[发明专利]可逆电致变色复合纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能材料技术领域，特别是涉及一种具有可逆电致变色效应的复合纤维材料及其制备方法。

背景技术

由于沿着主链的π电子的离域效应，共轭高分子具有良好的电学和光学性能，被广泛研究应用在光电子和传感器方面。例如，聚二炔(PDA)可以在不同的外界刺激下产生颜色变化，常见的刺激因素包括温度、pH值、化学试剂、应力和配体作用，典型的颜色变化是由蓝色变为红色，已经开发应用作为色差传感器材料。这一颜色变化是由于在外界条件的刺激下聚二炔的分子构象发生变化。确切地说就是外界刺激导致的聚二炔侧链的运动自由度的增加使得共轭链长减小的聚合物分子比较无序(较少共平面)。关于聚二炔新的传感功能的研究已经很多了，但是据我们所知，目前还没有关于电流诱导聚二炔变色的报道，很多因素诱导的聚二炔变色时不可逆的。而在电场作用下诱导纯的聚二炔构象的转变是很困难的。然而，电流诱导的聚二炔的变色行为可以应用在很多方面，从航空航天到小型电子设备等。

解决上述问题的一个方便有效的途径就是将聚二炔与其他具有良好导电性能的材料复合制备纳米复合材料。其中导电性良好的一相在通入电流的时候可以产生足够的电场诱导复合在一起的聚二炔分子在纳米尺度上的构象变化，这种效应的叠加也许可以宏观上指示颜色的变化。满足这一要求的理想材料之一就是碳纳米管(CNT)。我们知道，碳纳米管具有独特的化学结构和优良的导电性。例如，最近已经通过化学气相沉积的方法合成出长的碳纳米管正立列，其中每一根多壁碳纳米管的导电率在室温下可达104S/cm。这些碳纳米管可以纺成肉眼可见的纤维而同时保持优异的导电性能。因此，本发明的目的就是利用碳纳米纤维和聚二炔来制备新型的可电流诱导变色的复合纤维材料，以满足上面所述应用方面的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种电致变色复合纤维及其制备方法，通过将具有电致变色效应的聚二炔与具有良好导电性能的碳纳米管纤维复合，获得重复可逆的电致变色复合纤维。

为实现上述目的，本发明利用碳纳米管正立列纺丝制成碳纳米管纤维，所述碳纳米管纤维中包含中空的多壁碳纳米管，将二炔单体涂覆于所述碳纳米管纤维，通过诱导作用令二炔单体聚合形成聚二炔，制成碳纳米管/聚二炔复合纤维。当所述碳纳米管/聚二炔复合纤维两端未导入的电流时，其呈现第一种颜色，当所述碳纳米管/聚二炔复合纤维两端导入的电流超过一临界值时，其颜色改变为第二种颜色，而当所述碳纳米管/聚二炔复合纤维两端导入的电流断路时，其颜色恢复为第一种颜色。

所述电致变色复合纤维的制备方法包括利用化学气相沉积方法制得的碳纳米管正立列纺丝制成碳纳米管纤维的步骤，还包括通过将碳纳米管纤维在预设浓度的二炔单体溶液中浸泡，然后令浸泡后的碳纳米管纤维挥发溶剂而干燥，将二炔单体涂覆于碳纳米管纤维的步骤；以及采用紫外线、X射线或γ射线照射来进行诱导令二炔单体聚合形成碳纳米管/聚二炔复合纤维的步骤。

本发明的优点在于，以上述方法制备的碳纳米管/聚二炔复合纤维的电致变色效应具有重复可逆综合变色性能，其应用潜力广泛，且制备方法简单。

附图说明

图1为利用化学气相沉积法合成碳纳米管正立列的示意图。

图2a-2c为可纺成纤维的碳纳米管结构示意图。

图3为二炔分子的拓扑化学聚合和聚二炔分子的颜色变化的示意图。

图4为根据本发明的方法合成的碳纳米管/聚二炔复合纤维在不同分辨率下扫描的电子显微镜图。

图5为显示碳纳米管/聚二炔复合纤维的导电率与温度关系及跃迁模型导电率坐标图，其中，

5a为显示碳纳米管/聚二炔复合纤维的导电率与温度关系的示图；

5b为显示碳纳米管/聚二炔复合纤维的三维跃迁模型导电率坐标图；

5c为显示碳纳米管/聚二炔复合纤维的二维跃迁模型导电率坐标图；

5d为显示碳纳米管/聚二炔复合纤维的一维跃迁模型导电率坐标图。

图6为观察碳纳米管/聚二炔复合纤维在通电时的颜色变化的实验装置的示意图。

图7为碳纳米管/聚二炔复合纤维通电时温度变化的光学显微镜照片。

图8为碳纳米管/聚二炔复合纤维应力-应变曲线图。

图9为碳纳米管/聚二炔复合纤维在机械应力作用下的紫外可见光谱图。

图10为碳纳米管/聚二炔复合纤维在机械摩擦作用下变色的示图。

图11为碳纳米管/聚二炔复合纤维浸在不同化学试剂中的紫外可见光谱图。

具体实施方式

以下参考附图详细说明本发明的原理及其具体实施方式。