具有快速响应性能的电致变色纤维及其制备方法

本发明涉及电致变色纤维，尤其涉及一种具有快速响应性能的电致变色纤维及其制备方法。

背景技术：

1、电致变色是材料的光学属性(反射率、透过率、吸收率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化；具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，采用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。目前，电致变色器件的应用场景广泛，包括智能窗户、光学滤波片和电子显示器等常见领域；且随着科技水平的不断提高，电致变色材料也逐渐向智能家居、可穿戴显示、可视化检测等领域发展。

2、将电致变色技术与纤维结合，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中，将带来巨大的学术价值与产业价值，推动智能织物材料的发展。

3、现有技术中，发明专利(申请号为cn 202310491325.3)公开了一种v2o5基电致变色材料及其制备方法和电致变色器件，先将钒盐与极性溶剂进行混合处理，得到钒盐溶液，在将钒盐溶液进行加热处理，得到v2o5基前驱体，最后将v2o5基前驱体在含氧气氛下进行退火处理，得到v2o5基电致变色材料；虽然该电致变色材料具有较好的可迁移性，无需依赖器件或全固态结构，可以通过喷涂、印刷或粘贴的方式实现电致变色器件的制备。但上述方式不适合电致变色织物的制备，因为喷涂、印刷或粘贴等方式会对织物原有的力学性能与穿着舒适性造成不利影响，且电致变色材料通过物理方式附着于织物表面，其响应速度会大打折扣，还会随着织物使用时间的延长而逐渐衰减。

4、有鉴于此，有必要设计一种改进的具有快速响应性能的电致变色纤维及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有快速响应性能的电致变色纤维及其制备方法，以柔性导电纤维作为基材，经处理后浸泡于特定的硫酸氧钒体系中，在其表面形成网状纳米结构的电致变色材料，再采用凝胶电解质包覆后得到电致变色纤维，以克服现有技术中因电致变色材料的附着造成纤维力学性能与舒适性降低的问题，以解决电致变色纤维存在的响应速度差、随着织物使用响应性能衰减的弊端。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种具有快速响应性能的电致变色纤维，所述电致变色纤维包括纤维基体、附着于纤维基体表面的电致变色材料及包裹于电致变色材料表面的凝胶电解质层，所述电致变色材料与所述纤维基体通过化学键连接，所述电致变色材料为层叠的网状纳米结构。

3、作为本发明的进一步改进，所述电致变色材料的成分为五氧化二钒，所述网状纳米结构的直径为60～100nm。

4、作为本发明的进一步改进，所述电致变色纤维的响应时间为3～5s，电致变色效率为50cm2/c以上。

5、作为本发明的进一步改进，所述纤维基体为柔性导电纤维，包括碳纤维、不锈钢纤维、镀镍铜丝纤维、镀银尼龙纤维、镀镍棉纤维中的一种或多种以及其组成的纤维束。

6、本发明还提供了一种上述中任一项所述的具有快速响应性能的电致变色纤维的制备方法，包括以下步骤：

7、s1、将纤维依次进行表面处理与亲水处理，使所述纤维的表面附着羟基；

8、s2、制备浓度为0.3～0.6mol/l的硫酸氧钒溶液，所述硫酸氧钒溶液的溶剂为去离子水与无水乙醇的混合溶剂；

9、s3、将步骤s1处理后的纤维置于步骤s2的硫酸氧钒溶液中浸泡，采用外部加热的方式使硫酸氧钒溶液温度为30～80℃，时间为5～18h，使五氧化二钒在纤维表面自然生长，得到表面附有网状纳米结构的纤维；

10、s4、将经步骤s3得到的表面附有网状纳米结构的纤维采用凝胶电解质进行完全包覆，干燥后即得具有快速响应性能的电致变色纤维。

11、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述混合溶剂中去离子水与无水乙醇的体积比为(0.9～1.2):1。

12、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，以氢氧化钾溶液作为电解质，通电处理后得到表面附着羟基的纤维。

13、作为本发明的进一步改进，在步骤s4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8～10h制备得到。

