CN208545523U - 一种皮芯结构气凝胶复合纤维 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种皮芯结构气凝胶复合纤维。所述皮芯结构气凝胶复合纤维包括：包含气凝胶颗粒的芯，以及，包覆所述芯的皮层，所述皮层包含聚合物材料。所述皮芯结构气凝胶复合纤维包括一个以上的中空纤维结构，且所述气凝胶颗粒填充于所述一个以上的中空纤维结构的空隙内。本实用新型的皮芯结构气凝胶复合纤维具备优异的隔热性能、保温效果、隔音性能、吸附过滤性能、热稳定性、无尘及经济环保等特点，在服装、家纺、工业保温、吸附过滤等领域具有巨大应用潜力。

Description

一种皮芯结构气凝胶复合纤维

技术领域

本实用新型涉及一种气凝胶复合纤维，特别涉及一种皮芯结构聚合物-气凝胶复合纤维，属于合成纤维制备技术领域。

背景技术

气凝胶被称为“蓝烟”或“固态烟”，是一种超轻、多孔的新型纳米材料，具有高比表面积、高孔隙率、低密度、超高绝热性能、超低介电常数以及低折射系数等优异性能，在隔热保温、节能环保、石油化工、药物释放、航空航天等领域具有广阔的应用前景。当前市场气凝胶逐渐走出军用，在工业及民用市场日渐成熟，其产品应用形态也丰富多样，包括气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶布、气凝胶膜、气凝胶涂料、气凝胶纤维及气凝胶板等。其中气凝胶纤维是气凝胶众多产品形态中最具应用活性的产品形态，可进一步加工成气凝胶布、气凝胶毡、气凝胶线、气凝胶棒等，具有巨大应用潜能。同时气凝胶纤维制备技术也是最为不成熟，如何保证纤维本身的柔韧性及可加工行的同时，继承气凝胶的优异特性并解决相关副作用，成为气凝胶从业人员的研究难点。

当前气凝胶纤维仍停留在科学研究阶段，其工艺技术主要有三种：

1)采用原位复合制备气凝胶毡工艺，将纤维浸渍于溶胶中，再凝胶老化，经过置换、改性、超临界干燥等工序获得气凝胶复合纤维。但此方法获得气凝胶纤维性能较差且掉粉严重，不利于进一步加工成型，同时掉粉使得其性能并不稳定。

2)采用有机气凝胶制备工艺，将有机溶胶经过静电纺丝等工序拉丝，在一定条件下凝胶，形成气凝胶纤维凝胶；再通过改性、干燥工序获得有机气凝胶纤维。如孙丹丹等人(孙丹丹，聚酰亚胺气凝胶纤维及薄膜的制备[D].北京：北京航空航天大学，2013)采用此工艺成功制备出聚酰亚胺气凝胶纤维，但此工艺的过程复杂且制备出的气凝胶纤维力学性能仍待进一步提升。

3)采用熔融共混拉丝工艺，将气凝胶颗粒与聚合物材料在一定温度下熔融共混，再经过拉丝纺织工艺，形成气凝胶复合纤维；如国外专利Dempsey,Robert R.Syntheticfiber containing aerogel and polymer materials,and methods of making andarticles comprising the same[p]:WO2017087511,2017-05-26.及中国专利CN103388193A等，采用熔融共混拉丝工艺，将气凝胶与聚合物材料一定温度下熔融共混得到复合母粒，再熔融喷丝形成气凝胶复合纤维。但此工艺缺陷也较为突出，如气凝胶颗粒较轻，很难与聚合物材料混合均匀；一般聚合物与气凝胶极性相当，聚合物熔融时很容易进入气凝胶孔洞内，导致气凝胶失效等问题。

因此，鉴于现存聚合物-气凝胶复合纤维产品问题及制备工艺存在的技术问题，开发一种高效、简单且有效的气凝胶复合纤维较为迫切。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种皮芯结构气凝胶复合纤维，以克服现有技术中的不足。

为实现前述目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种皮芯结构气凝胶复合纤维，其包括：包含气凝胶颗粒的芯，以及，包覆所述芯的皮层，所述皮层包含聚合物材料。

