CN113874449A - 用于纺织品和泡沫的热管理的组合物和方法 - Google Patents

用于纺织品和泡沫的热管理的组合物和方法 Download PDF

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Abstract

本文描述的是包括微胶囊相变材料和导热添加剂的组合物，以及用于将组合物施加到基材(包括纤维、纺织品和泡沫)以对基材赋予有益的热管理特性的方法。经处理的基材在延长的时间段内触感凉爽。

Description

用于纺织品和泡沫的热管理的组合物和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月3日提交的美国临时申请62/828,920的优先权，所述申请的全部内容整体并入本文。
技术领域
本文描述的是对基材赋予热管理特性的组合物和方法。特别地，本文公开的组合物和方法提供了具有涂层的纤维、纺织品、泡沫和其它基材，所述涂层包括相变材料和导热添加剂两者。
背景
热管理特性在用于衣服、床上用品以及与个体接触的其它材料的基于纺织品和基于泡沫的产品中已变得期望的。这些材料可以吸收并保留来自个体的热量，这些热量可以对于个体产生不适感。已开发了在一段时间内散发热量并感觉凉爽的枕头和床垫。这些热管理特性通常由相变材料(“PCM”)提供，所述相变材料具有高熔化热，并且能够在已知的一致温度下储存和释放能量。对于服装和床上用品市场，石蜡材料或脂肪酯通常用作PCM。这些材料可以用涂层作为壳而微胶囊化，所述涂层例如三聚氰胺-甲醛、丙烯酸或聚氨酯涂层。
由PCM吸收的热量的量取决于存在的PCM的质量，并且因此通过PCM对纤维、纺织品或泡沫赋予的热管理特性受到可以加入到材料中的PCM质量的限制。可以加入到基材中的PCM的质量受到技术考虑的限制，所述技术考虑例如处理组合物的物理特性和施加技术。它还受到实际考虑的限制，所述实际考虑例如个体对成品衣服、床上用品或其它材料的感觉。任何微胶囊都增加PCM的有效质量，而不成比例地增加可以吸收的热量的量。微胶囊还通过过冷效应影响热特性。因而，已知的PCM处理的纤维、纺织品和泡沫可以仅在短时间内吸收足够的热量，以提供凉爽的触感或防止不适。
管理热特性的另一种方法是将高导热颗粒集成到具有低热导率的介质内。导热颗粒一般被注入到介质内。导热颗粒的微粒性质和它们掺入其内的介质的低传导性限制了复合材料的导热性的改善。
期望开发用于处理基材(包括纤维、纺织品和泡沫)的组合物和方法，以提供对于许多应用例如床垫、室内装饰品和服装的有效热管理。理想地，经处理的基材将在延长的时间段内提供吸热和/或凉爽的触感。
发明概述
本文提供的是用于提供具有期望的热管理特性的纤维、纺织品和/或泡沫的组合物和方法。该组合物是热管理制剂，其包括微胶囊PCM(“mPCM”)和导热添加剂(“TCA”)。该组合物可以局部施加于纤维、纺织品和泡沫，以对基材赋予期望的热管理特性。本文还公开了包括具有至少一种mPCM和至少一种TCA的涂层的基材，其可以用热管理制剂形成。
在下文说明书中阐述了一个或多个实施方式的细节。其它特征、目的和优点根据说明书、附图和权利要求将是显而易见的。
附图简要说明
图1是PCM(散装)和具有微胶囊的相同PCM的差示扫描量热计热分析图的叠加。
图2是用单独的mPCM、mPCM和氧化铝TCA、以及mPCM和氮化硼TCA中的一种处理的三种织物样品的热图的叠加。
图3是用PCM和不同百分比的氮化硼TCA处理的四种织物样品的热图的叠加。
发明详述
本文提供的是可以用于处理纤维、纺织品、泡沫和其它基材，以对基材赋予有益的热管理特性的组合物和方法。例如，如本文所述处理的纤维、纺织品和泡沫证实了在延长的时间段内的主动吸热以及散热。在一些情况下，主动吸热和散热导致基材在延长的时间段内触感凉爽。这种凉爽的感觉可以增加由基材制成的衣服、床上用品或其它产品的舒适度。
本文所述的热管理制剂和经处理的基材包括至少一种mPCM和至少一种TCA。热管理制剂可用于对基材如纤维、纺织品和泡沫赋予持久的热管理特性。可以通过各种方法将热管理制剂施加于基材，以形成经处理的基材或经涂布的基材。
与未处理或仅用mPCM处理的相同基材相比，本文所述的mPCM/TCA的组合显著且出乎意料地改善了经处理基材的热特性。例如，与缺乏TCA的已知纤维、纺织品和泡沫产品中的mPCM相比，当与TCA组合时，mPCM证实了改善的在液相和固相之间热循环的能力。作为一个例子，如下文更详细地描述的，TCA实际上提高了PCM的重结晶温度，这允许PCM再活化(重新凝固)，并且提供了比TCA不存在或以较低水平存在时更迅速地另外的冷却效应。另外，TCA增加了经处理的基材的导热性，而不损害mPCM或对mPCM吸热特性具有负面作用。
如本文使用的，除非另有说明，否则术语“纤维”意指适合于生产纺织品的任何天然或合成聚合物。纤维的例子包括但不限于苎麻；亚麻；纤维素股线，如棉或***；合成长丝，如聚酯、尼龙、人造丝和聚烯烃；动物衍生的股线，如羊毛和丝；以及其它此类丝状股线。纤维可以是连续的，例如具有无限长度。如本文使用的，除非另有说明，否则术语“纺织品”意指纤维的任何组合，包括但不限于编织纺织品、非编织纺织品或针织纺织品。纺织品的非限制性例子包括线、纱线、织物和布。如本文使用的，“泡沫”意指在固体材料内具有气穴的固体材料的框架。通常，固体材料是聚合物，例如但不限于聚氨酯、聚丙烯酸和/或胶乳聚合物，但是在一些实施例中，固体不必是聚合物。
