一种二氧化硅气凝胶复合保温面料及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及面料技术领域，具体为一种二氧化硅气凝胶复合保温面料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
每当天气降温的时候人们通常会选择添加衣物来抵御寒冷，但是穿着过多的衣物会给人造成笨重、行动不便的困扰，尤其是当人们需要出席一些正式场合的时候，就亟需一款既轻薄又保暖的面料制成的服饰来满足人们的需要。
[0003]
二氧化硅气凝胶是一种具有多孔网络结构的材料，具有较高的比表面积、低导热率、低折射率，将其添加到面料中制成的衣物具有超薄、隔热保温，疏水透气的优异性能，但是二氧化硅气凝胶力学性能较差，质脆易裂，限制其发展；目前将二氧化硅气凝胶引入面料中的方法主要有两个，一种是直接将二氧化硅气凝胶涂覆在面料表面；另一种是将二氧化硅直接与纺丝液混合制成面料；前者制备得到的面料中的二氧化硅会随着日常使用和洗涤过程逐渐流失，并使得保温面料的保温性能逐渐下降直至消失；第二种方法由于二氧化硅气凝胶在纺丝液中易发生团聚，容易造成纺丝管道出口的堵塞，增加对机器的维护成本，同时二氧化硅气凝胶的直接添加对纤维性能也具有一定影响。
[0004]
为了解决上述问题，人们迫切需要一种轻薄、耐洗涤、保温效果好的面料及其制备方法。


技术实现要素：

[0005]
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种二氧化硅气凝胶复合保温面料及其制备方法。
[0006]
一种二氧化硅气凝胶复合保温面料，所述保温面料主要成分为复合纤维，所述复合纤维包括改性长纤、壳材，所述壳材包裹在改性长纤外，所述改性长纤、壳材的质量比例为(1-3)：5。
[0007]
进一步的，所述改性长纤各原料组分如下：以重量份计，改性电气石60-90份、基材混合料100-120份、六钛酸钾晶须25-45份、碳化硼20-40份、可溶性淀粉30-60份。
[0008]
本发明制得的改性长纤中添加的基材混合料具有较强的隔热保温、耐高温性能，六钛酸钾晶须的加入能够进一步降低基材混合料的热导率，强化改性长纤的隔热保温能力；本发明中特别添加的碳化硼在高温环境下发生氧化变成氧化硼，能够显著增强改性长纤熔融物质的浆料粘度，同时对改性长纤的保温隔热、耐高温性能进一步强化；本发明中添加的可溶性淀粉在碳化硼尚未氧化成氧化硼时，对熔融物质起到暂时性粘结的作用，待熔融物质的浆料温度进一步升高时，可溶性淀粉在高温下完全氧化分解形成孔隙；制备得到的改性长纤多孔结构以及优异的隔热保温性能。
[0009]
进一步的，所述基材混合料为石英石、煤矸石、莫来石、焦宝石中的一种或多种。
[0010]
进一步的，所述壳材主要包括改性二氧化硅气凝胶、纤维基材，所述改性二氧化硅
气凝胶、纤维基材的质量比例为(1-3):10。
[0011]
进一步的，所述改性电气石各原料组分如下：以重量份计，电气石90-100份、阳离子表面活性剂60-80份、氧化石墨烯50-70份。
[0012]
进一步的，所述阳离子表面活性剂为2-烷基氨基乙基咪唑啉、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵中的一种或多种。
[0013]
