CN116065263A - 一种压电纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能穿戴纺织品技术领域,具体涉及一种压电纤维及其制备方法和应用。利用四通道微流控湿法纺丝技术,采用液态金属、聚偏二氯乙烯纺丝液和SEBS纺丝液;本发明制得的压电纤维具有柔性、可拉伸性、机械性能稳定性、优良的电学输出性能还可以承受高应变,在较大应变范围内的电阻稳定,且在较大的变形下仍显示出优异的电学输出性能;本发明制得的压电纤维发生弯曲或机械变形时,它会产生电可听声音信号,提供了一种将声音振动转换为电信号的方法,制得的压电纤维在声学应用中十分灵敏,能够轻松捕捉到从安静到繁忙环境范围内的各种可听声音。

Description

一种压电纤维及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及智能穿戴纺织品技术领域,具体涉及一种压电纤维及其制备方法和应用。
背景技术
大多数已开发的压电纤维在高应变下电阻急剧升高,严重降低或损害了器件的电学性能,阻碍了新一代电子产品和功能性纺织品的进一步发展,因此制备兼具优异拉伸性和稳定电阻的压电纤维仍具有非常大的挑战性。与传统的刚性导电材料不同,新兴的镓基液态金属镓铟合金(EGaIn)具有良好的流动性、较低的粘度和优越的机械性能,同时保留了金属良好的导电和导热性能。
目前,压电纤维存在的问题有柔软性不足、机械性能稳定性差、电学输出性能低、在较大应变范围内的电阻不稳定等一系列缺点。中国专利CN114075707A公开了一种柔性湿法纺压电-导电包芯纱,将皮层纺丝液作为皮层,镀银长丝束作为芯层,利用湿法纺丝装置制备皮芯结构纱,将皮芯结构纱放至烘箱内烘干,之后进行极化处理,但得到的柔性压电-导电包芯纱的强度不够。
中国专利CN109238312A公开了一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法,以钐掺杂钛酸铅纳米晶,掺钐稀土改性的钛酸铅压电陶瓷,在电活性炭墨涂覆后,经湿法纺丝得到纤维基柔性压电传感器,最后将其与银纳米线复合扭转,得到复合纤维基柔性压电传感器,但其在较大应变范围内的电阻不够稳定。
中国专利CN114703555A公开了一种核壳结构液态金属导电纤维的一步成型批量制备方法,采用同轴湿法纺丝技术,用壳层注射器抽取聚氨酯溶液,用核层注射器抽取镓基液态金属,先启动壳层注射泵,再启动核层注射泵,将液态金属密封包裹在聚氨酯壳层的内部,制备核层为液态金属、壳层为聚氨酯的核壳结构液态金属导电纤维,但此方法生产出来的压电纤维电学输出性能较低。
发明内容
现有技术中存在压电纤维电学输出性能较低、较大应变范围内的电阻不够稳定、包芯纱的强度不够等问题。
为了解决上述存在的技术问题,本发明提供一种压电纤维,包括纤维内层和设于所述纤维内层表面的纤维外层;
所述纤维内层由第一液态金属层和第二液态金属层组成,所述第一液态金属层和第二液态金属层之间还设有PVDF层;
所述第一液态金属层、PVDF层和第二液态金属层两两之间填充有SEBS纤维;
所述纤维外层由SEBS纤维制备得到;
所述第一液态金属层和第二液态金属层均包括液态镓铟合金。
优选的,所述压电纤维的横截面为椭圆形,长轴与短轴的比为1.2-1.8:1。
本发明还提供一种上述压电纤维的制备方法,包括如下步骤:
S1:制备液态镓铟合金溶液,PVDF纺丝液和SEBS溶液;
S2:将部分液态镓铟合金溶液,PVDF纺丝液和剩余液态镓铟合金溶液分别通过第一通道、第二通道和第三通道流入四通道注射器中,所述SEBS溶液通过第四通道流入四通道注射器中,于四通道注射器汇流后进入凝固浴,得到凝固纤维;
所述第一通道、第二通道和第三通道沿所述四通道注射器长度方向并排设置,所述第四通道沿所述四通道注射器宽度方向设置;
