导电石墨烯纤维以及生产方法和系统 |
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| 申请号 | CN201610306203.2 | 申请日 | 2016-05-10 | 公开(公告)号 | CN105821663A | 公开(公告)日 | 2016-08-03 |
| 申请人 | 北京创新爱尚家科技股份有限公司; | 发明人 | 陈利军; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种导电 石墨 烯 纤维 以及生产方法和系统，主要针对 现有技术 下的导电纤维导 电能 力 弱的问题，提出了一种导电 石墨烯 纤维，包括线形的基体材料以及包覆在基体材料外的石墨烯导电涂层；所述石墨烯导电涂层按 质量 份计含有成分如下：石墨烯1～1.8份、导电 炭黑 7～25份、 丙烯酸 树脂 40～50份；其生产方法及系统如下：利用 纺纱 机纺纱，利用 纱线 喷涂 机在单丝长纤维上交替喷涂石墨烯油墨和导电炭黑油墨，利用并丝机进行并丝，形成股线，利用股线喷涂机在股线上交替喷涂导电炭黑油墨和石墨烯油墨，形成导电石墨烯纤维。本发明 导电性 能良好，并且折 叠加 工性能良好。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种导电石墨烯纤维，其特征在于：包括线形的基体材料以及包覆在基体材料外的石墨烯导电涂层；所述石墨烯导电涂层按质量份计含有成分如下：石墨烯1～1.8份、导电炭黑7～25份、丙烯酸树脂40～50份。 |
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| 说明书全文 | 导电石墨烯纤维以及生产方法和系统技术领域背景技术[0002] 导电纤维是需求量很大的一种纤维，与传统的导电材料相比，导电纤维柔软纤细，抗疲劳能力强，不容易由于达到疲劳极限而折断，并且，导电纤维还可以纺织成各种面料，用来为衣服采暖或者防静电。现有的导电纤维是外镀金属的纤维，甚至有的采用的金属丝作为导电纤维。对于采用外镀金属的纤维，其导电性能并不理想，并且在镀金属的过程中使用的化工原料还会对环境造成污染。而的金属丝作为导电纤维，传统的导电金属区别不大，如果在纺织面料的时候加入，面料在折叠时需要格外的注意，同时面料的舒适性也会大大下降。 发明内容[0003] 针对上述问题，本发明提供一种具有良好导电性能的导电石墨烯纤维。 [0004] 为达到上述目的，本发明导电石墨烯纤维，包括线形的基体材料以及包覆在基体材料外的石墨烯导电涂层；所述石墨烯导电涂层按质量份计含有成分如下：石墨烯1～1.8份、导电炭黑7～25份、丙烯酸树脂40～50份。 [0005] 本发明的导电石墨烯纤维，采用石墨烯和导电炭黑为导电剂，以丙烯酸树脂为粘结剂，使用的材料不会对自然环境造成污染。另外由于石墨烯是片状物，而导电炭黑是颗粒状。因此石墨烯导电涂层形成一种以片状石墨烯为导电骨架，导电炭黑镶嵌在片状石墨烯之间形成导电节点的状态，从而，本发明的导电能力比现有的外镀金属的纤维大大增强，其舒适性以及折叠加工性能比金属丝也大大增强。 [0007] 所述纺纱步骤：将短纤维进行纺制，形成一根单丝长纤维； [0008] 所述纱线喷涂步骤：将所述单丝长纤维交替喷涂石墨烯油墨和导电炭黑油墨，形成石墨烯导电单丝； [0009] 所述并丝步骤：将所述石墨烯导电单丝复合成为一根股线； [0010] 所述股线喷涂步骤：将所述股线交替喷涂导电炭黑油墨和石墨烯油墨，形成导电石墨烯纤维。 [0012] 所述纱线电阻率测量步骤：所述单丝长纤维或所述股线每经过一次石墨烯油墨喷涂或者导电炭黑油墨喷涂，进行一次电阻率测量； [0013] 所述喷涂速率调整步骤：若当前电阻率偏离预定电阻率范围，则调整下一次喷涂时的石墨烯油墨或者导电炭黑油墨的喷涂速率，若给当前电阻率在预定电阻率范围内，则保持下一次喷涂时的石墨烯油墨或者导电炭黑油墨的喷涂速率不变。 [0014] 进一步地，所述纱线喷涂步骤和所述股线喷涂步骤中还包括均匀化处理步骤； [0016] 进一步地，在所述纱线喷涂步骤和所述股线喷涂步骤之后还包括烘干步骤； [0017] 所述烘干步骤：将所述石墨烯导电单丝或所述石墨烯纤维进行若干次干燥工序；所述石墨烯导电单丝或所述石墨烯纤维每经过一次干燥工序，进行一次 湿度测量，若当前湿度偏离了预定的湿度范围，则对下一次的干燥工序进行调整，若当前的湿度在预定的湿度范围内，则保持下一次的干燥工序不变。 [0018] 本发明导电石墨烯纤维制作方法，首先将短纤维纺织成单丝，并且然后将在单丝上交替喷涂石墨烯油墨和导电炭黑油墨，在单丝上首先形成导电涂层，从而再进行并丝之后能够提高整条导电纤维中导电剂的含量，提高其导电能力，由于并丝是将两条或者两条以上的单丝进行合并，形成股线，因此，单丝之间可能会存在不完全接触的部位，而这种不完全接触的部位会导致在该处的导电能力下降，因此，在并丝完成之后再次进行石墨烯油墨和导电炭黑油墨的喷涂，从而填满各单丝之间的缝隙，同时提高导电剂的含量，增强导电能力。 [0019] 为达到上述目的，导电石墨烯纤维生产系统包括依次设置的纺纱机、纱线喷涂机、并丝机和股线喷涂机；其中 [0020] 所述纺纱机用于将原料短纤维加工成为单丝长纤维； [0021] 所述纱线喷涂机包括若干石墨烯油墨喷涂装置和若干导电炭黑油墨喷涂装置；所述石墨烯油墨喷涂装置间隔设置，相邻两石墨烯油墨喷涂装置的间隔内设置有导电炭黑油墨喷涂装置； [0022] 所述并丝机用于将经过喷涂的单丝长纤维加工成为股线； [0023] 所述股线喷涂机包括若干导电炭黑油墨喷涂装置和若干石墨烯油墨喷涂装置；所述导电炭黑油墨喷涂装置间隔设置，相邻两导电炭黑油墨喷涂装置的间隔内设置有石墨烯油墨喷涂装置。 [0024] 进一步地，相邻的石墨烯油墨喷涂装置和导电炭黑油墨喷涂装置之间设置有两个导线轮，两个所述导线轮间隔设置，所述两个导线轮之间设置有电阻测量装置；所述导电炭黑油墨喷涂装置和所述石墨烯油墨喷涂装置均包括控制器和流量调节器，所述控制器与所述流量调节器电连接；所述石墨烯油墨喷涂装置之后的电阻测量装置与下一石墨烯油墨喷涂装置的控制器电连接，所述导电炭黑油墨喷涂装置之后的电阻测量装置与下一导电炭黑油墨喷涂装置的控制器 电连接。 [0025] 进一步地，所述纱线喷涂机和所述股线喷涂机上均设置有若干超声波发生装置，所述超声波发生装置发射出的声波的与单丝长纤维或股线相交。 [0026] 进一步地，在所述纱线喷涂机和所述股线喷涂机之后均设置有烘干机；所述烘干机包括若干依次设置的烘干箱和设置在相邻两烘干箱之间的湿度传感器；所述烘干箱包括保温箱体、吸湿装置、若干红外线灯和烘干控制器；所述保温箱体垂直于石墨烯导电单丝的两个侧壁设置有线孔，所述红外线灯与所述烘干控制器电连接，所述湿度传感器与后方相邻烘干箱的烘干控制器电连接。 [0027] 进一步地，所述纱线喷涂机上还设置有纱线牵拉装置，所述纱线牵拉装置包括纱线牵拉导轨、纱线夹紧装置和纱线驱动装置，所述纱线牵拉导轨一端设置在所述纺纱机的出纱口，所述纱线牵拉导轨的另一端设置在所述并丝机的入纱口，所述纱线驱动装置驱动所述纱线夹紧装置沿所述纱线牵拉导轨运动；所述股线喷涂机之后设置有打锭机，所述股线喷涂机上设置有股线牵拉装置，所述股线牵拉装置包括股线牵拉导轨、股线夹紧装置和股线驱动装置；所述股线牵拉导轨的一端设置在所述并丝机的出线口，所述股线牵拉导轨的另一端设置在所述打锭机的入线口。 [0028] 本发明导电石墨烯纤维生产系统，在纺纱机和并丝机之间设置纱线喷涂机，在并丝机之后设置股线喷涂机，采用纱线喷涂机将单丝的外表面包覆一层石墨烯和导电炭黑为导电剂的导电涂层，采用股线喷涂机将和并后的单丝间的空隙填充导电剂，从而，能够大大提高纤维成品中的导电剂的含量，从而提高成品纤维的导电能力。 