CN114934325A - 一种浅色光热纤维的制备方法及其所得材料和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅色光热纤维的制备方法及其所得材料和应用，包括：(1)通过将聚苯胺与另一种光热高分子材料混合溶于有机溶剂制备光热高分子聚合物溶液；(2)将步骤(1)中的光热高分子聚合物溶液加入纤维纺丝液中，制备光热纤维纺丝液；(3)采用湿法纺丝技术将(2)光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤入凝固浴中，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。本发明制备方法简单，便于操作，所制备的光热纤维具有快速的光热转换性、可着色性、柔韧性、耐水洗性以及稳定的耐久性，为制备可穿戴个人热管理设备、具有高对比变色效果的温度监测加热纺织品、便携式自供电纺织品以及光热治疗材料提供可能，具有非常好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及浅色光热材料领域，尤其涉及一种浅色光热纤维的制备方法及其所得材料和应用。
背景技术
纤维材料是纺织品的基础原材料，现代人们对服装的舒适性、功能性以及美观性要求越来越高，传统纤维材料已经不能满足消费者多元化的需求。开发具有保暖、可着色性的功能纤维，不仅能够满足人们对健康、保暖的需求，还能与年轻人DIY理念相契合，具有广阔的应用前景。
人体的热源主要包括自身新陈代谢产生的热量和外界环境提供的热辐射。其中，环境热辐射中太阳光辐射占主导地位，而可见过和近红外光的能力占太阳光总能量80％以上。人体热量的散失方式主要分为，热辐射，热对流，热传导和蒸发散热，约为60％的热量通过热辐射散失。因此，对于暴露在寒冷环境下工作的人们，充分利用太阳光辐射产生能量和降低人体人热辐射是实现保暖的关键因素。
一些研究者通过设计多层的结构，实现织物的吸光发热和保暖；中国专利201921347480.3公开了一种吸光发热保温面料，该面料包括里层和外层，里层由复合纱和具有抗菌性的异型纤维组成，外层由发热锦纶丝和细旦丙纶短纤维纱线组成，且外层的上表面贴有水性聚氨酯制成的抗污层。最后用过热压法将里外层复合。该面料具有吸光发热保温供暖。中国专利201811208404.4涉及一种吸光发热保温面料及其制备方法和应用，采用3层结构,且中间吸光发热层为多个中空结构,能够锁住空气,减少空气流动,有效提高升温值,升温值为20℃,具有优良的升温和保温效果。然而，这种多层结构的吸光发热面料很难满足人们对服装舒适性的要求。
另外，也有一些研究者通过将光热材料与色母粒混纺，实现有色光热纤维制备；中国专利201410470990.5涉及一种吸光发热功能性纤维及其纺丝加工工艺及面料，通过将聚酯切片、色母粒以及无机黑色粒子混合后纺丝形成吸光发热功能性纤维，采用该吸光发热功能性纤维加工而成的面料也具有良好的吸光发热效果,并且其吸热保温功能也不会随着常规洗涤和穿着而减弱甚至消失；无机黑色粒子的加入,还能够起到染色作用,使得纺丝加工后的纤维即呈现黑色或黑灰色,既而不需要再对纤维进行高温染色。尽管这种吸光发热功能性纤维的制备大大减少了纤维或织物后续染色而导致的大量的水资源的消耗及能源的消耗,但也限制了纤维的颜色，影响了后期加工的面料的美观性。申请号为201910584288.4的中国专利公开了一种吸光发热混纺纱线的制备方法，纳米陶瓷腈纶混纺短纤与棉纤维、聚酯中空纤维、氨纶纤维按照上述质量比(g/g)例进行交织混纺，得到吸光发热混纺纱线。该混纺纱线制备的织物在光照30min后，其温度比一般的普通织物温度仅高4～5℃，吸光发热性能有待进一步提高。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种成本低、方法简单的浅色光热纤维的制备方法。本发明的另一目的是提供由该方法制备得到的浅色光热纤维。本发明还有一个目的是提供该浅色光热纤维在可穿戴个人热管理设备、具有高对比变色效果的温度监测加热纺织品、便携式自供电纺织品以及光热治疗材料方面的应用。
技术方案：本发明的一种浅色光热纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过将聚苯胺与另一种光热高分子材料混合溶于溶剂制备光热高分子聚合物溶液，拓宽光热材料的吸收波长，从而提高光热转换性能；
(2)将纤维高分子聚合物加入到步骤(1)中的光热高分子聚合物溶液中，制备光热纤维纺丝液；
(3)采用湿法纺丝技术将(2)光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤入凝固浴中，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
其中，所述步骤(1)中，另一种光热高分子材料为聚吡咯、聚多巴胺、聚噻吩、聚3,4-乙撑二氧噻吩、聚硒吩或聚碲吩中的一种或两种。
所述步骤(1)中，溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、碳酸乙烯酯、丙酮和水。
