CN117867712A - 一种辐射制冷纱线及其制备方法、辐射制冷织物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能纺织材料技术领域，特别涉及一种辐射制冷纱线及其制备方法、辐射制冷织物。该辐射制冷纱线包括芯层、以及包覆于所述芯层至少部分表面的皮层，其特征在于：所述芯层为强度大于0.35N/tex的纤维，所述皮层内具有多个微孔和反射填料，所述微孔为闭孔型结构。本发明通过设计特殊的纱线结构，可以得到反射率更高、质地更轻且力学性能更优的辐射制冷纱线及其织物。
Description
技术领域
本发明涉及功能纺织材料技术领域，特别涉及一种辐射制冷纱线及其制备方法、辐射制冷织物。
背景技术
随着制冷技术的迅速发展，基于个人热管理的零能耗辐射制冷技术成为满足人体个性化热舒适需求的最优选择。辐射制冷技术通过材料的选择和结构的设计，使物体在太阳辐射0.3μm-2.5μm波段实现高反射率，在人体热辐射7μm-14μm波段实现高发射率，极大地阻挡太阳辐射热量输入的同时使人体热量经过中红外大气窗口(8μm-13μm)辐射到太空冷源，有效地实现零能耗降温目的，成为满足热舒适需求的经济节能的方法。
目前的辐射制冷纤维的力学性能与轻质化之间难以兼顾。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中辐射制冷纤维的力学性能与轻质化难以兼顾，提供一种辐射制冷纱线及其制备方法、辐射制冷织物。
为了解决上述技术问题，本发明的第一方面提供一种辐射制冷纱线，包括芯层、以及包覆于所述芯层至少部分表面的皮层，所述芯层为强度大于0.35N/tex的纤维，所述皮层内具有多个微孔和反射填料，所述微孔为闭孔型结构。
本发明提供的辐射制冷纱线，其具有高强度的芯层和高太阳光谱反射率和大气窗口发射率的皮层；首先，本发明的皮层采用多孔+高反射粒子的皮层结构，其相较于仅添加有反射粒子的皮层结构具有更高的反射率，使得太阳光谱的反射和散射效率更高，同时，纤维本身的吸热更少。所述太阳光谱包含可见光、紫外光和红外光；其次，本发明的皮层结构因具有微孔结构，其具有更高的反射率和更低密度，可以实现辐射制冷效果更好，并且所得织物的单位克重更小，制得的织物更轻；更重要的是，相比于单一的多孔纤维结构，本发明的芯层采用高强度纤维作为骨架，并特别形成的是闭孔型结构的微孔，使得纱线的拉伸强度得到有效提高，不仅如此，相较于开孔结构，反射填料可以更多的分布于皮层靠近表面的区域，从而更进一步的提高了反射率；并且，由于采用的是闭孔型结构的微孔，使得该纱线织造形成的面料防水性能得到提高。
采用本发明提供的纱线制备面料，相比静电纺丝工艺制备的面料，可以实现更好或者至少相同的辐射制冷效果，然而，本发明所需的厚度更薄，生产工艺更加简易，并且可以可其他弹性纤维等进行混纺和编织，从而实现与传统的面料纤维加工过程的良好衔接，使用范围更广，可直接在已有的纺织设备进行进一步的加工。
在一实施例中，所述辐射制冷纱线的密度为0.3-1.1g/cm3，所述微孔的平均孔径为1-150μm；在一更佳的实施例中，所述辐射制冷纱线的密度为0.4-0.8g/cm3，所述微孔的平均孔径为10-80μm。纱线的密度和微孔的含量有关，纱线的密度越小，微孔含量越多，而热量被散射、反射的概率就越大，使太阳光谱的反射率增加，纱线的降温效果更好。同时，纱线的孔径均匀性及大小对光的反射也有较大影响，在孔径10-80μm时，光具有最大的反射率。
在一实施例中，所述辐射制冷纱线的纤度为30-3000D。
在一实施例中，所述皮层的厚度为30-800μm，所述芯层的直径为5-400μm；在一更佳的实施例中，所述皮层的厚度为50-600μm，所述芯层的直径为50-150μm。芯层和皮层采用不同材料，芯层采用强度较高，耐温性好的材料，皮层采用易发泡的弹性材料最佳。
在一更佳的实施例中，所述辐射制冷纱线制备的面料的太阳光谱反射率≥80％，所述皮层的大气窗口发射率≥85％。
