CN105019053A - 一种可织造相变储能涤纶纤维 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可织造相变储能涤纶纤维，是以涤纶为载体，聚乙二醇基聚氨酯为相变储能材料，将相变储能材料与涤纶熔融共混，并以熔融纺丝法制备而成的纤维，其中涤纶载体占纤维总质量的50～95%，相变储能材料占纤维总质量的5～50%；相变储能涤纶纤维的纤维强度2～10cN/dtex，相变温度-10～100℃，相变焓10～100kJ/kg。本发明的相变储能涤纶纤维热稳定性好，强度较其他相变储能纤维高，同时具有较高的强度和服用性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能性纤维材料，特别是涉及一种具有相变储能功能的纤维材料。本发明的相变储能纤维材料同时具有优良的储能性能、较高的强度以及良好的服用性能。
背景技术
涤纶是我国聚酯纤维的商品名称，是合成纤维的重要品种。涤纶是以精对苯二甲酸（PTA）或对苯二甲酸二甲酯（DMT）与乙二醇（EG）为原料，通过酯化或酯交换和缩聚反应制得成纤高聚物——聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），经纺丝和后处理后制成的纤维，具有极优良的定形性能。涤纶纱线或织物经定形后生成的平挺、蓬松形态或褶裥等，在使用中经多次洗涤仍能经久不变。涤纶是三大合成纤维中工艺最简单、价格相对最便宜的一种，由于其结实耐用、弹性好、不易变形、耐腐蚀、绝缘、挺括、易洗快干等特点，深受人们喜爱。
相变材料（phase change material，PCM）能够在一个窄的温度范围内，通过相转变（如固-固相转变或固-液相转变）吸收或释放大量的潜热（ΔH）。此过程会随着PCM 的潜热被吸收或释放完而终止。由于 PCM 具有高的储热密度和熔化热，使其能够在几乎等温的条件下形成一个紧凑的能量存储***。PCM首先被小范围的应用于太空飞行器，然后于20世纪70年代后期应用于更大的范围内，如建筑和太阳能***中，以应对全球的能源危机。
可以根据不同应用类型的要求，选择相变温度不同的有机PCM。例如，有机PCM的相变温度低于15℃时，该材料可以应用于冷却，而有机PCM的相变温度在90℃以上时，则可以用于吸收式制冷。有机PCM及其混合物的相变温度约为18～65℃，其热舒适性适用于纺织业和建筑业。聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG），属于聚氧化乙烯类，由二甲基***链和羟端基组成，分子式HO-CH2-(CH2-O-CH2)n-CH2-OH，溶于水和有机溶剂。PEG具有高融化热、稳定的相变温度和窄的相变温度范围，熔融蒸汽压低，化学性质和热性能稳定，不易燃，可生物降解，无毒，无腐蚀性，价格低廉。作为相变储能材料，PEG具有诸多优良性能，在建筑行业以及织物、纤维、泡沫材料等很多领域得到了应用。
近十几年来，关于相变储能材料的研究是国际上一个普遍关注的课题。相变储能材料可用于解决热能供给和需求的矛盾，是提高能源利用效率和环境保护的重要材料，它在太阳能利用、热能回收、相变储能型空调、保温服装、储能炊具、建筑节能、航空航天及农业等领域有着很广泛的应用。目前对相变储能材料的研究己取得较大的进展，但是这些材料或多或少存在着化学稳定性较差，长期使用易泄漏，相变焓偏低，储热效果不好等缺点。所以开发出一种性能良好的高分子固-固相变储能材料，将具有很大的应用前景和实用价值。聚氨酯类相变储能材料是一类还在开发的材料，它利用物质相变过程中的热效应实现能量的储存和释放，且相变过程是一种从固体到固体的转变。除了具有普通相变材料储能密度大，储热、放热过程近似等温，过程易控制等优点外，它还有着高分子材料良好的加工性能和聚氨酯材料高机械强度、耐腐蚀等优异性能，因此有望成为一种极具利用价值的相变储能材料。
目前，制备相变储能纤维的常用方法是通过静电纺丝法制备相变储能无纺布，虽然具有良好的相变储能性能，但其不具有可纺性。另一种常见的方法是以微胶囊法制备相变储能粘胶纤维，但其力学性能较差，因此制成的织物容易伸长，尺寸稳定性差，服用性能不强。
发明内容
本发明的目的是克服现有相变储能纤维的缺点，提供一种相变储能效果好，同时还具有较高的机械强度和良好服用性能的可织造相变储能涤纶纤维。
本发明的另一目的是提供上述相变储能涤纶纤维的制备方法。
本发明所提供的可织造相变储能涤纶纤维是以涤纶为载体，聚乙二醇基聚氨酯为相变储能材料，将所述相变储能材料与涤纶熔融共混，并以熔融纺丝法制备而成的，涤纶载体占纤维总质量50～95%、相变储能材料占纤维总质量5～50%的相变储能涤纶纤维。
