CN108754630B

CN108754630B - 气凝胶改性聚合物纤维、其湿法纺丝方法及其纺织的织物

Info

Publication number: CN108754630B
Application number: CN201810558875.1A
Authority: CN
Inventors: 李光武
Original assignee: Beijing Hongnuan Fiber Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Hongyuan Yuer New Material Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2038-06-01
Also published as: WO2019228476A1; CN108754630A

Abstract

本发明提供了一种气凝胶改性聚合物纤维、其湿法纺丝方法及其纺织的织物。该方法包括以下步骤：将气凝胶、聚合物和用于溶解聚合物的溶剂进行混合，配置成纺丝原液；对纺丝原液进行湿法纺丝，得到气凝胶改性聚合物纤维。采用上述方法使得纤维中的气凝胶含量得到提高，且其孔隙结构较为完整，从而使得本发明制备的气凝胶改性纤维具有更低的密度和更优异的保温性能。使用该纤维纺织得到的织物具有超轻超保温的特性。

Description

气凝胶改性聚合物纤维、其湿法纺丝方法及其纺织的织物

技术领域

本发明涉及纺织技术领域，具体而言，涉及一种气凝胶改性聚合物纤维、其湿法纺丝方法及其纺织的织物。

背景技术

超轻超保温纤维一直是纺织材料领域的重要研究方向。目前，为了提高织物的保温性能并减轻织物重量，通常会在纤维中加入气凝胶。比如中国专利CN 103388193 B所提供的技术为将气凝胶粉体与聚合物树脂切片按一定比例混合后，于180~250℃混炼制得母粒，再将母粒进行熔融喷丝进而得到改性织物。

现有技术中制备气凝胶改性纤维的方式通常为共混-熔融纺丝法，即将气凝胶和聚合物进行共混后，将得到的共混物进行熔融纺丝。然而，共混过程中易对气凝胶的形态结构造成破坏，其孔隙结构不易保持。同时，共混方式不利于气凝胶的分散，最终得到的纤维中气凝胶的分散往往不够均匀，且气凝胶的含量较少。以上原因使得纤维的密度降低有限，保温能力改善不足。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种气凝胶改性聚合物纤维、其湿法纺丝方法及其纺织的织物，以解决现有技术中气凝胶改性聚合物纤维的密度降低有限、保温性能改善不足的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种气凝胶改性聚合物纤维的湿法纺丝方法，其包括以下步骤：将气凝胶、聚合物和用于溶解聚合物的溶剂进行混合，配置成纺丝原液；对纺丝原液进行湿法纺丝，得到气凝胶改性聚合物纤维。

进一步地，将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，采用的混合装置包括：壳体，包括顶壁、底壁和连接顶壁与底壁的周向侧壁；壳体设置有进料口，进料口用于通入气凝胶、聚合物和溶剂；搅拌组件，设置在壳体内，搅拌组件包括转轴和设置在转轴上的桨叶组件，桨叶组件包括桨叶；调整部，用于连接桨叶和转轴以调节桨叶相对于转轴的角度。

进一步地，将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，桨叶相对于转轴的角度为15°~75°；优选地，转轴具有安装孔，调整部包括：调节轴，设置在转轴的安装孔内；主动件，设置在调节轴上；从动件，设置在安装孔内，且从动件与桨叶连接，主动件与从动件啮合连接，以将调节轴的旋转运动转化为桨叶的旋转运动。

进一步地，桨叶组件包括多个桨叶，多个桨叶沿转轴的周向上间隔设置，调整部包括与多个桨叶一一对应设置的多个从动件。

进一步地，壳体具有内部腔体和与内部腔体连通的第一开口和第二开口，第一开口所在的高度高于第二开口所在的高度，混合装置还包括回流组件，回流组件包括：回流管路，回流管路的第一端由第一开口伸入壳体内，回流管路的第二端由第二开口伸入壳体的内部腔体；动力装置，设置在回流管路上；将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，利用动力装置驱动壳体内的气凝胶、聚合物和溶剂的混合物，使其由回流管路的第一端流向回流管路的第二端，以形成回流回路。

进一步地，混合装置还包括振动组件，振动组件的一端由顶壁穿入壳体内，桨叶的边缘与振动组件之间有间隔；将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，同时利用振动组件对壳体内的气凝胶、聚合物和溶剂的混合物进行振动混合。

进一步地，将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，搅拌组件的转速为120~500r/min，混合时间为30~180min。

