导电纤维及其制备方法，电容式压力传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种导电纤维的制备方法，包括：将聚苯乙烯?丁二烯?苯乙烯溶于有机溶剂后，利用纤维包覆装置包覆在合成纤维上，得到包覆有聚苯乙烯?丁二烯?苯乙烯的合成纤维；将包覆有聚苯乙烯?丁二烯?苯乙烯的合成纤维在铜源溶液中浸泡后蒸干，蒸干产物置于还原溶液中，通过还原作用将吸附在聚苯乙烯?丁二烯?苯乙烯中的铜离子还原成铜纳米颗粒后，清洗并冷冻干燥以得到导电纤维。本发明成功解决了在特定纤维上沉积效率低的问题。同时，这种制备方法还原的铜纳米颗粒具有良好的导电性能，并与原有的银纳米颗粒相比较，其制备成本低，有利于推广生产。
【专利说明】
导电纤维及其制备方法，电容式压力传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及化学镀铜领域，更具体地说，涉及一种导电纤维及其制备方法，电容式压力传感器及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]近年来，随着柔性电子学的发展，轻、薄、柔的便携式、可折叠、可穿戴的柔弹性器件备受国内外研究者们的关注，逐渐成为当前重要的前沿研究领域。其中又以电子纺织品最为受到大家的欢迎，电子纺织品指的是各种电子元器件如传感器、能量存储设备、场效应管等被集成到纤维织物上而构成的具有一定功能的可穿戴设备。以纺织物为载体的压力传感器的应用已经被大量的探索，通过将传感器整合到衣服和床上用品中，这样就可以诊断病情、监控病人以及检测人体的运动。
[0003]为了实现高性能的压力传感器，电容式、压阻式、压电式、光学压力传感器已经被大量的研究。在上述的各种传感器中，电容式压力传感器具有一些其他传感器所不具备的优点，如设计简单、反应灵敏度高、稳定性好以及耗能少。以纺织物为基础的电容式压力传感器通常是用两个兼容的导电织物作为电极板，并且在两电极之间通常用泡沫、织物衬底和柔软的聚合物隔开达到绝缘的效果。虽然，大面积的织物压力传感器已经被制造出来了，但是它仍然存在一些缺点如弹性恢复差、信号漂移、敏感性差以及介电聚合物层机械性能差。
[0004]为了解决这些问题，人们提出了各种各样的方法来合成导电纤维，如在纤维织物上浸涂炭基材料、电镀以及化学镀的方法。然而，这些方法无一例外都无法同时满足导电纤维的良好导电性和稳定性。通过电镀和化学镀获得的金属基导电纤维具有优异的导电性，但是纤维的稳定性差。用浸涂工艺得到的炭基导电纤维也存在这样的问题。最近，通过在纤维上用化学还原的方法还原出铝纳米颗粒从而制备出导电纤维。这种方法合成的导电纤维既可以得到良好的导电性能还可以保证其稳定性，但是这种方法存在的问题是对于特定的聚合物纤维其表面没有官能团去连接金属前驱体，因此在特定纤维上沉积金属纳米颗粒的效率比较低。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明提供了一种导电纤维及其制备方法，电容式压力传感器及其制备方法，解决了在特定纤维上沉积铜纳米颗粒效率低的问题。
[0006]第一方面，本发明提供了一种导电纤维的制备方法，所述制备方法包括:
[0007]步骤S1:将聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有机溶剂后，利用纤维包覆装置包覆在合成纤维上，得到包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维；
[0008]步骤S2:将包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维在铜源溶液中浸泡后蒸干，蒸干产物置于还原溶液中，通过还原作用将吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的铜离子还原成铜纳米颗粒后，清洗并冷冻干燥以得到导电纤维。
[0009]优选地，所述步骤SI包括:
[0010]制备聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液，将固体聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有机溶剂，得到聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液，所述有机溶剂为四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺且两者的质量比范围为4:1-3:1 ；
[0011]在长度为20-30cm的合成纤维上悬挂质量为200-500g的砝码，使合成纤维垂直于地面；
[0012]取1mL聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液置于纤维包覆装置中，调节纤维包覆装置的旋钮使聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液沿着合成纤维的流动速度为1.8-2.2mL/s。
[0013]优选地，所述步骤S2包括:
[0014]制备还原溶液，将乙醇和水合肼溶于去离子水中得到还原溶液；
