CN116657329A - 一种纤维织物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及热管理织物技术领域，特别涉及一种纤维织物及其制备方法。该纤维织物为多孔结构纤维织物，多孔结构纤维织物具有微米孔和纳米孔；微米孔为形成于纤维之间的孔径大小为微米级别的孔隙，纳米孔为布设于纤维上的孔径大小为纳米级别的孔隙。本申请中的纤维织物的多孔结构可以提高其对太阳光的反射率，有效阻挡太阳辐射的热量输入，从而降低人体在太阳辐射下体温的上升，同时，纤维织物的分子链结构在中红外波段具有高发射率或高透过率，有助于将人体新陈代谢产生的热量耗散到环境中，而且上述散热过程无需外部能源供给，节能环保。
Description
技术领域
本申请涉及热管理织物技术领域，特别涉及一种纤维织物及其制备方法。
背景技术
一般情况下，人体自身的体温调节机制能够维持恒定温度，而当环境温度远高于人体温度时，如炎热的夏天，环境温度将影响人体温度的调节，从而对人体的正常的新陈代谢及生命体征造成较大的影响。现有的空间制冷系统，如空调，虽然能够提供舒适的室内环境，但会消耗大量的能源，加重温室效应，导致全球气候变暖，对人类健康和全球经济造成不可逆的影响。
织物作为人体的第二层皮肤，在维持人体体温、保持身体健康方面起着至关重要的作用。目前，现有织物主要通过减少材料的几何厚度来促进人体热耗散，或者通过在织物表面涂覆红外涂层以增强对太阳光的反射来实现降温，手段单一，降温效果一般。
发明内容
本申请公开了一种纤维织物及其制备方法，以解决现有纤维织物降温效果一般的问题。
为达到上述目的，本申请提供以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种纤维织物，该纤维织物为多孔结构纤维织物，多孔结构纤维织物具有微米孔和纳米孔；微米孔为形成于纤维之间的孔径大小为微米级别的孔隙，纳米孔为布设于纤维上的孔径大小为纳米级别的孔隙。
进一步地，微米孔的孔径大小为0.5μm-500μm，纳米孔的孔径大小为10nm-1000nm。
进一步地，纳米孔的孔隙率大于等于1％。
进一步地，纳米孔的孔隙率小于等于30％。
进一步地，纤维织物的太阳光反射率为0.5-1，纤维织物的中红外反射率小于等于0.5。
第二方面，一种第一方面的纤维织物的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
制备复合纤维膜：将主体材料和牺牲材料混合并纺丝得到复合纤维膜，复合纤维膜包括由主体材料形成的多根纤维单丝，牺牲材料掺杂于纤维单丝中；
制造纳米孔：去除复合纤维膜中的牺牲材料，以得到含有纳米孔的多孔结构纤维织物。
进一步地，主体材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚己内酯、聚乳酸、聚酰胺、聚氨酯、醋酸纤维素、丝素蛋白、聚酯、聚氨基甲酸甲酯或者聚丙烯中的至少一种。
进一步地，牺牲材料包括聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚乙烯胺或者聚丙烯酸中的至少一种。
进一步地，制造纳米孔的方法包括牺牲模板法、冷冻干燥法或者相分离法中的至少一种。
进一步地，制备复合纤维的方法包括静电纺丝、湿法纺丝、干法纺丝或者熔融纺丝中的至少一种。
采用本申请的技术方案，产生的有益效果如下：
本申请提供的纤维织物具有微米孔和纳米孔，纤维之间的微米孔可以对太阳光产生米氏散射，布设于纤维上的纳米孔可以对太阳光产生瑞利散射，即本申请中的纤维织物的多孔结构可以提高其对太阳光的反射率，有效阻挡太阳辐射的热量输入，从而降低人体在太阳辐射下体温的上升，同时，纤维织物的分子链结构在中红外波段具有高发射率或高透过率，有助于将人体新陈代谢产生的热量耗散到环境中，而且上述散热过程无需外部能源供给，节能环保。
附图说明
图1为本申请实施例1的多孔结构纤维织物的扫描电子显微镜图；
图2为本申请实施例1中的复合纤维织物和多孔结构纤维织物在太阳光波段的反射率对比图；
图3为本申请实施例1中模拟皮肤覆盖复合纤维织物和多孔结构纤维织物在户外阳光直射的实时(11:00-14:00)温度变化图；
图4为本申请实施例1中的多孔结构纤维织物在红外波段(4-16μm)的发射率和透射率的图谱；
图5为本申请实施例1中的多孔结构纤维织物和传统织物在室内的辐射降温性能测试图；
图6为本申请实施例1中的复合纤维织物和多孔结构纤维织物的拉伸断裂曲线示意图；
