一种芯-鞘结构的可拉伸纤维及其制备方法与应用

1.本技术属于可拉伸导电纤维技术领域，具体涉及一种芯-鞘结构的可拉伸纤维及其制备方法与应用。


背景技术：

2.相较于传统的刚性结构材料，纤维因具有优异的机械强度、柔韧性和易于集成特性，可通过涂覆、电镀、编织等方式制备成可拉伸功能纤维，在在智能传感、可穿戴能源等众多领域具有巨大的应用潜力。可拉伸功能纤维可进一步通过编织方法与商用纤维、织物集成为智能纺织品，这是是纺织领域是革新，更是智能可穿戴设备发展的突破。然而，可拉伸功能纤维发展至今仍然存在诸多的问题：首先，纤维制备工艺复杂，成本较高；其次，柔性纤维材料与无机导电材料在模量、可拉伸性上存在严重的机械失配，通过复合得到的导电纤维机械强度低、柔韧性较差，很难实现纤维的导电性和可拉伸性的平衡；最后，涂覆的无机导电材料与纤维基底结合力较弱，易发生脱落现象，不利于可拉伸导电纤维的长期使用。因此，研制一种新型的低成本与高效的可拉伸纤维制备工艺，实现纤维的导电性和高可拉伸性的兼得，对于智能纺织品的发展具有重要意义。
3.静电纺丝是一种特殊的纤维加工制造工艺，具有制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等诸多优点。制备的静电纺丝纤维具有超高的长径比，纤维柔软且形状适应性好，并且，静电纺丝纤维具有高的比表面积，是无机导电材料理想的复合基材。进一步将静电纺丝纤维加捻制备单纱，单纱整体为纤维互相约束形成的多孔单纱，选择跨尺度的低维无机导电材料填充于多孔单纱内部，进一步采用静电纺丝纤维对单纱进行封装，不仅能够有效解决机械失配的问题，而且还能避免导电材料脱落引起的纤维电学性能的波动，这将使得高性能的可拉伸导电纤维制备成为可能。