S3:将凝固纤维通过牵伸,收卷后得到所述压电纤维。
优选的,所述第一通道和第二通道、第二通道和第三通道之间的距离均为24-36nm。
优选的,所述液态镓铟合金溶液的温度为30-32℃,PVDF(聚偏二氯乙烯)纺丝液的温度为30-35℃,SEBS溶液的温度为25-30℃。
优选的,所述液态镓铟合金溶液的溶剂为2-丁酮(MEK),所述PVDF纺丝液的溶剂为二甲基甲酰胺(DMF),所述SEBS(氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物)溶液的溶剂为甲苯。
本发明选用新兴的镓基液态金属镓铟合金(Eutectic Gallium-Indium,EGaIn)作为原料是因为目前大多数压电纤维在高应变下电阻急剧升高,严重降低或损害了器件的电学性能。所以不选用传统刚性导电材料,而是采用新兴的镓基液态金属镓铟合金,其具有良好的流动性、较低的粘度和优越的机械性能,同时保留了金属良好的导电和导热性能。液态金属合金熔点为15.5℃,室温呈液态,液态金属熔点低,但饱和蒸汽压非常高,在室温25℃到2000℃的温度区间内都能保持液态。这种优异的性能特性使得自身具有很好的稳定性,EGaIn自身独特的液态性质为压电纤维的制备提供了极大的便利。
选用聚偏氟乙烯(PVDF)作为压电纤维的原料,并且采用湿法纺制备PVDF纤维。聚偏氟乙烯(PVDF)具有强压电效应和易加工性,是研究最多的压电聚合物。目前,就PVDF纤维制备而言,静电纺丝技术是应用最多的方式,但静电纺PVDF纤维在可加工性、易穿戴、耐久性及量产等方面存在不足;另外,如提高纺丝液浓度,静电纺丝技术会使可纺性降低,产品压电性能提高有限。
选用具有良好弹性的SEBS作为原料,SEBS具有优异的流变性能,能够保持所得纤维的截面几何形状,由于杨氏模量低(3.79MPa),纤维能够承受一些复杂的变形,如弯曲和扭转,其电容在3000次弯曲或扭转循环中保持稳定。
因此,在液态金属和PVDF外包覆一层良好弹性的SEBS,该方法制备的纤维具有防水、耐磨和可拉伸特性,且生产工序简便、参数易于控制。
优选的,所述液态镓铟合金溶液的流速为0.5-0.8mL/min,PVDF纺丝液的流速为1.0-1.8mL/min,SEBS溶液的流速0.4-0.7mL/min。
优选的,所述液态镓铟合金溶液,PVDF纺丝液和SEBS溶液的流速均通过微流量泵控制。
优选的,所述步骤S3中,牵伸的速度为14-28mm/s,收卷的速度为12-18mm/s。
优选的,所述PVDF纺丝液中,PVDF的浓度为15-25wt%。
进一步地,所述PVDF纺丝液中,PVDF的浓度为20wt%。
熔融纺丝也可用于制备PVDF纤维,但其不能提供高强度纤维。因此,采用熔融纺或静电纺工艺制备的常规PVDF纤维不适合量产或进行后续机织或针织加工。
优选的,所述液态镓铟合金溶液中,镓铟合金的浓度为4-9wt%。
本发明还提供一种智能穿戴织物,包括上述的压电纤维。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点:
本发明制得的压电纤维具有柔性、可拉伸性、机械性能稳定性、优良的电学输出性能还可以承受高应变,在较大应变范围内的电阻稳定,且在较大的变形下仍显示出优异的电学输出性能。
本发明选用湿法纺制备PVDF纤维相比静电纺,具有溶质浓度可调节范围广(PVDF浓度15%-25%),纤维产品手感柔韧、结构易控制、可编织性好、易批量生产等特点。
本发明制得的压电纤维发生弯曲或机械变形时,它会产生电信号,提供了一种将声音振动转换为电信号的方法,制得的压电纤维在声学应用中十分灵敏,能够轻松捕捉到从安静到繁忙环境范围内的各种可听声音。
附图说明
图1是一种压电纤维及其制备方法湿法纺丝工艺流程图。
图2是一种压电纤维及其制备方法的四通道湿法纺丝截面图。
