一种尼龙碳纤维及其制备工艺的制作方法

1.本发明涉及复合导电纤维技术领域，更具体涉及一种尼龙碳纤维及其制备工艺。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，多种行业对于织物或服装的导电性、抗静电性，电磁屏蔽性有了越来越高的要求，对于导电纤维的制造方法也已经有了各种提案。导电纤维的种类众多，有金属系导电纤维、碳黑系导电纤维、导电高分子型纤维和金属化合物型导电纤维多种。这些方法制得的导电纤维导电性基本满足生产生活的需要，但是也不可避免的存在很多缺点。
3.例如金属系导电纤维主要有采用多次多股拉拔、切削、熔抽法制得的纯金属丝和将金属用真空喷涂或化学电涂法沉降在纤维表面，使纤维具有金属一样的导电性的导电纤维。采用多次多股拉拔或切削或熔抽法，这种利用金属的导电性能制成的金属类导电纤维，主要有不锈钢纤维，铜纤维和铝纤维，这类纤维导电性能优良，且耐热、耐化学腐蚀，但制造困难，较细的单丝造价高，与普通纤维抱合力差，纤维的混纺不能匀化；例如实用新型专利zl200720033528、实用新型专利zl200720033522等，都是采用亚麻棉纱线或合成纤维与金属丝线混编制得。而喷涂法和沉降法制得的导电纤维则牢度难以达到后续生产的要求，在织造编织工序和其后的工序中表面的镀覆层脱落，或者在布帛的染色处理或精炼处理时镀覆层容易被溶解除去，例如发明专利zl200610032518公开了一种超细轻质导电纤维的制备方法，在纤维上通过化学镀金属获得良好的导电性；专利申请92108939提供了一种具有导电性能的纤维和导电布的制配方法，通过对清洗处理后的纤维及布进行电镀；发明专利zl02159717公开了一种植物导电纤维及其制备方法，用化学电镀的方法在植物纤维上包覆金属层。金属系导电纤维的导电性能最好，其体积比电阻可以只有10
‑4‑
10
‑5ω
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cm。碳黑系导电纤维是利用碳黑的导电性能来制造导电纤维，有掺杂型，即将碳黑与成纤物质混合后纺丝，碳黑在纤维中成连续相结构，赋予纤维导电性能。
4.目前大部分的专利都是以此类方法制造导电纤维，先将导电成分分散于载体树脂经双螺杆造粒成导电母粒，然后将导电母粒与成纤高聚物熔融后通过复合纺丝组件经复合纺丝工艺制得。例如专利申请200710075982发明了一种耐久高性能复合导电纤维，先利用混炼方法将炭黑分散于载体树脂经双螺杆造粒成导电母粒，然后将导电母粒与成纤高聚物熔融后通过特殊设计的三叶型和多层型复合喷丝组件经复合纺丝加工工艺制得；专利申请200610023797、专利申请200510102574、专利zl200410033773和专利申请200410017918各自公开了一种含碳纳米管的导电复合纤维；专利zl200410025182和专利申请03115681各自公布了一种含有炭黑导电成分的复合导电纤维。而利用碳黑或金属化合物，通过吸附涂敷是制成导电性能优良纤维的最合理途径。
5.金属镀法是将普通纤维先进行表面处理，再用真空喷涂或化学镀法将金属沉积在纤维表面，使得纤维具有金属一样的导电性，而现有技术中采用的完全涂敷方法，会使得导电纤维不具备各向异性，后期处理受到过多限制，在织造编织工序和其后的工序中表面的
镀覆层脱落，或者在布帛的染色处理或精炼处理时镀覆层容易被溶解除去，难以达到持久的导电性效果。
6.有鉴于此，有必要对现有技术中的尼龙碳纤维结构予以改进，以解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于公开一种尼龙碳纤维，其具备优异的导电性和各向异性，兼具尼龙和碳纤维的双重优异特性并弥补了尼龙吸湿性大，稳定性差与碳纤维热传导性强的缺陷，同时还具有金属纤维的优势，便于后期制造处理，具有多种领域的应用前景，利用尼龙碳纤维所具有的突出的各向异性，尤其适用于传感器对电信号灵敏度的监测。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种尼龙碳纤维，所述尼龙碳纤维包括芯层与皮层，所述尼龙碳纤维由尼龙材料组成的芯层与碳黑材料组成的皮层通过复合纺丝组件经复合纺丝制成，所述芯层偏离所述皮层的圆心设置且所述芯层被不完全包覆在所述皮层的内部，所述芯层与所述皮层相邻接处形成有凹陷的过渡区，所述过渡区的芯层区域通过物化处理形成粘黏态并涂覆有金属涂层，所述尼龙碳纤维以几何中心对横截面的外周形成各向异性的显化。
