一种动态红外热辐射调控纤维功能器件的制备方法

1.本发明涉及一种功能器件的制备方法。


背景技术：

2.由于红外热辐射调控技术在个人热管理、多种电子仪器、自适应热伪装和智能航天器热调节等方面的广泛应用，具有有效的红外调控能力的器件变得越来越重要。平面结构的电致变色器件目前被广泛研究，并得到了深度的开发。然而，平面电致变色器件不能与纺织品完美结合，无法满足穿戴舒适性的需求。近年来，随着智能可穿戴电子产品的发展和智能服装概念的兴起，多色纤维在日常生活中得到了广泛的应用，包括透气性、透湿性、基于纤维结构的机械拉伸性，以及丰富的色彩伪装安全警示和防伪性能。出于这个角度，将红外热辐射调控技术与智能纤维结合，开发出具有高红外热辐射调控能力的智能纤维是亟待解决的。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决现有平面红外热辐射器件无法与纺织品较好结合以实现智能穿戴的能力的问题，而提供一种动态红外热辐射调控纤维功能器件的制备方法。
4.一种动态红外热辐射调控纤维功能器件的制备方法，是按以下步骤完成的：
5.一、制备多相聚合物分散溶液：
6.首先将聚合物加入到溶剂中，然后在搅拌下加热至聚合物完全溶解，再加入聚甲基丙烯酸甲酯，在磁力搅拌下加热至聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解，得到均匀的多相聚合物分散溶液；
7.二、制备多孔电解质隔膜层：
8.①
、将碳纤维浸入到均匀的多相聚合物分散溶液中，得到碳纤维/多相聚合物分散溶液；
9.②
、将碳纤维/多相聚合物分散溶液加入到溶剂中，静置，再将碳纤维取出，干燥，得到多孔电解质隔膜层；
10.三、制备工作电极：
11.采用真空热蒸镀法在多孔电解质隔膜层上附着金属层，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层；
12.四、制备电致变色薄膜层：
13.①
、使无水乙醇对碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层进行冲洗，再放入烘箱中进行热处理，得到热处理后的碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层；
14.②
、通过电镀方法或原位化学合成的方法在热处理后的碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层上制备电致变色薄膜层，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层-电致变色薄膜层；
15.步骤四
②
中所述的电镀方法具体是按以下步骤完成的：
16.以酸掺杂的聚苯胺作为电解液，以铂片为对电极，以ag/agcl为参比电极，以碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层为工作电极，通过电化学工作站，采用横电流法或恒电位法，在三电极体系下，在碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层上的金属层上电镀聚苯胺，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层-聚苯胺层；
17.五、使用蒸馏水对碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层-聚苯胺层进行冲洗，再置于真空压缩机中压缩，在压力的作用下电解质液体引入到碳纤维内部，得到动态红外热辐射调控纤维功能器件。
18.本发明的原理：
19.在纤维基底上进行电解质层的涂覆，然后在电解质层上镀具有高反射能力的金属层，在金属层上电镀电致变色层。这样就将平面三明治结构的电致变色器件转变为纤维状嵌套式结构的电致变色器件。通过施加不同的电压，可以实现电致变色层在可见-红外波段的光谱特性的调节，进而实现纤维器件颜色和红外发射率的调节。
20.本发明的优点：
21.一、本发明制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件具有良好的红外发射率控制能力，并具有可见光管理能力，在8～14μm波段红外发射率
△
ε为0.4，在可见光波段可以实现可逆的颜色转换，且反应时间迅速；总的来说，本发明可以通过参数调整可见光和近红外波段的反射率和吸收率，达到高发射率变化和低太阳吸收比的目的，从而达到高效动态热调节的目的；
22.二、本发明制备方法操作简单，价格低廉，可用于大量制备；
23.三、本发明制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件可以通过不同编织技术与纺织品完美融合，以实现智能穿戴。
24.本发明可以获得一种动态红外热辐射调控纤维功能器件。
附图说明
25.图1为实施例1步骤五制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件的sem图；
26.图2为实施例1步骤五制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件的氧化态和还原态的数码照片图，图中上面的为氧化态，下面的为还原态；
27.图3为实施例1步骤五制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件的红外发射率变化曲线；
28.图4为实施例1步骤五制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件的耐疲劳性测试图，图中1的循环次数为0次，2为循环500次。
具体实施方式
29.以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
30.具体实施方式一：本实施方式一种动态红外热辐射调控纤维功能器件的制备方法，是按以下步骤完成的：
31.一、制备多相聚合物分散溶液：
32.首先将聚合物加入到溶剂中，然后在搅拌下加热至聚合物完全溶解，再加入聚甲基丙烯酸甲酯，在磁力搅拌下加热至聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解，得到均匀的多相聚合物分散溶液；
