CN115354499B - 一种应力发光纤维及其连续制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种应力发光纤维及其连续制备方法和应用,解决了应力发光纤维直径粗以及发光层不均匀的问题。所述连续制备方法包括以下步骤:通过连续提拉弹性丝,将弹性丝先浸泡聚合物稀释液进行包裹,拉出后进入应力发光粉进行粘附,最后经加热固化,得到预制纤维;通过连续提拉预制纤维,将预制纤维先浸泡聚合物稀释液进行包裹,拉出后加热固化,得到应力发光纤维。本发明通过连续提拉粘涂的方式,在极细的氨纶丝外面包覆上一层薄的发光层,制备的应力发光纤维具有微米级的直径,可编织成具有良好柔性的应力发光织物。
Description
技术领域
本发明属于应力发光技术领域,特别是涉及一种应力发光纤维及其连续制备方法和应用。
背景技术
近年来,随着人们的研究,应力发光材料在应力传感和成像、结构损伤监测、自供电照明显示、信息存储与防伪等领域表现出巨大的应用潜力。应力发光材料通过收集机械能(如人体运动行为产生的机械能),并将其利用以光的形式输出,在自供能可穿戴显示器件的潜力也受到越来越多的关注。通过制备纤维型应力发光材料,并将其编织成织物网络,是实现自供能可穿戴显示系统的有效方式。
基于应力发光材料ZnS:Cu的高亮度、自恢复能力,以及PDMS的高透明度、可拉伸性、高模量,ZnS:Cu和PDMS复合材料被广泛应用于应力发光器件的制备。因此,ZnS:Cu/PDMS复合纤维在自驱动柔性可穿戴织物等领域有着广泛的应用。
如CN114456798A公开了一种应力发光材料的制备和应用,涉及到了ZnS:Cu/PDMS复合纤维的连续化制备,具体方法为:将初始弹性丝线卷固定在滑轮上,牵引一侧纤维依次通过注有应力发光浆料的包覆模具进行包覆,然后加热固化,得到复合纤维;应力发光浆料由ZnS:Cu应力发光粉和PDMS混合后,预固化及脱泡处理后获得。然而,初始弹性丝的直径较粗,为0.8-1.8mm,通过该方法制备的应力发光纤维的直径往往更粗,在1-2mm,这远大于目前广泛用于编织的商业纱线的直径。在实际应用中,直径较粗的纤维,难以进行大幅度的弯曲等变形,无法满足织物对柔性及舒适性的要求。但是初始弹性丝的直径较细,如直径在0.1mm以下时,采用上述文献中方法制备复合纤维,容易出现发光包覆层厚薄不均,呈珍珠串结构。因此,如何实现超细应力发光纤维的连续化制备,是实现柔性可穿戴自供能显示系统的关键。
发明内容
本发明提出一种应力发光纤维及其连续制备方法和应用,通过粘涂的方式,在极细的氨纶丝外面包覆上一层薄的ZnS:Cu/PDMS发光层,制备的应力发光纤维具有微米级的直径,可编织成具有良好柔性的应力发光织物。
一种应力发光纤维的连续制备方法,包括以下步骤:
(1)向弹性聚合物前驱液中加入稀释液,得到聚合物稀释液;
(2)通过连续提拉弹性丝,将弹性丝先浸泡步骤(1)的聚合物稀释液进行包裹,拉出后进入应力发光粉进行粘附,最后经加热固化,得到预制纤维;
(3)通过连续提拉步骤(2)的预制纤维,将预制纤维先浸泡步骤(1)的聚合物稀释液进行包裹,拉出后加热固化,得到应力发光纤维。
步骤(2)中,采用稀释后的弹性聚合物在弹性丝表面形成均匀且薄的包覆层,解决了未稀释的弹性聚合物在纤维上形成液体珠串的问题;先包覆的聚合物稀释液同时作为粘结剂,便于后续粘附发光粉,同时也为后续组装均匀且薄的发光层奠定了基础。
步骤(2)中,将弹性丝先浸泡在聚合物稀释液中并拉出,使弹性丝表面均匀包覆一层聚合物稀释液;拉出后的弹性丝进入发光粉槽粘附一层发光粉。相对于现有常用的将发光粉与弹性聚合物混合粘附的方式,本发明粘涂的方式可以得到超薄的发光层(30-50μm),仅为1-2个发光颗粒的直径。
而且本发明的粘附方式避免了发光粉末固体和弹性聚合物液体的混合,有利于应力发光粉的回收利用,减少了原材料的浪费;
步骤(3)中,预制纤维外再包裹一层聚合物稀释液,并加热固化,即采用聚合物进行封装,纤维的表面形貌更均匀,也使发光颗粒在纤维变形过程中不会发生脱落。
