CN112341656B - 具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法及其材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，包括：将提纯后的生物质纤维素分散于蒸馏水中，转移到制膜器里，烘干后制得生物质纤维素基底膜；将核壳结构的镍/银纳米线分散在溶剂中，经真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到生物质纤维素基底膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层；最后将单分散氮化硼纳米片分散在溶剂中，并经真空抽滤于上述步骤所制备材料另一面，即得。本发明公开了具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，所述方法简便和环保，具有节能减排的特点。所制得的膜材料，具有较好的抗菌、柔韧性和透气性的良好功能，通过功能与结构一体化，实现精准人体热管理。

Description

具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法及其材料
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及辐射保温膜材料，尤其涉及一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法及其材料。
背景技术
维持正常体温对人类的新陈代谢和生命活动至关重要，特别是在极端条件下，仅靠棉袄、羽绒服等衣物很难满足人体对舒适度的要求。人体的热量主要以辐射的形式释放，普通的保温服具有较高的红外发射率，人体辐射容易被发射到外部导致热辐射的损失。为了减少人体辐射的散失，迫切需要开发低红外发射率材料有效地控制人体的热辐射。
如今，具有低发射率的热管理材料被制备并通过调节人体辐射实现保温效果。然而，这些热管理材料具有功能单一、升温效率低等缺点。开发红外热管理和电加热功能相结合的可穿戴膜材料，不仅能够弥补升温慢的缺点，还可以实现按需保温功能。电加热虽然可以快速达到人体舒适温度，但由于外部温度较低，仍有大量焦耳热释放到环境中，从而需消耗大量能源维持体温平衡。为了防止焦耳热的损失，设计低导热率材料作为外层有效地防止热量的丢失，实现隔热效果已迫在眉睫。因此，功能与结构一体化的三重保温材料被研究并在个人热管理方面具有创新意义和潜在的应用价值。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法。
技术方案：
一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，包括如下步骤：
a)、基膜的制备：按生物质纤维素和蒸馏水的质量体积比为1:20～1:5 g/mL，优选1:10 g/mL计，将提纯后的生物质纤维素分散于蒸馏水中，随后转移到制膜器里，烘干后制得生物质纤维素基底膜；
b)、辐射保温层和电加热层的制备：按核壳结构的镍/银纳米线与溶剂的固液比为1:50～1:30 g/mL，优选1:40 g/mL计，将核壳结构的镍/银纳米线分散在溶剂中，经真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到生物质纤维素基底膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层，其中银和镍纳米线的质量比为1:1～1:5 g/g；
c)、绝热保温层的制备：按单分散氮化硼纳米片和溶剂的质量体积比为1:20～1:10 g/mL，优选1:20 g/mL计，将单分散氮化硼纳米片分散在溶剂中，并经真空抽滤于步骤b)所制备的材料另一面得三重保温功能的可穿戴膜材料。
本发明较优公开例中，步骤a)中所述生物质纤维素为蒲草花纤维素、芦苇叶纤维素或玉米皮纤维素中的一种或多种组合；纤维素含量大于80～95%。
本发明较优公开例中，步骤a)中所述烘干的温度为40～65℃。
本发明较优公开例中，步骤b)中所述核壳结构的镍/银纳米线，其制备步骤包括：
按六水合氯化镍与乙二醇的质量体积比为1:60～1:30 g/mL，优选1:45 g/mL计，将六水合氯化镍溶于乙二醇中，在120～150℃加热8～10 min；
