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湿法纺丝制备拉伸电阻不敏感液态金属导电纤维

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北京服装学院学报（自然科学版） 2024年第1期44卷 19-27页

作者：侯思彤许倩陈彦锟张秀芹邝旻翾北京服装学院材料设计与工程学院北京100029 北京服装学院服装材料研究开发与评价北京市重点实验室北京市纺织纳米纤维工程技术研究中心北京100029

液态金属导电纤维在拉伸、折叠等状态下仍可保持导电性,在智能纺织品领域具有广阔的应用前景。然而,大多数液态金属导电纤维在拉伸状态下导电性能大幅下降。以液态金属(LM)/聚氨酯弹性体(TPU)为芯层材料,TPU为皮层材料,通过同轴湿法纺... 详细信息

液态金属导电纤维在拉伸、折叠等状态下仍可保持导电性,在智能纺织品领域具有广阔的应用前景。然而,大多数液态金属导电纤维在拉伸状态下导电性能大幅下降。以液态金属(LM)/聚氨酯弹性体(TPU)为芯层材料,TPU为皮层材料,通过同轴湿法纺丝工艺制备拉伸电阻不敏感的液态金属导电纤维,探究液态金属含量及芯层内径对纤维结构和性能的影响。结果表明:液态金属导电纤维具有良好的力学性能,拉伸模量为17.7 MPa,断裂伸长率约为475%,断裂强度约为29.5 MPa。此外,所制备的导电纤维具有明显的皮芯结构,芯层直径越大,液态金属含量越高,拉伸电阻稳定性越好。当芯层直径为0.6 mm,液态金属质量分数为97%时,在0~300%的应变范围内纤维电阻几乎保持不变。

关键词：液态金属可拉伸导电纤维拉伸电阻不敏感湿法纺丝耐水性

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可拉伸导电蚕丝纤维的制备及性能研究

现代丝绸科学与技术 2024年第3期39卷 1-5页

作者：张雪儿刘津桦张德锁林红陈宇岳苏州大学纺织与服装工程学院江苏苏州215021

为制备可拉伸导电蚕丝纤维,首先使用硝酸钙[Ca(NO_(3))_(2)]水溶液对加捻生丝进行膨化处理,制备得到具有蓬松卷曲结构的可拉伸膨体弹力真丝,再在膨体弹力真丝表面多次涂覆弹性保护层水性聚氨酯(WPU)和导电层液态金属(LM),制备了可拉伸... 详细信息

为制备可拉伸导电蚕丝纤维,首先使用硝酸钙[Ca(NO_(3))_(2)]水溶液对加捻生丝进行膨化处理,制备得到具有蓬松卷曲结构的可拉伸膨体弹力真丝,再在膨体弹力真丝表面多次涂覆弹性保护层水性聚氨酯(WPU)和导电层液态金属(LM),制备了可拉伸导电蚕丝纤维WPU/LM/WPU@BS,并对其进行测试表征。结果表明:膨化处理显著提升了真丝的弹性伸长率(80.42%)和断裂伸长率(128.67%),经过多次涂层处理后,WPU涂层提升了膨体弹力真丝卷曲结构的稳定性,使其保持良好的弹性伸长率,而LM涂层赋予了样品良好的可拉伸导电性能。将1.5 cm长度的WPU/LM/WPU@BS接入带有小灯泡的电路中并进行拉伸,在不同拉伸状态下,WPU/LM/WPU@BS的电阻值均低于2.4Ω/cm,小灯泡亮度无明显变化。

关键词：可拉伸导电纤维膨体弹力真丝液态金属水性聚氨酯

基于液态金属/自修复聚合物的多功能导电纤维

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基于液态金属/自修复聚合物的多功能导电纤维

作者：周银湖南大学

学位级别：硕士

导电纤维作为可穿戴电子产品和智能纺织品的重要组成部分,受到了广泛的关注。然而,导电纤维在使用过程中不可避免的会因外力作用使得导电路径被破坏或聚合物基体产生裂纹或损伤,进而引起导电纤维的电学及机械性能的衰减或丧失,缩短其使... 详细信息

