一種隔熱保溫纖維材料及其制備方法、用圖

一種隔熱保溫纖維材料及其制備方法、用圖
【專利摘要】本發明提供了一種隔熱保溫纖維材料，包括纖維，所述纖維中攙雜微納米孔隙材料的顆粒，所述微納米孔隙材料的顆粒的粒度控制在10μm以下；所述微納米孔隙材料包括含有微米或納米孔隙的天然或人工無機材料、含有微米或納米孔隙的天然或人工有機材料中的一種或兩種的混合。本發明實施例的隔熱保溫材料采用纖維包裹微納孔隙材料的結構因此具有良好的隔熱保溫作用，另外這種材料原料本身易得，成本低，各方面性能均較好，使用壽命長，經濟效益可觀。
【專利說明】
一種隔熱保溫纖維材料及其制備方法、用途
技術領域
[0001] 本發明涉及功能性纖維制造領域，具體而言，涉及一種隔熱保溫纖維材料及其制 備方法、用途。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，熱的傳導方式有輻射、對流、傳導三種方式。為了充分提高隔熱保溫性 能，需要兼具阻隔輻射、限制對流、延長傳導路徑三個功能，才滿足具有極其優異的隔熱保 溫性能的條件。
[0003] 目前，保溫隔熱紡織材料通常通過在夾層中充填羽絨、纖維、棉花的方法實現保溫 隔熱目的。這種方法由于所充填的材料導熱系數較高，充填量較大，使制備的保溫隔熱用 品，如被子褥子服裝帳篷。既厚又重，攜帶及其不方便，在極端高低溫環境條件下還不能滿 足現實需要。
[0004] 現有技術中，專利CN103160943A，專利CN102115920A,專利CA104153034B，專利 CN102465453A，專利CN1177089C分別采用在纖維內攙雜金屬或非金屬納米粒子、攙雜碳化 鋯粉體、纖維表面涂覆金屬氧化物溶膠在高溫固化、或添加納米級陶瓷粉體來達到蓄熱、保 溫作用。英國專利GB2303375A，日本特開平1-132816也公開了在纖維中添加具有隔絕紅外 隔熱的包括氧化鋯、硅酸鋯、碳化硅、氧化錫等粉體顆粒用于制造保溫纖維的方法。這些專 利均記載了在纖維中攙雜了實心的納米粒子，但是攙雜實心的納米粒子只是在原有纖維材 料的基礎上具有一定的保溫隔熱性能，還是不能滿足現代人對隔熱保溫性能的要求，另外 這些方法本身操作復雜，操作條件苛刻，并不利于廣泛應用進行大范圍的推廣，市場推廣能 力較弱。
[0005] 有鑒于此，特提出本發明。

【發明內容】

[0006] 本發明的第一目的在于提供一種隔熱保溫纖維材料，這種隔熱保溫材料采用纖維 包裹微納孔隙材料的結構，這種結構由于孔隙內為空氣，空氣的導熱系數只有0.025W/K.M， 非常之低，因此具有良好的隔熱保溫作用，另外這種材料原料易得，成本低，各方面性能均 較好，使用壽命長，經濟效益可觀。
[0007] 本發明的第二目的在于提供該隔熱保溫纖維材料的制備方法，該制備方法具有能 完整保留原料的有效成份的優點，而且具有方法簡單易于操作，操作條件溫和等優點。
[0008] 本發明的第三目的在于提供隔熱保溫纖維材料的用途，利用此纖維材料制成的織 布也同樣具有優異的保溫隔熱性能，外部或人皮膚接觸的部分還是原來的纖維原料，這樣 不會讓消費者對這種新型材料產生不適應甚至過敏性，并且新增了隔熱保溫性這個優異性 能，提高了纖維制品本身的產品附加值。
[0009] 為了實現本發明的上述目的，特采用以下技術方案：
[0010] 本發明實施例提供了一種隔熱保溫纖維材料，包括纖維，所述纖維中攙雜微納米 孔隙材料的顆粒，所述微納米孔隙材料的顆粒的粒度控制在1 Ομπι以下；
[0011] 其中，所述微納米孔隙材料包括含有微米或納米孔隙的天然或人工無機材料、含 有微米或納米孔隙的天然或人工有機材料中的一種或兩種的混合。
