CN115652612A - 电致变色纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电致变色纤维及其制备方法,该制备方法以柔性导电纤维为基材,以三电极体系在基材表面沉积电致变色材料,使柔性导电纤维表面形成致密的电致变色层,最后用凝胶电解质完全包覆电致变色层,固化后得到电致变色纤维;该电致变色纤维具有良好的柔性、稳定的变色性能和优异的颜色记忆性能。本发明采用电聚合的方法,将纤维基材与苯胺在电的引发下进行复合,又置于钨酸钠溶液中进行化学反应,可在纤维表面形成交联网状结构,提高了电致变色纤维的变色性能和机械性能。该电致变色纤维能够随电压变化显示不同的颜色,具有色彩鲜明,灵敏度高,循环稳定性好,长时间颜色记忆的特点;还具有可控性、柔韧性以及巨大的应用优势和前景。
Description
技术领域
本发明涉及电致变色纤维技术领域,尤其涉及一种电致变色纤维及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展,可穿戴电子产品的民用普及以及智能服装概念的兴起,服装或者织物的智能变色在时尚装饰、可穿戴显示、可视化检测等民用领域也吸引了广泛的关注,使得如何实现服装色彩的智能可控变化这一科学问题变得更加急迫。目前按照外部刺激源的不同,智能变色材料分为多种类型,光、热、力等外部条件都能使相应的功能材料发生颜色变化;但相比之下,电致变色的方式具有便捷、可控性好、材料种类和变色类型丰富的优点,这使得电致变色材料为织物色彩的智能化和多功能化提供了一条很好的途径。
将电致变色技术与纤维相结合,开发具有电致变色功能的纤维,使其应用于具有色彩响应行为的各类智能纺织品;将带来巨大的学术价值和产业价值,推动智能材料的发展。现有技术中,关于电致变色纤维制备的研究,多集中将变色材料直接添加在纤维原料中,通过纤维制备工艺制得电致变色纤维;但是此方法需要考虑变色材料与纤维原料的相容性,加入的变色材料可能会对纤维自身结构和性能产生不利影响。
发明专利(申请号为CN201810693551.9)公开了一种电致变色纤维及其制备和应用,采用紫罗精类电致变色材料,以金属丝作为电极,通过纤维连续化构筑设备在金属丝表面涂覆紫罗精电致变色电解质溶液,加热固化后,在外侧制备外电极和保护层,得到电致变色纤维,实现了电致变色纤维的连续化制备;虽然该专利技术通过对金属丝纤维进行处理,使其具有电致变色性能,但是其采用在纤维表面涂覆的方法会造成变色层结构不均匀,进而导致纤维的变色效果不理想,且电致变色材料在纤维表面的附着牢度差,应用时容易发生脱落;另外,该方法仅以一种电致变色材料作为变色层,使得电致变色纤维颜色变化过于单一,适用场景较为局限,实用性差。
有鉴于此,有必要设计一种改进的电致变色纤维及其制备方法,以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电致变色纤维及其制备方法,以柔性导电纤维作为基材,以三电极体系在基材表面电沉积电致变色材料,使柔性导电纤维表面形成致密的电致变色层,然后采用凝胶电解质完全包覆电致变色层,自然固化后得到电致变色纤维。本发明制备的电致变色纤维具有良好的柔性、导电性、稳定的变色性能和优异的颜色记忆性能,在智能可穿戴领域具有良好的应用前景。
为实现上述发明目的,本发明提供了一种电致变色纤维的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将纤维依次进行表面处理和亲水处理,使所述纤维的表面附着活性基团;
S2、制备苯胺混合溶液和钨酸钠混合溶液;
S3、将经步骤S1处理后的纤维置于步骤S2的所述苯胺混合溶液中,并采用电化学工作站处理8~12min;
S4、将经步骤S3处理后的纤维置于步骤S2的所述钨酸钠混合溶液中,同样采用电化学工作站处理3~6min;
S5、将经步骤S4处理后的纤维采用凝胶电解质进行完全包覆,干燥后即得电致变色纤维。
