CN113186716A - 智能调温复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及于功能性织物技术领域，提供了一种智能调温复合材料的制备方法，包括如下步骤：提供有机相变材料、聚合物、光热纳米材料，将所述有机相变材料进行溶解得到有机相变材料液体，将所述有机相变材料液体与所述聚合物、所述光热纳米材料进行混合处理，得到混合液；将织物浸渍于所述混合液中进行固化处理，得到智能调温复合材料。制备得到的智能调温复合材料可以在制冷和加热之间切换，温度调控范围大的在复杂多变的恶劣环境下维持人体体温恒定，并且可借助于相变材料相变转换前后透明度的变化，来对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测；该制备方法原材料易得，制备过程简单方便，易于大规模制备，适合广泛应用。
Description
技术领域
本申请属于功能性织物技术领域，尤其涉及一种智能调温复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
从广义上说，智能纺织品是指应用纺织、电子、化学、生物、医学等多学科知识综合开发的具有高智能化的纺织品，它基于仿生学概念，能够模拟生命系统，同时有感知和反应双重功能。狭义上的智能纺织品是指电子信息智能纺织品。它将微电子、信息、计算机等技术融合到纺织品中。
目前，智能纺织品包括智能调温纺织品、形状记忆纺织品、防水透湿纺织品、变色纺织品、电子信息智能纺织品等不同类型的只能纺织品。其中，智能调温纺织品是指能够根据外界环境温度的变化在一定的温度范围内自由调节纺织品内部温度。即当外界环境温度升高时，相变材料吸热熔融、储存热量；当外界温度下降时。相变材料放热冷凝，释放热量，使纺织品内部温度保持相对稳定。它的这一特性使其具有广泛的应用价值。
基于人体热平衡方式热辐射，热对流，热传导以及汗液蒸发，科研人员已经开发了不同种类的功能性织物。比如，2013年，东华大学李俊课题组开发了增强热对流降温织物，将电风扇小型化，并集成到个人织物中，实现个人降温。2016年，斯坦福大学崔屹课题组开发了对中红外波段光透明的辐射降温织物材料——纳米多孔聚乙烯材料，这种材料对中红外波段光有着高透过率，可以使得人体辐射的热量尽可能多地通过衣物散失到环境中。2018年，浙江大学柏浩课题组开发了低热传导保温织物，受北极熊的毛发结构启发，利用冷冻纺丝技术，制备了类似于北极熊毛的有序多孔纤维，由多孔纤维编织的织物内部锁住了大量的具有低热导系数的空气，使得仿生北极熊织物可以在低温环境下实现人体保温和抵抗严寒。2019年，马里兰大学胡良兵课题组制备了一种由疏水的聚对苯二甲酸乙二醇酯和亲水的纤维素组成的双层增强汗液蒸发织物，出汗的时候织物吸湿导致织物孔隙率变大，增强汗液蒸发排出，实现个人的降温。以上技术的发明为个人热管理织物取得极大的进展，但是现有技术中提供的智能调温纺织品只是单一的升温或降温，不能够在制冷和加热之间切换，无法应对各种复杂多变的情况，无法较好地实现热管理效果的功能性织物，因此也限制了智能调温材料的广泛使用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种智能调温复合材料及其制备方法与应用，旨在解决现有技术中提供的智能调温纺织品不能够在制冷和加热之间切换的问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种智能调温复合材料的制备方法，包括如下步骤：
提供有机相变材料、聚合物、光热纳米材料；
将所述有机相变材料进行溶解得到有机相变材料液体，将所述有机相变材料液体与所述聚合物、所述光热纳米材料进行混合处理，得到混合液；
将织物浸渍于所述混合液中进行固化处理，得到智能调温复合材料。
第二方面，本申请提供一种智能调温复合材料，所述智能调温复合材料由所述的智能调温复合材料的制备方法制备得到。
第三方面，本申请提供一种所述的智能调温复合材料的制备方法制备得到的智能调温复合材料在人体温度管理及可视化温度监测中的应用。