进一步地,步骤(2)中,加热固化温度为100℃,加热时间为15min;具体加热方式为:采用加热管,加热管内的温度为100℃,局部纤维经过加热管的时间为15min。
步骤(3)中,加热固化温度为100℃,加热时间为15min;具体加热方式为:采用加热管,加热管内的温度为100℃,局部纤维经过加热管的时间为15min。
进一步地,步骤(1)中,聚合物稀释液的浓度为10wt.%-80wt.%。
进一步地,弹性聚合物前驱液为PDMS(聚二甲基硅氧烷)前驱液,稀释液为正己烷或二氯甲烷。
进一步地,弹性丝的直径为50-900微米;优化地,弹性丝的直径为50-600微米,优化地,弹性丝的直径为50-100微米。
进一步地,弹性丝为氨纶丝、聚氨酯纤维或PDMS纤维。
进一步地,应力发光粉为ZnS:Cu。
一种应力发光纤维,包括弹性丝,弹性丝的表面均匀包裹有一层发光层,弹性丝和发光层同轴线设置,发光层的厚度沿轴向保持一致,发光层从内到外依次为聚合物粘附层、发光粉层和聚合物封装层。
所述应力发光纤维在自供能柔性可穿戴智能织物、自供能照明显示设备或自供能应变传感器的应用。
本发明的有益效果:
本发明的应力发光纤维制备方法,将商用的应力发光粉末与弹性丝如商用氨纶丝结合,不管是直径较粗的弹性丝还是直径较细的弹性丝均适用,制备得到连续、均匀、超细的应力发光纤维,应力发光纤维的直径可以在100-1000微米,完全符合商业上对编织柔性织物的需求。
本发明采用的粘涂的方式,从避免了液体原料弹性聚合物和固体原料发光粉的混合,使他们无需分离也能回收再利用。该方法相比于传统制备连续复合纤维的提拉法,更符合商业需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,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为本发明应力发光纤维的连续制备示意图;
图2为实施例1应力发光纤维的扫描电镜图;
图3为实施例1应力发光纤维横截面的扫描电镜图;
图4为对比例1应力发光纤维的扫描电镜图;
图5为应力发光纤维的应力发光光谱图;
图6为不同应变下实施例1的应力发光强度图;
图7为应力发光纤维编织成的织物的实物展示。
收集滚轮1,滑轮2,加热管3,PDMS稀释液4,应力发光粉末(ZnS:Cu)5,氨纶丝6,应力发光纤维7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的ZnS:Cu粉末为商用的应力发光粉,购自上海科炎光电技术有限公司。
一种应力发光纤维的连续制备方法,制备流程如图1所示,包括如下步骤:
(1)向弹性聚合物前驱液中加入稀释液,得到聚合物稀释液;
(2)通过连续提拉弹性丝,拉动连续的弹性丝,使其先浸泡聚合物稀释液进行包裹,拉出后经滑轮进入发光粉进行粘附,最后经加热装置进行固化,得到预制纤维;
(3)通过连续提拉步骤(2)的预制纤维,将预制纤维先浸泡步骤(1)的聚合物稀释液进行包裹,拉出后加热固化,之后通过滚轮收集纤维,得到连续的应力发光纤维,得到应力发光纤维。
步骤(1)中,弹性聚合物前驱液为PDMS(聚二甲基硅氧烷)前驱液,稀释液为正己烷或二氯乙烷,聚合物稀释液的浓度为10wt.%-80wt.%;
步骤(2)中,优化地,弹性丝的直径为50-900微米,弹性丝的直径为50-600微米,优化地,弹性丝的直径为50-100微米。弹性丝的直径可为50微米、80微米、100微米、200微米、300微米、400微米、600微米、800微米或900微米等。
实施例1
弹性聚合物前驱液为PDMS前驱液,PDMS前驱液中预聚物与固化剂的质量比为10:1;稀释液为正己烷,PDMS稀释液的浓度为40wt.%,弹性丝为商用40D氨纶丝,直径约50微米,应力发光粉为ZnS:Cu粉末。
如图1所示,将连续的氨纶丝通过滑轮依次经过PDMS稀释液、ZnS:Cu粉末、加热管、PDMS稀释液、加热管,最后通过收集滚轮收集应力发光纤维纤维。滚轮收集速度为1cm/min,纤维穿过加热管的时间为15min,加热管的温度为100℃,保证PDMS涂层完全固化。
