CN117288232A - 具有改进的柔性和响应性的纤维结构及其制造方法 - Google Patents

具有改进的柔性和响应性的纤维结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有改进的柔性和响应性的复合纤维结构及制造该结构的方法，更具体地，通过将液态金属注入其中的复合纤维的交叉指型结构，可以同时具有柔性和快速响应性。

Description

具有改进的柔性和响应性的纤维结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及复合纤维结构及其制造方法。
背景技术
目前，电子设备、家用电器和工业设备发展迅速，并且有越来越倾向于高质量、小型化和轻型电子元件的趋势。此外，随着电子元件的日益多样化，需要元件的多功能化。此外，信息和通信设备、汽车工业和能源工业的发展使得正在积极进行对具有高功率密度和高效率充电/放电速率特性的电容传感器的研究。
同时，传统的电容传感器的缺点在于它不是柔性的，因为它是由刚性基材或金属材料制成的。因此，正在积极进行开发能够保持导电性同时具有柔性的电容传感器材料的研究。
发明内容
本发明解决了上述缺点，并且本发明的目的是提供一种复合纤维结构，其具有纤维的柔性，同时保持液态金属的导电性。
本发明的目的不限于上述目的。本发明的目的通过以下描述将变得更加明显，并且将通过权利要求中记载的手段及其组合来实现。
根据本发明的复合纤维结构包括具有至少一根或多根复合纤维的复合纤维结构，所述复合纤维包括中空纤维、注入该中空纤维内部空间的液态金属和插入液态金属中的金属丝，其中该复合纤维可以被布置成交叉指型结构(interdigitated structure)。
该交叉指型结构可以是，其中复合纤维被布置成使得它们的轴彼此平行或基本平行的结构。
中空纤维可以包括热塑性聚酯弹性体(thermoplastic polyester elastomer，TPEE)。
中空纤维的平均直径为0.2mm至1mm，并且中空纤维的内部空间的平均直径可以为0.1mm至0.9mm。
中空纤维的杨氏模量可以为1MPa(1mm/分钟)至200MPa(1mm/分钟)。
中空纤维可以具有在100Hz的频率下测得的1至10的相对介电常数。
液态金属的电阻率可以为3.0×10-5Ω·cm至2.5×10-5Ω·cm。
复合纤维的杨氏模量可以为1MPa(1mm/分钟)至150MPa(1mm/分钟)。
当复合纤维被拉长至400％时，其平均外径可以在约400μm和500μm之间，并且平均内径可以在约200μm和300μm之间。
根据本发明的电容传感器可以包括复合纤维结构，并且在其操作期间，交替地向复合纤维结构的复合纤维施加具有不同极性的电压。
根据本发明的一种用于制造复合纤维结构的方法，包括制备其中具有内部空间的中空纤维，将液态金属注入该中空纤维的内部空间，通过将金属线的一端插入液态金属而将其另一端暴露于外部来获得复合纤维，以及通过将至少一根或多根复合纤维布置成交叉指型结构来获得复合纤维结构。
该方法可以进一步包括在获得该复合纤维之后拉伸(elongating)复合纤维。
在拉伸步骤中，复合纤维可以被拉长到100％和500％之间。
根据拉伸情况，复合纤维的平均直径可以减少约30％到75％。
根据本发明，可以提供一种电容传感器，其中电容会随着与人体的接触而发生变化。
根据本发明，可以提供一种电容传感器，其中电容的变化根据复合纤维的数量以不同的方式发生。
根据本发明，可以提供具有优异柔性和响应性的复合纤维结构。
本发明的效果不限于前述效果。应当理解，本发明的效果包括可以从以下描述中推断得到的所有效果。
附图说明
现在将参照在附图中示出的本发明的某些示例性实例来详细描述本发明的上述和其他特征，附图在下文中仅以说明的方式给出，因此并不限制本发明，并且其中：
图1示出了根据本发明的复合纤维结构的正视图；
图2示出了沿图1的线A截取的截面图；
图3示意性地示出了用于制造本发明的复合纤维结构的方法的流程图；
图4是示意性示出用于制造本发明的复合纤维结构的方法的工艺图；
图5表示对本发明的实施例和比较例的物理性质进行评价的结果；
图6表示根据本发明实施例的拉伸情况测量外径和内径的结果；
图7表示根据本发明实施例的拉伸情况测量电阻的结果；
