CN112064362A - 一种多功能复合面料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种多功能复合面料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多功能复合面料及其制备方法和应用，使用聚偏氟乙烯材料在织物表面沉积一层具有微孔结构的纳米薄膜，由于聚偏氟乙烯分子结构表面没有亲水性基团，具有微孔结构，这种纳米薄膜对纤维本身柔软性没有影响，且透气防水性能优异；另外，涤纶表面含有自发热纳米碳材料，在睡眠同时能够将人体发射的红外线反射，达到优异的保温效果；而且，自发热纳米材料和聚偏氟乙烯材料具有优异的阻燃性能，赋予面料优异的阻燃性能。

Description

一种多功能复合面料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于新材料制备领域，具体涉及一种多功能复合面料及其制备方法和应用。
背景技术
随着社会科技的高速发展，军警用装备技术也日益发达，其中军用睡袋是一种非常重要的行军用装备，关系着我国军人作战状态。如今随着信息化作战形式的高速发展，军用睡袋的功能化越加显得重要。不仅需要轻量化，而且需要具有防水透气、抗菌抑菌、阻燃、保暖、红外自发热等多种功能以满足现代化作战要求。
然而目前的军用睡袋保暖性不足、阻燃性差、透气率低、厚重，不利于行军队伍的携带。因此设计开发一种兼具轻量化、阻燃、防水透气、保暖自发热等多功能军用睡袋面料是我国军需加工部门的核心技术需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能复合面料，具有良好的透气、防水、阻燃功能，而且具有自发热功能，保温效果好，柔软轻便。
本发明另一目的在于提供一种多功能复合面料的制备方法，基于红外自发热和透气拒水原理开发制备。
本发明最后一个目的在于提供一种多功能复合面料的应用，用于制作睡袋，尤其是军用睡袋。
本发明具体技术方案如下：
一种多功能复合面料的制备方法，包括以下步骤：
1)将碳材料煅烧后，得自发热纳米碳材料；
2)将步骤1)制备的自发热碳纳米材料、聚偏氟乙烯和聚乙二醇溶解分散于溶剂中，搅拌，得到涂层浆料；
3)利用步骤2)制备的涂层浆料改性织物面料，即得多功能复合面料。
步骤1)中具体为：将碳材料置于马弗炉中，升温至600-700℃，并保温2-4小时，然后降温至280-310℃并保温1-3小时，随后降至室温，将得到的材料进行球磨粉碎，即可。
进一步的，步骤1)中，将得到的材料进行高能球磨粉碎至粒径为400-720nm。
优选的，步骤1)中所述碳材料选自咖啡渣或炭渣。一方面这2种材料是多孔、电子传输性能优异，红外线光子能量传输和反射性能好；另一方面在本发明的碳化温度处理下，这两种碳材料表面含有不同的官能团，这些官能团也起到一定的保温作用。
步骤1)中升温至600-700℃，控制升温速率为5-10℃/min。
步骤1)中降温至280-310℃的降温速率为2-5℃/min，
步骤1)中降至室温的速度是指3-5℃/min；
步骤2)中，将步骤1)制备的自发热碳纳米材料、聚偏氟乙烯和聚乙二醇在30-50℃条件下溶解分散于溶剂中。
步骤2)中所述溶剂是指N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。
步骤2)所述涂层浆料中，自发热碳纳米材料质量分数为2-5％，聚偏氟乙烯质量分数为4-7％，聚乙二醇的分子量为500-2000，其用量与溶剂的比例为5-10g/L；
步骤2)中所述搅拌是指按照200-300转/分钟的转速条件下持续匀速磁力搅拌12-15小时。