33.二、制备多孔电解质隔膜层：
34.①
、将碳纤维浸入到均匀的多相聚合物分散溶液中，得到碳纤维/多相聚合物分散溶液；
35.②
、将碳纤维/多相聚合物分散溶液加入到溶剂中，静置，再将碳纤维取出，干燥，得到多孔电解质隔膜层；
36.三、制备工作电极：
37.采用真空热蒸镀法在多孔电解质隔膜层上附着金属层，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层；
38.四、制备电致变色薄膜层：
39.①
、使无水乙醇对碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层进行冲洗，再放入烘箱中进行热处理，得到热处理后的碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层；
40.②
、通过电镀方法或原位化学合成的方法在热处理后的碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层上制备电致变色薄膜层，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层-电致变色薄膜层；
41.步骤四
②
中所述的电镀方法具体是按以下步骤完成的：
42.以酸掺杂的聚苯胺作为电解液，以铂片为对电极，以ag/agcl为参比电极，以碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层为工作电极，通过电化学工作站，采用横电流法或恒电位法，在三电极体系下，在碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层上的金属层上电镀聚苯胺，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层-聚苯胺层；
43.五、使用蒸馏水对碳纤维-多孔电解质隔膜层-金属层-聚苯胺层进行冲洗，再置于真空压缩机中压缩，在压力的作用下电解质液体引入到碳纤维内部，得到动态红外热辐射调控纤维功能器件。
44.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的聚合物为聚乙烯醇、聚偏氟乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯和偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物中的一种或几种的混合物；步骤一中所述的溶剂为质量分数为95％～98％的硫酸溶液或n,n-二甲基甲酰胺。其它步骤与具体实施方式一相同。
45.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述的多相聚合物分散溶液中聚合物、溶剂和聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为1:6:0.05；步骤一中所述的搅拌的速度为100r/min～1000r/min；步骤一中所述的加热的温度为60℃～80℃。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
46.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二
②
中所述的溶剂为乙醇、丙酮或水；步骤二
②
中所述的静置时间为10min～30min。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
47.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二
②
中所述的干燥的温度为60℃～80℃，干燥的时间为3h～5h；步骤二
②
中所述的碳纤维/多相聚合物分散溶液与溶剂的体积比为(1～2):(1～50)。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
48.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三中所述的金属层为铂、金、铜和不锈钢中的一种或几种的混合物；步骤三中所述的金属层的厚度为100nm～300nm。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
49.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤四
①
中所述的冲洗的次数为2次～3次；步骤四
①
中所述的热处理的温度为80℃～120℃，热处理的时间为3h～8h。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
50.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：所述的酸掺杂的聚苯胺的制备方法为：将酸加入到苯胺中，混合均匀，酸与苯胺的质量比为(30～60):1，得到酸掺杂的聚苯胺；其中，所述的酸为硫酸、樟脑磺酸、十二烷基苯磺酸、氢氟酸和盐酸中的一种或几种的混合液；所述的恒电流法采用的电流为0.1～0.3ma/s，电镀时间为4000～10000s；所述的恒电压法采用的电压为0.75v～0.85v，电镀时间为5000～8000s。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
51.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤五中所述的电解质液体为锂盐溶解到增塑剂中得到；步骤五中所述的冲洗时间为1min～5min；步骤五中所述的真空压缩机的压力为10～50bar；步骤五中所述的压缩的次数为3次～5次，每次压缩的时间为1min～5min。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
