一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维及制备方法与流程

1.本发明属于导电器件技术领域，尤其涉及一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维及制备方法。


背景技术：

2.导电纤维是指在聚合物中混入导电介质所纺制成的化学纤维或金属纤维、碳纤维等。具有远高于抗静电纤维的优异的消除和防止静电的性能，且比电阻值持久不变并基本上不受湿度影响。按导电成分分布状态，分为均匀型、被覆型和复合型三类。一般采用混溶、蒸镀、电镀和复合纺丝等方法，在纤维中添加炭黑、石墨、金属粉或金属化合物等导电介质制得导电聚合物纤维。
3.海洋环境对导电线路的性能具有诸多要求，首先需要抗潮湿气体或液体的腐蚀，其次需要具有优异的抗拉强度，并且还需要具有高导电率，本发明提供一种新型的具有皮芯结构的导电聚合物纤维来满足上述要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维及制备方法，具备抗腐蚀、抗拉强度高且导电率高的优点，解决了现有技术中海洋环境对导电线路的高性能要求的问题。
5.本发明是这样实现的，一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维，包括：
6.皮层和芯层，所述皮层为内部具有腔室的连续管状件；所述芯层为实体的连续柱状件，所述芯层位于所述腔室中，且所述芯层的外表面和所述腔室的侧壁粘接且至少部分融合；所述芯层为导电层，所述芯层包括聚噻吩和/或碳纳米材料，所述皮层为绝缘层。
7.通过上述设置，皮层材料由聚乙烯、聚丙烯和聚丙烯腈中的至少一种材料构成，聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈或其混合物均为有机材料，可对芯层材料进行防护，从而起到防潮作用，可防止芯层被腐蚀。芯层的碳纳米材料可选择碳纳米管或经过掺杂的聚噻吩或两者的混合。通过上述设置，导电聚合物纤维的拉伸强度为200mpa，具有较高的抗拉强度；导电率可达到95s/m。
8.需要说明的是，按照电导率来划分，聚噻吩是半导体材料，经过掺杂后，聚噻吩具有高导电性，可以成为导体材料。因此，如果芯层材料选择聚噻吩，本技术的具有皮芯结构的导电聚合物纤维可以作为半导体器件。并且根据掺杂的浓度不同，可以得到不同导电率的半导体器件，继续增加掺杂浓度，可以得到导电率为95s/m的芯层。
9.需要说明的是，芯层的横截面除了可以为圆形之外，还可以为椭圆、三角形或矩形，在此不做限制。并且，芯层和皮层的横截面积不限于固定的值，即可部分地方粗，部分地方细。
10.作为本发明优选的，所述皮层的材料包括聚乙烯、聚丙烯和聚丙烯腈中的至少一种。
11.作为本发明优选的，所述芯层的导电率为90-105s/m；所述导电聚合物纤维的拉伸强度为193-208mpa。
12.作为本发明优选的，所述腔室的侧壁具有第一凸块和第一凹槽；
13.所述芯层外表面具有第二凸块和第二凹槽；
14.所述第二凸块与所述第一凸块或第一凹槽贴合，所述第二凹槽与所述第一凸块或第一凹槽贴合。
15.本发明还提供一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维构成的电缆，包括若干所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维以及包裹层，若干所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维并排；所述包裹层不连续的能移动的包裹所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维；所述包裹层由绝缘材料和/或导体材料构成。
16.本发明还提供一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维的制备方法，包括以下步骤：
17.制备皮层溶液：将聚丙烯腈粉末加入二甲基亚砜溶液中，搅拌至呈透明黄色黏稠状，制得第一聚丙烯腈溶液，所述第一聚丙烯腈溶液作为皮层溶液；
18.制备芯层溶液：将聚丙烯腈粉末加入二甲基亚砜溶液中，搅拌至溶液呈透明黄色黏稠状，制得第二聚丙烯腈溶液，再将导电材料粉末加入第二聚丙烯腈溶液中，继续搅拌和超声处理，制得芯层溶液；
19.成型：将芯层溶液注入到成型模具内圆通道，将皮层溶液注入到成型模具外环通道，使芯层溶液和皮层溶液在成型模具中混合成型，并牵引出来；其中，成型模具外环通道环绕在成型模具内圆通道外侧，且同心设置，且成型模具外环通道和成型模具内圆通道连通。
20.作为本发明优选的，在制备皮层溶液时，将聚丙烯腈粉末加入二甲基亚砜溶液中，常温下进行磁力搅拌4-6小时，溶液呈透明黄色黏稠状，制得皮层溶液。