所述步骤(2)中，聚苯胺占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.05％～2％，另一种光热高分子材料占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.05％～3％。
所述步骤(2)中，纤维基材应是可进行湿法纺丝的高分子聚合物，其种类包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氨基甲酸酯、聚氯乙烯和纤维素纤维，纤维占光热纤维纺丝液的重量百分比为5％～25％。
所述步骤(2)中，混合溶液于室温下搅拌0.5～4h，后在60～80℃的温度下搅拌0.5～2h，在60～80℃的温度下真空干燥处理0.5～2h。
所述步骤(3)中，凝固浴溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或/和水溶液，其重量百分比浓度为40～60％，凝固浴温度为0～5℃,纤维凝固时间为0.5～12h。
本发明还提供了上述制备方法所制得的浅色光热织物。
本发明最后提供了所述浅色光热织物在制备可穿戴个人热管理设备、具有高对比变色效果的温度监测加热纺织品、便携式自供电纺织品以及光热治疗材料中的应用。
发明原理：本发明通过将聚苯胺与另一种光热高分子材料混合溶于溶剂制备光热高分子聚合物溶液，由于光热高分子聚合物的分子轨道通常具有远程超共辄作用，具有超共辄的π成键分子轨道和π*反键分子轨道，轨道能隙一般较小。在光的照射下，材料中成键分子轨道中的π电子吸收光可以跃迁到π*反键分子轨道。而当处在激发态的电子回落到基态时，部分能量会以热量形式释放出来。通过复合两种或多种光热高分子聚合物，拓宽光热材料的吸收波长，从而提高光热转换性能；然后将纤维高分子聚合物加入到光热高分子聚合物溶液中，以纤维高分子聚合物作为主体，通过控制光热高分子聚合物的用量，制备浅色光热纤维纺丝液；最后采用湿法纺丝技术将光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤入凝固浴中，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明制备方法简单、对设备无特殊要求，便于操作，省去了多层机构光热面料的多次复合步骤，克服了现有技术工艺繁琐的缺点，大大节约了制备成本，最终制得的浅色光热纤维具有优良的光热转换性能和可着色性，适合大规模生产，具有非常好的应用前景。
附图说明
图1是本发明示例1中PANI、PDA和PANI@PDA光热高分子聚合物溶液的UV-Vis吸收光谱图；
图2是本发明示例1中PANI、PDA和PANI@PDA光热纤维的光照生热对比图；
图3是本发明示例1中PANI@PDA浅色光热纤维实物示意图；
图4是本发明示例1中聚丙烯腈纤维和PANI@PDA浅色光热纤维SEM图；
图5是本发明示例1中PANI@PDA浅色光热纤维经水洗后光照生热曲线图；
图6是本发明示例1中PANI@PDA浅色光热纤维扭曲条件下SEM图；
图7是本发明示例1中PANI@PDA浅色光热纤维经循环光照后的光照生热图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
(1)通过将聚苯胺(PANI)与聚多巴胺(PDA)混合溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液,制备PANI@PDA光热高分子聚合物溶液，其中PANI占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为1％，PDA占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为1％；
(2)将聚丙烯腈加入到步骤(1)所得的PANI@PDA光热高分子聚合物溶液中，其中，聚丙烯腈占光热纤维纺丝液的重量百分比为15％，混合溶液于室温下搅拌2h，后在60～80℃的温度下搅拌0.5h，在60～80℃的温度下真空干燥处理1h，制备得PANI@PDA光热纤维纺丝液；
(3)采用湿法纺丝技术将(2)所得PANI@PDA光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤入重量百分比浓度为50％的N,N-二甲基甲酰胺的水溶液中进行凝固，凝固浴温度为2℃,纤维凝固时间为6h，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
如图1中UV-Vis吸收光谱可见，PANI溶液在246nm和468nm处存在明显的吸收峰，而PDA溶液在284nm处存在吸收峰，PANI@PDA光热纤维纺丝液在246nm，284nm和468nm三处均呈现吸收，说明PDA的加入拓宽了PANI在紫外及可见光区域的吸收，从而增强了光热纤维的光热转换性能。该结果与图2中所示结果一致，PANI@PDA光热纤维与PANI纤维和PDA纤维的平衡温度差分别约为7℃和17℃。图3是PANI@PDA浅色光热纤维实物图，纤维呈淡绿色。与公开号为CN 108950717 A的发明专利公开的一种吸光发热纤维及其纺丝加工工艺相比，本发明所制备的浅色光热纤维具有相似的光热转换性能，但还具有一定的可着色性，可实现彩色吸光发热织物的制备，拓宽其在柔性保暖可穿戴设备中的应用。图4是本发明示例1中聚丙烯腈纤维和PANI@PDA浅色光热纤维SEM图，可见相比于聚丙烯腈纤维，PANI@PDA浅色光热纤维表面均匀分布PANI@PDA粒子。