图3是一种压电纤维及其制备方法湿法纺丝工艺流程细节图。
图4是一种压电纤维的横截面图。
图5是对比例1中压电纤维及其制备方法的截面图。
附图标记说明:101-微流量泵,102-四通道注射器,103-压电纤维,104-凝固浴,105-卷绕装置,201-第一通道,202-第二通道,203-第三通道,204-第四通道,301-第一液态金属层,302-PVDF层,303-第二液态金属层,304-SEBS层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
一种压电纤维及其制备方法,包括以下步骤:
(1)将一定质量的镓铟合金(EGaIn)加入到MEK(2-丁酮)中,用超声细胞粉碎机进行超声0.5h,期间用冰水浴对EGaIn和MEK的混合溶液保持温度为0℃,得到的镓铟合金(EGaIn)溶液的浓度为7wt%,为第一通道纺丝液、第三通道纺丝液;
(2)将6g聚偏二氯乙烯(PVDF)粉末溶解在60℃的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中水浴加热,用磁力搅拌器搅拌6h,得到的聚偏二氯乙烯(PVDF)的浓度为20%,为第二通道纺丝液;
(3)将SEBS颗粒和甲苯溶液置于圆底烧瓶中,在78℃油浴锅中磁子搅拌至SEBS颗粒完全溶解,获得的SEBS甲苯溶液为第四通道纺丝液;
(4)采用四通道微流控湿法纺丝技术,用通道一、二、三注射器分别取第一通道纺丝液、第二通道纺丝液、第三通道纺丝液为纺丝流体,用四通道注射器102取第四通道纺丝液为纺丝流体,将通道一、二、三、四注射器分别安装到微流量泵101上,控制微流量泵101。第一通道201、第二通道202和第三通道203之间的距离为24nm,第一通道纺丝液流速为0.5mL/min、第二通道纺丝液流速为1.0mL/min、第三通道纺丝液纺流速为0.5mL/min,第四通道纺丝液流速0.4mL/min,其中四通道的排列方式如图2所示。
(5)步骤(1)、步骤(3)中的第一通道201和第三通道203的溶液温度控制在30-32℃,第二通道202的溶液温度控制在30-35℃,第四通道204的溶液温度控制在25-30℃。开始纺丝,先同时启动第一通道201,第二通道202,第三通道203,挤出并通过乙醇水溶液的凝固浴固化,再启动第四通道204,保证将液态金属镓铟合金(EGaIn)和聚偏二氯乙烯(PVDF)密封包裹在SEBS的内部,得到此压电纤维的横截面是椭圆形,且椭圆长短轴比为1.2。
(6)再经过拉伸辊的牵伸后将该压电纤维卷绕收集到卷绕辊上,其中拉伸辊的拉伸速度为14mm/s,卷绕辊的卷绕速度为12mm/s。
实施例2
一种压电纤维及其制备方法,包括以下步骤:
(1)将一定质量的镓铟合金(EGaIn)加入到MEK(2-丁酮)中,用超声细胞粉碎机进行超声0.5h,期间用冰水浴对EGaIn和MEK的混合溶液保持温度为0℃,得到的镓铟合金(EGaIn)溶液的浓度为7wt%,为第一通道纺丝液、第三通道纺丝液;
(2)将6g聚偏二氯乙烯(PVDF)粉末溶解在60℃的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中水浴加热,用磁力搅拌器搅拌6h,得到的聚偏二氯乙烯(PVDF)的浓度为20%,为第二通道纺丝液;
(3)将SEBS颗粒和甲苯溶液置于圆底烧瓶中,在78℃油浴锅中磁子搅拌至SEBS颗粒完全溶解,获得的SEBS甲苯溶液为第四通道纺丝液;
(4)采用四通道微流控湿法纺丝技术,用通道一、二、三注射器分别取第一通道纺丝液、第二通道纺丝液、第三通道纺丝液为纺丝流体,用通道四注射器取第四通道纺丝液为纺丝流体,将通道一、二、三、四注射器分别安装到微流量泵上,控制微流量泵。通道一、二、三之间的距离为30nm,第一通道纺丝液流速为0.65mL/min、第二通道纺丝液流速为1.4mL/min、第三通道纺丝液纺流速为0.65mL/min,第四通道纺丝液流速0.55mL/min,其中四通道的排列方式如图2所示。
