CN100340712C - 机能性纤维结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机能性纤维结构及其制作方法，其是以远红外线与负离子机能性粉体为基础，在该粉体粒子表面以溶液或气相沉积制作可吸收微波能量的纳米材料，将披覆纳米材料的机能性粉体粒子喷涂于纤维上，再以微波进行加热处理，利用微波吸收层受微波加热造成纤维表面熔融，进而将机能性粉体直接粘着于纤维上，以形成表面覆盖有机能性粉体的纤维。
Description
技术领域
本发明涉及一种机能性纤维结构及其制作方法，尤其是指一种可将远红外线、负离子或光触媒粒子直接熔接于纤维上所形成的结构及与其相关的制作方法。
背景技术
远红外线放射、负离子产生及光触媒作用等已成为现今重要的民生机能产物，其相关的应用也陆续商品化；机能性的产生缘自具有机能性的粉体粒子，具有机能性的粉体粒子与不同材料结合便形成不同的机能性产品，其中以纤维的结合形成的纺织产品使用最广，纤维中结合具有机能性的粉体粒子的方式有：表面粘着与混合于纤维中两种。前者是采用有机质粘着剂，以粘着方式制作机能性纤维，其是将具有机能性的粉体粒子粘结于纤维表面，但，在产品使用过程会因为洗涤导致机能性粉体粒子脱落，造成机能特性劣化；后者则将纤维加入具有机能性的原料中均匀混合后形成混合性纤维，该法虽可避免粒子脱落，但因为粉体粒子是埋在纤维之中，与空气接触面积少，对于如负离子、光触媒等需要藉粒子与空气接触来产生的机能特性，会相对的不如以粘着剂结合制作的特性，因此，一种将机能性粉体粒子固定在纤维表面，且可避免使用时洗涤造成特性损失，兼顾特性与耐用效果的机能性纤维及其制作方法，是目前现有技术所欠缺的。
负离子与光触媒功能产生的机制，是外加能量于材料上，使材料产生电子与电洞双载子，经由电子或电洞与空气中的水份与氧气产生作用，进而产生负离子，因此，产生负离子与光触媒功能的机能性粉体粒子必须与空气接触才能产生功能，而为使具有机能性的粉体粒子与空气接触常使用有机质粘着剂将粉体直接附着于物体表面，例如：专利JP2000336573、JP2003210072、JP200231720、JP2001123374等，均是采用有机质粘着剂将具有机能性的粉体粒子粘固于物体上，并藉由选用不同的有机质粘着剂以获得负离子功能提升的效果，然而，对于承受洗涤所可能产生的粉体粒子脱落，进而导致特性劣化的现象仍无法避免。
采用有机质粘着剂制作负离子与光触媒功能的纤维除了会有洗涤造成特性劣化外(参见图4a中的“binder”)，其使用的有机质粘着剂是一种化学药品，当应用于服饰类纺织品时，因直接与皮肤接触机会高，往往需考虑避免对皮肤所产生的伤害，再者，经由粘着剂的粘着后，纤维的柔软性会受到影响而变差，对纤维的物性保持比较不容易，因此，如何将机能性粉体粒子直接固着于纤维表面而不劣化纤维原有的物性，为目前仍待解决的技术问题。
此外，机能性粉体微细化制作，虽然可以增加机能特性，但因为粉体表面密度面积增加，容易造成粉体粒子的凝团现象，使得必须再添加有机质的分散剂来改善团聚现象，这样将再增加有机成分含量，对纤维物性保持与人体皮肤过敏性的避免更不容易，因此，对微细化的机能性粉体粒子，更需要发展一种不需粘着剂即可将粉体粒子接合于纤维表面的方法，以充分发挥微细粉体的高密度面积。
由此可见，上述现有的传统解决方法在实务上仍有诸多缺失，并非一良好的设计，而亟待加以改良。本案发明人鉴于上述传统方法所衍生的各项缺点，乃亟思加以改良创新，并经多年潜心研究后，终于成功研发完成本发明的机能性纤维结构及其制作方法。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种能够使机能性的粒子更稳固结合于纤维表面，形成耐洗涤的机能性纤维结构及其制作方法。
