一種彈性導電納米纖維紗及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種高彈性導電纖維紗的連續制備方法及應用。所述的導電納米纖維紗由碳納米管和TPU彈性納米纖維紗組成。本發明專利技術首先利用靜電紡絲裝置，并采用水浴收集，制備出連續的TPU彈性納米纖維紗。為賦予該納米纖維紗導電性，先通過超聲吸附的方式先使纖維紗吸附羧基化的MWNTs然后再吸附未改性的SWNTs。兩種碳管與基底以及兩種碳管之間能夠發生相互作用，從而制備出連續的且具有高導電性的彈性納米纖維紗。該彈性紗比單獨吸附MWNTs和SWNTs所制備的纖維紗具有更高的導電性能。該紗線具有高彈性、高導電性、可拉伸性，線性可編織等特點，在可穿戴電子器件方面大潛在應用，同時在電磁屏蔽、抗靜電、傳感器、柔性能源器件等領域有光明的應用前景。

Elastic conductive nano fiber yarn and preparation method thereof

The invention relates to a continuous preparation method and application of a high elastic conductive fiber yarn. The conductive nano fiber yarn is composed of carbon nanotubes and TPU elastic nanofiber yarns. The invention uses the electrostatic spinning device and adopts the water bath collection to prepare the continuous TPU elastic nano fiber yarn. In order to endow the nanofiber yarn with electrical conductivity, MWNTs was firstly adsorbed onto the fiber yarn by means of ultrasonic adsorption, and then the modified SWNTs was adsorbed. Two kinds of carbon tubes and substrate and the interaction between the two kinds of carbon tubes can be produced, so as to produce a continuous and highly conductive elastic nanofiber yarn. The elastic yarn has higher conductivity than the fiber yarn prepared by MWNTs and SWNTs alone. The yarn has high elasticity, high conductivity, tensile strength, linear weaving characteristics in wearable electronic devices of large potential applications, and have potential applications in the electromagnetic shielding, antistatic, sensor, flexible energy devices and other fields.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于柔性電極制備技術，具體涉及一種彈性導電納米紗紡紗裝置和一種彈性導電納米纖維紗及其制備方法。
技術介紹