在一些实施例之中，所述皮芯结构气凝胶复合纤维包括一个以上的中空纤维结构，且所述气凝胶颗粒填充于所述一个以上的中空纤维结构的空隙内。

进一步地，所述中空纤维结构的截面形貌包括圆形、多边形等规则形状和/或不规则形状。

进一步地，所述中空纤维结构的直径为10nm～100μm，壁厚为10nm～100μm，分特克斯数为0.5～1000dtex。

进一步地，所述皮芯结构气凝胶复合纤维的形态包括单丝纤维、纤维线、纤维布、纤维毡、纤维纸和纤维棒中的任意一种或两种以上的组合。

进一步地，所述皮芯结构气凝胶复合纤维包括波纹纤维和/或直纤维。

进一步地，所述皮芯气凝胶颗粒于所述中空纤维结构中的填充量为0.1～25wt％。

与现有技术相比，本实用新型的优点包括：

1)本实用新型将气凝胶颗粒与聚合物材料复合成皮芯型复合纤维，使得复合纤维材料一方面有聚合物纤维的特性，如韧性、可编织性等；同时，复合纤维也继承了气凝胶的特性，如优异的隔热、隔音、吸附等性能；

2)本实用新型的皮芯结构气凝胶复合纤维，相比现有复合纤维，具备更优异的隔热性能、保温效果、隔音性能、吸附过滤性能、热稳定性、无尘及经济环保等特点；

3)相比于其他复合工艺(如熔融共混喷丝工艺)，本实用新型提供的工艺具备生产技术简单、气凝胶-聚合物复合均匀、气凝胶结构保存完整、生产设备成熟等优点，避免了其他工艺因气凝胶较轻带来的复合不均问题、聚合物熔融进入气凝胶孔洞，导致气凝胶材料失效等问题；

4)本实用新型制备的皮芯结构气凝胶复合纤维具有较好的使用性能，可通过编织、针刺等处理，形成复合布、复合毡等应用产品，在服装、家纺、工业保温、吸附过滤等领域具有巨大应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a是本实用新型一典型实施方案中气凝胶颗粒与聚合物材料以导管形式(单孔皮芯结构)复合的方法示意图。

图1b是本实用新型一典型实施方案中气凝胶颗粒与聚合物材料以导管形式(多孔皮芯结构)复合的方法示意图。

图1c是本实用新型一典型实施方案中气凝胶颗粒与聚合物材料以狭缝形式复合的方法示意图。

图2a-图2d分别是本实用新型一典型实施方案中皮芯结构气凝胶复合纤维的不同中空纤维结构的截面结构示意图。

图3a-图3d分别是本实用新型一典型实施方案中皮芯结构气凝胶复合纤维(单孔皮芯结构)的截面结构示意图。

图4a-图4b分别是本实用新型一典型实施方案中皮芯结构气凝胶复合纤维(多孔皮芯结构)的截面结构示意图。

图5a-图5b分别是本实用新型一典型实施方案中皮芯结构气凝胶复合纤维为波纹纤维和直纤维的结构示意图。

附图标记说明：1-气凝胶颗粒，2-聚合物材料，3-中空纤维结构。

具体实施方式

鉴于现有保温纤维的保温效果不理想及现有保温纤维的生产技术缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。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。

本实用新型实施例的一个方面提供的一种皮芯结构气凝胶复合纤维，其包括：包含气凝胶颗粒1的芯，以及，包覆所述芯的皮层，所述皮层包含聚合物材料2。

在一些实施例之中，所述皮芯结构气凝胶复合纤维包括一个以上的中空纤维结构3，且所述气凝胶颗粒1填充于所述一个以上的中空纤维结构的空隙内。例如中空纤维结构3的结构可参阅图2a-图2d所示。

进一步地讲，所述皮芯结构气凝胶复合纤维可以为单孔中空纤维或多孔中空纤维，纤维切面孔形貌可以为圆形或多边形等规则形状或不规则形状。

例如，单孔中空纤维的结构可参阅图3a-图3d所示，多孔中空纤维的结构可参阅图4a- 图4b所示。

进一步地，所述中空纤维结构的直径为10nm～100μm，壁厚为10nm～100μm，分特克斯数为0.5～1000dtex。

进一步地，所述皮芯结构气凝胶复合纤维的形态可以为单丝纤维、纤维线、纤维布、纤维毡、纤维纸和纤维棒等，但不限于此。

进一步地，所述皮芯结构气凝胶复合纤维包括波纹纤维、直纤维等，请参阅图5a和图 5b所示。

进一步地，所述皮芯气凝胶颗粒于所述中空纤维结构中的填充量为0.1～25wt％。

进一步地，所述聚合物材料包括聚酯(例如可以是聚乙二醇对苯二甲酸酯、聚丁二醇对苯二甲酸酯、聚对苯二甲酸-1,4-环己二甲酯等)、聚烯烃(例如可以是聚丙烯、聚乙烯等)、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚砜、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、聚酰胺、聚乙烯吡咯烷酮和纤维素等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步地，所述气凝胶颗粒可以是二氧化硅气凝胶颗粒、二氧化钛气凝胶颗粒、三氧化二铝气凝胶颗粒和功能化复合气凝胶颗粒等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步地，所述气凝胶颗粒的平均粒径为10nm～20μm。

