一种柔性控温固-固相变纤维及制备和应用

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202211603423.3 申请日 2022-12-13
公开(公告)号 CN118186629A 公开(公告)日 2024-06-14
申请人 中国科学院大连化学物理研究所; 申请人类型 科研院所
发明人 史全; 刘汉卿; 寇艳; 第一发明人 史全
权利人 中国科学院大连化学物理研究所 权利人类型 科研院所
当前权利人 中国科学院大连化学物理研究所 当前权利人类型 科研院所
省份 当前专利权人所在省份:辽宁省 城市 当前专利权人所在城市:辽宁省大连市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:辽宁省大连市沙河口区中山路457号 邮编 当前专利权人邮编:116023
主IPC国际分类 D01F8/16 所有IPC国际分类 D01F8/16D01F8/02D01F8/10D01F1/06D01D5/06C09K5/02
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 A
专利代理机构 沈阳科苑专利商标代理有限公司 专利代理人 马驰;
摘要 本 发明 公开了一种通过化学合成、氢键作用和 湿法纺丝 等构筑复合 相变 纤维 的制备方法。以聚乙二醇、异氰酸酯和聚乙烯醇等高分子 聚合物 为原料,经过化学交联、氢键作用这种物理交联,制备均匀的纺丝原液;经湿法纺丝的方式制备相变纤维,在制备纺丝液过程中,可以加入不同的分子量的聚乙二醇,可得到具有不同相变 温度 的相变纤维;加入不同的聚合物,可得到具有不同强度的相变纤维。同时,在应用到人体织物控温方面展示了良好的效果。
权利要求

1.柔性固‑固相变纤维的制备方法,其特征在于,具有以下工艺步骤:
(1)将聚乙二醇分散在有机溶剂中,形成均匀溶液,
(2)在步骤(1)所得的均匀溶液中加入异氰酸酯,进行化学交联反应;
(3)在步骤(2)所得的均匀溶液中加入高分子聚合物,进一步进行氢键交联;
(4)往步骤(3)所得的均匀溶液中不添加或加入染料
(5)使用乙醇和/或的混合溶液来配置凝固浴;
(6)将步骤(3)或步骤(4)所得的纺丝原液进行湿法纺丝;纺成的丝落入步骤(5)所得的凝固浴中。
(7)将步骤(6)所得的相变纤维依次分别经过丙、乙醇、去离子水的洗涤,然后干燥得到相变纤维。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:聚乙二醇的可选择分子量为1000到
20000。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:异氰酸酯的可选择种类为甲苯二异氰酸酯,六亚甲基二异氰酸酯,三苯基甲烷三异氰酸酯,对‑次苯基二异氰酸酯或二苯基甲烷二异氰酸中的一种或二种以上。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:加入的高分子聚合物可以为聚乙烯醇、醋酸纤维素、纤维素、聚环乙烷中的一种或二种以上。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:染料选择可为各种颜色的染料(例如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、灰、黑、白染料中的一种或二种以上染料),也可以不添加染料。
6.根据权利要求1‑5任一所述的制备方法,其特征在于:
有机溶剂为N,N‑二甲基甲酰胺或N,N‑二甲基乙酰胺中的一种或二种;
步骤(1)溶液浓度范围为1~20g聚乙二醇/10ml溶剂。
所述步骤(2)中异氰酸酯浓度为0.05‑0.5ml异氰酸酯/10ml溶剂;
所述步骤(3)中高分子聚合物浓度为0.1‑5g高分子聚合物/10ml溶剂;
染料,加入的质量范围为0~5g/10ml溶剂。
7.根据权利要求1‑6任一所述的制备方法,其特征在于:
所述步骤(1)中的处理温度范围为30‑80℃;
所述步骤(2)中的处理温度范围为30‑80℃,反应时间为4‑10h;
凝固浴中乙醇的体积浓度为0‑100%。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:纺丝过程中,纺丝液和凝固浴温度需在0‑95℃之间。
9.一种权利要求1~8任一所述的制备方法所制得的柔性固‑液相变纤维。
10.一种权利要求9所述的柔性固‑液相变纤维可用作储热调温相变纤维。

