一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及智能材料领域，公开了一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维及其制备方法。本发明专利技术通过采用本发明专利技术方法制备的改性还原氧化石墨烯分散液，石墨烯分散均匀、不易团聚。然后制备的具有温敏可变电阻的导电聚氨酯纤维，具有温敏可变电阻性与柔性、高弹性。相对于其他纤维，对聚氨酯纤维进行改性得到的导电聚氨酯纤维将具有良好的耐磨性和大范围的应变传感能力；可纺织性能好，透气性能好，可应用与可穿戴设备的生产，具备优良的导电性与可变电阻性。

【技术实现步骤摘要】
一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维及其制备方法
本专利技术涉及智能材料领域，尤其涉及一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一类新的碳二维纳米轻质材料，具有独特的单原子层二维晶体结构，大量的研究结果表明石墨烯具有已知材料最高的强度，大的比表面积比，优异的导电性和导热性等优异的性质，这些优异的性质也决定了它在诸如复合材料，电子器件，太阳能等诸多领域有着广泛的应用前景。石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。聚氨酯纤维以聚氨酯为原料经干法纺丝或湿法纺丝制得的合成纤维。聚氨酯纤维是聚氨基甲酸酯纤维的简称，又称聚氨酯弹性纤维，中国称氨纶，具有类似橡胶丝的高弹性回复率和高断裂伸长，其弹性伸长达400%～700%，当伸长为500%～600%时弹性回复率为97%～98%；现有技术中多数是将导电材料掺加到普通的高分子纤维里，复合材料比较单一传统，比如普通的碳纳米管、金属线等，导电性能很稳定，不存在智能材料的可响应外界刺激性，不能随温度的变化而发生电阻的改变，不能用于智能可穿戴设备，即不能更好的实现随外界的改变而做出响应信号、反馈信号的智能可穿戴设备的实用价值。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维及其制备方法。采用本专利技术方法制备的改性温敏氧化石墨烯悬浮液，分散均匀、不易团聚；采用本专利技术方法制备的聚氨酯导电纤维具有温敏可变电阻信，实现了电阻可响应外界温度条件刺激，通过电阻变化、导线的电流变化来反映温度的变化，有利于使用与智能可穿戴设备的传感器；采用本专利技术方法制备的超级电容气凝胶薄膜电极具有柔性与高弹性。本专利技术的具体技术方案为：一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维，包括以下原料：聚氨酯、改性还原氧化石墨烯和异丙基丙烯酰胺。作为优选，所述改性氧化石墨烯和聚氨酯的质量比为（2：98）-（4:96），改性氧化石墨烯和异丙基丙烯酰胺的总量的质量比为（8:92）-（10:90）。一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维的制备方法，包括如下步骤：步骤1)、制备氧化石墨烯胶液：将氧化石墨烯超声分散于水中得到氧化石墨烯胶液。超声使得石墨烯颗粒充分的分散于去离子水中，避免石墨烯在去离子水中不均匀分布和团聚，导致石墨烯的改性受到影响。步骤2)、改性氧化石墨烯接枝聚异丙基丙烯酰胺：向氧化石墨烯胶液中添加三羟甲基氨基甲烷，使得氧化石墨烯平面上的环氧基开环，在室温下反应10-14h；反应完成后再加入2-溴-2-甲基丙酰溴，使氧化石墨烯改性为平面上具有可反应性的卤素基团；最后以异丙基丙烯酰胺为单体，采用单电子转移活性自由基聚合方法，将聚异丙基丙烯酰胺接枝到氧化石墨烯上，得到具备温敏性的改性氧化石墨烯，干燥。氧化石墨烯平面上的含氧基团主要是环氧基，三羟甲基氨基甲烷使得氧化石墨烯发生开环反应，氧化石墨烯平面上出现羟基，在使用2-溴-2-甲基丙酰溴在与羟基进行反应，使得丙酰溴可以接上氧化石墨烯表面以利于后续的与异丙基丙烯酰胺的聚合反应。最后采用单电子转移活性自由基聚合的方法可以在较低温的条件下快速的将聚异丙基丙烯酰胺接枝到氧化石墨烯上，得到了改性后具备温敏性的氧化石墨烯。步骤3)、改性氧化石墨烯进行还原：将改性氧化石墨烯加入水中超声分散，用2-4wt%的碳酸钠溶液将pH调节至8-10，再加入过量的硼氢化钠溶液，在55-65℃条件下搅拌20-30h，待溶液从黄褐色变为黑色，趁热抽滤，滤饼依次以去离子水和无水乙醇各洗涤，置于55-65℃下真空干燥10-15h，得到改性还原氧化石墨烯。度石墨烯进行还原后使其恢复出色的导电性。步骤4)、制备改性还原氧化石墨烯的分散液：将改性还原氧化石墨烯置于溶剂中超声分散，得到分散液，分散的溶剂由体积比为0.8-1.5:1的丙酮与乙醇复配而成，分散液温度保持在40-50℃。复配的溶剂可以将氨纶纤维表面进行溶胀，复配比例不同会导致纤维表面的溶胀情况不同，进而影响到改性后的具有温敏性的石墨烯进入到溶胀产生的纤维孔隙内部的情况。步骤5)、制备聚氨酯导电纤维：将聚氨酯纤维浸没于分散液中，由于纤维的溶剂作用，纤维表面因溶胀而产生孔隙，再超声分散，改性还原氧化石墨烯充分与纤维表皮接触，进入孔隙，与聚氨酯表面形成导电网络，得到聚氨酯导电纤维。超声是为了避免改性石墨烯发生团聚，颗粒体积变大，不易进入纤维表面的孔隙。步骤6)、将聚氨酯导电纤维从分散液中取出，再浸入去离子水中进行凝固，使聚氨酯导电纤维表面的孔隙闭合，将改性还原氧化石墨烯闭锁于纤维的表面，并同时洗去残余的分散液与未进入纤维表面的改性还原氧化石墨烯，最终得到高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维。在去离子水中再凝固，使得纤维表面的孔隙发生闭合，可以将石墨烯粉末闭锁与纤维表面孔隙内，形成导电网络，得到可导电的高弹温敏变电阻纤维。作为优选，步骤1）中，氧化石墨烯的制备方法为：以鳞片石墨为原料，进行预氧化，室温干燥，再进行氧化反应得氧化石墨烯胶液，将氧化石墨烯胶液，冷冻干燥，研磨得氧化石墨烯。作为优选，步骤4）中，超声时间为20-40min。作为优选，步骤5）中，超声分散时间为20-40min。与现有技术对比，本专利技术的有益效果是：（1）采用本专利技术方法制备的改性还原氧化石墨烯分散液，石墨烯分散均匀、不易团聚；（2）采用本专利技术方法制备的具有温敏可变电阻的导电聚氨酯纤维，具有温敏可变电阻性与柔性、高弹性。相对于其他纤维，对聚氨酯纤维进行改性得到的导电聚氨酯纤维将具有良好的耐磨性和大范围的应变传感能力；（3）采用本专利技术方法制备的高弹性导电聚氨酯纤维具有轻柔、可纺织性能好，透气性能好，可应用与可穿戴设备的生产。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的描述。实施例1：步骤1)、制备氧化石墨烯胶液：将氧化石墨烯粉末超声分散于水中得到氧化石墨烯胶液；步骤2)、改性氧化石墨烯接枝聚异丙基丙烯酰胺：将步骤2)制得的氧化石墨烯胶液中添加三羟甲基氨基甲烷，使得氧化石墨烯平面上的环氧基开环，在室温下进行反应12h。反应完成后再加入2-溴-2-甲基丙酰溴，使得氧化石墨烯改性为平面上具有可反应性的卤素基团。最后采用单电子转移活性自由基聚合的方法，将聚异丙基丙烯酰胺接枝到氧化石墨烯上，得到了改性后具备温敏性的氧化石墨烯，进行干燥；步骤3)、将改性后具备温敏性的氧化石墨烯进行还原，将改性后具备温敏性的氧化石墨烯放入瓶中，加入去离子水进行超声分散，再使用质量分数为3%的碳酸钠溶液将pH调节至9左右，再将过量的硼氢化钠配置成溶液加入改性后具备温敏性的氧化石墨烯中，在60℃条件下搅拌24h，待分散液从黄褐色变为黑色，趁热抽滤，滤饼以去离子水和无水乙醇各洗涤3次，放置于60℃的真空烘箱中干燥12h。步骤4)、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维，其特征在于包括以下原料：聚氨酯、改性还原氧化石墨烯和异丙基丙烯酰胺。

