本发明属于纺织材料技术领域，具体涉及一种基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维及其制备方法。
背景技术：
复合材料是指由两种或两种以上的不同材料复合而成的材料，随着现代技术的飞速发展，新材料的不断涌现，金属复合材料的组成和性能也不断翻新，可具有强韧性、导电、导热、耐高温、耐磨性等功能，在汽车、航空和纺织领域等都有着广泛的前景。金属复合材料根据增强体的不同，分为连续纤维增强和非连续纤维增强，目前连续纤维增强中由碳纤维或生物活性陶瓷纤维增强的轻金属复合材料，由于具有质量轻、强度高、抗疲劳等优点。
目前，越来越多的新材料、新技术和新工艺被运用于纺织领域，开发出新功能的纺织品，提高新材料和纺织领域的新领域。液态金属指的是一种不定型金属，可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物，是指熔点不超过铝熔融温度的金属的总称，液体金属具有较高的导热系数、较低的粘度以及良好的比热和稳定性。中国专利CN 102296405B公开的一种含有液体金属的复合型面料，该复合型面料包括含液体金属的混纺纤维编织而成，纤维可以为表面附着液体金属微米颗粒的纺织纤维，也可以为管内充有液体金属的管状纺织纤维，或者为网状套管内填充有液体金属的微米线编织而成的网状套管式纺织纤维，液体金属为金属嫁、嫁基合金、钠钾合金或者铟的伍德合金。该复合型面料是将含液体金属的混纺纤维纱线与天然纤维混纺纱线织造形成单层面料，再在该单层面料的上下表面附着由天然纤维混纺纱线制备的面料，将三层面料复合形成复合型面料。
基于液体金属的金属基复合材料主要有渗透铸造法、液态搅拌法和液态挤压法，但基于液体金属的纤维材料的制备方法并不多，主要为真空浸渍法，该制备方法简便，但是时间较长，且渗透能力有限，因此开发新型的制备方法显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维及其制备方法，将液体金属与高分子液体作为原料，采用静电气泡纺丝技术，形成壳核或者网状微米级液体金属复合纤维。该方法简单，可操控性强，制备的微米纤维中富含液体金属和高分子材料，具有多种优良特性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维，所述基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维为微米纤维，所述基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维中包含液体金属、碳化硅、三氧化二铝和高分子化合物，所述液体金属为锌、铜、铂、锡和钛中的一种或几种，所述高分子化合物为聚氧化乙烯和丙烯酸树脂。
作为上述技术方案的优选，所述基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维为壳核结构或者混纺结构。
本发明还提供一种基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将液体金属粉体加热熔融，加入碳化硅和三氧化二铝，加热搅拌形成液体金属纺丝液；
(2)聚氧化乙烯加入去离子水中，加热搅拌，缓慢加入丙烯酸树脂和表面活性剂，得到高分子液体纺丝液；
(3)将步骤(1)制备的液体金属纺丝液置于储液管中，往储液管中通入氮气至形成气泡，滴入步骤(2)制备的高分子液体纺丝液，并施加电压，收集得到初纺纤维；
(4)将步骤(3)制备的初纺纤维置于固化液中，超声处理，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，液体金属粉体的粒径为60-100μm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，液体金属粉体与碳化硅和三氧化二铝的质量比为10:2-3:1-2。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，表面活性剂为氯化钠和磷酸酯。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，聚氧化乙烯、去离子水、丙烯酸树脂和表面活性剂的质量比为15-20:100:5-10:3-7。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，氮气的压力为0.5-0.8MPa，气体流量为8-10m3/min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，电压为15-20kV，收集的距离为15-20cm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，超声处理的功率为200-500W，时间为60-120s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维中含有液体金属和高分子材料，液体金属和高分子材料以壳核结构或者混纺结构混合，因此制备的复合纤维具有低熔点，强度高，成型性好，韧性好的特点。