进一步地，聚合物为PAN、PVA、纤维素。

进一步地，气凝胶的粒径为10nm～100μm，孔隙率为40%～99.9%。

进一步地，气凝胶改性聚合物纤维中气凝胶的重量百分含量为0.1%～3.0%，优选为2.2%~3.0%。

根据本发明的另一方面，还提供了一种气凝胶改性聚合物纤维，其是由上述的方法制备而成。

根据本发明的另一方面，还提供了一种织物，其是由上述气凝胶改性聚合物纤维纺织而成。

不同于传统的气凝胶改性纤维的制备工艺，本发明采用了湿法纺丝方法制备了气凝胶改性聚合物纤维，将气凝胶、聚合物和用于溶解该聚合物的溶剂进行混合制备纺丝原液，然后利用湿法纺丝的方式制备了气凝胶改性聚合物纤维。上述方法中，利用溶剂可以溶解聚合物形成聚合物溶液，气凝胶则能够作为分散相分散在聚合物溶液中，形成较为稳定的纺丝原液。在聚合物溶液的分散作用下，气凝胶的加入量能够明显提高，且气凝胶的结构尺寸也在溶剂的作用下得到较好的保护。以上原因使得纤维中的气凝胶含量得到提高，且其孔隙结构较为完整，从而使得本发明制备的气凝胶改性纤维具有更低的密度和更优异的保温性能。使用该纤维纺织得到的织物具有超轻超保温的特性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一种实施例的混合装置的结构示意图；以及

图2示出了图1中的搅拌组件和调整部配合的结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、振动组件；20、搅拌组件；21、桨叶；22、转轴；23、电机；30、回流组件；31、回流管路；32、动力装置；33、主控制阀；40、壳体；50、套管；60、调整部；61、连接轴；62、主动件；63、调节轴；64、从动件；70、辅助控制阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中气凝胶改性聚合物纤维的密度降低有限、保温性能改善也不足。

为了解决上述问题，本发明提供了一种气凝胶改性聚合物纤维的湿法纺丝方法，其包括以下步骤：将气凝胶、聚合物和用于溶解聚合物的溶剂进行混合，配置成纺丝原液；对纺丝原液进行湿法纺丝，得到气凝胶改性聚合物纤维。

优选地，气凝胶的本体参数（尺寸、孔隙率、堆积密度等）如下：粒度介于10nm～10μm之间，孔隙率介于70%～99.9%之间，堆积密度介于3~100g/L之间。

在一种优选的实施方式中，将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，如图1所示，采用的混合装置包括壳体40、搅拌组件20及调整部60，壳体40包括顶壁、底壁和连接顶壁与底壁的周向侧壁；壳体40设置有进料口，进料口用于通入气凝胶、聚合物和溶剂；搅拌组件20设置在壳体40内，搅拌组件20包括转轴22和设置在转轴22上的桨叶组件，桨叶组件包括桨叶21；调整部60用于连接桨叶21和转轴22以调节桨叶21相对于转轴22的角度。由于气凝胶的密度较低，在实际的混合过程中，通过调整部60可以调整连接桨叶21和转轴22，可以调整二者之间的角度，从而能够向混合物中的气凝胶施加一定的压力，使其与聚合物和溶剂更充分地混合。

优选地，如图2所示，转轴22具有安装孔，调整部60包括调节轴63、主动件62和从动件64。调节轴63设置在转轴22的安装孔内；主动件62设置在调节轴63上；从动件64设置在安装孔内，且从动件64与桨叶21连接，主动件62与从动件64啮合连接，以将调节轴63的旋转运动转化为桨叶21的旋转运动。

在本申请中，主动件62设置在调节轴63上，优选地，主动件62与调节轴63同轴设置，在旋转调节轴63时，主动件62也随着旋转，又因为从动件64与主动件62啮合设置，从而使从动件64跟随主动件62旋转，进而带动桨叶21转动，实现对桨叶21相对于转轴22的倾角的调节。

通过上述设置，用户可以根据需要调节桨叶21相对于转轴22的倾角，且主动件62和从动件64啮合设置，使操作方式简单，容易实现。优选地，本申请中的主动件62和从动件64均为锥齿轮。具体地，各连接轴61的中心轴线均与调节轴63的中心轴线垂直，各从动件64的中心轴线均与主动件62的中心轴线垂直。因此，主动件62和从动件64均为锥齿轮，使相互垂直的调节轴63和连接轴61之间可以实现旋转的传递，并且相互啮合的锥齿轮之间传力大，操作比较省力。

需要说明的是，上述“桨叶21和转轴22之间的角度”的具体含义如下：在桨叶21的叶片的上下两个侧边取点，所取的两点和转轴22的距离相同，该两点的连线偏离转轴22轴向延伸方向的角度即为“桨叶21和转轴22之间的角度”。为了进一步提高气凝胶的分散效果，在一种优选的实施方式中，上述将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，桨叶21相对于转轴22的角度为15°~75°。

