專利名稱：具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬?gòu)?fù)合纖維及其制備領(lǐng)域，特別是涉及具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的 復(fù)合纖維及其制備。
背景技術(shù)：
國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，我國(guó)正逐步進(jìn)入"老年型"社會(huì)。人口老齡化進(jìn)程的加快 以及各種慢性病在中青年人群中有蔓延的趨勢(shì)，人們健康意識(shí)和保健要求日益增強(qiáng)，所有 這一切都正在推動(dòng)醫(yī)療模式從以癥狀治療為中心向以預(yù)防為主、早診斷、早治療的模式轉(zhuǎn) 變。將醫(yī)療服務(wù)(如慢性病人監(jiān)測(cè)和疾病康復(fù)醫(yī)療等)延伸到社區(qū)醫(yī)生和家庭醫(yī)生，這帶 來了家庭和社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器的迅速發(fā)展?？纱┐魇降臒o(wú)線醫(yī)療監(jiān)護(hù)(healthcare)儀是此 類遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的中心組件，只要戴上輕巧腕表型或其它可穿戴式醫(yī)療儀器，居民在家里 就可以利用高頻率的無(wú)線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式，把相關(guān)的人體生理信號(hào)如心電圖(ECG)、 血氧飽和度(Sp02)和血壓等數(shù)據(jù)參數(shù)，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到醫(yī)院監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接 收信號(hào)后作出相應(yīng)緊急救護(hù)，達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。因此，能夠探測(cè)生理信號(hào)變化， 傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護(hù)控制儀器之間的信息，并做出保護(hù)性響應(yīng)或警示作用的柔性傳感器 件是重要的研究課題。
自1962年，第一個(gè)硅微壓力傳感器面世以來，微傳感器得到了迅速的發(fā)展。然而，大 多數(shù)傳感器是利用傳統(tǒng)的技術(shù)光刻、刻蝕、沉積等工藝在剛性襯底(如，硅、石英等) 上制作的，如， 一些面陣觸覺傳感器、諧振力傳感器、微型加速度傳感器以及真空微電子 傳感器等。人體生理信號(hào)常常可以歸為力學(xué)量感受，能將微小的壓力和溫度變化轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)的聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料，是制備柔性敏感器件的重要材料。聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料自身 具備應(yīng)變感應(yīng)功能，與以往使用嵌入式或粘貼式應(yīng)變傳感器的情況相比，意味著成本減少、 延展性提高、感應(yīng)體積增大而機(jī)械性質(zhì)卻基本不受損害。為此，這類對(duì)應(yīng)力作用具有敏感 電學(xué)性能響應(yīng)，即所謂"壓阻"、"壓電"的材料倍受關(guān)注，而這類材料在壓力傳感器和材料 損傷自監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用一直推動(dòng)著該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和進(jìn)程開發(fā)。近來出現(xiàn)一些添加了 聚合物成分的應(yīng)力傳感器。如公開號(hào)為CN 1845327A、 CN 101115982A和CN 101180525A 公開的應(yīng)力力傳感器的結(jié)構(gòu)和制作方法涉及微機(jī)械加工傳感器、應(yīng)變/壓力傳感器、多功 能傳感器。這些傳感器需要?jiǎng)傂曰w作為支撐物，聚合物作為電介質(zhì)材料或者壓電、壓阻 材料起作用，公開號(hào)為CN 1876705A公開了一種用于溫度和應(yīng)力傳感器的聚合物導(dǎo)電復(fù)合 材料的制備方法，在熱塑性樹脂基體中加入磁性導(dǎo)電填料得到的復(fù)合材料顯示正溫度系數(shù)，可用于制造新型應(yīng)力傳感器、扭矩傳感器。