隨著科學技術的發展，電子器件的發展趨勢是小型化和柔性化，而近年來，小型的纖維狀電子器件受到了科學界和工業界的廣泛關注并得到快速發展，許多纖維狀的電子器件已經被制備出來，包括超級電容器、太陽能電池、有機發光二極管場效應晶體管、傳感器等，同時在抗靜電紡織品、防爆和電磁屏蔽等方面得到了廣泛的應用。聚合物導電纖維材料中的有效導電通道在外界條件刺激下能夠快速可逆響應，具有微型、智能、多功能傳感特別是實時原位監測等優勢，加上制備導電復合纖維成本低、導電復合纖維柔順性好、可編織，在多功能傳感器和材料損傷自監測等方面有光明的應用前景。靜電紡絲是一種新型的制備納米級纖維的紡絲技術，因其制造裝置簡單、紡絲成本低廉、可紡的聚合物物質種類多、工藝可控等優點，已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。以聚合物溶液等為紡絲液可以制備得到直徑從數納米到數百納米的纖維，同時通過改變接收裝置，可以獲得納米纖維氈、管狀結構、可卷繞納米纖維紗等不同狀態的產品。碳納米管(本專利采用未改性SWNTs和羧基化MWNTs)，自從1991年被發現以來，其獨特的分子結構決定了它具有一些優異的性能，如：超強的力學性能、極高的化學和熱穩定性、良好的導電和光電性能及獨特的一維納米結構等所特有的納米效應等。碳納米管纖維因具有優異的導電性和高強度，常被作為基底利用浸漬聚合物溶液的方法與聚合物復合制備具有彈性的導電纖維，然而碳納米管纖維制備工藝復雜，成本較高，不可連續化生產，因而制約其應用的拓展。因此，學者們也在努力繼續研究如何有效地發揮碳納米管優異性能的同時，實現其連續化和產業化的發展。本專利技術就是利用靜電紡絲的方法制備連續的聚合物納米纖維紗，同時采用連續超聲的方法先后吸附MWNTs和SWNTs，制備出高導電且具有彈性的復合納米纖維紗。該高彈導電納米纖維紗以靜電紡絲聚合物纖維紗為基底，具有質輕、價格低廉的特點，同時采用粉體碳納米管，導電性較好，成本較低，可大規模生產，二者復合后所制備的納米纖維紗不僅具有良好的柔性、導電性且具有穩定的應變傳感效應，有望應用于微型電子器件、超輕薄型功能紡織品、智能紡織品等。
技術實現思路
為了解決上述問題，本專利技術在于提供一種彈性導電納米紗紡紗裝置和一種彈性導電納米纖維紗及其制備方法。一種彈性導電納米纖維紗裝置，包括高壓電源、噴射裝置、水浴接收裝置、超聲裝置、清洗裝置、加熱裝置、卷繞收集裝置和五個導絲輥；其中，高壓電源連接噴射裝置的噴絲頭，噴射裝置高度可調，噴射裝置的噴絲頭到水浴接收裝置內壁的水平距離控制在2～10cm，垂直距離控制在5～30cm，水浴接收裝置位于噴射裝置的下方；超聲裝置中包括兩個超聲機，每個超聲機里分別固定一個玻璃彎管，分別盛放MWNTs水分散液和SWNTs水分散液，清洗裝置中盛有去離子水，清洗裝置中盛有去離子水，加熱裝置為紅外加熱裝置；導絲輥包括第一導絲輥、第二導絲輥、第三導絲輥、第四導絲輥和第五導絲輥,第一導絲輥位于水浴接收裝置和超聲裝置之間，第二導絲輥位于超聲裝置的兩個超聲機之間，第三導絲輥位于超聲裝置和清洗裝置之間，第四導絲輥位于清洗裝置和加熱裝置之間，第五導絲輥位于加熱裝置和卷繞收集裝置之間，五個導絲輥的轉速與卷繞收集裝置的轉速相同。一種彈性導電納米纖維紗，該納米纖維紗由至少兩根直徑在500nm～1000nm的熱塑性聚氨酯電紡纖維集束而成，纖維表面吸附有MWNTs和SWNTs，能構成穩定的導電網絡，電導率可達10～50S/cm，具有高彈性，斷裂伸長率在400％～700％之間，具有良好的拉伸性能和靈敏的應變響應效應。本專利技術還公開了彈性導電納米纖維紗的制備方法，包括下述步驟：1)制備紡絲溶液稱取5～8g的熱塑性聚氨酯(TPU)粒料置于容量為50ml的燒杯中，依次加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氫呋喃(THF)，采用磁力攪拌器攪拌，使TPU均勻溶解于DMF和THF中，得到均勻可紡的紡絲溶液，紡絲溶液中TPU的質量份數范圍為20％～30％，DMF的質量分數范圍為30％～50％，THF的質量分數范圍為30％～50％；2)制備碳納米管分散液采用表面活性劑十二烷基硫酸鈉作為分散劑(SDS)，將未改性的單壁碳納米管(SWNTs)和SDS加入去離子水中，通過細胞粉碎機超聲分散0.5～2小時，得到分散均勻的未改性的SWNTs水分散液；SWNTs水分散液中SDS的