电导性纺织品元件及其制备方法

1.本发明涉及一种导电材料制备技术，尤其涉及一种电导性纺织品元件及其制备方法。


背景技术：

2.导电织物凭借其优异的导电性能、静电放电性能、电磁干扰保护性能以及较轻的重量，广泛应用于纺织技术、生物医疗和智能可穿戴等领域，受到学者的广泛关注。现有技术中已经公开了制造导电纤维、纱线、织物和薄膜的各种方法。比如：其中一种是在纺织纤维中添加细碎的金属、本征导电聚合物、碳纤维等导电介质，并通过混纺方法制成复合纱线。然而，混纺过程难以实现导电介质与纤维的均匀混合，导致复合纱线无法获得稳定均一的导电性能。另外，混纺制备的复合纱线中纤维和导电颗粒之间的结合并不充分紧密，因此在后续使用中存在纤维和导电材料分离的风险。
3.另一种方法，即在纺织品衬底表面涂覆金属纳米颗粒、导电聚合物、碳纳米管、石墨烯等导电物质。即一般使用各种金属离子沉积技术将金属涂层沉积到纺织品衬底表面上。然而，这种方法需要较为复杂的技术过程以及对仪器设备和实验参数有比较严格的精度要求，限制了该技术的产业化应用。
4.此外，通过提高金属纳米颗粒与纺织品基底之间的粘结力来制备出耐久性和导电性俱佳的电导性纺织品元件，也是一个主要关心问题。
5.近期，专利号为0003792.x的中国专利展示了一种聚电解质-桥连金属-涂层棉纱的技术。在此种方法中，首先通过使用表面引发的原子转移自由基聚合(si-atrp)在棉纤维表面上嫁接带正电的聚氯化[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基铵(pmetac)聚电解质。随后在化学改性过的棉纤维表面装载四氯钯酸根(ii)阴离子，这些催化剂离子最终使包括铜和镍的导电颗粒在化学镀溶液中沉积在聚电解质层上。如此制得的电导性棉纱能够在经受多次弯曲、拉伸、摩擦和洗涤后，仍能维持其高电导性，有力地证明了聚电解质可以作为柔性纺织品基底和刚性金属涂层之间的一种非常有效的桥接层，以生产出具有良好柔韧性和优异导电性的电导性纺织品元件。然而，si-atrp工艺存在一些不足，包括需要在无氧的环境中进行操作，单体到聚合物的化学转换率低和反应速度慢，这些严重阻碍了电导性纺织品元件的大规模生产和商业化。因此，合成工艺需要进行改良以实现高通量的电导性纺织品元件的生产。
[0006]
而且，专利号为0013354.7的中国专利和专利号为0269365.0的中国专利公布了通过其他方式来改善合成方法，主要原理为：通过原位自由基聚合在纤维表面嫁接带正电的聚电解质pmetac或带负电的聚电解质聚(甲基丙烯酸钠盐)(pmana)。相比于si-atrp，原位自由基聚合可以提高聚电解质聚合的通量，加快聚合反应速度以及使聚合反应在有氧环境下进行。然而，这种改良方法仍具有如下缺陷：这些聚电解质的化学嫁接需要对纤维表面进行硅烷化预处理，工艺流程复杂。此外，对于表面没有羟基官能团的纤维基底，需要对其进行氧气等离子体处理，造成纤维机械性能下降。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的是提供一种电导性纺织品元件，通过原位共聚反应(由于其为一锅法，工艺简洁，可对任意纺织品进行化学嫁接，故易于大规模生产不同种类的导电纺织品元件)在纺织品基底制备多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层，进而提高了金属土层与纺织品基底之间的附着力，从而使得制备的电导性纺织品元件在经受搓揉、拉伸和洗涤时更加可靠、强韧和耐用，从而解决了现有的导电纺织品制作方法中需要硅烷化和氧气等离子体预处理的缺陷。
[0008]
为实现上述目的，本发明提供了一种电导性纺织品元件，包括纺织品基底、通过原位共聚反应在所述纺织品基底上形成多酚/聚乙烯亚胺聚合粘结层、通过离子螯合和还原反应在所述聚合物粘结层上形成的催化位点以及化学镀在所述催化位点上的金属涂层。
[0009]
优选的，所述纺织品基底为弹性体结构，所述弹性体的材质为棉、麻、丝绸、羊毛、尼龙、聚酯、氨纶或芳纶的一种或者任意组合。
[0010]
优选的，所述多酚为左旋多巴、单宁酸或姜黄素；
[0011]
左旋多巴的溶剂为三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐；