9.作为本发明的进一步改进，所述皮层与所述芯层之间设有中空空腔，所述中空空腔的横截面积占所述尼龙碳纤维总横截面积的10
‑
30％。
10.作为本发明的进一步改进，所述芯层具有多个，且以所述皮层的中心对称分布。
11.作为本发明的进一步改进，所述金属涂层包括银，铜和镍中的至少一种。
12.本发明还公开了一种尼龙碳纤维的制备工艺，包括以下步骤：
13.s1步骤，将所述尼龙材料与碳黑材料加热制成熔体，将两种熔体通过各自的输送管路输送进入复合纺丝组件，通过复合纺丝组件内部熔体各自的流道独立分配与输送，最后通过复合纺丝组件的出口处的异型孔挤出，进入冷却液中成形；
14.s2步骤，将成形的尼龙碳纤维通过电磁感应加热的方式加热，使得尼龙碳纤维中的皮层升温至20
‑
50℃，过渡区热源淤积，使得芯层表面受热发生膨胀，表面微孔张开形成易于粘合金属涂层的粘黏态；
15.s3步骤，将经过s2步骤处理后的尼龙碳纤维置于金属离子溶液或含银溶液、含铜溶液和含镍溶液的至少一种中进行化学沉积，所述化学沉积采用超声功率为5
‑
50w/l的超声处理，超声处理时间为1
‑
60min；
16.s4步骤，在惰性气体的保护下，将s3步骤制得的纤维进行热处理。
17.作为本发明的进一步改进，所述s4步骤中热处理的条件为：温度200
‑
250℃，时间为10
‑
10min。
18.作为本发明的进一步改进，所述金属离子溶液为硝酸银、氟化银、乙酸银、银氨溶液、硫酸镍、氯化镍、溴化镍。
19.作为本发明的进一步改进，所述s2步骤与所述s3步骤依次重复多次。
20.作为本发明的进一步改进，还包括s5步骤，将s4步骤得到的尼龙碳纤维卷绕，牵伸，热定型。
21.作为本发明的进一步改进，所述s2步骤中对芯层进行加热的同时对芯层外表面的水分进行快速风干处理。
22.作为本发明的进一步改进，在所述s3步骤与s4步骤之间还需要对沉积完成金属涂层的尼龙碳纤维进行清洗，所述清洗方式是在功率40w/l的超声条件下，将获得镀层的尼龙碳纤维放置于去离子水与二甲基亚砜的混合溶液清洗，清洗的目的是为了除去皮层与芯层裸露在外的外表面发生少量金属物质粘敷的现象，以及尼龙碳纤维外表面残留的金属盐溶液，避免在热处理时，尼龙碳纤维整体均带有薄厚不均匀的金属涂层。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.(1)一种尼龙碳纤维，尼龙碳纤维包括尼龙材料的芯层与碳黑材料的皮层通过复合纺丝制得，由于碳黑材料具备优异的耐高温，耐摩擦，导电，导热以及耐腐蚀性，同时，尼龙碳纤维比较柔软，密度比较小，比强度优异，具有弹性，可以抗疲劳断裂，热膨胀性能好；通过尼龙材料与碳黑材料的组合，使得制备尼龙碳纤维具备两者的优势，芯层偏离皮层的圆心设置，且被皮层不完全包覆，使得芯层与皮层相邻接处形成有凹陷的过渡区，过渡区由皮层与芯层相邻处形成的夹角范围内的皮层表面与芯层表面组成，皮层的外周形成沿径向呈梯度排布的等温线，过渡区处具有一定的热阻碍与热传导性，过渡区的芯层区域通过物化处理形成粘黏态并涂覆有金属涂层，具体的，由于皮层的碳黑材料具有高导热性，通过电磁感应加热的方式对皮层进行加热，使得过渡区的皮层作为热源对过渡区的芯层进行热传导，能够实现对过渡区的芯层表面进行热膨胀处理，扩大过渡区的芯层表面微孔直径，使得芯层更易于粘合金属涂层，提高金属涂层与芯层表面粘合的牢固性；在过渡区的芯层涂覆金属涂层，由于过渡区的凹陷结构，更易于填积金属材料，能够提高了尼龙碳纤维的导电性，强度和高耐磨性，同时还具有一定的电磁屏蔽性，使得尼龙碳纤维以几何中心对横截面的外周形成各向异性的显化，便于后期加工制造处理，为后期应用提供了前瞻性。
