一种基于碳纳米管纤维的电加热织物及其制备方法技术

本发明专利技术具体为一种基于碳纳米管纤维的电加热织物及其制备方法。本发明专利技术制备方法包括：通过浮动催化化学气相沉积法制备碳纳米管纤维；将多根碳纳米管纤维并束加捻形成初级结构纤维，从而赋予其耐高温性能；维继续加捻直至产生螺旋结构，并使螺旋结构连续贯穿整束纤维，形成多级螺旋结构纤维，从而赋予其高度可拉伸性，以及优良的保温性能；将多级螺旋结构的碳纳米管纤维与普通纺织纤维以及少量金属纤维混纺，得到电加热织物。本发明专利技术中，该结构使此纤维高达150%的断裂伸长率，具有超过1000 ℃/s的超快热响应速度，较低的施加电压，以及超过5000次循环的加热稳定性。制备的加热织物质轻柔韧，具有优异加热性能，在可穿戴智能服饰领域具有良好的应用前景。

An electric heating fabric based on carbon nanotube fiber and its preparation method

The invention is specifically a kind of electric heating fabric based on carbon nanotube fiber and a preparation method. The preparation method of the invention comprises: preparing carbon nanotube fibers prepared by the floating catalyst chemical vapor deposition; a plurality of carbon nanotube fibers and ties into the primary structure of fiber, thus giving the performance of resistance to high temperature; continue twisting until dimensional spiral structure, and the spiral structure of continuous throughout the whole fiber, forming multilevel spiral structure fiber. In order to give the high tensile strength, and excellent thermal insulation properties; multilevel spiral structure of carbon nanotube fibers with common textile fibers and a small amount of metal fiber blended fabric, by electric heating. In the invention, the structure of the fiber elongation up to 150%, with the response rate of more than 1000 DEG C ultrafast thermal /s, applied voltage is lower, and more than 5000 heating cycle stability. The prepared heating fabric is soft and flexible, and has excellent heating properties. It has a good application prospect in the field of wearable intelligent clothing.

