[发明专利]TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种同轴湿法纺丝技术制备TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维和可穿戴应力传感应用，其中所制备的方法包括将溶解于二氯甲烷的苯乙烯与2‑甲基‑1，3‑丁二烯聚合物(TPE)和聚苯胺(PANI)水凝胶皮芯湿法纺丝制备出具有皮为TPE，芯为PANI结构的高弹性导电纤维。由于TPE本身具有良好的可拉伸性能和无毒；PANI本身导电性能优越；以及在TPE管内粘连了大量的PANI，在拉伸过程中，可通过拉伸错位继续构成导电通路。因此本发明可以作为可穿戴器件，很好的对手指弯曲变化；腕部转动和肘部转动弯曲响应，并模拟得出一系列相应的工作曲线。

技术领域

本发明涉及基于皮芯结构的弹性导电纤维材料的制备方法和可穿戴应用，属于纤维纺丝生产制备技术领域。

背景技术

可拉伸导体是可穿戴电子设备，柔性显示器，晶体管，机械传感器和能量设备的重要组成部分。可拉伸纤维导体对于下一代可穿戴电子设备非常重要，因为它们很容易批量生产，编织成织物，用作应变传感器和电子皮肤。在设计应变传感器纤维之前，必须考虑几个关键因素，包括人体运动的较大拉伸范围，应变传感器的电阻与应变之间的良好线性关系，高灵敏度(GF)和快速响应时间。此外，应变传感器的电阻应具有以下性质：易于通过材料的应变和回弹来控制，数千个周期后的高度稳定的传感信号以及易于检测的低电阻。

与市场上现有的应变传感器相比，电阻式传感器由于其合成工艺简单，运行时能耗低，机械性能可调，易于检测等特点，具有更大的应用前景和市场前景。虽然市场上现有的电阻式应变传感器的合成工艺简单，制造成本低，但拉伸性能只能达到5％，不足以满足穿戴应变传感的需求(一般形变要求大于50％)。因此，应变电阻传感器的研究目前主要集中在最大应变范围，灵敏度和快速响应时间上。

设计纤维应变传感器主要有两种思路。首先，在拉伸状态下，通过物理或化学键，在弹性纤上维涂覆一层导电材料，以赋予弹性纤维导电性。然而，导电网络的一些接触活性部位可能在反复拉伸往复的过程中被破坏，导致弹性纤维传感器的GF和耐久性变差。另一个被广泛使用的思路是将导电材料和弹性聚合物直接混合，然后通过熔融纺丝或湿法纺丝合成弹性电阻式纤维传感器。由于纤维内部的导电材料可以很好地构建成导电网络，并且活性部位和弹性基体结合牢固。因此，该方法用于合成适用于各种人体运动模拟的可穿戴式纤维传感器。但由于弹性聚合物掺杂导电材料，内部分子排列紊乱，纤维拉伸性能差，导电性差，限制了该方法合成纤维的应用。

因此，具有较大的GF，优良的拉伸性能，能耗低，能够很好的模拟人体大规模和超微动作模拟的弹性导电纤维制备方法是本发明亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种有较大的GF，优良的拉伸性能，能耗低，能够很好的模拟人体大规模和超微动作模拟的弹性导电纤维制备方法。本发明的另一个目的是提供通过上述方法制备得到纤维的应用。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物和PANI水凝胶皮芯湿法纺丝，制得弹性导电纤维。

优选地，所述皮芯湿法纺丝包括以下步骤：

步骤101、将二氯甲烷和苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物混合，制得芯结构纺丝液M1；

步骤102、将苯胺溶解于稀盐酸溶液后，加入过硫酸铵，制得芯结构PANI水凝胶纺丝液M2；

步骤103、分别将芯结构纺丝液M1和芯结构PANI水凝胶纺丝液M2装入推进泵，连接好皮芯针头，乙醇为凝固浴，湿法纺丝制得所述弹性导电纤维。

优选地，步骤101中，相对于100g的所述二氯甲烷，所述苯乙烯与所述2-甲基-1，3-丁二烯聚合物的用量为50g。

优选地，步骤102中，相对于100g的所述水，所述聚苯胺和过硫酸铵的用量分别为10g和27g。