CN105862157A - 一种隔热保温纤维材料及其制备方法、用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隔热保温纤维材料，包括纤维，所述纤维中搀杂微纳米孔隙材料的颗粒，所述微纳米孔隙材料的颗粒的粒度控制在10μm以下；所述微纳米孔隙材料包括含有微米或纳米孔隙的天然或人工无机材料、含有微米或纳米孔隙的天然或人工有机材料中的一种或两种的混合。本发明实施例的隔热保温材料采用纤维包裹微纳孔隙材料的结构因此具有良好的隔热保温作用，另外这种材料原料本身易得，成本低，各方面性能均较好，使用寿命长，经济效益可观。

Description

一种隔热保温纤维材料及其制备方法、用途

技术领域

本发明涉及功能性纤维制造领域，具体而言，涉及一种隔热保温纤维材料及其制备方法、用途。

背景技术

众所周知，热的传导方式有辐射、对流、传导三种方式。为了充分提高隔热保温性能，需要兼具阻隔辐射、限制对流、延长传导路径三个功能，才满足具有极其优异的隔热保温性能的条件。

目前，保温隔热纺织材料通常通过在夹层中充填羽绒、纤维、棉花的方法实现保温隔热目的。这种方法由于所充填的材料导热系数较高，充填量较大，使制备的保温隔热用品，如被子褥子服装帐篷。既厚又重，携带及其不方便，在极端高低温环境条件下还不能满足现实需要。

现有技术中，专利CN103160943A，专利CN102115920A,专利CA104153034B，专利CN102465453A,专利CN1177089C分别采用在纤维内搀杂金属或非金属纳米粒子、搀杂碳化锆粉体、纤维表面涂覆金属氧化物溶胶在高温固化、或添加纳米级陶瓷粉体来达到蓄热、保温作用。英国专利GB2303375A,日本特开平1-132816也公开了在纤维中添加具有隔绝红外隔热的包括氧化锆、硅酸锆、碳化硅、氧化锡等粉体颗粒用于制造保温纤维的方法。这些专利均记载了在纤维中搀杂了实心的纳米粒子，但是搀杂实心的纳米粒子只是在原有纤维材料的基础上具有一定的保温隔热性能，还是不能满足现代人对隔热保温性能的要求，另外这些方法本身操作复杂，操作条件苛刻，并不利于广泛应用进行大范围的推广，市场推广能力较弱。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种隔热保温纤维材料，这种隔热保温材料采用纤维包裹微纳孔隙材料的结构，这种结构由于孔隙内为空气，空气的导热系数只有0.025W/K.M，非常之低，因此具有良好的隔热保温作用，另外这种材料原料易得，成本低，各方面性能均较好，使用寿命长，经济效益可观。

本发明的第二目的在于提供该隔热保温纤维材料的制备方法，该制备方法具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和等优点。

本发明的第三目的在于提供隔热保温纤维材料的用途，利用此纤维材料制成的织布也同样具有优异的保温隔热性能，外部或人皮肤接触的部分还是原来的纤维原料，这样不会让消费者对这种新型材料产生不适应甚至过敏性，并且新增了隔热保温性这个优异性能，提高了纤维制品本身的产品附加值。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种隔热保温纤维材料，包括纤维，所述纤维中搀杂微纳米孔隙材料的颗粒，所述微纳米孔隙材料的颗粒的粒度控制在10μm以下；

