高強度蓄熱調溫海藻纖維的制備與表征

周美會，羅 艷，杜 鵑

（東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201620）

隨著科技的進步和生活水平的提高，人們對服飾的滑爽、衛生、柔軟等需求更高，各類功能性紡織品應運而生［1］。蓄熱調溫紡織品作為一種新型功能性紡織品，將相變材料與纖維制造技術相結合，利用相變材料吸收和釋放熱量維持織物溫度，使人體保持在舒適的溫度范圍。但是相變材料制備的蓄熱調溫海藻纖維在強度方面有待改善［2-4］。海藻酸鈉為白色或淡黃色粉末，幾乎無臭無味，是一種天然多糖，來源豐富，具有高吸濕性、高阻燃性、易生物降解、價格低廉等優點［5-7］。但是海藻酸鈉為聚電解質，水溶液電導率較高，陰離子間斥力較強，阻礙鏈之間的相互纏繞，因此單純海藻酸鈉水溶液制備的海藻酸鈉纖維強度較低［8-11］。聚乙烯醇（PVA）是一種無臭無味的水溶性高分子聚合物，應用廣泛，具有粘接性、耐油性、耐溶劑性、保護膠體性、氣體阻絕性和耐磨性，可用作纖維增強體［12-14］。本實驗基于濕法紡絲，以海藻酸鈉、PVA 為原料，加入相變微膠囊（PCMs）制備高強度蓄熱調溫海藻纖維；研究相變微膠囊用量、PVA 種類、擠出速率、凝固浴中CaCl2質量分數和凝固浴溫度對纖維形貌、強度以及熱性能的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：海藻酸鈉（化學純，國藥集團化學試劑有限公司），氯化鈣（CaCl2，分析純，上海泰坦科技有限公司），聚乙烯醇（PVA，上海臣啟化工科技有限公司），相變微膠囊（PCMs）、蒸餾水（自制）。

儀器：LSP01-1A 注射泵（保定蘭格恒流泵有限公司），TM-1000 掃描電子顯微鏡（日本株式會社日立制作所），纖維強伸度儀（上海新纖儀器有限公司），DSC204F1差示掃描量熱儀（德國NETZSCH 公司）。

1.2 蓄熱調溫海藻纖維的制備

將海藻酸鈉粉末在50 ℃水浴中溶脹2 h，再50 ℃機械攪拌3 h，得到黏稠的海藻酸鈉溶液。同時配制2%不同醇解度的PVA 溶液。將PVA 溶液與PCMs 加入海藻酸鈉溶液，充分攪拌1 h，于室溫下放置24 h形成紡絲原液。用注射泵將紡絲原液以30 mL/h 擠至30 ℃恒溫凝固?。–aCl2溶液）中。由于離子交換作用，海藻酸鈉以海藻酸鈣的形式沉淀至長絲（纖維）中。纖維在凝固浴中停留5 min，再拉伸、卷繞、水洗。最后在20 ℃、相對濕度65%下干燥48 h。

1.3 測試

表面形態：用掃描電子顯微鏡觀察；熱性能：在恒定氮氣氛圍下，用差示掃描量熱儀于-70～-10 ℃內分析；斷裂強度與斷裂伸長率：用纖維強伸度儀測定。

2 結果與討論

2.1 蓄熱調溫海藻纖維制備工藝優化

2.1.1 相變微膠囊用量

由圖1 可以看出，相變微膠囊已被成功負載至纖維內部及表面，隨著相變微膠囊的加入，纖維表面出現不均勻的溝槽，纖維細度也變得不均勻。相變微膠囊用量為10%時，蓄熱調溫海藻纖維不僅成功包覆微膠囊，而且表面溝槽較少，纖維形貌最好。

圖1 不同相變微膠囊用量制備的纖維SEM 圖

由圖2 可以看出，隨著相變微膠囊用量增加，纖維斷裂強度與斷裂伸長率均先增大后減小。這是因為相變微膠囊的加入使纖維間的交聯度增加，彈性增大，斷裂強度與斷裂伸長率增加。但隨著用量增加，纖維硬度上升，纖維變脆，斷裂強度與斷裂伸長率減?。?5］。10%時斷裂強度高達1.93 cN/tex，斷裂伸長率為51.22%。