为了达到上述的目的，本发明主要是将具有机能性的粒子其表面制作一层或多层的微波吸收层，利用微波进行表面局部加热，使纤维与该具有机能性的粒子相互接触的一面产生相互熔融现象，进而使该具有机能性的粒子直接熔接于纤维表面且接合稳固。
其中所述的微波吸收层，为具有相对高微波场(如：介电或磁性)损失或金属质的纳米材料(如：纳米粒子或纳米结构)所形成，其表面层的晶相中除缺陷多外，粒子尺寸相对较小，因此，在微波场的作用下容易产生局部高温现象，导致与之接触的纤维表面瞬间熔融，进而产生稳固的接合效果。
其中所述的制作，是使用具有纳米尺度的表面披覆层，可使用微波能量制作成具多机能性的核壳结构粉体，同时因为表面粒子纳米化，使整体的负离子与光触媒特性大幅提高。
更具体地说，本发明所提供的一种机能性纤维结构的制作方法，其主要是以远红外线与负离子机能性粉体为基础，于该粉体粒子表面以溶液或气相沉积制作可吸收微波能量的纳米材料，之后将披覆纳米材料的机能性粉体喷涂于纤维上，再以微波进行选择性加热，利用微波吸收层受微波加热造成纤维表面熔融，进而将机能性粉体直接接合于纤维上，形成表面覆盖有机能性粉体的纤维。
其中，所述可吸收微波能量的纳米材料其制作是使用金属盐类或醇盐的溶液经喷涂或含浸披覆后，以微波能量进行处理而形成，该微波能量可以是使用频率1G Hz以上至毫米波的电磁波，该电磁波的功率在100W以上，优选300W-500W。
本发明中所述可吸收微波能量的纳米材料可为具有负离子产生的氧化物或光触媒作用的纳米级氧化物粒子，这里所述具有光触媒作用的纳米级氧化物粒子优选为粒径小于30纳米的二氧化钛或氧化锌等；本发明中可吸收微波能量的纳米材料也可为氧化物或金属纳米级粒子，或这些纳米粒子所形成的多孔性膜层结构。
综上所述，本发明所提供的机能性纤维结构及其制作方法，其主要是使用具有不同功能的远红外线、负离子或光触媒等具有机能性的粒子，设计粒子表面披覆于可吸收微波能量的材料，在外加微波能量的作用下，达到与纤维相互熔接的目的，进而形成具有机能性的粉体粒子直接附着于纤维表面。本发明以熔接取代有机质粘着剂，使具有机能性的粒子更稳固结合于纤维表面，进而达到形成耐洗涤的机能性纤维结构的目的。
本发明的机能性纤维结构及其制作方法，其中所述具有机能性的粉体粒子表面披覆有纳米级材料，在微波场的作用下提供快速结合该具有机能性的粉体粒子与纤维的效果，形成可永久粘结机能性粉体与纤维的机能性纤维结构，增加机能性纤维的洗涤承受性；同时，藉由控制粒子表面的材质与结构，进而获得提升机能特性的功效。
附图说明
图1a和图1b为本发明表面披覆微波吸收材料的粉体粒子与经微波作用后的示意图。
图2为本发明披覆纳米粒子的远红外线粒子经300W/30秒的微波作用后的显微结构示意图。
图3a和图3b分别为本发明披覆纳米二氧化硅的负离子粒子在纤维表面经微波100W与300W作用1分钟的示意图。
图4a和图4b为本发明微波能量处理的负离子披覆纤维经洗涤后负离子产生量的改变的示意图，其中图4a显示微波能量改变情况，图4b显示微波处理时间改变情况。
图5为本发明的以机能性粉体为基础在微波作用下快速产生表面熔融覆盖于纤维的流程示意图。
图6为利用微波熔接机能性粉体所形成的机能性纤维结构示意图。
具体实施方式
为使阅读者能够更为方便简捷了解本发明的其它特征内容与优点及其所达成的功效，现配合附图将本发明详细说明如下：
本发明提供了一种机能性纤维结构及其制作方法，其主要是使用具有核层及壳层的核壳结构粒子，该核层与壳层可为相同或不同的材质，其中，核层可为具有远红外线、负离子或光触媒特性的粒子，壳层可为具有高微波能量吸收效果的纳米级微细粒子所形成，使用的材料包括可产生负离子与光触媒功能的材料。