技术实现要素：

4.本技术旨在解决现有技术的不足，提出一种芯-鞘结构的可拉伸纤维及其制备方法与应用，一方面，通过跨尺度的多孔单纱骨架与低维导电材料的设计与选择，缓解异质材料之间的机械失配问题，实现纤维的导电性和高可拉伸性的兼得，另一方面，采用芯-鞘结构设计提升可拉伸纤维的耐久性与鲁棒性，最后，芯-鞘结构的可拉伸纤维直接粘附在人体或编织到织物中，可用作柔性导线、人体运动机械能收集、自驱动压力传感、应变传感。
5.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
6.一种芯-鞘结构的可拉伸纤维，包括：作为芯结构的导电单纱和作为鞘结构的纤维封装层；
7.所述导电单纱由多孔单纱和低维导电材料构成；
8.所述纤维封装层由弹性体纤维薄膜构成。
9.优选的，所述多孔单纱由所述弹性体纤维薄膜进行加捻制备得到，作为所述导电单纱的基底材料；
10.所述低维导电材料在所述多孔单纱的表面构成导电网络。
11.优选的，所述弹性体纤维薄膜的材料为橡胶、苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺和乙烯共聚物中的任意一种；
12.所述低维导电材料为碳纳米管、石墨烯、二维碳化物、氮化物、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种或多种。
13.优选的，所述芯-鞘结构的可拉伸纤维直径为80-500μm，所述芯结构的直径为40-200μm，所述鞘结构的厚度为20-200μm。
14.本技术还提供了一种芯-鞘结构的可拉伸纤维的制备方法，用于制备上述所述的可拉伸纤维，包括以下步骤：
15.利用静电纺丝法制备弹性体纤维薄膜；
16.将所述弹性体纤维薄膜激光切割后加捻制备得到多孔单纱；
17.将所述多孔单纱浸涂于低维导电材料分散液中，超声并烘干，得到导电单纱；
18.将所述弹性体纤维薄膜紧密包覆于所述导电单纱，制得所述芯-鞘结构的可拉伸纤维。
19.优选的，所述静电纺丝法的制备工艺包括：静电纺丝电压为18-22kv，给料量为0.4-0.8ml/h，接收装置与泰勒锥之间的距离为15-18cm，接收装置的转速为100-500rpm，静电纺时间为1-3h。
20.优选的，所述多孔单纱直接由所述弹性纤维薄膜在静电纺丝得到的基底上加捻制备，捻度为400-1000捻/米。
21.本技术还提供了一种芯-鞘结构的可拉伸纤维的应用，适用于上述所述的可拉伸纤维，包括：所述芯-鞘结构的可拉伸纤维可以直接粘附在人体或编织到织物中，用于柔性导线、人体运动机械能收集、自驱动压力传感和应变传感。
22.与现有技术相比，本技术的有益效果为：一方面，通过跨尺度的多孔单纱骨架与低维导电材料的设计与选择，缓解异质材料之间的机械失配问题，实现纤维的导电性和高可拉伸性的兼得，另一方面，采用芯-鞘结构设计提升可拉伸纤维的耐久性与鲁棒性。芯-鞘结构的可拉伸纤维具有良好的形状适应性，可以直接粘附在人体皮肤表面或编织到织物中，作为柔性导线，可用于织物中电子元器件的连接，作为单电极模式的摩擦纳米发电机，可用于人体运动机械能收集与自驱动压力传感，作为纤维应变传感器，可用于人体运动的监测，展现出了较强的多功能应用潜力。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本技术实施例的芯-鞘结构可拉伸纤维的结构示意图；
25.图2为本技术实施例的芯-鞘结构可拉伸纤维制备方法的流程示意图；
26.图3为本技术实施例加捻制备的多孔单纱扫描电镜图片；
27.图4a为本技术实施例制备的多孔单纱浸涂低维导电材料后的扫描电镜图片，图4b为多孔单纱浸涂低维导电材料后横截面的扫描电镜图片；
28.图5a为本技术实施例芯-鞘结构可拉伸纤维的扫描电镜图片，图5b为芯-鞘结构可拉伸纤维横截面的扫描电镜图片；
29.图6a为本技术实施例芯-鞘结构可拉伸纤维未拉伸时的照片，图6b为芯-鞘结构可拉伸纤维拉伸时的照片；
30.图7为本技术实施例芯-鞘结构可拉伸纤维用于机械能收集时的工作原理图；
31.图8a为本技术实施例芯-鞘结构可拉伸纤维用于机械能收集时的短路电流，图8b为芯-鞘结构可拉伸纤维用于机械能收集时的开路电压，图8c为芯-鞘结构可拉伸纤维用于机械能收集时的转移电荷量；
32.图9为本技术实施例芯-鞘结构可拉伸纤维用于压力传感时的压力-短路电流的关系图；
33.图10a为本技术实施例芯-鞘结构可拉伸纤维在拉伸过程中的表面形貌，图10b为芯-鞘结构可拉伸纤维在拉伸回复后的表面形貌；
34.图11为本技术实施例芯-鞘结构可拉伸纤维用于应变传感时相对阻变-拉伸应变的关系图。
具体实施方式
35.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
37.实施例一
38.在本实施例中，如图1所示，一种芯-鞘结构的可拉伸纤维，包括：作为芯结构的导电单纱和作为鞘结构的纤维封装层。芯-鞘结构的可拉伸纤维直径为80-500μm，芯结构的直径为40-200μm，鞘结构的厚度为20-200μm。
