CN112726019A - 多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料及其制备方法 - Google Patents

多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料及其制备方法。本发明通过将第一热塑性聚合物与气凝胶粉体的混合物作为皮层，并将第二热塑性聚合物作为芯层，制备了皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；对其进行等离子处理后再将其加工为无纺布，得到多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料。通过上述方式，本发明不仅能够利用皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维中皮层与芯层的协同作用，使其同时具有较高的机械强度和较好的保暖隔热性；还能够利用气凝胶/聚合物复合材料中皮芯结构、高度粗糙的表面结构以及高度蓬松的堆叠结构的协同作用，达到优异的保暖隔热效果，以满足实际应用的需求。

Description

多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及气凝胶复合材料技术领域，尤其涉及一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料及其制备方法。
背景技术
气凝胶是在不改变水凝胶(湿凝胶)体积的情况下将其内部的液体置换成空气后得到的一种轻质多孔固体材料，具有极高的孔隙率和丰富的表面化学基团，因而在保温隔热、催化、生物化学等领域具有非常广泛的应用。
目前，市场上已有依托气凝胶制备的保暖隔热材料，但这类材料大多是采用涂覆、表面涂层或中间夹层等工艺将气凝胶负载于纺织材料、高温设备或建筑外墙等基材表面，从而达到保温隔热的效果。然而，采用这种方式得到的涂层类保暖隔热材料最大的弊端就是涂层易脱落，其耐水洗性能较差，无法保证材料的使用寿命，从而难以达到持续有效的保暖隔热效果。因此，现有的气凝胶类保暖隔热材料在纺织服装、家装面料、户外运动、建筑等领域仍存在较大的应用局限性。
公开号为CN108330561A的专利提供了一种皮芯结构气凝胶复合纤维及其制备方法及应用。该专利将气凝胶颗粒与聚合物材料通过皮芯复合纺丝法进行同步复合，形成了以气凝胶颗粒为芯层、以聚合物材料为皮层的皮芯结构气凝胶复合纤维。然而，这种方式制备的气凝胶复合纤维将气凝胶颗粒完全包覆在皮层内，虽然解决了气凝胶脱落的问题，但气凝胶颗粒容易在皮层内发生团聚，并在聚合物材料形成的孔隙内移动，导致气凝胶分布不均匀，影响保暖隔热效果。并且，该专利将气凝胶颗粒和聚合物材料分别通过导管结构挤入喷丝孔，在喷丝孔末端才进行复合，气凝胶颗粒难以与聚合物材料充分混合，导致皮层与芯层的界面结合作用较差，得到的气凝胶复合纤维机械强度较低，难以满足实际应用的需求。
有鉴于此，有必要设计一种改进的气凝胶/聚合物复合材料及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料及其制备方法。通过将第一热塑性聚合物与气凝胶粉体的混合物作为皮层，并将第二热塑性聚合物作为芯层，制备了皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；对其进行等离子处理后再将其加工为无纺布，即可使得到的气凝胶/聚合物复合材料同时具有较高的机械强度和较好的保暖隔热性，以满足实际应用的需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将第一热塑性聚合物与气凝胶粉体按照预设质量比混合均匀后，得到混合物料；
S2、将步骤S1得到的所述混合物料作为皮层，并将第二热塑性聚合物作为芯层，制备皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；
S3、对步骤S2得到的所述气凝胶/聚合物复合纤维进行等离子体处理，得到表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维；
S4、将步骤S3得到的所述表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维加工成无纺布，得到多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述第一热塑性聚合物与所述气凝胶粉体的预设质量比为90:10～50:50。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，作为皮层的所述混合物料与作为芯层的所述第二热塑性聚合物的质量比为1:4～4:1。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的截面形状为圆形、扁平状、多边形状、花瓣状或放射状。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的直径为0.01～500μm，分特克斯数为0.1～1000dtex。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述等离子体处理的处理气体为空气，处理功率为300～500W，处理时间为10～60s；经所述等离子体处理后得到的所述表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维的表面出现明显的密集型凹槽。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述气凝胶包括但不限于硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系中的一种或多种；所述气凝胶粉体的孔径为20～50nm。