说明书全文

一种柔性控温固‑固相变纤维及制备和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种热化学技术领域,且特别涉及一种人体智能控温织物的相变纤维的制备方法。

背景技术

[0002] 随着全球变暖的加剧,暴露于户外环境的人患与过度热应激相关的疾病险增加。个人热管理技术可以控制人体的小气候,可以高效地促进热舒适。然而,与当前个人热管理设计的能耗和庞大性质相关的挑战尚未得到解决。个人热管理的目标是仅向人体及其局部环境提供加热或冷却,而不会浪费多余的电来加热和冷却整个环境。而相变材料是一种能在相变过程维持恒温的材料,具有出色的热稳定性、优异的的生物相容性和杰出的热循环能力。然而,固‑液PCM在固‑液相变过程中存在渗漏问题,其在固态下具有极强的刚性。为实现这一目标,有必要开发形状稳定性和柔性相变复合材料。此外,考虑到人体的舒适度,如柔性,基于固‑固相变材料的柔性PCM是最佳解决方案。例如,Kou等人通过化学交联制备了以一种柔性的固固相变材料膜,通过吸收/释放热能来响应和缓冲环境温度变化,为人类提供舒适的微气候。但膜本身的不透气型、难以编织性等极大地限制了其实际应用的能力。此外,张等人通过湿纺和真空浸渍制备石墨烯纤维基固‑液相变复合材料。然而,固‑液相变材料固有的刚性和石墨烯颜色单一性是极难解决的问题,限制了它的进一步发展。
[0003] 在这项专利中,我们开发了一种通用聚合策略,通过聚乙二醇,异氰酸酯的聚合化学接枝合成纺丝前驱液,再加入醋酸纤维素等高分子聚合物与前驱液中的高分子再交联,随后使用通过湿法纺丝制备具有显着自支撑、超柔韧和形状稳定性能的超长相变纤维。所‑1得的柔性相变纤维表现出从约0到50℃的可调相变温度,相对较高的潜热(90J g ),相对较高的拉伸强度,以及显著的形状稳定性和可编织性。此外,我们制备的纺丝溶液可以与各种染料混合,制备具有颜色各异性的相变纤维。

发明内容

[0004] 本发明公开了一种通过化学交联、湿法纺丝等构筑有机类固‑固相变纤维的制备方法。以聚乙二醇、异氰酸酯为原料,经过混合超声处理,制备纺丝前驱液;经湿法纺丝的方式制备相变纤维,最后经过多次洗涤得到最终的相变纤维。
[0005] 合成烷类相变材料/杂化纤维复合相变无纺布包括以下步骤:
[0006] (1)将聚乙二醇分散在有机溶剂中,加热搅拌形成均匀溶液;
[0007] (2)在(1)所得的原液中加入异氰酸酯,加热搅拌;
[0008] (3)在(2)所得的原液中加入聚乙烯醇等高分子聚合物,
[0009] (4)在(3)所得的原液中加入染料;
[0010] (5)使用乙醇来配置凝固浴溶液;
[0011] (6)将(4)所得的纺丝原液置于纺丝推进装置中,其末端出口置于(3)所得的凝固浴中,纺丝即得到相变纤维。
[0012] (7)将(6)所得的相变纤维用丙、乙醇、去离子水洗涤。
[0013] (8)将(7)所得的洗涤过的带溶剂的相变纤维干燥,就可得到最终的相变纤维。
[0014] 进一步地,构筑相变纤维的相变材料原料为聚乙二醇,其分子量范围为从1000到20000。
[0015] 进一步地,所述步骤(1)中所需的有机溶剂为N,N‑二甲基甲酰胺或N,N‑二甲基乙酰胺。
[0016] 进一步地,所述步骤(1)溶液浓度范围为1~20g聚乙二醇/10ml溶剂。
[0017] 进一步地,所述步骤(1)中的加热温度范围为30‑80℃。
[0018] 进一步地,所述步骤(2)中异氰酸酯可以选择甲苯二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯或二苯基甲烷二异氰酸酯。
[0019] 进一步地,所述步骤(2)中异氰酸酯浓度为0.05‑0.5ml异氰酸酯/10ml溶剂。
[0020] 进一步地,所述步骤(2)中的加热温度范围为30‑80℃,反应时间为4‑10h。
[0021] 进一步地,所述步骤(3)中添加染料可以选择不同颜色的染料,加入的质量范围为0~5g/10ml溶剂。
[0022] 进一步地,所述步骤(3)中高分子聚合物可以选择聚乙烯醇或醋酸纤维素或聚环乙烷。
[0023] 进一步地,所述步骤(3)中加入的高分子聚合物浓度为0.1‑5g异氰酸酯/10ml溶剂。
[0024] 进一步地,所述步骤(5)中凝固浴配比为V(水):V(乙醇)=0‑100。
[0025] 进一步地,所述步骤(6)中所制备的纤维在制备过程中需控制环境温度为100℃以下。
[0026] 进一步地,所述步骤(8)中干燥纤维的温度范围为100℃以下,时间为2h以上。
[0027] 本发明以聚乙二醇、异氰酸酯和聚乙烯醇等高分子聚合物为原料,经过化学交联、氢键作用这种物理交联,制备均匀的纺丝原液;经湿法纺丝的方式制备相变纤维,在制备纺丝液过程中,可以加入不同的分子量的聚乙二醇,可得到具有不同相变温度的相变纤维;加入不同的聚合物,可得到具有不同强度的相变纤维。同时,在应用到人体织物控温方面展示了良好的效果。
[0028] 本发明工艺条件要求低,所制备的相变纤维为线状,具有无泄漏、储热密度高、热循环寿命长、无毒、柔性好、拉伸强度高、颜色多样性等特点,且可以调节直径大小,十分适合用于人体衣物热管理。附图说明
[0029] 图1相变纤维的实物图。
[0030] 图2相变纤维的热失重曲线。
[0031] 图3相变纤维的差示扫描量热曲线。

