一种摩擦发热保暖织物的制备方法

技术领域

本发明属于智能保暖纤维技术领域，更具体地，涉及一种摩擦发热保暖织物的制备方法。

背景技术

现阶段用于个人保暖的功能纤维主要分为两类：一类是棉、麻等传统被动保暖纤维材料，这种材料制成的衣物较为臃肿，无法满足极低温环境的保暖需求；另一类则是主动型保暖纤维，依靠纤维自身发热来达到保暖的效果，使人体处于一种热平衡状态。

已有研究中的主动型保暖织物根据机理的不同主要分为五种，其中，吸湿发热纤维吸收水分时，纤维分子中的亲水基团与水分子结合，水分子动能降低转换为热能释放出来，因此吸湿发热纤维的保暖效果依赖于分子结构中亲水基团的数量；化学发热纤维是通过化学反应产生热量，一次即失效不能重复使用；相变纤维受相变温度影响，对人体供热时间有限；而光能发热和电能发热则需要额外的能源输入，受外部使用条件的限制。

摩擦发热的实质是相互摩擦的物体表面分子相互碰撞的过程。物体相互摩擦的过程中，分子间的碰撞随机且频繁，导致物体表面内能增大，宏观表现为温度升高。但现有衣物纤维间的相对摩擦较小，机械能到内能的转化率较低，温度变化几乎可以忽略，通过摩擦保暖的效果较差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种摩擦发热保暖织物的制备方法，利用两种织物纤维间的摩擦，结合纤维表面处理增大摩擦系数进而提高内能转化效率，其在人体运动的过程中将机械能更高比例转化为内能，宏观表现为织物表面温度升高，旨在解决现有衣物纤维间的相对摩擦较小导致机械能到内能的转化率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种摩擦发热保暖织物的制备方法，其包括如下步骤：

S1、将不同杨氏模量的多种成型纤维中的至少一种进行表面粗糙化处理，使得表面粗糙化处理后的成型纤维与其它成型纤维之间的摩擦系数增大；

S2、将各成型纤维复合后进行编织，得到摩擦发热保暖织物。

优选地，所述多种成型纤维中至少两种的杨氏模量之间相差至少一个数量级。

优选地，所述成型纤维为聚酯纤维、聚氨酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维或聚乙烯纤维。

优选地，所述成型纤维为聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯中至少两种材料复合形成的复合纤维。

优选地，所述成型纤维的加工工艺包括热拉拔、静电纺丝或挤出成型。

优选地，所述静电纺丝为同轴静电纺丝，利用同轴静电纺丝工艺加工而成的成型纤维具有表面多孔、内部中空的结构。

优选地，所述表面粗糙化处理的方法包括表面刻蚀、涂覆、浸涂或热处理。

优选地，表面粗糙化处理后的成型纤维的表面为多孔结构、锯齿结构或长条结构。

优选地，步骤S2中，所述各成型纤维复合后的结构为同轴结构、三明治结构、螺旋绞合结构或波纹状结构。

按照本发明的另一方面，提供了一种摩擦发热保暖织物，其利用上述制备方法制备而成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明通过将不同杨氏模量的成型纤维进行表面处理得到表面粗糙的纤维，可增大纤维之间的摩擦，提高纤维之间摩擦时机械能到内能的转化率；这些纤维复合编织得到的织物在人体运动过程中，纤维间产生不同程度的相对运动，利用织物纤维间的摩擦将机械能转化为内能促进织物表面发热，从而对人体起到保暖效果。

(2)本发明选择杨氏模量相差较大的纤维进行编织，在人体运动过程中，可增大纤维间的相对运动，使得更多的机械能转化为内能，保暖效果更加。

(3)本发明提供的摩擦发热保暖纤维织物制备方法处理过程简单易行，对设备无特殊要求，生产效率高，可大规模制备，制备的保暖织物在个人热管理领域，尤其是面向运动员的保暖衣物设计开发中具有良好的应用前景。

