一种双导电网络金属凝胶导电纤维及其制备方法和应用

本发明涉及导电凝胶纤维领域，具体是一种双导电网络金属凝胶导电纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，随着人体健康监测、人机交互和软体机器人等领域的飞速发展，可穿戴应变传感材料在上述领域展示出广泛而迫切的应用需求。导电纤维是可穿戴应变传感材料的重要组成部分。导电纤维在发生应变时产生电阻值的变化，可通过机织、针织、刺绣等成衣织造技术直接制备成可穿戴应变传感器。目前，大多数导电纤维是由导电活性物质和聚合物基体(基底)组成，导电机制主要分为离子导电和电子导电。

2、离子导电纤维材料是由离子作为导电活性物质，在聚合物网络中离子通过导电介质(水等)定向移动实现材料导电。在施加应变时，由于离子导电网络中离子的均匀变化，可穿戴应变传感材料具有较高的信号输出线性度、大应变范围等特点。然而，在应变作用下的离子导电通路变化不够剧烈、电阻变化不明显，使离子导电纤维材料构成的应变传感材料灵敏度较低。

3、传统的电子导电纤维材料是由电子导电填料与弹性体聚合物复合构成的纤维状导电材料。在应变作用下，电子导电填料之间形成较大的“间隙”，使电子导电网络发生剧烈变化，因此由电子导电纤维材料构成的应变传感材料具有较高的灵敏度。在离子导电纤维材料中引入电子导电填料(如金属纳米粒子、碳基纳米材料)构建复合导电网络，能够使应变传感材料同时具有高灵敏度、高信号输出线性度、大应变范围等特点。然而，离子导电纤维纺丝过程仅需数秒，通过常规的纺丝方法难以实现在离子导电纤维材料中快速、连续化地构筑出稳定的电子导电网络。同时，离子导电纤维材料与电子导电填料之间的界面相容性问题是制备具有复合导电网络的导电纤维面临的挑战。

4、因此，如何连续化制备出一种具有离子导电网络和电子导电网络的导电纤维，是构筑具有高灵敏度、线性响应、宽应变范围和高信号输出稳定性的应变传感材料需要解决的关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

3、一种双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其包括以下步骤：

4、将热塑性弹性体溶解在有机溶剂中，并进行真空脱泡，得到皮层纺丝前驱液；

5、将细菌纤维素水凝胶加入到硝酸银溶液中，并进行超声分散，得到芯层纺丝前驱液；

6、将芯层纺丝前驱液、皮层纺丝前驱液分别通过同轴针头的内、外通道同时注入到无水乙醇凝固浴中，经紫外光照射诱导反应性同轴纺丝，得到所述双导电网络金属凝胶导电纤维。

7、优选地，溶解在有机溶剂中的热塑性弹性体浓度为5-50wt％。

8、优选地，所述有机溶剂为二氯甲烷；所述热塑性弹性体为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、热塑性聚氨酯中的至少一种。

9、优选地，所述细菌纤维素水凝胶的浓度为0.1-5wt％。

10、优选地，所述细菌纤维素水凝胶与硝酸银溶液的体积比为1:1-1:10；所述硝酸银溶液的制备方法为：将agno3固体粉末溶解在去离子水中，agno3的浓度为0.01-1mol/l。

11、优选地，所述步骤中，超声分散的超声功率为50-500w，超声时间0.5-5h。

12、优选地，所述步骤中，同轴纺丝针头为不锈钢外针头嵌套在不锈钢内针头的外部，其中同轴纺丝针头大小，按照内针头和外针头的组合类型，为内19g@外15g、内21g@外15g、内23g@外15g、内21g@外13g、内21g@外17g中的任一种。

13、优选地，所述步骤中，紫外光照射所采用紫外线灯功率为10-300w，照射时间为0.5-5h。

14、本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述制备方法制得的双导电网络金属凝胶导电纤维，其中，所述双导电网络金属凝胶导电纤维以热塑性弹性体为皮层，双导电网络金属凝胶为导电芯层，纤维结构为皮芯结构；所述双导电网络金属凝胶为离子和电子双导电通路网络结构。

15、本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的双导电网络金属凝胶导电纤维在应变传感器中的应用。

