一种智能调温相变纤维及其制备方法与流程

1.本发明属于纺织纤维材料领域，尤其涉及一种智能调温相变纤维及其制备方法。


背景技术：

2.随着纺织科技的进步，人们对纺织材料功能化需求越来越高，使得现有技术对纤维材料的研究逐渐向功能化、智能化方向转变。智能纤维能够赋予传统纤维产业更高的附加价值，并且智能纤维的市场需求也是逐年扩大，这使得大家对智能纤维的研究也愈发深入。
3.智能调温相变纤维是一种能够通过纤维中的添加物质，实现对热能的控制，形成一个微小的恒温环境，提高穿着这的舒适度。智能调温纤维主要是利用物质相变过程中释放或吸收潜热、温度保持不变的特性开发出来的一种功能纤维，具有双向自动调温功能。
4.相变材料(phase change materials,pcm)是指能够在一个相对稳定的温度下发生相态转变，且在相态转变的过程中能够吸收或释放大量热的材料。智能调温纤维的制备过程中最关键的就是相变材料的选取，选取合适阈值温度的相变材料能够对调节的温度进行调整。
5.目前制备相变纤维的方法主要有三种，一种是纺丝填充，这种方法是通过特殊的喷丝头制备中空纤维，之后将相变材料填充到中空腔中，之后对纤维两端进行封端，如中国科学院广州能源研究所申请的公开号为 cn108570766a的发明专利公开了一种利用同轴静电纺丝技术制备核壳结构的相变储热纤维膜的方，该方法主要是利用将相变材料加入到第一溶剂中搅拌至完全溶解，得到核层溶液；将高分子材料加入到第二溶剂中搅拌至完全溶解，得到壳层溶液；将步骤(1)得到的核层溶液和步骤(2) 中得到的壳层溶液分别注入同轴静电纺丝装置的两个溶液通道，调节同轴静电纺丝参数进行静电纺丝，得到核壳结构的相变储热纤维膜。第二种制备相变纤维的方法是微胶囊法，这种方法是将相变材料首先制备成微胶囊，之后加入到纺丝液中进行方法，现有技术中较为常见，这种方法能够防止相变材料的溢出，如东华大学和恒天生物材料工程技术有限公司申请的公开号为cn107268098a的发明专利公开了一种聚合物/相变微胶囊复合纤维及其制备方法，先将相变微胶囊分散在浓度为50wt％的氮甲基吗啉氮氧化物水溶液中得到分散液，在分散液中加入聚合物并在低真空状态下搅拌混合后进行脱水处理得到混合分散液，然后在高真空状态下搅拌脱水制得功能性纺丝液，最后纺丝制得聚合物/相变微胶囊复合纤维。第三种是化学共聚法：采用接枝共聚与嵌段共聚的方法，把具有储能功能的基团键联到高分子的主链或侧链上，制备出具有固-固相变材料性能的高分子聚合物，然后采用单螺杆挤出机通过熔融纺丝的方法制备出相变纤维，如以东华大学申请的公开号为cn101967697a的发明专利公开了一种及一种生物可降解的固-固相变纳米纤维或纤维膜的制备方法，包括：(1)先将偶联剂与催化剂依次加入纤维素纳米晶的水分散液中，滴加含脱水剂的乙醇溶液，搅拌反应6～10h，配制成羧基化纤维素纳米晶的水分散液；(2)依次将peg和催化剂加入到羧基化纤维素纳米晶的水分散液中，滴加含脱水剂的乙醇溶液，搅拌反应10～12h，得到聚乙二醇接枝纤维素纳米晶的
接枝共聚物；(3)配制上述接枝共聚物的水溶液作为纺丝液，纺丝。
6.本发明主要是针对现有技术中微胶囊法制备得到的相变纤维容易造成相变材料渗出和力学性能变化的技术问题提出改进。因为在微胶囊制备纤维的过程时，微胶囊会添加到纺丝液中，在凝固成型的过程中，微胶囊进而会固着在纤维中，但是在纤维制成织物在使用穿着时，难免会发生褶皱、挤压等情形，进而容易造成微胶囊的破损，使得相变材料渗出，导致相变效果的降低。同时，由于相变材料在高温条件下发生形态变化，会造成提及变化，因此，在加工过程中对温度的要求较高。另外，由于微胶囊与纤维基材的性能不同，当微胶囊添加到纤维基材中，对纤维的柔软性会产生较大的影响。基于上述现有技术中存在问题，本发明拟提供一种解决方案，制备一种能够避免微胶囊破损的纤维材料，并提高纤维的柔顺和手感。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种智能调温相变纤维及其制备方法，其采用微胶囊添加到纺丝原液中制备相变纤维，添加的微胶囊能够实现避免微胶囊破损的纤维材料，同时高纤维的柔顺和手感，提升纤维的附加值。
