一种具有保温隔热效果的中空闭孔泡沫涂层及其复合纤维织物

1.本发明属于功能性材料领域，特别涉及一种具有保温隔热效果的中空闭孔泡沫涂层及其复合纤维织物。


背景技术：

2.由于化石燃料的快速消耗和温室气体排放的激增，能源消耗和环境污染已成为全球关注的问题。已经达成一项协议，通过探索可再生能源和提高传统供应/技术的能源效率来减轻这些挑战。目前，可再生能源，如太阳能、风能、生物质能等，支撑着约14％的世界能源总需求，并具有显著的持续增长潜力光伏等相关技术还存在能量转换效率低、存储成本高的缺点。另一方面，近年来，对能源管理和能源消耗最小化的研究比以往任何时候都更加重要。玻璃纤维、石棉和岩棉等固有低导热率材料被广泛用于实现高隔热性能。然而，它们的性能仍然低于节能建筑等住宅应用以及极端条件下的航空航天应用的要求。应对这一挑战需要紧急开发新的绝缘(复合)材料，特别是具有独特工程结构的材料，发泡材料代表了广泛使用的隔热材料，因为它们具有良好的隔热性能、机械柔韧性、耐用性和低制造成本。通过将发泡材料涂覆在纤维表面可以制成具有保温隔热效果的纤维及其纤维复合织物对当前节能环保的发展具有一定战略性意义。
3.目前关于织物涂层整理剂的研究主要是对织物表面涂覆疏水涂层进行防水，但其保暖性能通常没有兼顾，需要跟其他保暖材料进行复配使用，过程较繁琐。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种具有保温隔热效果的中空闭孔泡沫涂层及其复合纤维织物，本发明采用纤维涂层进行发泡形成闭孔泡沫与纤维的复合材料能够达到疏水和保温隔热的效果，具有比较好的现实意义。
5.本发明的一种中空闭孔泡沫涂层组合物，按重量份数，组分包括：
[0006][0007]
所述热敏微球为一种具有热膨胀效果的中空树脂微球，由热塑性聚合物外壳和内
部气体组成。这些中空微球的平均直径范围从10至50μm，真密度为1000至1300kg/m3。当加热热敏微球时，壳内气体压力增加并且热塑性外壳软化，从而使膨胀微球体积显著增加。当冷却时，膨胀微球外壳再次变硬，体积固定。
[0008]
优选地，所述热敏微球为聚丙烯腈树脂微球、聚氨酯树脂泡沫微球、丙烯酸树脂微球中的一种或几种；所述相变材料为液体石蜡、高密度聚乙烯、聚乙二醇中的一种或几种。
[0009]
所述聚氨酯微球泡沫为聚氨酯发泡形成的聚氨酯树脂微球。
[0010]
进一步优选地，所述液体石蜡为不同融化温度的液体石蜡，融化温度为40℃-60℃。
[0011]
进一步优选地，所述液体石蜡为p40(熔化温度40℃)。
[0012]
优选地，所述热敏微球和相变材料的重量比为1:1-1:5。
[0013]
优选地，所述胶黏剂为热塑性聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物sebs、聚二甲基硅氧烷pdms中的一种或几种；所述溶剂为正己烷、环乙烷、正戊烷中的一种或几种。
[0014]
优选地，所述交联剂为丙烯酸树脂；所述水性流平剂为丙烯酸树脂改性剂byk-333。
[0015]
优选地，按重量分数，所述整理剂为0.5-3份异构十三醇聚氧乙烯醚和0.5-3份失水山梨糖醇脂肪酸酯、1-2份吐温80。
[0016]
本发明的一种复合纤维，所述复合纤维以含所述中空闭孔泡沫涂层组合物为原料，通过浸渍、涂覆、发泡处理获得。
[0017]
本发明的一种复合纤维的制备方法，包括：
[0018]
