TWI818871B - 彈性導電纖維的製備方法及彈性導電纖維 - Google Patents
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Abstract
一種彈性導電纖維的製備方法，包含使彈性纖維吸收第一處理組分，獲得包含三氟醋酸金屬鹽的經處理彈性纖維，其中，該第一處理組分包括三氟醋酸金屬鹽及醇溶劑；將該經處理的彈性纖維浸泡於包含水、還原劑及奈米導電材的第二處理組分中，以使該經處理的彈性纖維中的三氟醋酸金屬鹽的金屬離子還原成金屬元素，且該奈米導電材沉積在該經處理的彈性纖維的表面上及該金屬元素的表面上。
Description
本發明是有關於一種纖維及纖維的製備方法，特別是指一種彈性導電纖維及彈性導電纖維的製備方法。
美國專利公開第2016122941號揭示一種導電紗線及包含該導電紗線的壓力感測器。在該美國專利案中，該導電紗線包括纖維、在該纖維的表面上的柔性聚合物，及包埋在該柔性聚合物中的金屬奈米顆粒。
該導電紗線的製備方法包含步驟(a)至步驟(c)。在該步驟(a)中，將柔性聚合物浸泡在金屬前驅體溶液中，以使金屬離子被吸收到該柔性聚合物中，形成含有金屬離子的柔性聚合物。在該步驟(b)中，使該含有金屬離子的柔性聚合物接觸還原劑，以使該金屬離子還原成金屬，而在該柔性聚合物中形成奈米金屬顆粒，獲得導電柔性聚合物。在該步驟(c)中，將該導電柔性聚合物塗覆在纖維上。
在該美國專利案中，是透過塗覆的方式在該纖維表面上形成導電柔性聚合物層，而如此的塗覆方式能夠在不影響該纖維的特性下獲得具有柔性和導電性的導電紗線。雖然該美國專利案的導電紗線的製備方法能夠獲得具有導電性的導電紗線，但該導電紗線的導電性仍不符合業界所需。
因此，本發明的一目的，即在提供一種能夠獲得不錯導電性的彈性導電纖維的彈性導電纖維的製備方法。
於是，本發明彈性導電纖維的製備方法，包含：
使彈性纖維吸收第一處理組分，獲得包含三氟醋酸金屬鹽的經處理彈性纖維，其中，該第一處理組分包括三氟醋酸金屬鹽及醇溶劑；及
將該經處理的彈性纖維浸泡於包含水、還原劑及奈米導電材的第二處理組分中，以使該經處理的彈性纖維中的三氟醋酸金屬鹽的金屬離子還原成金屬元素，且該奈米導電材沉積在經處理的彈性纖維的表面及該金屬元素的表面上。
本發明的另一目的，即在提供一種彈性導電纖維。
於是，本發明彈性導電纖維，包含：彈性纖維；複數設置在該彈性纖維上的金屬元素；及複數奈米導電材，沉積在該彈性纖維的表面上及該金屬元素的表面上。
本發明的功效在於：透過金屬元素及奈米導電材，本發明彈性導電纖維的製備方法能夠獲得不錯導電性的彈性導電纖維。
以下對本發明進行詳細說明。
本發明彈性導電纖維的製備方法，包含使彈性纖維吸收第一處理組分，獲得包含三氟醋酸金屬鹽的經處理彈性纖維，其中，該第一處理組分包括三氟醋酸金屬鹽及醇溶劑；及，將該經處理的彈性纖維浸泡於包含水、還原劑及奈米導電材的第二處理組分中，以使該經處理的彈性纖維中的三氟醋酸金屬鹽的金屬離子還原成金屬元素，且該奈米導電材沉積在經處理的彈性纖維的表面上及該金屬元素的表面上。
該彈性纖維例如但不限於聚氨酯彈性纖維。
該三氟醋酸金屬鹽可單獨一種使用或混合多種使用，且該三氟醋酸金屬鹽例如但不限於三氟醋酸銀、三氟醋酸銅或三氟醋酸金等。在本發明的一些實施態樣中，該三氟醋酸金屬鹽選自於由三氟醋酸銀、三氟醋酸銅及三氟醋酸金所組成的群組中至少一者。在本發明的一些實施態樣中，以該第一處理組分的總量為100wt%計，該三氟醋酸金屬鹽的總量範圍為10wt%至50wt%。該醇溶劑用來溶解該三氟醋酸金屬鹽。該醇溶劑可單獨一種使用或混合多種使用，且該醇溶劑例如但不限於C1至C4的醇。在本發明的一些實施態樣中，該醇溶劑為C1至C4的醇。在本發明的一些實施態樣中，該彈性纖維吸收該第一處理組分時的溫度範圍為25℃至70℃，且時間範圍為5分鐘至40分鐘。
在該第二處理組分中，該還原劑例如但不限於苯胺、抗壞血酸或聯胺(hydrazine)等。在本發明的一些實施態樣中，以該第二處理組分的總量為100wt%計，該還原劑的總量範圍為0.5wt%至4wt%。