作为本发明的进一步改进，所述第一热塑性聚合物和所述第二热塑性聚合物均为聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的一种或两种。
作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述加工成无纺布的方法为水刺法、纺粘法、熔喷法和热轧法中的一种。
为实现上述目的，本发明还提供了一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料，该气凝胶/聚合物复合材料根据上述技术方案中任一技术方案制备得到，包括皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的皮层为第一热塑性聚合物与气凝胶粉体的混合物，芯层为第二热塑性聚合物。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过将第一热塑性聚合物与气凝胶粉体的混合物作为皮层，并将第二热塑性聚合物作为芯层，利用双组份皮芯复合纺丝法制备得到皮芯结构气凝胶/聚合物复合纤维。其中，皮层中含有的气凝胶使其可以作为保暖隔热层，大幅提升复合纤维的保暖隔热性；同时，皮层中含有的第一热塑性聚合物能够与气凝胶紧密结合，不仅可以保证气凝胶在复合纤维的皮层均匀分布，还可以避免气凝胶的脱落，有效提高其使用寿命。基于皮层中含有的第一热塑性聚合物及均匀分散于其中的气凝胶粉体，本发明通过将第二热塑性聚合物作为芯层，不仅能够使芯层作为增强相，保证复合纤维承受较高的机械强度而不断裂；还可以提高皮层与芯层间的界面结合强度，进一步提高复合纤维的机械强度。因此，基于本发明中皮层与芯层间的协同作用，能够保证复合纤维具有较高的机械强度，在此基础上，可以大幅提升皮层中的气凝胶含量，从而有效增强其保暖隔热效果，使得到的气凝胶/聚合物复合材料同时具有较高的机械强度和较好的保暖隔热性以满足实际应用的需求。
(2)本发明能够通过改变喷丝头的形状，自由调控复合纤维的截面形状，从而大幅增加纤维的比表面积，以提升纤维的保暖隔热性。在此基础上，本发明通过对气凝胶/聚合物复合纤维进行等离子体处理，可以在纤维表面形成高度粗糙结构，进一步增加纤维的比表面积，同时使更多的气凝胶暴露出来，形成静止空气层，有效增强气凝胶/聚合物复合纤维的保暖隔热性能。基于该复合纤维特殊的截面形态及其较高的比表面积，可以形成高度蓬松的堆叠结构，从而进一步增加织物内部的静止空气层厚度，提升无纺布的保暖隔热性能。基于上述步骤，本发明制得的气凝胶/聚合物复合材料能够同时具有皮芯结构、高度粗糙的表面结构以及高度蓬松的堆叠结构，在这些多元结构的协同作用下，本发明制备的气凝胶/聚合物复合材料才能够达到优异的保暖隔热性能。
(3)本发明提供的制备方法工艺简单，参数可控，能够满足工业化大规模生产的需求。并且，本发明制得的气凝胶/聚合物复合材料能够使气凝胶在大量堆积于纤维表面的同时嵌入纤维内部，既提高了复合材料的保暖隔热性能，又避免了使用过程中气凝胶脱落的问题，使其具有较长的使用寿命；同时，该气凝胶/聚合物复合材料在保暖隔热的同时还具有优异的柔性以及较高的机械强度，可以通过纺纱过程制备成具有保暖隔热性能的功能性纱线，再通过织造过程形成具有保暖隔热性的功能性面料，在保暖类服装领域、消防安全领域、保暖隔热家纺领域、建筑领域以及快递运输系统中均具有极大的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料中皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将第一热塑性聚合物与气凝胶粉体按照预设质量比混合均匀后，得到混合物料；
S2、将步骤S1得到的所述混合物料作为皮层，并将第二热塑性聚合物作为芯层，制备皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；
S3、对步骤S2得到的所述气凝胶/聚合物复合纤维进行等离子体处理，得到表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维；
S4、将步骤S3得到的所述表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维加工成无纺布，得到多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料。
在步骤S1中，所述第一热塑性聚合物与所述气凝胶粉体的预设质量比为90:10～50:50；所述气凝胶包括但不限于硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系中的一种或多种；所述气凝胶粉体的粒径为20～50nm；所述第一热塑性聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的一种。
在步骤S2中，作为皮层的所述混合物料与作为芯层的所述第二热塑性聚合物的质量比为1:4～4:1；所述第二热塑性聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的一种；所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的截面形状为圆形、扁平状、多边形状、花瓣状、放射状中的一种，不同截面的皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的结构示意图如图1所示；所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的直径为0.01～500μm，分特克斯数为0.1～1000dtex。