当相变材料从物质的一个相变成另一个相时，它们能够储存并释放大量的能量。将本文所述的PCM胶囊化，以形成微胶囊PCM(“mPCM”)。当材料从固体变成液体时吸收热量，并且当材料从液体变成固体时释放热量。在一些实施例中，可用于本文所述的制剂和经处理的基材中的PCM具有10至90℃(例如，27℃至37℃、27℃至32℃、或27℃至29℃)的熔点。在其它实施例中，可用的PCM具有在所需操作温度范围内的熔点，其可以根据经处理基材的最终用途而改变。如通过ASTM D3418-12e1测量的，本文所述的PCM具有至少100J/g的熔化热。如通过ASTM D3418-12e1测量的，PCM任选地具有170-200J/g的熔化热。当与TCA作为表面处理施加于纺织品或泡沫时，某些mPCM对最终产品提供了改善的热管理特性。
对于其中经处理的基材与个体接触或被掺入与个体接触的产品内的纤维、纺织品和泡沫应用，施加mPCM可以通过提供凉爽的触感来增加对个体的舒适度。能够施加于纤维、纺织品或泡沫，并且由于来自穿着者或使用者的热量而经历相变的任何mPCM，可以用于本文所述的热管理制剂中。在一些实施方式中，可用于热管理制剂中的mPCM包括其中PCM包括水合盐；脂肪酸或其衍生物(例如，脂肪酯、脂肪醇和/或脂肪胺)；或烷烃(例如，各种油脂化学品和/或石蜡)的那些mPCM。任选地，PCM是具有12至20个碳原子的烷烃，例如十二烷、十四烷、十六烷、十八烷或二十烷。PCM可以源自于植物、动物或石油来源。PCM可以源自于生物可再生来源。
在一些实施例中，mPCM上的微胶囊涂层可以是丙烯酸、聚脲、聚氨酯、三聚氰胺-甲醛或其它涂层。PCM上的涂层例如三聚氰胺-甲醛涂层，防止PCM在熔化时分散，并且从而有助于在基材上的mPCM处理的耐久性。此外，将mPCM与粘合剂如聚氨酯和/或丙烯酸(聚丙烯酸酯)组合可以显著改善mPCM处理的纤维、纺织品或泡沫的耐洗性。
在一些实施例中，mPCM可以包括微胶囊油脂化学品。在一些实施例中，mPCM可以包括微胶囊十八烷。
如本文所述的TCA是具有高热导率，例如超过10W/m·K的热导率的无机材料。可用于本文所述的热管理制剂和经处理的基材中的导热添加剂的例子包括石墨、石墨烯、煅烧氧化铝、氧化锌和其它具有大于10W/m·K、例如至少20W/m·K、至少30W/m·K、至少40W/m·K、至少50W/m·K、至少60W/m·K、至少70W/m·K、至少80W/m·K、至少90W/m·K、至少100W/m·K的热导率的金属氧化物。在一些实施方式中，TCA具有例如大于95％、大于99％或大于99.5％的高纯度。在一些实施例中，TCA是具有大于95％、大于99％或大于99.5％的纯度的氧化锌或氧化铝。任选地，TCA是具有大于95％、大于99％或大于99.5％的纯度的煅烧氧化铝。
本文所述的TCA是最大粒度小于1mm(例如，0.001至1mm、0.001至0.1mm、0.001至0.01mm)的微粒材料。在一些实施例中，TCA是具有约10微米的尺寸的微粒材料。
为了实现经处理的基材的所需百分比加重率(add-on)和耐洗性，可以将TCA与粘合剂例如聚氨酯和/或丙烯酸粘合剂一起施加。在一些实施方式中，本文所述的热管理制剂包括约1％至约20％，例如约3％至约15％的粘合剂。
当如本文所述施加于纤维、纺织品或泡沫时，本文所述的TCA减轻未处理基材或仅用mPCM处理的基材的低导热性，改善了通过产品的热传递速率。此外，将TCA集成到经处理的基材内，通过减轻胶囊材料的效应增强了施加于相同基材的mPCM的效应，以增加熔化的PCM重新冻结(因此，再活化PCM)的温度和速率。
本文所述的mPCM和TCA可以配制为在水中的分散体，以形成用于处理基材例如纤维、纺织品和/或泡沫的热管理制剂。当基材用热管理制剂处理时，该制剂形成对基材赋予热管理特性的涂层。
在一些实施方式中，本文所述的热管理制剂包括mPCM、TCA和水。任选地，mPCM和TCA以mPCM:TCA为约1.5:1至约14:1的范围内的重量比存在。例如，mPCM和TCA可以以mPCM:TCA为约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的比率存在。在一些实施方式中，热管理制剂包括重量百分比为至少约10％、或至少约20％、或至少约30％的mPCM。例如，制剂可以包括重量百分比为约10％w/w至约60％w/w，例如约20％w/w至约60％w/w、或约30％w/w至约55％w/w、10％至约41％、约19％至约25％、或约38％至约41％的mPCM。在一些实施方式中，热管理制剂包括重量百分比为至少约1％、或至少约3％、或至少约5％的TCA。例如，制剂可以包括重量百分比为约1％至约25％，例如约3％至约12％的TCA。在一些实施方式中，制剂的余量是水。在替代实施方式中，该制剂可以进一步包括在本文中称为纺织助剂的其它化学品，以确保最佳应用和性能。
除mPCM和TCA之外，在一些实施方式中，本文所述的热管理制剂包括纺织助剂，例如柔软剂、粘合剂、消泡剂、增稠剂、分散剂或其它添加剂，其用于改善热管理制剂对基材的适用性、或改善最终处理的基材的物理/触觉特性。这些纺织助剂中的至少一些作为活性成分(例如聚合柔软剂)在溶剂(例如水或有机溶剂)中的溶液、分散体或乳状液商购可得。如本文使用的，所公开的热管理制剂中的纺织助剂浓度作为热管理制剂中的活性成分(在本文中称为助剂“固体”)百分比提供，与任何商业产品中的活性成分浓度无关，并且与辅助“固体”在所公开的热管理制剂中是溶解、分散还是乳化无关。
在本文所述的任何热管理制剂中，需要时，可以包括柔软剂或增塑剂，以改变基材的悬垂性和感觉。柔软剂或增塑剂的实施例包括硅酮和聚乙二醇醚，但也可以使用其它柔软剂或增塑剂。纺织品柔软剂可以以相对于总制剂0–5.0％(w/w)(例如0.05–5.0％)柔软剂固体的浓度包括在热管理制剂中。