作为本发明的进一步改进,在步骤S1中,所述亲水处理为以表面处理后的纤维作为正极,铂电极作为负极,以浓度为1.5~3mol/L的氢氧化钾溶液作为电解质,以6~8V电压通电3~5min,即得表面附着活性基团的纤维。
作为本发明的进一步改进,在步骤S2中,所述苯胺混合溶液为包括苯胺单体、硫酸以及无水乙醇的混合溶液;其中,所述苯胺单体的浓度为0.2~0.3mol/L,硫酸的浓度为0.4~0.6mol/L。
作为本发明的进一步改进,在步骤S2中,所述钨酸钠混合溶液为包括钨酸钠、过氧化氢、硫酸的混合溶液;其中,所述钨酸钠的浓度为0.1~0.2mol/L,过氧化氢的浓度为5~10mol/L,硫酸的浓度为0.4~0.6mol/L。
作为本发明的进一步改进,在步骤S5中,所述凝胶电解质的制备方法为:将成分包括10wt%的高氯酸锂的碳酸丙烯酯溶液和25wt%的聚甲基丙烯酸甲酯混合,在75~80℃的水浴下、搅拌加热8h制备得到。
作为本发明的进一步改进,在步骤S3中,所述电化学工作站以恒电流处理所述纤维,电流为0.75~1.5mA;在步骤S4中,所述电化学工作站以恒电压处理所述纤维,电压为-0.35~-0.65mV。
作为本发明的进一步改进,所述纤维在所述电化学工作站中以三电极体系处理,所述纤维为工作电极,铂电极为对电极,甘汞电极为参比电极。
作为本发明的进一步改进,所述纤维包括碳纤维、不锈钢纤维、镀镍铜丝纤维、镀银尼龙纤维中的一种或多种以及其组成的纤维束。
作为本发明的进一步改进,在步骤S1中,所述表面处理的步骤为:将待处理的纤维放入装有无水乙醇溶液的烧杯内,超声震荡10~15min后取出,再用去离子水冲洗后晾干,得到表面干净的纤维。
本发明还提供了一种电致变色纤维,采用上述任一项所述的电致变色纤维的制备方法制备得到,所述电致变色纤维包括内部的纤维基材、附着于纤维基材表面的电致变色层以及包覆于电致变色层表面的凝胶电解质层。
本发明的有益效果是:
1、本发明提供了一种电致变色纤维的制备方法,将纤维依次进行表面处理和亲水处理,使纤维的表面附着活性基团;将处理后的纤维置于依次置于苯胺混合溶液、钨酸钠混合溶液中,并分别采用电化学工作站处理一定时间,最后采用凝胶电解质将纤维完全包覆,即得电致变色纤维。本发明以柔性导电纤维作为基材,以三电极体系在基材表面电沉积电致变色材料,使柔性导电纤维表面形成致密的电致变色层,然后采用凝胶电解质完全包覆电致变色层,自然固化后得到电致变色纤维;制备的电致变色纤维具有良好的柔性、稳定的变色性能和优异的颜色记忆性能,在智能可穿戴材料领域具有良好的应用前景。
2、本发明首先将纤维进行亲水处理,增加了纤维表面活性基团的数量;然后采用电聚合的方法将电致变色材料附着于纤维表面,通过在短时间间隔内施加高电位,对纤维进行电化学改性,在该过程中纤维的表面上结合了亲水性含氧官能团;与未改性的纤维相比,该纤维表面超亲水,从而产生非常大的电化学活性表面。随后,将纤维置于苯胺混合溶液中,苯胺(单体)与超亲水表面的相互作用可确保在纤维表面上形成聚苯胺;且苯胺单体的分子量较小,能够扩散和吸附到纤维表面的微孔结构中,在电的作用下发生原位聚合,如此可在电致变色层和纤维基材之间产生锚固效果,进一步使纤维表层与电致变色层的结合力提高,且在纤维基材与电致变色层之间构建了导电网络,增强了纤维的整体导电性,同时提高了最终制备的电致变色纤维的综合性能。
3、本发明的纤维先在苯胺混合溶液电聚合后,又置于钨酸钠溶液中进行电聚合,此时纤维表面均匀的附着了聚苯胺薄膜,在电和化学反应双重作用下,聚苯胺薄膜表面吸附原子形成三氧化钨晶核,在持续的电压下,晶核持续生长,最终使聚苯胺薄膜表面覆盖一层三氧化钨层,三氧化钨层不仅拓宽了纤维变色范围,而且相对于里层为三氧化钨层、表层为聚苯胺薄膜的制备方法,本发明的结构更加稳定,因为无机物的稳定性优于有机物,表层的三氧化钨层能够包覆聚苯胺层,增强了聚苯胺层的稳定性,提高了最终制得的电致变色纤维的变色性能和机械性能。
