本發(fā)明涉及液態(tài)金屬，更為具體地，涉及一種液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、隨著數(shù)字化健康醫(yī)療行業(yè)的快速發(fā)展，通過可穿戴電子設(shè)備監(jiān)測個人的生理參數(shù)來實(shí)現(xiàn)個人健康管理引起了廣泛關(guān)注，其需要滿足柔性、可拉伸、小型化和舒適的要求。與薄膜形器件相比，導(dǎo)電纖維正在成為可穿戴電子產(chǎn)品中的關(guān)鍵元素，并因其對各種變形的適應(yīng)性、透氣性和易與紡織品集成而具備優(yōu)勢。
2、目前，制備導(dǎo)電纖維有兩種策略：一是將傳統(tǒng)金屬或?qū)щ娋酆衔镏瞥衫w維狀；二是將碳納米管(cnt)、石墨烯和銀納米線/顆粒等導(dǎo)電填料嵌入至彈性纖維基體中。前者存在不可拉伸或拉伸有限的問題，通常的策略是設(shè)計波浪/扭曲結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)變來改善；而后者雖然具有一定的拉伸性能，但其導(dǎo)電性相較于前者要差。因此，如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電纖維兼具優(yōu)異的拉伸性能和高導(dǎo)電性是目前研究導(dǎo)電纖維的主要任務(wù)。
3、鎵基液態(tài)金屬由于其具有金屬的優(yōu)異導(dǎo)電性，在室溫下呈液態(tài)，能夠兼顧高導(dǎo)電性和良好的拉伸性能，是制備導(dǎo)電和本征可拉伸纖維的有力候選者。此外，液態(tài)金屬的低毒性和有良好的生物兼容性也使其在柔性可穿戴領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，較高的表面張力(632mn/m，約為水的十倍)使得液態(tài)金屬通常呈現(xiàn)球形，因此，克服液態(tài)金屬的表面張力并將制備成導(dǎo)電纖維存在挑戰(zhàn)。
4、在專利方面，公開號為cn112030546b公布了采用噴筆噴涂的方式將液態(tài)金屬均勻的噴涂在纖維上，噴涂完成后立即垂直懸掛，最后采用封裝材料對噴涂液態(tài)金屬后的纖維進(jìn)行封裝。該方法使得普通纖維變成具有導(dǎo)電性纖維的同時，也有效避免了纖維本身的特性被破壞，使得纖維還具有其本身柔性好、彈性和形變好以及伸長度高等優(yōu)點(diǎn)。但是液態(tài)金屬和普通纖維的界面結(jié)合力較弱，在拉伸或彎曲等形變下，這一類液態(tài)金屬纖維的導(dǎo)電穩(wěn)定性難以保證。
5、公開號為cn115464122a和cn112647156b分別公布了利用注射技術(shù)實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在中空纖維中的灌注以獲得液態(tài)金屬纖維和電化學(xué)輔助制備液態(tài)金屬水凝膠纖維。這兩種方法所獲得的液態(tài)金屬纖維尺寸均在百微米級別，用于柔性可穿戴電子設(shè)備或電子織物存在透氣性和舒適性較差等問題。因此，制備尺寸小且電學(xué)性能可調(diào)以實(shí)現(xiàn)多功能化的液態(tài)金屬纖維在柔性可穿戴電子設(shè)備和電子織物等具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維及其制備方法和應(yīng)用，以解決液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維在具有優(yōu)異的拉伸性能的同時，還具有高導(dǎo)電性的問題。通過采用高壓射流的方式形成具有鏈珠結(jié)構(gòu)且電阻可調(diào)的亞微米導(dǎo)電纖維，并通過改變所述壓儲氣瓶的氣壓，調(diào)節(jié)鏈珠結(jié)構(gòu)在液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維中的分布密度，從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的電阻可調(diào)。
2、本發(fā)明提供一種液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維，以液態(tài)金屬為原料，形成具有鏈珠結(jié)構(gòu)且電阻可調(diào)的亞微米導(dǎo)電纖維，其中，所述鏈珠結(jié)構(gòu)為“球”、“線”均勻交替分布結(jié)構(gòu)。
3、優(yōu)選地，所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的電阻通過所述鏈珠結(jié)構(gòu)在所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維中的分布密度調(diào)節(jié)。
4、優(yōu)選地，所述鏈珠結(jié)構(gòu)中的“球”的橫截面積大于“線”的橫截面積。
5、優(yōu)選地，所述液態(tài)金屬為鎵、鎵銦合金、鎵錫合金、銦錫合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鉍合金以及過渡金屬、固態(tài)非金屬元素的一種或多種摻雜的鎵合金、鎵銦合金。
6、本發(fā)明還提供一種上述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，包括如下步驟：
7、s1：將液態(tài)金屬裝入到高壓噴射裝置中，并在所述高壓噴射裝置的噴射口安裝玻璃微針，在所述高壓噴射裝置的尾部連接高壓儲氣瓶；
8、s2：在室溫條件下，控制所述壓儲氣瓶的氣壓，所述液態(tài)金屬從所述玻璃微針中噴射而出，形成具有鏈珠結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維；
9、s3：當(dāng)所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維從所述玻璃微針的針口噴出時快速經(jīng)過懸空的擋板，通過所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的表面形成的具有一定力學(xué)性能的氧化層使所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維懸空掛在所述擋板上；
10、s4：將懸掛在所述擋板上的液態(tài)金屬纖維收集在襯底上；
11、s5：通過封裝液對收集在所述襯底上的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的表面進(jìn)行噴涂封裝處理，形成具有多種電學(xué)性能的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維。
12、優(yōu)選地，所述玻璃微針的內(nèi)徑為5μm～0.9mm。
13、優(yōu)選地，在s2中，通過改變所述壓儲氣瓶的氣壓，調(diào)節(jié)所述鏈珠結(jié)構(gòu)在所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維中的分布密度。
14、優(yōu)選地，所述壓儲氣瓶的氣壓為0.4mpa～1.5mpa。
15、優(yōu)選地，所述高壓儲氣瓶內(nèi)的氣體包括但不限于空氣、氮?dú)?、氬氣中的一種或幾種。
16、優(yōu)選地，在s3中，所述擋板的懸空高度根據(jù)所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的長度進(jìn)行設(shè)定。