8.本发明提供的一种智能调温相变纤维及其制备方法，其特征在于包括如下步骤：
9.(1)将相变微胶囊置于聚乙烯醇溶液中，超声分散，过滤，干燥，得到聚乙烯醇包覆后的微胶囊；
10.(2)将步骤(1)得到的聚乙烯醇微胶囊加入到纺丝高分子材料切片，混合均匀，加热，熔融纺丝，牵伸，初生纤维经过氢氧化钠水溶液，牵伸，收卷，得到智能调温相变纤维。
11.所述步骤(1)的相变微胶囊中芯材为聚乙二醇、石蜡、硬脂酸、月桂酸、葵二酸、聚乙二醇单丙烯酸酯、硬脂酰氯、月桂酰氯和葵二酰氯中一种或几种。
12.所述步骤(1)相变微胶囊中壁材为甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、二乙烯基苯、 1,4-丁二醇二丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
13.所述步骤(1)相变微胶囊的制备方法为，将乳化剂溶于水成为水中得到溶液i，将芯材和壁材单体共混得到溶液ii；将溶液ii滴加到溶液i 中，高速剪切，形成稳定乳液，滴加加入引发剂，反应一定时间，静置、抽滤、洗涤、烘干至恒重，得到相变微胶囊。
14.所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵或过硫酸钠中的任意一种。
15.所述乳化剂为op-10、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠盐、司盘-60中的一种或两种。
16.所述步骤(1)相变微胶囊的制备方法中反应温度为50-70℃。
17.所述微胶囊的尺寸小于5μm，所述聚乙烯醇包覆后的微胶囊的尺寸小于10μm。
18.所述芯材的含量占芯材和壁材单体质量总和的30-60％，优选为 40-50％。
19.所述步骤(2)高分子材料切片为聚乳酸。
20.所述步骤(2)聚乙烯醇微胶囊加入量为1-10％。
21.所述步骤(2)的卷绕速度为500-600m/min。
22.所述步骤(2)的熔融纺丝温度为155-170℃，喷丝板孔径大于40μm。
23.所述步骤(2)氢氧化钠水溶液的浓度为0.1-5g/l。
24.本发明中使用聚乙烯醇溶液作为微胶囊的包覆物质，使得微胶囊表层能够得到一层可溶性的聚乙烯醇层。由于相变材料的体积变化以及壁材的耐热性能的差异，相变微胶囊的耐热性能较差一般存在缺陷，一般微胶囊的耐热性能都低于160℃。通过聚乙烯醇层的包覆，可以提高微胶囊的耐热性能，使得其通过熔融纺丝能够得以实现。
25.考虑到相变微胶囊的耐热性能，本发明使用了聚乳酸作为纤维基材，聚乳酸的纺丝温度在160℃左右牵伸即可得到聚乳酸纤维，从而能够避免微胶囊的破损。
26.本发明通过乳液聚合的方法制备微胶囊，该方法通过高速的剪切力作用，使得制备得到的微胶囊的尺寸小，尺寸一般小于5μm。并且包覆效果优异，包覆的芯材能达到30-60％，具有较好的包覆率，并且得到的相变微胶囊温度。
27.由于微胶囊的相变材料在吸热和散热过程中存在着体积变化，因此，微胶囊会有一定的收缩性能，但是由于纤维基材和微胶囊的收缩性能存在差异，使得纤维中微胶囊在调温过程中纤维基材和微胶囊之间会发生挤压，容易造成相变材料的渗漏，并且影响到纤维的手感和机械性能。基于此点，本发明在微胶囊的表层附着了一层聚乙烯醇层，在熔融纺丝过程中，聚乙烯醇包覆的微胶囊被固着在纤维内部，在纺丝牵伸过程中，初生纤维经过氢氧化钠的水溶液时，聚乙烯醇发生溶解，使得纤维记载于微胶囊之间产生一定空隙，在微胶囊进行吸热和放热过程中，微胶囊与纤维之间不会发生挤压，进而能够改善纤维的手感和柔软性。
