CN110725130B - 同轴结构的可电致变色的复合纤维及其制备方法 - Google Patents

同轴结构的可电致变色的复合纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了同轴结构的可电致变色的复合纤维及其制备方法，方法包括如下步骤：S1、配置可用于湿法纺丝的电致变色化合物纺丝原液；S2、利用湿法纺丝将电致变色化合物和弹性纤维制备成同轴结构的电致变色化合物所包覆的弹性纤维；S3、对弹性纤维进行拉伸，使弹性纤维表面的电致变色化合物层产生裂缝；S4、在处于拉伸状态的弹性纤维表面涂覆一层聚乙烯醇‑磷酸凝胶状电解质，随后撤去拉力后弹性纤维回复原长，得到同轴结构的可电致变色的复合纤维。该方法制备出的纤维具有良好的可编织性，随纤维两端电压的不同而变色，其应用潜力广泛，且制备方法简单。

Description

同轴结构的可电致变色的复合纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于电致变色器件领域，具体涉及一种同轴结构的可电致变色的复合纤维及其制备方法。
背景技术
伴随科技发展，人们的生产和生活水平不断提高，对智能纺织品的需求也不断扩大。电致变色材料在电刺激条件下，可以发生颜色变化，在诸多领域都有巨大的应用潜力，比如，智能窗、传感器、航空航天、电子、军事和日常生活方面等。可穿戴的便携式智能化电致变色器件是当今社会电致变色材料的发展趋势之一，把电变色器件做成纤维状，就是将导电层、电致变色层、电解质层以纤维的形式组合起来，可以用传统的纺织编造方法，编织成不同类型的电致变色织物，与一般的电致变色薄膜相比，应用更为广阔。
聚苯胺具有特殊的光学，电学性质，经掺杂后具有良好的电化学性能，导电率高，在电刺激下，伴随氧化还原反应，颜色会发生变化，是一种良好的电致变色材料。且聚苯胺原料易得，稳定性好，是最具前景的导电高分子材料之一。目前对聚苯胺电致变色性能的研究有很多，但是聚苯胺薄膜形式的电致变色材料居多。
随着对电致变色器件的研究日益增多，电致变色材料的研究方法和技术也取得了一定的进展，由于电致变色器件多层的复杂结构，把电致变色器件组合成纤维状，并且实现连续制备是一个难题。因此，发展一种高效的，长程制备电致变色纤维的方法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具有同轴结构的，可随纤维两端电压不同而颜色改变的电致变色纤维，以及该纤维的湿法纺丝制备方法。
本发明提供的电致变色纤维，由同轴纺湿法纺丝方法电致变色化合物和弹性纤维复合形成同轴结构的纤维，经凝固液处理后，对纤维进行拉伸，在纤维表面涂覆一层聚乙烯醇/磷酸凝胶状电解质，随后撤去拉力。该电致变色纤维有弹性，随两端电压变化而颜色改变，可以编织成织物，用途广泛。
具体方案如下：
一种具有同轴结构的电致变色纤维制备方法，包括如下步骤：
S1、配置可用于湿法纺丝的电致变色化合物纺丝原液；
S2、利用湿法纺丝将电致变色化合物和弹性纤维制备成同轴结构的电致变色化合物所包覆的弹性纤维；
S3、对弹性纤维进行拉伸，使弹性纤维表面的电致变色化合物层产生裂缝；
S4、在处于拉伸状态的弹性纤维表面涂覆一层聚乙烯醇-磷酸凝胶状电解质，随后撤去拉力后弹性纤维回复原长，得到同轴结构的可电致变色的复合纤维。
进一步的，步骤S1具体包括：
S11、使用基于有机磺酸分子掺杂的电致变色化合物溶液，以含有聚氧乙烯的酯类或醚类材料为乳化剂，通过与导电聚合物单体进行化学氧化聚合反应制得聚合物乳液；
S12、将所述聚合物乳液与聚乙烯醇共混，静置脱泡后得纺丝原液。
进一步的，步骤S2具体包括：
采用同轴纺湿法纺丝工艺，将纺丝原液倒入喷丝器中，细纤维和电致变色化合物纺丝原液同时经纺丝孔，以计量泵为驱动力使细纤维和电致变色化合物纺丝原液经过喷丝板进入35℃~50℃的饱和硫酸钠凝固液中，随后经过导丝辊进入75℃~95℃的烘干设备中，之后进入水洗溶液自然凝固10~1800s，经烘干后得到同轴结构的电致变色化合物包覆的弹性纤维。
进一步的，在步骤S3中，对弹性纤维进行100%拉伸量拉伸。
