CN103390467A - 一种弹性导电纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电极制备技术领域，具体涉及一种弹性导电纤维的制备方法。本发明使用两个马达和一个平移台，把一根弹性纤维的两端固定在两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列固定在平移台上；然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，并以设定的角度搭在弹性纤维上；同步开启两个马达，两端固定在两个马达上的弹性纤维随之转动，将连续的碳纳米管薄膜以设定的角度即螺旋角不断地缠绕在弹性纤维上，通过设定平移台的移动速度，使得弹性纤维上的螺旋角保持不变；连续不断地进行上述过程，即制备得到弹性导电纤维。该弹性导电纤维在拉升率为100%的情况下，电阻能基本保持不变。这种弹性导电纤维为制备弹性线状电子器件提供了新的材料。
Description
技术领域
本发明属于电极制备技术领域，具体涉及一种弹性导电纤维的制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，电子器件的发展趋势是小型化和柔性化。而近年来，小型的纤维状电子器件受到了科学界和工业界的广泛关注并得到快速发展。许多纤维状的电子器件已经被制备出来，包括超级电容器[1-4]，锂离子电池[5]，太阳能电池[6]，有机发光二极管[7-8]，场效应晶体管[9]，传感器[10]等。然而，这些纤维状电子器件主要是基于金属纤维，碳纤维或碳纳米管纤维来制备。金属纤维，虽然具有很好的导电性和延展性，但是延展之后却不能回复到初始的状态；而碳纤维或碳纳米管纤维具有较好的导电性，但是它们的断裂长度却都小于5%。然而作为可编织的纤维状器件，一个非常重要的特性就是弹性，但是，至今还没有任何一种具有弹性的导电纤维，影响了弹性纤维状电子器件的发展。因此，需要发展一种弹性的导电纤维，以满足纤维状电子器件的发展需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弹性导电纤维及其制备方法。
本发明提供的弹性导电纤维制备方法，使用两个马达和一个平移台，如图1所示，把一根弹性纤维的两端固定在两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列固定在平移台上，然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，并以设定的角度搭在弹性纤维上；同步开启两个马达，两端固定在两个马达上的弹性纤维随之转动，将连续的碳纳米管薄膜以设定的角度（即螺旋角）不断地缠绕在弹性纤维上，通过设定平移台的移动速度，可以使得弹性纤维上的螺旋角保持不变；连续不断地进行上述过程，即可以制备得到弹性的导电纤维。
本发明中，螺旋角为30—85度较好，优选螺旋角为60—75度。
本发明中，缠绕在弹性纤维上的碳纳米管薄膜的厚度为20nm—5mm，优选厚度为1μm—5μm微米。
本发明制备的这种弹性导电纤维，其拉伸率可以达到100%，并且可以任意的弯曲和编织，具有非常好的柔性。
附图说明
图1为弹性导电纤维的制备示意图。
图2为拉升率分别为0%，50%，100%的弹性导电纤维。
图3为以螺旋、打结、编织形貌的存在形式。
图4为不同螺旋角的弹性导电纤维的扫描电子显微镜图片。其中，a-e，螺旋角依次为15度,30度,45度,60度,75度的弹性导电纤维的扫描电子显微镜图片；f-j，螺旋角依次为15度,30度,45度,60度,75度的弹性导电纤维拉伸又还原之后的扫描电子显微镜图片。
图5为碳纳米管薄膜厚度为230nm的弹性导电纤维在不同螺旋角下的电阻变化。
图6为螺旋角为15度,30度,45度,60度,75度的弹性导电纤维在第50次拉伸过程中电学性能的变化。
图7为螺旋角为45度,60度的弹性导电纤维电学性能随碳纳米管薄膜厚度的变化。
具体实施方式
第一，可纺取向碳纳米管阵列的合成。
垂直生长的碳纳米管阵列以Fe(1nm)/Al2O3(10nm)/SiO2/Si作为催化剂在管式炉石英管中通过典型的化学气相沉积法来合成。其中乙烯(75sccm)做为碳源，氩气(400sccm)和氢气(25sccm)作为载气。合成的碳纳米管整列的厚度为250微米。
第二，弹性导电纤维的制备。
如图1所示，把一根弹性纤维的两端固定在两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列放在平移台上，然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，并以一定的角度搭在弹性纤维上。当两个马达和平移台同时开启的时候，连续的碳纳米管薄膜会不断地裹在弹性纤维上，通过匹配平移台的速度和马达的转速，可以使得碳纳米管在纤维上的螺旋角保持不变。从而得到电学性能稳定的弹性导电纤维。
本发明制备的这种弹性导电纤维，其拉伸率可以达到100%（图12），并且可以任意的弯曲和编织（图3），具有非常好的柔性。
图4中，a-e为螺旋角为15度,30度,45度,60度和75度的弹性导电纤维的扫描电子显微镜图片，可以看到纤维表面的碳纳米管具有非常好的取向性，而f-j为这些纤维在拉伸50%并还原之后的形貌。可以看到螺旋角为15度和30度的纤维在拉伸之后，纤维的结构破坏较严重，而螺旋角为45度的纤维在拉伸之后，纤维的结构有少许破坏，而对于螺旋角为60度和75度的纤维，拉伸对他们的结构基本没有影响。
图5是不同螺旋角的纤维在拉伸过程中纤维电学性能的变化（第50次拉伸），可以看到，对于螺旋角为15度,30度和45度的纤维，在拉伸到50%的过程中，纤维的电阻不断增大，但是在回复过程中纤维的电阻不断减小，在恢复到原始长度时，纤维的电阻恢复到初始值，即纤维的电阻在拉伸过程中是可逆的。而对于螺旋角为60度和75度的纤维，纤维，在拉伸到50%的过程中，纤维的电阻基本没有发生变化，非常的稳定。图7是螺旋角为45度,60度的弹性导电纤维电学性能随碳纳米管薄膜厚度的变化，可以看到，弹性导电纤维的电阻随着碳纳米管薄膜厚度的增加而不断减小。
参考文献
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Claims (6)
1. 一种弹性导电纤维的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
使用两个马达和一个平移台，把一根弹性纤维的两端固定在两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列固定在平移台上；然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，并以设定的角度搭在弹性纤维上；同步开启两个马达，两端固定在两个马达上的弹性纤维随之转动，将连续的碳纳米管薄膜以设定的角度即螺旋角不断地缠绕在弹性纤维上，通过设定平移台的移动速度，使得弹性纤维上的螺旋角保持不变；连续不断地进行上述过程，即制备得到弹性的导电纤维。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述螺旋角为30—85度。
3. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述螺旋角为60—75度。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于缠绕在弹性纤维上的碳纳米管薄膜的厚度为20nm—5mm。
5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于缠绕在弹性纤维上的碳纳米管薄膜的厚度为1μm—5μm。
6. 一种由据权利要求1所述的制备方法制备得到的弹性导电纤维。
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