28.本发明还提供了一种智能调温相变纤维，该纤维包括纤维基材和相变微胶囊，所述纤维基材为聚乳酸，所述相变微胶囊和纤维基材之间存在一定间隙，所述微胶囊的相变材料微胶囊的蓄热量为110～150j/g。
29.本发明制备得到的微胶囊可以作为单独的整理剂，并且可以与其他整理剂联合使用，添加到纤维中赋予纤维复合性能，如可以与无机甲醛吸去除剂使用，无机甲醛去除剂为纳米二氧化钛，复合整理剂能够同时赋予纤维相变性能和甲醛去除功能。
30.本发明提供了一种使用上述纤维制备得到的纱线，所述纱线时使用相变纤维纺纱或者混纺得到，所述混纺纱线中包括其他的纤维为涤纶、棉、尼龙、蚕丝中的一种或多种。
31.本发明还提供了一种相变织物，所述相变织物由上述相变纱线制备获得。
32.通过本发明制备出的智能调温相变纤维，由于基材是聚乳酸，因此具有良好的生物兼容性，并且所得到的纤维制备方法简单，所得到的智能调温相变纤维，具有较高的相变焓，并且在使用过程中能够有效的防止相变材料的渗漏，所得纤维的柔软性能良好，手感佳。
33.本发明所制备得到的纤维还具有良好的力学性能，其制备得到的纱线具有良好的可纺性能，由该纱线制备获得的织物具有良好的智能控温性能，可以广泛的用于智能控温服装领域。
附图说明
34.图1：本公开智能调温相变纤维的制备思路示意图；
35.图2：实施例1-2制备得到的微胶囊形态图。
具体实施例
36.以下结合实施例来进一步解释本说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
37.如图1所示，为本公开的制备思路，首先第一步是制备相变微胶囊，相变微胶囊的芯材为聚乙二醇、石蜡、硬脂酸、月桂酸、葵二酸、聚乙二醇单丙烯酸酯、硬脂酰氯、月桂酰氯和葵二酰氯中一种或几种。相变微胶囊中壁材为甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、二乙烯基苯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
38.第二步将制备的相变微胶囊表层包覆聚乙烯醇，使得微胶囊为多层结构的相变微胶囊，在后续的放肆过程中，对微胶囊进行保护，防止微胶囊的破损。
39.第三步是将聚乙烯醇包覆好后的相变微胶囊添加到纺丝原液中纺丝，图1所示第三张示意图是得到的初生纤维，该纤维并未固化成型，因此，在纤维中相变微胶囊仍然被聚乙烯醇所包覆。
40.第四步是固化成型等后续步骤，在固化成型时，由于聚乙烯醇的溶解性，其会从纤维中析出，使得相变微胶囊与纤维主体纸件形成空隙，微胶囊具有一定的空间，进而提高纤维的手感，同时空隙能够防止微胶囊在相变的过程中被挤压，防止微胶囊的破损。
41.具体的制备实施例如下：
42.实施例1
43.制备相变微胶囊
44.将司盘-60溶于水成为水中得到溶液i，司盘-60用量为5g/l，将芯材和壁材单体共混得到溶液ii，其中芯材为石蜡，壁材为丙烯酸酯，其中石蜡与丙烯酸酯的质量比为1:0.8-1.2；将溶液ii滴加到溶液i中，高速剪切，转速3000r/min，形成稳定乳液，滴加加入引发剂，引发剂为过硫酸铵，反应温度为70℃，反应5h，静置、抽滤、洗涤、烘干至恒重，得到相变微胶囊。
45.实施例2
46.制备相变微胶囊
47.将司盘-60溶于水成为水中得到溶液i，司盘-60用量为5g/l，将芯材和壁材单体共混得到溶液ii，其中芯材为硬脂酸，壁材为丙烯酸酯，其中石蜡与丙烯酸酯的质量比为1:0.8-1.2；将溶液ii滴加到溶液i中，高速剪切，转速3000r/min，形成稳定乳液，滴加加入引发剂，引发剂为过硫酸铵，反应温度为70℃，反应5h，静置、抽滤、洗涤、烘干至恒重，得到相变微胶囊。
48.实施例3
49.聚乙烯醇包覆相变微胶囊
50.将实施例1制备得到的微胶囊进入到聚乙烯醇的水溶液中，聚乙烯醇的浓度为5g/l，超声分散，过滤，干燥，得到聚乙烯醇包覆后的微胶囊。
51.实施例4
52.聚乙烯醇包覆相变微胶囊
53.将实施例2制备得到的微胶囊进入到聚乙烯醇的水溶液中，聚乙烯醇的浓度为5g/l，超声分散，过滤，干燥，得到聚乙烯醇包覆后的微胶囊。
