CN105420847B - 储能复合材料、储能复合纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储能复合材料技术，具体涉及储能复合材料、储能复合纤维及其制备方法。该储能复合纤维的制备方法包括：称取聚乙二醇、纺丝级聚丙烯、纳米二氧化钛；将纳米二氧化钛加入到熔融的聚乙二醇中得到二氧化钛乙二醇悬浮液；将悬浮液移入相变材料储罐，道输送至计量泵，由计量泵定量输送至喷丝组件；纺丝级聚丙烯与二氧化钛通过高速搅拌器混合后移入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵定量输送至喷丝组件；在140‑190℃温度纺丝，自喷丝组件中获得储能复合材料原丝；对储能复合材料原丝牵伸得到储能复合纤维。本发明可实现储能材料的密封，防止储能材料的泄漏，提高储能复合材料的储能的可重复性和稳定性，储能量及纤维直径的可控性。
Description
技术领域
本发明涉及储能复合材料技术，具体而言，涉及储能复合材料、储能复合纤维及其制备方法。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上物质，或具有不同性质的同一聚合物，经复合加工法制成的复合材料，在复合截面上存在两种或两种以上不相混合的物质。利用复合加工制造技术可以获得兼有两种物质特性的材料，比如兼具成本经济和导电性能的三点式复合材料、皮芯型抗静电材料，利用两种聚合物结晶收缩率不同制备具有自卷曲性能的并列式复合材料，采用两种产生不同电荷的聚合物制备自消除静电的橘瓣型复合材料。
已有专利中公开相变复合材料制备方法，如CN102605463A公开了一种制备脂肪酸/聚合物定形相变超细复合材料的制备方法；CN101353827A公开了一种多级相变复合材料；CN101845676A公开了一种具有相变储能性质和热致变色性质的多功能纤维及其制备方法，但其均采用静电纺丝技术，该技术生产效率低，纤维直径波动范围大，纤维及其织物储能效率不均匀，使用过程中容易引起温度及其他性能不均匀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能复合材料、储能复合纤维及其制备方法，以解决直径不可控，储能效率不均匀的问题。
本发明实施例提供了一种储能复合材料，原料包括：以质量分数计，0-70份的聚乙二醇、纺丝级聚丙烯、纳米二氧化钛；所述聚乙二醇和部分纳米二氧化钛构成复合材料一，所述纺丝级聚丙烯和另一部分纳米二氧化钛构成复合材料二，所述复合材料一和所述复合材料二的质量比为(45-70):(55-30)。
在一些实施例中，优选为，所述聚乙二醇的分子量为600-6000。
在一些实施例中，优选为，所述的纺丝级聚丙烯的熔融指数为20-40g/10min。
本发明还提供了一种储能复合纤维，将上述的储能复合材料通过熔融皮芯复合纺丝制备。
在一些实施例中，优选为，所述的储能复合纤维直径为30μm-5mm，强度为2-5cN/dtex，在0-60℃的储能热晗为25-90J/g。
本发明另一方面还提供了一种上述储能复合纤维的制备方法，其包括：
称取原料，所述原料包括：聚乙二醇、纺丝级聚丙烯、纳米二氧化钛
将纳米二氧化钛加入到熔融的聚乙二醇中研磨混合得到二氧化钛乙二醇悬浮液；
将所述二氧化钛乙二醇悬浮液移入相变材料储罐，由输送管道输送至计量泵，并由所述计量泵定量输送至喷丝组件；
纺丝级聚丙烯与纳米二氧化钛通过高速搅拌器混合后移入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵定量输送至所述喷丝组件；
在140-190℃的温度下进行纺丝，自所述喷丝组件中获得储能复合材料原丝；
对所述储能复合材料原丝进行牵伸得到储能复合纤维。
在一些实施例中，优选为，在所述将纳米二氧化钛加入到熔融的聚乙二醇中研磨混合得到二氧化钛乙二醇悬浮液中，所述研磨的温度为60-80℃。
在一些实施例中，优选为，在将纳米二氧化钛加入到熔融的聚乙二醇中研磨混合得到二氧化钛乙二醇悬浮液中，所述纳米二氧化钛在所述聚乙二醇中的质量含量为0-1％。
