CN103820909A - 一种导电纱线及其制备方法 - Google Patents

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马延文
张自强
冯晓苗
周伟欣
陈剑宇
朱国银
濮丹凤
李雪
黄维
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Abstract

本发明涉及一种在纱线上包裹金属纳米线和碳纳米材料的导电纱线及其制备方法，该方法是把纱线浸渍到金属纳米线溶液中，再通过蒸发干燥，并可重复这一操作，得到金属纳米线包裹的导电纱线。或把金属纳米线包裹的纱线浸渍到碳纳米材料溶液中，再通过蒸发干燥，并可重复多次，得到金属纳米线和碳纳米材料依次包裹的导电纱线。或把纱线浸渍到金属纳米线和碳纳米材料混合溶液中，再通过蒸发干燥，并可重复多次，得到碳纳米材料和金属纳米线复合包裹的导电纱线。该方法极其简单，易于工业化生产，可用于生产可纺织电子器件，具有极其广泛的应用前景。

Description

一种导电纱线及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纱线上包裹金属纳米线和碳纳米材料的导电纱线及其制备方法。
背景技术
随着科技的发展，未来的电子产品将通过可印刷方法实现柔性、便携和可穿戴，对纺织品提出了智能化的要求，即智能纺织品。智能纺织品将是未来的电子信息工业的一个着陆点，也是纺织服装行业未来的发展方向和重要的经济增长点。其中导电纱线在是智能纺织品与互动式布料的基本原料，可用于传感器连接线，电源电极与连接线、射频电路、电磁屏蔽等，在工业、民用和军事等领域有着重要的用途。优秀的导电纱线需要具有良好的导电性和耐久性，特别是在低湿度下，还应具有良好的耐摩擦、耐屈曲、耐氧化及耐腐性。传统的导电纱线通常是将不锈钢金属纤维或者碳纤维等导电纤维与棉线、涤纶等不导电纤维缠绕制成。例如：2007年保定依棉集团有限公司通过混合涤纶、苎麻、竹纤维、碳纤维等制备出了具有导电、抗皱、杀菌等作用的导电纤维(公开号：CN101182662）；2009年学校法人立命馆;冈本株式会社通过将具有导电功能的缠绕纱线卷绕在有弹性纱线制成的芯纱线上，该纱线制成的衣服可以用于测量生物学信息（公开号：CN101728005A）；2013年浙江春江轻纺集团有限责任公司通过在把不锈钢纤维和棉纤维捻合在一起制备出高导电的纱线，这种纱线在抗静电服方面有着广泛应用(公开号：CN203096285U)；这些纱线虽然在技术上攻克了不锈钢金属纤维“接头”容易刺伤皮肤的难题，但是金属纤维相对于棉线、涤纶这些柔软的纱线来说还是比较刚硬，此外，衣服在长期的折叠过程中难免会导致金属丝的断裂，从而对人体造成不必要的伤害，这些纱线若是用做导线也存在接触上的问题。
目前，大量的科研人员通过在棉线、涤纶等纱线上沉积金属纳米材料、聚合物、碳纳米管、石墨烯等，制备出较好导电性的纱线，而且这些纱线在洗衣液中洗涤之后仍保持较好的性能，除此之外这些纱线具有良好的摩擦、耐屈伸的性能。例如：香港理工大学在2005年通过在不同纱线上沉积碳纳米管和PVA混合悬浮液制备出250Ω/cm的导电纱线（CompositeStructures,2005,78,271-277）；2011年萨伦托大学通过在毛线上沉积银纳米粒子成功制备出了具有杀菌功能的导电纱线（Journalofappliedpolymerscience,2011,125,2239-2244)；2013年韩国仁川大学通过在尼龙-6纱线上沾取牛血清蛋白，然后再沉积氧化石墨最后制备出了电导率大于1000S/m的纱线(AdvancedMaterials,2013,25,5701-5)。本发明提出一种适用范围广，不需要对纱线进行前处理，通过简单的浸渍和干燥，直接把金属纳米线和碳纳米材料包裹在纱线上制成导电纱线及其方法，所制备的导电纱线具有优异的柔性、耐磨性和导电性能。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种导电纱线及其制备方法，该导电纱线是一种在纱线上包裹金属纳米线和碳纳米材料的导电纱线，
技术方案：本发明是通过下述技术方案实现的：本发明的一种导电纱线是在纱线上包裹金属纳米线，或金属纳米线和碳纳米材料复合材料，制成导电纱线。
用于制备导电纱线的纱线包含棉、涤纶、尼龙、丙纶、腈纶、维纶、氨纶、亚麻、黄麻、精梳毛、粗梳毛、毛绒、绢纺蚕丝、竹纤维或涤棉混纺。
用于制备导电纱线的金属纳米线包含金、银、铜、铁、镍、钴、铝、锌、镁、钛、铋、铬、锰、钽、钨、钼、铂、铑、钌、钯、铼或铱或它们的合金纳米线。
用于制备导电纱线的碳纳米材料包含单壁碳纳米管、少壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯或石墨纳米片或它们的混合物。
本发明的导电纱线的制备方法是：把纱线浸渍到金属纳米线溶液中，再通过蒸发干燥，并可重复这一操作，得到金属纳米线包裹的导电纱线。
所述的金属纳米线包裹的纱线浸渍到碳纳米材料溶液中，再通过蒸发干燥，并重复多次，得到金属纳米线和碳纳米材料依次包裹的导电纱线。
或把纱线浸渍到金属纳米线和碳纳米材料混合物溶液中，再通过蒸发干燥，并重复这一操作，得到金属纳米线和碳纳米材料混合物包裹的导电纱线。
有益效果：本发明提供的制备导电纱线的方法简单，不损伤纺线，易于生产。
所发明的导电纺线的电阻在0.001-2000Ω/cm范围内可调。
所发明的导电纺线具备银纳米线的杀菌特点，和石墨烯/碳纳米管的高导热特点。
所发明的导电纺线可用于智能纺织品和电磁屏蔽等领域。
具体实施方式
本发明涉及到一种在纱线上包裹金属纳米线和碳纳米材料的导电纱线及其制备方法，把纱线浸渍到金属纳米线溶液中，再通过蒸发干燥，并可重复这一操作，得到金属纳米线包裹的导电纱线。或把金属纳米线包裹的纱线浸渍到碳纳米材料溶液中，再通过蒸发干燥，并可重复多次，得到金属纳米线和碳纳米材料依次包裹的导电纱线。或把纱线浸渍到金属纳米线和碳纳米材料混合溶液中，再通过蒸发干燥，并可重复多次，得到碳纳米材料和金属纳米线复合包裹的导电纱线。所用的纱线包括但不限于，棉、涤纶、尼龙、丙纶、腈纶、维纶、氨纶、亚麻、黄麻、精梳毛、粗梳毛、毛绒、绢纺蚕丝、竹纤维和涤棉混纺纱线；所用的金属纳米线包括但不限于，金、银、铜、铁、镍、钴、铝、锌、镁、钛、铋、铬、锰、钽、钨、钼、铂、铑、钌、钯、铼、铱及其合金纳米线；所用的碳纳米材料包括但不限于，单壁碳纳米管、少壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯、石墨纳米片及其混合物。