(1)按重量分数称取各组分，将5-25份热敏膨胀中空闭孔树脂微球、5-25份相变材料、20-40份胶黏剂、30-60份溶剂、5-10份二氧化钛进行搅拌，使粘合剂与相变材料、中空闭孔微球充分均质混合，得到连续中空闭孔泡沫涂层浆料；
[0019]
(2)将2-5份交联剂、2-4份水性流平剂、1-8份整理剂加入去离子水进行搅拌，将纤维进行浸渍处理(进行纤维表面处理)，得到处理后的纤维，然后采用连续中空闭孔泡沫涂层浆料进行涂层涂覆，烘干，加热发泡，得到复合纤维。
[0020]
上述制备方法的优选方式如下：
[0021]
所述步骤(1)中搅拌温度为70℃-90℃，时间为1-3h。
[0022]
所述步骤(2)中浸渍处理工艺参数为：活化温度为50-75℃条件下以20-30m/min收卷速度下进行浸渍；涂覆处理工艺参数为：在活化温度为50-75℃条件下涂覆一层厚度为100-200μm厚度的浆料涂层；烘干温度为75-95℃，烘干时间为30-60min；发泡温度为150-180℃，发泡时间为5-10min。
[0023]
上述制备方法采用的连续装置为四个部分：主要分为放卷装置、预浸料池、烘干装置、收卷装置。
[0024]
本发明的一种纤维织物，采用所述复合纤维进行多维编织获得。
[0025]
本发明的一种所述纤维织物在保温隔热服装领域中的应用。
[0026]
本发明公开了一种具有保温隔热效果的闭孔泡沫涂层复合纤维织物的方法：将中空闭孔泡沫微球与溶剂分散液配制成涂层原液，加入粘结剂形成纤维后处理浆料，将相变复合材料与热敏树脂微球发泡来制备具有更高温度稳定性能的被动热管理涂层，通过将该涂层涂覆在纤维织物表面进行发泡形成具有保温隔热效果的特种隔热服。本发明制备的闭
孔泡沫涂层复合纤维织物具有丰富的孔隙结构，具有丰富的闭孔结构使其具有较低的热导率，能够达到保温隔热的效果。有望解决在极端环境服装的服役性能，保障单兵作战所需的特种作战服的需求。
[0027]
有益效果
[0028]
(1)本发明首次在纤维表面将泡沫树脂与成膜助剂和相变材料复合，通过改变闭孔泡沫的比例和成膜助剂及相变材料的浓度制备出涂层表面均匀、具有一定强度的闭孔泡沫涂层纤维。通过将纤维涂层进行发泡，得到具有闭孔结构的纤维复合材料。制备过程具有连续化且操作简单方便，生产过程中并没有废水产生，生产环节方便快捷。本发明制备的具有保温隔热效果的闭孔纤维材料具有高孔隙率(＞85％)、超疏水(＞120
°
)等特征，具有透气透湿等效果，同时孔隙率可通过发泡密度来调节。
[0029]
(2)由于纯纤维材料既不具有在极端环境下的保温隔热、又不具备透气透湿等效果，本发明所制备的中空闭孔泡沫涂层在整理剂能够运用在功能服装、特种作战服等领域，在服装领域具有更加突出的优势，有十分巨大的潜在需求，具有实用性。
[0030]
(3)本发明能够进行连续化上浆工艺，可进行大规模、批量式连续性生产，生产成本低、效率高、工艺简单，应用前景较为广阔。
[0031]
(4)本发明的制备方法具有原料便宜易得、纤维涂层制备过程中绿色无污染、制备过程简单、可上浆性较好等特点，解决了纤维织物保温隔热和透气透湿等性能较差的难题。
[0032]
(5)本发明的具有保温隔热效果的中空闭孔泡沫涂层整理剂利用闭孔材料高隔热的特点，通过添加热敏膨胀中空闭孔树脂微球及相变材料，能够保证保暖效果的前提下使温度整体保持平衡状态，相变材料和热敏树脂微球之间具有协同复配作用，使得保暖性能更优，另外，本整理剂只需浸渍涂覆在纤维表面进行多维编织进行发泡即可，同时由于具有维纳结构使得织物具有疏水特性，且能够保证透气透湿等效果。
