相变储能材料与纺织基材结合的加工工艺

王巧玲

相变储能材料与纺织基材结合的加工工艺

王巧玲

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心广东广州510700)

储能调温纺织品在服装行业、纺织品、医疗、建筑行业等领域有非常巨大的应用前景。文章针对相变储能材料与纺织基材相结合，分析了纺丝和纺丝基材，从技术发展趋势、技术发展路线、技术功效等方面进行探究。

相变储能材料；纺丝；纺织基材；制备；应用；分析

1 相变储能材料在纺织领域的应用

通过相变储能材料在纺织领域的专利分析，由于相变储能材料的要求较低，进入门槛较低，且工艺简单，浸渍法制备通过相变储能材料最早出现。但可能由于其牢度原因，在涂层出现后，涂层的后整理方式、交联、粘结等新工艺逐渐受到关注。

图1 相变储能材料在纺织领域以后整理形式应用的技术分支构成情况分析

2 相变储能材料加工工艺

2.1 熔融纺丝

将相变储能材料应用到熔融纺丝中，出现在1990年由松下电工有限公司提出的专利申请[1]中，其将70 份石蜡和30 份高密度聚乙烯混合后熔融纺丝制造具有温度调节功能纤维，然后为了防止石蜡在使用过程中从纤维表面逃逸，在纤维表面涂敷环氧树脂；随后代顿大学的专利[2]中也将相变储能材料应用于聚烯烃熔融纺丝中。1990～1998年，虽然将相变储能材料应用于熔融纺丝中，制得了调温纤维，但这些纤维的纺丝性能和服用性能不能令人满意，工艺也复杂。

在1999～2007年期间，针对纺丝加工性能，涌现大量专利申请。2000年，为了避免相变储能材料在熔融纺丝的高温条件下受损，天津工业大学的专利[3]中，将相变储能材料制备成微胶囊，应用于聚酯纤维的熔融纺丝中，制得自动调温纤维，减少相变储能材料泄露，并提高分散性和加工稳定性。2006年，天津工业大学在专利[4]中，在相变储能材料微胶囊悬浮液中引发丙烯腈制备纺丝液，以熔融纺丝法制备聚丙烯腈纤维；同年，部分申请人在熔融纺丝中采用特殊结构的相变储能材料，例如财团法人纺织产业综合研究所在专利[5]中，采用热稳定性好的聚醚脂肪酸酯类相变储能材料，避免在熔融纺丝的高温条件下原料受损以及提高相容性。

在2008年至今，从相变储能材料本身结构、助剂协同使用、纺丝工艺的角度出发进行改进，以便提高熔融纺丝性能。（1）相变储能材料本身结构的改进：大连工业大学在专利[6]中，采用互穿网络定形相变储能材料；天津工业大学在专利[7]中，采用丙烯腈基共聚物型固-固相变储能材料；太原理工大学在专利[8]中采用聚乙二醇基聚氨酯作为相变储能材料，熔融纺丝制得聚丙烯纤维；在专利中[9]，北京宇田相变储能科技有限公司对相变微胶囊表面进行疏水改性，改善其与聚合物基材表面相容性，该申请人在专利中[10]，则利用相变储能材料的相变性能制备光泽可逆转换纤维。（2）助剂协同使用：杭州鑫福纺织有限公司在专利，东华大学在专利中，均是采用无机粉体与相变储能材料一起使用，利用无机粉体吸附封装相变储能材料；且东华大学的专利中，进一步添加了其他类型的功能助剂，例如蓄光型发光颜料、远红外功能粉体，进一步赋予纤维多功能性；东华大学在专利中，将硫化铜作为相变储能材料聚乙二醇的能量转化促进剂，促进相变储能材料快速响应储能调温。（3）纺丝工艺的改进：在专利中，大连工业大学将螺杆挤出时将相变单体接枝在成纤聚合物上。

总的来说，熔融纺丝是从最初将相变储能材料与聚烯烃共混纺丝开始的，随后开发了相变微胶囊、聚合物型热稳定好的相变储能材料，提高熔融纺丝的纺丝稳定性，到2008年以后，主要从相变储能材料本身结构和助剂协同使用方向进行改进，从纺丝工艺的角度出发进行改进的较少，同时在保证可纺性的情况下，与其他功能助剂协同作用，赋予纤维多功能性，也成为熔融纺丝的发展趋势（图2）。