图7为中模拟皮肤覆盖本申请实施例1和2中的多孔结构纤维织物在户外阳光直射的实时(11:00-14:00)温度变化图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例描述的应用场景是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。其中，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
目前，传统织物主要通过改变材料的几何厚度来进行个人热管理，手段单一，降温效果一般。
有鉴于此，本申请实施例提供了一种纤维织物，该纤维织物为多孔结构纤维织物，多孔结构纤维织物具有微米孔和纳米孔；微米孔为形成于纤维之间的孔径大小为微米级别的孔隙，纳米孔为布设于纤维上的孔径大小为纳米级别的孔隙。
该纤维织物的微米孔可以对太阳光产生米氏散射，布设于纤维上的纳米孔可以对太阳光产生瑞利散射，二者综合作用可以提高纤维织物对太阳光的反射率，有效阻挡太阳辐射的热量输入，从而降低人体在太阳辐射下体温的上升。
可以理解的是，本申请中不对微米孔和纳米孔的具体尺寸进行限定。优选的，微米孔的孔径大小为0.5μm-500μm；纳米孔的孔径大小为10nm-1000nm。
在本申请的一种实施例中，纳米孔的孔隙率大于等于1％。纳米孔越多，对太阳光的瑞利散射作用越强，有助于降低人体在太阳辐射下体温的上升。但是，纤维上的孔隙过多会影响纤维织物的力学强度。优选的，纳米孔的孔隙率小于等于30％。纳米孔的孔隙率可为1％、3％、5％、10％、15％、20％、25％或者30％。
在本申请的一种实施例中，微米孔的孔隙率为10％-80％，在这个范围之内，纤维织物既能够保持织物的形态，而且具有合适的力学强度。纳米孔的孔隙率可为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或者80％。
在本申请的一种实施例中，纤维织物的太阳光反射率为0.5-1，举例为0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.8、0.9或者1；纤维织物的中红外反射率小于等于0.5，举例为0.05、0.1、0.2、0.3、0.35、0.4、0.45或者0.5。
其中，本申请实施例中的纤维织物可以是化学纤维，也可以是天然纤维。对于化学纤维，该纤维织物优选为聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚氨基甲酸甲酯纤维、聚乙烯醇缩醛纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维、醋酸纤维、粘胶纤维或者聚乙烯醇纤维中的一种或者两种及以上的组合。对于天然纤维，该纤维织物优选为植物纤维或者动物纤维。
在本申请的一种实施例中，纤维织物的几何厚度为100μm-500μm，举例为100μm、200μm、300μm、400μm或者500μm。
基于同样的发明构思，本申请实施例提供一种本申请各种可能的实施方式的纤维织物的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
制备复合纤维膜：将主体材料和牺牲材料混合并纺丝得到复合纤维膜，复合纤维膜包括由主体材料形成的多根纤维单丝，牺牲材料掺杂于纤维单丝中；
制造纳米孔：去除复合纤维膜中的牺牲材料，以得到含有纳米孔的多孔结构纤维织物。
其中，主体材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚己内酯、聚乳酸、聚酰胺、聚氨酯、醋酸纤维素、丝素蛋白、聚酯、聚氨基甲酸甲酯或者聚丙烯中的至少一种。牺牲材料包括聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚乙烯胺或者聚丙烯酸中的至少一种。
其中，制造纳米孔步骤中去除复合纤维膜中的牺牲材料包括如下步骤：
将复合纤维膜在第一溶剂中浸泡5h，干燥之后得到多孔结构纤维织物。
因为牺牲材料溶于第一溶剂，且主体材料在第一溶剂中不溶解，经过第一溶剂的浸泡，牺牲材料溶解即得到纳米孔。可以理解的是，本申请中不对浸泡时间进行限定，只要保证把牺牲材料去除得到足够数量的纳米孔即可。
其中，第一溶剂包括但不限于水。