步骤3)中，所述改性方法为：微纳米物理沉积改性,具体为：使用步骤2)制备的涂层浆料，将其涂覆在织物面料表面，随后将其在150-180℃条件下焙烘1.5-3min，然后置于50-70℃蒸馏水中处理4-8h，依靠涂层浆料在高温下分子的交联作用使得功能粒子固着在织物表面，达到改性目的。根据添加聚乙二醇分子量不同，处理的温度和时间有所不同，分子量大，由于其难以溶于水中，因此需要处理时间长、温度高。
步骤3)中所述织物面料是指涤纶机织物，优选的涤纶机织物克重为70-90g/m2。
或，步骤3)中所述织物面料是聚酰胺纤维(锦纶机织物)。
进一步的，步骤3)改性后得到涂层沉积量为7-10g/m2的织物。
本发明提供的一种多功能复合面料，采用上述方法制备得到。
本发明提供的一种多功能复合面料的应用，用于制作睡袋，尤其用于制作军用睡袋。
本发明中，自发热碳纳米材料的使用能够赋予面料显著的保温效果，DMF溶剂可以使得自发热碳纳米材料分散均匀，并能够溶解聚偏氟乙烯，且在微纳米沉积改性时沉积在织物表面形成一层薄膜，由于聚偏氟乙烯分子结构中含有氟元素，可赋予面料优异的防水性能。此外，聚乙二醇分子可以镶嵌在薄膜上，通过水热处理使其溶解在水中，从而在薄膜表面形成微纳米孔结构，这赋予了面料优异的透气性能。值得说明的是，各物质均为大分子或纳米结构，因此各物质均与面料之间有较强的结合力。
本发明制备的自发热纳米碳材料具有不同的微纳米孔结构，改变碳化温度和时间能够调控这种结构，且通过调节自发热纳米碳材料结构能够调控其自发热效率和保暖效果。使用聚偏氟乙烯材料在涤纶表面沉积一层具有微孔结构的纳米薄膜，由于聚偏氟乙烯分子结构表面没有亲水性基团，具有微孔结构，这种纳米薄膜对纤维本身柔软性没有影响，且透气防水性能优异；另外，织物面料表面含有自发热纳米碳材料，在睡眠同时能够将人体发射的红外线反射，达到优异的保温效果；而且，自发热纳米材料和聚偏氟乙烯材料具有优异的阻燃性能，赋予面料优异的阻燃性能。
附图说明
图1为实施例1制备的多功能涂层浆料中自发热纳米碳粒子粒径分析；
图2为650℃保温3h条件下制备的多功能涂层浆料中自发热纳米碳粒子粒径分析；
图3为700℃保温3h条件下制备的多功能涂层浆料中自发热纳米碳粒子粒径分析。
具体实施方式
实施例1
一种多功能复合面料的制备方法的制备方法，包括以下步骤：
1)自发热纳米碳材料制备：将咖啡渣置于马弗炉中，以10℃/min的升温速率升至600℃，并保温3小时，然后以5℃/min的降温速率降至300℃并保温2小时，随后按照5℃/min的降温速率降至室温，将得到的材料进行高能球磨粉碎得到平均粒径约为532纳米的自发热纳米碳材料；
2)多功能涂层浆料制备：将聚偏氟乙烯和上述得到的自发热纳米碳材料以及聚乙二醇在30℃条件下溶解分散于DMF溶剂中，并按照250转/分钟的转速条件下持续匀速磁力搅拌12小时，使其形成均匀涂层浆料，得到多功能涂层浆料，涂层浆料中聚偏氟乙烯质量分数为0-7％，自发热纳米碳材料质量分数为4％，聚乙二醇的分子量为1000，其与DMF溶剂用量比为5克/升；所得涂层浆料自发热纳米碳粒子粒径分析如图1所示。图1-图3是涂层浆料中的粒径，与制备的粉末相比，有微弱的团聚现象。
3)聚偏氟乙烯微孔膜改性涤纶面料制备：进行微纳米物理沉积改性，使用上述得到的涂层浆料涂覆于克重为70g/m2的涤纶机织物表面，随后将其在在180℃条件下焙烘1.5min，随后将涂层涤纶织物置于50℃的水中浸泡处理4小时，得到沉积量为8.6g/m2的涂层涤纶织物，得到一种多功能复合面料。
改变实施例1步骤1)中“以10℃/min的升温速率升至600℃，并保温3小时”的升温温度为650℃和700℃，均保温3h，制备的多功能涂层浆料中自发热纳米碳粒子粒径分别如图2和图3所示。
改变实施例1步骤2)中聚偏氟乙烯质量分数，其他条件不变，得到不同聚偏氟乙烯质量分数改性的多功能复合面料，根据标准GB/T5453-1997《纺织品织物透气性的测定》对复合面料的透气性进行测试，结果如表1所示。