图2 相变储能材料在纺织领域应用的纺织基材的技术路线分析

2.2 湿法纺丝

湿法纺丝制备相变储能材料，是因为熔融纺丝对相变储能材料热稳定性要求高，且部分成纤聚合物无法采用熔融纺丝成纤。湿法纺丝在1999～2007年这个阶段开始发展的，苗晓光等将相变微胶囊用于湿法纺丝制备蛋白调温纤维，而2016年专利中进行了改进，是将相变微胶囊预聚物溶液与蛋白水凝胶混合，再与腈纶的硫氰酸钠水溶液混合，湿纺成纤制得具有相变调温功能的蛋白改性腈纶纤维；四川大学在专利中，则将相变物质、成囊单体及引发剂混合成均相溶液，并以小液滴形式分散在聚合物纺丝原液中，经湿法纺丝得到的初生纤维经过物理化学处理使成囊单体在纤维基体内原位聚合对相变储能材料包裹形成微胶囊，再经后处理得到相变储能纤维。在2008年以后，采用不同类型的相变储能材料与纤维素进行湿法纺丝，制备调温粘胶纤维，例如吴江征明纺织有限公司在专利中，采用聚脲-蜜胺树脂壁材的十六烷相变微胶囊与粘胶溶液直接混合纺丝，龙达（江西）差别化化学纤维有限公司在专利[19 ]中，将相变微胶囊进行研磨和二次微孔过滤，纺前加入相变胶囊材料与粘胶溶液混匀，提高湿纺纺丝性能；此外，还有将相变微胶囊用于聚丙烯腈、海藻酸钠、壳聚糖的湿纺纺丝中。可见，湿法纺丝的未来发展主要是利用纤维素、壳聚糖、蛋白质等亲水、吸湿、亲肤的材料中，在确保调温功能的情况下实现纤维服用性好的性能。

3 小结

相变储能材料与纺织基材结合主要分为纺丝和后整理，应用的研究中以纺丝方法为主要研究对象，其中熔融纺丝出现的最早，随后湿法纺丝发展较快。相变储能材料在纺织领域中以后整理形式应用的研究中以涂层方式为主。

熔融纺丝是从最初将相变储能材料与聚烯烃共混纺丝开始的，随后开发了相变微胶囊、聚合物型热稳定好的相变储能材料，提高熔融纺丝的纺丝稳定性，到2008年以后，主要从相变储能材料本身结构和助剂协同使用方向进行改进，从纺丝工艺的角度出发进行改进的较少。

湿法纺丝主要是将相变微胶囊与聚合物混合进行的湿法方法；随着科技发展，湿法纺丝开始利用纤维素、壳聚糖、蛋白质等亲水、吸湿、亲肤的材料中，在确保调温功能的情况下实现纤维服用性好的性能。

纺织基材主要有聚酯、尼龙、腈纶、粘胶，近期开发应用到蚕丝、羊毛上。纺织领域的相变储能材料应用方面的研究重要集中在国内，并且以国内高校为主。东华大学、天津工业大学和奥特拉斯技术有限公司是最重要的三个专利申请人。东华大学、天津工业大学和奥特拉斯技术有限公司都侧重于不同PCM相变纤维纺丝方法的研究，其中东华大学和奥特拉斯技术有限公司侧重的复合纺丝方法的研究，天津工业大学侧重的是熔融纺丝方法研究。

相变储能材料在纺织领域应用的效果研究分为：调温性、赋予多功能、储能导热性，其中以调温功能为最。相变储能材料调温中起初以具有多个含有相变微胶囊材料的基材形式的隔热层形成绝缘垫，随后发展为将相变微胶囊添加到聚合物中通过纺丝形成相变纤维，在后也出现各种如高分子型固-固相变储能材料、海岛型相变储能材料以及串珠结构的相变储能材料等。

相变储能材料的多功能性以相变储能材料与其他功能助剂的混合、相变储能材料共聚或接枝改性为主要研究方向。

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[7]韩娜,张兴祥,张智力,王栋,王乐军,于万永.丙烯腈基共聚物固-固相变材料第二单体及其制备方法和用途:中国, CN201410219888[P].2014-08-13.

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[10]沈轲,乔磊,冯欢,杜兔平.一种光泽转换可逆的纤维及其制备方法:中国, CN201610499773[P].2016.08.31.

10.3969/j.issn.2095-1205.2019.05.53

TS102.5

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2095-1205(2019)05-91-03