本发明通过共混熔融纺丝，将所述相变储能材料包覆在涤纶载体的内部，制备得到了可织造的相变储能涤纶纤维，所述相变储能涤纶纤维的纤维强度2～10cN/dtex，相变温度-10～100℃，相变焓10～100kJ/kg。
本发明所述的聚乙二醇基聚氨酯相变储能材料是以结晶性能较好的聚乙二醇为软段，以异氰酸酯、1,4-丁二醇为硬段合成的具有聚氨酯结构的高分子固-固相变储能材料，其中，聚乙二醇、异氰酸酯与1,4-丁二醇的原料质量比为1∶0.01～2∶0.01～2。本发明的相变储能材料利用软段的结晶-熔融变化来实现能量的储存和释放，最终得到了一种分解温度大于PET熔融纺丝温度的相变储能材料。
进一步地，本发明的相变储能材料中，所述聚乙二醇的数均分子量为200～20000；所述的异氰酸酯是甲苯二异氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、非黄变型1,6-己二异氰酸酯（HDI）等异氰酸酯中的一种。
本发明所述相变储能材料可以采用以下方法制备得到：将聚乙二醇和异氰酸酯溶解在有机溶剂中，惰性气体保护下40～80℃反应0.5～5小时，再加入1,4-丁二醇扩链反应0.5～4小时，蒸发回收有机溶剂得到固体聚氨酯型相变储能材料。
其中优选地，所述有机溶剂为丙酮、丁酮、乙酸乙酯、氯仿、甘油醚、二氧六环、甘油酯或芳香烃等中的一种。
本发明将涤纶载体母粒与相变储能材料以所述质量百分含量共混后，加入双螺杆挤出机中，制备共混纺丝母粒，然后再将共混纺丝母粒加入到熔融纺丝机中形成熔体，熔体通过喷丝孔挤出形成熔体细流，经空气冷却固化后形成初生纤维，初生纤维再经过上油、卷绕、牵伸等后处理后，制成了本发明的可织造相变储能涤纶纤维。
本发明还可以采用以下方法对制备得到的相变储能涤纶纤维进行后处理：配制0.5～15wt%的改性氨基有机硅水溶液，调节pH值至6制成整理浴，将相变储能涤纶纤维按照1∶10的浴比加入所述整理浴中处理5～45min，取出脱水后，65～100℃恒温烘干。
本发明制备的可织造相变储能涤纶纤维的相变温度-10～100℃，相变焓10～100kJ/kg，且相变前后不改变纤维性状，不发生小分子泄露，可以通过改变聚乙二醇的分子量及异氰酸酯的种类来改变相变温度及相变焓。同时，由于本发明采用的相变储能材料为聚氨酯类，与聚酯纤维（涤纶）有较好的相容性。
本发明制备的可织造相变储能涤纶纤维与现有技术相比，具有以下优点和效果。
1）本发明可织造相变储能涤纶纤维的热稳定好，大分子相变储能材料被均匀的分散在涤纶基体中，不存在小分子相变材料的泄露问题，且外观稳定，机械性能好。
2）本发明可织造相变储能涤纶纤维同时具有涤纶纤维和相变储能的特性，不仅可以作为功能材料应用于各领域，还可以进行织造，以作为服用材料。
3）本发明所制备的可织造相变储能涤纶纤维纤度1～10dtex，单纤强力较高（2～10CN/dtex），手感滑爽，容易上色，是一种服用性能优良的差别化纤维。
4）本发明制备工艺简单，可操作性强。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的可织造相变储能涤纶纤维的DSC图。
图中，a为相变储能涤纶纤维的升温曲线，b为相变储能涤纶纤维的降温曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明的发明内容。所述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，不能以此限制本发明的保护范围。凡在本发明基础上的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1
取100g聚乙二醇2000、15g二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）溶解在500ml乙酸乙酯中，N2保护下升温至40℃搅拌反应3小时，再加入5g 1,4-丁二醇，进行扩链反应2小时，蒸发回收乙酸乙酯，得到固体聚氨酯型相变储能材料聚乙二醇基聚氨酯。
取400g涤纶母粒，与100g相变储能材料一起加入双螺杆挤出机中，制备纺丝母粒，而后将共混纺丝母粒加入到熔融纺丝机中，熔体通过喷丝孔挤出形成熔体细流，最终熔体细流冷却固化形成初生纤维，初生纤维上油、卷绕、牵伸后即制得可织造相变储能涤纶纤维。相变材料通过熔融共混，被包覆在涤纶基体的内部。
将可织造相变储能涤纶纤维以1∶10的浴比通入35℃的后整理液中，后处理30min后取出，脱水，70℃恒温烘干，得到手感柔软的可织造相变储能涤纶纤维。所述后整理液含有4%改性氨基有机硅柔软剂，并用冰醋酸调节至pH=6。
本实施例制备的相变储能涤纶纤维单纤强度5.2CN/dtex，断裂伸长率17%。
