基于间隔织物的Ag修饰保温加热器及其制备方法专利检索-对金属材料的镀覆用金属材料对材料的镀覆表面扩散法化学转化或置换法的金属材料表面处理真空蒸发法溅射法离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆专利检索查询-专利查询网

基于间隔织物的Ag修饰保温加热器及其制备方法
申请号	CN202410105731.6	申请日	2024-01-25	公开(公告)号	CN117904865A	公开(公告)日	2024-04-19
申请人	青岛大学;			发明人	张宪胜; 曲丽君; 贺桂芳; 王潇; 王莉莉;
摘要	本发明涉及复合保温加热材料技术领域，尤其是基于间隔织物的Ag修饰保温加热器及其制备方法，是在间隔织物一表面上采用磁控溅射的方式沉积致密的Ag层，然后在Ag层上喷涂疏水层而形成的具有自清洁、透气透湿性能和高机械强度的加热保温复合材料。其集间隔织物隔热、低辐射散热、太阳能加热等多模态加热保暖方式于一体，间隔织物的立体空间结构构筑隔热层，通过引入Ag层对红外发射率进行调整，得到辐射隔热效果，采用太阳能主动辐射加热，满足室内和室外，不同人体对加热的需求。
权利要求	1.基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其特征在于：是在间隔织物一表面上采用磁控溅射的方式沉积致密的Ag层，然后在Ag层上喷涂疏水层而形成的具有自清洁、透气透湿性能和高机械强度的加热保温复合材料，其中，间隔织物的立体空间结构构筑隔热层，Ag层调节织物的中红外辐射率和太阳光光谱范围内的差异化吸收率，同时降低辐射散热。 2.根据权利要求1所述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其特征是，其在可见光波长范围内，Ag层表面的平均吸收率为75.5％，基于人体辐射的加权平均发射率为0.452。 3.根据权利要求2所述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其特征是，其可以承受 450‑500g的载荷，断裂强力和断裂伸长分别为7380‑7420KPa和148‑153％。 4.根据权利要求3所述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其特征是，其碳残渣率为 22‑26％。 5.根据权利要求4所述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其特征是，其疏水角为 142.5°。 6.根据权利要求5所述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其特征是，其透气性为 800‑900‑1 mm s。 7.根据权利要求6所述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其特征是，在间隔织物的另一表面上采用磁控溅射的方式沉积致密的Ag层，然后在Ag层上喷涂疏水层。 8.根据权利要求7所述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其特征是，所述间隔织物为Janus织物。 9.根据权利要求1‑8任一项所述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： (1)：通过表面等离子体技术(750‑810W，4‑8min)，改善3D间隔织物表面的亲水性； (2)：采用磁控溅射的方式在间隔织物表面上沉积致密的Ag层，将商业银靶放置在距离–5 织物5‑10cm处，溅射室的基础压力低于10 Pa；在溅射过程中，使用的工作压力为0.9‑ 1.5Pa，功率为80‑90W； (3)：在Ag层上均匀喷涂0.2‑1.2gFOCs、2‑4g的ECA与5‑20g的1‑氟,2‑氯乙烷溶剂溶液，随后烘干即得。
