CN111304769A - 聚丙烯腈/水滑石复合纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚丙烯腈/水滑石复合纤维及其制备方法和应用，该复合纤维包括聚丙烯腈和均匀分散在聚丙烯腈中的水滑石颗粒，聚丙烯腈的含量为70‑99.9wt％，水滑石颗粒的含量为0.1‑30wt％，其余为杂质；该制备方法包括：将聚丙烯腈溶解于二甲基甲酰胺内，得到聚丙烯腈溶液；将聚丙烯腈溶液搅拌后并加入水滑石颗粒，超声，得到纺丝原液；将纺丝原液通过湿法纺丝技术即可得到复合纤维；本发明采用二甲基甲酰胺作为溶剂，可以充分溶解聚丙烯腈和水滑石颗粒，从而使得聚丙烯腈和水滑石颗粒能够均匀分散；本发明的制备方法步骤简单，工艺独特，易于推广；本发明的复合纤维比纯聚丙烯腈有更强的散热能力、更好的热稳定性和断裂强度。

Description

聚丙烯腈/水滑石复合纤维及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合纤维技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈/水滑石复合纤维及其制备方法和应用。
背景技术
自人类社会进入工业时代起，虽然化石能源为人们提供了更便利更丰富的生活，但是这些能源不是取之不尽的，依托石油发展的工业体系是不可持续的，可持续发展成了人们21世纪关心的重要问题之一。此外，大量使用能源所带来的气候问题，也给人们的生存带来威胁。过去一个多世纪里，气温上升了大约0.6摄氏度。同时，全球海平面上升了约20厘米。这需要人们对保护环境引起重视，减少温室气体的排放是一个有效手段。炎热天气下，人们会使用像空调这种冷却工具。人们达到冷却的目的大约消耗全球15％的电力，这占全球温室气体排放量的10％。预计到2050年，人们对冷却的需求将增长10倍，提高冷却系统的效率是21世纪能源挑战的关键部分。减少化石能源使用同时又能够达到使人体冷却的目的具有一定的发展前景。
热的传递方式有三种，即热对流、热传导和热辐射。基于前两种原理设计的制冷纺织材料很多，但基于热辐射传递方式所涉及的制冷纺织材料却很少。聚丙烯腈是一种应用广泛的聚合物，通常由单体丙烯腈采用自由基聚合反应而得到。聚丙烯腈制作的薄膜的红外发射率在0.55左右，是一种不利于辐射散热的材料；而水滑石具有很高的红外发射率，如镁铝碳酸根插层的水滑石的红外发射率为0.968，具有很好的辐射制冷效果。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明的首要目的在于提供一种聚丙烯腈/水滑石复合纤维，将高红外发射率水滑石材料和较低红外发射率的聚丙烯腈材料结合，进而获得具有较高红外发射率的纺织材料，即在实验室采用热板法测得纯聚丙烯腈的红外发射率为0.61，加入质量分数为5％的水滑石后，复合纤维的红外发射率提升至0.67，加入质量分数为10％的水滑石后，复合纤维的红外发射率提升至0.73，从而实现对人体辐射制冷的效果。
本发明的第二个目的是提供上述聚丙烯腈/水滑石复合纤维的制备方法。
本发明的第三个目的是提供上述聚丙烯腈/水滑石复合纤维的应用，同时为夏季服装面料的选材提供更多的选择，提高人们穿着服装时的热舒适性，进而减少空调的使用，节约一定的化石能源，降低环境的压力。
为达到上述首要目的，本发明的解决方案是：
一种聚丙烯腈/水滑石复合纤维，其包括聚丙烯腈和均匀分散在聚丙烯腈中的水滑石颗粒，聚丙烯腈的含量为70-99.9wt％，水滑石颗粒的含量为0.1-30wt％，其余为杂质，其中，水滑石颗粒的粒径为0.01-10μm。
其中，聚丙烯腈纤维成型后，水滑石颗粒会在聚丙烯腈纤维中均匀分布，其中部分水滑石颗粒会分布在聚丙烯腈纤维表面，由于纤维上原来是聚丙烯腈暴露在空气中的部分变成了水滑石暴露在空气之中，水滑石的红外发射率高于聚丙烯腈，因此复合纤维的红外发射率比纯聚丙烯腈纤维的红外发射率要高，辐射散热性能更好。
为达到上述第二个目的，本发明的解决方案是：
一种上述的聚丙烯腈/水滑石复合纤维的制备方法，其包括如下步骤：
(1)、将聚丙烯腈溶解于二甲基甲酰胺内，得到聚丙烯腈溶液；
(2)、将聚丙烯腈溶液搅拌后并加入水滑石颗粒，超声，得到纺丝原液；
(3)、将纺丝原液通过湿法纺丝工艺得到聚丙烯腈/水滑石复合纤维。
