CN113913958A - 一种多原理零能耗持续降温纤维及其织物 - Google Patents

一种多原理零能耗持续降温纤维及其织物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多原理零能耗持续降温纤维及其织物。该纤维包括聚合物基体以及随机分布于所述聚合物基体中的无机粒子，所述无机粒子包括高红外发射型无机粒子、高导热型无机粒子、高阳光反射型无机粒子中的一种或几种。该纤维和织物具有较好的降温效果，该纤维制造工艺简单，成本低，可工业化生产，同时纤维编织的降温面料满足透气透湿等基本可穿戴性能。

Description

一种多原理零能耗持续降温纤维及其织物
技术领域
本发明属于降温织物领域，特别涉及一种多原理零能耗持续降温纤维及其织物。
背景技术
能源消耗等导致的温室气体排放正推动着全球平均气温上升，高温天气的出现致使人们出现热舒适失调等问题，影响了人们的日常生活、社会生产以及经济发展，而且有可能危及生命安全。人们希望寻求一种技术为人体提供局部降温，以实现低能耗和低污染的个人热管理。
降温纤维引起市场的浓厚兴趣，尤其是日本主导推出的“凉爽”纤维及面料等产品引起国内诸多研究机构和企业的极大关注，并已逐渐产业化。目前降温纤维与织物普遍使用高导热降温技术，例如在纤维中添加玉石粉，郑国彬教授与展邑科技有限公司开发的一种名叫Wincool的凉感纤维，人们穿着Wincool纤维运动时的体温比穿着普通吸湿排汗纤维低1.27℃。但该技术仍存在许多问题，如降温效果持续时间短。
针对上述问题，研究者提出将前沿的光学调控降温技术运用在纤维纺丝中，以实现纤维与织物的持续降温。该技术主要结合高红外发射与高的阳光反射两项原理，以达到持续降温的效果。例如斯坦福大学崔屹教授利用熔融挤压和相分离技术，添加纳米氧化锌，制备了具有90％以上阳光反射率的ZnO/PE纤维，将该纤维编织的纺织品覆盖在模拟皮肤上，比棉织物低5～13℃，有效实现了人体热管理。但该方法不易控制空气孔隙尺寸，制备过程相对复杂并且纺丝速度慢，难以满足工业化生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多原理零能耗持续降温纤维及其织物，将高导热降温技术与光学调控降温技术相结合，以克服现有技术中单一高导热降温技术难以实现可持续降温以及通过光学调控技术织造零能耗持续降温纤维中制备方法复杂、成本高、效果差的缺陷。
本发明提供一种多原理零能耗持续降温纤维，所述纤维包括聚合物基体以及随机分布于所述聚合物基体中的无机粒子，所述无机粒子包括高红外发射型无机粒子、高导热型无机粒子、高阳光反射型无机粒子中的一种或几种。
优选地，上述纤维中，所述聚合物基体包括聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚氧化乙烯PEO、尼龙6PA6、尼龙66PA66、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚酯PET、聚氯乙烯PVC、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯醇PVA、聚偏氟乙烯PVDF中的一种或几种。
优选地，上述纤维中，所述多原理零能耗持续降温纤维含有高红外发射功能母粒，高红外发射型无机粒子的质量百分数为0.5％～20％。
优选地，上述纤维中，所述多原理零能耗持续降温纤维含有高导热功能母粒，高导热型无机粒子质量百分数为0.5％～2％。
优选地，上述纤维中，所述多原理零能耗持续降温纤维含有高反射型功能母粒，高阳光反射型无机粒子质量百分数为0.5％～2％。
优选地，上述纤维中，所述高红外发射型无机粒子、高导热型无机粒子和高阳光反射型无机粒子的尺寸分布为单分散。
优选地，上述纤维中，所述高红外发射型无机粒子为单分散球形二氧化硅SiO2，其粒径尺寸为0.5～4μm。
优选地，上述纤维中，所述高导热型无机粒子包括玉石粉、氮化铝AlN、碳化硅SiC的中的一种或几种，其粒径为300～600nm。
优选地，上述纤维中，所述高阳光反射型无机粒子包括氧化铝Al2O3、二氧化钛TiO2、硫酸钡BaSO4中的一种或几种，其粒径为0.2～2.5μm。
本发明还提供一种多原理零能耗持续降温纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将高红外发射型无机粒子、高导热型无机粒子、高阳光反射型无机粒子分别与聚合物基体混合，螺杆挤出，分别得到高红外发射功能母粒、高导热功能母粒、高反射型功能母粒；
(2)将步骤(1)中高红外发射功能母粒、高导热功能母粒、高反射型功能母粒中的一种或几种与聚合物基体混合，共混熔融，然后纺丝、牵伸，得到多原理零能耗持续降温纤维，其中，当多原理零能耗持续降温纤维含有高红外发射功能母粒，高红外发射型无机粒子的质量百分数为0.5％～20％，当多原理零能耗持续降温纤维含有高导热功能母粒，高导热型无机粒子质量百分数为0.5％～2％，当多原理零能耗持续降温纤维含有高反射型功能母粒，高阳光反射型无机粒子质量百分数为0.5％～2％。
