一种同轴湿法纺丝制备相变纤维的方法和相变纤维

技术领域

本发明涉及纺织材料技术领域，尤其涉及一种同轴湿法纺丝制备相变纤维的方法和相变纤维。

背景技术

相变纤维是通过相变材料与纤维制造技术相结合开发的一种新型功能复合纤维。它通常是将相变材料包埋如纤维基体中，以防止相变材料在使用过程中泄漏。相变纤维能够跟随周围环境温度的变化，实现相变材料的熔化或结晶，同时伴随着热量的存储或释放，对纤维周围微环境的变化起到缓冲作用。以人体穿戴的相变织物为例，当外界环境温度高于相变纤维的熔化温度时，其中的相变材料从固态转变为液体，吸收大量的热，当外界环境温度低于相变纤维的结晶温度时，相变材料由液态转变为固态，释放存储的热量，使人体在动态的温度环境中保持相对舒适的体感温度。因此，相变纤维在储能和热管理方面扮演者重要的角色，已经被广泛应用在节能建材、军事装备、能源化工和智能纺织品等领域。

然而，常见的有机相变材料为固-液转变材料，在实际使用中容易发生泄露，使产品质量受损，因此对相变材料封装显得尤为重要。高分子材料是制备相变纤维最常用的支撑材料，常见的有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺和聚氨酯等。纤维的制备方法主要分为熔融纺丝、湿法纺丝和静电纺丝技术。通常，有两种策略用于相变纤维的制备。一种方法是首先制备一种中空或多孔纤维载体，然后利用真空浸渍熔融相变材料填充纤维。然而，通过真空浸渍产生的相变纤维热稳定性较差，并且制备过程复杂。另一种方法是在纺丝过程中直接将相变材料封装在纤维中。目前，第二种方法已被研究人员广泛研究，但熔融纺丝和静电纺丝技术需要复杂的设备，导致相变纤维的生产成本较高。而且，所获得的纤维相变焓相对较低，表明封装效率需要进一步提高。与熔融纺丝和静电纺丝相比，湿法纺丝的主要优点是成本相对较低，适用于相变纤维的大规模生产。此外，直接将相变材料封装在纤维中，还存在着纤维内部的相变材料容易泄漏，以及在纤维应用中，由于内部的相变材料多次熔融和凝固，纤维的形状不稳定的问题。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种同轴湿法纺丝制备相变纤维的方法和相变纤维。

本发明提出的一种同轴湿法纺丝制备相变纤维的方法，包括以下步骤：

S1、在常温下，将海藻酸钠加入相变材料乳液中充分溶解，得到芯材溶液；

将金属盐凝固剂和聚合物加入有机溶剂中充分溶解，得到壳材溶液；

S2、将所述芯材溶液与壳材溶液分别输入到同轴针头的内层和外层，通过针头挤入水凝固浴中，将得到的纤维在水中浸泡后，将纤维取出，再在乙醇或温水中浸泡，干燥后即得。

优选地，所述相变材料乳液中，相变材料的含量为15-40wt％。

优选地，所述相变材料为石蜡、正二十烷、正十六烷中的至少一种。

优选地，所述海藻酸钠与相变材料乳液的质量比为0.5-1.5:100。

优选地，所述相变材料乳液的制备方法为：将相变材料与表面活性剂混合，加热熔化后搅拌均匀，得到油相溶液；在保温条件下，将水滴加至所述油相溶液中并搅拌，滴加完毕后继续搅拌一段时间，然后置于冰水混合浴中冷却，即得。

优选地，所述相变材料乳液的制备方法中，加热熔化的温度为80-90℃。

优选地，所述相变材料乳液的制备方法中，加热熔化后搅拌5-10min。

优选地，所述相变材料乳液的制备方法中，滴加完毕后继续搅拌10-30min。

优选地，所述相变材料乳液的制备方法中，置于冰水混合浴中冷却10-20min。

优选地，所述相变材料与表面活性剂的质量比为10：(2-3)。

优选地，所述表面活性剂由司盘80、吐温80组成。优选地，所述表面活性剂由司盘80、吐温80按质量比为(0.4-0.5)：(0.5-0.6)组成。

优选地，所述壳材溶液中，聚合物的质量分数为15％-20％，金属盐凝固剂的质量分数为3％-10％。

优选地，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二甲苯、二氯甲烷中的至少一种。

优选地，所述聚合物为热塑性聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)、聚苯乙烯、聚酰亚胺中的一种。