(5)第一通道和第三通道的溶液温度控制在30-32℃,第二通道的溶液温度控制在30-35℃,第四通道的溶液温度控制在25-30℃。开始纺丝,先同时启动第一通道,第二通道,第三通道,通过注射泵挤出并通过乙醇水溶液的凝固浴固化,再启动第四通道,保证将液态金属镓铟合金(EGaIn)和聚偏二氯乙烯(PVDF)密封包裹在SEBS的内部,得到此压电纤维的横截面是椭圆形,且椭圆长短轴比为1.5。
(6)再经过拉伸辊的牵伸后将该压电纤维卷绕收集到卷绕辊上,其中拉伸辊的拉伸速度为21mm/s,卷绕辊的卷绕速度为15mm/s。
实施例3
一种压电纤维及其制备方法,包括以下步骤:
(1)将一定质量的镓铟合金(EGaIn)加入到MEK(2-丁酮)中,用超声细胞粉碎机进行超声0.5h,期间用冰水浴对EGaIn和MEK的混合溶液保持温度为0℃,得到的镓铟合金(EGaIn)溶液的浓度为7wt%,为第一通道纺丝液、第三通道纺丝液;
(2)将6g聚偏二氯乙烯(PVDF)粉末溶解在60℃的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中水浴加热,用磁力搅拌器搅拌6h,得到的聚偏二氯乙烯(PVDF)的浓度为20%,为第二通道纺丝液;
(3)将SEBS颗粒和甲苯溶液置于圆底烧瓶中,在78℃油浴锅中磁子搅拌至SEBS颗粒完全溶解,获得的SEBS甲苯溶液为第四通道纺丝液;
(4)采用四通道微流控湿法纺丝技术,用通道一、二、三注射器分别取第一通道纺丝液、第二通道纺丝液、第三通道纺丝液为纺丝流体,用通道四注射器取第四通道纺丝液为纺丝流体,将通道一、二、三、四注射器分别安装到微流量泵上,控制微流量泵。通道一、二、三之间的距离为30nm,第一通道纺丝液流速为0.8mL/min、第二通道纺丝液流速为1.8mL/min、第三通道纺丝液纺流速为0.8mL/min,第四通道纺丝液流速0.7mL/min,其中四通道的排列方式如图2所示。
(5)第一通道和第三通道的溶液温度控制在30-32℃,第二通道的溶液温度控制在30-35℃,第四通道的溶液温度控制在25-30℃。开始纺丝,先同时启动第一通道,第二通道,第三通道,通过注射泵挤出并通过乙醇水溶液的凝固浴固化,再启动第四通道注射泵,保证将液态金属镓铟合金(EGaIn)和聚偏二氯乙烯(PVDF)密封包裹在SEBS的内部,得到此压电纤维的横截面是椭圆形,且椭圆长短轴比为1.8。
(6)再经过拉伸辊的牵伸后将该压电纤维卷绕收集到卷绕辊上,其中拉伸辊的拉伸速度为28mm/s,卷绕辊的卷绕速度为18mm/s。
实施例4
一种压电纤维及其制备方法,包括以下步骤:
(1)将一定质量的镓铟合金(EGaIn)加入到MEK(2-丁酮)中,用超声细胞粉碎机进行超声0.5h,期间用冰水浴对EGaIn和MEK的混合溶液保持温度为0℃,得到的镓铟合金(EGaIn)溶液的浓度为7wt%,为第一通道纺丝液、第三通道纺丝液;
(2)将6g聚偏二氯乙烯(PVDF)粉末溶解在60℃的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中水浴加热,用磁力搅拌器搅拌6h,得到的聚偏二氯乙烯(PVDF)的浓度为20%,为第二通道纺丝液;
(3)将SEBS颗粒和甲苯溶液置于圆底烧瓶中,在78℃油浴锅中磁子搅拌至SEBS颗粒完全溶解,获得的SEBS甲苯溶液为第四通道纺丝液;