请参阅图5本发明的机能性纤维结构的制作方法的流程示意图所示，本发明的方法是以具有机能性的粉体粒子为基础，于该粉体粒子表面以溶液或气相沉积制作可吸收微波能量的纳米材料，该纳米材料为氧化晶相原料(如：氧化钛)，以形成可微波处理的具核壳层的结构粒子，经披覆纳米级的氧化钛前驱物后，形成粗糙的表面型态(如图1a所示)，经微波能量(如：2.45MHz/110W驻波作用10秒)处理后，表面型态明显改变，其中纳米级微细粒子熔融形成相对平滑的表面(如图1b所示)，说明具有核壳层的粉体粒子在微波作用下快速产生表面熔融的现象。
之后，将披覆纳米材料的机能性粉体喷涂于纤维上，再以微波进行选择性加热，借着粉体粒子表面所披覆的纳米级粒子吸收微波能量产生瞬间高热，造成粉体粒子与纤维接触面之间相互熔融，进而将机能性粉体直接固着于纤维上，形成表面覆盖有机能性粉体的纤维。经机能性粉体熔接后的机能性纤维结构如图6所示，其中粒子表面有可吸收微波能量而产生瞬间高温的纳米级披覆层，其与纤维接触形成熔接点，藉以永久性粘结粉体粒子与纤维。
此外，使用负离子或光触媒粒子形成的溶液，以喷涂方式在纤维表面形成披覆层，再以微波能量处理使纳米粉体瞬间增温，造成纤维表面熔融现象，达到粘附负离子与光触媒等机能性粉体粒子的效果，形成负离子与光触媒机能性纤维；又，该可吸收微波能量的纳米材料其制作是使用金属盐类或醇盐的溶液，经喷涂或含浸披覆后，以微波能量进行处理而形成。
所述的负离子材料，其是经由与空气间的相对运动(如：摩擦)产生负离子，粒径微细化可产生较多的接触面积，因此可以提供较多的负离子量；在负离子表面制作纳米级的同材质的粒子，可进一步提高粉体粒子的总表面积进而使负离子产生粘附的功能更佳；该负离子表面也可披覆不同材质的粒子(如：光触媒机能性粒子)，藉以增加负离子的功能，并同时提供熔接粉体粒子与纤维的媒介。
所述的负离子，其为微米或纳米级材料；所述的光触媒粒子，其为纳米级(粒径＜30纳米)材料(如：二氧化钛或氧化锌等)；经过微波能量的作用，因纳米级材料的微波高吸收率，导致粉体粒子的瞬间增温效果，进而提供粒子与纤维产生熔接，且由于微波能量作用时间短(约三分钟以下)，不会使得纳米粒子整个熔解，因此不会造成原机能特性劣化。
所述的微波能量，其为一种快速加热方法，且其可设计材料的微波能量吸收率，进而决定加热范围与加热温度，达到选择性加热的目的。
所述的纳米级氧化晶相原料，其是以化学法制作的高微波损失材料，该材料因结晶缺陷多产生微波能量损失高的特性，造成微波能量的高吸收效果，因此，相对于负离子粉体，本发明是利用纳米粒子具有相对高的微波能量吸收特性，使粉体粒子的表面披覆于纳米粒子层，而间接吸收大部分的微波能量，同时，将能量转化成热量形式，致使粉体粒子达到瞬间增温的效果，以达到粘附的目的。
请再参阅图2所示，其为本发明的披覆纳米粒子的远红外线粒子经300W/30秒的微波作用后的显微结构示意图，其是将固态合成制作的远红外线粉体，经直径3毫米的钇安定氧化锆磨球研磨，可获得粒径小于100纳米的粉体粒子，在研磨后的粒子表面，使用四丁醇钛为原料进行披覆，经500℃的热解后所形成具核壳结构的粉体粒子(如图1a和图1b所示)。
而以二氧化钛(TiO2)的光触媒粒子沉积在远红外线的粒子表面，其粒径为25纳米，利用纳米级的二氧化钛粒子作为高微波吸收的表面层材料，将披覆纳米粒子的远红外线粒子以喷涂方式披覆在纤维表面，经300W微波能量作用30秒，结果即如图2所示，远红外线粒子与纤维间有熔融产生的接合状况，纤维则仍保有原来状态。
使用研磨的负离子材料，其粒径在100至200纳米，表面披覆以四乙基硅烷热分解形成的二氧化硅纳米粒子，分别以100W与300W处理，结果如图3a所示，在低能量处理时，粉体表面已具有相对高温，因此可以将粉体粒子固着于纤维上，能量更高时，粉体产生熔解现象，进而形成类似片状的外观，而如图3b所示，藉由适当控制微波能量，以获得由表面产生高温至表面产生熔解的效果，这两种方式均可使粉体粒子固着于纤维上，但是，能量太高将会因熔解导致粒径增大，负离子产生的等效面积减小进而使负离子产生量下降。