优选地，所述金属盐凝固剂为钙盐、镍盐、铜盐、钴盐中的至少一种。优选地，所述金属盐凝固剂为Ca(NO

优选地，所述芯材溶液与壳材溶液挤出速率之比为(1-3)：1。

优选地，S2中，水凝固浴的温度为10-30℃。

优选地，S2中，纤维在水中浸泡的时间为5-15min。

优选地，S2中，在乙醇或温水中浸泡的时间为1-12h。其中，在乙醇或温水中浸泡的目的是去除纤维中残余的表面活性剂。优选地，所述温水的温度为25-40℃。

一种相变纤维，由所述的制备方法制得。

本发明的有益效果如下：

本发明以相变材料和海藻酸钠复合乳液作为芯材溶液，并在作为壳材的聚合物溶液中加入金属盐凝固剂，通过同轴针头湿法纺丝制备相变纤维，在纺丝过程中，在凝固剂的作用下芯材中的海藻酸钠发生交联固化，从而对芯材中的相变材料起到包裹作用，使相变材料能很好地固定在相变纤维的芯层中，避免相变材料熔化过程中的流失，并保持芯层结构的稳定。本发明采用同轴湿法纺丝制备相变纤维，制备过程简单、成本低廉、可控性强，所制得相变纤维为以负载相变材料的高分子交联材料为芯、聚合物为外壳的“芯壳”结构，不仅具有良好的储热能力，而且能够有效封装相变材料，改善相变纤维的形状稳定性，对智能调温纺织品的开发具有重要意义。

附图说明

图1为实施例1制得的相变纤维的横截面形貌。

图2为实施例1制得的相变纤维的表面形貌。

图3为实施例1制得的相变纤维经过加热-冷却1次后横截面的显微结构。

图4为实施例1制得的相变纤维经过加热-冷却50次后横截面的显微结构。

图5为实施例1制得的相变纤维编织成织物，表面涂覆碳纳米管后在不同光强下的热成像照片。

图6为实施例1制得的相变纤维编织成织物，表面涂覆碳纳米管后电加热升温过程的热成像照片。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

制备相变材料乳液：

将10g固体石蜡与2g表面活性剂(表面活性剂由司盘80、吐温80按质量比为0.46:0.54组成)混合，在80℃下加热熔化，磁力搅拌5min，得到油相溶液；在80℃保温条件下，将去离子水以1ml/min的速率滴加至所述油相溶液中并搅拌，滴加完毕后，继续搅拌10min，然后置于0℃的冰水混合浴中冷却10min，得到相变材料乳液，相变材料乳液中石蜡的含量为20wt％。

制备相变纤维：

S1、在常温下，将海藻酸钠加入相变材料乳液中搅拌1h直至充分溶解，得到芯材溶液，其中海藻酸钠与相变材料乳液的质量比为1:100；

将Ca(NO

S2、将芯材溶液与壳材溶液分别通过两个10mL注射器输入到同轴针头的内层和外层，通过针头挤入20-30℃的去离子水凝固浴中，其中芯材溶液与壳材溶液的挤出速率之比为1.75:1，将得到的纤维在水中继续浸泡10min，再在无水乙醇中浸泡3h，干燥后即得。

图1为上述制得的相变纤维的横截面形貌。从图1中可以看出，相变纤维具有明显的“芯壳”结构，芯层上半部分的断面可见石蜡均匀分散在海藻酸钙的骨架内。

图2为上述制得的相变纤维的表面形貌。从图2中可以看出，纤维表面存在褶皱结构。

图3为上述制得的相变纤维经过加热-冷却1次后横截面的显微结构。从图3中可以看出，石蜡出现熔化，但相变纤维的结构没有明显改变。

图4为上述制得的相变纤维经过加热-冷却50次后横截面的显微结构。从图4中可以看出，多次加热-冷却后，纤维的结构保持稳定。

图5为上述制得的相变纤维编织成织物，表面涂覆碳纳米管后在不同光强下的热成像照片。从图5中可以看出，在光照条件下，随着光的辐照强度增加，相变织物快速发生液-固相变。

图6为上述制得的相变纤维编织成织物，表面涂覆碳纳米管后电加热升温过程的热成像照片。从图6中可以看出，在通电情况下相变织物依次发生固固相变、液固相变，37.1s后织物表面平均温度达到75.1℃。