进一步地，本申请的搅拌装置的壳体40的侧壁上设有水平对开的视窗，以方便技术人员实时观察搅拌装置内的混合情况，根据混合情况实时调整桨叶21相对于转轴22的倾角，以提高搅拌效率，节省搅拌时间。

优选地，搅拌组件20还包括用于驱动转轴22旋转的电机23，电机23设置在壳体40的外部。更优选地，桨叶组件包括多个桨叶21，多个桨叶21沿转轴22的周向上间隔设置，调整部60包括与多个桨叶21一一对应设置的多个从动件64。这有利于进一步改善气凝胶的分散效果。

在一种优选的实施方式中，壳体40具有内部腔体和与内部腔体连通的第一开口和第二开口，第一开口所在的高度高于第二开口的高度；混合装置还包括回流组件30，回流组件30包括回流管路31和动力装置32，回流管路31的第一端由第一开口伸入壳体40内，回流管路31的第二端由第二开口伸入壳体40的内部腔体；动力装置32设置在回流管路31上；将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，利用动力装置32驱动壳体40内的气凝胶、聚合物和溶剂的混合物，使其由回流管路31的第一端流向回流管路31的第二端，以形成回流回路。在该回流组件30的作用下，密度较轻的气凝胶能够和聚合物溶液通过回流的方式进一步混合，有利于进一步加强气凝胶的分散。除此以外，该方式对于气凝胶的破坏更小，其孔隙结构更完整，从而有利于进一步改善纤维的保温性能。

如图1所示，本发明的实施例中，回流组件30还包括设置在回流管路31上的主控制阀33，主控制阀33位于第一开口和动力装置32之间，主控制阀33控制回流管路31的通断。上述设置结构简单，技术人员可以根据气凝胶和聚合物、溶剂的混合情况控制回流管路31的通断，方便操作。优选地，动力装置32为螺杆泵。

由于螺杆泵具有流量平稳、对介质的粘性不敏感的优点，因此，利用螺杆泵作为动力装置32，可以使驱动力均匀，且粉体与液体可以在螺杆泵内混合均匀后由回流管路31送回内部腔体，促进粉体混合，提高混合效率。

如图1所示，本发明的实施例中，混合装置还包括与壳体40连通的进液管路和设置在进液管路上的辅助控制阀70。

具体地，混合装置在进行加料时，溶剂经进液管路由第二开口输入内部腔体，辅助控制阀70的开闭控制进液管路的通断，气凝胶和聚合物由设置在壳体40的顶部开口加入内部腔体。

在一种优选的实施方式中，混合装置还包括振动组件10，振动组件10的一端由顶壁穿入壳体40内，桨叶21的边缘与振动组件10之间有间隔；将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，同时利用振动组件10对壳体40内的气凝胶、聚合物和溶剂的混合物进行振动混合。多种搅拌方式配合，特别是多种搅拌方式和回流混合方式配合，使得气凝胶、聚合物、溶剂的混合更为充分，且能够进一步减少对气凝胶尺寸结构的破坏。更优选地，振动组件10为变频振动棒。

如图2所示，优选地，混合装置还包括设置在转轴22外周的套管50，套管50上开设有用于连接轴61伸入的开孔。通过上述设置，套管50包覆在转轴22的外周，以避免混合物料与转轴22直接接触，防止转轴22锈蚀，保证了搅拌装置的使用寿命及转轴22的旋转精度。

当然，通过控制搅拌速度和混合时间，本发明可以调整气凝胶的分散状态从而控制其加入量，且能够在一定程度上调整气凝胶的粒径。在一种优选的实施方式中，将气凝胶、聚合物和溶剂进行混合的步骤中，搅拌组件20的转速为120~500r/min，混合时间为30~180min。该混合条件下，气凝胶的分散更均匀，尺寸更合适，且其孔隙结构保留更完整。

本发明提供的上述方式适用于湿法纺丝的聚合物，比如，聚合物可以为PAN、PVA、纤维素。期间采用的用于溶解聚合物的溶剂、湿法纺丝的工艺参数等都可以按照这些聚合物常规的溶液纺丝的工艺操作。比如：

PAN对应的溶剂包括但不限于硫氰酸钠水溶液、硝酸水溶液、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮、碳酸乙二酯，纺丝原液的浓度为15%~25%；

PVA对应的溶剂包括但不限于水，纺丝原液的浓度为14%~18%；

纤维素对应的溶剂包括但不限于N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)、稀氢氧化钠溶液、氢氧化铜或碱性铜盐的浓氨溶液，纺丝原液的浓度为10%~38%。