优选地，上述方法中，所述步骤(1)中高红外发射功能母粒中高红外发射型无机粒子质量百分数为5～20wt％。
优选地，上述方法中，所述步骤(1)中高导热功能母粒中高导热型无机粒子质量百分数为1～10wt％。
优选地，上述方法中，所述步骤(1)中高反射型功能母粒中高阳光反射型无机粒子质量百分数为1～10wt％。
优选地，上述方法中，所述步骤(1)中螺杆挤出的温度为180℃～280℃。
优选地，上述方法中，所述步骤(2)中纺丝后经过上油、卷绕、牵伸成型，得到多原理零能耗持续降温纤维。
优选地，上述方法中，所述纺丝的温度为230℃～280℃，纺丝的速度为750m/min～1000m/min。
优选地，上述方法中，所述牵伸温度为60℃～70℃，牵伸倍数为1.5～2.8。
本发明提供一种多原理零能耗持续降温纱线，包括上述多原理零能耗持续降温纤维。
优选地，上述纱线中，所述纱线的线密度为70dtex～280dtex。
本发明还提供一种多原理零能耗持续降温面料，包括上述多原理零能耗持续降温纱线。
优选地，上述面料中，所述面料是由纱线横纵交错而形成机织布或针织布。
本发明涉及的高红外发射型无机粒子、高导热型无机粒子和高阳光反射型无机粒子的尺寸分布为单分散是要求颗粒尺寸分布方差小于15％，即颗粒大小基本一致。
本发明涉及的多原理零能耗持续降温纤维的断裂强度为1.5cN/dtex～5cN/dtex。
有益效果
本发明中的无机粒子随机分散在聚合物基体中，高导热型无机粒子具有高的热导率，纺成的纱线及织物能够有效的散热；高红外发射型无机粒子可辐射中红外线，透过“大气窗口“实现降温效果，高阳光反射型无机粒子反射太阳辐射热量，进一步提高降温效果。
本发明制备方法简单，成本低，可工业化生产，同时纤维编织的降温面料满足透气透湿等基本可穿戴性能。
附图说明
图1是本发明多原理零能耗持续降温纤维图片。
图2是本发明降温纤维编织的降温织物实物图。
图3是本发明实施例1和实施例2中降温纤维编织的降温织物所测的夜间降温曲线图。
图4是本发明实施例3和6中降温纤维编织的降温织物的紫外-可见-近红外光谱图。
图5是本发明实施例1中降温纤维编织的降温织物的红外光谱图。
图6是本发明降温纤维编织的降温织物所测的日间降温曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
提供PA6粉末、PA6切片以及粒径为500nm的单分散SiO2，将90％质量比的PA6粉末与10％质量比的SiO2功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为180℃、220℃、235℃、235℃、235℃、238℃、240℃)，得到母粒。然后25％质量比的母粒与75％质量比的PA6切片混合，经熔融、纺丝、牵伸得到降温纤维，其中，纺丝的温度为260℃，纺丝的速度为800m/min，牵伸温度为65℃，牵伸倍数2.5。采用上海新纤仪器公司生产的XL-2型复丝强伸度仪测量纤维力学性能。实验参数为：预加张力：0.05c N/dtex；夹持距离：250mm；拉伸速度：500mm/min。
该实施例获得的降温纤维的线密度为4.8dtex，断裂强度为2.6cN/dtex，断裂伸长率为53.11％，初始模量为27.7cN/dtex。由本实施例的降温纤维制成的降温纱线的线密度为173.3dtex。
用附有铝箔的隔热泡沫作为隔热材料，聚乙烯薄膜覆盖减少对流，在夜间条件下，将织物覆盖于热台(热台温度为37℃)上，热电偶置于织物下，测得该降温纱线比普通尼龙纱线低将近2℃(如图3所示)。
图5表明：实施例1制备的织物与传统织物相比具有优异的选择性红外透过性能。
本实施例主要试剂来源为上海未乐科技有限公司。
实施例2
提供PA6粉末、PA6切片以及粒径为4μm的单分散SiO2，将80％质量比的PA6粉末与20％质量比的SiO2功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为180℃、220℃、235℃、235℃、235℃、238℃、240℃)，得到母粒。然后12.5％质量比的母粒与87.5％质量比的PA6切片混合，经熔融、纺丝、牵伸得到降温纤维，其中，纺丝的温度为270℃，纺丝的速度为850m/min，牵伸温度为65℃，倍数2.5。
该实施例获得的降温纤维的线密度为5.19dtex，断裂强度为3cN/dtex，断裂伸长率为64.98％，初始模量为27.1cN/dtex。由本实施例的降温纤维制成的降温纱线的线密度为187dtex。