(4)采用四通道微流控湿法纺丝技术,用通道一、二、三注射器分别取第一通道纺丝液、第二通道纺丝液、第三通道纺丝液为纺丝流体,用通道四注射器取第四通道纺丝液为纺丝流体,将通道一、二、三、四注射器分别安装到微流量泵上,控制微流量泵。通道一、二、三之间的距离为36nm,第一通道纺丝液流速为0.65mL/min、第二通道纺丝液流速为1.4mL/min、第三通道纺丝液纺流速为0.65mL/min,第四通道纺丝液流速0.55mL/min,其中四通道的排列方式如图2所示。
(5)第一通道和第三通道的溶液温度控制在30-32℃,第二通道的溶液温度控制在30-35℃,第四通道的溶液温度控制在25-30℃。开始纺丝,先同时启动第一通道,第二通道,第三通道,通过注射泵挤出并通过乙醇水溶液的凝固浴固化,再启动第四通道注射泵,保证将液态金属镓铟合金(EGaIn)和聚偏二氯乙烯(PVDF)密封包裹在SEBS的内部,得到此压电纤维的横截面是椭圆形,且椭圆长短轴比为1.5。
(6)再经过拉伸辊的牵伸后将该压电纤维卷绕收集到卷绕辊上,其中拉伸辊的拉伸速度为21mm/s,卷绕辊的卷绕速度为15mm/s。
对比例1
具体操作步骤同实施例2,其区别是四通道纺丝液的进入方式不同,其具体方式如图5。将实施例2与对比例1进行压电纤维的电学输出性能测试和压电纤维电学性能的循环稳定性,其具体实验过程如下。
用LCR数字电桥测试导电纤维的电阻,进而计算其电导率。强度和断裂伸长率的测试方法是使用Instron 5565材料试验机测试纤维的力学性能,夹具间距为6cm,拉伸速率为2mm/s。
表1实施例2和对比例1性能对比表
实施例2 对比例1
断裂强度/(MPa) 6.5 4.75
断裂伸长率(%) 670 525
<![CDATA[电导率(10<sup>4</sup>S/cm)]]> 7.8 4.3
结果表明:通过力学测试可知,若本发明采用图5的四通道纺丝液的进入方式,其不能达到本发明的预期效果。只有采用图2四通道纺丝液的进入方式,才能达到本发明的预期效果。
本发明的压电纤维断裂应力6.5MPa左右,断裂应变可达670%,在循环拉伸过程中体现出较好自恢复能力,说明本发明的压电纤维具有很好的弹性。
本发明制备的导电纤维具有优异的导电性(即使拉伸超过525%,其电导率也可以达到4.3×104S/cm),并表现出优异的拉伸性能(最大应变达到670%,最大拉伸强度达到7.8MPa),且在多次拉伸回复后仍具有稳定的性能,耐久性好。
对比例2
具体操作步骤同实施例2,其区别是,步骤(1)、步骤(3)中的第一通道和第三通道的溶液温度控制在10-12℃,步骤(2)中的第二通道的溶液温度控制在15-20℃,步骤(4)中的第四通道的溶液温度控制在18-22℃。
EGaIn液态金属合金熔点为15.5℃,室温呈液态,EGaIn液态金属熔点低,但饱和蒸汽压非常高,在室温25℃到2000℃的温度区间内都能保持液态。这种优异的性能特性使得自身具有很好的稳定性,EGaIn自身独特的液态的性质为压电纤维的制备提供了极大的便利。
因此步骤(1)、步骤(3)中的第一通道和第三通道的溶液温度控制在10-12℃,EGaIn液态金属合金凝固,粘度大,因此不能进行纺丝,达不到本发明的效果。
效果评价
将实施例1,实施例2,实施例3与实施例4进行电学输出性能测试,其具体实验过程如下。
使用扫描测振仪(PSV-500,Polytec,USA)测量样品的输出电压。输出电压与频率的关系示出了在305Hz下8.5mV的大峰值,随后随着频率的增加振幅减小的峰值。在570Hz时,电输出为0.65mV。扫描激光测振仪测量样品的输出电压,本发明测量了频率在305Hz下压电纤维的输出电压。
表2实施例输出电压数据表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
输出电压/mV 6.1 8.5 7.3 7.5
结果表明:由实施例1、实施例2、实施例3可知压电纤维截面椭圆长短轴比从1.2-1.5输出电压也增大,因为随着椭圆长短轴比的增大,接触面积的增大,而压电纤维截面椭圆长短轴比从1.5-1.8输出电压减小,因为此时压电纤维太薄电极过小。
