TW201723079A - 吸光蓄熱母粒與纖維及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種吸光蓄熱母粒，包含第一聚合物、微多孔顆粒與吸光發熱顆粒。微多孔顆粒分布於第一聚合物中，而吸光發熱顆粒分布於微多孔顆粒的表面或孔隙中。本發明亦揭露由上述吸光蓄熱母粒及基質纖維母粒所製成的吸光蓄熱纖維，其中吸光蓄熱母粒及基質纖維母粒的重量比例為1：9至1：14。本發明更揭露上述吸光蓄熱母粒的製造方法。

Description

吸光蓄熱母粒與纖維及其製造方法

本發明係有關一種吸光蓄熱母粒及其製成的纖維，特別是一種含有吸光蓄熱顆粒及微多孔顆粒的吸光蓄熱母粒。

在寒冷天氣中人們會穿上厚重衣物，以維持體溫並得到保暖效果。然而此些厚重衣物不僅造成外觀上的臃腫，更易造成身體活動的不便與產生不舒適感。因此，在織物產業上發熱衣逐漸佔有一席之地，其利用吸濕發熱原理，由衣服纖維吸收水分後，再產生化學反應發出熱能。此種發熱衣不僅加熱速度較慢，且溫度提升效率亦不穩定。舉例而言，當人體大量出汗時，發熱衣會吸收過多水分而高度發熱，但當在靜態活動下無排汗時，發熱衣即無增溫反應，故此種設計並不符合實際使用需求。

有鑑於此，紡織業積極研究如何製備有效吸熱與蓄熱的織物，近年來於纖維中添加遠紅外線放射材料的織物逐漸見於市面。其能吸收太陽光裡的近紅外線並放出 遠紅外線被人體吸收而產生熱能，而增加保暖效果。然而，此種織物的蓄熱效果不佳，產生的熱能易在短時間內散逸而無法達到長效的保暖效果。

有鑑於此，業界亟需開發一種高效率發熱與長效蓄熱的發熱織物。

為了解決上述問題，本發明提供一種具有吸光發熱顆粒分布於微多孔顆粒表面或其孔隙的吸光蓄熱母粒，除可藉由吸光發熱顆粒及微多孔顆粒吸收熱能，更能利用微多孔顆粒的孔隙來有效蓄熱。

本發明的一態樣在於提供一種吸光蓄熱母粒，包含：第一聚合物，佔60至88.8重量份；微多孔顆粒，佔10至30重量份，並分布於第一聚合物中；以及吸光發熱顆粒，佔1至4重量份，並分布於微多孔顆粒的表面或孔隙中。

根據本發明的一或多個實施方式，微多孔顆粒的平均粒徑為1μm至5μm。

根據本發明的一或多個實施方式，微多孔顆粒包含椰殼炭、竹炭、活性炭或其組合。

根據本發明的一或多個實施方式，微多孔顆粒的比表面積為500m²/g至1500m²/g。

根據本發明的一或多個實施方式，第一聚合物包含聚酯、聚氨酯、聚醯胺、聚丙烯酸或其組合。

根據本發明的一或多個實施方式，吸光發熱顆 粒的平均粒徑介於50nm至250nm。

根據本發明的一或多個實施方式，吸光發熱顆粒包含氧化鎢、氧化鎢複合物、碳化鋯、碳化鉍、碳化矽、氧化鐵或其組合。

根據本發明的一或多個實施方式，氧化鎢複合物為M_xWO_3-yA_y，其中M為鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)或鍶(Cs)，A為氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)，且0<x≦1，0<y≦0.5。

