一种自发热的纤维材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于纺织，特别涉及一种自发热的纤维材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在寒冷天气下穿戴的服装，通常含有保暖材料，如羊毛、涤棉、聚酯纤维等，但是当在极寒天气或长时间暴露于低温环境下时，传统保暖材料的保暖效果有限，无法提供足够的温暖感。另外，传统保暖材料的纤维结构单一，无法在纤维层面上实现较高的疏水性和导热性能，限制了其进一步的改进和创新。

2、目前，有通过水分吸附制备发热纤维的研究，其是通过引入大量的亲水性基团或利用纤维原有的水分吸附特性产生的吸附热，使纤维与水的亲和性显著提高。然而这种纤维存在以下问题：在人体出汗时，容易被液态的汗水湿润，或一旦被雨淋湿则不会引起发热反应；另外，由于亲水性基团的特性使其难以迅速干燥，反而增加了凉感，降低穿着舒适感。

3、因此，亟需提供一种自发热的纤维材料，其具有良好的吸湿发热性能，可提供持久的保暖效果。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。本发明提供一种自发热的纤维材料，其具有良好的吸湿发热性能，可提供持久的保暖效果，且具有良好的抗拉强度和耐磨性。

2、本发明的发明构思：本发明通过熔融聚合的化学改性和高交联化处理，使聚乙烯纤维具有亲水性基团和交联结构，使其具有亲水性，能够吸附气态水分，并在纤维内部形成微小的水分层，当这些吸附的水分子蒸发时，由于交联化处理的作用，吸附蒸发的水分释放吸附热，从而产生吸湿发热效果；同时聚乙烯纤维表面的疏水层使得纤维对液态水分表现出疏水性，不易被液态水分湿润，从而保持纤维的干燥和舒适；另外，疏水层通过吸附蒸发的水分释放吸附热，延长保温时间，提供舒适的穿着感，从而实现了纤维材料的高疏水性和吸湿发热特性。即纤维表面的疏水层使其不易被液态水分湿润，而经化学改性后纤维本身的亲水性使其能够吸附气态水分并持续发热，即使在湿润环境中也能保持自发热性能，从而达到持久保暖的效果，适合应用于在寒冷环境中穿戴的服装上。

3、因此，本发明的第一方面提供一种自发热的纤维材料。

4、具体的，一种自发热的纤维材料，包括聚乙烯纤维和疏水层，所述疏水层包覆所述聚乙烯纤维；所述聚乙烯纤维含有亲水性基团和交联结构。

5、优选地，所述疏水层的组成包括含氟化合物、硬脂酸、偏二甲基硅氧烷中的至少一种。

6、优选地，所述含氟化合物包括氟硅酮。

7、具体的，含氟化合物具有较强的疏水性，它们的分子结构中含有氟原子。由于氟原子的电子亲和性和电负性较高，使得含氟化合物具有较强的疏水性，即使在接触水分时，也能有效地减少与水的相互作用，使水分在纤维表面形成水珠，不易渗透进入纤维内部。

8、优选地，所述亲水性基团包括酰胺基、羟基、羧基、胺基、季铵盐基团中的至少一种。

9、优选地，所述亲水性基团为酰胺基。

10、具体的，酰胺基具有较高的稳定性和耐久性：酰胺基在聚乙烯材料中形成的化学键比较稳定，不容易被外界环境因素破坏，从而可以保持纤维的亲水性和较长时间的发热性能。另外，酰胺基具有较好的亲水性：酰胺基含有氮原子和氧原子，是一种常见的极性官能团，具有良好的亲水性，可以吸附和保持气态水分，并在吸湿的过程中产生发热反应。同时，酰胺基对纤维性能的影响较小：在纤维的熔融聚合过程中引入酰胺基，其对纤维的结构和性能影响较小，可以较好地保持聚乙烯纤维的机械性能和耐磨性。