图8A和图8B表示电容随着复合纤维的数量变化的测量结果；和
图9和图10表示当改变复合纤维的数量时，测量与人体接触时的电容的结果。
应当理解，附图不一定是按比例绘制的，呈现的是说明本发明的基本原理的各种优选特征的略微简化的表述。本文公开的本发明的具体设计特征，包括例如具体的尺寸、方向、位置和形状，将由特定的预期应用和使用环境来部分确定。
在附图中，纵观附图的几幅图，附图标记指代本发明的相同或等同部分。
具体实施方式
通过以下结合附图的优选实施方案，将容易理解本发明的上述目的、其他目的、特征和优点。然而，本发明不限于本文描述的实施方案，而是可以以其他形式实施。相反，提供本文介绍的实施方案是为了使公开的内容能够彻底和完整，并且本发明的技术构思可以充分传达给本领域技术人员。
在描述各附图时，相同的附图标记用于表示相同的部件。在附图中，为了本发明的清楚起见，结构的尺寸被从现实中放大。例如“第一”和“第二”之类的术语可以用来描述各种部件，但是这些部件不应受这些术语的限制。使用所述术语只是为了将一个部件与另一个部件区分开来。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一部件可以被指定为第二部件，并且类似地，第二部件也可以被指定为第一部件。除非上下文明确指出，否则单数表达可以包括复数表达的含义。
例如“包括(include)(或包含(comprise))”、“具有(have)(或被提供有(beprovided with))”等术语旨在指示在以下描述中所写的特征、数字、步骤、操作、部件、零件或其组合的存在，因此不应被理解为预先排除了存在或添加一个或多个不同特征、数字、步骤、操作、部件、零件或其组合的可能性。此外，当陈述层、膜、区域、板等的一部分在另一部分“上(on)”时，它不仅包括它在另一部分“正上方(directly on)”的情况，还包括其它部分夹在其间的情况。相反，当陈述层、膜、区域、板等的一部分在另一部分“下(under)”时，它不仅包括其在另一部分“正下方(directly under)”的情况，还包括其它部分夹在其间的情况。
除非另有说明，否则本文中用于表示成分、反应条件、聚合物组成和化合物的量的所有数字、值和/或表达式应理解为在所有情况下都被术语“约”修饰，因为这些数字基本上是近似值，反映了在获得这些值时发生的测量的变化的不确定性。此外，在本说明书中公开的数值范围中，除非另有说明，否则这些范围是连续的，并且包括范围的最小值和最大值之间的所有值。此外，除非另有说明，否则当这样的范围涉及整数时，包括最小值和最大值之间的所有整数。
复合纤维结构
图1示出了根据本发明的复合纤维结构的正视图。参照图1，根据本发明的复合纤维结构可以包括复合纤维，该复合纤维被提供有中空纤维、注入到中空纤维的内部空间的液态金属和插入到液态金属中的金属线。
与现有的由硬基材(hard substrate)或金属材料制成的电容传感器不同，本发明涉及一种电容传感器，其电容通过由中空纤维和液态金属制成的复合纤维的交叉指型结构响应于与人体的接触而变化。由于复合纤维是通过将液态金属注入到中空纤维中而制造的，因此可以同时保持纤维的柔性和液态金属的导电性，从而能够实现快速响应。
中空纤维可以具有沿着纤维长度方向在其中形成的内部空间。
中空纤维包括热塑性聚酯弹性体(TPEE)，并优选聚(苯乙烯-b-乙烯-共-丁烯-b-苯乙烯)三嵌段共聚物(poly(styrene-b-ethylene-co-butylene-b-styrene)triblockcopolymers，SEBS)和硅酮中的至少任何一种。
本发明的中空纤维采用热塑性聚酯基弹性体，其具有响应于外部张力的高伸长率(high elongation)。这是因为，如果不使用具有与热塑性聚酯基弹性体一样高的高伸长率的材料作为中空纤维，则可能难以通过拉伸中空纤维来调节金属线的直径。
中空纤维的平均直径可以为0.2mm至1mm。在这方面，如果中空纤维的平均直径大于1mm，则在注入液态金属后会出现泄漏的问题。
中空纤维的内部空间的平均直径可以为0.1mm至0.9mm。
中空纤维的杨氏模量可以为100MPa至200MPa。
在本发明中，中空纤维的拉伸极限可以根据其中空纤维的杨氏模量而变化，并且制得的金属线的直径和长度也可以变化。