54.实施例5
55.智能调温相变纤维的制备
56.将实施例2得到的聚乙烯醇微胶囊加入到聚乳酸切片中，微胶囊的加入量占聚乳酸的5％，混合均匀，加热，经螺杆挤出机，熔融纺丝，纺丝温度为160℃，喷丝板孔径75μm，干喷湿纺，初生纤维经过氢氧化钠水溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/l，温度为50℃，牵伸，收卷，收卷速度500m/min，得到智能调温相变纤维。
57.实施例6
58.智能调温相变纤维的制备
59.将实施例4得到的聚乙烯醇微胶囊加入到聚乳酸切片中，微胶囊的加入量占聚乳酸的5％，混合均匀，加热，经螺杆挤出机，熔融纺丝，纺丝温度为160℃，喷丝板孔径75μm，干喷湿纺，初生纤维经过氢氧化钠水溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/l，温度为50℃，牵伸，收卷，收卷速度500m/min，得到智能调温相变纤维。
60.实施例7
61.智能调温相变纤维的制备
62.将实施例2得到的聚乙烯醇微胶囊加入到聚乳酸切片中，微胶囊的加入量占聚乳酸的1％，混合均匀，加热，经螺杆挤出机，熔融纺丝，纺丝温度为160℃，喷丝板孔径75μm，干喷湿纺，初生纤维经过氢氧化钠水溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/l，温度为50℃，牵伸，收卷，收卷速度500m/min，得到智能调温相变纤维。
63.实施例8
64.智能调温相变纤维的制备
65.将实施例2得到的聚乙烯醇微胶囊加入到聚乳酸切片中，微胶囊的加入量占聚乳酸的10％，混合均匀，加热，经螺杆挤出机，熔融纺丝，纺丝温度为160℃，喷丝板孔径75μm，干喷湿纺，初生纤维经过氢氧化钠水溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/l，温度为50℃，牵伸，收卷，收卷速度500m/min，得到智能调温相变纤维。
66.实施例9
67.智能调温相变纤维的制备
68.将实施例2得到的聚乙烯醇微胶囊加入到聚乳酸切片中，微胶囊的加入量占聚乳酸的5％，混合均匀，加热，经螺杆挤出机，熔融纺丝，纺丝温度为160℃，喷丝板孔径75μm，干喷湿纺，初生纤维经过氢氧化钠水溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/l，温度为50℃，牵伸，收卷，收卷速度600m/min，得到智能调温相变纤维。
69.对比例1
70.智能调温相变纤维的制备
71.将实施例1得到的微胶囊加入到聚乳酸切片中，微胶囊的加入量占聚乳酸的5％，混合均匀，加热，经螺杆挤出机，熔融纺丝，纺丝温度为160℃，喷丝板孔径75μm，干喷湿纺，初生纤维经过氢氧化钠水溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/l，温度为50℃，牵伸，收卷，收卷速度500m/min，得到智能调温相变纤维。
72.对实施例1-2制备得到的微胶囊进行观察，如图2所示，可以发现制备得到的微胶囊形态规则，胶囊尺寸较为一致。
73.实施例4-9和对比例1所制备得到的纤维进行对比，通过手感触摸、揉捏等方式评
估纤维的柔软性，可以明显的发现，对比例1制备的纤维较为僵硬，纤维的硬度较高，而实施例4-9所制备得到的纤维手感相对要柔软，这可能是由于微胶囊上表层的聚乙烯醇在纤维固化过程中发生熔接，使得纤维内部称为多孔结构，提高了纤维的柔软性。
74.以上只通过说明的方式描述了本公开的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本公开的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本公开权利要求保护范围的限制。