低热导率和低发射率的中空纤维的制备方法及中空纤维的织物

技术领域

本发明涉及应用于功能型面料的纤维，更特别地说，是指一种低热导率和低发射率的中空纤维的制备方法及中空纤维的织物。

背景技术

气凝胶纤维是一种新型的功能性服用纤维，具有良好的保暖性、吸湿性、透气性等特点。所谓气凝胶纤维，顾名思义就是指用气凝胶制作而成的纺织服装用纤维材料。众所周知，凝胶是溶胶或溶液中的胶体粒子在分散介质作用下形成空间网状结构的弹性固体。

传统多孔气凝胶纤维织物(Hao Bai et al，Advanced Materials，2018，30，1706807)因其红外反射性能好、导热系数低而被广泛用于个人保温。但这些多孔气凝胶纤维织物上存在着大量的官能团，如－NCO、N－C＝O、C－O－C等(Demei Yu et al，Progressin Organic Coatings，2013，76，107－112)。这些官能团在人体辐射波长范围7～14微米的峰值附近具有较强的红外吸收能力，从而导致传统的纤维织物具有较高的红外发射率。

在典型的室内环境中如办公室，教室等，对于高发射率纺织品而言，人体超过50％的热量会通过织物热辐射的方式散失的。因此，当人体将热量以热传导的方式传给传统多孔气凝胶纺织物时，仍有大量热量通过中红外(MIR)辐射的方式散失到环境中。虽然一些红外发射率较低的金属材料被用于减少热损失，但高导热性、耐磨性差和高成本仍然限制了其在纺织品中的应用。

因此，对于保暖织物而言，在实现低导率同时还要实现低红外发射率来最大限度地减少热损失，对于保暖织物仍是一个挑战。

发明内容

传统织物具有高热导率和高红外发射率，从而导致人体大量的代谢热量会通过传导和热辐射的方式散失。本发明利用同轴湿法纺丝，制备了一种具有核壳结构的中空纤维。这种纤维外层部分是由聚合物与金属粉复合而成，而芯部是由中空多孔的聚合物。由于这种纤维具有多级孔洞结构以及通过多孔聚合物相连接的金属粉，使得纤维具有低热导率和低发射率。和传统纤维织物相比，该技术解决了纤维织物难以同时实现纤维低热导率和低发射率的问题，从而减少了人体的热损失，提高了纤维织物的保暖性能。

本发明的一种低热导率和低发射率的中空纤维的制备方法，其包括有下列步骤：

步骤一，内流体溶液的配制；

将聚合物加入N,N－二甲基甲酰胺(DMF)中并搅拌均匀，制得内液体溶液；

用量：制100重量份的内液体溶液所需5～10重量份的聚合物、90～95重量份的DMF；

步骤二，外流体溶液的配制；

将金属粉加入N,N－二甲基甲酰胺(DMF)中并搅拌均匀，然后加入聚合物并搅拌均匀，制得外液体溶液；

用量：制100重量份的外液体溶液所需1～13重量份的金属粉、8～10重量份的聚合物以及余量的DMF；

金属粉的粒径为5～20微米，金属粉为Al粉、Cu粉或者Ag粉；

步骤三，同轴湿法纺丝制中空纤维；

步骤31，内液体、外液体的灌装；

将步骤一制得的内液体溶液灌装在内液体储液罐(6)中；

将步骤二制得的外液体溶液灌装在外液体储液罐(5)中；

步骤32，设置内液体的工作压力及流速；

针对连接的第二管道(102)，调节空气压缩机(4)使第二通道空气流速130～150μL/min，内液体的流速为100～120μL/min；

步骤33，设置外液体的工作压力及流速；

针对连接的第一管道(101)，调节空气压缩机(4)使第一通道空气流速压力为70～100μL/min，外液体的流速为50～80μL/min；

步骤34，调节直流电机的转速；

调节直流电机(2B)的转速为50～80转/分钟；

步骤35，同轴湿法纺丝制纤维丝；

收纤辊(3)在直流电机(2B)的驱动下，且内外液体在空气压力下，经同轴喷丝头(1)的内液体出口(1E)和外液体出口(1F)同时输出的第一道纤维丝(105)一端缠绕在收纤辊(3)上，并置于凝固槽(2)的水槽本体(2A)中，在水的凝固浴中进行相分离，后经收纤辊(3)收集，然后将收集好的纤维在水浴中浸泡24h～50h去除残留的DMF，从而制得第二道纤维丝(106)；

