一种隔热保温纤维及其制备方法、用途与流程

本发明涉及功能性纤维制造领域，具体而言，涉及一种隔热保温纤维及其制备方法、用途。

背景技术：

众所周知，热的传导方式有辐射、对流、传导三种方式。为了充分提高隔热保温性能，需要兼具阻隔辐射、限制对流、延长传导路径三个功能，才满足具有极其优异的隔热保温性能的条件。

目前，保温隔热纺织材料通常通过在夹层中充填羽绒、纤维、棉花的方法实现保温隔热目的。这种方法由于所充填的材料导热系数较高，充填量较大，使制备的保温隔热用品，如被子褥子服装帐篷。既厚又重，携带及其不方便，在极端高低温环境条件下还不能满足现实需要。

现有技术中，专利CN103160943A，专利CN102115920A,专利CA104153034B，专利CN102465453A,专利CN1177089C分别采用在纤维内搀杂金属或非金属纳米粒子、搀杂碳化锆粉体、纤维表面涂覆金属氧化物溶胶在高温固化、或添加纳米级陶瓷粉体来达到蓄热、保温作用。英国专利GB2303375A,日本特开平1-132816也公开了在纤维中添加具有隔绝红外隔热的包括氧化锆、硅酸锆、碳化硅、氧化锡等粉体颗粒用于制造保温纤维的方法。CN103388193B公开了一种将气凝胶粉体于纤维切片混合再造粒拉丝的纤维改性方法。这些专利所采用的技术路线都是使用已经制得的纤维用切片或母粒为基础材料，同时记载了在纤维中搀杂了实心的纳米粒子，但是搀杂实心的纳米粒子只是在原有纤维材料的基础上具有一定的保温隔热性能，还是不能满足现代人对隔热保温性能的要求，另外这些方法本身操作复杂，操作条件苛刻，并不利于广泛应用进行大范围的推广，市场推广能力较弱。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种隔热保温纤维，这种隔热保温材料采用纤维包裹微纳孔隙材料的结构，这种结构由于孔隙内为空气，空气的导热系数只有0.025W/K.M，非常之低，因此具有良好的隔热保温作用，另外这种材料原料易得，成本低，各方面性能均较好，使用寿命长，经济效益可观。

本发明的第二目的在于提供该隔热保温纤维的制备方法，该制备方法优异之处在于保温特性再合成树脂材料时一次完成，而且对各种树脂材料都适用，具有实现简单不需后续复杂工艺实现，具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和等优点。

本发明的第三目的在于提供隔热保温纤维的用途，利用此纤维材料制成的织布也同样具有优异的保温隔热性能，外部或人皮肤接触的部分还是原来的纤维原料，这样不会让消费者对这种新型材料产生不适应甚至过敏性，并且新增了隔热保温性这个优异性能，提高了纤维制品本身的产品附加值。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种隔热保温纤维，包括纤维，所述纤维中包含微纳米孔隙材料颗粒，所述微纳米孔隙材料颗粒的粒度控制在10μm以下，所述微纳米孔隙材料颗粒内部孔隙直径在100nm以下，所述微纳米孔隙材料颗粒的孔隙率为2％以上，优选为40％以上，进一步优选为80％以上，最优选为90％以上。

其中，所述微纳米孔隙材料包括含有微米或纳米孔隙的天然或人工无机材料、含有微米或纳米孔隙的天然或人工有机材料中的一种或两种的混合。

所添加的微纳米孔隙隔热材料通过球磨粉碎、压力磨粉碎、气流粉碎、或压力磨加上大于1MPa的高压气流磨粉碎，再经过气流分选，得到微纳米孔隙材料颗粒的粒度控制在粒径8μm以下，更好5μm以下，最优控制在1μm以下。

优选地，微纳米孔隙隔热材料的研磨，先用压力磨粉碎到20微米左右，然后用气流粉碎机研磨，气流粉碎机的气压控制在大于0.8MPa，更优控制气流粉碎机的气压大于1.2MPa。

将研磨好的符合要求的微纳米孔隙材料颗粒加入到纤维切片或母粒合成原料的单体或预聚体内，加入所需各种助剂，搅拌混合均匀，将合适微纳米空隙隔热材料的颗粒含量的纤维原料单体或预聚体按合理工艺聚合，得到含微纳米空隙隔热材料的颗粒的纤维原料切片或母粒，将聚合得到的含微纳米空隙隔热材料的颗粒的纤维原料切片或母粒喷丝或拉丝得到保温纤维。