进一步的，所述细纤维为直径为1μm~3μm的弹性纤维。
进一步的，电致变色化合物为聚苯胺，或者为
电致变色高分子聚噻吩或聚吡咯，或者为
电致变色的金属氧化物WO3、V2O5、MoO5、TiO2、IrO2或Ir(OH)2。
进一步的，所述复合纤维的直径为10μm~30μm。
同时本发明还请求保护采用上述制备方法所制备出的具有同轴结构的可电致变色的复合纤维。
本发明提供的湿法纺丝制备的聚苯胺电致变色纤维生产效率高，具有大规模生产的可能性。本发明提供的制备同轴结构的电致变色纤维的方法，可以从聚苯胺扩展到其他电致变色高分子材料中，比如聚噻吩、聚吡咯等。本发明的制备方法简单易行，操作流程短，适合推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种具有同轴结构的电致变色纤维制备方法的流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供了一种具有同轴结构的电致变色纤维制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、配置可用于湿法纺丝的电致变色化合物纺丝原液。具体步骤为：S11、使用基于有机磺酸分子掺杂的电致变色化合物溶液，以含有聚氧乙烯的酯类或醚类材料为乳化剂，通过与导电聚合物单体进行化学氧化聚合反应制得聚合物乳液；S12、将所述聚合物乳液与聚乙烯醇共混，静置脱泡后得纺丝原液。在一可选的实施例中，所电致变色化合物为聚苯胺；或者为电致变色高分子聚噻吩或聚吡咯；或者为电致变色的金属氧化物WO3、V2O5、MoO5、TiO2、IrO2或Ir(OH)2。优选采用较为常见的聚苯胺。
S2、利用湿法纺丝将电致变色化合物和弹性纤维制备成同轴结构的电致变色化合物所包覆的弹性纤维。步骤S2具体步骤为：采用同轴纺湿法纺丝工艺，将纺丝原液倒入喷丝器中，细纤维和电致变色化合物纺丝原液同时经纺丝孔，以计量泵为驱动力使细纤维和电致变色化合物纺丝原液经过喷丝板进入35℃~50℃的饱和硫酸钠凝固液中，随后经过导丝辊进入75℃~95℃的烘干设备中，之后进入水洗溶液自然凝固10~1800s，经烘干后得到同轴结构的电致变色化合物包覆的弹性纤维。在一可选的实施例中，所述细纤维为直径为1μm~3μm的弹性纤维。
S3、对弹性纤维进行100%拉伸量拉伸后，使弹性纤维表面的电致变色化合物层产生裂缝。
S4、在处于拉伸状态的纤维表面涂覆一层聚乙烯醇-磷酸凝胶状电解质，随后撤去拉力后弹性纤维回复原长，得到同轴结构的可电致变色的复合纤维。实际使用时，在纤维两端加上不同电压，即可得到随电压不同而颜色改变的具有同轴结构的可电致变色的复合纤维（例如聚苯胺电致变色纤维）。在一可选的实施例中，完成上述步骤后，所制备出的复合纤维的直径为10μm~30μm。
以下列举几个具体实施例进行上述方法进行进一步的补充说明：
实施例一
在-20℃，将0.9kg苯胺单体、5.6kg过硫酸铵、19.2kg聚对苯乙烯磺酸和0.5kg壬基酚聚氧乙烯醚依次加入20kg蒸馏水中，搅拌，反应24h后，过滤，得到分散乳液；取10kg所得溶液与25kgPVA混合，静置5~6h，然后将混合物在98℃下加热使PVA溶解，得到两者混合均匀的粘稠液，于98℃下常压静置脱泡，得到纺丝原液；以45℃的硫酸钠水溶液为凝固液，硫酸钠含量为410g/L。将纺丝原液装入纺丝装置中，在计量泵驱动下使原液通过喷丝头进入凝固液中，喷丝孔的直径为0.5mm。
聚乙烯醇（PVA）-磷酸（H3PO4）凝胶电解液的配制方法如下，先将1g聚乙烯醇（PVA）在去离子水中溶胀过夜，再加热至90℃，搅拌2h至溶解，冷却至室温后加入1g浓磷酸溶液（H3PO4）质量分数为85wt%），搅拌均匀。
对上述制备的PANI弹性纤维进行100%拉伸，由于纤维拉伸在PANI层表面形成裂口，在形成裂口的PANI表面均匀涂覆一层聚乙烯醇（PVA）-磷酸（H3PO4）凝胶电解质，由此得到具有同轴结构的聚苯胺电致变色纤维。
实施例二
