石蠟相變微膠囊及蓄熱調(diào)溫織物的制備及性能研究

劉 向， 魏 菊， 于 海 飛， 劉 玲

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織輕工學(xué)院， 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

蓄熱調(diào)溫織物是一種含有相變材料的紡織品。在外界環(huán)境溫度升高時(shí)，相變材料吸收熱量，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，可以降低人體體表溫度；相反，當(dāng)外界環(huán)境溫度降低時(shí)，相變材料放出熱量，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，以保持人體正常體溫，為人體提供舒適的“衣內(nèi)微氣候”環(huán)境，使人體處于一種舒適的狀態(tài)。利用相變微膠囊的蓄熱調(diào)溫性能，開發(fā)蓄熱調(diào)溫紡織品是功能紡織品領(lǐng)域備受關(guān)注的課題。相變微膠囊的研究始于上世紀(jì)80年代，美國(guó)航空航天局首先制備了相變微膠囊并將其用于制作蓄熱調(diào)溫紡織品。隨后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別通過界面聚合法[1]、復(fù)凝聚法、乳液聚合法[2]、原位聚合法[3-4]等方法制備出了以不同熔點(diǎn)正構(gòu)烷烴為芯材的相變微膠囊，通過涂層[5-6]、浸漬[7]和微膠囊紡絲[8]等方法制備蓄熱調(diào)溫紡織品。上述微膠囊多以正構(gòu)烷烴為相變芯材，但正構(gòu)烷烴價(jià)格昂貴，限制了其應(yīng)用。本文采用已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的30#石蠟為芯材，通過界面聚合法制備出包覆良好、具有較高相變潛熱的石蠟相變微膠囊，采用涂層法制備蓄熱調(diào)溫棉織物，并對(duì)微膠囊的制備工藝及蓄熱調(diào)溫織物的性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑和儀器

甲苯-2，4-二異氰酸酯(TDI)；30#石蠟；無水哌嗪(PIP)；二月桂酸二丁基錫；OP乳化劑；聚丙烯酰胺增稠劑；HD-203黏合劑。BME-100L高剪切混合乳化機(jī)，上海威宇機(jī)電制造有限公司；光學(xué)顯微攝像系統(tǒng)，上海光學(xué)儀器進(jìn)出口有限公司；DSC822e示差掃描量熱儀，瑞士Mettler Toledo儀器有限公司；YG065型電子織物強(qiáng)力測(cè)試儀；LLY-01B電腦控制硬挺度儀；YG461E型電腦式透氣性測(cè)試儀。

1.2 蓄熱調(diào)溫紡織品的制備

1.2.1 微膠囊的制備

將TDI及催化劑二月桂酸二丁基錫加入到40 ℃的石蠟中混合均勻，然后滴加到含有哌嗪、乳化劑的60 ℃水相溶液中，高速乳化1 min，在600 r/min的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)恒溫反應(yīng)1 h，得到相變微膠囊。

1.2.2 蓄熱調(diào)溫紡織品的制備

采用涂層法對(duì)全棉織物進(jìn)行整理。配制相變微膠囊、聚丙烯酰胺增稠劑和黏合劑比例分別為10%、2%和20%的涂層整理液。按照工藝流程基布→涂覆→預(yù)烘 (90 ℃、5 min) →烘培(110 ℃、1 min)，制備出蓄熱調(diào)溫紡織品。

1.3 測(cè) 試

1.3.1 微膠囊的測(cè)試

將干燥的相變微膠囊分散在無水乙醇溶液中，均勻涂覆在載玻片上，乙醇揮發(fā)后在光學(xué)顯微下拍照，用目鏡測(cè)微尺測(cè)量300個(gè)微膠囊粒徑D，求平均值DW。

使用DSC822e示差掃描量熱儀測(cè)試微膠囊的蓄熱性能，以10 ℃/min的速率從0 ℃升溫到50 ℃，再?gòu)?0 ℃降溫到0 ℃，氮?dú)夥諊?/p>