在一种优选的实施方式中，气凝胶的粒径为10nm～100μm，孔隙率为40%～99.9%。更优选地，气凝胶改性聚合物纤维中气凝胶的重量百分含量为0.1%～3.0%，优选为2.2%~3.0%。这样，纤维的密度更轻，保温性能更佳。

根据本发明的另一方面，还提供了一种气凝胶改性聚合物纤维，其由上述方法制备而成。如前文所述，应用该方法制备的气凝胶改性聚合物纤维密度更轻，保温性能更佳。

根据本发明的另一方面，还提供了一种织物，其由上述气凝胶改性聚合物纤维纺织而成。具体地，将气凝胶改性聚合物纤维制成纱线；然后将纱线进行纺织，得到气凝胶改性聚合物纤维织物。该织物导热系数最低可达0.026W/(m·K) ，在其它织布参数均相同情况下，该织物的克重远低于常规未改性的织物，真正实现了超轻超保温。

以下通过实施例进一步说明本发明的有益效果：

实施例1

气凝胶改性PAN纤维的制备：

将干燥的PAN、二甲基乙酰胺、气凝胶（气凝胶与PAN的质量比为3:97，气凝胶的粒径为1~20μm，孔隙率为40~60%）一并加入到图1和2所示的混合装置中，在常压下于75℃进行溶解、混合，配成PAN浓度为24%的气凝胶改性溶液（混合过程中搅拌组件的转速为500r/min，混合时间为60min，桨叶相对于转轴的角度为15~30°）；该气凝胶改性溶液进一步过滤、脱泡得到气凝胶改性纺丝原液；改性纺丝原液经过PAN常规湿法纺丝、后加工工序制备得到气凝胶改性PAN纤维，密度为0.947g/cm³；该气凝胶改性PAN纤维经过常规的后处理、织造工序，得到气凝胶改性PAN织物。该织物导热系数为0.026W/(m·K)。

实施例2

原料和制备工艺同实施例1，不同之处仅在于：气凝胶与PAN的质量比为2.2:97.8。

得到的纤维的密度为1.010g/cm³，织物的导热系数为0.028 W/(m·K)。

实施例3

原料和制备工艺同实施例1，不同之处仅在于：气凝胶与PAN的质量比为0.1:99.9。

得到的纤维的密度为1.176g/cm³，织物的导热系数为0.038W/(m·K)。

实施例4

原料和制备工艺同实施例1，不同之处仅在于：气凝胶的粒径为60~80μm，孔隙率为80~99.9%。

得到的纤维的密度为0.873g/cm³，织物的导热系数为0.026W/(m·K)，。

实施例5

原料和制备工艺同实施例1，不同之处仅在于：气凝胶的粒径为80~100μm，孔隙率为40~60%。

得到的纤维的密度为0.949g/cm³，织物的导热系数为0.027W/(m·K)。

实施例6

原料和制备工艺同实施例1，不同之处仅在于：气凝胶的粒径为10nm~1μm，孔隙率为60~80%。

得到的纤维的密度为0.922g/cm³，织物的导热系数为0.026W/(m·K)。

实施例7

气凝胶改性PVA纤维的制备：

将经过水洗与脱水的精制PVA、水、气凝胶（气凝胶与PVA的质量比为3:97，气凝胶的粒径为20~50μm，孔隙率为60~80%）一并加入到图1和图2所示的混合装置中，在常压下于95~98℃进行溶解、混合，配成PVA浓度为16%的气凝胶改性溶液（混合过程中搅拌组件的转速为120r/min，混合时间为180min，桨叶相对于转轴的角度为30~50°）；该气凝胶改性溶液进一步过滤、脱泡得到气凝胶改性纺丝原液；改性纺丝原液经过常规PVA湿法纺丝、后加工工序制备得到气凝胶改性PVA纤维，密度为0.992g/cm³；该气凝胶改性PVA纤维经过常规的后处理、织造工序，得到气凝胶改性PVA织物。该织物导热系数为0.029W/(m·K)。

实施例8

气凝胶改性再生纤维素纤维的制备：

将木浆、NMMO、水、气凝胶（气凝胶与木浆的质量比为3:97，气凝胶的粒径为60~100μm，孔隙率为80~99.9%）一并加入到图1和图2所示的混合装置中，在常压下于90~115℃进行溶解、混合，配成纤维素浓度为17%的气凝胶改性溶液（混合过程中搅拌组件的转速为300r/min，混合时间为150min，桨叶相对于转轴的角度为50~75°）；该气凝胶改性溶液进一步过滤、脱泡得到气凝胶改性纺丝原液；改性纺丝原液经过常规Lyocell干喷-湿纺、后加工工序制备得到气凝胶改性再生纤维素纤维，密度为1.164g/cm³；该气凝胶改性再生纤维素纤维经过常规的后处理、织造工序，得到气凝胶改性再生纤维素织物。该织物导热系数为0.030W/(m·K)。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

