CN104178843B - 一种相变共混纤维及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种相变共混纤维及其制备方法。纺丝原液中包括如下组分（按重量计）：相变物质、丝蛋白、水溶性物质、高分子聚合物、聚赖氨酸。其中水溶性物质为纤维素和甲壳素所组成，重量份比为10-14:3-6，纤维素为天然纤维素；高分子聚合物为聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯中的一种或组合；所述纤维的主要性能：相变温度为35-55℃，吸湿率15%-17%，湿断裂伸长率为64.8%-70.2%，蛋白质含量约为10-25%。本发明制得的纤维具有良好的干湿强度、吸湿性和服用穿着性。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变共混纤维及其制造方法，属于相变材料纺丝制备和应用领域。
背景技术
相变纤维是利用物质相变过程中释放或吸收潜热、温度保持不变的特性开发出来的一种蓄热调温功能纤维。相变即表现在气、固、液三态的变化以及结晶、晶型转烃、晶体熔融等物理过程，伴随着分子聚集态结构的变化，将PCM加入到纤维中，利用其固→液、固→固态的相变，在不同环境温度下表现出不同的吸、放热功能，并且保持温度相对恒定的特性，制得相变纤维。PCM有无机、有机、复合之分。
目前，相变储能材料(PCMs）已经成功的应用到被动式太阳房、节能建筑、空调系统、废热回收、调温纤维与纺织品等领域。Vigo等人自80年代中期开始将中空纤维浸渍在聚乙二醇PEG或塑晶材料的溶液或熔体中，使聚乙二醇或塑晶进入纤维内部，得到40-60℃相变纤维。这种纤维的内径较大，相变物质残留在纤维表面，因此，使用耐久性较差。目前已经商用化的微胶囊包覆相变材料或粉末。
近年来，通过静电纺丝方法制备复合相变纤维的研究也略有报道。McCann等首先报道了通过同轴静电纺丝方法制备了以长链烃为芯层，以TiO2-PVP为皮层的超细复合相变纤维。陈长中等报道了静电纺PEG/CA储能调温超细复合纤维的制备，并研究了纺丝溶液中不同PEG含量和分子量对复合纤维的形态和热学性能的影响。但同时具有良好的服用舒适性和相变性能的纤维或织物还缺乏相关成熟可产业化的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相变共混纤维，具有良好的干湿强度、吸湿性和服用穿着性。
本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：
一种相变共混纤维，其特征在于纺丝原液中含有相变物质为石蜡烃、多元醇类。
一种如前所述纤维，其特征在于纺丝原液中包括如下组分（按重量计）：
相变物质1-8份
丝蛋白6-9份
水溶性物质750-990份
高分子聚合物30-60份
聚赖氨酸10-15份
其中水溶性物质为纤维素和甲壳素所组成，重量份比为10-14:3-6，纤维素为天然纤维素；高分子聚合物为聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯中的一种或组合；聚赖氨酸的聚合度为25-30，其分子量为3780-4290；
所述纤维的主要性能：
相变温度为35-55℃，吸湿率15%-17%，湿断裂伸长率为64.8%-70.2%，蛋白质含量约为10-25%。
一种如前所述纤维，其特征在于天然纤维素聚合度为800-2000，a-纤维素含量>96%，聚乙烯醇或聚丙烯腈为均聚物或共聚物，其分子量为42000-90000。
一种如前所述纤维的制造方法，包括如下步骤：
1.配置溶液A
将丝蛋白直接溶解在磷酸／甲酸的混合溶剂内，磷酸／甲酸重量比例为50／80-30／70，搅拌均匀制备成溶液A；
2.配置溶液B
①在室温下，甲壳素经氢氧化钠水溶液碱化3小时生成碱甲壳素，压干后与CS2在0-30℃反应生成甲壳素磺酸酯，其中甲壳素、氢氧化钠和CS2的重量比为1:1:2；