在0℃，将0.9kg苯胺单体、8.6kg三氯化铁、15.3kg聚乙烯磺酸和0.25kg脂肪胺聚氧乙烯醚依次加入20kg蒸馏水中，搅拌，反应10h后，过滤，得到分散乳液；取10kg所得溶液与10kgPVA混合，静置5~6h，然后将混合物在80℃下加热使PVA溶解，得到两者混合均匀的粘稠液，于80℃下常压静置脱泡，得到纺丝原液；以50℃的硫酸钠水溶液为凝固液，硫酸钠含量为410g/L。将纺丝原液装入纺丝装置中，在计量泵驱动下使原液通过喷丝头进入凝固液中，喷丝孔的直径为0.5mm。
聚乙烯醇（PVA）-磷酸（H3PO4）凝胶电解液的配制方法如下，先将1g聚乙烯醇（PVA）在去离子水中溶胀过夜，再加热至85℃，搅拌3h至溶解，冷却至室温后加入1g浓磷酸溶液（H3PO4）质量分数为85wt%），搅拌均匀。
对上述制备的PANI弹性纤维进行100%拉伸，由于纤维拉伸在PANI层表面形成裂口，在形成裂口的PANI表面均匀涂覆一层聚乙烯醇（PVA）-磷酸（H3PO4）凝胶电解质，由此得到具有同轴结构的聚苯胺电致变色纤维。
实施例三
在20℃，将0.9kg苯胺单体、11.2kg过硫酸铵、15.3kg聚乙烯磺酸和0.25kg脂肪胺聚氧乙烯醚依次加入20kg蒸馏水中，搅拌，反应10h后，过滤，得到分散乳液；取10kg所得溶液与10kgPVA混合，静置5~6h，然后将混合物在80℃下加热使PVA溶解，得到两者混合均匀的粘稠液，于80℃下常压静置脱泡，得到纺丝原液；以50℃的硫酸钠水溶液为凝固液，硫酸钠含量为410g/L。将纺丝原液装入纺丝装置中，在计量泵驱动下使原液通过喷丝头进入凝固液中，喷丝孔的直径为0.5mm。
聚乙烯醇（PVA）-磷酸（H3PO4）凝胶电解液的配制方法如下，先将1g聚乙烯醇（PVA）在去离子水中溶胀过夜，再加热至90℃，搅拌2h至溶解，冷却至室温后加入1g浓磷酸溶液（H3PO4质量分数为85wt%），搅拌均匀。
对上述制备的PANI弹性纤维进行100%拉伸，由于纤维拉伸在PANI层表面形成裂口，在形成裂口的PANI表面均匀涂覆一层聚乙烯醇（PVA）-磷酸（H3PO4）凝胶电解质，由此得到具有同轴结构的聚苯胺电致变色纤维
综上所述，本发明制备了一种具有同轴结构的聚苯胺电致变色纤维，该纤维以弹性纤维为弹性基底，以掺杂态的聚苯胺层为导电基体，以聚乙烯醇/磷酸凝胶为电解质层，同时由于聚苯胺的电致变色性能，聚苯胺既是导电基体，也是电致变色层，该纤维可随纤维两端的电压变化而变色。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种具有同轴结构的电致变色复合纤维制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、配置用于湿法纺丝的纺丝原液，具体步骤包括为：S11）以含有聚氧乙烯的酯类或醚类材料为乳化剂，通过与导电聚合物单体进行化学氧化聚合反应制得基于有机磺酸分子掺杂的电致变色化合物乳液，所述导电聚合物单体为苯胺单体；S12）将所述电致变色化合物乳液与聚乙烯醇共混，静置脱泡后得纺丝原液；
S2、采用同轴湿法纺丝工艺，将纺丝原液倒入喷丝器中，弹性纤维和纺丝原液同时经纺丝孔，以计量泵为驱动力使弹性纤维和纺丝原液经过喷丝板进入35℃~50℃的饱和硫酸钠凝固液中，随后经过导丝辊进入75℃~95℃的烘干设备中，之后进入水洗溶液自然凝固10~1800s，经烘干后得到同轴结构的电致变色化合物包覆的弹性纤维；
S3、对弹性纤维进行拉伸，使弹性纤维表面的电致变色化合物层产生裂缝；
S4、在处于拉伸状态的弹性纤维表面涂覆一层聚乙烯醇-磷酸凝胶状电解质，随后撤去拉力后弹性纤维回复原长，得到具有同轴结构的电致变色复合纤维。
2.如权利要求1所述的电致变色复合纤维制备方法，其特征在于，在步骤S3中，对弹性纤维进行100%拉伸量拉伸。
3.如权利要求1所述的电致变色复合纤维制备方法，其特征在于，所述弹性纤维的直径为1μm~3μm。
4.如权利要求1所述的电致变色复合纤维制备方法，其特征在于，所述复合纤维的直径为10μm~30μm。
5.一种采用如权利要求1所述制备方法所制备出的具有同轴结构的电致变色复合纤维。
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