本發明的另一態樣提供一種由上述的吸光蓄熱母粒及基質纖維母粒所製成的吸光蓄熱纖維，其中吸光蓄熱母粒及基質纖維母粒的重量比例為1：9至1：14。

根據本發明的一或多個實施方式，基質纖維母粒的材料包含聚酯、聚氨酯、聚丙烯酸、聚醯胺或其組合。

本發明的另一態樣在提供一種吸光蓄熱母粒的製造方法，包含下列步驟。將微多孔顆粒與研磨之吸光發熱顆粒預混合以形成均勻分散之混合粉體，其後將第一聚合物與預混合粉體進行第二次混合攪拌，形成吸光蓄熱母粒塑料，其中吸光蓄熱母粒材料包含60至88.8重量份的第一聚合物，10至30重量份的微多孔顆粒以及1至4重量份的吸光發熱顆粒。之後將吸光蓄熱母粒材料加熱到80℃至100℃進行乾燥12小時至24小時，以及將乾燥後的吸光蓄熱母粒材料進行混煉分散製程以形成吸光蓄熱母粒，其中混煉分散製程的最高溫度為230℃至290℃。

為進一步說明本發明，茲以實施例(搭配比較 例)配合說明如下，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

110‧‧‧微多孔顆粒

111‧‧‧微多孔顆粒孔隙

120‧‧‧吸光發熱顆粒

200‧‧‧吸光蓄熱纖維

210‧‧‧纖維主體

301‧‧‧比較例1的溫度折線

302‧‧‧比較例2的溫度折線

303‧‧‧實施例1的溫度折線

304‧‧‧實施例2的溫度折線

305‧‧‧實施例3的溫度折線

306‧‧‧實施例4的溫度折線

為使本發明之上述及其他目的、特徵、和優點更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖示詳細說明如下：第1圖係繪示本發明部分實施方式中，吸光蓄熱母粒中微多孔顆粒與吸光發熱顆粒之間的關係圖；第2圖係繪示本發明部分實施方式中，吸光蓄熱纖維的剖面示意圖；第3A圖繪示比較例1、實驗例1與實驗例2的溫度折線圖；第3B圖繪示比較例2、實驗例1與實驗例2的溫度折線圖；以及第3C圖繪示比較例2、實驗例3與實驗例4的溫度折線圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必 要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

本發明提供一種吸光蓄熱母粒，包含第一聚合物、微多孔顆粒與吸光發熱顆粒，其中微多孔顆粒分布於第一聚合物中，而吸光發熱顆粒分布於微多孔顆粒的表面或孔隙中。以100重量份的吸光蓄熱母粒計，第一聚合物佔60至88.8重量份、微多孔顆粒佔10至30重量份、而吸光發熱顆粒佔1至4重量份。在本發明的部分實施方式中，第一聚合物包含聚酯、聚氨酯、聚醯胺、聚丙烯酸或其組合。

請參閱第1A圖，第1A圖繪示本發明部分實施方式，吸光蓄熱母粒中微多孔顆粒與吸光發熱顆粒之間的關係圖。如第1A圖所示，微多孔顆粒110具有複數個孔隙111，而吸光發熱顆粒120分布於微多孔顆粒110的表面及孔隙111中。吸光發熱顆粒120可吸收環境中的近紅外線並以熱能的型態釋放遠紅外線，並藉由微多孔顆粒110的孔隙111使產生的熱能不易逸散。具體而言，此些孔隙111中具有流動性低的空氣而不利於熱對流，使熱能主要以傳導的方式傳播。但空氣本身又為熱的不良導體，因此能有效阻隔熱能的傳遞。藉此，吸光發熱顆粒120產生的熱能保留在微多孔顆粒110中而不逸散，以達到良好的蓄熱效果。

如前所述，微多孔顆粒110的孔隙111能提升蓄熱能力，而微多孔顆粒110的比表面積的大小更關聯於其孔隙的多寡。也就是說，比表面積越大的情況下，微多孔顆粒110的孔隙111越多而能達到更好的蓄熱效果。在本發明 的部分實施方式中，微多孔顆粒110的比表面積介於500m²/g至1500m²/g，較佳為1000m²/g至1500m²/g，次佳為500m²/g至1000m²/g。

