CN112962163B - 聚乙烯醇纤维的制备方法及热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物 - Google Patents

聚乙烯醇纤维的制备方法及热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚乙烯醇纤维的制备方法及热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物。采用醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙醇进行湿法纺丝，通过控制纺丝参数及凝固浴的组成，得到一种纵向吸湿膨胀率较高的聚乙烯醇纤维。将其用于热湿舒适性织物的制备，当聚乙醇纤维织物吸湿后，聚乙醇纤维纵向膨胀伸长，从而提高了聚乙烯醇纤维之间的孔隙大小，进而能够促进热量和湿气的导出。因此，本发明能够显著提高织物的吸湿导热速率，而且具有良好的力学性能。

Description

聚乙烯醇纤维的制备方法及热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物
技术领域
本发明涉及功能纤维制备技术领域，尤其涉及一种聚乙烯醇纤维的制备方法及热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物。
背景技术
现代穿戴纺织品向智能化迅速发展，自发热、自发电、自检测等智能化、功能化的织物越来越受到重视的同时，人们对织物的穿戴舒适性的要求越来越高。织物的穿戴舒适性中最重要的就是热湿舒适性。在提高织物热湿舒适性的各种方式方法中，减小纤维直径、制备吸湿快干面料最为有效。减小纤维直径，能有效增加纤维的导湿能力，使纤维将人体多余的水分快速吸收导出；吸湿快干面料利用面料的特殊结构，即亲肤层的稀疏的超疏水层和外层的致密的超亲水层，使多余的水汽能够及时被超亲水层吸收，而疏水层使皮肤感觉干燥舒爽。
但是，通过减小纤维直径的方法制备纤维有较大的局限性，当纤维降至一定细度之后，对纺丝工艺要求较高。因此，通过制备超细纤维减小纤维直径以提高纤维导湿能力的方法，当纤维在一定细度后，工艺很难再改进。吸湿快干面料是市面上主流的具有良好的热湿舒适性的织物，但吸湿快干面料对面料的设计要求较高，且过高密度的超亲水层影响织物的透气性，虽然织物的导湿性能提高，但穿着舒适感有所降低。而且纤维吸湿后，通常会发生膨胀导致织物变厚、变硬并产生收缩，导致织物孔隙率降低，影响热量和湿气的导出，这也是阻碍织物热湿舒适性性能提高的重要因素。
有鉴于此，有必要提供一种聚乙烯醇纤维的制备方法及热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚乙烯醇纤维的制备方法及热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物。采用醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇进行湿法纺丝，通过控制纺丝参数及凝固浴的组成，得到一种纵向吸湿膨胀率较高的聚乙烯醇纤维，将其用于热湿舒适性织物的制备，能够显著提高织物的吸湿导热速率，而且具有良好的力学性能。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，包括醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇纺丝得到的聚乙烯醇纤维，所述聚乙烯醇纤维通过湿法纺丝制备得到，且所述湿法纺丝的凝固浴为硫酸钠溶液，用于控制所述聚乙烯醇纤维交联度；当所述聚乙烯醇纤维织物吸湿后，所述聚乙烯醇纤维纵向伸长，以提高所述聚乙烯醇纤维之间的孔隙大小，进而促进热量和湿气的导出。
作为本发明的进一步改进，所述聚乙烯醇纤维湿法纺丝的挤出速度为1～80m/min，牵伸速度为1～500m/min，以控制所述聚乙烯醇纤维的纵向吸湿膨胀率。
作为本发明的进一步改进，所述聚乙烯醇的分子量为72000～81000g/mol。
作为本发明的进一步改进，所述聚乙烯醇纤维为单组分异形横截面纤维或双组份皮芯复合纤维或双组份并列型复合纤维。
作为本发明的进一步改进，所述聚乙烯醇纤维中还包括亲水性湿敏变色材料。
作为本发明的进一步改进，所述亲水性湿敏变色材料为具有多孔结构的变色硅胶或可产生结构色的二氧化硅微球中的一种或两种。
作为本发明的进一步改进，所述亲水性湿敏变色材料为具有多孔结构的变色硅胶，用于在赋予所述聚乙烯醇纤维吸湿变色功能的同时提高其吸湿性和纵向吸湿膨胀率。