25.(2)皮层与芯层之间设有中空空腔结构，中空空腔的横截面积占尼龙碳纤维总横截面积的10
‑
30％。使得制得的纤维由于中空空腔结构减少了纤维的重量，为金属镀层预留了重量空间，并且能包含大量静止空气，使织物在轻便的同时提高了保暖性能；具有保暖、吸湿排汗、透气的优点；中空空腔在芯层与皮层之间，使得尼龙碳纤维的卷曲率和卷曲稳定度更高，所得的尼龙碳纤维的蓬松度和手感更好，同时在对皮层进行电磁感应加热时，皮层的热量不会直接从内部传导作用至芯层，而只会朝向皮层的路径向外传导热，利用碳黑材料皮层的高导热性，能够为金属镀层提供了稳定的后续热源；尼龙碳纤维横截面呈偏椭圆的异型结构，皮层与芯层的中心点互不重合，通过设计偏心的结构特征，赋予尼龙碳纤维三维卷曲性能，改善了纤维蓬松性，使复合纤维在三维空间进行卷曲，所得纤维膨松性好，手感柔顺，弹性回复率高，卷曲稳定性好，并且具有很好的染色性能。
26.(3)一种尼龙碳纤维的制备工艺，将尼龙材料与碳黑材料制备成熔体，通过复合纺丝组件进行异型纺丝，定型，制备初步获得的尼龙碳纤维，再通过电磁感应加热的方式进行加热，使得芯层处于过渡区的外表面局部受热，膨胀并微孔张开形成易于粘合金属涂层的粘黏态，再将处理后的尼龙碳纤维置于金属离子溶液或含银溶液、含铜溶液和含镍溶液的至少一种中进行化学沉积，采用超声处理，通过加热以及超声处理，使得金属成分更加容易进入芯层的内部，提高了金属涂层与尼龙碳纤维的结合度，能够在尼龙碳纤维表面局部形成致密的金属涂层，提高了尼龙碳纤维的导电性。
27.(4)重复进行若干次电磁感应加热与超声处理镀层，能够提高金属的沉积效率与结合度，保证尼龙碳纤维在过渡区的芯层表面形成较高粘合性的金属涂层，保证了金属层
的导电性与表面性能，最后通过热处理使得近芯层堆积的银粒子、铜离子或镍粒子熔融形成连续相，进一步提高了金属层的导电性和表面性能，热处理时，在惰性气体的保护下进行，避免纤维结构受到破坏。
28.(5)选择尼龙材料作为纤维的镀层面，考虑到尼龙表面活性基团较少，所以需要对尼龙表面进行化学改性，使得其表面具有较多的反应基团，利于引入多级结构的金属镀层，尼龙表面的活性基团能够作为反应基点进行金属铜，银，镍，镉的沉积，能够避免如蚀刻等方法对纤维结构的破坏，对原纤维损伤度小，保证了导电纤维整体的高力学性能。
29.(6)镀层完成后，需对尼龙碳纤维进行清洗与后处理，清洗方式是在功率40w/l的超声条件下，将获得镀层的尼龙碳纤维放置于去离子水与二甲基亚砜的混合溶液清洗，清洗的目的是为了除去皮层与芯层裸露在外的外表面发生少量金属物质粘敷的现象，以及尼龙碳纤维外表面残留的金属盐溶液，避免在热处理时，尼龙碳纤维整体均带有薄厚不均匀的金属涂层，通过清洗处理后，可以使得尼龙碳纤维所具有的各向异性更加突显，尼龙碳纤维上的金属涂层，在静电或通电条件下，会发生微弱的弯曲，适用于传感器对电信号灵敏度的监测。对尼龙碳纤维清洗清洗后，在氮气气体的保护下，使得对尼龙碳纤维形成一定的保护，完成具有高导电性的尼龙碳纤维的制备。
附图说明
30.图1为本发明一种尼龙碳纤维的横截面的结构示意图。
31.图中：1、芯层；2、皮层；3、过渡区；4、中空空腔；5、金属涂层。
具体实施方式
32.下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
36.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
37.请参图1所示出的本发明一种尼龙碳纤维的一种具体实施方式。
38.参图1所示，一种尼龙碳纤维，尼龙碳纤维包括芯层1与皮层2，尼龙碳纤维由尼龙材料组成的芯层1与碳黑材料组成的皮层2通过复合纺丝组件经复合纺丝制成，芯层1偏离皮层2的圆心设置且芯层1被不完全包覆在皮层2的内部，芯层1与皮层2相邻接处形成有凹陷的过渡区3，过渡区3的芯层1区域通过物化处理形成粘黏态并涂覆有金属涂层5，尼龙碳纤维以几何中心对横截面的外周形成各向异性的显化。皮层2与芯层1之间设有中空空腔4，中空空腔4的横截面积占尼龙碳纤维总横截面积的10