4、本发明的基于聚苯胺和三氧化钨的电致变色纤维,驱动电压稳定,且方便处理;该电致变色纤维结构能够随电压的变化显示出不同的颜色,具有色彩鲜明,灵敏度高,循环稳定性好,长时间颜色记忆的特点;基于柔性导电纤维的电致变色纤维具有良好的可控性、柔韧性和力学性能,在柔性传感和智能穿戴等柔性显示方面将有巨大的应用优势。
附图说明
图1为实施例1采用的不锈钢纤维基材的电镜图。
图2为实施例1制备的电致变色不锈钢纤维的电镜图。
图3为实施例1制备的电致变色不锈钢纤维的CV循环曲线图。
图4为实施例1制备的电致变色不锈钢纤维的计时电流法循环测试曲线图。
图5为实施例1制备的电致变色不锈钢纤维在不同电压下的颜色对比图。
图6为实施例2制备的电致变色碳纤维的电镜图。
图7为实施例2制备的电致变色碳纤维计时电流法循环测试曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此,还需要说明的是,为了避免因不必要的细节而模糊了本发明,在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤,而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外,还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
一种电致变色纤维的制备方法,包括以下步骤:
S1、将纤维依次进行表面处理和亲水处理,使纤维的表面附着活性基团;其中,亲水处理的工艺为以表面处理后的纤维作为正极,铂电极作为负极,以浓度为1.5~3mol/L的氢氧化钾溶液作为电解质,以6~8V电压通电3~5min,在电的作用下,电解质中的阴离子附着于纤维的表面,即得表面附着大量活性基团的纤维;
S2、制备苯胺混合溶液和钨酸钠混合溶液;其中,苯胺混合溶液为包括苯胺单体、硫酸以及无水乙醇的混合溶液;苯胺单体的浓度为0.2~0.3mol/L,硫酸的浓度为0.4~0.6mol/L;钨酸钠混合溶液为包括钨酸钠、过氧化氢、硫酸的混合溶液,钨酸钠的浓度为0.1~0.2mol/L,过氧化氢的浓度为5~10mol/L,硫酸的浓度为0.4~0.6mol/L;
S3、将经步骤S1处理后的纤维置于步骤S2的苯胺混合溶液中,并采用电化学工作站处理8~12min;
S4、将经步骤S3处理后的纤维置于步骤S2的钨酸钠混合溶液中,同样采用电化学工作站处理3~6min;
在步骤S3中,电化学工作站以恒电流处理纤维,电流为0.75~1.5mA;在步骤S4中,电化学工作站以恒电压处理纤维,电压为-0.35~-0.65mV。选用电聚合的方法,使得混合溶液中的分子有序性程度高,利于在纤维表面形成均匀的结构,对最终制备的电致变色纤维的导电性和变色性能有较大的提升;电流/电压的大小和处理的时间均会对电致变色纤维的结构产生影响,所以需要严格限定;纤维在电化学工作站中以三电极体系处理,纤维为工作电极,铂电极为对电极,甘汞电极为参比电极;
S5、将经步骤S4处理后的纤维采用凝胶电解质进行完全包覆,干燥后即得电致变色纤维。
特别地,该制备方法中先将纤维进行亲水处理,增加了纤维表面活性基团的数量,有利于后续反应程度,进而提高电致变色材料的附着量;然后采用电聚合的方法将电致变色材料附着于纤维表面,在电的引发下苯胺单体与纤维表面的活性基团发生化学交联接枝,有利于电致变色层与纤维基材间的结合,提高了两者的牢固度。另外,苯胺混合溶液中适量的硫酸可增加纤维表面的粗糙度,提高微孔结构的数量,也有利于纤维基材和电致变色层的复合;且苯胺单体的分子量较小,能够扩散和吸附到纤维表面的微孔结构中,在电的作用下发生原位聚合,如此可在电致变色层和纤维基材之间产生锚固效果,进一步使纤维表层与电致变色层的结合力增加,且在纤维基材与电致变色层之间构建了导电网络,增强了纤维的整体的导电性,同时提高了最终制备的电致变色纤维综合性能。
