CN106319685A

CN106319685A - 一种反射近红外线的隔热核壳复合纤维及制备方法

Info

Publication number: CN106319685A
Application number: CN201510347106.3A
Authority: CN
Inventors: 费宾; 郑晞汶; 忻浩忠
Original assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Current assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2017-01-11

Abstract

本发明涉及一种反射近红外线的隔热核壳复合纤维及制备方法，其采用核壳复合纤维纺丝工艺制备，包括核层和壳层：所述核层包括添加有无机填料的第一纤维级聚酯；其中无机填料占核层的质量百分比为5～40wt％，且所述无机填料的颗粒尺寸为100～1000nm；所述壳层包括第二纤维级聚酯。本发明通过核壳复合纤维纺丝工艺在复合聚酯纤维表面包裹一层聚酯，提高了表面平整度和力学性能，进而提高可织性及通用性；此外其内部核层的无机填料可以采用大尺寸的颗粒，含量高且分布均匀，具有良好的热稳定性和可加工性，并可以选择性反射近红外线而允许中红外线和远红外线透过，因而具有良好的隔日光热和散人体热的性能。

Description

一种反射近红外线的隔热核壳复合纤维及制备方法

技术领域

本发明涉及功能型纤维制备领域，更具体地说，涉及一种反射近红外线的隔热核壳复合纤维及制备方法。

背景技术

随着地球气候逐渐变暖，具有隔热降温的功能性织物逐渐受到人们重视。尤其是炎热高温的夏天，人们希望穿一些轻便的隔热衣物以达到凉爽降温的目的。为了减低纤维或织物的表面对热辐射的吸收和透过，需要研发在太阳光的近红外光范围内具有高的反射率的纤维材料。研究表明，通过适当的反射介质，有效反射阳光携带的热辐射，可以有效降低体表温度，随时享受“树荫”下的凉爽。

现有技术中公开了一种在聚酯纤维中添加0.1～1.0微米的六方晶形氮化硼无机粒子，以及在聚(对苯二甲酸丙二醇酯)纤维中添加20～80nm的氮化硼颗粒，通过熔融纺丝成功制得优异的接触冷感衣料。这种凉感纤维仅限于贴身织物的使用，主要借助氮化硼的高导热率加快人体散热，使用范围较窄。此外，还提供了一种抗紫外线、抗可见光、抗近红外为一体的特种功能纤维材料的制备，他们在聚酯纤维、锦纶纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、粘胶纤维等纤维中添加粒度小于80nm的纳米粉体KMg3(AlSi3O10)F2+α-Fe的纳米材料，通过纳米α-Fe粉体5％-25％的掺杂含量以调控紫外线—可见光—近红外的反射率，制得以反射型为主的特种功能纤维。这种纤维据称具有良好紫外线—可见光—近红外反射率。但是这种纤维表面粗糙，力学性能差，可织性差，通用性不强。并且上述采用的纳米材料很难获得，尺寸也不适合作为高效的近红外反射材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有反射近红外线的织物纤维表面粗糙且可织性差的缺陷，提供一种通过采用核壳复合纤维技术制备的反射近红外线的隔热核壳复合纤维及制备方法，在复合聚酯纤维表面包裹一层聚酯，提高核壳复合纤维的表面平整度和力学性能，进而提高复合纤维的可织性及通用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种反射近红外线的隔热核壳复合纤维，采用核壳复合纤维纺丝工艺制备，包括核层和壳层：

所述核层包括添加有无机填料的第一纤维级聚酯；其中无机填料占核层的质量百分比为5～40wt％，且所述无机填料的颗粒尺寸为100～1000nm；

所述壳层包括第二纤维级聚酯。在本发明所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维中，所述第一纤维级聚酯和第二纤维级聚酯从以下材料中选择：聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对萘二甲酸乙二酯和聚乳酸。

在本发明所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维中，所述第一纤维级聚酯为半消光、全消光或者大有光的纤维级聚酯；所述第二纤维级聚酯为半消光、全消光或者大有光的纤维级聚酯。

在本发明所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维中，所述无机填料为折射率高于1.7的高折射率无机填料；所述无机填料从以下材料中选择：二氧化钛、氧化锌、中空二氧化硅球、氧化铝和氧化锆。

在本发明所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法中，所述核层与壳层的挤出体积计量比为1/3～5/3，所得反射近红外线的隔热核壳复合纤维的内径与外径之比为1/2～4/5。