16、本发明实施例提供的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，以三维(3d)网络结构的细菌纤维素水凝胶为载体，agno3为银源，将细菌纤维素水凝胶与硝酸银溶液复合制备离子导电金属凝胶；然后将离子导电金属凝胶作为芯层纺丝前驱液，以热塑性弹性体溶液作为皮层纺丝前驱液，将纺丝液进行紫外光诱导反应性同轴纺丝，得到双导电网络金属凝胶导电纤维。该双导电网络金属凝胶导电纤维具有高电导率、高可拉伸性能和优异的力学抗疲劳性能等特点，利用其组装成的应变传感器能够将机械刺激准确地转化为电信号，其离子和电子双导电网络结构使传感器具有信号输出高线性度、高灵敏度、低响应时间、高循环稳定性和大应变范围等优点。该双导电网络金属凝胶导电纤维作为新型应变传感材料，在智能可穿戴纺织品领域具有巨大的应用前景。

17、具体的，本发明实施例提供的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，具有以下有益效果：

18、(1)利用紫外光照射诱导反应性同轴纺丝，实现连续、快速、简便地制备具有皮芯结构的双导电网络金属凝胶导电纤维。其中，将具有离子和电子双导电网络的金属凝胶作为纤维的导电芯层，这赋予纤维高的电导率、机械柔性和良好的拉伸性能。将具有优异力学性能的热塑性弹性体作为皮层使双导电网络金属凝胶导电纤维具有拉伸循环稳定性、抗疲劳性和电阻变化稳定性。同时，皮层的绝缘和疏水性能能够防止电泄露，维持纤维导电通路稳定性、长的工作寿命。

19、(2)在双导电网络金属凝胶中通过紫外光诱导原位还原反应构筑离子和电子双导电网络，使传感器同时具有信号输出高线性度、高灵敏度、低响应时间、高循环稳定性和大应变范围。

20、(3)本发明实施例制得的双导电网络金属凝胶导电纤维可应用在应变传感器领域，能够将机械刺激准确地转化为电信号。金属凝胶导电纤维作为新型应变传感材料，在智能可穿戴纺织品领域具有巨大的应用前景。

技术特征：

1.一种双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其特征在于，溶解在有机溶剂中的热塑性弹性体浓度为5-50wt％。

3.根据权利要求1或2所述的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二氯甲烷；所述热塑性弹性体为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、热塑性聚氨酯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其特征在于，所述细菌纤维素水凝胶的浓度为0.1-5wt％。

5.根据权利要求1或4所述的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其特征在于，所述细菌纤维素水凝胶与硝酸银溶液的体积比为1:1-1:10；所述硝酸银溶液的制备方法为：将agno3固体粉末溶解在去离子水中，agno3的浓度为0.01-1mol/l。

6.根据权利要求1所述的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤中，超声分散的超声功率为50-500w，超声时间0.5-5h。

7.根据权利要求1所述的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤中，同轴纺丝针头为不锈钢外针头嵌套在不锈钢内针头的外部，其中同轴纺丝针头大小，按照内针头和外针头的组合类型，为内19g@外15g、内21g@外15g、内23g@外15g、内21g@外13g、内21g@外17g中的任一种。

8.根据权利要求1所述的双导电网络金属凝胶导电纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤中，紫外光照射所采用紫外线灯功率为10-300w，照射时间为0.5-5h。

9.一种采用权利要求1-8中任一项所述制备方法制得的双导电网络金属凝胶导电纤维，其特征在于，所述双导电网络金属凝胶导电纤维以热塑性弹性体为皮层，双导电网络金属凝胶为导电芯层，纤维结构为皮芯结构；所述双导电网络金属凝胶为离子和电子双导电通路网络结构。

10.一种如权利要求9所述的双导电网络金属凝胶导电纤维在应变传感器中的应用。

技术总结
本发明公开了一种双导电网络金属凝胶导电纤维及其制备方法和应用，其属于导电凝胶纤维领域，其中，制备方法包括以下步骤：将热塑性弹性体溶解在有机溶剂中，并进行真空脱泡，得到皮层纺丝前驱液；将细菌纤维素水凝胶加入到硝酸银溶液中，并进行超声分散制成离子导电金属凝胶，得到芯层纺丝前驱液；将芯层纺丝前驱液、皮层纺丝前驱液分别通过同轴针头的内、外通道同时注入到无水乙醇凝固浴中，经紫外光照射诱导反应性同轴纺丝，得到双导电网络金属凝胶导电纤维。该金属凝胶导电纤维具有高电导率、高可拉伸性能和优异的力学抗疲劳性能，利用其组装成的应变传感器具有信号输出高线性度、高灵敏度、低响应时间、高循环稳定性和大应变范围等优点。

技术研发人员：杜兆芳,李继丰,封其春
受保护的技术使用者：安徽农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19