一种导电发热印花织物的制备方法及其产品和应用
阅读说明：本技术 一种导电发热印花织物的制备方法及其产品和应用 (Preparation method of conductive heating printed fabric, product and application thereof ) 是由 邵怡沁 陈慰来 宋倩倩 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明供了一种导电发热印花织物的制备方法及其产品和应用,包括以下步骤：1)、采用三维制造技术织造针织物作为三维间隔针织层：a、通过经纬交织制成表面层,将两层表面层作为一组；b、通过连接纱在两层表面层之间交替钩连形成往复折回连接形态,通过往复折回连接形态在两层表面层之间形成中空间隙,通过中空间隙使正反两表面层间距增大,形成三维空间形态的双层面料；2)、采用石墨烯和/或碳纳米管作为导电基本材料,制备出导电印花浆；3)、将导电印花浆通过喷墨印花的方式,在三维间隔针织层表面有选择性地形成导电通路图案,通过控制喷涂压力及织物的孔隙率来控制导电印花浆的浸润程度,从而控制电导率和发热功效。(The invention provides a preparation method of a conductive heating printed fabric, a product and an application thereof, and the preparation method comprises the following steps: 1) and weaving the knitted fabric as a three-dimensional interval knitting layer by adopting a three-dimensional manufacturing technology: a. the surface layer is made by warp and weft interweaving, and the two surface layers are used as a group; b. the connecting yarns are alternately hooked between the two surface layers to form a reciprocating folding connecting form, a hollow gap is formed between the two surface layers through the reciprocating folding connecting form, and the distance between the front surface layer and the back surface layer is increased through the hollow gap to form the double-layer fabric in a three-dimensional space form; 2) preparing conductive printing paste by using graphene and/or carbon nano tubes as conductive basic materials; 3) and selectively forming a conductive path pattern on the surface of the three-dimensional interval knitted layer by using the conductive printing paste in an ink-jet printing mode, and controlling the infiltration degree of the conductive printing paste by controlling the spraying pressure and the porosity of the fabric so as to control the conductivity and the heating effect.)