具体实施方式

[0032] 实施例1
[0033] (1)取1g聚乙二醇1000溶于10ml的N,N‑二甲基甲酰胺中,30℃加热得到均匀溶液。
[0034] (2)取0.05ml的甲苯二异氰酸酯加入其中,30℃反应10h,得到纺丝液。
[0035] (3)取0g的醋酸纤维素加入(2)中,得到二次交联的纺丝液。
[0036] (4)取0g的红色染料加入(3)最后得到的纺丝液中。
[0037] (5)将0ml的无水乙醇和200ml的水混合均匀配制凝固浴。
[0038] (6)将(3)中得到的纺丝原液置于纺丝仪器中,注入(5)的凝固浴中,保持温度0℃。
[0039] (7)将(6)得到的相变纤维依次在丙酮、乙醇、水中洗涤。
[0040] (8)将(7)得到的相变纤维干燥,保持0℃约48h。
[0041] 本发明得到的相变纤维为无色透明状纤维,如图1。热稳定性较好,200℃以上才分解,其热失重曲线如图2所示。其差示扫描量热曲线如图3所示。
[0042] 实施例2
[0043] (1)取2g聚乙二醇2000溶于10ml的N,N‑二甲基乙酰胺中,40℃加热得到均匀溶液。
[0044] (2)取0.1ml的六亚甲基二异氰酸酯加入其中,40℃反应8h,得到纺丝液。
[0045] (3)取5g的醋酸纤维素加入(2)中,得到二次交联的纺丝液。
[0046] (4)取1g的橘色染料加入(3)最后得到的纺丝液中。
[0047] (5)将50ml的无水乙醇和150ml的水混合均匀配制凝固浴。
[0048] (6)将(4)中得到的纺丝原液置于纺丝仪器中,注入(5)的凝固浴中,保持温度20℃。
[0049] (7)将(6)得到的相变纤维依次在丙酮、乙醇、水中洗涤。
[0050] (8)将(7)得到的相变纤维干燥,保持20℃约36h。
[0051] 实施例3
[0052] (1)取6g聚乙二醇6000溶于10ml的N,N‑二甲基甲酰胺中,50℃加热得到均匀溶液。
[0053] (2)取0.2ml的二苯基甲烷二异氰酸酯加入其中,50℃反应6h,得到纺丝液。
[0054] (3)取2g的聚环氧乙烷加入(2)中,得到二次交联的纺丝液。
[0055] (4)取2g的黄色染料加入(3)最后得到的纺丝液中。
[0056] (5)将100ml的无水乙醇和100ml的水混合均匀配制凝固浴。
[0057] (6)将(4)中得到的纺丝原液置于纺丝仪器中,注入(5)的凝固浴中,保持温度40℃。
[0058] (7)将(6)得到的相变纤维依次在丙酮、乙醇、水中洗涤。
[0059] (8)将(7)得到的相变纤维干燥,保持40℃约24h。
[0060] 实施例4
[0061] (1)取8g聚乙二醇8000溶于10ml的N,N‑二甲基乙酰胺中,60℃加热得到均匀溶液。
[0062] (2)取0.3ml的三苯基甲烷三异氰酸酯加入其中,60℃反应6h,得到纺丝液。
[0063] (3)取3g的羟乙基纤维素加入(2)中,得到二次交联的纺丝液。