经过检测，PANI@PDA浅色光热纤维具有优良的耐水洗性能(如图5所示)，经25次水洗后，其平衡温度约为42.5℃，与环境温度的温差达15℃，平衡温度变化较小。PANI@PDA浅色光热纤维进行打结，由图6中SEM图可见，在扭曲状态下，纤维没有断裂且表面没有裂纹，说明其具有优异的柔韧性。此外，经过对吸光发热聚丙烯腈纤维重复进行50次光照，实现冷热循环，发现纤维的表面温度基本保持稳定，约为44.1℃(室温30.0℃)，表明PANI@PDA浅色光热纤维具有优良的光照循环耐久性(如图7所示)。因此，通过本发明制备的具有较高耐水洗、柔韧性以及循环耐久性的浅色光热纤维在可穿戴个人热管理设备、具有高对比变色效果的温度监测加热纺织品、便携式自供电纺织品以及光热治疗材料等方面具有非常好的潜在应用价值。
实施例2
(1)通过将聚苯胺(PANI)与聚吡咯(PPy)混合溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液,制备PANI@PPy光热高分子聚合物溶液，其中PANI占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为1％，PPy占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.5％；
(2)将聚丙烯腈加入到步骤(1)所得的PANI@PPy光热高分子聚合物溶液中，其中，聚丙烯腈占光热纤维纺丝液的重量百分比为15％，混合溶液于室温下搅拌0.5h，后在60～80℃的温度下搅拌1h，在60～80℃的温度下真空干燥处理2h，制备得PANI@PPy光热纤维纺丝液；
(3)采用湿法纺丝技术将(2)所得PANI@PPy光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤入重量百分比浓度为50％的N,N-二甲基甲酰胺的水溶液中进行凝固，凝固浴温度为0℃,纤维凝固时间为12h，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
实施例3
(1)通过将聚苯胺(PANI)与聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)混合溶于二甲基乙酰胺溶液,制备PANI@PEDOT光热高分子聚合物溶液，其中PANI占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.5％，PEDOT占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为1％；
(2)将聚乙烯醇加入到步骤(1)所得的PANI@PEDOT光热高分子聚合物溶液中，其中，聚丙烯腈占光热纤维纺丝液的重量百分比为15％，混合溶液于室温下搅拌2h，后在60～80℃的温度下搅拌0.5h，在60～80℃的温度下真空干燥处理1h，制备得PANI@PEDOT光热纤维纺丝液；
(3)采用湿法纺丝技术将(2)所得PANI@PEDOT光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤入重量百分比浓度为50％的N,N-二甲基甲酰胺的水溶液中进行凝固，凝固浴温度为2℃,纤维凝固时间为6h，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
实施例4
(1)通过将聚苯胺(PANI)与聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)混合溶于二甲基乙酰胺溶液,制备PANI@PEDOT光热高分子聚合物溶液，其中PANI占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.5％，PEDOT占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为1％；
(2)将聚乙烯醇加入到步骤(1)所得的PANI@PEDOT光热高分子聚合物溶液中，其中，聚丙烯腈占光热纤维纺丝液的重量百分比为25％，混合溶液于室温下搅拌0.5h，后在60～80℃的温度下搅拌0.5h，在60～80℃的温度下真空干燥处理1h，制备得PANI@PEDOT光热纤维纺丝液；
(3)采用湿法纺丝技术将(2)所得PANI@PEDOT光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤入重量百分比浓度为50％的N,N-二甲基甲酰胺的水溶液中进行凝固，凝固浴温度为0℃,纤维凝固时间为12h，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
实施例5
(1)通过将聚苯胺与聚碲吩混合溶于二甲基乙酰胺溶液,制备聚苯胺@聚碲吩光热高分子聚合物溶液，其中聚苯胺占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.5％，聚碲吩占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为1％；
