高強(qiáng)度蓄熱調(diào)溫海藻纖維的制備與表征

周美會(huì)，羅 艷，杜 鵑

（東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620）

隨著科技的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對(duì)服飾的滑爽、衛(wèi)生、柔軟等需求更高，各類功能性紡織品應(yīng)運(yùn)而生［1］。蓄熱調(diào)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(shù)相結(jié)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(diào)溫海藻纖維在強(qiáng)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(wú)臭無(wú)味，是一種天然多糖，來(lái)源豐富，具有高吸濕性、高阻燃性、易生物降解、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。但是海藻酸鈉為聚電解質(zhì)，水溶液電導(dǎo)率較高，陰離子間斥力較強(qiáng)，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(qiáng)度較低［8-11］。聚乙烯醇（PVA）是一種無(wú)臭無(wú)味的水溶性高分子聚合物，應(yīng)用廣泛，具有粘接性、耐油性、耐溶劑性、保護(hù)膠體性、氣體阻絕性和耐磨性，可用作纖維增強(qiáng)體［12-14］。本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度蓄熱調(diào)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(zhì)量分?jǐn)?shù)和凝固浴溫度對(duì)纖維形貌、強(qiáng)度以及熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：海藻酸鈉（化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(huì)社日立制作所），纖維強(qiáng)伸度儀（上海新纖儀器有限公司），DSC204F1差示掃描量熱儀（德國(guó)NETZSCH 公司）。

1.2 蓄熱調(diào)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(jī)械攪拌3 h，得到黏稠的海藻酸鈉溶液。同時(shí)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?jǐn)嚢? 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 ℃恒溫凝固浴（CaCl2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(zhǎng)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(duì)濕度65%下干燥48 h。

1.3 測(cè)試

表面形態(tài)：用掃描電子顯微鏡觀察；熱性能：在恒定氮?dú)夥諊拢貌钍緬呙枇繜醿x于-70～-10 ℃內(nèi)分析；斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率：用纖維強(qiáng)伸度儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 蓄熱調(diào)溫海藻纖維制備工藝優(yōu)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(fù)載至纖維內(nèi)部及表面，隨著相變微膠囊的加入，纖維表面出現(xiàn)不均勻的溝槽，纖維細(xì)度也變得不均勻。相變微膠囊用量為10%時(shí)，蓄熱調(diào)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(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均先增大后減小。這是因?yàn)橄嘧兾⒛z囊的加入使纖維間的交聯(lián)度增加，彈性增大，斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率增加。但隨著用量增加，纖維硬度上升，纖維變脆，斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率減小［15］。10%時(shí)斷裂強(qiáng)度高達(dá)1.93 cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為51.22%。

圖2 相變微膠囊用量對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.1.2 PVA 種類

PVA 環(huán)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(qiáng)度低的問(wèn)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(guò)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(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小。PVA 1792 時(shí)纖維斷裂強(qiáng)度為2.90 cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為41.85%。

圖4 PVA 種類對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.1.3 擠出速率

由圖5可知，纖維細(xì)度隨擠出速率的增大而增大，30 mL/h時(shí)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(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小。30 mL/h 時(shí)纖維斷裂強(qiáng)度為2.59 cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為71.15%。

圖6 擠出速率對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.1.4 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖7 可知，隨著CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，纖維細(xì)度先增大后減小，4%時(shí)纖維形貌最好，表面光滑且均一。

圖7 不同CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的纖維SEM 圖

由圖8 可以看出，隨著CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，纖維斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小。這是因?yàn)楫?dāng)鈣離子濃度過(guò)低時(shí)，與海藻酸鈉大分子結(jié)合的鈣離子數(shù)量很少，纖維大分子間的交聯(lián)點(diǎn)較少，作用力較弱，斷裂強(qiáng)度較小；CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大，鈣離子與纖維表層大分子反應(yīng)速率提高，阻礙鈣離子向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，能夠與海藻酸鈉結(jié)合的鈣離子數(shù)量減少，纖維強(qiáng)度減弱［17-18］；CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均較高。

圖8 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.1.5 凝固浴溫度

由圖9 可知，30 ℃時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)到最高（3.40 cN/tex，41.85%），此時(shí)纖維斷裂強(qiáng)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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)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(kuò)散速率均增加，有利于鈣離子和鈉離子的交換，同時(shí)可使海藻酸鈉大分子對(duì)鈣離子的結(jié)合常數(shù)與吸附容量都增加。但溫度過(guò)高，纖維固化成形太快，初生纖維的牽伸受限，強(qiáng)度下降［19-20］。

圖9 凝固浴溫度對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)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(yīng)溫度下無(wú)吸熱和放熱，即純海藻纖維沒(méi)有溫度調(diào)節(jié)作用；蓄熱調(diào)溫海藻纖維的溫度調(diào)節(jié)范圍為18～25 ℃，熔化峰溫度為23.8 ℃，放熱焓為18.79 J/g，結(jié)晶峰溫度為22.9 ℃，吸熱焓為16.08 J/g，表明蓄熱調(diào)溫海藻纖維具有一定的蓄熱和溫度調(diào)節(jié)能力。

圖10 蓄熱調(diào)溫海藻纖維(a、c)和純海藻纖維(b、d)的DSC 曲線

3 結(jié)論

隨著相變微膠囊用量、擠出速率、CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，凝固浴溫度升高，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小。當(dāng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、凝固浴溫度為30 ℃時(shí)，纖維形貌最好，調(diào)溫范圍為18～25 ℃，放熱焓為18.79 J/g，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)最大值（3.40 cN/tex，41.85%）。