CN103741261B - 海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维及其制备方法,海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维由海藻酸钠和相变材料在交联剂和引发剂存在的条件下共聚后,凝固而成,其中海藻酸钠与相变材料的质量比为100:15~100:30;交联剂与相变材料的质量比为0.5:100~2:100;引发剂与相变材料的质量比为0.1:100~0.8:100。本发明利用双网络结构将相变材料在纤维中固定;双网络结构在保证功能化的同时,减少了纤维断裂强度损失;本发明能通过对反应条件的控制来改变聚乙二醇酯网络的交联程度,从而调节纤维相变储能调温性能、纤维强度和纺丝液加工性能之间的平衡,以满足实际加工和应用的需求。
Description
技术领域
本发明涉及海藻酸钙纤维技术,尤其涉及一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维及其制备方法。
背景技术
海藻酸钙属于海洋生物质材料,具有来源绿色,加工能耗低,对环境无污染且生物可降解的特点。原料的价格低廉和来源广泛使得海藻酸盐纤维在服装、医疗、室内装饰等领域具有极大的潜力。但是海藻酸盐制备出的海藻酸盐纤维强度低,同时呈现出脆性,这大大限制了海藻酸盐纤维在实际的应用。这些不利的因素限制了海藻酸盐纤维的应用领域,使得这一廉价材料不能广泛应用于生产生活中。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述现有海藻酸盐纤维强度低,限制了其应用的问题,提出一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,该纤维在具有良好的相变调温性能功能化的同时,最大程度保持了纤维的机械性能,具有广泛的应用前景。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,由海藻酸钠和相变材料在交联剂和引发剂存在的条件下共聚后,凝固而成,其中所述海藻酸钠与相变材料的质量比为100:15~100:30,优选的为100:30;所述交联剂与相变材料的质量比为0.5:100~2:100,优选的为1:100;所述引发剂与相变材料的质量比为0.1:100~0.8:100;优选的为0.4:100。
聚乙二醇作为有机相变材料的代表,具有相变潜热高、热稳定和相变温度可调节的突出优点,将聚乙二醇相变材料与海藻酸盐复合能提高能源的利用效率,还能缓和热能供给和需求失衡的矛盾。
本发明通过共价键交联固定聚乙二醇酯,将其转变为固-固相变材料,避免了相变材料相转变时体积和形态变化引起复合材料性能下降。同时,聚乙二醇酯共价交联网络对海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维机械性能的积极影响,使本相变储能纤维的力学性能损失远远小于其他功能化方法。经检测本发明海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,纤维熔融焓为80.8J/g,结晶焓为68.28J/g,强度损失最低为4.59%。
进一步地,所述相变材料为带乙烯基的相变大单体。所述相变大单体是指一类具有相变功能的高分子量的单体,以强调与通常所说单体(小分子)的区别。
进一步地,所述相变材料为聚乙二醇酯或聚乙二醇单甲醚酯。
进一步地,所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
进一步地,所述引发剂为过硫酸类引发剂。
进一步地,所述引发剂为过硫酸铵。
本发明的另一个目的还提供了一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的制备方法,该方法步骤简单、易行,能实现海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的工业化连续生产。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的制备方法,包括以下步骤:将海藻酸钠、相变材料、交联剂和引发剂按照重量配比溶解于水中,在45-60℃条件下进行共聚反应2.5-4h,引发聚乙二醇酯和交联剂的自由基聚合得到复合纺丝液(含有共价疏松网络的复合纺丝液),脱泡静置,将复合纺丝液挤出到凝固剂水溶液中凝固成型。
进一步地,所述共聚反应温度为55-60℃,最佳的共聚反应温度为60℃;所述共聚反应时间为2.5-3h,最佳的共聚反应温度为2.5h。
进一步地,所述凝固浴为氯化钙溶液。
进一步地,所述凝固浴为质量浓度为1-3%的氯化钙溶液,最佳的浓度为2%的氯化钙溶液。
本发明聚乙二醇酯网络的交联程度随着交联剂、引发剂浓度的变化而改变。当交联剂、引发剂浓度极低时,聚乙二醇酯网络交联点少,聚乙二醇固载效果差,未能交联的聚乙二醇酯在后续加工过程中流失,导致相变储能纤维的调温性能变差,失去功能性;当交联剂、引发剂浓度极高时,共价交联键合点增加,固载效果提高,但是随着交联程度的提高,聚乙二醇酯分子链的运动受限,相变焓降低,且网络变形能力差,导致复合纺丝液的粘度增加,使纺丝难度加大,不适于生产加工,失去利用价值。相变储能纤维中聚乙二醇酯网络的含量高,相变性能较好,但固载量有限,且成本提高;聚乙二醇酯网络的含量低,相变储能纤维的焓值低,相变性能较差,失去功能化效果。为了保证海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的性能,其物料配比控制在本发明限定的范围内。
