CN114108152B - 一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法 - Google Patents

一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，属于纺织技术领域；本发明采用氨纶长丝为芯纱，有较小的弹性模量，在此基础之上增加导电褶皱层，实现了拉伸电阻稳定，再采用静电纺进行表面包覆，可以调控纱线粗细提高比表面积，之后覆载碳基纳米材料和金属纳米材料，可以构成传感灵敏的高导电层，最后包覆一层静电纺的纤维网制备完整纱线，本发明制备的复合纱兼具拉伸应变传感和拉伸电阻稳定功能，实现了传感器的多功能发展；这种多层级结构可以很好的避免纳米材料的脱落以及氧化问题导致的人体伤害和传感器性能损伤，并且耐久性能好，可编织；且本发明的方法操作简单、制备方便、成本低、适用于工业化大规模生产。

Description

一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制 备方法
技术领域
本发明涉及纺织技术领域，具体涉及一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法。
背景技术
纱线是具有不同捻度和束状纤维的集合体，能够充分发挥给中纺织纤维的性能特点，其也用用纺织的基本结构单元，因此，提高纤维纱线的性能对纺织品的多样化和附加值得提升具有重要的意义。纤维材料的多尺度结构(纤维-纱线-织物-器件)所表现出的柔软性和延展性一方面保证了织物传感材料优异的可穿戴属性(柔软、舒适和透气)，同时其多样的成型技术(机织、针织、编制、刺绣、缝制)，进一步结合导电纤维的应用，可以实现不同类型(电阻性、电容性、电感性、摩擦电和压力型)应变传感器的构筑，由此使用纤维或织物型应变传感器在柔性可穿戴器件领域展现出了广阔的应用前景。
如公开号为CN109799014A的中国专利公开了一种柔性压敏传感器及其制备方法，包括柔性衬底、电极、压敏薄膜和保护层；若干电极间隔设置在柔性衬底的上表面，柔性衬底和电极上表面覆盖有压敏薄膜；压敏薄膜上设置有一层保护层。虽然本发明的GST压敏薄膜可以实现室温沉积，免去了高温P型或N型掺杂过程，因此GST传感器更适合于柔性压力传感应用。但是利用压敏薄膜制备的柔性压敏传感器，性能单一，不可编织使得使用有局限。
又如公开号为CN108560250A的中国专利公开了一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用，导电纤维由作为导电层的金属纳米线、作为保护层的电纺聚合物纳米纤维膜和作为弹性载体的弹性纱线构成；制备过程中首先采用静电纺丝技术在弹性纱线表面包覆一层聚合物纳米纤维膜，然后再金属纳米线通过多次浸涂而沉积在其表面结构上。虽然所制备的基于导电纤维的柔性应变传感器具备快速检测多种变形的能力如拉伸、弯曲、扭曲，并且在拉伸循环次数达到一万次后其灵敏度依然保持在90％以上；能够实现对人体的脉搏跳动、声带振动以及更加复杂的多位点同时检测，在虚拟现实、人机接口、健康监测等智能可穿戴设备方面具有极大的应用潜能，但是在表面进行涂层沉积纳米材料制备的传感器，其表面的纳米材料会存在脱落或者氧化的问题，不可避免地导致传感器感知能力的下降，并且存在被人体吸入的危险。
再如公开号为CN109338727A的中国专利公开了一种柔性可穿戴应变传感器的制备方法，采用拉伸浸涂、聚合的方式来增大纤维的比表面积，使得导电物质更多的负载在纤维上增强纤维的导电性以及拉伸之后电阻的稳定性。其次碳纳米管分散液中加入的分散剂可以作为吡咯聚合过程中的掺杂剂，掺杂剂的共轭双键可以增加载流子的溶度，提高聚吡咯的导电性。此外，碳纳米管作为纳米粒子，聚吡咯与其接触时的比表面积增大，增强了它们之间的结合力，使得复合导电网络在拉伸过程中不被破坏，保持稳定的状态。虽然满足柔性应变传感器既有大的应变范围又保持高的灵敏性，为人机界面的互动、监测个人健康和治疗奠定了基础，但是碳基材料与金属材料的导电性相比较差，灵敏度较低，并且采用涂层和聚合的方法也存在耐久性的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，它包括以下步骤：
S1.制备氨纶/褶皱纱线：以氨纶为芯纱，通过纱线拉伸覆载导电材料形成褶皱结构，得氨纶/褶皱纱线；