[0064] (4)取3g的绿色染料加入(3)最后得到的纺丝液中。
[0065] (5)将150ml的无水乙醇和50ml的水混合均匀配制凝固浴。
[0066] (6)将(4)中得到的纺丝原液置于纺丝仪器中,注入(5)的凝固浴中,保持温度60℃。
[0067] (7)将(6)得到的相变纤维依次在丙酮、乙醇、水中洗涤。
[0068] (8)将(7)得到的相变纤维干燥,保持60℃约10h。
[0069] 实施例5
[0070] (1)取10g聚乙二醇10000溶于10ml的N,N‑二甲基甲酰胺中,70℃加热得到均匀溶液。
[0071] (2)取0.4ml的对‑次苯基二异氰酸酯加入其中,70℃反应5h,得到纺丝液。(3)取4g的聚环氧乙烷加入(2)中,得到二次交联的纺丝液。
[0072] (4)取4g的蓝色染料加入(3)最后得到的纺丝液中。
[0073] (5)将200ml的无水乙醇和0ml的水混合均匀配制凝固浴。
[0074] (6)将(4)中得到的纺丝原液置于纺丝仪器中,注入(5)的凝固浴中,保持温度80℃。
[0075] (7)将(6)得到的相变纤维依次在丙酮、乙醇、水中洗涤。
[0076] (8)将(7)得到的相变纤维干燥,保持80℃约8h。
[0077] 实施例6
[0078] (1)取20g聚乙二醇20000溶于10ml的N,N‑二甲基乙酰胺中,80℃加热得到均匀溶液。
[0079] (2)取0.5ml的二苯基甲烷二异氰酸酯加入其中,80℃反应4h,得到纺丝液。
[0080] (3)取2.5g的醋酸纤维素加入(2)中,得到二次交联的纺丝液。
[0081] (4)取5g的黑色染料加入(3)最后得到的纺丝液中。
[0082] (5)将100ml的无水乙醇和100ml的水混合均匀配制凝固浴。
[0083] (6)将(4)中得到的纺丝原液置于纺丝仪器中,注入(5)的凝固浴中,保持温度50℃。
[0084] (7)将(6)得到的相变纤维依次在丙酮、乙醇、水中洗涤。
[0085] (8)将(7)得到的相变纤维干燥,保持90℃约2h。
[0086] 实施例7
[0087] (1)取10g聚乙二醇20000溶于10ml的N,N‑二甲基乙酰胺中,60℃加热得到均匀溶液。
[0088] (2)取0.4ml的二苯基甲烷二异氰酸酯加入其中,80℃反应4h,得到纺丝液。
[0089] (3)取4g的聚乙烯醇加入(2)中,得到二次交联的纺丝液。
[0090] (4)取4g的白色染料加入(3)最后得到的纺丝液中。
[0091] (5)将150ml的无水乙醇和50ml的水混合均匀配制凝固浴。
[0092] (6)将(4)中得到的纺丝原液置于纺丝仪器中,注入(5)的凝固浴中,保持温度30℃。
[0093] (7)将(6)得到的相变纤维依次在丙酮、乙醇、水中洗涤。
[0094] (8)将(7)得到的相变纤维干燥,保持70℃约24h。
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