一种电驱动热致变色纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及功能纤维技术领域，具体涉及一种电驱动热致变色纤维及其制备方法。

背景技术

智能变色纺织品是指能够随着外界环境条件（光、电、热等）的改变而展现出不同颜色的纺织品，是一种具有高附加值和高效益的智能产品。按材料受到的刺激方式来划分，变色纺织品主要有3类：光致变色、热致变色、电致变色。光致变色是指某些化合物在一定的波长和强度的光作用下分子结构会发生变化，从而导致其对光的吸收峰值即颜色的相应可逆改变。电致变色是指材料的光学属性在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化，其本质是材料的化学结构在电场作用下发生改变，进而引起材料吸收光谱的变化。热致变色是指材料在一定温度范围内其颜色随温度的改变而发生明显变化。光致变色纺织品需要附加光源装置，或在某一方向采用特定波长进行辐照激发，应用范围相对有限。电致变色纺织品可通过控制电流或电压的大小调节材料的颜色变化，但是由于其结构复杂、可拉伸性差、成本高等缺点，很难满足器件柔性化和可穿戴的要求。热致变色材料原理及器件结构相对简单，但需要外加热源无法达到主动控制变色的功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构简单、制备方便、可主动控制的一种电驱动热致变色纤维及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种电驱动热致变色纤维的制备方法，它包括以下步骤：

S1. 制备氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液：将氧化石墨烯分散液中滴加羧基化单壁碳纳米管分散液，边滴加边搅拌，制得氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液；其中，氧化石墨烯与羧基化单壁碳纳米管的质量比为0.8～3:1；

S2. 制备导电纤维：氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中滴加水性聚氨酯，水性聚氨酯与氧化石墨烯/碳纳米管复合物的质量比为1:8～12，将聚氨酯纤维浸泡在滴加了水性聚氨酯的氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中，浸泡后取出烘干，重复浸泡和烘干的操作直至纤维增重15～30 %，最后将纤维置于180～220 ℃的烘箱中进行热还原；

S3. 制备电驱动热致变色纤维：热致变色油墨中滴加异佛尔酮，热致变色油墨与异佛尔酮的质量比为12～18:1，混合均匀后将其涂抹在步骤S2制备的导电纤维上，烘干后即为电驱动热致变色纤维。

进一步地，步骤S1中所述氧化石墨烯分散液的制备方法为：将氧化石墨烯粉末加入超纯水中后超声8～15 min，然后滴加氨水调节pH至7～8，得到氧化石墨烯分散液。

进一步地，步骤S1中所述氧化石墨烯与羧基化单壁碳纳米管的质量比为1:1。

进一步地，步骤S2中所述烘干的温度为40～80 ℃，烘干的时间为1～5 min。

进一步地，步骤S2中所述热还原的时间为12～18 min。

上述的方法制备的电驱动热致变色纤维。

本发明具有以下优点：本发明通过将聚氨酯纤维浸泡在氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中进行增重，再热还原，最后涂抹热致变色油墨和异佛尔酮，制备出电驱动热致变色纤维。本发明利用导电材料的电热性能与热致变色材料的变色性能，将电致变色的主动控制和热致变色的结构相结合，制备出的电驱动热致变色纤维兼具二者优点。 本发明的电驱动热致变色纤维结构简单、制备方便，可主动控制变色，使智能纺织品更简单化、智能化和多功能化。

附图说明

图1为不同电压下导电纤维的温度-时间曲线图。

图2为导电纤维在4V（上）、5V（下）电压刺激下的红外热成像图。

图3为变色前后纤维对比图。

图4为导电纤维（左）与纤维原样（右）的截面电镜图。

图5为变色纤维横截面（左）及局部放大电镜图（右）。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例1：一种电驱动热致变色纤维的制备方法，它包括以下步骤：

S1. 制备氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液：将氧化石墨烯分散液中滴加羧基化单壁碳纳米管分散液，边滴加边搅拌，制得氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液；其中，氧化石墨烯与羧基化单壁碳纳米管的质量比为0.8:1；所述氧化石墨烯分散液的制备方法为：将氧化石墨烯粉末加入超纯水中后超声8 min，然后滴加氨水调节pH至7，得到氧化石墨烯分散液；

S2. 制备导电纤维：氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中滴加水性聚氨酯，水性聚氨酯与氧化石墨烯/碳纳米管复合物的质量比为1:12，将聚氨酯纤维浸泡在滴加了水性聚氨酯的氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中，浸泡后取出烘干，所述烘干的温度为40 ℃，烘干的时间为5 min，重复浸泡和烘干的操作直至纤维增重15 %，最后将纤维置于180 ℃的烘箱中进行热还原，热还原的时间为12 min；

S3. 制备电驱动热致变色纤维：热致变色油墨中滴加异佛尔酮，热致变色油墨与异佛尔酮的质量比为12:1，混合均匀后将其涂抹在步骤S2制备的导电纤维上，烘干后即为电驱动热致变色纤维。