由实施例1、实施例2和实施例4可知压电纤维的输出电压在三通道间距24-30nm时随着第一通道,第二通道,第三通道之间的距离增大而增大,主要原因是厚度增大,在三通道间距30-36nm时随着第一通道,第二通道,第三通道之间的距离增大而减小,主要原因是此时压电纤维的电极过小。
将实施例2进行了电学性能的循环稳定性测试:用万能试验机和吉时利万用表对压电纤维进行循环拉伸电阻稳定性的测试,将纤维固定在万能试验机的夹具上,设定好程序(应变:100%,循环:100次,停留时间:10min),用吉时利万用表记录拉伸过程中纤维的电阻变化。压电纤维在起始几个循环中,电阻的基线有轻微的上升,几个循环之后,我们发现纤维在应变100%的拉伸过程中,电阻基线极其稳定,变化不超过1.4Ω,700次循环可以看出基线以及电阻变化,说明本发明的压电纤维在较大应变范围内的电阻十分稳定。
将实施例2的压电纤维进行的灵敏度测试:纤维的输出电压响应于扬声器在60dB(约10-7atm)或在不同声压级下以固定频率。这个输出电压(比噪声级高几个数量级)随着声压级的增加而线性增加,与线性材料的典型声学响应一致。最小声音检测能力为0.002Pa(40dB,安静库中的声压级),优于许多其他的声传感器。所述压电纤维的上的灵敏度为20mv-25mv(在100dB和1kHz下测量、符合现场标准),与现成电容器和动态麦克风的灵敏度相当。高灵敏度使其能够有效地检测可听声音,如人类语音、空气吹动、树叶沙沙声和鸟类啁啾声。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种压电纤维,其特征在于,包括纤维内层和设于所述纤维内层表面的纤维外层;
所述纤维内层包括第一液态金属层和第二液态金属层,所述第一液态金属层和第二液态金属层之间还设有PVDF层;
所述第一液态金属层、PVDF层和第二液态金属层两两之间填充有SEBS纤维;
所述纤维外层由SEBS纤维制备得到;
所述第一液态金属层和第二液态金属层均包括液态镓铟合金。
2.如权利要求1所述的压电纤维,其特征在于,所述压电纤维的横截面为椭圆形,长轴与短轴的比为1.2-1.8:1。
3.一种权利要求1或2所述压电纤维的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:制备液态镓铟合金溶液,PVDF纺丝液和SEBS溶液;
S2:将部分液态镓铟合金溶液,PVDF纺丝液和剩余液态镓铟合金溶液分别通过第一通道、第二通道和第三通道流入四通道注射器中,所述SEBS溶液通过第四通道流入四通道注射器中,于四通道注射器汇流后进入凝固浴,得到凝固纤维;
所述第一通道、第二通道和第三通道沿所述四通道注射器长度方向并排设置,所述第四通道沿所述四通道注射器宽度方向设置;
S3:将凝固纤维通过牵伸,收卷后得到所述压电纤维。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述第一通道和第二通道、第二通道和第三通道之间的距离均为24-36nm。
5.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述液态镓铟合金溶液的温度为30-32℃,PVDF纺丝液的温度为30-35℃,SEBS溶液的温度为25-30℃。
6.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述液态镓铟合金溶液的流速为0.5-0.8mL/min,PVDF纺丝液的流速为1.0-1.8mL/min,SEBS溶液的流速0.4-0.7mL/min。
7.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,牵伸的速度为14-28mm/s,收卷的速度为12-18mm/s。