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳纳米管纤维的电加热织物及其制备方法
本专利技术属于智能电子器件
，具体涉及一种电加热织物及其制备方法。
技术介绍
近年来传统服饰朝着“智能服饰”的方向不断发展，各种高端功能接连被集成到智能服饰上，比如传感功能，发光功能，光伏功能，储能功能以及加热功能等。其中，加热功能的集成在防寒保温，保健医疗等方面显现出巨大的潜力，推动着可穿戴加热器件的发展。在材料方面，目前三类材料及其复合物被广泛用于制备加热器件：金属材料，纳米碳基材料，导电高分子材料。其中金属材料容易氧化导致稳定性问题，且密度大，刚性大，不适宜可穿戴应用。导电高分子材料通常电导率非常低，导致加热器件工作电压很高，引起安全问题。纳米碳基材料如石墨烯和碳纳米管，则展现出质轻，柔性，高电导率，高稳定性等优异的电学，力学和热学性能。在器件方面，目前大多数可穿戴加热器件都是加热薄膜，缺乏透气性，可洗性以及舒适性，且不适于大规模制备。另外，可穿戴应用要求加热器件具备柔性可拉伸的特点，目前可拉伸的性能主要通过将金属材料设计成波纹状或者将纳米导电材料与绝缘弹性基材复合而得到，前者制备复杂且成本高，后者因为绝缘材料的加入导致电导率大大降低。因此，制备织物状的加热器件，能够克服薄膜器件的缺陷，获得与皮肤紧密贴合，且舒适透气可水洗的加热服饰。为了制备加热织物，则需要开发出具有高电导率，高机械强度以及优异加热性能的加热纤维。解决了这个问题，就能利用传统编织技术由加热纤维制得加热织物，对可穿戴领域的发展有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种力学性能和加热性能良好，且便于规模化制备的基于碳纳米管纤维的电加热织物及其制备方法。本专利技术提供的电加热织物，以碳纳米管纤维为加热纤维，通过多级加捻使其形成多级螺旋结构，同时形成大量纳米级和微米级空隙，从而赋予其优良的耐高温性能，可拉伸性能，保温隔热性能，以及电加热性能。以此加热纤维为基础，通过商业织布机将其与普通纺织纤维和金属纤维混纺，其中金属纤维作为导线连接外部电源，从而得到柔软强韧的电加热织物。本专利技术所述的基于碳纳米管纤维的电加热织物的制备方法，具体步骤如下：（1）通过浮动催化化学气相沉积法连续制备碳纳米管纤维；（2）将多根碳纳米管纤维并成一束，加捻使其缠结形成一股，形成初级结构纤维（参见图1（c）），从而赋予其极佳的耐高温性能；（3）将初级结构纤维继续加捻，直至产生螺旋结构，并使螺旋结构连续贯穿整束纤维，形成多级螺旋结构纤维（参见图1（d），从而赋予其高度可拉伸性，以及优良的保温性能；（4）将此类加热纤维与普通纺织纤维以及少量金属纤维混纺，得到质轻柔软的加热织物。本专利技术的步骤（2）中，碳纳米管纤维的根数为2-100根，加捻时电机的转速为5-200r/min。本专利技术的步骤（3）中，加捻时电机的转速为5-200r/min，所述螺旋结构的螺距为10-1500微米。由于多根碳纳米管纤维加捻在一起，直径增大，使其载流量增大，因此耐高温性能大幅提升（可耐超过450℃的高温，加热速度超快，达到1000℃/s以上）。由于碳纳米管纤维为多级螺旋结构，使得其可拉伸性能大幅增加，其断裂伸长率达到150%以上。制备的多级螺旋碳纳米管纤维，其内部的碳纳米管之间充满大量纳米级空隙，空隙尺寸在10-100纳米；内部的碳纳米管纤维之间充满大量微米级空隙，空隙平均尺寸为6-10微米；内部的碳纳米管螺旋之间充满大量微米级空隙，空隙平均尺寸为10-15微米。这些空隙使得纤维具有优良的保温隔热性能。本专利技术步骤（4）中，所述普通纺织纤维为动物纤维（可选自蚕丝、羊毛、兔毛、驼毛等）、植物纤维（可选自棉花、亚麻等）、合成纤维（可选自涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、氯纶、维纶、氨纶、芳纶等）、再生纤维（可选自粘胶纤维、铜氨纤维、醋酯纤维等）中的一种或几种。本专利技术步骤（4）中，所述金属纤维为铜丝、不锈钢丝、镀银尼龙纤维中的一种或几种。本专利技术步骤（4）中，碳纳米管纤维与金属纤维分别作为纬纱和经纱或者经纱和纬纱进行编织，以形成电路连接，引出金属纤维以连接外部驱动电源。本专利技术的优点在于：通过多级螺旋结构的形成赋予了碳纳米管加热纤维很高的可拉伸性能，达到150%左右的断裂伸长率，方法简单易行，易于规模化制备，同时保持较高的电导率（740S/cm），以及优良的力学性能，拉伸强度达到159MPa。多级螺旋纤维内部大量空隙的存在使得保温隔热性能得以提升，维持相同温度比非螺旋结构纤维节省约40%的能量。纤维具有优异的耐高温性能（超过450℃），超快的加热速度（超过1000℃/s），较低的加热电压，以及加热稳定性（5000次加热循环保持稳定）。