按一水合肼与乙二醇的体积比为1:10～1:5 mL/mL，优选3:20 mL/mL计，快速滴加一水合肼，继续反应15～25 min，用蒸馏水和乙醇洗涤后得到镍纳米线；
按镍纳米线与无水葡萄糖的质量比为1:15～1:3 g/g，优选1:4 g/g计，将镍纳米线和无水葡萄糖分散在50 mL的蒸馏水中待用；
按硝酸银与无水葡萄糖的质量比为1:2～1:6 g/g，将硝酸银溶于50 mL蒸馏水中，室温、磁力搅拌下向硝酸银溶液逐滴加入25%氨水溶液制备银氨溶液，再逐滴加乙二胺溶液调节pH值为9后停止搅拌；
将上述待用溶液快速转移到银氨溶液中静置反应10～20 min，蒸馏水洗涤几次得核壳结构的镍/银纳米线。
本发明较优公开例中，步骤b)中所述溶剂为蒸馏水、甲醇、乙醇或异丙醇中的一种或多种组合。
本发明较优公开例中，步骤c)中所述溶剂为蒸馏水、异丙醇或乙二醇中的一种或多种组合。
本发明还有一个目的在于，公开了根据上述方法制得的具有三重保温功能的可穿戴膜材料。
一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料，由核壳结构的镍/银纳米线、生物质纤维和单分散的氮化硼纳米片层自组装而成；其中，所述核壳结构的镍/银纳米线长度50～110μm，直径0.5～1.5 μm；生物质纤维为蒲草花纤维素、芦苇叶纤维素或玉米皮纤维素中的一种或者多种组合，长度大于500 μm，直径8～15 μm；单分散的氮化硼纳米片大小为4～16 μm2、厚度5～15 nm，导热系数0.01～0.3 W·m-1·K-1。
本发明所述的可穿戴膜材料，其厚度为100～200 μm；三重保温功能为辐射保温、电加热保温和绝热保温，具有较好的抗菌性、透气性和机械性能。
本发明的特点：
（1）、传统的保温服无法在恶劣环境下实现人体的舒适性，与其相比，本发明提供的具有三重保温功能的可穿戴膜材料可以有效地实现精准热管理；
（2）、大多数保温材料缺乏隔热效果容易将热量散发到低温环境，本发明提供的具有三重保温功能的可穿戴膜材料具备较好的绝热功能；
（3）、现有的保温材料功能单一，本发明提供的三重保温功能的可穿戴膜材料具有叠层结构、三重保温功能和良好的柔韧性能，可实现三重保温、抗菌、柔韧性、透气性等功能。
有益效果
本发明提供了具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，所述方法简便和环保，具有节能减排的特点。所制得的具有三重保温功能的可穿戴膜材料，通过功能与结构一体化构建三重保温膜材料实现精准人体热管理。选用具有辐射保温和电加热功能的核壳结构的镍/银纳米线作为具有三重保温功能的可穿戴膜材料的内层，该材料的组成和结构可控；选用低廉、可再生的物质纤维素作为中间层，提高具有三重保温功能的可穿戴膜材料的机械性能和柔韧性；选用低导热系数的单分散的氮化硼纳米片作为外层，该材料具有较好的绝热功能。该膜具有较好的抗菌、柔韧性和透气性，可用于人体热管理材料。
附图说明
图1. 实施例1所制得样品的扫描电镜图（SEM），其中，(a) 生物质纤维素膜，(b)核壳结构的镍/银纳米线层，(c) 单分散的氮化硼纳米片层，(d) 三重保温功能的可穿戴膜材料的截面。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)、基膜的制备：称取2 g提纯的蒲草花纤维素分散在20 mL的蒸馏水中，随后转移到制膜器里，在40℃下烘干得蒲草花纤维素基底膜；
(b)、核壳结构的镍银纳米线的制备：称取1.2 g六水合氯化镍溶于50 mL乙二醇，在150℃加热10 min后快速滴加7.5 mL的一水合肼，继续反应20 min，用蒸馏水和乙醇洗涤后得到镍纳米线；随后分别称量0.2 g镍纳米线和0.7 g无水葡萄糖分散在50 mL的蒸馏水中待用；称取0.18 g硝酸银溶于50 mL蒸馏水中，在室温、磁力搅拌下向硝酸银溶液逐滴加入25%氨水溶液制备银氨溶液，再逐滴加乙二胺溶液调节pH值为9后停止搅拌；随后将上述待用溶液快速转移到银氨溶液中静置反应15 min，蒸馏水洗涤几次得核壳结构的镍银纳米线。
(c)、辐射保温和电加热层的制备：称取1.0 g核壳结构的镍/银纳米线分散于30mL蒸馏水中，通过真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到蒲草花纤维素基膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层；
