全天候保温多功能可穿戴MXene/Ag复合织物加热器及其制备方法

本发明涉及复合保温加热材料，尤其是全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器及其制备方法。

背景技术：

1、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。

2、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，然而单一光吸收率的材料，无法应对变化的光强度。例如，高光吸收的材料，可能在中午提供过多的热量从而影响人的舒适感。

3、cn111501326a提供了一种多功能可穿戴聚合物/mxene复合织物加热器及其制备方法；聚合物/mxene复合织物加热器的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚合物基织物在碱溶液中浸泡后洗涤，制得预处理聚合物基织物；(2)将lif粉末和hcl溶液搅拌，制得刻蚀液；(3)将max相粉末加入刻蚀液中搅拌，制得反应产物；将反应产物稀释后离心，去除上清液，制得沉淀物mxene；向沉淀物mxene中加入去离子水，先超声再离心，制得mxene溶液；(4)将预处理聚合物基织物在mxene溶液中浸渍后，取出后干燥，制得聚合物/mxene复合织物加热器。上述专利制得的聚合物/mxene复合织物加热器厚度为340μm时，其电磁屏蔽效能为42.1db，同时其还具有良好的透气、阻燃和抗菌功能。上述加热器采用平面结构，虽然透气性良好，但隔热保温性较差，并且通常具有较高的中红外发射率(95％及以上)，很难满足户外寒冷环境下人体保暖的需求，尤其是在边境极寒地区。因此，开发设计同时降低织物的热传导系数和中红外发射率的纺织品对人体的保温加热十分关键，并能有效节约一次性能源消耗。

4、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。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，提供了全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器及其制备方法，集间隔织物隔热、低辐射散热、太阳能加热和焦耳加热等多模态加热保暖方式于一体，实现了全天候、室内外不同场景的加热保暖需求。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，是在间隔织物一表面上喷涂mxene层，在间隔织物另一表面上采用磁控溅射的方式沉积致密的ag层，然后在mxene层及ag层上喷涂疏水层而形成的具有自清洁、电磁屏蔽、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，mxene层可实现在夜间或弱光的场景下加热补充，ag层和mxene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。

3、上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，其在可见光波长范围内，具有mxene层的表面的平均吸收率为93.7％，具有ag层表面的平均吸收率为75.5％。

4、上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，其在具有mxene层的表面和具有ag层表面基于人体辐射的加权平均发射率为0.419和0.452。

5、上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，其可以承受500g的载荷，断裂强力和断裂伸长分别为7415kpa和151％。

6、上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，其密度是0.039-0.044gcm-3，碳残渣率为24.16％。

7、上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，其疏水角为142.5°，其透气性为850mm s-1。

8、上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，其厚度为0.5mm～4mm。上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，其达到最优电磁屏蔽效果的厚度为2mm。

9、上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器，所述间隔织物为janus织物。

10、上述的全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物加热器的制备方法，包括以下步骤：

11、(1)：通过表面等离子体技术(400-900w，2-15min)，改善3d间隔织物表面的亲水性；

12、(2)：采用lif与hcl混合溶液刻蚀ti3alc2(max相)内部的铝层得到ti3c2tx，将1-6glif溶解到3-15m hcl的40ml中，再将1-6g ti3alc2粉末缓慢加入混合溶液中，在20-60℃下搅拌10-45h，然后将得到的溶液与去离子水离心，直到ph值大约为5.0-9，将得到的沉淀物分散于去离子水中，超声0.5-3h，取上清液为所用mxene纳米片；

13、(3)：通过喷涂技术在间隔织物表面上喷涂mxene纳米片，每次持续5-15s，随后用吹风机吹干；

14、(4)：采用磁控溅射的方式在间隔织物另一表面上沉积致密的ag层，溅射室的基础压力低于10–5pa。在溅射过程中，使用的工作压力为0.5-1.5pa，功率为50-90w；

15、(5)：在间隔织物两侧均匀喷涂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。

16、本发明全天候保温多功能可穿戴mxene/ag复合织物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、太阳能加热和焦耳加热等多模态加热保暖方式于一体，实现了全天候、室内外不同场景的加热保暖需求。采用间隔织物表面涂覆方式得到了f-mxene/ag改性janus织物，通过间隔织物的立体空间结构构筑隔热层，ag层和mxene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，此外，mxene层具有优异的焦耳热性能，可实现在夜间或弱光的场景下加热补充。基于隔热和降低辐射散热的保温模式，协同可以任意切换的光热/电热加热模式，使f-mxene/ag改性janus织物，能满足室内和室外、白天和黑夜等各种场景下人体保温加热的需求。此外，f-mxene/ag织物优异的疏水能使mxene层免受潮湿环境下氧化，f-mxene/ag织物的自清洁，高机械强度及吸湿透气性能，电磁屏蔽性能，使之成为未来个人精准热管理理想的选择。

17、其可以承受500g的载荷，相当于自身重量的5700倍。f-mxene/ag改性janus织物的断裂强力和断裂伸长率分别为7415kpa和151％。表明f-mxene/ag改性janus织物具有令人满意的柔韧性及力学性能。

18、其具有较低的密度(0.039-0.044g cm-3)，它可以放置在绿萝叶子表面，这表明改性织物还保留原有的轻质性能。

19、其具有良好的隔热性能和长时间的隔热稳定性，f-mxene/ag改性janus织物在mxene侧和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。

20、f-mxene/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。如果太阳光辐射较强而mxene侧朝外温度较高时，可以换ag侧朝外，无需添加或减去衣物，让人的户外活动更轻松舒适，这扩大了人体的舒适度。而且能够用于室外室内、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。

21、其表面温度随电阻降低而升高。加热器的表面饱和温度随电压的升高而升高，并且与电压的平方成正比(r2＞0.99)，其温度可以从室温升至137℃，具有较宽的温度范围。这表明f-m加热器可以作为主动补充加热来满足人体日常保暖保温的要求。在实际应用中，加热器的长期稳定性和可重复性至关重要。加热器在2v和4v电压切换下，加热器的表面温度稳定，并且可以通过调整加热器的电压来调节所需温度。此外，加热器在长达2800s的时间内，以及在50天内的反复试验中表现出卓越的焦耳热稳定性及可重复性。因此，具有优异的稳定性，更宽的温度范围和出色的电热转换效率，有望应用于个人热管理领域。

22、mxene纳米片的自由电子，将反射一小部分入射到织物表面的电磁波，并与剩余的电磁波相互作用形成电流，诱发欧姆损耗，从而衰弱电磁波的能量。吸收的电磁屏蔽机制避免了电磁波反射对环境造成的二次污染。f-mxene/ag改性janus织物具有的良好电磁屏蔽性能，可为其在人体热管理领域中的应用提供安全保障。并且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。

23、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-mxene/ag改性janus织物的透气性接近原始织物约为850mm s-1，完全满足可穿戴加热器对织物透气性的要求。这是由于mxene/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。

24、未经改性的织物碳残渣率为17.38％，改性后的织物为24.16％，数值的升高表明f-mxene/ag改性janus织物热稳定性优良。