制备方法如下：
（1）选取一段棉、涤纶、尼龙、丙纶、腈纶、维纶、氨纶、亚麻、黄麻、精梳毛、粗梳毛、毛绒、绢纺蚕丝、竹纤维和涤棉混纺纱线（长短根据自己的需求决定）纱线，不对该线做任何处理。
（2）将选取的纱线浸入到金属纳米线溶液中，取出后在晾干或烘干，并可重复多次，制备金属纳米线包裹的纺线。
（3）金属纳米线溶液包括金属纳米线，溶剂，分散剂和粘结剂。
（4）金属纳米线包括但不限于，金、银、铜、铁、镍、钴、铝、锌、镁、钛、铋、铬、锰、钽、钨、钼、铂、铑、钌、钯、铼、铱及其合金纳米线。
（5）溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、甲醚、***、甲***、丙酮、丁酮、甲乙酮、氯仿、四氯化碳、笨、甲苯、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙酸、甲酸甲酯及其混合物。
（6）分散剂包括十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯基吡咯烷酮、span80、TritonX-100。
（7）粘结剂包括纤维素，壳聚糖、Nafion，环氧树脂，酚醛树脂，聚氨基酸甲酯。
（8）将金属纳米线包裹的纺线浸入到碳纳米线溶液中，取出后在晾干或烘干，并可重复多次，金属纳米线和碳纳米材料依次包裹的导电纱线。
（9）碳纳米材料溶液包括碳纳米材料，溶剂（同步骤5），分散剂（同步骤6）和粘结剂（同步骤7）。
（10）碳纳米材料包括但不限于，单壁碳纳米管、少壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯、石墨纳米片及其混合物。
（11）将步骤2制备的金属纳米线包裹的纺线按照步骤8进行操作，得到金属纳米线/碳纳米材料依次包裹的导电纱线。
（12）将选取的纱线浸入到金属纳米线和碳纳米材料混合溶液中，取出后在晾干或烘干，并可重复多次，制备金属纳米线和碳纳米材料混合包裹的导电纺线。
（13）导电纺线的电阻可达到30Ω/cm。
实施例1
①选取一段棉纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克银纳米线加入到体积比为0.1-10的水和异丙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克十二烷基硫酸钠和0.0001-0.001克纤维素，制成银纳米线溶液。
③将纱线浸入到银纳米溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的银纳米线导电纱线。
实施例2
①选取一段实施例1中银纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克单壁碳纳米管加入到体积比为0.1-10的水和异丙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克十二烷基硫酸钠和0.0001-0.001克纤维素，制成单壁碳纳米管溶液。
③将银纳米线导电纱线置于单壁碳纳米管溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备银纳米线和单壁碳纳米管依次包裹的导电纱线。
实施例3
①选取一段涤纶纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克铜纳米线加入到四氢呋喃溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克环氧树脂，制成铜纳米线溶液。
③将纱线浸入到铜纳米溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的铜纳米线导电纱线。
实施例4
①选取一段实施例3中铜纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克石墨烯加入到体积比为0.1-10的水和异丙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克十二烷基硫酸钠和0.0001-0.001克壳聚糖，制成单壁碳纳米管溶液。
③将铜纳米线导电纱线置于石墨烯溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备铜纳米线和石墨烯依次包裹的导电纱线。
实施例5
①选取一段尼龙纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克镍纳米线加入到体积比为0.1-10的水和异丙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克十二烷基硫酸钠和0.0001-0.001克Nafion，制成镍纳米线溶液。
③将纱线浸入到镍纳米溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的镍纳米线导电纱线。
实施案例6
①选取一段实施例5中镍纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克双壁碳纳米管加入到体积比为0.1-10的水和异丙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克十二烷基硫酸钠和0.0001-0.001克环氧树脂，制成双壁碳纳米管溶液。
③将镍纳米线导电纱线置于双壁碳纳米管溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备镍纳米线和双壁碳纳米管依次包裹的导电纱线。