表1聚偏氟乙烯不同添加量时多功能复合面料的透气性能
聚偏氟乙烯质量分数(％) 0 4 5 6 7
透气率(mm/s) 135 133 132 127 82
水接触角/° 83 110 124 151 158
由表1数据可知，随着聚偏氟乙烯质量分数的提高，织物的透气率和水接触角显著增大。这说明聚偏氟乙烯的添加能够增加织物的防水性能，降低透气性能。这主要是因为聚偏氟乙烯分子结构表面无亲水性基团，且其分子之间能够形成致密的纳米薄膜，这导致其防水性能显著增加。而且，在织物表面沉积薄膜后将其置于温水中一段时间能够将其中的聚乙二醇溶解，从而在纳米薄膜表面形成致密的微孔，增加其透气性。此外，当聚偏氟乙烯用量过高时，由于其在织物表面形成的薄膜过于致密，导致其透气性能显著降低。
实施例2
一种多功能复合面料的制备方法的制备方法，包括以下步骤：
1)自发热纳米碳材料制备：将咖啡渣置于马弗炉中，以10℃/min的升温速率升至600℃，并保温3小时，然后以5℃/min的降温速率降至300℃并保温2小时，随后按照5℃/min的降温速率降至室温，将得到的材料进行高能球磨粉碎得到平均粒径约为532纳米的自发热纳米碳材料；
2)多功能涂层浆料制备：将聚偏氟乙烯和上述得到的自发热纳米碳材料以及聚乙二醇在30℃条件下溶解分散于DMF溶剂中，并按照250转/分钟的转速，室温条件下持续匀速磁力搅拌12小时，使其形成均匀涂层浆料，得到多功能涂层浆料，其中聚偏氟乙烯质量分数为6％，自发热纳米碳材料质量分数为0-5％，聚乙二醇的分子量为10000，其用量为5克/升；
3)聚偏氟乙烯微孔膜改性涤纶面料制备，进行微纳米物理沉积改性，使用上述得到的涂层浆料涂覆于克重为70g/m2的涤纶机织物，在180℃条件下焙烘1.5min，再将涂层涤纶织物置于50℃的水中处理4小时，得到沉积量为7.9g/m2的涂层涤纶织物，得到多功能复合面料。
改变实施例2步骤2)中自发热纳米碳材料质量分数，其他条件不变，得到不同聚偏氟乙烯质量分数改性的多功能复合面料，根据标准GB/T 17591-2006对织物的阻燃性能(即织物损毁长度)进行测试。根据标准GB/T 29866-2013《纺织品吸湿发热性能试验方法》对织物的保温性能(即30min内面料平均温度升高值)进行测试，其中对织物施加红外线辐射。
表2自发热纳米碳材料不同添加量时多功能复合面料的性能
自发热纳米碳材料质量分数(％) 0 2 3 4 5
织物损毁长度(mm) 173 146 142 135 130
保温性能/℃ 24.9 26.3 27.4 28.1 28.2
注：烘箱环境温度25±0.2℃。
由表2数据可知，随着自发热纳米碳材料质量分数的增加，织物的损毁长度和红外保温性能显著增大。这说明自发热纳米碳材料的添加能够增加织物的阻燃和保温性能。值得注意的是，当自发热纳米碳材料质量分数为5％时，保温性能没有发生显著上升。这说明过多碳纳米材料的添加并不能一味的显著升高其保温性能。这主要是因为过多的碳纳米材料会在沉积时发生严重的堆叠现象，那些被覆盖严重的碳纳米材料此时并不能发生其原有的红外发热性能，导致保温性能没有显著上升。
实施例3
一种多功能复合面料的制备方法的制备方法，包括以下步骤：
1)自发热纳米碳材料制备：将咖啡渣置于马弗炉中，以10℃/min的升温速率升至600℃，并保温3小时，然后以5℃/min的降温速率降至300℃并保温2小时，随后按照5℃/min的降温速率降至室温，将得到的材料进行高能球磨粉碎得到平均粒径约为532纳米的自发热纳米碳材料；