[0012] 現有技術中，為了增加紡織材料本身的保溫隔熱性能，通常的操作方法為通過在 夾層中充填羽絨、纖維、棉花的方法實現保溫隔熱目的。這種方法由于所充填的材料導熱系 數較高，充填量較大，使制備的保溫隔熱用品，如被子褥子服裝帳篷。既厚又重，攜帶及其不 方便，在極端高低溫環境條件下還不能滿足現實需要。還有一種方式是在纖維中攙雜了實 心的納米粒子，但是這種攙雜實心納米粒子的做法只是在原有纖維材料的基礎上具有一定 的保溫隔熱性能，還是不能滿足現代人對隔熱保溫性能的要求，因此本領域技術人員在功 能性材料方面又做了大量的開發研究，也有相關記載是關于在纖維中添加微米或納米孔隙 材料的報道的，但是由于微米或納米孔隙材料自身強度較弱，很多保溫材料制備時都混如 不同的纖維，增加強度。可是這種方法制得的材料只是將纖維和微納米材料進行了簡單的 混合，沒有以纖維包裹微納孔隙材料，因此隔熱保溫性能以及纖維材料本身的物理性能均 會受到一定的影響。
[0013] 為了解決以上出現的技術問題，本發明提供了一種隔熱保溫纖維材料，該隔熱保 溫纖維材料具有極其優異的隔熱保溫性能，并且現有技術中沒有添加微米孔隙材料或納米 孔隙材料的技術方法，也沒有在纖維中包裹微米納米孔隙材料進行保溫隔熱的報道，本發 明尚屬首創，具有開拓性的意義。
[0014] 其中，本發明的微納米孔隙材料可包括含有微米或納米孔隙的天然或人工無機材 料、含有微米或納米孔隙的天然或人工有機材料中的一種或兩種的混合，更進一步的包括 含有微米或納米孔隙的有機高分子材料、含有微米或納米孔隙的無機高分子材料中的一種 或兩種的混合，可以是微米孔材料也可以是納米孔材料，孔隙本身可以為開孔也可以為閉 孔，通常采用具有納米孔隙的輕質隔熱材料，最優的包括火山巖、膨潤土、氣凝膠、膨脹珍珠 巖、納米孔金屬有機化合物、發泡高分子樹脂，發泡酚醛樹脂、含微納米氣孔的活性炭、分子 篩中的其中一種，當然材料的種類并不限于此，只要是能從市面購買得到的微納米孔隙材 料均在本發明的保護范圍內。比如還可以具體為鈉基膨潤土、鉀基膨潤土、鈣基膨潤土、活 性炭、鈉基鉀基鈣基膨潤土、二氧化硅氣凝膠、二氧化鈦氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鐵氣凝 膠、氧化銅氣凝膠、氧化鋯氣凝膠、氯化鋁分子篩等。
[0015] 本發明所用的纖維原料就是市售的紡絲或制備纖維常用的原料，具體可包括高分 子有機材料、塑料顆粒、無機材料以及金屬中的其中一種，更優的包括丙綸、尼龍、晴綸、聚 乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚碳酸脂、二氧化硅、硅酸鋁、金屬鋁中的其中 一種，當然材料的種類并不限于此，只要是能從市面購買得到的纖維原料均在本發明的保 護范圍內。
[0016] 具體操作時，需要先將微納米孔隙材料進行研磨，研磨的顆粒度需要控制在ΙΟμπι 以下，通過研磨可使得紡絲時纖維保持良好的強度，保持良好的韌性，保持良好的加工性， 也為了紡絲后得到較細的纖維，研磨后的研磨細度要小于所拉纖維直徑的1/3,最好小于1/ 5,顆粒度最好控制在8μπι以下，更好控制在5μπι以下，最優控制在Ιμπι以下，因為所添加的微 納孔隙材料研磨成D90小于5μπι時，對于內部孔隙60nm來說，5μπι顆粒內也有將近100個反射 層，有效地阻止輻射散熱，氣體分子的自由程常溫常壓下大于60nm，在內部孔隙小于60nm 時，對流傳熱幾乎不存在，在內部孔隙大于氣體分子自由程時，即使有對流傳熱，空氣的導 熱系數常溫下也僅僅0.025W/K.M，對流傳熱也是很弱的；由于5μπι厚度包含近百層的孔隙， 可見傳導所要經過的路徑是多么漫長，使得傳導散熱效率也變的極低，所以在進行研磨時 需要將顆粒度控制在適宜的范圍內。