39.导电单纱由多孔单纱和低维导电材料构成。多孔单纱由弹性体纤维薄膜进行加捻制备得到，作为导电单纱的基底材料；低维导电材料在多孔单纱的表面构成导电网络。弹性体纤维薄膜的材料为橡胶、苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺和乙烯共聚物中的任意一种；低维导电材料为碳纳米管、石墨烯、二维碳化物、氮化物、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种或多种。
40.纤维封装层由弹性体纤维薄膜构成。
41.实施例二
42.在本实施例中，如图2所示，一种芯-鞘结构的可拉伸纤维的制备方法，包括以下步骤：
43.s1.利用静电纺丝法制备弹性体纤维薄膜。
44.静电纺丝法的制备工艺包括：静电纺丝电压为18-22kv，给料量为0.4-0.8ml/h，接收装置与泰勒锥之间的距离为15-18cm，接收装置的转速为100-500rpm，静电纺时间为1-3h。
45.s2.将弹性体纤维薄膜激光切割后加捻制备得到多孔单纱。
46.多孔单纱直接由弹性纤维薄膜在静电纺丝得到的基底上加捻制备，捻度为400-1000捻/米。
47.s3.将多孔单纱浸涂于低维导电材料分散液中，超声并烘干，得到导电单纱；
48.s4.将弹性体纤维薄膜紧密包覆于导电单纱，制得芯-鞘结构的可拉伸纤维。
49.下面以聚氨酯为原料介绍可拉伸纤维的制备方法：
50.称量2.0g聚氨酯、3.2g二甲基甲酰胺、4.8g四氢呋喃于玻璃瓶中，放入磁子搅拌溶解，溶解过程中转速为600rpm，加热温度为60℃，磁力搅拌时间为6小时，搅拌结束后将聚氨酯溶液静置2小时去除内部气泡。通过静电纺丝工艺制备法弹性体纤维材料，静电纺丝参数包括：静电纺丝电压为20kv，给料量为0.5ml/h，接收装置与泰勒锥之间的距离为18cm，接收装置的转速为100rpm，静电纺时间为1h。
51.静电纺丝结束后，将聚氨酯纤维连同基底材料激光切割成10cm
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3cm的尺寸。聚氨酯纤维切割成预设尺寸后，直接将聚氨酯纤维在静电纺丝基底上加捻制备多孔单纱，其捻度为600捻/米。
52.聚氨酯纤维加捻制备的多孔单纱浸泡于碳纳米管水性分散液中，超声2小时，使碳纳米管充分进入到多孔单纱的内部，随后将复合材料真空干燥，真空干燥3小时，设置干燥温度为60℃，得到芯结构的导电单纱。
53.进一步将聚氨酯纤维薄膜紧密包覆于芯结构的导电单纱外周，制得芯-鞘结构的可拉伸纤维。
54.图3为聚氨酯纤维加捻制备的多孔单纱的扫描电镜图片，其中，聚氨酯纤维相互交联缠绕约束，形成稳定的可拉伸结构，作为一种高比表面积的骨架结构，其内部有众多的渗透孔洞，低维导电材料可通过渗透孔洞进入到单纱内部，附着到聚氨酯纤维表面形成空间导电网络，形成稳定的电路导通。
55.图4a和4b为本实施例制备的多孔单纱浸涂碳纳米管后的扫描电镜图片与横截面的扫描电镜图片；结果表明，碳纳米管通过多孔单纱的渗透孔洞进入到单纱的内部，碳纳米管附着在聚氨酯纤维表面相互搭接构成了空间导电网络，形成稳定的导电通路。一方面，通过跨尺度的多孔单纱骨架与碳纳米管材料的设计与选择，缓解异质材料之间的机械失配问题，实现纤维的导电性和高可拉伸性的兼得，并且，两者之间氢键结合与较强的机械键合避免了碳纳米管的脱落，提升了复合材料的稳定性与鲁棒性，制备的复合导电纤维电阻值最低为10ω，可做为柔性导线实现可穿戴器件之间的连接。
56.图5a和5b为本实施例芯-鞘结构可拉伸纤维的扫描电镜图片与横截面的扫描电镜图片，聚氨酯纤维作为鞘结构进一步将芯结构的导电单纱包覆，避免了由于摩擦造成的单纱外围碳纳米管材料的脱落，提升了纤维材料的服役稳定性。
57.图6a和图6b分别为本实施例芯-鞘结构可拉伸纤维未拉伸与拉伸时的照片，构筑的芯-鞘结构的可拉伸纤维直径为80-500μm，延伸率最高达600％，可以直接粘附在人体或编织到织物中实现多功能应用。
58.实施例三
59.在本实施例中，介绍芯-鞘结构在机械能收集中的应用：将芯结构的多孔导电单纱从一端用导线连出，芯-鞘结构可拉伸纤维作为单电极模式的摩擦纳米发电机可用于人体
运动机械能量的收集，其中芯结构的多孔导电单纱为电极，鞘结构的纤维封装层为摩擦层材料，其工作原理如图7所示。当异质材料与鞘结构的封装层接触时，由于两种材料得失电子的能力不同，两种材料之间会发生电荷的转移。当鞘结构的封装层的得电子能力较强时，电子会从接触材料表面转移至纤维封装层表面，两个接触表面形成符号相反的表面电荷。将电极材料接地，当这两个表面由于外力作用而发生分离时，会改变局部的电场分布，这样下电极和大地之间会发生电子交换，电子流出，以平衡电极上的电势变化。当两摩擦材料再次紧密接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流，将产生一个相反的电流。
60.图8a、图8b与图8c分别为本实施例芯-鞘结构可拉伸纤维用于机械能收集时的短路电流、开路电压与转移电荷量，保持恒定的周期性压力加载，其短路电流为6na，开路电压为4.8v，转移电荷量为1.8nc。因此，本实施例芯-鞘结构可拉伸纤维可以大面积编织到织物中，用于人体机械能收集，通过能量管理电路，可将收集的机械能存储于电容器于电池中，用于小型电子设备的能源供给。
