CN114758819A - 一种可拉伸导线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可拉伸导线及其制备方法，该可拉伸导线，由导电填料和弹性体绝缘管组成，所述导电填料为室温下呈液态的导电材料，所述弹性体绝缘管的中间设置有通道，所述导电填料填充在所述通道内，所述通道由三维形状连续堆垛形成，所述三维形状堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的三维形状在Y、Z方向上的长度大于其在X方向上的长度；该制备方法包括模型设计、打印和填料步骤。本发明通过对弹性体绝缘管内的流通进行结构设计，采用三维形状堆垛形成流道，使的可拉伸导线在拉伸形变时电阻变化率小；本发明提供的可拉伸导线的制备方法流程简单，便于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及柔性材料技术领域，具体而言，涉及一种可拉伸导线及其制备方法。
背景技术
随着物联网与可穿戴技术的发展，柔性电子器件是未来发展的主流趋势。与传统的刚性电子产品相比，柔性电子器件更柔软，可以为电子系统提供更好的舒适性和可穿戴性。可拉伸导线是柔性电子器件发展的关键单元，近年来受到人们的广泛关注。
目前，可拉伸导线有基于复合材料制成，如由银纳米线、金属纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等导电填料与非导电弹性聚合物组成的复合材料。但是，由于非导电弹性聚合物的存在，基于复合材料的可拉伸导线一直存在导电性差的问题。此外，在拉伸过程中，随着导电填料间距的增加，可拉伸导线的电阻率随形变的增加而显著增加，在100％应变时电阻率增大大于10倍。可拉伸导线也可基于弹性体绝缘层及液态金属制成，在弹性体绝缘层中设有简单的流道，并填充液态金属，这种方法虽然使得可拉伸导线的导电性增强，但是在拉伸时也会使得导线的电阻增大，在100％应变时电阻率增大大于1倍，降低了可拉伸导线的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在拉伸条件下电阻变化小、导电率高和稳定性好的可拉伸导线。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种可拉伸导线，由导电填料和弹性体绝缘管组成，所述导电填料为室温下呈液态的导电材料，所述弹性体绝缘管的中间设置有通道，所述导电填料填充在所述通道内，所述通道由三维形状连续堆垛形成，所述三维形状堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的三维形状在Y、Z方向上的长度大于其在X方向上的长度。
与现有技术相比，本发明通过在可拉伸导线设计由三维形状堆垛形成的通道，三维形状堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的三维形状在Y、Z方向上的长度大于其在X方向上的长度，当导线被拉伸时三维形状在Y、Z方向的形变克服了拉伸变形导致的通道横截面变小和其中的导电填料的横截面变小的问题，并最终克服由于横截面变小导致的拉伸过程中可拉伸导线电阻率变化过大的问题，确保了可拉伸导线在拉伸过程中的高电导率和良好的稳定性。
进一步地，所述去掉重叠部分的三维形状在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比大于等于1.2:1。当去掉重叠部分的三维形状在在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比过小时，不足以克服可拉伸导线在拉伸过程中横截面积的快速变化导致的导线电阻率变化过大的问题，因此，优选地，去掉重叠部分的三维形状在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比大于等于1.2:1。
进一步地，所述三维形状选自球形、椭球形、三棱锥或圆台中的一种。球形、椭球形、三棱锥和圆台均可实现较好的堆垛效果，便于通过设定相应形状的几何参数设计通道的形状。
进一步地，所述堆垛的方式选自直线型、螺旋型、蛇型和正弦型中的一种。通过采用直线型、螺旋型、蛇型和正弦型的堆垛方式，可在弹性绝缘体管内设计不同形状的流道，便于满足不同应用场景对可拉伸导线的要求。
进一步地，所述弹性体绝缘管为等壁厚的弹性体绝缘管或外壁等粗的弹性体绝缘管。采用等壁厚的弹性体绝缘管和外壁等粗的弹性体绝缘管，均可满足对弹性体绝缘管可拉伸性能的要求，也可以满足不同应用场景对拉伸导线的形状要求。
进一步地，所述导电填料选自离子液体和液态金属中的一种。离子液体和液态金属在室温下均呈液态，具备优异的导电性的同时，也具备良好的柔性，可保证可拉伸导线在拉伸状态的可拉伸性和导电性。
进一步地，所述液态金属选自汞、镓铟合金、镓铟锡合金、过渡族金属、掺杂镓铟合金和掺杂镓铟锡合金中的至少一种。汞、镓铟合金、镓铟锡合金、过渡族金属、掺杂镓铟合金和掺杂镓铟锡合金在室温下均呈液态，且成本相对也较低。