質量份數為0.5％～1.5％，SWNTs的質量分數為0.02％～0.07％；將羧基化的多壁碳納米管(MWNTs)和SDS加入去離子水中，通過細胞粉碎機超聲分散0.5～1小時，得到分散均勻的羧基化的MWNTs水分散液；MWNTs水分散液中SDS的質量份數為0.1％～1％，MWNTs的質量分數為0.05％～0.2％；3)制備連續的TPU納米纖維紗采用彈性導電納米纖維紗裝置制備連續的TPU納米纖維紗；將步驟制備得到的紡絲液倒入噴射裝置的儲液器中，將200～300g的去離子水置于水浴接收裝置中，啟動高壓電源，從噴射裝置的噴絲頭噴出的紡絲液，經過高壓靜電場的作用，在水浴接收裝置的水浴表面形成無規的納米纖維，然后無規的納米纖維在第一導絲輥的牽引作用下，經過水浴的集束作用后形成直徑為50-100μm，長度大于1m的納米纖維紗；4)制備導電納米纖維紗將步驟(3)獲得的納米纖維紗在第一導絲輥的牽引作用下通入超聲裝置中的MWNTs水分散液中，超聲功率250W，MWNTs水分散液溫度為25～40℃，在超聲作用下，使MWNTs吸附于納米纖維紗上；吸附有MWNTs的納米纖維紗在第二導絲輥的牽引作用下，通入超聲裝置中的SWNTs水分散液中，超聲功率250W，SWNTs水分散液溫度為25～40℃，在超聲作用下，使SWNTs也吸附在納米纖維紗上，得到吸附有MWNTs和SWNTs的納米纖維紗；吸附有MWNTs和SWNTs的納米纖維紗在第三導絲輥的牽引作用下，通入清洗裝置，經去離子水的清洗后，在第四導絲輥的牽引作用下，通入紅外加熱裝置中，紅外加熱裝置內的溫度控制在50℃，干燥后，在第五導絲輥的牽引作用下與卷繞收集裝置相連，將彈性導電納米纖維紗卷繞在卷繞收集裝置上，卷繞收集裝置的轉速為1m/min。進一步，步驟1)中，所述的TPU，密度為1.12g/m3；DMF為分析純，含量≥99.5％，所述的THF為分析純，含量≥90％；所述的磁力攪拌器的攪拌速度控制在80～100r/min，攪拌時間控制在2.5h～5h，燒杯中溶液的溫度控制在20～25℃。進一步，步驟1)中，DMF與THF的最優體積比為1:1，紡絲溶液中TPU的質量份數控制在24％-25％較優。進一步，步驟2)中，m(SWNTs)：m(SDS)：m(H2O)的最優比為1:20:2000。進一步，步驟2)中，m(MWNTs)：m(SDS)：m(H2O)的最優比為1:10:1000。進一步，步驟2)中，所采用的表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)為化學純，白度60％；SWNTs為高純單壁碳納米管；MWNTs為高純多壁碳納米管；進一步，所述步驟3)中，高壓電源提供的噴射電壓為15～30kV，噴絲頭內徑為0.2～1mm，從噴絲本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種彈性導電納米纖維紗裝置，其特征在于，包括高壓電源（1）、噴射裝置（2）、水浴接收裝置（3）、超聲裝置（4）、清洗裝置（5）、加熱裝置（6）、卷繞收集裝置（7）和五個導絲輥；其中，高壓電源（1）連接噴射裝置（2）的噴絲頭（8），噴射裝置（2）高度可調，噴射裝置（2）的噴絲頭（8）到水浴接收裝置（3）內壁的水平距離控制在2~10cm，垂直距離控制在5~30cm，水浴接收裝置（3）位于噴射裝置（2）的下方；超聲裝置（4）中包括兩個超聲機，超聲機里分別固定玻璃彎管（14）和玻璃彎管（15），玻璃彎管（14）中盛放MWNTs水分散液，玻璃彎管（15）中盛放SWNTs水分散液，清洗裝置（5）中盛有去離子水，加熱裝置（6）為紅外加熱裝置；導絲輥包括第一導絲輥（9）、第二導絲輥（10）、第三導絲輥(11)、第四導絲輥(12)和第五導絲輥(13),第一導絲輥（9）位于水浴接收裝置（3）和超聲裝置（4）之間，第二導絲輥（10）位于超聲裝置（4）的兩個超聲機之間，第三導絲輥(11)位于超聲裝置（4）和清洗裝置（5）之間，第四導絲輥(12)位于清洗裝置（5）和加熱裝置（6）之間，第五導絲輥(13)位于加熱裝置（6）和卷繞收集裝置（7）之間，五個導絲輥的轉速與卷繞收集裝置（7）的轉速相同。...

