CN115247286A - 一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，以聚丙烯腈和氧化锌的混合溶液作为壳层，以十八烷作为芯层，通过同轴静电纺丝的方法制备而成。本发明的纤维无毒，焓值高，紫外线防护性能优异，热稳定性好。

Description

一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维
技术领域
本发明涉及功能纤维生产技术领域，特别涉及一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维。
背景技术
紫外线辐射对人类健康和环境造成严重危害，自然界中的主要紫外线光源是太阳。紫外线的过度暴露会导致各种病变，如皮肤老化，DNA损伤，甚至是癌症。由于臭氧层被破坏厚度减少，导致更多的紫外线照射到地面，保护人类皮肤健康已成为一个世界性的问题。通常，使用紫外线吸收和屏蔽剂来改性材料赋予它抗紫外线性能。
目前，人们通常采用轧-烘-焙和原位负载技术将紫外吸收剂整理到棉织物上进行改性。尽管这些方法可以提高织物的抗紫外线性能，但出现了一些新的问题比如步骤复杂、功能填料分散不均匀和稳定差等。
日常生活中，强紫外辐射经常伴随着高温天气出现。但是，很少有关于防紫外线且具有调温功能的纳米纤维研究。相变材料因其在温度不变的情况下通过物态变化来释放或储存热量引起了人们的关注。将它和纤维结合制备智能调温纤维能够调节温度给人舒适感，有很好的应用前景。目前，人们常采用织物整理法、微胶囊处理法、中空纤维浸渍法、纺丝法等来固定相变材料。随着同轴静电纺丝技术的出现，为调温纤维的制备提供了更好的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，将氧化锌加入到聚丙烯腈溶液中纺丝可以赋予纤维抗紫外线性能，运用同轴静电纺丝技术将相变材料包封在聚合物中，使纤维拥有调温能力，而且还提高了相变材料的稳定性；多功能的纳米纤维综合性能优异且无毒，拥有良好的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，以聚丙烯腈和氧化锌的混合溶液作为壳层，以十八烷作为芯层，通过同轴静电纺丝的方法制备而成。
本发明通过将聚合物和各种添加剂共混通过静电纺丝技术制备纳米纤维可以很好的避免现有技术存在的问题。复合纳米纤维具有大的比表面积，高的孔隙率，功能填料分散均匀等优点。因为填料与紫外线有更大接触面积，所以纳米纤维的抗紫外线性能更强。氧化锌纳米颗粒被认为是最有效的紫外吸收剂，还具有抗菌和传感等性能。将氧化锌加入到聚丙烯腈溶液中纺丝可以赋予纤维抗紫外线性能，运用同轴静电纺丝技术将相变材料包封在聚合物中，使纤维拥有调温能力，而且还提高了相变材料的稳定性；本发明可以将抗紫外线和调温功能很方便的结合到一起。
本发明的技术难度主要在于如何成功制备出芯鞘结构的纳米纤维。该复合纳米纤维能够抗紫外线和调温，在防护服和户外用品等领域有很好的应用前景。目前还没有这方面的研究。
本发明选择聚丙烯腈来包覆正十八烷，PAN能够包封相变材料取决于它们之间的相容性，并不是随意组合，能成功纺丝包覆才是关键，是发明人经过长时间探索和工艺调整而得。而且考虑到相变材料的温度和潜热值对实际应用的影响，该组合更为实用。
本发明选择氧化锌、聚丙烯腈和十八烷形成复合纳米纤维基于以下原因：氧化锌能够和聚丙烯腈中混合进行静电纺丝，得到均匀的纳米纤维。氧化锌赋予了纤维抗紫外线和抑菌性能，使织物拥有了很好的应用价值。混合了氧化锌的PAN溶液与十八烷有很好的相容性，能够实现对十八烷的大量包封。负载十八烷的纤维拥有较大的潜热，且相变温度在人体的舒适范围，非常适合用作调温织物。该组合的织物具有好的紫外防护性能，调温性能，在防晒服、户外用品等领域有很好的应用前景。
相变材料被包封后熔融峰更宽，熔融温度更高，相变材料被包封后热分解温度提高了40℃左右，是由于十八烷被聚合物包封后，热传递慢，所以温度更高，有更好的实用价值。包封后相变材料由于有了聚合物的保护，十八烷的热分解温度提高，实际应用价值更好。可以说是本发明独特的芯鞘结构带来的创新。
作为优选，具体制备方法包括如下步骤：
步骤一、将氧化锌加入到N,N-二甲基甲酰胺中超声1-2小时，再加入聚丙烯腈室温搅拌12-14小时后再超声1-2小时得到壳层溶液；十八烷在50-60℃下熔融得到芯层溶液；
步骤二、控制环境温度为50-60℃，将步骤一制备的壳层溶液和芯层溶液分别移至注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与同轴针头的距离，调节壳层溶液和芯层溶液的进样速度，提供高压即可在铝箔上收集核壳结构的纳米纤维。
