CN116065245A - 一种传导通路可控的聚合物纤维和制备装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传导通路可控的聚合物纤维制备装置和制备装置及其制备方法，制备装置包括注塑成型装置、热拉拔装置、填料供给装置、进给装置和刮刀；注塑成型装置用于制备聚合物预制棒，聚合物预制棒中开设有轴向槽；热拉拔装置用于将聚合物预制棒拉制成纤维基体，并使轴向槽形成沿纤维基体轴向延伸的微槽；填料供给装置用于向纤维基体的微槽供给导电/导热的填料；刮刀设于填料供给装置下游，与纤维基体的微槽对应设置，用于施加压力及剪切力作用使填料填充进入纤维基体的微槽中；进给装置用于驱使纤维基体依次经过填料供给装置和刮刀，以使纤维基体的整段微槽均填充填料。可获得传导通路可控的聚合物纤维，扩大了传导性能的可调控范围。
Description
技术领域
本发明属于聚合物基功能纤维技术领域，具体涉及一种传导通路可控的聚合物纤维和制备装置及其制备方法。
背景技术
导电/导热聚合物纤维同时具有导电/导热功能及优良的柔性，在柔性电子、软体机器人等领域具有广阔应用。例如，导电/导热聚合物纤维可被编织成具有压力、温度传感功能的柔性可穿戴织物，可用于制备具有热/电热驱动功能的人工肌肉型柔性驱动器，等等。
在导电/导热聚合物纤维的实际应用中，由于聚合物材料自身的导电/导热性能差，因此必须要在聚合物纤维表面加工出导电/导热涂层。例如，通过涂布、浸渍等方法使纳米银颗粒、碳纳米管等导电/导热材料吸附在聚合物纤维表面，或通过溅射沉积(物理/化学气相沉积)等方法使铜、金等导电/导热材料沉积在聚合物纤维表面，从而形成导电/导热层。
然而，涂布、浸渍法难以准确控制导热/导电层的厚度；溅射沉积法加工效率低，且能加工的导热/导电层厚度有限；此外，这些方法均难以有效控制传导通路(导电/导热层在纤维表面的覆盖区域及厚度)，并且所加工的导电/导热层在外力作用下易与纤维基体发生剥离，进而也限制了传导性能的可调控范围。
因此，为了克服上述问题，亟待开发传导通路可控的聚合物纤维和制备装置及其制备方法，以满足柔性电子、软体机器人等科技的发展需求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种传导通路可控的聚合物纤维制备装置，能够制备得到传导通路可控的聚合物纤维，准确控制导热/导电层的厚度，扩大传导性能的可调控范围。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种传导通路可控的聚合物纤维制备方法，通过该方法能够制备得到传导通路可控的聚合物纤维。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之三是：提供一种传导通路可控的聚合物纤维。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种传导通路可控的聚合物纤维制备装置，包括注塑成型装置、热拉拔装置、填料供给装置、进给装置和刮刀；
注塑成型装置用于制备聚合物预制棒，聚合物预制棒中开设有轴向槽；
热拉拔装置用于将聚合物预制棒拉制成纤维基体，并使聚合物预制棒中的轴向槽形成沿纤维基体轴向延伸的微槽；
填料供给装置用于向纤维基体的微槽供给导电/导热的填料；
刮刀设于填料供给装置下游，与纤维基体的微槽对应设置，用于施加压力及剪切力作用使填料填充进入纤维基体的微槽中，并去除纤维基体上的多余填料；
进给装置用于驱使纤维基体依次经过填料供给装置和刮刀，以使纤维基体的整段微槽均填充填料。
进一步，还包括加热装置，加热装置设于刮刀的下游，与纤维基体的微槽对应设置。
进一步，纤维基体横截面为圆形、椭圆形、多边形或这些形状的组合，横截面的特征长度在100nm～1mm；微槽横截面为矩形、梯形、圆形或椭圆形，微槽结构深度在10nm～10μm。
