[发明专利]一种纤维材料、纤维凝胶、具有超弹性和抗冻性的可拉伸导电复合纤维及其制备方法

说明书

本发明提供了一种纤维材料，所述纤维材料为聚丙烯酸盐纤维。本发明设计了一种聚丙烯酸盐纤维材料，该纤维材料不采用任何交联剂交联形成，不通过化学交联，是一种仅仅通过聚丙烯酸盐物理交联而得到的纤维材料。更以此为基础，得到了一种表面具有疏水层的具有核‑壳结构的皮芯型复合导电水凝胶纤维。本发明设计的该复合导电水凝胶纤维，具有可拉伸至初始长度十倍的优异弹性，并且具有良好的导电性，在低温下仍具备弹性和导电性；所用材料为大规模生产的化工原料，廉价易得；而且制备方法简易，将原料在水和有机溶剂中加热溶解后，直接在室温下牵引，即可得到纤维，再通过简单浸泡的方法在纤维表面覆盖疏水层即可，适合大规模工业生产。

技术领域

本发明涉及导电纤维材料技术领域，涉及一种纤维材料、纤维凝胶、复合纤维及其制备方法，尤其涉及一种纤维材料、纤维凝胶、具有超弹性和抗冻性的可拉伸导电的复合纤维及其制备方法。

背景技术

导电纤维，通常是指标准状态(20℃、65％相对湿度)下，比电阻在10⁷Ω·cm以下的纤维，按导电成分划分导电纤维主要分为4种:金属纤维、炭黑系纤维、导电型金属化合物纤维和导电高分子型纤维。尤其是随着近些年智能生活概念的蓬勃发展，具有可拉伸性能的导电纤维是制造可穿戴电子器件的重要组成部分，其作为功能性材料，在柔性电子器件、智能可穿戴设备领域具有非常重要的应用价值，需求也越来越大。目前，可拉伸导电材料的主要问题是如何使导电材料具有柔性，并保持良好的导电性。可拉伸导电材料主要有两种应用形式：二维的可拉伸平面导电材料，一维的可拉伸导电纤维。由于基于纤维的纺织技术非常成熟，可拉伸导电纤维更易于应用于制造可穿戴电子设备上，可应用面更广。

可拉伸导电纤维的关键在于可拉伸导电材料的设计和制备上，现有的可拉伸导电纤维制备方法主要有两种：(1)将金属或炭黑材料与橡胶等弹性材料复合；(2)将导电高分子与柔性高分子复合。常用的金属、碳材料(包括炭黑、碳纳米管等)，虽然具有较好的强度、优异的导电性，但缺乏弹性，将导电材料细丝缠绕于弹性体上，从而得到可拉伸的导电纤维，如将金属或炭黑材料与橡胶等弹性材料复合，但是制备工艺较为繁琐，成本高而且纤维较粗，通常在几百微米以上，而且纤维拉伸率较低，在拉伸过程中伴随着电导率的大幅下降。如Lee S等人公开的“Ag nanowire reinforced highly stretchable conductivefibers for wearable electronics”一文中指出，将银纳米线和聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯橡胶体混合通过湿法纺丝得到含有银纳米线的SBS纤维，之后通过反复的吸收和还原银前体溶液，在纤维表面和内部形成银纳米粒子，其最终得到的纤维导电率高达2450S/cm，但在拉伸到100％时导电率降至原来的4.4％。Yang Z等人公开的“A highly stretchable,fiber-shaped supercapacitor”一文中也指出了基于碳纳米管的复合材料。将排列整齐的碳纳米管以及弹性纤维，可拉伸的凝胶电解质复合，形成了超级电容器。其中由于碳纳米管的使用为材料提供了高导性，强度，以及稳定的机械性能，热稳定性；橡胶则给了材料以拉伸稳定性。在经过100次拉伸至75％后，保持电容值为18F/g。纤维本身较粗，且拉伸率不高。

另外，也可以将导电高分子与柔性高分子复合，使复合材料具备良好导电性并具备一定的可拉伸性，但也存在制备工艺复杂，成本较高，而且在拉伸后纤维的电导率会大幅下降，并且这种导电高分子与柔性高分子的复合材料不具有抗冻性。如Yao B等人公开的“Ultrahigh-Conductivity Polymer Hydrogels with Arbitrary Structures”一文中，将商业化的PEDOT:PSS悬浊液置H₂SO₄中，放于模具中90℃加热得到导电纤维。最终其固含量为0.78wt％，导电率可达46S/m。若是将硫酸换成浓硫酸，提高固含量至4wt％，导电率可以高达880S/m。含水状态下具有一定的弹性，当将纤维晾干后，强度会大幅上升，但可拉伸率只能到达15％。