S2.制备氨纶/褶皱/PU纱线：将PU颗粒溶于DMF溶液中，混合均匀得到静电纺丝溶液；将静电纺丝溶液通过静电纺在步骤S1制备的氨纶/褶皱纱线上形成纤维网，得到氨纶/褶皱/PU纱线；
S3.覆载纳米材料：氨纶/褶皱/PU纱线上覆载纳米材料，所述纳米材料为碳基纳米材料和金属纳米材料，烘干后得烘干后得氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线；
S4.形成纤维网：将氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线再次通过步骤S2制备的静电纺丝溶液形成纤维网，制得兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱。
进一步地，步骤S1中所述的导电材料为碳纳米管或液态金属。
进一步地，步骤S1中所述氨纶的粗细为105D、850D或2500D中的任意一种。
进一步地，步骤S2中所述静电纺丝溶液的质量百分比浓度为15～30％。
进一步地，步骤S2中所述静电纺丝溶液通过磁力搅拌混合均匀，磁力搅拌在室温下进行，搅拌时间为3～12h。
进一步地，步骤S2中所述静电纺的电压为12～20KV，流速为0.1～5mL/h，固化距离为10～20cm，收集转速为1～9r/s。
进一步地，步骤S3中所述碳基纳米材料为碳纳米管、氧化还原石墨烯、MXene或聚吡咯中的任意一种。
进一步地，步骤S3中所述金属纳米材料为银纳米线、铜粉或铝粉的任意一种。
进一步地，步骤S3中所述烘干的温度为40～70℃，烘干时间为5～20min。
进一步地，所述覆载方法为喷涂、浸泡或聚合中的任意一种。
本发明具有以下优点：本发明采用氨纶长丝为芯纱，有较小的弹性模量，在此基础之上增加导电褶皱层，实现了拉伸电阻稳定，再采用静电纺进行表面包覆，可以调控纱线粗细提高比表面积，之后覆载碳基纳米材料和金属纳米材料，可以构成传感灵敏的高导电层，最后包覆一层静电纺的纤维网制备完整纱线，本发明制备的复合纱兼具拉伸应变传感和拉伸电阻稳定功能，实现了传感器的多功能发展；这种多层级结构可以很好的避免纳米材料的脱落以及氧化问题导致的人体伤害和传感器性能损伤，并且耐久性能好，可编织；且本发明的方法操作简单、制备方便、成本低、适用于工业化大规模生产。
附图说明
图1是发明实验例1的单位长度下的UI曲线。
图2是发明实验例1拉伸条件下拉伸传感与电阻稳定的测试结果图。
图3是发明实验例2拉伸条件下拉伸传感的测试结果图。
图4是发明实验例3连续循环拉伸条件下电阻稳定变化的测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
实施例1：一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，它包括以下步骤：
S1.制备氨纶/褶皱纱线：以氨纶为芯纱，所述氨纶的粗细为105D，通过纱线拉伸喷涂的方式覆载碳纳米管形成褶皱结构，得氨纶/褶皱纱线；
S2.制备氨纶/褶皱/PU纱线：将PU颗粒溶于DMF溶液中，通过磁力搅拌混合均匀，磁力搅拌在室温下进行，搅拌时间为3h，质量百分比浓度为15％的静电纺丝溶液；将静电纺丝溶液通过静电纺在步骤S1制备的氨纶/褶皱纱线上形成纤维网，所述静电纺的电压为12KV，流速为0.1mL/h，固化距离为10cm，收集转速为1r/s，得到氨纶/褶皱/PU纱线；
S3.覆载纳米材料：氨纶/褶皱/PU纱线上喷涂覆载纳米材料，先喷涂碳纳米管，烘干后再喷涂银纳米线，烘干后得氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线，所述烘干的温度为40℃，烘干时间为5min；
S4.形成纤维网：将氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线再次通过步骤S2制备的静电纺丝溶液形成纤维网，制得兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱。
实施例2：一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，它包括以下步骤：
S1.制备氨纶/褶皱纱线：以氨纶为芯纱，所述氨纶的粗细为850D，通过纱线拉伸浸泡的方式覆载液态金属形成褶皱结构，得氨纶/褶皱纱线；