进一步，微槽横截面具有小于其宽度/直径的开口，可对导电/导热填料形成良好包覆，导电/导热填料在外力作用下不易与纤维基体发生剥离。
一种传导通路可控的聚合物纤维制备方法，采用传导通路可控的聚合物纤维制备装置，包括以下步骤，
利用注塑成型装置制备开设有轴向槽的聚合物预制棒；
利用热拉拔装置将聚合物预制棒拉制成纤维基体，并使聚合物预制棒中的轴向槽形成沿纤维基体轴向延伸的微槽；
利用填料供给装置向纤维基体的微槽供给导电/导热的填料；
利用刮刀施加压力及剪切力作用使填料填充进入纤维基体的微槽中，并去除纤维基体上的多余填料；
利用进给装置驱使纤维基体依次经过填料供给装置和刮刀，使纤维基体的整段微槽均填充填料。
进一步，轴向槽开设有两个以上，以拉制成沿纤维基体轴向延伸的两个以上微槽；两个以上微槽内填充相同或不同的导电/导热的填料。
传导通路和性能的高度可控可通过改变微槽结构尺寸、微槽结构在聚合物纤维基体表面的排布，以及导电/导热填料的种类实现。
聚合物预制棒的横截面形状与所需制备聚合物纤维的横截面形状相同，所能拉制的纤维基体长度为预制棒长度的10～10^6倍，因此预制棒横截面面积约为纤维基体横截面面积的10～10^6倍，预制棒横截面特征长度约为纤维基体横截面特征长度的3～10^3倍。
预制棒的制备中，模压或注塑方法中可通过模具的更换实现横截面形状及尺寸不同、槽型结构形状及尺寸不同的聚合物预制棒的制备。
所述的热拉拔工艺中可通过控制聚合物预制棒的进给速度和拉丝速度控制所需制备聚合物纤维横截面及微槽结构横截面的特征长度。
所述的导电/导热填料对微槽结构的填充可通过导电/导热填料的刮涂实现。
一种传导通路可控的聚合物纤维，采用传导通路可控的聚合物纤维制备方法制备而成，包括纤维基体，纤维基体设有至少一个沿纤维基体轴向延伸的微槽，微槽内填充有导电/导热的填料。
聚合物纤维为长度远大于横截面特征尺寸的细长杆结构。
进一步，纤维基体包括热塑性塑料和热塑性弹性体。
进一步，导电填料包括纳米金属颗粒/棒/线、碳纳米管、石墨烯、石墨、MXene、导电聚合物/复合材料或这些导电填料的组合。
进一步，导热填料包括纳米金属颗粒/棒/线、碳纳米管、石墨烯、石墨、MXene、导热聚合物/复合材料、氧化铝/氧化镁/氧化锌/氮化铝/氮化硼/碳化硅或这些导热填料的组合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
首先利用注塑成型装置制备出带有轴向槽的聚合物预制棒，然后将聚合物预制棒拉制成纤维基体，根据需要的导热/导电层覆盖区域及厚度，将聚合物预制棒的轴向槽拉制成相应的沿纤维基体轴向延伸的微槽，利用填料供给装置向纤维基体的微槽供给导电/导热的填料，并利用刮刀使填料填充进入纤维基体的微槽中，并去除纤维基体上的多余填料，通过进给装置驱使纤维基体依次经过填料供给装置和刮刀，使纤维基体的整段微槽均填充填料，最终制得所需要的聚合物纤维。由于该聚合物纤维包括纤维基体以及沿纤维基体轴向排布的微槽，导电/导热填料填充在微槽内而构成传导通路。因此，通过本发明的制备装置即可获得传导通路可控的聚合物纤维，能够通过设定微槽的深度准确控制导热/导电层的厚度，扩大了传导性能的可调控范围。
附图说明
图1为本发明的导电/导热聚合物纤维的结构示意图。
图2为图1中A处放大示意图。
图3为本发明的导电/导热聚合物纤维的制备步骤示意图。
图4为本发明实施例1中导电/导热聚合物纤维的制备工艺原理图。
图5为图4中B处放大示意图。
图6为图4中C处放大示意图。
图7为本发明实施例2、3中导电/导热聚合物纤维的横截面示意图。
图中：
