CN114318678A - 一种室外辐射热管理微纳米纤维膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室外辐射热管理微纳米纤维膜，包括保温层和散热层，所述保温层为沉积有金属层的纳米纤维膜，散热层为掺有相变亚微米级球体和纳米级球体的纳米纤维膜，通过简单的翻面，最终得到具有保温、散热功能的超薄热辐射管理纤维膜，当保温面朝外时，纤维膜处于保温模式，当散热面朝外时，纤维膜处于散热模式。本发明不仅保温/降温效果好，且所用原料价廉易得，制备方法简单，可应用于大面积保暖和降温。

Description

一种室外辐射热管理微纳米纤维膜及其制备方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种室外辐射热管理微纳米纤维膜及其制备方法。

背景技术

近年来，随着生活水平的不断提高，人们对于服装的冷热舒适性和轻薄需求越来越高。室外热管理主要是以调控室外人体与环境的热交换方式实现对人体的热管理，包括保温和散热，其中室外热来源主要为太阳光的吸收，室外人体的散热途径有热传导、热对流和热辐射。传统的室外热管理材料主要依赖于热传导和对流方式实现，如低热导率的厚款羽绒服、高对流的鼓风衬衣等，存在材料较厚，能耗高、效率低等缺陷，而通过热辐射调节的较少。

据了解，在300K温度下，人体一般辐射率＞0.85，对应的净辐射散热功率达150W/m²，占据65%的散热量。且由于大气窗口的存在，辐射散热是室外人体散热的重要途径。

传统的辐射热管理面料仅具备保温或者散热其中的一个功能，难以适应由于室外温度受太阳光照、大气窗口、风速等各方面因素影响所发生的巨大变化，因此，对于室外个人防护的需求不仅仅停留在单一功能的个人热管理材料，对于单一织物实现多功能个人热管理的需求日益增长。

发明内容

本发明针对本专利针对传统织物保温/散热功能单一、辐射热管理织物仅适用于室内的缺陷，设计出一种适用于室外的由单一纤维膜来实现人体散热与保温的材料。采用静电纺丝、溶液法、沉积法将保温层和散热层制备到单一纤维膜中，结合被动保温和被动散热实现全天候保温/散热功能，保证高性能的同时降低成本，且容易制备。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明首先提供一种室外辐射热管理微纳米纤维膜，包括保温层和散热层，所述保温层为沉积有金属层的纳米纤维膜，散热层为掺有相变亚微米级球体和纳米级球体的纳米纤维膜，通过简单的翻面，最终得到具有保温、散热功能的超薄热辐射管理纤维膜。当保温面朝外时，纤维膜处于保温模式，当散热面朝外时，纤维膜处于散热模式。

具体的，所述相变亚微米级球体为相变微胶囊，壳材为SiO₂，芯材为正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷中的任意一种，粒径为0.2-0.8um。

具体的，所述纳米级球体为TiO₂、Al₂O₃、SiO、 SiC、BaSO₄中的任意一种。

本发明还提供上述室外辐射热管理微纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：

1）保温层制备：配制高聚物纺丝液Ⅰ，通过静电纺丝沉积一层纳米纤维膜，放入烘箱烘干；采用低温磁控溅射技术在上述烘干纤维膜的一面沉积一层金属膜，而后浸渍于溶液中，置换反应后取出用去离子水清洗，而后用氮气吹干，得到保温层；

2）散热层制备：配制高聚物纺丝液Ⅱ，通过静电纺丝在保温层远离Zn-Cu膜的一侧沉积一层纳米纤维膜；

3）放入烘箱烘干，得到得到保温层和散热层分布于两侧的纤维膜。

优选的，步骤1）中高聚物纺丝液Ⅰ的配制方法如下：称取高聚物溶解于溶剂中，通过磁力搅拌分散均匀。

具体的，所述高聚物浓度为2-20%。所述高聚物为PS、PVC、PMMA中的任意一种，所述溶剂为THF、DMF、DMAc、甲苯中的任意一种或两种以上的混合。

步骤1）中所述静电纺丝工艺为电压5-30kV，灌注 0.5-5mL/h，接收距离5-20cm，温度20-30℃，湿度20-80%，时间0.5-6h。

优选的，步骤1）中所述金属膜为镀Zn层，厚度为0.1-5um。

优选的，步骤1）中所述溶液为CuSO₄、Cu(NO₃)₂、CuCl₂中的任意一种或两种以上的混合，其中Cu的浓度为0.5-20mM，所述浸渍时间为2-30s。

步骤1）制备得到的保温层包含纳米纤维膜及其Zn-Cu膜，纳米纤维膜厚度为20-80um，Cu厚度为5-20nm，Zn-Cu纳米颗粒粒径为100-600nm间，所述保温层在太阳光谱宽光谱波 段吸收率＞0.8，在中红外波段辐射率＜0.1。