[0015]制备铜源溶液，将三氟醋酸铜溶解于乙醇得到铜源溶液，三氟醋酸铜和乙醇的质量比为3:17-1:4;
[0016]将包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维在铜源溶液中浸泡30-45min后，置于空气中5-1Omin蒸干；
[0017]将蒸干后的包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维置于还原溶液中，通过水合肼的还原作用将吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的铜离子还原成铜纳米颗粒；
[0018]用去离子水清洗还原后的合成纤维，去除合成纤维表面残留的还原剂，将所得的合成纤维进行冷冻干燥以得到导电纤维。
[0019]优选地，所述合成纤维为凯夫拉纤维。
[0020]第二方面，本发明提供了导电纤维，使用上述任意一项所述的制备方法制备得到。[0021 ]第三方面，本发明提供了一种电容式压力传感器的制备方法，所述制备方法包括:
[0022]制备介电层溶液，将底胶和凝固剂混合得到聚二甲基硅氧烷溶液作为介电层溶液；
[0023]利用纤维包覆装置将介电层溶液包覆在导电纤维上；
[0024]将包覆有聚二甲基硅氧烷的导电纤维在真空烘箱中烘干；
[0025]将两根烘干后的包覆有聚二甲基硅氧烷的导电纤维互相垂直的堆叠封装在PET薄膜中以得到电容式压力传感器。
[0026]优选地，所述导电纤维的制备方法包括:
[0027]将聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有机溶剂后，利用纤维包覆装置包覆在合成纤维上，得到包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维；
[0028]将包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维在铜源溶液中浸泡后蒸干，蒸干产物置于还原溶液中，通过还原作用将吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的铜离子还原成铜纳米颗粒后，清洗并冷冻干燥以得到导电纤维。
[0029]优选地，利用纤维包覆装置将介电层溶液包覆在导电纤维上的步骤包括:
[°03°] 在长度为20_30cm的导电纤维上悬挂质量为200_500g的砝码，使导电纤维垂直于地面；
[0031]取1mL聚二甲基硅氧烷溶液置于纤维包覆装置中，调节纤维包覆装置的旋钮使聚二甲基硅氧烷溶液沿着导电纤维的流动速度为0.8-1.5mL/s。
[0032]优选地，所述真空烘箱的温度为50-80°C，烘干时间为30-60min。
[0033]第四方面，本发明提供了一种电容式压力传感器，使用上述任意一项所述的制备方法制备得到。
[0034]本发明通过在合成纤维上先包覆一层聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物，再将铜纳米颗粒还原在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物上来制备导电纤维，成功的解决了在特定纤维上沉积效率低的问题。同时，这种制备方法还原的铜纳米颗粒具有良好的导电性能，并与原有的银纳米颗粒相比较，其制备成本低，有利于推广生产。
【【具体实施方式】】
[0035]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0036]本发明提供一种导电纤维及其制备方法;本发明还提供一种使用该导电纤维制备的电容式压力传感器，及该电容式压力传感器的制备方法。
[0037]下面以实施例1-2—并详细阐述该导电纤维及电容式压力传感器的制备过程。
[0038]实施例1
[0039]1.制备导电纤维
[0040]具体制备方法如下:
[0041 ] 在合成纤维上包覆聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS):
[0042](I)分别称取40g THT(四氢呋喃)和1g DMF(N，N_二甲基甲酰胺)置于同一个烧杯，再称取1.5gSBS倒入混有THT和DMF的溶液中使之溶解，得到SBS溶液；
[0043](2)在长度为25cm的凯夫拉纤维上悬挂质量为300g的砝码，从而使凯夫拉纤维垂直于地面；
[0044](3)取1mL的SBS溶液置于纤维包覆装置中，调节旋钮使之沿着凯夫拉纤维的流动速度为2mL/s，以得到包覆有SBS的凯夫拉纤维。
[0045]还原铜纳米颗粒:
[0046](I)制备还原溶液:分别量取25mL乙醇和25mL去离子水，使之混合均匀，再量取50mL的水合肼倒入其中得到还原溶液；
[0047](2)制备铜源溶液:称取15g Cu(CF3COO)2.H2O溶解于85g乙醇中得到铜源溶液；
[0048](3)将包覆有SBS的凯夫拉纤维静置5min后，将其浸泡在铜源溶液中30min;
[0049](4)将浸泡后的包覆有SBS的凯夫拉纤维取出置于空气中5min使之蒸干；
[0050](5)将蒸干后的凯夫拉纤维置于还原溶液中，通过水合肼的还原作用将吸附在SBS中的铜离子还原成铜纳米颗粒；