(4)本发明制备的智能纤维织物是基于人体运动过程中衣物纤维间的摩擦生热的，相较光能纤维和电热纤维而言，不需要额外的能源输入，不受织物外部使用条件限制，且能持续为人体供热，更节能，降低成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中CNT涂覆的锦纶纤维和涤纶纤维螺旋绞合的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的摩擦发热保暖织物的示意图；

图3为本发明实施例2中TPU基纳米纤维膜包裹涤纶纤维得到的同轴复合纤维结构示意图；

图4为本发明实施例3中复合聚酰胺薄膜卷成预制棒的结构示意图；

图5为本发明实施例3中复合聚氨酯纤维的褶皱微结构形成示意图；

图6为本发明实施例5中反蛋白石结构的PU纤维示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种摩擦发热保暖织物的制备方法，其包括如下步骤：

S1、将不同杨氏模量的多种成型纤维中的至少一种进行表面粗糙化处理，使得表面粗糙化处理后的成型纤维与其它成型纤维之间的摩擦系数增大；

S2、将各成型纤维复合后进行编织，得到摩擦发热保暖织物。

一些实施例中，所述多种成型纤维中至少两种的杨氏模量之间相差至少一个数量级。在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，只与材料本身的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无关。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。例如，本发明所选用的涤纶纤维，杨氏模量最高可达4000MPa，具有优异的耐磨性，而聚氨酯PU纤维模量仅约40MPa，同样外力作用下，PU的形变远高于涤纶纤维，进而实现整体的相对运动。

一些实施例中，所述成型纤维可以为聚酯纤维(俗称“涤纶”)、聚氨酯纤维(PU)、聚酰胺纤维(俗称“尼龙”)、聚丙烯纤维(俗称“丙纶”)、聚乙烯纤维等，但不局限于所列举的这几种。

一些实施例中，所述成型纤维可采用复合材料，优选为聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯中至少两种材料复合形成的复合纤维。

一些实施例中，所述成型纤维的加工工艺包括热拉拔、静电纺丝或挤出成型。

具体地，热拉拔是在外加拉力的作用下，迫使纤维通过模孔产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的成型纤维，可根据纤维材质、丝径不同调整拉拔加热温度。挤压成型工艺原理上跟热拉拔类似，将纤维材料放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使材料从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸及具有一定力学性能的纤维。静电纺丝是一种纤维制造工艺，聚合物溶液在强电场中进行喷射，在电场作用下，注射器针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，从而生产出纳米级直径的聚合物细丝纤维。

一些实施例中，所述静电纺丝为同轴静电纺丝，利用同轴静电纺丝工艺加工而成的成型纤维具有表面多孔、内部中空的结构。

传统静电纺丝所用的纺丝设备都是单一的毛细管状喷头，通常用于制备实心且表面光滑单一组分的纳米纤维，但这种方法只能得到单一材料的纳米纤维，无法得到具有多功能结构的复合材料，且存在缺乏表面特异性、力学性能较差等问题。同轴静电纺丝是在传统静电纺丝技术的基础上发展的新方法，单步即可制备连续的核-壳和中空结构纳米纤维。同轴静电纺丝时，将核层纺丝液和壳层纺丝液分别装在不同的注射器中，喷丝系统由两个同轴但不同内径的毛细管组成，在高压电场作用下，壳层纺丝液流出后与核层纺丝液汇合，由于两种溶液在毛细管口处汇合时间较短，且两种溶液的扩散系数较低，因此两种纺丝液在固化前不会混合。壳层纺丝液经高频拉伸，高速喷射时内外层溶液交界面产生强大的剪切应力，核层纺丝液在剪切应力作用下，沿着壳层同轴运动，弯曲甩动变形并固化成为超细同轴复合纳米纤维。若将复合纳米纤维中的核层材料通过加热或溶解去掉，留下壳层材料，即得到表面多孔的中空纳米纤维。这样结构的纳米纤维相比传统表面光滑的纤维具有更大的比表面积和粗糙度，增大了纤维之间的摩擦力。

