一种弹性电磁纤维及其制备方法和应用
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202410007054.4 | 申请日 | 2024-01-03 |
| 公开(公告)号 | CN118048713A | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 东华大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 高欣; 孙巍; 苏基林; 游正伟; | 第一发明人 | 高欣 |
| 权利人 | 东华大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 东华大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：上海市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：上海市松江区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：上海市松江区松江新城区人民北路2999号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：201620 |
| 主IPC国际分类 | D01F8/16 | 所有IPC国际分类 | D01F8/16 ; D01F1/10 ; D01D5/34 ; D01D5/06 ; D01D1/02 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 上海泰能知识产权代理事务所 | 专利代理人 | 黄志达; |
| 摘要 | 本 发明 涉及一种弹性电磁 纤维 及其制备方法和应用，所述弹性电磁纤维以基于 水 性聚 氨 酯分散的 磁性 液态金属颗粒为芯层，以海藻酸钠改性水性聚氨酯为鞘层，通过同轴 湿法纺丝 而得。本发明有效地实现了拉伸、高导电且电导稳定以及 磁场 响应性相统一，其在 电磁屏蔽 、可穿戴 电子 、柔性 机器人 等领域具备应用潜 力 。此外，整个纤维制备过程基于水溶液的温和绿色体系特点，符合环境友好型发展方向。 | ||
| 权利要求 | 1.一种弹性电磁纤维，其特征在于：所述弹性电磁纤维以基于水性聚氨酯分散的磁性液态金属颗粒为芯层，以海藻酸钠改性水性聚氨酯为鞘层，通过同轴湿法纺丝而得。 |
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| 说明书全文 | 一种弹性电磁纤维及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明属于可拉伸纤维领域，特别涉及一种弹性电磁纤维及其制备方法和应用。 背景技术[0002] 可拉伸电磁纤维在智能织物、软机器人、可穿戴电子产品和生物医学应用方面具有巨大的潜力。可拉伸电磁纤维将电磁功能与固有的机械性能相结合，以实现弹性与远程驱动、传感和能量收集等功能相统一。目前制备弹性电磁纤维的方法通常是将导电材料(如金属纳米颗粒、碳材料、导电聚合物、石墨烯、MXene等)与磁性固态颗粒(如Fe3O4、Nb2Fe14B、NdFeCoB、NdFeB等)分别引入弹性基底材料混合后，再通过3D打印、热拉伸或溶液纺丝等方式制备纤维。然而，这种将弹性基底与电磁材料相结合的方式往往需要高浓度电磁填料的添加，进而电磁添加剂与软材料的界面不统一，这导致大多数现有弹性电磁纤维的综合功能有限，并且在应变(如拉伸，按压，扭转等)时电导率下降。这是由于高浓度的电磁颗粒添加使得高内应力集中而导致机械性能不理想，其中的电磁添加剂也会面临分层或泄漏的威胁。如何在温和条件下实现弹性、应变下电导稳定以及磁性响应的纤维制备仍旧具备很大的挑战。 发明内容[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种弹性电磁纤维及其制备方法和应用，该弹性电磁纤维解决了固态填料与弹性基底固有的不相容矛盾问题。 [0005] 所述磁性液态金属颗粒的粒径范围为20‑50微米。 [0006] 本发明还提供了一种弹性电磁纤维的制备方法，包括如下步骤： [0007] (1)将液态金属加入到稀盐酸中，搅拌去除氧化层，然而加入铁颗粒，不断搅拌至溶液澄清后，洗涤、干燥，制得磁性液态金属液滴(MLM)；将上述液态金属液滴置于水性聚氨酯中，均质，取下层沉降的磁性液态金属溶液颗粒作为内芯溶液； [0008] (2)将海藻酸钠加入到水性聚氨酯中，均匀搅拌至充分溶解，静置待气泡消失后作为外鞘溶液； [0010] 所述步骤(1)中的液态金属与铁颗粒的质量比为20‑30:1。 [0011] 所述铁颗粒的粒径为300‑500nm。 [0012] 所述步骤(2)中的水性聚氨酯与海藻酸钠的质量比为100:1‑3。 [0013] 所述步骤(1)和(2)中的水性聚氨酯固含量均为25％‑30％。 [0014] 所述步骤(3)中的同轴湿法纺丝针内径22G、外径17G。 [0015] 所述步骤(3)中的同轴湿法纺丝工艺参数为：注射泵内层挤出速度为8‑12ml/h，外层挤出速度为15‑20ml/h。 [0016] 本发明还提供了一种弹性电磁纤维在电磁屏蔽、可穿戴电子、柔性机器人中的应用。 [0017] 本发明利用均质机的高速搅拌以及水性聚氨酯与MLM表面的氧化层螯合作用成功制备了水性聚氨酯分散的MLM微颗粒。相较于用有机溶剂分散液态金属的方法，采用基于水体系的水性聚氨酯，绿色无污染，展示出更好的应用前景。此外，通过天然聚合物海藻酸钠(SA)改性水性聚氨酯(WPU)成功制备了基于WPU‑SA离子交联的外鞘，当WPU‑SA溶液碰到凝2+ 固浴时，会快速的与钙离子(Ca )络合成型，包裹着WPU分散的MLM微颗粒因重力作用自发地向凝固浴中掉落成型，再通过卷轴收集纤维。 [0018] 有益效果 [0019] 本发明有效地实现了拉伸、高导电且电导稳定以及磁场响应性相统一，其在电磁屏蔽、可穿戴电子、柔性机器人等领域具备应用潜力。此外，整个纤维制备过程基于水溶液的温和绿色体系特点，符合环境友好型发展方向。附图说明 [0020] 图1为本发明MLM纤维实物图(A)及MLM纤维的力学应力‑应变曲线(B)； [0021] 图2为本发明MLM纤维表面扫描电镜图(A)以及MLM纤维打结时扫描电镜图(B)； [0022] 图3为本发明MLM纤维点亮小灯泡图(A)及纤维磁性响应性图(B)； [0023] 图4为本发明MLM纤维截面扫描电镜图以及元素分析图。 具体实施方式[0024] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 [0025] 实施例1 [0026] 本实施例提供了一种弹性电磁纤维的制备方法，包括如下步骤： [0027] (1)WPU的合成 [0028] 将10g聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG)，加入500ml三口烧瓶中，将其置于油浴(110℃)，真空除水2h。待温度降至80℃，加入4.446g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)及0.01g二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，反应2h。待温度降到60℃，加入1ml 1.342g/ml的2，2‑二羟甲基丁酸(DMBA)的四氢呋喃溶液，加入9ml四氢呋喃(THF)，反应22h，加入1.01g三乙胺(TEA)，反应0.5h。待温度降至室温后，加入60ml去离子水，高速搅拌(1500rpm)2h，得到聚氨酯分散溶液。再将上述聚氨酯分散液，去除四氢呋喃，得到固含量为25％‑30％的WPU溶液。 [0029] (2)MLM芯层纺丝液的制备 [0030] 将10g液态金属‑EGaIn加入20ml稀盐酸(1.44mol/L)中，搅拌30min，去除氧化层，称量0.4g铁颗粒(300‑500nm)于上述溶液中，不断搅拌至溶液澄清后，用乙醇洗去残余的稀盐酸后，置于50℃真空烘箱中干燥1h后，制得磁性液态金属液滴(MLM droplet)。将上述液态金属液滴置于固含量为25％的WPU中，用均质机12000rpm均质20min后，取下层沉降的MLM微颗粒作为同轴湿法纺丝的内芯溶液。 [0031] (3)WPU‑SA鞘层纺丝液的制备 [0032] 将20g固含量为30％的WPU溶液中，加入0.06g的SA，均匀搅拌至SA充分溶解，静置待气泡消失后作为同轴湿法纺丝的外鞘溶液。 [0033] (4)同轴湿法纺丝MLM纤维 [0034] 采用内径22G(0.41mm)，外径17G1.01 mm)的双轴湿法纺丝针头，配制2％wt的氯化钙水溶液作为凝固浴。同轴湿法纺丝针内部为上述内芯溶液，外部为上述外鞘溶液，采用注射泵内层挤出速度为8‑12ml/h，外层挤出速度为15‑20ml/h，即得MLM纤维。 [0035] 图1为得到的MLM纤维实物图(A)及MLM纤维的力学应力‑应变曲线(B)。由力学应力‑应变曲线可知纤维具有优异的拉伸性能，可以伸长至原长的7倍左右，拉伸强度为37MPa左右。 [0036] 图2为得到的MLM纤维表面扫描电镜图(A)以及MLM纤维打结时扫描电镜图(B)。由图2A可知，MLM纤维的表面光滑且纤维直径在400微米左右；由图2B可知，MLM纤维具有优异的弹性性能。 [0037] 图3为得到的MLM纤维点亮小灯泡图(A)及纤维磁性响应性图(B)。由图3A可知，85cm长的MLM纤维用作导线可以点亮小灯泡，表明其优异的电导性能；由图3B可知，MLM纤维可以被磁铁吸住而不因自身重力作用掉落，表明纤维的磁性响应性。 [0038] 图4为得到的MLM纤维截面扫描电镜图以及元素分析图。由图4可知，MLM纤维的直径为400‑500微米左右，以及MLM纤维是由弹性聚氨酯为外鞘以及磁性液态金属为内芯组成，与设计的纤维结构一致。 |
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