具体地,在步骤S5中,凝胶电解质的制备方法为:将成分包括10wt%的高氯酸锂的碳酸丙烯酯溶液和25wt%的聚甲基丙烯酸甲酯混合,在75~80℃的水浴下、搅拌加热8h制备得到。
凝胶电解质为聚苯胺和三氧化钨的电致变色过程提供了ClO4 -和Li+。聚苯胺的电致变色过程本质上是聚苯胺的氧化还原反应;具有三种不同氧化态的聚苯胺,即亮绿碱(LB)、绿绿碱(ES)和高黑兰素盐(PS),三者随着电压的变化而相互转化。聚苯胺在负电压下处于完全还原状态,ClO4 -分布在电解质中,聚苯胺的分子链基本上是“苯二胺-苯二胺”的结构,此时聚苯胺为浅黄色;随着电压的增加,ClO4 -开始进入聚苯胺系分子,分子链中的“苯二胺-苯二胺”结构部分转化为“苯二胺-二酰亚胺”结构,当苯二胺与醌二酰亚胺结构的比例1:3时,LB被氧化成绿色ES,聚苯胺颜色变为绿色;随着电压进一步上升时,许多ClO4 -结合成聚苯胺的分子链,“苯二胺-苯二胺”结构完全转化为“苯二胺-醌二酰亚胺”结构,苯二胺与醌二酰亚胺结构的比例达到1:1,聚苯胺将进一步被氧化为深蓝色PS。W和O主要通过离子键连接,有少量共价键连接成分,大量悬空键,遍布WO3结构,非常有利于电子进入晶体加速反应,WO3膜通过Li+的可逆离子注入/萃取也可以实现颜色变化;氧化钨的电致变色反应遵循以下化学式:WO3(无色)+xLi++xe- LixWO3(有色)。
在步骤S2中,通过控制苯胺混合溶液和钨酸钠混合溶液中各成分的浓度,可以在控制电沉积时纤维表面活性基团与苯胺之间、聚苯胺与钨酸钠之间的反应程度,进而控制最终制备的电致变色纤维中电致变色层的结构,使电致变色层具有均匀、致密的结构,有利于电致变色效率的提高。
在一些具体的实施方式中,纤维表面处理的步骤为:将待处理的纤维放入装有无水乙醇溶液的烧杯内,超声震荡10~15min后取出,再用去离子水冲洗后晾干,得到表面干净的纤维。
本发明还提供了一种电致变色纤维,采用前述的电致变色纤维的制备方法制备得到,电致变色纤维包括内部的纤维基材、附着于纤维基材表面的电致变色层以及包覆于电致变色层表面的凝胶电解质层。其中,纤维基材包括碳纤维、不锈钢纤维、镀镍铜丝纤维、镀银尼龙纤维中的一种或多种以及其组成的纤维束。
本发明的电致变色纤维的电致变色层内层为聚苯胺、外层为三氧化钨,聚苯胺和三氧化钨的协同配合不仅拓宽了纤维变色范围;且相对于里层为三氧化钨层、表层为聚苯胺薄膜的变色材料,该结构更加稳定,因为无机物的稳定性优于有机物,表层的三氧化钨层能够包覆聚苯胺层,增强聚苯胺层的稳定性,提高了最终制得的电致变色纤维的变色性能和机械性能。
实施例1
本实施例提供了一种电致变色纤维的制备方法,包括以下步骤:
S1、将不锈钢纤维放入去无水乙醇中进行超声波清洗15min,保证前一步清洗干净后,将洗净纤维作为阳极,铂电极作为阴极,放入1.8mol/L的氢氧化钾溶液中通入6V电压3min,所得纤维室温晾干后保存备用;
S2、将浓硫酸逐滴滴入无水乙醇中配制成硫酸浓度为0.5mol/L的硫酸乙醇混合溶液,再将苯胺单体逐滴滴入上述硫酸乙醇混合溶液中配置成苯胺浓度为0.2mol/L的苯胺混合溶液;将过氧化氢逐滴滴入去离子水中得到5mol/L的过氧化氢溶液,再将适量的钨酸钠溶于过氧化氢溶液中得到0.1mol/L的钨酸钠溶液,再将0.5mol/L的硫酸逐滴滴入上述溶液中,得到钨酸钠混合溶液,作为钨源电解液;
S3、取经步骤S1处理后的纤维用作工作电极,铂电极为对电极,甘汞电极为参比电极,构成三电极体系放入步骤S2制备的苯胺混合溶液中,通过电化学工作站,通入1.5mA的恒电流,持续10min,得到表面完全包覆一层电致变色层的不锈钢纤维,取出后使用无水乙醇冲洗,晾干后备用;
S4、取步骤S3处理后的纤维用作工作电极,铂电极为对电极,甘汞电极为参比电极,构成三电极体系放入步骤S2制备的钨源电解液中,通过电化学工作站,通入-0.45mV的恒电压,持续4min,得到表面完全包覆第二层电致变色层的不锈钢纤维,取出后使用无水乙醇冲洗,晾干后备用;