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30％。金属涂层5包括银，铜和镍中的至少一种。
39.需要注意的是，本实施例中所公开的一种尼龙碳纤维，尼龙碳纤维包括尼龙材料的芯层1与碳黑材料的皮层2通过复合纺丝制得，具备优异的耐高温，耐摩擦，导电，导热以及耐腐蚀性，同时，尼龙碳纤维比较柔软，密度比较小，比强度优异，具有弹性，可以抗疲劳断裂，热膨胀性能好；芯层1偏离皮层2的圆心设置，且被皮层2不完全包覆，使得芯层1与皮层2相邻接处形成有凹陷的过渡区3，过渡区3的芯层1区域通过物化处理形成粘黏态并涂覆有金属涂层5，由于皮层2的碳黑材料具有高导热性，通过电磁感应加热的方式对皮层2进行加热，使得过渡区3的皮层2作为热源，能够对过渡区3的芯层1表面进行热膨胀处理，扩大过渡区3的芯层1表面微孔直径，易于粘合金属涂层5，提高金属涂层5粘合的牢固性；在过渡区3的芯层1涂覆金属涂层5，由于过渡区3的凹陷结构，更易于填积金属材料，能够提高尼龙碳纤维的导电性，强度和高耐磨性，同时还具有一定的电磁屏蔽性，使得尼龙碳纤维以几何中心对横截面的外周形成各向异性的显化，便于后期加工制造处理，为后期应用提供了前瞻性。
40.具体的，皮层2与芯层1之间设有中空空腔4结构，制得的纤维由于中空空腔4结构减少了纤维的重量，并且能包含大量静止空气，使织物在轻便的同时提高了保暖性能；具有保暖、吸湿排汗、透气的优点；中空空腔4在芯层1与皮层2之间，使得尼龙碳纤维的卷曲率和卷曲稳定度更高，所得的尼龙碳纤维的蓬松度和手感更好，同时在对皮层2进行电磁感应加热时，皮层2的热量不会直接从内部传导作用至芯层1，同时为金属镀层提供了稳定的后续热源；尼龙碳纤维横截面呈偏椭圆的异型结构，皮层2与芯层1的中心点互不重合，通过设计偏心的结构特征，赋予尼龙碳纤维三维卷曲性能，改善了纤维蓬松性，使复合纤维在三维空间进行卷曲，所得纤维膨松性好，手感柔顺，弹性回复率高，卷曲稳定性好，并且具有很好的染色性能。中空空腔4的横截面积占所述尼龙碳纤维总横截面积的10
‑
30％，使得受热尼龙碳纤维的局部受热能够更容易得到控制，提高了后期的镀层工艺的精确性与可控性，确保了纤维结构不容易受到破坏。
41.本发明还公开了一种尼龙碳纤维的制备工艺，包括以下步骤：s1步骤，将尼龙材料与碳黑材料加热制成熔体，将两种熔体通过各自的输送管路输送进入复合纺丝组件，通过复合纺丝组件内部熔体各自的流道独立分配与输送，最后通过复合纺丝组件的出口处的异型孔挤出，进入冷却液中成形；s2步骤，将成形的尼龙碳纤维通过电磁感应加热的方式加
热，使得尼龙碳纤维中的皮层2升温至20
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50℃，过渡区3热源淤积，使得芯层1表面受热发生膨胀，表面微孔张开形成易于粘合金属涂层5的粘黏态；s3步骤，将经过s2步骤处理后的尼龙碳纤维置于金属离子溶液或含银溶液、含铜溶液和含镍溶液的至少一种中进行化学沉积，化学沉积采用超声功率为5
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50w/l的超声处理，超声处理时间为1
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60min；s4步骤，在惰性气体的保护下，将s3步骤制得的纤维进行热处理。s4步骤中热处理的条件为：温度200
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250℃，时间为10
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10min。金属离子溶液为硝酸银、氟化银、乙酸银、银氨溶液、硫酸镍、氯化镍、溴化镍。银盐溶液中以银离子计的浓度为0.2
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0.3mol/l，镍盐溶液中以镍离子计的浓度为0.08