一些实施例中，所述表面粗糙化处理的方法包括表面刻蚀、涂覆、浸涂或热处理。

具体地，可以在成型纤维表面刻蚀氧化锌或二氧化硅。例如通过挤出成型制备聚乙烯纤维时，将聚乙烯与氧化锌或二氧化硅粉末初步混合，在塑料颗粒熔融塑化挤出过程中进一步混合均匀，即可得到掺杂氧化锌或二氧化硅颗粒的复合聚乙烯纤维，通过调整模具尺寸可以得到不同直径的复合纤维。为了得到表面粗糙的聚乙烯纤维，将挤出得到的复合纤维用稀盐酸溶液或氢氧化钠溶液超声浸泡，然后刻蚀除去掺杂的氧化锌或二氧化硅颗粒，然后用去离子水反复清洗后烘干，最终得到表面多孔的聚乙烯纤维。在这个过程中，纤维表面形貌除了与挤出成型过程中的工艺参数如温度、塑化时间、挤出速度等有关外，更重要的是可以通过控制掺杂的填料的粒径和含量来控制最终纤维表面的形态。

另外，也可以在成型纤维表面涂覆一层具有良好摩擦性能的材料，例如但不限于聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、氧化锌纳米线阵列等。优选地，在涂覆时对成型纤维进行一定的预拉伸，待涂层固化后再释放预应变，使得纤维表面形成褶皱微结构，增加纤维表面粗糙度。类似地，还可以将成型纤维浸渍在材料溶液中，通过纤维表面的毛细作用将改性材料均匀吸附到表面，然后取出并烘干。所述改性材料可以为经过功能化改性后的碳纳米管、聚偏氟乙烯、聚苯胺等。另一方面，成型纤维可以是复合材料，通过热处理，使复合材料中某一或某些成分挥发，以得到具有多孔结构的成型纤维。

一些实施例中，表面粗糙化处理后的成型纤维的表面形貌及结构可以为多孔结构、锯齿结构、长条结构等多种表面结构。

具体地，多孔结构是常见的表面粗糙结构，可通过以上工艺方法形成，在此不重复赘述。锯齿结构可通过改进的旋涂工艺形成，具体过程如下，通过激光成型具有倾斜阵列多孔的玻璃模具，倒入少量制备好的聚合物溶液，使用旋涂机成型上面为聚合物薄层，下面为倾斜条形锯齿结构的薄膜；待聚合物溶液固化成型后移去模具即可得到锯齿状薄膜；最后将得到的锯齿状薄膜对应匹配，对薄膜进行拉伸时锯齿结构相互运动产生摩擦。需要说明的是，该过程中通过调整模具中多孔阵列的密度及倾斜角度来优化相对运动的效果，进而优化摩擦效果。长条结构可通过微纤维复合材料挤出成型，微纤维复合材料是一类有趣的聚合物复合材料，聚合物熔融共混过程中，不同的聚合物材料经历不同的形态变化，例如聚合物液滴的破裂和聚结，在熔融、塑化、挤出的过程中被拉伸导致原纤化，该工艺过程是一个复杂的过程，受挤出温度、螺杆转速、冷却时间、拉伸比以及聚合物的混合比例等条件的影响。

一些实施例中，各成型纤维复合后的结构包括但不限于同轴结构、三明治结构、螺旋绞合结构或波纹状结构。

以下结合具体实施例，对上述技术方案详细说明。

实施例1

1、将商用涤纶纤维和锦纶纤维浸泡在乙醇中超声洗涤，然后浸渍在混合碱煮溶液中水浴加热碱煮以除去杂质。将除杂后的纤维冷却至室温后用去离子水冲洗干净，然后烘干。

2、取适量功能化改性后的碳纳米管(CNT)，在DMF或去离子水中超声分散均匀；将预处理后的锦纶纤维浸渍在CNT分散液中，置于超声清洗机中超声振荡，依靠纤维表面的毛细作用将CNT均匀吸附在表面；然后将锦纶纤维取出，60℃烘干即可得到覆有CNT涂层的锦纶纤维。