21.作为本发明优选的，在制备芯层溶液时，将聚丙烯腈粉末加入二甲基亚砜溶液中，常温下进行磁力搅拌4-6小时，溶液呈透明黄色黏稠状，制得聚丙烯腈溶液，再将聚噻吩粉末和/或碳纳米粉末加入聚丙烯腈溶液中，其中聚丙烯腈粉末与导电材料粉末质量比为6：4，继续搅拌4-6.5小时，超声6小时后，制的芯层导电聚丙烯腈溶液。
22.作为本发明优选的，所述成型的方法包括：
23.使用第一注射器抽取皮层溶液，使用第二注射器抽取芯层溶液，将第一注射器和第二注射器分别固定在两个推进泵上；
24.使第二注射器的出口通过管道连通于所述成型模具内圆通道，使第一注射器的出口通过管道连接于所述成型模具外圆通道，将芯层溶液和皮层溶液同时分别注射到成型模具内圆通道和成型模具外圆通道；
25.芯层溶液和皮层溶液在成型模具中汇流并部分融合，并进入到凝固浴内，进行第一机械牵引和热水淋浴；
26.进行第二机械牵引，进行拉伸取向，再进行干燥致密化处理，得到具有皮芯结构的导电聚合物纤维。
27.作为本发明优选的，所述成型的方法包括：
28.使用第一注射器抽取皮层溶液，使用第二注射器抽取芯层溶液，将第一注射器和第二注射器分别固定在两个推进泵上；
29.使第二注射器的出口通过管道连通于所述成型模具内圆通道，使第一注射器的出口通过管道连接于所述成型模具外圆通道，将芯层溶液和皮层溶液同时分别注射到成型模具内圆通道和成型模具外圆通道；
30.芯层溶液和皮层溶液在成型模具中汇流并部分融合，其中，融合长度为20mm，使皮芯层在良好结合的同时，又形成皮芯层结构；并进入到凝固浴内，凝固浴的溶液为体积为40％的二甲基亚砜和体积为60％的去离子水，进行第一机械牵引和95-100℃热水淋浴；
31.进行第二机械牵引，进行拉伸取向，再进行130℃时间为180s的干燥致密化处理，得到具有皮芯结构的导电聚合物纤维。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
33.1、本发明中，皮层材料由聚乙烯、聚丙烯和聚丙烯腈中的至少一种材料构成，聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈或其混合物均为有机材料，可对芯层材料进行防护，从而起到防潮作用，可防止芯层被腐蚀。芯层的碳纳米材料可选择碳纳米管或经过掺杂的聚噻吩或两者的混合。通过上述设置，导电聚合物纤维的拉伸强度为200mpa，具有较高的抗拉强度；导电率可达到95s/m。
34.2、本发明中，采用湿法纺丝的工艺与微流控相结合的方法，使得导电纤维有稳定和优异的力学强度。
附图说明
35.图1是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维的剖视结构示意图；
36.图2是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维的结构图；
37.图3是本发明实施例提供的芯层导电结构的结构图；
38.图4是本发明实施例提供的皮层绝缘结构的结构图；
39.图5是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维的剖视结构示意图；
40.图6是本发明实施例提供的图5中a部分的放大结构示意图；
41.图7是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维构成的电缆的结构示意图；
42.图8是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维构成的电缆的安装方法的流程框图；
43.图9是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维构成的电缆的安装结构的一种结构示意图；
44.图10是本发明实施例提供的图9中b部分的放大结构示意图；
45.图11是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维构成的电缆的安装结构的另一种结构示意图；
46.图12是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维构成的电缆的安装方法的流程框图；
47.图13是本发明实施例提供的成型的方法的流程框图；
48.图14是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维的成型模具的第一视角的结构示意图；
49.图15是本发明实施例提供的具有皮芯结构的导电聚合物纤维的成型模具的第二
视角的结构示意图；
50.图16是本发明实施例提供的图15中c部分的放大结构示意图。