本申请第一方面提供的智能调温复合材料的制备方法，该制备方法以有机相变材料、聚合物、光热纳米材料为原材料，制备得到混合液，再将物浸渍于所述混合液中进行固化处理，得到智能调温复合材料。其中，本申请提供的智能调温复合材料以有机相变材料和聚合物进行复合，制备具有双向温度调节作用的功能性织物，其中，当外界环境温度升高时，有机相变材料发生相变，从固态变为液态，吸收热量储存于材料内部，可以降低人体表面温度，抵抗温度的上升；当外界环境温度降低时，有机相变材料从液态变为固态，释放出储存的热量，抵抗体表温度的降低，使人体处于一种舒适的状态；进一步，据相变材料能够在固液相变过程中高效的储存或释放热能，引入光热材料直接高效吸收太阳光能转化成热能，进而被相变材料进行储存和控释，制备作用效果可调控的新型功能性织物，同时可快速激活相变材料的新型材料，使相变材料能够快速制冷或者保温。制备得到的智能调温复合材料可以在制冷和加热之间切换，温度调控范围大的在复杂多变的恶劣环境下维持人体体温恒定，并且可借助于相变材料相变转换前后透明度的变化，来对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测；该制备方法原材料易得，制备过程简单方便，易于大规模制备，适合广泛应用。
本申请第二方面提供的智能调温复合材料，是采用智能调温复合材料的制备方法制备得到的，得到的智能调温复合材料可以在制冷和加热之间切换，温度调控范围大的在复杂多变的恶劣环境下维持人体体温恒定，并且可借助于相变材料相变转换前后透明度的变化，来对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测，有利于广泛使用。
本申请第三方面提供的智能调温复合材料的应用，由于得到的智能调温复合材料可以在制冷和加热之间切换，可以应用于温度调控范围大的在复杂多变的恶劣环境下维持人体体温恒定；同时由于相变材料相变转换前后透明度的变化，该材料可以用于对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测，应用广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的在高温环境下实施例1和对比例1的产品对比图。
图2是本申请实施例提供的在低温环境下实施例1和对比例1的产品对比图。
图3是本申请实施例提供的在低温环境下实施例1材料的状态。
图4是本申请实施例提供的在高温环境下实施例1材料的状态。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例第一方面提供一种智能调温复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S01.提供有机相变材料、聚合物、光热纳米材料；
S02.将有机相变材料进行溶解得到有机相变材料液体，将有机相变材料液体与聚合物、光热纳米材料进行混合处理，得到混合液；
S03.将织物浸渍于混合液中进行固化处理，得到智能调温复合材料。
本申请第一方面提供的智能调温复合材料的制备方法，该制备方法以有机相变材料、聚合物、光热纳米材料为原材料，制备得到混合液，再将物浸渍于混合液中进行固化处理，得到智能调温复合材料。其中，本申请提供的智能调温复合材料以有机相变材料和聚合物进行复合，制备具有双向温度调节作用的功能性织物，其中，当外界环境温度升高时，有机相变材料发生相变，从固态变为液态，吸收热量储存于材料内部，可以降低人体表面温度，抵抗温度的上升；当外界环境温度降低时，有机相变材料从液态变为固态，释放出储存的热量，抵抗体表温度的降低，使人体处于一种舒适的状态；进一步，据相变材料能够在固液相变过程中高效的储存或释放热能，引入光热材料直接高效吸收太阳光能转化成热能，进而被相变材料进行储存和控释，制备作用效果可调控的新型功能性织物。同时可快速激活相变材料的新型材料，使相变材料能够快速制冷或者保温。制备得到的智能调温复合材料可以在制冷和加热之间切换，温度调控范围大的在复杂多变的恶劣环境下维持人体体温恒定，并且可借助于相变材料相变转换前后透明度的变化，来对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测；该制备方法原材料易得，制备过程简单方便，易于大规模制备，适合广泛应用。
步骤S01中，提供有机相变材料、聚合物、光热纳米材料。以有机相变材料和聚合物进行复合，制备具有双向温度调节作用的功能性织物，其中，当外界环境温度升高时，有机相变材料发生相变，从固态变为液态，吸收热量储存于材料内部，可以降低人体表面温度，抵抗温度的上升；当外界环境温度降低时，有机相变材料从液态变为固态，释放出储存的热量，抵抗体表温度的降低，使人体处于一种舒适的状态；进一步，据相变材料能够在固液相变过程中高效的储存或释放热能，引入光热材料直接高效吸收太阳光能转化成热能，进而被相变材料进行储存和控释，制备作用效果可调控的新型功能性织物，同时可快速激活相变材料的新型材料，使相变材料能够快速制冷或者保温。
