本发明涉及化纤技术领域，特别涉及一种通过气凝胶改性锦纶长丝及其制备方法。
背景技术：
随着纺织材料技术的进步，国外纺织材料领域实现突破，蓬松度为500的羽绒，克罗值能达到1.7clo，蓬松度850的顶级羽绒制品，克罗值能够达到惊人的2.53clo，仅仅一件单衣就能抵抗零下数十度严寒。这不仅是纺织行业的进步，更是纺织材料的更新带来的对纺织行业的革命。只有不断开发新型纺织材料，并将其与新型加工技术有机融合，才能设计制造出符合人们需求、具有广阔市场前景的新型纺织品。
全球在保暖纤维领域的技术进展，一共有五条发展路线：(1)远红外纤维，通过在纤维材料中融入氧化铝，氧化镁，氧化锆或二氧化钛，二氧化硅等，提高对阳光等外界红外线的吸收，从而起到储热保温的作用。(2)近红外纤维，也是通过吸收自然界的光热达到保温保暖的效果。(3)电发热纤维，通过导电纤维和内置能源产生热量。(4)相变调温纤维，利用物质相态转变时吸收或放出热量的原理，在环境温度较高时吸热，在环境温度较低时放热。(5)吸湿发热纤维，如日本东洋纺开发的eks纤维，在温度20℃，相对湿度65％的条件下，吸放热量是羊毛的两倍。
近几年来，国内也有多所高校和企业投入到保暖纤维材料的研究中。现有技术中，公开号为cn1105199c的发明专利公开了一种具有远红外放射的纤维的制造方法，将聚酯粒与具远红外放射的母粒混合，通过加温挤压、过滤、纺丝后制得具远红外放射的涤纶纤维。公开号为cn103981589a的发明专利申请公开了一种远红外锦纶纤维生产工艺，为了避免添加功能性母粒后对纺丝产生不良影响，原料包括锦纶6切片与功能性母粒，纺丝速度为400-450m/min。公开号为cn102766934a的发明专利申请公开了一种远红外锦纶6fdy纤维纺丝工艺，结合微胶囊技术，以锦纶6切片和添加剂为原料制得的远红外纤维耐久性好。公开号为cn1202294c的发明专利公开了一种锦纶6远红外线纤维及其制作方法，为了解决远红外功能不稳定耐久性差的问题，功能母粒中包含功能粉体、分散剂、偶联剂、抗氧剂，制得远红外纤维耐久性好。
为了研发保暖性更强的可在极寒环境中使用的保暖纤维材料，国内外研究学者都在探索一条新的路线：将气凝胶材料与化学纤维结合，制备气凝胶纤维，制作衣服面料，再将该面料用于羽绒服、户外防护用品、防火服、宇航服及特种作业服等领域，便能够加工出更加轻薄且保温性能更加优异的衣物，使其适用于极寒环境中，发挥其高保暖的功能。
二氧化硅气凝胶是目前应用最广泛的气凝胶，具有疏水、防火、无毒、无腐蚀性等优点，但是，常规的颗粒或块状二氧化硅气凝胶具有高脆性，单独存在时不耐外力冲击，导致其应用受到限制。且其在纺织材料领域的应用，即如何利用二氧化硅气凝胶得到保暖功能强且物理性能优的锦纶长丝的技术，本领域尚未有研究者提出。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种气凝胶改性锦纶长丝及其制备方法，所制得的气凝胶改性锦纶长丝具有较高的保温率，且该制备方法减弱了气凝胶的加入对锦纶长丝生产连续性、生产效率和纱线质量的影响，提高气凝胶改性锦纶长丝的产品物性和生产效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种气凝胶改性锦纶长丝，其原料包括聚酰胺6材料与二氧化硅气凝胶，二氧化硅气凝胶选用二氧化硅气凝胶微球，所述二氧化硅气凝胶微球粒径为500～800nm；所述聚酰胺6材料与二氧化硅气凝胶的质量比为95.5～99.5：0.5～4.5。
进一步的，本发明提供了一种气凝胶改性锦纶长丝的制备方法，包括以下步骤：
1)通过硅源物质水解、缩聚获得具有三维网络结构的二氧化硅凝胶，反应生成以≡si-o-si≡为主体的聚合物，接着再经老化阶段后，形成网络结构的二氧化硅气凝胶微球；
2)二氧化硅气凝胶经多级研磨、筛分，获得形状一致、粒径均匀的二氧化硅气凝胶微球；
3)将二氧化硅气凝胶微球与己内酰胺、分散剂、抗氧化剂混合均匀，经超声、搅拌后得到混合粉体；
4)将混合粉体加入聚合反应釜中，通入氮气或惰性气体排出反应釜内空气，搅拌并升温至90～105℃，接着加入水保持2～3h，然后再将温度升至240～260℃反应6～8h，反应结束后将熔体进行挤出造粒，制得气凝胶母粒；