此外，此吸光蓄熱母粒在後續應用中會經過紡絲、拉伸等工序以製備吸光蓄熱纖維。因此微多孔顆粒110之平均粒徑不宜過大，以有助於在紡絲原料中均勻地混合與分散，並避免在紡絲工序中堵塞過濾器網孔。藉此，使拉伸工序中產生斷絲的可能性大幅降低。在本發明之部分實施方式中，微多孔顆粒110的平均粒徑小於5μm，較佳為介於1μm至5μm。

另一方面，吸光發熱顆粒120的粒徑需小於微多孔顆粒110的孔隙111之尺寸，如此才能進入微多孔顆粒110的孔隙111內部並藉由孔隙111達到阻隔熱量散逸的效果。在本發明之部分實施方式中，吸光發熱顆粒120的平均粒徑介於50nm與250nm之間。

根據本發明的部分實施方式，微多孔顆粒110包含椰殼炭、竹炭、活性炭或陶瓷材料。在微多孔顆粒110為椰殼炭、竹炭或活性炭的實施方式中，微多孔顆粒110本身為深色(例如：黑色)而能吸收外界輻射熱，其更產生額外的熱量而提高發熱效率，並有利於製備深色織物。另一方面，在微多孔顆粒110為陶瓷材料的實施方式中，微多孔顆粒110可為淺色(例如：白色)而能製備淺色織物，但其輻射熱吸收效率較差，此時熱量的主要來源為吸光發熱顆粒120所提供。

根據本發明的實施例，上述吸光發熱顆粒之材料可包含遠紅外線放射材料例如是氧化鎢、氧化鎢類複合物、氧化鋯、矽酸鋯、二氧化矽、氧化鎢、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、高嶺土、氧化矽、氧化鋅、硫酸鋇、氧化鈣、三氧化二銻、氧化鐵、氧化硼或其組合。

根據本發明的其他部分實施方式，氧化鎢複合物的化學式例如是M_xWO_3-yA_y，其中M為鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)或鍶(Cs)，A為氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)，且0<x≦1，0<y≦0.5。

在本發明的部分實施方式中，吸光蓄熱母粒更包含抗氧化劑，若以100重量份的吸光蓄熱母粒計，抗氧化劑佔0.1至3重量份。在本發明的部分實施方式中，抗氧化劑可包含四(β-[3,5-二叔丁基-4-羥基苯基]丙酸)季戊四醇酯(pentaerythrite tetra[β-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)-propionate])、N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙醯基)己二胺(Benzenepropanamide,N,N’-1,6-hexanediylbis[3,5-b is(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxy])及三(2.4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯(Tns-(2.4-di-tert-butyl)-phosphite)。

在本發明的部分實施方式中，吸光蓄熱母粒更包含分散劑，若以100重量份的吸光蓄熱母粒計，分散劑佔0.1至3重量份。在本發明之部分實施例中，分散劑為蠟聚合物，其可為石蠟油、乙烯基雙硬脂酸醯胺蠟、乙烯基雙月桂胺蠟、聚酯蠟、醯胺臘或其組合。在本發明之其他部 分實施例中，分散劑包括聚胺酯共聚物、聚醯胺共聚物、馬來酸酐接枝聚乙烯或馬來酸酐接枝聚丙烯。在本發明之其他部分實施例中，分散劑例如是矽烷系耦合劑、鈦系耦合劑或其組合。

本發明亦提供一種吸光蓄熱纖維，由上述的吸光蓄熱母粒及基質纖維母粒所製成，其中吸光蓄熱母粒及基質纖維母粒的重量比例為1：9至1：14，且基質纖維母粒的成分可為任意織物纖維的主體成分，如聚酯、聚氨酯、聚醯胺、聚丙烯酸或其組合。基質纖維母粒降低了微多孔顆粒與吸光發熱顆粒在吸光蓄熱纖維中所佔的重量份。舉例來說，在一些實施例中，以100重量份的吸光蓄熱纖維計，微多孔顆粒佔0.67至3重量份，而吸光發熱顆粒佔0.03至0.4重量份。