其中，步骤(1)中，选择二甲基甲酰胺作为纺丝原液的溶剂的原因是：二甲基甲酰胺溶剂小分子渗入聚丙烯腈高分子的间隙中，然后由于二甲基甲酰胺的羰基会与聚丙烯腈的氰基发生强相互作用，促使聚丙烯腈高分子纠缠解离，进而聚丙烯腈高分子均匀分散到二甲基甲酰胺溶剂中形成均相体系，再加入水滑石颗粒通过搅拌使其均匀分散至混合溶液中制得所述纺丝原液。
优选地，步骤(2)中，搅拌的转速为20-1500rpm，搅拌的时间为1-6h，温度为20-25℃，湿度为25-50％。
优选地，步骤(2)中，超声的时间为0.1-4h，超声的频率为12-30KHz。
优选地，步骤(2)中，纺丝原液内聚丙烯腈的含量为8-14wt％，水滑石颗粒的含量为0.1-4wt％。
优选地，步骤(3)中，湿法纺丝的工艺包括：
(3-1)、将纺丝原液进行挤压并从喷丝孔喷出后，在凝固浴中进行双扩散，形成初生纤维；
(3-2)、将初生纤维进行牵伸，清洗，定型，卷绕，得到聚丙烯腈/水滑石复合纤维。
优选地，步骤(3-1)中，喷丝孔中喷丝的压力为0.1-1.0MPa。
优选地，步骤(3-1)中，凝固浴为水和乙醇的混合溶液，其中，水和乙醇的体积比为(1-8):1；凝固浴溶液的温度为20-25℃。
优选地，步骤(3-1)中，凝固浴为水和乙醇的混合溶液，其中，水和乙醇的体积比为(3-5):1。
优选地，步骤(3-2)中，牵伸时的牵伸倍数为1-2.5倍；清洗时的温度为50-65℃；定型的温度为100-160℃，时间为20-50s。
优选地，步骤(3-2)中，牵伸时的牵伸倍数为1-2倍；清洗时的温度为55-60℃；定型的温度为140-150℃，时间为30-40s。
为达到上述第三个目的，本发明的解决方案是：
一种上述的聚丙烯腈/水滑石复合纤维在夏季服装面料中的应用。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
本发明的制备方法步骤简单，工艺独特，易于推广；本发明的复合纤维比纯聚丙烯腈有更强的散热能力、更好的热稳定性和断裂强度。
附图说明
图1为本发明的聚丙烯腈/水滑石复合纤维制备方法流程示意图。
图2为本发明的湿法纺丝工艺的流程示意图。
图3为本发明的聚丙烯腈/水滑石复合纤维的散热原理示意图。
图4为本发明的聚丙烯腈/水滑石复合纤维的断裂强度与水滑石质量分数的关系柱状图。
附图标记：1-料筒、2-喷丝孔、3-凝固浴、4-导丝辊、5-牵伸辊、6-水洗槽、7-热湿定型装置、8-收卷辊、9-人体皮肤、10-聚丙烯腈、11-红外热辐射、12-聚丙烯腈/水滑石复合纤维。
具体实施方式
本发明提供了一种聚丙烯腈/水滑石复合纤维及其制备方法和应用。
<聚丙烯腈/水滑石复合纤维>
本发明的聚丙烯腈/水滑石复合纤维包括聚丙烯腈和均匀分散在聚丙烯腈中的水滑石颗粒，聚丙烯腈的含量为70-99.9wt％，水滑石颗粒的含量为0.1-30wt％，其余为杂质，其中，水滑石颗粒的粒径为0.01-10μm。
<聚丙烯腈/水滑石复合纤维的制备方法>
如图1所示，本发明的聚丙烯腈/水滑石复合纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)、将聚丙烯腈溶解于二甲基甲酰胺内，得到聚丙烯腈溶液；
(2)、将聚丙烯腈溶液搅拌后并加入水滑石颗粒，进行超声波分散，得到纺丝原液；
(3)、将纺丝原液通过湿法纺丝工艺得到聚丙烯腈/水滑石复合纤维。
其中，在步骤(2)中，搅拌的转速可以为20-1500rpm，优选为20rpm；搅拌的时间可以为1-6h，优选为2h；温度可以为20-25℃，优选为25℃；湿度可以为25-50％，优选为25％。
在步骤(2)中，超声的时间可以为0.1-4h，优选为40min；超声的频率可以为12-30KHz，优选为20KHz。
在步骤(2)中，纺丝原液内聚丙烯腈的含量为8-14wt％，水滑石颗粒的含量为0.1-4wt％，其余成分为二甲基甲酰胺和少量杂质。
在步骤(3)中，湿法纺丝的工艺包括：
(3-1)、将纺丝原液通过挤压泵挤压，使得纺丝原液从喷丝孔喷出，在凝固浴中进行双扩散，二甲基甲酰胺溶于水中，形成初生纤维；
(3-2)、然后将初生纤维由导丝辊引入到牵伸辊中进行牵伸，牵伸后再进行一遍清洗，洗去二甲基甲酰胺后由热湿定型装置对复合纤维进行定型处理，最后卷绕制成聚丙烯腈/水滑石复合纤维。
