一种芳纶/液态金属复合热电纤维及其制备方法和应用

：本发明属于柔性热电材料及其制备和应用领域，特别涉及一种芳纶/液态金属复合热电纤维及其制备方法和应用。

背景技术

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背景技术：

1、热防护服是在极端温度条件下保障工作人员安全的重要屏障，伴随着信息技术的发展，智能热防护服成为当前热防护服研究的重点。智能热防护服通过在防护服中集成各类传感器的方式，实现对环境情况和工作人员自身情况的实时监测，进而提升热防护服的安全性和舒适性。

2、热电材料是利用热电效应进行热能和电能转换的一种功能材料。当在材料两端施加温差时，材料内部会产生电压，即为泽贝克效应；当在材料两端施加电压时，材料两端会出现吸放热现象，即为帕尔贴效应。采用热电材料制作的热电器件具备能量存储、半导体制冷、热电传感多种功能，并且热电器件体积小、重量轻、结构简单，符合智能可穿戴设备的要求。热电优值(zt)是衡量材料热电性能综合指标的品质因子，其公式为：

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4、其中，k、s、σ和t分别代表热电材料的热导率、seebeck系数、电导率和绝对温度。zt值越高则表示材料的热电性能越好，对应的热电纤维的能量转换效率也越高。

5、液态金属纳米球是新型热电材料，其表面会自然存在一层ga2o3氧化壳，ga2o3是一种高性能的半导体材料，在液态金属与ga2o3壳接触的部分会形成半导体/金属界面。根据能量过滤理论，靠近合金/半导体界面的半导体侧会形成能带弯曲。当低能电子经过时被有效地散射，高能电子经过时则不受影响，使得高能电子占比增大，进而使得塞贝克系数增大。另外，液态金属的电导率高(σ＝3.4×106s m-1)，加入基体中会提高电导率。并且，ga2o3导热率较低(k＝10～30wm-1k-1)，分散在基体中的ga2o3氧化壳将会抑制纤维内热量的传输，热电纤维的热导率随之下降。因此基体中添加液态金属后塞贝克系数、电导率升高、热导率降低，相同温差下得到的电能更多，热电效率明显上升。

6、在热防护服的工作场景中，环境外部与人体天然具备较大的温差。此前热防护服的重点在于良好的隔热性和保护性，对于防护服内外部的温差没有有效的利用。将热电器件集成到智能热防护服中后：首先，利用防护服内外的较高温差可以温差发电，产生的电能供给系统中的智能传感器使用，从而实现自供电智能传感系统；其次，产生的电能可以输入到热电制冷器件中，从而维持防护服内部温度稳定，提高防护服热舒适性；最后，利用温度和电压的线性关系，热电器件可以监测外部环境温度，当温度达到预设警戒线后可以提醒工作人员及时撤出。芳纶纤维是热防护服的主要材料，本专利在芳纶纺丝液中添加液态金属纳米球，通过调节配方和湿法纺丝参数成功纺织出芳纶/液态金属复合热电纤维，该热电纤维作为热电器件可单独编织成织物，也可混纺到芳纶织物中，在柔性热电可穿戴领域和智能热防护服领域具备广阔的应用前景。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、为解决现有技术的不足，本发明提供了一种芳纶/液态金属复合热电纤维及其制备方法和应用。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种芳纶/液态金属复合热电纤维的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将液态金属、芳纶和冰醋酸加入到n，n-二甲基乙酰胺中混合搅拌超声，得到纺丝溶液，然后进行湿法纺丝，得到纤维。

5、(2)将步骤(1)得到的纤维浸泡在叔丁醇中，浸泡时间为12～24h。

6、(3)将步骤(2)得到的纤维进行热拉伸处理，即得芳纶/液态金属复合热电纤维；其中热拉伸温度为100℃，热拉伸牵引比为1∶1.1～1∶2。

7、上述技术方案中：

8、基于步骤(1)和(2)，确保了所得纤维较好的热电性能。

9、基于步骤(3)，确保了所得纤维较好的机械性能。

10、具体的，步骤(1)中：将所述纺丝原液转移至注射器中，在泵的压力下以恒定的速率挤出至凝固浴中成型，得到芳纶/液态金属复合热电纤维。

11、具体的，注射器针头大小为15～30g。

12、具体的，从注射器挤出的速率为4～20ml/h。

13、具体的，步骤(2)中，浸泡时间为12～24h。

14、具体的，步骤(3)中：将纤维引入不同转速的两个牵引辊中，下方使用热台加热，热拉伸后得到纶/液态金属复合热电纤维。

15、具体的，热拉伸温度为50～150℃。

16、具体的，牵引比为1∶1.1～1∶2。

17、具体的，芳纶和液态金属的质量比为1∶0.01～1∶0.1。

18、本发明提供一种所述方法制备的芳纶/液态金属复合热电纤维。

19、本发明所提供的芳纶/液态金属复合热电纤维，具备良好的热电性能和机械性能。

20、本发明还提供了上述芳纶/液态金属复合热电纤维的应用，作为柔性可穿戴设备纤维材料，或者，作为智能热防护服纤维材料。

21、有益效果：

22、(1)本发明的方法简单易行，稳定性优异，具备大规模生产能力。

23、(2)本发明的纤维接受了热电性能测试，结果表明其具备良好的热电性能。

24、(3)本发明的纤维可以反复弯曲和拉伸，具备良好的柔韧性和机械性能。

25、(4)液态金属纳米球独特的核壳结构利用能量过滤效应过滤了低能电子，同时提高了热电材料的电导率和塞贝克系数，进而提升了热电效率。

26、(5)将热电器件集成到智能热防护服中后：首先，利用防护服内外的较高温差可以温差发电，产生的电能供给系统中的智能传感器使用，从而实现自供电智能传感系统；其次，产生的电能可以输入到热电制冷器件中，从而维持防护服内部温度稳定，提高防护服热舒适性；最后，利用温度和电压的线性关系，热电器件可以制成温度传感器监测外部环境温度。

技术特征：

1.一种芳纶/液态金属复合热电纤维，其特征在于，液态金属呈纳米球状均匀分布于芳纶纤维中。

2.根据权利要求1所述的热电纤维，其特征在于：所述芳纶为对位芳纶和间位芳纶中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的热电纤维，其特征在于：所述液态金属为金属镓(ga)、共晶镓铟合金(eglan)、共晶镓铟锡合金(egainsn)中至少一种。

4.根据权利要求1所述的热电纤维，其特征在于：所述液态金属纳米球直径在50～500nm。

5.根据权利要求1所述的热电纤维，其特征在于：所述芳纶和液态金属的质量比为1∶0.01～1∶0.1。

6.一种芳纶/液态金属复合热电纤维及其制备方法，包括：

7.一种权利要求1所述芳纶/液态金属复合热电纤维在热电可穿戴领域和智能热防护服领域中的应用。

技术总结
本发明涉及一种芳纶/液态金属复合热电纤维及其制备方法和应用，所述热电纤维中的芳纶为对位芳纶和间位芳纶，液态金属为金属镓(Ga)、共晶镓铟合金(EGlan)、共晶镓铟锡合金(EGaInSn)，液态金属呈纳米球状均匀分布于芳纶纤维中，采用湿法纺丝制备而成。本发明制备的复合热电纤维具有良好的热电性能，在柔性热电可穿戴领域和智能热防护服领域具有广阔的应用前景。本发明制备工艺简单，具备连续化生产的潜力。

技术研发人员：陈莉,李行宇,何洋
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/26