一种大面积的柔性压电自发热无纺布及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大面积的柔性压电自发热无纺布及其制备方法，本发明属于功能 纺织材料领域。
【背景技术】
[0002] 自发热织物是利用织物自身的特殊的物理、化学性质，在不需要外界加热条件下 产生热能，在寒冷的天气能发挥御寒、保健和治疗的功效。自发热织物可制备成发热衣、发 热鞋垫、发热袜、发热床垫、发热汽车坐垫等，具有低碳环保、节能和方便的特点，能显著提 升居民的生活质量，具有广阔的市场经济价值。
[0003] 由于自发热织物不需要外部加热条件，因而自发热织物的开发目前主要以远红外 发热、吸湿发热为主。例如：中国专利公开号CN103122490,公开日期为2013年5月29日， 公开了一种远红外自发热保暖织物，该织物以定量的电气石、银粒子、铁粉均匀的植入纤维 内部而纺成的纤维，纤维有机结合在一起形成织物。中国专利公开号CN103317781A，公开 日期为2013年9月25日，公开了一种远红外纤维面料，该面料由表层、中层、底层组成。底 层为远红外面料，由海藻纤维、棉纤维、大豆纤维混纺织造而成。中国专利号CN104389043 A，公开日期为2015年3月4日，公开了一种远红外保暖发热纤维，该纤维由聚己内酰胺、 电气石粉、竹碳粉体及助剂经共混纺丝而成。远红外自发热基本原理是利用织物纤维中所 含的特定的陶瓷类粉末对红外光的吸收和辐射功能，从而将红外光的能量转化为织物的热 能，发挥保暖的功效。中国专利公开号CN102220651A，公开日期为2011年10月19日，公 开了一种吸湿发热纤维及其制备方法，将丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸按一定比例混合，处理 后湿法纺丝制得一种吸湿发热纤维。中国专利号CN104420000A，公开日期为2015年3 月18日，公开了一种兼具蓄热效果的发热纤维的制备方法，该纤维由在高温下碳化的植物 碳与沸石、二氧化钛、氧化锌、氧化钙混合后制成母粒，熔融纺丝而成。纤维吸湿发热基本原 理是利用纤维超强的吸湿性，当纤维吸收水分时，纤维分子中的亲水基团与水分子结合，水 分子的动能降低，同时转换为热能释放出来。通常吸湿发热性能与回潮率有很大关系，纤维 的回潮率大则吸湿发热性能好，回潮率小则吸湿发热性能差，当纤维吸湿饱和时，就不易再 产生热量。
[0004] 上述举例表明，远红外自发热织物和吸湿发热纤维都主要是利用光或水蒸气的能 量转化为织物的热能，对纤维材料的性能和稳定性的要求很高。此外，纤维的发热效果受区 域气候、环境温度和湿度的影响很大，导致其使用环境和领域受到了很大的限制。
[0005]近年来，利用材料的压电效应实现能量的产生、存储和转换的研究备受关注。中国 专利公开号CN104382280,公开日期为2015年3月4日，公开了一种基于压电材料的节能 电热保暖鞋子。该鞋子由压电储能单元备用电源以及导线组成，使人在走动时将机械能转 换为电能，再由电能转换为热能达到自发热的效果。上述专利中使用的压电材料主要为成 品化的压电器件，无法满足大范围的柔性使用要求。而以柔性的压电自纤维或织物作为压 电自发热材料使用，则真正具备使用方便，可穿戴、洗涤、弯折、重复利用化等低碳环保的特 点。中国专利公开号CN170793A公开了一种金属芯的压电陶瓷纤维，其中公开了压电材料 为聚偏氟乙烯（PVDF)或聚氯乙烯（PVC)含金属芯雅典纤维。中国发明专利CN101304069A 公开了一种部分涂布电极的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其中压电陶瓷材料为压电高分子 材料的含金属芯压电纤维。上述发明专利中含有金属芯的压电高分子纤维，都是单独作为 传感器或驱动器或采集能量器使用，无法满足大范围的柔性使用要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种大面积的柔性压电自发热无纺布及其制备方法，该方 法采用添加压电陶瓷粉，使制得的无纺布具有压电自发热效应，克服了远红外发热、吸湿发 热的纤维局限性以及一些自发热纤维需要外接电源的局限性；加入的一维导电材料材料， 使得织物中形成回路且产生电势差时，有电流通过，加入导电粉末增强电子的流通效果。压 电材料（压电陶瓷粉）节能方便，还具有热电和压电的双重效应，与人体磁场形成共振共 鸣，不仅有保暖防护作用也有保健的功效，同时制成的无纺布无需外部电源，低碳环保，安 全可靠。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种大面积的柔性压电自发热无 纺布，其特征在于：由聚合物母粒、压电陶瓷粉、一维导电材料和导电粉末制备而成，各组分 所占质量百分数如下：
[0008]
