一种压电纤维及其制备方法和应用

本发明涉及智能穿戴纺织品，具体涉及一种压电纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、大多数已开发的压电纤维在高应变下电阻急剧升高，严重降低或损害了器件的电学性能，阻碍了新一代电子产品和功能性纺织品的进一步发展，因此制备兼具优异拉伸性和稳定电阻的压电纤维仍具有非常大的挑战性。与传统的刚性导电材料不同，新兴的镓基液态金属镓铟合金(egain)具有良好的流动性、较低的粘度和优越的机械性能，同时保留了金属良好的导电和导热性能。

2、目前，压电纤维存在的问题有柔软性不足、机械性能稳定性差、电学输出性能低、在较大应变范围内的电阻不稳定等一系列缺点。中国专利cn114075707a公开了一种柔性湿法纺压电-导电包芯纱，将皮层纺丝液作为皮层，镀银长丝束作为芯层，利用湿法纺丝装置制备皮芯结构纱，将皮芯结构纱放至烘箱内烘干，之后进行极化处理，但得到的柔性压电-导电包芯纱的强度不够。

3、中国专利cn109238312a公开了一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法，以钐掺杂钛酸铅纳米晶，掺钐稀土改性的钛酸铅压电陶瓷，在电活性炭墨涂覆后，经湿法纺丝得到纤维基柔性压电传感器，最后将其与银纳米线复合扭转，得到复合纤维基柔性压电传感器，但其在较大应变范围内的电阻不够稳定。

4、中国专利cn114703555a公开了一种核壳结构液态金属导电纤维的一步成型批量制备方法，采用同轴湿法纺丝技术，用壳层注射器抽取聚氨酯溶液，用核层注射器抽取镓基液态金属，先启动壳层注射泵，再启动核层注射泵，将液态金属密封包裹在聚氨酯壳层的内部，制备核层为液态金属、壳层为聚氨酯的核壳结构液态金属导电纤维，但此方法生产出来的压电纤维电学输出性能较低。

技术实现思路

1、现有技术中存在压电纤维电学输出性能较低、较大应变范围内的电阻不够稳定、包芯纱的强度不够等问题。

2、为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种压电纤维，包括纤维内层和设于所述纤维内层表面的纤维外层；

3、所述纤维内层由第一液态金属层和第二液态金属层组成，所述第一液态金属层和第二液态金属层之间还设有pvdf层；

4、所述第一液态金属层、pvdf层和第二液态金属层两两之间填充有sebs纤维；

5、所述纤维外层由sebs纤维制备得到；

6、所述第一液态金属层和第二液态金属层均包括液态镓铟合金。

7、优选的，所述压电纤维的横截面为椭圆形，长轴与短轴的比为1.2-1.8：1。

8、本发明还提供一种上述压电纤维的制备方法，包括如下步骤：

9、s1：制备液态镓铟合金溶液，pvdf纺丝液和sebs溶液；

10、s2：将部分液态镓铟合金溶液，pvdf纺丝液和剩余液态镓铟合金溶液分别通过第一通道、第二通道和第三通道流入四通道注射器中，所述sebs溶液通过第四通道流入四通道注射器中，于四通道注射器汇流后进入凝固浴，得到凝固纤维；

11、所述第一通道、第二通道和第三通道沿所述四通道注射器长度方向并排设置，所述第四通道沿所述四通道注射器宽度方向设置；

12、s3：将凝固纤维通过牵伸，收卷后得到所述压电纤维。

13、优选的，所述第一通道和第二通道、第二通道和第三通道之间的距离均为24-36nm。

14、优选的，所述液态镓铟合金溶液的温度为30-32℃，pvdf(聚偏二氯乙烯)纺丝液的温度为30-35℃，sebs溶液的温度为25-30℃。

15、优选的，所述液态镓铟合金溶液的溶剂为2-丁酮(mek)，所述pvdf纺丝液的溶剂为二甲基甲酰胺(dmf)，所述sebs(氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物)溶液的溶剂为甲苯。

16、本发明选用新兴的镓基液态金属镓铟合金(eutectic gallium-indium，egain)作为原料是因为目前大多数压电纤维在高应变下电阻急剧升高，严重降低或损害了器件的电学性能。所以不选用传统刚性导电材料，而是采用新兴的镓基液态金属镓铟合金，其具有良好的流动性、较低的粘度和优越的机械性能，同时保留了金属良好的导电和导热性能。液态金属合金熔点为15.5℃，室温呈液态，液态金属熔点低，但饱和蒸汽压非常高，在室温25℃到2000℃的温度区间内都能保持液态。这种优异的性能特性使得自身具有很好的稳定性，egain自身独特的液态性质为压电纤维的制备提供了极大的便利。

17、选用聚偏氟乙烯(pvdf)作为压电纤维的原料，并且采用湿法纺制备pvdf纤维。聚偏氟乙烯(pvdf)具有强压电效应和易加工性，是研究最多的压电聚合物。目前，就pvdf纤维制备而言，静电纺丝技术是应用最多的方式，但静电纺pvdf纤维在可加工性、易穿戴、耐久性及量产等方面存在不足；另外，如提高纺丝液浓度，静电纺丝技术会使可纺性降低，产品压电性能提高有限。

18、选用具有良好弹性的sebs作为原料，sebs具有优异的流变性能，能够保持所得纤维的截面几何形状，由于杨氏模量低(3.79mpa)，纤维能够承受一些复杂的变形，如弯曲和扭转，其电容在3000次弯曲或扭转循环中保持稳定。

19、因此，在液态金属和pvdf外包覆一层良好弹性的sebs，该方法制备的纤维具有防水、耐磨和可拉伸特性，且生产工序简便、参数易于控制。

20、优选的，所述液态镓铟合金溶液的流速为0.5-0.8ml/min，pvdf纺丝液的流速为1.0-1.8ml/min，sebs溶液的流速0.4-0.7ml/min。

21、优选的，所述液态镓铟合金溶液，pvdf纺丝液和sebs溶液的流速均通过微流量泵控制。

22、优选的，所述步骤s3中，牵伸的速度为14-28mm/s，收卷的速度为12-18mm/s。

23、优选的，所述pvdf纺丝液中，pvdf的浓度为15-25wt％。

24、进一步地，所述pvdf纺丝液中，pvdf的浓度为20wt％。

25、熔融纺丝也可用于制备pvdf纤维，但其不能提供高强度纤维。因此，采用熔融纺或静电纺工艺制备的常规pvdf纤维不适合量产或进行后续机织或针织加工。

26、优选的，所述液态镓铟合金溶液中，镓铟合金的浓度为4-9wt％。

27、本发明还提供一种智能穿戴织物，包括上述的压电纤维。

28、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

29、本发明制得的压电纤维具有柔性、可拉伸性、机械性能稳定性、优良的电学输出性能还可以承受高应变，在较大应变范围内的电阻稳定，且在较大的变形下仍显示出优异的电学输出性能。

30、本发明选用湿法纺制备pvdf纤维相比静电纺，具有溶质浓度可调节范围广(pvdf浓度15％-25％)，纤维产品手感柔韧、结构易控制、可编织性好、易批量生产等特点。

31、本发明制得的压电纤维发生弯曲或机械变形时，它会产生电信号，提供了一种将声音振动转换为电信号的方法，制得的压电纤维在声学应用中十分灵敏，能够轻松捕捉到从安静到繁忙环境范围内的各种可听声音。