②在室温下，棉浆粕经氢氧化钠水溶液碱化生成碱纤维素，压干后在室温下老化6-8小时，再与CS2反应0.5-2小时生成纤维素磺酸酯，其中棉浆粕与氢氧化钠水溶液的重量比为0.1—0.8:3—10；
③将所述甲壳素磺酸酯、纤维素磺酸酯、氢氧化钠和水进行共混，搅拌30-60分钟，加入高分子聚合物、聚赖氨酸进行混合，得到溶液B；
3.配置溶液C
将相变物质溶解在酮、有机酸或DMSO有机溶剂中，搅拌均匀，重量浓度为3-20%，制成溶液C；
4.混合溶液
将溶液A、B、C混合在室温下用磁力搅拌器搅拌均匀，经过滤、脱泡制成纺丝溶液；
5.静电纺丝
将配制好的纺丝溶液液装入带针头的20-25mL的注射器中，用覆盖着铝箔的滚筒作为接收装置，滚筒的转速为100-150r/min，喷丝头到滚筒的接收距离固定在7-18cm，纺丝溶液的喂给速率为2-4mL/h，纺丝电压为10-16kV；在室温条件下，将制备好的纤维毡放在真空干燥箱中干燥12-24h以去除残留的溶剂。
所述相变物质为石蜡烃、多元醇类，例如聚乙二醇（PEG）、季戊四醇、新戊二醇或戊丙三醇等。
采用重量比例为50／80-30／70的磷酸／甲酸混合溶液作为溶剂溶解丝蛋白能够很好的保障溶液的浓度和稳定性，使得制成的纤维具有理想的形态结构和结晶结构，有着良好的力学性能。采用特定工艺参数的静电纺丝能够稳定的保存相变物质的相变性能，从而使得共混纤维相变性能持久而稳定。
本发明所提供的共混纤维及其制备工艺，与现有技术相比具有如下优势：
1）本发明所制得的纤维比通常的相变纤维具有更优异的柔韧性能和强度，其在吸湿性、干湿断裂强度、干湿断裂伸长率显著优于现有技术所制得的相变共混纤维。本发明克服了相变共混纤维的生产工艺困难，生产出兼具蛋白质纤维及相变材料特性的纤维；
2）本发明原料明确，环境友好性高，具有很好的可纺性，适合产业化。
实施例：
下面通过实施例对本发明进行具体描述，但必须指出实施例只是对发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
测试方法
采用NicoletiS10傅立叶红外变换光谱仪（赛默飞世尔科技中国有限公司）对纤维进行红外光谱分析，KBr压片，波数范围为400～4000cm-1；采用SU1510扫描电子显微镜（日本日立公司）对静电纺相变复合纤维的形貌结构进行表征；采用DSCQ200差示扫描量热仪（沃特世科技上海有限公司）分析复合相变纤维的相变温度和相变焓值，测试样品的质量约为5mg，扫描温度范围为0~100℃，扫描速率为8℃/min，氮气流量为50mL/min。
实施例1
配置纺丝溶液，其中包括如下组分：
相变物质8份
丝蛋白9份
水溶性物质750份
高分子聚合物60份
聚赖氨酸10份
其中水溶性物质为纤维素和甲壳素所组成，重量份比为10:6，纤维素为天然纤维素；高分子聚合物为聚乙烯醇；聚赖氨酸的聚合度为25，其分子量为3780；
具体步骤如下：
1.配置溶液A
将丝蛋白直接溶解在磷酸／甲酸的混合溶剂内，磷酸／甲酸重量比例为50：70，搅拌均匀制备成溶液A；
2.配置溶液B
①在室温下，甲壳素经氢氧化钠水溶液碱化3小时生成碱甲壳素，压干后与CS2在0-30℃反应生成甲壳素磺酸酯，其中甲壳素、氢氧化钠和CS2的重量比为1:1:2；
②在室温下，棉浆粕经氢氧化钠水溶液碱化生成碱纤维素，压干后在室温下老化6-8小时，再与CS2反应0.5-2小时生成纤维素磺酸酯，其中棉浆粕与氢氧化钠水溶液的重量比为0.8:3；
③将所述甲壳素磺酸酯、纤维素磺酸酯、氢氧化钠和水进行共混，搅拌60分钟，加入高分子聚合物、聚赖氨酸进行混合，得到溶液B；
3.配置溶液C
将相变物质石蜡烃溶解在甲基乙基酮有机溶剂中，搅拌均匀，浓度为3-20%，制成溶液C；
4.混合溶液
将溶液A、B、C混合在室温下用磁力搅拌器搅拌均匀，经过滤、脱泡制成纺丝溶液；
5.静电纺丝
将配制好的纺丝溶液液装入带针头的20mL的注射器中，用覆盖着铝箔的滚筒作为接收装置，滚筒的转速为150r/min，喷丝头到滚筒的接收距离固定在7cm，纺丝溶液的喂给速率为4mL/h，纺丝电压为10kV；在室温条件下，将制备好的纤维毡放在真空干燥箱中干燥12-24h以去除残留的溶剂。
