相变功能纤维的制备及性能研究

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相变储能材料(phase change materials,PCM)是一种在材料所处的环境温度变化时通过改变自身相态来吸收或释放大量潜热使其自身温度基本维持在较窄范围内的功能性材料,因其成本低、热效率高、可重复利用及高储能等优点在智能纺织领域被广泛使用。将相变材料添加到纤维中制得储能调温纤维,它能够根据外界温度的变化自动吸收或释放热量来减少皮肤表面的温度波动,从而保证人体的舒适感。在众多的固-固相变材料和固-液相变材料中,石蜡凭借其相变潜热高、热稳定性优异、来源丰富、价格便宜等优点一直是储能调温纤维领域的研究热点。但现有相变纤维存在可加工性差、制备过程复杂、相变材料封装难和产量低下等问题。为解决此问题,本文以耐高温相变蜡(PW)为相变介质,通过与聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)分别熔融共混制得PW/PP母粒与PW/PE母粒,然后以PW/PP母粒为皮层,PW/PE母粒为芯层,熔融纺丝制得皮芯型储能调温纤维,并以棉线为经纱,以相变纤维为纬纱,通过织样机制得3块基本参数相同的织物。采用双柱毛细管流变仪分析了 PW/PP母粒的剪切流变与拉伸流变性能,并探讨了其结晶性能与结晶形态,且对储能调温纤维通过差示扫描量热仪、热重分析仪、扫描电子显微镜、纱线强伸度仪测试其储能调温性能,热循环性能,热稳定性,微观形貌与力学性能,以及通过织物密度分析镜、织物厚度仪、差示扫描量热仪、万能试验机、热常数分析仪、织物透气量仪与毛细管效应测定仪分别对织物的密度、厚度、调温效果、力学性能、导热性能、透气性与导水性进行测试分析。主要结论如下:1.PW的加入不改变PP的流动类型,但会降低熔体的流动阻力,随着PW质量分数的增多,熔体的剪切应力、剪切黏度、剪切流动活化能、拉伸应力、拉伸黏度与拉伸流动活化能逐渐减小。热降解流变实验表明试样具有很好的热稳定性,PW的加入对PP的热稳定性没有影响。熔体单轴拉伸试验证明熔体具有良好的拉伸性能,但PW的加入使得PP的拉伸比与熔体强度发生一定程度的下降。添加了 PW的复合材料初始分解温度较纯PW有一个明显的升高,选择合适的熔融温度,可使相变蜡/聚丙烯共混物具有良好的热稳定性,满足熔融纺丝的要求。PW的加入会降低PP的结晶性能,随着添加剂含量的增加,复合材料结晶温度下降,结晶度减小,过冷度增大。2.复合纤维皮芯结构明显,皮层包裹性良好,PW基本无渗漏现象,随着芯材质量分数的增加,复合纤维相变焓逐渐增加,初始热分解温度逐渐降低,断裂伸长率逐渐增大,断裂强度逐渐减小,皮芯比5:5的复合纤维可在25~32℃与24~18℃范围内实现智能调温,对应的吸热焓与放热焓分别达到了 7.83 J/g与7.74 J/g,且具有良好的热循环稳定性能,它的初始热分解温度、断裂伸长率与断裂强度分别为217.19℃、81.3%与1.14 cN/dtex,完全满足服用要求。3.织物调温性能的测试表明织物在25~35℃与23~15℃范围内具有调温效果,且随着纬纱芯材质量分数的增多,织物的熔融焓和结晶焓逐渐增大,纬纱为皮芯比5:5的织物的熔融焓与结晶焓分别达到了 3.68 J/g与3.52 J/g,具有良好的相变可逆性。织物导热性能的测试表明随着温度的升高,调温织物导热系数呈下降的趋势,但下降幅度不明显,织物透气性实验说明实验制得的几种织物透气性能相同,织物结构很均一,无明显缝隙和过密形态的出现。对其力学性能和导水性能测试分析得:随着纬纱芯材含量的增多,织物断裂伸长率随之增大,断裂强度逐渐下降,织物纵向芯吸速率更快,芯吸高度更大。
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