可以理解的是，为了控制纤维织物中纳米孔的孔隙率在合适的范围内，牺牲材料和主体材料的质量比为0.5:1-5:1，二者的质量比举例为0.5:1、1:1、1.5:1、2:1、3:1、4:1或者5:1。牺牲材料和主体材料的质量比在上述范围之内，可以使制备的纤维织物含有足够多的纳米孔，以使纤维织物具有良好的辐射制冷的效果，同时，纳米孔的数量不会过多，以使纤维织物具有合适的可穿戴的力学强度。
在本申请的一些实施例中，制造纳米孔的方法包括牺牲模板法、冷冻干燥法或者相分离法中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，制备复合纤维的方法包括静电纺丝、湿法纺丝、干法纺丝或者熔融纺丝中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，纤维织物的制备方法的制造纳米孔步骤中还包括织物成型步骤，该织物成型步骤在“去除复合纤维膜中的牺牲材料”之后，通过机织、针织或者非织造布工艺得到预设造型的多孔结构纤维织物。
本申请中各种可能的实施例纤维织物或者采用本申请中的制备方法得到的纤维织物具有如下有益效果：
1)本申请中的纤维织物具有微米孔和纳米孔，对太阳光的反射率高，有效阻挡太阳辐射的热量输入，从而降低人体在太阳辐射下体温的上升；
2)本申请中的纤维织物的聚合物分子链结构在中红外波段具有高发射率或高透过率，有助于将人体新陈代谢产生的热量耗散到环境中，而且上述散热过程无需外部能源供给，节能环保；
3)本申请中的纤维织物为复合纤维膜，在制备过程中，纤维之间的相互作用增强，以使其力学性能增强，纤维织物的耐用性提升；
4)本申请中的制备方法工艺简单，便于大范围的推广应用。
下面结合具体实施例和对比例对本申请中的纤维织物及其制备方法做进一步详细说明。
实施例1
该实施例为一种纤维织物，该纤维织物具有微米孔和纳米孔，该纤维织物的孔隙率为67％，其中，微米孔和纳米孔的比例为94:6。
该纤维织物的制备方法如下：
S1：将聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，PVP)按照1:2的质量比混合得到质量分数为14wt％的溶液，通过静电纺丝技术制备PAN/PVP复合纤维织物；
S2：将PAN/PVP复合纤维织物放入热水釜中在100℃反应8h，通过相分离方法去除复合纤维中的PVP，从而制造纳米孔，然后在60℃下烘干处理，得到PPAN多孔结构的纤维织物。
图1为本申请实施例1的多孔结构纤维织物的扫描电子显微镜图，参照图1，该纤维织物的纤维之间形成微米孔，纤维上具有纳米孔。
图2为本申请实施例1中的复合纤维织物和多孔结构纤维织物在太阳光波段的反射率对比图，参照图2，在太阳光波长范围内，PPAN多孔结构的纤维织物的反射率均高于85％，并且，在可见光波段(0.4-0.76μm)，PPAN多孔结构的纤维织物的反射率超过94％，相较于PAN/PVP复合纤维织物的反射率有显著提升。
图3为本申请实施例1中模拟皮肤覆盖复合纤维织物和多孔结构纤维织物在户外阳光直射的实时(11:00-14:00)温度变化图，参照图3，在户外太阳直射的环境中，模拟皮肤覆盖PPAN多孔结构的纤维织物后的温度最低，相较于模拟皮肤直接裸露在太阳下的温度下降10℃左右，相较于环境温度下降了5℃左右，相较于覆盖PAN/PVP复合纤维织物的温度下降2℃左右，由此可见，多孔结构的纤维织物具有良好的辐射制冷效果。
图4为本申请实施例1中的多孔结构纤维织物在红外波段(4-16μm)的发射率和透射率的图谱，参照图4，由于PAN独特的分子结构，PPAN在低红外区(4-10μm)具有高发射率，在中红外区(10-16μm)具有高透过率，在室内环境中，高红外透过率的纤维织物可以使人体的热辐射直接传递到环境中，具有高红外发射率的纤维织物能将人体产生的热能发射到周围环境中。
图5为本申请实施例1中的多孔结构纤维织物和传统织物在室内的辐射降温性能测试图，参照图5，在室内环境下，织物的室内降温能力的测试中发现，模拟皮肤覆盖PPAN多孔结构的纤维织物的温度相较于模拟皮肤直接裸露的温度仅上升0.3℃左右，模拟皮肤覆盖PAN/PVP复合纤维织物的温度相较于模拟皮肤直接裸露的温度上升1℃左右，由此可知，PPAN多孔结构的纤维织物的中红外反射率较低，只有少量人体产生的热量能被PPAN多孔结构的纤维织物所阻隔。
图6为本申请实施例1中的复合纤维织物和多孔结构纤维织物的拉伸断裂曲线示意图，参照图6，PPAN多孔结构的纤维织物的力学性能相较于PAN/PVP复合纤维织物有明显提升，因为在水热反应的过程中，纤维之间的相互作用增强，有助于提升其力学性能，使其具有更好的耐用性。