在步骤S3中，所述等离子体处理的处理气体为空气，处理功率为300～500W，处理时间为10～60s；经所述等离子体处理后得到的所述表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维的表面出现明显的密集型凹槽。
在步骤S4中，所述加工成无纺布的方法为水刺法、纺粘法、熔喷法和热轧法中的一种。
本发明还提供了一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料，该气凝胶/聚合物复合材料根据上述技术方案制备得到，包括皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的皮层为第一热塑性聚合物与气凝胶粉体的混合物，芯层为第二热塑性聚合物。
下面结合具体的实施例对本发明提供的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料及其制备方法进行说明。
实施例1
本实施例提供了一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将聚丙烯与二氧化硅气凝胶粉体按照质量比70:30混合均匀后，得到混合物料。
S2、将步骤S1得到的所述混合物料作为皮层，并将聚乙烯作为芯层，控制皮层与芯层的质量比为1:1，通过双组分皮芯型复合纺丝机制备截面为放射状的皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；该皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的直径为100μm，分特克斯数为200dtex。
S3、以空气为等离子体处理气体，设置处理功率为400W，处理时间为30s，对步骤S2得到的所述气凝胶/聚合物复合纤维进行等离子体处理，得到表面出现明显的密集型凹槽的气凝胶/聚合物复合纤维。
S4、采用水刺法将步骤S3得到的所述表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维加工成无纺布，得到多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料。
实施例2～7
实施例2～7分别提供了一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤S1、步骤S2中的原料质量比或步骤S3中的等离子体处理参数，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。各实施例对应的原料质量比及工艺参数如表1所示。
表1实施例2～7对应的原料质量比及工艺参数
Figure BDA0002817413510000071
对实施例1～7制得的气凝胶/聚合物复合材料的性能进行测试，结果如表2所示。
表2实施例1～7制备的气凝胶/聚合物复合材料的性能
Figure BDA0002817413510000072
Figure BDA0002817413510000081
由表2可以看出，气凝胶的添加比例增大以及等离子体处理强度的增加均可以有效降低复合纤维的导热系数，从而增加复合纤维的保暖隔热性能，另外皮层厚度的增加以及等离子体处理强度的增加会使纤维的机械强度略有损失，但是复合纤维依然具有较好的可纺性能。因此，本发明优选第一热塑性聚合物与气凝胶粉体的质量比为90:10～50:50，皮层与芯层的原料质量比为1:4～4:1，等离子体处理的处理功率为300～500W，处理时间为10～60s；在此条件下，本发明制备的复合材料能够同时具有优异的保暖隔热性能和较好的机械性能，以满足实际应用的需求。
对比例1
对比例1提供了一种气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于步骤S2中将第一热塑性聚合物和气凝胶粉体的混合物作为芯层，将第二热塑性聚合物作为皮层，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。
经测试，对比例1制得的气凝胶/聚合物复合材料的导热系数为0.035W/m·k。与实施例1相比可以看出，对比例1制得的气凝胶/聚合物复合材料的导热系数明显高于实施例1，表明本发明将气凝胶放在皮层可以大幅降低气凝胶纤维的导热系数，配合等离子处理后形成的粗糙的纤维结构，堆叠形成的无纺布具有更加蓬松且疏松多孔结构，从而使复合材料的保暖隔热性能得到大幅度提升。
对比例2
对比例2提供了一种气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于未对步骤S2得到的皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维进行等离子体处理，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。
经测试，对比例2制得的气凝胶/聚合物复合材料的导热系数为0.040W/m·k。与实施例1相比可以看出，对比例2制得的气凝胶/聚合物复合材料的导热系数明显高于实施例1，表明本发明对复合纤维进行等离子体处理能够使纤维表面粗糙度大幅提升；在本发明将气凝胶设置于皮层的基础上，等离子体处理还能够使纤维皮层中的气凝胶颗粒被更多的暴露在空气中，从而在纤维表明形成一层密集的静止空气层，对气凝胶/聚合物复合纤维以及气凝胶/聚合物复合纤维无纺布保暖隔热性能的提升都起到至关重要的作用。