本发明通过采用湿法纺丝技术，纺丝原液由喷丝孔挤出进入凝固浴，凝固浴中的水不断扩散至纤维内部，同时溶剂不断扩散至凝固浴中，掺杂着水滑石的聚丙烯腈在凝固浴中以纤维状沉淀出来。分散在聚丙烯腈中的水滑石被聚丙烯腈完全包裹，或部分被聚丙烯腈包裹。由于水滑石的存在，纤维上原来是聚丙烯腈暴露在空气中的部分变成了水滑石暴露在空气之中，水滑石的红外发射率高于聚丙烯腈，因此复合纤维的红外发射率比纯聚丙烯腈纤维的红外发射率要高，辐射散热性能更好。
实际上，在步骤(3-1)中，喷丝孔中喷丝的压力为0.1-1.0MPa。
在步骤(3-1)中，凝固浴为水和乙醇的混合溶液，其中，水和乙醇的体积比可以为(1-8):1，优选为(3-5):1，更优选为5:1；凝固浴内溶液的温度可以为20-25℃，优选为25℃。
在步骤(3-2)中，牵伸时的牵伸倍数可以为1-2.5倍，优选为1-2倍，更优选为2倍；清洗时的温度为50-65℃，优选为55-60℃，更优选为55℃；定型的温度为100-160℃，优选为140-150℃，更优选为140℃；时间为20-50s，优选为30-40s，更优选为40s。
如表1所示，纯聚丙烯腈的初始分解温度为252.62℃，而加入质量分数为5％的水滑石后，复合纤维的初始分解温度为329.79℃；加入质量分数为10％的水滑石后，复合纤维的初始分解温度为291.20℃，说明水滑石的加入使得纯聚丙烯腈的初始分解温度升高了，初始分解温度越高则纤维越不容易分解。此外，在700℃时，纯聚丙烯腈的残余率为54.37％，而加入质量分数为5％的水滑石后，复合纤维的残余率为55.14％；加入质量分数为10％的水滑石后，复合纤维的残余率为56.33％，故残余率越大则说明纤维越不容易分解，则复合纤维的热稳定性越好。因此加入水滑石颗粒的复合纤维比纯聚丙烯腈的热稳定性更好。
表1不同水滑石质量分数的复合材料在热分解过程中的相关参数
Figure BDA0002407576730000041
本发明的复合纤维的断裂强度较纯聚丙烯腈纤维有所提升，在纤维受到拉伸时，分散在聚丙烯腈基体中的水滑石会产生空间位阻，纤维中大分子之间不容易滑脱，由于大分子滑移造成纤维断裂的情况减少，而大分子被拉断造成纤维断裂的情况增多，使得纤维的断裂强力增加，其中，质量分数为5％水滑石的复合纤维的断裂强力最好，测量数据见图4。
<聚丙烯腈/水滑石复合纤维的应用>
本发明的聚丙烯腈/水滑石复合纤维可以在夏季服装面料中得以应用。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
(1)、称取9.27g二甲基甲酰胺，加入锥形瓶内，然后向锥形瓶中加入1.2g聚丙烯腈后，得到聚丙烯腈溶液。
(2)、采用搅拌桨对聚丙烯腈溶液进行机械搅拌2h，搅拌速度为20rpm，搅拌过程中保持室温，湿度为25％。机械搅拌后加入0.063g水滑石颗粒，然后再搅拌1h，室温下超声波处理40min，得到纺丝原液，其中，超声波的频率为20KHz，功率为2.5KW。
(3)、采用湿法纺丝技术制备聚丙烯腈/水滑石复合纤维，其流程示意图如图2所示，将纺丝原液放入料筒1内，在螺杆挤压装置的作用下，通过喷丝孔2进入凝固浴3中，在凝固浴3中进行双扩散，使其内部溶剂充分析出，并经过导丝辊4导向牵伸装置，牵伸装置由两对牵伸辊5组成，然后将复合纤维引入水洗槽6中清洗，清洗后的复合纤维送入热湿定型装置7中定型，最后被收卷辊8收取。
本实施例中，凝固浴为水和乙醇的混合溶液，水与乙醇的体积比为5:1，凝固浴3的温度为室温，牵伸倍数为2倍，水洗槽6的温度为55℃，热湿定型温度为140℃，热湿定型时间为40s。所制备的具有辐射制冷功能的聚丙烯腈/水滑石复合纤维的散热机理图如图3所示，同种温度条件下，红外发射率高的材料会释放更多的红外线，红外线释放的越多则材料的散热性能越好。图3中左图中是纯聚丙烯腈材料覆盖在人体皮肤9上，可以看到聚丙烯腈10只释放少量的红外线，而右图中是聚丙烯腈/水滑石复合纤维12覆盖在人体皮肤9上，可以看到聚丙烯腈/水滑石复合纤维12释放多于左图中聚丙烯腈材料释放的红外热辐射11，进而散热性能得以提升。
实施例2：
(1)、称取9.78g二甲基甲酰胺，加入锥形瓶内，然后向锥形瓶中加入1.2g聚丙烯腈后，得到聚丙烯腈溶液。
