導電纖維及其制備方法，電容式壓力傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種導電纖維的制備方法，包括：將聚苯乙烯?丁二烯?苯乙烯溶于有機溶劑后，利用纖維包覆裝置包覆在合成纖維上，得到包覆有聚苯乙烯?丁二烯?苯乙烯的合成纖維；將包覆有聚苯乙烯?丁二烯?苯乙烯的合成纖維在銅源溶液中浸泡后蒸干，蒸干產物置于還原溶液中，通過還原作用將吸附在聚苯乙烯?丁二烯?苯乙烯中的銅離子還原成銅納米顆粒后，清洗并冷凍干燥以得到導電纖維。本發明成功解決了在特定纖維上沉積效率低的問題。同時，這種制備方法還原的銅納米顆粒具有良好的導電性能，并與原有的銀納米顆粒相比較，其制備成本低，有利于推廣生產。
【專利說明】
導電纖維及其制備方法，電容式壓力傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及化學鍍銅領域，更具體地說，涉及一種導電纖維及其制備方法，電容式壓力傳感器及其制備方法。
【【背景技術】】
[0002]近年來，隨著柔性電子學的發展，輕、薄、柔的便攜式、可折疊、可穿戴的柔彈性器件備受國內外研究者們的關注，逐漸成為當前重要的前沿研究領域。其中又以電子紡織品最為受到大家的歡迎，電子紡織品指的是各種電子元器件如傳感器、能量存儲設備、場效應管等被集成到纖維織物上而構成的具有一定功能的可穿戴設備。以紡織物為載體的壓力傳感器的應用已經被大量的探索，通過將傳感器整合到衣服和床上用品中，這樣就可以診斷病情、監控病人以及檢測人體的運動。
[0003]為了實現高性能的壓力傳感器，電容式、壓阻式、壓電式、光學壓力傳感器已經被大量的研究。在上述的各種傳感器中，電容式壓力傳感器具有一些其他傳感器所不具備的優點，如設計簡單、反應靈敏度高、穩定性好以及耗能少。以紡織物為基礎的電容式壓力傳感器通常是用兩個兼容的導電織物作為電極板，并且在兩電極之間通常用泡沫、織物襯底和柔軟的聚合物隔開達到絕緣的效果。雖然，大面積的織物壓力傳感器已經被制造出來了，但是它仍然存在一些缺點如彈性恢復差、信號漂移、敏感性差以及介電聚合物層機械性能差。
[0004]為了解決這些問題，人們提出了各種各樣的方法來合成導電纖維，如在纖維織物上浸涂炭基材料、電鍍以及化學鍍的方法。然而，這些方法無一例外都無法同時滿足導電纖維的良好導電性和穩定性。通過電鍍和化學鍍獲得的金屬基導電纖維具有優異的導電性，但是纖維的穩定性差。用浸涂工藝得到的炭基導電纖維也存在這樣的問題。最近，通過在纖維上用化學還原的方法還原出鋁納米顆粒從而制備出導電纖維。這種方法合成的導電纖維既可以得到良好的導電性能還可以保證其穩定性，但是這種方法存在的問題是對于特定的聚合物纖維其表面沒有官能團去連接金屬前驅體，因此在特定纖維上沉積金屬納米顆粒的效率比較低。
【
【發明內容】
】
[0005]本發明提供了一種導電纖維及其制備方法，電容式壓力傳感器及其制備方法，解決了在特定纖維上沉積銅納米顆粒效率低的問題。
[0006]第一方面，本發明提供了一種導電纖維的制備方法，所述制備方法包括:
[0007]步驟S1:將聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有機溶劑后，利用纖維包覆裝置包覆在合成纖維上，得到包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維；
[0008]步驟S2:將包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維在銅源溶液中浸泡后蒸干，蒸干產物置于還原溶液中，通過還原作用將吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的銅離子還原成銅納米顆粒后，清洗并冷凍干燥以得到導電纖維。
[0009]優選地，所述步驟SI包括:
[0010]制備聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液，將固體聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有機溶劑，得到聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液，所述有機溶劑為四氫呋喃和N，N-二甲基甲酰胺且兩者的質量比范圍為4:1-3:1 ；
[0011]在長度為20-30cm的合成纖維上懸掛質量為200-500g的砝碼，使合成纖維垂直于地面；
[0012]取1mL聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液置于纖維包覆裝置中，調節纖維包覆裝置的旋鈕使聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液沿著合成纖維的流動速度為1.8-2.2mL/s。
[0013]優選地，所述步驟S2包括:
[0014]制備還原溶液，將乙醇和水合肼溶于去離子水中得到還原溶液；
[0015]制備銅源溶液，將三氟醋酸銅溶解于乙醇得到銅源溶液，三氟醋酸銅和乙醇的質量比為3:17-1:4;
[0016]將包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維在銅源溶液中浸泡30-45min后，置于空氣中5-1Omin蒸干；