52.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤五中所述的锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、双氟草酸硼酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂盐中的一种或其中几种的混合物；所述的增塑剂为碳酸丙烯酯；电解质液体中锂盐的浓度为1～3mol/l；所述的增塑剂的质量分数为95～98％。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
53.下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
54.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
55.实施例1：一种动态红外热辐射调控纤维功能器件的制备方法，是按以下步骤完成的：
56.一、制备多相聚合物分散溶液：
57.首先将聚偏氟乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯加入到n,n-二甲基甲酰胺中，然后在搅拌下加热至聚偏氟乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解，再加入聚甲基丙烯酸甲酯，在1000r/min的磁力搅拌和加热温度为70℃的条件下加热至聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解，得到均匀的多相聚合物分散溶液；
58.步骤一中所述的聚偏氟乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯、n,n-二甲基甲酰胺和聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为1:6:0.05；
59.二、制备多孔电解质隔膜层：
60.①
、将碳纤维浸入到均匀的多相聚合物分散溶液中，得到碳纤维/多相聚合物分散溶液；
61.②
、将碳纤维/多相聚合物分散溶液加入到无水乙醇中，静置30min，再将碳纤维取出，在70℃下干燥4h，得到多孔电解质隔膜层；
62.步骤二
②
中所述的碳纤维/多相聚合物分散溶液与无水乙醇的体积比为1:25；
63.三、制备工作电极：
64.采用真空热蒸镀法在多孔电解质隔膜层上附着金层，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层；
65.步骤三中所述的金层的厚度为200nm；
66.四、制备电致变色薄膜层：
67.①
、使无水乙醇对碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层进行冲洗3次，再放入温度为100℃的烘箱中进行热处理5h，得到热处理后的碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层；
68.②
、通过电镀方法在热处理后的碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层上制备电致变色薄膜层，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层-电致变色薄膜层；
69.步骤四
②
中所述的电镀方法具体是按以下步骤完成的：
70.以酸掺杂的聚苯胺作为电解液，以铂片为对电极，以ag/agcl为参比电极，以碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层为工作电极，通过电化学工作站，采用横电流法，在三电极体系下，碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层上的金层上电镀聚苯胺，得到碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层-聚苯胺层；所述的酸掺杂的聚苯胺的制备方法为：将酸加入到苯胺中，混合均匀，酸与苯胺的质量比为40:1，得到酸掺杂的聚苯胺；其中，所述的酸为质量分数为98％的硫酸；所述的恒电流法采用的电流为0.2ma/s，电镀时间为6000s；
71.五、使用蒸馏水对碳纤维-多孔电解质隔膜层-金层-聚苯胺层进行冲洗，再置于真空压缩机中压缩，在压力的作用下电解质液体通过多孔道引入到碳纤维内部，得到动态红外热辐射调控纤维功能器件；
72.步骤五中所述的电解质液体为锂盐溶解到增塑剂中得到；所述的锂盐为六氟磷酸锂；所述的增塑剂为碳酸丙烯酯；电解质液体中锂盐的浓度为2mol/l；所述的增塑剂的质量分数为98％；
73.步骤五中所述的冲洗时间为5min；
74.步骤五中所述的真空压缩机的压力为30bar；
75.步骤五中所述的压缩的次数为5次，每次压缩的时间为3min。
76.图1为实施例1步骤五制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件的sem图；
77.从图1可知：聚苯胺具有明显的团状聚合结构，并且聚苯胺致密地附着在金膜上。
78.图2为实施例1步骤五制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件的氧化态和还原态的数码照片图，图中上面的为氧化态，下面的为还原态；
79.从图2可知，动态红外热辐射调控纤维功能器件可以可逆地在氧化态(对应绿色)和还原态(黄色)之间互相切换。
80.图3为实施例1步骤五制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件的红外发射率变化曲线；
81.从图3可知，动态红外热辐射调控纤维功能器件具有优良的红外发射率调控能力，红外发射率差值平均值为0.4。
82.图4为实施例1步骤五制备的动态红外热辐射调控纤维功能器件的耐疲劳性测试图，图中1的循环次数为0次，2为循环500次；
83.从图4可知，动态红外热辐射调控纤维功能器件具有良好的耐疲劳性，在弯折500次后，从还原态切换到氧化态的响应时间并没有很大的改变。