备出具有三维螺旋结构的SBS/PU皮芯复合弹性纤维。(固化环境温度为20℃，相对湿度为40％。)

请参阅图4所示，由红外光谱图可知，699cm^-1处是聚苯乙烯的苯环单取代振动吸收峰，966cm^-1处是丁二烯C＝C基团上C—H的弯曲振动吸收峰。由图可知，在SBS/PU的红外光谱图中699cm^-1、966cm^-1处均出现了SBS特有的红外特征峰。同时，在PU的红外光谱图中1736cm^-1处出现的C—O伸缩振动特征峰和3332cm^-1处出现的N—H的伸缩振动特征峰，在SBS/PU的红外光谱图中完全消失，说明SBS/PU皮芯复合弹性纤维中皮层SBS完全包裹住芯层PU长丝，表明该方法制备的SBS/PU皮芯复合纤维的结构稳定，无漏芯现象。

请参阅图5所示，可以看出，芯层PU长丝是由12根单丝组成的长丝集束，PU单丝直径约43μm，截面为规则圆形。12根单丝在空间上紧密排列，呈现出不规则形状。由图5中b可知，SBS/PU复合弹性纤维中PU长丝由于经过了预牵伸，单丝的直径略微减小，同时由于牵伸力的存在，PU长丝束中的单丝彼此压迫，最终呈现近似梯形排列，正是由于这种非对称结构排列的存在，导致最终的SBS/PU复合弹性纤维回缩后，在空间上发生变形扭转，因此在自然状态下呈现出三维螺旋结构。图5中c为局部放大图，可以观察到皮层SBS与芯层PU紧密粘结，说明这两种材料的结合力较强，具有一定的结构稳定性。此外，由于SBS溶液在固化过程中发生了相分离，在纤维表面可观察到致密的微孔。

请参阅图6所示，可以看出，SBS/PU皮芯复合弹性纤维除了具有均匀的三维螺旋结构，表面还具有均匀的褶皱，这是由于外层SBS材料属于柔弹性材料，释放预应变后，皮层材料受到挤压，使得复合纤维表面形成褶皱结构。同时，纤维样品的表面还具有均匀致密的微孔结构，这可能是由于皮层SBS溶液中溶剂乙酸乙酯与甲苯高速挥发，会带来温度变化，产生热致相分离，从而在纤维表面形成微孔。

图7为SBS_x/PU_y(x表示SBS浓度，y表示PU的预牵伸比例)复合弹性纤维的弹性回复性能定伸长400％条件下，第30次循环应力-应变曲线。具有螺旋结构的SBS/PU复合弹性纤维的能量损耗圈较小，弹性回复性能较好。在SBS/PU复合弹性纤维的应力应变曲线上，出现了部分应力尖峰，这对应着拉伸过程中，纤维表面每一个微孔和褶皱的变化。

应用试验

选择纯度为99.99％的铜靶在上述制备的SBS/PU皮芯复合弹性纤维表面溅射一层导电铜层，磁控溅射工艺参数为溅射时间1800s，溅射压强0.5Pa，溅射功率80W。

请参阅图8所示，可以看出，Cu/SBS₁₅/PU₃₀₀复合导电纤维在应变为100％以下，曲线变化趋势平缓，循环500次后，循环拉伸电阻稳定性较好。在应变为150％，在约前200次拉伸过程中，复合导电纤维的电阻变化相对较稳定，继续循环拉伸，导电层表面形成裂缝，电阻略微增大，而在后面的拉伸时，裂缝已经形成但影响较小，因而电阻变化趋于平缓，循环500次后，ΔR/R为0.087。当应变超过200％时，Cu/SBS₁₅/PU₃₀₀复合导电纤维表面导电层发生了断裂，此时该纤维不导电。

请参阅图9所示，选取一段Cu/SBS₁₅/PU₃₀₀复合导电纤维两端贴合固定在手指关节处，观察手指关节在弯曲过程中，复合导电纤维的电阻变化情况。在手指关节发生不同角度的弯曲时，电阻稳定性较好。当手指弯曲角度在90°时，该导电纤维的电阻变化率约为6％。

请参阅图10所示，截取2cm的Cu/SBS₁₅/PU₃₀₀复合导电纤维接入到LED演示电路中，通过观察拉伸过程中LED灯的点亮情况来表征弹性复合导电纤维的导线替代性能。可以看出，实验制得的单根导电纤维可以点亮一只LED灯泡，且在拉伸过程中，始终保持点亮状态。拉伸时，导电纤维的电导率虽然发生了变化，但是变化不大，因而保证LED灯泡保持点亮状态，且灯泡的亮度几乎没有变化。说明了制得的导电纤维具有良好的导电性，且可以作为弹性可拉伸导线应用在未来的穿戴式柔性器件中。

实施例2

一种弹性皮芯纤维的制备方法，与实施例相比，不同之处在于，SBS的质量分数为25％，PU预牵伸为200％。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图11所示，可以看出，SBS₂₅/PU₂₀₀复合弹性纤维表面几乎观察不到微孔。这可能是由于皮层SBS溶液中溶剂含量减少，溶剂富集相体积相对于总体积减少，最终在纤维表面形成少量的微孔。