S5、将高氯酸锂(LiClO4)在120℃下干燥24小时,将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒在80℃下干燥24小时;取一定量的高氯酸锂溶于碳酸丙烯酯(PC)溶液中,充分搅拌,配置成浓度为10wt%的LiClO4:PC溶液形成液体电解质;将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒加入到上述电解质溶液,在80℃下持续搅拌8h形成凝胶电解质;
S6、取步骤S4处理后的纤维浸入步骤S5制备的凝胶电解质中,纤维一端预留5mm,使其余部分被凝胶电解质完全包覆后,取出得到电致变色不锈钢纤维。
请参阅图1~图2所示,为实施例1采用的不锈钢纤维基材的电镜图,从图中可以看出,不锈钢纤维基材在未处理前,纤维表面为光滑结构。图2为实施例1制备的电致变色不锈钢纤维的电镜图,从图中可以看出,不锈钢纤维表面为被聚苯胺薄膜和三氧化钨颗粒紧密包覆的形貌结构,且聚苯胺和三氧化钨的复合效果较好,说明本实施例成功制备了结构紧密且均匀的电致变色不锈钢纤维。
请参阅图3所示,为将实施例1制备的电致变色不锈钢纤维进行CV循环性能的测试,该曲线呈现了三氧化钨在-0.3V和聚苯胺在0.3V、0.6V处的氧化还原峰,说明在电致变色不锈钢纤维颜色的变化主要是电致变色材料的氧化还原状态的改变引起的。
请参阅图4所示,为实施例1制备的电致变色不锈钢纤维在第1~3、24~26和48~50次的计时电流法循环测试曲线,该曲线呈现了电致变色不锈钢纤维在50次循环内的最大电流密度基本保持不变,维持在50.00mA/cm2左右;说明本实施例制备的电致变色不锈钢纤维具有良好的电学稳定性。
请参阅图5所示,为实施例1制备的电致变色不锈钢纤维在不同的电压下的颜色对比图。从图中可以看出,在电压为零时,该纤维的颜色是浅黄色,在电压为0.8V时,该纤维的颜色变为蓝绿色,且呈现出的颜色效果较好,纤维整体变色效果较均匀。
实施例2
实施例2提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,该电致变色纤维基材为碳纤维基材,制得电致变色碳纤维;其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
请参阅图6所示,为实施例2制备的电致变色碳纤维的电镜图,从图中可以看出,碳纤维为表面被三氧化钨和聚苯胺颗粒紧密包覆的形貌结构,且聚苯胺和三氧化钨的复合效果较好,结构均匀,使得电致变色碳纤维在应用时不会出现表面电致变色层脱落的问题。
请参阅图7所示,为实施例2制备的电致变色碳纤维计时电流法循环测试曲线图,该曲线呈现了电致变色碳纤维在几次循环后的最大电流密度仅下降8%且在经过20次循环后,最大电流密度基本保持不变;说明本实施例制备的电致变色纤维兼具良好的变色性能和优异的电学性能。
对比例1
对比例1提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S2中,未制备苯胺混合溶液,且未将纤维进行步骤S3的处理,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
对比例2
对比例2提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S2中,未制备钨酸钠混合溶液,且未将纤维进行步骤S4的处理,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
对比例3
对比例3提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S3和S4中,采用涂覆法代替电化学工作站的处理,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