1-纤维基体，2-填料，3-热塑性塑料/弹性体原料，4-预制棒，5-轴向槽，6-微槽，7-聚合物纤维，8-拉丝加热炉，9-填料供给装置，10-刮刀，11-加热装置。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的描述。
如图1、图2所示，一种传导通路可控的导电/导热聚合物纤维7，包括纤维基体1，纤维基体1设有至少一个沿纤维基体1轴向延伸的微槽6，微槽6内填充有导电/导热的填料2。
优选地，微槽6截面为等腰梯形，微槽6的开口为等腰梯形的上底。
微槽6结构开口收窄对导电/导热填料2具有较强的包覆作用，可增强导电/导热的填料2与聚合物纤维基体1间的结合强度，有效避免现有导电/导热聚合物纤维7中导电/导热涂层容易在外力作用下脱落的问题。
纤维基体1包括热塑性塑料和热塑性弹性体。
导电填料2包括纳米金属颗粒/棒/线、碳纳米管、石墨烯、石墨、MXene、导电聚合物/复合材料或这些导电填料2的组合。
导热填料2包括纳米金属颗粒/棒/线、碳纳米管、石墨烯、石墨、MXene、导热聚合物/复合材料、氧化铝/氧化镁/氧化锌/氮化铝/氮化硼/碳化硅或这些导热填料2的组合。
实施例1
如图3-图6所示，导电/导热聚合物纤维7横截面为圆形，包含有两条互相平行的梯形截面的传导通路。
本实施例中，制备聚合物纤维基体1所用的热塑性塑料/弹性体原料3为聚碳酸酯(PC)，制备电/热传导通路所用的原料为碳纳米管导电/导热填料2，最终获得的导电/导热聚合物纤维7由PC纤维基体1和碳纳米管导电/导热填料2构成，其横截面直径为200μm。纤维基体1表面具有两条周向相距180°的轴向微槽6结构，微槽6结构的横截面为等腰梯形(高为15μm、长底边为50μm、腰与长底边夹角为60°、等腰梯形的上底短边对应微槽6结构的开口)。
本实施例中，首先采用注塑成型工艺制备PC预制棒4，PC预制棒4中开设有两条轴向槽5，然后采用热拉拔工艺将其拉制成PC纤维基体1，使两条轴向槽5被拉制成轴向延伸的微槽6，最后采用刮涂工艺完成导电/导热聚合物纤维7的制备。
纤维基体1的直径(dF)可由预制棒4的直径(dP)、拉丝速度(Vd)和进给速度(Vf)决定，由以下公式可以得到：
同理，如果已知纤维基体1的直径dF、拉丝速度Vd和进给速度Vf，可由以下公式计算出所需预制棒4的直径dP：
由此便可方便控制传导通路的各项参数，进而扩大导电/导热聚合物纤维7传导性能的可调控范围。
优选地，在热拉拔工艺中，拉丝加热炉8的温度设置为250℃，预制棒4的进给速度Vf＝1mm/min，纤维基体1拉丝速度Vd＝1m/min。由Vf和Vd的比值可计算出预制棒4截面面积与纤维基体1横截面面积的比值Vd/f约为1000，而预制棒4直径与纤维基体1直径的比值约为36.2。因此，根据所需加工纤维基体1的直径dF为200μm，可计算出注塑成型工艺中所需制备的预制棒4直径dP约为6.3mm，而其槽形结构尺寸亦相对纤维基体1表面微槽6结构尺寸按比例系数36.2进行放大。在刮涂工艺中，通过填料供给装置9将碳纳米管填料2释放至纤维基体1两侧的微槽6结构处，并通过卷对卷装置使纤维以Vc＝10mm/min的速度向前传输，纤维基体1在传输过程中需穿过环形刮刀10，利用刮刀10施加的压力及剪切力作用使填料2填充进入微槽6结构，并去除多余填料2，最后可通过加热装置11对微槽6内填料2进行加热以加速固化过程。
实施例2
如图7所示，一种横截面为圆形、包含三条圆形截面传导通路的导电聚合物纤维7。采用同实施例1相同的制备方法，不同的是制备聚合物纤维基体1所用的热塑性塑料/弹性体原料3为热塑性弹性体SEBS，制备电/热传导通路所用的原料为纳米银颗粒导电填料2。由于不同直径的导电通路具有大小不同的电阻，因此可以根据应用需求选择不同电阻的导电通路或其组合。
实施例3
