一种纤维电容器的制备方法与流程

本发明涉及一种纤维电容器的制备方法，特别是具有优异弹性、耐洗性及电容稳定性能的纤维电容器的制备方法，属于智能穿戴技术领域。

背景技术：

近年来，智能纺织品发展迅速，智能穿戴成为科技行业发展的热点，纤维电容器作为制造电子智能纺织品的重要材料，其研究和开发正方兴未艾。在实际应用中尤其是在可穿戴电子设备中，纤维电容器需要满足微型化、弹性好、电容稳定以及耐水洗等要求，这关系到可穿戴电子设备的舒适性、稳定性和可靠性。

现有智能纺织品的电容器形式有很多，传统的陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器等虽然可以为可穿戴电子设备提供电容，但其舒适性差，不具备良好的弹性，无法应用于对于拉伸需求较大的纺织品，受摩擦后易脱落，可靠性都达不到要求。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

在保证智能纺织品舒适性、稳定性和可靠性的前提下，为了达到简化生产工艺，提高生产效率，制备出弹性好、电容稳定以及耐水洗的纤维电容器的目的，本发明提供了一种纤维电容器的制备方法。这种方法的原理是以高弹性导电连续长丝和低弹性导电连续长丝作为纤维电容器两个电极材料；将若干根高弹导电丝沿纵向拉伸张紧后，与若干根伸直的低弹导电丝以一定空间位置排列，两种导电连续长丝间保持一定间隙；利用绝缘粘合剂快速将两种导电丝包覆并将其粘合固定，绝缘粘合剂层形成良好的介电层；粘合剂快速固化后，分段旋转诱导和分段去除高弹性导电连续长丝的张力，快速制备出兼备优异弹性、耐洗性及电容稳定性的二维或三维多旋向独特螺旋或立体结构纤维电容器。

根据本申请的一个方面，提供一种纤维电容器的制备方法，其按以下步骤进行：

步骤1：分别将若干根高弹性导电连续长丝和若干根低弹性导电连续长丝作为纤维电容器的两个电极材料；其中，高弹性丝和低弹性丝指的是相对另一种丝而言的弹性高低，高弹性丝断裂伸长率一般在200%以上；

步骤2：将若干根高弹性导电连续长丝预拉伸，使其伸长1-8倍的拉伸张紧；

步骤3：使若干根预拉伸的高弹性导电连续长丝与若干根伸直的低弹性导电连续长丝以一定的空间结构排列，高弹性导电连续长丝和低弹性导电连续长丝之间保持0.1-8um的介电层间隙；其中，空间结构是一字形并排、三角形垒叠、平行四边形或者皮芯辐射状结构；根据电容器电容决定式c=εs/4πkd，在正对面积s和介电常数ε不变的情况下，两电极间距离d越小电容越大；

步骤4：通过绝缘粘合剂快速（10秒内）将以上两种导电连续长丝包覆并将它们粘合固定，绝缘粘合剂快速固化后填充在两种导电连续长丝之间，形成厚度为0.1-8um的良好介电层；

步骤5：绝缘粘合剂快速固化后，分段旋转诱导和分段去除高弹性导电连续长丝的张力，即可快速制备出兼备优异弹性、耐洗性及电容稳定的纤维电容器，该纤维电容器具有二维或三维多旋向独特螺旋或立体结构，通过控制两种导电丝数量、空间排列结构和去除高弹性导电连续长丝张力的位置，实现螺旋方向和三维空间结构的精确调控，实现较复杂的走线规律电路图。

其中，所述高弹性导电连续长丝是以高弹性连续长丝为基材，表层植入导电组分，形成表面导电层；其中高弹性连续长丝是由聚氨酯丝、聚烯烃丝、橡胶和硅胶丝混合而成的高弹性连续丝，数量为1-4根由不同种类的连续丝构成的高弹性连续长丝具有更佳的性能。其中表面导电层中的导电组分包括碳纳米管、石墨烯、金属、碳和聚苯胺中至少三种的混合，植入方法包括涂层法、静电植入法、电镀法、化学镀法及磁控溅射法。所述高弹性导电连续长丝的直径为10-100um。根据电容器电容决定式c=εs/4πkd，在其他因素相同的情况下，导电丝的直径越粗，组成电极的正对面积s越大电容越大。