其中，所述微纳米孔隙材料包括含有微米或纳米孔隙的天然或人工无机材料、含有微米或纳米孔隙的天然或人工有机材料中的一种或两种的混合。

现有技术中，为了增加纺织材料本身的保温隔热性能，通常的操作方法为通过在夹层中充填羽绒、纤维、棉花的方法实现保温隔热目的。这种方法由于所充填的材料导热系数较高，充填量较大，使制备的保温隔热用品，如被子褥子服装帐篷。既厚又重，携带及其不方便，在极端高低温环境条件下还不能满足现实需要。还有一种方式是在纤维中搀杂了实心的纳米粒子，但是这种搀杂实心纳米粒子的做法只是在原有纤维材料的基础上具有一定的保温隔热性能，还是不能满足现代人对隔热保温性能的要求，因此本领域技术人员在功能性材料方面又做了大量的开发研究，也有相关记载是关于在纤维中添加微米或纳米孔隙材料的报道的，但是由于微米或纳米孔隙材料自身强度较弱，很多保温材料制备时都混如不同的纤维，增加强度。可是这种方法制得的材料只是将纤维和微纳米材料进行了简单的混合，没有以纤维包裹微纳孔隙材料，因此隔热保温性能以及纤维材料本身的物理性能均会受到一定的影响。

为了解决以上出现的技术问题，本发明提供了一种隔热保温纤维材料，该隔热保温纤维材料具有极其优异的隔热保温性能，并且现有技术中没有添加微米孔隙材料或纳米孔隙材料的技术方法，也没有在纤维中包裹微米纳米孔隙材料进行保温隔热的报道，本发明尚属首创，具有开拓性的意义。

其中，本发明的微纳米孔隙材料可包括含有微米或纳米孔隙的天然或人工无机材料、含有微米或纳米孔隙的天然或人工有机材料中的一种或两种的混合，更进一步的包括含有微米或纳米孔隙的有机高分子材料、含有微米或纳米孔隙的无机高分子材料中的一种或两种的混合，可以是微米孔材料也可以是纳米孔材料，孔隙本身可以为开孔也可以为闭孔，通常采用具有纳米孔隙的轻质隔热材料，最优的包括火山岩、膨润土、气凝胶、膨胀珍珠岩、纳米孔金属有机化合物、发泡高分子树脂，发泡酚醛树脂、含微纳米气孔的活性炭、分子筛中的其中一种，当然材料的种类并不限于此，只要是能从市面购买得到的微纳米孔隙材料均在本发明的保护范围内。比如还可以具体为钠基膨润土、钾基膨润土、钙基膨润土、活性炭、钠基钾基钙基膨润土、二氧化硅气凝胶、二氧化钛气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化铁气凝胶、氧化铜气凝胶、氧化锆气凝胶、氯化铝分子筛等。

本发明所用的纤维原料就是市售的纺丝或制备纤维常用的原料，具体可包括高分子有机材料、塑料颗粒、无机材料以及金属中的其中一种，更优的包括丙纶、尼龙、晴纶、聚乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚碳酸脂、二氧化硅、硅酸铝、金属铝中的其中一种，当然材料的种类并不限于此，只要是能从市面购买得到的纤维原料均在本发明的保护范围内。

具体操作时，需要先将微纳米孔隙材料进行研磨，研磨的颗粒度需要控制在10μm以下，通过研磨可使得纺丝时纤维保持良好的强度，保持良好的韧性，保持良好的加工性，也为了纺丝后得到较细的纤维，研磨后的研磨细度要小于所拉纤维直径的1/3，最好小于1/5，颗粒度最好控制在8μm以下，更好控制在5μm以下，最优控制在1μm以下，因为所添加的微纳孔隙材料研磨成D90小于5μm时，对于内部孔隙60nm来说，5μm颗粒内也有将近100个反射层，有效地阻止辐射散热,气体分子的自由程常温常压下大于60nm，在内部孔隙小于60nm时，对流传热几乎不存在，在内部孔隙大于气体分子自由程时，即使有对流传热，空气的导热系数常温下也仅仅0.025W/K.M，对流传热也是很弱的；由于5μm厚度包含近百层的孔隙，可见传导所要经过的路径是多么漫长，使得传导散热效率也变的极低，所以在进行研磨时需要将颗粒度控制在适宜的范围内。