[0009] 上述的一种大面积的柔性压电自发热无纺布的制备方法，其特征在于包括以下步 骤：
[0010] 1)按各组分所占质量百分数为：聚合物母粒80% -92.5%、压电陶瓷粉 2. 5% -10%、一维导电材料5% -10%、导电粉末0-5% ;将聚合物母粒、压电陶瓷粉与一维 导电材料、导电粉末放入共混机共混，使其混合均匀，投入双螺杆共混挤出，匀速牵伸，得到 共混纤维；
[0011] 2)再将得到的共混纤维用造粒机造粒，得到的粒料放入烘箱中70-130°C烘3-12 小时；将烘好的粒料放入纺丝机纺丝，得到压电自发电纤维；
[0012] 3)将制得的压电自发电纤维进行定向或随机排列形成纤网结构，然后进行加固 (采用机械、热粘或化学等方法进行加固），再制备成无纺布（再经过不同的处理方法如针 刺或水刺、热压等制备成不同的无纺布），得到一种大面积的柔性压电自发热无纺布，发热 温度达到0. 2-1. 5°C。
[0013]所述的聚合物母粒可以为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PA6(尼龙6)、PA66(尼 龙66)、PTT(聚对苯二甲酸丙二醇酯）、PP(聚丙烯）等中的一种。
[0014]所述的压电陶瓷粉为具有钙钛矿型结构的BaTi03、PbZr03、PbTiO3JbxZr1x03(PZT，其中x= 0-1)的一种或多种按任意配比的混合物，其颗粒直径为50-800nm，含量的多少取 决于对保暖性能的研究。
[0015] 所述的一维导电材料为具有一维形态的碳纳米管、碳纳米纤维、银纳米线、石墨 稀纳米带、石墨稀纳米线中的一种或几种按任意配比组成，其直径为l〇-l〇〇〇nm，长度为 100_2000nm〇
[0016] 所述的导电粉末为颗粒形态的导电纳米碳粉、石墨烯纳米粉中的一种或两种按任 意配比混合组成，其颗粒直径为10-300nm。
[0017] 所述的纺丝机纺丝过程中牵伸机需勾速牵伸，牵伸机的牵伸速率为1000-5000m/ min，纺丝速率可由所纺纤维决定低速、高速纺丝。
[0018] 纺丝温度必须高于熔点而低于分解温度，取决于聚合物母粒的类型，如PET的纺 丝温度为270-300°C，PA6(尼龙6)纺丝温度需控制在250-280°C，PA66(尼龙66)纺丝温度 为 280-290cC。
[0019] 本发明无纺布中有压电陶瓷粉，能通过对纺织品的压力产生弱电流，在通过无纺 布中的导电发热材料使电流流通，从而使在没有外接电源情况下使无纺布产生自发热。本 发明应用在发热保暖衣、坐垫、鞋垫、床垫等纺织品上。
[0020] 本发明的有益效果是：将内掺杂压电陶瓷和导电材料的聚合物纤维制备成无纺 布，利用无纺布中的压电陶瓷粉末受到外界机械力挤压、拉伸、弯曲等形变时，压电陶瓷材 料会产生电势差（使无纺布在受到压力时能够产生电势差），通过混在纤维中的碳纳米管、 石墨烯纳米带、银纳米线等一维导电材料，使电流流通，同时以导电粉体增强电子的流通 性，从而实现由机械能转化为电能，再由电能转换为热能的自发热效果。此外还可以根据 不同要求，对无纺布进行不同改变，比如将纤维制成中空纤维、异形纤维使无纺布有不同功 效，或者将无纺布制成不同纺织品。当应用压电自发热无纺布制成纺织品时，可按实际情况 加入储能元件，以及温控元件，使其多余电能有效储存起来。这种自发热无纺布电流低，加 热安全，且不用外部电源，节能方便、低碳环保，能显著提升居民的生活质量，具有广阔的市 场经济价值、更加广泛的使用范围。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明将织物两端接导线并连接柔性蓄电装置，就能使织物产生的热能储 存起来的示意图。
【具体实施方式】
[0022] 以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于 下面的实施例。
[0023] 实施例1
[0024] 一种大面积的柔性压电自发热无纺布的制备方法，包括以下步骤：
[0025] 1)按PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯）母粒（即聚合物母粒）、BaTi03、碳纳米管、纳 米碳粉（导电纳米碳粉）的质量比为80:5:10:5,选取聚合物母粒（即PET)、压电陶瓷粉 (BaTiO3)、一维导电材料（碳纳米管）、导电粉末（纳米碳粉）；
[0026] 2)将压电陶瓷粉BaTiO3、一维导电材料、导电粉末与PET(聚对苯二甲酸乙二醇 酯）母粒放入共混机共混，使其混合均匀，得到混合物料；将混合均匀的混合物料放入双螺 杆挤出机熔融挤出、匀速牵伸得到共混纤维（即压电陶瓷粉/ 一维导电材料/导电粉末/ 母粒共混纤维）；再将得到的共混纤维用造粒机造粒，得到的粒料放入烘箱中130°C烘4小 时；将烘好的粒料放入纺丝机纺丝，得到压电自发电纤维；
[0027] 使用的压电陶瓷粉BaTiO