实施案例7
①选取一段丙纶纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克金纳米线加入到体积比为0.1-10的水和乙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克十六烷基三甲基溴化铵和0.0001-0.001克酚醛树脂，制成金纳米线溶液。
③将纱线浸入到金纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的金纳米线导电纱线。
实施案例8
①选取一段实施例7中金纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克石墨烯纳米片加入到体积比为0.1-10的水和乙二醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克聚氨基酸甲酯，制成石墨烯纳米片溶液。
③将金纳米线导电纱线置于石墨烯纳米片溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备金纳米线和石墨烯纳米片依次包裹的导电纱线。
实施案例9
①选取一段腈纶纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克锌纳米线加入到体积比为0.1-10的水和乙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯基吡咯烷酮和0.0001-0.001克纤维素，制成锌纳米线溶液。
③将纱线浸入到锌纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的锌纳米线导电纱线。
实施案例10
①选取一段实施例9中锌纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克还原氧化石墨烯加入到体积比为0.1-10的水和乙二醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克十二烷基硫酸钠和0.0001-0.001克壳聚糖，制成还原氧化石墨烯溶液。
③将锌纳米线导电纱线置于还原氧化石墨烯溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备锌纳米线和还原氧化石墨烯依次包裹的导电纱线。
实施案例11
①选取一段维纶纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克铁纳米线加入到体积比为0.1-10的水和二甲基亚砜混合溶液中，再加入0.001-0.1克十二烷基硫酸钠和0.0001-0.001克壳聚糖，制成铁纳米线溶液。
③将纱线浸入到铁纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的铁纳米线导电纱线。
实施案例12
①选取一段实施例11中铁纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克多壁碳纳米管加入到体积比为0.1-10的水和甲醚混合溶液中，再加入0.001-0.1克十六烷基三甲基溴化铵和0.0001-0.001克Nafion，制成多壁碳纳米管溶液。
③将铁纳米线导电纱线置于多壁碳纳米管溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备铁纳米线和多壁碳纳米管依次包裹的导电纱线。
实施案例13
①选取一段氨纶纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克铝纳米线加入到体积比为0.1-10的水和甲***混合溶液中，再加入0.001-0.1克十六烷基三甲基溴化铵和0.0001-0.001克环氧树脂，制成铝纳米线溶液。
③将纱线浸入到铝纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的铝纳米线导电纱线。
实施案例14
①选取一段实施例13中铝纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克石墨烯加入到体积比为0.1-10的水和甲醚混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克酚醛树脂，制成石墨烯溶液。
③将铝纳米线导电纱线置于石墨烯溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备铝纳米线和石墨烯依次包裹的导电纱线。
实施案例15
①选取一段亚麻纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克银合金纳米线加入到体积比为0.1-10的水和甲苯混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克聚氨基酸甲酯，制成银合金纳米线溶液。
③将纱线浸入到银纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的银合金纳米线导电纱线。
实施案例16
①选取一段实施例15中银合金纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克石墨烯加入到体积比为0.1-10的水和乙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克span80，制成石墨烯溶液。
③将银合金纳米线导电纱线置于石墨烯溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备银合金纳米线和石墨烯依次包裹的导电纱线。
实施案例17
①选取一段黄麻纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克铜合金纳米线加入到体积比为0.1-10的水和氯仿混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙二醇和0.0001-0.001克纤维素，制成铜合金纳米线溶液。