说明书全文	基于间隔织物的Ag修饰保温加热器及其制备方法技术领域 [0001] 本发明涉及复合保温加热材料技术领域，尤其是基于间隔织物的Ag修饰保温加热器及其制备方法。背景技术 [0002] 通过加热将人体温度保持在合理的范围内，对于维持人体的基本生理功能，从预防与寒冷有关的伤害和疾病至关重要。然而，空调等室内空间采暖策略消耗了大量的一次性能源，加剧了日益严重的能源危机和全球变暖。同时，户外活动，如工作、旅行和运动是人们生活中不可避免的一部分。但是，由于缺乏有效的热管理策略，室外空间的极端天气条件和剧烈的温度变化对公众健康构成严重威胁。因此，开发满足人体对室内和室外温度需求的被动式/主动式多模式一体化可穿戴加热器，对节能和缓解温室效应具有重要意义。 [0003] 服装是人体的第二皮肤，对调节人体温度微环境极为重要。人体的皮肤有着接近黑体的高红外发射率(E＝0.98)。处于久坐状态的室内环境中，人体通过红外辐射散失的热量为总热量的50％；同时，在户外寒冷的天气里，红外辐射可以直接透过大气窗口进入寒冷的外层空间，这使得传导损失及辐射损失较为严重，仅依靠调节红外发射率获得的热量有限。因此需要补充热源，如太阳能源，可以通过光热转换材料为服装提供热量。 [0004] CN113597248B公开了一种电磁屏蔽膜，其包括：依次层叠设置的电磁吸收层、间隔层和电磁反射层；其中，电磁吸收层和电磁反射层构成法布里‑珀罗谐振腔。本发明还公开了一种具有前述电磁屏蔽膜的织物及其制备方法。上述专利提供的电磁屏蔽膜，柔性基底能够提供很好的抗弯折性能；通过电磁吸收层和电磁反射层的设置，具有较强电磁屏蔽功能；而且还具有防紫外线、抗菌、易清洗的优点，能够应用于绿色环保的多功能织物。但是并未见保温加热方面的研究。 [0005] 间隔织物是一种特殊的织物，它是由间隔纱通过连接上下两个表面织物，进而得到具有三维立体的独特结构织物。两层纱之间有大量的静止空气，静止空气为热的不良导体，因此，间隔织物具有良好隔热性能。然而，现有研究多聚焦于其作为复合材料基体的机械性能，很少注意到它在隔热领域的潜在应用，尤其是用于柔性加热器等领域，其优势性能并未得到较好的研究。目前，Janus织物这一新兴概念备受瞩目。它是指两侧具有高度不对称结构或相反性质的织物，这种特性使其广泛应用于各种领域。如Ding等人展示了一种具有Janus润湿性的分级聚氨酯/氮化硅纤维膜，通过对湿度的调节，可避免有害的过度出汗。尽管对用于各种应用的Janus材料进行了广泛的研究，但关于太阳辐射方面的Janus材料信息相对较少。发明内容 [0006] 针对上述现有技术存在的不足，提供了基于间隔织物的Ag修饰保温加热器及其制备方法，其集间隔织物隔热、低辐射散热、太阳能加热等多模态加热保暖方式于一体，间隔织物的立体空间结构构筑隔热层，通过引入Ag层对红外发射率进行调整，得到辐射隔热效果，采用太阳能主动辐射加热，满足室内和室外，不同人体对加热的需求。这种无能耗被动辐射保暖，经济节能的太阳辐射加热对日益严重的能源危机和温室效应等严峻的问题具有十分重要的意义。F‑Ag织物优异的疏水性和透湿透气性，使其成为个人热管理的理想材料。 [0007] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，是在间隔织物一表面上采用磁控溅射的方式沉积致密的Ag层，然后在Ag层上喷涂疏水层而形成的具有自清洁、透气透湿性能和高机械强度的加热保温复合材料，其中，间隔织物的立体空间结构构筑隔热层，Ag层调节织物的中红外辐射率和太阳光光谱范围内的差异化吸收率，同时降低辐射散热。 [0008] 上述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其在可见光波长范围内，Ag层表面的平均吸收率为75.5％，基于人体辐射的加权平均发射率为0.452。 [0009] 上述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其可以承受450‑500g的载荷，断裂强力和断裂伸长分别为7380‑7420KPa和148‑153％。 [0010] 上述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其碳残渣率为22‑26％。 [0011] 上述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其疏水角为142.5°。 [0012] 上述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，其透气性为800‑900mm s‑1。 [0013] 上述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，在间隔织物的另一表面上采用磁控溅射的方式沉积致密的Ag层，然后在Ag层上喷涂疏水层。 [0014] 上述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，所述间隔织物为Janus织物。 [0015] 上述的基于间隔织物的Ag修饰保温加热器的制备方法，包括以下步骤： [0016] (1)：通过表面等离子体技术(750‑810W，4‑8min)，改善3D间隔织物表面的亲水性； [0017] (2)：采用磁控溅射的方式在间隔织物表面上沉积致密的Ag层，将商业银靶放置在–5距离织物5‑10cm处，溅射室的基础压力低于10 Pa；在溅射过程中，使用的工作压力为0.9‑ 1.5Pa，功率为80‑90W； [0018] (3)：在Ag层上均匀喷涂0.2‑1.2gFOCs、2‑4g的ECA与5‑20g的1‑氟,2‑氯乙烷溶剂溶液，随后烘干即得。 [0019] 本发明基于间隔织物的Ag修饰保温加热器及其制备方法的有益效果是，集间隔织物隔热、低辐射散热、太阳能加热等多模态加热保暖方式于一体，间隔织物的立体空间结构构筑隔热层，通过引入Ag层对红外发射率进行调整，得到辐射隔热效果，采用太阳能主动辐射加热，满足室内和室外，不同人体对加热的需求。这种无能耗被动辐射保暖，经济节能的太阳辐射加热对日益严重的能源危机和温室效应等严峻的问题具有十分重要的意义。F‑Ag织物优异的疏水性和透湿透气性，使其成为个人热管理的理想材料。 [0020] 其可以承受450‑500g的载荷，相当于自身重量的5712‑5700倍。F‑Ag改性Janus织物的断裂强力和断裂伸长率分别为7380‑7420KPa和148‑153％。表明F‑Ag改性Janus织物具有令人满意的柔韧性及力学性能。 [0021] 其具有良好的隔热性能和长时间的隔热稳定性，F‑Ag改性Janus织物在Ag侧基于人体辐射的加权平均发射率，远远低于原始织物和棉织物，有效抑制了辐射散热；并且具有优良的被动辐射保温性能。 [0022] F‑Ag改性Janus织物具有潜在优异的光热转换能力，适用于室外环境的太阳能主动加热策略。能够用于室外室内，白天晚上，在清洁能源(太阳能)和无能源条件下，对人体进行加热保暖。 [0023] 具有优异的自清洁能力，以及优异的高度疏水性。此外，即使在20％的大应变下，织物仍然具有优异稳定的疏水性能。 [0024] 可穿戴加热和保暖面料的透湿性和透气性非常重要，可以促进皮肤呼吸的水蒸气排出，从而提高人体的舒适度。F‑Ag改性Janus织物的透气性接近原始织物约为800‑900mm ‑1s ，完全满足可穿戴加热器对织物透气性的要求。这是由Ag涂层和疏水涂层虽然将纤维包裹，但并没有完全封住纤维之间的空隙，这使得水蒸气可以透过织物并释放到空气中。 [0025] 未经改性的织物碳残渣率为15‑19％，改性后的织物为22‑26％，数值的升高表明F‑Ag改性Janus织物热稳定性优良。附图说明 [0026] 图1:本发明的扫描电镜图像； [0027] 图2:液体在F‑Ag表面接近球形图； [0028] 图3：在织物表面放置滚动的水滴或罗丹明液滴图； [0029] 图4：本发明的透气防水机理图。具体实施方式 [0030] 下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。 [0031] 基于间隔织物的Ag修饰保温加热器，在间隔织物一表面上采用磁控溅射的方式沉积致密的Ag层，然后在Ag层上喷涂疏水层而形成的具有自清洁、透气透湿性能和高机械强度的加热保温复合材料，其中，间隔织物的立体空间结构构筑隔热层，Ag层调节织物的中红外辐射率和太阳光光谱范围内的差异化吸收率，同时降低辐射散热。 [0032] 实施例1 [0033] (1)：通过表面等离子体技术(750W，8min)，改善3D间隔织物表面的亲水性； [0034] (2)：采用磁控溅射的方式在间隔织物表面上沉积致密的Ag层，将商业银靶放置在–5距离织物5cm处，溅射室的基础压力低于10 Pa；在溅射过程中，使用的工作压力为0.9Pa，功率为80W； [0035] (3)：在Ag层上均匀喷涂0.2gFOCs、2‑4g的ECA与5g的1‑氟,2‑氯乙烷溶剂溶液，随后烘干即得。 [0036] 经测试，改性织物Ag侧的结晶表现出4个典型的衍射峰，2θ＝38.8°，45.2°，65.2°和78.2°分别对应于银面心立方晶体的(111)，(200)(220)和(311)晶面反射。XPS光谱和窄谱中，观察到银层的Ag 3d5/2和Ag 3d3/2自旋峰分别位于368.2eV和374.2eV，且两个峰结合能之差ΔEb＝Eb(3d3/2)‑Eb(3d5/2)接近6.0eV，这些值与单质金属银很好吻合，与X射线衍射图谱一致，这些结果都表明银层被成功引入到织物表面。 [0037] 使用扫描电镜对Ag侧处理的织物进行了表面形貌分析。