S2.制备氨纶/褶皱/PU纱线：将PU颗粒溶于DMF溶液中，通过磁力搅拌混合均匀，磁力搅拌在室温下进行，搅拌时间为12h，质量百分比浓度为30％的静电纺丝溶液；将静电纺丝溶液通过静电纺在步骤S1制备的氨纶/褶皱纱线上形成纤维网，所述静电纺的电压为20KV，流速为5mL/h，固化距离为20cm，收集转速为9r/s，得到氨纶/褶皱/PU纱线；
S3.覆载纳米材料：氨纶/褶皱/PU纱线上通过浸泡的方式覆载纳米材料，先覆载铜粉，烘干后再覆载氧化还原石墨烯，烘干后得氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线，所述烘干的温度为70℃，烘干时间为20min；
S4.形成纤维网：将氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线再次通过步骤S2制备的静电纺丝溶液形成纤维网，制得兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱。
实施例3：一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，它包括以下步骤：
S1.制备氨纶/褶皱纱线：以氨纶为芯纱，所述氨纶的粗细为2500D，通过纱线拉伸聚合的方式覆载碳纳米管形成褶皱结构，得氨纶/褶皱纱线；
S2.制备氨纶/褶皱/PU纱线：将PU颗粒溶于DMF溶液中，通过磁力搅拌混合均匀，磁力搅拌在室温下进行，搅拌时间为5h，质量百分比浓度为20％的静电纺丝溶液；将静电纺丝溶液通过静电纺在步骤S1制备的氨纶/褶皱纱线上形成纤维网，所述静电纺的电压为15KV，流速为2mL/h，固化距离为13cm，收集转速为4r/s，得到氨纶/褶皱/PU纱线；
S3.覆载纳米材料：氨纶/褶皱/PU纱线上通过聚合的方式覆载纳米材料，先覆载MXene，烘干后再覆载铝粉，烘干后得氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线，所述烘干的温度为54℃，烘干时间为12min；
S4.形成纤维网：将氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线再次通过步骤S2制备的静电纺丝溶液形成纤维网，制得兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱。
实施例4：一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，它包括以下步骤：
S1.制备氨纶/褶皱纱线：以氨纶为芯纱，所述氨纶的粗细为850D，通过纱线拉伸浸泡浸泡的方式覆载碳纳米管形成褶皱结构，得氨纶/褶皱纱线；
S2.制备氨纶/褶皱/PU纱线：将PU颗粒溶于DMF溶液中，通过磁力搅拌混合均匀，磁力搅拌在室温下进行，搅拌时间为10h，质量百分比浓度为25％的静电纺丝溶液；将静电纺丝溶液通过静电纺在步骤S1制备的氨纶/褶皱纱线上形成纤维网，所述静电纺的电压为18KV，流速为4.5mL/h，固化距离为18cm，收集转速为7r/s，得到氨纶/褶皱/PU纱线；
S3.覆载纳米材料：氨纶/褶皱/PU纱线上通过聚合的方式覆载纳米材料，先覆载聚吡咯，烘干后再覆载银纳米线，烘干后得氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线，所述烘干的温度为60℃，烘干时间为17min；
S4.形成纤维网：将氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线再次通过步骤S2制备的静电纺丝溶液形成纤维网，制得兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱。
实验例1：制备氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs/PU多层级复合纱
S1.制备氨纶/褶皱纱线：840D氨纶作为芯纱，表面附加一层液态金属导电材料，电阻稳定时为8Ω，进行80％预拉伸形成网状褶皱结构，得到氨纶/液态金属纱线；
