CN118087083A - 一种液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯纤维及制备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯纤维及制备，属于柔性变色显示功能纤维技术领域。本发明构建了一种简单、可重复的使用的双通道微流控同轴湿法纺丝装置，通过定制的同轴针头进行同轴湿法纺丝制备了基于液态金属导电驱动触发变色的皮芯结构纤维。本发明所述的基于液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯结构纤维为轴轴对称的皮芯圆柱结构，其中纤维皮为聚丙烯腈、热致变色颜料微胶囊和发光材料组成，具有颜色鲜艳多彩、响应速率快和良好的双稳定性。而纤维芯是由镓铟合金材料组成，具有良好的焦耳热效应和热转换能力。本发明解决了传统变色显示器件的局限性，同时实现了电和热多元调控变色能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯纤维及制备，属于柔性变色显示功能纤维技术领域。
背景技术
传统的传感显示器件是由刚性的、集成的电子部件来做成的，一方面限制了它的灵活性和编织性，另一方面设计比较复杂，成本较高。
智能变色纺织品是一种通过物理或化学手段使织物在外界刺激下对颜色产生反应的功能性纺织品。人们不断推进智能纺织品服装中高度可控和灵活调节明亮多彩的色彩变化的研究。为了使变色材料的性能更好地服用人类日常生活，可控制的组件，如纤维和薄膜被生产出来。其中，变色纤维具有优异的变色效率、编织可行性和良好的化学稳定性，被认为是智能可穿戴设备中视觉信号传输和装饰的理想载体，新时代科学技术的飞速发展，使人们不再满足于单一的浅色。
针对以上情况，目前已经有学者制备了电致变色纤维，制备了铜复合纤维通过电加热触发，具有快速、可逆地切换颜色的显著能力，还有学者制备了电致变色器件，并成功证明了电致变色器件作为节能显示器的可行性。
因此本发明与前人的工作有一些不同。首先，电触发变色发光纤维利用液态金属代替铜线作为导电金属芯层，液态金属具有较高的柔韧性和可塑性，可以纺成柔软、扭曲的皮芯纤维。其次，在可塑性和可织性方面优于传统电致变色发光器件。最后，它需要焦耳热和紫外光双重激发条件，这在柔性信息加密方面取得了很大进步。通过纤维的编织具有很大的灵活性，能够创造各种纤维结构和组合，这为将电子和传感器集成到纤维中提供了更多的设计可能性，减少了器件制作的复杂性和成本，并促进了产品形状和尺寸的定制。对外界刺激产生反应的智能纤维已经打开了制造智能纺织品和可穿戴设备的新水平，变色纤维因其在可穿戴显示器和信息加密方面的潜在应用而备受关注。
发明内容
[技术问题]
传统的变色传感显示器件的灵活性和编织性具有局限性，且设计复杂、成本较高。
[技术方案]
为了解决上述问题，本发明构建了一种简单、可重复的使用的双通道微流控同轴湿法纺丝装置，通过定制的同轴针头进行同轴湿法纺丝制备了基于液态金属导电驱动触发变色的皮芯结构纤维。本发明所述的基于液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯结构纤维为轴轴对称的皮芯圆柱结构，其中纤维皮为聚丙烯腈、热致变色颜料微胶囊和发光材料组成，具有颜色鲜艳多彩、响应速率快和良好的双稳定性。而纤维芯是由镓铟合金材料组成，具有良好的焦耳热效应和热转换能力。本发明解决了传统变色显示器件的局限性，同时实现了电和热多元调控变色能力。
本发明的第一个目的是提供一种制备基于液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈和二甲基亚砜按混合搅拌得到纺丝母液；
(2)取热致变色微胶囊和稀土发光材料加入步骤(1)得到的纺丝母液中搅拌混合均匀，得到纺丝液；
(3)把步骤(2)制得的纺丝液和液态金属分别装入两个不同的注射器中，安装在专门定制的同轴针头，之后两个注射器同时推动将纺丝液和液态金属推入凝固浴中，制备得到所述的基于液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯纤维。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的聚丙烯腈和二甲基亚砜质量比为1:2～5。
优选的，步骤(1)所述的聚丙烯腈和二甲基亚砜质量比为1:4。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的热致变色微胶囊为黑色，变色温度为33℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的热致变色微胶囊和纺丝母液的质量比为1～5:100。
优选的，步骤(2)所述的热致变色微胶囊和纺丝母液的质量比为3:100。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的稀土发光材料的光色为蓝光和红光。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的稀土发光材料和纺丝母液的质量比为5～10:100。