此类纤维可以使用商用织布机进行纺织，易于大规模制备生产，在智能服饰领域有极大潜力。附图说明图1为碳纳米管纤维的SEM照片。其中，（a）高倍；（b）低倍；（c）10根碳纳米管纤维加捻SEM照片；（d）10根碳纳米管纤维多级螺旋结构SEM照片。图2为多级螺旋碳纳米管纤维加热性能。其中，（a）不同电压下的温度-时间曲线；（b）4V电压下5000次加热循环的温度-时间曲线；（c）不同电压下的升温速率。图3为纳米管纤维的SEM照片和降温曲线。其中，（a）非螺旋，单级螺旋，多级螺旋碳纳米管纤维的SEM照片；（b）三种结构碳纳米管纤维的降温曲线。图4为多级螺旋碳纳米管纤维拉伸性能。其中，（a）应力-应变曲线；（b）100次拉伸回复循环下的电阻变化，R0为初始电阻，R为拉伸后电阻。图5为可穿戴电加热织物。其中，（a）织物照片；（b）不同电压下的温度-时间曲线；（c，d）9V电压下织物包裹手腕的照片及红外图像。图6为高温电加热织物。其中，（a）织物照片；（b）不同电压下的温度-时间曲线；（c，d）18V电压下织物包裹盛水烧杯的照片及红外图像。具体实施方式（1）采用浮动催化化学气相沉积法制备碳纳米管纤维，在管式炉中以氢气和氩气为载气，乙醇为碳源，二茂铁和噻吩溶解在乙醇中作为催化剂，连续注入立式高温管式炉中，形成碳纳米管气凝胶，并在炉子下方引出通过水槽收缩，进一步通过丙酮收缩，烘干得到碳纳米管条带。碳纳米管条带进一步加捻得到碳纳米管纤维，最后通过电机匀速牵引收集得到碳纳米管纤维，其直径约50微米，其中碳纳米管之间的空隙尺寸为10-100纳米，如图1（a）和1（b）。其中，二茂铁的含量为1wt%，噻吩的含量为0.5wt%，乙醇的注入速率控制在6毫升每小时，氢气流量在300毫升每分钟，氩气流量在400毫升每分钟，管式炉温度在1200摄氏度。（2）多根碳纳米管纤维加捻，将10根碳纳米管纤维并列成束（长度10厘米），一端固定在可移动的物体上，另一端固定在旋转电机上。电机以150rpm的速度旋转得到10根加捻的碳纳米管纤维（长度7.5厘米），如图1（c）。（3）将多根碳纳米管纤维继续加捻，在超过一定转数后，纤维上开始形成弹簧状螺旋，并且随着不断加捻，螺旋结构逐渐贯穿整根纤维，最终形成多级螺旋碳纳米管纤维（长度2厘米），直径约220微米，如图1（d）。其中，碳纳米管纤维之间形成的空隙尺寸平均为8微米，纤维螺旋之间的空隙尺寸平均为12微米。多级螺旋碳纳米管纤维具有优异的加热性能，图2（a）所示为2厘米长纤维样品在不同电压下的温度响应曲线，图2（b）所示为纤维样品在50本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于碳纳米管纤维的电加热织物的制备方法，其特征在于，具体步骤为：（1）通过浮动催化化学气相沉积法连续制备碳纳米管纤维；（2）将多根碳纳米管纤维并成一束，加捻使其缠结形成一股，形成初级结构纤维，从而赋予其极佳的耐高温性能；（3）将初级结构纤维继续加捻，直至产生螺旋结构，并使螺旋结构连续贯穿整束纤维，形成多级螺旋结构纤维，从而赋予其高度可拉伸性，以及优良的保温性能；（4）将上述多级螺旋结构的碳纳米管纤维与普通纺织纤维以及少量金属纤维混纺，得到轻质柔软的电加热织物。

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纳米管纤维的电加热织物的制备方法，其特征在于，具体步骤为：（1）通过浮动催化化学气相沉积法连续制备碳纳米管纤维；（2）将多根碳纳米管纤维并成一束，加捻使其缠结形成一股，形成初级结构纤维，从而赋予其极佳的耐高温性能；（3）将初级结构纤维继续加捻，直至产生螺旋结构，并使螺旋结构连续贯穿整束纤维，形成多级螺旋结构纤维，从而赋予其高度可拉伸性，以及优良的保温性能；（4）将上述多级螺旋结构的碳纳米管纤维与普通纺织纤维以及少量金属纤维混纺，得到轻质柔软的电加热织物。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，碳纳米管纤维的根数为2-100根，加捻时电机的转速为5-200r/min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，加捻时电机的转速为5-200r/min；所述螺旋结构的螺距为10-1500微米。4.根据权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，得到的多级螺旋碳纳米管纤维，其断裂伸长率达到150%以上。5.根据权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧胜，刘鹏，鲍戮克，孙雪梅，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31