然而，在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，可用于穿戴式醫(yī)療儀器的柔性敏感器件要求傳感器具有優(yōu)秀 的柔韌力學(xué)性能、高導(dǎo)電性、高彈性及良好的壓阻特性，并且能夠根據(jù)不同需要構(gòu)造出不 同形態(tài)。在天然纖維或合成纖維表面形成具有良好導(dǎo)電能力的導(dǎo)電粒子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高 彈性、高導(dǎo)電纖維的有效途徑。公開號(hào)為CN 87 1 04346 A的耐久性導(dǎo)電纖維的制造方法， 在聚丙烯腈纖維的工藝基礎(chǔ)上，利用聚丙烯腈初級(jí)溶脹纖維結(jié)構(gòu)疏松并存在大量微孔的特 點(diǎn)，浸漬在含有銅離子和硫離子的反應(yīng)浴中，是硫化銅嵌入纖維內(nèi)部，或沉積在纖維表面 層上；公開號(hào)為CN 1424455A， CN 1749476A和CN 1687511A也報(bào)道了在天然纖維和合成 纖維表面形成金屬，碳黑導(dǎo)電聚合物涂層的方法；美國(guó)專利US 6703123和US4716055公開 了在纖維表面涂敷金屬涂層制備導(dǎo)電纖維的方法；US 4061827公開了在纖維表面涂敷碳粒 的制備方法；英國(guó)專利(UK Patent Specification No. 1，417，394)公開了一種將導(dǎo)電組分碳 黑及金屬粉末滲透到合成纖維、織物外層的方法，通過增加增塑劑或改變溫度，使纖維、 織物外層結(jié)構(gòu)柔軟、疏松，便于導(dǎo)電粒子嵌入；美國(guó)專利US4061827用同樣的方法制備了 導(dǎo)電纖維織物，并公開了其電阻的零溫度系數(shù)及正溫度系數(shù)效應(yīng)。這些表面涂敷或嵌入的 導(dǎo)電纖維雖然導(dǎo)電性能得到提高，但使用過程中導(dǎo)電涂層容易脫落，并且當(dāng)纖維受外界應(yīng) 力作用時(shí)，碳黑、金屬等導(dǎo)電組分在纖維表面形成的連續(xù)相容易產(chǎn)生不可逆的破裂，這些 導(dǎo)電體系不具有高彈性及壓阻特性。適用于柔性傳感器敏感元件的導(dǎo)電纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其 連續(xù)化、高速化的生產(chǎn)的方法未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維 及其制備，該導(dǎo)電纖維具有導(dǎo)電率高、導(dǎo)電成分不易脫落、導(dǎo)電性能持久、彈性性能高和 手感柔軟等優(yōu)點(diǎn)；其制備工藝簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉，可連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)。
本發(fā)明的具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維，包括高彈性聚合物纖維和 導(dǎo)電粒子，其重量配比為高彈性聚合物纖維80 99份，導(dǎo)電粒子1 20份。
所述的高彈性聚合物纖維為聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚烯烴纖維或聚氨酯纖維。
所述的導(dǎo)電粒子為商品化的碳納米管(包括單壁碳納米管與多壁碳納米管)及其經(jīng)過 酸、氧化劑預(yù)處理后的碳納米管衍生物。
本發(fā)明的具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維的制備，包括在纖維的紡
絲成型工藝基礎(chǔ)上或在纖維后處理過程中，增加帶有超聲振動(dòng)的導(dǎo)電介質(zhì)浴，超聲功率為
50 100W，控制導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為0 100°C，利用超聲的輔助作用將濃度為1 30mg/mL
4的導(dǎo)電粒子在水或有機(jī)溶劑中分散均勻，控制纖維在有機(jī)溶劑中浸潤(rùn)時(shí)間為5 600s，利 用纖維在有溶劑溶脹后疏松結(jié)構(gòu)(如圖1)及導(dǎo)電粒子與纖維的強(qiáng)相互作用力，將導(dǎo)電粒 子嵌入纖維表層，或吸附在纖維表面，形成導(dǎo)電的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖2)。
所述的纖維為熔融紡、干法紡、濕法紡得到的單絲、復(fù)絲或靜電紡納米纖維。 所述的有機(jī)溶劑為水和濃度為1 10mg/mL的表面活性劑的混合物、四氫呋喃、二甲 基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、二氯乙烷、三氯甲垸、四氯化碳、二硫化碳中的 一種或幾種的混合溶劑。
所得的功能性導(dǎo)電纖維其體積電阻率范圍為10^ 1(^Q+cm—1，其斷裂伸長(zhǎng)為500% 1500%。
以此復(fù)合導(dǎo)電纖維通過針織、機(jī)織的方法編織成織物，構(gòu)筑應(yīng)力傳感器核心敏感元件， 并與電子元件相連，適用于對(duì)人體生理狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
利用聚合物纖維在溶劑中的溶脹后纖維疏松結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電粒子與聚合物纖維的強(qiáng)相互 作用力，使導(dǎo)電粒子嵌入纖維外層，或吸附在纖維表面。 有益效果