技术领域
本发明属于纺织物技术领域，涉及一种功能面料，特别是一种导电发热印花织物的制备方法及其产品和应用。
背景技术
目前，基于纺织品的可穿戴导电发热设备由于其在智能能源等方面的应用，越来越受到人们的广泛关注。随着可穿戴电子纺织技术的发展，开始尝试利用导电柔性材料开发焦耳导电发热纺织品。良好的柔性、轻薄的质地、简便的制备方法、良好的界面结合等特点，使导电发热功能纺织材料成为可穿戴导电发热设备最有发展前景的材料。
电发热纺织品是利用电能驱动嵌入纺织品内的加热元件工作，实现加热的一类纺织品总称。主要由电源、温度控制、电路保护、发热元件等几个重要部分构成，通过导线相互连接，通电后将电能转变为热能达到加热保暖的效果。然而，目前国内外对电发热元件的研究主要包括导电发热金属丝、导电发热膜和导电发热织物三个方面，其中导电发热金属丝材质较硬、耐折性差、舒适度不佳；而导电发热膜虽然生产成本低、使用寿命长，但其透气性差，可弯曲度低。有机发热材料制备的导电发热织物因脆性大，织造过程中易发生断裂现象，导致导电发热织物稳定性不佳。同时，导电发热织物的热量利用率也普遍较低。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种采用具有三维间隙的面料与导电料浆浸润程度结合，以调控导电率与发热功效的导电发热印花织物的制备方法及其产品和应用。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种导电发热印花织物的制备方法，包括以下步骤：
1)、采用三维制造技术织造针织物作为三维间隔针织层：
a、通过经纬交织制成表面层，将两层表面层作为一组；
b、通过连接纱在两层表面层之间交替钩连形成往复折回连接形态，通过往复折回连接形态在两层表面层之间形成中空间隙，通过中空间隙使正反两表面层间距增大，形成三维空间形态的双层面料；
2)、采用石墨烯和/或碳纳米管作为导电基本材料，制备出导电印花浆；
3)、将导电印花浆通过喷墨印花的方式，在三维间隔针织层表面有选择性地形成导电通路图案，通过控制喷涂压力及织物的孔隙率来控制导电印花浆的浸润程度，从而控制电导率和发热功效；
4)、将喷涂完成的三维间隔针织层进行干燥操作，最终实现导电发热面料。
在上述的导电发热印花织物的制备方法中，在步骤1)b中，通过编织机将连接纱往复钩连于两层表面层的经向增强纱之间，从而加大两层表面层的间隙。
在上述的导电发热印花织物的制备方法中，在步骤2)中，导电印花浆的制备方法，包括以下步骤：
a、将石墨烯和/或碳纳米管与乙烯、丙酮、二氯甲苯有机溶剂混合，在室温条件下经过超声搅拌分散，得到导电混合液；
b、将导电混合液与水性树脂混合，提高导电浆料与织物表面的粘附性能。
导电混合液的表面张力在30～50mN/m之间；黏度在1～l0Pa· s之间，最好在4Pa·s以上。喷嘴的口径均为50μm，导电浆料体系粒径均值小于0.5μm。
在上述的导电发热印花织物的制备方法中，在步骤2)中，包含石墨烯和/或碳纳米管的导电基本材料还可加入导电金属形成混合导电材料。
在上述的导电发热印花织物的制备方法中，在步骤3)中，通过智能电控喷涂设备将导电印花浆按照设定的横纵向导电通路喷涂在三维间隔针织层表面，在喷涂过程中控制喷嘴压力且利用织物孔隙率按照设定掌控导电印花浆渗入织物的厚度。
在上述的导电发热印花织物的制备方法中，在步骤4)中，干燥操作包括室温干燥、低温冷冻干燥或高温干燥。
在上述的导电发热印花织物的制备方法中，所述三维间隔针织层采用涤纶、棉、芳纶、玻璃纤维、聚酰胺、30％不锈钢纤维、碳纤维中的任一种材料织造。
在上述的导电发热印花织物的制备方法中，所述三维间隔针织层采用涤纶、棉、芳纶、玻璃纤维、聚酰胺、30％不锈钢纤维、碳纤维中至少两种材料进行混合织造。
一种导电发热印花织物根据上述方法制备得到。
导电发热印花织物单独作为导电发热材料或与其他复合制备智能保温导电发热材料中的应用。