(2)、采用搅拌桨对纺丝后的溶液进行机械搅拌1.5h，搅拌速度为30rpm，搅拌过程中保持室温。机械搅拌后加入0.133g水滑石颗粒，然后再搅拌2h，室温下超声波处理50min，得到纺丝原液，其中，超声波的频率为20KHz，功率为2.5KW。
(3)、采用湿法纺丝技术制备聚丙烯腈/水滑石复合纤维，其流程示意图如图2所示，将纺丝原液放入料筒1内，在螺杆挤压装置的作用下，通过喷丝孔2进入凝固浴3中，在凝固浴3中进行双扩散，使其内部溶剂充分析出，并经过导丝辊4导向牵伸装置，牵伸装置由两对牵伸辊5组成，然后将复合纤维引入水洗槽6中清洗，清洗后的复合纤维送入热湿定型装置7中定型，最后被收卷辊8收取。
本实施例中，凝固浴为水和乙醇的混合溶液，水与乙醇的质量比为5:1，凝固浴3的温度为室温，牵伸倍数为1.5倍，水洗槽6的温度为55℃，热湿定型温度为140℃，热湿定型时间为40s。所制备的具有辐射制冷功能的聚丙烯腈/水滑石复合纤维的散热机理图如图3所示，同种温度条件下，红外发射率高的材料会释放更多的红外线，红外线释放的越多则材料的散热性能越好。图3中左图中是纯聚丙烯腈材料覆盖在人体皮肤9上，可以看到聚丙烯腈10只释放少量的红外线，而右图中是聚丙烯腈/水滑石复合纤维12覆盖在人体皮肤9上，可以看到聚丙烯腈/水滑石复合纤维12释放多于左图中聚丙烯腈材料释放的红外热辐射11，进而散热性能得以提升。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚丙烯腈/水滑石复合纤维，其特征在于：其包括聚丙烯腈和均匀分散在所述聚丙烯腈中的水滑石颗粒，所述聚丙烯腈的含量为70-99.9wt％，所述水滑石颗粒的含量为0.1-30wt％，其余为杂质。
2.一种根据权利要求1所述的聚丙烯腈/水滑石复合纤维的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
(1)、将聚丙烯腈溶解于二甲基甲酰胺内，得到聚丙烯腈溶液；
(2)、将所述聚丙烯腈溶液搅拌后并加入水滑石颗粒，超声，得到纺丝原液；
(3)、将所述纺丝原液通过湿法纺丝工艺得到聚丙烯腈/水滑石复合纤维。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述搅拌的转速为20-1500rpm，所述搅拌的时间为1-6h，温度为20-25℃，湿度为25-50％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述超声的时间为0.1-4h，所述超声的频率为12-30KHz。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述纺丝原液内聚丙烯腈的含量为8-14wt％，所述水滑石颗粒的含量为0.1-4wt％。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述湿法纺丝的工艺包括：
(3-1)、将纺丝原液进行挤压并从喷丝孔喷出后，在凝固浴中进行双扩散，形成初生纤维；
(3-2)、将初生纤维进行牵伸，清洗，定型，卷绕，得到聚丙烯腈/水滑石复合纤维。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3-1)中，所述喷丝孔中喷丝的压力为0.1-1.0MPa；和/或，
步骤(3-1)中，所述凝固浴为水和乙醇的混合溶液，其中，水和乙醇的体积比为(1-8):1；所述凝固浴内溶液的温度为20-25℃；和/或，
步骤(3-1)中，所述凝固浴为水和乙醇的混合溶液，其中，水和乙醇的体积比为(3-5):1。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3-2)中，所述牵伸时的牵伸倍数为1-2.5倍；所述清洗时的温度为50-65℃；所述定型的温度为100-160℃，时间为20-50s。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3-2)中，所述牵伸时的牵伸倍数为1-2倍；所述清洗时的温度为55-60℃；所述定型的温度为140-150℃，时间为30-40s。
10.一种如权利要求1所述的聚丙烯腈/水滑石复合纤维在夏季服装面料中的应用。
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