进一步地，所述弹性体绝缘管的材料选自脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、PVC、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸类塑料(PET)、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、热塑性弹性体(TPE)中的至少一种。上述材料制成的弹性体绝缘管，具备较好的弹性，满足可拉伸导线对较大拉伸变形量的要求。
进一步地，所述弹性体绝缘管采用3D打印技术制备而成。通过3D打印可制备出一体成型的弹性体绝缘管。
本发明还提供了一种上述可拉伸导线的制备方法，包括以下步骤：
S1、模型设计：通过建模软件对弹性体绝缘管的流道进行设计，在弹性体绝缘管中，将三维形状连续堆垛形成通道，三维形状堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的三维形状在Y、Z方向上的长度大于其在X方向上的长度，得到设计模型；
S2、打印：将步骤S1中的设计模型使用3D打印机进行打印制作，得到弹性体绝缘管；
S3、填料：将导电填料注入到步骤S2打印好的弹性体绝缘管中，得到可拉伸导线。
上述可拉伸导线的制备方法简单、易于操作、易于实现工业化。
综上所述，本发明提供的可拉伸导线及其制备方法，具有如下有益效果：
(1)本发明利用室温下呈液态的导电材料和弹性体绝缘管制作可拉伸导线，由于导电材料具有优异的导电性和优异的“柔性”，作为导电体不会限制弹性体绝缘管的拉伸性能，因此本发明的可拉伸导线兼具高电导性与拉伸性，其电导率可达到3.4×106S/m；
(2)本发明通过对弹性体绝缘管内的流通进行结构设计，采用三维形状堆垛形成流道，使的可拉伸导线在拉伸形变时电阻变化率小；
(3)本发明提供的可拉伸导线的制备方法流程简单，便于工业化生产，采用3D打印技术可打印一体成型的弹性体绝缘管。
附图说明
图1是本发明实施例1中的可拉伸导线的结构示意图。
图2是本发明实施例2中的可拉伸导线的结构示意图。
图3是本发明实施例3中的可拉伸导线的结构示意图。
图4是本发明实施例4中的可拉伸导线的结构示意图。
图5是本发明实施例1-4中制得的可拉伸导线在拉伸应变50％条件下，电阻变化率随拉伸形变的关系曲线。
附图标记
1-弹性体绝缘管，2-导电填料，3-三维形状。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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。
一种可拉伸导线，由导电填料2和弹性体绝缘管1组成，导电填料2为室温下呈液态的导电材料，弹性体绝缘管1的中间设置有贯穿的通道，导电填料2填充在通道内，通道由三维形状3连续堆垛形成，三维形状3堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的三维形状3在Y、Z方向上的长度大于其在X方向上的长度。
与现有技术相比，本发明通过在可拉伸导线设计由三维形状3堆垛形成的通道，三维形状3堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的三维形状3在Y、Z方向上的长度大于其在X方向上的长度，当导线被拉伸时三维形状3在Y、Z方向的形变克服了拉伸导致的通道横截面变小和其中的导电填料2的横截面变小的问题，并最终克服由于横截面变小导致的拉伸过程中可拉伸导线电阻率变化过大的问题，确保了可拉伸导线在拉伸过程中的高电导率和良好的稳定性。
实施例1
本实施例提供一种可拉伸导线，其结构如图1所示，包括弹性体绝缘管1与导电填料2。弹性体绝缘管1是类橡胶的光敏树脂(Agilus 30)，导电填料2为液态金属，液态金属的成份为镓铟合金，弹性体绝缘管1的中间设置有通道，通道由三维形状3连续堆垛形成，三维形状3为椭球形，椭球形在堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的椭球形在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比为1.3:1，液态金属灌满弹性体绝缘管1中椭球形直线型堆垛设计的流道内，弹性体绝缘管1的外壁采用等粗设计。
本实施例还提供了制备上述可拉伸导线的方法，包括以下步骤：
S1、模型设计：先通过建模软件对弹性体绝缘管的流道进行设计，在长度为60mm的外壁等粗的弹性体绝缘管中，将椭球形沿弹性体绝缘管的长度方向(X方向)进行部分重叠堆垛，使去掉重叠部分的椭球形的X方向的长度与Y方向的长度、Z方向的长度和弹性体绝缘管的半径的比例为1:1.3:1.3:2，直线型堆垛形成弹性体绝缘管内部的流道，得到设计模型；
S2、打印：将步骤S1中设计模型使用3D打印机进行打印制作，得到弹性体绝缘管；