优选的，步骤2）中所述高聚物纺丝液Ⅱ包括如下组分：相变亚微米级球体1-10份，纳米级球体1-10份，高聚物A为5-15份，高聚物B为5-15份，溶剂A为20-50份，溶剂B为20-50份。

优选的，高聚物纺丝液Ⅱ的配制方法如下：溶剂A、溶剂B按照一定比例混合，依次加入高聚物A和B，采用磁力搅拌分散均匀，而后加入亚微米级球体、加入微米级球体，超声进行辅助分散，直至分散均匀。

步骤2）中所述静电纺丝工艺为电压5-28kV，灌注 0.5-5mL/h，接收距离5-35cm，温度20-30℃，湿度30-60%，时间0.5-6h。

具体的，所述高聚物A为PMMA、PVDF、PVC、PVF中的任意一种，高聚物B为PMMA、PVDF、PVC、PVF中的不同于高聚物A的任意一种，溶剂A为DMF、DMAc、THF、丙酮、甲苯中的任意一种，溶剂B为DMF、DMAc、THF、丙酮、甲苯中的不同于溶剂A的任意一种。

本发明可用于服装外套、红外隐身材料等，起到散热/保温、吸湿排汗的作用。

与现有技术相比，本发明具有如下效果：

（1）采用单一纤维膜实现个人散热与保温。该纤维膜在保温模式下为高太阳吸收率、低辐射率状态，能够高效利用太阳能量与新陈代谢产热进行个人在保温。在散热模式下，该材料能够高效散射太阳光、同时通过大气窗口对外太空辐射散热。采用沉积法、溶液法、静电纺丝法制备出集保温/散热功能于一体的具备多孔结构的微纳米复合纤维膜，相比传统个人热管理材料可以明显拓宽人体舒服环境温度范围；同时，二氧化硅相变微胶囊的加入一方面其二氧化硅壳材与纳米级球体协同提升在大气窗口波段（8-13um）的高红外发射，从而提升辐射制冷效果，在另一方面，其芯材的相变吸放热功能有助于平衡“人体、纤维膜、环境”这一微环境，缓冲温度剧烈变化带给人体的不适感。

（2）该微纳米纤维膜结构不仅可以通过散热层的纤维膜实现高辐射，还能协同实现太阳光的高效反射，达到室内室外全天候适应效果。

（3）该微纳米纤维膜可薄至80um，其多孔结构使得人体产生的热湿能顺利排出，质地柔软，可穿着性优良。

（4）本发明不仅保温/降温效果好，且所用原料价廉易得，制备方法简单，可应用于大面积保暖和降温。制备得到的微纳米纤维膜可应用于正反两面穿着的面料，当需要降温时，将散热层朝外穿着；当需要保暖时，将保温层朝外穿着。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

实施例1

称取2gPS颗粒溶解于18gDMF溶剂中，常温下低速磁力搅拌至分散均匀后得到纺丝液，用针管吸取纺丝液，并架到纺丝设备上，设置电压24kV，灌注0.5mL/h，接收距离18cm，温度25℃，湿度45%，纺完1h后从接收滚筒上取下纤维膜，置于60℃烘箱中烘干；将上述纤维膜置于磁控溅射台上，将Zn溅射到纤维膜一面。而后浸渍于10mM的CuSO₄溶液中，8s后取出用去离子水清洗，而后用氮气吹干，得到保温层；称取PMMA2g，PVDF1g，二氧化硅微胶囊0.5g，TiO20.5g，DMF12g，丙酮4g，将DMF与丙酮混合，再依次加入PMMA和PVDF，采用磁力搅拌混合均匀，而后依次加入二氧化硅微胶囊和TiO₂，采用磁力搅拌，辅以超声分散均匀，得到纺丝液，用针管吸取纺丝液，并架到纺丝设备上，将上述保温层的金属膜面朝里，贴到接收滚筒上，设置电压24kV，灌注2mL/h，接收距离28cm，温度28℃，湿度55%，1h后从接收滚筒上取下纤维膜，置于80℃烘箱中烘干。

实施例2

称取4gPVC颗粒溶解于16gDMF溶剂中，常温下低速磁力搅拌至分散均匀后得到纺丝液，用针管吸取纺丝液，并架到纺丝设备上，设置电压28kV，灌注1mL/h，接收距离20cm，温度28℃，湿度44%，纺完2h后从接收滚筒上取下纤维膜，置于70℃烘箱中烘干；将上述纤维膜置于磁控溅射台上，将Zn溅射到纤维膜一面。而后浸渍于8mM的Cu(NO₃)₂溶液中，5s后取出用去离子水清洗，而后用氮气吹干，得到保温层；称取PMMA4g，PVDF1g，二氧化硅微胶囊1g，Al₂O₃0.6g，DMF10g，甲苯3.4g，将DMF与甲苯混合，再依次加入PMMA和PVDF，采用磁力搅拌混合均匀，而后依次加入二氧化硅微胶囊和Al₂O₃，采用磁力搅拌，辅以超声分散均匀，得到纺丝液，用针管吸取纺丝液，并架到纺丝设备上，将上述保温层的金属膜面朝里，贴到接收滚筒上，设置电压28kV，灌1mL/h，接收距离33cm，温度25℃，湿度48%，2h后从接收滚筒上取下纤维膜，置于70℃烘箱中烘干。