Ag侧的C、O、Ag、F元素均匀分布在织物表面，表明Ag在织物改性中的均匀分布。Ag侧出现的F元素来源于FOCs，这表明疏水层已成功引入织物表面。 [0038] F‑Ag改性Janus织物(长×宽×高，2cm×1cm×2cm,0.0867g)可以承受450‑500g的载荷相当于自身重量的5712‑5700倍。这些结果表明F‑Ag改性Janus织物具有令人满意的柔韧性及力学性能。F‑Ag改性Janus织物可以任意卷曲弯折佐证了其优异的柔韧性，这对于F‑Ag改性Janus织物在可穿戴加热器方面的应用非常关键。 [0039] 首先，采用瞬态平面热源法研究了各种织物的导热系数，观察到原始织物的导热‑1 ‑1 ‑1 ‑1系数为0.0482Wm k ，远远小于棉织物0.0781Wm k ，由于对原始织物进行的Ag层改性，以及FOCs处理，这些方法并没有改变织物的3D结构，因此F‑Ag改性Janus织物的导热系数也相对较低，这将赋予改性织物良好的保温效果。通过改变加热台的温度(38℃、80℃)研究不同织物在隔热性能方面的效果。在设置温度为38℃时，棉织物与设置温度相差仅有1.7℃，几乎没有隔热效果。此时，原始织物与设置温度相差4.5℃，证明织物结构对隔热性能有影响，这主要是因为3D间隔织物中，支撑上下表面的间隔纱之间存在大量的静止空气，而静止空‑1 ‑1 气是热的不良导体，导热系数仅为0.0267W m k ，因此，这种间隔织物结构的导热系数较小，能够有效保护传导热量的散失。通过良好的隔热性能和长时间的隔热稳定性，F‑Ag改性Janus织物在个人热管理方面具有极大的应用潜力。 [0040] 同时，纺织品对人体的保温取暖效果，除了具有低的导热系数之外，还取决于其对环境的辐射热损失。根据波尔兹曼定律，物体的热辐射能量与表面发射率(ε)和温度的四次方(T)成正比。通过中红外热辐射关系式ε+ρ+τ＝1(ε，τ，ρ分别代表中红外范围内的发射率、透射率和反射率)，可以得出，为降低人体热辐射损失而采取降低织物的表面发射率，或者增强其对中红外的反射率的策略是行之有效的。经测试，不同纺织品的中红外波段的反射率和发射率(发射率是通过热辐射关系式ε＝1‑ρ‑τ计算得出)，7‑14μm的中红外范围内，Ag侧基于人体辐射的加权平均发射率为0.452，远远低于原始织物(0.955)和棉织物(0.982)，有效抑制了辐射散热。结合织物优异的隔热性能，我们设计的F‑Ag改性Janus织物是辐射和被动隔热保温领域理想的基材。 [0041] 进一步，通过模拟透明小室装置评估纺织品的被动辐射保温性能，小室采用透明的PMMA亚克力板材制成，并用黑色绝缘胶带粘贴相邻PMMA板材的连接处，模拟人体皮肤的–2黑色胶带则粘贴在硅橡胶电热器上(连接充电宝，电热输出功率为100W m )，为维持温度稳定，将泡沫置于模拟皮肤下方，而带控制器的热电偶则被放置于模拟皮肤和织物之间，记录实时的模拟皮肤温度。此外，还有单独的热电偶用于测量并记录小室的空气温度和模拟皮肤的温度。数据表明，F‑Ag纺织品内外表面覆盖下的模拟皮肤温度达到41℃以上。为42.03℃，比裸露模拟皮肤(35.74℃)和棉织物(36.46℃)分别高5.82℃和5.1℃，比环境温度高 17.03℃。这证实F‑Ag纺织品在人体被动辐射保温方面巨大的应用潜力。 [0042] 接下来，为研究F‑Ag改性Janus织物在实际环境中的被动保温性能，我们使用(长×宽，3厘米×3厘米)的原始织物和F‑Ag改性Janus织物来覆盖人体胳膊。实验结果表明，测试面的温度均低于人体温度。对于原始织物，其低温度归因于织物结构的隔热效果，而对于F‑Ag改性Janus织物，则是由于其织物隔热结构和表面改性的双重作用。 [0043] F‑Ag改性Janus织物的光热可调性能 [0044] 为了评估F‑Ag改性Janus织物的光吸收能力，探索并分析了F‑Ag改性Janus织物、棉织物及原始织物在紫外‑可见‑近红外(UV‑Vis‑NiR)范围内的吸收光谱。结果显示，F‑Ag改性Janus织物在可见光波长范围内(400‑780nm)Ag侧的平均吸收率为75.5％，均高于原始织物(72％)和棉织物(31％)，此外，F‑Ag改性Janus织物在Ag侧的平均吸收率略高于Ag改性Janus织物(Ag侧为69.3％)，表明疏水层的引入并没有降低原改性织物对光的良好吸收率。因此，本研究的结果表明F‑Ag改性Janus织物具有潜在优异的光热转换能力，适用于室外环境的太阳能主动加热策略。 [0045] 进一步研究了F‑Ag改性Janus织物在真实的太阳光下的光热转换性能。本文在真实太阳光下测试了样品的光热转换性能。