优选地，微纳米孔隙材料的用量为隔热保温纤维材料的1-50V％，更优为5-40V％，最优为15-35V％。并且，微纳米孔隙材料的熔点最好大于所述纤维的原料的熔点，在这样的用量范围内制备出的隔热保温纤维材料即能保证纤维本身的强度又能具有优异的隔热保温性能，如果加量太大可能会影响到纤维本身的物理性能，还有在熔点上，微纳米孔隙材料的熔点最好大于所述纤维原料的熔点，这样充分保证了安全性和使用性能。

本发明实施例的隔热保温纤维材料的具体结构包括纤维以及微纳米孔隙材料的颗粒，所述纤维中搀杂微纳米孔隙材料的颗粒，即所述微纳米孔隙材料的颗粒镶嵌于所述纤维的内部，微纳孔隙颗粒的孔隙直径控制在60nm以下。需要注意的是，纤维的表面是不具有微纳米孔隙材料颗粒的，而是全部位于内部，被纤维所包裹，因为如果微纳孔隙颗粒位于表面，会影响后续消费者穿着时的感受度，不利于穿着。

优选地，微纳米孔隙材料的颗粒呈矩阵排列均匀的位于所述纤维的内部，当然微纳米孔隙材料的颗粒也可以不规则位于纤维的内部，其实没有确切的要求，只要微纳米孔隙材料的颗粒能够实现其本身的功能性，起到隔热保温的作用，即可。

本发明实施例除了提供该隔热保温纤维材料的具体结构，还提供了上述隔热保温纤维材料的制备方法，主要包括如下步骤：

将纤维原料溶解或熔融后，添加微纳米孔隙材料以及常规助剂混合均匀，纺丝即可。

本发明实施例的制备方法具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和等优点，在制备纤维的纺丝材料内所添加的微纳米孔隙材料，兼具阻隔辐射、限制对流、延长传导路径三个功能，因此具有极其优异的隔热保温特性。

将研磨成相应细度的微纳米孔隙材料，与溶解或熔融后的纤维原料进行混料，在混合过程中还要添加一些常规助剂，比如增塑剂、柔顺剂、偶联剂等，按照通常的比例添加后与纤维原料、微纳米孔隙材料混合均匀，再进行后续纺丝即得到本发明的隔热保温纤维材料，当然如果作为半成品出售的情况下，可以直接将混料造粒做成包裹微纳米孔隙材料的保温纤维(切片)母粒，实际操作时一般采用造粒机进行造粒操作。

另外，可以通过在向熔融态的或溶解态的制备纤维的原料中充填微纳米气泡，同时造粒再纺丝或直接纺丝的方法，制备隔热保温纤维，充填的气泡直径要介于2nm-1μm之间，更好介于5nm-60nm之间，充填微纳米气泡也同样可以达到与添加微纳米孔隙材料具有相同的效果，微纳米孔隙材料的孔隙直径最好介于2nm-1μm之间，更好介于5nm-60nm之间。

采用上述的隔热保温纤维材料可以制成织物，并作为填充材料填充于服装、防护用具的布料之间代替现有技术中采用羽绒、纤维、棉花的充填方法，以切实提高纤维材料本身的隔热保温性能。

比如可以织成不同厚度、不同纱织、不同尺幅的布料，还可以制成隔热保温的无纺布，只要现有技术中可以用来作为纤维制品的产品，本发明的隔热保温纤维材料同样适用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的隔热保温纤维材料采用纤维包裹微纳孔隙材料的结构，这种结构由于孔隙内为空气，空气的导热系数只有0.025W/K.M，非常之低，因此具有良好的隔热保温作用，另外这种材料原料易得，成本低，各方面性能均较好，使用寿命长，经济效益可观；

(2)本发明实施例的隔热保温纤维材料的制备方法具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和等优点，制备出的纺丝材料内所添加的微纳米孔隙材料，兼具阻隔辐射、限制对流、延长传导路径三个功能，因此具有及其优异的隔热保温特性；