导电纤维作为可穿戴电子产品和智能纺织品的重要组成部分,受到了广泛的关注。然而,导电纤维在使用过程中不可避免的会因外力作用使得导电路径被破坏或聚合物基体产生裂纹或损伤,进而引起导电纤维的电学及机械性能的衰减或丧失,缩短其使用寿命。制备具有自修复功能的可拉伸导电纤维是解决这一问题的有效方法。然而,目前关于自修复导电纤维的报道仍然较少,且存在一些问题亟待解决:一方面自修复需要在特定的外界刺激条件下(如光、热等)才能实现;另一方面以常规的金属纳米材料或碳材料等作为导电填料时,固相导电组分与柔性聚合物基体容易产生机械失配,影响纤维的使用。更重要的是,导电纤维应用环境复杂多样,目前却尚无能够在水下和低温等复杂环境中实现结构和功能自修复的可拉伸导电纤维的报道。本论文从以上问题出发,通过特殊的结构设计将自修复聚合物和液态金属结合,制备了一种自修复型可拉伸导电纤维。该纤维的力学和电学性能可以在多种复杂的操作环境中(包括室温、水下和-18°C)实现高效自修复,且无需任何外界刺激。本文深入分析了自修复导电纤维的修复机理,系统研究了其力学性能、导电性能及自修复性能等。通过将其应用到自修复信号传输线及可穿戴自修复传感器领域,证明了其广阔的应用前景。本论文主要的研究内容和结果如下:(1)基于合理的分子结构设计,合成了一种基于动态亚胺键和二硫键的自修复聚合物(SHP),SHP可以在多种复杂的条件下获得较高的修复效率且无需消耗任何外部能量。完全切断的SHP在室温下修复8 h后,应力的修复效率为92%,应变的修复效率为99%;在水下修复24 h后,应力的修复效率为92%,应变的修复效率为94%;在-18°C修复24 h后,应力的修复效率为87%,应变的修复效率为88%;在-50°C修复24 h后,应力的修复效率为72%,应变的修复效率为86%。(2)通过独特的牺牲模板辅助同轴纺丝(STACS)法和简单的涂覆法,将SHP与可自修复的液态金属(LM)结合,制备了一种LM基可拉伸自修复型导电纤维(C-SHF)。C-SHF在没有任何外部刺激的条件下,可以在多种复杂操作环境中实现导电和机械性能的自修复。得益于其优异的自修复性能,C-SHF可以实现自编织。此外,C-SHF具有良好的电阻稳定性,即使持续拉伸应变达到180%或在50%的拉伸应变下循环1000圈,其电阻仍然相对稳定。(3)得益于C-SHF优异的拉伸性能、电阻稳定性和自修复性能,C-SHF可以作为一种自修复信号传输线。修复前后的C-SHF无论是在大应变下还是在不同操作环境下都可以稳定地传输方波信号、音频信号以及视频信号。C-SHF在修复前后和拉伸状态下均能保持与商用电缆相当的信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)。(4)作为应用拓展,将C-SHF进一步处理,在其表面再涂覆一层LM,然后用SHP进行封装,得到一种纤维状自修复型电容传感器(SHS)。得益于SHP及LM的自修复性能,SHS具有优异的自修复能力。修复前后的SHS对外界压力刺激有很明显的响应。同时,SHS作为人体运动探测器,可以识别并区分诸多微小的动作变化,比如手指弯曲、微笑、脸部鼓起、吞咽以及咳嗽等。此外,SHS被集成到夹持器上模拟机器人手爪的抓取过程,研究传感器在柔性机器人领域的应用。

