高性能离子-电子复合热电纤维及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高性能离子

【技术实现步骤摘要】
高性能离子
‑
电子复合热电纤维及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热电材料
，尤其涉及一种高性能离子
‑
电子复合热电纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]热电材料是一种绿色环保的功能性材料，原理是通过固体内部载流子的运动，实现热能和电能的相互转换，其在温差发电和制冷方面具有广泛的应用前景。传统的热电材料的力学性能较差，在受到外部压力时导致断裂和变形，这使得材料的使用寿命以及范围大大降低。有机热电材料相对于传统无机热电材料，力学性能有所提高，主要用于柔性电子材料领域；但有机热电材料的电学性能与无机材料相差太多。所以，如何提高有机热电材料的电学性能对于其在热电领域的应用具有重要意义。
[0003]专利技术专利(申请号为CN201810586502.5)公开了一种高性能柔性PEDOT:PSS热电纤维的制备方法，制备的热电材料为p型半导体材料，通过将商业化PEDOT:PSS水溶液分散液中加入硫酸，将混合溶液封入毛细管中，恒温后将纤维吹入无水乙醇中再经真空干燥得到高性能柔性PEDOT:PSS热电纤维材料，该制备方法简单、成本低且热电纤维的热电性能较好；但是该材料制备过程中加入硫酸，使其不能直接应用于可穿戴能源材料领域，实际应用范围受限。
[0004]专利技术专利(CN202010176233.2)公开了一种有机/无机复合热电纤维及其制备和应用，热电纤维的有机组分为聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩)
‑
聚(苯乙烯磺酸酯)PEDOT:PSS，无机组分为碲纳米线Te NWs，Te NWs取向分布于PEDOT:PSS纤维中，采用湿法纺丝制备而成；通过引入Te NWs热电材料来提高PEDOT:PSS的热电性能，使复合纤维具有良好的热电性能。
[0005]上述两种热电纤维与一般有机热电材料相比，材料的电导率高，但其塞贝克系数远低于小型可穿戴式电子器件的工作电压，难以满足应用领域的要求。
[0006]有鉴于此，有必要设计一种改进的高性能离子
‑
电子复合热电纤维及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种高性能离子
‑
电子复合热电纤维及其制备方法，将离子液体凝胶纤维和电子热电涂层进行复合，通过对离子液体凝胶纤维的成分、结构、电子热电涂层的结构以及两者的界面结合的控制，得到兼具优异的热电性能和力学性能的复合热电纤维。该复合热电纤维的电子热电涂层可以在温差下利用塞贝克效应将热量转换成电能；离子液体凝胶纤维芯层可以利用电子热电涂层热电转换造成的温度波动将热能转换为电能；该复合热电纤维可实现同时利用温度差及温度波动发电，提高热电转换效率，更加适用于制备高性能可穿戴热电材料。
[0008]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种高性能离子
‑
电子复合热电纤维，所述复合热电纤维包括离子液体凝胶纤维芯层以及包覆所述离子液体凝胶纤维芯层的电子热电
涂层；所述离子液体凝胶纤维芯层具有取向结构的有机
‑
无机杂化网络结构，其组分按质量百分比计包括：50％～90％的离子液体、7％～47％的有机高分子以及3％～30％的具有各向异性的无机纳米填料；所述电子热电涂层包括有机电子热电材料。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述离子液体为具有热电性能的离子液体；所述无机纳米填料为形状各向异性的结构；所述有机高分子为含有极性官能团的亲水性有机高分子。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述电子热电涂层还包括离子液体，所述离子液体的添加量占总电子热电涂层材料质量的1.0％～3.5％；所述电子热电涂层的离子液体与所述离子液体凝胶纤维芯层中的离子液体为同一种物质。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述电子热电涂层的厚度为0.5～20μm；所述电子热电涂层还包括改性剂，以调控电子热电涂层的性能、促进所述电子热电涂层与所述离子液体凝胶纤维芯层的界面结合。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述离子液体凝胶纤维芯层的制备，具体包括以下步骤：
[0013]S1、将各向异性的无机纳米填料采用表面活性剂进行表面改性，得到改性的无机纳米填料；
[0014]S2、将有机高分子溶解于溶剂中，并加入步骤S1中所述改性的无机纳米填料、离子液体和交联剂共混，充分搅拌和分散后制得离子液体凝胶混合液；
[0015]S3、采用纺丝法：将步骤S2的所述离子液体凝胶混合液进行预凝胶化处理，所述预凝胶化处理的时间为0.5～3h，温度为25～90℃；并利用挤出针头将其挤入模具中，最后经凝胶化处理，制得所述离子液体凝胶纤维芯层；
