CN115074860B - 一种环保型皮芯结构调温纤维及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能纤维技术领域，公开了一种环保型皮芯结构调温纤维及其制备方法与应用。该皮芯纤维是由可天然降解的聚乳酸材料制备而成，其皮层是高熔点的聚乳酸，芯层是不同分子量的低熔点聚乳酸，可用于吸热降温材料。在120～200℃条件下芯层吸热而皮层保持不变。本发明制备的环保型皮芯结构调温纤维具有多功能、高品质等特点，用作降温材料，在生产和使用过程不会产生对环境有害的物质，可以储能调温，天然降解，制造工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于功能纤维技术领域，特别是涉及一种环保型皮芯结构调温纤维及其制备方法与应用。
背景技术
随着社会需求的不断发展和科学技术的不断进步，越来越多的功能纤维被研发出来，相变纤维是利用物质相变过程中释放或吸收潜热、温度保持不变的特性开发出来的一种蓄热调温功能纤维。将其应用于纺织品中,可以吸收热量储存在纺织品内部,或放出纺织品中储存的热量,形成自己的相对独立的微气候,从而实现稳定调节功能。
目前调温纤维的制备方法有微胶囊湿法纺丝法、纤维表面填充法等等。微胶囊湿法纺丝法存在制备过程污染大,工序繁杂的弊端；纤维表面涂层法存在耐洗性差的缺陷。发明专利CN108360079A中将离子液体作为皮芯纤维中的芯层,进行相变材料的灌装,其纤维末端的封端存在问题，且在纤维发生断裂时，调温纤维的性能会遭到很大程度上的破坏。发明专利CN101906670B公开了一种熔纺型固–液复合相变纤维的纺丝设备及其制备方法,将液态相变材料直接以液态的形式储存在纤维内部,液态相变材料熔化也存在不稳定的问题。发明专利CN104911724A的芯层材料包含基体聚合物、相变介质、发泡剂偶氮二甲酰胺、活化剂氧化锌和助交联剂在内的原料制成，使用的材料众多，成本较高，其中的相变介质为单一的有机相变材料，制备的储能调温纤维难以做到每一时段的温度值都能够最大程度的接近相变点，储热效率低。
上述调温纤维中的芯层都是不同质的、不同相变点的相变材料，由于多种材料不同质，存在材质之间不相容造成的微观裂隙问题，该裂隙会阻碍热流的传导，降低导热性。不同质相变材料混合在一起，由于各自不同的分子结构，还可能影响结晶，进而影响过冷度。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明提供一种环保型皮芯结构调温纤维及其制备方法与应用，该方法制备的调温纤维由同质的高熔点聚乳酸皮层和几种不同熔点的低熔点低分子量聚乳酸芯层组成，使用的材料成分单一，相变温度范围大，储热效率高，能天然降解，制造工艺简单，制造成本低等特点，可较好的应用在环保功能纤维的功能化改性领域，满足化纤行业生产需求。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种环保型皮芯结构调温纤维，所述调温纤维呈皮芯结构，所述调温纤维的皮层材料为高熔点聚乳酸，所述调温纤维的芯层材料为低熔点低分子量聚乳酸。
进一步的，所述高熔点聚乳酸的熔点为200～230℃，所述低熔点低分子量聚乳酸的熔点为70～170℃，所述低熔点低分子量聚乳酸的分子量为5000-200000。
进一步的，所述调温纤维的芯层材料为包括一种、两种或两种以上不同熔点的低分子量聚乳酸。
进一步的，所述调温纤维的相变焓为30～70J/g。
进一步的，所述调温纤维的单丝直径为10-100μm
本发明还提供了一种环保型皮芯结构调温纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1.将皮层材料和芯层材料按质量比1:9～9:1分别加入到双螺杆挤出机中，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到功能原丝；
其中，所述皮层材料为熔点为200～230℃的高熔点聚乳酸；
所述芯层材料为含有一种、两种或两种以上不同熔点的低熔点低分子量聚乳酸，所述低熔点低分子量聚乳酸的熔点为70～170℃，所述低熔点低分子量聚乳酸的分子量为5000-200000；
S2.将所述功能原丝进行牵伸，得到环保型皮芯结构的调温纤维，所述调温纤维的相变焓为30～70J/g。
进一步的，上述制备方法中，所述熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件的温度为200～250℃，所述牵伸的温度范围为100～200℃，所述牵伸的牵伸倍数为1～5倍。
进一步的，上述制备方法中，所述调温纤维的相变焓为30～70J/g。
本发明还提供了一种上述的调温纤维或上述的制备方法制备得到的调温纤维在降温材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的环保型皮芯结构调温纤维具有如下优点及有益效果：
(1)皮层和芯层都是由同质材料聚乳酸制备，最大程度的减小了相分离造成的隔热裂隙，提高了材料的导热性能。
(2)由于芯层是由不同熔点的低分子量聚乳酸制成，所以含有多个相变点，能够更大范围的进行相变热交换，提高了传热和储热能力。
(3)没有使用成核剂，发泡剂，活化剂，交联剂等化学试剂，能天然降解，绿色环保。
(4)制造工艺简单，制造成本低，可较好的应用在环保功能纤维的功能化改性领域，满足化纤行业生产需求
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将熔点为230℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为70℃，87℃和110℃的分子量为5000-40000的低分子量聚乳酸按等比例混合后，作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比4：6分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为250℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为200℃，牵伸倍数为5倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经差示扫描量热仪(DSC)测试，制备纤维的相变温度为70～110℃，相变焓值为30.14J/g。
实施例2
(1)将熔点为210℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为87℃和110℃中的两种不同熔点的分子量为7000-40000的低分子量聚乳酸按等比例混合后，作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比2：8分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为230℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为170℃，牵伸倍数为3倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为87～110℃，相变焓值为42.9J/g。
实施例3
(1)将熔点为200℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为110℃，122℃和135℃的不同熔点的分子量为40000-100000的低分子量聚乳酸按等比例混合后，作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比3：7分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为200℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为100℃，牵伸倍数为2倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为110～135℃，相变焓值为53.4J/g。
实施例4
(1)将熔点为210℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为135℃，154℃和170℃的不同熔点的分子量为100000-200000的低分子量聚乳酸按等比例混合后，作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比5：5分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为220℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为100℃，牵伸倍数为1倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为135～170℃，相变焓值为66.8J/g。