具体实施方式[0029] 下面对本发明做进一步的描述。 [0030] 实施例1 [0031] 本实施例提供一种导电石墨烯纤维，包括线形的基体材料以及包覆在基体 材料外的石墨烯导电涂层；所述石墨烯导电涂层按质量份计含有成分如下：石墨烯1～1.8份、导电炭黑7～25份、丙烯酸树脂40～50份。 [0032] 本实施例的导电石墨烯纤维中，石墨烯具有良好的导电性能，并且石墨烯具有超强的韧性和强度，其性能适合作为导电纤维的的导电剂，但是石墨烯是片层状的结构，将石墨烯涂覆在纤细的线形基体上时，各片层状结构不能形成足够多的接触，因此单独涂覆石墨烯在线形基体材料上来形成的导电纤维在提升导电能力上具有一定的局限性。鉴于上述情况，在线形材料基体材料的外表面涂覆石墨烯的同时，再涂覆导电炭黑，导电炭黑是颗粒状的物质，在涂覆完成以后，导电炭黑能够镶嵌在石墨烯的片层之间，为石墨烯片层提供导电的桥梁，从而，就能够形成以石墨烯片层为骨架，以导电炭黑为节点的三维导电结构。而丙烯酸树脂具有良好的粘结性，因此，采用丙烯酸树脂作为粘结剂。 [0033] 实验证明，单独选用石墨烯作为导电剂的条件下，随着导电涂层中石墨烯含量的增加，纤维的导电能力迅速增强，石墨烯含量达到1份时，其导电能力增强的速度变缓，当石墨烯含量超过1.8份时，其导电能力不升反降，反而会变弱。因此，本实施例中采用了质量份为1～1.8份的石墨烯。 [0034] 实验证明，采用石墨烯和导电炭黑为导电剂时，随着导电炭黑含量的增加，导电纤维的导电能力迅速增强，当导电炭黑的质量份含量为石墨烯的7-14倍时，导电纤维的导电能力最强。 [0035] 实验证明，采用丙烯酸树脂作为粘结剂，随着丙烯酸树脂的含量增加，导电纤维的导电能力会缓慢的降低，当丙烯酸树脂的质量分数超过50份时，导电纤维的导电能力迅速下降。因此本实施例选取导电能力最好的质量分数变化区间，取丙烯酸树脂的质量分数为40～50份。 [0036] 实施例2 [0037] 本实施例提供一种导电石墨烯纤维生产方法，包括如下步骤：纺纱、纱线喷涂、并丝、股线喷涂；其中， [0038] 所述纺纱步骤：将短纤维进行纺制，形成一根单丝长纤维； [0039] 所述纱线喷涂步骤：将所述单丝长纤维交替喷涂石墨烯油墨和导电炭黑油墨，形成石墨烯导电单丝； [0040] 所述并丝步骤：将所述石墨烯导电单丝复合成为一根股线； [0041] 所述股线喷涂步骤：将所述股线交替喷涂导电炭黑油墨和石墨烯油墨，形成导电石墨烯纤维。 [0042] 本实施例导电石墨烯纤维制作方法，首先将短纤维纺织成单丝，并且然后将在单丝上交替喷涂石墨烯油墨和导电炭黑油墨，在单丝上首先形成导电涂层，从而再进行并丝之后能够提高整条导电纤维中导电剂的含量，提高其导电能力，由于并丝是将两条或者两条以上的单丝进行合并，形成股线，因此，单丝之间可能会存在不完全接触的部位，而这种不完全接触的部位会导致在该处的导电能力下降，因此，在并丝完成之后再次进行石墨烯油墨和导电炭黑油墨的喷涂，从而填满各单丝之间的缝隙，同时提高导电剂的含量，增强导电能力。 [0043] 如果按照常规的生产方式生产完纤维，再向纤维上喷涂导电涂层，会导致单丝之间的位置不能喷涂上导电涂层，其导电能力必然会下降，而本实施例提供的导电纤维的制作方法，首先将单丝进行喷涂，再进行并丝，最后再进行整体喷涂，从而能够使单丝接触面上也具有导电涂层，并且单丝不能完全接触的缝隙中也会被导电涂层完全填充，使导电纤维的导电涂层含量大幅度提高，又由于石墨烯的导电能力本就比电镀金属的导电能力高，因此，本实施例的生产方法生产的导电纤维既柔软易加工，又具有良好的导电性能。 [0044] 实施例3 [0045] 在上述实施例的基础上，所述纱线喷涂步骤和所述股线喷涂步骤中还包括喷涂调整过程，所述喷涂调整过程包括：纱线电阻率测量步骤、喷涂速率调整步骤；其中，[0046] 所述纱线电阻率测量步骤：所述单丝长纤维或所述股线每经过一次石墨烯 油墨喷涂或者导电炭黑油墨喷涂，进行一次电阻率测量； [0047] 所述喷涂速率调整步骤：若当前电阻率偏离预定电阻率范围，则调整下一次喷涂时的石墨烯油墨或者导电炭黑油墨的喷涂速率，若给当前电阻率在预定电阻率范围内，则保持下一次喷涂时的石墨烯油墨或者导电炭黑油墨的喷涂速率不变。 [0048] 在纱线的喷涂过程中，由于纱线或股线的抖动或者由于石墨烯油墨或者导电炭黑油墨的均匀程度不等的问题，往往会导致在喷涂过程中的不均匀，而导电涂层的不均匀就会导致导电纤维的导电能力在各个部位不同，而导电纤维的导电能力会手受到导电能力最差的部位的制约，因此，喷涂不均匀将会直接导致导电纤维的导电能力的下降。为了保证制作出的导电纤维的导电能力，本实施例在每次喷涂完之后对导电纤维的电阻进行测试，如果该电阻值不在预定的电阻范围之内，将在后续的喷涂过程中进行调整，也就是说：当经过一次石墨烯油墨的喷涂之后，进行一次电阻测试，如果测试电阻值大于预定电阻值，则下一次石墨烯油墨喷涂将加大喷涂的速率，从而增加该处石墨烯的含量，从而将该处的电阻值调整到预定电阻范围内；同理，对于导电炭黑油墨的喷涂也采用同样的控制方式。 [0049] 实施例4 [0050] 在上述实施例的基础上，所述纱线喷涂步骤和所述股线喷涂步骤中还包括均匀化处理步骤； [0051] 所述均匀化处理步骤：在喷涂过程中采用超声波震动装置引起单丝长纤维或股线的震动，混匀单丝长纤维上的石墨烯油墨和导电炭黑油墨，并且将石墨烯油墨和导电炭黑油墨在单丝长纤维上均匀分布。 [0052] 本实施例在喷涂过程中采用超声波将石墨烯油墨和导电炭黑油墨进行均匀化，由于石墨烯油墨和导电炭黑油墨的喷涂只能选择为一个面或几个面进行喷涂，因此，在喷涂过程中必然导致线形基体材料上分布不均匀的问题，由于超 声波具有超强的搅拌能力，因此，在喷涂过程中采用超声波对石墨烯油墨和导电炭黑油墨进行搅拌，能够将石墨烯油墨和导电炭黑油墨均匀的分布在线形基体材料上，也能够使石墨烯油墨和导电炭黑油墨之间混合均匀，从而，使导电纤维各个部位导电能力相同，避免出现制约导电纤维的导电能力的部位。 [0053] 实施例5 [0054] 在上述实施例的基础上，在所述纱线喷涂步骤和所述股线喷涂步骤之后还包括烘干步骤； [0055] 所述烘干步骤：将所述石墨烯导电单丝或所述石墨烯纤维进行若干次干燥工序；所述石墨烯导电单丝或所述石墨烯纤维每经过一次干燥工序，进行一次湿度测量，若当前湿度偏离了预定的湿度范围，则对下一次的干燥工序进行调整，若当前的湿度在预定的湿度范围内，则保持下一次的干燥工序不变。 [0056] 本实施例在纱线喷涂和股线喷涂之后进行了烘干处理，由于纱线喷涂后需要进行并丝，并丝的时候会对各个单丝进行施加压力，此时如果单丝未被烘干、容易导致粘结剂被挤出，而导致石墨烯油墨或者导电炭黑油墨被挤出，不能与单丝长纤维良好的结合，因此，在进行并丝之前进行烘干。如果对单丝进行一次性烘干，容易导致外层的粘结剂已经干燥而内层的却未干燥，从而导致内层的水分等被粘结剂封住，导致内层不能干燥，影响导电纤维的质量，因此，需要逐次进行干燥，并且要严格控制每一次干燥的程度，因此，需要在每一次干燥工序过后进行湿度检测，并及时调整下一次的干燥工序。同理，股线在喷涂之后就是成品了，需要进行收集和存放，如果收集了未干燥的导电纤维，在存放过程中也容易对导电涂层造成损坏，因此，需要在收集之前进行干燥处理。 [0057] 实施例6 [0058] 本实施例提供一种导电石墨烯纤维生产系统，包括依次设置的纺纱机、纱线喷涂机、并丝机和股线喷涂机；其中 [0059] 所述纺纱机用于将原料短纤维加工成为单丝长纤维； [0060] 所述纱线喷涂机包括若干石墨烯油墨喷涂装置和若干导电炭黑油墨喷涂装置；所述石墨烯油墨喷涂装置间隔设置，相邻两石墨烯油墨喷涂装置的间隔内设置有导电炭黑油墨喷涂装置； [0061] 所述并丝机用于将经过喷涂的单丝长纤维加工成为股线； [0062] 所述股线喷涂机包括若干导电炭黑油墨喷涂装置和若干石墨烯油墨喷涂装置；所述导电炭黑油墨喷涂装置间隔设置，相邻两导电炭黑油墨喷涂装置的间隔内设置有石墨烯油墨喷涂装置。 [0063] 本实施例的导电石墨烯纤维生产系统，在纺纱机和并丝机之间设置纱线喷涂机，在并丝机之后设置股线喷涂机，采用纱线喷涂机将单丝的外表面包覆一层石墨烯和导电炭黑为导电剂的导电涂层，采用股线喷涂机将和并后的单丝间的空隙填充导电剂，从而，能够大大提高纤维成品中的导电剂的含量，从而提高成品纤维的导电能力。 [0064] 本实施例的纱线喷涂机首先进行石墨烯油墨的喷涂，并且石墨烯油墨和导电炭黑油墨的喷涂时交错进行的，因此，能够保证导电炭黑能够填充到石墨烯的片层状结构的空隙内，形成以片层状的石墨烯为骨架、以颗粒状的导电炭黑为节点的三维导电结构，其导电能力很强。而在进行股线的喷涂时，首先需要将单丝之间的空隙进行填充，而在填充空隙的能力上，片层状的石墨烯必然比颗粒状的导电炭黑要弱的多，因此，在股线的喷涂过程中，采取先喷涂导电炭黑油墨，并且将导电炭黑油墨和石墨烯油墨交错进行喷涂的过程，从而，不经可以在股线外形成以片层状石墨烯为骨架、以颗粒状导电炭黑为节点的三维导电结构，还能够将外层的导电结构与单丝外表面的导电结构连接起来，形成整体的导电结构，增强导电纤维的导电能力。 [0065] 实施例7 [0066] 在上一实施例的基础上，相邻的石墨烯油墨喷涂装置和导电炭黑油墨喷涂装置之间设置有两个导线轮，两个所述导线轮间隔设置，所述两个导线轮之间 设置有电阻测量装置；所述导电炭黑油墨喷涂装置和所述石墨烯油墨喷涂装置均包括控制器和流量调节器，所述控制器与所述流量调节器电连接；所述石墨烯油墨喷涂装置之后的电阻测量装置与下一石墨烯油墨喷涂装置的控制器电连接，所述导电炭黑油墨喷涂装置之后的电阻测量装置与下一导电炭黑油墨喷涂装置的控制器电连接。 [0067] 本实施例在每个石墨烯油墨喷涂装置和导电炭黑油墨喷涂装置之后设置电阻测量装置，每一次喷涂完毕之后都进行一次电阻测量，并以测量得到的电阻值为依据，调整下一次石墨烯油墨喷涂装置或导电炭黑油墨喷涂装置的喷涂速率，也就是说，当完成一次石墨烯油墨的喷涂装置后，进行一次电阻测量，如果此时电阻小于预定值范围，则在下一次石墨烯油墨喷涂时减慢喷涂速率，以避免材料的浪费，如果此时的电阻大于预定值的范围，则需要在下一次的石墨烯油墨喷涂时加快喷涂速率，以得到具有良好导电能力的导电纤维。同理，导电炭黑油墨的喷涂调整也是如此。 [0068] 实施例8 [0069] 在上述实施例的基础上，所述纱线喷涂机和所述股线喷涂机上均设置有若干超声波发生装置，所述超声波发生装置发射出的声波的与单丝长纤维或股线相交。 [0070] 本实施例在喷涂过程中采用超声波发射装置对单丝长纤维或股线上的石墨烯油墨或导电炭黑油墨进行搅拌，使片层状的石墨烯与颗粒状的导电炭黑均匀混合，形成均匀的导电结构，同时，还能够使石墨烯与导电炭黑在线形基体材料上均匀分布，有利于在线形基体材料上形成均匀的导电结构，使导电纤维各部位的导电能力相同或相近，不存在瓶颈部位。 [0071] 实施例9 [0072] 在上述实施例的基础上，在所述纱线喷涂机和所述股线喷涂机之后均设置有烘干机；所述烘干机包括若干依次设置的烘干箱和设置在相邻两烘干箱之间 的湿度传感器；所述烘干箱包括保温箱体、吸湿装置、若干红外线灯和烘干控制器；所述保温箱体垂直于石墨 |
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