1.3.2 蓄熱調(diào)溫紡織品的測(cè)試

將質(zhì)量均為3 g的蓄熱調(diào)溫織物和空白對(duì)比織物分別包覆在量程為0～50 ℃的精密溫度計(jì)外圍，在室溫下平衡30 min，同時(shí)放入82 ℃的環(huán)境中，測(cè)試織物內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化，測(cè)試完畢后再將織物置于50 ℃的環(huán)境中平衡30 min，再同時(shí)放入2 ℃的環(huán)境中，測(cè)試織物內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化，繪制升溫及降溫曲線。

參照GB/T 5453—1997、GB/T 18318—2001和GB/T 3923—1997，分別對(duì)蓄熱紡織品的硬挺度、透氣性和斷裂強(qiáng)力進(jìn)行測(cè)試。采用烘箱法測(cè)試蓄熱調(diào)溫織物的回潮率，考察其吸濕性。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備條件對(duì)微膠囊的影響

2.1.1 哌嗪濃度對(duì)微膠囊成形和粒徑的影響

在采用界面聚合法制備石蠟相變微膠囊的過程中，水相溶液中的單體濃度對(duì)聚合反應(yīng)具有重要影響，如果水相單體濃度過低，油相單體在油水界面處容易發(fā)生水解，從而使形成壁材的聚合物分子量下降，囊壁致密性變差，甚至不能對(duì)芯材形成有效包覆，從而導(dǎo)致石蠟的泄露。在其他條件相同的情況下，改變水相單體哌嗪的濃度，制備系列石蠟相變微膠囊，對(duì)微膠囊的形態(tài)進(jìn)行觀察，拍攝光學(xué)顯微鏡照片，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同哌嗪質(zhì)量分?jǐn)?shù)下制備微膠囊的形貌Fig.1 Influence of PIP concentration on morphology of MEPCM

由圖1可見，當(dāng)哌嗪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，所制備的微膠囊對(duì)石蠟芯材的包覆不良，微膠囊有部分破裂，隨著哌嗪濃度的增大，微膠囊囊壁厚度增加，囊壁表面變得光滑，未被包覆的石蠟量減少。當(dāng)哌嗪質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%時(shí)，包覆成形良好，囊壁結(jié)構(gòu)比較致密，再繼續(xù)增大水相溶液中哌嗪質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)微膠囊的形態(tài)影響不大，因此確定哌嗪質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%為宜。

2.1.2 乳化速度對(duì)微膠囊粒徑的影響

界面聚合法制備的相變微膠囊粒徑與乳化速度密切相關(guān)，在其他條件相同的情況下，分別以不同的乳化速度制備微膠囊，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)微膠囊的形態(tài)進(jìn)行觀察并測(cè)量粒徑，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，在其他條件相同的情況下，隨著乳化速度的增加，微膠囊的粒徑不斷減小。這可解釋為：隨著乳化速度的增加，剪切作用力增強(qiáng)，有利于油相溶液形成細(xì)小的油滴分散于水相溶液中，從而制備出粒徑較小的相變微膠囊。但乳化速度過高以后，粒徑減小不顯著并且少量微膠囊被打破，因此選用5 000 r/min的轉(zhuǎn)速即可。

圖2 乳化速度對(duì)微膠囊粒徑大小的影響Fig.2 Influence of emulsification rate on diameter of MEPCM

2.1.3 乳化劑濃度對(duì)微膠囊粒徑的影響

由于存在巨大的油水相界面，乳狀液是一個(gè)熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，存在著自發(fā)地由小液滴聚成大液滴的趨勢(shì)，乳化劑能夠定向吸附在油水界面上，大大降低了油水界面張力，從而有利于乳狀液的穩(wěn)定和粒徑的減小。多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，OP對(duì)石蠟-水體系具有良好的乳化作用。為了考察OP濃度對(duì)微膠囊粒徑及形態(tài)的影響，在其他條件相同的情況下，分別以不同的乳化劑OP的濃度制備微膠囊，微膠囊的形態(tài)及粒徑如圖3所示。由圖3可見，隨著乳化劑OP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，微膠囊粒徑減小，均勻度提高。但乳化劑濃度過高，在制備過程中容易產(chǎn)生過多泡沫而影響乳化效果。因此乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)選取2.0%為宜。在哌嗪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、乳化速度為5 000 r/min、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的條件下所制備的石蠟相變微膠囊平均粒徑為10.6 μm，粒徑分布比較均勻，可用于制備蓄熱調(diào)溫紡織品。

