CN108093535A - 一种高弹性电致发光纤维及其制备方法 - Google Patents

一种高弹性电致发光纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于智能电子器件技术领域，具体为一种高弹性电致发光纤维及其制备方法。本发明方法包括：制备冷冻交联水凝胶离子导体作为透明、高弹性电极；制备具有挤出成型性的聚二甲基硅氧烷寡聚体‑电致发光粉混合发光活性材料，挤出后可进一步固化成型；本发明设计多通道并行挤出针头，使发光活性层包裹两根平行排列的凝胶电极，混合发光活性材料的粘度经过调控后可保证挤出后的纤维结构不发生变形。由于聚二甲基硅氧烷和导电凝胶具有高弹性，最终发光纤维可以在拉伸量高达800%时依旧保持正常工作，可稳定循环拉伸量达到300%，超过100次的循环稳定性，最高发光亮度达到242.6cd/m2。该发光纤维可进一步编织成为衣物，具有很高的穿戴舒适性和美观的发光效果。

Description

一种高弹性电致发光纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于智能电子器件技术领域，具体涉及一种高弹性电致发光纤维及其制备方法。
背景技术
随着人们生活中对电子产品的需求日益增长，“智能服饰”的概念逐渐进入人们的视野，通过将具有传感功能、发光功能、储能功能等的电子器件集成在衣物之中，实现服饰监控人体健康、太阳能发电以及作为电源为电子设备供电的功能。其中，发光功能的集成在夜间警示、信号传递以及时尚美观等方面拥有这巨大潜力，有着良好的商业应用前景。目前的发光材料可分为直流发光材料和交流发光材料，直流发光材料分为无机材料和有机材料，无机材料如氮化镓、砷化镓等，所制备的发光二极管并没有柔性，难以与织物集成，有机材料为小分子或聚合物活性材料，如8-羟基喹啉铝、MEH-PPV等，其具有较好柔性，但是其制备工艺往往包含真空，器件成本高，并且器件对隔水隔氧要求很高，难以抵挡人们实际所穿衣物所面临的复杂外在环境，并且发光器件均为平面结构，无法实现与织物大面积集成。
基于掺杂硫化锌的电致发光粉采用交流激发，对膜层平整度及对湿度控制要求低，并且通过将发光粉与弹性体混合，可得到具有拉伸性能的发光活性层，最终器件具有高度柔性和可拉伸性。同时，通过对原料的选择和改进，能够制备出纤维状发光器件，直接通过编织的办法与织物集成，不影响衣物穿着舒适度的同时实现与织物大面积集成。因此，发展一种基于高效率制备方法的，高度柔性和可拉伸性的交流电致发光纤维成为研究者的研究目标。
发明内容
本发明目的在于提供一种高弹性的电致发光纤维及其制备方法。
本发明提供的高弹性的电致发光纤维的制备方法，具体步骤如下：
（1）制备凝胶离子导体前驱体溶液；
（2）制备聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合料；
（3）将步骤（1）制备的水凝胶离子导体前驱体溶液和步骤（2）制备的混合料经过针头共同挤出；所述针头为复合结构，即一个较粗通道内存在两个较细的平行通道，较粗通道用于通过聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合料，较细通道用于通过凝胶离子导体前驱体溶液，较粗通道内部直径0.5~4mm，较细通道内部直径0.1~0.5mm；
（4）室温（如20-25℃）下等待聚二甲基硅氧烷寡聚体聚合交联形成弹性体，交联时间2~4h；
（5）将成型纤维放入零度以下环境冷冻保存12~24h；其中，冷冻交联水凝胶离子导体作为透明、高弹性电极；挤出成型性的聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合物为发光活性材料。
本发明步骤（1）中，所述制备凝胶离子导体前驱体溶液的具体步骤如下：
（1）将聚乙烯醇、聚环氧乙烷溶解于水中，三者质量比为：聚乙烯醇：聚环氧乙烷：水=（0.1-2）:（0.01-0.2）: 10，加热搅拌充分溶解；
（2）将含有离子的溶液加入聚合物溶液中，继续加热搅拌得到均匀溶液。
本发明中，所述含有离子的溶液中所含溶质为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种，或其中几种混合。
本发明步骤（2）中，所述制备聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合料，其中，所述聚二甲基硅氧烷寡聚体采用铂催化体系室温固化硅橡胶，将寡聚体A、B组分等质量混合，加入增稠剂（占寡聚体总体积0.5%~4%），加入固化延缓剂（占寡聚体总体积0.1~2%），加入电致发光粉（占总混合料质量分数5%~50%），使用真空搅拌机真空搅拌均匀（约8-15min），转移至挤出针筒中待用。
本发明中，所述电致发光粉为掺杂硫化锌粉料，掺杂元素为Cu、Mn、Cl、Cd、Al、Ag中的一种或几种，粉料颗粒大小5~50微米。
本发明步骤（3）的共同挤出过程中，可通过调节导电凝胶前驱体溶液与聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合浆料相对挤出速度，改变成型纤维中凝胶电极通道的大小，所使用挤出速度比为混合浆料：前驱体溶液=1：（0.02~0.1）。
本发明所制得的发光纤维结构如图5所示。由凝胶离子导体电极、聚二甲基硅氧烷-电致发光粉混合发光活性层，以电极平行排列并包裹于活性层的结构形式组成。本发明设计具有特定尺寸的多通道并行挤出针头，使发光纤维具有特殊的结构，发光活性层包裹两根平行排列的凝胶电极，聚二甲基硅氧烷-电致发光粉混合发光活性材料的粘度经过调控后可保证挤出后的纤维结构不发生变形。由于聚二甲基硅氧烷和导电凝胶具有高弹性，最终发光纤维可以在拉伸量高达800%时依旧保持正常工作，可稳定循环拉伸量达到300%，超过100次的循环稳定性，器件最高发光亮度达到242.6 cd/m2。该发光纤维可进一步编织成为衣物，具有很高的穿戴舒适性和美观的发光效果。