附图说明
[0033]
图1为连续化纤维涂层设备；
[0034]
图2为本发明整理剂的制备流程图；
[0035]
图3发泡纤维编织成织物图展示；
[0036]
图4为实施例5发泡纤维织物隔热性能图；
[0037]
图5为实施例5为发泡纤维织物的接触角图片。
具体实施方式
[0038]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0039]
热敏微球jh-pg07(聚丙烯腈树脂微球)：北京亦锦科技有限公司；
[0040]
二氧化钛：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；
[0041]
相变材料：液体石蜡(p40)：熔化温度为40℃，购自国药公司；
[0042]
胶黏剂：sebs树脂：购自科腾聚合物公司；
[0043]
分散液：环戊烷、环己烷购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；
[0044]
涤纶纱线：诸暨市天业化工有限公司；
[0045]
实施例涉及的性能测试如下：
[0046]
浆料稳定性：采用多重光散射仪进行测试，turbiscan稳定性指数越大说明浆料稳定性越好；
[0047]
热导率：评测标准：gb/t 10295-2008；
[0048]
耐水洗性能：评测标准：gb/t 30447-2013；
[0049]
实施例中的份数均为重量份数。
[0050]
实施例1
[0051]
具有保温隔热效果的连续闭孔泡沫涂层复合纤维织物的方法，具体步骤为：
[0052]
(1)将5份热敏树脂微球、25份相变材料(p40)、30份sebs树脂、35份正己烷溶剂、5份二氧化钛进行搅拌，搅拌时间为1-3h，搅拌温度为为75℃，使粘合剂与相变材料、热敏树脂微球充分均质混合，得到连续中空闭孔泡沫涂层浆料；
[0053]
(2)将2份交联剂(丙烯酸树脂)、2份织物水性流平剂(丙烯酸树脂改性剂byk-333)、1份织物整理剂(0.5份异构十三醇聚氧乙烯醚和0.5份失水山梨糖醇脂肪酸酯)加入95份去离子水进行混合搅拌均匀，通过图2中的工艺流程将纤维进行浸渍进行纤维表面处理，其中浸渍的活化温度为75℃，收卷速度为20-30m/min。
[0054]
(3)将连续中空闭孔泡沫涂层浆料与处理后的纤维通过图2中的流程进行涂层涂覆。其中涂覆的活化温度为75℃。
[0055]
(4)将浸渍涂覆后的纤维纱线进行烘干(烘干温度为75℃，烘干时间为30min)加热进行发泡(发泡温度为180℃，发泡时间为5min)，最后将发泡后的纤维进行多维编织获得具有保温隔热效果的纤维织物。
[0056]
将获得的纤维织物上发泡后形成具有保温隔热效果的织物w1，此织物的性能表征如下表所示：
[0057]
表1发泡纤维织物w1性能表征
[0058]
孔隙率(％)热导率接触角浆料稳定性85％0.0539mwm-1
k-1
120
°
稳定
[0059]
实施例2
[0060]
具有保温隔热效果的连续闭孔泡沫涂层复合纤维织物的方法，具体步骤为：
[0061]
通过改变热敏树脂微球的比例对比最后织物的热导率。
[0062]
(1)将10份热敏树脂微球、20份相变材料(p40)、30份sebs树脂、35份正己烷溶剂、5份二氧化钛进行搅拌，搅拌时间为1-3h，搅拌温度为为75℃，使胶黏剂与相变材料、中空闭孔微球充分均质混合，得到连续中空闭孔泡沫涂层浆料；