本文，拉伸极限是指中空纤维与包含在内部空间中的液态金属可以被一起拉伸的最大伸长率。也就是说，当超过拉伸极限时，中空纤维可以进一步伸长，但是液态金属不再伸长。
中空纤维的杨氏模量可以为1MPa至200MPa。
中空纤维可以具有在100Hz的频率下测得的1至10的相对介电常数。
液态金属可以是镓或含镓的合金。例如，它可以是共熔镓铟合金(eutecticgallium-indium alloy)。
液态金属的电阻率可以为3.0×10-5Ω·cm至2.5×10-5Ω·cm。
图2示出了沿图1的线A截取的截面图。参照图2，液态金属完全填满了中空纤维的内部空间，使其形状与内部空间的形状一致。
金属线可以包括铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)和铜(Cu)中的至少一种，并且优选可以是铜(Cu)。
复合纤维的杨氏模量可以为1MPa至150MPa。
当复合纤维被拉长至400％时，其平均外径可以为400μm至500μm，并且平均内径可以为200μm至300μm。
根据本发明的复合纤维结构可以包括至少一根或多根复合纤维，并且复合纤维可以被布置成交叉指型结构。
图1示出了根据本发明的复合纤维结构的正视图。参照上文的图1，如本文所用，交叉指型结构可以指这样一种结构，其中复合纤维被布置成使得它们的轴彼此平行或几乎平行。当复合纤维如在本发明中那样布置成交叉指型结构时，优点在于储能效应根据纤维的数量而增加，这对于在电容传感器中使用可能是有利的。
电容传感器(capacitive sensor)
根据本发明的电容传感器可以包括复合纤维结构，并且在其操作期间，交替地向复合纤维结构的复合纤维施加具有不同极性的电压。具体而言，它以这样的方式交替施加电压，即在相邻的复合纤维之间，电压极性彼此相反。上述特征可以带来使得能够背离平行板型传感器(departure from the parallel plate type sensor)的优点，这是纤维型(fiber type)传感器所不能实现的，因此获得更好的电容传感器。
在上述电容传感器的情况下，电容的变化可能随着复合纤维的数量而不同。可以预期的是，本发明的电容传感器通过纤维的平行连接实现了与二维材料相同的效果，而不需要纤维相互交叉(interdigitating)的工艺。此外，电容传感器性能将随着相互连接的纤维的数量而增加。
上述电容传感器可以检测到当作为导体的人体接触它时引起的电容减小。
此外，即使在变形的状态下，它也可以保持对外部刺激的响应性，并且由于工艺简单的优点，将来可以大量生产，因此它可以用于可穿戴电子设备、汽车电子部件等。
在下文中，将详细描述用于制造复合纤维结构的方法。
用于制造复合纤维结构的方法
图3示意性地示出了用于制造本发明的复合纤维结构的方法的流程图。图4是示意性表示用于制造本发明的复合纤维结构的方法的工艺图。
参照图3和图4，根据本发明的用于制造复合纤维结构的方法包括：在S100处制备其中具有内部空间的中空纤维，在S200处将液态金属注入中空纤维的内部空间，在S300处通过插入金属线以使其一端插入液态金属而另一端暴露于外部来获得复合纤维，以及在S400处通过将至少一根或多根复合纤维布置成交叉指型结构来获得复合纤维结构。
首先，在步骤S100中，可以制备包括内部空间的中空纤维。参照上面的图4，可以看出，内部空间是沿着纤维长度方向在中空纤维中形成的。中空纤维可以被拉长到1400％。中空纤维的配置与上述复合纤维结构类似。
接下来，在步骤S200中，可以将液态金属注入中空纤维的内部空间。尽管注入液态金属的方法不限于某一种，但是在本发明中，其是通过注射器注入的。可以看出，液态金属完全填满中空纤维的内部空间中，并且溶液与内部空间的形状一致地填充。尽管有液态金属填充，但是断裂点(breaking point)没有显著变化。液态金属的配置与上述关于复合纤维结构的配置类似。
随后，在步骤S300中，可以通过插入金属线来获得复合纤维。金属线的一端插入液态金属中，其另一端可以暴露于外部，并与电源连接以测量电容。
此时，所述步骤S300可以进一步包括进一步拉伸复合纤维。在拉伸步骤中，复合纤维可以被拉长到100％和500％之间。
根据拉伸情况，复合纤维的平均直径可以减少30％到75％。当复合纤维被拉长至400％时，其平均外径可以为400μm至500μm，平均内径可以为200μm至300μm。
