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CN110130096A - 一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法 - Google Patents

一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料科学领域，涉及一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法。将柔性纤维织物浸泡于氧化剂溶液中，浸泡充分后取出柔性织物，悬挂于容器上方，在容器中加入适量的导电聚合物单体进行加热，导电聚合物单体气化接触容器上方的纤维织物进行反应，反应结束后，依次使用去离子水和无水乙醇对产物进行反复洗涤和干燥，最后用导电高分子溶液对干燥的产物进行处理，处理完全后再次进行干燥，得到柔性纤维织物复合热电材料。本发明具有工艺简单、易于操作、可重复性高的特点，在智能可穿戴热电领域具有广阔前景。

Description

一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料科学领域，涉及一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法。
背景技术
热电材料是一种绿色环保的功能性材料，其原理是通过固体内部载流子(空穴或电子)的运动，实现热能和电能的相互转换，具有使用寿命长、性能稳定、结构简单、无噪音、无污染等优点，在废热回收和制冷领域具有巨大的潜力。
热电材料的性能通常采用无量纲的热电优值(ZT值)来衡量，即：
其中：S为Seebeck系数；Τ为热力学温度；σ为电导率；κ为导热系数。由于无量纲热电优值ZT中的三个参数Seebeck、电导率和热导率的内在相互关联，一般难以同时获得提高。
本专利是研究将导电组分引入到传统织物中的方法，使织物在保持本身特点的基础上被赋予了导电性，在可穿戴电子产品、健康和运动监控与护理等领域有着广泛的应用前景。目前制备导电聚合物/织物复合材料使用的方法主要有电化学法和化学法，如FirozBab
(Synthetic Metals2009；159:1353–1358)等曾分别运用电化学法和原位化学聚合法在棉织物上覆盖聚吡咯，使棉织物具有导电性；Patrycja Bober(Applied SurfaceScience 2015；356:737–741)等将聚吡咯颗粒和聚吡咯管利用原位聚合法引入棉织物中，使得棉织物具有导电性，并经过多次化学洗涤后，仍然存有导电性。Dall Acqua(SyntheticMetals 2006；156:379–386)等曾用溶液聚合法使得聚吡咯覆盖在织物表面，但经SEM扫描电镜发现，聚吡咯在织物表面覆盖不均匀，出现了聚集的情况。上述方法工艺复杂，不适合大规模生产，而本专利所述的气相聚合结合溶液处理工艺简单，且可将氧化剂、导电聚合物溶液重复利用，节省成本，适用于工厂化的大规模生产，因此采用气相聚合结合溶液处理的方法制备柔性织物复合热电材料具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，所述的这种柔性纤维织物复合热电材料制备方法具有工艺简单、适用于大规模生产的特点。
本发明提供了一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将柔性纤维织物剪切至一定大小后浸泡在氧化剂溶液中；
2)浸泡充分的纤维织物放置于容器上方，在容器中加入导电聚合物单体，随后加热容器；
3)将反应后的产物依次浸入去离子水和无水乙醇中洗涤多次，转速100-140转/分钟，时间0.5-1h，洗涤完全后进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥时间为15-50min；
4)将干燥的产物用导电高分子溶液浸泡处理，处理完全后进行干燥，得到柔性纤维织物复合热电材料。
进一步的，所述的步骤1)中的柔性纤维织物为棉型织物、毛型织物、丝型织物、涤纶型织物等纤维织物中的任意一种或几种的组合。
进一步的，所述的步骤1)中所使用的纤维织物大小在1mm×1mm至3m×3m之间。
进一步的，所述的步骤1)中的氧化剂为氯化铁、高铁酸钾、过硫酸铵等具有强氧化性的物质中的任意一种或几种的组合。
进一步的，所述的步骤1)中的溶液为水、酸、碱、极性或非极性溶剂。
进一步的，所述的步骤1)中所使用的氧化剂溶液的质量百分比为1％-50％。
进一步的，所述的步骤1)中使用氧化剂溶液浸泡织物的时间为0.5-72h。
进一步的，所述的步骤2)中的容器为玻璃容器、金属容器、陶瓷容器等。
进一步的，所述的步骤2)中的导电聚合物单体为吡咯、3,4-乙烯二氧噻吩、苯胺、噻吩等中的任意一种或多种的组合。
进一步的，所述的步骤2)中加热容器的温度为40-130℃。
进一步的，所述的步骤4)中的导电高分子溶液为PEDOT:PSS溶液、聚吡咯溶液、聚乙烯溶液、聚苯胺溶液等中的一种或几种组合。
进一步的，所述的步骤4)中导电高分子溶液浸泡处理产物的时间为5分钟-10小时。
进一步的，所述的步骤4)中导电高分子溶液处理完后的干燥温度为60-150℃。
本发明利用气相聚合法制备了柔性纤维织物复合热电材料。首先利用气相聚合法使织物表面覆盖一层导电层，再通过导电高分子溶液对样品做进一步的处理，提高了织物的热电性能。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的工艺简单，适用于大规模化的生产，所制备的柔性纤维织物复合热电材料在可穿戴热电领域具有广阔前景。
附图说明
图1a、1b、1c分别为本发明采用实施例1制备的PPy/PEDOT:PSS/棉织物柔性复合热电材料的数码照片、柔韧性照片和扫描电镜照片。
图2a、2b、2c为本发明采用实施例2制备的PEDOT/PEDOT:PSS/毛织物柔性复合热电材料的电导率图、Seebeck系数图、功率因子图。
具体实施方式
实施例1
PPy/PEDOT:PSS/棉织物柔性复合热电材料
(1)将棉型织物剪切至3cm×3cm大小后浸泡入质量百分比为20％的Fecl3·6H2O乙醇溶液中，浸泡24h后取出悬挂在烧杯上方；
(2)在容器中加入3ml吡咯单体后进行加热，加热温度为75℃；
(3)将反应完后的产物PPy/棉织物浸泡在去离子水中，转速为100转/分钟，浸泡一个小时后，更换去离子水，反复三次后，更换为无水乙醇浸泡，浸泡时间为1h，然后取出干燥，干燥温度为65℃，时间为30min；
(4)将干燥的PPy/棉织物浸泡入含有5％DMSO的PEDOT:PSS溶液中，浸泡时间为1h，再将浸泡完全的产物放入干燥箱中干燥，干燥温度为130℃，干燥时间为15min，最终得到产物PPy/PEDOT:PSS/棉织物柔性复合热电材料。
实施例2
PEDOT/PEDOT:PSS/毛织物柔性复合热电材料
(1)将丝型织物剪切至3cm×3cm大小后浸泡入质量百分比为20％的Fecl3·6H2O乙醇溶液中，浸泡24h后取出悬挂在金属容器上方；
(2)在容器中加入3ml 3,4-乙烯二氧噻吩后进行加热，加热温度为70℃；
(3)将反应完后的产物PEDOT/丝织物依次浸泡在去离子水中和无水乙醇中，转速为110转/分钟，每次的浸泡时间为1.5h，然后取出干燥，干燥温度为75℃，时间为20min；；
(4)将干燥的PEDOT/丝织物浸泡入含有5％DMSO的PEDOT:PSS溶液中，浸泡时间为1.5h，再将浸泡完全的产物放入干燥箱中干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为15min，最终得到产物PEDOT/PEDOT:PSS/丝织物柔性复合热电材料。
实施例3
PPy/PEDOT:PSS/丝织物柔性复合热电材料
(1)将丝型织物剪切至2cm×2cm大小后浸泡入质量百分比为50％的过硫酸铵水溶液中，浸泡2h后取出悬挂在陶瓷容器上方；
(2)在容器中加入5ml吡咯单体后进行加热，加热温度为80℃；
(3)将反应完后的产物PPy/丝织物浸泡在去离子水中，转速为100转/分钟，浸泡一个小时后，更换去离子水，反复三次后，更换为无水乙醇浸泡，浸泡时间为0.5h，然后取出干燥，干燥温度为80℃，时间为25min；；
(4)将干燥的PPy/丝织物浸泡入含有聚苯胺溶液中，浸泡时间为10h，再将浸泡完全的产物放入干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为35min，最终得到产物PEDOT/PEDOT:PSS/丝织物柔性复合热电材料。
实施例4
PEDOT/PEDOT:PSS/棉织物柔性复合热电材料
(1)将棉型织物剪切至5mm×5mm大小后浸泡入质量百分比为1％的过硫酸铵水溶液中，浸泡72h后取出悬挂在烧杯上方；
(2)在容器中加入3ml 3,4-乙烯二氧噻吩后进行加热，加热温度为100℃；
(3)将反应完后的产物PEDOT/棉织物浸泡在去离子水中，转速为100转/分钟，浸泡一个小时后，更换去离子水，反复三次后，更换为无水乙醇浸泡，浸泡时间为10h，然后取出干燥，干燥温度为60℃，时间为15min；；
(4)将干燥的PEDOT/棉织物浸泡入聚乙烯溶液中，浸泡时间为1h，再将浸泡完全的产物放入干燥箱中干燥，干燥温度为130℃，干燥时间为50min，最终得到产物PEDOT/PEDOT:PSS/棉织物柔性复合热电材料。