(1) 本發(fā)明所得導(dǎo)電纖維導(dǎo)電率高(如圖3)、彈性好(如圖4)、導(dǎo)電成分不易脫落、導(dǎo) 電性能持久、手感柔軟等優(yōu)點(diǎn)；
(2) 制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，并且適用于連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)；
(3) 此導(dǎo)電復(fù)合纖維具有顯著的應(yīng)力傳感性能，纖維電阻能夠隨外界對(duì)其施加的周期性 應(yīng)力變化而相應(yīng)發(fā)生周期性變化(如圖5)，以此復(fù)合纖維作為核心部件構(gòu)筑應(yīng)力傳感器件； 與電子元件相連，可用于對(duì)人體生理狀況(脈搏、心跳等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。


圖l溶劑處理后的聚氨酯纖維表面的掃描電鏡圖2碳納米管在聚氨酯纖維表面復(fù)合的掃描電鏡圖3處理時(shí)間對(duì)聚氨酯復(fù)合纖維電導(dǎo)率的影響；
圖4碳納米管含量對(duì)聚氨酯復(fù)合纖維斷裂伸長(zhǎng)的影響；
圖5聚氨酯復(fù)合導(dǎo)電纖維的電阻值隨施加應(yīng)力的變化。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而 不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定
5的范圍。
實(shí)施例1
將100mg多壁碳納米管加入到100ml四氫呋喃中，保持導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為0'C，用 100W超聲輔助分散，將高彈性聚烯烴纖維通過此碳納米管/四氫呋喃分散液，控制纖維 在溶劑中的浸潤(rùn)時(shí)間為5s，溶劑揮發(fā)后得到復(fù)合纖維，碳納米管在其中的質(zhì)量含量為1%， 復(fù)合纖維電阻率為10^Q—、cm—1，斷裂伸長(zhǎng)為500%。
實(shí)施例2
將100mg單壁碳納米管加入到100ml二甲基乙酰胺中，保持導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為IO(TC， 用50W超聲輔助分散，將高彈性聚酰胺纖維通過此碳納米管/二甲基乙酰胺分散液，控制 纖維在溶劑中的浸潤(rùn)時(shí)間為5s，溶劑揮發(fā)后得到復(fù)合纖維，碳納米管在其中的質(zhì)量含量為 1%，復(fù)合纖維的電阻率為1(^Q"'cm"，斷裂伸長(zhǎng)為500%。
實(shí)施例3
將100mg多壁碳納米管加入到100ml二氯乙垸中，保持導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為0。C，用50W 超聲輔助分散，將聚氨酯纖維通過此碳納米管/二氯乙垸分散液，控制纖維在溶劑中的浸 潤(rùn)時(shí)間為600s，溶劑揮發(fā)后得到復(fù)合纖維，碳納米管在其中的質(zhì)量含量為20%，復(fù)合纖維 電阻率為102Q—、m—1，斷裂伸長(zhǎng)為1500%。
實(shí)施例4
將3g多壁碳納米管加入到100ml水中，并使用100mg陰離子表面活性劑幫助碳納米 管分散，保持導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為4(TC，用50W超聲輔助分散，將高彈性聚酯纖維通過此 碳納米管/水分散液，控制纖維在溶劑中的浸潤(rùn)時(shí)間為10s，溶劑揮發(fā)后得到復(fù)合纖維， 碳納米管在其中的質(zhì)量含量為1%，復(fù)合纖維的電阻率為1(^Q—、m—1，斷裂伸長(zhǎng)為800%。
實(shí)施例5
將100mg多壁碳納米管加入到100ml四氫呋喃和二硫化碳的混合溶劑中(體積比為l : 2)，保持導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為0°C，用100W超聲輔助分散，將高彈性聚烯烴纖維通過此碳 納米管/四氫呋喃和二硫化碳混合溶劑分散液，控制纖維在溶劑中的浸潤(rùn)時(shí)間為300s，溶 劑揮發(fā)后得到復(fù)合纖維，碳納米管在其中的質(zhì)量含量為10%，復(fù)合纖維電阻率為 lO-iQ-^cm-1,斷裂伸長(zhǎng)為900%。
實(shí)施例6
將100mg單壁碳納米管加入到100ml二甲基甲酰胺和二甲亞砜混合溶劑中(體積比為 1 : 1)，保持導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為IO(TC，用IOOW超聲輔助分散，將高彈性聚酰胺纖維通過頁(yè)
此碳納米管/二甲基甲酰胺和二甲亞砜混合溶劑分散液，控制纖維在溶劑中的浸潤(rùn)時(shí)間為 5s，溶劑揮發(fā)后得到復(fù)合纖維，碳納米管在其中的質(zhì)量含量為1%，復(fù)合纖維的電阻率為 l(r2Q"'cm"，斷裂伸長(zhǎng)為800%。
實(shí)施例7