由于制造复合纤维，然后将其拉长，因此可以制造更细的复合纤维。金属线和复合纤维的配置与上述复合纤维结构的配置类似。
最后，在步骤S400中，可以通过将复合纤维布置成交叉指型结构来获得复合纤维结构。复合纤维结构的配置与上述类似。
在下文中，将参照以下实施例和比较例详细描述本发明。然而，本发明的技术思想不限于此或受限于此。
实施例1
通过将液态金属，即共熔镓铟合金(EGaIn)注入外径为800μm、内径为450μm、杨氏模量为1.83MPa(1mm/分钟)且直径为450μm的热塑性聚酯弹性体(TPEE)的内部空间来制造复合纤维。通过插入镀锡退火铜线(tin-plated annealed copper wire)作为金属线来测量电信号。
比较例1
除了将液态金属注入中空纤维和插入金属线的工艺之外，以与实施例1中相同的方式制造复合纤维。
实验例1：根据中空纤维中是否存在液态金属评价物理性能
在分别制得实施例1和比较例1的复合纤维后，在非拉伸状态下对它们进行实验，以通过张力测试仪(tension tester)评价物理性能。结果如图5所示。
图5表示表示对本发明的实施例和比较例的物理性能进行评价的结果。参照图5，可以看出实施例1的应变(strain)为1450％，而比较例1的应变为1365％。另外，可以看出实施例1的杨氏模量为98.6MPa，而比较例1的杨氏模量为183MPa。
即，通过上述结果，可以确认，尽管与比较例相比，在注入液态金属的实施例中杨氏模量有所下降，但是柔性仍然保持在一定水平以上，因此没有因为注入液态金属而导致物理性能的突然改变。
实验例2：复合纤维的外径和内径随拉伸情况的变化
根据实施例1中制得的复合纤维的拉伸情况，进行测量外径和内径的实验。结果如图6所示。
图6表示根据本发明实施例的拉伸情况测量外径和内径的结果。参照图6，可以看出，复合纤维的外径和内径随着应变的增加而减少。此外，可以证实，当被拉长至400％时，平均外径为425μm，平均内径为258μm。由于本发明的复合纤维是在通过将液态金属注入到未拉长的中空纤维中来制造复合纤维之后被拉长的，因此可以制造出直径非常小的纤维。
实验例3：根据拉伸情况评价复合纤维的电阻
进行实验以评价实施例1中制得的复合纤维的电阻。结果如图7所示。
图7表示根据本发明实施例的拉伸情况测量电阻的结果。参照图7，可以看出，由于复合纤维的特性，即使在其拉伸后，也可以固定其长度。这是由于复合纤维的热塑性而产生的效果，即使复合纤维内部的液态金属没有固化，纤维也可以保持变形状态。如在上述实验中，可以确认，即使在200％拉伸后，由于液态金属的流动性，复合纤维仍有可能保持一定水平的电阻。
实验例4：电容随复合纤维数量的变化
使用实施例1中制得的复合纤维制造电容传感器。(在实验例4的情况下，未拉长)
在将实施例1中制得的复合纤维布置成交叉指型结构后，通过外部测量装置测量与人体接触时的电容变化。该结构用作接触传感器。
通过调整电容传感器的复合纤维的数量，进行实验以寻找电容的变化。结果如图8A和图8B所示。
图8A和图8B表示电容随着复合纤维的数量变化的测量结果。参照图8A，可以看出，电容值随着复合纤维数量的增加而线性增加。此外，参照图8B，作为确认在各种频率下的稳定性的结果，可以确认电容值没有出现突然的下降。
因此，它使用户能够通过调整纤维的数量来设置电容值，并且可以看出，基本性能在各种频率下都不会降低。
实验例5：与人体接触时电容随着复合纤维数量的变化(伸长率X)
进行实验以寻找当人体接触电容传感器时，电容随着复合纤维的数量的变化。使用实验例4中制得的电容传感器进行实验。结果如图9所示。
图9表示当改变复合纤维的数量时，测量与人体接触时的电容的结果。参照图9，可以看出，当作为导体的人体接触电容传感器时，电容减小。因此，可以确认，可以通过调整复合纤维的数量来调整电容变化值。
实验例6：与人体接触时电容随着复合纤维数量的变化(伸长率O)
进行实验以寻找当人体接触实验例4中制得的电容传感器时，电容随着复合纤维数量的不同而产生的电容变化。除了在制造复合纤维结构期间，在步骤S300之后另外执行拉伸复合纤维的步骤，以将复合纤维拉长至200％之外，实验例6中使用的电容传感器与实验例5中的相同。
结果如图10所示。