优选的，步骤(2)所述的稀土发光材料和纺丝母液的质量比为7:100。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的液态金属为镓铟合金。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述定制的同轴针头规格为17G/21G。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的凝固浴为25～30℃的去离子水。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中装有纺丝液的注射器的推进速度在16～24μm/s。
优选的，步骤(3)中装有纺丝液的注射器的推进速度在20μm/s。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中装有液态金属的注射器的推进速度在8～20μm/s。
优选的，步骤(3)中装有纺丝液的注射器的推进速度在16μm/s。
本发明提供一种根据上述方法制备得到的变色发光的皮芯纤维。
本发明提供的变色发光的皮芯纤维在纺织、服装、电子设备制造领域的应用。
[有益效果]
本发明以液态金属为纤维芯，将热致变色颜料和稀土发光材料与聚丙烯腈混合作为纤维皮，制备了皮芯结构的变色发光纤维，使其具有热、电，紫外多重刺激响应，解决了普通依赖温度单一响应的变色纤维。焦耳热是由液态金属的传导产生的，使纤维中存在的热致变色颜料的颜色发生变化，紫外光照射后，从纤维内部释放磷光，类似双重解密的效果。当对纤维壳体施加一定的压力时，芯层中的液态金属受力区域受到挤压，导致受力的区域截面积减小，从而焦耳热功率增加，从而实现局部变色发光。这些性能为变色技术在热感测、信息加密、压力传感和功能性服装等领域的应用开辟了许多可能性。
附图说明
图1为本发明制备基于液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯纤维的工艺流程图。
具体实施方案
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用限制本发明。
原料来源
发光材料采用高温固相法所制备；热致变色微胶囊购于深圳千色边颜料有限公司；液态金属镓铟合金购自广东东莞鼎冠金属有限公司。
测试方法
1、变色发光性能测试
将电触发变色发光纤维固定在热台上，设置升热台的升温(降温)速率为1℃/min，用热红外成像仪检测纤维表面温度升降过程中的变色温度，颜色变化过程，且拍摄记录。
将电触发变色纤维两端接入电源，电热转换和紫外灯驱动纤维变色，用热红外成像仪检测电流的升降过程中纤维表面的变化，且拍摄记录颜色变化。
2、颜色的测试
在人工日光6500K下，利用计算机测色和配色仪测量了CIE-1931色度坐标、反射率和吸收率。
3、力学性能测试
采用拉伸试验机对试样进行拉伸力学性能测试。
实施例1
(1)将聚丙烯腈和二甲基亚砜按1:4质量比称量混合，搅拌6个小时后得到纺丝母液。
(2)取100g的纺丝母液，将热致变色微胶囊3g和稀土发光材料7g加入纺丝母液中搅拌混合均匀，得到具有热致变色发光性能的纺丝液。
(3)把配置好的纺丝液和液态金属分别装入两个不同的注射器中，安装在专门定制的同轴针头，之后两个注射器在推进去的推动下通过同一个针孔注入凝固浴中，制备得到所述的基于液态金属导电驱动触发变色的皮芯纤维。在进行同轴湿法纺丝时，在装有纺丝液的注射器固定在8μm/s的推进速度不变的情况下，装有液态金属的注射器以4μm/s为梯度的推进速度增加，增加6个梯度。
表1不同液态金属推进速率对纤维的影响
| 推进速度(μm/s) | 壳体厚度(μm) | 纤维强力(MPa) |
| 4 | 1153 | 8.73 |
| 8 | 1024 | 7.85 |
| 16 | 807 | 6.78 |
| 20 | 519 | 6.13 |
| 24 | 398 | 5.1 |
| 28 | 285 | 3.1 |
上述实施例结果显示：液态金属推进速度的增加会引起液态金属在纤维内部张力增加，使液态金属的直径的变大，从而壳体厚度变小，纤维强度随之下降，不同液态金属推进速率对纤维壳体和强力的影响对比见表1。
实施例2
(1)将聚丙烯腈和二甲基亚砜按1:4质量比称量混合，搅拌6个小时后得到纺丝母液。
(2)取100g的纺丝母液，将热致变色微胶囊3g和稀土发光材料7g加入纺丝母液中搅拌混合均匀，得到具有热致变色发光性能的纺丝液。
(3)把配置好的纺丝液和液态金属分别装入两个不同的注射器中，安装在专门定制的同轴针头，之后两个注射器在推进去的推动下通过同一个针孔注入凝固浴中，制备得到所述的基于液态金属导电驱动触发变色的皮芯纤维。在进行同轴湿法纺丝时，在装有液态金属的注射器固定在16μm/s的推进速度不变的情况下，装有纺丝液的注射器以4μm/s为梯度的推进速度增加，增加6个梯度。
表2不同聚丙烯腈推进速率对纤维的影响
| 推进速度(μm/s) | 壳体厚度(μm) | 纤维强力(MPa) |
| 4 | 309 | 3.41 |
| 8 | 457 | 5.34 |
| 16 | 502 | 6.27 |
| 20 | 624 | 7.3 |
| 24 | 833 | 7.9 |
| 28 | 1012 | 8.4 |