在該第二處理組分中，該奈米導電材例如奈米金屬線、奈米金屬粒子或奈米碳管等。該奈米金屬線例如奈米銀線、奈米金線或奈米銅線等。該奈米金屬粒子例如奈米銀粒子、奈米金粒子或奈米銅粒子等。在本發明的一些實施態樣中，以該第二處理組分的總量為100wt%計，該奈米導電材的總量範圍為1.56wt%至50wt%。在本發明的一些實施態樣中，該經處理的彈性纖維浸泡於該第二處理組分中的溫度範圍為25℃至90℃，且時間範圍為10分鐘至140分鐘。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
實施例1 彈性導電纖維
將10克的聚氨酯彈性纖維(長為5cm且直徑為0.5mm)浸泡於3.5克且溫度為25℃的第一處理組分中30分鐘，以使該聚氨酯彈性纖維吸收該第一處理組分，形成經浸泡的彈性纖維，其中，該第一處理組分包含三氟醋酸銀及乙醇，且在該第一處理組分中，該三氟醋酸銀的濃度為35wt%。然後，自該第一處理組分中取出該經浸泡的彈性纖維，並將該經浸泡的彈性纖維置於溫度設定為50℃的烘箱中進行乾燥處理，以去除殘留在該經浸泡的彈性纖維上的乙醇，而獲得包含該三氟醋酸銀的經處理的彈性纖維。
將該經處理的彈性纖維浸泡於0.5克且溫度為25℃的第二處理組分中60分鐘，形成彈性導電纖維，其中，該第二處理組分包含複數奈米銀線(長度分布為10μm至20μm且直徑分布為5nm至20nm)、抗壞血酸及10毫升的水，且以該第二處理組分的總量為100wt%計，該等奈米銀線的總量為25wt%，而該抗壞血酸的總量為2wt%。在該彈性導電纖維的形成過程中，該抗壞血酸是將該經處理的彈性纖維上的三氟醋酸銀的銀離子進行原位還原，形成銀金屬，同時，該等奈米銀線沉積在該經處理的彈性纖維上及該銀金屬的表面上。然後，自該第二處理組分中取出該彈性導電纖維，並利用63毫升的去離子水清洗該彈性導電纖維，以洗掉殘留在該彈性導線纖維上的抗壞血酸，接著，置於溫度設定在50℃的烘箱中進行30分鐘的乾燥處理。
實施例2至5
實施例2至5的製備過程與實施例1大致相同，主要不同在於：改變奈米導電材的種類及型態。
比較例1
將10克的聚氨酯彈性纖維(長為5cm且直徑為0.5mm)浸泡於3.5克且溫度為25℃的第一處理組分中30分鐘，以使該聚氨酯彈性纖維吸收該第一處理組分，形成經浸泡的彈性纖維，其中，該第一處理組分包含三氟醋酸銀及乙醇，且在該第一處理組分中，該三氟醋酸銀的濃度為35wt%。然後，自該第一處理組分中取出該經浸泡的彈性纖維，並將該經浸泡的彈性纖維置於溫度設定為50℃的烘箱中進行乾燥處理，以去除殘留在該經浸泡的彈性纖維上的乙醇，而獲得包含三氟醋酸銀的經處理的彈性纖維。
將該經處理的彈性纖維浸泡於0.5克且溫度為25℃的第二處理組分中60分鐘，形成彈性導電纖維，其中，該第二處理組分包含抗壞血酸及10毫升的水，且以該第二處理組分的總量為100wt%計，該抗壞血酸的總量為2wt%。在該彈性導電纖維的形成過程中，該抗壞血酸是將該經處理的彈性纖維上的三氟醋酸銀的銀離子進行原位還原，形成銀金屬。然後，自該第二處理組分中取出該彈性導電纖維，並利用63毫升的去離子水清洗該彈性導電纖維，以洗掉殘留在該彈性導線纖維上的抗壞血酸，接著，置於溫度設定在50℃的烘箱中進行30分鐘的乾燥處理。
比較例2
將10克的聚氨酯彈性纖維(長為5cm且直徑為0.5mm)浸泡於4克且溫度為25℃的第二處理組分中60分鐘，形成彈性導電纖維，其中，該第二處理組分包含複數奈米銀線(長度分布為10μm至20μm且直徑分布為5nm至20nm)及10毫升的水，且以該第二處理組分的總量為100wt%計，該等奈米銀線的總量為25wt%。然後，自該第二處理組分中取出該彈性導電纖維，接著，置於溫度設定在50℃的烘箱中進行30分鐘的乾燥處理。
比較例3
比較例3的製備過程與比較例2大致相同，主要不同在於：在比較例3中，該奈米導電材為奈米碳管。
評價項目
外觀分析：利用高解析場發射掃描式電子顯微鏡[廠牌：日本電子株式會社(JEOL Ltd.)；型號：JSM-6701F]對實施例1至5及比較例1的彈性導電纖維與聚氨酯彈性纖維進行分析，並依序獲得圖1至圖7之顯微鏡下的圖像。
電阻值(單位：Ω/cm)量測：使用一台電阻量測儀(廠牌：Keithley；型號：LSR4-KHT200)，量測3公分的實施例1至5及比較例1的彈性導電纖維與聚氨酯彈性纖維的電阻值(A0)，接著，將該等彈性導電纖維與該聚氨酯彈性纖維安裝至一拉伸治具(廠牌：WINTEAM；型號：WTSPP-20200-A)，以一預定拉伸應力對該等彈性導電纖維與聚氨酯彈性纖維進行拉伸，且拉伸至3.9公分，然後，釋除該預定拉伸應力，以使該等彈性導電纖維與該聚氨酯彈性纖維回復至原始狀態，接著，使用該電阻量測儀量測該等彈性導電纖維與該聚氨酯彈性纖維的電阻值(A1)。該聚氨酯彈性纖維的電阻值(A0)及電阻值(A1)皆為10