为了实现上述目的，本发明还提供一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1.配制包含聚乙烯的纺丝液：将醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇溶于水中，得到质量分数为12％～20％的聚乙烯醇纺丝液；
S2.将步骤S1得到的所述聚乙烯醇纺丝液进行湿法纺丝，并在硫酸钠水溶液中牵伸交联，得到所述热湿舒适性聚乙烯醇纤维。选用硫酸钠水溶液作为凝固浴，能够有效控制聚乙烯醇纤维的交联度，从而赋予其良好的吸水性和力学性能。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述湿法纺丝的挤出速度为1～80m/min，牵伸速度为1～500m/min。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述聚乙烯醇纺丝液中还添加有具有多孔结构的变色硅胶，所述变色硅胶的添加量为所述聚乙烯醇的5wt％～50wt％。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，采用醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇进行湿法纺丝，通过控制纺丝参数及凝固浴的组成，得到一种纵向吸湿膨胀率较高的聚乙烯醇纤维。选用的聚乙烯醇纤维基材自身带有大量羟基，亲水性好，同时，纤维自身结晶度低，使纤维吸湿在大量吸湿时除了横向膨胀，有明显的纵向伸长，轴向吸湿膨胀率与横向吸湿膨胀率之比随之增大。将其用于热湿舒适性织物的制备，当聚乙烯醇纤维织物吸湿后，聚乙烯醇纤维纵向膨胀伸长，从而提高了聚乙烯醇纤维之间的孔隙大小，进而能够促进热量和湿气的导出。
2.本发明提供的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，本发明选用聚乙烯醇基体材料与亲水性湿敏变色材料进行复合纺丝，两者均为亲水性材料，因此相容性较好，亲水性湿敏变色材料能够与聚乙烯醇基体材料形成均匀地分散体，纺丝性能影响不大，纤维仍能具备优良的机械性能。如此操作，本发明通过颜色变化，将织物的热湿舒适性由体感变为更明确的视觉感知，有助于穿戴者对身体及环境状况的感知和把握，提高了织物的智能性。
3.本发明提供的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，采用具有多孔结构的亲水性湿敏变色材料对聚乙烯醇纤维进行改性，在赋予湿敏变色聚乙烯醇纤维吸湿响应功能的同时提高其吸湿性以及纵向吸湿膨胀率与横向吸湿膨胀率之比。如此织成的织物，纤维之间的堆叠和圈套会产生孔隙，并伴随着部分纤维的弯曲。吸湿之后，纤维发生横向膨胀，纵向弯曲、伸长等可逆形变，且伸长的效果大于横向膨胀。因此原来弯曲的纤维伸长后，会造成纤维之间孔隙的变大，因此散热和散湿的作用提高。
附图说明
图1为本发明热湿舒适性聚乙烯醇纤维的横截面扫描电镜图；
图2为本发明热湿舒适性聚乙烯醇纤维的纵向扫描电镜图；
图3中(a)、(b)、(c)分别为本发明热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物吸湿前吸湿后和干燥后的光学显微镜图。
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，在具体实施例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。
纤维吸湿膨胀具有显著的各向异性，通常情况下纤维的横向吸湿膨胀率明显大于纤维的轴向吸湿膨胀率。这是由于纤维中长链大分子的取向，水分子进入无定型区，打开长链分子间的联结点(氢键或范德华力)，使长链分子间距离增加，使纤维横向容易变粗。而纤维长度方向，是由于大分子不完全取向，并存在有卷曲构象，水分子进入大分子之间导致其构象改变，使纤维长度方向有一定程度的增加，但其膨胀率一般小于横向膨胀率。而作为热湿舒适性面料，纤维过大的横向吸湿膨胀率会导致纤维之间孔隙减小，降低其透气性和水分与热量的散发速率。因此，提高纤维轴向吸湿膨胀率，降低其横向吸湿膨胀率更有利于提高织物的热湿舒适。