(2)本发明制备的基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维采用发泡技术制备的微米纤维，通过将现有的直接吹气发泡法与静电发泡技术相结合，在发泡的同时，在液体金属的表面覆盖一层高分子聚合物，将高分子聚合物与液体金属复合，经空气中溶剂挥发形成微米纤维，制备方法简单，可操控性强。
(3)本发明制备的基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维在形成初生纤维后，浸渍于固化液中，经超声处理，超声处理有利于液体金属更好的与高分子聚合物溶液，降低微米纤维中的孔隙率，增加液体金属与高分子聚合物的结合牢度，且通过固化的高分子聚合物将液体金属牢固的固着于纤维内部，提高复合纤维的使用率。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)按质量份计，将粒径为60μm的10份的锌、铜、铂、锡和钛液体金属粉体加热熔融，加入2份的碳化硅和1份的三氧化二铝，加热至650℃，搅拌形成液体金属纺丝液。
(2)按重量份计，将15份的相对分子量为60000的聚氧化乙烯加入100份的去离子水中，加热搅拌，缓慢加入5份的丙烯酸树脂和3份的为氯化钠和磷酸酯表面活性剂，搅拌均匀得到高分子液体纺丝液。
(3)将液体金属纺丝液置于储液管中，再0.5MPa的气体压力下，以8m3/min的气体流量往储液管中通入氮气至液体金属纺丝液的表面形成气泡，以3ml/min的速率滴入高分子液体纺丝液，并施加15kV的电压，在距离15cm处收集得到初纺纤维。
(4)将初纺纤维置于固化液中，在200W功率下超声处理60s，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
实施例2：
(1)按质量份计，将粒径为100μm的10份的锌、铜、铂、锡和钛液体金属粉体加热熔融，加入3份的碳化硅和2份的三氧化二铝，加热至700℃，搅拌形成液体金属纺丝液。
(2)按重量份计，将20份的相对分子量为60000的聚氧化乙烯加入100份的去离子水中，加热搅拌，缓慢加入10份的丙烯酸树脂和7份的为氯化钠和磷酸酯表面活性剂，搅拌均匀得到高分子液体纺丝液。
(3)将液体金属纺丝液置于储液管中，再0.8MPa的气体压力下，以10m3/min的气体流量往储液管中通入氮气至液体金属纺丝液的表面形成气泡，以5ml/min的速率滴入高分子液体纺丝液，并施加20kV的电压，在距离20cm处收集得到初纺纤维。
(4)将初纺纤维置于固化液中，在500W功率下超声处理120s，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
实施例3：
(1)按质量份计，将粒径为80μm的10份的锌、铜、铂、锡和钛液体金属粉体加热熔融，加入2.5份的碳化硅和1.5份的三氧化二铝，加热至680℃，搅拌形成液体金属纺丝液。
(2)按重量份计，将17份的相对分子量为60000的聚氧化乙烯加入100份的去离子水中，加热搅拌，缓慢加入8份的丙烯酸树脂和5份的为氯化钠和磷酸酯表面活性剂，搅拌均匀得到高分子液体纺丝液。
(3)将液体金属纺丝液置于储液管中，再0.6MPa的气体压力下，以9m3/min的气体流量往储液管中通入氮气至液体金属纺丝液的表面形成气泡，以4ml/min的速率滴入高分子液体纺丝液，并施加17kV的电压，在距离18cm处收集得到初纺纤维。
(4)将初纺纤维置于固化液中，在300W功率下超声处理90s，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
实施例4：
(1)按质量份计，将粒径为70μm的10份的锌、铜、铂、锡和钛液体金属粉体加热熔融，加入2份的碳化硅和2份的三氧化二铝，加热至700℃，搅拌形成液体金属纺丝液。
(2)按重量份计，将18份的相对分子量为60000的聚氧化乙烯加入100份的去离子水中，加热搅拌，缓慢加入6份的丙烯酸树脂和4份的为氯化钠和磷酸酯表面活性剂，搅拌均匀得到高分子液体纺丝液。