7Ω/cm。
不同拉伸長度下的電阻變化率的量測：使用電阻量測儀(廠牌：Keithley；型號：LSR4-KHT200)，量測3公分的實施例1及比較例1的彈性導電纖維的電阻值(A0)，接著，將該等彈性導電纖維安裝至一拉伸治具(廠牌：WINTEAM；型號：WTSPP-20200-A)中，並以不同拉伸應力對實施例1及比較例1的彈性導電纖維進行拉伸，且拉伸至3.9公分、拉伸至4.2公分及拉伸至4.5公分，同時，利用電連接該拉伸治具的該電阻量測儀及一具有Keith Link軟體的數據處理器，量測不同拉伸長度下的電阻值並計算出電阻變化率，而該電阻變化率=[(彈性導電纖維在不同拉伸長度下的電阻值-A0)/A0]x100%。
元素分析：利用X射線能量散布分析儀(energy-dispersive X-ray spectroscopy；廠牌：JEOL；型號：JSM-6701F)，對實施例1至5及比較例1的彈性導電纖維進行銀含量、氧含量、碳含量及金含量的分析。
表1
| --：未執行或未量測 | 實施例 | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
| 彈性纖維 | 聚氨酯彈性纖維(克) | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | |
| 第一處理組分 | 三氟醋酸銀(wt%) | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | |
| 乙醇(毫升) | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | ||
| 浸泡第一處理組分 | 溫度(℃) | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | |
| 時間(分鐘) | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | ||
| 第二處理組分 | 水(毫升) | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | |
| 抗壞血酸(wt%) | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | ||
| 奈米銀線(wt%) (長度分布為10μm至20μm；直徑分布為5nm至20nm) | 25 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| 奈米銀粒子(wt%) (粒徑分布為5nm至20nm) | 0 | 25 | 0 | 0 | 0 | ||
| 奈米金粒子(wt%) (粒徑分布為1.5nm至43.8nm) | 0 | 0 | 25 | 0 | 0 | ||
| 奈米金線(wt%) (長：5μm；直徑分布為5nm至20nm) | 0 | 0 | 0 | 25 | 0 | ||
| 奈米碳管(wt%) (長度分布10μm至30μm；直徑分布為5nm至20nm) | 0 | 0 | 0 | 0 | 25 | ||
| 浸泡第二處理組分 | 溫度(℃) | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | |
| 時間(分鐘) | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | ||
| 評價項目 | 彈性導電纖維 | 銀含量(wt%) | 47.13 | 61.94 | 72.79 | 25.97 | 32.44 |
| 氧含量(wt%) | 26.34 | 28.10 | 19.0 | 24.32 | 26.32 | ||
| 碳含量(wt%) | 26.53 | 9.96 | 6.52 | 16.28 | 41.24 | ||
| 金含量(wt%) | 0 | 0 | 1.69 | 33.43 | 0 | ||
| 電阻值(Ω/cm) | A0 | 5.40 | 10.02 | 7.25 | 2.81 | 12.41 | |