本发明海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维配方科学、合理,其制备方法简单、易行,与现有技术相比较具有以下优点:
(1)、本发明纤维为双网络相变调温纤维,具有良好的相变调温性能功能化,同时最大程度保持了纤维的机械性能,具有广泛的应用前景;
(2)、聚乙二醇作为有机相变材料的代表,具有相变潜热高、热稳定和相变温度可调节的突出优点,将聚乙二醇相变材料与海藻酸盐复合能提高能源的利用效率,还能缓和热能供给和需求失衡的矛盾;
(3)、本发明纤维制备方法工艺简单,加工能耗低,能实现海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的工业化连续生产;
(4)、本发明利用共价交联网络固载聚乙二醇酯,相变性能、相变温度可量化调节,控制简单。
综上,本发明通过制备双网络相变储能海藻酸钙纤维,利用双网络结构将聚乙二醇酯大分子链固载,实现相变材料在纤维中的固定;同时双网络结构保证了功能化的同时纤维断裂强度损失减少;并能通过对反应条件的控制来改变聚乙二醇酯网络的交联程度,从而调节纤维相变储能调温性能、纤维强度和纺丝液加工性能之间的平衡,以满足实际加工和应用的需求。
附图说明
图1为本发明海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维制备方法的示意图;
图2为本发明海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的DSC曲线对比图;
图3为本发明海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的断裂强度对比图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明:
实施例1
本实施例公开了一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其制备方法如下:
将2g海藻酸钠、0.6g聚乙二醇酯、0.006gN,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.0024g过硫酸铵溶解于100ml去离子水中,在60℃的水浴锅中反应2.5h,静置脱泡,挤出至2%氯化钙溶液中,经过10min固化成型后取出纤维,牵伸、干燥后得到双网络相变储能海藻酸钙纤维。
本实施例海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的结构和制备过程如图1所示,海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维先通过共聚交联反应制备聚乙二醇酯共价交联网络,将聚乙二醇酯固定,不再发生流动,再形成海藻酸钙离子交联网络,两种网络形成互锁结构,进一步固定聚乙二醇酯相变材料。两种网络的相互作用,避免功能化带来的机械性能的大幅下降。
对纯聚乙二醇酯和海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的相变储能性能的分析如图2所示,a为纯聚乙二醇酯的DSC曲线,b为实施实例1得到的海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变纤维的DSC曲线,c为实施实例5得到的海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变纤维的DSC曲线。共价交联的方式固定聚乙二醇酯,随着共价交联点增多,聚乙二醇酯分子链运动能力下降,相变调温性能降低。交联度增加,聚乙二醇酯固定效果明显,但随着共价交联点增多,共价交联网络变形能力下降,海藻酸钠纺丝原液流动性下降,影响纺丝效果。
对纯海藻酸钙纤维和海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维(简称双网络纤维)的断裂强度的对比分析如图3所示,相对于其他功能化带来的机械性能的大幅下降,海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络结构机械性能损失小。共价交联网络的交联点增加,复合纤维的机械性能提高明显。
实施例2
本实施例公开了一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其制备方法如下:
将2g海藻酸钠、0.3g聚乙二醇酯、0.0015gN,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.0003g过硫酸铵溶解于100ml去离子水中,在45℃的水浴锅中反应2.5h,静置脱泡,挤出至2%氯化钙溶液中,经过10min固化成型后取出纤维,牵伸、干燥后得到海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维。
实施实例2得到的海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的熔融焓为30.94J/g,结晶焓为11.15J/g,纤维断裂强度为1.61cN/dtex。
实施例3