本发明中使用的电气石为纳米尺寸的电气石，而氧化石墨烯、电气石等纳米粒子在水中容易发生团聚，影响反应过程的顺利进行以及产品的生产质量，为了获得高质量产品，提高纳米粒子在水中的分散性，本发明使用阳离子表面活性剂对电气石进行改性；阳离子表面活性剂进入水中以后自动解离形成阳离子并作用在电气石上，再通过位阻效应、静电斥力与氧化石墨烯形成复合物，将氧化石墨烯与电气石接枝在一起；阳离子表面活性剂的加入一方面间接增强了电气石的正电性，加强了电气石的抗菌抑菌能力，另一方面通过静电作用增强了改性电气石的分散性，以及电气石与氧化石墨烯之间的界面结合力；氧化石墨烯为改性电气石提供了丰富的反应活性位点，利于后续反应的发生。
[0014]
进一步的，所述改性二氧化硅气凝胶各原料组分如下：以重量份计，正硅酸乙酯80-100份、n,n-二甲基甲酰胺40-50份、β-环糊精/金属有机骨架复合物20-30份、正己烷50-60份、聚乙烯亚胺30-35份、交联剂28-32份；所述交联剂为戊二醛。
[0015]
本发明中制得的二氧化硅气凝胶具有壳核结构，在二氧化硅气凝胶中特别添加β-环糊精/金属有机骨架复合物得到二氧化硅气凝胶核层，在二氧化硅气凝胶核层外再包裹一层具有丰富氨基活性位点的聚乙烯亚胺制得改性二氧化硅气凝胶；β-环糊精/金属有机骨架复合物上具有丰富的活性位点，可显著改善二氧化硅气凝胶的力学性能，β-环糊精/金属有机骨架复合物上含有丰富的羟基，使其与二氧化硅溶胶具有较好的相容性，同时大量羟基的存在还能有效避免二氧化硅气凝胶在干燥过程中出现开裂，以及二氧化硅气凝胶孔隙中水分蒸发后，凝胶表面产生毛细管力而产生的孔径坍塌问题；
[0016]
本发明中添加的聚乙烯亚胺具有丰富的氨基活性位点，二氧化硅气凝胶核层上具有丰富的羟基，将聚乙烯亚胺、二氧化硅气凝胶核层之间通过戊二醛进行交联，将聚乙烯亚胺包裹在二氧化硅气凝胶核层外得到改性二氧化硅气凝胶；改性二氧化硅气凝胶上存在大量的氨基，由于静电作用力，使得改性二氧化硅气凝胶在纤维基材中的分散性更好。
[0017]
本发明将改性二氧化硅气凝胶、纤维基材混合制成壳材并包裹在改性长纤外，改性二氧化硅气凝胶上存在大量氨基，改性长纤上由于氧化石墨烯的存在而含有大量的有机官能团，通过分子间作用力，改性二氧化硅气凝胶逐渐被接枝在改性长纤上，部分改性二氧化硅气凝胶还会接枝在改性长纤上的孔洞中，粘结在改性二氧化硅气凝胶上的纤维基材也会随之吸附在改性长纤上，从而使得纤维基材也能充分渗入纤维长纤的孔洞，并形成物理锁扣，有效避免了改性二氧化硅气凝胶的流失，增强了复合纤维的力学性能。
[0018]
所述纤维基材为聚氨酯、聚乳酸、聚己内酯中的一种或多种。
[0019]
一种二氧化硅气凝胶复合保温面料，包括以下步骤：
[0020]
s1.制备改性电气石；
[0021]
s2.制备改性长纤；
[0022]
s3.制备改性气凝胶；
[0023]
s4.制备保温面料。
[0024]
具体包括以下步骤：
[0025]
s1.制备改性电气石：
[0026]
a.将电气石加入到去离子水中搅拌分散，加入阳离子表面活性剂超声分散70-90min，得到a液；
[0027]
b.将氧化石墨烯置于去离子水中超声分散70-90min得到b液；
[0028]
c.将b液缓缓倒入a液中超声分散60-80min，抽滤干燥得到改性电气石；
[0029]
s2.制备改性长纤：
[0030]
a.将改性电气石、基材混合料、六钛酸钾晶须混合均匀，加入去离子水并球磨4-8h得到混合物料a；使得各原料组分之间达到原子级别的混合；
[0031]
b.将混合物料a经过高温熔融后加入碳化硼粉、可溶性淀粉搅拌反应3-5h，通过喷吹或离心甩丝工艺制成改性长纤；
[0032]
s3.制备改性气凝胶：
[0033]