基于此，本发明提供的一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，包括醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇纺丝得到的聚乙烯醇纤维，所述聚乙烯醇纤维通过湿法纺丝制备得到，且所述湿法纺丝的凝固浴为硫酸钠溶液，用于控制所述聚乙烯醇纤维交联度；当所述聚乙烯醇纤维织物吸湿后，所述聚乙烯醇纤维纵向伸长，以提高所述聚乙烯醇纤维之间的孔隙大小，进而促进热量和湿气的导出。本发明选用的聚乙烯醇纤维基材自身带有大量羟基，亲水性好，同时，纤维自身结晶度低，使纤维吸湿在大量吸湿时除了横向膨胀，有明显的纵向伸长，轴向吸湿膨胀率与横向吸湿膨胀率之比随之增大。
请参阅图3所示，聚乙烯醇纤维或纱线织成织物之后，纤维之间的堆叠和圈套会产生孔隙，并伴随着部分纤维的弯曲。吸湿之后，纤维发生横向膨胀、弯曲、伸长等可逆形变，且伸长的效果大于横向膨胀。因此原来弯曲的纤维伸长后，会造成纤维之间孔隙的变大，因此散热和散湿的作用提高。
所述聚乙烯醇纤维湿法纺丝的挤出速度为1～80m/min，牵伸速度为1～500m/min，以控制所述聚乙烯醇纤维的纵向吸湿膨胀率。优选地，挤出速度为20～60m/min，牵伸速度为50～300m/min，更优选地，挤出速度为30-45m/min，牵伸速度为150-250m/min。通过合理控制挤出速度和牵伸速度，能够控制聚乙烯醇纤维的结晶和取向度，从而得到纵向吸湿膨胀率较大的聚乙烯纤维。
所述聚乙烯醇的分子量优选为72000～81000g/mol，例如选取牌号为1799的聚乙烯醇，或者自行制备。
所述聚乙烯醇纤维为单组分异形横截面纤维或双组份皮芯复合纤维或双组份并列型复合纤维。异形横截面如腰圆形、五星形、并列型复合纤维等，利用异形横截面，有助于纤维与纤维之间形成毛细结构，从而提高织物吸湿性。
所述聚乙烯醇纤维中还包括亲水性湿敏变色材料。选用聚乙烯醇基体材料与亲水性湿敏变色材料进行复合纺丝，两者均为亲水性材料，因此相容性较好，亲水性湿敏变色材料能够与聚乙烯醇基体材料形成均匀地分散体，纺丝性能影响不大，纤维仍能具备优良的机械性能。如此操作，本发明通过颜色变化，将织物的热湿舒适性由体感变为更明确的视觉感知，有助于穿戴者对身体及环境状况的感知和把握，提高了织物的智能性。
所述亲水性湿敏变色材料为具有多孔结构的变色硅胶或可产生结构色的二氧化硅微球中的一种或两种。变色硅胶是以细孔硅胶(表面富含大量羟基，孔径2～3nm，比表面600㎡/g以上)为载体，用氯化钴(分子式：CoCl2)通过一定的工艺步骤结合在变色硅橡胶内部孔隙的表面上。在与超亲水纤维基体材料复合纺丝时，将其研磨至粒径在5μm以下，优选为2μm以下，更优选为0.5～1μm。当变色硅胶吸收的水分到了一定程度时，CoCl2形成了CoCl2-6H2O，此物质为粉红色。可以加热再生。因此，纤维吸湿变色，水分蒸发后恢复到最初的颜色。
二氧化硅微球本身具有结构色的特点，加入纤维中，可以使纤维显色，由于聚乙烯醇等纤维及二氧化硅微球本身均具有吸湿膨胀的特点，吸湿时破坏微球之间的距离，使结构色消失。导致纤维吸湿时褪色，水分蒸发又显示之前的颜色。二氧化硅微球的粒径为150～500nm，优选为200～300nm。
所述亲水性湿敏变色材料为具有多孔结构的变色硅胶，用于在赋予所述聚乙烯醇纤维吸湿变色功能的同时提高其吸湿性和纵向吸湿膨胀率。选用具有多孔结构的亲水性湿敏变色材料进行复合纺丝，此类材料较强的吸湿性是依赖于其微纳多孔结构，因此吸湿后体积膨胀率较小，从而有助于提高聚乙烯醇纤维的纵向吸湿膨胀率与横向吸湿膨胀率之比，进而提高吸湿后纤维之间的孔隙率。
为了实现上述目的，本发明还提供一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1.配制包含聚乙烯的纺丝液：将醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇溶于水中，得到质量分数为12％～20％的聚乙烯醇纺丝液；
S2.将步骤S1得到的所述聚乙烯醇纺丝液进行湿法纺丝，并在硫酸钠水溶液中牵伸交联，得到所述热湿舒适性聚乙烯醇纤维。
在步骤S2中，所述湿法纺丝的挤出速度为1～80m/min，牵伸速度为1～500m/min。
在步骤S1中，所述聚乙烯醇纺丝液中还添加有具有多孔结构的变色硅胶，所述变色硅胶的添加量为所述聚乙烯醇的5wt％～50wt％。
将上述聚乙烯醇纤维设计为不同织物结构，如针织或机织成织物。亲水性湿敏变色材料的加入，使得织物受到外界湿气刺激时，纤维发生显著的吸湿膨胀、变长或弯曲等可逆形变，进而促使织物孔隙变大，有助于将人体多余的湿气和热散失。与此同时，湿敏变色材料还会发生吸湿变色，通过颜色变化，将织物的热湿舒适性由体感变为更明确的视觉感知，有助于穿戴者对身体及环境状况的感知和把握，提高了织物的智能性。
实施例1