本发明的第二方面提供一种辐射制冷纱线的制备方法，包含如下步骤：
将反射填料、聚合物树脂和其他助剂混合，得到混合料；
将所述混合料熔融发泡挤出并包覆于纤维表面，得到皮芯结构的辐射制冷纱线。
需要说明的是，将反射填料、聚合物树脂和其他助剂通过熔融发泡挤出并包覆在纤维表面中，也即在熔融包覆的同时进行发泡，所述发泡工艺有多种，例如包括但不限于超临界发泡、化学发泡、拉伸致孔等，并且可以通过调节发泡的工艺参数来调整皮层中微孔的比例及包覆层的厚度。
此外，本发明提供的制备方法相较于现有技术，其制备过程中无需使用溶剂刻蚀产生多孔结构，更加环保，同时具有更低的成本。
在一实施例中，所述纤维为单股或多股纤维材料加捻形成的连续长纤维；
所述纤维材料选自涤纶、丙纶、锦纶、腈纶、碳纤维、玻纤、芳香族聚酰胺共聚纤维、杂环族聚酰胺纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯硫醚纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种。
在一实施例中，所述反射填料选自TiO2、SiO2、BaSO4、SiC、CaCO3、ZnO中的至少一种；
所述聚合物树脂选自聚丙烯、氯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚己二醇、聚偏二氯乙烯、聚全氟乙丙烯、乙烯－四氟乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酯、聚氨酯醚、聚醚砜、聚酰胺、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-甲酸乙烯共聚物、乙烯和丙烯共聚物、乙烯和α烯烃共聚物、乙烯基弹性体、丙烯基弹性体、烯烃类热塑性弹性体、苯乙烯系热塑性弹性体中的至少一种；
较佳的，应对不同辐射制冷纱线的功能性需求，所述其他助剂可以是选自发泡剂、发泡助剂、紫外阻隔助剂、抗氧剂、抗菌剂、色粉、扩链剂中的一种或多种，以制得具备除前述效果外的其他功能的纱线。
在一实施例中，所述反射填料、聚合物树脂和其他助剂的重量比为(0.1-25):(70-99.8):(0.1-5)；在一更佳的实施例中，所述反射填料、聚合物树脂和其他助剂的质量比为(0.1-10)：(77-99.8):(0.1-3)。
本发明的第三方面提供一种辐射制冷织物，由上述的辐射制冷纱线或者上述方法制得的辐射制冷纱线织造而成。
所述织造方法包括但不限于针织、梭织和/或机织，也即可以将上的辐射制冷纱线通过针织、梭织和/或机织制得辐射制冷织物。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1为本发明一实施例提供的辐射制冷纱线的剖面结构示意图；
附图标记：
10、芯层；20、皮层；21、微孔；22、反射填料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种辐射制冷纱线，包括芯层10、以及包覆于所述芯层10至少部分表面的皮层20，所述皮层20内具有多个微孔21和反射填料22，所述微孔21为闭孔型结构。
所述辐射制冷纱线的制备方法如下：
将重量占比为4wt％的TiO2粒子、95.7wt％的热塑性聚氨酯(硬度90A)、0.2wt％的紫外阻隔剂uv328、0.1wt％的抗氧剂1010混合后通过双螺杆挤出机进行共混，双螺杆挤出机挤出温度设定为80/180/190/205/215/180～190℃，将混合后的包覆料加入包覆发泡挤出机，同时将超临界二氧化碳通过加压装置注入包覆发泡挤出机，超临界二氧化碳的比例为5％，熔体温度为150-160℃，口模温度为165℃，发泡挤出机的模具为环装模具，纤度为50旦，断裂强度为0.4N/tex的涤纶单丝长纤维从环装挤出模具中间穿过，通过挤出速度和纤维线速度，将包覆后纱线直径控制在0.6±0.05mm，纱线密度为0.5g/cm3；
将得到的辐射制冷纱线通过梭织工艺得到辐射制冷织物。