| A1 | 5.40 | 10.02 | 7.25 | 2.81 | 12.41 | ||
| 不同拉伸長度下的電阻變化率(%) | 拉伸至3.9公分 | 6.66 | -- | -- | -- | -- | |
| 拉伸至4.2公分 | 27.84 | -- | -- | -- | -- | ||
| 拉伸至4.5公分 | 209.79 | -- | -- | -- | -- |
表2
| --：未執行或未量測 | 比較例 | ||||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 彈性纖維 | 聚氨酯彈性纖維(克) | 10 | 10 | 10 | |
| 第一處理組分 | 三氟醋酸銀(wt%) | 35 | 0 | 0 | |
| 乙醇(毫升) | 10 | 0 | 0 | ||
| 浸泡第一處理組分 | 溫度(℃) | 25 | -- | -- | |
| 時間(分鐘) | 30 | -- | -- | ||
| 第二處理組分 | 水(毫升) | 10 | 10 | 10 | |
| 抗壞血酸(wt%) | 2 | 0 | 0 | ||
| 奈米銀線(wt%) (長度分布為10μm至20μm；直徑分布為5nm至20nm) | 0 | 25 | 0 | ||
| 奈米銀粒子(wt%) (粒徑分布為5nm至20nm) | 0 | 0 | 0 | ||
| 奈米金粒子(wt%) (粒徑分布為1.5nm至43.8nm) | 0 | 0 | 0 | ||
| 奈米金線(wt%) (長：5μm；直徑分布為5nm至20nm) | 0 | 0 | 0 | ||
| 奈米碳管(wt%) (長度分布10μm至30μm；直徑分布為5nm至20nm) | 0 | 0 | 25 | ||
| 浸泡第二處理組分 | 溫度(℃) | -- | 25 | 25 | |
| 時間(分鐘) | -- | 60 | 60 | ||
| 評價項目 | 彈性導電纖維 | 銀含量(wt%) | 39.9 | -- | -- |
| 氧含量(wt%) | 31.5 | -- | -- | ||
| 碳含量(wt%) | 29.53 | -- | -- | ||
| 金含量(wt%) | 0 | -- | -- | ||
| 電阻值(Ω/cm) | A0 | 20.08 | -- | -- | |
| A1 | 20.12 | -- | -- | ||
| 不同拉伸長度下的電阻變化率(%) | 拉伸至3.9公分 | 8.02 | -- | -- | |
| 拉伸至4.2公分 | 32.18 | -- | -- | ||
| 拉伸至4.5公分 | 208.50 | -- | -- |
參閱圖1至圖7，圖7顯示出聚氨酯彈性纖維的表面外觀，而圖1至圖5顯示出該聚氨酯彈性纖維經過該第一處理組分及該第二處理組分後，在該聚氨酯彈性纖維的表面沉積了銀金屬元素，及例如奈米銀線、奈米銀粒子、奈米金粒子、奈米金線或奈米碳管的奈米導電材，且圖6顯示出該聚氨酯彈性纖維經過第一處理組分後，在該聚氨酯彈性纖維的表面沉積了銀金屬元素。又，表1的元素分析數據可知，本發明彈性導電纖維的製備方法所形成的彈性導電纖維具有銀、碳及金。由此可知，本發明彈性導電纖維的製備方法確實能夠製備出具有銀金屬元素及奈米導電材的彈性導電纖維。
參閱表1及表2，在實施例1至5的彈性導電纖維的製備方法中，使三氟醋酸金屬鹽中的金屬離子在聚氨酯彈性纖維上原位地還原成金屬元素，及透過該奈米導電材沉積於聚氨酯彈性纖維的表面上及金屬元素的表面上，致使所獲得的彈性導電纖維具有2.81Ω/cm至12.41Ω/cm的電阻值。而在比較例1的彈性導電纖維的製備方法中，未添加奈米導電材，致使所獲得的彈性導電纖維具有20.08Ω/cm的電阻值。由此可知，相較於比較例1的彈性導電纖維的製備方法，本發明彈性導電纖維的製備方法能夠製備出具有高導電性的彈性導電纖維。
此外，由表1的實施例1的實驗數據可知，在不同拉伸長度下，本發明彈性導電纖維的電阻值是能夠隨之改變，此表示由本發明彈性導電纖維的製備方法所製得的彈性導電纖維是能夠作為應變感測纖維，例如電阻應變感測纖維，從而應用至用於穿戴電子設備的應變傳感器中，且能夠賦予該應變傳感器具有低初始電阻值、寬廣的應變傳感範圍，且在重複拉伸下仍具有釋放變形的優點。又，由實施例1至5的電阻值可知，在釋除拉伸應力後，經過拉伸處理的彈性導電纖維的電阻值能夠回復至未經拉伸處理的彈性導電纖維的電阻值，此表示本發明彈性導電纖維能夠重複地被使用，而具有使用壽命長的優點。
