一种皮芯结构的电致变色长丝纤维及其制备方法和织物

1.本发明涉及电致变色材料，尤其涉及一种皮芯结构的电致变色长丝纤维及其制备方法和织物。


背景技术：

2.传统的数码印花迷彩伪装布料采用不同色系的功能涂料来模拟周围环境，难以随地域、天气、季节等因素变化而自动切换，自适应能力弱，随着各种热红外成像侦查设备的提升，红外波段自适应伪装要求伪装装备具有自主调节织物表面在3～5，8～14微米波长范围内的红外发射率，红外伪装技术需要开发自适应红外发射率可调材料，设计可控红外发射率材料非常困难，急需一种兼具可见光反射变色和红外发射率可调的织物作为自适应伪装的基础材料。
3.专利cn2010101365461和cn2021112823616公开的基于电子墨水的变色织物均是以含可控电路的柔性迷彩织物为基底，控制其上涂覆的用于图像显示的电子墨水微胶囊来实现两种或两种以上不同颜色的互变，从而实现不同迷彩织物间的互相转换。上述织物不具备红外发射率可调的功能，除此之外，电子墨水微胶囊显示器件价格昂贵，涂覆工艺限制了变色织物生产效率。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明旨在提供一种基于电子墨水的可见光显色和红外发射率调节显色的皮芯结构的电致变色长丝纤维；本发明的第二个目的是提供一种上述电致变色长丝纤维的制备方法；本发明第三个目的是提供一种包括上述电致变色长丝纤维的织物。
5.技术方案：本发明所述的皮芯结构的电致变色长丝纤维，包括皮层和芯层，所述皮层为透明的有机中空纤维，芯层为填充在有机中空纤维管状空腔内的连续的油性电子墨水，上述油性电子墨水为可见光显色和红外发射率调节显色的电子墨水。
6.进一步地，所述具有红外发射率调节显色的电子墨水包括油性溶剂、两种带不同电荷的红外发射率差不小于5的电泳颗粒和在不同电压下实现双色互变的电泳颗粒或具有不同电泳迁移率的多色电泳颗粒。
7.进一步地，所述有机中空纤维是由不溶于油性溶剂的单组分或多组分有机纺丝材料制成。
8.进一步地，所述有机纺丝材料包括含有离子液体的聚氨酯和离子固化水凝胶，有机纺丝材料直流电导率低于10-5
s/cm。
9.进一步地，所述电致变色长丝纤维直径为120～200微米，皮层厚度30～70微米。
10.可选地，所述油性电子墨水替换为具有红外发射率调节显色的电子墨水或自适应可见光显色的电子墨水。
11.一种上述电致变色长丝纤维的制备方法，包括以下步骤：
12.(1)分别配置皮层和芯层的纺丝液，其中，皮层纺丝液为不溶于油性溶剂的单组分
或多组分共混的有机纺丝材料，芯层纺丝液为油性电子墨水；
13.(2)将皮层纺丝液和芯层纺丝液分别泵入同轴纺丝喷丝板对应的流道，通过计量泵控制通道流量，得到皮层厚度和芯层直径可调的两相流，注入液相凝固浴槽；
14.(3)皮层流体半凝固后，芯层油相在皮层中心形成轴对称分布，牵伸调节皮芯层的厚度和直径，芯层直径控制在60～100微米；
15.(4)导入水洗槽，水洗后收卷进行干燥，得到电致显色连续纤维长丝，置入甲醇储存罐内避光保存。
16.进一步地，步骤(3)中在凝固浴为钙离子水溶液使双组元混合纤维形成形状初步稳定固化的冻胶。
17.一种电致变色织物，包括由上述皮芯结构的电致变色长丝纤维平行排列或经纬排列编织成的上层织物和绝缘底层织物；上层织物上设有柔性透明导电层形成连续导电电极，引线后用水性聚氨酯封装，透明导电层电极为恒电位公共电极，封装层厚度不大于0.1毫米；所述绝缘底层织物上表面设有由导电纤维制成的像素电压施加电极，下表面设有tft电压施加芯片，芯片由柔性导电纱线分别与像素电压施加电极和驱动电路连接，形成织物基像素电压施加和扫描电路；当上位机对驱动电路和电压施加芯片扫描选通，实现纤维束毫米尺寸局部电泳颗粒翻转，实现织物基于电子墨水的红外发射率调节显色和/或可见光显色，达到环境自适应伪装和柔性图形化显示。
18.进一步地，所述柔性透明导电层为涂覆的透明纳米导电材料或覆盖的柔性导电薄膜。