(d)、绝热保温层的制备：称取1.0 g单分散氮化硼纳米片分散在30 mL蒸馏水中，并通过真空抽滤于步骤(b)制备的材料另一面得三重保温功能的可穿戴膜材料。
蒲草花纤维素膜作为牢固的基底材料如图1a所示；图1b展示由核壳结构的镍银纳米线构筑的辐射保温和电加热层，核壳结构的镍银纳米线相互缠绕有利于增强膜的牢固性和导电性，插图为该面的实物图；由单分散氮化硼纳米片组成的绝热保温层如图1c所示，与蒲草花纤维素基底膜的表面形貌完全不同，表明单分散氮化硼纳米片被成功沉积在基底膜表面，插图为该面的实物图；另外，三重保温功能的可穿戴膜的截面图被呈现在图1d中，图显示的该膜有三层结构构成，且层与层之间具有清晰的界限，该膜的厚度为103μm；总之，三重保温功能的可穿戴膜材料被成功的制备。
经测试，核壳结构的镍/银纳米线作为内层具有较低的红外发射率(10%)，且电导率为1.0×107 S/m；单分散氮化硼纳米片作为外层具有相当低的导热系数(0.09 W·m-1·K-1)；具有三重保温功能的可穿戴膜材料的厚度为103 μm，且平均抗拉强度为71.35 MPa。
实施例2
一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)、基膜的制备：称取2 g提纯的芦苇叶纤维素分散在30 mL的蒸馏水中，随后转移到制膜器里，在45℃下烘干得芦苇叶纤维素基底膜；
(b)、核壳结构的镍银纳米线的制备：称取1.2 g六水合氯化镍溶于50 mL乙二醇，在150℃加热10 min后快速滴加7.5 mL的一水合肼，继续反应20 min，用蒸馏水和乙醇洗涤后得到镍纳米线；随后分别称量0.15 g镍纳米线和0.7 g无水葡萄糖分散在50 mL的蒸馏水中待用；称取0.18 g硝酸银溶于50 mL蒸馏水中，在室温、磁力搅拌下向硝酸银溶液逐滴加入25%氨水溶液制备银氨溶液，再逐滴加乙二胺溶液调节pH值为9后停止搅拌；随后将上述待用溶液快速转移到银氨溶液中静置反应15 min，蒸馏水洗涤几次得核壳结构的镍银纳米线。
(c)、辐射保温和电加热层的制备：称取1.2 g核壳结构的镍/银纳米线分散于45mL甲醇中，通过真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到芦苇叶纤维素基膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层；
(d)、绝热保温层的制备：称取1.2 g单分散氮化硼纳米片分散在45 mL异丙醇中，并通过真空抽滤于步骤(b)制备的材料另一面得三重保温功能的可穿戴膜材料。
经测试，核壳结构的镍/银纳米线作为内层具有较低的红外发射率(9.8%)，且电导率为1.0×107 S/m；单分散氮化硼纳米片作为外层具有相当低的导热系数(0.08 W·m-1·K-1)；具有三重保温功能的可穿戴膜材料的厚度为120 μm，且平均抗拉强度为71.85 MPa。
实施例3
一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)、基膜的制备：称取2.5 g提纯的蒲草叶纤维素分散在20 mL的蒸馏水中，随后转移到制膜器里，在50℃下烘干得蒲草叶纤维素基底膜；
(b)、核壳结构的镍银纳米线的制备：称取1.2 g六水合氯化镍溶于50 mL乙二醇，在150℃加热10 min后快速滴加7.5 mL的一水合肼，继续反应20 min，用蒸馏水和乙醇洗涤后得到镍纳米线；随后分别称量0.1 g镍纳米线和1.05 g无水葡萄糖分散在50 mL的蒸馏水中待用；称取0.27 g硝酸银溶于50 mL蒸馏水中，在室温、磁力搅拌下向硝酸银溶液逐滴加入25%氨水溶液制备银氨溶液，再逐滴加乙二胺溶液调节pH值为9后停止搅拌；随后将上述待用溶液快速转移到银氨溶液中静置反应15 min，蒸馏水洗涤几次得核壳结构的镍银纳米线。
(c)、辐射保温和电加热层的制备：称取2.0 g核壳结构的镍/银纳米线分散于65mL乙醇中，通过真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到蒲草叶纤维素基膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层；
(d)、绝热保温层的制备：称取2.0 g单分散氮化硼纳米片分散在65 mL乙二醇中，并通过真空抽滤于步骤(b)制备的材料另一面得三重保温功能的可穿戴膜材料。