5)将气凝胶母粒与锦纶切片(锦纶切片即聚酰胺6材料)分别干燥后混合均匀，得到混合切片；
6)将混合切片与锦纶切片混合挤出熔融纺丝，制得气凝胶改性锦纶长丝。
其中步骤6)具体为将混合切片经母粒添加装置、计量泵精确计量后与锦纶切片混合挤出，熔体经计量泵精确计量，进入纺丝组件，经喷丝板喷出形成丝束，再经单体抽吸、侧吹风冷却、集束上油、拉伸定型、网络交络，然后在4500～4800m/min的速度下卷绕成形，制得气凝胶改性锦纶长丝。
其中，步骤6)中聚酰胺6切片和气凝胶改性母粒的特性粘数为2.4～2.6dl/g，侧吹风冷却温度为20～23℃，湿度为75～85％，风速为0.50～0.60m/s，拉伸的第一组导丝辊的转速为3800～3900m/min；第二组导丝辊的转速为4620～4730m/min；第五导丝辊的转速为4500～4800m/min。
进一步的，步骤2)中采用纳米研磨机对二氧化硅气凝胶进行研磨，所述研磨介质的直径为1.0～2.0mm。其中纳米研磨机包括研磨槽和研磨介质，研磨槽为锥形研磨搅拌槽。
进一步的，步骤3)中二氧化硅气凝胶微球与己内酰胺、分散剂、抗氧化剂重量比为5～45：55～95：0.05～0.45：0.01。
进一步的，步骤3)中混合操作在混合机上进行，混合机转速为100～300rpm，混合温度为常温，混合时间为0.5～1.5h。
进一步的，步骤4)中加入的水与己内酰胺重量比为1：1。
进一步的，步骤5)中所述混合操作在混合机上进行，混合机转速为300～500rpm，混合温度为85～95℃，混合时间为0.5～1.5h。
本发明的有益效果在于：
1)目前市售二氧化硅气凝胶粉末颗粒形状复杂、粒径不均匀，易在锦纶长丝内形成应力集中，大幅度降低锦纶长丝的物理性质。采用溶胶-凝胶法制备纳米级二氧化硅气凝胶微球，再经过多级研磨、筛分，获得形状一致、粒径均匀的二氧化硅气凝胶微球。
2)为避免气凝胶粉体在聚合反应前发生团聚，先将二氧化硅气凝胶与己内酰胺、分散剂、抗氧化剂混合，经超声震荡、搅拌机搅拌后得到混合粉体，实现粉末与粉末之间的混合与分散；再将混合粉体加入聚合反应釜进行聚合反应，实现了气凝胶在聚酰胺材料中的均匀分散，减弱了气凝胶的加入对锦纶长丝生产连续性、生产效率和纱线质量的影响，提高气凝胶改性锦纶长丝的产品物性和生产效率。
3)在己内酰胺聚合过程中，以水为催化剂，不影响气凝胶的结构，也不影响气凝胶在混合熔体中的分散，还可促使气凝胶随着水的流动与聚酰胺材料充分混合，避免气凝胶的团聚，促进了气凝胶在聚酰胺材料中的均匀分散，减弱了气凝胶对锦纶长丝生产连续性、生产效率和纱线质量的影响，提高气凝胶改性锦纶长丝的产品物性和生产效率。
4)在熔融纺丝进料前，预先将气凝胶母粒与锦纶切片分别干燥后混合均匀，防止气凝胶母粒经计量泵计量后进入螺杆，无法与锦纶切片充分混合，在气凝胶母粒与锦纶切片均匀混合的前提下，实现气凝胶微球在锦纶长丝中的均匀分散，减弱了气凝胶的加入对锦纶长丝生产连续性、生产效率和纱线质量的影响，提高气凝胶改性锦纶长丝的产品物性和生产效率。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种气凝胶改性锦纶长丝的制备方法，包括以下步骤：
步骤1通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的二氧化硅凝胶，反应生成以≡si-o-si≡为主体的聚合物，再经过老化阶段后，形成网络结构的二氧化硅气凝胶微球。
步骤2将二氧化硅气凝胶经过多级研磨、筛分，获得形状一致、粒径均匀的二氧化硅气凝胶微球。
步骤3将二氧化硅气凝胶微球与己内酰胺、分散剂、抗氧化剂按重量比20：80：0.20：0.01混合均匀，经超声震荡、搅拌机搅拌后得到混合粉体。
步骤4将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至90～105℃，加入水，保持2～3小时后，再继续升温至240～260℃后反应6～8小时，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
