芯-鞘力致变色液晶弹性纤维及其制备方法

本发明涉及纺织纤维，尤其涉及一种芯-鞘力致变色液晶弹性纤维及其制备方法。

背景技术：

1、力致变色指的是在外力作用下材料的颜色发生变化的现象。力致变色纺织品具有柔软、可随意变形等特点，对三维曲面有较好的包裹性，能可视化地检测外力，在损伤预警、康复理疗、时尚服装等领域具有巨大的应用价值。目前，力致变色纺织品多是基于结构色而开发的，如niu等将ps@sio2光子晶体沉积于经过处理的pet织物表面制备了力致变色织物，复合织物受到拉伸、弯曲，其表面颜色发生变化(chemical engineering journal 426(2021)130870)。然而，该复合织物的拉伸或弯曲形变量有限，其颜色变化的色域范围小，且不利于肉眼通过颜色变化对其所受外力进行准确判断。

2、先制备力致变色纤维是制备力致变色纺织品的另一种途径。peng等将碳纳米管缠绕在弹性聚二甲基硅氧烷(pdms)纤维上，后将粒径均匀的聚苯乙烯(ps)微球包覆于复合纤维表面，再次包覆pdms制备力致变色纤维，通过微球的大小和微球之间的距离来调节纤维的颜色。该纤维在拉伸和释放过程中经历色度转换，但随着拉伸应变的增加，微球的物理堆积规整性下降且较难恢复(angew.chem.,2015,127,3701-3705；j.mater.chem.c,2016,4,2127-2133.)。kolle等将多层聚苯乙烯-聚异戊二烯三嵌段共聚物包覆于pdms纤维制备了力致变色纤维，但旋转涂覆或轧制工艺易引入缺陷，长程范围内纤维表面颜色均一性较差。多次拉伸循环之后，纤维对光的反射率从86％下降到73％，可逆循环稳定性差(adv.mater.,2013,25,2239-2245.)。可见，基于结构色构建灵敏、可逆响应交变应力场的力致变色纤维仍面临着巨大挑战。

3、胆甾型液晶力致变色材料因其分子螺旋排列的结构表现出丰富的光学效应，发展极为迅速，成为研究热点之一。天津大学封伟教授课题组在力致变色液晶弹性体膜材料方面做了大量的研究工作，开发了系列变色灵敏的膜材料(光子学报,2022,51,343-360；angew.chem.int.ed.2022,61,e202116219)。然而，要制备力致变色胆甾型液晶纤维仍具有一定的难度，这是因为纺丝过程需要克服plateau-rayleigh不稳定性，且胆甾型液晶需要在纤维中形成平面织构，即液晶组装后的螺旋轴方向垂直于纤维的轴向，才能实现纤维表面对光线的选择性bragg反射从而呈现一定的颜色。此外，要实现力致变色纤维的实际应用，该力致变色纤维能够可见光区变色且灵敏、可逆地响应交变应力场。

4、有鉴于此，有必要设计一种改进的芯-鞘力致变色液晶弹性纤维，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种芯-鞘力致变色液晶弹性纤维及其制备方法，基于芯鞘结构，在芯层纤维表面进行螺旋组装，得到沿纤维径向辐射状有序组装的芯鞘结构胆甾型液晶纤维，以实现垂直于纤维表面颜色均一、高力响应灵敏度及颜色与纤维形变动态可逆恢复特性。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种芯-鞘力致变色液晶弹性纤维的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一：将液晶单体与有机溶剂混合，按照预定温度和时间进行加热，冷却至室温，得到混合溶液；