1、在气凝胶改性过程中不需添加任何助剂，同时不改变原有的湿法纺丝主工艺参数及流程，不增加生产成本及工艺调整难度。

2、可有效调控气凝胶在成品纤维基体中的统计尺寸及高的孔隙率和良好的分散性，纺丝原液的可纺性良好，其它织物成型条件不变的情况下，织物的克重远低于未改性织物，而导热系数大大低于未改性织物，真正实现了超轻超保温。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种气凝胶改性聚合物纤维的湿法纺丝方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将气凝胶、聚合物和用于溶解所述聚合物的溶剂进行混合，配置成纺丝原液；

对所述纺丝原液进行湿法纺丝，得到所述气凝胶改性聚合物纤维；

将所述气凝胶、所述聚合物和所述溶剂进行混合的步骤中，采用的混合装置包括：

壳体(40)，包括顶壁、底壁和连接所述顶壁与所述底壁的周向侧壁；所述壳体(40)设置有进料口，所述进料口用于通入所述气凝胶、所述聚合物和所述溶剂；

搅拌组件(20)，设置在所述壳体(40)内，所述搅拌组件(20)包括转轴(22)和设置在所述转轴(22)上的桨叶组件，所述桨叶组件包括桨叶(21)；

调整部(60)，用于连接所述桨叶(21)和所述转轴(22)以调节所述桨叶(21)相对于所述转轴(22)的角度，且将所述气凝胶、所述聚合物和所述溶剂进行混合的步骤中，所述桨叶(21)相对于所述转轴(22)的角度为15°～75°。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转轴(22)具有安装孔，所述调整部(60)包括：

调节轴(63)，设置在所述转轴(22)的安装孔内；

主动件(62)，设置在所述调节轴(63)上；

从动件(64)，设置在所述安装孔内，且所述从动件(64)与所述桨叶(21)连接，所述主动件(62)与所述从动件(64)啮合连接，以将所述调节轴(63)的旋转运动转化为所述桨叶(21)的旋转运动。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述桨叶组件包括多个所述桨叶(21)，多个所述桨叶(21)沿所述转轴(22)的周向上间隔设置，所述调整部(60)包括与多个所述桨叶(21)一一对应设置的多个所述从动件(64)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述壳体(40)具有内部腔体和与所述内部腔体连通的第一开口和第二开口，所述第一开口所在的高度高于所述第二开口所在的高度，所述混合装置还包括回流组件(30)，所述回流组件(30)包括：

回流管路(31)，所述回流管路(31)的第一端由所述第一开口伸入所述壳体(40)内，所述回流管路(31)的第二端由所述第二开口伸入所述壳体(40)的所述内部腔体；

动力装置(32)，设置在所述回流管路(31)上；

将所述气凝胶、所述聚合物和所述溶剂进行混合的步骤中，利用所述动力装置(32)驱动所述壳体(40)内的所述气凝胶、所述聚合物和所述溶剂的混合物，使其由所述回流管路(31)的第一端流向所述回流管路(31)的第二端，以形成回流回路。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合装置还包括振动组件(10)，所述振动组件(10)的一端由所述顶壁穿入所述壳体(40)内，所述桨叶(21)的边缘与所述振动组件(10)之间有间隔；将所述气凝胶、所述聚合物和所述溶剂进行混合的步骤中，同时利用所述振动组件(10)对所述壳体(40)内的所述气凝胶、所述聚合物和所述溶剂的混合物进行振动混合。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将所述气凝胶、所述聚合物和所述溶剂进行混合的步骤中，所述搅拌组件(20)的转速为120～500r/min，混合时间为30～180min。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚合物为PAN、PVA、纤维素。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述气凝胶的粒径为10nm～100μm，孔隙率为40％～99.9％。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述气凝胶改性聚合物纤维中所述气凝胶的重量百分含量为0.1％～3.0％。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述气凝胶改性聚合物纤维中所述气凝胶的重量百分含量为2.2％～3.0％。

11.一种气凝胶改性聚合物纤维，其特征在于，由权利要求1至10中任一项所述的方法制备而成。

12.一种织物，其特征在于，由权利要求11所述的气凝胶改性聚合物纤维纺织而成。