复合弹性导电纤维及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料制造领域，尤其涉及一种复合弹性导电纤维及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着电子信息技术的迅猛发展，人们对电子产品及可穿戴电子产品提出了更高的要求，电子产品正以飞快的速度向智能化、微型化、便携化、柔性、弹性等方向发展，与之相关的产品开发也受到业界广泛关注，同时，作为电子产品和智能产品内部不可或缺的传输通道的导电纤维也急需向功能化、智能化、弹性、柔性等方面发展。
[0003]目前市场上使用的导电纤维主要是各类金属丝，但是金属丝的柔性和弹性较差，在功能智能应用方面体现出了越来越多的不适应性，另一类具有导电性的碳纤维也存在同样的问题，并且有着导电性较差，脆性明显等缺点。针对这些问题，近年来，许多研究人员采用各种方法制备了形式多样的弹性导电纤维，例如采用弹性纤维作为芯层，导电粒子作为皮层制成皮芯结构的复合弹性导电纤维;或将导电粉与弹性聚合物均匀混合，得到混合均匀的复合弹性导电纤维，但是上述纤维导电性偏低，只能用于抗静电；也有研究人员通过将金属纳米线吸附在弹性纤维表面，然后经过等离子体或热处理使两者结合制备弹性导电纤维，但金属粒子的添加量一般会受到限制，所制备的弹性导电纤维的导电性比较有限。
[0004]综上所述，目前的弹性导电纤维制备方法都具有一些问题，有必要提出一种新型的复合弹性导电纤维及其制备方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种解决上述问题的复合弹性导电纤维及其制备方法。
[0006]为实现上述发明目的，本发明提供一种复合弹性导电纤维，其包括弹性纤维、碳纳米管纤维及弹性聚合物，所述碳纳米管纤维绕包于所述弹性纤维的表面形成碳纳米管纤维包缠纱，所述弹性聚合物包覆于所述碳纳米管纤维包缠纱的表面。
[0007]作为本发明的进一步改进，所述碳纳米管纤维在所述弹性纤维上的螺旋节距为
0.1mm?2cm，所述弹性纤维为聚氨酯弹性纤维或聚酯类弹性纤维或复合聚酯弹性纤维或聚烯烃弹性纤维或聚醚酯弹性纤维或变形纱类弹性纤维。
[0008]相应地，一种复合弹性导电纤维的制备方法，所述方法包括以下步骤:
51、从绕包机的输出轴引出弹性纤维，并将其一端固定在绕包机的收集轴上；
52、从绕包机的绕包头上引出碳纳米管纤维，并将碳纳米管纤维的一端与弹性纤维位于收集轴的一端固定；
53、开启绕包机，碳纳米管纤维绕包于弹性纤维的表面，形成碳纳米管纤维包缠纱，其中，通过设置弹性纤维的拉伸率、收集轴和输出轴的收放卷速度及绕包头的转速来调节碳纳米管纤维在弹性纤维上的螺旋节距；
54、将所述碳纳米管纤维包缠纱热处理得到初级弹性导电纤维；
55、将初级弹性导电纤维采用弹性聚合物进行封装得到复合弹性导电纤维。
[0009]作为本发明的进一步改进，所述绕包头设置在所述输出轴和所述收集轴之间，所述绕包头包括第一旋转部和设在所述第一旋转部上的第二旋转部，所述第一旋转部和所述第二旋转部分别绕其自身的轴线旋转，所述碳纳米管纤维缠绕在所述第二旋转部上。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述第一旋转部为圆盘状，其上设有一供所述弹性纤维穿设的通孔，所述通孔的内径大于所述弹性纤维的直径。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述弹性纤维的拉伸率为0-500%，所述收集轴和输出轴的收放卷速度相同，均大于或等于10 r/min，所述第一旋转部的旋转速度大于或等于10r/min0
[0012]作为本发明的进一步改进，所述S2步骤中“开启绕包机，碳纳米管纤维绕包于弹性纤维的表面，形成碳纳米管纤维包缠纱”具体为:
开启绕包机，收集轴的收卷速度同步于输出轴的放卷速度以使得弹性纤维始终保持设定的拉伸率不变，通过第一旋转部和第二旋转部的配合旋转将碳纳米管纤维绕包于弹性纤维的表面，形成碳纳米管纤维包缠纱。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述热处理的温度为50°0700°C，时间为Imin?5h。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述“将初级弹性导电纤维采用弹性聚合物进行封装”步骤具体为:将弹性聚合物浸渍或浸润或喷涂或旋涂在所述初级弹性导电纤维的表面进行封装。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷或高弹性聚氨酯，所述碳纳米管纤维在所述弹性纤维上的螺旋节距为0.1mm?2cm。