[0017] 優選地，微納米孔隙材料的用量為隔熱保溫纖維材料的1-50V%，更優為5-40V%， 最優為15-35V%。并且，微納米孔隙材料的熔點最好大于所述纖維的原料的熔點，在這樣的 用量范圍內制備出的隔熱保溫纖維材料即能保證纖維本身的強度又能具有優異的隔熱保 溫性能，如果加量太大可能會影響到纖維本身的物理性能，還有在熔點上，微納米孔隙材料 的熔點最好大于所述纖維原料的熔點，這樣充分保證了安全性和使用性能。
[0018] 本發明實施例的隔熱保溫纖維材料的具體結構包括纖維以及微納米孔隙材料的 顆粒，所述纖維中攙雜微納米孔隙材料的顆粒，即所述微納米孔隙材料的顆粒鑲嵌于所述 纖維的內部，微納孔隙顆粒的孔隙直徑控制在60nm以下。需要注意的是，纖維的表面是不具 有微納米孔隙材料顆粒的，而是全部位于內部，被纖維所包裹，因為如果微納孔隙顆粒位于 表面，會影響后續消費者穿著時的感受度，不利于穿著。
[0019]優選地，微納米孔隙材料的顆粒呈矩陣排列均勻的位于所述纖維的內部，當然微 納米孔隙材料的顆粒也可以不規則位于纖維的內部，其實沒有確切的要求，只要微納米孔 隙材料的顆粒能夠實現其本身的功能性，起到隔熱保溫的作用，即可。
[0020] 本發明實施例除了提供該隔熱保溫纖維材料的具體結構，還提供了上述隔熱保溫 纖維材料的制備方法，主要包括如下步驟：
[0021] 將纖維原料溶解或熔融后，添加微納米孔隙材料以及常規助劑混合均勻，紡絲即 可。
[0022]本發明實施例的制備方法具有能完整保留原料的有效成份的優點，而且具有方法 簡單易于操作，操作條件溫和等優點，在制備纖維的紡絲材料內所添加的微納米孔隙材料， 兼具阻隔輻射、限制對流、延長傳導路徑三個功能，因此具有極其優異的隔熱保溫特性。
[0023] 將研磨成相應細度的微納米孔隙材料，與溶解或熔融后的纖維原料進行混料，在 混合過程中還要添加一些常規助劑，比如增塑劑、柔順劑、偶聯劑等，按照通常的比例添加 后與纖維原料、微納米孔隙材料混合均勻，再進行后續紡絲即得到本發明的隔熱保溫纖維 材料，當然如果作為半成品出售的情況下，可以直接將混料造粒做成包裹微納米孔隙材料 的保溫纖維(切片)母粒，實際操作時一般采用造粒機進行造粒操作。
[0024] 另外，可以通過在向熔融態的或溶解態的制備纖維的原料中充填微納米氣泡，同 時造粒再紡絲或直接紡絲的方法，制備隔熱保溫纖維，充填的氣泡直徑要介于2ηπι-1μπι之 間，更好介于5nm-60nm之間，充填微納米氣泡也同樣可以達到與添加微納米孔隙材料具有 相同的效果，微納米孔隙材料的孔隙直徑最好介于2nm-lym之間，更好介于5nm-60nm之間。
[0025] 采用上述的隔熱保溫纖維材料可以制成織物，并作為填充材料填充于服裝、防護 用具的布料之間代替現有技術中采用羽絨、纖維、棉花的充填方法，以切實提高纖維材料本 身的隔熱保溫性能。
[0026] 比如可以織成不同厚度、不同紗織、不同尺幅的布料，還可以制成隔熱保溫的無紡 布，只要現有技術中可以用來作為纖維制品的產品，本發明的隔熱保溫纖維材料同樣適用。
[0027] 與現有技術相比，本發明的有益效果為：
[0028] (1)本發明的隔熱保溫纖維材料采用纖維包裹微納孔隙材料的結構，這種結構由 于孔隙內為空氣，空氣的導熱系數只有0.025W/K.M，非常之低，因此具有良好的隔熱保溫作 用，另外這種材料原料易得，成本低，各方面性能均較好，使用壽命長，經濟效益可觀；
[0029] (2)本發明實施例的隔熱保溫纖維材料的制備方法具有能完整保留原料的有效成 份的優點，而且具有方法簡單易于操作，操作條件溫和等優點，制備出的紡絲材料內所添加 的微納米孔隙材料，兼具阻隔輻射、限制對流、延長傳導路徑三個功能，因此具有及其優異 的隔熱保溫特性；
[0030] (3)本發明的隔熱保溫纖維材料應用非常廣泛，可以制成各種纖維制品，也可作為 填充材料填充于服裝、防護用具的布料之間代替現有技術中采用羽絨、纖維、棉花的充填方 法，以切實提高纖維材料本身的隔熱保溫性能，用途非常廣泛，可以適應不同消費者的不同 需求。
【具體實施方式】