步骤5将气凝胶母粒与锦纶切片按重量比1：1分别干燥后混合均匀，经过搅拌机搅拌得到混合切片。
步骤6将混合切片经母粒添加装置、计量泵精确计量后与锦纶切片按重量比1：4混合挤出，熔体经计量泵精确计量，进入纺丝组件，经喷丝板喷出形成丝束，再经单体抽吸、侧吹风冷却、集束上油、拉伸定型、网络交络，然后在4500～4800m/min的速度下卷绕成形，制得气凝胶改性锦纶长丝。
所述步骤2中二氧化硅气凝胶微球粒径为500～700nm。
所述步骤4将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至90℃，加入水，水与己内酰胺重量比为1:1，保持3小时后，再继续升温至240℃后反应8小时，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
所述步骤5中混合的条件为：所述混合操作在混合机上进行，混合机转速为300rpm，混合温度为95℃，混合时间为1.5h。
实施例2
一种气凝胶改性锦纶长丝的制备方法，包括以下步骤：
步骤1通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的二氧化硅凝胶，反应生成以≡si-o-si≡为主体的聚合物，再经过老化阶段后，形成网络结构的二氧化硅气凝胶微球。
步骤2将二氧化硅气凝胶经过多级研磨、筛分，获得形状一致、粒径均匀的二氧化硅气凝胶微球。
步骤3将二氧化硅气凝胶微球与己内酰胺、分散剂、抗氧化剂按重量比30：70：0.30：0.01混合均匀，经超声震荡、搅拌机搅拌后得到混合粉体。
步骤4将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至90～105℃，加入水，保持2～3小时后，再继续升温至240～260℃后反应6～8小时，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
步骤5将气凝胶母粒与锦纶切片按重量比1：1分别干燥后混合均匀，经过搅拌机搅拌得到混合切片。
步骤6将混合切片经母粒添加装置、计量泵精确计量后与锦纶切片按重量比1：4混合挤出，熔体经计量泵精确计量，进入纺丝组件，经喷丝板喷出形成丝束，再经单体抽吸、侧吹风冷却、集束上油、拉伸定型、网络交络，然后在4500～4800m/min的速度下卷绕成形，制得气凝胶改性锦纶长丝。
所述步骤2中二氧化硅气凝胶微球粒径为600～800nm。
所述步骤4将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至105℃，加入水，水与己内酰胺重量比为1:1，保持2小时后，再继续升温至260℃后反应6小时，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
所述步骤5中混合的条件为：所述混合操作在混合机上进行，混合机转速为500rpm，混合温度为85℃，混合时间为0.5h。
实施例3
步骤1通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的二氧化硅凝胶，反应生成以≡si-o-si≡为主体的聚合物，再经过老化阶段后，形成网络结构的二氧化硅气凝胶微球。
步骤2将二氧化硅气凝胶经过多级研磨、筛分，获得形状一致、粒径均匀的二氧化硅气凝胶微球。
步骤3将二氧化硅气凝胶微球与己内酰胺、分散剂、抗氧化剂按重量比40：60：0.40：0.01混合均匀，经超声震荡、搅拌机搅拌后得到混合粉体。
步骤4将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至90～105℃，加入水，保持2～3小时后，再继续升温至240～260℃后反应6～8小时，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
步骤5将气凝胶母粒与锦纶切片按重量比1：1分别干燥后混合均匀，经过搅拌机搅拌得到混合切片。