(3)本发明的隔热保温纤维材料应用非常广泛，可以制成各种纤维制品，也可作为填充材料填充于服装、防护用具的布料之间代替现有技术中采用羽绒、纤维、棉花的充填方法，以切实提高纤维材料本身的隔热保温性能，用途非常广泛，可以适应不同消费者的不同需求。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

1)先将火山岩使用研磨粉碎机粉碎至D90小于10μm，取20L，再取丙纶颗粒80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，混合步骤在搅拌锅中进行，搅拌锅的速率调至50rpm，混合搅拌30min以上；

2)将混合料放入造粒机进行造粒得到保温隔热纤维纺丝颗粒，再进行纺丝，得到保温隔热纤维，经检测其火山岩的用量为保温隔热纤维体积的50％；

3)将保温隔热纤维织出所需厚度、尺幅的布匹，可直接售卖。

实施例2

1)先将二氧化硅气凝胶使用研磨粉碎机粉碎至D90小于5μm，取2L，再取尼龙颗粒80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，混合步骤在搅拌锅中进行，搅拌锅的速率调至100rpm，混合搅拌40min；

2)将混合料放入造粒机进行造粒得到保温隔热纤维纺丝颗粒，再进行纺丝，得到保温隔热纤维，经检测其二氧化硅气凝胶的用量为保温隔热纤维体积的1％，并检测出其微观结构为微纳孔隙颗粒呈不规则排列搀杂镶嵌于所述纤维的内部，孔隙直径在2-5nm之间；

3)将保温隔热纤维织成布料，或当作填充材料填充到布料之间做为保暖衣，可直接售卖。

实施例3

1)先将氧化铜气凝胶使用研磨粉碎机粉碎至D90小于8μm，取5L，再取晴纶颗粒80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，混合步骤在搅拌锅中进行，搅拌锅的速率调至80rpm，混合搅拌30min以上；

2)将混合料放入造粒机进行造粒得到保温隔热纤维纺丝颗粒，再进行纺丝，得到保温隔热纤维，经检测其氧化铜气凝胶的用量为保温隔热纤维体积的5％，并检测出其微观结构为微纳孔隙颗粒呈矩阵排列搀杂镶嵌于所述纤维的内部，孔隙直径为1μm；

3)将保温隔热纤维制成隔热保温的无纺布，可直接售卖。

实施例4

1)先将氧化钛气凝胶使用研磨粉碎机粉碎至D90小于1μm，取15L，再取晴纶颗粒80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，混合步骤在搅拌锅中进行，搅拌锅的速率调至80rpm，混合搅拌30min以上；

2)将混合料进行纺丝，得到保温隔热纤维，经检测其氧化钛气凝胶的用量为保温隔热纤维体积的40％，并检测出其微观结构为微纳孔隙颗粒呈矩阵排列搀杂镶嵌于所述纤维的内部，孔隙直径在50-60nm之间；

3)将保温隔热纤维制成隔热保温的无纺布，可直接售卖。

实施例5

1)先将火山岩使用研磨粉碎机粉碎至D90小于8μm，取18L，再取丙纶颗粒80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，混合步骤在搅拌锅中进行，搅拌锅的速率调至50rpm，混合搅拌30min以上；

2)将混合料放入造粒机进行造粒得到保温隔热纤维纺丝颗粒，在进行纺丝，得到保温隔热纤维，经检测其火山岩的用量为保温隔热纤维质量的35％，并检测出其微观结构为微纳孔隙颗粒呈不规则排列搀杂镶嵌于所述纤维的内部，孔隙直径在50-60nm之间；