a.核层：将正硅酸乙酯、n,n-二甲基甲酰胺置于乙醇溶液中搅拌混合，于30-50℃温度下调节ph值为1-4，加入β-环糊精/金属有机骨架复合物搅拌反应60-90min，调节ph值为7-9，老化20-30h，用正己烷置换20-24h，干燥后于480-560℃条件下高温煅烧得到改性二氧化硅气凝胶核层；
[0034]
b.合成改性气凝胶：将改性二氧化硅气凝胶核层、聚乙烯亚胺置于去离子水中搅拌混匀，加入交联剂搅拌反应3-5h，取出置于乙醇中浸渍3-8h，干燥得到改性气凝胶；
[0035]
s4.制备保温面料。
[0036]
进一步的，所述步骤s3.中的干燥方法为常压干燥，具体干燥条件为：先于40-50℃条件下干燥10-12h，再于60-80℃条件下干燥10-12h，最后置于90-110℃条件下干燥10-12h。
[0037]
本发明主要采用常压干燥的方法，一方面可有效阻碍改性二氧化硅气凝胶上的羟基在后期干燥过程中进一步靠近而发生缩聚；另一方面可以降低生产成本；特别的，本发明还采用逐级升温的方式进行干燥，使得干燥过程更加温和充分，避免了直接升温干燥造成改性二氧化硅气凝胶孔道坍塌以及骨架收缩过度的风险，制备得到的改性二氧化硅气凝胶孔隙更均匀，保温隔热效果更好，收率更高。
[0038]
进一步的，所述步骤s4.保温面料的制备方法为：(1)将纤维基材熔融并加入改性气凝胶混合均匀，得到壳材；(2)将改性多孔长纤导入包覆纱机中，同时放入壳材，通过特殊线孔导出包覆有壳材的复合纤维；(3)将复合纤维冷却固化，编织得到保温面料。
[0039]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0040]
本发明中的保温面料主要由具有壳核结构的复合纤维编织而成，复合纤维的核材为改性长纤，所述改性长纤中特别添加有改性电气石，制备得到的复合纤维不仅能够释放远红外波段的电磁辐射，产生负氧离子，还具有一定的抗菌、除臭功效；复合纤维的壳材主要由改性二氧化硅气凝胶、纤维基材混合而成，所述改性二氧化硅气凝胶具有优异的力学性能和较强的隔热保温功能；将改性长纤、壳材复合得到的复合纤维隔热保温、除臭抗菌、耐洗涤效果优异。
[0041]
本发明采用将纤维基材包裹改性长纤的方法制得复合纤维并将其制成面料，有效避免了隔热保温面料在日常使用和洗涤过程中保温材料的流失，显著提升了保温面料的使
用寿命，由于改性二氧化硅气凝胶是直接接枝在改性长纤上的，并不会因为二氧化硅气凝胶的存在导致纤维基材含量下降，从而带来纤维基材力学性能降低的问题。
具体实施方式
[0042]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0043]
实施例1
[0044]
一种二氧化硅气凝胶复合保温面料，所述改性长纤、壳材的质量比例为1：5。
[0045]
所述改性长纤各原料组分如下：以重量份计，改性电气石60份、基材混合料100份、六钛酸钾晶须25份、碳化硼20份、可溶性淀粉30份。
[0046]
所述改性二氧化硅气凝胶、纤维基材的质量比例为1:10。
[0047]
所述改性电气石各原料组分如下：以重量份计，电气石90份、阳离子表面活性剂60份、氧化石墨烯50份。
[0048]
所述改性二氧化硅气凝胶各原料组分如下：以重量份计，正硅酸乙酯80份、n,n-二甲基甲酰胺40份、β-环糊精/金属有机骨架复合物20份、正己烷50份、聚乙烯亚胺30份、交联剂28份。
[0049]
s1.制备改性电气石：
[0050]
a.将电气石加入到去离子水中搅拌分散，加入阳离子表面活性剂超声分散70min，得到a液；