Claims (13)

1.一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将柔性纤维织物剪切至一定大小后浸泡在氧化剂溶液中；
2)浸泡充分的纤维织物悬挂于容器上方，在容器中加入导电聚合物单体，随后加热容器；
3)将反应后的产物依次浸入去离子水和无水乙醇中洗涤多次后进行干燥；
4)将干燥的产物用导电高分子溶液浸泡处理，处理完全后进行干燥，得到柔性纤维织物复合热电材料。
2.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：所述的纤维织物材料为棉型织物、毛型织物、丝型织物、涤纶型织物等中的任意一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：所使用的纤维织物大小在1mm×1mm至3m×3m之间。
4.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：所使用的氧化剂为氯化铁、高铁酸钾、过硫酸铵等具有强氧化性的物质中的任意一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：所使用的溶液为水、酸、碱、极性或非极性溶剂。
6.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：所使用的氧化剂溶液的质量百分比为1％-50％。
7.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：柔性纤维织物浸泡在氧化剂溶液中的时间为0.5-72h。
8.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：所述的容器为玻璃容器、金属容器、陶瓷容器等。
9.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：所述的单体为吡咯、3,4-乙烯二氧噻吩、苯胺、噻吩等导电高分子中的任意一种或几种的组合。
10.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：加热容器的温度为40-130℃。
11.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：所述的导电高分子溶液为PEDOT:PSS溶液、聚吡咯溶液、聚乙烯溶液、聚苯胺溶液等中的一种或几种组合。
12.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：导电高分子溶液浸泡处理产物的时间为5分钟-10小时。
13.根据权利要求1所述的一种柔性纤维织物复合热电材料的制备方法，其特征在于：导电高分子溶液处理完后的干燥温度为40-150℃。
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