步骤6将混合切片经母粒添加装置、计量泵精确计量后与锦纶切片按重量比1：4混合挤出，熔体经计量泵精确计量，进入纺丝组件，经喷丝板喷出形成丝束，再经单体抽吸、侧吹风冷却、集束上油、拉伸定型、网络交络，然后在4500～4800m/min的速度下卷绕成形，制得气凝胶改性锦纶长丝。
所述步骤2中二氧化硅气凝胶微球粒径为550～750nm。
所述步骤4将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至100℃，加入水，水与己内酰胺重量比为1:1，保持2小时后，再继续升温至250℃后反应7小时，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
所述步骤5中混合的条件为：所述混合操作在混合机上进行，混合机转速为400rpm，混合温度为90℃，混合时间为1.0h。
实施例4
一种气凝胶改性锦纶长丝的制备方法，包括以下步骤：
1)通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的二氧化硅凝胶，反应生成以≡si-o-si≡为主体的聚合物，再经过老化阶段后，形成网络结构的二氧化硅气凝胶微球。
2)将二氧化硅气凝胶经过多级研磨、筛分，获得形状一致、粒径均匀的二氧化硅气凝胶微球，二氧化硅气凝胶微球粒径为550～750nm。
3)将二氧化硅气凝胶微球与己内酰胺、分散剂、抗氧化剂按重量比25：75：0.25：0.01混合均匀，其中混合机转速为100～300rpm，混合温度为常温，混合时间为0.5～1.5h，接着超声震荡、搅拌机搅拌后得到混合粉体。
4)将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至100℃，加入水，其中水与己内酰胺重量比为1:1，保持2h后，再继续升温至250℃后反应7h，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
5)将气凝胶母粒与锦纶切片按重量比1：1分别干燥后混合均匀，混合操作在混合机上进行，混合机转速为300～500rpm，混合温度为85～95℃，混合时间为0.5～1.5h，得到混合切片。
6)将混合切片经母粒添加装置、计量泵精确计量后与锦纶切片按重量比1：4混合挤出，熔体经计量泵精确计量，进入纺丝组件，经喷丝板喷出形成丝束，再经单体抽吸、侧吹风冷却、集束上油、拉伸定型、网络交络，然后在4500～4800m/min的速度下卷绕成形，制得气凝胶改性锦纶长丝。
步骤6)中聚酰胺6切片和气凝胶改性母粒的特性粘数为2.4～2.6dl/g，侧吹风冷却温度为22℃，湿度为80％，风速为0.58m/s，拉伸的第一组导丝辊的转速为3860m/min；第二组导丝辊的转速为4680m/min；第五导丝辊的转速为4600m/min。
本实施例中聚酰胺6材料与二氧化硅气凝胶的质量比为97.5：2.5。
实施例5
一种气凝胶改性锦纶长丝的制备方法，包括以下步骤：
1)通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的二氧化硅凝胶，反应生成以≡si-o-si≡为主体的聚合物，再经过老化阶段后，形成网络结构的二氧化硅气凝胶微球。
2)将二氧化硅气凝胶经过多级筛分，获得形状一致、粒径均匀的二氧化硅气凝胶微球，二氧化硅气凝胶微球粒径为500～700nm。
3)将二氧化硅气凝胶微球与己内酰胺、抗氧化剂按重量比45：55：0.45：0.01混合均匀，其中混合机转速为100～300rpm，混合温度为常温，混合时间为0.5～1.5h，经超声震荡、搅拌机搅拌后得到混合粉体。
4)将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至90～105℃，加入水，保持2～3h后，再继续升温至240～260℃后反应6～8h，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