[0012]
单宁酸的溶剂为去离子水；
[0013]
姜黄素的溶剂为无水乙醇。
[0014]
优选的，所述催化位点采用钯离子、铜离子或镍离子为催化剂离子进行离子螯合和还原反应。
[0015]
优选的，所述金属涂层为铜包覆层、镍包覆层、银包覆层或金包覆层。
[0016]
基于电导性纺织品元件的制备方法，包括以下步骤：
[0017]
步骤1、在纺织品基底表面通过原位共聚反应制备多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层；
[0018]
步骤2、在经步骤1获得的纺织品基底上的聚合物粘结层表面通过离子螯合和还原制备催化位点；
[0019]
步骤3、在经步骤2获得的纺织品基底的催化位点上通过化学镀制备金属涂层，即可得到得到电导性纺织品。
[0020]
优选的，所述步骤1具体包括以下步骤：
[0021]
步骤1.1、将纺织品基底浸泡在含多酚和聚乙烯亚胺的混合缓冲液中进行化学接枝；
[0022]
步骤1.2、冲洗具有多酚/聚乙烯亚胺聚合物的纺织物基底；
[0023]
步骤1.3、放入烘箱中进行干燥。
[0024]
优选的，所述步骤2具体包括以下步骤：
[0025]
步骤2.1、将具有多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层的纺织品基底浸入四氯钯酸铵、五水合硫酸铜或六水合硫酸镍水溶液中进行离子螯合和还原反应；
[0026]
步骤2.2、用清水洗净具有催化活性位点的纺织品基底。
[0027]
优选的，所述步骤3具体包括以下步骤：
[0028]
步骤3.1、将具有催化活性位点的纺织品基底进入浸入镍化学镀液、铜化学镀液、银化学镀液或金化学镀液进行化学镀；
[0029]
步骤3.2、用去离子水冲洗；
[0030]
步骤3.3、干燥得到电导性纺织品。
[0031]
优选的，步骤1.1中，将纺织品基底浸泡在含有0.2～5mg/ml的多酚和0.1～2mg/ml的聚乙烯亚胺的混合缓冲液中60～240分钟，温度为25℃，搅拌速度为200～600rpm以进行聚合；
[0032]
步骤2.1中，将具有多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层的纺织品基底浸入5～10mm的四氯钯酸胺、五水合硫酸铜或六水合硫酸镍水溶液中1～3小时以进行离子螯合和还原；
[0033]
步骤3.1中，将具有催化活性位点的纺织品基底浸入由40g/l六水合硫酸镍、20g/l柠檬酸钠、10g/l乳酸和1g/l二甲胺基甲硼烷组成的镍化学镀液中30～180分钟以进行化学镀。
[0034]
因此，本发明具体有以下有益效果：使用原位共聚反应在金属涂层和纺织物基底之间制备聚合物粘结层。首先，聚合物粘结层大大提高了导电基团与纺织品之间的附着力，使得如此制备的电导性纺织品元件在经受揉搓、拉伸和洗涤时更加可靠、强韧和耐用；其次，原位共聚反应是通过一锅法直接在纤维基底上化学嫁接聚合物粘结层，使得本发明的工艺流程更加简便；再次，多酚/聚乙烯亚胺聚合物可以对任意纤维基底进行化学接枝，使得可以制备不同种类的电导性纺织品元件。
[0035]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0036]
图1为通过本发明制备电导性棉纱线的流程示意图；
[0037]
图2为经图1所示流程制备的电导性涂镍棉纱线外形图；
[0038]
图3为经图1所示流程制备的电导性涂镍棉纱线扫描电子显微镜图。
具体实施方式
[0039]
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
[0040]