用附有铝箔的隔热泡沫作为隔热材料，聚乙烯薄膜覆盖减少对流，在夜间条件下，将织物覆盖于热台(热台温度为37℃)上，热电偶置于织物下，测得该降温纱线比普通尼龙纱线低将近4℃(如图3所示)。
本实施例主要试剂来源为上海未乐科技有限公司。
实例例3
提供PA6粉末、PA6切片、粒径为4μm的单分散SiO2、粒径为500nm玉石粉。将95％质量比的PA6粉末与5％质量比的SiO2功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为180℃、220℃、235℃、235℃、235℃、238℃、240℃)，得到母粒1。将98％质量比的PA6粉末与2％质量比的玉石粉功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为为180℃、220℃、240℃、240℃、245℃、248℃、250℃)，得到母粒2。然后40％质量比的母粒1、50％质量比的母粒2与10％质量比的PA6切片混合，经熔融、纺丝、牵伸得到多原理零能耗持续降温纤维，其中，纺丝的温度为270℃，纺丝的速度为800m/min，牵伸温度为65℃，牵伸倍数2.3。
本实施例主要试剂来源为上海未乐科技有限公司。
实施例4
提供PA6粉末、PA6切片、粒径为4μm的单分散SiO2。将90％质量比的PA6粉末与10％质量比的SiO2功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为180℃、220℃、235℃、235℃、235℃、238℃、240℃)，得到母粒1。将20％质量比的母粒1与80％质量比的PA6切片混合，经熔融、纺丝、牵伸得到多原理零能耗持续降温纤维，其中，纺丝的温度为270℃，纺丝的速度为800m/min，牵伸温度为65℃，牵伸倍数2.5。
该实施例获得的降温纤维的线密度为5.23dtex，断裂强度为3.1cN/dtex，断裂伸长率为65.26％，初始模量为27.1cN/dtex。由本实施例的降温纤维制成的降温纱线的线密度为188.4dtex。
本实施例主要试剂来源为上海未乐科技有限公司。
实施例5
提供PA6粉末、PA6切片、粒径为4μm的单分散SiO2、粒径为400nm氮化铝。将90％质量比的PA6粉末与10％质量比的SiO2功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为180℃、220℃、235℃、235℃、235℃、238℃、240℃)，得到母粒1。将95％质量比的PA6粉末与5％质量比的氮化铝功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为为180℃、220℃、240℃、240℃、245℃、248℃、250℃)，得到母粒2。然后20％质量比的母粒1，20％质量比的母粒2与60％质量比的PA6切片混合,经熔融、纺丝、牵伸得到多原理零能耗持续降温纤维，其中，纺丝的温度为270℃，纺丝的速度为800m/min，牵伸温度为65℃，牵伸倍数2.5。
该实施例获得的降温纤维的线密度为5.60dtex，断裂强度为2.7cN/dtex，断裂伸长率为70.68％，初始模量为24.8cN/dtex。由本实施例的降温纤维制成的降温纱线的线密度为201.6dtex。
本实施例主要试剂来源为上海未乐科技有限公司。
实施例6
提供PA6粉末、PA6切片、粒径为4μm的单分散SiO2、粒径为400nm氮化铝、粒径为900nm Al2O3。将90％质量比的PA6粉末与10％质量比的SiO2功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为180℃、220℃、235℃、235℃、235℃、238℃、240℃)，得到母粒1。将95％质量比的PA6粉末与5％质量比的氮化铝功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为为180℃、220℃、240℃、240℃、245℃、248℃、250℃)，得到母粒2。将95％质量比的PA6粉末与5％质量比的Al2O3功能填料混合造粒(造粒螺杆分区温度分别为180℃、225℃、235℃、235℃、240℃、245℃、248℃)，得到母粒3。然后20％质量比的母粒1，20％质量比的母粒2，20％质量比的母粒3与40％质量比的PA6切片混合，经熔融、纺丝、牵伸得到多原理零能耗持续降温纤维，其中，纺丝的温度为270℃，纺丝的速度为800m/min，牵伸温度为65℃，牵伸倍数2.5。
该实施例获得的降温纤维的线密度为5.83dtex，断裂强度为2.5cN/dtex，断裂伸长率为75.88％，初始模量为22.8cN/dtex。由本实施例的降温纤维制成的降温纱线的线密度为211dtex。
图4表明：本发明制备的织物与传统织物相比，具有优异的阳光反射性能，同时实施例3和6的对比说明阳光反射型粒子的加入进一步提高了样品的太阳光反射性能。