通过扫描电子显微镜对实施例1进行形貌表征,表面形貌和截面形貌如图2、3所示,应力发光纤维的直径约为150微米,纤维具有平滑的表面结构。从图3中可以看出,应力发光纤维具有以氨纶丝为轴,ZnS:Cu/PDMS为壳的同轴结构,发光壳层厚度仅为50微米左右,ZnS:Cu完全嵌入PDMS基质中。
实施例1中的氨纶丝也可替换为聚氨酯纤维或PDMS纤维。
对比例1
以质量比7:3将ZnS:Cu粉末与未进行稀释的PDMS混合,利用连续提拉法将氨纶细丝浸入上述混合物中并拉出,将拉出的细丝进行加热固化。
通过扫描电镜对对比例1的形貌进行表征,如图4所示,可以观察到明显的珍珠串结构,这是因为未稀释的粘性的PDMS在氨纶细丝表面,由于拉普拉斯压力差,造成液面不稳定,具有减小液体表面积的趋势,最终形成具有一定间距的液滴。
用光纤光谱仪对拉伸过程中的实施例1和对比例1的光谱进行采集,如图5所示,实施例1可以采集到明显的光信号,对比例1基本采集不到信号。这是由于在拉伸过程中,实施例1具有均匀的结构,应力在纤维中均匀分布,使每个ZnS:Cu应力放光颗粒都能受到应力的作用,发射光信号。而对比例1具有不均匀的珍珠串结构,应力主要分布在较细的“珍珠”的连接处,而ZnS:Cu主要分布在PDMS“珍珠”中,应力无法有效的传递给应力发光颗粒,因此无法监测到明显的光信号。
用光纤光谱仪对20%、40%、60%、80%和100%应变下的实施例1的应力发光光谱强度进行采集,如图6所示,随着拉伸应变的增加,采集到的应力发光光谱强度越强,呈线性增加,在自供能应变传感领域的具有应用潜力。
实施例2
将应力发光纤维编织成应力发光织物:
通过手动编织,将实施例1超细且连续的应力发光纤维编织成织物,细的纤维也允许其可以通过多种编织方式得到应力发光织物。编织的织物具有很好的柔性,在拉伸状态下,可以观察到肉眼可见的发光(图7),在柔性可穿戴智能织物和自供能照明显示设备方面具有广泛的应用。
本发明着重于在连续化制备应力发光纤维的基础上,将纤维的直径控制的亚微米及微米范围,适用于实际的工业纺织,生产柔性、舒适、可穿戴的应力发光织物。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已,并不用以限制发明,凡在发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种应力发光纤维的连续制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)向弹性聚合物前驱液中加入稀释液,得到聚合物稀释液;
(2)通过连续提拉弹性丝,将弹性丝先浸泡步骤(1)的聚合物稀释液进行包裹,拉出后进入应力发光粉进行粘附,最后加热固化,得到预制纤维;
(3)通过连续提拉步骤(2)的预制纤维,将预制纤维先浸泡步骤(1)的聚合物稀释液进行包裹,拉出后加热固化,得到应力发光纤维;
步骤(1)中,聚合物稀释液的浓度为10 wt.%-80 wt.%;弹性丝的直径为50-900微米。
2.根据权利要求1所述的一种应力发光纤维的连续制备方法,其特征在于:弹性聚合物前驱液为PDMS前驱液,稀释液为正己烷或二氯甲烷。
3.根据权利要求1所述的一种应力发光纤维的连续制备方法,其特征在于:弹性丝为氨纶丝、聚氨酯纤维或PDMS纤维。
4.根据权利要求1所述的一种应力发光纤维的连续制备方法,其特征在于:应力发光粉为ZnS:Cu。
5.一种权利要求1-4之一所述的连续制备方法制备的应力发光纤维,其特征在于,包括弹性丝,弹性丝的表面均匀包裹有一层发光层,弹性丝和发光层同轴线设置,发光层的厚度沿轴向保持一致,发光层从内到外依次为聚合物粘附层、发光粉层和聚合物封装层。
6.权利要求5所述的应力发光纤维在自供能柔性可穿戴智能织物、自供能照明显示设备或自供能应变传感器的应用。
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