2)多功能涂层浆料制备：将聚偏氟乙烯和上述得到的自发热纳米碳材料以及聚乙二醇在30℃条件下溶解分散于DMF溶剂中，并按照250转/分钟的转速条件下持续匀速磁力搅拌12小时，使其形成均匀涂层浆料，得到多功能涂层浆料，其中聚偏氟乙烯质量分数为6％，自发热纳米碳材料质量分数为4％，聚乙二醇的分子量为1000，其用量与溶剂的用量比为5-10克/升；
3)聚偏氟乙烯微孔膜改性涤纶面料制备：使用上述得到的涂层浆料涂覆在克重为70g/m2的涤纶机织物表面进行微纳米物理沉积改性，在180℃条件下焙烘1.5min，随后将涂层涤纶织物置于50℃的水中处理4小时，得到沉积量为8.8g/m2的涂层涤纶织物，得到一种多功能复合面料。
改变实施例3步骤2)中聚乙二醇用量，其他条件不变，得到不同聚乙二醇用量改性的多功能复合面料，根据标准GB/T5453-1997《纺织品织物透气性的测定》对复合面料的透气性进行测试，结果如表3所示。
表3聚乙二醇不同添加量时多功能复合面料的透气性能
Figure BDA0002675787660000071
Figure BDA0002675787660000081
由表3数据可知，随着聚乙二醇添加量的提高，面料的透气率显著增大，但是其面料的水接触角显著降低。这说明聚乙二醇的添加能够增加面料的透气性能，但是不利于面料的防水性能。这主要是因为聚乙二醇的添加会在聚偏氟乙烯薄膜表面造成不同程度的孔结构，过多的聚乙二醇添加量不利于其防水性能。值得注意的是，聚乙二醇的添加对面料的保温效果没有显著影响。

Claims (10)

1.一种多功能复合面料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将碳材料煅烧后，得自发热纳米碳材料；
2)将步骤1)制备的自发热碳纳米材料、聚偏氟乙烯和聚乙二醇溶解分散于溶剂中，搅拌，得到涂层浆料；
3)利用步骤2)制备的涂层浆料改性织物面料，即得多功能复合面料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中具体为：将碳材料置于马弗炉中，升温至600-700℃，并保温2-4小时，然后降温至280-310℃并保温1-3小时，随后降至室温，将得到的材料进行球磨粉碎，即可。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述碳材料选自咖啡渣或炭渣。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中涂层浆料中，自发热纳米材料质量分数为2-5％，聚偏氟乙烯质量分数为4-7％，聚乙二醇的分子量为500-2000，其用量与溶剂的比例为5-10g/L。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述搅拌是指按照200-300转/分钟的转速条件下持续匀速磁力搅拌12-15小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述改性方法为：使用步骤2)制备的涂层浆料，将其涂覆在织物面料表面，随后将其在150-180℃条件下焙烘1.5-3min，然后置于50-70℃蒸馏水中处理4-8h。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述织物面料是指涤纶机织物或锦纶机织物。
8.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，步骤3)改性后得到沉积量为7-10g/m2的涂层涤纶织物。
9.一种权利要求1-8任一项所述制备方法制备的多功能复合面料。
10.一种权利要求1-8任一项所述制备方法制备的多功能复合面料的应用，其特征在于，用于制作睡袋。
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