CN106801266A - 相变储能纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种相变储能纤维，其中，相变储能纤维为皮芯结构，皮芯结构包括皮层与芯层，皮层原料为热塑性聚合物；芯层原料为热塑性聚合物、黏土矿物粉体与相变材料的混合物。该相变储能纤维的制备方法包括：1)按重量份数计，取相变材料2～20份，黏土矿物粉体5～20份，将称得的相变材料与黏土矿物粉体在真空条件下超声震荡混合均匀，然后置于真空烘箱中制得复合相变材料；取热塑性聚合物60～90份与制得的复合相变储能材料混合均匀，即制得芯层原料；2)热塑性聚合物作为皮层原料，皮层原料和芯层原料采用复合纺丝机熔融纺丝，纺制成皮芯结构的相变储能纤维。该方法简单，成本低，制得的相变储能纤维相变焓大，调温效果均匀。

Description

相变储能纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能纤维领域，尤其涉及一种相变储能纤维及其制备方法。
背景技术
随着全球经济发展，人们生活水平提高，对服用和家用纺织品的要求日渐增高，在与人体皮肤接触的舒适性方面，人们追求一种根据外界温度的变化来自由调节纺织品内部温度的纤维，使人体处于一种舒适的状态。因此，具有双向温度调节功能的相变纤维的研究开发日益重要。
相变纤维蓄热调温的功能主要是依靠相变材料的在相变过程中的吸热与放热来实现的。因此，相变材料的选择尤为重要，相变材料种类很多，形式各样，到目前为止，已发现的有6000种以上，相变材料按相变形式一般可以分为固-液相变、固-固相变、固-气相变和液-气相变，固-气相变和液-气相变在相变过程中会产生大量气体，体积变化大，在实际应用中很少被选用。而固-固相变体积变化小，对容器要求低，是实际应用中希望采用的相变类型，但存在成本高，导热性低的缺点。固-液相变材料的相变焓大，体积变化小，但是使用中有液体生成，易发生泄漏，因此必须将液体封装。
文献“相变储能纤维制备技术的研究进展，合成纤维工业，2011，34(3)：39-42”中记载有，相变纤维的加工方法有：中空纤维浸渍法、织物表面涂层法、微胶囊复合纺丝法、高分子接枝改性法和熔融复合纺丝法。中空纤维浸渍法是将中空纤维浸渍在相变材料溶液中，使纤维中空部充满相变材料，经干燥再利用特殊技术将纤维两端封闭。缺点是存在封端困难，要求中空纤维的内径较大，且相变材料易残留在纤维表面，易渗出析出。织物表面涂层法是把相变物质涂覆在织物表面，缺点是影响织物的透气性，而且不持久，难以循环使用。微胶囊复合纺丝法是将相变材料微胶囊添加到纺丝液中，通过喷丝板挤出制成纤维。这种方法成本高相变材料的有效含量不高。高分子接枝改性法操作复杂且相变材料有效含量低；熔融复合纺丝法存在低温相变物质的熔融粘度低，无可纺性等缺点。
中国发明专利(申请公布号CN 104911747A申请公布日2015.09.16)公开了一种弹性储能相变纤维及其制备方法，该弹性储能相变纤维，包括第一部分和第二部分，第二部分设于第一部分内部，第一部分由包含纺丝级聚合物在内的原料制成，纺丝级聚合物为聚氨酯或聚烯烃弹性体，第二部分由包含基体聚合物、相变介质、发泡剂偶氮二甲酰胺、活化剂氧化锌和助交联剂在内的原料制成，第二部分具有闭孔结构，相变介质分布于闭孔结构内和闭孔结构之间。该弹性储能调温纤维具有成本低、污染小、焓值高、储能调温能力强的优点，但是该专利中相变介质在相变的过程中会四处流动，导致相变介质在纤维中的分布不均匀，影响相变纤维的调温效果，而且，在制备该弹性储能相变纤维过程中，相变介质往往较难均匀地分布在第二部分中。
发明内容
本发明的目的是提供一种相变储能纤维及其制备方法，该方法简单，成本低，制得的相变储能纤维相变焓大，调温效果均匀。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种相变储能纤维，其中，相变储能纤维为皮芯结构，皮芯结构包括皮层与芯层，皮层原料为热塑性聚合物；芯层原料为热塑性聚合物、黏土矿物粉体与相变材料的混合物。