对不锈钢纤维基材和碳纤维基材进行拉伸强度的测试,得到不锈钢纤维基材的拉伸强度为25.7N/tex,碳纤维基材的拉伸强度为0.03N/tex。将实施例1~2和对比例1~3制备的电致变色纤维在相同测试条件下进行变色性能、电学性能以及机械性能的测试,得到的结果如下表所示。
表1实施例1~2和对比例1~3的电致变色纤维性能测试结果
电致变色效率(cm<sup>2</sup>/C) | 电导率(S/cm) | 拉伸强度(N/tex) | |
实施例1 | 77.27 | 2.43 | 27.81 |
实施例2 | 72.75 | 2.56 | 0.04 |
对比例1 | 71.17 | 2.37 | 23.35 |
对比例2 | 69.79 | 2.70 | 26.41 |
对比例3 | 52.31 | 1.94 | 25.44 |
由表1可知,聚苯胺和三氧化钨复合的电致变色纤维材料相对于复合单一的聚苯胺或者三氧化钨的纤维材料,电致变色效率更高;且电沉积法制备的材料电致变色效率高于涂覆法制备的材料,因为涂覆法制备的电致变色材料表面结构有序性差,不利于导电网络的构建,所以其电导率较差。
另外,电致变色纤维的拉伸强度主要受到纤维基材的影响;但是从实施例1和对比例1~3纤维的拉伸强度测试结果可知,实施例1的聚苯胺和三氧化钨复合的纤维材料和对比例2单独附着聚苯胺的纤维的拉伸强度高于基材的拉伸强度,且复合纤维的拉伸强度较单独附着聚苯胺纤维的拉伸强度更高。对比例1的纤维在单独附着三氧化钨后,其拉伸强度较基材的拉伸强度会下降。对比例3说明传统的涂覆法制备的电致变色纤维的强度不及本申请方案制备的电致变色纤维;本申请采用聚苯胺和三氧化钨的协同配合作用,对于纤维的拉伸强度产生有利效果,制备的电致变色纤维兼具优异的变色性能和机械性能。
实施例3
本实施例提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S2中,制备的苯胺混合溶液中苯胺的浓度为0.3mol/L,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
对比例4~5
对比例4~5提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S2中,制备的苯胺混合溶液中苯胺的浓度分别为0.1mol/L和0.5mol/L,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
实施例4
本实施例提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S2中,制备的钨酸钠混合溶液中钨酸钠的浓度为0.2mol/L,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
对比例6~7
对比例6~7提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S2中,制备的钨酸钠混合溶液中钨酸钠的浓度分别为0.05mol/L和0.5mol/L,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
将实施例3~4和对比例4~7制备的电致变色纤维在相同测试条件下进行变色性能、电学性能以及机械性能的测试,得到的结果如下表所示。
表2实施例3~4和对比例4~7的电致变色纤维性能测试结果
电致变色效率(cm<sup>2</sup>/C) | 电导率(S/cm) | 拉伸强度(N/tex) | |
实施例3 | 73.12 | 2.46 | 27.83 |
实施例4 | 74.29 | 2.42 | 27.69 |
对比例4 | 72.75 | 2.26 | 27.71 |
对比例5 | 70.46 | 2.52 | 27.88 |
