一种基于碳纤维的柔性材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性可穿戴纺织品技术领域，尤其是一种基于碳纤维的柔性材料及其制备方法。
背景技术
可穿戴技术是将多媒体、传感器和无线通信等嵌入衣着中，并通过手势和眼动操作等多种交互方式操控。新世纪以来，可穿戴技术在商业、娱乐、教育等领域应用得越来越广泛，并逐步渗入军事、运动等领域，发展势头迅猛。随着科技的发展和人类寿命的延长，嵌有各类健康传感器的可穿戴设备也应运而生，可用于追踪及实时监测人体的健康状况，并且越来越朝着使用方便、节省空间、安全高效、多功能等特点发展。柔性可穿戴纺织品包括纺织品、电子元件、导电材料和电源等部分，其中导电材料在柔性可穿戴纺织品中具有极其重要的作用，主要用于传输电能和信号。柔性导电纤维也被称为柔弹电极，指一种纳米级别、导电性能优异且弯曲度极好的复合材料。随着智能服装技术的发展，具有柔弹性、导电性及轻薄性的电极材料对于可穿戴装备的开发具有极大的推动作用。通常的导电织物，使用聚苯胺、聚吡咯、聚苯乙烯磺酸等导电聚合物涂覆纺织品或者将不锈钢纤维、银线与纺织纤维混编等方法都能使纺织品获得导电性能。但是导电聚合物在实际应用中电阻偏大，且会影响纺织品的穿着舒适性、手感和透气透湿性能；不锈钢纤维和银线则缺乏柔性，无法满足柔性可穿戴的需求。碳纳米管、石墨烯、一维金属纳米线等导电纳米材料的出现为柔性可穿戴纺织品的进一步发展提供了良好的契机。但是，现有的碳纤维柔性导电材料在使用过程中电导率变化较大，导致相应的电器元件工作状态不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于碳纤维的柔性材料及其制备方法，能够解决现有技术的不足，提高了柔性导电材料的耐用度。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种基于碳纤维的柔性材料制备方法，包括以下步骤：
A、配置二氧化锰水溶液；
B、将一支碳纳米管束在二氧化锰水溶液中浸渍，然后取出碳纳米管束进行干燥；
C、在另一支碳纳米管束的表面通过电镀工艺覆盖镀锌层；
D、将上述两支碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底上，得到导电纺织品。
作为优选，步骤A中，二氧化锰水溶液还包括氯化铝，其中二氧化锰的含量为1～10g/L，氯化铝的含量为二氧化锰含量的20％～30％。
作为优选，步骤B中，碳纳米管束在二氧化锰水溶液中浸渍三次；
第一次浸渍20min，浸渍温度为45℃，浸渍后干燥；
第二次浸渍30min，浸渍温度为25℃，浸渍后将碳纳米管束放入酸液中进行酸处理；酸处理后直接进行第三次浸渍；
第三次浸渍10min，浸渍温度为55℃，浸渍后干燥。
作为优选，酸处理的酸液为稀盐酸和稀硝酸的混合液，其中盐酸含量为2.5wt％，硝酸含量为1.5wt％，酸处理的温度为25℃，酸处理的时间为15min。
作为优选，步骤D中，通过缠绕机构将碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底，缠绕机构包括两个并列设置的碳纳米管束输送，每个碳纳米管束输送的出口处设置有一个压轮，碳纳米管从压轮的下方通过并与碳纳米管滚动接触，压轮轴接于第一气缸上，第一气缸带动压轮上下移动，第一气缸上固定有导向片，两个碳纳米管束在导向片的导向作用下产生竖直方向的部分重叠，压轮的前方设置有弹性纤维夹持器，弹性纤维夹持器通过旋转电机安装在第二气缸上，第二气缸带动弹性纤维夹持器左右移动。
作为优选，步骤D中，两支碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底包括以下步骤，
D1、将经过步骤B和步骤C处理过的两支碳纳米管束通过两个并列设置的碳纳米管束输送进行输送，将待缠绕的弹性纤维基底固定在弹性纤维夹持器上；
D2、通过第一气缸调节压轮的上下位置，使附着有二氧化锰的碳纳米管束缠绕张力为附着有镀锌层的碳纳米管束缠绕张力的2倍；通过导向片将附着有二氧化锰的碳纳米管束推送至另一支碳纳米管束的上方，实现两束碳纳米管束的部分重叠；
D3、弹性纤维夹持器在旋转电机的带动下自转，同时弹性纤维夹持器在第二气缸的带动下左右移动，实现两束碳纳米管束均匀缠绕在弹性纤维基底上。
一种基于碳纤维的柔性材料，使用上述的基于碳纤维的柔性材料制备方法制备而成
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过优化二氧化锰电极的制作方法，提高了电极的稳定性。在碳纳米管束的缠绕过程中，通过采用两组不同张力的缠绕工艺，降低了日后使用过程中碳纳米管束之间相互挤压作用力的变化量。利用上下搭接的缠绕工艺，保证缠绕后的弹性纤维基底均匀度和紧致度。
附图说明