同轴喷丝头(1)的出口端与收纤辊(3)的距离h为50cm～100cm；

步骤36，干燥；

将第二道纤维丝(106)在室温18℃～30℃下干燥24h～50h后，得到多孔气凝胶纤维丝；

制得的多孔气凝胶纤维丝是由具有中空多级孔洞聚合物的芯和聚合物－金属粉复合的壳的复合结构。

本发明低热导率和低发射率的中空纤维制备方法的优点在于：

(1)、本发明提供的一种具有保暖功能的低热导率和低发射率的中空纤维织物及其制备方法，过程简单，可操作性强，成本低，适用于大规模生产。

(2)、本发明提供的一种具有保暖功能的低热导率和低发射率的中空纤维织物及其制备方法，其中空气凝胶纤维保暖织物具有良好的耐磨，耐洗性能，透气性能。

(3)、本发明提供的一种具有保暖功能的低热导率和低发射率的中空纤维织物及其制备方法，制备得到的纤维的粗细，热导率和红外发射率均可调，由于和传统材料相比，有低热导率和低发射率，可以降低人体热损失，从而获得优异的保暖功能。

(4)、本发明提供的一种具有保暖功能的低热导率和低发射率的中空纤维织物及其制备方法，制备材料可换成多种金属粉末，大大拓宽了纤维的应用范围。因此，本发明能够根据不同需要使用不同的金属粉末。该具有良好的耐洗、耐磨性能、低成本和保温性能。该研究为开发下一代高性能保温纤维纺织品、为人们提供温暖的冬季小气候和减少资源枯竭，实现全球可持续发展提供了一个有前景的方向。

附图说明

图1是本发明低热导率和低发射率的中空纤维织物的制备流程图。

图2是本发明同轴喷丝头的结构图。

图2A是本发明同轴喷丝头的另一视角结构图。

图2B是本发明同轴喷丝头的正视图。

图2C是本发明同轴喷丝头的剖面结构图。

图3同轴湿法纺丝的加工示意图。

图4是本发明实施例1制得的中空纤维丝的示意图。

图4A是本发明实施例1制得的中空纤维丝表面的扫描电镜图。

图4B是本发明实施例1制得的中空纤维丝截面(即图4的A－A剖面)的扫描电镜图。

图4C是图4B中A处的高倍扫描电镜图。

图4D是图4B中B处的高倍扫描电镜图。

图5是采用实施例1制得的中空纤维丝编织的织物图片。

图6是经本发明方法制得的具有保暖功能的低热导率和低发射率的中空纤维织物、棉布、TPU面料的红外发射率对比图。

图7是经本发明方法制得的具有保暖功能的低热导率和低发射率的中空纤维织物、棉布、TPU面料的导热率对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