[0017]將蒸干后的包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維置于還原溶液中，通過水合肼的還原作用將吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的銅離子還原成銅納米顆粒；
[0018]用去離子水清洗還原后的合成纖維，去除合成纖維表面殘留的還原劑，將所得的合成纖維進行冷凍干燥以得到導電纖維。
[0019]優選地，所述合成纖維為凱夫拉纖維。
[0020]第二方面，本發明提供了導電纖維，使用上述任意一項所述的制備方法制備得到。[0021 ]第三方面，本發明提供了一種電容式壓力傳感器的制備方法，所述制備方法包括:
[0022]制備介電層溶液，將底膠和凝固劑混合得到聚二甲基硅氧烷溶液作為介電層溶液；
[0023]利用纖維包覆裝置將介電層溶液包覆在導電纖維上；
[0024]將包覆有聚二甲基硅氧烷的導電纖維在真空烘箱中烘干；
[0025]將兩根烘干后的包覆有聚二甲基硅氧烷的導電纖維互相垂直的堆疊封裝在PET薄膜中以得到電容式壓力傳感器。
[0026]優選地，所述導電纖維的制備方法包括:
[0027]將聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有機溶劑后，利用纖維包覆裝置包覆在合成纖維上，得到包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維；
[0028]將包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維在銅源溶液中浸泡后蒸干，蒸干產物置于還原溶液中，通過還原作用將吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的銅離子還原成銅納米顆粒后，清洗并冷凍干燥以得到導電纖維。
[0029]優選地，利用纖維包覆裝置將介電層溶液包覆在導電纖維上的步驟包括:
[°03°] 在長度為20_30cm的導電纖維上懸掛質量為200_500g的砝碼，使導電纖維垂直于地面；
[0031]取1mL聚二甲基硅氧烷溶液置于纖維包覆裝置中，調節纖維包覆裝置的旋鈕使聚二甲基硅氧烷溶液沿著導電纖維的流動速度為0.8-1.5mL/s。
[0032]優選地，所述真空烘箱的溫度為50-80°C，烘干時間為30-60min。
[0033]第四方面，本發明提供了一種電容式壓力傳感器，使用上述任意一項所述的制備方法制備得到。
[0034]本發明通過在合成纖維上先包覆一層聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物，再將銅納米顆粒還原在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物上來制備導電纖維，成功的解決了在特定纖維上沉積效率低的問題。同時，這種制備方法還原的銅納米顆粒具有良好的導電性能，并與原有的銀納米顆粒相比較，其制備成本低，有利于推廣生產。
【【具體實施方式】】
[0035]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例，對本發明的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0036]本發明提供一種導電纖維及其制備方法;本發明還提供一種使用該導電纖維制備的電容式壓力傳感器，及該電容式壓力傳感器的制備方法。
[0037]下面以實施例1-2—并詳細闡述該導電纖維及電容式壓力傳感器的制備過程。
[0038]實施例1
[0039]1.制備導電纖維
[0040]具體制備方法如下:
[0041 ] 在合成纖維上包覆聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS):
[0042](I)分別稱取40g THT(四氫呋喃)和1g DMF(N，N_二甲基甲酰胺)置于同一個燒杯，再稱取1.5gSBS倒入混有THT和DMF的溶液中使之溶解，得到SBS溶液；
[0043](2)在長度為25cm的凱夫拉纖維上懸掛質量為300g的砝碼，從而使凱夫拉纖維垂直于地面；
[0044](3)取1mL的SBS溶液置于纖維包覆裝置中，調節旋鈕使之沿著凱夫拉纖維的流動速度為2mL/s，以得到包覆有SBS的凱夫拉纖維。
[0045]還原銅納米顆粒:
[0046](I)制備還原溶液:分別量取25mL乙醇和25mL去離子水，使之混合均勻，再量取50mL的水合肼倒入其中得到還原溶液；
[0047](2)制備銅源溶液:稱取15g Cu(CF3COO)2.H2O溶解于85g乙醇中得到銅源溶液；
[0048](3)將包覆有SBS的凱夫拉纖維靜置5min后，將其浸泡在銅源溶液中30min;
[0049](4)將浸泡后的包覆有SBS的凱夫拉纖維取出置于空氣中5min使之蒸干；
[0050](5)將蒸干后的凱夫拉纖維置于還原溶液中，通過水合肼的還原作用將吸附在SBS中的銅離子還原成銅納米顆粒；
[0051](6)5min后，用去離子水清洗上述還原后的凱夫拉纖維3次，使得凱夫拉纖維表面殘留的還原劑被去除干凈，之后將所得的凱夫拉纖維進行冷凍干燥以得到導電纖維。
