CN110735194A - 一种二氧化硅复合气凝胶、pet聚酯纤维、聚酯织物 - Google Patents

一种二氧化硅复合气凝胶、pet聚酯纤维、聚酯织物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚酯纤维技术领域，具体是一种二氧化硅复合气凝胶、PET聚酯纤维、聚酯织物。二氧化硅复合气凝胶，由以下方法制备，混合硅源、第一有机溶剂和水混合，经过酸性水解和碱性缩合得到湿凝胶，再经过老化、第一次无水乙醇置换、表面改性剂改性、加热、第二次无水乙醇置换、干燥制得，所述混合硅源为正硅酸乙酯、4‑三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷的混合物；PET聚酯纤维，按重量份数计，由100份纤维级PET聚酯和0.5‑5份上述二氧化硅复合气凝胶采用熔融纺丝的工艺制备。本发明的PET聚酯纤维具有密度低、导热性能差的特点，由其纺织而成的织物具有轻盈、保温隔热性能好的特点。

Description

一种二氧化硅复合气凝胶、PET聚酯纤维、聚酯织物
技术领域
本发明涉及气凝胶技术领域，具体涉及一种二氧化硅复合气凝胶、PET聚酯纤维、聚酯纤维。
背景技术
二氧化硅气凝胶由于其低密度和低导热率，应用在保温隔热织物领域，不仅具有保温隔热效果，而且由于其低密度可以减轻织物的重量，使其更加轻盈，穿着更加舒适。
期刊《SiO2气凝胶隔热涂层织物的制备及性能研究》(表面技术，2014,43(3)，95-100)报道了采用SiO2气凝胶制备涂层剂，再涂布于棉布表面，使得棉布明显具有隔热效果。但是该方法得到的织物表层SiO2气凝胶隔热涂层容易随着穿着和清洗而逐渐脱落，因此实用性较差。
硕士论文《二氧化硅气凝胶的制备与应用》(北京化工大学，2015年)制备了二氧化硅气凝胶，直接将二氧化硅气凝胶填充于双层超薄防晒透气布料间做成具有夹层结构的保温材料，保温隔热效果明显，但是粉体易沿着布料纤维和针缝间隙溢出；将涤棉絮片经NaOH醇溶液处理后分别负载硅溶胶和二氧化硅气凝胶，有隔热效果，但絮片略经弯折或抖动便有大量粉体脱落，应用性差；用二氧化硅气凝胶作功能粒子，分别硅改性聚丙烯酸酯乳液、水性聚氨酯乳液、聚四氟乙烯乳液和PVDF-HFP的DMF溶液作为粘结剂，辅以其他助剂制备了四种不同种类的保温涂层剂并在原色棉布上涂敷形成保温涂层，其中PTFE基和PVDF-HFP基涂布的隔热效果最好。但涂敷于棉布表面的涂层在应用及清洗过程中容易脱落，导致失效。
申请公布号CN103397516A的发明专利披露了一种二氧化硅气凝胶复合织物，将高强度合成纤维浸入二氧化硅溶胶后老化，再进行超临界干燥，制得。但是，该方法不适合大规模化生产，而且二氧化硅气凝胶包覆在纤维表面，容易在后续的使用中脱落。
申请公布号CN110257946A的发明专利披露了一种气凝胶纤维的制备方法，将二氧化硅气凝胶粉体与精对苯二甲酸混合后与反应溶剂进行聚合反应，得到气凝胶混合聚酯熔体，纺丝及后处理，制得气凝胶纤维。该方法对聚合反应的工艺有较高的要求，而且不适合灵活生产。
对二氧化硅气凝胶改性的纤维材料有以下几点的要求：1.稳定，不容易在应用中脱落；2.生产较为方便灵活；3.隔热保温性能较好。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种PET聚酯纤维，具有低密度低、导热系数低的特点。
本发明的另一个目的是提供一种二氧化硅复合气凝胶，制备过程可以在常压下干燥，具有力学强度较高的特点。
本发明还有一个目的是提供一种聚酯织物，具有轻盈、保暖性好的特点。
本发明的采用如下的技术方案：
一种二氧化硅复合气凝胶，由以下方法制备，混合硅源、有机溶剂和水混合，经过酸性水解和碱性缩合得到湿凝胶，再经过老化、第一次无水乙醇置换、表面改性剂改性、加热、第二次无水乙醇置换、干燥制得；所述混合硅源为正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷的混合物。