该条件下制备的复合弹性纤维的能量损耗虽然较小，但是残余应变较大。

实施例3

一种弹性皮芯纤维的制备方法，与实施例相比，不同之处在于，PU的预牵伸为0％。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图13所示，可以看出，该纤维表面仍然有微孔，但几乎无螺旋结构。说明芯丝不预拉伸，无法得到本发明规则的螺旋结构。

实施例4

一种弹性皮芯纤维的制备方法，与实施例相比，不同之处在于，PU的预牵伸为400％。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图14和15所示，可以看出，预牵伸400％也能得到螺旋结构的弹性皮芯纤维，循环拉伸性能也较好。

实施例5

一种弹性皮芯纤维的制备方法，与实施例相比，不同之处在于，溶剂仅为乙酸乙酯，PU预牵伸为200％。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图16所示，可以形成三维螺旋和褶皱结构的弹性纤维，但是纤维表面基本无微孔结构。

实施例6

一种弹性皮芯纤维的制备方法，与实施例相比，不同之处在于，皮层材料为15％质量分数的PVP溶液，PU预牵伸为200％。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图17所示，可以看出，纤维可形成三维螺旋结构，但表面光滑无褶皱与微孔结构。说明皮层采用具有弹性的成膜物质，能够与芯层一起释放应力，从而产生褶皱和多孔结构，有助于纤维表面形貌丰富度的提高，为表面的进一步功能改性提供有效途径。

实施例7

一种弹性皮芯纤维的制备方法，与实施例相比，不同之处在于，固化温度为30℃，相对湿度为60％，PU预牵伸为200％。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图18所示，可以看出，纤维可形成三维螺旋结构，但纤维表面的微孔紧密排列。说明通过调控固化温度或湿度，能够对皮层固化层膜过程进行调控，进而对纤维表面相貌进行调控。

实施例8

一种弹性皮芯纤维的制备方法，与实施例相比，不同之处在于，采用浸渍而不是在微流控芯片中纺丝。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图19所示，可以看出，纤维表面的SBS过量包裹，导致螺旋与微孔结构均不明显。

实施例9

一种弹性皮芯纤维的制备方法，与实施例相比，不同之处在于，芯材为非弹性的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)长丝。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图20所示，可以看出，纤维不具有弹性，不能形成三维螺旋结构，而且皮层的均匀度显著降低。

综上所述，本发明提供的弹性皮芯纤维，通过对预拉伸状态的长丝进行皮层包裹，释放应力后，能够形成特殊的三维螺旋结构，显著提高了纤维的可拉伸性能。尤其是采用横截面为非对称结构的长丝和具有弹性的成膜物质进行包裹，能够在皮层表面形成粗糙的褶皱和多孔结构，提高表面形貌的丰富度。进一步在其表面制备导电等功能层，功能层的附着牢度较高，纤维的拉伸导电性也显著提高，可很好地用于可穿戴电子设备。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将芯层长丝按预设牵伸比例进行预牵伸；

S2.配制皮层溶液；

S3.通过固液形式的微流体涂层包覆技术，将所述皮层溶液包覆在预牵伸后的芯层长丝表面固化成膜，然后释放芯层长丝的预牵伸应力，得到弹性皮芯纤维。

2.根据权利要求1所述的弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述芯层长丝为横截面为非对称结构的弹性长丝。

3.根据权利要求2所述的弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，所述弹性长丝是由若干根单丝组成的长丝集束，当预牵伸时，若干根单丝之间彼此压迫，使得所述弹性长丝的横截面呈非对称结构；所述弹性长丝的材料包括但不限于为聚氨酯、聚醚酯、聚烯烃、橡胶中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述预设牵伸比例为0％-1200％。

5.根据权利要求1所述的弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述皮层溶液的溶剂为挥发速率不同的多种溶剂组成的混合溶剂，用于在固化过程中产生多孔结构；所述皮层溶液中包括弹性成膜物质。

6.根据权利要求5所述的弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，所述皮层溶液中的成膜物质包括但不限于为SBS、PU、PVP中的一种或多种；所述皮层溶液中还包括功能材料，所述功能材料为导电材料、磁性材料、传感材料中的一种或多种。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述固液形式的微流体涂层包覆技术包括如下步骤：将所述预牵伸后的芯层长丝从微流体控制装置的内层通道牵伸出来；将所述皮层溶液从微流体控制装置的外层通道挤出，在出口处与所述预牵伸后的芯层长丝汇合，并包覆在其表面，待溶剂挥发后固化成膜。

8.根据权利要求7所述的弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，所述微流体控制装置的内层通道和外层通道的横截面为偏心圆结构。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的弹性皮芯纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在所述弹性皮芯纤维表面制备一层导电材料。

10.一种弹性皮芯纤维，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的制备方法制备得到。

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