[0016]或采用涂层法：将预处理后的纤维基材浸于步骤S2的所述离子液体凝胶混合液中，使离子液体凝胶在纤维基材表面形成均匀的涂层；经过重复浸泡
‑
干燥后，即得所述离子液体凝胶纤维芯层；所述离子液体凝胶涂层的厚度为5～100μm。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S3中，采用纺丝法时，所述挤出针头的孔直径范围为0.1～2mm、针头的倒角范围为10
°
～60
°
；采用涂层法时，所述离子液体凝胶混合液的浓度为5％～20％。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述无机纳米填料包括纳米SiO2、TiO2、埃洛石纳米管、凹凸棒土和氧化石墨烯中的一种或多种；所述离子液体包括1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑二氰胺盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑四氟硼酸盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、N
‑
甲基,N
‑
丙基
‑
N
‑
甲基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种；所述有机高分子包括聚(偏二氟乙烯
‑
co
‑
六氟丙烯)、聚氧化乙烯、纤维素、聚乙烯醇以及聚氨酯中一种或多种。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，所述改性剂包括离子液体、二甲基亚砜、乙二醇、氢氧化钾、浓硫酸或离子液体中的一种或多种。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述有机电子热电材料包括PEDOT:PSS、聚吡咯、聚噻吩类有机物中的一种。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1中，所述表面活性剂包括硅烷偶联剂或十二烷基磺酸钠中的一种，以提高所述无机纳米填料的分散性及其与所述有机高分子的相互作用；在步骤S2中，所述溶剂包括二甲基亚砜、丙酮或二甲基甲酰胺中的一种；所述交联剂包
括聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯以及甲酸中的一种或多种。
[0022]一种上述任一项所述的高性能离子
‑
电子复合热电纤维的制备方法，将含有改性剂的电子热电涂层均匀涂覆于离子液体凝胶纤维芯层表面，即得所述高性能离子
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能离子
‑
电子复合热电纤维，其特征在于，所述复合热电纤维包括离子液体凝胶纤维芯层以及包覆所述离子液体凝胶纤维芯层的电子热电涂层；所述离子液体凝胶纤维芯层具有取向结构的有机
‑
无机杂化网络结构，其组分按质量百分比计包括：50％～90％的离子液体、7％～47％的有机高分子以及3％～30％的具有各向异性的无机纳米填料；所述电子热电涂层包括有机电子热电材料。2.根据权利要求1所述的高性能离子
‑
电子复合热电纤维，其特征在于，所述离子液体为具有热电性能的离子液体；所述无机纳米填料为形状各向异性的结构；所述有机高分子为含有极性官能团的亲水性有机高分子。3.根据权利要求1所述的高性能离子
‑
电子复合热电纤维，其特征在于，所述电子热电涂层还包括离子液体，所述离子液体的添加量占总电子热电涂层材料质量的1.0％～3.5％；所述电子热电涂层的离子液体与所述离子液体凝胶纤维芯层中的离子液体为同一种物质。4.根据权利要求1所述的高性能离子
‑
电子复合热电纤维，其特征在于，所述电子热电涂层的厚度为0.5～20μm；所述电子热电涂层还包括改性剂，以调控电子热电涂层的性能、促进所述电子热电涂层与所述离子液体凝胶纤维芯层的界面结合。5.根据权利要求1所述的高性能离子
‑
电子复合热电纤维，其特征在于，所述离子液体凝胶纤维芯层的制备，具体包括以下步骤：S1、将各向异性的无机纳米填料采用表面活性剂进行表面改性，得到改性的无机纳米填料；S2、将有机高分子溶解于溶剂中，并加入步骤S1中所述改性的无机纳米填料、离子液体和交联剂共混，充分搅拌和分散后制得离子液体凝胶混合液；S3、采用纺丝法：将步骤S2的所述离子液体凝胶混合液进行预凝胶化处理，所述预凝胶化处理的时间为0.5～3h，温度为25～90℃；并利用挤出针头将其挤入模具中，最后经凝胶化处理，制得所述离子液体凝胶纤维芯层；或采用涂层法：将预处理后的纤维基材浸于步骤S2的所述离子液体凝胶混合液中，使离子液体凝胶在纤维基材表面形成均匀的涂层；经过重复浸泡
‑
干燥后，即得所述离子液体凝胶纤维芯层；所述离子液体凝胶涂层的厚度为5～100μm。6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王栋，李沐芳，陈慧君，罗梦颖，钟卫兵，陆莹，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：