[0063]
(2)将2份丙烯酸树脂、2份织物水性流平剂丙烯酸树脂改性剂byk-333、1份织物整理剂(0.5份异构十三醇聚氧乙烯醚和0.5份失水山梨糖醇脂肪酸酯)加入95份的去离子水进行混合搅拌均匀，通过图2中的工艺流程将纤维进行浸渍进行纤维表面处理。其中浸渍的活化温度为75℃，收卷速度为20-30m/min。
[0064]
(3)将连续中空闭孔泡沫涂层浆料与处理后的纤维通过图2中的流程进行涂层涂覆。其中涂覆的活化温度为75℃。
[0065]
(4)将浸渍涂覆后的纤维纱线进行在烘干(烘干温度为75℃，烘干时间为(30min))加热在进行发泡(发泡温度为180℃，发泡时间为5min)，最后将发泡后的纤维进行多维编织获得具有保温隔热效果的纤维织物w2。
[0066]
表2发泡纤维织物w1/w2性能表征对比
[0067]
发泡纤维织物孔隙率(％)热导率接触角w185％0.0539mwm-1k-1120
°
w292％0.0496mwm-1k-1141
°
[0068]
实施例3
[0069]
具有保温隔热效果的连续闭孔泡沫涂层复合纤维织物的方法，具体步骤为：
[0070]
通过改变相变材料的比例来对比保温隔热的温度平衡效果。
[0071]
(1)将10份热敏树脂微球、15份相变材料(p40)、30份胶黏剂、40份正己烷溶剂、5份二氧化钛进行搅拌，搅拌时间为1-3h，搅拌温度为为75℃，使粘合剂与相变材料、中空闭孔微球充分均质混合，得到连续中空闭孔泡沫涂层浆料；
[0072]
(2)将2份丙烯酸树脂、2份织物水性流平剂丙烯酸树脂改性剂byk-333、1份织物整理剂(0.5份异构十三醇聚氧乙烯醚和0.5份失水山梨糖醇脂肪酸酯)加入95份的去离子水进行混合搅拌均匀，通过图2中的工艺流程将纤维进行浸渍进行纤维表面处理。其中浸渍的活化温度为75℃，收卷速度为20-30m/min。
[0073]
(3)将连续中空闭孔泡沫涂层浆料与处理后的纤维通过图2中的流程进行涂层涂覆。其中涂覆的活化温度为75℃。
[0074]
(4)将浸渍涂覆后的纤维纱线进行烘干(烘干温度为75℃，烘干时间为(30min))加热进行发泡(发泡温度为180℃，发泡时间为5min)，最后将发泡后的纤维进行多维编织获得具有保温隔热效果的纤维织物w3。
[0075]
表3 w1/w2/w3涂层整理剂性能表征对比
[0076]
整理剂孔隙率(％)热导率接触角w1850.0539mwm-1k-1120
°
w2920.0496mwm-1k-1141
°
w3910.0510mwm-1k-1123
°
[0077]
实施例4
[0078]
具有保温隔热效果的连续闭孔泡沫涂层复合纤维织物的方法，具体步骤为：
[0079]
通过改变胶黏剂的比例来对比织物涂层是否掉粉。
[0080]
(1)将10份热敏树脂微球、20份相变材料(p40)、20份sebs树脂、45份正己烷溶剂、5份二氧化钛进行搅拌，搅拌时间为1-3h，搅拌温度为为75℃，使粘合剂与相变材料、热敏树脂微球充分均质混合，得到连续中空闭孔泡沫涂层浆料；
[0081]
(2)将2份丙烯酸树脂、2份织物水性流平剂丙烯酸树脂改性剂byk-333、1份织物整理剂(0.5份异构十三醇聚氧乙烯醚和0.5份失水山梨糖醇脂肪酸酯)加入95份的去离子水进行混合搅拌均匀，通过图2中的工艺流程将纤维进行浸渍进行纤维表面处理。其中浸渍的活化温度为75℃，收卷速度为20-30m/min。
[0082]