一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维，通过以下方法制备：
S1.配制包含聚乙烯的纺丝液：将醇解度为99％、分子量为75000的聚乙烯醇溶于水中，得到质量分数为16％的聚乙烯醇纺丝液；
S2.将步骤S1得到的所述聚乙烯醇纺丝液进行湿法纺丝，挤出速度为30m/min，牵伸速度为200m/min，并在硫酸钠水溶液中牵伸交联，得到所述热湿舒适性聚乙烯醇纤维。
将制备的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织成针织物。
请参阅图1和2所示，为本实施例制备的热湿舒适性聚乙烯醇纤维的形貌图。可以看出，由于聚乙烯醇纺丝液本身特性以及本实施例对牵伸比的控制，热湿舒适性聚乙烯醇纤维横截面具有“8”字型结构，起到一定的毛细管效应，因此吸湿性较强。
实施例2
一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维，通过以下方法制备：
S1.将聚乙烯醇与变色硅胶(粒径为800nm)溶于溶剂中，得到纺丝液；所述纺丝液中聚乙烯醇的质量含量为15％，变色硅胶的添加量为聚乙烯醇的20wt％；
S2.将步骤S1得到的所述纺丝液进行湿法纺丝，得到截面为圆形的湿敏变色亲水纤维。
所述湿法纺丝的挤出速度为30m/min，牵伸速度为200m/min；所述湿法纺丝的凝固浴为硫酸钠水溶液。
将制备的湿敏变色热湿舒适性聚乙烯醇纤维织成针织物。
实施例3
一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维，与实施例2相比，不同之处在于，在步骤S1中，将变色硅胶替换为粒径为250nm的二氧化硅微。其他与实施例2大致相同，在此不再赘述。
实施例4-6
实施例4-6提供的热湿舒适性聚乙烯醇纤维，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S2中，所述热湿舒适性聚乙烯醇纤维的横截面分别为腰圆形、五星形和并列型复合纤维。其他与实施例2大致相同，在此不再赘述。
表1实施例1-6的性能测试结果
实施例 透湿量(g/m<sup>2</sup>·d) 透气量(mm/s)
1 5033 4085
2 6050 4385
3 6146 4314
4 6439 4457
5 7565 5187
6 5427 4028
从表1可以看出，加入亲水变色粒子后纤维吸湿效果增强，提高织物的头适量和透气量。纤维由圆形变成异性后，吸湿效果增强提高织物的头适量和透气量。
实施例7-8及对比例1
实施例7-8及对比例1提供的热湿舒适性聚乙烯醇纤维，与实施例2相比，不同之处在于，在步骤S1中，变色硅胶的添加量如表2所示。其他与实施例2大致相同，在此不再赘述。
表2实施例7-8及对比例1的制备条件及性能测试结果
试验例 变色硅胶添加量(％) 透湿量(g/m<sup>2</sup>·d) 透气量(mm/s)
实施例7 5 5095 3985
实施例8 50 6604 4741
对比例1 0 4729 3530
从表2可以看出，亲水变色粒子加入量增大，纤维亲水性提高，从而提高织物的透气量和透湿量。
实施例9-12
一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维，与实施例1相比，不同之处在于，挤出速度和牵伸速度如表3所示，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
表3实施例9-12的制备条件及性能测试结果
试验例 挤出速度(m/min) 牵伸速度(m/min) 透湿量(g/m<sup>2</sup>·d) 透气量(mm/s)
实施例9 20 200 4933 3985
实施例10 60 200 4986 3935
实施例11 30 50 4601 3832
实施例12 30 500 4876 3902
从表3可以看出，挤出速度和牵伸速度过大或过小，均不利于纤维透湿和透气性的提高。
实施例13-14
一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维，与实施例1相比，不同之处在于，聚乙烯醇的醇解度和分子量如表4所示，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
表4实施例13-14的制备条件及性能测试结果
Figure GDA0003456927790000091
Figure GDA0003456927790000101