在本发明中，参见图1所示，同轴湿法纺丝装置由空气压缩机4、外液体储液罐5、内液体储液罐6、同轴喷丝头1、凝固槽2和收纤辊3构成。

在本发明中，参见图2、图2A、图2B、图2C所示，同轴喷丝头1包括有喷丝头本体1A和上盖1B。

所述上盖1B的中心设有内液体接口1C，内液体接口1C通过第四管道104与内液体储液罐的输出端口连接。

所述上盖1B的边缘设有外液体接口1D，外液体接口1D通过第三管道103与外液体储液罐的输出端口连接。

参见图2A、图2C所示，所述喷丝头本体1A的下端设有内液体出口1E和外液体出口1F。内液体出口1E的直径记为d

在本发明中，参见图1、图3所示，凝固槽2包括有水槽本体2A、连杆2C、转轴2D和直流电机2B。水槽本体2A上设有通孔，该通孔用于转轴2D穿过。直流电机2B的机壳安装在水槽本体2A的外侧面板上。转轴2D的一端连接在直流电机2B的输出轴上，转轴2D的另一端连接在连杆2C的一端，连杆2C的另一端连接在收纤辊3上。经内液体出口1E和外液体出口1F同时输出的纤维丝105缠绕在收纤辊3上，缠绕有纤维丝105的收纤辊3是置于水浴中进行缠绕收起纤维丝的。

在本发明中，水槽本体2A中注入的去离子水、或者纯净水。

空气压缩机4通过第一管道101与外液体储液罐5的输入端连接。

空气压缩机4通过第二管道102与内液体储液罐6的输入端连接。

外液体储液罐5的输出端通过第三管道103与同轴喷丝头1的外液体接口1D连接。

内液体储液罐6的输出端通过第四管道104与同轴喷丝头1的内液体接口1C连接。

经同轴喷丝头1的内液体出口1E和外液体出口1F同时输出的第一道纤维丝105一端缠绕在收纤辊3上，并置于凝固槽2的水槽本体2A中，在水的凝固浴中进行相分离，后经收纤辊3收集，然后将收集好的纤维在水浴中浸泡24h～50h去除残留的DMF，从而制得第二道纤维丝106。

纤维丝105的出丝端缠绕在收纤辊3上。收纤辊3在动力驱动(可以是直流电机2B)下转动，从而实现将纤维丝105缠绕在辊体上。

在本发明中，空气压缩机4经第一管道101输出的压缩空气的流速为70～100μL/min。所述的压缩空气能够使外液体储液罐5中的外液体经第三管道103注入同轴喷丝头1的外液体接口1D，且在同等压力下实现外液体从外液体出口1F喷出，外液体的流速为50～80μL/min。

在本发明中，空气压缩机4经第二管道102输出的压缩空气大气压为的流速为130～150μL/min的压缩空气能够使内液体储液罐6中的内液体经第四管道104注入同轴喷丝头1的内液体接口1C，且在同等压力下实现内液体从内液体出口1E喷出，内液体的流速为100～120μL/min。