图10表示当改变复合纤维的数量时测量与人体接触时的电容的结果。参照图10，可以看出，当作为导体的人体接触电容传感器时，电容减小。此外，可以看出，尽管每根纤维的外径和内径由于200％的拉伸而减少30％以上，但仍保持了一定水平的性能。
因此，可以确认，即使在复合纤维被拉长的情况下，也可以保持一定水平的性能。
因此，根据本发明的复合纤维结构可以通过将液态金属注入到具有柔性的中空纤维中以制造复合纤维，并且将复合纤维布置成交叉指型结构来制造，并且通过将电压的极性交替施加到应用复合纤维结构的电容传感器上，即使在伸长之后也能够实现感测由于与人体接触而引起的电容变化，并且能够实现根据复合纤维的数量调整电容的电容传感器。
虽然上文已经描述了本发明的实施方案，但是本发明所属领域的普通技术人员将理解，本发明可以在不改变其技术构思或基本特征的前提下以其他特定形式实现。因此，应该理解，上述实施方案在所有方面都是说明性的，而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种复合纤维结构，其包括：
至少一根或多根复合纤维，所述复合纤维包括：
中空纤维；
注入所述中空纤维内部空间的液态金属；和
插入所述液态金属中的金属线；
其中所述至少一根或多根复合纤维被布置成交叉指型结构。
2.根据权利要求1所述的复合纤维结构，
其中所述交叉指型结构包括布置成轴彼此平行或基本平行的所述复合纤维。
3.根据权利要求1所述的复合纤维结构，
其中所述中空纤维包含热塑性聚酯弹性体(TPEE)。
4.根据权利要求1所述的复合纤维结构，
其中所述中空纤维的平均直径为约0.2mm至1mm，并且所述中空纤维的内部空间的平均直径为约0.1mm至0.9mm。
5.根据权利要求1所述的复合纤维结构，
其中所述中空纤维的杨氏模量为约1MPa至200MPa。
6.根据权利要求1所述的复合纤维结构，
其中所述中空纤维在100Hz的频率下测得的相对介电常数为约1至10。
7.根据权利要求1所述的复合纤维结构，
其中所述液态金属的电阻率为约3.0×10-5Ω·cm至2.5×10-5Ω·cm。
8.根据权利要求1所述的复合纤维结构，
其中所述复合纤维的杨氏模量为约1MPa至150MPa。
9.根据权利要求1所述的复合纤维结构，
其中当所述复合纤维被拉长至400％时，所述复合纤维的平均外径在约400μm和500μm之间，并且所述复合纤维的平均内径在约200μm和300μm之间。
10.一种电容传感器，其包括根据权利要求1所述的复合纤维结构，其中在操作期间，所述电容传感器交替地向所述复合纤维结构的复合纤维施加具有不同极性的电压。
11.一种用于制造复合纤维结构的方法，所述方法包括：
制备具有内部空间的中空纤维；
将液态金属注入所述中空纤维的内部空间；
通过将金属线的一端插入所述液态金属中获得复合纤维，并且其中所述金属线的另一端暴露于外部；和
通过将至少一根或多根复合纤维布置成交叉指型结构来获得所述复合纤维结构。
12.根据权利要求11所述的方法，
其中所述交叉指型结构包括布置成轴彼此平行或基本平行的所述复合纤维。
13.根据权利要求11所述的方法，
其进一步包括在获得所述复合纤维后拉伸所述复合纤维。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中在所述拉伸中，所述复合纤维被拉长至约100％至500％之间。
15.根据权利要求13所述的方法，
其中根据所述拉伸情况，所述复合纤维的平均直径可以减少约30％到75％。
16.根据权利要求11所述的方法，
其中所述中空纤维包含热塑性聚酯弹性体(TPEE)。
17.根据权利要求11所述的方法，
其中所述中空纤维的直径为约0.2mm至1mm，并且
所述中空纤维的内部空间的直径为约0.1mm至0.9mm。
18.根据权利要求11所述的方法，
其中所述中空纤维的杨氏模量为约1MPa至200MPa，并且在100Hz的频率下测得的相对介电常数为约1至10。
19.根据权利要求11所述的方法，
其中所述液态金属的电阻率为约3.0×10-5Ω·cm至2.5×10-5Ω·cm。
20.根据权利要求11所述的方法，
其中所述复合纤维的杨氏模量为约1MPa至150MPa。
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