作为优选，所述壳层溶液中氧化锌的浓度为7-8wt，聚丙烯腈浓度为11-12wt%。
作为优选，所述壳层溶液的进样速度为0.5-0.6 mL/h，芯层溶液的进样速率为0.2-0.25 mL/h。
作为优选，所述高压为25-28 kV。
作为优选，接收滚筒与同轴针头的距离为12-15 cm。
作为优选，所述氧化锌的颗粒大小为20-50nm。本发明选择氧化锌是由于它综合性能优异，具有紫外线吸收、抗菌等性能，且稳定性好，价格便宜，控制氧化锌的颗粒大小为20-50nm，能够很好的与聚丙烯腈混合进行静电纺丝。从扫描电镜和透射电镜图片可以看出氧化锌分布均匀。
使用有机紫外吸收剂稳定性不好，长期暴露于紫外线易分解，氧化锌则不会。加入氧化锌后，聚合物溶液粘度增大，纤维直径更大，使得纤维拥有更宽的熔融峰和熔融温度，实用价值更强。
作为优选，所述多功能纳米纤维的细度为300-500 nm。
本发明的有益效果是：
1)利用静电纺丝技术将氧化锌纳米颗粒嵌入纤维中制备的复合纳米纤维拥有优异且稳定的紫外防护性能；
2)采用同轴静电纺丝技术将相变材料包封在聚合物中可以有效提高相变材料的稳定性；
3)相变材料包封后的熔融温度提高，使它的应用范围更广，实用价值增强；
4)制备工艺流程简单，无毒，对环境友好；
5）将多种功能整合到纳米纤维中，使其拥有优异的综合性能。
附图说明
图 1 是本发明抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维照片。
图 2 是本发明抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维的透射电镜照片。
图 3 是本发明抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维膜的紫外线吸收率。
图 4 是本发明抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维膜的紫外线透过率。
图 5 是本发明抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维的TGA曲线。
图 6 是本发明抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维的DSC曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
总实施方案
一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，具体制备方法包括如下步骤：
步骤一、将氧化锌（20-50nm）加入到N,N-二甲基甲酰胺中超声1-2小时，再加入聚丙烯腈室温搅拌12-14小时后再超声1-2小时得到壳层溶液；十八烷在50-60℃下熔融得到芯层溶液；所述壳层溶液中氧化锌的浓度为7-8wt，聚丙烯腈浓度为11-12wt%。所述氧化锌的颗粒大小为20-50nm。
步骤二、控制环境温度为50-60℃，将步骤一制备的壳层溶液和芯层溶液分别移至注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与同轴针头的距离为12-15 cm，调节壳层溶液和芯层溶液的进样速度，所述壳层溶液的进样速度为0.5-0.6 mL/h，芯层溶液的进样速率为0.2-0.25 mL/h；提供高压即可在铝箔上收集核壳结构的纳米纤维。所述高压为25-28 kV。所得多功能纳米纤维的细度为300-500 nm。
实施例1：
取0.7g氧化锌放入8.1 g的N,N-二甲基甲酰胺中，超声1小时后加入1.2g聚丙烯腈室温搅拌12小时，然后再超声1小时得到均匀的壳溶液。取5g的正十八烷在50℃下熔融得到均匀的芯溶液。控制环境温度为50℃，将壳层溶液和芯溶液分别移至10 mL注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与连接高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与针头的距离为12 cm，调节壳层溶液进样速率为0.5mL/h，芯层溶液的进样速率为0.2mL/h，调节正压为25 kV，负压为-2 kV，即可在铝箔上收集到纳米智能纤维。
实施例2：