8.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述PVDF纺丝液中,PVDF的浓度为15-25wt%。
9.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述液态镓铟合金溶液中,镓铟合金的浓度为4-9wt%。
10.一种智能穿戴织物,其特征在于,包括权利要求1或2所述的压电纤维。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170331027A1 (en) * 2014-12-02 2017-11-16 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Piezoelectric fiber having excellent flexibility and elasticity, and method for manufacturing the same
CN107833656A (zh) * 2017-09-30 2018-03-23 华南理工大学 一种可拉伸柔性功能导体
CN111551294A (zh) * 2020-05-21 2020-08-18 浙江大学 一种基于液态金属光固化打印技术的柔性压力传感器
CN111549396A (zh) * 2020-05-29 2020-08-18 南京鼓楼医院 一种包裹液态金属的纤维及其制备方法
CN112593302A (zh) * 2020-12-28 2021-04-02 南京鼓楼医院 微流控纺丝装置、螺旋型核壳结构导电纤维及其制备方法和应用
CN115289989A (zh) * 2022-02-16 2022-11-04 浙江理工大学 一种基于液态镓的荧光电子皮肤用液态型柔性应变传感器
CN115559019A (zh) * 2022-09-30 2023-01-03 苏州大学 一种弹性压阻式应变传感纤维及其制备方法与应用

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170331027A1 (en) * 2014-12-02 2017-11-16 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Piezoelectric fiber having excellent flexibility and elasticity, and method for manufacturing the same
CN107833656A (zh) * 2017-09-30 2018-03-23 华南理工大学 一种可拉伸柔性功能导体
CN111551294A (zh) * 2020-05-21 2020-08-18 浙江大学 一种基于液态金属光固化打印技术的柔性压力传感器
CN111549396A (zh) * 2020-05-29 2020-08-18 南京鼓楼医院 一种包裹液态金属的纤维及其制备方法
CN112593302A (zh) * 2020-12-28 2021-04-02 南京鼓楼医院 微流控纺丝装置、螺旋型核壳结构导电纤维及其制备方法和应用
CN115289989A (zh) * 2022-02-16 2022-11-04 浙江理工大学 一种基于液态镓的荧光电子皮肤用液态型柔性应变传感器
CN115559019A (zh) * 2022-09-30 2023-01-03 苏州大学 一种弹性压阻式应变传感纤维及其制备方法与应用

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