实施例2

制备相变材料乳液：

将10g正二十烷与2.5g表面活性剂(表面活性剂由司盘80、吐温80按质量比为0.46:0.54组成)混合，在85℃下加热熔化，磁力搅拌10min，得到油相溶液；在85℃保温条件下，将去离子水以1ml/min的速率滴加至所述油相溶液中并搅拌，滴加完毕后，继续搅拌10min，然后置于0℃的冰水混合浴中冷却10min，得到相变材料乳液，相变材料乳液中正二十烷的含量为20wt％。

制备相变纤维：

S1、在常温下，将海藻酸钠加入相变材料乳液中搅拌1h直至充分溶解，得到芯材溶液，其中海藻酸钠与相变材料乳液的质量比为1:100；

将Ca(NO

S2、将芯材溶液与壳材溶液分别通过两个10mL注射器输入到同轴针头的内层和外层，通过针头挤入20-30℃的去离子水凝固浴中，其中芯材溶液与壳材溶液的挤出速率之比为2:1，将得到的纤维在水中继续浸泡10min，将纤维取出，于温水中浸泡3h，干燥后即得。

实施例3

制备相变材料乳液：

将10g正十六烷与3g表面活性剂(表面活性剂由司盘80、吐温80按质量比为0.46:0.54组成)混合，在90℃下加热熔化，磁力搅拌10min，得到油相溶液；在90℃保温条件下，将去离子水以1ml/min的速率滴加至所述油相溶液中并搅拌，滴加完毕后，继续搅拌10min，然后置于0℃的冰水混合浴中冷却10min，得到相变材料乳液，相变材料乳液中正十六烷的含量为30wt％。

制备相变纤维：

S1、在常温下，将海藻酸钠加入相变材料乳液中搅拌1h直至充分溶解，得到芯材溶液，其中海藻酸钠与相变材料乳液的质量比为1.0:100；

将CuCl

S2、将芯材溶液与壳材溶液分别通过两个10mL注射器输入到同轴针头的内层和外层，通过针头挤入10-15℃的去离子水凝固浴中，其中芯材溶液与壳材溶液的挤出速率之比为1.5:1，将得到的纤维在水中继续浸泡10min，将纤维取出，于温水中浸泡3h，干燥后即得。

实施例4

制备相变材料乳液：

将10g正二十烷与2.5g表面活性剂(表面活性剂由司盘80、吐温80按质量比为0.46:0.54组成)混合，在85℃下加热熔化，磁力搅拌10min，得到油相溶液；在85℃保温条件下，将去离子水以1ml/min的速率滴加至所述油相溶液中并搅拌，滴加完毕后，继续搅拌30min，然后置于0℃的冰水混合浴中冷却10min，得到相变材料乳液，相变材料乳液中正二十烷的含量为15wt％。

制备相变纤维：

S1、在常温下，将海藻酸钠加入相变材料乳液中搅拌1h直至充分溶解，得到芯材溶液，其中海藻酸钠与相变材料乳液的质量比为0.5:100；

将Co(NO

S2、将芯材溶液与壳材溶液分别通过两个10mL注射器输入到同轴针头的内层和外层，通过针头挤入20-30℃的去离子水凝固浴中，其中芯材溶液与壳材溶液的挤出速率之比为3:1，将得到的纤维在水中继续浸泡10min，将纤维取出，于温水中浸泡12h，干燥后即得。

实施例5

制备相变材料乳液：

将10g正十六烷与2.5g表面活性剂(表面活性剂由司盘80、吐温80按质量比为0.46:0.54组成)混合，在85℃下加热熔化，磁力搅拌10min，得到油相溶液；在85℃保温条件下，将去离子水以1ml/min的速率滴加至所述油相溶液中并搅拌，滴加完毕后，继续搅拌30min，然后置于0℃的冰水混合浴中冷却10min，得到相变材料乳液，相变材料乳液中正十六烷的含量为20wt％。

制备相变纤维：

S1、在常温下，将海藻酸钠加入相变材料乳液中搅拌1h直至充分溶解，得到芯材溶液，其中海藻酸钠与相变材料乳液的质量比为1:100；

将CoCl

S2、将芯材溶液与壳材溶液分别通过两个10mL注射器输入到同轴针头的内层和外层，通过针头挤入10-15℃的去离子水凝固浴中，其中芯材溶液与壳材溶液的挤出速率之比为2.2:1，将得到的纤维在水中继续浸泡10min，将纤维取出，于温水中浸泡6h，干燥后即得。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。