所述低弹性导电连续长丝是金属连续长丝或者是表层导电层的低弹性连续长丝，数量为1-4根；其中所述金属连续长丝是由银丝、铜丝、铁丝、金丝和不锈钢丝混合而成的高弹性连续丝，其中所述低弹性连续长丝的基材包括聚酯丝、聚酰胺丝、蛋白质丝、再生纤维素丝、聚丙烯丝、聚乙烯丝中至少三种的组合，表层导电层中的导电组分包括碳纳米管、石墨烯、金属、碳和聚苯胺中至少三种的混合，制备方法包括涂层法、静电植入法、电镀法、化学镀法及磁控溅射法。所述低弹性导电连续长丝的直径为10-100um。根据电容器电容决定式c=εs/4πkd，在其他因素相同的情况下，导电丝的直径越粗，组成电极的正对面积s越大电容越大。

与现有技术相比，该纤维电容器的制备方法有益效果是：

1、本发明的制备方法可用于直接通过快速粘合方法制备出的纤维电容器，制备速度高，10秒内完成制备，成本低；

2、根据本发明的制备方法制备的纤维电容器直径小（可达2um），电容容量可随纤维电容器的长度增大而增大，且在1000次应变为35%的反复拉伸中弹性回复率保持100%，电容变化率稳定在0.3%-0.4%，解决了生产纤维电容器过程中直径大、电容不稳定、弹性差的技术难点；

3、根据本发明的制备方法制备的纤维电容器外部完全被粘合剂绝缘介电层包覆，其纵向摩擦系数较小不易被磨断，具有良好的绝缘性能、耐磨性能和耐水洗性能；

4、根据本发明的制备方法制备的纤维电容器可以很好地织入织物之中，其收缩率与普通织物一致，不会造成织物额外的收缩而使布面皱褶，三维螺旋形态的纤维电容器的螺向、螺距、螺旋大小等形态特征可根据实际要求精确控制，有目的地改变螺旋方向等特征可以形成满足织物编织和电路走线规律的纤维电容器，减少纤维电容器弯折处受到的格外应力，可以广泛应用于智能穿戴技术领域。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1a为高弹性和低弹性导电连续长丝粘合时呈一字形并排排列的空间结构示意图一；

图1b为高弹性和低弹性导电连续长丝粘合时呈一字形并排排列的空间结构示意图二；

图1c为高弹性和低弹性导电连续长丝粘合时呈三角形垒叠排列的空间结构示意图；

图1d为高弹性和低弹性导电连续长丝粘合时呈平行四边形排列的空间结构示意图；

图1e为高弹性和低弹性导电连续长丝粘合时呈皮芯辐射状排列的空间结构示意图；

图2为纤维电容器截面结构示意图；

图3为实施例1制得的纤维电容器的结构示意图和截面视图；

图4为实施例2制得的纤维电容器的结构示意图和截面视图；

图5为实施例3制得的纤维电容器的结构示意图和截面视图；

图6为实施例3制得的纤维电容器的弹性回复率与拉伸次数之间的关系曲线；

图7为实施例3制得的纤维电容器的电容的变化与拉伸次数之间的关系曲线；

图8为实施例3制得的纤维电容器的电容的变化与拉伸应变之间的关系曲线；

图9为实施例3中纤维电容器在20次水洗中电容的变化情况；

图10为实施例4制得的纤维电容器的结构示意图；

附图标记说明：1-低弹导电丝，2-高弹导电丝，3-绝缘介电层，4-导电层。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

实施例1：

按照以下步骤实现本实施例的纤维电容器的制备方法：

(1)将1根直径为50um的植有碳纳米管导电层的聚烯烃丝以1倍长度的拉伸效果即原长拉直；

(2)将经拉直的带碳纳米管导电层的聚烯烃丝与一根未经拉伸的伸直的30um超细铜丝以一字形并排的空间位置关系并排，它们之间的间隙为5um；

(3)将并排的聚烯烃丝和超细铜丝匀速通过盛有溶剂型绝缘粘合剂的容器，使粘合剂均匀附着包覆在丝上，始终保持其长度不发生变化；

(4)等待粘合剂完全固化后，制备出纤维电容器。

其中，高弹性导电连续长丝与低弹性导电连续长丝的空间结构可以一字形并排、三角形垒叠、平行四边形或者皮芯辐射状结构；图1展示了高弹性导电连续长丝与低弹性导电连续长丝粘合时的不同空间位置关系，空间位置的不同会影响到回缩过程中导电丝的受力情况，进而影响纤维电容器的最终成形效果。本实施例采取了一字形并排的空间位置进行粘合，绝缘粘合剂固化后撤去高弹导电丝的拉伸张紧，弹性丝的回缩力会迫使超细铜丝一端沿一个方向弯曲，随着同方向弯曲不断增加纤维电容器最终形成三维螺旋卷曲的形态结构，这种结构可以在弹性丝的基础上使纤维电容器具有更优的弹性。