在一些实施例中，优选为，在所述纺丝级聚丙烯与二氧化钛通过高速搅拌器混合后移入螺杆挤出机输送至计量泵中，所述纳米二氧化钛在所述聚丙烯中的质量含量为0-1％。
在一些实施例中，优选为，在对所述储能复合材料原丝进行牵伸得到储能复合纤维中，牵伸的温度为40-70℃，牵伸的倍数为0-6倍。
在一些实施例中，优选为，对所述储能复合材料原丝进行牵伸得到储能复合纤维后，所述制备方法还包括：在160-180℃下，对所述储能复合纤维进行热压切断。
本发明实施例提供的储能复合材料、储能复合纤维及其制备方法，与现有技术相比，选取聚乙二醇600-6000为相变材料，纺丝级聚丙烯为皮层材料，纳米二氧化钛为成核促进剂，纳米二氧化钛增加聚乙二醇的凝固速度，纳米二氧化钛又增加聚丙烯的导热率。选择合适的复合比例来控制复合材料的储能量，在一定的纺丝温度下，通过熔融皮芯复合纺丝法开发出储能复合材料。本发明的制备方法材料的直径、相变材料复合比例和相变材料的泄露均可控，生产效率高，成本低，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的复合材料热焓含量分析图；
图2为本发明实施例2制备得到的复合材料热焓含量分析图；
图3为本发明实施例3制备得到的复合材料热焓含量分析图；
图4为本发明实施例4制备得到的复合材料热焓含量分析图；
图5为本发明实施例5制备得到的复合材料热焓含量分析图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。
考虑到现有储能复合纤维制备方法复杂，效率低，复合纤维直径难控制，储能效果差的问题，本实施例提供一种储能复合材料、储能复合纤维及其制备方法。
一种储能复合材料，其原料包括：以质量分数计，0-70份的聚乙二醇、纺丝级聚丙烯、纳米二氧化钛；所述聚乙二醇和部分纳米二氧化钛构成复合材料一，所述纺丝级聚丙烯和另一部分纳米二氧化钛构成复合材料二，所述复合材料一和所述复合材料二的质量比为(45-70):(55-30)。
该储能复合材料采用熔融皮芯复合纺丝技术进行纺丝则得到储能复合纤维。
该储能复合纤维的具体制备方法包括：
称取原料，原料包括：聚乙二醇、纺丝级聚丙烯、纳米二氧化钛；
将纳米二氧化钛加入到熔融的聚乙二醇中研磨混合得到二氧化钛乙二醇悬浮液；
将二氧化钛乙二醇悬浮液移入相变材料储罐，由输送管道输送至计量泵，并由计量泵定量输送至喷丝组件；
纺丝级聚丙烯与二氧化钛通过高速搅拌器混合后移入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵定量输送至喷丝组件；
在140-190℃的温度下进行纺丝，自喷丝组件中获得储能复合材料原丝；
对储能复合材料原丝进行牵伸得到储能复合纤维。
聚乙二醇无毒、无刺激性，分解物对环境无害，具有优良的润滑性、保湿性、抗静电剂及柔软剂等，在化妆品、制药、化纤及食品加工等行业中均有着极为广泛的应用，其分解温度大于180℃，在150℃以下染整及蒸汽熨烫稳定，少量泄漏对人体及环境均无危害。分子量为0-6000的聚乙二醇熔点在0-60℃，可用作相变储能材料用于医药、农业、建筑节能和服装领域。聚丙烯是一种通用热塑性树脂，密度小，结晶度高，结构规整，具有优良的力学性能；抗弯曲疲劳性好，俗称百折胶。耐热120℃以上、耐腐蚀，制品可用沸水及蒸汽消毒是其突出优点。聚丙烯除甲苯和二甲苯以外，对其它各种化学试剂都比较稳定。
聚乙二醇作为相变材料，热分解温度为190℃，较低，与聚酯和聚酰胺等成纤聚合物纺丝时因温度较高和管道中停留时间过长而发生降解，使其无法进行纺丝。聚丙烯熔融状态下初始凝固温度为130℃，将其与聚乙二醇进行复合纺丝可减少聚乙二醇的降解，可以提高复合材料的储能效率。聚丙烯与聚乙二醇复合材料，可应用于生物医用材料、羽绒服填充物、纺织材料等方面的应用，推动节能材料的开发和相关领域的科技进步。
