[發明專利]一種皮芯結構彈性電驅動熱致變色傳感纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 202011424282.X
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112522809B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 冉建華;許銳;畢曙光;蔡光明;程德山;姚金波
• 申請（專利權）人: 武漢紡織大學
• 主分類號: D01F8/16
• 分類號: D01F8/16;D01F1/10;D01F1/09;D01D5/34;D06M11/28;D06M13/238;D06M101/30
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本發明屬于功能性電驅動熱致變色紗線技術領域，具體涉及一種皮芯結構彈性電驅動熱致變色傳感纖維及其制備方法。首先，通過預處理，提高纖維表面的附著力，再通過簡單的超聲浸泡使纖維素納米晶剝離后的石墨烯有序的包覆在聚氨酯纖維基底上，制備柔性可拉伸靈敏導電纖維。然后，將含有不同熱致變色油墨的聚氨酯納米纖維靜電紡絲到彈性纖維表面，制得皮芯結構彈性電驅動熱致變色傳感纖維。這種新型皮芯復合結構纖維具有優異的機械性能、電熱性能，利用力電協同增強熱致變色，經久耐用。

技術領域

本發明屬于功能性電驅動熱致變色纖維技術領域，具體涉及一種皮芯結構彈性電驅動熱致變色傳感纖維及其制備方法。

背景技術

智能變色材料在受到光、電、熱等外界刺激時，其化學結構、電子結構、晶相結構等發生改變，產生明顯的顏色變化，在電子顯示、軍事偽裝、智能開關、智能傳感和智能織物等新興領域有廣泛的應用前景。其中，光致變色材料需要附加光源裝置，在某一方向采用特定波長進行輻照激發，應用范圍相對有限。電致變色是材料的光學屬性在外加電場作用下發生顏色變化，可通過控制電流或電壓的大小調節材料的顏色變化。然而，電致變色器件包含變色層、電解質層及電極層，構造工藝復雜、成本高，且多元組裝結構使其幾乎不具備可拉伸性，不能滿足器件柔性化和可穿戴的發展要求。熱致變色材料原理及器件結構相對簡單，但需要外加熱源，且拉伸性能通常較差，無法直接應用于柔性智能變色領域。因此，將電致變色的主動控制和熱致變色的結構簡單相結合，利用導電材料的電熱性能與熱致變色材料的變色性能，有望設計制備兼具二者優點的電驅動熱致變色材料，即結構簡單，顏色豐富，拉伸性能良好，能實現可控、可逆的顏色變化。

電驅動熱致變色材料通過施加電流或電壓產生焦耳熱，當溫度達到所使用熱致變色材料的臨界溫度時，熱能可以驅動變色材料改變顏色。一般的電驅動熱致變色材料由基底層、熱源層、熱致變色層和保護層等幾部分組成。根據熱電公式，導電材料可以作為熱源層，當電流通過時產生焦耳熱，并傳遞到熱致變色層，引起顏色的變化，實現對熱致變色材料變色響應時間、褪色時間、對比度等的精確控制。為達到熱致變色材料變色所需要的熱能，在相同響應時間內，電阻越小，所需要的驅動電壓越小。

因此，如何構筑驅動電壓小、響應速度快、飽和溫度高和熱保持率高的導電層，是本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

針對現存的彈性電驅動熱致變色纖維在結構設計、制備方法、機理研究等方面存在的問題，設計一種皮芯層次結構纖維。這種新型皮芯復合結構纖維集優異的機械性能、電熱性能，利用力電協同實現可重復使用的熱致變色，經久耐用。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種皮芯結構彈性電驅動熱致變色傳感纖維的制備方法，包括以下步驟：

(1)聚氨酯纖維的預處理

將聚氨酯纖維纖維浸入N,N-二甲基甲酰胺溶液中1.5-2.5h使其溶脹；

(2)單寧酸-鐵離子表面修飾

將步驟(1)處理后的聚氨酯纖維放入90-110mL超純水中，加入三氯化鐵后超聲處理9-12s使其均勻分散在溶液中，再加入單寧酸超聲處理8-11s使其均勻分散在溶液中，最后加入三羥甲基氨基甲烷緩沖溶液并超聲50-70s，完成聚氨酯纖維的表面修飾；

(3)石墨烯/聚氨酯導電復合纖維的制備

將步驟(2)表面修飾后的聚氨酯纖維浸沒在經纖維素納米晶剝離后的石墨烯溶液中，超聲處理1-2h，循環4-8次，完成石墨烯/聚氨酯導電復合纖維的制備；

(4)皮芯結構彈性電驅動熱致變色傳感纖維的制備

將步驟(3)制備的石墨烯/聚氨酯導電復合纖維作為芯，以聚氨酯顆粒、N，N-二甲基甲酰胺和熱致變色油墨為紡絲液，通過雙噴頭靜電紡包芯紗技術，制備得到皮芯結構彈性電驅動熱致變色傳感纖維。