[0016]本发明的有益效果是:本发明采用绕包的方法，将碳纳米管纤维均匀绕包在弹性纤维的表面，然后进行热处理使碳纳米管纤维与弹性纤维进行良好结合，最后在初级弹性导电纤维外面用弹性聚合物进行封装，可有效解决现有技术中复合弹性导电纤维普遍存在的弹性偏低、易剥离或脱离、循环使用性差、不易进行二次加工等缺点。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一实施方式中碳纳米管纤维包缠纱的制备装置的结构示意图；
图2是本发明一实施方式中复合弹性导电纤维制备方法的流程图；
图3a、图3b是本发明一实施方式中碳纳米管纤维以不同的螺旋节距绕包在弹性纤维表面上的复合弹性导电纤维中的光学照片；
图4是本发明一实施方式中复合弹性导电纤维随拉伸率增加电阻变化情况图；
图5是本发明一实施方式中复合弹性导电纤维随水洗时间和次数增加电阻的变化情况图。
【具体实施方式】
[0018]以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
[0019]参图1和图2，介绍本发明复合弹性导电纤维制备方法的一【具体实施方式】。在本实施方式中，该方法具体包括: S1、从绕包机的输出轴引出弹性纤维，并将其一端固定在绕包机的收集轴上。绕包机10包括输出轴(图未示)、收集轴(图未示)和绕包头11，其中，绕包头11设于输出轴与收集轴之间。弹性纤维20预先缠绕在输出轴上，并伸出一自由端，将该自由端固定在收集轴上，收集轴转动可实现弹性纤维20在收集轴上的缠绕，弹性纤维的拉伸率为0-500%。
[0020]S2、从绕包机的绕包头上引出碳纳米管纤维，并将碳纳米管纤维的一端与弹性纤维位于收集轴的一端固定。绕包头11包括第一旋转部111和设在第一旋转部111上的第二旋转部112，第一旋转部111和第二旋转部112可分别绕其自身的轴线旋转。预先将碳纳米管纤维30缠绕在第二旋转部112上，并伸出一自由端，将该自由端与弹性纤维20位于收集轴的一端固定。
[0021]S3、开启绕包机，碳纳米管纤维绕包于弹性纤维的表面，形成碳纳米管纤维包缠纱，其中，通过设置弹性纤维的拉伸率、收集轴和输出轴的收放卷速度及绕包头的转速来调节碳纳米管纤维在弹性纤维上的螺旋节距。
[0022]具体地，绕包头11的第一旋转部111为圆盘状，其上设有一通孔1111，弹性纤维20穿设于通孔1111中，通孔1111的内径大于弹性纤维20的直径，弹性纤维20并不触碰通孔1111的内壁，第二旋转部112设置在靠近圆盘的边缘处。开启绕包机10，收集轴的收卷速度同步于输出轴的放卷速度以使得弹性纤维20始终保持设定的拉伸率不变，弹性纤维20不断地从输出轴向收集轴移动，通过第一旋转部111和第二旋转部112的配合旋转将碳纳米管纤维30绕包于弹性纤维20的表面，形成碳纳米管纤维包缠纱40，碳纳米管纤维包缠纱40被收集轴卷绕收集。这里需要说明的是，第二旋转部112不仅跟随第一旋转部111旋转，还绕其自身的轴线旋转，通过第二旋转部112和第一旋转部111的配合旋转将碳纳米管纤维30绕包于弹性纤维20的表面。收集轴和输出轴的收放卷动作及绕包头的转动均由电机驱动，为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
[0023]优选地，弹性纤维20的拉伸率为0-500%，收集轴和输出轴的收放卷速度相同，均大于或等于10 r/min，不设速度上限，第一旋转部111的旋转速度最低速度为10 r/min，不设速度上限，第二旋转部112的旋转速度随第一旋转部111的旋转速度的变化而变化。通过设置弹性纤维的拉伸率、收集轴和输出轴的收放卷速度及绕包头的转速来调节碳纳米管纤维在弹性纤维上的螺旋节距在0.1mm?2cm之间(参图3a-3b)，通过控制碳纳米管纤维30在弹性纤维20上的螺旋节距可以控制复合弹性导电纤维的整体弹性和导电性。
[0024]S4、将碳纳米管纤维包缠纱40热处理得到初级弹性导电纤维。热处理的温度为50°0700°C，时间为Imin -5h0
[0025]S5、将初级弹性导电纤维采用弹性聚合物进行封装得到复合弹性导电纤维。在初级弹性导电纤维的表面浸渍或浸润或喷涂或旋涂一层弹性聚合物，尺寸在微米或亚微米级，对初级弹性导电纤维进行保护，从而增加其电学及使用性能。优选地，弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷或高弹性聚氨酯。弹性聚合物封装的厚度一般在微米或亚微米级数量级，优选地，弹性聚合物封装的厚度小于10微米。对复合弹性导电纤维进行保护，从而增加其电学及使用性能。
[0026]通过上述方法制备的复合弹性导电纤维，具有更高的弹性(300%以上)，更好的电学稳定性(电阻