本案发明人通过研究，选取聚乙二醇600-6000为相变材料，纺丝级聚丙烯为皮层材料，纳米二氧化钛为成核促进剂，选择合适的复合比例和纺丝温度，通过皮芯复合纺丝法开发出储能复合材料。本发明的制备方法材料的直径、相变材料复合比例和相变材料的泄露均可控，生产效率高，成本低，易于工业化生产。
实施例1
将纳米二氧化钛加入熔融的聚乙二醇600，在60℃混合均匀得到聚乙二醇600浓度为99％的悬浮液。将得到的悬浮液加入相变材料储罐，由输送管道输送至计量泵，并由计量泵定量输送至喷丝组件。将熔融指数为35(230℃,2.16Kg)的纺丝级聚丙烯加入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵输送至喷丝组件。悬浮液与聚丙烯复合质量比为45/55，在170℃纺丝以120m/min卷绕得到储能复合材料原丝，并将其于45℃牵伸6倍得到储能复合材料成品丝。复合材料直径为30μm，强度为2.7cN/dtex，断裂伸长率为20.7％，相变温度为-0.45℃和5℃相变焓为29J/g和25J/g，将复合材料以160℃热压切断后在沸水中煮沸20分钟，纤维质量损失率为0。图1为本实施例制备的储能复合材料成品丝的热焓含量分析图。
实施例2
将纳米二氧化钛加入熔融的聚乙二醇600和聚乙二醇1000质量比例为1:1混合液中，在60℃混合均匀得到聚乙二醇浓度为99％的悬浮液。将得到的悬浮液加入相变材料储罐，由输送管道输送至计量泵，并由计量泵定量输送至喷丝组件。将纳米二氧化钛(纺丝级聚丙烯质量的0.3％)与纺丝级聚丙烯通过高速搅拌器混合均匀加入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵输送至喷丝组件。悬浮液与纺丝级聚丙烯复合质量比例为50/50，在纺丝温度为165℃以120m/min卷绕卷绕得到储能复合材料原丝，并将其于45℃牵伸6倍得到储能复合材料成品丝。复合材料直径为50μm，强度为2.3cN/dtex，断裂伸长率为24％，热熔融温度和热熔融相变焓分别为46.2℃和40J/g，冷凝固温度和结晶焓分别为16℃和42J/g；将复合材料以160℃热压切断后在沸水中煮沸20分钟，纤维质量损失率为0。图2为本实施例制备的储能复合材料成品丝的热焓含量分析图。
实施例3
将纳米二氧化钛加入熔融的聚乙二醇1000，在80℃混合均匀得到聚乙二醇1000浓度为99％的悬浮液。将得到的悬浮液加入相变材料储罐，由输送管道输送至计量泵，并由计量泵定量输送至喷丝组件。将纳米二氧化钛(聚丙烯质量的0.5％)与聚丙烯通过高速搅拌器混合均匀加入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵输送至喷丝组件。悬浮液与聚丙烯复合质量比例为55/45，在纺丝温度为165℃以120m/min卷绕得到储能复合材料原丝，并将其于45℃牵伸6倍得到储能复合材料成品丝。复合材料直径为90μm，，强度为2.3cN/dtex，断裂伸长率为20％，热熔融温度和热熔融相变焓分别为48.7℃和58.5J/g，冷凝固温度和结晶焓分别为24.69℃和57.7J/g；将复合材料以160℃热压切断后在沸水中煮沸20分钟，纤维质量损失率为0。图3为本实施例制备的储能复合材料成品丝的热焓含量分析图。
实施例4
将纳米二氧化钛加入熔融的聚乙二醇，在80℃混合均匀得到聚乙二醇2000浓度为99％的悬浮液。将得到的悬浮液加入相变材料储罐，由输送管道输送至计量泵，并由计量泵定量输送至喷丝组件。将纳米二氧化钛(聚丙烯质量的0.7％)与聚丙烯通过高速搅拌器混合均匀加入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵输送至喷丝组件。悬浮液与聚丙烯复合质量比例为60/40，在纺丝温度为165℃以120m/min卷绕卷绕得到储能复合材料原丝，并将其于45℃牵伸6倍得到储能复合材料成品丝。复合材料直径为90μm，强度为2.3cN/dtex，断裂伸长率为18％，热熔融温度和热熔融相变焓分别为49.07℃和85.78J/g，冷凝固温度和结晶焓分别为23.77℃和83.26J/g；将复合材料以170℃热压切断后在沸水中煮沸20分钟，纤维质量损失率为0。图4为本实施例制备的储能复合材料成品丝的热焓含量分析图。