关键词：可拉伸导电纤维液态金属自修复复杂操作环境

螺旋弹性纤维器件的制备及其在智能服装中的应用

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螺旋弹性纤维器件的制备及其在智能服装中的应用

作者：杨子航五邑大学

学位级别：硕士

电子服装能够在保持舒适性的同时提供多种多样的智能化服务,人们对其热情高涨,应用于可穿戴智能纺织品的电子器件也越来越多样化和柔性化。现阶段柔性电子器件受限于它们的结构和尺寸,大多以片状或块状的形式和织物直接缝合或者直接贴... 详细信息

电子服装能够在保持舒适性的同时提供多种多样的智能化服务,人们对其热情高涨,应用于可穿戴智能纺织品的电子器件也越来越多样化和柔性化。现阶段柔性电子器件受限于它们的结构和尺寸,大多以片状或块状的形式和织物直接缝合或者直接贴合在织物表面。这些方法制备的电子服装很大程度上使服装损失了其原本具有的透气性和舒适性。织物表面的柔性电子也会面临着服用过程中摩擦的损害,更重要的是,大多数电子器件都是不耐水洗的,这限制了可穿戴电子服装的发展。纤维基电子器件由于其一维的结构,具有直径小、易集成和可编织等优点,非常适合用于织造电子服装。首先,本论文提出了一种通过预拉伸-粘合的方法,以聚氨酯纤维、磷铜丝、碳纤维、PMMA光导纤维和氰基丙烯酸乙酯为材料,低成本快速地制备出了具有螺旋结构的弹性导电纤维、弹性碳纤维和弹性光导纤维,并对它们的性能进行了表征。尤其证明了螺旋导电纤维具有可拉伸、高电导率、耐水洗、可焊接和可编织等优异性能。其次,本论文建立了螺旋纤维的力学模型,通过理论推导和有限元分析,深入地探讨了影响螺旋纤维结构关键参数并得出了其中的成形机理。得出了材料直径和预拉伸大小对螺旋直径和旋转角的具体关系,实现了可控地调节螺旋纤维的结构,并得到了螺旋纤维的断裂强度的理论值。最后,为了进一步检验和展示螺旋导电纤维在电子服装的实用性,本论文分别用了螺旋导电纤维作为织物电路和电信号传输通道,制作了耐水洗的LED腕带和具有危险警报功能的智能消防服。结果表明,螺旋纤维非常适合被用于织造电子服装,螺旋导电纤维的优异的力学和电学性能保证了电信号的稳定和低损耗传输。

关键词：可拉伸导电纤维三维螺旋可焊接性柔性电子器件电子智能纺织品

面向智能穿戴的高透超弹性电子纤维材料及器件

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面向智能穿戴的高透超弹性电子纤维材料及器件

作者：许琦华南理工大学

学位级别：硕士

可拉伸导电纤维具有尺寸小、重量轻、柔性好,容易与织物等集成等优点,是构建弹性智能织物的基础,实现互联、传感等功能。然而已有的研究主要关注电导率、拉伸率、稳定性等性能的优化,对于其他的一些重要方面（例如微结构调控、接线和集... 详细信息