【技術特征摘要】
1.一種彈性導電納米纖維紗裝置，其特征在于，包括高壓電源（1）、噴射裝置（2）、水浴接收裝置（3）、超聲裝置（4）、清洗裝置（5）、加熱裝置（6）、卷繞收集裝置（7）和五個導絲輥；其中，高壓電源（1）連接噴射裝置（2）的噴絲頭（8），噴射裝置（2）高度可調，噴射裝置（2）的噴絲頭（8）到水浴接收裝置（3）內壁的水平距離控制在2~10cm，垂直距離控制在5~30cm，水浴接收裝置（3）位于噴射裝置（2）的下方；超聲裝置（4）中包括兩個超聲機，超聲機里分別固定玻璃彎管（14）和玻璃彎管（15），玻璃彎管（14）中盛放MWNTs水分散液，玻璃彎管（15）中盛放SWNTs水分散液，清洗裝置（5）中盛有去離子水，加熱裝置（6）為紅外加熱裝置；導絲輥包括第一導絲輥（9）、第二導絲輥（10）、第三導絲輥(11)、第四導絲輥(12)和第五導絲輥(13),第一導絲輥（9）位于水浴接收裝置（3）和超聲裝置（4）之間，第二導絲輥（10）位于超聲裝置（4）的兩個超聲機之間，第三導絲輥(11)位于超聲裝置（4）和清洗裝置（5）之間，第四導絲輥(12)位于清洗裝置（5）和加熱裝置（6）之間，第五導絲輥(13)位于加熱裝置（6）和卷繞收集裝置（7）之間，五個導絲輥的轉速與卷繞收集裝置（7）的轉速相同。2.一種彈性導電納米纖維紗，其特征在于，該納米纖維紗由至少兩根直徑在500nm~1000nm的熱塑性聚氨酯電紡纖維集束而成，纖維表面吸附有MWNTs和SWNTs，構成穩定的導電網絡，且電導率在10~50S/cm，斷裂伸長率在400%~700%之間。3.一種如權利要求2所述的彈性導電納米纖維紗的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：1）制備紡絲溶液稱取5~8g的熱塑性聚氨酯（TPU）粒料置于容量為50ml的燒杯中，依次加入N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和四氫呋喃（THF），采用磁力攪拌器攪拌，使TPU均勻溶解于DMF和THF中，得到均勻可紡的紡絲溶液，紡絲溶液中TPU的質量份數范圍為20%~30%，DMF的質量分數范圍為30%~50%，THF的質量分數范圍為30%~50%；2）制備碳納米管分散液采用表面活性劑十二烷基硫酸鈉作為分散劑（SDS），將未改性的單壁碳納米管（SWNTs）和SDS加入去離子水中，通過細胞粉碎機超聲分散0.5~2小時，得到分散均勻的未改性的SWNTs水分散液；SWNTs水分散液中SDS的質量份數為0.5%~1.5%，SWNTs的質量分數為0.02%~0.07%；將羧基化的多壁碳納米管（MWNTs）和SDS加入去離子水中，通過細胞粉碎機超聲分散0.5~1小時，得到分散均勻的羧基化的MWNTs水分散液；MWNTs水分散液中SDS的質量份數為0.1%~1%，MWNTs的質量分數為0.05%~0.2%；3）制備連續的TPU納米纖維紗采用如權利要求1所述的彈性導電納米纖維紗裝置制備連續的TPU納米纖維紗；將步...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭國強，李亞紅，白冉，代坤，王波，阮春蕾，劉春太，
申請(專利權)人：鄭州大學，
類型：發明
國別省市：河南;41