S2.制备氨纶/褶皱/PU纱线：将6g聚氨酯(PU)颗粒溶解于19gN，N—二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，室温下放入磁力搅拌转子，搅拌8小时后，得到浓度为24wt％的静电纺丝溶液；将制备好的PU溶液通过静电纺在氨纶/液态金属纱上形成3mm的纤维网，设置静电纺纱参数，如表1所示，通过收集装置卷绕成筒纱，得到氨纶/液态金属/PU纱线；
S3.覆载纳米材料：氨纶/液态金属/PU纱上使用喷枪多次喷涂MXene，在温度为70℃的烘箱中放置10min进行烘干，反复操作，直到电阻稳定，稳定时电阻为350KΩ，得到氨纶/液态金属/PU/MXene纱线；
氨纶/液态金属/PU/MXene纱上使用喷枪多次喷涂银纳米线(AgNWs)，在温度为70℃的烘箱中放置10min进行烘干，反复操作，直到电阻稳定，稳定时电阻为50Ω，得到氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs纱线；
S4.形成纤维网：氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs纱线为芯纱，再次通过静电纺PU溶液形成1.2mm纤维网，设置静电纺纱参数，如表1所示，通过收集装置卷绕成筒纱，制得氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs/PU多层级复合纱。
表1：实验例1静电纺参数
电压 流速 固化距离 收集速度
20KV 1ml/h 16cm 2r/s
根据实验例1所制得的氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs/PU多层级复合纱，1cm长度多层复合纱线液态金属传感不灵敏层的电阻为8Ω，MXene/AgNWs应变传感层电阻为50欧姆，其UI曲线如图1所示，电阻值稳定。拉伸如图2所示，在拉伸状态下分别表现出应变敏感与拉伸电阻不变。
实验例2：制备氨纶/液态金属/PU/AgNWs/MXene/PU多层级复合纱
S1.制备氨纶/褶皱纱线：840D氨纶作为芯纱，表面附加一层液态金属导电材料，电阻稳定时为12Ω，进行80％预拉伸形成网状褶皱结构，得到氨纶/液态金属纱线；
S2.制备氨纶/褶皱/PU纱线：将6g聚氨酯(PU)颗粒溶解于19gN，N—二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，室温下放入磁力搅拌转子，搅拌8小时后，得到浓度为24wt％的静电纺丝溶液；将制备好的PU溶液通过静电纺在氨纶/液态金属纱上形成3mm的纤维网，设置静电纺纱参数，如表2所示，通过收集装置卷绕成筒纱，得到氨纶/液态金属/PU纱线；
S3.覆载纳米材料：氨纶/液态金属/PU纱上使用喷枪多次喷涂银纳米线(AgNWs)，在温度为70℃的烘箱中放置10min进行烘干，反复操作，直到电阻稳定，稳定时电阻为30Ω，得到氨纶/液态金属/PU/AgNWs纱线；氨纶/液态金属/PU/AgNWs纱上使用喷枪多次喷涂MXene，在温度为70℃的烘箱中放置10min进行烘干，反复操作，直到电阻稳定，稳定时电阻为70Ω，得到氨纶/液态金属/PU/AgNWs/MXene纱线；
S4.形成纤维网：氨纶/液态金属/PU/AgNWs/MXene纱线为芯纱，再次通过静电纺PU溶液形成1.2mm纤维网，设置静电纺纱参数，如表2所示，通过收集装置卷绕成筒纱，制得氨纶/液态金属/PU/AgNWs/MXene/PU多层级复合纱。
表2：实验例2静电纺参数
电压 流速 固化距离 收集速度
18KV 1ml/h 12cm 1r/s
根据实验例2所制得的氨纶/液态金属/PU/AgNWs/MXene/PU多层级复合纱，1cm长度多层复合纱线液态金属传感不灵敏层的电阻为12Ω，AgNWs/MXene传感灵敏层电阻为70欧姆，电阻值稳定。连续拉伸如图3所示，在拉伸状态下分别可以作为拉伸传感器。
实验例3：制备氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs/PU多层级复合纱
S1.制备氨纶/褶皱纱线：2500D氨纶作为芯纱，表面附加一层液态金属导电材料，电阻稳定时为3.6Ω，进行120％预拉伸形成网状褶皱结构，得到氨纶/液态金属纱线；