【技术特征摘要】
1.一种高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维，其特征在于包括以下原料：聚氨酯、改性还原氧化石墨烯和异丙基丙烯酰胺。2.如权利要求1所述的高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维，其特征在于，所述改性氧化石墨烯和聚氨酯的质量比为（2：98）-（4:96），改性氧化石墨烯和异丙基丙烯酰胺的总量的质量比为（8:92）-（10:90）。3.一种如权利要求1所述高弹温敏性变电阻聚氨酯纤维的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1)、制备氧化石墨烯胶液：将氧化石墨烯超声分散于水中得到氧化石墨烯胶液；步骤2)、改性氧化石墨烯接枝聚异丙基丙烯酰胺：向氧化石墨烯胶液中添加三羟甲基氨基甲烷，使得氧化石墨烯平面上的环氧基开环，在室温下反应10-14h；反应完成后再加入2-溴-2-甲基丙酰溴，使氧化石墨烯改性为平面上具有可反应性的卤素基团；最后以异丙基丙烯酰胺为单体，采用单电子转移活性自由基聚合方法，将聚异丙基丙烯酰胺接枝到氧化石墨烯上，得到具备温敏性的改性氧化石墨烯，干燥；步骤3)、改性氧化石墨烯进行还原：将改性氧化石墨烯加入水中超声分散，用2-4wt%的碳酸钠溶液将pH调节至8-10，再加入过量的硼氢化钠溶液，在55-65℃条件下搅拌20-30h，待溶液从黄褐色变为黑色，趁热抽滤，滤饼依次以去离子水和无...

【专利技术属性】
技术研发人员：万军民，帅卢屹峥，胡智文，王秉，彭志勤，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33