51.图中：100、具有皮芯结构的导电聚合物纤维；200、皮层；300、芯层；210、腔室；211、第一凸块；212、第一凹槽；310、第二凸块；320、第二凹槽；400、电缆；500、包裹层；510、容纳槽；520、螺纹杆；530、压块；540、防滑层；550、固定环；541、锥型气囊；542、网格状气囊；543、容腔；610、内圆通道；620、外环通道；621、第三凸块；622、第三凹槽；611、第四凸块；612、第四凹槽；6211、第一子凹槽；2121、第一子凸块。
具体实施方式
52.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
53.下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
54.请参阅图1－图4，本发明实施例提供的一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维100，包括皮层200和芯层300，所述皮层200为内部具有腔室210的连续管状件；所述芯层300为实体的连续柱状件，所述芯层300位于所述腔室210中，且所述芯层300的外表面和所述腔室210的侧壁粘接且至少部分融合；所述芯层300为导电层，所述芯层300包括聚噻吩和/或碳纳米材料，所述芯层300的导电率为90-105s/m；所述皮层200为绝缘层。所述皮层200的材料包括聚乙烯、聚丙烯和聚丙烯腈中的至少一种。所述导电聚合物纤维的拉伸强度为193-208mpa。
55.在该实施例中，皮层200材料由聚乙烯、聚丙烯和聚丙烯腈中的至少一种材料构成，聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈或其混合物均为有机材料，可对芯层300材料进行防护，从而起到防潮作用，可防止芯层300被腐蚀。芯层300的碳纳米材料可选择碳纳米管或经过掺杂的聚噻吩或两者的混合。通过上述设置，导电聚合物纤维的拉伸强度为200mpa，具有较高的抗拉强度；导电率可达到95s/m。
56.需要说明的是，按照电导率来划分，聚噻吩是半导体材料，经过掺杂后，聚噻吩具有高导电性，可以成为导体材料。因此，如果芯层300材料选择聚噻吩，本技术的具有皮芯结构的导电聚合物纤维100可以作为半导体器件。并且根据掺杂的浓度不同，可以得到不同导电率的半导体器件，继续增加掺杂浓度，可以得到导电率为95s/m的芯层300。
57.需要说明的是，芯层300的横截面除了可以为圆形之外，还可以为椭圆、三角形或矩形，在此不做限制。并且，芯层300和皮层200的横截面积不限于固定的值，即可部分地方粗，部分地方细。在干燥致密化处理时，致密化处理时间长的位置会相对较细，致密化处理时间短的位置会相对较粗。
58.进一步的，所述腔室210的侧壁具有第一凸块211和第一凹槽212；所述芯层300外表面具有第二凸块310和第二凹槽320；所述第二凸块310与所述第一凸块211或第一凹槽212贴合，所述第二凹槽320与所述第一凸块211或第一凹槽212贴合。
59.请参阅图5和图6，在一种实施例中，所述第二凸块310与第一凹槽212贴合，所述第二凹槽320与所述第一凸块211贴合。通过上述设置，芯层300外表面和皮层200内表面除了融合外，芯层300和皮层200还相互咬合，相互增加对方的抗拉强度，从而提高具有皮芯结构的导电聚合物纤维100的抗拉强度。
60.请参阅图7，本发明还提供一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维100构成的电缆400，包括若干所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100以及包裹层500；
61.若干所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100并排；所述包裹层500不连续的能移动的包裹所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100；所述包裹层500由绝缘材料和/或导体材料构成。
62.通过上述设置，若干所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100并排组成电缆400，可增强导电能力。由于本发明的具有皮芯结构的导电聚合物纤维100的皮层200为绝缘层，因此包裹层500可以由绝缘材料制成，也可以由导体材料制成，均不会发生漏电的情况。由于本发明的具有皮芯结构的导电聚合物纤维100具有足够的抗拉强度，因此，包裹层500可以设置为不连续的，不需要连续的包裹层500来起到绝缘和抗拉的作用。
63.进一步的，所述包裹层500能沿着所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100滑动。