在本文所述的任何热管理制剂中，可以包括粘合剂，以将涂层保持在基材上或增加经处理基材的耐洗性。在一些实施例中，粘合剂可以是基于苯乙烯、丙烯酸和/或氨基甲酸乙酯的粘合剂，但可以使用其它粘合剂。任选地，组分的组合可以用于粘合剂。例如，可以利用具有丙烯酸乳状液的聚氨酯分散体，以实现所需的耐洗性和处理规格。在一些实施例中，粘合剂的添加实现了对反复洗涤(在一些情况下，二十次或更多次洗涤)耐久的处理。粘合剂可以以相对于总制剂0–15％(w/w)(例如，4.5–11％、4.5–6％、8–15％)粘合剂固体的浓度包括在热管理制剂中。
在本文所述的任何热管理制剂中，可以包括杀生物剂，以防止微生物生长并延长制剂的使用寿命。可以使用适用于纤维、纺织品和泡沫的任何杀生物剂。杀生物剂可以以相对于总制剂0–1％(w/w)(例如，0–0.5％)杀生物剂固体的浓度包括在热管理制剂中。
在本文所述的任何热管理制剂中，可以包括消泡剂，以防止或减少在制剂制造期间或在处理基材期间泡沫的形成。在一些实施例中，消泡剂可以是硅酮或聚乙二醇醚，但可以使用其它消泡剂。消泡剂可以以相对于总制剂0–0.5％(w/w)(例如，0–0.15％)消泡剂固体的浓度包括在热管理制剂中。
在本文所述的任何热管理制剂中，可以包括增稠剂以增加制剂的粘度。增稠剂可以以相对于总制剂0–2％(w/w)(例如0–0.5％)增稠剂固体的浓度包括在热管理制剂中。
在本文所述的任何热管理制剂中，可以包括分散剂，以促进颗粒的分散或防止分散颗粒的沉降。分散剂可以以相对于总制剂0–10％(w/w)(例如，0–5％)分散剂固体的浓度包括在热管理制剂中。
其它试剂例如抗黄化剂、阻燃剂和/或防水剂，也可以包括在本文所述的任何热管理制剂中。除通过mPCM和TCA赋予的特性之外，这些试剂还可以对最终处理的纺织品赋予所需的特性。可替代地，可以在施加热管理制剂之前或之后，将这些试剂分开地施加于基材。
本文所述的热管理制剂在水中配制。它们可以是溶液、分散体、乳状液或其组合，这取决于制剂的各种组分的性质。除水之外，制剂任选地还可以包括一种或多种有机溶剂。例如，在一些实施例中，制剂可以包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙酰胺、乙酸、丙酮、甲乙酮或醇。
在一些实施例中，热管理制剂包括mPCM、TCA和剩余的水。例如，热管理制剂可以包括19至41重量％的mPCM(例如，19至25重量％、19至38重量％、25至41重量％、或38至41重量％)；3至12重量％的TCA；和剩余的水。
在一个实施方式中，热管理制剂包含mPCM:TCA的重量比为约1.5:1至约14:1、或约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的mPCM和TCA。
在一个实施方式中，热管理制剂包括：
(1)重量百分比为10％w/w至约60％w/w、或约20％w/w至约60％w/w、或约30％w/w至约55％w/w的mPCM；和
(2)重量百分比为约1％至约25％、或约3％至约12％的TCA。
在一个实施方式中，热管理制剂包括：
(1)mPCM:TCA的重量比为约1.5:1至约14:1、或约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的mPCM和TCA；
(2)重量百分比为至少约10％、或至少约20％、或至少约30％的mPCM；
(3)重量百分比为至少约1％、或至少约3％、或至少约5％的TCA；
(4)粘合剂固体相对于总制剂的重量百分比为0％至约15％、或约4.5％至约11％、或约4.5％至约6％、或约8％至约15％的粘合剂；
(5)总助剂固体相对于总制剂的重量百分比为0％至约15％、或约1％至约12％、或约5％至约12％、或约5％至约10％的柔软剂、消泡剂、增稠剂、分散剂或其它纺织助剂中的一种或多种；和
(6)余量的水。
在一个实施方式中，热管理制剂包括：
(1)重量百分比为10％w/w至约60％w/w、或约20％w/w至约60％w/w、或约30％w/w至约55％w/w的mPCM；
(2)重量百分比为约1％至约25％、或约3％至约12％的TCA；
(3)粘合剂固体相对于总制剂的重量百分比为0％至约15％、或约4.5％至约11％、或约4.5％至约6％、或约8％至约15％的粘合剂；
(4)总助剂固体相对于总制剂的重量百分比为0％至约15％、或约1％至约12％、或约5％至约12％、或约5％至约10％的柔软剂、消泡剂、增稠剂、分散剂或其它纺织助剂中的一种或多种；和
(5)余量的水。
在一个实施方式中，热管理制剂包括：
(1)mPCM:TCA的重量比为约1.5:1至约14:1、或约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的mPCM和TCA；
(4)粘合剂固体相对于总制剂的重量百分比为0％至约15％、或约4.5％至约15％、或约4.5％至约11％、或约4.5％至约6％的粘合剂；和
(5)总助剂固体相对于总制剂的重量百分比为0％至约15％、或约1％至约12％、或约5％至约12％、或约5％至约10％的柔软剂、消泡剂、增稠剂、分散剂或其它纺织助剂中的一种或多种。
本文还提供的是经处理的基材，其包括基材以及在基材上的涂层，其中所述涂层包括至少一种mPCM和至少一种TCA。在一些实施例中，基材是纤维。作为纤维的例子，基材可以包括天然纤维，如棉、羊毛、苎麻、亚麻、竹、黄麻、***或粘胶；合成纤维，如聚酯、尼龙、人造丝、聚烯烃；或天然纤维和合成纤维的共混物。在一些实施例中，基材是纺织品。作为纺织品的例子，基材可以是机织的或非机织的和/或可以包括一种或多种类型的纤维。在一些实施例中，基材是泡沫。作为泡沫的例子，基材可以包括固体聚合物泡沫，例如聚氨酯、聚丙烯酸或胶乳泡沫。涂层覆盖基材表面的至少一部分。涂层粘附到基材，通过化学键附着到基材，或以其它方式与基材结合。涂层中的mPCM和TCA对经涂布的基材赋予有益的热管理特性。作为一个例子，本文所述的涂层增强了经处理的基材的导热性。