在本发明所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法中，所述反射近红外线的隔热核壳复合纤维的近红外线波长范围为700～2500nm。

本发明还提供了一种如上所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取干燥的无机填料和第一纤维级聚酯置于高速混料机共混，将共混料经双螺杆挤出机熔融共混、挤出、造粒和干燥，制得复合聚酯母粒；

S2、以步骤S1所得复合聚酯母粒为核层，第二纤维级聚酯为壳层，采用核壳复合纤维纺丝工艺制得所述反射近红外线的隔热核壳复合纤维。

在根据本发明所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法中，所述步骤S2中采用双组份熔融复合纺丝机制得所述反射近红外线的隔热核壳复合纤维。

在根据本发明所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法中，所述步骤S2中设置的核层与壳层的挤出体积计量比为1/3～5/3，所得反射近红外线的隔热核壳复合纤维的内径与外径之比为1/2～4/5。

实施本发明的反射近红外线的隔热核壳复合纤维及制备方法，具有以下有益效果：本发明通过在核层的复合聚酯纤维中添加无机填料，并通过核壳复合纤维纺丝工艺在复合聚酯纤维表面包裹一层聚酯，提高了核壳复合纤维的表面平整度和力学性能，进而提高复合纤维的可织性及通用性；此外其内部核层的无机填料可以采用大尺寸的颗粒，含量高且分布均匀，大幅度提高了材料的反射率，可以选择性反射来自阳光的近红外线及可见光，同时允许来自人体的中红外线和远红外线透过，从而达到阻隔外来热量、释放人体热量降低体温的目的。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是根据本发明优选实施例的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法的流程图；

图2a和2b分别为双组分熔融复合纺丝设备及其纺丝头的结构示意图；

图3a和3b分别为根据本发明实施例1的核壳复合纤维的侧面显微图和截面显微图；

图4为根据本发明实施例1的核壳复合纤维所得平纹机织物的近红外线反射光谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明根据米氏散射的原理，构造一种反射近红外线的隔热核壳复合纤维，其采用核壳复合纤维纺丝工艺制备，包括核层和壳层。其中核层包括添加有无机填料的第一纤维级聚酯；其中无机填料占核层的质量百分比为5～40wt％，且无机填料的颗粒尺寸为100～1000nm。而壳层则采用第二纤维级聚酯作为原料制备。

本发明还相应提供了上述反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法，如图1所示包括以下步骤：

S1、复合聚酯母粒的制备：

按质量百分数称取一定量干燥的无机填料和第一纤维级聚酯，置于高速混料机共混，然后将共混料经双螺杆挤出机熔融共混、挤出、造粒和干燥，制得复合聚酯母粒。其中优选地，无机填料占复合聚酯母粒的质量百分比为5～40wt％，无机填料的颗粒尺寸为100～1000nm。并且优选采用多级加热双螺杆挤出机制备复合聚酯母粒。

S2、核壳复合纤维的制备：

以步骤S1所得干燥的复合聚酯母粒作为核层原料，另选第二纤维级聚酯为壳层，采用核壳复合纤维纺丝工艺制得本发明的反射近红外线的隔热核壳复合纤维，又可简称为核壳复合纤维。

具体地，上述第一纤维级聚酯和第二纤维级聚酯可以为消光级别相同或者不同的纤维级聚酯，也可以为聚酯种类相同或者不同的纤维级聚酯。例如，该第一纤维级聚酯和第二纤维级聚酯均可以从半消光、全消光或者大有光级别的材料中选择：聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对萘二甲酸乙二酯(PEN)和聚乳酸(PLA)。优选地，该第一纤维级聚酯和第二纤维级聚酯中一种为全消光或者半消光的纤维级聚酯，另一种为大有光的纤维级聚酯。

上述步骤S1中采用的无机填料为高折射率无机填料，即折射率高于1.7的无机填料。该高折射率无机填料可以但不限于从以下材料中选择：二氧化钛、氧化锌、中空二氧化硅球、氧化铝和氧化锆。该无机填料的颗粒尺寸为100～1000nm，优选为700-1000nm。