进一步地，所述芯层按按重量份数计，由热塑性聚合物60～90份、黏土矿物粉体5～20份、相变材料2～20份制成；所述黏土矿物粉体为凹凸棒土、高岭土和蒙脱土中的一种。
进一步地，所述热塑性聚合物为聚酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯中的一种；所述相变材料为熔点范围在20～40℃石蜡，和/或熔点范围在20～40℃多元醇类和/或熔点范围在20～40℃脂肪酸类。
更进一步地，所述20～40℃多元醇类为十六烷、十七烷、十八烷、十九烷与二十烷中的一种；所述20～40℃脂肪酸类为硬脂酸、癸酸与月桂酸中的一种。
本发明较好的方案是：所述相变材料为熔点在20～40℃的石蜡与十八烷按重量份数比为1:1～2的混合物。
一种上述的相变储能纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)制备芯层原料：
按重量份数计，取相变材料2～20份，黏土矿物粉体5～20份，将称得的相变材料与黏土矿物粉体在真空条件下超声震荡混合均匀，然后置于真空烘箱中制得复合相变材料；取热塑性聚合物60～90份与制得的复合相变储能材料混合均匀，即制得芯层原料；
2)制备相变储能纤维：
热塑性聚合物作为皮层原料，皮层原料和芯层原料采用复合纺丝机熔融纺丝，纺制成皮芯结构的相变储能纤维。
进一步地，所述步骤2)中皮层原料与芯层原料的重量比为1:4～4:1。
进一步地，所述步骤2)中熔融纺丝的工艺温度为200～300℃。
进一步地，所述黏土矿物粉体为凹凸棒土、高岭土和蒙脱土中的一种；所述热塑性聚合物为聚酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯中的一种；所述相变材料为熔点在20～40℃的石蜡与十八烷按重量份数比为1:1～2的混合物。十八烷与石蜡制成的混合相变材料具有的相变焓更大。
进一步地，所述超声震荡温度为60～80℃，振荡时间为40～60min，所述真空烘箱温度为60～80℃，置于真空烘箱的时间为12～24h。
黏土矿物，为一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物。其具有链层状结构，颗粒极细，比表面积很大，具有离子交换性、强吸附性、吸水性、吸附脱色性。利用黏土矿物的强吸附性，将相变材料吸附在黏土矿物的表面，一方面使相变过程在受约束的环境-黏土矿物内进行，有效地防止相变过程中液相的相变材料随意流动和渗漏，导致调温效果不均匀的现象；另一方面，强吸附性的黏土矿物可以较大地增加相变材料的含量，增大相变焓，提高调温效果。
本发明采用的熔点在20～40℃石蜡，十六烷、十七烷、十八烷、十九烷与二十烷，硬脂酸、癸酸与月桂酸均购自Alfa Aesar进口公司，其中熔点在20～40℃的石蜡的货号为CAS8002-74-2。以下实施例中所述的石蜡均为20～40℃的石蜡。
本发明的优点在于：
1，本发明采用黏土矿物粉体与相变材料制成复合相变材料，一方面使相变过程在受约束的环境-黏土矿物内进行，有效地防止相变过程中液相的相变材料随意流动和渗漏，导致调温效果不均匀的现象；另一方面，强吸附性的黏土矿物可以较大地增加相变材料的含量，增大相变焓，提高调温效果。
2，黏土矿物粉体虽然能吸附相变材料，但是常用的混和的方法不能将相变材料紧紧地吸附在黏土矿物粉体的表面，而且吸附的量也不多，本发明采用真空超声震荡以及真空烘干的方法，在真空的作用下，相变材料能最大量地紧密吸附在黏土矿物粉体的表面。
3，将复合相变材料与热塑性聚合物混合作为芯层，热塑性聚合物作为皮层，制成皮芯结构，这种皮芯结构一方面进一步包住芯层的相变材料，进一步防止泄漏的现象，另一方面，这种结构断裂强度和断裂延伸度较高，抗疲劳强度和耐磨性能都比较好，防止意外情况下发生断裂，相变材料外漏。
4，凹凸棒土、高岭土和蒙脱土以及相变材料的成本低廉，对人体无毒，安全可靠，并且制备方法操作简单，可大规模生产。