图2为纤维电容器的结构示意图，固化后的绝缘粘合剂会将高弹性导电连续长丝与低弹性导电连续长丝牢牢粘合在一起，并且它们间隙间的粘合剂会形成良好的介电层，而包覆在它们外表面的粘合剂会形成可靠的绝缘层。

图3为本实施例制得的纤维电容器的结构示意图，超细铜丝与聚烯烃导电丝形成直线型纤维电容器。

实施例2：

(1)将1根直径为50um的植有碳纳米管导电层的聚烯烃丝以3倍长度的拉伸效果进行拉伸张紧；

(2)将经拉伸张紧的的聚烯烃丝与1根未经拉伸的伸直的30um超细铜丝以相间排列的空间位置关系排好，它们之间的间隙为5um；

(3)将步骤(2)获得的聚烯烃丝和超细铜丝匀速通过盛有溶剂型绝缘粘合剂的容器，使粘合剂均匀附着包覆在丝上，始终保持其长度不发生变化；

(4)等待粘合剂完全固化后，逐渐去除聚烯烃丝的张力，让粘合后的丝匀速缓慢回缩，逐渐减小直至消除预先施加的拉伸张紧张力，制备出纤维电容器。

图4为本实施例制得的纤维电容器的结构示意图，超细铜丝与聚烯烃导电丝形成螺旋型纤维电容器。

实施例3：

带碳纳米管导电层的聚烯烃丝数量为2根，2根聚烯烃丝与超细铜丝的空间位置排列为一字型并排相间排列，聚烯烃丝的拉伸效果为5倍长度的拉伸张紧，其他实施方法与实施例2相同，制备出纤维电容器。

图5为本实施例制得的纤维电容器的结构示意图，超细铜丝被两根聚烯烃导电丝夹在中间，聚烯烃丝数量的增加提高了回缩力，相比实施例2的纤维电容器的螺距变小，弹性有所提高。

图6为本实施例制得的纤维电容器的弹性回复率的变化与拉伸次数之间的关系曲线，在定伸长率为35%的拉伸下反复拉伸复合纤维电容器1000次，纤维电容器能保持100%的弹性回复率。

图7为本实施例制得的纤维电容器的电容的变化与拉伸次数之间的关系曲线，该纤维电容器在经受100次拉伸后电容仍然稳定在初始电容54.2uf左右，电容仅有0.1uf的波动。

图8为本实施例制得的纤维电容器的电容的变化与拉伸应变之间的关系曲线，该纤维电容器在拉伸应变0-40%的作用下，电容由54.2uf增大到54.4uf，仅变化了0.3%。

图9为本实施例制得的纤维电容器在20次水洗中电容的变化情况,该纤维电容器在20次水洗过程中，电容由54.2uf增大到54.3uf，仅变化了0.2%。无电容失效现象。

实施例4：

前期选材和步骤方法与实施例3相同，两种导电丝的空间位置关系为三角垒叠，绝缘粘合剂快速固化后，以纵向长度三等分点为分段点，分段旋转诱导和分段去除高弹性导电连续长丝的张力，制备出纤维电容器。

图6为实施例制得的纤维电容器的结构示意图，超细铜丝与聚烯烃导电丝形成s形走向螺旋方向可变的螺旋型纤维电容器。

本发明的纤维电容器的制备方法，可快速制备出兼备优异弹性、耐洗性及电容稳定性的二维或三维多旋向独特螺旋或立体结构纤维电容器，极大简化了生产工序，显著降低生产成本，在0-40%应变拉伸中电容变化率小于0.3%，在35%应变下反复拉伸1000次后弹性回复率能保持100%，解决了生产纤维电容器过程中直径大、电容不稳定、弹性差的技术难点。本发明应用于智能穿戴、医疗卫生、体育等领域且有望实现工业化生产。

在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以用相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。