实施例2
配置纺丝溶液，其中包括如下组分：
相变物质5份
丝蛋白7份
水溶性物质800份
高分子聚合物30份
聚赖氨酸10份
其中水溶性物质为纤维素和甲壳素所组成，重量份比为12:5，纤维素为天然纤维素；高分子聚合物为聚醋酸乙烯；聚赖氨酸的聚合度为28，其分子量为4000；
具体步骤如下：
1.配置溶液A
将丝蛋白直接溶解在磷酸／甲酸的混合溶剂内，磷酸／甲酸重量比例为80：30，搅拌均匀制备成溶液A；
2.配置溶液B
①在室温下，甲壳素经氢氧化钠水溶液碱化3小时生成碱甲壳素，压干后与CS2在0-30℃反应生成甲壳素磺酸酯，其中甲壳素、氢氧化钠和CS2的重量比为1:1:2；
②在室温下，棉浆粕经氢氧化钠水溶液碱化生成碱纤维素，压干后在室温下老化6-8小时，再与CS2反应0.5-2小时生成纤维素磺酸酯，其中棉浆粕与氢氧化钠水溶液的重量比为0.6:7；
③将所述甲壳素磺酸酯、纤维素磺酸酯、氢氧化钠和水进行共混，搅拌30-60分钟，加入高分子聚合物、聚赖氨酸进行混合，得到溶液B；
3.配置溶液C
将相变物质多元醇类溶解在DMSO有机溶剂中，搅拌均匀，浓度为3-20%，制成溶液C；
4.混合溶液
将溶液A、B、C混合在室温下用磁力搅拌器搅拌均匀，经过滤、脱泡制成纺丝溶液；
5.静电纺丝
将配制好的纺丝溶液液装入带针头的20-25mL的注射器中，用覆盖着铝箔的滚筒作为接收装置，滚筒的转速为100-150r/min，喷丝头到滚筒的接收距离固定在7-18cm，纺丝溶液的喂给速率为2-4mL/h，纺丝电压为10-16kV；在室温条件下，将制备好的纤维毡放在真空干燥箱中干燥12-24h以去除残留的溶剂。
比较例
将聚丙烯腈中空纤维浸渍在PEG或塑晶材料的溶液或熔体中，使聚乙二醇或塑晶进入纤维内部，得到相变纤维。
实验结果
| 实施例1 | 实施例2 | 比较例 | |
| 相变温度（℃） | 35 | 55 | 40 |
| 相变焓（J/g） | 102.35 | 102.10 | 100 |
| 湿断裂强度（CN/dtex） | 2.5 | 3 | 1.5 |
| 湿断裂伸长率（%） | 64.8 | 70.2 | 52 |
| 吸湿率（%） | 17 | 15 | 10 |
本发明的纤维具有优良的温度调节性能，兼有可呼吸性和舒适性，耐久性。
Claims (1)
1.一种相变共混纤维的制造方法，其纺丝原液中含有相变物质为石蜡烃、多元醇类，包括如下步骤：
（1）配置溶液A
将丝蛋白直接溶解在磷酸／甲酸的混合溶剂内，磷酸／甲酸重量比例为50／80-30／70，搅拌均匀制备成溶液A；
（2）配置溶液B
①在室温下，甲壳素经氢氧化钠水溶液碱化3小时生成碱甲壳素，压干后与CS2在0-30℃反应生成甲壳素磺酸酯，其中甲壳素、氢氧化钠和CS2的重量比为1:1:2；
②在室温下，棉浆粕经氢氧化钠水溶液碱化生成碱纤维素，压干后在室温下老化6-8小时，再与CS2反应0.5-2小时生成纤维素磺酸酯，其中棉浆粕与氢氧化钠水溶液的重量比为0.1—0.8:3—10；
③将所述甲壳素磺酸酯、纤维素磺酸酯、氢氧化钠和水进行共混，搅拌30-60分钟，加入高分子聚合物、聚赖氨酸进行混合，得到溶液B；
（3）配置溶液C
将相变物质溶解在酮、有机酸或DMSO有机溶剂中，搅拌均匀，重量浓度为3-20%，制成溶液C；
（4）混合溶液
将溶液A、B、C混合在室温下用磁力搅拌器搅拌均匀，经过滤、脱泡制成纺丝溶液；
（5）静电纺丝
将配制好的纺丝溶液装入带针头的20-25mL的注射器中，用覆盖着铝箔的滚筒作为接收装置，滚筒的转速为100-150r/min，喷丝头到滚筒的接收距离固定在7-18cm，纺丝溶液的喂给速率为2-4mL/h，纺丝电压为10-16kV；在室温条件下，将制备好的纤维毡放在真空干燥箱中干燥12-24h以去除残留的溶剂。
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