所得织物的孔隙率为2％，织物的厚度为1.0-1.2mm，所得织物的太阳光谱反射率为92％，所得织物的大气窗口发射率为94％，织物的克重为110g。
实施例2
将重量占比为4wt％的TiO2粒子、95.7wt％的热塑性聚氨酯(硬度90A)、0.2wt％的紫外阻隔剂uv328、0.1wt％的抗氧剂1010通过双螺杆挤出机进行共混，双螺杆挤出机挤出温度设定为80/180/190/205/215/180～190℃，将混合后的包覆料加入包覆发泡挤出机，同时将超临界二氧化碳通过加压装置注入包覆发泡挤出机，超临界二氧化碳的比例为8％，熔体温度为150-160℃，口模温度为165℃，发泡挤出机的模具为环装模具，纤度为50旦的涤纶单丝长纤维从环装模具中间穿过，通过调整挤出速度和纤维线速度，将包覆后纱线直径控制在0.6±0.05mm，纱线密度为0.4g/cm3；
将得到的辐射制冷纱线通过梭织工艺得到辐射制冷织物。
所得织物的孔隙率为2％，织物的厚度为1.0-1.2mm，所得织物的太阳光谱反射率为94％，所得织物的大气窗口发射率为94％，织物的克重为95g。
实施例3
将重量占比为4wt％的SiO2粒子、95.7wt％的热塑性聚氨酯(硬度90A)、0.2wt％的紫外阻隔剂uv328、0.1wt％的抗氧剂1010混合后通过双螺杆挤出机进行共混，双螺杆挤出机挤出温度设定为80/180/190/205/215/180～190℃，将混合后的包覆料加入包覆发泡挤出机，同时将超临界二氧化碳通过加压装置注入包覆发泡挤出机，超临界二氧化碳的比例为5％，熔体温度为150-160℃，口模温度为165℃，发泡挤出机的模具为环装模具，纤度为50旦，断裂强度为0.4N/tex的涤纶单丝长纤维从环装挤出模具中间穿过，通过挤出速度和纤维线速度，将包覆后纱线直径控制在0.6±0.05mm，纱线密度为0.5g/cm3；
将得到的辐射制冷纱线通过梭织工艺得到辐射制冷织物。
所得织物的孔隙率为2％，织物的厚度为1.0-1.2mm，所得织物的太阳光谱反射率为92％，所得织物的大气窗口发射率为94％，织物的克重为110g。
实施例4
将重量占比为4wt％的TiO2粒子、95.7wt％的热塑性聚氨酯(硬度90A)、0.2wt％的紫外阻隔剂uv328、0.1wt％的抗氧剂1010混合后通过双螺杆挤出机进行共混，双螺杆挤出机挤出温度设定为80/180/190/205/215/180～190℃，将混合后的包覆料加入包覆发泡挤出机，同时将超临界二氧化碳通过加压装置注入包覆发泡挤出机，超临界二氧化碳的比例为5％，熔体温度为150-160℃，口模温度为165℃，发泡挤出机的模具为环装模具，纤度为30旦，断裂强度为0.4N/tex的涤纶单丝长纤维从环装挤出模具中间穿过，通过挤出速度和纤维线速度，将包覆后纱线直径控制在0.4±0.05mm，纱线密度为0.5g/cm3；
将得到的辐射制冷纱线通过梭织工艺得到辐射制冷织物。
所得织物的孔隙率为2％，织物的厚度为1.0-1.2mm，所得织物的太阳光谱反射率为92％，所得织物的大气窗口发射率为94％，织物的克重为110g。
实施例5
将重量占比为4wt％的TiO2粒子、95.7wt％的热塑性聚氨酯(硬度90A)、0.2wt％的紫外阻隔剂uv328、0.1wt％的抗氧剂1010混合后通过双螺杆挤出机进行共混，双螺杆挤出机挤出温度设定为80/180/190/205/215/180～190℃，将混合后的包覆料加入包覆挤出机，纤度为50旦，断裂强度为0.4N/tex的涤纶单丝长纤维从环装挤出模具中间穿过，通过挤出速度和纤维线速度，将包覆后纱线直径控制在0.15±0.05mm，将聚合物发泡纤维放置在超临界二氧化碳装置中浸渍，超临界流体的条件为压力为10～20Mpa，温度为90℃。然后调整高压釜内的压力和温度，诱导皮层包覆料发泡，得到聚合物发泡纤维。纱线直径控制在0.6±0.05mm，纱线密度为0.5g/cm3；
将得到的辐射制冷纱线通过梭织工艺得到辐射制冷织物。