S2.制备氨纶/褶皱/PU纱线：将3g聚氨酯(PU)颗粒溶解于7gN，N—二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，室温下放入磁力搅拌转子，搅拌12小时后，得到浓度为24wt％的静电纺丝溶液；将制备好的PU溶液通过静电纺在氨纶/液态金属纱上形成2mm的纤维网，设置静电纺纱参数，如表3所示，通过收集装置卷绕成筒纱，得到氨纶/液态金属/PU纱线；
S3.覆载纳米材料：氨纶/液态金属/PU纱上使用喷枪多次喷涂MXene，在温度为70℃的烘箱中放置10min进行烘干，反复操作，直到电阻稳定，稳定时电阻为281KΩ，得到氨纶/液态金属/PU/MXene纱线；氨纶/液态金属/PU/MXene纱上使用喷枪多次喷涂银纳米线(AgNWs)，在温度为70℃的烘箱中放置10min进行烘干，反复操作，直到电阻稳定，稳定时电阻为30Ω，得到氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs纱线；
S4.形成纤维网：氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs纱线为芯纱，再次通过静电纺PU溶液形成1.2mm纤维网，设置静电纺纱参数，如表3所示，通过收集装置卷绕成筒纱，制得氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs/PU多层级复合纱。
表3：实验例3静电纺参数
电压 流速 固化距离 收集速度
18KV 0.5ml/h 12cm 1r/s
根据实验例3验所制得的氨纶/液态金属/PU/MXene/AgNWs/PU多层级复合纱，1cm长度多层复合纱线液态金属传感不灵敏层的电阻为3.6Ω，MXene/AgNWs传感灵敏层电阻为30欧姆，电阻值稳定。连续拉伸如图4所示，在拉伸120％状下循环电阻值稳定的曲线。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1. 制备氨纶/褶皱纱线：以氨纶为芯纱，通过纱线拉伸覆载导电材料形成褶皱结构，得氨纶/褶皱纱线；其中，所述的导电材料为碳纳米管或液态金属；
S2. 制备氨纶/褶皱/PU纱线：将PU颗粒溶于DMF溶液中，混合均匀得到静电纺丝溶液，所述静电纺丝溶液的质量百分比浓度为15～30%；将静电纺丝溶液通过静电纺在步骤S1制备的氨纶/褶皱纱线上形成纤维网，得到氨纶/褶皱/PU纱线；
S3. 覆载纳米材料：氨纶/褶皱/PU纱线上覆载纳米材料，所述纳米材料为碳基纳米材料和金属纳米材料，烘干后得烘干后得氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线；其中，所述碳基纳米材料为碳纳米管、氧化还原石墨烯、MXene或聚吡咯中的任意一种；所述金属纳米材料为银纳米线、铜粉或铝粉的任意一种；
S4. 形成纤维网：将氨纶/褶皱/PU/碳基纳米材料/金属纳米材料纱线再次通过步骤S2制备的静电纺丝溶液形成纤维网，制得兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱。
2.根据权利要求1所述的一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述氨纶的粗细为105D、850D或2500D中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述静电纺丝溶液通过磁力搅拌混合均匀，磁力搅拌在室温下进行，搅拌时间为3～12h。
4.根据权利要求1所述的一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述静电纺的电压为12～20KV，流速为0.1～5mL/h，固化距离为10～20cm，收集转速为1～9r/s。
5.根据权利要求1所述的一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述金属纳米材料为银纳米线、铜粉或铝粉的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述烘干的温度为40～70℃，烘干时间为5～20min。
7.根据权利要求1所述的一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法，其特征在于，所述覆载方法为喷涂、浸泡或聚合中的任意一种。
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