(3)将液体金属纺丝液置于储液管中，再0.8MPa的气体压力下，以10m3/min的气体流量往储液管中通入氮气至液体金属纺丝液的表面形成气泡，以5ml/min的速率滴入高分子液体纺丝液，并施加15kV的电压，在距离20cm处收集得到初纺纤维。
(4)将初纺纤维置于固化液中，在500W功率下超声处理100s，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
实施例5：
(1)按质量份计，将粒径为75μm的10份的锌、铜、铂、锡和钛液体金属粉体加热熔融，加入2.5份的碳化硅和1份的三氧化二铝，加热至700℃，搅拌形成液体金属纺丝液。
(2)按重量份计，将20份的相对分子量为60000的聚氧化乙烯加入100份的去离子水中，加热搅拌，缓慢加入6份的丙烯酸树脂和5份的为氯化钠和磷酸酯表面活性剂，搅拌均匀得到高分子液体纺丝液。
(3)将液体金属纺丝液置于储液管中，再0.8MPa的气体压力下，以8m3/min的气体流量往储液管中通入氮气至液体金属纺丝液的表面形成气泡，以4ml/min的速率滴入高分子液体纺丝液，并施加16kV的电压，在距离16cm处收集得到初纺纤维。
(4)将初纺纤维置于固化液中，在400W功率下超声处理80s，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
实施例6：
(1)按质量份计，将粒径为80μm的10份的锌、铜、铂、锡和钛液体金属粉体加热熔融，加入2.5份的碳化硅和1.2份的三氧化二铝，加热至680℃，搅拌形成液体金属纺丝液。
(2)按重量份计，将17份的相对分子量为60000的聚氧化乙烯加入100份的去离子水中，加热搅拌，缓慢加入6份的丙烯酸树脂和5份的为氯化钠和磷酸酯表面活性剂，搅拌均匀得到高分子液体纺丝液。
(3)将液体金属纺丝液置于储液管中，再0.6MPa的气体压力下，以8m3/min的气体流量往储液管中通入氮气至液体金属纺丝液的表面形成气泡，以3ml/min的速率滴入高分子液体纺丝液，并施加15kV的电压，在距离20cm处收集得到初纺纤维。
(4)将初纺纤维置于固化液中，在350W功率下超声处理80s，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
实施例7：
(1)按质量份计，将粒径为7100μm的10份的锌、铜、铂、锡和钛液体金属粉体加热熔融，加入73份的碳化硅和1.5份的三氧化二铝，加热至650℃，搅拌形成液体金属纺丝液。
(2)按重量份计，将20份的相对分子量为60000的聚氧化乙烯加入100份的去离子水中，加热搅拌，缓慢加入5份的丙烯酸树脂和7份的为氯化钠和磷酸酯表面活性剂，搅拌均匀得到高分子液体纺丝液。
(3)将液体金属纺丝液置于储液管中，再0.7MPa的气体压力下，以9m3/min的气体流量往储液管中通入氮气至液体金属纺丝液的表面形成气泡，以5ml/min的速率滴入高分子液体纺丝液，并施加15kV的电压，在距离15cm处收集得到初纺纤维。
(4)将初纺纤维置于固化液中，在300W功率下超声处理90s，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
实施例8：
(1)按质量份计，将粒径为100μm的10份的锌、铜、铂、锡和钛液体金属粉体加热熔融，加入2.5份的碳化硅和2份的三氧化二铝，加热至700℃，搅拌形成液体金属纺丝液。
(2)按重量份计，将15份的相对分子量为60000的聚氧化乙烯加入100份的去离子水中，加热搅拌，缓慢加入10份的丙烯酸树脂和5份的为氯化钠和磷酸酯表面活性剂，搅拌均匀得到高分子液体纺丝液。
(3)将液体金属纺丝液置于储液管中，再0.5MPa的气体压力下，以10m3/min的气体流量往储液管中通入氮气至液体金属纺丝液的表面形成气泡，以5ml/min的速率滴入高分子液体纺丝液，并施加158kV的电压，在距离20cm处收集得到初纺纤维。
(4)将步骤(3)制备的初纺纤维置于固化液中，在500W功率下超声处理80s，取出静置，得到基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维。
经检测，实施例1-8制备的基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维的直径、强度和导热性的结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的基于气泡纺丝技术的液体金属复合纤维直径为微米级，机械强度和导热系数良好。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。