图1是本发明实施例1中采用单次浸渍处理后的碳纳米管束的表面显微图像。
图2是本发明实施例2中采用三次浸渍和酸洗处理后的碳纳米管束的表面显微图像。
图3是本发实施例3中优化酸液配方后的碳纳米管束的表面显微图像。
图4是对比例中使用纯二氧化锰溶液处理后的碳纳米管束的表面显微图像。
图5是本发明使用的缠绕机构的俯视结构图。
具体实施方式
实施例1
一种基于碳纤维的柔性材料制备方法，包括以下步骤：
A、配置二氧化锰水溶液；二氧化锰水溶液还包括氯化铝，其中二氧化锰的含量为5g/L，氯化铝的含量为二氧化锰含量的20％。
B、将一支碳纳米管束在二氧化锰水溶液中浸渍，然后取出碳纳米管束进行干燥；
C、在另一支碳纳米管束的表面通过电镀工艺覆盖镀锌层；
D、将上述两支碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底上，得到导电纺织品。
实施例2
一种基于碳纤维的柔性材料制备方法，包括以下步骤：
A、配置二氧化锰水溶液；二氧化锰水溶液还包括氯化铝，其中二氧化锰的含量为5g/L，氯化铝的含量为二氧化锰含量的20％。
B、将一支碳纳米管束在二氧化锰水溶液中浸渍，然后取出碳纳米管束进行干燥；
碳纳米管束在二氧化锰水溶液中浸渍三次；
第一次浸渍20min，浸渍温度为45℃，浸渍后干燥；
第二次浸渍30min，浸渍温度为25℃，浸渍后将碳纳米管束放入酸液中进行酸处理；酸处理后直接进行第三次浸渍；酸液为10wt％的稀盐酸，酸处理的温度为25℃，酸处理的时间为15min；
第三次浸渍10min，浸渍温度为55℃，浸渍后干燥。
C、在另一支碳纳米管束的表面通过电镀工艺覆盖镀锌层；
D、将上述两支碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底上，得到导电纺织品。
实施例3
一种基于碳纤维的柔性材料制备方法，包括以下步骤：
A、配置二氧化锰水溶液；二氧化锰水溶液还包括氯化铝，其中二氧化锰的含量为5g/L，氯化铝的含量为二氧化锰含量的20％。
B、将一支碳纳米管束在二氧化锰水溶液中浸渍，然后取出碳纳米管束进行干燥；
碳纳米管束在二氧化锰水溶液中浸渍三次；
第一次浸渍20min，浸渍温度为45℃，浸渍后干燥；
第二次浸渍30min，浸渍温度为25℃，浸渍后将碳纳米管束放入酸液中进行酸处理；酸处理后直接进行第三次浸渍；酸液为稀盐酸和稀硝酸的混合液，其中盐酸含量为2.5wt％，硝酸含量为1.5wt％，酸处理的温度为25℃，酸处理的时间为15min；
第三次浸渍10min，浸渍温度为55℃，浸渍后干燥。
C、在另一支碳纳米管束的表面通过电镀工艺覆盖镀锌层；
D、将上述两支碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底上，得到导电纺织品。
对比例
一种基于碳纤维的柔性材料制备方法，包括以下步骤：
A、配置纯二氧化锰水溶液；其中二氧化锰的含量为5g/L。
B、将一支碳纳米管束在二氧化锰水溶液中浸渍，然后取出碳纳米管束进行干燥；
C、在另一支碳纳米管束的表面通过电镀工艺覆盖镀锌层；
D、将上述两支碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底上，得到导电纺织品。
参照图1-4，可以明显看出，通过本发明对于碳纳米管束表面处理工艺的优化，提高了碳纳米管束表面结构的致密度和均匀性。
参照图5，本发明通过缠绕机构将碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底，缠绕机构包括两个并列设置的碳纳米管束输送1，每个碳纳米管束输送1的出口处设置有一个压轮2，碳纳米管从压轮2的下方通过并与碳纳米管滚动接触，压轮2轴接于第一气缸3上，第一气缸3带动压轮2上下移动，第一气缸3上固定有导向片7，两个碳纳米管束在导向片7的导向作用下产生竖直方向的部分重叠，压轮2的前方设置有弹性纤维夹持器4，弹性纤维夹持器4通过旋转电机5安装在第二气缸6上，第二气缸6带动弹性纤维夹持器4左右移动。
步骤D中，两支碳纳米管束缠绕于弹性纤维基底包括以下步骤，
D1、将经过步骤B和步骤C处理过的两支碳纳米管束通过两个并列设置的碳纳米管束输送1进行输送，将待缠绕的弹性纤维基底固定在弹性纤维夹持器4上；
D2、通过第一气缸3调节压轮2的上下位置，使附着有二氧化锰的碳纳米管束缠绕张力为附着有镀锌层的碳纳米管束缠绕张力的2倍；通过导向片7将附着有二氧化锰的碳纳米管束推送至另一支碳纳米管束的上方，实现两束碳纳米管束的部分重叠；
D3、弹性纤维夹持器4在旋转电机5的带动下自转，同时弹性纤维夹持器4在第二气缸6的带动下左右移动，实现两束碳纳米管束均匀缠绕在弹性纤维基底上。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