与现有技术相比，本导电发热印花织物的制备方法及其产品和应用具有以下优点：
1、本发明提出了一种导电发热印花织物制备方法，其中导电材料利用石墨烯和碳纳米管的高导热系数、电子迁移率等优异特性，加强了织物的导电发热性能。
2、本发明提出了一种导电发热印花织物制备方法，通过喷墨印花这种发明方法制备，使产品具有成型速度快、图形灵活、导电材料可调整、适应个性化生产、环保能耗低等特点，适合于工业化生产。
3、本发明提出了一种导电发热印花织物，以三维纬编或经编的间隔织物为基体，压缩回弹性好、结构紧密，质量轻，柔性好，并且在间隔织物内部具有中间空气层，有利于导电发热织物的利用效率。
4、本发明提出了一种导电发热印花织物，具有较高的导电发热性能，且具有设定化电阻形态与阻值的可控性，从而控制电导率和发热功效。在医疗保健纺织品和智能纺织品领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的导电发热印花织物的结构示意图。
图中，1、纬向增强纱；2、经向增强纱；3、连接纱；4、导电印花层。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本导电发热印花织物，包括三维间隔针织层，三维间隔针织层包括两层相平行设置的表面层，两层表面层之间通过连接层相连，连接层具有连接纱3，连接纱3在两层表面层之间交替钩连形成往复折回状的连接路径，表面层上涂覆导电印花层4，导电印花层4内具有横向导电通路和纵向导电通路，导电印花层4具有不同渗入厚度的导电电阻。
表面层的组织结构为罗纹组织、毛圈组织、添纱衬垫组织、经平组织中的任一种。
表面层的组织结构为经平组织，表面层包括纬向增强纱1和经向增强纱2，纬向增强纱1呈水平排列，经向增强纱2呈竖直排列，纬向增强纱1与经向增强纱2相垂直交叉编织。
连接纱3钩连经向增强纱2。
两层表面层之间的连接层内夹设中空间隙。通过该中空间隙使正反两表面层间距增大，形成三维空间形态的双层面料。
三维间隔针织层为三维间隔经编织物或三维间隔纬编织物。
三维间隔针织层采用的织造材料采用以下两种方案：
方案一，三维间隔针织层是涤纶、棉、芳纶、玻璃纤维、聚酰胺、30％不锈钢纤维、碳纤维中的任一种织物。
方案二，三维间隔针织层是涤纶、棉、芳纶、玻璃纤维、聚酰胺、30％不锈钢纤维、碳纤维中至少两种的混织织物。
导电印花层4为石墨烯和/或碳纳米管与导电金属的混合物层。
以下为本导电发热印花织物的几种制备方法的实施例：
实施例1：碳纳米管印花聚酯纤维导电发热织物
步骤一、三维聚酯纤维间隔织物的制造，包括以下具体操作：
织造技术织造三维织物作为骨架材料,由双针床圆纬机进行编织。纬编间隔织物上下层组织通过间隔纱在针筒针上集圈，针盘针上编织成圈和间隔纱在针盘针，针筒针上均集圈。间隔纱交替在针盘和针筒上编织，通过集圈或成圈的方式，游走在上下两个表面层中，将二者有规律地连接在一起，形成有中间空气层的织物。连接线采用单丝，如抗弯曲刚度较高的聚酯，将两个表面层撑起隔开，形成有弹力有厚度、储存较多空气的间隔织物。
步骤二、导电浆料的制备，包括以下具体操作：
将质量为4.5g的羧基化碳纳米管加入烧杯中做润湿处理，再依次加入0.6g3-磺丙基十四烷基二甲甜菜碱和0.45g聚氧乙烯十二烷基磺酸醚作为化学分散剂，替代碳纳米管表面的空气和水分，与定量的水混合制成150mL的混合溶液。将装有混合溶液的烧杯放进超声波清洗器中研磨振荡，使湿润的碳纳米管变成独立的微小颗粒。其中，超声时间3h、超声温度30℃、超声频率40kHz，最终烧杯底部不见未溶解的碳纳米管单体，溶液混合均匀，久置无沉淀，从而制备出所需均匀的碳纳米管溶液。
步骤三、导电浆料的喷墨印花，包括以下具体操作：
在轧车上对聚酯织物进行浸轧预处理液(轧液率为80％)，然后在110℃下烘干3min。在喷墨打印机上用步骤二合成的碳纳米管浆料对织物进行喷墨印花,然后在110℃下烘干3min；再在一定温度(150-210℃)下处理一定时间(30s-120s),完成上染和固着。测试不同电压下发热试样表面发热温度随电压的变化关系，得出最佳导电发热效果为：电源电压9V，发热温度可维持在38.3℃，低压加热后试样的表面发热温度可满足人体的保暖需求。