S3、填料：使用注射器将液态金属注入到步骤S2中打印好的弹性体绝缘管的流道中，制得可拉伸导线。
实施例2
本实施例提供一种可拉伸导线，结构如图2所示，包括弹性体绝缘管1与导电填料2。弹性体绝缘管1是类橡胶的光敏树脂(Agilus 30)，导电填料2为液态金属，液态金属的成份为镓铟合金，弹性体绝缘管1的中间设置有通道，通道由三维形状3连续堆垛形成，三维形状3为椭球形，椭球形在堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的椭球形在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比为1.3:1，液态金属灌满弹性体绝缘管1中椭球形直线型堆垛设计的流道内，与实施例1所不同的是弹性体绝缘管1的外壁采用等壁厚设计。
本实施例还提供了制备上述可拉伸导线的方法，包括以下步骤：
S1、模型设计：通过建模软件对弹性体绝缘管的流道进行设计，在长度为60mm的弹性体绝缘管中，将椭球形沿弹性体绝缘管的长度方向(X方向)进行部分重叠堆垛，使去掉重叠部分的椭球形的X方向的长度与Y方向的长度、Z方向的长度的比例为1:1.3:1.3，直线型堆垛形成弹性体绝缘管内部的流道，弹性体绝缘管的外壁采用等壁厚设计，厚度为2mm，得到设计模型。
S2、打印：将步骤S1中设计模型使用3D打印机进行打印制作，得到弹性体绝缘管。
S3、填料：使用注射器将液态金属注入到步骤S2中打印好的弹性体绝缘管的流道中，制得可拉伸导线。
实施例3
本实施例提供一种可拉伸导线，结构如图3所示，包括弹性体绝缘管1与导电填料2。弹性体绝缘管1是类橡胶的光敏树脂(Agilus 30)，导电填料2为液态金属，液态金属的成份为镓铟合金，弹性体绝缘管1的中间设置有通道，通道由三维形状3连续堆垛形成，三维形状3为圆台形，堆垛后圆台形在X方向上的高度与圆台的底面的长度、顶面的长度的比为1:1.2:0.8，液态金属灌满弹性体绝缘管1中椭球形直线型堆垛设计的流道内，弹性体绝缘管1的外壁采用等粗设计。
本实施例还提供了制备上述可拉伸导线的方法，包括以下步骤：
S1、模型设计：先通过建模软件对弹性体绝缘管的流道进行设计，在长60mm的弹性体绝缘管中，将圆台沿X方向进行直线形堆垛，堆垛后圆台形在X方向上的高度与圆台的底面的长度、顶面的长度的比为1:1.2:0.8，堆垛形成弹性体绝缘管内部的流道，弹性体绝缘管的外壁采用等粗设计，得到设计模型；
S2、打印：将步骤S1中设计模型使用3D打印机进行打印制作，得到弹性体绝缘管；
S4、填料：使用注射器将液态金属注入到步骤S2中打印好的弹性体绝缘管的流道中，制得可拉伸导线。
实施例4
本实施例提供一种可拉伸导线，结构如图4所示，包括弹性体绝缘管1与导电填料2。弹性体绝缘管1是类橡胶的光敏树脂(Agilus 30)，导电填料2为液态金属，液态金属的成份为镓铟合金，弹性体绝缘管1的中间设置有通道，通道由三维形状3连续堆垛形成，三维形状3为球形，球形在堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的球形在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比为1.2:1，液态金属灌满弹性体绝缘管1中球形直线型堆垛设计的流道内，弹性体绝缘管1的外壁采用等粗设计。
本实施例还提供了制备上述可拉伸导线的方法，包括以下步骤：
S1、模型设计：先通过建模软件对弹性体绝缘管的流道进行设计，在长度为60mm的弹性体绝缘管中，将球形沿弹性体绝缘管的长度方向(X方向)进行部分重叠堆垛，使去掉重叠部分的球形的X方向的长度与Y方向的长度、Z方向的长度和弹性体绝缘管的半径的比例为1:1.2:1.2:2，直线型堆垛形成弹性体绝缘管内部的流道，弹性体绝缘管的外壁采用等粗设计，得到设计模型；
S2、打印：将步骤S1中设计模型使用3D打印机进行打印制作，得到弹性体绝缘管；
S3、填料：使用注射器将液态金属注入到步骤S2中打印好的弹性体绝缘管的流道中，制得可拉伸导线。
上述实施例1-4制得的可拉伸导线具有高拉伸稳定性。图5是实施例1-4中制得的可拉伸导线在拉伸应变50％下的电阻变化率ΔR/R0随拉伸形变的关系曲线。从图5可以看出，可拉伸导线的内部流道的结构设计不同，电阻变化率ΔR/R0随拉伸形变的变化也不同，当弹性体绝缘管采用等壁厚设计和流道采用椭圆形直线堆垛设计时，可拉伸导线的电阻变化率最小，趋于不变。
实施例5
本实施例提供一种可拉伸导线，包括弹性体绝缘管1与导电填料2。弹性体绝缘管1的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，导电填料2为离子液体；可拉伸导线的流道内部结构由三维形状3螺旋型堆垛而成，三维形状为椭球形，椭球形在堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的椭球形在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比为1.4:1，离子液体灌满弹性体绝缘管中椭球形螺旋型堆垛设计的流道内，弹性体绝缘1的外壁采用等壁厚设计。
