CN114211829A - 一种双模式热调控超材料织物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双模式热调控超材料织物。所述超材料织物依次包括三个功能层,分别为紫外反射层、支撑层、红外屏蔽层。其中,所述紫外反射层由紫外反射纤维编织而成,所述支撑层由可见‑近红外纤维编织而成,所述红外屏蔽层由红外屏蔽纤维编织而成。通过织物结构、纤维结构以及纤维内部微结构的设计,在各层纤维内掺入不同组分的微纳散射材料,从而在人体正面穿戴时,在室外环境中反射85%以上的太阳辐射,辐射85%以上的中红外热辐射,以实现对人体有效降温的效果;在人体反面穿戴时,中红外波段的表面发射率低于30%,以实现对人体有效保温的效果,同时可以实现织物在该面的染色功能,以满足人们对织物外观的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度调控材料,特别涉及一种兼具户外制冷和保温性能的双模式热调控织物。
背景技术
随着科学技术的发展和生活水平的提高,人们对纺织品的要求也趋向多元化。其中,功能材料构成的纺织品由于能够在湿度调控、温度调控、健康监测等多方面满足人们的需求,已越来越多地受到关注。
在户外活动和作业时,人体常常需要面临包括酷暑和严寒在内的多种极端环境侵袭。在夏季,户外高温和阳光直射环境,会引发皮肤灼伤、中暑等健康疾病,危害人体正常机能,甚至危及生命。冬季的低温环境则容易导致人体失温、冻伤。因此,越来越多的防护用品用于温度调控,以保障人民的健康和生命安全。目前的很多温度调控材料通常为多层薄膜或者涂层结构,其基本工作原理按照应用场景进行区别:对于制冷材料,主要通过在太阳辐射波段(0.3-2.5μm)实现高反射率,以减少能量输入,并在中红外波段(7-14μm)实现高的发射率,以实现最大化的热辐射输出;对于保温材料,主要是通过在中红外波段实现低发射率,以最小化热辐射导致的热量耗散。不过,这类多层膜结构或涂层结构,其透气性、柔性等可穿戴性能较差,不适用于人体穿戴。而已有的一些织物形态的无源温度调控材料,往往只能单独实现制冷或保温的功能,功能相对单一,并且存在温度调控效率低、着色性能差等问题。
发明内容
为了解决上述无源温控材料功能单一,穿戴性差,温度调控效率低等问题。本发明提供了一种双模式热调控超材料织物,通过织物结构、纤维结构以及纤维内部微结构的设计制作一种双模式热调控超材料织物,实现织物的正面高太阳反射率、高中红外发射率,织物反面可定制颜色、低中红外发射率的非对称光谱,从而实现正穿防晒降温、反穿保暖的双模式热调控功能。
本发明的技术方案如下:
一种双模式热调控超材料织物,所述双模式热调控超材料织物依次包括三个功能层,分别为紫外反射层、支撑层、红外屏蔽层。其中,所述紫外反射层由紫外反射纤维编织而成,所述支撑层由可见-近红外纤维编织而成,所述红外屏蔽层由红外屏蔽纤维编织而成。
所述紫外反射纤维由包括聚合物基底材料和紫外低吸收微纳散射材料的复合材料形成。
所述可见-近红外纤维由包括聚合物基底材料和可见-近红外低吸收微纳散射材料的复合材料形成。
所述红外屏蔽纤维由包括金属纤芯和聚合物包层材料的皮芯结构纤维形成。
上述技术方案中,进一步地,所述紫外反射层厚度为50-200μm,所述支撑层厚度为200-600μm,所述红外屏蔽层为50-200μm。
进一步地,所述紫外反射纤维和可见-近红外纤维的聚合物基底材料在中红外波段(7-14μm)复折射率虚部大于0.005。所述红外屏蔽纤维的聚合物包层材料在中红外波段复折射率虚部小于0.003。
进一步地,所述紫外反射纤维和可见-近红外纤维的单丝直径范围为2-100μm。
进一步地,所述紫外低吸收微纳散射材料的平均直径范围为50-2000nm,其在太阳辐射波段(0.3-2.5μm)复折射率虚部值应小于0.001。
进一步地,所述紫外低吸收微纳散射材料选自碳酸钙(CaCO3)、硫酸钡(BaSO4)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、碳酸镁(MgCO3)、碳酸钡(BaCO3)和硫酸钙(CaSO4)中的任意一种或两种以上。
进一步地,所述可见-近红外低吸收微纳散射材料的平均直径范围为200-3000nm,其在可见-近红外波段(0.4-2.5μm)复折射率虚部值应小于0.001。
进一步地,所述可见-近红外低吸收微纳散射材料选自二氧化钛(TiO2)、硫化锌(ZnS)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化锌(ZnO)、氮化硼(BN)、硅酸铝(Al2SiO5)、硫酸钡(BaSO4)、碳酸钙(CaCO3)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、碳酸镁(MgCO3)、碳酸钡(BaCO3)和硫酸钙(CaSO4)中的任意一种或两种以上。
进一步地,所述紫外反射纤维和可见-近红外纤维的聚合物基底材料包括含有C-F、C-Cl、C=O、C≡N、-COO-、苯环和C-O-C官能团中任意一种或两种以上的有机高分子材料。