上述步骤S2可以通过双组份熔融复合纺丝机，采用合适的复合纺丝工艺，精密计量，经纺丝、牵伸及卷绕等工艺制得核壳复合纤维。请参阅图2a和2b，分别为双组分熔融复合纺丝设备及其纺丝头的结构示意图。如图2a所示，该双组份熔融复合纺丝设备至少具有第一进料器1、第二进料器2、挤出机3、齿轮泵4、纺丝头5和卷绕头6。其中，将步骤S1制得的复合聚酯母粒从第一进料器1进料，将选用的第二纤维级聚酯从第二进料器2进料，通过各自的挤出机3挤出至纺丝头5。如图2b所示，纺丝头5具有位于中心的核层进料口52以及位于周围的壳层进料口51。在齿轮泵4的作用下，纺丝头5以复合聚酯母粒为核层，第二纤维级聚酯为壳层进行纺丝，得到长丝7，再通过卷绕头6牵伸及卷绕后得到核壳复合纤维。该步骤S2中在采用采用核壳复合纤维纺丝工艺时，核层与壳层挤出体积计量比为1/3～5/3，所得核壳复合纤维的内径与外径之比为1/2～4/5。

经过性能表征可知，通过本发明的方法制得的核壳复合纤维可选择性地反射的近红外线波长范围为700～2500nm，而允许更长波长的中红外线及远红外线透过。因此，通过本发明制得的核壳复合纤维经过机织或针织获得的布料，根据米氏散射原理，可以选择性反射来自阳光的近红外线及可见光，同时允许来自人体的中红外线和远红外线透过，保持穿着布料的人体不受日光热量的影响又能顺利散出自身余热，从而保持凉爽舒适避免中暑。

综上，本发明通过在核层的复合聚酯纤维中添加无机填料，再采用核壳复合纤维纺丝工艺，在复合聚酯纤维表面包裹一层聚酯，提高核壳复合纤维的表面平整度和力学性能，进而提高复合纤维的可织性及通用性。并且，由于外部有聚酯包裹，内部核层的无机填料可以采用大尺寸的颗粒，其分散均匀且具有良好的热稳定性及可加工性，在大幅度提高材料的反射率同时又不会影响表面的平整度。此外，本发明所采用的原材料来源方便，采用现有的双组份复合纺丝设备和成熟的聚酯纺丝工艺，操作简单可靠。

实施例1

取一定量的纤维级全消光聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和颗粒尺寸为100-300nm二氧化钛(TiO₂)于130±5℃的烘箱中干燥时间24小时。称取7.5kg干燥的PET和2.5kg干燥二氧化钛置于高速混料机中搅拌共混，而后注入多级加热双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、造粒、干燥，挤出温度为265℃。所得复合聚酯粒料中，二氧化钛所占质量百分数约25wt％。以所得复合聚酯为核层，另一大有光PET为壳层，通过双组份熔融复合纺丝机，经纺丝、牵伸及卷绕等工艺制得核壳复合纤维。其中，核层挤出温度为270℃，壳层挤出温度为265℃，核层与壳层挤出计量比1:1。热牵伸温度为130℃，所得核壳复合纤维长丝为4.5dtex，断裂强度2.5cN/dtex，如图3a和3b所示其纤维表面光滑，具有良好的可织性。如图4所示，所得平纹机织物近红外线反射率为92％，具有良好的近红外线反射隔热性。

实施例2

取一定量的纤维级半消光聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)和颗粒尺寸为100-200nm氧化锌(ZnO)于105±5℃的烘箱中干燥时间24小时。称取6kg干燥的PTT和4kg干燥氧化锌置于高速混料机中搅拌共混，而后注入多级加热双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、造粒、干燥，挤出温度为235℃。所得纳米复合聚酯粒料中，氧化锌所占质量百分数约40wt％。以所得复合聚酯为核层，另一大有光PTT为壳层，通过双组份熔融复合纺丝机，经纺丝、牵伸及卷绕等工艺制得核壳复合纤维。其中，核层挤出温度为235℃，壳层挤出温度为230℃，核层与壳层挤出计量比1:3。热牵伸温度为100℃，所得核壳复合纤维长丝为3.2dtex，断裂强度1.5cN/dtex，纤维表面光滑，具有良好的可织性。所得缎纹机织物近红外线反射率为95％，具有良好的红外线反射隔热性。