將100mg多壁碳納米管加入到100ml三氯甲垸和四氯化碳混合溶劑中(體積比為2 : 1)，保持導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為0'C，用50W超聲輔助分散，將高彈性聚氨酯纖維通過此碳納 米管/三氯甲烷和四氯化碳分散液，控制纖維在溶劑中的浸潤(rùn)時(shí)間為600s，溶劑揮發(fā)后得 到復(fù)合纖維，碳納米管在其中的質(zhì)量含量為20%，復(fù)合纖維電阻率為1(^Q+cm—1，斷裂伸 長(zhǎng)為1300%。
實(shí)施例8
將3g單壁碳納米管加入到100ml水中，并使用lg兩性離子表面活性劑幫助碳納米管 分散，保持導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為5(TC，用50W超聲輔助分散，將高彈性聚酯纖維通過此碳 納米管/水分散液，控制纖維在溶劑中的浸潤(rùn)時(shí)間為600s，溶劑揮發(fā)后得到復(fù)合纖維，碳 納米管在其中的質(zhì)量含量為1%，復(fù)合纖維的電阻率為l(T2Q、m"，斷裂伸長(zhǎng)為500%。
權(quán)利要求
1. 具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維，包括高彈性聚合物纖維和導(dǎo)電粒子，其重量配比為高彈性聚合物纖維80～99份，導(dǎo)電粒子1～20份；其中高彈性聚合物纖維為聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚烯烴纖維或聚氨酯纖維。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維，其特征在于所述的導(dǎo)電粒子為單壁碳納米管或多壁碳納米管或經(jīng)過酸、氧化劑預(yù)處理后的單壁碳納米管或多壁碳納米管的一種或幾種。
3. 具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維的制備，包括在纖維的紡絲成型工藝基礎(chǔ)上或在纖維后處理過程中，增加帶有超聲振動(dòng)的導(dǎo)電介質(zhì)浴，超聲功率為50 100W，控制導(dǎo)電介質(zhì)浴溫度為0 10(TC，利用超聲的輔助作用將濃度為1 30mg/mL的導(dǎo)電粒子在水或有機(jī)溶劑中分散均勻，控制纖維在有機(jī)溶劑中浸潤(rùn)時(shí)間為5 600s，形成納米復(fù)合的導(dǎo)電纖維。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維的制備，其特征在于所述的纖維為熔融紡、干法紡、濕法紡得到的單絲、復(fù)絲或靜電紡納米纖維。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維的制備，其特征在于所述的有機(jī)溶劑為水和濃度為1 10mg/mL的表面活性劑的混合物、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、二氯乙垸、三氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳中的一種或幾種的混合溶劑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維的制備，其特征在于所得的功能性導(dǎo)電纖維其體積電阻率范圍為1(T2 102 Q"'cm"，其斷裂伸長(zhǎng)為500% 1500%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維，其特征在于適用于對(duì)人體生理狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有高導(dǎo)電率高彈性及應(yīng)力傳感性能的復(fù)合纖維及其制備，包括高彈性聚合物纖維和導(dǎo)電粒子，其重量配比為高彈性聚合物80～99份，導(dǎo)電粒子1～20份；制備，在纖維的紡絲成型工藝基礎(chǔ)上或在纖維后處理過程中，增加帶有超聲振動(dòng)的導(dǎo)電介質(zhì)浴，利用超聲的輔助作用將濃度為1～30mg/mL的導(dǎo)電粒子在水或有機(jī)溶劑中分散均勻，浸潤(rùn)時(shí)間為5～600s，形成納米復(fù)合的導(dǎo)電纖維。該導(dǎo)電復(fù)合纖維具有導(dǎo)電率高、導(dǎo)電成分不易脫落、導(dǎo)電性能持久、彈性性能高和手感柔軟等優(yōu)點(diǎn)；其制備工藝簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉，可連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)；將此應(yīng)力傳感器元件與相應(yīng)的電子元件相連，適用于對(duì)人體生理狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
文檔編號(hào)D01F6/62GK101487148SQ200910046590
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者丁永生, 劉慶生, 朱美芳, 秦宗益, 翟光照, 范青青, 魏玉玲 申請(qǐng)人:東華大學(xué)