(3)将连续中空闭孔泡沫涂层浆料与处理后的纤维通过图2中的流程进行涂层涂覆。其中涂覆的活化温度为75℃。
[0083]
(4)将浸渍涂覆后的纤维纱线进行烘干(烘干温度为75℃，烘干时间为(30min))加热进行发泡(发泡温度为180℃，发泡时间为5min)，最后将发泡后的纤维进行多维编织获得具有保温隔热效果的纤维织物w4。
[0084]
通过改变胶黏剂的比例发现有少量掉粉，影响织物最后的保温隔热效果。故胶黏剂的比例份数不得低于30份。
[0085]
实施例5
[0086]
具有保温隔热效果的连续闭孔泡沫涂层复合纤维织物的方法，具体步骤为：
[0087]
通过改变步骤(4)中发泡温度来观察最后纤维织物的热导率和疏水效果。
[0088]
(1)将10份热敏树脂微球、20份相变材料(p40)、30份sebs树脂、35份正己烷溶剂、5份二氧化钛进行搅拌，搅拌时间为1-3h，搅拌温度为为75℃，使粘合剂与相变材料、热敏树脂微球充分均质混合，得到连续中空闭孔泡沫涂层浆料；
[0089]
(2)将2份交联剂(丙烯酸树脂)、2份织物水性流平剂(丙烯酸树脂改性剂byk-333)、1份织物整理剂(0.5份异构十三醇聚氧乙烯醚和0.5份失水山梨糖醇脂肪酸酯)加入95份去离子水进行混合搅拌均匀，通过图2中的工艺流程将纤维进行浸渍进行纤维表面处理。其中浸渍的活化温度为75℃，收卷速度为20-30m/min。
[0090]
(3)将连续中空闭孔泡沫涂层浆料与处理后的纤维通过图2中的流程进行涂层涂覆。其中涂覆的活化温度为75℃。
[0091]
(4)将浸渍涂覆后的纤维纱线进行烘干(烘干温度为75℃，烘干时间为(30min))加热进行发泡(发泡温度为如表4所示，发泡时间均为5min)，最后将发泡后的纤维进行多维编织获得具有保温隔热效果的纤维织物。
[0092]
表4发泡温度对发泡纤维织物的性能影响
[0093]
温度(℃)孔隙率(％)热导率接触角150760.0569mwm-1k-1113
°
160790.0539mwm-1k-1120
°
170830.0509mwm-1k-1132
°
180920.0496mwm-1k-1141
°
[0094]
但温度过高会造成纤维织物发泡密度太高，导致大量掉粉，故应采用180
°
左右的温度进行发泡。
[0095]
实施例6
[0096]
具有保温隔热效果的连续闭孔泡沫涂层复合纤维织物的方法，具体步骤为：
[0097]
通过改变步骤(4)中发泡时间来观察最后纤维织物的热导率和疏水效果。
[0098]
(1)将10份热敏膨胀中空闭孔树脂微球、20份相变材料(p40)、30份sebs树脂、35份正己烷溶剂、5份二氧化钛进行搅拌，搅拌时间为1-3h，搅拌温度为为75℃，使粘合剂与相变材料、热敏树脂微球充分均质混合，得到连续中空闭孔泡沫涂层浆料；
[0099]
(2)将2份交联剂(丙烯酸树脂)、2份织物水性流平剂(丙烯酸树脂改性剂byk-333)、1份织物整理剂(0.5份异构十三醇聚氧乙烯醚和0.5份失水山梨糖醇脂肪酸酯)加入的95份去离子水进行混合搅拌均匀，通过图2中的工艺流程将纤维进行浸渍进行纤维表面处理。其中浸渍的活化温度为75℃，收卷速度为20-30m/min。
[0100]
(3)将连续中空闭孔泡沫涂层浆料与处理后的纤维通过图2中的流程进行涂层涂
覆。其中涂覆的活化温度为75℃。
[0101]
(4)将浸渍涂覆后的纤维纱线进行在烘干(烘干温度为75℃，烘干时间为(30min))加热进行发泡(发泡温度为180℃，发泡时间为如图5所示)，最后将发泡后的纤维进行多维编织获得具有保温隔热效果的纤维织物。