所得织物的孔隙率为2％，织物的厚度为1.0-1.2mm，所得织物的太阳光谱反射率为92％，所得织物的大气窗口发射率为94％，织物的克重为105g。
实施例6
将重量占比为4wt％的TiO2粒子、95.7wt％的热塑性聚氨酯(硬度90A)、0.2wt％的紫外阻隔剂uv328、0.1wt％的抗氧剂1010通过双螺杆挤出机进行共混，双螺杆挤出机挤出温度设定为80/180/190/205/215/180～190℃，将混合后的包覆料加入包覆发泡挤出机，同时将超临界二氧化碳通过加压装置注入包覆发泡挤出机，超临界二氧化碳的比例为8％，熔体温度为150-160℃，口模温度为165℃，发泡挤出机的模具为环装模具，纤度为1000旦的涤纶单丝长纤维从环装模具中间穿过，通过调整挤出速度和纤维线速度，将包覆后纱线直径控制在0.6±0.05mm，纱线密度为0.6g/cm3；
将得到的辐射制冷纱线通过梭织工艺得到辐射制冷织物。
所得织物的孔隙率为2％，织物的厚度为1.0-1.2mm，所得织物的太阳光谱反射率为89％，所得织物的大气窗口发射率为93％，织物的克重为115g。
实施例7
将重量占比为4wt％的TiO2粒子、95.7wt％的热塑性聚氨酯(硬度90A)、0.2wt％的紫外阻隔剂uv328、0.1wt％的抗氧剂1010通过双螺杆挤出机进行共混，双螺杆挤出机挤出温度设定为80/180/190/205/215/180～190℃，将混合后的包覆料加入包覆发泡挤出机，同时将超临界二氧化碳通过加压装置注入包覆发泡挤出机，超临界二氧化碳的比例为8％，熔体温度为150-160℃，口模温度为165℃，发泡挤出机的模具为环装模具，纤度为2700旦的涤纶单丝长纤维从环装模具中间穿过，通过调整挤出速度和纤维线速度，将包覆后纱线直径控制在0.9±0.05mm，纱线密度为0.4g/cm3；
将得到的辐射制冷纱线通过梭织工艺得到辐射制冷织物。
所得织物的孔隙率为2％，织物的厚度为1.3-1.5mm，所得织物的太阳光谱反射率为93％，所得织物的大气窗口发射率为95％，织物的克重为150g。
对比例1
将重量占比为4wt％的TiO2粒子、95.7wt％的热塑性聚氨酯(硬度90A)、0.2wt％的紫外阻隔剂uv328、0.1wt％的抗氧剂1010混合后加入包覆挤出机，纤度为50旦涤纶单丝长纤维从环装模具中间穿过，通过调整挤出速度和纤维线速度，将包覆后纱线直径控制在0.6±0.05mm，再将得到的辐射制冷纱线通过梭织工艺得到辐射制冷织物。
所得织物的孔隙率为2％，织物的厚度为1.0-1.2mm，所得织物的太阳光谱反射率为70％，所得织物的大气窗口发射率为95％，织物的克重为210g。
对比例2
白色棉质织物，其太阳光反射比为40％，大气窗口发射率为11％，克重180g。
测试例
将上述实施例和对比例制得的织物依照如下测试方法进行测试：
(1)太阳光反射率和大气窗口发射率：按照行业标准JG/T 235-2014《建筑反射隔热涂料》测试太阳光反射比和半球发射率，根据数据计算大气窗口(波长8-13um)的发射率。
(2)测试样品表面温度：测试采的样品表面温度，在晴天正午12:00，气温32℃，广州测试。
(3)密度：按照国家标准GB/T 30019-2013《碳纤维密度的测定》方法测试纱线的密度。
(4)克重：按照国家标准GB/T 4669-2008《纺织品机织物单位长度质量和单位面积质量的测定》方法测试织物的克重。
(5)断裂强度：按照国标《GB/T 14344-2008化学纤维长丝拉伸性能试验方法》测试纱线的断裂强度。
以上各实施例和对比例的降温测试见下表：
表1实施例和对比例测试表
