[发明专利]一种高拉伸高灵敏的压阻纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种高拉伸高灵敏的压阻纤维及其制备方法与应用。所述方法为：将羧基化导电填料分散于热塑性聚氨酯溶液中，加入一定量氨水，得纺丝液；通过湿法纺丝将纺丝液挤到含金属前驱体的凝固浴中，发生非溶剂致相转变，金属离子取代纺丝液中的铵根离子，得到含有金属离子的多孔纤维；经过还原处理，制得含金属纳米粒子的多维协同导电网络的多孔纤维。该多孔纤维表现出高导电性、高拉伸性，并且对压缩形变具有高响应性，可用作高稳定、高灵敏的压阻纤维。本发明制得的多孔纤维具有高的孔密度、可调的孔径分布以及导电性，且制备方法简单易行可实现大规模生产。在健康监测、人机交互、智能机器人、电磁屏蔽及热电材料等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于压阻传感纤维领域，具体涉及一种高拉伸高灵敏的压阻纤维及其制备方法与应用。

背景技术

热塑性聚氨酯(TPU)的分子链中包含软硬链段，这赋予其优异的柔韧性和弹性，良好的抗冲击、耐磨性和耐候性等。TPU可采用熔融加工，如挤出、吹塑和注塑等。由于TPU这么多优点且适用多种加工工艺所以TPU被广泛应用于汽车、医药、体育用品、航空航天和电子等领域。

多孔纤维具有长径比大、密度低、比表面积高等特点，相互连接的多孔结构有利于装载和释放分子客体。使得多孔纤维在能量储存和转化、吸附、分离、电磁屏蔽和生物材料方面都有重要的应用。另外由于三维多孔纤维其优异的机械压缩和回弹性，也能用做高性能柔性压力传感器。

制备导电复合材料的传统方法是将导电填料和弹性体直接共混，由于填料易团聚的问题，制备出的导电复合材料往往柔韧性较差，极大限制了其使用。为改善这一问题多将具有高导电性和高长径比的一维纳米材料如碳纳米管或银纳米线加入到硅橡胶、聚氨酯等弹性体中，利用一维纳米材料形成的导电网络，在保持良好导电性的同时，尽可能减少导电填料的填充量，以保留弹性体的柔韧性，但单一填料在减少填料用量方面仍有很大的不足。制备高拉伸，高稳定导电复合材料仍是急需解决的重要问题。

相较于薄膜型应变传感器，纤维型应变传感器更容易集成到织物中。此外，纤维具有极好的柔韧性，可以紧贴人体做许多复杂动作，织物中的纤维不会出现固体薄膜或块状物的裂纹扩展，能提高其长期使用，并且织物还透气，满足长期佩带的舒适感，是高性能可穿戴柔性传感器的理想平台。但是目前的压阻纤维存在着灵敏度低以及使用过程中由于拉伸导致导电性变差的问题，极大限制了压阻纤维的实际应用。

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高拉伸高灵敏的压阻纤维的制备方法。

本发明通过化学还原法制备含金属纳米颗粒的多维协同导电网络，以及基于非溶剂致相转变原理湿法纺丝孔径可调的多孔纤维，提高了压阻纤维高拉伸状态下的导电性，不仅很好地解决了压阻传感材料拉伸时导电稳定性差、灵敏度低等问题，更赋予柔性传感器可穿可戴的特性，为材料的实际应用提供了进一步的支持。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种高拉伸高灵敏的压阻纤维。

本发明的再一目的在于提供上述一种高拉伸高灵敏的压阻纤维在电子纺织品、智能可穿戴电子设备中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种高拉伸高灵敏的压阻纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将羧基化导电填料分散于热塑性聚氨酯溶液中，加入一定量氨水，得到纺丝液；

(2)通过湿法纺丝将步骤(1)的纺丝液挤到含金属前驱体的凝固浴中并静置一段时间，使凝固浴中的溶剂与纺丝液中的溶剂相互交换，扩散过程中纺丝液中的溶剂被萃取出来，热塑性聚氨酯逐渐固化，与此同时带有金属离子的溶液进入纤维，金属离子取代铵根离子负载到纤维上，得到负载金属离子的纤维；

(3)将步骤(2)负载金属离子的纤维干燥，得到负载金属离子的多孔复合纤维；