本实施例公开了一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其制备方法如下:
将2g海藻酸钠、0.4g聚乙二醇酯、0.002gN,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.0008g过硫酸铵溶解于100ml去离子水中,在60℃的水浴锅中反应3.5h,静置脱泡,挤出至2%氯化钙溶液中,经过10min固化成型后取出纤维,牵伸、干燥后得到海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维。
实施实例3得到的海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的熔融焓为31.01J/g,结晶焓为12.8J/g,纤维断裂强度为1.69cN/dtex。
实施例4
本实施例公开了一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其制备方法如下:
将2g海藻酸钠、0.5g聚乙二醇酯、0.0025gN,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.002g过硫酸铵溶解于100ml去离子水中,在50℃的水浴锅中反应4h,静置脱泡,挤出至2%氯化钙溶液中,经过10min固化成型后取出纤维,牵伸、干燥后得到海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维。
实施实例4得到的海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的熔融焓为54.7J/g,结晶焓为49.41J/g,纤维断裂强度为1.55cN/dtex。
实施例5
本实施例公开了一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其制备方法如下:
将2g海藻酸钠、0.6g聚乙二醇酯、0.009gN,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.0012g过硫酸铵溶解于100ml去离子水中,在55℃的水浴锅中反应3h,静置脱泡,挤出至2%氯化钙溶液中,经过10min固化成型后取出纤维,牵伸、干燥后得到海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维。
实施实例5得到的海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的熔融焓为57.04J/g,结晶焓为51.92J/g,纤维断裂强度为1.51cN/dtex。
本发明不局限于上述实施例所记载的海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维及其制备方法,原料配比的改变、反应温度的改变、反应时间的改变或凝固剂种类的改变均在本发明的保护范围之内。
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 (8)
1.一种海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其特征在于,由海藻酸钠和相变材料在交联剂和引发剂存在的条件下共聚后,凝固而成,其中所述海藻酸钠与相变材料的质量比为100:15~100:30;所述交联剂与相变材料的质量比为0.5:100~2:100;所述引发剂与相变材料的质量比为0.1:100~0.8:100;所述凝固所采用的凝固浴为氯化钙溶液;
所述相变材料为聚乙二醇酯。
2.根据权利要求1所述海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其特征在于,所述聚乙二醇酯为聚乙二醇单甲醚酯。
3.根据权利要求1所述海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其特征在于,所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
4.根据权利要求1所述海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其特征在于,所述引发剂为过硫酸类引发剂。
5.根据权利要求1或4所述海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维,其特征在于,所述引发剂为过硫酸铵。
6.权利要求1-5任意一项所述海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将海藻酸钠、相变材料、交联剂和引发剂按照重量配比溶解于水中,在45-60℃条件下进行共聚反应2.5-4h得到复合纺丝液,脱泡静置,将复合纺丝液挤出到凝固剂水溶液中凝固成型。
7.根据权利要求6所述海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的制备方法,其特征在于,所述共聚反应温度为55-60℃;所述共聚反应时间为2.5-3h。
8.根据权利要求6所述海藻酸钙/聚乙二醇酯双网络相变储能纤维的制备方法,其特征在于,所述凝固浴水溶液为质量浓度为1-3%的氯化钙溶液。
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