19.有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、电致变色长丝纤维将可见光变色和红外显色灰度调节一体化，将连续的电子墨水包裹在透明聚合物材料中空纤维的空腔中，形成预制的可保存的电子墨水纤维；2、有机中空纤维制备材料采用离子液体掺杂，形成离子胶体，该离子胶体直流电阻大，具有较低交流阻抗，在外加电场下离子胶体表面形成高密度极化电荷，赋予电泳显色纤维具有较低的翻转电压或使用较厚的纤维皮层，有助于减少漏电流、短路及增加电子墨水织物的使用寿命；3、电致变色长丝纤维直径低于0.2毫米，中空纤维壁厚0.03～0.07毫米，具有与织造技术兼容的强度、韧性和折弯耐受性；4、本发明采用湿法纺丝法制备皮芯结构电致变色长丝纤维，可大规模高速生产，降低生产成本；5、本发明所述电致变色织物可任意区域可见光图形化显示和红外线发射率调节红外显色灰度。
附图说明
20.图1中的(a)为电致变色长丝纤维的侧视图；
21.图1中的(b)为电致变色长丝纤维的圆形截面图；
22.图1中的(c)为电致变色长丝纤维的扁形截面图；
23.图2为电致变色长丝纤维的制备流程图；
24.图3为织物的可见光电致变色效果示意图；
25.图4为像素控制元件与分立电极连接结构示意图；
26.图5中的(a)、(b)和(c)为电致变色长丝纤维显色的示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步说明。
28.实施例1
29.(1)将水性聚氨酯pud(固含量30～40％)与海藻酸钠水溶液(固含量2～5％)，离子液体(1－乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)混合，聚氨酯与海藻酸钠比例为(5～7：1)，聚氨酯和海藻酸钠与离子液体的质量比为6～10：1，搅拌均匀后，静置消泡，置入湿法纺丝皮层储料罐中，泵入同轴纺丝喷丝板皮层流道。
30.将电泳显色电子墨水两种带不同电荷的颗粒悬浮液以相同固含量体积比混合后置入芯层储液罐，泵入同轴纺丝喷丝板芯层流道，电子墨水为商用彩色电子墨水电泳液(例如广州奥翼公司)，红色、绿色、蓝色显色层为表面电荷分子修饰的颜料纳米颗粒电泳聚集层。
31.(2)用计量泵控制两个通道的流量，得到皮层厚度和芯层直径可调的两相流，注入液相凝固浴槽，芯层流体为油相。
32.(3)纤维在凝固浴初步固化形成冻胶，凝固浴为2～8％质量比的氯化钙水溶液，皮层流体在凝固浴中半凝固后，芯层油相在皮层中心形成轴对称分布，适度牵伸、调节皮芯流道流速(1～10厘米/秒)，调节皮芯层的厚度和直径，芯层直径控制在60～100微米。
33.(4)导入水洗槽，槽内为去离子水，水洗后导入收卷辊，收卷后室温干燥，得到连续的双色变色的可见光电致显色长丝纤维，置入甲醇储存罐内避光保存。
34.(5)织造时将步骤(4)中液相保存的纤维长丝编织成设计的结构，用水性聚氨酯粘合填充纤维间隙，再在表面涂覆透明导电层，透明导电层为银纳米线、碳纳米管，透明导电层方阻不大于200欧姆，表面形成连续导电电极，引线后用水性聚氨酯封装，封装层厚度不大于0.1毫米，干燥后采用粘合剂与织有电压施加电极的绝缘底层织物粘合，如图3所示。
35.(6)织有电压施加电极的绝缘底层织物用柔性导电纱线与tft电压施加芯片联接，表面透明导电电极接地，该芯片用导电纱线与驱动电路联接，形成织物基像素电压施加、扫描电路如图4所示。
36.(7)上位机对驱动电路和电压施加芯片扫描选通，实现平行排列纤维束毫米尺寸局部显色颗粒电泳翻转，实现织物基电子墨水可见光显色和彩色图形显示。
37.实施例2
38.(1)将水性聚氨酯pud(固含量30～40％)与海藻酸钠水溶液(固含量2～5％)，离子液体(1－乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)混合，聚氨酯与海藻酸钠比例为(5～7：1)，聚氨酯和海藻酸钠与离子液体的质量比为6～10：1，搅拌均匀后，静置消泡，置入湿法纺丝皮层储料罐中，泵入同轴纺丝喷丝板皮层流道。