实施例5
将纳米二氧化钛加入熔融的聚乙二醇，在90℃混合均匀得到聚乙二醇6000浓度为99％的悬浮液。将得到的悬浮液加入相变材料储罐，由输送管道输送至计量泵，并由计量泵定量输送至喷丝组件。将纳米二氧化钛(聚丙烯质量的0.9％)与聚丙烯通过高速搅拌器混合均匀加入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵输送至喷丝组件。悬浮液与聚丙烯复合质量比例为65/35，在纺丝温度为165℃以120m/min卷绕卷绕得到储能复合材料原丝，并将其于45℃牵伸6倍得到储能复合材料成品丝。复合材料直径为80μm，强度为2.0cN/dtex，断裂伸长率为15％，热熔融温度和热熔融相变焓分别为51.56℃和53.14J/g，冷凝固温度和结晶焓分别为32.37℃和51.84J/g；将复合材料以180℃热压切断后在沸水中煮沸20分钟，纤维质量损失率为0％。图5为本实施例制备的储能复合材料成品丝的热焓含量分析图。
本发明提出了无泄漏储能复合材料，该复合材料采用纺丝级聚丙烯和纳米二氧化钛为皮层材料，以聚乙二醇辅以结晶促进剂(二氧化钛)为储能材料，通过熔融复合纺丝法制备储能复合材料。相变材料在复合材料中的复合质量比例例为0-70％。纳米二氧化钛在聚丙烯中的含量为0-1％用以增加皮层材料的导热率。结晶促进剂在相变材料中的含量为0-1％用以促进相变材料的结晶，复合材料采用热压切断断封闭两端以保证相变材料无泄露率。储能复合材料在医用材料、农用材料、服用材料及航空航天等方面具有应用价值，推动节能材料的开发和相关领域的科技进步。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种储能复合纤维，其特征在于，其通过熔融皮芯复合纺丝制备，其原料包括：聚乙二醇600-6000、纺丝级聚丙烯、纳米二氧化钛；所述聚乙二醇和作为结晶促进剂的部分纳米二氧化钛构成悬浮液形式的复合材料一，所述纺丝级聚丙烯和增加聚丙烯导热率的另一部分纳米二氧化钛构成复合材料二，所述复合材料一和所述复合材料二的质量比为(45-70):(55-30)；聚乙二醇600-6000为相变材料，复合材料二为皮层材料；所述复合材料一以计量泵定量输送至熔融皮芯复合纺丝的喷丝组件。
2.如权利要求1所述的储能复合材料，其特征在于，所述的纺丝级聚丙烯的熔融指数为20-40g/10min。
3.如权利要求1或2所述的储能复合纤维，其特征在于，直径为30μm-5mm，强度为2-5cN/dtex，在0-60℃的储能热晗为25-90J/g。
4.一种权利要求1-3任一项所述的储能复合纤维的制备方法，其特征在于，包括：
称取原料，所述原料包括：聚乙二醇、纺丝级聚丙烯、纳米二氧化钛；
将部分纳米二氧化钛加入到熔融的聚乙二醇中研磨混合得到二氧化钛聚乙二醇悬浮液；
将所述二氧化钛聚乙二醇悬浮液移入相变材料储罐，由输送管道输送至计量泵，并由所述计量泵定量输送至喷丝组件；
纺丝级聚丙烯与另一部分纳米二氧化钛通过高速搅拌器混合后移入螺杆挤出机输送至计量泵，并由计量泵定量输送至所述喷丝组件；
在140-190℃的温度下进行纺丝，自所述喷丝组件中获得储能复合材料原丝；
对所述储能复合材料原丝进行牵伸得到储能复合纤维。
5.如权利要求4所述的储能复合纤维的制备方法，其特征在于，在所述将纳米二氧化钛加入到熔融的聚乙二醇中研磨混合得到二氧化钛聚乙二醇悬浮液中，所述研磨的温度为60-80℃。
6.如权利要求5所述的储能复合纤维的制备方法，其特征在于，在对所述储能复合材料原丝进行牵伸得到储能复合纤维中，牵伸的温度为40-70℃，牵伸的倍数为0-6倍。
7.如权利要求4-6任一项所述的储能复合纤维的制备方法，其特征在于，对所述储能复合材料原丝进行牵伸得到储能复合纤维后，所述制备方法还包括：在160-180℃下，对所述储能复合纤维进行热压切断。
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