将得到的保温纤维加弹、染整、织布。

现有技术中，为了增加纺织材料本身的保温隔热性能，通常的操作方法为通过在夹层中充填羽绒、纤维、棉花的方法实现保温隔热目的。这种方法由于所充填的材料导热系数较高，充填量较大，使制备的保温隔热用品，如被子褥子服装帐篷。既厚又重，携带及其不方便，在极端高低温环境条件下还不能满足现实需要。还有一种方式是在纤维中搀杂了实心的纳米粒子，但是这种搀杂实心纳米粒子的做法只是在原有纤维材料的基础上具有一定的保温隔热性能，还是不能满足现代人对隔热保温性能的要求，因此本领域技术人员在功能性材料方面又做了大量的开发研究，也有相关记载是关于在纤维中添加微米或纳米孔隙材料的报道的，但是由于微米或纳米孔隙材料自身强度较弱，很多保温材料制备时都混如不同的纤维，增加强度。可是这种方法制得的材料只是将纤维和微纳米材料进行了简单的混合，没有以纤维包裹微纳孔隙材料，因此隔热保温性能以及纤维材料本身的物理性能均会受到一定的影响。

为了解决以上出现的技术问题，本发明提供了一种隔热保温纤维，该隔热保温纤维具有极其优异的隔热保温性能，并且现有技术中没有添加微米孔隙材料或纳米孔隙材料的技术方法，也没有在直接合成制备保温纤维切片或母粒中包裹微米纳米孔隙材料进行保温隔热的报道，本发明尚属首创，具有开拓性的意义。

本发明所述微纳孔隙颗粒的孔隙率为2％以上，优选为40％以上，进一步优选为80％以上，最优选为90％以上，主要由所选择的具体微纳孔隙颗粒确定，采用特定孔隙率的微纳孔隙颗粒，能够使所得隔热保温纤维具有不同的隔热保温效果，满足不同需求。

其中，本发明的微纳米孔隙材料可包括含有微米或纳米孔隙的天然或人工无机材料、含有微米或纳米孔隙的天然或人工有机材料中的一种或两种的混合，更进一步的包括含有微米或纳米孔隙的有机高分子材料、含有微米或纳米孔隙的无机高分子材料中的一种或两种的混合，可以是微米孔材料也可以是纳米孔材料，孔隙本身可以为开孔也可以为闭孔，通常采用具有纳米孔隙的轻质隔热材料，最优的包括火山岩、膨润土、气凝胶、膨胀珍珠岩、纳米孔金属有机化合物、发泡高分子树脂，发泡酚醛树脂、含微纳米气孔的活性炭、分子筛中的其中一种，当然材料的种类并不限于此，只要是能从市面购买得到的微纳米孔隙材料均在本发明的保护范围内。比如还可以具体为钠基膨润土、钾基膨润土、钙基膨润土、活性炭、钠基钾基钙基膨润土、二氧化硅气凝胶、二氧化钛气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化铁气凝胶、氧化铜气凝胶、氧化锆气凝胶、氯化铝分子筛、多孔金属有机高分子材料等。

本发明，所述含有微纳米孔隙的隔热轻质材料范围广阔易得，但都是以包含微米或纳米孔隙或空隙的材料为主，包括但不限于火山岩、膨润土、气凝胶、膨胀珍珠岩、纳米孔金属有机化合物、发泡高分子树脂，发泡酚醛树脂、含微纳米气孔的活性炭、分子筛。

本发明所用的纤维原料就是市售的纺丝或制备纤维常用的原料，具体可包括高分子有机材料、塑料颗粒、无机材料以及金属中的其中一种，更优的包括丙纶、尼龙、晴纶、聚乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚碳酸脂的聚合用单体或预聚体，同样适用于制备金属纤维，包括金属铝等作为单体应用的各种金属的其中一种，当然材料的种类并不限于此，只要是工业合成纤维的原材料均在本发明的保护范围内。

具体操作时，需要先将微纳米孔隙材料进行研磨，研磨的颗粒度需要控制在10μm以下，通过研磨可使得纺丝时纤维保持良好的强度，保持良好的韧性，保持良好的加工性，也为了纺丝后得到较细的纤维，研磨后的研磨细度要小于所拉纤维直径的1/3，最好小于1/5，颗粒度最好控制在8μm以下，更好控制在5μm以下，最优控制在1μm以下，因为所添加的微纳孔隙材料研磨成D90小于5μm时，对于内部孔隙60nm来说，5μm颗粒内也有将近100个反射层，有效地阻止辐射散热,气体分子的自由程常温常压下大于60nm，在内部孔隙小于60nm时，对流传热几乎不存在，在内部孔隙大于气体分子自由程时，即使有对流传热，空气的导热系数常温下也仅仅0.025W/K.M，对流传热也是很弱的；由于5μm厚度包含近百层的孔隙，可见传导所要经过的路径是多么漫长，使得传导散热效率也变的极低，所以在进行研磨时需要将颗粒度控制在适宜的范围内。