综上所述，本发明提供了一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料及其制备方法。本发明通过将第一热塑性聚合物与气凝胶粉体的混合物作为皮层，并将第二热塑性聚合物作为芯层，制备了皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；对其进行等离子处理后再将其加工为无纺布，得到多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料。通过上述方式，本发明不仅能够利用皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维中皮层与芯层的协同作用，使其同时具有较高的机械强度和较好的保暖隔热性；还能够利用气凝胶/聚合物复合材料中皮芯结构、高度粗糙的表面结构以及高度蓬松的堆叠结构的协同作用，达到优异的保暖隔热效果，以满足实际应用的需求。
需要说明的是，本领域技术人员应当理解，在本发明提供的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法中，第一热塑性聚合物和第二热塑性聚合物可以是聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的一种或两种；气凝胶可以是硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系中的一种或多种，其孔径可以是20～50nm；步骤S2制备的皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的截面形状可以是圆形、扁平状、多边形状、花瓣状或放射状，其直径可以是0.01～500μm，分特克斯数为0.1～1000dtex；步骤S4中加工成无纺布的方法可以是水刺法、纺粘法、熔喷法和热轧法中的一种，均属于本发明的保护范围。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将第一热塑性聚合物与气凝胶粉体按照预设质量比混合均匀后，得到混合物料；
S2、将步骤S1得到的所述混合物料作为皮层，并将第二热塑性聚合物作为芯层，制备皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；
S3、对步骤S2得到的所述气凝胶/聚合物复合纤维进行等离子体处理，得到表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维；
S4、将步骤S3得到的所述表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维加工成无纺布，得到多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料。
2.根据权利要求1所述的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述第一热塑性聚合物与所述气凝胶粉体的预设质量比为90:10～50:50。
3.根据权利要求1所述的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，作为皮层的所述混合物料与作为芯层的所述第二热塑性聚合物的质量比为1:4～4:1。
4.根据权利要求1所述的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的截面形状为圆形、扁平状、多边形状、花瓣状或放射状。
5.根据权利要求1或4所述的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的直径为0.01～500μm，分特克斯数为0.1～1000dtex。
6.根据权利要求1所述的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述等离子体处理的处理气体为空气，处理功率为300～500W，处理时间为10～60s；经所述等离子体处理后得到的所述表面高度粗糙的气凝胶/聚合物复合纤维的表面出现明显的密集型凹槽。
7.根据权利要求1所述的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述气凝胶包括但不限于硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系中的一种或多种；所述气凝胶粉体的孔径为20～50nm。
8.根据权利要求1所述的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：所述第一热塑性聚合物和所述第二热塑性聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的一种或两种。
9.根据权利要求1～8中任一权利要求所述的多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，所述加工成无纺布的方法为水刺法、纺粘法、熔喷法和热轧法中的一种。
10.一种多元结构协同增强的保暖隔热气凝胶/聚合物复合材料，其特征在于：该气凝胶/聚合物复合材料根据权利要求1～9中任一权利要求所述的制备方法制备得到，包括皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维；所述皮芯结构的气凝胶/聚合物复合纤维的皮层为第一热塑性聚合物与气凝胶粉体的混合物，芯层为第二热塑性聚合物。
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