③将纱线浸入到铜合金纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的铜合金纳米线导电纱线。
实施案例18
①选取一段实施例17中铜合金纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克氧化石墨烯加入到体积比为0.1-10的水和乙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克壳聚糖，制成氧化石墨烯溶液。
③将铜合金纳米线导电纱线置于氧化石墨烯溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备铜合金纳米线和氧化石墨烯依次包裹的导电纱线。
实施案例19
①选取一段绢纺蚕丝纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克镍合金纳米线加入到体积比为0.1-10的水和二甲基亚砜混合溶液中，再加入0.001-0.1克TritonX-100和0.0001-0.001克纤维素，制成镍合金纳米线溶液。
③将纱线浸入到镍合金纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的镍合金纳米线导电纱线。
实施案例20
①选取一段实施例19中镍合金纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克少壁碳纳米管加入到体积比为0.1-10的水和乙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克聚氨基酸甲酯，制成少壁碳纳米管溶液。
③将镍合金纳米线导电纱线置于少壁碳纳米管溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备镍合金纳米线和少壁碳纳米管依次包裹的导电纱线。
实施案例21
①选取一段涤棉混纺纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克金合金纳米线加入到体积比为0.1-10的水和丙酮混合溶液中，再加入0.001-0.1克十六烷基三甲基溴化铵和0.0001-0.001克纤维素，制成金合金纳米线溶液。
③将纱线浸入到金合金纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的金合金纳米线导电纱线。
实施案例22
①选取一段实施例21中金合金纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克石墨纳米片加入到体积比为0.1-10的水和乙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克Nafion，制成石墨纳米片溶液。
③将金合金纳米线导电纱线置于石墨纳米片溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备金合金纳米线和石墨纳米片依次包裹的导电纱线。
实施案例23
①选取一段竹纤维纱线，不对该线做任何处理。
②将0.02-0.5克铁合金纳米线加入到体积比为0.1-10的水和四氯化碳混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯基吡咯烷酮和0.0001-0.001克聚氨基酸甲酯，制成铁合金纳米线溶液。
③将纱线浸入到铁合金纳米线溶液中，然后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备出高导电的铁合金纳米线导电纱线。
实施案例24
①选取一段实施例23中铁合金纳米线导电纱线，不做任何处理。
②将0.02-0.5克石墨烯纳米片加入到体积比为0.1-10的水和乙醇混合溶液中，再加入0.001-0.1克聚乙烯醇和0.0001-0.001克Nafion，制成石墨烯纳米片溶液。
③将铁合金纳米线导电纱线置于石墨烯纳米片溶液中，后取出在1-200℃下烘干，此过程可以进行多次，制备铁合金纳米线和石墨烯纳米片依次包裹的导电纱线。

Claims (7)

1.一种导电纱线，其特征在于在纱线上包裹金属纳米线，或金属纳米线和碳纳米材料复合材料，制成导电纱线。
2.根据权利要求1所述的导电纱线，其特征在于，用于制备导电纱线的纱线包含棉、涤纶、尼龙、丙纶、腈纶、维纶、氨纶、亚麻、黄麻、精梳毛、粗梳毛、毛绒、绢纺蚕丝、竹纤维或涤棉混纺。
3.根据权利要求1所述的导电纱线，其特征在于，用于制备导电纱线的金属纳米线包含金、银、铜、铁、镍、钴、铝、锌、镁、钛、铋、铬、锰、钽、钨、钼、铂、铑、钌、钯、铼或铱或它们的合金纳米线。
4.根据权利要求1所述的导电纱线，其特征在于，用于制备导电纱线的碳纳米材料包含单壁碳纳米管、少壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯或石墨纳米片或它们的混合物。
5.一种如权利要求1所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：把纱线浸渍到金属纳米线溶液中，再通过蒸发干燥，并可重复这一操作，得到金属纳米线包裹的导电纱线。
6.根据权利要求5所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：所述的金属纳米线包裹的纱线浸渍到碳纳米材料溶液中，再通过蒸发干燥，并重复多次，得到金属纳米线和碳纳米材料依次包裹的导电纱线。
7.一种如权利要求5所述的导电纱线的制备方法，其特征在于：把纱线浸渍到金属纳米线和碳纳米材料混合物溶液中，再通过蒸发干燥，并重复这一操作，得到金属纳米线和碳纳米材料混合物包裹的导电纱线。
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