参见图1所示，制备本发明的一种低热导率和低发射率的中空纤维的方法，包括有下列步骤：

步骤一，内流体溶液的配制；

将聚合物加入N,N－二甲基甲酰胺(DMF)中并搅拌均匀，制得内液体溶液。

用量：制100重量份的内液体溶液所需5～10重量份的聚合物、90～95重量份的DMF。

在本发明中，聚合物为Sigma-Aldrich的聚氨酯(PU)，CAS：68084-39-9。

步骤二，外流体溶液的配制；

将金属粉加入N,N－二甲基甲酰胺(DMF)中并搅拌均匀，然后加入聚合物并搅拌均匀，制得外液体溶液。

用量：制100重量份的外液体溶液所需1～13重量份的金属粉、8～10重量份的聚合物以及余量的DMF。

在本发明中，金属粉的粒径为5～20微米，金属粉为Al粉、Cu粉或者Ag粉。

在本发明中，聚合物为Sigma-Aldrich的聚氨酯(PU)，CAS：68084-39-9。

步骤三，同轴湿法纺丝制中空纤维；

步骤31，内液体、外液体的灌装；

将步骤一制得的内液体溶液灌装在内液体储液罐6中。

将步骤二制得的外液体溶液灌装在外液体储液罐5中。

步骤32，设置内液体的工作压力及流速；

针对连接的第二管道102，调节空气压缩机4使第二通道空气流速130～150μL/min，内液体的流速为100～120μL/min。

步骤33，设置外液体的工作压力及流速；

针对连接的第一管道101，调节空气压缩机4使第一通道空气流速压力为70～100μL/min，外液体的流速为50～80μL/min。

步骤34，调节直流电机的转速；

在本发明中，调节直流电机2B的转速为50～80转/分钟。

步骤35，同轴湿法纺丝制纤维丝；

收纤辊3在直流电机2B的驱动下，且内外液体在空气压力下，经同轴喷丝头1的内液体出口1E和外液体出口1F同时输出的第一道纤维丝105一端缠绕在收纤辊3上，并置于凝固槽2的水槽本体2A中，在水的凝固浴中进行相分离，后经收纤辊3收集，然后将收集好的纤维在水浴中浸泡24h～50h去除残留的DMF，从而制得第二道纤维丝106。

参见图3所示，同轴喷丝头1的出口端与收纤辊3的距离h为50cm～100cm。在调节合适的距离h后，设置液体流速、收纤辊的转速能够制得约束直径大小均匀的连续纤维丝。

步骤36，干燥；

将第二道纤维丝106在室温18℃～30℃下干燥24h～50h后，得到多孔气凝胶纤维丝。

在本发明中，制得的多孔气凝胶纤维丝是由具有中空多级孔洞聚合物的芯和聚合物－金属粉复合的壳的复合结构。微米尺度的金属粉末片均匀平行分布在纤维皮层。纤维皮层中金属降低了织物的红外发射率。纤维表皮层中金属粉末片之间填充了大量的空气和聚合物，芯部为聚合物的中空多孔结构。这种中空多孔的复合结构使得纤维丝的热导率降低。采用本发明多孔气凝胶纤维丝织造成的织物能够通过降低织物发射率和热导率来获得优异的保暖功能，适合于制作功能性服装。

将经本发明方法制得的中空纤维进行织物织造；

在本发明中，将步骤三制得的多孔气凝胶纤维丝采用机织工艺织造成平纹面料、斜纹面料或缎纹面料的机织物。

在本发明中，将机织物加工成服装，对服装进行低热导率和低发射率的性能检测。所提供的纺织品具有较低的热导率和较低的红外发射率，具有良好的耐洗、耐磨性能、低成本和保温性能。具有本发明多孔气凝胶纤维丝的机织物能够成为下一代高性能保温纤维纺织品、为人们提供温暖的冬季小气候和减少资源枯竭，实现全球可持续发展提供了一个有前景的方向。

实施例1制作铝粉功能型低热导率和低发射率的面料

步骤一，内流体溶液的配制；

将聚氨酯(PU)加入N,N－二甲基甲酰胺(DMF)中并搅拌均匀，制得内液体溶液。

用量：制100重量份的内液体溶液所需7重量份的聚氨酯(PU)和93重量份的DMF。

步骤二，外流体溶液的配制；

将3000目的铝粉加入N,N－二甲基甲酰胺(DMF)中并搅拌均匀，然后加入聚氨酯(PU)并搅拌均匀，制得外液体溶液。

用量：制100重量份的外液体溶液所需10重量份的铝粉、9重量份的聚氨酯(PU)和余量的DMF。

步骤三，同轴湿法纺丝制中空纤维丝；

步骤31，内液体、外液体的灌装；

将步骤一制得的内液体溶液灌装在内液体储液罐6中。

将步骤二制得的外液体溶液灌装在外液体储液罐5中。

步骤32，设置内液体的工作压力及流速；

针对连接的第二管道102，调节空气压缩机4的第二通道空气流速130μL/min，内液体的流速为100μL/min。

步骤33，设置外液体的工作压力及流速；

针对连接的第一管道101，调节空气压缩机4的第一通道空气流速70μL/min，外液体的流速为50μL/min。

步骤34，调节直流电机的转速；

在本发明中，直流电机2B的转速为50转/分钟。

步骤35，同轴湿法纺丝制纤维丝；

收纤辊3在直流电机2B的驱动下，内外液体在压力下，经同轴喷丝头1的内液体出口1E和外液体出口1F同时输出的第一道纤维丝105一端缠绕在收纤辊3上，并置于凝固槽2的水槽本体2A中，在水的凝固浴中进行相分离，后经收纤辊3收集，然后将收集好的纤维在水浴中浸泡24h去除残留的DMF，从而制得第二道纤维丝106。