[0051]
b.将氧化石墨烯置于去离子水中超声分散70min得到b液；
[0052]
c.将b液缓缓倒入a液中超声分散60min，抽滤干燥得到改性电气石；
[0053]
s2.制备改性长纤：
[0054]
a.将改性电气石、基材混合料、六钛酸钾晶须混合均匀，加入去离子水并球磨4h得到混合物料a；使得各原料组分之间达到原子级别的混合；
[0055]
b.将混合物料a经过高温熔融后加入碳化硼粉、可溶性淀粉搅拌反应3h，通过喷吹或离心甩丝工艺制成改性长纤；
[0056]
s3.制备改性气凝胶：
[0057]
a.核层：将正硅酸乙酯、n,n-二甲基甲酰胺置于乙醇溶液中搅拌混合，于30℃温度下调节ph值为1，加入β-环糊精/金属有机骨架复合物搅拌反应60min，调节ph值为7，老化20h，用正己烷置换20h，先于40℃条件下干燥10h，再于60℃条件下干燥10h，最后置于90℃条件下干燥10h，最后置于480℃条件下高温煅烧得到改性二氧化硅气凝胶核层；
[0058]
b.合成改性气凝胶：将改性二氧化硅气凝胶核层、聚乙烯亚胺置于去离子水中搅拌混匀，加入交联剂搅拌反应3h，取出置于乙醇中浸渍3h，先于40℃条件下干燥10h，再于60℃条件下干燥10h，最后置于90℃条件下干燥10h，得到改性气凝胶；
[0059]
s4.制备保温面料：
[0060]
a.将纤维基材熔融并加入改性气凝胶混合均匀，得到壳材；
[0061]
b.将改性多孔长纤导入包覆纱机中，同时放入壳材，通过特殊线孔导出包覆有壳
材的复合纤维；
[0062]
c.将复合纤维冷却固化，编织得到保温面料。
[0063]
实施例2
[0064]
一种二氧化硅气凝胶复合保温面料，所述改性长纤、壳材的质量比例为2：5。
[0065]
所述改性长纤各原料组分如下：以重量份计，改性电气石75份、基材混合料110份、六钛酸钾晶须35份、碳化硼30份、可溶性淀粉45份。
[0066]
所述改性二氧化硅气凝胶、纤维基材的质量比例为1:5。
[0067]
所述改性电气石各原料组分如下：以重量份计，电气石95份、阳离子表面活性剂70份、氧化石墨烯60份。
[0068]
所述改性二氧化硅气凝胶各原料组分如下：以重量份计，正硅酸乙酯90份、n,n-二甲基甲酰胺45份、β-环糊精/金属有机骨架复合物25份、正己烷55份、聚乙烯亚胺33份、交联剂30份。
[0069]
s1.制备改性电气石：
[0070]
a.将电气石加入到去离子水中搅拌分散，加入阳离子表面活性剂超声分散80min，得到a液；
[0071]
b.将氧化石墨烯置于去离子水中超声分散80min得到b液；
[0072]
c.将b液缓缓倒入a液中超声分散70min，抽滤干燥得到改性电气石；
[0073]
s2.制备改性长纤：
[0074]
a.将改性电气石、基材混合料、六钛酸钾晶须混合均匀，加入去离子水并球磨6h得到混合物料a；使得各原料组分之间达到原子级别的混合；
[0075]
b.将混合物料a经过高温熔融后加入碳化硼粉、可溶性淀粉搅拌反应4h，通过喷吹或离心甩丝工艺制成改性长纤；
[0076]
s3.制备改性气凝胶：
[0077]
a.核层：将正硅酸乙酯、n,n-二甲基甲酰胺置于乙醇溶液中搅拌混合，于40℃温度下调节ph值为3，加入β-环糊精/金属有机骨架复合物搅拌反应75min，调节ph值为8，老化25h，用正己烷置换22h，先于45℃条件下干燥11h，再于70℃条件下干燥11h，最后置于100℃条件下干燥11h，最后置于520℃条件下高温煅烧得到改性二氧化硅气凝胶核层；
[0078]