实施例2：石墨烯印花三维经编导电发热织物
步骤一、采用三维织造技术织造三维经编织物作为骨架材料，包括以下步骤:
在双针床经编机上采用六把梳栉编织，六把梳栉依次为GB1、 GB2、GB3、GB4、GB5、GB6，包括以下步骤：梳栉GB1、GB2穿入上表层纱线，梳栉GB5、GB6穿入下表层纱线，梳栉GB3、GB4穿入间隔丝，均为积极送经；织物的上表层由梳栉GB1、GB2编织，织物的下表层由梳栉GB5、GB6编织，均为正常送纱；间隔丝由梳栉GB3、GB4编织。
步骤二、导电浆料的制备，包括以下具体操作：
首先将石墨粉氧化、离心，然后将十二烷基苯磺酸钠用作稳定剂，并将上层清液取用于喷墨打印。制备后在空气中于500℃的高温下退火2h，测得其电阻为270Ω。此外，在制备石墨烯导电剂时用辊将其重复按压。压制之后，在石墨烯层之间形成紧密的导电网络以提高油墨的导电性。如果使用3-丁基-1-甲基咪唑氯化物作为分散剂，并且通过蒸发和浓缩来增加石墨烯的浓度，则效果会更好。
步骤三、导电浆料的喷墨印花，包括以下具体操作：
氧化石墨烯分散在溶剂中，并且在印刷后需要进行还原反应。裁减织物平铺在喷头下，将步骤二中制备的石墨烯进行喷墨印花，此过程来回重复1、2、3、4、5次，以便得到不同厚度的导电印花涂层，然后将得到的印制GO的织物置于80℃烘箱中干燥15min。称取一定量的还原剂，将其配置成不同浓度的溶液，将其放置于90℃的水浴条件下进行还原，还原时间分别为选取1、2、4、6、 12h，将还原得到的石墨烯棉织物至于80℃烘箱中干燥15min。通过对织物导电性能测试得到的发热织物表面电阻为4k/cm，施加织物两端电压区间为20～24V时织物的发热性能比较好，达到70 ℃左右。
实施例3：石墨烯/碳纳米管混合印花织物
步骤一、采用三维织造技术织造三维经编织物作为骨架材料，包括以下具体操作：
利用拉舍尔双针床经编机的机前的1、2、3把梳栉和机后的 1、2、3把梳栉分别在两个针床上完成立体织物上、下两个表面层的编织，然后间隔纱梳在前后两个针床上轮流成圈，使编织好的两个表面层连接起来就完成了经编立体织物的编织，其厚度的大小也可以通过调节前针床和后针床之间的距离来改变。织造的时候可通过在正反两层面料中间加入蓬松纱，如再配备电脑提花设备，便可编织出高档的绗缝产品。采用双面选针电子提花针织机，就能编织出正反面均有提花效果的双面面料。
步骤二、导电浆料的制备，包括以下具体操作：
取水溶性丙烯酸树脂25份，水溶性石墨烯粉末15份，去离子水30份，助剂5份、着色剂1份、分散剂0.5份、环氧基硅烷偶联剂2份等，加入一定量的碳纳米管，各类材料均按照质量百分比配置计算。将水溶性丙烯酸树脂融入去离子水，再搅拌添加水溶性石墨烯粉末。随后逐步添加助剂即可得到预分散料，搅拌速度均为1300转/min。将搅拌得到的中间物料静止20min，并过滤除去多余的水分，得到的混合浆料进行研磨至细度达到10μ m以下。再将研磨好的物料过滤，即可得到水溶性石墨烯碳纳米管导电浆料。
步骤三、导电浆料的喷墨印花，包括以下具体操作：
将水溶性聚氨酯与蒸馏水混合，超声处理30min(超声机参数设置为600W，40kHz)，使其充分均匀混合。使用均质机将石墨烯碳纳米管浆料充分乳化，加入上一步得到的溶液，再次超声处理1h。将最终得到的混合液利用喷墨印花方式分多次处理织物，实验中喷墨压力参数设置如下：压力设为1MPa，溶液的液体流量为0.3mL/cm2，每次处理时间为3s。最后烘干，得到不同石墨烯碳纳米管/水溶性聚氨酯比例的石墨烯碳纳米管导电发热功能纺织品。测试结果得，其中效果较好的导电发热织物在10V外加直流电压下，能够在40s内快速升高至稳态温度48.6℃。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了纬向增强纱1；经向增强纱2；连接纱 3；导电印花层4等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
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