[0031] 下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會 理解，下列實施例僅用于說明本發明，而不應視為限制本發明的范圍。實施例中未注明具體 條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為 可以通過市售購買獲得的常規產品。
[0032] 實施例1
[0033] 1)先將火山巖使用研磨粉碎機粉碎至D90小于ΙΟμπι，取20L，再取丙綸顆粒80L，加 入二甲基甲酰胺適量，正硅酸乙酯適量，丙三醇適量，抗氧化劑、耐紫外劑、潤滑劑適量混合 均勻，混合步驟在攪拌鍋中進行，攪拌鍋的速率調至50rpm，混合攪拌30min以上；
[0034] 2)將混合料放入造粒機進行造粒得到保溫隔熱纖維紡絲顆粒，再進行紡絲，得到 保溫隔熱纖維，經檢測其火山巖的用量為保溫隔熱纖維體積的50%;
[0035] 3)將保溫隔熱纖維織出所需厚度、尺幅的布匹，可直接售賣。
[0036] 實施例2
[0037] 1)先將二氧化硅氣凝膠使用研磨粉碎機粉碎至D90小于5μπι，取2L，再取尼龍顆粒 80L，加入二甲基甲酰胺適量，正硅酸乙酯適量，丙三醇適量，抗氧化劑、耐紫外劑、潤滑劑適 量混合均勻，混合步驟在攪拌鍋中進行，攪拌鍋的速率調至lOOrpm，混合攪拌40min;
[0038] 2)將混合料放入造粒機進行造粒得到保溫隔熱纖維紡絲顆粒，再進行紡絲，得到 保溫隔熱纖維，經檢測其二氧化硅氣凝膠的用量為保溫隔熱纖維體積的1%，并檢測出其微 觀結構為微納孔隙顆粒呈不規則排列攙雜鑲嵌于所述纖維的內部，孔隙直徑在2_5nm之間；
[0039] 3)將保溫隔熱纖維織成布料，或當作填充材料填充到布料之間做為保暖衣，可直 接售賣。
[0040] 實施例3
[0041 ] 1)先將氧化銅氣凝膠使用研磨粉碎機粉碎至D90小于8μηι，取5L，再取晴纟侖顆粒 80L，加入二甲基甲酰胺適量，正硅酸乙酯適量，丙三醇適量，抗氧化劑、耐紫外劑、潤滑劑適 量混合均勻，混合步驟在攪拌鍋中進行，攪拌鍋的速率調至80rpm，混合攪拌30min以上；
[0042] 2)將混合料放入造粒機進行造粒得到保溫隔熱纖維紡絲顆粒，再進行紡絲，得到 保溫隔熱纖維，經檢測其氧化銅氣凝膠的用量為保溫隔熱纖維體積的5%，并檢測出其微觀 結構為微納孔隙顆粒呈矩陣排列攙雜鑲嵌于所述纖維的內部，孔隙直徑為?μπι;
[0043] 3)將保溫隔熱纖維制成隔熱保溫的無紡布，可直接售賣。
[0044] 實施例4
[0045] 1)先將氧化鈦氣凝膠使用研磨粉碎機粉碎至D90小于Ιμπι，取15L，再取晴纟侖顆粒 80L，加入二甲基甲酰胺適量，正硅酸乙酯適量，丙三醇適量，抗氧化劑、耐紫外劑、潤滑劑適 量混合均勻，混合步驟在攪拌鍋中進行，攪拌鍋的速率調至80rpm，混合攪拌30min以上；
[0046] 2)將混合料進行紡絲，得到保溫隔熱纖維，經檢測其氧化鈦氣凝膠的用量為保溫 隔熱纖維體積的40%，并檢測出其微觀結構為微納孔隙顆粒呈矩陣排列攙雜鑲嵌于所述纖 維的內部，孔隙直徑在50_60nm之間；
[0047] 3)將保溫隔熱纖維制成隔熱保溫的無紡布，可直接售賣。
[0048] 實施例5
[0049] 1)先將火山巖使用研磨粉碎機粉碎至D90小于8μπι，取18L，再取丙綸顆粒80L，加入 二甲基甲酰胺適量，正硅酸乙酯適量，丙三醇適量，抗氧化劑、耐紫外劑、潤滑劑適量混合均 勾，混合步驟在攪拌鍋中進行，攪拌鍋的速率調至50rpm，混合攪拌30min以上；
[0050] 2)將混合料放入造粒機進行造粒得到保溫隔熱纖維紡絲顆粒，在進行紡絲，得到 保溫隔熱纖維，經檢測其火山巖的用量為保溫隔熱纖維質量的35%，并檢測出其微觀結構 為微納孔隙顆粒呈不規則排列攙雜鑲嵌于所述纖維的內部，孔隙直徑在50-60nm之間；