一种横截面为圆形、包含三条圆形截面传导通路的导电/导热聚合物纤维7，其结构及制备方法同实施例2，不同的是在a槽中填充石墨、在b槽中填充碳纳米管，在c槽中填充纳米银颗粒。由于不同的填料2具有不同的导电/导热性能，因此可以根据应用需求而选择不同性能的导电/导热通路或其组合。
本发明具有以下有益效果：
1、通过纤维基体1表面轴向微槽6结构形状及尺寸的设计、微槽6结构的排布、导电/导热填料2的选择，可精确控制导电/导热聚合物纤维7的传导通路和性能，以解决涂布、浸渍、溅射沉积法加工的导电/导热聚合物纤维7传导通路和性能难以有效调控的问题；
2、利用微槽6结构对导电/导热填料2的包覆作用，可增强导电/导热填料2与聚合物纤维基体1间的结合强度，有效避免现有导电/导热聚合物纤维7中导电/导热涂层容易在外力作用下脱落的问题。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种传导通路可控的聚合物纤维制备装置，其特征在于：包括注塑成型装置、热拉拔装置、填料供给装置、进给装置和刮刀；
注塑成型装置用于制备聚合物预制棒，聚合物预制棒中开设有轴向槽；
热拉拔装置用于将聚合物预制棒拉制成纤维基体，并使聚合物预制棒中的轴向槽形成沿纤维基体轴向延伸的微槽；
填料供给装置用于向纤维基体的微槽供给导电/导热的填料；
刮刀设于填料供给装置下游，与纤维基体的微槽对应设置，用于施加压力及剪切力作用使填料填充进入纤维基体的微槽中，并去除纤维基体上的多余填料；
进给装置用于驱使纤维基体依次经过填料供给装置和刮刀，以使纤维基体的整段微槽均填充填料。
2.按照权利要求1所述的一种传导通路可控的聚合物纤维制备装置，其特征在于：还包括加热装置，加热装置设于刮刀的下游，与纤维基体的微槽对应设置。
3.按照权利要求1所述的一种传导通路可控的聚合物纤维制备装置，其特征在于：纤维基体横截面为圆形、椭圆形、多边形或这些形状的组合，微槽横截面为矩形、梯形、圆形或椭圆形。
4.按照权利要求1所述的一种传导通路可控的聚合物纤维制备装置，其特征在于：微槽横截面具有小于其宽度/直径的开口。
5.一种传导通路可控的聚合物纤维制备方法，其特征在于：采用权利要求1-4所述的传导通路可控的聚合物纤维制备装置，包括以下步骤，
利用注塑成型装置制备开设有轴向槽的聚合物预制棒；
利用热拉拔装置将聚合物预制棒拉制成纤维基体，并使聚合物预制棒中的轴向槽形成沿纤维基体轴向延伸的微槽；
利用填料供给装置向纤维基体的微槽供给导电/导热的填料；
利用刮刀施加压力及剪切力作用使填料填充进入纤维基体的微槽中，并去除纤维基体上的多余填料；
利用进给装置驱使纤维基体依次经过填料供给装置和刮刀，使纤维基体的整段微槽均填充填料。
6.按照权利要求5所述的一种传导通路可控的聚合物纤维制备方法，其特征在于：轴向槽开设有两个以上，以拉制成沿纤维基体轴向延伸的两个以上微槽；两个以上微槽内填充相同或不同的导电/导热的填料。
7.一种传导通路可控的聚合物纤维，其特征在于：采用权利要求5或6所述的传导通路可控的聚合物纤维制备方法制备而成，包括纤维基体，纤维基体设有至少一个沿纤维基体轴向延伸的微槽，微槽内填充有导电/导热的填料。
8.按照权利要求7所述的一种传导通路可控的聚合物纤维，其特征在于：纤维基体包括热塑性塑料和热塑性弹性体。
9.按照权利要求7所述的一种传导通路可控的聚合物纤维，其特征在于：导电填料包括纳米金属颗粒/棒/线、碳纳米管、石墨烯、石墨、MXene、导电聚合物/复合材料或这些导电填料的组合。
10.按照权利要求7所述的一种传导通路可控的聚合物纤维，其特征在于：导热填料包括纳米金属颗粒/棒/线、碳纳米管、石墨烯、石墨、MXene、导热聚合物/复合材料、氧化铝/氧化镁/氧化锌/氮化铝/氮化硼/碳化硅或这些导热填料的组合。
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