关键且出乎意料的是，涂层中的TCA减轻了微胶囊对PCM的过冷效应。关于mPCM对纤维、纺织品和泡沫的标准应用，mPCM的热特性受PCM类型和用于微胶囊化的壳的影响。例如，PCM的壳降低了PCM从液相转变成固相必须达到的温度。因此，仅当mPCM冷却到低于纯的非胶囊PCM凝固所需的温度时，才发生这种转变。在基于mPCM的产品用于吸收热后，这种过冷效应可以防止或抑制PCM的再活化，即防止PCM从其液态转变回其固态。即使在最好的情况下，过冷效应也扩大PCM为液体的温度范围，并且将需要进行再活化。
作为过冷效应可能如何对经处理的基材具有负面影响的实际实施例，在28℃下熔化并在23-25℃下重结晶的PCM可能看起来对于处理床上用品是理想的，因此用户在睡眠时体验触感凉爽的效果，并且PCM每天重结晶，因此可以在随后的夜晚体验该效果。然而，如果PCM的微胶囊化将重结晶温度降低到20℃以下，则床上用品可能永远无法冷却到足以使PCM重结晶。在这种情况下，在mPCM已吸收了足够的热用于PCM完全熔化后，PCM将不重结晶，并且用户将不再体验到由固体PCM提供的凉爽效果。
过冷效应在图1中示出，所述图1是(a)散装十八烷(PCM)和(b)聚(甲基丙烯酸甲酯化乙烯基苯(methyl methacrylatedvinyl benzene))/十八烷微胶囊(微胶囊PCM)(AmornChaiyasat等人，Innovative bifunctional microcapsule for heat storage andantibacterial properties.International J.of GEOMATE，2018年5月，第14卷，第45期，第91-98页，图6)的差示扫描量热计热分析图的叠加。如图1中所示，微囊PCM(b)的结晶起始温度和结晶峰值温度低于散装PCM(a)的结晶起始温度和结晶峰值温度。因此，微胶囊化引起结晶温度的降低。
本文所述的涂层组合物将mPCM和TCA集成到同一涂层中。涂层组合物中的TCA通过增加mPCM的结晶起始温度来减轻微胶囊化的过冷效应，抵消由微胶囊化引起的结晶温度降低。特别地，与不含TCA的相同组合物相比，本文所述的经处理的基材的mPCM证实了结晶起始温度的增加和结晶峰值温度的增加。TCA的热导率越高，这种效应越明显。TCA的浓度越高，该效应也越明显。
mPCM和TCA的集成对mPCM的热特性产生显著影响，并且减少由于微胶囊化的过冷效应。通过减少过冷效应，PCM能够在更高的温度下重结晶，允许PCM再活化，并且提供了比不含TCA或具有更低水平TCA的涂层中更迅速地另外的冷却效应。
除了减轻PCM微胶囊化的过冷效应之外，TCA还增加了mPCM处理的织物的导热性，而不损害mPCM或对mPCM吸热特性具有负面作用。与mPCM施加于纺织品(如丙烯酸基或氨基甲酸乙酯基聚合物)中使用的标准有机基材料相比，TCA具有显著更高的热导率(两个数量级或更多)。由于远离接触经处理的基材的个人的改善热传输，导热性的增强可以促成一般的凉爽感。
与未涂布的基材或仅涂布有mPCM的基材相比，涂层中mPCM/TCA的组合因此改善了经涂布的基材的热特性。由于通过本文所述的热管理制剂提供的改善，与缺乏TCA的已知纤维、纺织品和泡沫产品中的mPCM相比，用这些制剂处理的纤维、纺织品和泡沫的涂层中的mPCM证实了在液相和固相之间热循环的改善能力，并且更快速地再生。
在一些实施例中，mPCM和TCA可以以mPCM:TCA为1.5:1至14:1、或约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1范围内的重量比存在于基材上的涂层中。在一些实施方式中，涂层包括重量百分比为至少约10％、或至少约20％、或至少约30％、或至少约40％的mPCM。例如，涂层可以包括以约20至60重量％、20至51重量％、或50至55重量％的量的mPCM。在一些实施方式中，涂层包括重量百分比为至少约1％、或至少约3％、或至少约5％、或至少约7％的TCA。例如，涂层可以包括重量百分比为约5％至约25％、或约5％至约15％的TCA。
在一些实施例中，经处理的基材包括在至少一个外表面上具有涂层的纤维、纺织品或泡沫基材，其中所述涂层包括至少一种mPCM和至少一种TCA。在泡沫基材的情况下，涂层集中在泡沫的外表面上，因此mPCM和TCA也集中在泡沫的外表面上，而不是分布在泡沫各处。在一些实施例中，mPCM和TCA并不超过泡沫的表面渗透到泡沫内至任何可察觉的程度。mPCM/TCA涂层可以作为表面处理施加于泡沫基材。在一些实施例中，泡沫是在将涂层施加到泡沫的表面之前完全固化的聚合物泡沫。例如，泡沫可以是完全固化的聚氨酯泡沫。
在一些实施例中，除mPCM和TCA之外，基材上的涂层还可以包括其它纺织品处理化学品。例如，涂层可以包括柔软剂或增塑剂、粘合剂、增稠剂、杀生物剂、抗黄化剂、阻燃剂、防水剂或其他已知的纺织品处理剂。
在一个实施方式中，经处理的基材包括：
(1)包括至少一种纤维、纺织品或泡沫的基材；和
(2)在基材表面的至少一部分上的涂层，该涂层包括mPCM:TCA的重量比为约1.5:1至约14:1、或约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的mPCM和TCA。
在一个实施方式中，经处理的基材包括：
(1)包括至少一种纤维、纺织品或泡沫的基材；和
(2)在基材表面的至少一部分上的涂层，该涂层包括：
(a)重量百分比为10％w/w至约60％w/w、或约20％w/w至约60％w/w、或约30％w/w至约55％w/w的mPCM；和
(b)重量百分比为约5％至约25％、或约5％至约15％的TCA。
在一个实施方式中，经处理的基材包括：
(1)包括至少一种纤维、纺织品或泡沫的基材；和
(2)在基材表面的至少一部分上的涂层，该涂层包括：