进一步地，所述皮芯结构气凝胶复合纤维的导热系数为0.015～0.07W/m.k。

本实用新型将气凝胶颗粒与聚合物材料复合成皮芯型复合纤维，使得复合纤维材料一方面有聚合物纤维的特性，如韧性、可编织性等；同时，复合纤维也继承了气凝胶的特性，如优异的隔热、隔音、吸附等性能，相比现有复合纤维，具备更优异的隔热性能、保温效果、隔音性能、吸附过滤性能、热稳定性、无尘及经济环保等特点。

本实用新型提供的皮芯结构气凝胶复合纤维的制备方法包括：

采用皮芯复合纺丝技术，使气凝胶颗粒与熔融状态的聚合物材料于喷丝孔末端进行复合，同步进行拉丝、冷却，形成皮芯结构气凝胶复合纤维，所述皮芯结构气凝胶复合纤维包括：包含气凝胶颗粒的芯，以及，包覆所述芯的皮层，所述皮层包含聚合物材料。

在一些实施例之中，所述制备方法包括：采用皮芯复合纺丝技术，将所述气凝胶颗粒挤出到所述聚合物材料形成的空隙内，形成皮芯结构气凝胶复合纤维。

本实用新型的制备工艺原理为：通过皮芯复合纺丝法，利用气凝胶粉体的流动性，在熔融喷丝过程同步将气凝胶颗粒挤出到聚合物材料纤维空隙内，形成皮芯结构气凝胶复合纤维，此工艺气凝胶粉体没有与聚合材料熔融共混造粒过程。

具体的，本实用新型制备工艺的具体实现形式有两种途径：1)导管形式，气凝胶颗粒作为纤维芯层，通过“导管”进入喷丝孔，与作为纤维皮层的聚合物材料(如聚酯、聚烯烃等) 进行复合，形成皮芯结构气凝胶复合纤维；2)狭缝形式，气凝胶颗粒经过圆形凸台到达“狭缝”时，与聚合物材料相遇，然后通过喷丝孔，纺织成皮芯结构气凝胶复合纤维。

进一步地，所述制备方法可包括：使所述气凝胶颗粒和熔融状态的聚合物材料分别通过导管结构挤入喷丝孔，并在喷丝孔末端进行复合，形成皮芯结构气凝胶复合纤维。

进一步地，所述导管结构包含一根以上导管，其中，所述导管的直径一般在8mm以下。

进一步地，所述喷丝孔的孔数在一个以上，其形状包括规则形状或不规则形状，例如，可以是圆形、多边形、三叶型等，但不限于此。

进一步地，所述制备方法还可包括：使所述气凝胶颗粒与熔融状态的聚合物材料于狭缝结构中进行复合，之后挤入喷丝孔，形成皮芯结构气凝胶复合纤维。

进一步地，所述拉丝的速度小于5000m/min，具体的拉丝速度跟设计产能相关。

进一步地，所述聚合物材料的温度为160～270℃，所述气凝胶颗粒的温度为-15～350℃。

进一步地，所述气凝胶颗粒与聚合物材料的质量比为0.1～25：100。

在本实用新型的制备工艺中，如图1a-图1c所示，分别为气凝胶颗粒与聚合物材料以导管形式(单孔中空纤维结构)复合、气凝胶颗粒与聚合物材料以导管形式(多孔中空纤维结构)复合、气凝胶颗粒与聚合物材料以狭缝形式复合的方法示意图。

以导管形式单孔中空纤维结构为例，本实用新型中皮芯结构气凝胶复合纤维的制备工艺具体可包括：

双组份材料分别为气凝胶颗粒和聚合物材料，聚合物材料通过设备加热，在160℃～270℃下呈熔融状态，再通过螺杆计量泵在一定压力下(压力参考设备机头内压力)挤入喷丝孔，同时气凝胶颗粒通过螺杆输送或气流输送，在一定压力下(压力参考设备机头内压力)通过导管进入喷丝管孔，在喷丝孔末端与聚合物材料进行复合，再在一定速度下拉丝、冷却，形成皮芯结构气凝胶复合纤维；此外，由于考虑到气凝胶颗粒与聚合物材料的温差问题可能导致聚合物材料拉丝过程中产生发白、开裂等现象，气凝胶颗粒温度可调控为-15至350℃。