綜上所述，透過金屬元素及奈米導電材的設計，本發明彈性導電纖維的製備方法能夠獲得不錯導電性的彈性導電纖維，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是一顯微鏡下的圖像，說明本發明彈性導電纖維的製備方法的實施例1所獲得的彈性導電纖維的外觀；
圖2是一顯微鏡下的圖像，說明本發明彈性導電纖維的製備方法的實施例2所獲得的彈性導電纖維的外觀；
圖3是一顯微鏡下的圖像，說明本發明彈性導電纖維的製備方法的實施例3所獲得的彈性導電纖維的外觀：
圖4是一顯微鏡下的圖像，說明本發明彈性導電纖維的製備方法的實施例4所獲得的彈性導電纖維的外觀；
圖5是一顯微鏡下的圖像，說明本發明彈性導電纖維的製備方法的實施例5所獲得的彈性導電纖維的外觀；
圖6是一顯微鏡下的圖像，說明由比較例1的彈性導電纖維的製備方法所獲得的彈性導電纖維的外觀；及
圖7是一顯微鏡下的圖像，說明聚氨酯彈性纖維的外觀。
無。
Claims (9)
- 一種彈性導電纖維的製備方法，包含： 使彈性纖維吸收第一處理組分，獲得包含三氟醋酸金屬鹽的經處理彈性纖維，其中，該第一處理組分包括三氟醋酸金屬鹽及醇溶劑；及 將該經處理的彈性纖維浸泡於包含水、還原劑及奈米導電材的第二處理組分中，以使該經處理的彈性纖維中的三氟醋酸金屬鹽中的金屬離子還原成金屬元素，且該奈米導電材沉積在該經處理的彈性纖維的表面上及該金屬元素的表面上。
- 如請求項1所述的彈性導電纖維的製備方法，其中，以該第一處理組分的總量為100wt%計，該三氟醋酸金屬鹽的總量範圍為10wt%至50wt%。
- 如請求項1所述的彈性導電纖維的製備方法，其中，該彈性纖維吸收該第一處理組分時的溫度範圍為25℃至70℃，且時間範圍為5分鐘至40分鐘。
- 如請求項1所述的彈性導電纖維的製備方法，其中，以該第二處理組分的總量為100wt%計，該還原劑的含量範圍為0.5wt%至4wt%。
- 如請求項1所述的彈性導電纖維的製備方法，其中，以該第二處理組分的總量為100wt%計，該奈米導電材的含量範圍為1.56wt%至50wt%。
- 如請求項1所述的彈性導電纖維的製備方法，其中，該奈米導電材選自於奈米金屬線、奈米金屬粒子或奈米碳管。
- 如請求項1所述的彈性導電纖維的製備方法，其中，該經處理的彈性纖維浸泡於該第二處理組分中的溫度範圍為25℃至90℃，且時間範圍為10分鐘至140分鐘。
- 如請求項6所述的彈性導電纖維的製備方法，其中，該奈米金屬線選自於奈米銀線、奈米金線或奈米銅線。
- 一種彈性導電纖維，包含：彈性纖維；複數設置在該彈性纖維上的金屬元素；及複數奈米導電材，沉積在該彈性纖維的表面上及該金屬元素的表面上。
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|---|---|---|---|
| TW112106339A TWI818871B (zh) | 2023-02-21 | 2023-02-21 | 彈性導電纖維的製備方法及彈性導電纖維 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201514338A (zh) * | 2013-10-15 | 2015-04-16 | Univ Nat Cheng Kung | 可撓性透明導電膜之製作方法 |
| CN110904675A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-03-24 | 华南理工大学 | 一种导电织物及其制备方法 |
| TW202208719A (zh) * | 2020-08-25 | 2022-03-01 | 國立臺北科技大學 | 高發熱安定型可拉伸性複合電熱材料、其製作方法、以及高發熱安定型可拉伸性電熱元件 |
-
2023
- 2023-02-21 TW TW112106339A patent/TWI818871B/zh active
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