具体的，以有机相变材料为原材料，，当外界环境温度升高时，有机相变材料发生相变，从固态变为液态，吸收热量储存于材料内部，可以降低人体表面温度，抵抗温度的上升；当外界环境温度降低时，有机相变材料从液态变为固态，释放出储存的热量，抵抗体表温度的降低，使人体处于一种舒适的状态；同时，有机相变材料相变转换前后透明度的变化，可以实现来对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测。
在一个实施方式中，有机相变材料选自C12～C24的直链烷烃，由于直链烷烃可根据改变碳原子的数目进而改变相变临界温度，为了保证方便直接控制智能调温复合材料的临界温度，因此选择C12～C24的直链烷烃。由于制备得到的智能调温复合材料是与织物结合，进而进行穿戴，因此需要控制所采用的直链烷烃的碳原子数，若碳原子数过低，则熔点过低，热焓值过低，与人体的正常体温相差过多，不利于实际使用。
在一些实施例中，有机相变材料选自正十六烷烃、正二十烷烃、正二十四烷烃中的至少一种。其中，正十六烷烃的熔点为18-20℃，热焓216-236J/g，正二十烷烃的熔点为36.6℃，热焓247J/g，正二十四烷烃的熔点50.6℃，热焓255J/g，根据所需要控制的相变临界温度的不同可以选择不同的烷烃进行试验。选择不同相变温度的直链烷烃制备相变复合材料，随着温度的依次变化，相变材料会依次发生透明和不透明的转化，依据这种变化可以对温度也能进行调控及监测。
具体的，原材料还包括聚合物，聚合物与有机相变材料进行复合使用，聚合物和有机相变材料的混合液可以当做涂料使用，可直接涂覆于织物表面或者其他各种基底直接成膜，形成温度调节层，成膜的相变复合材料在相变材料的相变温度点上下可以实现透明与不透明的转变，基于这一特性，在使用过程中可以对目标物体所处的环境温度进行可视化实时的温度监测，通过复合不同相变温度的相变材料，可以得到在不同温度范围内，对于温度的可视化实时监测。
在一些实施例中，聚合物选自聚二甲基硅氧烷、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、Ecoflex系列硅橡胶中的至少一种。可选自任一一种种类的聚合物与有机相变材料进行使用，由于织物是很多微米纤维编织而成，聚合物可以充分渗透进去，固化之后材料均可以在织物表面较好成膜，以实现智能调温的效果。
在本发明具体实施例中，聚合物选自聚二甲基硅氧烷时，需将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂按10:1的比例混合得到的聚二甲基硅氧烷，再将得到的聚二甲基硅氧烷作为聚合物进行使用。
具体的，原材料还包括光热纳米材料，根据有机相变材料能够在固液相变过程中高效的储存或释放热能，引入光热材料直接高效吸收太阳光能转化成热能，进而被相变材料进行储存和控释，制备作用效果可调控的新型功能性织物。同时可快速激活相变材料的新型材料，使相变材料能够快速制冷或者保温。
在一些实施例中，光热纳米材料选自碳纳米管、石墨烯中的至少一种。选择上述任一一种类型的光热纳米材料，可以与有机相变材料混合均匀，在使用过程中直接高效吸收太阳光能转化成热能，并且快速激活相变材料的新型材料，使相变材料能够快速制冷或者保温。
在一些实施例中，有机相变材料、聚合物和光热纳米材料的质量比为1：(4.5～5.0)：(0.45～0.5)，通过控制三种原材料的添加质量比，使在织物表面形成的膜层制成智能调温复合材料，使该复合材料可以在制冷和加热之间切换，温度调控范围大的在复杂多变的恶劣环境下维持人体体温恒定，并且可借助于相变材料相变转换前后透明度的变化，来对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测。
在具体实施中，有机相变材料、聚合物和光热纳米材料的质量比选自1：4.5：0.45；或，1：4.6：0.46；或，1：4.7：0.47；或，1：4.8：0.48；或，1：4.9：0.49；或1：5.0：0.5。
步骤S02中，将有机相变材料进行溶解得到有机相变材料液体，将有机相变材料液体与聚合物、光热纳米材料进行混合处理，得到混合液。
在一些实施例中，将有机相变材料液体与聚合物进行混合处理的步骤中，控制混合处理的温度为高于有机相变材料的相变临界温度点。根据选择的不同的有机相变材料控制混合过程中的相变临界温度点，确保在混合过程中均是液体的状态，有利于均匀混合。