圖3 乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)微膠囊粒徑大小的影響Fig.3 Influence of emulsifier concentration on diameter of MEPCM

2.2 微膠囊的蓄熱性能

相變微膠囊的蓄熱性能是其關(guān)鍵性能之一，微膠囊化過程中，相變材料被密封在粒徑數(shù)微米的球體中，其相變性質(zhì)能否保留是一個(gè)頗受關(guān)注的問題。采用示差掃描量熱儀對(duì)相變微膠囊的相變點(diǎn)、相變焓值進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4所示?？梢?，升溫過程中相變微膠囊在29～46 ℃出現(xiàn)了一個(gè)較大的吸熱峰，降溫過程中相變微膠囊在34～18 ℃出現(xiàn)放熱峰，放熱量為118.1 J/g，說明石蠟微膠囊化后仍保留了良好的相變性能，且相變點(diǎn)接近人體舒適溫度，可用于制造蓄熱調(diào)溫紡織品。

圖4 相變微膠囊的DSC曲線Fig.4 DSC curves for MEPCM

2.3 蓄熱調(diào)溫織物的蓄熱性能

采用涂層法制備蓄熱調(diào)溫織物具有易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣的優(yōu)點(diǎn)，本文將在最佳工藝條件下制備的相變微膠囊加入到聚丙烯酸酯類黏合劑中，制成涂層整理液，對(duì)純棉織物進(jìn)行整理。為了模擬織物制成服裝后，對(duì)人體的蓄熱調(diào)溫效果，測(cè)試織物內(nèi)部溫度隨環(huán)境溫度變化的情況，結(jié)果如圖5、6所示。由圖5、6可見，當(dāng)相同溫度的蓄熱調(diào)溫織物和空白對(duì)比織物同時(shí)置于相同的高溫或低溫環(huán)境時(shí)，蓄熱調(diào)溫織物內(nèi)部溫度變化的速度明顯低于空白對(duì)比織物，說明棉織物經(jīng)相變微膠囊涂層整理后，在人體舒適溫度范圍內(nèi)獲得了明顯的蓄熱調(diào)溫效果。制成服裝后，可以期望其為人體提供舒適的衣內(nèi)微氣候。

圖5 織物升溫曲線Fig.5 Heating curves of cotton fabrics and treated fabrics

圖6 織物降溫曲線Fig.6 Cooling curves of cotton fabrics and treated fabrics

2.4 蓄熱調(diào)溫織物的服用性能

為了考察織物相變微膠囊涂層整理后其他性能的變化，對(duì)織物的力學(xué)性能及透氣性和吸濕性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。由表1可見，微膠囊涂層整理后織物斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)率均有所增大，抗彎剛度增大，回潮率提高，透氣率下降。這可解釋為涂層整理劑在織物表面形成一層聚合物薄膜，對(duì)紗線及織物起到了加強(qiáng)作用，同時(shí)也使織物的延展性增加，因此造成織物斷裂強(qiáng)力升高，斷裂伸長(zhǎng)率增大，但涂層后織物透氣性下降，抗彎剛度增大。

表1 蓄熱調(diào)溫織物服用性能Tab.1 Wearability of coated fabrics

3 結(jié) 論

在采用界面聚合法制備聚脲石蠟相變微膠囊的過程中，微膠囊形態(tài)隨水相單體濃度的增大而改善，粒徑隨乳化速度的增大及乳化劑濃度的增加而減小。較佳的工藝條件為：哌嗪1.0%，乳化劑OP 2.0%，乳化速度5 000 r/min。所制備的石蠟相變微膠囊在人體舒適溫度范圍內(nèi)具有相變吸放熱性能。石蠟相變微膠囊涂層織物具有一定的蓄熱調(diào)溫功能，可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)衣料、防寒服、鞋襪以及一些高精密儀器的保溫層等領(lǐng)域。

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