5，制备得到的相变储能纤维的吸收峰值温度最高为39.8℃，放热峰值温度最低为21.8℃，熔融/结晶相变焓大，这种相变储能纤维应用在与人体接触的衣物上，当进入寒冷的环境中，相变材料凝固，放热，衣物的温度升高抵御寒冷；当进入严寒的环境中，相变材料熔化为液体，吸热，衣物的温度降低使人感觉凉爽。
附图说明
图1为实施例1相变储能纤维DSC曲线；
图2为实施例1相变储能纤维与空白纤维的温度上升曲线；
图3为实施例1相变储能纤维与空白纤维的温度下降曲线；
图4为实施例1相变储能纤维的扫描电镜图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。
为解决现有技术中存在相变材料分布不均匀，以及相变材料易发生渗漏，以及现有相变储能纤维相变焓小的问题，本发明提供一种相变储能纤维及其制备方法，利用黏土矿物粉体并采用真空超声震荡以及真空烘干的方法制得复合相变材料，该复合相变材料具有高含量的相变材料，并且相变材料分布均匀，并且并利用该复合相变材料制得皮芯结构的相变储能纤维，该相变储能纤维的相变焓大，而且力学性能较好，不易发生断裂而导致相变材料渗漏的现象。以下将通过具体的实施例来对本发明的相变储能纤维及其制备方法的优选方式进行详细地说明。
实施例1
一种相变储能纤维制备方法，具体步骤如下：
1)制备芯层原料：
按重量份数计，取熔融后的石蜡10份与十八烷10份混合均匀得到相变材料，凹凸棒土粉体20份，将称得的相变材料与凹凸棒土粉体在真空条件下超声震荡混合均匀，超声震荡温度为80℃，振荡时间为40min，然后置于真空烘箱中，真空烘箱温度为80℃，置于真空烘箱的时间为12h，制得复合相变材料；
取聚酯60份与制得的复合相变储能材料混合均匀，即制得芯层原料；
2)制备相变储能纤维：
取热塑性聚合物作为皮层原料，皮层原料与芯层原料的重量比为1:4，将皮层原料和芯层原料采用复合纺丝机熔融纺丝，熔融纺丝的工艺温度为200℃，最后纺制成皮芯结构的相变储能纤维。
实施例2
一种相变储能纤维制备方法，具体步骤如下：
1)制备芯层原料：
按重量份数计，取熔融后的石蜡5份与十八烷10份混合均匀得到相变材料，高岭土粉体5份，将称得的相变材料与高岭土粉体在真空条件下超声震荡混合均匀，超声震荡温度为60℃，振荡时间为60min，然后置于真空烘箱中，所述真空烘箱温度为60℃，置于真空烘箱的时间为24h，制得复合相变材料；
取聚酰胺80份与制得的复合相变储能材料混合均匀，即制得芯层原料；
2)制备相变储能纤维：
取聚酰胺作为皮层原料，将皮层原料和芯层原料采用复合纺丝机熔融纺丝，皮层原料与芯层原料的重量比为1:1，纺制成皮芯结构的相变储能纤维，熔融纺丝的工艺温度为300℃。
实施例3
一种相变储能纤维制备方法，具体步骤如下：
1)制备芯层原料：
按重量份数计，取十六烷20份，蒙脱土粉体20份，将称得的相变材料与蒙脱土粉体在真空条件下超声震荡混合均匀，超声震荡温度为70℃，振荡时间为50min，然后置于真空烘箱中，所述真空烘箱温度为70℃，置于真空烘箱的时间为18h，制得复合相变材料；
取聚丙烯60份与制得的复合相变储能材料混合均匀，即制得芯层原料；
2)制备相变储能纤维：
取聚丙烯作为皮层原料，将皮层原料和芯层原料采用复合纺丝机熔融纺丝，皮层原料与芯层原料的重量比为2:1，纺制成皮芯结构的相变储能纤维，熔融纺丝的工艺温度为250℃。
实施例4
一种相变储能纤维制备方法，具体步骤如下：
1)制备芯层原料：
按重量份数计，取癸酸2份，凹凸棒土粉体8份，将称得的相变材料与凹凸棒土粉体在真空条件下超声震荡混合均匀，超声震荡温度为65℃，振荡时间为55min，然后置于真空烘箱中，所述真空烘箱温度为65℃，置于真空烘箱的时间为20h，制得复合相变材料；
取聚乙烯90份与制得的复合相变储能材料混合均匀，即制得芯层原料；
2)制备相变储能纤维：
取聚乙烯作为皮层原料，将皮层原料和芯层原料采用复合纺丝机熔融纺丝，皮层原料与芯层原料的重量比为4:1，纺制成皮芯结构的相变储能纤维，熔融纺丝的工艺温度为200℃。
如图1所示，实施例1得到的相变储能纤维的吸热峰值温度为33.5℃，吸热量为256.8J/g,放热峰值温度为21.8℃，放热量为261.5J/g。