经测试，核壳结构的镍/银纳米线作为内层具有较低的红外发射率(8.7%)，且电导率为1.1×107 S/m；单分散氮化硼纳米片作为外层具有相当低的导热系数(0.02 W·m-1·K-1)；具有三重保温功能的可穿戴膜材料的厚度为148 μm，且平均抗拉强度为74.65 MPa。
实施例4
一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)、基膜的制备：称取2.5 g提纯的蒲草花纤维素分散在30 mL的蒸馏水中，随后转移到制膜器里，在60℃下烘干得蒲草花纤维素基底膜；
(b)、核壳结构的镍银纳米线的制备：称取1.2 g六水合氯化镍溶于50 mL乙二醇，在150℃加热10 min后快速滴加7.5 mL的一水合肼，继续反应20 min，用蒸馏水和乙醇洗涤后得到镍纳米线；随后分别称量0.25 g镍纳米线和1.83 g无水葡萄糖分散在50 mL的蒸馏水中待用；称取0.47 g硝酸银溶于50 mL蒸馏水中，在室温、磁力搅拌下向硝酸银溶液逐滴加入25%氨水溶液制备银氨溶液，再逐滴加乙二胺溶液调节pH值为9后停止搅拌；随后将上述待用溶液快速转移到银氨溶液中静置反应15 min，蒸馏水洗涤几次得核壳结构的镍银纳米线。
(c)、辐射保温和电加热层的制备：称取1.6 g核壳结构的镍/银纳米线分散于55mL异丙醇中，通过真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到蒲草花纤维素基膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层；
(d)、绝热保温层的制备：称取1.6 g单分散氮化硼纳米片分散在55 mL蒸馏水中，并通过真空抽滤于步骤(b)制备的材料另一面得三重保温功能的可穿戴膜材料。
经测试，核壳结构的镍/银纳米线作为内层具有较低的红外发射率(9.2%)，且电导率为1.06×107 S/m；单分散氮化硼纳米片作为外层具有相当低的导热系数(0.05 W·m-1·K-1)；具有三重保温功能的可穿戴膜材料的厚度为155 μm，且平均抗拉强度为73.85 MPa。
实施例5
一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)、基膜的制备：称取3 g提纯的芦苇叶纤维素分散在30 mL的蒸馏水中，随后转移到制膜器里，在55℃下烘干得芦苇叶纤维素基底膜；
(b)、核壳结构的镍银纳米线的制备：称取1.2 g六水合氯化镍溶于50 mL乙二醇，在150℃加热10 min后快速滴加7.5 mL的一水合肼，继续反应20 min，用蒸馏水和乙醇洗涤后得到镍纳米线；随后分别称量0.2 g镍纳米线和1.26 g无水葡萄糖分散在50 mL的蒸馏水中待用；称取0.32 g硝酸银溶于50 mL蒸馏水中，在室温、磁力搅拌下向硝酸银溶液逐滴加入25%氨水溶液制备银氨溶液，再逐滴加乙二胺溶液调节pH值为9后停止搅拌；随后将上述待用溶液快速转移到银氨溶液中静置反应15 min，蒸馏水洗涤几次得核壳结构的镍银纳米线。
(c)、辐射保温和电加热层的制备：称取1.4 g核壳结构的镍/银纳米线分散于50mL甲醇中，通过真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到芦苇叶纤维素基膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层；
(d)、绝热保温层的制备：称取1.4 g单分散氮化硼纳米片分散在50 mL异丙醇中，并通过真空抽滤于步骤(b)制备的材料另一面得三重保温功能的可穿戴膜材料。
经测试，核壳结构的镍/银纳米线作为内层具有较低的红外发射率(9.5%)，且电导率为1.03×107 S/m；单分散氮化硼纳米片作为外层具有相当低的导热系数(0.06 W·m-1·K-1)；具有三重保温功能的可穿戴膜材料的厚度为175 μm，且平均抗拉强度为75.25 MPa。
实施例6
一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)、基膜的制备：称取3 g提纯的蒲草叶纤维素分散在40 mL的蒸馏水中，随后转移到制膜器里，在65℃下烘干得蒲草叶纤维素基底膜；