b.合成改性气凝胶：将改性二氧化硅气凝胶核层、聚乙烯亚胺置于去离子水中搅拌混匀，加入交联剂搅拌反应4h，取出置于乙醇中浸渍6h，先于45℃条件下干燥11h，再于70℃条件下干燥11h，最后置于100℃条件下干燥11h，得到改性气凝胶；
[0079]
s4.制备保温面料：
[0080]
a.将纤维基材熔融并加入改性气凝胶混合均匀，得到壳材；
[0081]
b.将改性多孔长纤导入包覆纱机中，同时放入壳材，通过特殊线孔导出包覆有壳材的复合纤维；
[0082]
c.将复合纤维冷却固化，编织得到保温面料。
[0083]
实施例3
[0084]
一种二氧化硅气凝胶复合保温面料，所述改性长纤、壳材的质量比例为3：5。
[0085]
所述改性长纤各原料组分如下：以重量份计，改性电气石90份、基材混合料120份、六钛酸钾晶须45份、碳化硼40份、可溶性淀粉60份。
[0086]
所述改性二氧化硅气凝胶、纤维基材的质量比例为3:10。
[0087]
所述改性电气石各原料组分如下：以重量份计，电气石100份、阳离子表面活性剂80份、氧化石墨烯70份。
[0088]
所述改性二氧化硅气凝胶各原料组分如下：以重量份计，正硅酸乙酯100份、n,n-二甲基甲酰胺50份、β-环糊精/金属有机骨架复合物30份、正己烷60份、聚乙烯亚胺35份、交联剂32份。
[0089]
s1.制备改性电气石：
[0090]
a.将电气石加入到去离子水中搅拌分散，加入阳离子表面活性剂超声分散90min，得到a液；
[0091]
b.将氧化石墨烯置于去离子水中超声分散90min得到b液；
[0092]
c.将b液缓缓倒入a液中超声分散80min，抽滤干燥得到改性电气石；
[0093]
s2.制备改性长纤：
[0094]
a.将改性电气石、基材混合料、六钛酸钾晶须混合均匀，加入去离子水并球磨8h得到混合物料a；使得各原料组分之间达到原子级别的混合；
[0095]
b.将混合物料a经过高温熔融后加入碳化硼粉、可溶性淀粉搅拌反应5h，通过喷吹或离心甩丝工艺制成改性长纤；
[0096]
s3.制备改性气凝胶：
[0097]
a.核层：将正硅酸乙酯、n,n-二甲基甲酰胺置于乙醇溶液中搅拌混合，于50℃温度下调节ph值为4，加入β-环糊精/金属有机骨架复合物搅拌反应90min，调节ph值为9，老化30h，用正己烷置换24h，先于50℃条件下干燥12h，再于80℃条件下干燥12h，最后置于110℃条件下干燥12h，最后置于560℃条件下高温煅烧得到改性二氧化硅气凝胶核层；
[0098]
b.合成改性气凝胶：将改性二氧化硅气凝胶核层、聚乙烯亚胺置于去离子水中搅拌混匀，加入交联剂搅拌反应5h，取出置于乙醇中浸渍8h，先于50℃条件下干燥12h，再于80℃条件下干燥12h，最后置于110℃条件下干燥12h，得到改性气凝胶；
[0099]
s4.制备保温面料：
[0100]
a.将纤维基材熔融并加入改性气凝胶混合均匀，得到壳材；
[0101]
b.将改性多孔长纤导入包覆纱机中，同时放入壳材，通过特殊线孔导出包覆有壳材的复合纤维；
[0102]
c.将复合纤维冷却固化，编织得到保温面料。
[0103]
试验：取实施例1-6和对比例1-2制得的保温面料样品30cm
×
8cm进行如下性能测试：抑菌性能测试：采用国家标准gb/t20944.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》进行抗菌性能定量测试保温面料样品对大肠杆菌的抑菌率；
[0104]
力学性能测试：拉伸强度测试按照标准astm d638在万能拉力试验机上进行测试；拉伸试验速率为45mm/min。