如图2所示，A为用热塑性聚合物通过复合纺丝机熔融纺丝，纺制成皮芯结构的空白纤维。B为实施例1得到的相变储能纤维，横坐标为时间，纵坐标为温度，由图2可知，升温时，为了升到同样的温度，相变储能纤维比空白纤维花费更长时间，即相变储能纤维没有空白纤维温度升的快；
如图3所示，A为用热塑性聚合物通过复合纺丝机熔融纺丝，纺制成皮芯结构的空白纤维。B为实施例1得到的相变储能纤维，横坐标为时间，纵坐标为温度，由图2可知，降温时，为了降到同样的温度，相变储能纤维比空白纤维花费时间短，即相变储能纤维比空白纤维温度降的快；
由图1至图3所示，相变储能纤维的调温效果显著。
由图4所示，相变储能纤维的扫描电镜图，可以看出相变储能纤维表面完整平滑，相变储能纤维完成的较好。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种相变储能纤维，其特征在于：所述相变储能纤维为皮芯结构，所述皮芯结构包括皮层与芯层，所述皮层原料为热塑性聚合物；所述芯层原料为热塑性聚合物、黏土矿物粉体与相变材料的混合物。
2.根据权利要求1所述的相变储能纤维，其特征在于：所述芯层按按重量份数计，由热塑性聚合物60～90份、黏土矿物粉体5～20份、相变材料2～20份制成；所述黏土矿物粉体为凹凸棒土、高岭土和蒙脱土中的一种。
3.根据权利要求1所述的相变储能纤维，其特征在于：所述热塑性聚合物为聚酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯中的一种；所述相变材料为熔点范围在20～40℃石蜡，和/或熔点范围在20～40℃多元醇类和/或熔点范围在20～40℃脂肪酸类。
4.根据权利要求3所述的相变储能纤维，其特征在于：所述20～40℃多元醇类为十六烷、十七烷、十八烷、十九烷与二十烷中的一种；所述20～40℃脂肪酸类为硬脂酸、癸酸与月桂酸中的一种。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的相变储能纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)制备芯层原料：
按重量份数计，取相变材料2～20份，黏土矿物粉体5～20份，将称得的相变材料与黏土矿物粉体在真空条件下超声震荡混合均匀，然后置于真空烘箱中制得复合相变材料；取热塑性聚合物60～90份与制得的复合相变储能材料混合均匀，即制得芯层原料；
2)制备相变储能纤维：
热塑性聚合物作为皮层原料，皮层原料和芯层原料采用复合纺丝机熔融纺丝，纺制成皮芯结构的相变储能纤维。
6.根据权利要求5所述的相变储能纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中皮层原料与芯层原料的重量比为1:4～4:1。
7.根据权利要求5所述的相变储能纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中熔融纺丝的工艺温度为200～300℃。
8.根据权利要求5所述的相变储能纤维的制备方法，其特征在于：所述黏土矿物粉体为凹凸棒土、高岭土和蒙脱土中的一种；所述热塑性聚合物为聚酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯中的一种；所述相变材料为相变材料为熔点范围在20～40℃石蜡，和/或熔点范围在20～40℃多元醇类和/或熔点范围在20～40℃脂肪酸类。
9.根据权利要求5或8所述的相变储能纤维的制备方法，其特征在于：所述相变材料为熔点在20～40℃的石蜡与十八烷按重量份数比为1:1～2的混合物。
10.根据权利要求5所述的相变储能纤维的制备方法，其特征在于：所述超声震荡温度为60～80℃，振荡时间为40～60min，所述真空烘箱温度为60～80℃，置于真空烘箱的时间为12～24h。
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