实施例3

称取5gPMMA颗粒溶解于15gDMF溶剂中，常温下低速磁力搅拌至分散均匀后得到纺丝液，用针管吸取纺丝液，并架到纺丝设备上，设置电压20kV，灌注1mL/h，接收距离17cm，温度30℃，湿度40%，纺完1.5h后从接收滚筒上取下纤维膜，置于75℃烘箱中烘干；将上述纤维膜置于磁控溅射台上，将Zn溅射到纤维膜一面。而后浸渍于10mM的CuSO₄溶液中，4s后取出用去离子水清洗，而后用氮气吹干，得到保温层；称取PMMA1g，PVDF2g，二氧化硅微胶囊0.5g，Al₂O₃0.5g，DMF12g，THF4g，将DMF与THF混合，再依次加入PMMA和PVDF，采用磁力搅拌混合均匀，而后依次加入二氧化硅微胶囊和Al₂O₃，采用磁力搅拌，辅以超声分散均匀，得到纺丝液，用针管吸取纺丝液，并架到纺丝设备上，将上述保温层的金属膜面朝里，贴到接收滚筒上，设置电压25kV，灌1.5mL/h，接收距离31cm，温度28℃，湿度47%，1.5h后从接收滚筒上取下纤维膜，置于75℃烘箱中烘干。

应当理解的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室外辐射热管理微纳米纤维膜，其特征在于：包括保温层和散热层，所述保温层为沉积有金属层的纳米纤维膜，散热层为掺有相变亚微米级球体和纳米级球体的纳米纤维膜，通过简单的翻面，最终得到具有保温、散热功能的超薄热辐射管理纤维膜，当保温面朝外时，纤维膜处于保温模式，当散热面朝外时，纤维膜处于散热模式。

2.根据权利要求1所述室外辐射热管理微纳米纤维膜，其特征在于：所述相变亚微米级球体为相变微胶囊，壳材为SiO₂，芯材为正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷中的任意一种，粒径为0.2-0.8um。

3.根据权利要求1所述室外辐射热管理微纳米纤维膜，其特征在于：所述纳米级球体为TiO₂、Al₂O₃、SiO、 SiC、BaSO₄中的任意一种。

4.一种权利要求1~3任一项所述室外辐射热管理微纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）保温层制备：配制高聚物纺丝液Ⅰ，通过静电纺丝沉积一层纳米纤维膜，放入烘箱烘干；采用低温磁控溅射技术在上述烘干纤维膜的一面沉积一层金属膜，而后浸渍于溶液中，置换反应后取出用去离子水清洗，而后用氮气吹干，得到保温层；

2）散热层制备：配制高聚物纺丝液Ⅱ，通过静电纺丝在保温层远离Zn-Cu膜的一侧沉积一层纳米纤维膜；

3）放入烘箱烘干，得到得到保温层和散热层分布于两侧的纤维膜。

5.根据权利要求4所述室外辐射热管理微纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的高聚物纺丝液Ⅰ由高聚物分散在溶剂形成，所述高聚物浓度为2-20%，所述高聚物为PS、PVC、PMMA中的任意一种，所述溶剂为THF、DMF、DMAc、甲苯中的任意一种或两种以上的混合。

6.根据权利要求4所述室外辐射热管理微纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的金属膜为镀Zn层，厚度为0.1-5um。

7.根据权利要求4所述室外辐射热管理微纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的溶液为CuSO₄、Cu(NO₃)₂、CuCl₂中的任意一种或两种以上的混合，其中Cu的浓度为0.5-20mM，所述浸渍时间为2-30s。

8.根据权利要求4所述室外辐射热管理微纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的高聚物纺丝液Ⅱ包括如下组分：相变亚微米级球体1-10份，纳米级球体1-10份，高聚物A为5-15份，高聚物B为5-15份，溶剂A为20-50份，溶剂B为20-50份，共100份；制备方法为溶剂A、溶剂B按照一定比例混合，依次加入高聚物A和B，采用磁力搅拌分散均匀，而后加入亚微米级球体、加入微米级球体，超声进行辅助分散，直至分散均匀。

9.根据权利要求4所述室外辐射热管理微纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的高聚物A为PMMA、PVDF、PVC、PVF中的任意一种，高聚物B为PMMA、PVDF、PVC、PVF中不同于高聚物A的任意一种，溶剂A为DMF、DMAc、THF、丙酮、甲苯中的任意一种，溶剂B为DMF、DMAc、THF、丙酮、甲苯中的不同于溶剂A的任意一种。

10.如权利要求1~3任一项所述室外辐射热管理微纳米纤维膜在服装、红外隐身材料中起到散热/保湿、吸湿排汗的用途。