[0051](6)5min后，用去离子水清洗上述还原后的凯夫拉纤维3次，使得凯夫拉纤维表面残留的还原剂被去除干净，之后将所得的凯夫拉纤维进行冷冻干燥以得到导电纤维。
[0052]本方法制备的铜纳米粉纯度高，颗粒尺寸均匀，由于表面包裹有分散剂，不会被氧化，使得制备得到的铜纳米粉在大气环境的条件下即可进行镀银，不需要预处理，简化了镀银工艺。同时，该铜纳米粉通过水合肼还原法制备得到，水溶液反应体系降低了铜纳米粉的制备成本。
[0053]2.制备电容式压力传感器
[0054]利用步骤I中制备得到的导电纤维为原料，制备电容式压力传感器，具体制备方法如下:
[0055]制备介电层溶液:将康宁184底胶5OmL和凝固剂I OmL混合得到聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液作为介电层溶液。
[0056]利用纤维包覆装置将PDMS溶液包覆在上述步骤I中得到的导电纤维上:在长度为25cm的导电纤维上悬挂质量为300g的砝码，使导电纤维垂直于地面;取1mLPDMS溶液置于纤维包覆装置中，调节纤维包覆装置的旋钮使PDMS溶液沿着导电纤维的流动速度为lmL/s。
[0057]在30min后，将包覆有PDMS的导电纤维置于60°C的真空烘箱中45min。
[0058]将两根烘干后的包覆有PDMS的导电纤维互相垂直的堆叠封装在PET薄膜中以得到电容式压力传感器。
[0059]该方法采用环保型试剂柠檬酸钠作为多功能试剂，以及使用硝酸银作为银源，没有添加其他分散剂、络合剂、还原剂等试剂，简化合成工艺，保护环境。
[0060]实施例2
[0061 ] 1.制备导电纤维
[0062]具体制备方法如下:
[0063]在合成纤维上包覆聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS):
[0064](I)分别称取28.5g THT(四氢呋喃)和9.5g DMF(N，N_二甲基甲酰胺)置于同一个烧杯，再称取2gSBS倒入混有THT和DMF的溶液中使之溶解，得到SBS溶液；
[0065](2)在长度为30cm的凯夫拉纤维上悬挂质量为400g的砝码，从而使凯夫拉纤维垂直于地面；
[0066](3)取1mL的SBS溶液置于纤维包覆装置中，调节旋钮使之沿着凯夫拉纤维的流动速度为1.9mL/s，以得到包覆有SBS的凯夫拉纤维。
[0067]还原铜纳米颗粒:
[0068](I)制备还原溶液:分别量取25mL乙醇和25mL去离子水，使之混合均匀，再量取50mL的水合肼倒入其中得到还原溶液；
[0069](2)制备铜源溶液:称取20g Cu(CF3COO)2.H2O溶解于80g乙醇中得到铜源溶液；
[0070](3)将包覆有SBS的凯夫拉纤维静置8min后，将其浸泡在铜源溶液中45min;
[0071](4)将浸泡后的包覆有SBS的凯夫拉纤维取出置于空气中8min使之蒸干；
[0072](5)将蒸干后的凯夫拉纤维置于还原溶液中，通过水合肼的还原作用将吸附在SBS中的铜离子还原成铜纳米颗粒；
[0073](6)5min后，用去离子水清洗上述还原后的凯夫拉纤维3次，使得凯夫拉纤维表面残留的还原剂被去除干净，之后将所得的凯夫拉纤维进行冷冻干燥以得到导电纤维。
[0074]2.制备电容式压力传感器
[0075]利用步骤I中制备得到的导电纤维为原料，制备电容式压力传感器，具体制备方法如下:
[0076]制备介电层溶液:将康宁18 4底胶5 O m L和凝固剂1 m L混合得到聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液作为介电层溶液。
[0077]利用纤维包覆装置将PDMS溶液包覆在上述步骤I中得到的导电纤维上:在长度为30cm的导电纤维上悬挂质量为400g的砝码，使导电纤维垂直于地面;取1mLroMS溶液置于纤维包覆装置中，调节纤维包覆装置的旋钮使PDMS溶液沿着导电纤维的流动速度为1.2mL/
So
[0078]在30min后，将包覆有PDMS的导电纤维置于80°C的真空烘箱中30min。
[0079]将两根烘干后的包覆有PDMS的导电纤维互相垂直的堆叠封装在PET薄膜中以得到电容式压力传感器。
[0080]本发明通过在合成纤维上先包覆一层聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物，再将铜纳米颗粒还原在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物上来制备导电纤维，成功的解决了在特定纤维上沉积效率低的问题。同时，这种制备方法还原的铜纳米颗粒具有良好的导电性能，并与原有的银纳米颗粒相比较，其制备成本低，有利于推广生产。