实施例2
实施例2为一种纤维织物，其具体结构可以参照实施例1，区别在于步骤S1中将聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)按照1:1的质量比混合。
图7为中模拟皮肤覆盖本申请实施例1和2中的多孔结构纤维织物在户外阳光直射的实时(11:00-14:00)温度变化图，参照图7，在户外太阳直射的环境中，模拟皮肤覆盖实施例1中的纤维织物后相较于模拟皮肤覆盖实施例2中的纤维织物的温度更低，二者相较于环境温度和直接裸露的模拟皮肤的温度显著下降，由此可见，多孔结构的纤维织物具有良好的辐射制冷效果，且纳米孔的占比越高，辐射制冷效果越好。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种纤维织物，其特征在于，所述纤维织物为多孔结构纤维织物，所述多孔结构纤维织物具有微米孔和纳米孔；
所述微米孔为形成于纤维之间的孔径大小为微米级别的孔隙，所述纳米孔为布设于纤维上的孔径大小为纳米级别的孔隙。
2.根据权利要求1所述的纤维织物，其特征在于，所述微米孔的孔径大小为0.5μm-500μm，所述纳米孔的孔径大小为10nm-1000nm。
3.根据权利要求1或2所述的纤维织物，其特征在于，所述纳米孔的孔隙率大于等于1％。
4.根据权利要求3所述的纤维织物，其特征在于，所述纳米孔的孔隙率小于等于30％。
5.根据权利要求4所述的纤维织物，其特征在于，所述纤维织物的太阳光反射率为0.5-1，所述纤维织物的中红外反射率小于等于0.5。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的纤维织物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备复合纤维膜：将主体材料和牺牲材料混合并纺丝得到复合纤维膜，所述复合纤维膜包括由所述主体材料形成的多根纤维单丝，所述牺牲材料掺杂于所述纤维单丝中；
制造纳米孔：去除所述复合纤维膜中的牺牲材料，以得到含有所述纳米孔的多孔结构纤维织物。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述主体材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚己内酯、聚乳酸、聚酰胺、聚氨酯、醋酸纤维素、丝素蛋白、聚酯、聚氨基甲酸甲酯或者聚丙烯中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述牺牲材料包括聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚乙烯胺或者聚丙烯酸中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，制造纳米孔的方法包括牺牲模板法、冷冻干燥法或者相分离法中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，制备复合纤维的方法包括静电纺丝、湿法纺丝、干法纺丝或者熔融纺丝中的至少一种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310635894.0A CN116657329A (zh) | 2023-05-31 | 2023-05-31 | 一种纤维织物及其制备方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116657329A true CN116657329A (zh) | 2023-08-29 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116657329A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117661146A (zh) * | 2023-12-06 | 2024-03-08 | 中山大学 | 一种室内外双模式辐射降温织物及其制备方法和应用 |
-
2023
- 2023-05-31 CN CN202310635894.0A patent/CN116657329A/zh active Pending
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