在具体实施例中，将有机相变材料液体与聚合物搅拌5～10分钟至混合均匀后，加入光热纳米材料进行混合处理，得到混合液。
步骤S03中，将织物浸渍于混合液中进行固化处理，得到智能调温复合材料。本申请提供给的方法可以直接使用于现成的各种材质的织物，借助于织物的三维结构，制备简单方便，该方法优异于需要借助于静电纺丝或者微流控之类的微纳加工技术的与织物原材料混合的方法。
在一些实施例中，固化处理的步骤中，固化处理的温度为60～80℃，固化处理的时间为4～5小时。通过控制固化处理的温度和时间，能够保证聚合物充分渗透至材料中，且保证固化后混合液的成膜不会掉落。
本申请实施例第二方面提供一种智能调温复合材料，智能调温复合材料由的智能调温复合材料的制备方法制备得到。
本申请第二方面提供的智能调温复合材料，是采用智能调温复合材料的制备方法制备得到的，得到的智能调温复合材料可以在制冷和加热之间切换，温度调控范围大的在复杂多变的恶劣环境下维持人体体温恒定，并且可借助于相变材料相变转换前后透明度的变化，来对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测，有利于广泛使用。
本申请实施例第三方面提供一种的智能调温复合材料的制备方法制备得到的智能调温复合材料在人体温度管理及可视化温度监测中的应用。
本申请第三方面提供的智能调温复合材料的应用，由于得到的智能调温复合材料可以在制冷和加热之间切换，可以应用于温度调控范围大的在复杂多变的恶劣环境下维持人体体温恒定；同时由于相变材料相变转换前后透明度的变化，该材料可以用于对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测，应用广泛。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
一种智能调温复合材料的制备方法
智能调温复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)提供有机相变材料、聚合物、光热纳米材料，
(2)将有机相变材料进行溶解得到有机相变材料液体，将有机相变材料液体与聚合物、光热纳米材料进行混合处理，混合处理的温度为25℃(高于正十六烷的的相变临界温度点)，得到混合液；
(3)将织物浸渍于混合液中进行固化处理，固化处理的温度为60℃，固化处理的时间为4小时得到智能调温复合材料。
其中，机相变材料选自正十六烷烃，
聚合物选自聚二甲基硅氧烷，且聚二甲基硅氧烷为PDMS预聚物与固化剂按10:1的比例混合得到的，
光热纳米材料选自碳纳米管；
聚合物和光热纳米材料的质量比为1：4.5：0.45。
实施例2
一种智能调温复合材料的制备方法
智能调温复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)提供有机相变材料、聚合物、光热纳米材料，
(2)将有机相变材料进行溶解得到有机相变材料液体，将有机相变材料液体与聚合物、光热纳米材料进行混合处理，混合处理的温度为40℃(高于正二十烷的的相变临界温度点)，得到混合液；
(3)将织物浸渍于混合液中进行固化处理，固化处理的温度为70℃，固化处理的时间为4小时得到智能调温复合材料。
其中，机相变材料选自正二十烷烃，
聚合物选自SEBS，
光热纳米材料选自石墨烯；
聚合物和光热纳米材料的质量比为1：4.7：0.47。
实施例3
一种智能调温复合材料的制备方法
智能调温复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)提供有机相变材料、聚合物、光热纳米材料，
(2)将有机相变材料进行溶解得到有机相变材料液体，将有机相变材料液体与聚合物、光热纳米材料进行混合处理，混合处理的温度为55℃(高于正二十四烷的的相变临界温度点)，得到混合液；
(3)将织物浸渍于混合液中进行固化处理，固化处理的温度为80℃，固化处理的时间为5小时得到智能调温复合材料。
其中，机相变材料选自正二十四烷烃，
聚合物选自Ecoflex，
光热纳米材料选自石墨烯；
聚合物和光热纳米材料的质量比为1：5：0.5。
对比例1
与实施例1～3使用的相同材质的织物，未做任何处理。
性能测试及分析
提供实施例1提供的智能调温复合材料和对比例1提供的织物进行高温环境和低温环境的性能分析。将二者置于高温环境(58～60℃)的条件下，观察二者的表面温度；将二者置于低温(-7～-5℃)的条件下，观察二者的表面温度。