对比例6 | 72.71 | 2.39 | 27.72 |
对比例7 | 73.36 | 2.11 | 26.51 |
由表2可知,在配置处理纤维基材的前驱体溶液时,加入的苯胺或钨酸钠的浓度过高或过低,都会降低复合材料的电致变色效率。前驱体溶液中苯胺浓度的变化,对电致变色纤维的拉伸强度影响较小,但前驱体溶液中钨酸钠浓度过高时,纤维拉伸强度会明显降低;只有苯胺和钨酸钠以一定比例协同配合,才能促进纤维基材和电致变色层结合紧密,同时使电致变色纤维具有较好的电致变色性能和导电性。
对比例8
对比例8提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S2中,制备的苯胺混合溶液时未加入硫酸,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
对比例9~10
对比例9~10提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S2中,对比例9~10制备的钨酸钠混合溶液时分别未加入硫酸和过氧化氢,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
实施例5~6
实施例5~6提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S3中,通入恒电流分别为0.75mA和1mA,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
对比例11
对比例11提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S3中,通入恒电流为0.5mA,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
对比例12
对比例12提供了一种电致变色纤维的制备方法,与实施例1相比,不同之处在于,在步骤S3中,电化学工作站处理5min,其余大致与实施例1相同,在此不再赘述。
将实施例5~6和对比例8~12制备的电致变色纤维在相同测试条件下进行变色性能、电学性能以及机械性能的测试,得到的结果如下表所示。
表3实施例5~6和对比例8~12的电致变色纤维性能测试结果
电致变色效率(cm<sup>2</sup>/C) | 电导率(S/cm) | 拉伸强度(N/tex) | |
实施例5 | 69.62 | 2.32 | 27.59 |
实施例6 | 70.54 | 2.41 | 27.64 |
对比例8 | 70.82 | 2.35 | 23.35 |
对比例9 | 73.11 | 2.38 | 26.72 |
对比例10 | 69.92 | 2.58 | 26.77 |
对比例11 | 68.43 | 2.02 | 27.54 |
对比例12 | 69.57 | 2.16 | 27.57 |
由表3可知,在苯胺溶液中未加入硫酸时,会影响纤维表面聚苯胺的聚合,从而导致材料的电致变色效率和拉伸强度明显降低;在钨酸钠溶液中未加入硫酸或过氧化氢溶液也会影响三氧化钨的沉积,从而导致材料的电致变色效率降低;聚苯胺聚合的电化学工作电流或时间减小时,纤维表面沉积的聚苯胺的量也会相应减少,从而导致其电致变色性能下降。