[0102]
表5发泡时间对发泡纤维织物的性能影响
[0103]
时间(min)孔隙率(％)热导率接触角2630.0582mwm-1
k-1
108
°
3790.0539mwm-1
k-1
120
°
4870.0519mwm-1
k-1
137
°
5920.0496mwm-1k-1141
°
[0104]
通过以上实验发现，发泡时间对发泡纤维织物的影响较小，通常采用5min为最合适。

技术特征：
1.一种中空闭孔泡沫涂层组合物，其特征在于，按重量份数，组分包括：2.根据权利要求1所述组合物，其特征在于，所述热敏微球为聚丙烯腈树脂泡沫微球、聚氨酯树脂微球、丙烯酸树脂中空微球中的一种或几种；所述相变材料为液体石蜡、高密度聚乙烯、聚乙二醇中的一种或几种。3.根据权利要求1所述组合物，其特征在于，所述胶黏剂为热塑性聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物sebs、聚二甲基硅氧烷pdms中的一种或几种；所述溶剂为正己烷、环乙烷、正戊烷中的一种或几种。4.根据权利要求1所述组合物，其特征在于，所述交联剂为丙烯酸树脂；所述水性流平剂为丙烯酸树脂改性剂byk-333；按重量分数，所述整理剂为0.5-3份异构十三醇聚氧乙烯醚和0.5-3份失水山梨糖醇脂肪酸酯、1-2份吐温80。5.一种复合纤维，其特征在于，所述复合纤维以含权利要求1所述中空闭孔泡沫涂层组合物为原料，通过浸渍、涂覆、发泡处理获得。6.一种复合纤维的制备方法，包括：(1)按重量分数称取各组分，将5-25份热敏膨胀中空闭孔树脂微球、5-25份相变材料、20-40份胶黏剂、30-60份溶剂、5-10份二氧化钛进行搅拌混合，得到连续中空闭孔泡沫涂层浆料；(2)将2-5份交联剂、2-4份水性流平剂、1-8份整理剂加入去离子水进行搅拌，将纤维进行浸渍处理，然后采用连续中空闭孔泡沫涂层浆料进行涂覆，烘干，加热发泡，得到复合纤维。7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中搅拌温度为70℃-90℃，时间为1-3h。8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中浸渍处理工艺参数为活化温度为50-75℃条件下以20-30m/min收卷速度下进行浸渍；所述涂覆处理工艺参数为在活化温度为50-75℃条件下涂覆浆料涂层；所述烘干温度为75-95℃，烘干时间为30-60min；所述发泡温度为150-180℃，发泡时间为5-10min。9.一种纤维织物，其特征在于，采用权利要求5所述复合纤维进行多维编织获得。10.一种权利要求9所述纤维织物在保温隔热服装领域中的应用。

技术总结
本发明涉及一种具有保温隔热效果的中空闭孔泡沫涂层及其复合纤维织物，组分包括：热敏膨胀微球、相变材料、胶黏剂、溶剂、交联剂、水性流平剂、整理剂。本发明制备的中空闭孔泡沫涂层复合纤维织物具有丰富的孔隙结构，具有丰富的闭孔结构使其具有较低的热导率，能够达到保温隔热的效果。有望解决在极端环境服装的服役性能，保障单兵作战所需的特种作战服的需求。求。求。


技术研发人员：成艳华 白天祥 朱美芳 张君妍 徐成建 贾良盛 郑俊杰
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/8/28