(a)mPCM:TCA的重量比为约1.5:1至约14.1、或约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的mPCM和TCA；
(b)重量百分比为至少约10％、或至少约20％、或至少约30％、或至少约40％的mPCM；
(c)重量百分比为至少约1％、或至少约3％、或至少约5％、或至少约7％的TCA；和
(d)重量百分比为0％至约15％、或约4.5％至约15％、或约8％至约15％、或约4.5％的粘合剂。
在一个实施方式中，经处理的基材包括：
(1)包括至少一种纤维、纺织品或泡沫的基材；和
(2)在基材表面的至少一部分上的涂层，该涂层包括：
(a)重量百分比为10％w/w至约60％w/w、或约20％w/w至约60％w/w、或约30％w/w至约55％w/w的mPCM；
(b)重量百分比为约5％至约25％、或约5％至约15％的TCA；和
(c)重量百分比为0％至约15％、或约4.5％至约15％、或约8％至约15％、或约4.5％的粘合剂。
在一个实施方式中，经处理的基材包括：
(1)包括至少一种纤维、纺织品或泡沫的基材；和
(2)在基材表面的至少一部分上的涂层，该涂层包括：
(a)mPCM:TCA的重量比为约1.5:1至约14:1、或约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的mPCM和TCA；和
(b)重量百分比为0％至约15％、或约4.5％至约11％、或约4.5％至约6％、或约8％至约15％的粘合剂。
本文所述的经处理的基材可以通过将本文所述的热管理组合物施加于基材(包括纤维、纺织品和泡沫)而形成。在一些实施例中，基材包括天然纤维，如棉、羊毛、苎麻、亚麻、竹、黄麻、***或粘胶；合成纤维，如聚酯、尼龙、人造丝、聚烯烃；或天然纤维和合成纤维的共混物。在一些实施例中，基材包括纺织品，例如机织纺织品或非机织纺织品。在一些实施例中，基材包括固体泡沫，例如固体聚合物泡沫(例如固化的聚氨酯、聚丙烯酸酯或胶乳聚合物)。本文所述的热管理制剂可以施加于任何基材，任选地使用本文所述的方法之一。可替代地，经处理的基材可以通过将mPCM和TCA与基材结合的任何方法来制备。
在一些实施方式中，对基材赋予热管理特性的方法包括(a)将本文所述的热管理制剂施加到基材，并且(b)使基材上的制剂干燥。在一些实施方式中，干燥步骤可以包括使制剂固化。制剂可以通过任何已知方法施加，所述方法包括但不限于将基材浸渍到制剂浴中、将制剂喷涂到基材上、浸轧/轧点施加(pad/nip application)、背涂、吻合涂布、刮刀涂布、丝网印刷、液体泡沫的施加、或本领域技术人员已知的其它方法。
在一些实施方式中，如本文所述的热管理制剂可以作为浓缩的水溶液或分散体提供，所述浓缩的水溶液或分散体在用作处理基材的处理制剂之前用水稀释。另外或可替代地，在用于处理基材之前，浓缩的水溶液可以用有机溶剂例如甲醇、乙醇、2-丙醇或丙酮进一步稀释。
在将热管理制剂施加到基材之后，可以使基材干燥。如果提供足够的从制剂中蒸发水和任何其它溶剂能量，则可以根据各种方法进行干燥。使基材干燥任选地包括加热基材。例如，经处理的湿基材可以在加热至100℃至190℃、或任选地加热至130℃至160℃的烘箱中进行干燥。在一些情况下，使基材干燥可以通过使用干燥烘箱加速到少于10分钟。还可以将基材置于环境条件下，以随着时间的流逝干燥。
使用本文所述的热管理制剂处理织物的方法的一个实施例包括任选地用水稀释热管理制剂，并且充分混合(例如，持续约30分钟)。然后将稀释的热管理制剂从混合罐转移(例如，通过泵送)到浸轧浴(pad bath)，其使用再循环器来保持浴中悬浮的固体恒定。待涂布的织物首先通过浸轧浴，然后通过轧辊，以从织物中挤出过量的处理制剂。轧点压力可以变化，取决于所需的吸液率(wet pick-up)。通常轧点压力为约2.5至约4.0牛顿。在通过轧辊后，织物通过被传送通过多区烘箱而干燥，以去除水并将化学物质固化到织物内。干燥温度曲线可以根据具体的制剂化学物质和织物类型而改变，但通常的干燥温度曲线包括在约100℃至110℃将水排出的步骤，然后在约110℃至约150℃使粘合剂固化的步骤。经处理、干燥和固化的织物可以卷绕在辊上。干加重率值(dry add-on values)可以根据压出(punch-out)进行计算。
使用本文所述的热管理制剂处理泡沫的方法的一个例子包括任选地用水稀释热管理制剂，并且充分混合(例如，持续约30分钟)。通常，与纺织品应用相比，对于泡沫应用，热管理制剂将包括更少的水，即包括更高w/w百分比的固体。热管理制剂被分配到移动辊上，所述移动辊将mPCM和TCA转移到在传送带上移动的泡沫基材。可以通过使用间隙和速度设置控制来控制所施加的湿化学物质的量。在将湿制剂施加到泡沫之后，例如通过被传送通过IR烘箱使泡沫干燥且固化，所述IR烘箱去除水并使制剂固化。干燥温度曲线可以根据具体的制剂化学物质和泡沫类型而改变，但通常的干燥温度曲线包括在约100℃至110℃将水排出的步骤，然后在约110℃至约150℃使粘合剂固化的步骤。干加重率值可以根据压出进行计算。
用于处理纺织品或泡沫的替代方法是喷涂施加。
本文所述的热管理制剂可以与一种或多种其它处理组合物组合使用，以处理基材。一种或多种其它处理组合物可以在与热管理制剂的施加分开的施加步骤中施加到基材。在一些实施方式中，一种或多种其它处理组合物的施加可以在本文所述的热管理制剂的施加之前。在其它实施方式中，一种或多种其它处理组合物的施加可以在本文所述的热管理制剂的施加之后。
合适的多层仪器的说明性实施方式
如下文使用的，对热管理制剂或经处理的基材的任何提及应理解为对这些热管理制剂或经处理的基材每一个的提及(例如，“说明性实施方式1-4应理解为说明性实施方式1、2、3或4”。)。