综上所述,本发明提供了一种电致变色纤维及其制备方法,以柔性导电纤维作为基材,以三电极体系在基材表面电沉积电致变色材料,使柔性导电纤维表面形成致密的电致变色层,然后采用凝胶电解质完全包覆电致变色层,自然固化后得到电致变色纤维;制备得到的电致变色纤维具有良好的柔性、稳定的变色性能和优异的颜色记忆性能。本发明采用电聚合的方法,将纤维基材与苯胺在电的引发下进行复合,又置于钨酸钠溶液中进行电聚合,在纤维表面形成交联网状结构,提高了最终制得的电致变色纤维的导电性能、变色性能和机械性能。本发明的基于聚苯胺和三氧化钨的电致变色纤维,驱动电压稳定,且方便处理;该电致变色纤维结构能够随电压的变化显示出不同的颜色,具有色彩鲜明,灵敏度高,循环稳定性好,长时间颜色记忆的特点;基于柔性导电纤维的电致变色纤维具有良好的可控性和柔韧性,在柔性传感和智能穿戴等柔性材料领域有巨大的应用优势和具有良好的应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种电致变色纤维的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将纤维依次进行表面处理和亲水处理,使所述纤维的表面附着活性基团;
S2、制备苯胺混合溶液和钨酸钠混合溶液;
S3、将经步骤S1处理后的纤维置于步骤S2的所述苯胺混合溶液中,并采用电化学工作站处理8~12min;
S4、将经步骤S3处理后的纤维置于步骤S2的所述钨酸钠混合溶液中,采用电化学工作站处理3~6min;
S5、将经步骤S4处理后的纤维采用凝胶电解质进行完全包覆,干燥后即得电致变色纤维。
2.根据权利要求1所述的电致变色纤维的制备方法,其特征在于,在步骤S1中,所述亲水处理为以表面处理后的纤维作为正极,铂电极作为负极,以浓度为1.5~3mol/L的氢氧化钾溶液作为电解质,以6~8V电压通电3~5min,即得表面附着活性基团的纤维。
3.根据权利要求1所述的电致变色纤维的制备方法,其特征在于,在步骤S2中,所述苯胺混合溶液为包括苯胺单体、硫酸以及无水乙醇的混合溶液;其中,所述苯胺单体的浓度为0.2~0.3mol/L,硫酸的浓度为0.4~0.6mol/L。
4.根据权利要求3所述的电致变色纤维的制备方法,其特征在于,在步骤S2中,所述钨酸钠混合溶液为包括钨酸钠、过氧化氢、硫酸的混合溶液;其中,所述钨酸钠的浓度为0.1~0.2mol/L,过氧化氢的浓度为5~10mol/L,硫酸的浓度为0.4~0.6mol/L。
5.根据权利要求1所述的电致变色纤维的制备方法,其特征在于,在步骤S5中,所述凝胶电解质的制备方法为:将成分包括10wt%的高氯酸锂的碳酸丙烯酯溶液和25wt%的聚甲基丙烯酸甲酯混合,在75~80℃的水浴下、搅拌加热8h制备得到。
6.根据权利要求1所述的电致变色纤维的制备方法,其特征在于,在步骤S3中,所述电化学工作站以恒电流处理纤维,电流为0.75~1.5mA;在步骤S4中,所述电化学工作站以恒电压处理纤维,电压为-0.35~-0.65mV。
7.根据权利要求6所述的电致变色纤维的制备方法,其特征在于,纤维在所述电化学工作站中以三电极体系处理,所述纤维为工作电极,铂电极为对电极,甘汞电极为参比电极。
8.根据权利要求1所述的电致变色纤维的制备方法,其特征在于,所述纤维包括碳纤维、不锈钢纤维、镀镍铜丝纤维、镀银尼龙纤维中的一种或多种以及其组成的纤维束。
9.根据权利要求1所述的电致变色纤维的制备方法,其特征在于,在步骤S1中,所述表面处理的步骤为:将待处理的纤维放入装有无水乙醇溶液的烧杯内,超声震荡10~15min后取出,再用去离子水冲洗后晾干,得到表面干净的纤维。
10.一种电致变色纤维,其特征在于,采用权利要求1~9中任一项所述的电致变色纤维的制备方法制备得到,所述电致变色纤维包括内部的纤维基材、附着于纤维基材表面的电致变色层以及包覆于电致变色层表面的凝胶电解质层。
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董丹霞;刘芬;孙冬兰;: "聚苯胺电致变色薄膜的制备及性能", 天津科技大学学报, no. 04, pages 48 - 52 * |
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CN115652612B (zh) | 2024-02-09 |
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