3)将保温隔热纤维制成织出所需厚度、尺幅的布匹，可直接售卖。

实验例1

将本发明实施例1-4制备出的隔热保温纤维的性能与市面上售卖的普通涤纶纤维(比较例1)、丙纶纤维(比较例2)的性能进行对比，具体性能指标如下表1所示：

表1性能参数对照表

项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	比较例1	比较例1
							冲击弹性/％	37	35	30	32	30	32
硬度(邵A)	88	88	90	90	89	89
							扯断伸长率/％	360	380	359	387	340	350
拉伸强度/MPa	45	47	45.68	46.55	44.32	43.27
							扯断永久变形/％	8	8	8	12	10	10
磨耗(阿克隆)mg	17	19	25	20	23	24
							导热系数(W/K.M)	0.24	0.23	0.22	0.14	0.36	0.41
容重(g/m3)	1.0	1.1	1.1	1.1	1.4	1.45

从表1中可以看出，本发明实施例的隔热保温纤维具有极低的导热系数，而且正因为有很多的空气孔其容重相对比较小，后续制成纤维制品应用时更加轻便，也更加受消费者的青睐，能够有利于进一步市场化，另外纤维本身的各项力学性能与普通的纤维材料相比也比较优异，并没有因为增加了本身的功能性而使物理性能降低。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种隔热保温纤维材料，其特征在于，包括纤维，所述纤维中搀杂微纳米孔隙材料的颗粒，所述微纳米孔隙材料的颗粒的粒度控制在10μm以下；

所述微纳米孔隙材料包括含有微米或纳米孔隙的天然或人工无机材料、含有微米或纳米孔隙的天然或人工有机材料中的一种或两种的混合。

2.根据权利要求1所述的一种隔热保温纤维材料，其特征在于，颗粒的粒度控制在粒径8μm以下，更好5μm以下，最优控制在1μm以下。

3.根据权利要求1所述的一种隔热保温纤维材料的制备方法，其特征在于，所述微纳米孔隙材料包括含有微米或纳米孔隙的有机高分子材料、含有微米或纳米孔隙的无机高分子材料中的一种或两种的混合；

优选地，所述微纳米孔隙材料为具有纳米孔隙的轻质隔热材料。

4.根据权利要求3所述的一种隔热保温纤维材料的制备方法，其特征在于，所述微纳米孔隙材料包括火山岩、膨润土、气凝胶、膨胀珍珠岩、纳米孔金属有机化合物、发泡高分子树脂，发泡酚醛树脂、含微纳米气孔的活性炭、分子筛中的其中一种。

5.根据权利要求1所述的一种隔热保温纤维材料的制备方法，其特征在于，所述纤维的原料包括高分子有机材料、塑料颗粒、无机材料以及金属中的其中一种；

优选地，所述纤维的原料包括丙纶、尼龙、晴纶、聚乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚碳酸脂、二氧化硅、硅酸铝、金属铝中的其中一种；

优选地，所述微纳米孔隙材料的熔点大于所述纤维的原料的熔点。

6.根据权利要求1所述的一种隔热保温纤维材料的制备方法，其特征在于，所述微纳米孔隙材料的用量为所述隔热保温纤维材料的1-50V％，更优为5-40V％，最优为15-35V％。

7.根据权利要求1所述的隔热保温纤维材料，其特征在于，所述微纳米孔隙材料的颗粒呈矩阵排列位于所述纤维的内部；

优选地，所述微纳米孔隙材料的颗粒呈不规则排列位于所述纤维的内部；

优选地，所述微纳米孔隙材料的颗粒内部孔隙的直径控制在60nm以下。

8.权利要求1-7任一项所述的一种隔热保温纤维材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

将纤维的原料溶解或熔融后，添加微纳米孔隙材料及常规助剂混合均匀，纺丝即可。

9.根据权利要求8所述的一种隔热保温纤维材料的制备方法，其特征在于，添加微纳米孔隙材料及常规助剂混合均匀，造粒后再进行纺丝。

10.权利要求1-7任一项所述的隔热保温纤维材料的用途，其特征在于，将隔热保温纤维材料制成直接穿用的纺织物、做衣衫的布匹、填充于服装、防护用具的布料之间的纤维填充材料、作衬垫的无纺布。