[0052]本方法制備的銅納米粉純度高，顆粒尺寸均勻，由于表面包裹有分散劑，不會被氧化，使得制備得到的銅納米粉在大氣環境的條件下即可進行鍍銀，不需要預處理，簡化了鍍銀工藝。同時，該銅納米粉通過水合肼還原法制備得到，水溶液反應體系降低了銅納米粉的制備成本。
[0053]2.制備電容式壓力傳感器
[0054]利用步驟I中制備得到的導電纖維為原料，制備電容式壓力傳感器，具體制備方法如下:
[0055]制備介電層溶液:將康寧184底膠5OmL和凝固劑I OmL混合得到聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液作為介電層溶液。
[0056]利用纖維包覆裝置將PDMS溶液包覆在上述步驟I中得到的導電纖維上:在長度為25cm的導電纖維上懸掛質量為300g的砝碼，使導電纖維垂直于地面;取1mLPDMS溶液置于纖維包覆裝置中，調節纖維包覆裝置的旋鈕使PDMS溶液沿著導電纖維的流動速度為lmL/s。
[0057]在30min后，將包覆有PDMS的導電纖維置于60°C的真空烘箱中45min。
[0058]將兩根烘干后的包覆有PDMS的導電纖維互相垂直的堆疊封裝在PET薄膜中以得到電容式壓力傳感器。
[0059]該方法采用環保型試劑檸檬酸鈉作為多功能試劑，以及使用硝酸銀作為銀源，沒有添加其他分散劑、絡合劑、還原劑等試劑，簡化合成工藝，保護環境。
[0060]實施例2
[0061 ] 1.制備導電纖維
[0062]具體制備方法如下:
[0063]在合成纖維上包覆聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS):
[0064](I)分別稱取28.5g THT(四氫呋喃)和9.5g DMF(N，N_二甲基甲酰胺)置于同一個燒杯，再稱取2gSBS倒入混有THT和DMF的溶液中使之溶解，得到SBS溶液；
[0065](2)在長度為30cm的凱夫拉纖維上懸掛質量為400g的砝碼，從而使凱夫拉纖維垂直于地面；
[0066](3)取1mL的SBS溶液置于纖維包覆裝置中，調節旋鈕使之沿著凱夫拉纖維的流動速度為1.9mL/s，以得到包覆有SBS的凱夫拉纖維。
[0067]還原銅納米顆粒:
[0068](I)制備還原溶液:分別量取25mL乙醇和25mL去離子水，使之混合均勻，再量取50mL的水合肼倒入其中得到還原溶液；
[0069](2)制備銅源溶液:稱取20g Cu(CF3COO)2.H2O溶解于80g乙醇中得到銅源溶液；
[0070](3)將包覆有SBS的凱夫拉纖維靜置8min后，將其浸泡在銅源溶液中45min;
[0071](4)將浸泡后的包覆有SBS的凱夫拉纖維取出置于空氣中8min使之蒸干；
[0072](5)將蒸干后的凱夫拉纖維置于還原溶液中，通過水合肼的還原作用將吸附在SBS中的銅離子還原成銅納米顆粒；
[0073](6)5min后，用去離子水清洗上述還原后的凱夫拉纖維3次，使得凱夫拉纖維表面殘留的還原劑被去除干凈，之后將所得的凱夫拉纖維進行冷凍干燥以得到導電纖維。
[0074]2.制備電容式壓力傳感器
[0075]利用步驟I中制備得到的導電纖維為原料，制備電容式壓力傳感器，具體制備方法如下:
[0076]制備介電層溶液:將康寧18 4底膠5 O m L和凝固劑1 m L混合得到聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液作為介電層溶液。
[0077]利用纖維包覆裝置將PDMS溶液包覆在上述步驟I中得到的導電纖維上:在長度為30cm的導電纖維上懸掛質量為400g的砝碼，使導電纖維垂直于地面;取1mLroMS溶液置于纖維包覆裝置中，調節纖維包覆裝置的旋鈕使PDMS溶液沿著導電纖維的流動速度為1.2mL/
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[0078]在30min后，將包覆有PDMS的導電纖維置于80°C的真空烘箱中30min。
[0079]將兩根烘干后的包覆有PDMS的導電纖維互相垂直的堆疊封裝在PET薄膜中以得到電容式壓力傳感器。
[0080]本發明通過在合成纖維上先包覆一層聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物，再將銅納米顆粒還原在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物上來制備導電纖維，成功的解決了在特定纖維上沉積效率低的問題。同時，這種制備方法還原的銅納米顆粒具有良好的導電性能，并與原有的銀納米顆粒相比較，其制備成本低，有利于推廣生產。