第2圖繪示上述吸光蓄熱纖維的剖面圖。如第2圖所示，吸光蓄熱纖維200主要由基質纖維母粒與吸光蓄熱母粒中的第一聚合物構成纖維主體210，而微多孔顆粒110則分布於纖維主體210中。如前所述，微多孔顆粒110的孔隙111使吸光發熱顆粒120產生的熱能不易散逸，此讓吸光蓄熱纖維200也具有良好的蓄熱效果。在前文中揭示了本發明之吸光蓄熱母粒與纖維的多種組成物及其重量份，下文將參照各實施例來描述用以製備吸光蓄熱母粒與纖維之方法與步驟。

吸光蓄熱纖維的製備方式可區分為兩階段，第一階段先製備吸光蓄熱母粒，而第二階段再將吸光蓄熱母 粒與基質纖維母粒一同製成吸光蓄熱纖維。首先，吸光蓄熱母粒的製造方法包含下列步驟。進行預混練步驟，將微多孔顆粒與吸光發熱顆粒研磨混合以形成顆粒混合物，並將第一聚合物與所述顆粒混合物混合攪拌以形成吸光蓄熱母粒材料。之後將吸光蓄熱母粒材料加熱到80℃至100℃進行乾燥12小時至24小時，並將乾燥後的吸光蓄熱母粒材料進行混煉分散製程以形成吸光蓄熱母粒。

上述的研磨混合步驟(即，預混練步驟)係為了縮減吸光發熱顆粒與微多孔顆粒的粒徑以使此兩者能均勻混合，其中將吸光發熱顆粒研磨至平均粒徑約50至250nm以及微多孔顆粒研磨至平均粒徑約1至5μm。需注意的是，研磨並無先後順序之分，其可為先分別研磨吸光發熱顆粒與微多孔顆粒再混合兩者以形成顆粒混合物，亦可為混合吸光發熱顆粒及微多孔顆粒後再同時研磨兩者以形成顆粒混合物。

在形成吸光蓄熱母粒後，再將其與基質纖維母粒一同紡絲而形成吸光蓄熱纖維。此處所述的基質纖維母粒係由聚合物所組成，例如：聚酯、聚氨酯、聚丙烯酸、聚醯胺或其組合，並在紡絲後與吸光蓄熱母粒中的第一聚合物共同構成纖維主體使微多孔顆粒散佈於其中。在本發明之部分實施方式中，紡絲過程中吸光蓄熱母粒及基質纖維母粒的重量比例為1：9至1：14。在本發明之其他部分實施方式中，基質纖維母粒的材質可同於或異於吸光蓄熱母粒中的第一聚合物。

請接著參閱吸光蓄熱纖維的具體實施方式。

實驗例1：在實驗例1中，第一聚合物為聚乙烯對苯二甲酯(Polyethylene Terephthalate,PET)，吸光發熱顆粒為氧化鎢顆粒，而使用的微多孔顆粒為活性碳顆粒。將PET、氧化鎢顆粒與活性碳顆粒於260至290℃下進行混煉製成吸光蓄熱母粒後，再與同為PET的基質纖維母粒在250至300℃以1：14的重量比例共同紡絲製成吸光蓄熱纖維。實驗例1的吸光蓄熱纖維中，氧化鎢顆粒佔0.1重量份，而活性碳佔0.8重量份。

實驗例2：實驗例2與實驗例1以相同的原料與製造方法形成吸光蓄熱纖維，差別在於實驗例2的吸光蓄熱纖維中活性碳佔1.0重量份。

實驗例3：實驗例3與實驗例1以相同的原料與製造方法形成吸光蓄熱纖維，差別在於實驗例3的吸光蓄熱纖維中氧化鎢顆粒佔0.05重量份，而活性碳佔0.8重量份。

實驗例4：實驗例4與實驗例1以相同的原料與製造方法形成吸光蓄熱纖維，差別在於實驗例4的吸光蓄熱纖維中氧化鎢顆粒佔0.05重量份，而活性碳佔1.0重量份。

比較例1：比較例1與實驗例1以相同的製造方法形成吸光蓄熱纖維，差別在於比較例1的吸光蓄熱纖維中並不具有活性碳顆粒(或稱，微多孔顆粒)，而氧化鎢顆粒同樣佔0.1重量份。