优选的，所述正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷的摩尔比为1:0.5-1.5:0-0.3。
更优选的，所述正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷的摩尔比为1:0.7-1.2:0.1-0.25。
优选的，所述混合硅源、有机溶剂和水的摩尔比为1:5-15:4-9。有机溶剂可以选自无水乙醇、甲醇、丙酮、四氢呋喃和异丙醇中的一种或几种。
所述酸性水解是加入酸性物质，调整反应体系的pH为2-4进行水解，所述酸性物质可以选自硫酸、盐酸、硝酸、草酸、甲酸和醋酸中的至少一种。所述碱性缩合是加入碱性物质，调整反应体系的pH为8-12进行缩合，所述碱性物质可以选自氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、碳酸钠和碳酸钾中的至少一种。
所述老化是将湿凝胶置于30-80℃水浴中维持1-3小时。
优选的，所述表面改性剂为三甲基氯硅烷或六甲基二硅氮烷的溶液，浓度为30-200g/L，改性时间为1-4小时；所述溶液所用的溶剂为极性溶剂，在标准大气压下的沸点不低于120℃。在更优选的方案中，所用的溶剂在标准大气压下的沸点不高于250℃，所用的溶剂可以选自醋酸丁酯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、乙二醇苯醚、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、1,2-丙二醇单乙醚、二丙二醇甲醚、丁二酸二甲酯、丙二酸二甲酯、草酸二甲酯、乙二醇二乙醚、二丁醚、N,N-二甲基乙酰胺、苯甲酸乙酯和甲酰胺中的一种或几种。
优选的，所述加热在常压下的温度不低于120℃，加热时间为10分钟-5小时，再冷却至室温。在更优选的方案中，所述加热在常压下的温度不高于205℃。如果加热时湿凝胶中溶剂挥发较为剧烈，可以加上冷凝装置，以避免或减少溶剂挥发。
优选的，所述第二次无水乙醇置换为加热后的湿凝胶浸泡入无水乙醇中1-5小时，再取出。第二次无水乙醇置换的目的是置换湿凝胶中的高沸点极性溶剂，有利于后续的干燥步骤。
所述干燥可以是常压下加热除去有机溶剂，也可以先在常压下加热去除溶剂，再在负压下加热去除剩余的有机溶剂。
一种PET聚酯纤维，按重量份数计，由100份纤维级PET聚酯和0.5-5份上述任一实施方案所述的二氧化硅复合气凝胶采用熔融纺丝的工艺制备。
优选的，按重量份数计，由100份纤维级PET聚酯和1.5-4份上述任一实施方案所述的二氧化硅复合气凝胶采用熔融纺丝的工艺制备。
一种聚酯织物，由上述任一实施方案所述的PET聚酯纤维纺织而成。
本发明的有益效果是：
(1)得到的PET聚酯纤维密度可低至0.862g/cm3，为常规型PET聚酯纤维密度的62.3％，导热系数可低至0.021W/(m·k)，为常规型PET聚酯纤维导热系数的24.7％，
(2)本发明采用正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷混合作为硅源，水解缩合后的二氧化硅粒子表面带有乙烯基苯并环丁烯和乙炔基，乙烯基苯并环丁烯既可以自身在加热下实现开环反应形成聚合物，也可以与乙炔基发生Diels-Alder反应形成聚合物，提高了二氧化硅粒子三维网络结构的强度，因此二氧化硅复合气凝胶干燥可以在常压下进行。
(3)二氧化硅复合气凝胶分散在PET聚酯纤维中，在应用和清洗过程中不易脱落，性能持久性较好。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
如无特别指明，以下实施方式中的实施方案所述的份数都为重量份数。
制备二氧化硅复合气凝胶