[0081]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種導電纖維的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括: 步驟S1:將聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有機溶劑后，利用纖維包覆裝置包覆在合成纖維上，得到包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維； 步驟S2:將包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維在銅源溶液中浸泡后蒸干，蒸干產物置于還原溶液中，通過還原作用將吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的銅離子還原成銅納米顆粒后，清洗并冷凍干燥以得到導電纖維。2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟SI包括: 制備聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液，將固體聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有機溶劑，得到聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液，所述有機溶劑為四氫呋喃和N，N-二甲基甲酰胺且兩者的質量比范圍為4:1-3:1; 在長度為20-30cm的合成纖維上懸掛質量為200-500g的砝碼，使合成纖維垂直于地面；取1mL聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液置于纖維包覆裝置中，調節纖維包覆裝置的旋鈕使聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶液沿著合成纖維的流動速度為1.8-2.2mL/s。3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S2包括: 制備還原溶液，將乙醇和水合肼溶于去離子水中得到還原溶液； 制備銅源溶液，將三氟醋酸銅溶解于乙醇得到銅源溶液，三氟醋酸銅和乙醇的質量比為3:17-1:4; 將包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維在銅源溶液中浸泡30-45min后，置于空氣中5-1 Omin蒸干； 將蒸干后的包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維置于還原溶液中，通過水合肼的還原作用將吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的銅離子還原成銅納米顆粒； 用去離子水清洗還原后的合成纖維，去除合成纖維表面殘留的還原劑，將所得的合成纖維進行冷凍干燥以得到導電纖維。4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，制備銅源溶液的步驟中，所述合成纖維為凱夫拉纖維。5.—種導電纖維，其特征在于，使用權利要求1-4中任意一項所述的制備方法制備得到。6.—種電容式壓力傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括: 制備介電層溶液，將底膠和凝固劑混合得到聚二甲基硅氧烷溶液作為介電層溶液； 利用纖維包覆裝置將介電層溶液包覆在導電纖維上； 將包覆有聚二甲基硅氧烷的導電纖維在真空烘箱中烘干； 將兩根烘干后的包覆有聚二甲基硅氧烷的導電纖維互相垂直的堆疊封裝在PET薄膜中以得到電容式壓力傳感器。7.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述導電纖維的制備方法包括: 將聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶于有機溶劑后，利用纖維包覆裝置包覆在合成纖維上，得到包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維； 將包覆有聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的合成纖維在銅源溶液中浸泡后蒸干，蒸干產物置于還原溶液中，通過還原作用將吸附在聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯中的銅離子還原成銅納米顆粒后，清洗并冷凍干燥以得到導電纖維。8.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，利用纖維包覆裝置將介電層溶液包覆在導電纖維上的步驟包括: 在長度為20-30cm的導電纖維上懸掛質量為200-500g的砝碼，使導電纖維垂直于地面；取1mL聚二甲基硅氧烷溶液置于纖維包覆裝置中，調節纖維包覆裝置的旋鈕使聚二甲基硅氧烷溶液沿著導電纖維的流動速度為0.8-1.5mL/s。9.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述真空烘箱的溫度為50-80°C，烘干時間為 30-60min。10.—種電容式壓力傳感器，其特征在于，使用權利要求6-9中任意一項所述的制備方法制備得到。
【文檔編號】G01L1/14GK105926277SQ201610373966
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】王斌, 馬乾力, 王丹
【申請人】深圳市微納集成電路與系統應用研究院