4、步骤二：向步骤一得到的所述混合溶液中加入交联剂、扩链剂、光引发剂及催化剂，搅拌后静置，得到前聚体；

5、步骤三：将步骤二得到的所述前聚体涂敷在芯层纤维表面，将涂敷有前聚体的芯层纤维静置于通风橱中；

6、步骤四：将步骤三中静置后的纤维用紫外线进行照射，得到芯-鞘力致变色液晶弹性纤维。

7、作为本发明的进一步改进，在步骤一中，所述液晶单体包括非手性向列液晶单体与手性液晶单体；所述非手性向列液晶单体为2-甲基-1,4-亚苯基双(4-(3-(丙烯酰氧基)丙氧基)苯甲酸酯(rm257)，所述手性液晶单体为(3r,3ar,6s,6ar)-六氢呋喃[3,2-b]呋喃-3,6-二基双(4-((4-(((4-(丙烯酰氧基)丁氧基)羰基)氧基)苯甲酰基)氧基)苯甲酸酯)(lc756)；所述有机溶剂为二氯甲烷(dcm)。

8、所述加热的预定温度为70～90℃，加热的时间为5～10min。

9、在步骤二中，所述交联剂为四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(petmp)；所述扩链剂为3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇(eddet)；所述光引发剂为2,2-二甲基-2-苯基苯乙酮(i-651)；所述催化剂为二正丙胺溶液(dpa)，由二氯甲烷将二正丙胺稀释50倍制得；所述搅拌的时间为5～10min，静置的时间为15～25min。

10、在步骤三中，所述芯层纤维为弹性纤维。

11、进一步的，所述弹性纤维为聚氨酯(pu)或者聚二甲基硅氧烷(pdms)。

12、在步骤三中，将纤维静置于通风橱中的时间为22～24h。

13、在步骤四中，所述紫外灯的功率为50mw/cm2，波长为365nm，照射的时间为5～10min。

14、进一步的，在所述的芯-鞘力致变色液晶弹性纤维的制备方法中，rm257、lc756、eddet、i-651的质量比为100：(3～10)：(20～30)：(0.050～0.090)，dcm、petmp、dpa的体积比为(100～250)：(10～20)：(1～5)。

15、本发明还提供了一种芯-鞘力致变色液晶弹性纤维，由所述的芯-鞘力致变色液晶弹性纤维的制备方法制得。

16、本发明的有益效果是：

17、1、本发明提供的芯-鞘力致变色液晶弹性纤维及其制备方法，先制备含有非手性向列液晶单体与手性液晶单体的前聚体，采用特定装置将前聚体均匀涂敷于芯层纤维表面，静置及光照条件下实现了液晶诱导组装及在线交联，得到芯-鞘力致变色液晶弹性纤维，芯层结构可以提供纤维力学强度以满足实用性，鞘层结构可以实现力致变色的功能，因此，芯鞘结构的力致变色纤维既能实现力学强度又能实现力致变色功能。

18、2、本发明利用弹性纤维芯层作为支撑，通过在芯层纤维上涂覆液晶前聚体，诱导胆甾相液晶螺旋轴在弹性芯层表面沿径向辐射状有序组装，形成平面织构，垂直于纤维表面颜色均一。

19、3、本发明通过控制前聚体的交联度来控制其模量与弹性芯层的模量保持一致；通过控制前聚体的粘度、交联度以及挥发速率来控制液晶在芯层表面的沿径向辐射状有序组装；通过调整不同的手性试剂、液晶基元以及手性试剂/液晶基元的比例来调控初始螺距的大小；通过前聚体的浓度以及前聚体的交联度来调控前聚体的粘度以及控制弹性芯层牵引速率、两者结合，达到控制壁厚的目的；通过改变弹性芯层的直径以及鞘层部分的壁厚，来调整壁厚/芯层半径的比例；通过调整壁厚/芯层半径的比例，达到最终调整芯-鞘力致变色液晶弹性纤维泊松比的目的。

20、4、纤维状液晶弹性体受力后，芯层与鞘层之间较大的厚度差使得螺距大幅度降低，造成了较大的泊松比，导致了高量级的色谱移动，实现了对力的高灵敏传感。纤维为一维结构，受到拉伸时，仅受到径向压缩力，所有的力都作用于对螺距的压缩上，纤维具有更高的泊松比，力传感的效率更高。

21、5、本发明通过装置的设计，以及调控预聚体浓度、预聚度以及纤维牵引速率，成功制备了既能实现力学强度又能实现力致变色功能的芯-鞘力致变色液晶弹性纤维。