图6表明：随着不同功能型无机粒子的添加，其降温效果具有叠加作用。
本实施例主要试剂来源为上海未乐科技有限公司。
对比例1
提供PA6切片以及粒径为0.5μm SiO2的功能填料，将99.5％质量比的PA6材料与0.5％质量比的SiO2功能填料混合得到混合物。然后将混合物经熔融、纺丝得到辐射制冷纤维，其中，纺丝的温度为100℃，纺丝的速度为760m/min。
对比例2
提供PA6切片、粒径为22μm的SiO2功能填料以及500nm的TiO2，将80％质量比的PA6材料与18％质量比的SiO2功能填料、2％质量比的TiO2混合得到混合物。然后将混合物经熔融、纺丝得到辐射制冷纤维，其中，纺丝的温度为320℃，纺丝的速度为1050m/min。
测试由上述实施例6和对比例1，2的纱线制成的面料的反射率和发射率，性能如表1所示。
表1
Figure BDA0003306316490000061
由表1可知，采用本发明实施例的辐射制冷纤维制成的辐射制冷面料对太阳光的的反射率达到了90％以上，热量以红外辐射方式通过7～14μm波段的大气窗口的发射率达到了85％以上，具有优异的辐射制冷效果。

Claims (10)

1.一种多原理零能耗持续降温纤维，其特征在于，所述纤维包括聚合物基体以及随机分布于所述聚合物基体中的无机粒子，所述无机粒子包括高红外发射型无机粒子、高导热型无机粒子、高阳光反射型无机粒子中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的多原理零能耗持续降温纤维，其特征在于，所述聚合物基体包括聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚氧化乙烯PEO、尼龙6PA6、尼龙66PA66、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚酯PET、聚氯乙烯PVC、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯醇PVA、聚偏氟乙烯PVDF中的一种或几种；高红外发射型无机粒子、高导热型无机粒子和高阳光反射型无机粒子的尺寸分布为单分散。
3.根据权利要求2所述的多原理零能耗持续降温纤维，其特征在于，所述高红外发射型无机粒子为单分散球形二氧化硅SiO2，其粒径尺寸为0.5～4μm；高导热型无机粒子包括玉石粉、氮化铝AlN、碳化硅SiC的中的一种或几种，其粒径为300～600nm；高阳光反射型无机粒子包括氧化铝Al2O3、二氧化钛TiO2、硫酸钡BaSO4中的一种或几种，其粒径为0.2～2.5μm。
4.一种多原理零能耗持续降温纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将高红外发射型无机粒子、高导热型无机粒子、高阳光反射型无机粒子分别与聚合物基体混合，螺杆挤出，分别得到高红外发射功能母粒、高导热功能母粒、高反射型功能母粒；
(2)将步骤(1)中高红外发射功能母粒、高导热功能母粒、高反射型功能母粒中的一种或几种与聚合物基体混合，共混熔融，然后纺丝、牵伸，得到多原理零能耗持续降温纤维，其中，当多原理零能耗持续降温纤维含有高红外发射功能母粒，高红外发射型无机粒子的质量百分数为0.5％～20％；当多原理零能耗持续降温纤维含有高导热功能母粒，高导热型无机粒子质量百分数为0.5％～2％；当多原理零能耗持续降温纤维含有高反射型功能母粒，高阳光反射型无机粒子质量百分数为0.5％～2％。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中高红外发射功能母粒中高红外发射型无机粒子质量百分数为5～20wt％；高导热功能母粒中高导热型无机粒子质量百分数为1～10wt％；高反射型功能母粒中高阳光反射型无机粒子质量百分数为1～10wt％。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中螺杆挤出的温度为180℃～280℃。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中纺丝后经过上油、卷绕、牵伸成型，得到多原理零能耗持续降温纤维。
8.根据权利要求4或7所述的方法，其特征在于，所述纺丝的温度为230℃～280℃，纺丝的速度为750m/min～1000m/min；牵伸温度为60℃～70℃，牵伸倍数为1.5～2.8。
9.一种多原理零能耗持续降温纱线，其特征在于，包括权利要求1所述多原理零能耗持续降温纤维。
10.一种多原理零能耗持续降温面料，其特征在于，包括权利要求9所述多原理零能耗持续降温纱线。
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