本实施例还提供了制备上述可拉伸导线的方法，包括以下步骤：
S1、模型设计：通过建模软件对弹性体绝缘管的流道进行设计，在长度为60mm的弹性体绝缘管中，将椭球形沿弹性体绝缘管的长度方向(X方向)进行部分重叠堆垛，使去掉重叠部分的椭球形的X方向的长度与Y方向的长度、Z方向的长度的比例为1:1.4:1.4，螺旋型堆垛形成弹性体绝缘管内部的流道，弹性体绝缘管的外壁采用等壁厚设计，厚度为3mm，得到设计模型；
S2、打印：将步骤S1中设计模型使用3D打印机进行打印制作，得到弹性体绝缘管；
S3、填料：使用负压吸入的方式将离子液体注入到步骤S2中打印好的弹性体绝缘管的流道中，制得可拉伸导线。
实施例6
本实施例提供一种可拉伸导线，包括弹性体绝缘管1与导电填料2。弹性体绝缘管的材料为苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)，导电填料2为液态金属镓铟锡合金；可拉伸导线的流道内部结构由三维形状3正弦型堆垛而成，三维形状为椭球形，椭球形在堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的椭球形在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比为1.5:1，液态金属灌满弹性体绝缘管1中椭球形正弦型堆垛设计的流道内，弹性体绝缘管的外壁采用等壁厚设计。
本实施例还提供了制备上述可拉伸导线的方法，包括以下步骤：
S1、模型设计：通过建模软件对弹性体绝缘管的流道进行设计，在长度为60mm的弹性体绝缘管中，将椭球形沿弹性体绝缘管的长度方向(X方向)进行部分重叠堆垛，使去掉重叠部分的椭球形的X方向的长度与Y方向的长度、Z方向的长度的比例为1:1.5:1.5，螺旋型堆垛形成弹性体绝缘管内部的流道，弹性体绝缘管的外壁采用等壁厚设计，厚度为2mm，得到设计模型；
S2、打印：将步骤S1中设计模型使用3D打印机进行打印制作，得到弹性体绝缘管；
S3、填料：采用挤出的方式将液态金属注入到步骤S2中打印好的弹性体绝缘管的流道中，制得可拉伸导线。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可拉伸导线，其特征在于，由导电填料(2)和弹性体绝缘管(1)组成，所述导电填料(2)为室温下呈液态的导电材料，所述弹性体绝缘管(1)的中间设置有通道，所述导电填料(2)填充在所述通道内，所述通道由三维形状(3)连续堆垛形成，所述三维形状(3)堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的三维形状(3)在Y、Z方向上的长度大于其在X方向上的长度。
2.根据权利要求1所述的可拉伸导线，其特征在于，所述去掉重叠部分的三维形状(3)在Y、Z方向上的长度与其在X方向上的长度比大于等于1.2:1。
3.根据权利要求1所述的可拉伸导线，其特征在于，所述三维形状(3)选自球形、椭球形、三棱锥或圆台中的一种。
4.根据权利要求1所述的可拉伸导线，其特征在于，所述堆垛的方式选自直线型、螺旋型、蛇型和正弦型中的一种。
5.根据权利要求1所述的可拉伸导线，其特征在于，所述弹性体绝缘管(1)为等壁厚的弹性体绝缘管或外壁等粗的弹性体绝缘管。
6.根据权利要求1所述的可拉伸导线，其特征在于，所述导电填料(2)选自离子液体和液态金属中的一种。
7.根据权利要求6所述的可拉伸导线，其特征在于，所述液态金属选自汞、镓铟合金、镓铟锡合金、过渡族金属、掺杂镓铟合金和掺杂镓铟锡合金中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的可拉伸导线，其特征在于，所述弹性体绝缘管(1)的材料选自脂肪族芳香族无规共聚酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、PVC、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的的至少一种。
9.根据权利要求1所述的可拉伸导线，其特征在于，所述弹性体绝缘管(1)采用3D打印技术制备而成。
10.一种权利要求1所述的可拉伸导线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、模型设计：通过建模软件对弹性体绝缘管(1)的流道进行设计，在弹性体绝缘管(1)中，将三维形状(3)连续堆垛形成通道，三维形状(3)堆垛时部分重叠，去掉重叠部分的三维形状(3)在Y、Z方向上的长度大于其在X方向上的长度，得到设计模型；
S2、打印：将步骤S1中的设计模型使用3D打印机进行打印制作，得到弹性体绝缘管(1)；
S3、填料：将导电填料(2)注入到步骤S2打印好的弹性体绝缘管(1)中，得到可拉伸导线。
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