[0051] 3)將保溫隔熱纖維制成織出所需厚度、尺幅的布匹，可直接售賣。
[0052] 實驗例1
[0053]將本發明實施例1-4制備出的隔熱保溫纖維的性能與市面上售賣的普通滌綸纖維 (比較例1)、丙綸纖維(比較例2)的性能進行對比，具體性能指標如下表1所示：
[0054]表1性能參數對照表 「00551
[0056] ~從表1中可以看出，本發明實施例的隔熱保溫纖維具有極低的導熱系數，而且正因, 為有很多的空氣孔其容重相對比較小，后續制成纖維制品應用時更加輕便，也更加受消費 者的青睞，能夠有利于進一步市場化，另外纖維本身的各項力學性能與普通的纖維材料相 比也比較優異，并沒有因為增加了本身的功能性而使物理性能降低。
[0057] 盡管已用具體實施例來說明和描述了本發明，然而應意識到，在不背離本發明的 精神和范圍的情況下可以作出許多其它的更改和修改。因此，這意味著在所附權利要求中 包括屬于本發明范圍內的所有這些變化和修改。
【主權項】
1. 一種隔熱保溫纖維材料，其特征在于，包括纖維，所述纖維中攙雜微納米孔隙材料的 顆粒，所述微納米孔隙材料的顆粒的粒度控制在1 Own以下； 所述微納米孔隙材料包括含有微米或納米孔隙的天然或人工無機材料、含有微米或納 米孔隙的天然或人工有機材料中的一種或兩種的混合。2. 根據權利要求1所述的一種隔熱保溫纖維材料，其特征在于，顆粒的粒度控制在粒徑 8μηι以下，更好5μηι以下，最優控制在Ιμπι以下。3. 根據權利要求1所述的一種隔熱保溫纖維材料的制備方法，其特征在于，所述微納米 孔隙材料包括含有微米或納米孔隙的有機高分子材料、含有微米或納米孔隙的無機高分子 材料中的一種或兩種的混合； 優選地，所述微納米孔隙材料為具有納米孔隙的輕質隔熱材料。4. 根據權利要求3所述的一種隔熱保溫纖維材料的制備方法，其特征在于，所述微納米 孔隙材料包括火山巖、膨潤土、氣凝膠、膨脹珍珠巖、納米孔金屬有機化合物、發泡高分子樹 月旨，發泡酚醛樹脂、含微納米氣孔的活性炭、分子篩中的其中一種。5. 根據權利要求1所述的一種隔熱保溫纖維材料的制備方法，其特征在于，所述纖維的 原料包括高分子有機材料、塑料顆粒、無機材料以及金屬中的其中一種； 優選地，所述纖維的原料包括丙綸、尼龍、晴綸、聚乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚 物、聚碳酸脂、二氧化硅、硅酸鋁、金屬鋁中的其中一種； 優選地，所述微納米孔隙材料的熔點大于所述纖維的原料的熔點。6. 根據權利要求1所述的一種隔熱保溫纖維材料的制備方法，其特征在于，所述微納米 孔隙材料的用量為所述隔熱保溫纖維材料的1-50V%，更優為5-40V%，最優為15-35V%。7. 根據權利要求1所述的隔熱保溫纖維材料，其特征在于，所述微納米孔隙材料的顆粒 呈矩陣排列位于所述纖維的內部； 優選地，所述微納米孔隙材料的顆粒呈不規則排列位于所述纖維的內部； 優選地，所述微納米孔隙材料的顆粒內部孔隙的直徑控制在60nm以下。8. 權利要求1-7任一項所述的一種隔熱保溫纖維材料的制備方法，其特征在于，主要包 括如下步驟： 將纖維的原料溶解或熔融后，添加微納米孔隙材料及常規助劑混合均勻，紡絲即可。9. 根據權利要求8所述的一種隔熱保溫纖維材料的制備方法，其特征在于，添加微納米 孔隙材料及常規助劑混合均勻，造粒后再進行紡絲。10. 權利要求1-7任一項所述的隔熱保溫纖維材料的用途，其特征在于，將隔熱保溫纖 維材料制成直接穿用的紡織物、做衣衫的布匹、填充于服裝、防護用具的布料之間的纖維填 充材料、作襯墊的無紡布。
【文檔編號】D01F6/46GK105862157SQ201610407494
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】李光武
【申請人】李光武