实施例5
(1)将熔点为225℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为70℃，110℃，122℃和135℃的不同熔点的分子量为5000-100000的低分子量聚乳酸按等比例混合后，作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比1：9分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为215℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为120℃，牵伸倍数为2倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为70～135℃，相变焓值为62.34J/g。
实施例6
(1)将熔点为230℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为93℃和154℃的不同熔点的分子量为35000-150000的低分子量聚乳酸按等比例混合后，作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比6：4分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为250℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为200℃，牵伸倍数为4倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为93～154℃，相变焓值为56.32J/g。
实施例7
(1)将熔点为215℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为70℃，154℃和170℃的不同熔点的分子量为5000-200000的低分子量聚乳酸按等比例混合后，作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比3：7分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为225℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为200℃，牵伸倍数为3倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为70～170℃，相变焓值为70J/g。
实施例8
(1)将熔点为215℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为154℃的分子量为80000的低分子量聚乳酸作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比3：7分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为225℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为200℃，牵伸倍数为3倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为70～170℃，相变焓值为44J/g。
实施例9
(1)将熔点为215℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料备用，将熔点为170℃的分子量为130000的低分子量聚乳酸作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比5：5分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为225℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为200℃，牵伸倍数为3倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为70～170℃，相变焓值为39J/g。
比较例1
(1)将熔点为230℃的高熔点聚乳酸作为皮层材料和熔点210℃的高熔点聚乳酸作为芯层材料备用。
(2)将皮层材料和芯层材料按质量比2：8分别加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为240℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到含有不同熔点的低分子量聚乳酸为芯层，高熔点聚乳酸为皮层的功能原丝，最后对功能原丝在温度为200℃，牵伸倍数为3倍的条件下进行牵伸，得到环保型皮芯结构调温纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为210～230℃，相变焓值为15.73J/g。可见，比较例1得到的纤维皮层和芯层均为高熔点聚乳酸，相变焓值较小，也即调温效果差。
比较例2
(1)将熔点为175℃和154℃的低熔点聚乳酸作为皮层材料和芯层材料备用。
(2)将材料加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为190℃，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到功能原丝，最后对功能原丝在温度为140℃，牵伸倍数为4倍的条件下进行牵伸，得到环保型纤维。经测试发现，制备纤维的相变温度为62℃，相变焓值为9.78J/g，高温条件下无调温功能。
比较例3
(1)将熔点为170℃的低熔点聚乳酸作为原材料备用。
(2)将聚乳酸加入到双螺杆挤出机中，熔融纺丝过程的温度为200℃，熔融挤出后经过喷丝板挤出，得到聚乳酸原丝，最后对聚乳酸原丝在温度为120℃，牵伸倍数为5倍的条件下进行牵伸，得到环保型纤维。经测试发现，制备的纤维的相变温度为60℃，高温条件下无调温功能。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种环保型皮芯结构调温纤维，其特征在于，所述调温纤维呈皮芯结构，所述调温纤维的皮层材料为高熔点聚乳酸，所述调温纤维的芯层材料为低熔点低分子量聚乳酸；所述高熔点聚乳酸的熔点为200~230℃，所述低熔点低分子量聚乳酸的熔点为70~170℃，所述低熔点低分子量聚乳酸的分子量为5000-200000。
2.根据权利要求1所述的调温纤维，其特征在于，所述调温纤维的芯层材料为一种、两种或两种以上不同熔点的低熔点低分子量聚乳酸。
3.根据权利要求1所述的调温纤维，其特征在于，所述调温纤维的相变焓为30~70J/g。
4.根据权利要求1所述的调温纤维，其特征在于，所述调温纤维的单丝直径为10-100μm。
5.一种环保型皮芯结构调温纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将皮层材料和芯层材料按质量比1:9~9:1分别加入到双螺杆挤出机中，熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件，再经皮芯型复合喷丝孔喷出，得到功能原丝；
其中，所述皮层材料为熔点为200~230℃的高熔点聚乳酸；
所述芯层材料为一种、两种或两种以上不同熔点的低熔点低分子量聚乳酸，所述低熔点低分子量聚乳酸的熔点为70~170℃，所述低熔点低分子量聚乳酸的分子量为5000-200000；
S2.将所述功能原丝进行牵伸，得到环保型皮芯结构的调温纤维，所述调温纤维的相变焓为30~70J/g。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔融挤出后经过同板皮芯型复合纺丝组件的温度为200~250℃，所述牵伸的温度范围为100~200℃，所述牵伸的牵伸倍数为1~5倍。
7.权利要求1-4任一项所述的调温纤维或权利要求5或6所述的制备方法制备得到的调温纤维在降温材料中的应用。
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