实施例3

取一定量的纤维级半消光聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和颗粒尺寸为700-1000nm中空二氧化硅球于100±5℃的烘箱中干燥时间24小时。称取4.75kg干燥的PBT和0.25kg干燥中空二氧化硅球置于高速混料机中搅拌共混，而后注入多级加热双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、造粒、干燥，挤出温度为230℃。所得复合聚酯粒料中，二氧化硅所占质量百分数约5wt％。以所得复合聚酯为核层，另一大有光PBT为壳层，通过双组份熔融复合纺丝机，经纺丝、牵伸及卷绕等工艺制得核壳复合纤维。其中，核层挤出温度为230℃，壳层挤出温度为225℃，核层与壳层挤出计量比5:3。热牵伸温度为100℃，所得核壳复合纤维长丝为4.2dtex，断裂强度3.5cN/dtex，纤维表面光滑，具有良好的可织性。所得斜纹机织物近红外线反射率为90％，具有良好的红外线反射隔热性。

实施例4

取一定量的纤维级大有光聚对萘二甲酸乙二酯(PEN)和颗粒尺寸为400-700nm氧化铝(Al₂O₃)于135±5℃的烘箱中干燥时间24小时。称取8.5kg干燥的PBT和1.5kg干燥氧化铝置于高速混料机中搅拌共混，而后注入多级加热双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、造粒、干燥，挤出温度为295℃。所得复合聚酯粒料中，氧化铝所占质量百分数约15wt％。以所得复合聚酯为核层，另一半消光PEN为壳层，通过双组份熔融复合纺丝机，经纺丝、牵伸及卷绕等工艺制得核壳复合纤维。其中，核层挤出温度为295℃，壳层挤出温度为290℃，核层与壳层挤出计量比2:3。热牵伸温度为150℃，所得核壳复合纤维长丝为3.2dtex，断裂强度3.0cN/dtex，纤维表面光滑，可织性好。所得经编针织物近红外线反射率为85％，具有良好的红外线反射隔热性。

实施例5

取一定量的纤维级大有光聚乳酸(PLA)和颗粒尺寸为200-400nm氧化锆(ZrO₂)于105±5℃的烘箱中干燥时间24小时。称取8.5kg干燥的PLA和1.5kg干燥氧化锆置于高速混料机中搅拌共混，而后注入多级加热双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出、造粒、干燥，挤出温度为190℃。所得复合聚酯粒料中，氧化锆所占质量百分数约30wt％。以所得复合聚酯为核层，另一半消光PLA为壳层，通过双组份熔融复合纺丝机，经纺丝、牵伸及卷绕等工艺制得核壳复合纤维。其中，核层挤出温度为190℃，壳层挤出温度为185℃，核层与壳层挤出计量比1:3。热牵伸温度为90℃，所得核壳复合纤维长丝为3.2dtex，断裂强度1.5cN/dtex，纤维表面光滑，可织性好。所得纬编针织物近红外线反射率为85％，具有良好的红外线反射隔热性。

Claims

1.一种反射近红外线的隔热核壳复合纤维，其特征在于，采用核壳复合纤维纺丝工艺制备，包括核层和壳层：

所述壳层包括第二纤维级聚酯。

2.根据权利要求1所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维，其特征在于，所述第一纤维级聚酯和第二纤维级聚酯从以下材料中选择：聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对萘二甲酸乙二酯和聚乳酸。

3.根据权利要求1所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维，其特征在于，所述第一纤维级聚酯为半消光、全消光或者大有光的纤维级聚酯；所述第二纤维级聚酯为半消光、全消光或者大有光的纤维级聚酯。

4.根据权利要求1所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维，其特征在于，所述无机填料为折射率高于1.7的高折射率无机填料。

5.根据权利要求4所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维，其特征在于，所述无机填料从以下材料中选择：二氧化钛、氧化锌、中空二氧化硅球、氧化铝和氧化锆。

6.根据权利要求1所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维，其特征在于，所述核层与壳层的挤出体积计量比为1/3～5/3，所得反射近红外线的隔热核壳复合纤维的内径与外径之比为1/2～4/5。

7.根据权利要求1所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维，其特征在于，所述反射近红外线的隔热核壳复合纤维反射的近红外线波长范围为700～2500nm。

8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中采用双组份熔融复合纺丝机制得所述反射近红外线的隔热核壳复合纤维。

10.根据权利要求8所述的反射近红外线的隔热核壳复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中设置的核层与壳层的挤出体积计量比为1/3～5/3，所得反射近红外线的隔热核壳复合纤维的内径与外径之比为1/2～4/5。