取1.4g氧化锌放入18.2 g的N,N-二甲基甲酰胺中，超声1小时后加入2.4g聚丙烯腈室温搅拌12小时，然后再超声1小时得到均匀的壳溶液。取6g的正十八烷在50℃下熔融得到均匀的芯溶液。控制环境温度为50℃，将壳层溶液和芯溶液分别移至10 mL注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与连接高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与针头的距离为12 cm，调节壳层溶液进样速率为0.5mL/h，芯层溶液的进样速率为0.2mL/h，调节正压为25 kV，负压为-1.5kV，即可在铝箔上收集到纳米智能纤维。
实施例3：
取2.1g氧化锌放入24.3 g的N,N-二甲基甲酰胺中，超声1小时后加入3.6g聚丙烯腈室温搅拌12小时，然后再超声1小时得到均匀的壳溶液。取8g的正十八烷在50℃下熔融得到均匀的芯溶液。控制环境温度为55℃，将壳层溶液和芯溶液分别移至10 mL注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与连接高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与针头的距离为15 cm，调节壳层溶液进样速率为0.5mL/h，芯层溶液的进样速率为0.2mL/h，调节正压为25 kV，负压为-2.5 kV，即可在铝箔上收集到纳米智能纤维。
本发明制备的多功能纳米纤维显微结构见图1，图1扫描电镜图片可以看出纤维表面有很多突起，表明氧化锌成功嵌入纤维，并且分布均匀。图2透射电镜图片证明纤维为芯鞘结构，说明相变材料成功被包封，并且氧化锌分布在纤维中较为均匀。图3说明加入氧化锌后纤维对紫外线吸收能力增强。图4说明加入氧化锌后紫外线透过率下降到很低，纤维的紫外防护性能好。图5说明十八烷被包封后热分解温度提高，增强了它的实际应用价值。图6说明十八烷被包封后的熔融温度为34.43℃，熔融峰也更宽，相较纯十八烷的28℃有了很大的提升。
本发明制备的多功能纳米纤维的相变潜热为111.38 J/g。纤维的紫外防护性能优异，UPF值为86.21。相变材料被包封后熔融峰更宽，熔融温度更高为34.43℃。相变材料被包封后热分解温度提高了40℃左右。本发明的纤维无毒，焓值高，紫外线防护性能优异，热稳定性好。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，其特征在于，以聚丙烯腈和氧化锌的混合溶液作为壳层，以十八烷作为芯层，通过同轴静电纺丝的方法制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，其特征在于，具体制备方法包括如下步骤：
步骤一、将氧化锌加入到N,N-二甲基甲酰胺中超声1-2小时，再加入聚丙烯腈室温搅拌12-14小时后再超声1-2小时得到壳层溶液；十八烷在50-60℃下熔融得到芯层溶液；
步骤二、控制环境温度为50-60℃，将步骤一制备的壳层溶液和芯层溶液分别移至注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与同轴针头的距离，调节壳层溶液和芯层溶液的进样速度，提供高压即可在铝箔上收集核壳结构的纳米纤维。
3.根据权利要求2所述的一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，其特征在于，所述壳层溶液中氧化锌的浓度为7-8wt，聚丙烯腈浓度为11-12wt%。
4.根据权利要求2所述的一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，其特征在于，所述壳层溶液的进样速度为0.5-0.6 mL/h，芯层溶液的进样速率为0.2-0.25 mL/h。
5.根据权利要求2所述的一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，其特征在于，所述高压为25-28 kV。
6.根据权利要求2所述的一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，其特征在于，接收滚筒与同轴针头的距离为12-15 cm。
7.根据权利要求1或2所述的一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，其特征在于，所述氧化锌的颗粒大小为20-50nm。
8.根据权利要求1或2所述的一种抗紫外线兼具智能调温的多功能纳米纤维，其特征在于，所述多功能纳米纤维的细度为300-500 nm。
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