说明性实施方式1是热管理制剂，其包含微胶囊相变材料(“mPCM”)、导热添加剂(“TCA”)和水。
说明性实施方式2是说明性实施方式1或3-16的热管理制剂，其中所述mPCM和TCA以PCM:TCA为约1.5:1至约14:1，例如约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的重量比存在于所述制剂中。
说明性实施方式3是说明性实施方式1-2或4-16的热管理制剂，其中所述mPCM以至少约10％w/w，例如至少约20％w/w、或至少约30％w/w的量存在于所述制剂中。
说明性实施方式4是说明性实施方式1-3或5-16的热管理制剂，其中所述mPCM以约10％w/w至约60％w/w，例如约20％w/w至约60％w/w、或约30％w/w至约55％w/w的量存在于所述制剂中。
说明性实施方式5是说明性实施方式1-4或6-16的热管理制剂，其中所述TCA以至少1％，例如至少3％或至少5％的量存在。
说明性实施方式6是说明性实施方式1-5或7-16的热管理制剂，其中所述TCA以约3％w/w至约25％w/w，例如约5％w/w至约12％w/w的量存在。
说明性实施方式7是说明性实施方式1-6或8-16的热管理制剂，其中所述mPCM包含具有约15℃至约40℃的熔点和170至260J/g的熔化热(如通过ASTM D3418-12e1测量的)的PCM。
说明性实施方式8是说明性实施方式1-7或9-16的热管理制剂，其中所述mPCM包含含有水合盐；脂肪酸或其衍生物；或烷烃如油脂化学品或石蜡的PCM。
说明性实施方式9是说明性实施方式1-8或10-16的热管理制剂，其中所述mPCM包含含有十八烷的PCM。
说明性实施方式10是说明性实施方式1-9或11-16的热管理制剂，其中所述TCA包含热导率大于10W/m·K的无机材料。
说明性实施方式11是说明性实施方式1-10或12-16的热管理制剂，其中所述TCA包含石墨、石墨烯、氧化锌或氧化铝(包括煅烧氧化铝)。
说明性实施方式12是说明性实施方式1-11或13-16的热管理制剂，其中所述TCA是包含小于1mm的最大粒度的微粒材料。
说明性实施方式13是说明性实施方式1-12或14-16的热管理制剂，其中所述TCA是包含0.001mm至0.010mm的平均粒度的微粒材料。
说明性实施方式14是说明性实施方式1-13或15-16的热管理制剂，其还包含粘合剂，任选地其中所述粘合剂包含苯乙烯、丙烯酸、苯乙烯-丙烯酸或氨基甲酸乙酯。
说明性实施方式15是说明性实施方式1-14或16的热管理制剂，其还包含柔软剂、消泡剂、增稠剂或分散剂。
说明性实施方式16是说明性实施方式1-15的热管理制剂，其还包含阻燃剂，任选地其中所述阻燃剂是有机磷酸酯。
说明性实施方式17是对基材赋予热管理特性的方法，其包括：使基材与任何前述说明性实施方式的热管理制剂接触；并且使所述基材干燥，其中所述基材是纤维、纺织品或泡沫。
说明性实施方式18是说明性实施方式17或19-20的方法，其中使基材接触包括浸渍、喷涂、浸轧/轧点施加、背涂、吻合涂布、刮刀涂布或丝网印刷。
说明性实施方式19是说明性实施方式17-18或20的方法，其中使基材干燥包括加热基材。
说明性实施方式20是说明性实施方式17-19的方法，其还包括在使基材与热管理制剂接触之前，稀释浓缩的热管理制剂以形成热管理制剂。
说明性实施方式21是经处理的基材，其包括基材以及在所述基材表面的至少一部分上的涂层，其中所述涂层包含至少一种微胶囊PCM和至少一种TCA。
说明性实施方式22是说明性实施方式21或23-42的经处理的基材，其中所述PCM和TCA以PCM:TCA为约1.5:1至约14:1，例如约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的重量比存在于所述涂层中。
说明性实施方式23是说明性实施方式21-22或24-42的经处理的基材，其中所述涂层包括至少约10％w/w，例如至少约20％w/w、或至少约30％w/w的量的PCM。
说明性实施方式24是说明性实施方式21-23或25-42的经处理的基材，其中所述涂层包括约10％w/w至约60％w/w，例如约20％w/w至约60％w/w、或约30％w/w至约55％w/w的量的PCM。
说明性实施方式25是说明性实施方式21-24或26-42的经处理的基材，其中所述涂层包括至少1％w/w，例如至少3％w/w或至少5％w/w的量的TCA。
说明性实施方式26是说明性实施方式21-25或27-42的经处理的基材，其中所述涂层包括以约3％w/w至约25％w/w，例如约5％w/w至约12％w/w的量的TCA。
说明性实施方式27是说明性实施方式21-26或28-42的经处理的基材，其中所述基材包含纤维，其中所述纤维包含天然纤维、合成纤维或天然纤维和合成纤维的共混物；任选地其中所述天然纤维包含棉、羊毛、苎麻、亚麻、竹、黄麻、***或粘胶；任选地其中所述合成纤维包含聚酯、尼龙、人造丝、聚烯烃。
说明性实施方式28是说明性实施方式21-27或29-42的经处理的基材，其中所述基材包含纺织品，例如机织纺织品或非机织纺织品。
说明性实施方式29是说明性实施方式21-28或30-42的经处理的基材，其中所述纺织品包括多于一种类型的纤维。
说明性实施方式30是说明性实施方式21-29或31-42的经处理的基材，其中所述基材包含固体聚合物泡沫。
说明性实施方式31是说明性实施方式21-30或32-42的经处理的基材，其中泡沫包含聚氨酯、聚丙烯酸或胶乳泡沫。
说明性实施方式32是说明性实施方式21-31或33-42的经处理的基材，其中所述涂层粘附到所述基材的表面、通过化学键附着到所述基材的表面、或以其它方式与所述基材的表面结合。