优选地，微纳米孔隙材料的用量为隔热保温纤维的1-50V％，更优为5-40V％，最优为15-35V％。并且，微纳米孔隙材料的熔点最好大于所述纤维的原料的熔点，在这样的用量范围内制备出的隔热保温纤维即能保证纤维本身的强度又能具有优异的隔热保温性能，如果加量太大可能会影响到纤维本身的物理性能，还有在熔点上，微纳米孔隙材料的熔点最好大于所述纤维原料单体或预聚体的熔点，这样充分保证了安全性和使用性能。

本发明实施例的隔热保温纤维的具体结构包括纤维以及微纳米孔隙材料的颗粒，所述纤维中搀杂微纳米孔隙材料的颗粒，即所述微纳米孔隙材料的颗粒镶嵌于所述纤维的内部，微纳孔隙颗粒的孔隙直径控制在60nm以下。需要注意的是，纤维的表面是不具有微纳米孔隙材料颗粒的，而是全部位于内部，被纤维所包裹，因为如果微纳孔隙颗粒位于表面，会影响后续消费者穿着时的感受度，不利于穿着。

优选地，微纳米孔隙材料的颗粒均匀的位于所述纤维的内部，当然微纳米孔隙材料的颗粒也可以不规则位于纤维的内部，其实没有确切的要求，只要微纳米孔隙材料的颗粒能够实现其本身的功能性，起到隔热保温的作用，即可。

本发明实施例除了提供该隔热保温纤维的具体结构，还提供了上述隔热保温纤维的制备方法，主要包括如下步骤：

将纤维原材料单体或预聚体内添加微纳米孔隙材料颗粒以及常规助剂混合均匀，然后按照该材料聚合工艺聚合，造粒得到切片或颗粒，纺丝即可。

本发明，是在制造纤维用切片或母粒前就将经过研磨达到尺度要求的含有微纳米孔隙的隔热轻质材料粉体与制造纤维用切片或母粒的材料单体或预聚体混合。

微纳米孔隙材料颗粒在纤维原材料制备前就加入，再进行聚合，能够使微纳米孔隙材料颗粒更均匀充分地分散，有助于进一步提高所得隔热保温纤维的性能。

优选地，将制备纤维切片或母粒合成原料的单体或预聚体内先加入微纳米孔隙材料颗粒，再加入所需要的溶剂、偶联剂、增强剂、增韧剂、催化剂、引发剂、脱模剂，再进行搅拌直至微纳米孔隙材料颗粒均匀分布于制备纤维切片或母粒合成原料的单体或预聚体内，当制备纤维切片或母粒合成原料的单体或预聚体为两组分或多组份时，微纳米孔隙材料颗粒可以加入到其中一个组分中混合，也可以加入到两个组分或每个组份中混合；直至混合均匀后，将均匀混合有微纳米孔隙材料颗粒的制备纤维切片或母粒合成原料的单体或预聚体，按照该材料常规聚合工艺进行合成聚合，得到包含有微纳米孔隙材料颗粒的纤维切片或母粒；将包含有微纳米孔隙材料颗粒的纤维切片或母粒纺丝即可得到隔热保温纤维。

优选地，将包含有微纳米孔隙材料颗粒的纤维切片或母粒，根据需要再与更多切片或母粒混合后喷丝或拉丝，即可以得到不同微纳米孔隙材料颗粒含量的保温纤维；

优选地，所述含有微纳米孔隙材料的纤维原料的母粒或切片，在合成时向该纤维原料的预聚体或单体加入所需量的微纳米空隙隔热材料的颗粒，经聚合得到将得到纤维原料的母粒或切片，再将合适微纳米空隙隔热材料的颗粒含量的纤维原料切片或母粒直接喷丝或拉丝得到保温纤维。

也可以将纤维原料切片或颗粒溶解或熔融后，添加微纳米孔隙材料以及常规助剂混合均匀，纺丝即可。

本发明实施例的制备方法具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和等优点，在制备纤维的纺丝材料内所添加的微纳米孔隙材料，兼具阻隔辐射、限制对流、延长传导路径三个功能，因此具有极其优异的隔热保温特性。

将研磨成相应细度的微纳米孔隙材料，与溶解或熔融后的纤维原料进行混料，在混合过程中还要添加一些常规助剂，比如增塑剂、柔顺剂、偶联剂等，按照通常的比例添加后与纤维原料、微纳米孔隙材料混合均匀，再进行后续纺丝即得到本发明的隔热保温纤维，当然如果作为半成品出售的情况下，可以直接将混料造粒做成包裹微纳米孔隙材料的保温纤维(切片)母粒，实际操作时一般采用造粒机进行造粒操作。