从表4可以看出，在一定范围内，醇解度和分子量对透湿量和透气量影响较小。
对比例3-5
一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维，与实施例1相比，不同之处在于，凝固浴种类如表5所示，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
表5对比例3-5的制备条件及性能测试结果
试验例 凝固浴 透湿量(g/m<sup>2</sup>·d) 透气量(mm/s)
对比例3 水溶液 - -
对比例4 二醛类 4775 3834
对比例5 硼酸盐类 4923 3996
从表5可以看出，水做凝固浴时，纤维无法成纤。二醛类交联效果最好，织物透湿量和透气量相对较低。说明交联度过高时，织物透湿量和透气量会变差。
综上所述，本发明提供的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，采用醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇进行湿法纺丝，通过控制纺丝参数及凝固浴的组成，得到一种纵向吸湿膨胀率较高的聚乙烯醇纤维。选用的聚乙烯醇纤维基材自身带有大量羟基，亲水性好，同时，纤维自身结晶度低，使纤维吸湿在大量吸湿时除了横向膨胀，有明显的纵向伸长，轴向吸湿膨胀率与横向吸湿膨胀率之比随之增大。将其用于热湿舒适性织物的制备，当聚乙烯醇纤维织物吸湿后，聚乙烯醇纤维纵向膨胀伸长，从而提高了聚乙烯醇纤维之间的孔隙大小，进而能够促进热量和湿气的导出。
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 (8)

1.一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，其特征在于，包括醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇纺丝得到的聚乙烯醇纤维，所述聚乙烯醇纤维通过湿法纺丝制备得到，且所述湿法纺丝的凝固浴为硫酸钠溶液，用于控制所述聚乙烯醇纤维交联度；当所述聚乙烯醇纤维织物吸湿后，所述聚乙烯醇纤维纵向伸长，以提高所述聚乙烯醇纤维之间的孔隙大小，进而促进热量和湿气的导出；所述聚乙烯醇纤维中还包括亲水性湿敏变色材料。
2.根据权利要求1所述的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维湿法纺丝的挤出速度为1～80m/min，牵伸速度为1～500m/min，以控制所述聚乙烯醇纤维的纵向吸湿膨胀率。
3.根据权利要求1所述的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，其特征在于，所述聚乙烯醇的分子量为72000～81000g/mol。
4.根据权利要求1所述的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维为单组分异形横截面纤维或双组份皮芯复合纤维或双组份并列型复合纤维。
5.根据权利要求1所述的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，其特征在于，所述亲水性湿敏变色材料为具有多孔结构的变色硅胶或可产生结构色的二氧化硅微球中的一种或两种。
6.根据权利要求5所述的热湿舒适性聚乙烯醇纤维织物，其特征在于，所述亲水性湿敏变色材料为具有多孔结构的变色硅胶，用于在赋予所述聚乙烯醇纤维吸湿变色功能的同时提高其吸湿性和纵向吸湿膨胀率。
7.一种热湿舒适性聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.配制包含聚乙烯的纺丝液：将醇解度为98.5％～100％、分子量为70000～85000g/mol的聚乙烯醇溶于水中，得到质量分数为12％～20％的聚乙烯醇纺丝液；所述聚乙烯醇纺丝液中还添加有具有多孔结构的变色硅胶，所述变色硅胶的添加量为所述聚乙烯醇的5wt％～50wt％；
S2.将步骤S1得到的所述聚乙烯醇纺丝液进行湿法纺丝，并在硫酸钠水溶液中牵伸交联，得到所述热湿舒适性聚乙烯醇纤维。
8.根据权利要求7所述的热湿舒适性聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述湿法纺丝的挤出速度为1～80m/min，牵伸速度为1～500m/min。
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