圖2 相變微膠囊用量對纖維斷裂強度與斷裂伸長率的影響

2.1.2 PVA 種類

PVA 環保性較好，與海藻酸鈉共混后分子間形成氫鍵，能改善纖維強度低的問題［16］。隨著PVA 醇解度增加，可紡性提高，水溶性降低，需要更高的溫度使其溶解，因此需探索適用于濕法紡絲的PVA 種類。由圖3 可以看出，PVA 0588 醇解度過低，纖維表面粗糙，裸露表面較多，可紡性較差；PVA 1792 制備的纖維形貌最好，表面最光滑，且成功包覆PCMs。

圖3 不同種類PVA 制備的纖維SEM 圖

由圖4 可知，隨著PVA 醇解度的增加，纖維斷裂強度與斷裂伸長率先增大后減小。PVA 1792 時纖維斷裂強度為2.90 cN/tex，斷裂伸長率為41.85%。

圖4 PVA 種類對纖維斷裂強度與斷裂伸長率的影響

2.1.3 擠出速率

由圖5可知，纖維細度隨擠出速率的增大而增大，30 mL/h時纖維形貌最好，表面最光滑，溝槽最少。

圖5 不同擠出速率制備的纖維SEM 圖

由圖6 可知，隨著擠出速率的增大，纖維斷裂強度與斷裂伸長率先增大后減小。30 mL/h 時纖維斷裂強度為2.59 cN/tex，斷裂伸長率為71.15%。

圖6 擠出速率對纖維斷裂強度與斷裂伸長率的影響

2.1.4 CaCl2質量分數

由圖7 可知，隨著CaCl2質量分數增加，纖維細度先增大后減小，4%時纖維形貌最好，表面光滑且均一。

圖7 不同CaCl2質量分數制備的纖維SEM 圖

由圖8 可以看出，隨著CaCl2質量分數增大，纖維斷裂強度與斷裂伸長率先增大后減小。這是因為當鈣離子濃度過低時，與海藻酸鈉大分子結合的鈣離子數量很少，纖維大分子間的交聯點較少，作用力較弱，斷裂強度較??；CaCl2質量分數過大，鈣離子與纖維表層大分子反應速率提高，阻礙鈣離子向纖維內部擴散，能夠與海藻酸鈉結合的鈣離子數量減少，纖維強度減弱［17-18］；CaCl2質量分數為4%時，纖維斷裂強度和斷裂伸長率均較高。

圖8 CaCl2質量分數對纖維斷裂強度與斷裂伸長率的影響

2.1.5 凝固浴溫度

由圖9 可知，30 ℃時，纖維斷裂強度和斷裂伸長率均達到最高（3.40 cN/tex，41.85%），此時纖維斷裂強度比棉纖維（1.8～3.1 cN/tex）和黏膠纖維（2.2～2.6 cN/tex）都高；升高或降低凝固浴溫度，纖維斷裂強度和斷裂伸長率均下降。原因是隨著凝固浴溫度升高，海藻酸鈉大分子的鈉離子和凝固浴中鈣離子的擴散速率均增加，有利于鈣離子和鈉離子的交換，同時可使海藻酸鈉大分子對鈣離子的結合常數與吸附容量都增加。但溫度過高，纖維固化成形太快，初生纖維的牽伸受限，強度下降［19-20］。

圖9 凝固浴溫度對纖維斷裂強度與斷裂伸長率的影響

2.2 纖維的熱性能

由圖10 可以看出，純海藻纖維的DSC 曲線均為水平直線，表明纖維在相應溫度下無吸熱和放熱，即純海藻纖維沒有溫度調節作用；蓄熱調溫海藻纖維的溫度調節范圍為18～25 ℃，熔化峰溫度為23.8 ℃，放熱焓為18.79 J/g，結晶峰溫度為22.9 ℃，吸熱焓為16.08 J/g，表明蓄熱調溫海藻纖維具有一定的蓄熱和溫度調節能力。

圖10 蓄熱調溫海藻纖維(a、c)和純海藻纖維(b、d)的DSC 曲線

3 結論

隨著相變微膠囊用量、擠出速率、CaCl2質量分數增大，凝固浴溫度升高，纖維斷裂強度和斷裂伸長率先增大后減小。當相變微膠囊用量為10%、PVA 種類為1792、擠出速率為30 mL/h、凝固浴中CaCl2質量分數為4%、凝固浴溫度為30 ℃時，纖維形貌最好，調溫范圍為18～25 ℃，放熱焓為18.79 J/g，斷裂強度和斷裂伸長率均達最大值（3.40 cN/tex，41.85%）。