一种弹性电磁纤维及其制备方法和应用

本发明属于可拉伸纤维领域，特别涉及一种弹性电磁纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、可拉伸电磁纤维在智能织物、软机器人、可穿戴电子产品和生物医学应用方面具有巨大的潜力。可拉伸电磁纤维将电磁功能与固有的机械性能相结合，以实现弹性与远程驱动、传感和能量收集等功能相统一。目前制备弹性电磁纤维的方法通常是将导电材料(如金属纳米颗粒、碳材料、导电聚合物、石墨烯、mxene等)与磁性固态颗粒(如fe3o4、nb2fe14b、ndfecob、ndfeb等)分别引入弹性基底材料混合后，再通过3d打印、热拉伸或溶液纺丝等方式制备纤维。然而，这种将弹性基底与电磁材料相结合的方式往往需要高浓度电磁填料的添加，进而电磁添加剂与软材料的界面不统一，这导致大多数现有弹性电磁纤维的综合功能有限，并且在应变(如拉伸，按压，扭转等)时电导率下降。这是由于高浓度的电磁颗粒添加使得高内应力集中而导致机械性能不理想，其中的电磁添加剂也会面临分层或泄漏的威胁。如何在温和条件下实现弹性、应变下电导稳定以及磁性响应的纤维制备仍旧具备很大的挑战。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种弹性电磁纤维及其制备方法和应用，该弹性电磁纤维解决了固态填料与弹性基底固有的不相容矛盾问题。

2、本发明提供了一种弹性电磁纤维，所述弹性电磁纤维以基于水性聚氨酯分散的磁性液态金属颗粒为芯层，以海藻酸钠改性水性聚氨酯为鞘层，通过同轴湿法纺丝而得。

3、所述磁性液态金属颗粒的粒径范围为20-50微米。

4、本发明还提供了一种弹性电磁纤维的制备方法，包括如下步骤：

5、(1)将液态金属加入到稀盐酸中，搅拌去除氧化层，然而加入铁颗粒，不断搅拌至溶液澄清后，洗涤、干燥，制得磁性液态金属液滴(mlm)；将上述液态金属液滴置于水性聚氨酯中，均质，取下层沉降的磁性液态金属溶液颗粒作为内芯溶液；

6、(2)将海藻酸钠加入到水性聚氨酯中，均匀搅拌至充分溶解，静置待气泡消失后作为外鞘溶液；

7、(3)配制氯化钙水溶液作为凝固浴，同轴湿法纺丝针内部为上述内芯溶液，外部为上述外鞘溶液，进行同轴湿法纺丝，得到弹性电磁纤维。

8、所述步骤(1)中的液态金属与铁颗粒的质量比为20-30:1。

9、所述铁颗粒的粒径为300-500nm。

10、所述步骤(2)中的水性聚氨酯与海藻酸钠的质量比为100:1-3。

11、所述步骤(1)和(2)中的水性聚氨酯固含量均为25％-30％。

12、所述步骤(3)中的同轴湿法纺丝针内径22g、外径17g。

13、所述步骤(3)中的同轴湿法纺丝工艺参数为：注射泵内层挤出速度为8-12ml/h，外层挤出速度为15-20ml/h。

14、本发明还提供了一种弹性电磁纤维在电磁屏蔽、可穿戴电子、柔性机器人中的应用。

15、本发明利用均质机的高速搅拌以及水性聚氨酯与mlm表面的氧化层螯合作用成功制备了水性聚氨酯分散的mlm微颗粒。相较于用有机溶剂分散液态金属的方法，采用基于水体系的水性聚氨酯，绿色无污染，展示出更好的应用前景。此外，通过天然聚合物海藻酸钠(sa)改性水性聚氨酯(wpu)成功制备了基于wpu-sa离子交联的外鞘，当wpu-sa溶液碰到凝固浴时，会快速的与钙离子(ca2+)络合成型，包裹着wpu分散的mlm微颗粒因重力作用自发地向凝固浴中掉落成型，再通过卷轴收集纤维。

16、有益效果

17、本发明有效地实现了拉伸、高导电且电导稳定以及磁场响应性相统一，其在电磁屏蔽、可穿戴电子、柔性机器人等领域具备应用潜力。此外，整个纤维制备过程基于水溶液的温和绿色体系特点，符合环境友好型发展方向。

技术特征：

1.一种弹性电磁纤维，其特征在于：所述弹性电磁纤维以基于水性聚氨酯分散的磁性液态金属颗粒为芯层，以海藻酸钠改性水性聚氨酯为鞘层，通过同轴湿法纺丝而得。

2.根据权利要求1所述的一种弹性电磁纤维，其特征在于：所述磁性液态金属颗粒的粒径范围为20-50微米。

3.一种弹性电磁纤维的制备方法，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的液态金属与铁颗粒的质量比为20-30:1。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于：所述铁颗粒的粒径为300-500nm。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的水性聚氨酯与海藻酸钠的质量比为100:1-3。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的同轴湿法纺丝针内径22g、外径17g。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的同轴湿法纺丝工艺参数为：注射泵内层挤出速度为8-12ml/h，外层挤出速度为15-20ml/h。

9.一种如权利要求1所述的弹性电磁纤维在电磁屏蔽、可穿戴电子、柔性机器人中的应用。

技术总结
本发明涉及一种弹性电磁纤维及其制备方法和应用，所述弹性电磁纤维以基于水性聚氨酯分散的磁性液态金属颗粒为芯层，以海藻酸钠改性水性聚氨酯为鞘层，通过同轴湿法纺丝而得。本发明有效地实现了拉伸、高导电且电导稳定以及磁场响应性相统一，其在电磁屏蔽、可穿戴电子、柔性机器人等领域具备应用潜力。此外，整个纤维制备过程基于水溶液的温和绿色体系特点，符合环境友好型发展方向。

技术研发人员：高欣,孙巍,苏基林,游正伟
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19