[0105]
保温性能测试：采用平板式织物保温性试验仪进行测试，按照gb/t11048-1989《纺织品保温性能试验方法》的要求，设定标准状态人体温度36.7℃，用恒定温差散热法由微机计算保温率、传热系数。
[0106]
耐洗涤性测试：采用耐洗色牢度试验机洗涤方法，测试水洗30次后保温面料试样的保温率、传热系数。
[0107][0108]
由表中数据可知，实施例1-3中制得的保温面料样品保温率均在80％以上，传热系数均低于20.0w.m-2
.℃-1
，具有显著的隔热保温性能，水洗30次以后，实施例1-3制得的保温面料样品的保温率、传热系数均无明显下降，耐洗涤性较好；同时，实施例1-3制得的保温面料样品抑菌率均在95％以上，具有显著的抑菌效果，以及优异的力学性能，其中实施例3制得的保温面料样品测试结果最为理想。
[0109]
实施例4
[0110]
与实施例3的区别在于未对电气石进行改性，由于普通电气石表面缺少活性官能团，直接将其与基材混合料、六钛酸钾晶须、碳化硼混合，制备得到的改性长纤缺少反应活性位点以及阳离子官能团，影响后续反应过程中对改性二氧化硅气凝胶的接枝，制备得到的保温面料保温隔热性能不足，抗菌抑菌能力有所下降。
[0111]
实施例5
[0112]
与实施例3的区别在于未对二氧化硅气凝胶进行改性，普通二氧化硅气凝胶力学性能较差，将其与纤维基材熔融混合过程中，二氧化硅气凝胶破损率较高，且普通二氧化硅气凝胶上缺少羟基、氨基等官能团，难以与改性长纤之间难以发生接枝反应，二氧化硅气凝胶容易发生团聚，制得的复合纤维质量较差，保温隔热性能、力学性能、抑菌能力与实施例3相比有所降低。
[0113]
实施例6
[0114]
与实施例3的区别在于未添加改性二氧化硅气凝胶，直接将纤维基材包覆在改性长纤外，由于缺少改性二氧化硅作为纤维基材与改性长纤之间的缠结位点，纤维基材与改性长纤之间的界面结合力不足，复合纤维力学性能与实施例3相比有所降低。
[0115]
对比例1
[0116]
将改性电气石、改性二氧化硅气凝胶直接混入纤维基材中熔融，静电纺丝得到纤维，并制成保温面料，由于改性电气石、改性二氧化硅气凝胶的加入减少了纤维基材的添加量，制备得到的复合纤维力学性能大大降低。
[0117]
对比例2
[0118]
将改性二氧化硅气凝胶、改性电气石置于丙烯酸树脂中混合均匀得到浆料，将浆料直接涂覆在化纤面料上得到保温面料，将个保温面料水洗30次后检测发现，保温面料的保温能力、抑菌率明显下降，保温面料耐洗涤性较差。
[0119]
通过以上数据和实验，我们可以得出以下结论：本发明中的保温面料主要由具有壳核结构的复合纤维编织而成，复合纤维的核材为改性长纤，所述改性长纤中特别添加有改性电气石，制备得到的复合纤维不仅能够释放远红外波段的电磁辐射，产生负氧离子，还具有一定的抗菌、除臭功效；复合纤维的壳材主要由改性二氧化硅气凝胶、纤维基材混合而成，所述改性二氧化硅气凝胶具有优异的力学性能和较强的隔热保温功能；将改性长纤、壳材复合得到的复合纤维隔热保温、除臭抗菌、耐洗涤效果优异。本发明采用将纤维基材包裹改性长纤的方法制得复合纤维并将其制成面料，有效避免了隔热保温面料在日常使用和洗涤过程中保温材料的流失，显著提升了保温面料的使用寿命，由于改性二氧化硅气凝胶是直接接枝在改性长纤上的，并不会因为二氧化硅气凝胶的存在导致纤维基材含量下降，从而带来纤维基材力学性能降低的问题。
[0120]
本发明将最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。