比較例2：比較例2與實驗例1以相同的製造方法形成吸光蓄熱纖維，差別在於比較例2的吸光蓄熱纖維中 並不具有活性碳顆粒(或稱，微多孔顆粒)，而氧化鎢顆粒佔1.0重量份。

請接著參閱表一，其為不同成分的比較例1-2及實驗例1-4的吸光蓄熱纖維的可紡性壓升測試以及升溫測試。首先以不同孔徑的濾網(孔徑為20微米及40微米的濾網)進行壓升測試以評估比較例1-2及實驗例1-4的可紡性。之後將比較例1-2及實驗例1-4的吸光蓄熱纖維置於距離照射燈源1公尺處，用500W的鹵素燈以45度角照射測試10分鐘，關燈後以熱顯像儀在50公分處取影像，分析表面溫度並比較照射前後的溫度差。

在表一中以符號○表示以孔徑為20微米的濾網進行壓升測試時，壓力值會介於5至15巴(bar)，且以孔徑為40微米的濾網進行壓升測試時，壓力值會介於5至10 巴(bar)，且具有優良的可紡性。如表一所示，比較例1-2及實驗例1-4在壓升測試中均具有優良的可紡性，而有利於紡絲形成吸光蓄熱纖維。

接著參閱比較例1、實驗例1與實驗例2，其均含有0.1重量份的氧化鎢顆粒，但實驗例1與2中更具有活性碳顆粒。如表一所示，實驗例1與2的吸光蓄熱纖維在經紅外線照射十分鐘後，溫差值分別為8.05℃與8.13℃，顯著優於未添加活性碳顆粒的比較例1，其溫差值僅4.50℃。此外，實驗例2中因具有較高含量的活性碳顆粒，其溫差值亦會高於實驗例1。由於深色的活性碳顆粒本身即能吸收輻射熱，其與氧化鎢顆粒在吸光後均能產生熱能。另一方面，活性碳顆粒之孔隙中的空氣更阻隔熱能散失，而達到良好的蓄熱效果。基於上述原因，實驗例1與2在照射10分鐘後的溫差值將遠優於比較例1。

請同時參閱第3A圖，其繪示比較例1、實驗例1與實驗例2的溫度-時間關係圖。其中，折線301、303與304分別表示比較例1、實驗例1與實驗例2中溫度與時間之間的關係。如第3A圖所示，添加活性碳顆粒的實驗例1與2在紅外線照射後的溫度上升速度明顯較高，其折線303與304在第一分鐘的斜率均高於比較例1的折線301，可推知添加微多孔的活性碳顆粒不僅能提升吸光蓄熱的效果，更能達到更快的升溫速度。

之後，參閱比較例2、實驗例1與實驗例2。如表一所示，雖然實驗例1與2中氧化鎢顆粒的含量(0.1重量 份)遠低於比較例2(1.0重量份)，但實驗例1與實驗例2中微多孔的活性碳顆粒不僅提升蓄熱效果，更產生熱量使其經照射後的溫差值仍遠優於添加較多量氧化鎢顆粒的比較例2(溫差值為6.5℃)。由此推知微多孔的活性碳顆粒提升蓄熱效果的功效優於添加氧化鎢顆粒，在此基礎上可降低氧化鎢顆粒的使用量並進一步節省吸光蓄熱纖維的成本。

請同時參閱第3B圖，其繪示比較例2、實驗例1與實驗例2的溫度-時間關係圖。其中，折線302、303與304分別表示比較例2、實驗例1與實驗例2中溫度與時間之間的關係。如第3B圖所示，即使實驗例1與實驗例2具有較少的氧化鎢顆粒，但其折線303與304在第一分鐘的斜率均高於的比較例2的折線302。據此，在提供相同熱量下，實驗例1與實驗例2不僅溫度高於比較例2，更具有更快的升溫速度。