实施例1和实施例2相比，实施例2的发泡倍率更高，皮层的微孔比例为40％比实施例1的微孔比例25％高15％，相应的微孔更多，对太阳光谱的散射和反射作用更明显，因此其反射率更高，达到94％。实施例1和实施例3相比，实施例3应用的填料粒子为SiO2，其反射性能比TiO2要低，但大气窗口发射率要高。实施例4和实施例1相比，实施例4选用更细的30D芯层纤维，包覆后的纱线直径为0.4mm，太阳光谱反射率和大气窗口发射率相同，纤维更加柔软和轻薄。实施例1和实施例5相比，采用非连续挤出发泡方法，同样可以得到相同的发泡率，其太阳光反射率和大气窗口发射率与实施例1相同。实施例6和实施例2对比，芯层采用旦数更大的增强纤维，所得复合纱线的断裂强度达到0.54N/tex，所制备的织物的强度更高，可用于抗风性要求高的大型帐篷或强度高布料领域。实施例7和实施例2相比，芯层采用旦数更大的增强纤维，皮层采用与实施例相近的发泡层，其复合纱线的强度达到0.62N/tex，同时反射率还可保持在93％，发射率达到95％，其降温效果和实施例2相近。对比例1与实施例1相比，对比例1未采用发泡工艺，仅添加反射粒子，所得织物的反射率仅有70％，辐射制冷效果明显低于实施例1，以上各实施例相比于对比例2，其辐射制冷效果明显，在太阳照射下，表面温度明显低于传统的白色棉织物。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种辐射制冷纱线，包括芯层、以及包覆于所述芯层至少部分表面的皮层，其特征在于：所述芯层为强度大于0.35N/tex的纤维，所述皮层内具有多个微孔和反射填料，所述微孔为闭孔型结构。
2.根据权利要求1所述的辐射制冷纱线，其特征在于：所述辐射制冷纱线的密度为0.3-1.1g/cm3，所述微孔的平均孔径为1-150μm。
3.根据权利要求1所述的辐射制冷纱线，其特征在于，所述辐射制冷纱线的纤度为30-3000D。
4.根据权利要求1所述的辐射制冷纱线，其特征在于：所述皮层的厚度为30-800μm，所述芯层的直径为5-400μm。
5.一种辐射制冷纱线的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
提供一纤维，所述纤维的强度大于0.35N/tex；
将反射填料、聚合物树脂和其他助剂混合，得到混合料；
将所述混合料通过发泡工艺包覆于纤维表面，得到皮芯结构的辐射制冷纱线。
6.根据权利要求5所述的辐射制冷纱线的制备方法，其特征在于：所述纤维为单股或多股纤维材料加捻形成的连续长纤维；
所述纤维材料选自涤纶、丙纶、锦纶、腈纶、碳纤维、玻纤、芳香族聚酰胺共聚纤维、杂环族聚酰胺纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯硫醚纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的辐射制冷纱线的制备方法，其特征在于：所述反射填料选自TiO2、SiO2、BaSO4、SiC、CaCO3、ZnO中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的辐射制冷纱线的制备方法，其特征在于：所述聚合物树脂选自聚丙烯、氯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚己二醇、聚偏二氯乙烯、聚全氟乙丙烯、乙烯－四氟乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酯、聚氨酯醚、聚醚砜、聚酰胺、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-甲酸乙烯共聚物、乙烯和丙烯共聚物、乙烯和α烯烃共聚物、乙烯基弹性体、丙烯基弹性体、烯烃类热塑性弹性体、苯乙烯系热塑性弹性体中的至少一种。
9.根据权利要求5所述的辐射制冷纱线的制备方法，其特征在于：所述反射填料、聚合物树脂和其他助剂的重量比为(0.1-25):(70-99.8):(0.1-5)。
10.一种辐射制冷织物，其特征在于：由权利要求1-5任一项所述的辐射制冷纱线或者权利要求6-9任一项所述的方法制得的辐射制冷纱线织造而成。
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