正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷按摩尔比1:0.55:0.2混合形成混合硅源，混合硅源、丙酮和水按摩尔比1:8:3.9混合搅拌均匀，加入草酸调节pH为3.0进行水解，再加入氨水调节pH为10.0进行缩合得到湿凝胶，湿凝胶置于30℃水浴中老化3小时，取出湿凝胶浸泡入无水乙醇中进行溶剂置换，溶剂置换2次，再取出湿凝胶置于表面改性剂(三甲基氯硅烷的二丙二醇甲醚溶液，浓度为120g/L)中浸泡2小时进行改性，加热至170℃恒温反应2小时，降温至室温，再次浸泡入无水乙醇中进行置换，置换3次，湿凝胶依次在50℃鼓风干燥箱中干燥3小时、90℃鼓风干燥箱中干燥2小时、120℃鼓风干燥箱中干燥2小时，获得二氧化硅复合气凝胶1。二氧化硅复合气凝胶1的导热系数为0.0143W/(m·k)，密度为0.113g/cm3。
正硅酸乙酯和4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯按摩尔比1:0.9混合形成混合硅源，混合硅源、无水乙醇和水按摩尔比1:8:4混合搅拌均匀，加入草酸调节pH为3.0进行水解，再加入氨水调节pH为10.5进行缩合得到湿凝胶，湿凝胶置于50℃水浴中老化2小时，取出湿凝胶浸泡入无水乙醇中进行溶剂置换，溶剂置换2次，再取出湿凝胶置于表面改性剂(三甲基氯硅烷的DMSO溶液，浓度为120g/L)中浸泡2小时进行改性，加热至200℃恒温反应3小时，降温至室温，再次浸泡入无水乙醇中进行置换，置换3次，湿凝胶依次在50℃鼓风干燥箱中干燥3小时、90℃鼓风干燥箱中干燥2小时、120℃鼓风干燥箱中干燥2小时，获得二氧化硅复合气凝胶2。二氧化硅复合气凝胶2的导热系数为0.0147W/(m·k)，密度为0.115g/cm3。
正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷按摩尔比1:1.2:0.25混合形成混合硅源，混合硅源、无水乙醇和水按摩尔比1:9:3.7混合搅拌均匀，加入草酸调节pH为3.0进行水解，再加入氨水调节pH为10.5进行缩合得到湿凝胶，湿凝胶置于30℃水浴中老化3小时，取出湿凝胶浸泡入无水乙醇中进行溶剂置换，溶剂置换2次，再取出湿凝胶置于表面改性剂(六甲基二硅氮烷的DMF溶液，浓度为120g/L)中浸泡3小时进行改性，加热至180℃恒温反应2小时，降温至室温，再次浸泡入无水乙醇中进行置换，置换3次，湿凝胶依次在50℃鼓风干燥箱中干燥3小时、90℃鼓风干燥箱中干燥3小时、120℃鼓风干燥箱中干燥3小时，获得二氧化硅复合气凝胶3。二氧化硅复合气凝胶1的导热系数为0.0141W/(m·k)，密度为0.112g/cm3。
在制备二氧化硅复合气凝胶3中第二次无水乙醇置换后的湿凝胶采用超临界二氧化硅干燥工艺进行干燥，获得二氧化硅复合气凝胶4。二氧化硅复合气凝胶1的导热系数为0.0139W/(m·k)，密度为0.110g/cm3。
实施例1
0.7份二氧化硅复合气凝胶1和5份纤维级PET聚酯聚合物进行熔融挤出，切片，得到聚酯母粒1。
1份聚酯母粒1和19份纤维级PET聚酯聚合物在270-280℃下进行熔融挤出、冷却、拉伸比5下进行拉伸、上油、收卷，得到PET聚酯纤维1。
实施例2
1份聚酯母粒1和9份纤维级PET聚酯聚合物在270-280℃下进行熔融挤出、冷却、拉伸比5下进行拉伸、上油、收卷，得到PET聚酯纤维2。
实施例3
1.5份二氧化硅复合气凝胶2和4份纤维级PET聚酯聚合物进行熔融挤出，切片，得到聚酯母粒2。
1份聚酯母粒2和19份纤维级PET聚酯聚合物在270-280℃下进行熔融挤出、冷却、拉伸比5下进行拉伸、上油、收卷，得到PET聚酯纤维3。
实施例4
1份聚酯母粒2和9份纤维级PET聚酯聚合物在270-280℃下进行熔融挤出、冷却、拉伸比5下进行拉伸、上油、收卷，得到PET聚酯纤维4。
实施例5
2份二氧化硅复合气凝胶3和8份纤维级PET聚酯聚合物进行熔融挤出，切片，得到聚酯母粒3。
1份聚酯母粒3和4份纤维级PET聚酯聚合物在270-280℃下进行熔融挤出、冷却、拉伸比5下进行拉伸、上油、收卷，得到PET聚酯纤维5。
实施例6