更进一步地,所述紫外反射纤维和可见-近红外纤维的聚合物基底材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙二醇(PEG)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚偏二氯乙烯树脂(PVDC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚氨酯(PU)、聚丙烯腈(PAN)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物(SMMA)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)和聚酰亚胺(PI)中的任意一种或两种以上。
进一步地,所述紫外反射纤维和可见-近红外纤维内微纳散射材料的体积均为纤维体积的1%-30%。
进一步地,所述红外屏蔽纤维的金属纤芯直径为10-100μm,聚合物包层厚度为0.5-5μm。
进一步地,所述红外屏蔽纤维的金属纤芯材料选自金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、铝(Al)中的一种或多种的组合。
进一步地,所述聚合物包层材料选自聚乙烯(PE)、尼龙(PA)、聚丙烯(PP)中的一种或两种以上。
进一步地,所述红外屏蔽纤维的聚合物包层内还可掺杂纳米着色颗粒,用于对红外屏蔽纤维进行着色。
更进一步地,所述纳米着色颗粒选自金(Au)、银(Ag)、硅(Si)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、普鲁士蓝中的一种或两种以上。
进一步地,所述纳米着色颗粒的颗粒平均直径范围为10-800nm,在聚合物包层中掺杂的体积分数为0.1%-20%。
本发明的有益效果为:
本发明的双模式热调控超材料织物通过对织物结构、纤维结构以及纤维内部微结构的设计,在各层纤维内掺入不同组分的微纳散射材料,在人体正面穿戴时,在室外环境中反射85%以上的太阳辐射,辐射85%以上的中红外热辐射,以实现对人体有效降温的效果;在人体反面穿戴时,中红外波段的表面发射率低于30%,以实现对人体有效保温的效果,同时可以实现织物在该面的染色功能,以满足人们对织物外观的需求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明;
图1是本发明双模式热调控超材料织物的结构侧视示意图;
图2是紫外反射纤维结构侧视剖面图;
图3是可见-近红外纤维的结构侧视剖面图;
图4是红外屏蔽纤维的结构侧视剖面图。
其中,紫外反射层1、支撑层2、红外屏蔽层3、紫外反射纤维10、可见-近红外纤维20、红外屏蔽纤维30、聚合物基底材料A11、紫外低吸收微纳散射材料12、聚合物基底材料B21、可见-近红外低吸收微纳散射材料22、金属纤芯31、聚合物包层材料32、纳米着色颗粒33。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
本申请提供一种双模式热调控超材料织物,如图1所示,超材料织物包括三个功能层,分别为紫外反射层1、支撑层2、红外屏蔽层3。其中,所述紫外反射层1由紫外反射纤维10编织而成,所述支撑层2由可见-近红外纤维20编织而成,所述红外屏蔽层3由红外屏蔽纤维30编织而成。其中,紫外反射层1厚度为50-200μm,支撑层2厚度为200-600μm,红外屏蔽层3厚度为50-200μm;如图2所示,紫外反射纤维10由包括聚合物基底材料A11和紫外低吸收微纳散射材料12的复合材料制备得到,紫外反射纤维10的单丝直径范围为2-100μm,紫外低吸收微纳散射材料12的平均粒径范围为50-2000nm,紫外低吸收微纳散射材料12的体积为紫外反射纤维10体积的1%-30%。如图3所示,可见-近红外纤维20由包括聚合物基底材料B21和可见-近红外低吸收微纳散射材料22的复合材料制备得到,可见-近红外纤维20的单丝直径范围为2-100μm,微纳颗粒22的平均粒径范围为200-3000nm,可见-近红外低吸收微纳散射材料22的体积为可见-近红外纤维20体积的1%-30%。。如图4所示,红外屏蔽纤维30由包括金属纤芯31和聚合物包层材料32的皮芯结构纤维制备得到,聚合物包层材料32内包含纳米着色颗粒33,金属纤芯31直径为10-100μm,聚合物包层32厚度为0.5-5μm,纳米着色颗粒33平均直径范围为10-800nm,在聚合物包层32中掺杂的体积分数为0.1%-20%。
实施例
为了更好的说明本申请的技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本申请作进一步说明。
下述表1展示了实施例1-5中双模式热调控超材料织物的具体材料和相关参数。
例1-例5中,对紫外反射纤维10和可见-近红外纤维20的制备,均按照本领域熔融纺丝的常规技术手段进行;红外屏蔽纤维30的制备,按照本领域上浆工艺的常规技术手段进行;利用紫外反射纤维10、可见-近红外纤维20、红外屏蔽纤维30对紫外反射层1、支撑层2、红外屏蔽层3的编织,按照本领域针织、机织的常规技术手段进行;利用紫外反射层1、支撑层2、红外屏蔽层3对双模式热调控超材料织物的织造,按照本领域缝纫、层压的常规技术手段进行。本申请未详细说明的工艺参数、原料等均按照本领域常规技术手段进行。
下述实施例1-5中,利用傅里叶变换红外光谱仪结合积分球测试超材料织物在中红外(7-14μm)波段的发射率;利用UV-VIS-NIR分光光度计结合积分球测试纺粘布在太阳辐射(0.3-2.5μm)波段的反射率。