[0081]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种导电纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括: 步骤S1:将聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有机溶剂后，利用纤维包覆装置包覆在合成纤维上，得到包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维； 步骤S2:将包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维在铜源溶液中浸泡后蒸干，蒸干产物置于还原溶液中，通过还原作用将吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的铜离子还原成铜纳米颗粒后，清洗并冷冻干燥以得到导电纤维。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤SI包括: 制备聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液，将固体聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有机溶剂，得到聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液，所述有机溶剂为四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺且两者的质量比范围为4:1-3:1; 在长度为20-30cm的合成纤维上悬挂质量为200-500g的砝码，使合成纤维垂直于地面；取1mL聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液置于纤维包覆装置中，调节纤维包覆装置的旋钮使聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液沿着合成纤维的流动速度为1.8-2.2mL/s。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括: 制备还原溶液，将乙醇和水合肼溶于去离子水中得到还原溶液； 制备铜源溶液，将三氟醋酸铜溶解于乙醇得到铜源溶液，三氟醋酸铜和乙醇的质量比为3:17-1:4; 将包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维在铜源溶液中浸泡30-45min后，置于空气中5-1 Omin蒸干； 将蒸干后的包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维置于还原溶液中，通过水合肼的还原作用将吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的铜离子还原成铜纳米颗粒； 用去离子水清洗还原后的合成纤维，去除合成纤维表面残留的还原剂，将所得的合成纤维进行冷冻干燥以得到导电纤维。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备铜源溶液的步骤中，所述合成纤维为凯夫拉纤维。5.—种导电纤维，其特征在于，使用权利要求1-4中任意一项所述的制备方法制备得到。6.—种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括: 制备介电层溶液，将底胶和凝固剂混合得到聚二甲基硅氧烷溶液作为介电层溶液； 利用纤维包覆装置将介电层溶液包覆在导电纤维上； 将包覆有聚二甲基硅氧烷的导电纤维在真空烘箱中烘干； 将两根烘干后的包覆有聚二甲基硅氧烷的导电纤维互相垂直的堆叠封装在PET薄膜中以得到电容式压力传感器。7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述导电纤维的制备方法包括: 将聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有机溶剂后，利用纤维包覆装置包覆在合成纤维上，得到包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维； 将包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纤维在铜源溶液中浸泡后蒸干，蒸干产物置于还原溶液中，通过还原作用将吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的铜离子还原成铜纳米颗粒后，清洗并冷冻干燥以得到导电纤维。8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，利用纤维包覆装置将介电层溶液包覆在导电纤维上的步骤包括: 在长度为20-30cm的导电纤维上悬挂质量为200-500g的砝码，使导电纤维垂直于地面；取1mL聚二甲基硅氧烷溶液置于纤维包覆装置中，调节纤维包覆装置的旋钮使聚二甲基硅氧烷溶液沿着导电纤维的流动速度为0.8-1.5mL/s。9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述真空烘箱的温度为50-80°C，烘干时间为 30-60min。10.—种电容式压力传感器，其特征在于，使用权利要求6-9中任意一项所述的制备方法制备得到。
【文档编号】G01L1/14GK105926277SQ201610373966
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】王斌, 马乾力, 王丹
【申请人】深圳市微纳集成电路与系统应用研究院