说明性实施方式33是说明性实施方式21-32或34-42的经处理的基材，其中所述TCA使所述PCM开始重结晶的温度增加。
说明性实施方式34是说明性实施方式21-33或35-42的经处理的基材，其中所述mPCM包含具有约15℃至约40℃的熔点和170至260J/g的熔化热(如通过ASTM D3418-12e1测量的)的PCM。
说明性实施方式35是说明性实施方式21-34或36-42的经处理的基材，其中所述mPCM包含含有水合盐；脂肪酸或其衍生物；或烷烃如油脂化学品或石蜡的PCM。
说明性实施方式36是说明性实施方式21-35或37-42的经处理的基材，其中所述mPCM包含含有十八烷的PCM。
说明性实施方式37是说明性实施方式21-36或38-42的经处理的基材，其中所述TCA包含热导率大于10W/m·K的无机材料。
说明性实施方式38是说明性实施方式21-37或39-42的经处理的基材，其中所述TCA包含石墨、石墨烯、氧化锌或氧化铝(包括煅烧氧化铝)。
说明性实施方式39是说明性实施方式21-38或40-42的经处理的基材，其中所述TCA是包含小于1mm的最大粒度的微粒材料。
说明性实施方式40是说明性实施方式21-39或41-42的经处理的基材，其中所述TCA是包含0.001mm至0.010mm的平均粒度的微粒材料。
说明性实施方式41是说明性实施方式21-40或42的经处理的基材，其还包含粘合剂，任选地其中所述粘合剂包含苯乙烯、丙烯酸、苯乙烯-丙烯酸或氨基甲酸乙酯。
说明性实施方式42是说明性实施方式21-41的经处理的基材，其还包含阻燃剂，任选地其中所述阻燃剂是有机磷酸酯。
实施例
下文实施例旨在进一步说明本文所述的方法和化合物的某些方面，并不旨在限制权利要求的范围。差示扫描量热法在TA Instruments DSC 250上进行，使用10℃/分钟的扫描速率，并使用5mg样品。
这些实施例中的所有百分比都按基于总制剂的重量计，除非另有特别说明。
实施例1：用于纺织品或泡沫应用的mPCM-TCA制剂的制备
伴随混合将下述组分相继与40.25L水组合：30kg微胶囊石蜡mPCM(20微米平均粒度)、14kg丙烯酸粘合剂、1kg增稠剂、0.5kg分散剂、0.25kg消泡剂、8kg阻燃剂和6kg氧化铝粉TCA(10微米平均粒度，99.5％纯度)。mPCM和TCA以约5:1的重量比存在于制剂中。mPCM以约30％存在，且TCA以约6％存在。通过加入浓缩的氨水溶液将pH调节至pH＝9，并且将最终制剂混合约1小时。
实施例2：用于纺织品或泡沫应用的mPCM-TCA制剂的制备
伴随混合将下述组分依次与31.5L水组合：20.5kg微胶囊石蜡mPCM(20微米平均粒度)、23kg聚氨酯粘合剂、1.5kg增稠剂、1kg分散剂、0.25kg消泡剂、6kg阻燃剂和9kg氧化铝粉TCA(10微米平均粒度，99.5％纯度)。mPCM和TCA以约2.3:1的重量比存在于制剂中。mPCM以约21.9％存在，且TCA以约9.7％存在。通过加入浓缩的氨水溶液将pH调节至pH＝9，并且将最终制剂混合约1小时。
实施例3：用于纺织品应用的mPCM-TCA制剂的制备
基本上如实施例2中所述制备mPCM-TCA制剂。mPCM是微胶囊石蜡(5微米粒度)，并且TCA是氮化硼粉(10微米粒度，99％纯度)。对于7:1的mPCM:TCA重量比，mPCM和TCA分别以约42％w/w和约6％w/w被包括。粘合剂是苯乙烯-丙烯酸水基粘合剂，并且以约12％w/w被包括。为了证实与其它纺织品处理剂的相容性，包括约7.9％w/w的多磷酸铵。还添加了约0.2％w/w的杀生物剂，以改善制剂的贮存期限。分散剂和增稠剂以与实施例2中描述的相同的量加入。将氢氧化铵(NH4OH)(48％)加入组合物中，以将pH调节至9.0。在调节pH后，将组合物混合约1小时。
实施例4：用mPCM-TCA热管理制剂处理织物
将实施例1中描述的热管理制剂用水以40％制剂/60％水的比率稀释，并且在混合罐中充分混合30分钟。然后将稀释的热管理制剂从混合罐泵送到生产框架上的浸轧浴。浸轧浴使用再循环器来保持浴中的固体恒定。待涂布的织物首先通过浸轧浴，然后通过轧辊，以从织物中挤出过量的处理制剂。轧点压力为约3.0至约3.7牛顿。在通过轧辊后，织物通过被传送通过多区烘箱干燥，以去除水并将化学物质固化到织物内。干燥温度曲线包括在约100℃至110℃将水排出的步骤，然后在约110℃至约130℃使粘合剂固化的步骤。将经处理、干燥和固化的织物卷绕在辊上。干加重率值根据压出计算为15％w/w。
实施例5：用mPCM-TCA热管理制剂处理泡沫
实施例2中描述的热管理制剂无需稀释而使用并分配到移动辊上，所述移动辊将mPCM和TCA转移到在辊下方的传送带上移动的泡沫片。通过使用间隙和速度设置控制来优化湿化学物质的量。在将湿制剂施加到泡沫之后，将泡沫传送通过IR烘箱，其去除水并使制剂固化。干燥温度曲线包括在约100℃至110℃将水排出的步骤，然后在约110℃至约130℃使粘合剂固化的步骤。
实施例6：包括氧化铝作为TCA的经处理的织物样品的热分析
使用差示扫描量热法分析基于聚酯的床垫布织物(mattress ticking fabric)的三种样品，所述样品各自用本文所述的包括mPCM和TCA的热管理制剂进行处理。每种样品用包括约32％w/w微胶囊十八烷(20微米平均粒度)作为PCM和约6％w/w至约24％w/w氧化铝(10微米粒度，99.5％纯度)作为TCA的制剂进行处理，如表1中所示。每种热管理制剂还包括20％的丙烯酸粘合剂和余量的水。来自这些样品的热分析的数据概括于表1中。结晶峰起始温度随着氧化铝的百分比增加而增加。
表1
Figure BDA0003371362250000211
实施例7：包括氮化硼作为TCA的经处理的织物样品的热分析