64.请参阅图8和图9，本发明还提供一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维100构成的电缆400的安装结构，包括：
65.所述包裹层500内表面具有容纳槽510；所述包裹层500上设置有螺纹杆520，所述螺纹杆520通过螺纹转动连接在所述包裹层500上，所述螺纹杆520一端延伸到容纳槽510中，且所述螺纹杆520转动连接有压块530，所述压块530位于容纳槽510中，所述压块530的表面设置有防滑层540，所述螺纹杆520的另一端固定连接有固定环550。
66.请参阅图10，本发明还提供一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维100构成的电缆400的安装方法，包括以下步骤：
67.步骤s11、拨动包裹层500到达需要的位置，旋转螺纹杆520使防滑层540压紧所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100；
68.步骤s12、将螺栓穿过固定环550，并将螺栓连接到需要的位置。
69.通常在安装电缆400时，需要使用卡箍来固定电缆400。而通过上述设置，能将包裹层500移动到需要的位置，从而固定若干所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100，可省略卡箍，并且安装位置可更灵活。并且，旋转螺纹杆520使防滑层540压紧所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100，可使若干具有皮芯结构的导电聚合物纤维100贴合更紧密。螺栓穿过固定环550并将螺栓连接到需要的位置，一方面，可起到固定作用，另一方面，可防止螺栓自行转动，从而防止包裹层500在所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100上滑动，即，可提高两者的连接效果，使电缆400安装的更牢固。
70.进一步的，请参阅图10，所述防滑层540包括橡胶气囊，所述橡胶气囊的外表面能和所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100压紧贴合，所述橡胶气囊的一侧连通有锥型气囊541，所述锥型气囊541能延伸到所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100之间的间隙中。
71.在橡胶气囊挤压所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100时，锥型气囊541被充气，从而挤压具有皮芯结构的导电聚合物纤维100，从而可进一步使若干所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100更紧密，并且可防止包裹层500转动。
72.进一步的，请参阅图11，所述防滑层540为网格状气囊542，所述网格状气囊542之间具有容腔543，所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100位于所述容腔543中，当防滑层540受到所述压块530挤压时，所述网格状气囊542膨胀挤压固定所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100。
73.本设置除了可压紧所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100外，还能实现均匀压紧的效果，并且，可对所述具有皮芯结构的导电聚合物纤维100提供缓冲。
74.请参阅图12，本发明提供一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维100的制备方法，包括以下步骤：
75.步骤s21、制备皮层200溶液：将聚丙烯腈粉末加入二甲基亚砜溶液中，搅拌至呈透明黄色黏稠状，制得第一聚丙烯腈溶液，所述第一聚丙烯腈溶液作为皮层200溶液；
76.步骤s22、制备芯层300溶液：将聚丙烯腈粉末加入二甲基亚砜溶液中，搅拌至溶液呈透明黄色黏稠状，制得第二聚丙烯腈溶液，再将导电材料粉末加入第二聚丙烯腈溶液中，继续搅拌和超声处理，制得芯层300溶液；
77.步骤s23、成型：将芯层300溶液注入到成型模具内圆通道，将皮层200溶液注入到成型模具外环通道，使芯层300溶液和皮层200溶液在成型模具中混合成型，并牵引出来；其中，成型模具外环通道环绕在成型模具内圆通道外侧，且同心设置，且成型模具外环通道和成型模具内圆通道连通。
78.在本实施例中，超声处理的作用，溶液吸收声波的振动能量而升温，降低表面张力，从而增加搅拌的效率。