之後，參閱比較例2、實驗例3與實驗例4。如表一所示，實驗例3與4中更進一步降低氧化鎢顆粒的含量(0.05重量份)。參閱第3C圖，其繪示比較例2、實驗例3與實驗例4的溫度-時間關係圖。其中，折線302、305與306分別表示比較例2、實驗例3與實驗例4中溫度與時間之間的關係。如表一與第3C圖所示，即使比較例2的氧化鎢顆粒的含量提升至實驗例3與實驗例4的20倍，但實驗例3與實驗例4因具有活性碳顆粒使其溫差值(8.05℃與8.13℃)依然高於比較例2，更具有較快的升溫速度。

由上述本發明實施例可知，本發明具有下列優點。本發明的吸光蓄熱纖維中具有微多孔顆粒，並藉由其中 的孔隙阻隔熱的傳播而達到良好的蓄熱效果。此外，選用的微多孔顆粒本身亦可具有吸光發熱功能，而進一步增加吸光蓄熱纖維產生的熱量。另一方面，本發明更揭露用於製備吸光蓄熱纖維的吸光蓄熱母粒，其可在製程中與基質纖維母粒共同紡絲，而達到降低倉儲成本與母粒製作成本的功效。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧微多孔顆粒

111‧‧‧微多孔顆粒孔隙

120‧‧‧吸光發熱顆粒

200‧‧‧吸光蓄熱纖維

210‧‧‧纖維主體

Claims (10)

1. 一種吸光蓄熱母粒，包含：第一聚合物，佔60至88.8重量份；微多孔顆粒，佔10至30重量份，並分布於所述第一聚合物中；以及吸光發熱顆粒，佔1至4重量份，並分布於所述微多孔顆粒的表面或孔隙中。
2. 如申請專利範圍第1項所述的吸光蓄熱母粒，其中所述微多孔顆粒的平均粒徑為1μm至5μm。
3. 如申請專利範圍第1項所述的吸光蓄熱母粒，其中所述微多孔顆粒包含椰殼炭、竹炭、活性炭或其組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述的吸光蓄熱母粒，其中所述微多孔顆粒的比表面積為500m²/g至1500m²/g。
5. 如申請專利範圍第1項所述的吸光蓄熱母粒，其中所述第一聚合物包含聚酯、聚氨酯、聚醯胺、聚丙烯酸或其組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述的吸光蓄熱母 粒，其中所述吸光發熱顆粒的平均粒徑介於50nm至250nm。
7. 如申請專利範圍第1項所述的吸光蓄熱母粒，其中所述吸光發熱顆粒包含氧化鎢、氧化鎢複合物、碳化鋯、碳化鉍、碳化矽、氧化鐵或其組合。
8. 如申請專利範圍第7項所述的吸光蓄熱母粒，其中所述氧化鎢複合物為M_xWO_3-yA_y，其中M為鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)或鍶(Cs)，A為氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)，且0<x≦1，0<y≦0.5。
9. 一種吸光蓄熱纖維，是以如申請專利範圍第1至7項任一項所述的吸光蓄熱母粒及基質纖維母粒所製成，其中所述吸光蓄熱母粒及所述基質纖維母粒的重量比例為1：9至1：14，且所述基質纖維母粒的材料包含聚酯、聚氨酯、聚丙烯酸、聚醯胺或其組合。
10. 一種吸光蓄熱母粒的製造方法，包含：將微多孔顆粒與吸光發熱顆粒研磨混合以形成顆粒混合物；將第一聚合物與所述顆粒混合物混合攪拌以形成吸光蓄熱母粒材料，其中所述吸光蓄熱母粒材料包含60至88.8重量份的所述第一聚合物，10至30重量份的所述微 多孔顆粒以及1至4重量份的所述吸光發熱顆粒；將所述吸光蓄熱母粒材料加熱到80℃至100℃進行乾燥12小時至24小時；以及將乾燥後的所述吸光蓄熱母粒材料進行混煉分散製程以形成所述吸光蓄熱母粒，其中所述混煉製程的最高溫度為230℃至290℃。