相比于其他复合工艺(如熔融共混喷丝工艺)，本实用新型提供的工艺具备生产技术简单、气凝胶-聚合物复合均匀、气凝胶结构保存完整、生产设备成熟等优点，避免了其他工艺因气凝胶较轻带来的复合不均问题、聚合物熔融进入气凝胶孔洞，导致气凝胶材料失效等问题。

本实用新型实施例的另一个方面还提供了前述皮芯结构气凝胶复合纤维于服装、家纺、工业保温或吸附过滤领域中的应用。

本实用新型制备的皮芯结构气凝胶复合纤维具有较好的使用性能，可通过编织、针刺等处理，形成复合布、复合毡等应用产品，在服装、家纺、工业保温、吸附过滤等领域具有巨大应用潜力。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本实用新型的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本实用新型，而不限制本实用新型的范围。实施例中，如无特殊说明，所使用的设备和方法均为所属领域常规的设备和方法。

实施例1

采用双组分熔喷法非织造布生产线，将PP(聚丙烯，中国石化T03-H)作为A组分，皮层，在190℃下熔融挤出；同时二氧化硅气凝胶粉体G200(苏州同玄新材料有限公司)作为 B组分，芯层；采用同心圆型喷丝孔，将气凝胶粉体以导管形式100℃下与PP同步挤出，其中PP的挤出速度为0.1g/孔/min，气凝胶粉体的挤出速度为0.02g/孔/min。熔融的喷丝经过气流冷却形成PP气凝胶复合纤维。

本实施例所获PP气凝胶复合纤维的结构呈同心圆型，复合纤维直径为40μm、纤维壁厚为10μm，复合纤维中气凝胶颗粒的质量占比约为15wt％，复合纤维的导热系数为0.02w/m·k，同时复合纤维的拉伸强度增强20％。

实施例2

采用双组分熔喷法非织造布生产线，将PET(聚(乙二醇对苯二甲酸酯)，美国杜邦FR945) 作为A组分，皮层，在270℃下熔融挤出；同时三氧化二铝气凝胶粉体作为B组分，芯层；采用三叶型喷丝孔，将气凝胶粉体以导管形式50℃下与PET同步挤出，其中PET的挤出速度为0.1g/孔/min，气凝胶粉体的挤出速度为0.01g/孔/min。熔融的喷丝经过气流冷却形成PET 气凝胶复合纤维。

本实施例所获PET气凝胶复合纤维的结构呈三叶型，复合纤维直径为30μm、纤维壁厚为8μm，复合纤维中气凝胶颗粒的质量占比约为10wt％，复合纤维的导热系数为0.03w/m·k。

实施例3

采用双组分熔喷法非织造布生产线，将PA(聚酰胺，上海昊化化工有限公司600)作为 A组分，皮层，在250℃下熔融挤出；同时二氧化钛气凝胶粉体作为B组分，芯层；采用多孔喷丝孔，将气凝胶粉体以导管形式20℃下与PA同步挤出，其中PA的挤出速度为0.08g/ 孔/min，气凝胶粉体的挤出速度为0.02g/孔/min。熔融的喷丝经过气流冷却形成PA气凝胶复合纤维。

本实施例所获PA气凝胶复合纤维的结构呈多孔型，复合纤维直径为80μm、纤维壁厚为 20μm，复合纤维中气凝胶颗粒的质量占比约为20wt％，复合纤维的导热系数为0.02w/m·k。

实施例4

采用双组分熔喷法非织造布生产线，将聚丙烯腈作为A组分，皮层，在160℃下熔融挤出；同时二氧化硅气凝胶粉体G200(苏州同玄新材料有限公司)作为B组分，芯层；采用同心圆型喷丝孔，将气凝胶粉体以导管形式在-15℃下与PP同步挤出，其中聚丙烯腈的挤出速度为0.1g/孔/min，气凝胶粉体的挤出速度为0.02g/孔/min。熔融的喷丝经过气流冷却形成聚丙烯腈气凝胶复合纤维。

本实施例所获聚丙烯腈气凝胶复合纤维的结构呈同心圆型，复合纤维直径为10nm、纤维壁厚为10nm，复合纤维中气凝胶颗粒的质量占比约为0.1wt％，复合纤维的导热系数为 0.015w/m·k，同时复合纤维的拉伸强度增强20％。