39.将二硼化锆纳米颗粒(20～80纳米)和二氧化钛纳米颗粒(10～50纳米)用电泳型电子墨水不同极性表面电荷分子修饰方法制备出悬浮在油性溶剂的电泳悬浮液，表面电荷分子修饰和悬浮液溶剂、稳定剂选用与可见光电子墨水制备方法相同。
40.(2)用计量泵控制两个通道的流量，得到皮层厚度和芯层直径可调的两相流，注入液相凝固浴槽。
41.(3)纤维在凝固浴初步固化形成冻胶，凝固浴为2～8％质量比的氯化钙水溶液，皮层流体在凝固浴中半凝固后，芯层油相在皮层中心形成轴对称分布，适度牵伸、调节皮芯流
道流速(1～10厘米/秒)，调节皮芯层的厚度和直径，芯层直径控制在60～100微米。
42.(4)导入水洗槽，槽内为去离子水，水洗后导入收卷辊，收卷后室温干燥，得到连续的不同红外发射率变色的红外电致显色长丝纤维，置入甲醇储存罐内避光保存。
43.(5)织造时将液相保存的中空纤维编织成设计的结构，表面覆盖透明导电层，透明导电层为表面涂覆银纳米线、碳纳米管的pe或pet薄膜，膜厚不大于15微米，方阻不大于100欧姆，引线后在表面涂覆水性聚氨酯封装，封装层厚度不大于0.1毫米，干燥后采用粘合剂与织有电压施加电极的绝缘底层织物粘合，如图3所示。
44.(6)织有电压施加电极的绝缘底层织物用柔性导电纱线与tft电压施加芯片联接，表面透明导电电极接地，该芯片用导电纱线与驱动电路联接，形成织物基像素电压施加、扫描电路如图4所示。
45.(7)上位机对驱动电路和电压施加芯片扫描选通，实现平行排列纤维束厘米尺寸局部不同红外发射率颗粒电泳翻转，实现织物基红外电子墨水红外显色和图形化红外发射率从0.3～0.8可控调节，与上位计算机结合模拟环境红外背景，达到红外发射率灰度可调的环境自适应红外迷彩。
46.实施例3
47.(1)将水性聚氨酯pud(固含量30～40％)与海藻酸钠水溶液(固含量2～5％)，离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)混合，聚氨酯与海藻酸钠比例为(5～7：1)，聚氨酯和海藻酸钠与离子液体的质量比为6～10：1，搅拌均匀后，静置消泡，置入湿法纺丝皮层储料罐中，泵入同轴纺丝喷丝板皮层流道。
48.将类白色二氧化铈纳米颗粒(20～80纳米)分别和红色颜料、绿色、蓝色颜料纳米颗粒用电泳型电子墨水不同极性表面电荷分子修饰方法制备出悬浮在油性溶剂的电泳悬浮液，表面电荷分子修饰和悬浮液溶剂、稳定剂选用与可见光电子墨水制备方法相同。完成制备后置入芯层储液罐，泵入同轴纺丝喷丝板芯层流道。
49.(2)用计量泵控制两个通道的流量，得到皮层厚度和芯层直径可调的两相流，注入液相凝固浴槽。
50.(3)纤维在凝固浴初步固化形成冻胶，凝固浴为2～8％质量比的氯化钙水溶液，皮层流体在凝固浴中半凝固后，芯层油相在皮层中心形成轴对称分布，适度牵伸、调节皮芯流道流速(1～10厘米/秒)，调节皮芯层的厚度和直径，芯层直径控制在60～100微米。
51.(4)导入水洗槽，槽内为去离子水，水洗后导入收卷辊，收卷后室温干燥，得到连续的不同红外发射率变色和红、绿、蓝与浅黄色双色变色的红外与可见光双功能电致显色长丝纤维，置入甲醇储存罐内避光保存。
52.(5)织造时将液相保存的中空纤维编织成设计的结构，表面覆盖透明导电层，透明导电层为表面涂覆银纳米线、碳纳米管的pe或pet薄膜，膜厚不大于15微米，方阻不大于100欧姆，引线后在表面涂覆水性聚氨酯封装，封装层厚度不大于0.1毫米，干燥后采用粘合剂与织有电压施加电极的绝缘底层织物粘合，如图3所示。
53.(6)织有电压施加电极的绝缘底层织物用柔性导电纱线与tft电压施加芯片联接，表面透明导电电极接地，该芯片用导电纱线与驱动电路联接，形成织物基像素电压施加、扫描电路如图4所示。
54.(7)上位机对驱动电路和电压施加芯片扫描选通，实现平行排列纤维束厘米尺寸
局部不同红外发射率颗粒电泳翻转，实现织物基红外电子墨水红外显色和图形化红外发射率从0.25～0.75可控红外发射率红外迷彩及红、绿、蓝与浅黄色双色变色的双功能电致显色可见光迷彩。