(2)将聚乙烯醇加入到步骤(1)所得的聚苯胺@聚碲吩光热高分子聚合物溶液中，其中，聚丙烯腈占光热纤维纺丝液的重量百分比为25％，混合溶液于室温下搅拌0.5h，后在60～80℃的温度下搅拌0.5h，在60～80℃的温度下真空干燥处理1h，制备得聚苯胺@聚碲吩光热纤维纺丝液；
(3)采用湿法纺丝技术将(2)所得聚苯胺@聚碲吩光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤水溶液中进行凝固，凝固浴温度为0℃,纤维凝固时间为12h，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
实施例6
(1)通过将聚苯胺与聚碲吩混合溶于二甲基乙酰胺溶液,制备聚苯胺@聚碲吩光热高分子聚合物溶液，其中聚苯胺占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为1％，聚碲吩占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.5％；
(2)将聚乙烯醇加入到步骤(1)所得的聚苯胺@聚碲吩光热高分子聚合物溶液中，其中，聚丙烯腈占光热纤维纺丝液的重量百分比为10％，混合溶液于室温下搅拌0.5h，后在60～80℃的温度下搅拌2h，在60～80℃的温度下真空干燥处理1h，制备得聚苯胺@聚碲吩光热纤维纺丝液；
(3)采用湿法纺丝技术将(2)所得聚苯胺@聚碲吩光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤水溶液中进行凝固，凝固浴温度为0℃,纤维凝固时间为6h，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
Claims (9)
1.一种浅色光热纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过将聚苯胺与另一种光热高分子材料混合溶于溶剂制备光热高分子聚合物溶液，拓宽光热材料的吸收波长，提高光热转换性能；
(2)将纤维高分子聚合物加入到步骤(1)中的光热高分子聚合物溶液中，制备光热纤维纺丝液；
(3)采用湿法纺丝技术将步骤(2)光热纤维纺丝液压过喷丝头，挤入凝固浴中，成型得到初生纤维；初生纤维经牵伸处理、热风处理，即得浅色光热纤维。
2.根据权利要求1所述的浅色光热纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，另一种光热高分子材料为聚吡咯、聚多巴胺、聚噻吩、聚3,4-乙撑二氧噻吩、聚硒吩或聚碲吩中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的浅色光热纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、碳酸乙烯酯、丙酮和水。
4.根据权利要求1所述的浅色光热纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，聚苯胺占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.05％～2％，另一种光热高分子材料占光热高分子聚合物溶液的重量百分比为0.05％～3％。
5.根据权利要求1所述的浅色光热纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，纤维基材应是可进行湿法纺丝的高分子聚合物，其种类包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氨基甲酸酯、聚氯乙烯和纤维素纤维，纤维占光热纤维纺丝液的重量百分比为5％～25％。
6.根据权利要求1所述的浅色光热纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，混合溶液于室温下搅拌0.5～4h，后在60～80℃的温度下搅拌0.5～2h，在60～80℃的温度下真空干燥处理0.5～2h。
7.根据权利要求1所述的浅色光热纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，混合溶液于室温下搅拌0.5～4h，后在60～80℃的温度下搅拌0.5～2h，在60～80℃的温度下真空干燥处理0.5～2h。
8.根据权利要求1～7任一项所述制备方法所制得的浅色光热织物。
9.根据权利要求8所述的浅色光热织物在制备可穿戴个人热管理设备、具有高对比变色效果的温度监测加热纺织品、便携式自供电纺织品以及光热治疗材料中的应用。
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|---|---|---|---|---|
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2022
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