11、优选地，所述交联结构包括二硫键。

12、本发明的第二方面提供一种本发明第一方面所述自发热的纤维材料的制备方法。

13、具体的，所述自发热的纤维材料的制备方法，包括以下步骤：

14、(1)将聚乙烯和亲水化合物混合，熔融，加入交联剂，反应，得到熔体；

15、(2)将步骤(1)所得的熔体进行纺丝处理，得到纤维；

16、(3)将步骤(2)所得的纤维经疏水处理，制得所述自发热的纤维材料。

17、优选地，所述聚乙烯先经过切片。

18、优选地，所述聚乙烯的分子量为1000000-10000000g/mol。

19、具体的，在此分子量范围内的聚乙烯具有较高的聚合度，能够形成较长的聚合物链，从而赋予纤维良好的强度和耐磨性。

20、优选地，步骤(1)中，所述亲水化合物包括十二烷基磺酸钠、十四烷基苯磺酸钠、硬脂酸、六羟甲基四甲基硅氧烷、壳聚糖、十六烷基三甲基溴化铵、聚丙烯酰胺、聚氨酯、羟丙基淀粉、明胶中的至少一种。

21、优选地，所述混合采用机械搅拌的方式。

22、优选地，所述搅拌器为heidolph dzr 3001型搅拌器。

23、优选地，所述机械搅拌的转速为1800-2200rpm，所述机械搅拌的时间为1.6-2.4min。

24、进一步优选地，所述机械搅拌的转速为1900-2100rpm，所述机械搅拌的时间为1.8-2.2min。

25、更进一步优选地，所述机械搅拌的转速为2000rpm，所述机械搅拌的时间为2min。

26、具体的，本发明的搅拌转速可以充分打散并分散聚乙烯和含有亲水性基团的化合物，使其充分混合并形成均质的混合物；本发明的搅拌时间足以让所有原料充分混合，同时不会对样品造成过多的磨损和损伤。

27、优选地，步骤(1)中，所述熔融的温度为150-220℃；所述熔融的时间为1.0-2.5h；所述熔融的压力为0.9-5.5atm。

28、进一步优选地，所述熔融的温度为160-205℃；所述熔融的时间为1.5-2.2h；所述熔融的压力为1-5atm。

29、更进一步优选地，所述熔融的温度为180℃；所述熔融的时间为2h；所述熔融的压力为1atm。

30、具体的，较高的熔融温度下，化学反应的活性和速率都会增加，从而有利于混合物中聚乙烯纤维和含有亲水性基团的化合物之间的化学反应；同时，较高的温度可以提高纤维和亲水化合物材料的流动性和可变性，使得聚合物更容易形成，并且亲水基团可以更完全地包覆聚乙烯纤维，从而提高产品亲水性。

31、具体的，当熔融压力接近大气压时，反应容器不需要承受过高的压力，可以保证反应过程的安全性和稳定性；同时也有利于反应产物的排出和收集。

32、具体的，通过聚乙烯和含亲水性基团的化合物混合，熔融聚合，完成化学改性，使聚乙烯纤维具有亲水性，使得纤维能够吸附气态水分。

33、优选地，步骤(1)中，所述交联剂包括二氧化硫、氯乙烯中的至少一种。

34、优选地，步骤(1)中，所述反应的温度为170-250℃；所述反应的时间为1.0-7.0h；所述反应的压力为0.9-5.5atm。

35、进一步优选地，步骤(1)中，所述反应的温度为190-235℃；所述反应的时间为1.2-6.5h；所述反应的压力为1-5atm。

36、更进一步优选地，步骤(1)中，所述反应的温度为200℃；所述反应的时间为2h；所述反应的压力为1atm。

37、具体的，加入交联剂后进行交联化反应，交联化是一种使聚合物分子间通过化学键连接起来的过程，在上述条件下的交联化处理，聚乙烯纤维的分子间连接成为交联结构，使其具有较好的热稳定性、化学稳定性和机械性能。

38、优选地，步骤(2)中，所述纺丝处理，包括以下步骤：

39、将步骤(1)所得的熔体置于纺丝箱体中，挤出，得到熔体细流，熔体细流经冷却固化，形成纤维。

40、优选地，步骤(2)还包括所述纤维经卷绕、牵伸、卷曲、松弛热定型、切断，得到短纤维。

41、具体的，本发明所述纺丝处理采用常规的纺丝技术。

42、优选地，步骤(3)中，纤维和疏水剂混合前，先将步骤(2)所得的短纤维洗涤、浸泡。

43、优选地，采用去离子水进行洗涤，以去除杂质和短纤维表面的污染物。

44、优选地，洗涤后，将短纤维置于表面活性剂中，进行浸泡。

45、优选地，洗涤后，将短纤维置于表面活性剂和去离子水的混合液中，浸泡。

46、优选地，所述表面活性剂选自磷酸酯基聚醚聚硅氧烷共聚物、聚氨酯多元醇、聚氨酯中的至少一种。

47、具体的，所述聚氨酯为等离子体聚合聚氨酯。

48、优选地，所述磷酸酯基聚醚聚硅氧烷共聚物的浓度为0.09-0.55％；所述聚氨酯多元醇的浓度为0.045-0.22％；所述聚氨酯的浓度为0.045-0.22％。