通过光密度计记录了太阳光的光密度值(12a.m.，‑266mW cm )，热电偶控制器记录了空气及纺织品覆盖下的模拟皮肤温度。80分钟后，Ag侧的温度为35.62℃，比原始织物和棉织物分别高了9.79℃和2.59℃，高于环境温度24.59℃，本研究为设计新型智能纺织品提供了重要的实验数据。 [0046] F‑Ag改性Janus织物的疏水、自清洁和透气透湿性能 [0047] 本研究采用了1H，1H，2H，2H‑全氟辛基三氯硅烷(FOCs)与2‑氰基丙烯酸乙酯(EVA)聚合产物构建了牢固的疏水涂层，用以隔绝Ag层与空气的接触，从而为Ag改性织物提供了保护层。值得注意的是，原始织物是疏水织物，经过氧等离子体处理(O‑Pristine)后织物变得亲水，在引入Ag层后，织物两侧仍然极度亲水。FOCs疏水涂层处理Ag改性Janus织物后，疏水角(WCA)由0增加至142.5°。水滴在Ag改性Janus织物上易保留，证明了FOCs疏水层成功引入到织物中。且呈现出类似荷叶的疏水性，液滴在织物表面表现为近球形，可以滚动。这些行为都表明了F‑Ag改性Janus织物具有优异的高度疏水性。此外，即使在20％的大应变下，织物仍然具有优异稳定的疏水性能。 [0048] 将F‑Ag改性Janus织物固定于载玻片上，然后在织物表面覆盖自制的灰尘(即纤维素燃烧后的白色烟灰)。结果发现，当在织物表面放置滚动的水滴或罗丹明液滴时，它们会迅速带走烟灰，从而使织物表面恢复原样，这表明，F‑Ag改性Janus织物具有优异的自清洁能力。 [0049] 可穿戴加热和保暖面料的透湿性和透气性非常重要，可以促进皮肤呼吸的水蒸气排出，从而提高人体的舒适度。实验中，将热水(93±0.5℃)注入玻璃瓶内，使用F‑Ag改性Janus织物封住瓶口，并在其表面放置两颗变色硅胶球。经过5分钟的观察，可以清晰地发现变色硅胶球因吸收水蒸气而从蓝色变为紫色透明色，这证明了F‑Ag改性Janus织物具备良‑1好的透湿性能。同时，F‑Ag的透气性接近原始织物，约为800‑900mm s ，完全满足可穿戴加热器对织物透气性的要求。这是由于Ag涂层和疏水涂层虽然将纤维包裹，但并没有完全封住纤维之间的空隙，这使得水蒸气可以透过织物并释放到空气中。进一步对原始织物，Ag改性Janus织物进行了力学性能分析。与原始织物相比较，F‑Ag改性Janus织物的断裂强力和断裂伸长率略有降低，分别为7380‑7420KPa和148‑153％。采用TG分析了原始织物及F‑Ag改性Janus织物的热稳定性。未经改性的织物碳残渣率为15‑19％，改性后的织物为22‑26％，数值的升高表明F‑Ag改性Janus织物热稳定性优良。 [0050] 本发明提出基于间隔织物的Ag修饰保温加热器及其制备方法，通过把结构隔热、辐射隔热、将可持续太阳能加热集成到一种可穿戴温度可调节纺织品上。间隔织物的立体空间结构构筑隔热层，通过引入Ag层对红外发射率进行调整，得到辐射隔热效果，采用太阳能主动辐射加热，满足室内和室外，白天晚上，不同人体对加热的需求。这种无能耗被动辐射保暖，经济节能的太阳辐射加热对日益严重的能源危机和温室效应等严峻的问题具有十分重要的意义。F‑Ag织物优异的疏水性和透湿透气性，使其成为个人热管理的理想材料。 [0051] 实施例2 [0052] (1)：通过表面等离子体技术(780W，6min)，改善3D间隔织物表面的亲水性； [0053] (2)：采用磁控溅射的方式在间隔织物表面上沉积致密的Ag层，将商业银靶放置在–5距离织物8cm处，溅射室的基础压力低于10 Pa；在溅射过程中，使用的工作压力为1.1Pa，功率为85W； [0054] (3)：在Ag层上均匀喷涂0.8gFOCs、3g的ECA与10g的1‑氟,2‑氯乙烷溶剂溶液，随后烘干即得。 [0055] 实施例3 [0056] (1)：通过表面等离子体技术(810W，4min)，改善3D间隔织物表面的亲水性； [0057] (2)：采用磁控溅射的方式在间隔织物表面上沉积致密的Ag层，将商业银靶放置在–5距离织物10cm处，溅射室的基础压力低于10 Pa；在溅射过程中，使用的工作压力为1.5Pa，功率为90W； [0058] (3)：在Ag层上均匀喷涂1.2gFOCs、4g的ECA与20g的1‑氟,2‑氯乙烷溶剂溶液，随后烘干即得。 [0059] 当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不局限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

意见反馈