实施例2：一种电驱动热致变色纤维的制备方法，它包括以下步骤：

S1. 制备氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液：将氧化石墨烯分散液中滴加羧基化单壁碳纳米管分散液，边滴加边搅拌，制得氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液；其中，氧化石墨烯与羧基化单壁碳纳米管的质量比为3:1；所述氧化石墨烯分散液的制备方法为：将氧化石墨烯粉末加入超纯水中后超声15 min，然后滴加氨水调节pH至8，得到氧化石墨烯分散液；

S2. 制备导电纤维：氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中滴加水性聚氨酯，水性聚氨酯与氧化石墨烯/碳纳米管复合物的质量比为1: 12，将聚氨酯纤维浸泡在滴加了水性聚氨酯的氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中，浸泡后取出烘干，所述烘干的温度为80 ℃，烘干的时间为1 min，重复浸泡和烘干的操作直至纤维增重30 %，最后将纤维置于220 ℃的烘箱中进行热还原，热还原的时间为18 min；

S3. 制备电驱动热致变色纤维：热致变色油墨中滴加异佛尔酮，热致变色油墨与异佛尔酮的质量比为18:1，混合均匀后将其涂抹在步骤S2制备的导电纤维上，烘干后即为电驱动热致变色纤维。

实施例3：一种电驱动热致变色纤维的制备方法，它包括以下步骤：

S1. 制备氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液：将氧化石墨烯分散液中滴加羧基化单壁碳纳米管分散液，边滴加边搅拌，制得氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液；其中，氧化石墨烯与羧基化单壁碳纳米管的质量比为1:1；所述氧化石墨烯分散液的制备方法为：将氧化石墨烯粉末加入超纯水中后超声12 min，然后滴加氨水调节pH至7.5，得到氧化石墨烯分散液；

S2. 制备导电纤维：氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中滴加水性聚氨酯，水性聚氨酯与氧化石墨烯/碳纳米管复合物的质量比为1:10，将聚氨酯纤维浸泡在滴加了水性聚氨酯的氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中，浸泡后取出烘干，所述烘干的温度为60 ℃，烘干的时间为3 min，重复浸泡和烘干的操作直至纤维增重25 %，最后将纤维置于200 ℃的烘箱中进行热还原，热还原的时间为15 min；

S3. 制备电驱动热致变色纤维：热致变色油墨中滴加异佛尔酮，热致变色油墨与异佛尔酮的质量比为16:1，混合均匀后将其涂抹在步骤S2制备的导电纤维上，烘干后即为电驱动热致变色纤维。

以下通过实验说明本发明的有益效果：

1. 制备电驱动热致变色纤维

S1. 制备氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液：将氧化石墨烯分散液中滴加10 mg/mL的羧基化单壁碳纳米管分散液5 mL，边滴加边搅拌，制得氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液；其中，所述氧化石墨烯分散液的制备方法为：将50 mg氧化石墨烯粉末加入10 mL超纯水中后超声10 min，然后滴加氨水调节pH至7.5，得到氧化石墨烯分散液；

S2. 制备导电纤维：氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中滴加10 mg水性聚氨酯，将聚氨酯纤维浸泡在滴加了水性聚氨酯的氧化石墨烯/碳纳米管复合溶液中，浸泡后取出烘干，所述烘干的温度为60 ℃，烘干的时间为3 min，重复浸泡和烘干的操作直至纤维增重23%，最后将纤维置于200 ℃的烘箱中进行热还原，热还原的时间为15 min；

S3. 制备电驱动热致变色纤维：15 g热致变色油墨中滴加1 g异佛尔酮，混合均匀后将其涂抹在步骤S2制备的导电纤维上，烘干后即为电驱动热致变色纤维。

2. 导电纤维的电热性能

在1cm导电纤维两端施加3-5V恒定电压，使用红外热成像仪拍摄，待温度稳定后撤去外加电压，测得导电纤维的电热性能。结果如图1和图2所示所示，结果表明，导电纤维能在4V的电压下升温至60℃，达到了变色油墨变色时所需温度。导电纤维的升温时间约15 s、降温时间约10 s，说明其导热性能良好，可以做到热量对电压的快速响应。

3. 变色纤维的变色性能

对变色纤维进行变色性能测试，结果如图3所示，通过变色前（左）与变色后（右）的图片可以看出，变色油墨在常温下呈棕黑色，而在外加电压时由于电生热而变为橙色。

4. 导电纤维的截面电镜图

对导电纤维的截面进行电镜扫描，结果如图4所示，从导电纤维（左）与纤维原样（右）横截面电镜图的对比中可以看出聚氨酯纤维长丝外附着由还原氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯组成的导电层。

5. 变色纤维的截面电镜图

对变色纤维的截面进行电镜扫描，结果如图5所示，从变色纤维横截面（左）及放大电镜图（右）中可以看出变色层、导电层依次包裹在聚氨酯纤维外，结构紧密，同时变色层包裹着导电层也起到了保护导电网络结构的作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。