实施例5

采用双组分熔喷法非织造布生产线，将聚四氟乙烯作为A组分，皮层，在270℃下熔融挤出；同时三氧化二铝气凝胶粉体作为B组分，芯层；采用三叶型喷丝孔，将气凝胶粉体以导管形式在200℃下与PET同步挤出，其中聚四氟乙烯的挤出速度为0.1g/孔/min，气凝胶粉体的挤出速度为0.01g/孔/min。熔融的喷丝经过气流冷却形成聚四氟乙烯气凝胶复合纤维。

本实施例所获聚四氟乙烯气凝胶复合纤维的结构呈三叶型，复合纤维直径为100μm、纤维壁厚为100μm，复合纤维中气凝胶颗粒的质量占比约为25wt％，复合纤维的导热系数为 0.07w/m·k。

实施例6

采用双组分熔喷法非织造布生产线，将聚砜作为A组分，皮层，在250℃下熔融挤出；同时二氧化钛气凝胶粉体作为B组分，芯层；采用多孔喷丝孔，将气凝胶粉体以导管形式常温下与PA同步挤出，其中聚砜的挤出速度为0.08g/孔/min，气凝胶粉体的挤出速度为0.02g/ 孔/min。熔融的喷丝经过气流冷却形成聚砜气凝胶复合纤维。

本实施例所获聚砜气凝胶复合纤维的结构呈多孔型，复合纤维直径为80μm、纤维壁厚为 50μm，复合纤维中气凝胶颗粒的质量占比约为10wt％，复合纤维的导热系数为0.05w/m·k。

对照例1

采用螺杆挤出机做为复合设备，将PP(聚丙烯，中国石化T03-H)与二氧化硅气凝胶颗粒G200(苏州同玄新材料有限公司)及其他助剂按配比(PP与气凝胶颗粒质量比为100：17.5) 进行混料，添加到螺杆挤出机内，在210℃下熔融共混30min，搅拌速度为100r/min；发现由于PP母料较重，气凝胶颗粒较轻，共混时气凝胶颗粒一直悬浮在上层，较为难混合；设定螺杆压力为3.8Mpa，拉丝速度为300m/min，自然冷去得到熔融共混气凝胶复合纤维。

本对照例得到的熔融共混复合纤维结构为实心结构，气凝胶不规则分布在纤维聚合物中，复合纤维导热系数为0.07W/m.k，相比原聚丙烯纤维，复合纤维隔热性能没有得到较大改善。此外，复合纤维韧性减少50％左右，且复合纤维表层发白。

另外，本申请发明人还采用本说明书列举的其它原料及工艺条件，并参考实施例1-6的方式制取了一系列的皮芯结构气凝胶复合纤维。经测试发现，这些皮芯结构气凝胶复合纤维也具有本说明书述及的各项优异性能，亦即具备优异的隔热性能、保温效果、隔音性能、吸附过滤性能、热稳定性、无尘及经济环保等特点。

藉由前述实施例可以证明，本实用新型的制备方法具备生产技术简单、气凝胶-聚合物复合均匀、气凝胶结构保存完整、生产设备成熟等优点，所获皮芯结构气凝胶复合纤维具备优异的隔热性能、保温效果、隔音性能、吸附过滤性能、热稳定性、无尘及经济环保等特点，在服装、家纺、工业保温、吸附过滤等领域具有巨大应用潜力。

应当理解，以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种皮芯结构气凝胶复合纤维，其特征在于包括：包含气凝胶颗粒的芯，以及，包覆所述芯的皮层，所述皮层包含聚合物材料；所述皮芯结构气凝胶复合纤维包括一个以上的中空纤维结构，且所述气凝胶颗粒填充于所述一个以上的中空纤维结构的空隙内。

2.根据权利要求1所述的皮芯结构气凝胶复合纤维，其特征在于：所述中空纤维结构的截面形貌包括规则形状和/或不规则形状。

3.根据权利要求2所述的皮芯结构气凝胶复合纤维，其特征在于：所述规则形状包括圆形和/或多边形。

4.根据权利要求1所述的皮芯结构气凝胶复合纤维，其特征在于：所述中空纤维结构的直径为10nm～100μm，壁厚为10nm～100μm，分特克斯数为0.5～1000dtex。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的皮芯结构气凝胶复合纤维，其特征在于：所述气凝胶颗粒于所述中空纤维结构中的填充量为0.1～25wt％。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的皮芯结构气凝胶复合纤维，其特征在于：所述气凝胶颗粒的平均粒径为10nm～20μm。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的皮芯结构气凝胶复合纤维，其特征在于：所述皮芯结构气凝胶复合纤维的导热系数为0.015～0.07W/m.k。