设置同轴喷丝头1的出口端与收纤辊3的距离为72cm。

步骤36，干燥；

将第二道纤维丝106在室温25℃下干燥30h后，得到多孔气凝胶纤维丝。

为了方便直观地理解，将经步骤三制得的多孔气凝胶纤维丝用图4表征。

参见图4A所示的多孔气凝胶纤维丝的表面形貌，采用电镜(飞纳电子扫描电镜，Phenom Pro)检测，多孔气凝胶纤维丝的外表面存在有明显的铝粉与PU和DMF的参杂分布。

参见图4B所示的多孔气凝胶纤维丝的A－A剖面形貌，采用电镜(飞纳电子扫描电镜，Phenom Pro)检测，多孔气凝胶纤维丝具有中空多级孔洞结构，且中心部位为PU的芯组成的核壳结构。

参见图4C所示，是在图4B的A范围进行的电镜扫描图像，图中在靠近纤维表皮层中铝粉之间填充了大量的空气和PU。

参见图4D所示，是在图4B的B范围进行的电镜扫描图像，图中在靠近芯部为PU的中空多孔结构。

在本发明中，为说明经步骤三制得的多孔气凝胶纤维丝具有织造的软质特性，手工编织结构的如图5所示，图中，多孔气凝胶纤维丝的右侧边与左侧边没有出现折断，为连续纤维编织。

将步骤三制得的多孔气凝胶纤维丝采用机织工艺织造成平纹面料的机织物。

实施例1制得织物的性能测试

参见图6、图7所示，分别为实施例1织物、TPU面料、棉布(市集新疆棉布)。采用带有镀金积分球配件的红外光谱仪(Brucker，INVENIO－R)进行发射率检测，三者的红外发射率分别为：32％，93％和92％。