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0.09mol/l，优选的，氟化银和氯化镍的阴离子半径较小，从而可以使其更好地覆载于尼龙碳纤维表面的聚合物层上，进而显著提高尼龙碳纤维的导电性。s2步骤与s3步骤依次重复多次。还包括s5步骤，将s4步骤得到的尼龙碳纤维卷绕，牵伸，热定型。s2步骤中对芯层1进行加热的同时对芯层1外表面的水分进行快速风干处理。
42.具体的，一种尼龙碳纤维的制备工艺，将尼龙材料与碳黑材料制备成熔体，通过复合纺丝组件进行异型纺丝，冷却定型，制备获得的初步尼龙碳纤维，通过电磁感应加热的方式进行加热，碳黑材料的升温与导热性能优异，热量以碳黑材料的路径进行传导，过渡区3形成的凹陷区域，形成了温度聚集区，使得芯层1处于过渡区3的外表面局部发生受热，膨胀并使得芯层1表面的微孔能够张开，形成易于粘合金属涂层5的粘黏态，再将处理后的尼龙碳纤维置于金属离子溶液或含银溶液、含铜溶液和含镍溶液的至少一种中进行化学沉积，采用超声处理，通过加热以及超声处理，使得金属离子更加容易进入芯层1的内部，提高了金属涂层5与尼龙碳纤维的结合度，能够在尼龙碳纤维表面局部形成致密的金属涂层5，提高了尼龙碳纤维的导电性能。
43.需要理解的是，重复进行若干次电磁感应加热与超声处理镀层，使得超声处理的时间范围保证在1
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60min，确保过渡区3的芯层1表面均匀粘结金属银离子或金属镍离子，同时能够在芯层1表面以附着有一层金属薄膜后，再次进行金属涂层5，使得金属离子层的致密性能得到保证，提高了金属的沉积效率与结合度，保证尼龙碳纤维在过渡区3的芯层1表面形成较高粘合性的金属涂层5，保证了金属涂层5的导电性与表面性能，最后通过热处理使得近芯层1堆积的银粒子、铜离子或镍粒子熔融形成连续相，进一步提高了金属涂层5的导电性和表面性能。选择尼龙材料作为纤维的镀层面，考虑到尼龙表面活性基团较少，所以需要对尼龙表面进行化学改性，使得其表面具有较多的反应基团，利于引入多级结构的金属涂层5，尼龙表面的活性基团能够作为反应基点进行金属铜，银，镍，镉的沉积，能够避免如蚀刻等方法对纤维结构的破坏，对原纤维损伤度小，保证了导电纤维整体的高力学性能。
44.优选的，将尼龙碳纤维加热升温至50℃，超声功率采用50w/l，超声时间为30min，热处理温度200℃，热处理时间20min。金属离子溶液选择氯化镍，需要注意的是，在进行重复镀层工艺时，需要确保金属盐溶液的温度低于镀层所需要的工艺温度2
‑
3度，通过电磁感应加热，对皮层2的碳黑材料进行逐渐加热升温时，过渡区3的皮层2与金属盐溶液直接接触的范围内，会产生局部的温度补偿，保证了芯层1沉积金属离子的工艺需求。
45.镀层完成后，需对尼龙碳纤维进行清洗与后处理，清洗方式是在功率40w/l的超声条件下，将获得镀层的尼龙碳纤维放置于去离子水与二甲基亚砜的混合溶液清洗，清洗的目的是为了除去皮层2与芯层1裸露在外的外表面发生少量金属物质粘敷的现象，以及尼龙碳纤维外表面残留的金属盐溶液，避免在热处理时，尼龙碳纤维整体均带有薄厚不均匀的
金属涂层5，通过清洗处理后，可以使得尼龙碳纤维所具有的各向异性更加突显，尼龙碳纤维上的金属涂层5，在静电或通电条件下，会发生微弱的弯曲，适用于传感器对电信号灵敏度的监测。对尼龙碳纤维清洗清洗后，在氮气气体的保护下，在200℃下进行热处理20min，完成具有高导电性的尼龙碳纤维的制备。
46.实施例二：
47.芯层1具有多个，且以皮层2的中心对称分布。芯层1通过独特的复合纺丝组件与皮层2进行复合成形，使得制备获得的初步尼龙碳纤维外周均匀间隔排布多对过渡区3，经过统一加热超声的工艺处理，能够同时在尼龙碳纤维上进行多点位镀层，提高了尼龙碳纤维的整体性能，在保证尼龙碳纤维本身重量的同时，又能够获得更加优异的延展性、导电性，耐磨性以及电磁屏蔽的能力。
48.除上述区别特征外，其余技术特征均参考实施例一，不再赘述。
49.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。