可拉伸导电纤维具有尺寸小、重量轻、柔性好,容易与织物等集成等优点,是构建弹性智能织物的基础,实现互联、传感等功能。然而已有的研究主要关注电导率、拉伸率、稳定性等性能的优化,对于其他的一些重要方面（例如微结构调控、接线和集成、封装、电学性能修复等）还缺乏足够的研究。本论文基于静电纺丝技术开展了可拉伸导电纤维的微结构调控、焊接和修复性能研究、封装工艺探索等工作,较为系统地研究了纤维性能受制备工艺变化的调控规律,并探索了这种纤维在构建高性能可穿戴电子器件方面的潜在应用。这种纤维材料是由连通多孔的聚（苯乙烯-嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯）（SBS）弹性体纤维和原位复合的导电银纳米颗粒（Ag NPs）组成,命名为Ag NPs-SBS纤维。Ag NPs-SBS纤维具备良好的导电性和可拉伸性,此外还具备良好的可焊接性、可编织性和可修复性能。连通多孔的结构特点有利于液体渗透,因此本文提出的Ag NPs-SBS纤维除了可应用于电阻传感的可拉伸电子器件,还具备高灵敏生物化学传感的应用潜能。具体的研究内容和研究结果如下:（1）连通多孔的Ag NPs-SBS复合纤维制备:静电纺丝技术具备自组装成多孔结构的特点,因此我们选用不锈钢丝作为电纺丝收集器,通过静电纺丝技术制备出连通多孔的SBS纤维;再通过溶液法在SBS纤维骨架上原位复合银纳米颗粒,从而制备出连通多孔的可拉伸导电Ag NPs-SBS复合纤维。通过微观形貌分析证实该连通多孔的结构有助于银纳米颗粒在SBS纤维骨架中均匀分布。可拉伸导电纤维最重要的两个特征是高导电性和可拉伸性。通过对复合纤维收集时间、模板直径、载银循环次数和包覆绝缘层等参数的优化,制备得到的Ag NPs-SBS复合纤维电导率最高可达到1295.3 S/cm,断裂应变最高可达到894%,在60%拉伸应变下可反复拉伸超过3000次。（2）Ag NPs-SBS复合可拉伸导电纤维的性能探究:可拉伸导电纤维的可焊接性、可编织性和可修复性有利于其实现不同环境下的可穿戴应用。我们通过热焊接和溶剂焊接两种方式,探究了可拉伸导电Ag NPs-SBS复合纤维之间、复合纤维与金属丝、复合纤维与商用布的焊接性能。实验证实了在Ag NPs-SBS复合可拉伸导电纤维之间以及与金属丝的焊接之后,仍具备良好的导电性和可拉伸性。我们发现,通过将纤维编织成水手结和三股辫两种结构可显著提高纤维的断裂应变（1747%）、导电稳定性和循环使用寿命（在60%拉伸应变下可拉伸10000次）。随后,我们对Ag NPs-SBS复合纤维进行疲劳断裂后的修复测试,证明通过溶液法原位复合银纳米颗粒这一修复方式,可以一定程度恢复复合纤维的导电性。（3）可拉伸导电复合纤维的器件应用:根据连通多孔的可拉伸导电Ag NPsSBS复合纤维所具备的性能,我们制备了智能手套动作传感器和电容型传感器（包括线状和膜状）两种可拉伸电子器件。通过智能手套动作传感器的测试,证实了该复合纤维具备优良的电阻-应变传感性能。通过对电容型传感器的拉伸测试,证明了电容器具备一定的电容-应变传感性能;通过模拟汗液测试,展示了该复合纤维连通多孔结构的优异性以及和可拉伸导电性能相结合的巨大优势,展现了在化学传感应用方向的巨大潜能。

关键词：可拉伸导电纤维静电纺丝透过性可焊接性汗液传感

银纳米线复合多孔结构弹性导电纱线的设计制备及应用探索

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银纳米线复合多孔结构弹性导电纱线的设计制备及应用探索

作者：贺鑫华南理工大学

学位级别：硕士

弹性导电纤维结合了可拉伸性和导电性,具有小巧轻便、柔性好、可编织、与皮肤保形接触等优点,是构建高性能可穿戴电子器件和设备的重要材料。在实际的应用中,弹性导电纤维的设计制备需要综合考虑拉伸性、导电性、力电耦合特性等关键性... 详细信息

