[发明专利]通过热拉伸的多材料可拉伸光学、电子和光电纤维和带状复合材料

说明书

本发明涉及一种用于形成纤维的热拉伸方法，其中所述纤维至少由可拉伸的聚合物制成。本发明还涉及通过该方法制备的拉伸纤维。

相应的申请

本申请要求2016年2月10日以ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERAL DE LAUSANNE（EPFL）的名义提交的早期欧洲申请N°16155102.3的优先权，该在先申请的内容通过引用整体并入本申请。

技术领域

制造具有例如在拉伸、弯曲、扭转或其他机械变形时可以是坚固的光学，电子或光电功能的材料和器件的能力构成了相对近期但非常活跃的研究重点。 可靠、低损耗和可拉伸的电互连以及光纤或波导，可以在电缆和光缆、假体、机器人、智能或医用纺织品、或可穿戴电子设备和光子学以及其他相关领域中带来显著进步。

从机械运动或各种辐射，可拉伸显示器，压力传感器或能够与生物组织接口的装置收集能量是可伸展装置的发展将构成关键突破的其他领域。

与可拉伸系统的制造相关的主要挑战有两个：

（1）使传统上刚性的光学或电子材料与严格的机械约束相符; 和

（2）以简单且可扩展的方式处理具有微米和/或纳米结构的系统。

在本发明中，通过首次将热拉伸工艺应用于可拉伸材料（如热塑性弹性体）来解决这两个挑战。传统上，该方法与刚性、高模量二氧化硅或热塑性聚合物相关，玻璃化转变温度远高于室温。

在本发明中，证明了一些弹性体材料实际上可以用这种技术在高粘度下加工，使得能够以光纤的可扩展性和成本制造具有任何横截面形状的纤维。

此外，可以与可拉伸材料共同拉伸各种材料，例如聚合物和聚合物复合材料、金属或半导体等。这使得用于可拉伸电子和光子的新型器件架构成为可能。例如，可以制造集成具有任意尺寸和数量的导线的液态金属线的电互连，即使在拉伸高达400％时也可以保持高水平的导电性。进一步的效果是，它们可以感知变形。还可以制造可拉伸光纤和波导，以及可以在机械应力下改变颜色的光子带隙结构。

因此，这在智能纺织品、生物工程、医疗保健、能量收集和传感器领域开辟了一类新的光纤设备。

背景技术

热拉伸技术是用于制造光纤的主要技术，参见参考文献[1]。在现有技术的拉伸过程中，将由在室温下刚性的玻璃或聚合物制成的大型预制件送入封闭炉中并在其玻璃化转变温度下加热。随着粘度降低几个数量级，预制棒在自重下收缩; 当预制件的下端从炉中出来时，将其连接到拉动系统，然后连续拉伸纤维。在此过程中通过光学传感器和张力传感器监测纤维尺寸，形状和内部应力; 它们由一组拉伸参数控制，即进给速度（预成件送入炉内的速度）、拉伸速度（拉伸纤维的速度）和炉温。该技术的原理如图1所示。

由于Charles Kao发明了低损耗光纤，参考文献[1]，其重新定义了通信方式，热拉伸工艺已经成为深入研究的课题，并且在缩小比例和易于加工方面变得非常有效。新一代光纤已经出现，如光子晶体光纤（见参考文献[2]）或多材料光纤（见参考文献[3]），将热拉伸光纤应用于从光学和电子学到微流体和生物工程的广泛应用。

然而到目前为止，这种方法从未应用于可拉伸聚合物。到目前为止实现的所有纤维和带材都具有包覆材料或其任何成分，在室温下由非弹性或非橡胶材料制成。这是因为在纤维热拉伸的许多评论中都可以找到共同的信念，参见参考文献[3-6]，即，在相对高粘度的常规条件下只能得到玻璃状均质材料。在本领域中，存在技术偏见，以将热拉伸工艺应用于可拉伸聚合物，特别是与其他功能材料共同拉伸，以及具有类似性质的其他类似材料。

本发明表明，现有技术的共同信念和思想实际上限制性太强且不正确，并且材料是弹性的（在室温下），其转变温度高于粘度逐渐变化的温度（与如图16所示的弹性模量相比具有更高的损耗模量），该材料可以热拉伸。