[發明專利]基于纖維素-多巴胺/碳納米管導電纖維及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010320653.3
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111485298B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 金永燦;郭天雨;萬章敏;宋君龍
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: D01F2/24
• 分類號: D01F2/24;D01F1/09;D01D5/06;G01G3/14;C08B15/06
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 徐芝強;胡建華

本發明公開了一種基于纖維素?多巴胺/碳納米管導電纖維及其制備方法與應用，利用濕法紡絲的方法，以被多巴胺(DA)修飾的羧甲基纖維素(CMC)作為纖維骨架，以碳納米管(CNT)作為導電填充料，制備了基于纖維素?多巴胺/碳納米管導電纖維，并進一步將其制成柔性傳感器。由導電纖維組裝的柔性傳感器具有高柔韌性、高力學性能、高導電性和應變敏感性的特點，有望作為一種新型的可穿戴電子設備服務于未來機器人、義肢使用者和人體實時運動探測設備。本發明的原料來源豐富，成本低廉，制備工藝簡單，可實施性強，在可穿戴電子器件、柔性能源器件等領域的應用存在巨大潛力。

技術領域

本發明屬于柔性高分子導電材料領域，具體涉及一種基于纖維素-多巴胺/碳納米管導電纖維及其制備方法與應用。

背景技術

到2022年，全球紡織電子產品的使用量預計將超過每年一萬億件，物聯網的迅猛發展引起了人們對電子傳感技術的極大關注和更高要求。碳納米管(CNT)是一種具有高軸向強度和高導電性能的管狀碳材料，已成為柔性導電材料的研究熱點，但其難以均勻分散的固有缺陷影響了CNT的商品化進程。同時日益增長的環境問題增加了對于清潔能源的利用和開發。羧甲基纖維素(CMC)作為一種由天然纖維素與堿及氯乙酸反應得到的一種聚陰離子多糖被廣泛應用于生物、醫藥和食品等領域。最近利用CMC表面帶負電荷這一性質，被用作合成導電聚合物的模板，可以提高電聚合物的電化學性能。研究表明，將CMC作為表面活性劑來分散導電物質CNT，利用與其之間的靜電作用或π-π作用，使得CNT可以穩定的存在于CMC溶液中。與此同時，我們前期研究發現通過將一種貽貝仿生蛋白多巴胺(DA)接枝到CMC分子鏈上，能夠顯著改善CMC在濕態下的機械強度和水中穩定性，并且DA可近一步提高CNT的分散性能。

發明內容

發明目的：以具有同源性和生物相容性的纖維素資源為原料，制備一種基于纖維素-多巴胺/碳納米管導電纖維，并進一步制備柔性傳感器，開展其在可穿戴電子器件、柔性能源器件方面的應用研究。

技術方案：

一種基于纖維素-多巴胺/碳納米管導電纖維，具有高柔韌性、高力學性能、高導電性和應變敏感性的特點，它的拉伸強度為62.27～399.42MPa，斷裂伸長率為7.67％～23.99％，體積電阻率為6.97×10^-4～2.29×10^-2ohm m，電導率為43.72～1.43×10³S m^-1。

本發明進一步提供上述基于纖維素-多巴胺/碳納米管導電纖維的制備方法，包括如下步驟：

(1)制備多巴胺修飾的纖維素水溶液；

(2)將碳納米管加入到步驟(1)多巴胺修飾的纖維素水溶液中，通過超聲共混得到纖維素-多巴胺/碳納米管紡絲溶液；

(3)采用濕法紡絲工藝得到纖維素-多巴胺/碳納米管導電纖維。

具體地，步驟(1)中，所述多巴胺修飾的纖維素水溶液采用如下步驟制備：

S1：將1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽加入羧甲基纖維素水溶液中機械攪拌，待分散均勻后，通過滴加稀鹽酸溶液調節體系的pH為3.5～6；

S2：依次加入N-羥基琥珀酰亞胺和多巴胺鹽酸鹽，在惰性氣體保護下反應6～24h，反應后透析，經洗滌、濃縮，得到多巴胺修飾的纖維素水溶液。

優選地，所述羧甲基纖維素水溶液采用羧甲基纖維素鹽配制，質量濃度為0.5％～3％，羧甲基纖維素鹽的分子量范圍是9kDa～1000kDa；所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽、羧甲基纖維素鹽、N-羥基琥珀酰亞胺、多巴胺鹽酸鹽的反應質量比為(0.96～1.92)：(100～200)：(0.58～1.16)：(0.95～1.90)。