如上文实施例6中解释的，使用差示扫描量热法分析基于聚酯的床垫布织物的四种样品，所述样品各自用本文所述的包括mPCM和TCA的热管理制剂进行处理。每种样品用包括约32％w/w微胶囊十八烷(20微米平均粒度)作为PCM和约6％w/w至约24％w/w氮化硼(20微米粒度，99％纯度)作为TCA的制剂进行处理，如表2中所示。每种热管理制剂还包括20％的丙烯酸粘合剂和余量的水。来自这些样品的热分析的数据概括于表2中。
表2
Figure BDA0003371362250000221
图2比较了仅用PCM处理，但其它方面与样品1-7完全相同的样品的热图；样品1(6％氧化铝TCA)和样品4(6％氮化硼TCA)。氮化硼TCA具有比氧化铝TCA更大的导热性。仅mPCM热分析图210具有其正好集中在21℃以下的高温结晶峰。随着TCA的包括，该峰移动到更高的温度。样品1(mPCM/氧化铝)热分析图220具有其正好集中在21℃以上的高温结晶峰，并且样品4(mPCM/氮化硼)热分析图230的高温结晶峰甚至更高。因此，导热性更强的TCA(氮化硼)对mPCM热特性具有更显著的作用。
因此，氧化铝TCA和氮化硼TCA两者均使微胶囊PCM的结晶起始温度增加。氮化硼TCA产生了双模式峰，其峰***高于氧化铝TCA，并且氮化硼***上方的峰面积(约62％)高于氧化铝(约57.8％)。
图3进一步证实了TCA对mPCM的热特性的影响。图3是样品4-7各自的热图的叠加。微胶囊PCM的结晶起始温度随着氮化硼TCA的百分比增加而增加。

Claims (24)

1.一种热管理制剂，其包含微胶囊相变材料(“mPCM”)、导热添加剂(“TCA”)和水，其中所述TCA包含热导率大于10W/m·K的无机材料，并且其中所述mPCM和所述TCA以PCM:TCA为约1.5:1至约14:1，例如约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的重量比存在于所述制剂中。
2.根据权利要求1所述的热管理制剂，其中所述mPCM以至少约10％w/w，例如至少约20％w/w、或至少约30％w/w的量存在于所述制剂中。
3.根据任一项前述权利要求所述的热管理制剂，其中所述TCA以至少约1％，例如至少约3％或至少约5％的量存在。
4.根据任一项前述权利要求所述的热管理制剂，其中所述mPCM包含含有水合盐、脂肪酸或其衍生物或烷烃如油脂化学品或石蜡的PCM。
5.根据任一项前述权利要求所述的热管理制剂，其中所述mPCM包含含有十八烷的PCM。
6.根据任一项前述权利要求所述的热管理制剂，其中所述TCA包含石墨、石墨烯、氧化锌或氧化铝，包括煅烧氧化铝。
7.根据任一项前述权利要求所述的热管理制剂，其中所述TCA是包含小于1mm的最大粒度的微粒材料。
8.根据任一项前述权利要求所述的热管理制剂，其中所述TCA是包含0.001mm至0.010mm的平均粒度的微粒材料。
9.根据任一项前述权利要求所述的热管理制剂，其还包含粘合剂，任选地其中所述粘合剂包含苯乙烯、丙烯酸、苯乙烯-丙烯酸或氨基甲酸乙酯。
10.根据任一项前述权利要求所述的热管理制剂，其还包含阻燃剂，任选地其中所述阻燃剂是有机磷酸酯。
11.一种经处理的基材，其包括基材以及在所述基材表面的至少一部分上的涂层，其中所述涂层包含至少一种微胶囊PCM和至少一种TCA，其中所述TCA包含热导率大于10W/m·K的无机材料。
12.根据权利要求11所述的经处理的基材，其中所述PCM和TCA以PCM:TCA为约1.5:1至约14:1，例如约2:1至约12:1、或约7:1至约10:1的重量比存在于所述涂层中。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的经处理的基材，其中所述涂层包括至少约10％w/w，例如至少约20％w/w或至少约30％w/w的量的PCM。
14.根据权利要求11至权利要求13中任一项所述的经处理的基材，其中所述涂层包括至少约1％w/w，例如至少约3％w/w或至少约5％w/w的量的TCA。
15.根据权利要求11至权利要求14中任一项所述的经处理的基材，其中所述基材包含纺织品，例如编织纺织品或非编织纺织品。
16.根据权利要求15所述的经处理的基材，其中所述纺织品包含多种纤维，所述纤维包含天然纤维、合成纤维或天然纤维和合成纤维的共混物；任选地其中所述天然纤维包含棉、羊毛、苎麻、亚麻、竹、黄麻、***或粘胶；任选地其中所述合成纤维包含聚酯、尼龙、人造丝、聚烯烃。
17.根据权利要求11至权利要求14中任一项所述的经处理的基材，其中所述基材包含固体聚合物泡沫。
18.根据权利要求17所述的经处理的基材，其中所述固体聚合物泡沫包含聚氨酯、聚丙烯酸或胶乳泡沫。
19.根据权利要求11至权利要求18中任一项所述的经处理的基材，其中所述涂层粘附到所述基材的表面、通过化学键附着到所述基材的表面、或以其它方式与所述基材的表面结合。
20.根据权利要求11至权利要求19中任一项所述的经处理的基材，其中所述TCA使所述PCM开始重结晶的温度增加。
21.根据权利要求11至权利要求20中任一项所述的经处理的基材，其中所述mPCM包含含有水合盐、脂肪酸或其衍生物或烷烃如油脂化学品或石蜡的PCM。
22.根据权利要求11至权利要求21中任一项所述的经处理的基材，其中所述TCA包含石墨、石墨烯、氧化锌或氧化铝，包括煅烧氧化铝。
23.根据权利要求11至权利要求22中任一项所述的经处理的基材，其中所述涂层还包含粘合剂，任选地其中所述粘合剂包含苯乙烯、丙烯酸、苯乙烯-丙烯酸或氨基甲酸乙酯。
24.根据权利要求11至权利要求23中任一项所述的经处理的基材，其中所述涂层还包含阻燃剂，任选地其中所述阻燃剂是有机磷酸酯。
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