图1是本实施例制备得到的可织造相变储能涤纶纤维的升温和降温DSC曲线。该曲线表明，可织造相变储能涤纶纤维的相变性能是可逆的，18℃左右开始吸热，在28℃左右出现吸热峰，当温度下降到12℃左右时开始放热，在-5℃左右时出现放热峰。相变温度范围-10～32℃，相变焓约为28.76kJ/kg。
实施例2
取300g聚乙二醇6000、15g二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）溶解在1000ml甲苯中，N2保护下升温至50℃搅拌反应3小时，再加入5g 1,4-丁二醇，进行扩链反应2小时，蒸发回收甲苯，得到固体聚氨酯型相变储能材料聚乙二醇基聚氨酯。
取350g涤纶母粒，与150g相变储能材料一起加入双螺杆挤出机中，制备纺丝母粒（将成纤高聚物切片熔融或由连续聚合制得熔体），而后将共混纺丝母粒加入到熔融纺丝机中，熔体通过喷丝孔挤出形成熔体细流，最终熔体细流冷却固化形成初生纤维，初生纤维上油、卷绕、牵伸后即制得可织造相变储能涤纶纤维。
将可织造相变储能涤纶纤维以1∶10的浴比通入35℃的后整理液中，后处理30min后取出，脱水，70℃恒温烘干，得到手感柔软的可织造相变储能涤纶纤维。所述后整理液含有4%改性氨基有机硅柔软剂，并用冰醋酸调节至pH=6。
本实施例制备的相变储能涤纶纤维单纤强度4.5CN/dtex，断裂伸长率19%。相变温度范围0～35℃，相变焓约为46.8kJ/kg。
实施例3
取400g聚乙二醇8000、15g甲苯二异氰酸酯（TDI）溶解在1000ml丙酮中，N2保护下升温至60℃搅拌反应1小时，再加入5g 1,4-丁二醇，进行扩链反应1小时，蒸发回收丙酮，得到固体聚氨酯型相变储能材料聚乙二醇基聚氨酯。
取300g涤纶母粒，与100g相变储能材料一起加入双螺杆挤出机中，制备纺丝母粒，而后将共混纺丝母粒加入到熔融纺丝机中，熔体通过喷丝孔挤出形成熔体细流，最终熔体细流冷却固化形成初生纤维，初生纤维上油、卷绕、牵伸后即制得可织造相变储能涤纶纤维。
将可织造相变储能涤纶纤维以1∶10的浴比通入35℃的后整理液中，后处理30min后取出，脱水，70℃恒温烘干，得到手感柔软的可织造相变储能涤纶纤维。所述后整理液含有4%改性氨基有机硅柔软剂，并用冰醋酸调节至pH=6。
本实施例制备的相变储能涤纶纤维单纤强度3.6CN/dtex，断裂伸长率22%。相变温度范围10～40℃，相变焓约为72.8kJ/kg。
Claims (8)
1.一种可织造相变储能涤纶纤维，是以涤纶为载体，聚乙二醇基聚氨酯为相变储能材料，将所述相变储能材料与涤纶熔融共混，并以熔融纺丝法制备而成的纤维，其中所述涤纶载体占纤维总质量的50～95%，相变储能材料占纤维总质量的5～50%；所述相变储能涤纶纤维的纤维强度2～10cN/dtex，相变温度-10～100℃，相变焓10～100kJ/kg。
2.根据权利要求1所述的可织造相变储能涤纶纤维，其中所述的聚乙二醇基聚氨酯相变储能材料是以聚乙二醇为软段，以异氰酸酯、1,4-丁二醇为硬段，按照聚乙二醇、异氰酸酯与1,4-丁二醇的原料质量比为1∶0.01～2∶0.01～2合成的具有聚氨酯结构的高分子固-固相变储能材料。
3.根据权利要求2所述的可织造相变储能涤纶纤维，其特征是所述聚乙二醇的数均分子量为200～20000。
4.根据权利要求2所述的可织造相变储能涤纶纤维，其特征是所述的异氰酸酯是甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、非黄变型1,6-己二异氰酸酯中的一种。
5.根据权利要求2所述的可织造相变储能涤纶纤维，其特征是所述的相变储能材料采用以下方法制备得到：将聚乙二醇和异氰酸酯溶解在有机溶剂中，惰性气体保护下40～80℃反应0.5～5小时，再加入1,4-丁二醇扩链反应0.5～4小时，蒸发回收有机溶剂得到固体聚氨酯型相变储能材料。
6.根据权利要求5所述的可织造相变储能涤纶纤维，其特征是所述有机溶剂为丙酮、丁酮、乙酸乙酯、氯仿、甘油醚、二氧六环、甘油酯或芳香烃中的一种。
7.权利要求1～6任一项所述的可织造相变储能涤纶纤维的制备方法，是将涤纶载体母粒与相变储能材料以所述质量百分含量共混后加入双螺杆挤出机中制备共混纺丝母粒，再将共混纺丝母粒在熔融纺丝机中形成熔体，通过喷丝孔挤出形成熔体细流，经空气冷却固化形成初生纤维，再经过上油、卷绕、牵伸，制成可织造相变储能涤纶纤维。
8.根据权利要求7所述的相变储能涤纶纤维的制备方法，其特征是还包括以下后处理工序：配制0.5～15wt%的改性氨基有机硅水溶液，调节pH值至6制成整理浴，将相变储能涤纶纤维按照1∶10的浴比加入所述整理浴中处理5～45min，取出脱水后，65～100℃恒温烘干。
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