61.实施例四
62.在本实施例中，介绍芯-鞘结构在自驱动压力传感中的应用：将芯结构的多孔导电单纱从一端用导线连出，芯-鞘结构可拉伸纤维作为单电极模式的摩擦电型压力传感器，可用于自驱动的压力传感，其中芯结构的多孔导电单纱为电极，鞘结构的纤维封装层为摩擦层材料，器传感原理是基于摩擦起电与静电感应的耦合效应。外界与鞘结构的纤维摩擦层通过接触-分离过程产生的电信号强度与压力密切相关，压力越大，外界与纤维摩擦层的接触面积越大，彼此之间发生的电荷转移就越多，电信号强度就越高。图9为本实施例芯-鞘结构可拉伸纤维用于压力传感时不同压力下的峰值电压，芯-鞘结构可拉伸纤维对法向压力的响应范围为2-40kpa，灵敏度为0.3kpa-1
，能较好地响应施加在纤维上的法向压力。
63.实施例五
64.在本实施例中，介绍芯-鞘结构在应变传感中的应用：将芯结构的多孔导电单纱从两端端用导线连出，芯-鞘结构可拉伸纤维作为阻变式的应变传感器，可用于应变传感，其中芯结构的多孔导电单纱为敏感材料。图10a与图10b为本实施例芯-鞘结构可拉伸纤维在拉伸过程中与拉伸回复后的表面形貌，当沿着纤维方向施加拉伸应变时，三维导电网络会随着纤维的弹性变形产生大量纳米尺度的拉伸裂纹，且裂纹会随着拉伸应变量的增大逐步扩展，并由此造成传感层电极电阻的逐渐增大，当释放拉伸应变时，拉伸裂纹会产生回复。图11为本实施例芯-鞘结构可拉伸纤维用于应变传感时相对阻变-拉伸应变的关系图，其中应变的响应范围为0-100％，灵敏度因子gf为6，且表现出了较高的线性度。芯-鞘结构可拉伸纤维作为应变传感器可直接粘附到皮肤表面或编织到织物中，用于人体动作信号的感知、脉搏信号的探测等。
65.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种芯-鞘结构的可拉伸纤维，其特征在于，包括：作为芯结构的导电单纱和作为鞘结构的纤维封装层；所述导电单纱由多孔单纱和低维导电材料构成；所述纤维封装层由弹性体纤维薄膜构成。2.根据权利要求1所述一种芯-鞘结构的可拉伸纤维，其特征在于，所述多孔单纱由所述弹性体纤维薄膜进行加捻制备得到，作为所述导电单纱的基底材料；所述低维导电材料在所述多孔单纱的表面构成导电网络。3.根据权利要求1所述一种芯-鞘结构的可拉伸纤维，其特征在于，所述弹性体纤维薄膜的材料为橡胶、苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺和乙烯共聚物中的任意一种；所述低维导电材料为碳纳米管、石墨烯、二维碳化物、氮化物、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种或多种。4.根据权利要求1所述一种芯-鞘结构的可拉伸纤维，其特征在于，所述芯-鞘结构的可拉伸纤维直径为80-500μm，所述芯结构的直径为40-200μm，所述鞘结构的厚度为20-200μm。5.一种芯-鞘结构的可拉伸纤维的制备方法，用于制备1-4任一项所述的可拉伸纤维，其特征在于，包括以下步骤：利用静电纺丝法制备弹性体纤维薄膜；将所述弹性体纤维薄膜激光切割后加捻制备得到多孔单纱；将所述多孔单纱浸涂于低维导电材料分散液中，超声并烘干，得到导电单纱；将所述弹性体纤维薄膜紧密包覆于所述导电单纱，制得所述芯-鞘结构的可拉伸纤维。6.根据权利要求5所述一种芯-鞘结构的可拉伸纤维的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝法的制备工艺包括：静电纺丝电压为18-22kv，给料量为0.4-0.8ml/h，接收装置与泰勒锥之间的距离为15-18cm，接收装置的转速为100-500rpm，静电纺时间为1-3h。7.根据权利要求5所述一种芯-鞘结构的可拉伸纤维的制备方法，其特征在于，所述多孔单纱直接由所述弹性纤维薄膜在静电纺丝得到的基底上加捻制备，捻度为400-1000捻/米。8.一种芯-鞘结构的可拉伸纤维的应用，适用于权利要求1-4任一项所述的可拉伸纤维，其特征在于，包括：所述芯-鞘结构的可拉伸纤维可以直接粘附在人体或编织到织物中，用于柔性导线、人体运动机械能收集、自驱动压力传感和应变传感。

技术总结
本申请公开了一种芯-鞘结构的可拉伸纤维及其制备方法与应用，可拉伸纤维包括：作为芯结构的导电单纱和作为鞘结构的纤维封装层；所述导电单纱由多孔单纱和低维导电材料构成；所述纤维封装层由弹性体纤维薄膜构成。一方面，通过跨尺度的多孔单纱骨架与低维导电材料的设计与选择，缓解异质材料之间的机械失配问题，实现纤维的导电性和高可拉伸性的兼得，另一方面，采用芯-鞘结构设计提升可拉伸纤维的耐久性与鲁棒性，最后，芯-鞘结构的可拉伸纤维直接粘附在人体或编织到织物中，可用作柔性导线、人体运动机械能收集、自驱动压力传感、应变传感。传感。传感。


技术研发人员：张跃 徐良旭 廖庆良 赵璇 樊留兵 赵树昌 光炜 赵淼
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/11