5)将气凝胶母粒与锦纶切片按重量比1：1分别干燥后混合均匀，混合操作在混合机上进行，混合机转速为300～500rpm，混合温度为85～95℃，混合时间为0.5～1.5h，然后经过搅拌机搅拌得到混合切片。
6)将混合切片经母粒添加装置、计量泵精确计量后与锦纶切片按重量份1：4混合挤出，熔体经计量泵精确计量，进入纺丝组件，经喷丝板喷出形成丝束，再经单体抽吸、侧吹风冷却、集束上油、拉伸定型、网络交络，然后在4500～4800m/min的速度下卷绕成形，制得气凝胶改性锦纶长丝。
步骤6)中聚酰胺6切片和气凝胶改性母粒的特性粘数为2.5～2.6dl/g，侧吹风冷却温度为23℃，湿度为75％，风速为0.50m/s，拉伸的第一组导丝辊的转速为3800m/min；第二组导丝辊的转速为4620m/min；第五导丝辊的转速为4600m/min。
本实施例中聚酰胺6材料与二氧化硅气凝胶的质量比为95.5：4.5。
通过以上工艺步骤生产出的气凝胶改性锦纶长丝(85d/48f)可连续生产80h、不断头，对通过以上工艺步骤生产出的气凝胶改性锦纶长丝进行检测，结果如下：断裂强度为4.22cn/dtex，断裂伸长率为46.23％，织物保温率25％。所述高速纺丝生产气凝胶改性锦纶长丝的生产方法确保了气凝胶改性锦纶长丝的产品物性和生产效率。
实施例6
一种气凝胶改性锦纶长丝的制备方法，包括以下步骤：
1)通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的二氧化硅凝胶，反应生成以≡si-o-si≡为主体的聚合物，再经过老化阶段后，形成网络结构的二氧化硅气凝胶微球。
2)将二氧化硅气凝胶经过多级筛分，获得形状一致、粒径均匀的二氧化硅气凝胶微球，二氧化硅气凝胶微球粒径为600～800nm。
3)将二氧化硅气凝胶微球与己内酰胺、抗氧化剂按重量比5：95：0.05：0.01混合均匀，其中混合机转速为100～300rpm，混合温度为常温，混合时间为0.5～1.5h，经超声震荡、搅拌机搅拌后得到混合粉体。
4)将混合粉体加入聚合反应釜，通入氮气以排出聚合反应釜内的空气，保持搅拌，然后开始升温至90～105℃，加入水，保持2～3h后，再继续升温至240～260℃后反应6～8h，反应结束后，熔体由喷头挤出后经水冷、切粒、干燥，制得气凝胶母粒。
5)将气凝胶母粒与锦纶切片按重量比1：1分别干燥后混合均匀，混合操作在混合机上进行，混合机转速为300～500rpm，混合温度为85～95℃，混合时间为0.5～1.5h，然后经过搅拌机搅拌得到混合切片。
6)将混合切片经母粒添加装置、计量泵精确计量后与锦纶切片按重量份1：4混合挤出，熔体经计量泵精确计量，进入纺丝组件，经喷丝板喷出形成丝束，再经单体抽吸、侧吹风冷却、集束上油、拉伸定型、网络交络，然后在4500～4800m/min的速度下卷绕成形，制得气凝胶改性锦纶长丝。
步骤6)中聚酰胺6切片和气凝胶改性母粒的特性粘数为2.4～2.5dl/g，侧吹风冷却温度为20℃，湿度为85％，风速为0.6m/s，拉伸的第一组导丝辊的转速为3900m/min；第二组导丝辊的转速为4730m/min；第五导丝辊的转速为4800m/min。
本实施例中聚酰胺6材料与二氧化硅气凝胶的质量比为99.5：0.5。
通过以上工艺步骤生产出的气凝胶改性锦纶长丝(85d/48f)可连续生产60h、不断头，对通过以上工艺步骤生产出的气凝胶改性锦纶长丝进行检测，结果如下：断裂强度为4.69cn/dtex，断裂伸长率为48.35％，织物保温率30％。所述高速纺丝生产气凝胶改性锦纶长丝的生产方法确保了气凝胶改性锦纶长丝的产品物性和生产效率。
综上所述，本发明提供一种气凝胶改性锦纶长丝及其制备方法，通过气凝胶制备方法的改进、气凝胶加入方法的改变以及高速熔融纺丝工艺的优化，该方法可有效打破现有技术中保暖材料的限制，获得的气凝胶改性锦纶长丝在极寒环境下使用时的保温率更高，且气凝胶改性锦纶长丝中，气凝胶微球分散均匀，气凝胶的加入对锦纶长丝生产连续性、生产效率和纱线质量的影响小，提高气凝胶改性锦纶长丝的产品物性和生产效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。