49、进一步优选地，所述磷酸酯基聚醚聚硅氧烷共聚物的浓度为0.1-0.5％；所述聚氨酯多元醇的浓度为0.05-0.2％；所述聚氨酯的浓度为0.05-0.2％。

50、优选地，所述浸泡的时间为25-65min；进一步优选地，所述浸泡的时间为30-60min。

51、具体的，所述浸泡的目的是使短纤维充分吸收表面活性剂，并达到更好的渗透效果。

52、优选地，浸泡后，将短纤维从混合液中取出，然后置于含有疏水剂的有机溶剂中，搅拌，干燥，形成疏水层，得到自发热的纤维材料。

53、优选地，所述疏水剂包括含氟化合物、硬脂酸、偏二甲基硅氧烷中的至少一种。

54、优选地，所述疏水剂为氟硅酮。

55、优选地，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、醋酸乙烯、甲苯、乙苯、氯仿、二氯甲烷中的至少一种。

56、具体的，本发明的有机溶剂能够有效地将疏水剂溶解且对环境影响较小。

57、优选地，所述搅拌的时间为0.3-0.7h；进一步优选地，所述搅拌的时间为0.4-0.6h。

58、优选地，所述搅拌在常压下进行。

59、优选地，所述疏水层的厚度为4.5-55nm；进一步优选地，所述疏水层的厚度为5-50nm。

60、具体的，本发明的疏水层厚度可以保证产品具有优良的疏水性能和机械稳定性，因为过薄的疏水层不足以提供持久和稳定的疏水性能，而过厚的疏水层会导致产品的机械性能下降。

61、具体的，所述聚乙烯短纤维侧链具有亲水性官能团，疏水剂与这些官能团相结合，使疏水剂均匀地吸附在纤维表面形成保护层，这种保护层具有较强的附着力，形成共价键或物理吸附作用，进一步增强了疏水层的稳定性和粘附力，即便反复进行洗涤，也不会降低纤维的疏水性。另外，疏水层使得纤维对液态水分表现出疏水性，不易被液态水分湿润，从而保持纤维的干燥和舒适感。同时，疏水层通过吸附蒸发的水分释放吸附热，延长保温时间，提供舒适的穿着感。

62、本发明的第三方面提供一种面料。

63、具体的，所述面料包括本发明第一方面所述的自发热的纤维材料。

64、相对于现有技术，本发明提供的技术方案的有益效果如下：

65、(1)本发明通过化学改性和高交联化处理，使聚乙烯纤维具有亲水性基团和交联结构，同时在纤维表面形成疏水层，从而实现纤维材料的高疏水性和吸湿发热特性。纤维表面的疏水层使其不易被液态水分湿润，而纤维内部的亲水性使其能够吸附气态水分并持续发热，从而达到持久保暖的效果，适于应用在寒冷环境中穿戴的服装上。

66、(2)本发明的纤维材料在大量出汗或遭受雨淋的情况下，也能保持良好的吸湿发热性能，提供持久的保暖效果。这是因为该纤维具有高疏水性，可以有效防止水分的渗透，保持纤维的干燥和舒适，而基础纤维材料的亲水性使其能够吸附气态水分并持续发热，即使在湿润环境中也能保持自发热性能。另外，本发明的纤维材料具有良好的力学性能、耐磨性。

67、(3)本发明通过高交联化处理，使纤维具有优异的稳定性和耐用性。这是因为高交联化处理可以提高纤维的结构稳定性，使其在各种环境条件下都能保持良好的性能。

68、(4)本发明自发热的纤维材料可广泛应用于冬季衣物、登山运动衣服等需要保暖和吸湿发热的场合，具有良好的应用价值。