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碳纳米管缠绕橡胶芯制出弹性导电纤维
2015-07-29  来源:中国聚合物网
  人类从最早开始收集真正纤维(如亚麻),到现在由一系列高性能聚合物(具有机械性能、热性能、化学性能等)来制备织物。尽管有了这些进步,大部分的导电纤维仍然保持着特有的神秘感,只有限地了解导电纤维是由固有的导电聚合物制备而成。迄今为止,当进行反复拉伸和松弛后,导电纤维的性能恶化。而一种基于碳纳米管制备出超弹性导电纤维,其伸长率在达到1000%时,导电性几乎没有变化,这种特性在拉伸循环上千次后依然保持。

  导电纤维一直被认为是制备柔性电子组件的关键,可用于仿生设备、电子纺织品、非正常因素大面积整合电子系统(如部署柔性传感器和致动器)等领域。柔性导电材料在使用过程中可以承受较大的应力而保持性能。聚合物纤维具有柔性、轻质、低成本、易制备等优点,同时具有很高的设计灵活性、形态结构和功能属性,因此也是较为理想的组件构建材料。制备导电聚合物最为常见的方法是将导电物质混合在柔性聚合物基质上。聚合物基质通常是绝缘体。复合材料之间的电传导是通过金属质或者碳质颗粒、粉末、纤维或薄片形状的过滤网。
  当然,碳纳米管由于具有非凡的机械性能、物理性能、热性能和电性能,引起了人们极大的兴趣。尽管已经有许多聚合物纳米复合材料的碳纳米管被报道出来,但在多数情况下,其延展性受限,导电性也受到应力的影响。还好幸运的是,可伸缩导体已经通过其他方式合成出来,具体来说是通过无延展性、刚性的无机构建块以屈曲诱发的方法制备出的波浪型表面块体。金属层表面的屈曲结构的形成于弹性衬底上,这种材料的首次报道出现在“定应变条件下的聚合物的导电性”研究中。自那时起,人们开始利用屈曲诱导方法制备出各种各样的柔性材料。人们将高质量的单晶硅薄膜沉积在预应变弹性基板上,制备出波浪状表面和高拉伸率、高压缩性的导体。承受机械力或者热应力的复合材料可以制备出屈曲模式的波浪状表面材料,该材料同时具有可伸缩性和导电性。

  制备碳纳米管基可伸缩性导体,需要将单壁碳纳米管分散在离子液体中,在共聚物基体中混合后,将水分散性碳纳米管以喷雾的方式置于丙烯酸薄膜上。这种由屈曲诱导模式制备出的碳纳米管波浪表面结构可以在拉伸松弛后沉积在伸缩性基质上完成,也可以在拉伸松弛循环后沉积在不可拉伸衬底上完成。这两种情况下制备的伸缩性碳纳米管的电导率基本不变。最近,在电极中由屈曲诱导模式形成的化学键,经过介电弹性体驱动器的重复循环动作,可以制备出forest-drawn导向的碳纳米片。

  研究人员将多层碳纳米片作为鞘层,应用在高度拉伸橡胶纤维(一种增塑型SEBS纤维芯),来制备出一系列多层纤维。当施加的纤维应力松弛后,经过一定应变的循环,由于碳纳米片的二维分层结构,纤维出现了十分有趣的形态变化。将经过精确配比和高度有序排列的手段在纤维层结构中制备出导电材料,以保证柔性导电材料中,特别是电子织物中,传感、驱动和传输性能的提高。在承受很高的应变以及频繁剧烈的应变循环后,这些导电纤维的导电性仍然不变。此外,在经过缠绕结构的处理后,导电纤维会出现一些无滞后、可逆、线性电容的变化,这种性能使得掉电纤维可以作为潜在的应变传感器使用。当纤维扭曲后,由于碳纳米管层之间的静电吸引,就形成介电弹性体驱动器。

  纺织品是柔性电子器件的应用领域之一,具有巨大的潜在市场应用前景。纺织品往往穿在人们或者周围其他物体的表面。在不丧失一些性能(如结构和舒适度)的前提下,电子器件的毫无违和感的整合需要人们对分层材料的本质结构及特殊的组装形式具有基本的了解(见下图)。
 
如图所示为分层结构的纺织品以及其作为柔性电子产品的潜在应用。分层结构的纺织品的典型长度如下:(A)图的纤维为呈簇状分布的聚合物分子规则排列(晶体)和无序排列(非结晶)的部分;(B)图为具有很高长宽比的合成纤维,这些纤维由天然聚合物和合成聚合物制得,聚合物可以是一种,也可以是多种,呈横断面形状排布;(C)图为后组装制得的纤维,原材料为纱线,纱线通过扭曲或包装等流程制得纤维;(D)图为纱线加工成的织物,其中纱线在制备织物过程中可以形成各种各样的结构,当然,还有其他利用聚合物生产纺织产品的方法还没有介绍出来;(E)图常常用于制备三维纺织面料,人们可以在分层纺织品的任一层制备功能材料;(F)图为Liu等人制备的高弹性碳纳米管芯纤维,这些纤维可以直接引入(C)中的纱线、(D)中的面料或者(E)中的产品里。

  纺织品十分平凡,以至于我们都没有意识到它的独特性能。它们既具有高强度也具有柔性,而这些属性都源自于纤维排列时的固有结构,这些结构包含复杂的相互作用。当纤维材料在不同的条件(如缠绕或者交织)下,由多种不同的长度组合进行排列时,可以产生不同的结构和性能。既然作为现代的纺织品生产手段,可以在分层材料(如分子、纤维、纱线、织物等)的层中添加电性能材料,那么在纤维材料中引入所需的电性能材料依然是一种有效但不惹眼的策略。

  最后,现在人们都在努力改进柔性电子元件领域的技术支持手段,如改进柔性显示器、太阳能电池、生理检测器、电子皮肤等的生产设备和系统。在这方面,不难想象人们将研发出一种柔性、智能的闭环系统,该系统带有传感器和执行器,具有康复或触觉界面。当它被设计成人体穿戴设备时,丝毫没有不舒服的感觉。Liu等人进行的研究就为实现这一目标做出了贡献,该目标与生产主流纺织品的过程没有冲突。节选自《新材料在线》
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(责任编辑:xu)
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