结果分析：将二者置于高温环境(58～60℃)的条件下，如图1所示，在高温环境下，实施例1提供的智能调温复合材料的表面温度接近于26～27℃；而对比例1提供的织物的表面温度接近环境温度，为50～55℃，可以看出，在高温环境下，实施例1提供的智能调温复合材料可以进行温度调节，控制其表面温度较低，而对比例1提供的织物表面温度随着环境的温度的升高也会随着升高。
将二者置于低温(-7～-5℃)的条件下，如图2所示，在低温环境下，实施例1提供的智能调温复合材料的表面温度接近于22～25℃；而对比例1提供的织物的表面温度接近环境温度，为2～5℃，可以看出，在低温环境下，实施例1提供的智能调温复合材料可以进行温度调节，控制其表面温度较高，而对比例1提供的织物表面温度随着环境的温度的降低也会随着降低。
进一步对实施例1提供的材料进行分析，如图3所示，当置于室温环境为25℃(较低温时)，智能调温复合材料为不透明的材料；如图4所示，当温度升高(60℃)，智能调温复合材料为透明状态。
可以看出，本申请提供的智能调温复合材料能够根据外部环境实现温度按需可调，同时具有加热和降温功能，当外界环境温度升高时，有机相变材料发生相变，从固态变为液态，吸收热量储存于材料内部，可以降低人体表面温度，抵抗温度的上升；当外界环境温度降低时，有机相变材料从液态变为固态，释放出储存的热量，抵抗体表温度的降低，使人体处于一种舒适的状态。同时，制备得到的智能调温复合材料在不同温度情况下其透明度发生变化，在低温为不透明的状态，在高温时为透明状态，可借助于相变材料相变转换前后透明度的变化，来对人体周围所处的环境进行实时的可视化温度监测。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能调温复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供有机相变材料、聚合物、光热纳米材料；
将所述有机相变材料进行溶解得到有机相变材料液体，将所述有机相变材料液体与所述聚合物、所述光热纳米材料进行混合处理，得到混合液；
将织物浸渍于所述混合液中进行固化处理，得到智能调温复合材料。
2.根据权利要求1所述的智能调温复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机相变材料选自C12～C24的直链烷烃。
3.根据权利要求2所述的智能调温复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机相变材料选自正十六烷烃、正二十烷烃、正二十四烷烃中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的智能调温复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物选自聚二甲基硅氧烷、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、Ecoflex系列硅橡胶中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的智能调温复合材料的制备方法，其特征在于，所述光热纳米材料选自碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
6.根据权利要求1～5任一所述的智能调温复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机相变材料、所述聚合物和所述光热纳米材料的质量比为1；(4.5～5.0)：(0.45～0.5)。
7.根据权利要求1～5任一所述的智能调温复合材料的制备方法，其特征在于，将所述有机相变材料液体与所述聚合物进行混合处理的步骤中，控制混合处理的温度为高于所述有机相变材料的相变临界温度点。
8.据权利要求1～5任一所述的智能调温复合材料的制备方法，其特征在于，固化处理的步骤中，固化处理的温度为60～80℃，固化处理的时间为4～5小时。
9.一种智能调温复合材料，其特征在于，所述智能调温复合材料由权利要求1～8任一所述的智能调温复合材料的制备方法制备得到。
10.一种由权利要求1～8任一所述的智能调温复合材料的制备方法制备得到的智能调温复合材料在人体温度管理及可视化温度监测中的应用。
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