[發明專利]一種可拉伸碳納米管/有機復合熱電纖維及其制備方法及應用

有效

• 申請號: 202011297203.3
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112410927B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 馬儒軍;張春陽;張權
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: D01F8/10
• 分類號: D01F8/10;D01F8/16;D01F1/10
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 張耀

本發明提供了一種可拉伸碳納米管/有機復合熱電纖維及其制備方法及應用，屬于可拉伸熱電材料及其制備和應用領域，制備方法為：(1)將羧基化碳納米管和SDS加入到去離子水中混合攪拌超聲，得到羧基化碳納米管分散液；(2)將PVA和WPU加入到去離子水中溶解混合，得到凝固浴，然后將步驟(1)得到的分散液在步驟(2)中進行濕法紡絲，得到纖維；(3)將步驟(2)得到的纖維放入真空烘箱中，進行加熱處理，冷卻，即得可拉伸碳納米管/有機復合熱電纖維。本發明制備的復合纖維具有良好的熱電性能，在柔性熱電可穿戴領域具有廣闊的應用前景。本發明制備工藝簡單、具備連續化生產的潛力。

技術領域

本發明屬于可拉伸熱電材料及其制備和應用領域，特別涉及可拉伸碳納米管/有機復合熱電纖維的制備方法及應用。

背景技術

自發現以來，基于塞貝克效應的熱電技術提供了一種獨特的方法，可將熱量直接轉換為電能而不會造成環境污染。對于這種熱電發電機，可產生的最大電勢主要取決于熱電材料的能量轉換效率以及冷熱端之間的實際溫差。如果可以有效地收集和轉換熱量，人體就像連續不斷的恒溫源一樣，有可能提供取之不盡的能量。地球上龐大的人口所產生的電能是相當可觀的。它可以直接用于驅動可穿戴電子設備的運行，甚至可以收集以彌補電力需求的不足。因此，越來越多的研究集中在人體可穿戴的熱電材料上。

為了滿足耐磨性的要求，熱電材料必須具有良好的機械柔韌性，最好具有韌性。具有高塞貝克系數的無機熱電材料具有出色的熱電性能。它們對材料的最大挑戰穿戴式熱電發生器很難匹配其形態隨人類運動而變化的身體。常用的方法是通過真空過濾，旋涂，滴鑄，刮涂，印刷，的真空過濾將無機熱電材料涂覆在各種柔性基板(例如聚合物薄膜和纖維)上。為避免熱電材料破裂，即使襯底是柔性的，具有層結構或核殼結構的器件也只能彎曲。另一種設計是將大塊熱電腿整合到與柔性電極連接的彈性聚合物中。這樣，最終的熱電發生器是柔性的，但是由于其不滲透性，它不適合覆蓋更大的人體區域。

導電聚合物由于其機械柔韌性而成為一類有前途的熱電材料。其中，聚(3,4-乙撐二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)具有最高的能量轉換效率，因此在柔性熱電發生器中的應用引起了更多關注。與無機熱電材料相比，低塞貝克系數限制了熱電PEDOT：PSS的性能。在某些研究中，將具有高塞貝克系數或高電導率的無機熱電材料混入PEDOT：PSS中，以改善復合材料的熱電性能，但這會導致柔韌性和可拉伸性下降。碳材料，包括碳碳納米管和石墨烯由于碳原子的二維六邊形晶格的特征結構而具有柔韌性和導電性.碳納米管(或石墨烯)與PEDOT：PSS之間的強相互作用可以有效地提高導電性除了導電聚合物外，石墨烯還可以單獨混入彈性體中以制備柔性熱電材料。一些石墨烯基熱電材料的電阻通常對機械敏感。應變。因此，它們更適合于熱電傳感器，而不是熱電發生器。然而，大多數當前的可穿戴熱電材料僅是柔性的，而不是本征可拉伸的。它們的最大拉伸應變通常小于10％，無法滿足可穿戴熱電設備的實際需求。因此，非常有必要開發新型可拉伸熱電材料。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種可拉伸碳納米管/有機復合熱電纖維，同時提供了該纖維的制備及應用，克服現有技術中柔性熱電材料在形態變化下性能變差的問題。本發明中由羧基化碳納米管在聚乙烯醇和水溶性聚氨酯混合溶液中通過改進的濕法紡絲制備而成。

本發明提供一種可拉伸碳納米管/有機復合熱電纖維，所述纖維包含羧基化碳納米管、十二烷基硫酸鈉(SDS)、聚乙烯醇(PVA)和水溶性聚氨酯(WPU)的復合纖維。所述熱電纖維由羧基化碳納米管在聚乙烯醇和水溶性聚氨酯混合溶液中通過改進的濕法紡絲獲得。

所述PVA和WPU的質量比為1:1。

所述羧基化碳納米管分散液中十二烷基硫酸鈉每克含量為0.1～10％。所述羧基化碳納米管分散液中羧基化碳納米管每克含量為0.1～10％。

所述羧基化碳納米管均勻分布于復合纖維中。

本發明的一種可拉伸碳納米管/有機復合熱電纖維的制備方法，包括：