(b)、核壳结构的镍银纳米线的制备：称取1.2 g六水合氯化镍溶于50 mL乙二醇，在150℃加热10 min后快速滴加7.5 mL的一水合肼，继续反应20 min，用蒸馏水和乙醇洗涤后得到镍纳米线；随后分别称量0.3 g镍纳米线和2.96 g无水葡萄糖分散在50 mL的蒸馏水中待用；称取0.76 g硝酸银溶于50 mL蒸馏水中，在室温、磁力搅拌下向硝酸银溶液逐滴加入25%氨水溶液制备银氨溶液，再逐滴加乙二胺溶液调节pH值为9后停止搅拌；随后将上述待用溶液快速转移到银氨溶液中静置反应15 min，蒸馏水洗涤几次得核壳结构的镍银纳米线。
(c)、辐射保温和电加热层的制备：称取1.8 g核壳结构的镍/银纳米线分散于60mL蒸馏水中，通过真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到蒲草叶纤维素基膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层；
(d)、绝热保温层的制备：称取1.8 g单分散氮化硼纳米片分散在60 mL乙二醇中，并通过真空抽滤于步骤(b)制备的材料另一面得三重保温功能的可穿戴膜材料。
经测试，核壳结构的镍/银纳米线作为内层具有较低的红外发射率(8.9%)，且电导率为1.08×107 S/m；单分散氮化硼纳米片作为外层具有相当低的导热系数(0.03 W·m-1·K-1)；三重保温功能的可穿戴膜材料的厚度为180 μm，且平均抗拉强度为75.6 MPa。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)、按生物质纤维素和蒸馏水的质量体积比为1:20～1:5 g/mL计，将提纯后的生物质纤维素分散于蒸馏水中，随后转移到制膜器里，烘干后制得生物质纤维素基底膜；
b)、按核壳结构的镍/银纳米线与溶剂的固液比为1:50～1:30 g/mL，将核壳结构的镍/银纳米线分散在溶剂中，经真空抽滤将核壳结构的镍/银纳米线抽滤到生物质纤维素基底膜表面，形成兼具辐射保温和电加热保温功能的保温层，其中银和镍纳米线的质量比为1:1～1:5 g/g；
c)、按单分散氮化硼纳米片和溶剂的质量体积比为1:20～1:10 g/mL计，将单分散氮化硼纳米片分散在溶剂中，并经真空抽滤于步骤b)所制备的材料另一面，即得。
2.根据权利要求1所述具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中所述生物质纤维素为蒲草花纤维素、芦苇叶纤维素或玉米皮纤维素中的一种或多种组合；纤维素含量大于80～95%。
3.根据权利要求1所述具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中所述按生物质纤维素和蒸馏水的质量体积比为1:10 g/mL计。
4.根据权利要求1所述具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中所述烘干的温度为40～65℃。
5.根据权利要求1所述具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，其特征在于：步骤b)中所述溶剂为蒸馏水、甲醇、乙醇或异丙醇中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，其特征在于：步骤b)中所述按核壳结构的镍/银纳米线与溶剂的固液比为1:40 g/mL计。
7.根据权利要求1所述具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，其特征在于：步骤c)中所述溶剂为蒸馏水、异丙醇或乙二醇中的一种或多种组合。
8.根据权利要求1所述具有三重保温功能的可穿戴膜材料的制备方法，其特征在于：步骤c)中所述按单分散氮化硼纳米片和溶剂的质量体积比为1:20 g/mL计。
9.根据权利要求1-8任一所述方法制得的具有三重保温功能的可穿戴膜材料，由核壳结构的镍/银纳米线、生物质纤维和单分散的氮化硼纳米片层自组装而成，厚度为100～200μm。
10.根据权利要求9所述具有三重保温功能的可穿戴膜材料，其特征在于：所述核壳结构的镍/银纳米线长度50～110 μm，直径0.5～1.5 μm；生物质纤维为蒲草花纤维素、芦苇叶纤维素或玉米皮纤维素中的一种或者多种组合，长度大于500 μm，直径8～15 μm；单分散的氮化硼纳米片大小为4～16 μm2、厚度5～15 nm，导热系数0.01～0.3 W·m-1·K-1。
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