[发明专利]一种仿生结构应变不敏感导电纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种仿生结构应变不敏感导电纤维及其制备方法，先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；制得的仿生结构应变不敏感导电纤维为仿枫叶双层褶皱结构，弹性纤维表面具有一层弹性聚合物涂层褶皱，褶皱密度为2～6个/100μm，褶皱平均高度为10～20μm；在弹性聚合物涂层褶皱上具有一层导电涂层褶皱，褶皱密度10～45个/100μm，褶皱平均高度为0.5～5μm。本发明制得的导电纤维在高牵伸应变下具有优异的不敏感性能，且在一定程度缓解了传感滞后性。

技术领域

本发明属于柔性可穿戴电子学领域和纺织技术领域，具体涉及一种超拉伸应变不敏感的导电纤维及其制备方法，可应用于柔性可穿戴智能纺织品中。

背景技术

随着可穿戴电子产品的不断发展，轻量、便捷和舒适的智能纺织品具有广阔应用前景。一维的纤维基电子器件因体积小，易于成型等优势，受到极大关注和深入研究。可拉伸导电材料是柔性电子设备中必不可少的组成部分。而稳定的导电性能是可拉伸电子设备的关键，同时也是保证电子设备稳定传递电信号的关键。

越来越多的一维应变不敏感导电纤维被用于智能可穿戴设备。目前，一维应变不敏感导电纤维的设计大多为皮芯结构，主要是通过预牵伸工艺实现，具体为在预牵伸的弹性纤维上沉积导电涂层后，释放预牵伸使纤维表面形成褶皱状。现有沉积导电涂层方式主要分为直接沉积和间接沉积两种方式。前者直接在弹性纤维上通过原位聚合或喷涂等方式沉积导电材料。但因导电层与弹性芯材机械性能差异过大，其传感性能存在较大的滞后性。而后者通过将导电材料与弹性材料混合后涂覆到弹性纤维表面，很好地解决了导电纤维传感滞后的问题。但导电弹性涂层在纤维表面形成的褶皱较大，这限制了导电纤维的应变不敏感性能。

因此，开发一种新方法制备一种具有优异的应变不敏感性和较小滞后性的导电纤维，用于智能可穿戴设备具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中应变不敏感导电纤维的应变不敏感性和传感滞后性无法兼得的问题，提供了一种具有仿生结构的应变不敏感的导电纤维及其制备方法。本发明仿生结构为仿枫叶双褶结构。制备方法为，在具有一定牵伸状态的弹性长丝上涂覆弹性聚合物溶液形成弹性较好的褶皱，再给予该纤维更大的牵伸应变后沉积导电涂层。其中，弹性聚合物涂层在弹性纤维表面形成较大褶皱，导电涂层在弹性聚合物褶皱上进一步形成更加细密的褶皱。这种双褶结构导电纤维受到拉伸时，较大弹性的弹性聚合物涂层先展开，细密的导电涂层材料后展开，此种仿生结构设计使其在高牵伸应变下具有优异的不敏感性能，而且弹性聚合物褶皱与弹性基材力学性能差异小，一定程度缓解了传感滞后性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种仿生结构应变不敏感导电纤维的制备方法，先对弹性纤维施加一定预牵伸应变，并在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后释放预牵伸应变得到单褶结构弹性纤维，再对所述单褶结构弹性纤维施加高于预牵伸应变的牵伸应变后在其表面沉积导电涂层，释放牵伸应变后制得仿生结构应变不敏感导电纤维；

由弹性聚合物浇筑成的匀质膜的弹性模量与弹性纤维弹性模量间的比值为0.5～2；

在施加预牵伸应变后的弹性纤维表面涂覆弹性聚合物溶液后形成的涂层厚度大于在单褶结构弹性纤维表面沉积导电涂层的厚度；

弹性聚合物涂层在弹性纤维表面形成较大褶皱(根据褶皱密度衡量褶皱大小，褶皱大小与涂层厚度和预牵伸的倍数有关，预牵伸倍数小，涂层厚形成褶皱越稀越大)，由于导电涂层制备工艺中预牵伸倍数大于聚合物涂层牵伸倍数，且沉积导电涂层的厚度小于弹性聚合物涂层，从而导电涂层在弹性聚合物褶皱上进一步形成更加细密的褶皱。