表1各实施例关键结构参数及反射率与中红外发射率测试结果
以上仅为本申请的可选实施例,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述双模式热调控超材料织物依次包括三个功能层,分别为紫外反射层、支撑层、红外屏蔽层;其中,所述紫外反射层由紫外反射纤维编织而成,所述支撑层由可见-近红外纤维编织而成,所述红外屏蔽层由红外屏蔽纤维编织而成;
所述紫外反射纤维由包括聚合物基底材料和紫外低吸收微纳散射材料的复合材料制备得到;所述紫外低吸收微纳散射材料的平均直径范围为50-2000nm,其在太阳辐射波段0.3-2.5μm的复折射率虚部值应小于0.001;
所述可见-近红外纤维由包括聚合物基底材料和可见-近红外低吸收微纳散射材料的复合材料制备得到;所述可见-近红外低吸收微纳散射材料的平均直径范围为200-3000nm,其在可见-近红外波段0.4-2.5μm的复折射率虚部值应小于0.001;
所述红外屏蔽纤维由包括金属纤芯和聚合物包层材料的皮芯结构纤维制备得到,所述金属纤芯为直径10-100μm的金属丝,所述聚合物包层材料选自聚乙烯、尼龙、聚丙烯中的一种或两种以上;
所述聚合物基底材料包括含有C-F、C-Cl、C=O、C≡N、-COO-、苯环和C-O-C官能团中任意一种或两种以上的有机高分子材料,在中红外波段7-14μm的复折射率虚部大于0.005。
2.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述紫外反射层厚度为50-200μm,所述支撑层厚度为200-600μm,所述红外屏蔽层为50-200μm。
3.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述紫外反射纤维和可见-近红外纤维的单丝直径范围为2-100μm,所述聚合物包层厚度为0.5-5μm。
4.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述紫外低吸收微纳散射材料选自碳酸钙(CaCO3)、硫酸钡(BaSO4)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、碳酸镁(MgCO3)、碳酸钡(BaCO3)和硫酸钙(CaSO4)中的任意一种或两种以上。
5.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述可见-近红外微纳散射材料选自二氧化钛(TiO2)、硫化锌(ZnS)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化锌(ZnO)、氮化硼(BN)、硅酸铝(Al2SiO5)、硫酸钡(BaSO4)、碳酸钙(CaCO3)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、碳酸镁(MgCO3)、碳酸钡(BaCO3)和硫酸钙(CaSO4)中的任意一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述的聚合物基底材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙二醇(PEG)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚偏二氯乙烯树脂(PVDC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚氨酯(PU)、聚丙烯腈(PAN)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物(SMMA)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)和聚酰亚胺(PI)中的任意一种或两种以上。
7.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述紫外反射纤维和可见-近红外纤维内微纳散射材料的体积均为纤维体积的1%-30%。
8.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述红外屏蔽纤维的金属纤芯材料选自金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、铝(Al)中的一种或多种的组合。
9.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述红外屏蔽纤维的聚合物包层内掺杂纳米着色颗粒,用于对红外屏蔽纤维进行着色;
所述纳米着色颗粒选自金(Au)、银(Ag)、硅(Si)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、普鲁士蓝中的一种或两种以上。
10.根据权利要求1所述的双模式热调控超材料织物,其特征在于,所述纳米着色颗粒的颗粒平均直径范围为10-800nm,在聚合物包层中掺杂的体积分数为0.1%-20%。
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