2份二氧化硅复合气凝胶4和8份纤维级PET聚酯聚合物进行熔融挤出，切片，得到聚酯母粒4。
1份聚酯母粒4和9份纤维级PET聚酯聚合物在270-280℃下进行熔融挤出、冷却、拉伸比5下进行拉伸、上油、收卷，得到PET聚酯纤维6。
实施例7
1份聚酯母粒4和3.5份纤维级PET聚酯聚合物在270-280℃下进行熔融挤出、冷却、拉伸比5下进行拉伸、上油、收卷，得到PET聚酯纤维7。
对比例
以市售的PET聚酯纤维作为对比例。
测试
实施例1-7的性能测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002294606950000061
说明：1.室温导热系数采用热线法测试。
由表1的结果可知，采用本发明的制备方法得到的PET聚酯纤维虽然拉伸断裂强度和拉伸断裂伸长率随着二氧化硅复合气凝胶添加量的增加而降低，但是同时密度降低，室温导热系数也变低，不但能提高保温性能，而且穿着更轻盈。
分别将实施例2和实施例6得到的PET聚酯纤维经过标准洗涤50次后，测试耐洗性能。结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002294606950000062
说明：2.室温导热系数采用热线法测试。
由表2结果可知，本发明得到的PET聚酯纤维耐洗性较好，密度和室温导热系数的性能较为稳定。
综上所述，本发明的PET聚酯纤维可以达到较低的密度和室温导热系数，而且性能较为稳定。由本发明的PET聚酯纤维单独纺织或与其他纤维混合纺织而成的织物，具有轻盈性和保温隔热性能好的特点。
以上所述，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种二氧化硅复合气凝胶，其特征在于：由以下方法制备，混合硅源、有机溶剂和水混合，经过酸性水解和碱性缩合得到湿凝胶，再经过老化、第一次无水乙醇置换、表面改性剂改性、加热、第二次无水乙醇置换、干燥制得；所述混合硅源为正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷的混合物。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅复合气凝胶，其特征在于：所述正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷的摩尔比为1:0.5-1.5:0-0.3。
3.根据权利要求2所述的二氧化硅复合气凝胶，其特征在于：所述正硅酸乙酯、4-三乙氧基硅基乙烯基苯并环丁烯和乙炔基三乙氧基硅烷的摩尔比为1:0.7-1.2:0.1-0.25。
4.根据权利要求1所述的二氧化硅复合气凝胶，其特征在于：所述混合硅源、有机溶剂和水的摩尔比为1:5-15:4-9。
5.根据权利要求1所述的二氧化硅复合气凝胶，其特征在于：所述表面改性剂为三甲基氯硅烷或六甲基二硅氮烷的溶液，浓度为30-200g/L，改性时间为1-4小时；所述溶液所用的溶剂为极性溶剂，在标准大气压下的沸点不低于120℃。
6.根据权利要求1所述的二氧化硅复合气凝胶，其特征在于：所述加热在常压下的温度不低于120℃，加热时间为10分钟-5小时，再冷却至室温。
7.根据权利要求1所述的二氧化硅复合气凝胶，其特征在于：所述第二次无水乙醇置换为加热后的湿凝胶浸泡入无水乙醇中1-5小时，再过滤去除溶剂。
8.一种PET聚酯纤维，其特征在于：按重量份数计，由100份纤维级PET聚酯和0.5-5份权利要求1-7任一项所述的二氧化硅复合气凝胶采用熔融纺丝的工艺制备。
9.根据权利要求8所述的PET聚酯纤维，其特征在于：按重量份数计，由100份纤维级PET聚酯和1.5-4份权利要求1-7任一项所述的二氧化硅复合气凝胶采用熔融纺丝的工艺制备。
10.一种聚酯织物，其特征在于：由权利要求8或9所述的PET聚酯纤维纺织而成。
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