微波能量对粉体附着强度，可进一步利用洗涤试验来确认，结果如图4a和图4b所示，其中分别改变微波能量(图4a的Y轴)与微波处理时间(图4b的X轴)，使用的粉体粒子为表面披覆二氧化硅的负离子粉体粒子，由图中的结果显示，增加微波能量与处理时间，可以明显改善洗涤所造成的特性劣化现象。
而远红外线粒子披覆的纤维经洗涤后，远红外线放射率变化不如负离子大，如图4a所示(图中的“FIR”)，远红外线放射率虽与表面积相关，但表面积变化的影响不如负离子特性，因此虽然洗涤过程会有粉体粒子的损失，因相对损失量小所以特性随洗涤时间的变化不大。
除远红外线外，以微波能量处理表面有光触媒的远红外线粒子的纤维，如披覆纳米二氧化硅的负离子一般，使用的能量太高时会有表面纳米粒子熔融产生的粉体粒子间粘结现象；不同能量处理的纤维经洗涤100小时后，以100W、200W与300W处理1分钟的纤维，远红外线放射率分别为88％、90％、91％，光触媒效果(次甲基蓝1M浓度经10分钟紫外线照射后的分解率)分别为93％、98％、71％，远红外线放射效果变化不大，光触媒效果则因能量过高产生晶粒成长过大而明显劣化，因此微波能量不宜过高以避免过大的晶粒成长。
综上所述，本发明主要是将机能性材料粒子进行改质形成表面具有可吸收微波能量的核壳结构粉体粒子，可吸收微波能量的材料由纳米级粒子或氧化物粒子的醇盐或盐类所形成，适当设计核壳机能的兼容性，可使核壳结构粒子固着于纤维上，同时可承受更多或更长时间的洗涤而不变化纤维机能的特性，而极具产业利用价值。
为使本发明更加显现出其进步性与实用性，现与传统技术作比较分析如下：
传统技术的缺失：
1、洗涤导致机能性粉体粒子脱落。
2、机能特性劣化。
3、与空气接触面积少。
4、特性不佳。
5、必须使用有机质粘着剂将粉体直接附着于物体表面。
6、纤维的柔软性会受到影响而变差。
7、对纤维的物性不容易保持。
8、容易伤害皮肤。
本发明优点：
1、改善洗涤所造成的特性劣化现象。
2、更稳固结合所述具有机能性的粒子于纤维表面。
3、增加负离子的功能。
4、提供熔接粉体粒子与纤维的媒介。
5、具选择性加热的特性。
6、损失量小。
7、特性随洗涤时间的变化不大。
8、不易伤害皮肤。
上述说明是针对本发明的一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的实施范围，凡未脱离本发明技艺精神所做的等效实施或变更，均应包含于本案的保护范围中。
Claims (8)
1、一种机能性纤维结构的制作方法，是以远红外线与负离子机能性粉体为基础，于该粉体粒子表面以溶液或气相沉积制作可吸收微波能量的纳米材料，之后将披覆纳米材料的机能性粉体喷涂于纤维上，再以微波进行加热，利用微波吸收层受微波加热造成纤维表面熔融，进而将机能性粉体直接接合于纤维上，形成表面覆盖有机能性粉体的纤维。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述可吸收微波能量的纳米材料其制作是使用金属盐类或醇盐的溶液经喷涂或含浸披覆后，以微波能量进行处理而形成。
3、如权利要求2所述的方法，其中所述微波能量为频率1GHz以上至毫米波，功率100W以上的电磁波。
4、如权利要求3所述的方法，其中所述电磁波功率为300W至500W。
5、如权利要求1所述的方法，其中所述可吸收微波能量的纳米材料为具有负离子产生的氧化物或光触媒作用的纳米级氧化物粒子。
6、如权利要求5所述的方法，其中所述光触媒粒子为粒径小于30纳米的二氧化钛或氧化锌。
7、如权利要求1所述的方法，其中所述可吸收微波能量的纳米材料可为氧化物或金属纳米级粒子，或这些纳米粒子所形成的多孔性膜层结构。
8、如权利要求1所述的方法，其中所述的机能性包括远红外线放射、负离子产生及光触媒作用。
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