79.在步骤s21中，在制备皮层200溶液时，将聚丙烯腈粉末加入二甲基亚砜溶液中，常温下进行磁力搅拌4-6小时，溶液呈透明黄色黏稠状，制得皮层200溶液。
80.在步骤s22中，在制备芯层300溶液时，将聚丙烯腈粉末加入二甲基亚砜溶液中，常温下进行磁力搅拌4-6小时，溶液呈透明黄色黏稠状，制得聚丙烯腈溶液，再将聚噻吩粉末和/或碳纳米粉末加入聚丙烯腈溶液中，其中聚丙烯腈粉末与导电材料粉末质量比为6：4，继续搅拌4-6.5小时，超声6小时后，制的芯层300导电聚丙烯腈溶液。进一步的，搅拌和超声同时进行，可增加效率。
81.聚丙烯腈粉末与导电材料粉末质量比为6：4时，芯层300的导电率可达到95s/m。
82.需要说明的是，本实施例中，第一聚丙烯腈溶液和第二聚丙烯腈溶液可同时制作，及两者可成分相同，然后根据皮层200溶液和芯层300溶液的需求量，取出部分作为第一聚丙烯腈溶液，即作为皮层200溶液。剩余的溶液作为第二聚丙烯腈溶液，在其中加入导电材料粉末，继续搅拌和超声处理，制得芯层300溶液，可提高生产效率。
83.请参阅图13，在步骤s23中，所述成型的方法包括：
84.步骤s231、使用第一注射器抽取皮层200溶液，使用第二注射器抽取芯层300溶液，将第一注射器和第二注射器分别固定在两个推进泵上；
85.步骤s232、使第二注射器的出口通过管道连通于所述成型模具内圆通道，使第一注射器的出口通过管道连接于所述成型模具外圆通道，将芯层300溶液和皮层200溶液同时分别注射到成型模具内圆通道和成型模具外圆通道；
86.步骤s233、芯层300溶液和皮层200溶液在成型模具中汇流并部分融合，并进入到凝固浴内，进行第一机械牵引和热水淋浴；
87.步骤s234、进行第二机械牵引，进行拉伸取向，再进行干燥致密化处理，得到具有皮芯结构的导电聚合物纤维100。
88.示例性的，所述成型的方法包括：
89.使用第一注射器抽取皮层200溶液，使用第二注射器抽取芯层300溶液，将第一注
射器和第二注射器分别固定在两个推进泵上；
90.使第二注射器的出口通过管道连通于所述成型模具内圆通道，使第一注射器的出口通过管道连接于所述成型模具外圆通道，将芯层300溶液和皮层200溶液同时分别注射到成型模具内圆通道和成型模具外圆通道；
91.芯层300溶液和皮层200溶液在成型模具中汇流并部分融合，其中，融合长度为20mm，使皮芯层300在良好结合的同时，又形成皮芯层300结构；并进入到凝固浴内，凝固浴的溶液为体积为40％的二甲基亚砜和体积为60％的去离子水，进行第一机械牵引和95-100℃热水淋浴；
92.进行第二机械牵引，进行拉伸取向，再进行130℃时间为180s的干燥致密化处理，得到具有皮芯结构的导电聚合物纤维100。
93.示例性的，使用温度为130℃的热风风干180s，一方面可进行干燥致密化处理，另一方面，可以除去热水淋浴时的水。
94.进一步的，在干燥致密化处理时，对导电聚合物纤维不同位置的处理时间可不同，致密化处理时间长的位置会相对较细，致密化处理时间短的位置会相对较粗。
95.进一步的，整个制备过程均通过微流控芯片控制溶液的挤出速度，从而提高生产质量。例如，在向成型模具中挤压溶液时，微流控芯片可控制挤出量和挤出速度，从而提高生产质量。微流控芯片microfluidics又称芯片实验室lab on a chip是通过微细加工技术加工微纳尺度通道网络，将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块几个平分厘米的芯片上，以可控流体贯穿整个系统，用以替代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。
96.进一步的，请参阅图14－图16，本发明还提供一种具有皮芯结构的导电聚合物纤维的成型模具，包括内圆通道610和外环通道620，所述内圆通道610和所述外环通道620同心设置，所述外环通道620和所述内圆通道610的下方连通；所述外环通道620的下方朝所述内圆通道610倾斜；所述外环通道620中具有圆滑的第三凸块621和第三凹槽622，分别用于在皮层200内层形成第一凹槽212和第一凸块211；所述内圆通道610中具有圆滑的第四凸块611和第四凹槽612，分别用于在芯层300外侧形成第二凹槽320和第二凸块310。
97.进一步的，所述第三凸块621有两种，一种第三凸块621和第四凹槽612，另一种第三凸块621上承载所述第三凹槽622，使生产出的皮层200内层形成的第一凹槽212中还具有第一子凸块，从而使第一凹槽212和第二凸块310卡接时，第一子凸块和第二凸块310抵触，从而便于牢固配合，增加抗拉强度。
98.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
99.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。