采用导热系数分析仪(Hot Disk TPS 2500S)进行热导率检测，三者的热导率分别为：0.045W m

对比可知，实施例1制得织物的热导率以及红外发射率明显小于商业化的棉布和TPU面料。因此，实施例1制得织物通过降低织物发射率和热导率来获得优异的保暖功能。

在本发明中，TPU面料选用上海四秀复合布有限公司生产的针织布复合TPU面料。

实施例2制作铜粉功能型低热导率和低发射率的面料

步骤一，内流体溶液的配制；

将聚氨酯(PU)加入N,N－二甲基甲酰胺(DMF)中并搅拌均匀，制得内液体溶液。

用量：制100重量份的内液体溶液所需9重量份的DMF和余量的聚氨酯(PU)。

步骤二，外流体溶液的配制；

将3000目的铜Cu粉加入N,N－二甲基甲酰胺(DMF)中并搅拌均匀，然后加入聚氨酯(PU)并搅拌均匀，制得外液体溶液。

用量：制100重量份的外液体溶液所需11重量份的铜粉、8重量份的聚氨酯(PU)和余量的DMF。

步骤三，同轴湿法纺丝制中空纤维；

步骤31，内液体、外液体的灌装；

将步骤一制得的内液体溶液灌装在内液体储液罐6中。

将步骤二制得的外液体溶液灌装在外液体储液罐5中。

步骤32，设置内液体的工作压力及流速；

针对连接的第二管道102，调节空气压缩机4的第二通道空气流速140μL/min，内液体的流速为110μL/min。

步骤33，设置外液体的工作压力及流速；

针对连接的第一管道101，调节空气压缩机4的第一通道空气流速80μL/min，外液体的流速为60μL/min。

步骤34，调节直流电机的转速；

在本发明中，直流电机2B的转速为80转/分钟。

步骤35，同轴湿法纺丝制纤维丝；

收纤辊3在直流电机2B的驱动下，内外液体在压力下，经同轴喷丝头1的内液体出口1E和外液体出口1F同时输出的第一道纤维丝105一端缠绕在收纤辊3上，并置于凝固槽2的水槽本体2A中，在水的凝固浴中进行相分离，后经收纤辊3收集，然后将收集好的纤维在水浴中浸泡40h去除残留的DMF，从而制得第二道纤维丝106。

设置同轴喷丝头1的出口端与收纤辊3的距离为55cm。

步骤36，干燥；

将第二道纤维丝106在室温30℃下干燥24h后，得到多孔气凝胶纤维丝。

将步骤三制得的多孔气凝胶纤维丝采用机织工艺织造成斜纹面料的机织物。

实施例2制得织物的性能测试

发射率检测，实施例2织物的红外发射率为33％。

热导率检测，实施例2织物的热导率为0.041W m

实施例3制作银粉功能型低热导率和低发射率的面料

步骤一，内流体溶液的配制；

将PU加入DMF中并搅拌均匀，制得内液体溶液。

用量：制100重量份的内液体溶液所需7重量份的PU和余量的DMF。

步骤二，外流体溶液的配制；

将2500目的银Ag粉加入DMF中并搅拌均匀，然后加入聚合物并搅拌均匀，制得外液体溶液。

用量：制100重量份的外液体溶液所需9重量份的银粉、10重量份的PU和余量的DMF。

步骤三，同轴湿法纺丝制中空纤维；

步骤31，内液体、外液体的灌装；

将步骤一制得的内液体溶液灌装在内液体储液罐6中。

将步骤二制得的外液体溶液灌装在外液体储液罐5中。

步骤32，设置内液体的工作压力及流速；

针对连接的第二管道102，调节空气压缩机4的第二通道空气流速150μL/min，内液体的流速为120μL/min。

步骤33，设置外液体的工作压力及流速；

针对连接的第一管道101，调节空气压缩机4的第一通道空气流速100μL/min，外液体的流速为80μL/min。

步骤34，调节直流电机的转速；

在本发明中，直流电机2B的转速为60转/分钟。

步骤35，同轴湿法纺丝制纤维丝；

收纤辊3在直流电机2B的驱动下，内外液体在压力下，经同轴喷丝头1的内液体出口1E和外液体出口1F同时输出的第一道纤维丝105一端缠绕在收纤辊3上，并置于凝固槽2的水槽本体2A中，在水的凝固浴中进行相分离，后经收纤辊3收集，然后将收集好的纤维在水浴中浸泡24h～50h去除残留的DMF，从而制得第二道纤维丝106。

设置同轴喷丝头1的出口端与收纤辊3的距离为100cm。

步骤36，干燥；

将第二道纤维丝106在室温22℃下干燥50h后，得到多孔气凝胶纤维丝。

将步骤三制得的多孔气凝胶纤维丝采用机织工艺织造成缎纹面料的机织物。

实施例3制得织物的性能测试

发射率检测，实施例3织物的红外发射率为36％。

热导率检测，实施例3织物的热导率为0.048W m

本发明是一种低热导率和低发射率的中空纤维的制备方法及中空纤维的织物，所要解决的是如何将中空纤维丝机加工成机织物，而使机织物具有低热导率和低发射率的功能，经本发明的同轴湿法纺丝工艺制得的中空纤维丝具有中空多级孔洞PU的芯组成的核壳结构。为中空纤维丝的机织物具有良好的耐洗、耐磨、低成本和保温性能。本发明方法为开发下一代高性能保温纤维纺织品、为人们提供温暖的冬季小气候和减少资源枯竭，实现全球可持续发展提供了一个有前景的方向。