17、優(yōu)選地，所述襯底為聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、水凝膠、ecoflex(降解塑料)、sebs(氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物)、織物、植物、玻璃、塑料或硅片的一種或多種。
18、優(yōu)選地，所述封裝液為聚二甲基硅氧烷的醇類懸濁液、聚氨酯的醇類懸濁液、水凝膠的醇類懸濁液、ecoflex的醇類懸濁液或sebs的醇類懸濁液中的一種或多種。
19、本發(fā)明還提供一種上述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維在電子紡織品、柔性可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用。
20、從上面的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維及其制備方法和應(yīng)用，相比現(xiàn)有技術(shù)能獲得以下有益效果：
21、(1)通過高壓射流使液態(tài)金屬從玻璃微針中噴射出來時有瑞利不穩(wěn)定性，導(dǎo)致液態(tài)金屬流柱受到擾動，利用液態(tài)金屬較大的表面張力和氧化層的抵抗協(xié)同作用形成“球”“線”交替的具有鏈珠結(jié)構(gòu)；
22、(2)液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的鏈珠結(jié)構(gòu)，通過改變壓儲氣瓶氣壓大小，可調(diào)控分布在液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維中鏈珠結(jié)構(gòu)的密度；鏈珠結(jié)構(gòu)中“球”的分布，可優(yōu)化液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的電學(xué)性能；即：通過改變氣壓調(diào)控“球”與“球”之間的距離可以實(shí)現(xiàn)電阻可調(diào)；
23、(3)在大拉伸作用下，液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的電阻變化率呈線性增加，通過調(diào)控鏈珠結(jié)構(gòu)在導(dǎo)電纖維中的分布情況可獲得任意電學(xué)性能的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維；
24、(4)根據(jù)所需制備的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的粗細(xì)不同，選擇不同直徑的定制玻璃微針以制液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的直徑。
25、為了實(shí)現(xiàn)上述以及相關(guān)目的，本發(fā)明的一個或多個方面包括后面將詳細(xì)說明的特征。下面的說明以及附圖詳細(xì)說明了本發(fā)明的某些示例性方面。然而，這些方面指示的僅僅是可使用本發(fā)明的原理的各種方式中的一些方式。此外，本發(fā)明旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。
1.一種液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維，以液態(tài)金屬為原料，形成具有鏈珠結(jié)構(gòu)且電阻可調(diào)的亞微米導(dǎo)電纖維，其中，所述鏈珠結(jié)構(gòu)為“球”、“線”均勻交替分布結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維，其特征在于，所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的電阻通過所述鏈珠結(jié)構(gòu)在所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維中的分布密度調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維，其特征在于，所述鏈珠結(jié)構(gòu)中的“球”的橫截面積大于“線”的橫截面積。
4.如權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維，其特征在于，所述液態(tài)金屬為鎵、鎵銦合金、鎵錫合金、銦錫合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鉍合金以及過渡金屬、固態(tài)非金屬元素的一種或多種摻雜的鎵合金、鎵銦合金。
5.一種權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，包括如下步驟：
6.如權(quán)利要求5所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，其特征在于，所述玻璃微針的內(nèi)徑為5μm～0.9mm。
7.如權(quán)利要求5所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，其特征在于，在s2中，通過改變所述壓儲氣瓶的氣壓，調(diào)節(jié)所述鏈珠結(jié)構(gòu)在所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維中的分布密度。
8.如權(quán)利要求7所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，其特征在于，所述壓儲氣瓶的氣壓為0.4mpa～1.5mpa。
9.如權(quán)利要求5所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，其特征在于，所述高壓儲氣瓶內(nèi)的氣體包括但不限于空氣、氮?dú)?、氬氣中的一種或幾種。
10.如權(quán)利要求5所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，其特征在于，在s3中，所述擋板的懸空高度根據(jù)所述液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的長度進(jìn)行設(shè)定。
11.如權(quán)利要求5-10任一項(xiàng)所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，其特征在于，所述襯底為聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、水凝膠、ecoflex、sebs、織物、植物、玻璃、塑料或硅片的一種或多種。
12.如權(quán)利要求5-10任一項(xiàng)所述的柔液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維的制備方法，其特征在于，所述封裝液為聚二甲基硅氧烷的醇類懸濁液、聚氨酯的醇類懸濁液、水凝膠的醇類懸濁液、ecoflex的醇類懸濁液或sebs的醇類懸濁液中的一種或多種。
13.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維在電子紡織品、柔性可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用。