14、作为本发明的进一步改进，所述电解质氢氧化钠溶液的浓度为1.5～3mol/l，通电时间为5～8min，电压为6～8v。

15、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。

16、本发明的有益效果是：

17、1、本发明的具有快速响应性能的电致变色纤维，包括纤维基体、附着于纤维基体表面的电致变色材料及包裹于电致变色材料表面的凝胶电解质层，电致变色材料与纤维基体通过化学键连接，电致变色材料为层叠的网状纳米结构。本发明采用以柔性导电纤维作为基材，经处理后浸泡于特定的硫酸氧钒体系中，在其表面形成网状纳米结构的电致变色材料，再采用凝胶电解质包覆后得到电致变色纤维，克服了现有技术中因电致变色材料的附着造成纤维力学性能与舒适性降低的问题，解决了电致变色纤维存在的响应速度差、随着织物使用响应性能衰减的弊端，该制备方法及制得的电致变色纤维在智能可穿戴领域均具有良好的应用前景。

18、2、本发明将纤维进行亲水处理，通过在短时间内对纤维施加高电位，增加了纤维表面活性基团的数量，在纤维的表面上结合了亲水性含氧官能团，使得纤维表面超亲水，得到了具有高电化学活性表面；将纤维浸泡至硫酸氧钒溶液体系后，在溶液中乙醇的含氧官能团的作用下，钒氧化物与纤维表面的羟基作用，在表面生成核，生成核后氧化钒沿核继续生长，从而在纤维表面自然生长成非常规整均匀的网状纳米结构；该网状纳米结构更有利于离子的传输和电子的注入，提高了电致变色材料的响应速度，另外，网状纳米结构使得离子快速扩散，并为电荷转移反应提供更大的表面积，综合提高了电致变色纤维的电致变色性能。

19、3、本发明的制备方法无需添加其他药剂，成本低，且制备工艺简便，无需其他强干预即可在纤维表面形成电致变色材料，适合工业化批量生产。基于五氧化二钒的电致变色纤维，驱动电压稳定，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；且以柔性导电纤维为基体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显示方面将有巨大的应用优势。

技术特征：

1.一种具有快速响应性能的电致变色纤维，其特征在于，所述电致变色纤维包括纤维基体、附着于纤维基体表面的电致变色材料及包裹于电致变色材料表面的凝胶电解质层，所述电致变色材料与所述纤维基体通过化学键连接，所述电致变色材料为层叠的网状纳米结构。

2.根据权利要求1所述的具有快速响应性能的电致变色纤维，其特征在于，所述电致变色材料的成分为五氧化二钒，所述网状纳米结构的直径为60～100nm。

3.根据权利要求1所述的具有快速响应性能的电致变色纤维，其特征在于，所述电致变色纤维的响应时间为3～5s，电致变色效率为50cm2/c以上。

4.根据权利要求1所述的具有快速响应性能的电致变色纤维，其特征在于，所述纤维基体为柔性导电纤维，包括碳纤维、不锈钢纤维、镀镍铜丝纤维、镀银尼龙纤维、镀镍棉纤维中的一种或多种以及其组成的纤维束。

5.一种权利要求1～4中任一项所述的具有快速响应性能的电致变色纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的具有快速响应性能的电致变色纤维的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述混合溶剂中去离子水与无水乙醇的体积比为(0.9～1.2):1。

7.根据权利要求5所述的具有快速响应性能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，以氢氧化钾溶液作为电解质，通电处理后得到表面附着羟基的纤维。

8.根据权利要求5所述的具有快速响应性能的电致变色纤维的制备方法，其特征在于，在步骤s4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8～10h制备得到。

9.根据权利要求7所述的具有快速响应性能的电致变色纤维的制备方法，其特征在于，所述电解质氢氧化钠溶液的浓度为1.5～3mol/l，通电时间为5～8min，电压为6～8v。

10.根据权利要求5所述的具有快速响应性能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。

技术总结
本发明提供了一种具有快速响应性能的电致变色纤维及其制备方法，电致变色纤维包括纤维基体、附着于纤维基体表面的网状纳米结构的电致变色材料及包裹于电致变色材料表面的凝胶电解质层，电致变色材料与纤维基体通过化学键连接。本发明的电致变色纤维中的网状纳米结构有利于离子的传输和电子的注入，提高了电致变色材料的响应速度，还使得离子快速扩散，为电荷转移反应提供更大的表面积，综合提高了纤维的电致变色性能；该基于五氧化二钒的电致变色纤维，驱动电压稳定，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；且制备方法简单，无需添加其他药剂，成本低，适合工业化生产。

技术研发人员：王跃丹,江威,王栋,李梦杰,郝盼盼,李沐芳
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11