3、将CNT涂覆的锦纶纤维、预处理后的涤纶纤维螺旋绞合(如图1所示)后再进行编织，即可得到摩擦发热保暖织物，所得织物如图2所示。

实施例2

1、将热塑性聚氨酯(TPU)溶于DMF溶液中配制15％(m/v)的壳层纺丝液；将聚乙二醇(PEG)溶于去离子水中配制20％(m/v)的芯层纺丝液；将壳层纺丝液和芯层纺丝液均转移至10mL注射器内，使用同轴纺丝针头进行静电纺丝，得到基于同轴纤维的静电纺丝膜。

2、将纺丝得到的基于TPU/PEG的薄膜置于乙醇中超声除去PEG，得到中空、多孔的TPU基纳米纤维薄膜。

3、将商用涤纶纤维浸泡在乙醇中超声洗涤，然后浸渍在混合碱煮溶液中水浴加热碱煮以除去杂质。将除杂后的涤纶纤维冷却至室温后用去离子水冲洗干净，然后烘干。

4、将预处理后的涤纶纤维和TPU基纳米纤维膜置于乙醇溶液中，用纳米纤维膜包裹涤纶纤维得到均匀的同轴复合纤维，如图3所示；然后再把得到的同轴复合纤维进行编织，即得到摩擦发热保暖织物。

实施例3

1、在商用聚酰胺薄膜表面刮涂一层铜抑制红外辐射涂层，置于烘箱中干燥得到多层复合薄膜。将复合聚酰胺薄膜卷成预制棒形式(如图4所示)后通过热拉拔制备纤维，即复合尼龙纤维。

3、通过热拉拔成型制备聚氨酯纤维，在得到的纤维表面包覆一层聚四氟乙烯(PTFE)涂层，利用PTFE良好的摩擦性能在改善聚氨酯纤维表面形貌的同时增大摩擦。包覆涂层时对聚氨酯纤维进行一定的预拉伸，待涂层固化后再释放预应变，目的是进一步在表面形成褶皱微结构，如图5所示。

4、以制备的复合尼龙纤维和复合聚氨酯纤维为原材料，编织成型，即得到摩擦发热保暖织物。

实施例4

1、在商用聚酰胺薄膜表面刮涂一层银抑制红外辐射涂层，置于烘箱中干燥得到多层复合薄膜。将复合聚酰胺薄膜卷成预制棒形式后通过热拉拔制备纤维，即复合尼龙纤维。

2、将热塑性聚酯PET和聚乙烯PE分别按照质量比1:3、1:4、1:5混合均匀后挤出成型制备复合微纤维；不同结晶度、不同性质的两种纤维混合熔融成型，通过调控成型工艺，保留原纤化组分，得到表面定向排列的纤维状凸起。

3、将成型制备的两种纤维进行螺旋编织，即得到摩擦发热保暖织物。

实施例5

1、制备二氧化硅微球模板分子：通过微乳液法合成得到二氧化硅乳液，在充分干燥之后得到纳米级二氧化硅微球粉末。该反应可以通过改变加入的催化剂的含量控制球体的粒径，本实施例制得微球直径约为230nm。

2、将适量比例的聚氨酯(PU)粉末和合成的二氧化硅粉末研磨、混合均匀后通过辊压机在一定温度下对辊成型，使聚氨酯均匀包裹二氧化硅微球，得到质量均一的复合薄膜。

3、将复合聚氨酯/二氧化硅薄膜卷成预制棒形式后通过热拉拔制备纤维。然后将制备得到的纤维浸泡在1mol/L的氢氧化钠溶液中24h后取出在40℃烘箱中干燥，即可得到反蛋白石结构的PU纤维，如图6所示。

4、将商用涤纶纤维浸泡在乙醇中超声洗涤，然后浸渍在混合碱煮溶液中水浴加热碱煮以除去杂质。将除杂后的纤维冷却至室温后用去离子水冲洗干净，然后烘干。

5、取适量功能化改性后的碳纳米管(CNT)，在DMF或去离子水中超声分散均匀；将处理后的涤纶纤维浸渍在CNT分散液中，置于超声清洗机中超声振荡，依靠纤维表面的毛细作用将CNT均匀吸附在表面；然后将涤纶纤维取出，60℃烘干即可得到覆有CNT涂层的涤纶纤维。

6、将成型制备的两种纤维进行编织，即得到摩擦发热保暖织物。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。