附图说明
图1为实施例中发光纤维共挤出成型工艺示意图。
图2为实施例中发光纤维亮度-电压曲线。
图3为实施例中发光纤维拉伸0~800%过程中不同拉伸量对应亮度。
图4为实施例中发光纤维300%拉伸循环100次所对应亮度变化。
图5为本发明的发光纤维结构图示。
图6为本发明的发光纤维与织物混编发光的照片。
具体实施方式
以下结合具体实施案例，示例性的说明及帮助进一步理解本发明，但实施案例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部的技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案的限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改换或替换，均属于本发明保护范围。
凝胶离子导体前驱体溶液配制：将聚乙烯醇、聚环氧乙烷溶解于水中，质量比为聚乙烯醇：聚环氧乙烷：水=1: 0.1 :10，加热搅拌充分溶解，将含有离子的溶液加入聚合物溶液中，继续加热搅拌得到均匀溶液。
聚二甲基硅氧烷-电致发光粉浆料配制：将寡聚体A、B组分等质量混合，加入增稠剂（占寡聚体总体积2.2%），加入固化延缓剂（占寡聚体总体积0.55%），加入电致发光粉（占总混合料质量分数40%），使用真空搅拌机真空搅拌10min。
共挤出时所使用的针头为复合结构，即一个较粗通道内存在两个较细的平行通道，较粗通道用于通过聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合料，较细通道用于通过凝胶离子导体前驱体溶液，较粗通道内部直径2mm，较细通道内部直径0.4mm。挤出过程可通过调节导电凝胶前驱体溶液与聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合浆料相对挤出速度，改变成型纤维中凝胶电极通道的大小，所使用挤出速度比为混合浆料：前驱体溶液=1：0.055。
挤出后的纤维具有自支撑性，结构不会在重力影响下塌陷，聚二甲基硅氧烷室温25℃硫化时间3小时。导电凝胶前驱体溶液凝胶过程由冷冻引发，零度以下冰冻12h即得到交联凝胶。
所制备的发光纤维，器件最高发光亮度达到242.6 cd/m2（图2），可以在拉伸量高达800%时依旧保持正常工作（图3），可稳定循环拉伸量达到300%，超过100次的循环稳定性（图4）。可以很好的和纺织品混合编织成织物（图6），在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种高弹性电致发光纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）制备凝胶离子导体前驱体溶液；
（2）制备聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合料；
（3）将步骤（1）制备的水凝胶离子导体前驱体溶液和步骤（2）制备的混合料经过针头共同挤出；所述针头为复合结构，即一个较粗通道内存在两个较细的平行通道，较粗通道用于通过聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合料，较细通道用于通过凝胶离子导体前驱体溶液，较粗通道内部直径0.5~4mm，较细通道内部直径0.1~0.5mm；
（4）室温下等待聚二甲基硅氧烷寡聚体聚合交联形成弹性体，交联时间2~4h；
（5）将成型纤维放入零度以下环境冷冻保存12~24h，其中，冷冻交联水凝胶离子导体作为透明、高弹性电极；挤出成型性的聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合物为发光活性材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述制备凝胶离子导体前驱体溶液的具体流程如下：
（1）将聚乙烯醇、聚环氧乙烷溶解于水中，三者质量比为：聚乙烯醇：聚环氧乙烷：水=（0.1-2）:（0.01-0.2）: 10，加热搅拌充分溶解；
（2）将含有离子的溶液加入聚合物溶液中，继续加热搅拌得到均匀溶液；
所述含有离子的溶液中所含溶质为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种，或其中几种混合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述制备聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合料，其中，所述聚二甲基硅氧烷寡聚体采用铂催化体系室温固化硅橡胶，将寡聚体A、B组分等质量混合，加入增稠剂、固化延缓剂、电致发光粉，使用真空搅拌机真空搅拌均匀，转移至挤出针筒中待用；其中，增稠剂占寡聚体总体积的0.5%~4%，固化延缓剂占寡聚体总体积的0.1~2%，电致发光粉占总混合料质量分数5%~50%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述电致发光粉为掺杂硫化锌粉料，掺杂元素为Cu、Mn、Cl、Cd、Al、Ag中的一种或几种，粉料颗粒大小5~50微米。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）的共同挤出过程中，通过调节导电凝胶前驱体溶液与聚二甲基硅氧烷寡聚体-电致发光粉混合浆料相对挤出速度，改变成型纤维中凝胶电极通道的大小，所使用挤出速度比为混合浆料：前驱体溶液=1：（0.02~0.1）。
6.由权利要求1-5之一所述制备方法制备得到的高弹性电致发光纤维，以凝胶离子导体为电极，以聚二甲基硅氧烷-电致发光粉混合物为发光活性层，电极平行排列并包裹于发光活性层中。
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