上述实施例结果显示：聚丙烯腈变色发光基体的推进速度增加会引起纤维壳体变厚，使纤维的整体直径的变大，在纤维长度不变的情况下，随着变色发光壳体变厚，纤维的强力随着推进速度的增加而增加，不同聚丙烯腈推进速率对纤维壳体和强力的影响对比见表2。
实施例3
(1)将聚丙烯腈和二甲基亚砜按1:4的质量比称量混合，搅拌6个小时后得到纺丝母液。
(2)取100g的纺丝母液，将热致变色微胶囊3g和稀土发光材料7g加入纺丝母液中搅拌混合均匀，得到具有热致变色发光性能的纺丝液。
(3)把配置好的纺丝液和液态金属分别装入两个不同的注射器中，安装在专门定制的同轴针头，之后两个注射器在推进去的推动下通过同一个针孔注入凝固浴中，制备得到所述的基于液态金属导电驱动触发变色的皮芯纤维。在进行同轴湿法纺丝过程中，装有纺丝液的注射器固定在20μm/s的推进速度，装有液态金属的注射器固定在16μm/s的推进速度。
上述实施例结果显示：使用黑色热致变色微胶囊滤光效果更好，因为黑色吸收了发光材料的大部分可见光源。
实施例4
参照实施例3的制备方法进行，其中将黑色热致变色微胶囊和稀土发光材料质量比进行调整，然后纺丝。
数据如下表3所示：
表3不同含量与纤维成型时间
其中可以看出，随着黑色热致变色微胶囊的含量增加，纺丝液的密度会随之降低，不利于纤维的凝固，所以纺丝速度要随之降低，保证纤维在凝固浴中的时间。但当黑色热致变色微胶囊的比例小于3g时，与稀土发光材料的协同效果不够明显。当黑色热致变色微胶囊的含量不变，而稀土发光材料含量以1g为梯度增加，会使纺丝液粘度增加，使纤性成型困难，进而降低纺丝速率，不同配比与纤维成型时间的对比见表3。因此当配比为3g:7g时，纤维的成型较好且发光变色协同性能最优。
对比例1
参照实例3的制备方法进行，其中仅使用10g的黑色热致变色微胶囊进行纺丝。
结果：仅存在热敏变色效果，无发光效果。
对比例2
参照实例3的制备方法进行，其中仅使用10g的稀土发光材料进行纺丝。
结果：仅存在发光效果，无微胶囊光源过滤效果。
以上所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，所描述的步骤也不是用以限制其执行顺序。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进，亦落入本发明权利要求书所界定的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备基于液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈和二甲基亚砜按混合搅拌得到纺丝母液；
(2)取热致变色微胶囊和稀土发光材料加入步骤(1)得到的纺丝母液中搅拌混合均匀，得到纺丝液；
(3)把步骤(2)制得的纺丝液和液态金属分别装入两个不同的注射器中，安装在专门定制的同轴针头，之后两个注射器同时推动将纺丝液和液态金属推入凝固浴中，制备得到所述的基于液态金属导电驱动触发变色发光的皮芯纤维。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的聚丙烯腈和二甲基亚砜质量比为1:2～5。
3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的聚丙烯腈和二甲基亚砜质量比为1:4。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的热致变色微胶囊和纺丝母液的质量比为1～5:100；所述的稀土发光材料和纺丝母液的质量比为5～10:100。
5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的热致变色微胶囊和纺丝母液的质量比为3:100。
6.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的稀土发光材料和纺丝母液的质量比为7:100。
7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，装有纺丝液的注射器的推进速度在16～24μm/s；装有液态金属的注射器的推进速度在8～20μm/s。
8.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，装有纺丝液的注射器的推进速度在20μm/s；装有纺丝液的注射器的推进速度在16μm/s。
9.一种权利要求1～8任一项所述的方法制备得到的变色发光的皮芯纤维。
10.权利要求9中所述的变色发光的皮芯纤维在纺织、服装、电子设备制造领域的应用。
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| CN (1) | CN118087083A (zh) |
-
2024
- 2024-03-22 CN CN202410333474.1A patent/CN118087083A/zh active Pending
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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