图1为通过本发明制备电导性棉纱线的流程示意图；图2为经图1所示流程制备的电导性涂镍棉纱线外形图；图3为经图1所示流程制备的电导性涂镍棉纱线扫描电子显微镜图，如图1-图3所示，本发明包括纺织品基底、通过原位共聚反应在所述纺织品基底上形成多酚/聚乙烯亚胺聚合粘结层、通过离子螯合和还原反应在所述聚合物粘结层上形成的催化位点以及化学镀在所述催化位点上的金属涂层。其中，所述纺织品基底为弹性体结构，所述弹性体的材质为棉、麻、丝绸、羊毛、尼龙、聚酯、氨纶或芳纶的一种或者任意组合。优选的，所述多酚为左旋多巴、单宁酸或姜黄素；左旋多巴的溶剂为三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐；单宁酸的溶剂为去离子水；姜黄素的溶剂为无水乙醇。优选的，所述催化位点采用钯离子、铜离子或镍离子为催化剂离子进行离子螯合和还原反应。优选的，所述金属涂层为铜包覆层、镍包覆层、银包覆层或金包覆层。
[0041]
基于电导性纺织品元件的制备方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤1、在纺织品基底表面通过原位共聚反应制备多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层；
[0043]
优选的，所述步骤1具体包括以下步骤：
[0044]
步骤1.1、将纺织品基底浸泡在含多酚和聚乙烯亚胺的混合缓冲液中进行化学接枝；
[0045]
优选的，步骤1.1中，将纺织品基底浸泡在含有0.2～5mg/ml的多酚和0.1～2mg/ml的聚乙烯亚胺的混合缓冲液中60～240分钟，温度为25℃，搅拌速度为200～600rpm以进行聚合；
[0046]
步骤1.2、冲洗具有多酚/聚乙烯亚胺聚合物的纺织物基底；
[0047]
步骤1.3、放入烘箱中进行干燥。
[0048]
步骤2、在经步骤1获得的纺织品基底上的聚合物粘结层表面通过离子螯合和还原制备催化位点；
[0049]
优选的，所述步骤2具体包括以下步骤：
[0050]
步骤2.1、将具有多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层的纺织品基底浸入四氯钯酸铵、五水合硫酸铜或六水合硫酸镍水溶液中进行离子螯合和还原反应；
[0051]
步骤2.1中，将具有多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层的纺织品基底浸入5～10mm的四氯钯酸胺、五水合硫酸铜或六水合硫酸镍水溶液中1～3小时以进行离子螯合和还原；
[0052]
步骤2.2、用清水洗净具有催化活性位点的纺织品基底。
[0053]
步骤3、在经步骤2获得的纺织品基底的催化位点上通过化学镀制备金属涂层，即可得到得到电导性纺织品。
[0054]
优选的，所述步骤3具体包括以下步骤：
[0055]
步骤3.1、将具有催化活性位点的纺织品基底进入浸入镍化学镀液、铜化学镀液、银化学镀液或金化学镀液进行化学镀；
[0056]
步骤3.1中，将具有催化活性位点的纺织品基底浸入由40g/l六水合硫酸镍、20g/l柠檬酸钠、10g/l乳酸和1g/l二甲胺基甲硼烷组成的镍化学镀液中30～180分钟以进行化学镀。
[0057]
步骤3.2、用去离子水冲洗；
[0058]
步骤3.3、干燥得到电导性纺织品。
[0059]
因此，本发明采用上述结构的电导性纺织品元件，通过原位共聚反应(由于其为一锅法，工艺简洁，可对任意纺织品进行化学嫁接，故易于大规模生产不同种类的导电纺织品元件)在纺织品基底制备多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层，进而提高了金属土层与纺织品基底之间的附着力，从而使得制备的电导性纺织品元件在经受搓揉、拉伸和洗涤时更加可靠、强韧和耐用。
[0060]
需要说明的是，经本发明稍作修改，还可以用来修饰具有拉伸性的弹性材料，例如ecoflex制成的纤维、薄膜和橡胶，以制备可拉伸的导体，从而被用来在可拉伸的电子器件中作为导线。
[0061]
在ecoflex基底上产生多酚/聚乙烯亚胺聚合物粘结层的过程与上述描述的棉纱线过程一样，稍微的区别在于随后的化学镀过程是在聚合物修饰的弹性体被拉伸到特定的应变程度时实施的。金属纳米颗粒负载完成后，弹性体被放松，其表面会形成有规律的褶皱，同时金属层仍然保持完整而不会产生剥落。因为金属褶皱可以被拉直以提供较大的应变，故它可以承受拉伸或弯曲，从而被应用于可拉伸导线中。
[0062]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。