[发明专利]一种含有表面聚吡咯褶皱核壳结构的导电纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种含有表面聚吡咯褶皱核壳结构的导电纤维及其制备方法与应用。所述方法为：(1)配置纺丝液，通过湿法纺丝或注射器挤出到凝固浴溶液中，析出得到凝胶纤维；(2)将凝胶纤维依次在氧化剂溶液和吡咯单体中浸泡；(3)反应完成的凝胶纤维在室温下干燥，利用辊筒收集；(4)还原干燥的凝胶纤维，得到表面具有聚吡咯褶皱的核壳结构导电纤维。本发明的制备方法简单、成本低廉、可大规模制备，制备得到的聚吡咯褶皱能够显著地增大纤维地比表面积，改善纤维的电容性能和压阻性能等性质，在能源转化、能源储存以及传感器等领域具有重要的运用前景。

技术领域

本发明属于柔性功能材料领域，具体涉及一种含有表面聚吡咯褶皱核壳结构的导电纤维及其制备方法与应用。

背景技术

当今时代，小尺寸便携式电子设备和柔性智能可穿戴设备迅速发展，器件的小型化、集成化和智能化成为当今的发展主流，并将成为未来的主导方向。在这个背景下，可纺、可编织的导电纤维吸引了研究者的广泛关注。

传统制备导电纤维的方法之一是湿法纺丝含有导电填料的聚合物溶液，为了保证纤维的柔性，聚合物基体通常选用聚氨酯基体。然而聚氨酯因其既不导电也不离子导电的性质，极大地增加了纤维的电阻，并且在应用为储能设备电极时电化学活性较低。湿法纺丝水凝胶纤维的亲水基体可以保有电解质溶液，其疏松的分子结构也能为离子提供导电通路。在凝胶纤维表面制备“壳层”导电材料可以充分利用内外两个表面产生双电层电容。

导电高分子聚吡咯是一类典型的赝电容物质，具有较高的比电容，但是有两个突出缺点。一是因为聚吡咯独特的分子结构，通过传统界面聚合或电化学沉积制备的聚吡咯倾向于形成平整表面，导致材料的比表面积较低，并且由于聚吡咯韧性较差，很难通过预拉伸等方法构筑表面微结构；二是由于导电高分子掺杂导电的机理，聚吡咯在充放电过程中分子链上不断发生离子的注入和抽出，导致聚吡咯分子链极易膨胀断裂。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种含有表面聚吡咯褶皱核壳结构的导电纤维的制备方法。

本发明通过调整湿法纺丝凝胶纤维的工艺步骤，利用凝胶纤维干燥的体积收缩使表面聚吡咯产生褶皱，解决目前构筑聚吡咯表面微结构方法复杂和聚吡咯复合导电纤维比表面积小、电化学循环性能较差的问题，制备工艺简单、成本低且可以大规模生产，在储能、传感等柔性电子领域具有潜在的应用前景。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种含有表面聚吡咯褶皱核壳结构的导电纤维。

本发明的再一目的在于提供上述一种含有表面聚吡咯褶皱核壳结构的导电纤维的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种含有表面聚吡咯褶皱核壳结构的导电纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)配制纺丝液，将纺丝液通过湿法纺丝或注射器挤出到凝固浴溶液中，纺丝液在凝固浴溶液中析出得到凝胶纤维；

(2)将凝胶纤维依次在氧化剂溶液和吡咯单体中浸泡一定时间，反应完成后干燥，得到聚吡咯凝胶纤维；

(3)将聚吡咯凝胶纤维进行还原处理，得到表面具有聚吡咯褶皱核壳结构的导电纤维。

优选地，步骤(1)所述纺丝液为可以与钙离子形成离子交联水凝胶的聚合物、氧化石墨烯和水的混合液；纺丝液中聚合物的浓度为5-15mg/mL，氧化石墨烯的浓度为1-5mg/mL。

更优选地，所述可以与钙离子形成离子交联水凝胶的聚合物为海藻酸钠和羧甲基纤维素钠中的至少一种。

优选地，步骤(1)所述注射器的针孔直径为0.6-1.2mm，所述导电纤维的直径为10-100μm；所述纺丝液挤出速率为6-14mL/h。