弹性导电纤维结合了可拉伸性和导电性,具有小巧轻便、柔性好、可编织、与皮肤保形接触等优点,是构建高性能可穿戴电子器件和设备的重要材料。在实际的应用中,弹性导电纤维的设计制备需要综合考虑拉伸性、导电性、力电耦合特性等关键性能之间的平衡和制约,同时也要考虑纤维的微结构对其功能和穿戴舒适性的影响。然而,弹性导电纤维的关键性能优化和微结构调控方面还需要更加系统和深入的研究。本文提出了一种基于静电纺丝弹性纱线和银纳米线(Ag NWs)浸渍涂敷构筑连通多孔结构弹性导电纱线的新策略,并对纱线的关键性能优化和多孔结构调控进行了系统的研究。本文的主要研究内容和取得的成果包括:(1)采用静电纺丝法制备了连通多孔结构的聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)纱线并实现了连续长纱线(3 m)的纺制,命名为p SBS纱线。研究发现,p SBS纱线的多孔结构和力学特性可通过调节纺丝液质量分数和供液速度进行调控,而纱线的直径可通过改变纺丝时纱线的收集时间进行调节。通过纺丝液和纺丝参数优化以后,p SBS纱线的拉伸率可达2400%,而相应的孔隙率为62.4%,其直径可在0.7-1.8 mm范围进行调节。(2)以连通多孔结构的p SBS纱线为基底,通过浸渍涂覆的方法在纱线表面包覆银纳米线得到弹性导电纱线,命名为Ag NWs@p SBS纱线。研究发现,导电纱线中Ag NWs载量、导电性和电学稳定性都随着p SBS纱线的孔隙率增大而提高,但过低和过高的孔隙率都不利于获得高的拉伸率。综合考量导电性、拉伸率、稳定性等因素,本文采用孔隙率为62.4%的p SBS纱线作为基体材料(纺丝时间、纺丝液质量分数和供液速度分别为:5 min、20 wt%、8 m L/h)。另一方面,增加浸渍涂覆次数可增加纱线的Ag NWs载量和导电性,但过多的浸渍次数反而引起Ag NWs层的脱落,从而导致导电性、拉伸性和电学稳定性的下降。三次浸渍涂覆可得到综合性能最佳的纱线(电阻2.2Ω/cm、拉伸率2970%、114%应变(临界应变)下Q值(品质因子,衡量导电稳定性能)达到0.22)。相比于以非多孔SBS纱线作为基底制备得到的弹性导电纤维,Ag NWs@p SBS纱线的拉伸性、导电性、电学稳定性和使用耐候性(包括反复拉伸、扭转、粘撕、摩擦、洗涤)都得到了显著的提升,其原因归结于Ag NWs导电层部分扎入多孔p SBS纱线基底形成的类树根结构,在导电层和绝缘基底之间起到锚固的作用。(3)通过SBS原位静电纺丝的方法对Ag NWs@p SBS纱线进行了绝缘包覆。研究表明,SBS静电纺丝纤维包覆层可以起到很好的绝缘效果,同时还可以保持纱线良好的透气透液性能。此外,SBS微纳纤维包覆层还可以显著提升弹性导电纱线的电学稳定性(Q值增加了130%)和使用耐候性(反复扭转、撕裂、摩擦或长时间洗涤后,电阻上升小于8%)。基于SBS原位纺丝和Ag NWs浸渍涂覆交替施行的策略,本文进一步实现了包含多层Ag NWs导电层的复合弹性导电纱线,为实现高性能、多功能可拉伸纤维器件提供了新的方法。(4)探索了Ag NWs@p SBS纱线的潜在应用。首先以这种弹性导电纱线为可拉伸电路构建了柔性发光器件。得益于纱线的高电学稳定性,发光器件在拉伸、弯曲和扭转过程中都可以保持稳定地发光。进一步探索了包含双层Ag NWs导电层的复合纱线作为电容型敏感元件在应变和汗液方面的潜在应用。研究表明,这种器件的电容随着拉伸应变的增加而增加,从而实现对应变的传感,灵敏度和应变传感范围分别达到6-31 n F/μL和0-30%。得益于器件连通多孔的结构,人工汗液可以顺利进入器件电容的多孔介电层从而显著改变器件的电容大小,从而实现汗液传感。本文进一步将纱线编织成网络矩阵结构,制备了阵列化的汗液传感器件。研究表明这种器件可以实现汗液位点寻址检测。

关键词：可穿戴电子可拉伸导电纤维力电耦合特性银纳米线静电纺丝