另外，可以通过在向熔融态的或溶解态的制备纤维的原料中充填微纳米气泡，同时造粒再纺丝或直接纺丝的方法，制备隔热保温纤维，充填的气泡直径要介于2nm-1μm之间，更好介于5nm-60nm之间，充填微纳米气泡也同样可以达到与添加微纳米孔隙材料具有相同的效果，微纳米孔隙材料的孔隙直径最好介于2nm-1μm之间，更好介于5nm-60nm之间。

采用上述的隔热保温纤维可以制成织物，并作为填充材料填充于服装、防护用具的布料之间代替现有技术中采用羽绒、纤维、棉花的充填方法，以切实提高纤维材料本身的隔热保温性能。

比如可以织成不同厚度、不同纱织、不同尺幅的布料，还可以制成隔热保温的无纺布，只要现有技术中可以用来作为纤维制品的产品，本发明的隔热保温纤维同样适用。

当然，除此之外本发明的隔热保温纤维还可以采用如下制备方法制备：

将含有微纳米孔隙材料的纤维原料的颗粒或切片，喷丝或拉丝即得。

优选地，所述含有微纳米孔隙材料的纤维原料的颗粒或切片由包含有微纳米空隙材料的纤维原料造粒得到；

优选地，包含有微纳米空隙材料的纤维原料由该纤维原料的预聚体或单体在聚合前混合微纳米空隙材料聚合得到；

优选地，所述含有微纳米孔隙材料的纤维原料的颗粒或切片由纤维原料的颗粒或切片，与微纳米空隙材料混合均匀熔融造粒得到。通过先制成切片或者颗粒的方式可以更加方便运输以及使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的隔热保温纤维采用纤维包裹微纳孔隙材料的结构，这种结构由于孔隙内为空气，空气的导热系数只有0.025W/K.M，非常之低，因此具有良好的隔热保温作用，另外这种材料原料易得，成本低，各方面性能均较好，使用寿命长，经济效益可观；

(2)本发明实施例的隔热保温纤维的制备方法具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和等优点，制备出的纺丝材料内所添加的微纳米孔隙材料，兼具阻隔辐射、限制对流、延长传导路径三个功能，因此具有及其优异的隔热保温特性；

(3)本发明的隔热保温纤维应用非常广泛，可以制成各种纤维制品，也可作为填充材料填充于服装、防护用具的布料之间代替现有技术中采用羽绒、纤维、棉花的充填方法，以切实提高纤维材料本身的隔热保温性能，用途非常广泛，可以适应不同消费者的不同需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的隔热保温纤维截面示意图；

图2为本发明实施例2提供的隔热保温纤维截面示意图；

图3为本发明实施例3提供的隔热保温纤维截面示意图；

图4为本发明实施例4提供的隔热保温纤维截面示意图；

附图标记：

1-微纳米孔隙材料颗粒； 2-纤维。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列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，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明所得隔热保温纤维的结构如图1-图4所示，其中包括纤维2以及微纳米孔隙材料颗粒1，所述微纳米孔隙材料颗粒1包裹于所述纤维2的内部。

实施例1

1)先将火山岩(孔隙率为40.6％，GBT21652-2008/ISO 15901-2:2006)使用研磨粉碎机粉碎至D90小于10μm，取20L，再取尼龙聚合用单体80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，然后按照尼龙常规聚合条件聚合，再经过造粒得到含有微纳米孔隙材料的纤维原料的母粒或切片；

2)将上述切片再进行纺丝，得到保温隔热纤维，其火山岩的用量为保温隔热纤维体积的30％；

3)将保温隔热纤维经加弹染整再织出所需厚度、尺幅的布匹，可直接售卖。

实施例2

1)先将二氧化硅气凝胶(孔隙率为91.3％，GBT21652-2008/ISO 15901-2:2006)使用研磨粉碎机粉碎至D90小于5μm，取40L，再取聚酯合成用单体80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，然后按照聚酯合成工艺进行聚合，经过造粒得到母粒或切片；

2)将将上述切片纺丝，得到保温隔热纤维，其二氧化硅气凝胶的用量为保温隔热纤维体积的3％，并检测出其微观结构为微纳孔隙颗粒呈不规则排列搀杂镶嵌于所述纤维的内部，颗粒直径2-5微米，颗粒内部孔隙为20-40纳米；

3)将保温隔热纤维加弹染整织成布料，或剪切适当长度当作填充材料填充到布料之间做为保暖衣，可直接售卖。

实施例3

1)先将氧化铜气凝胶(孔隙率为99.8％，GBT21652-2008/ISO 15901-2:2006)使用研磨粉碎机粉碎至D90小于8μm，取5L，再取晴纶单体80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，混合步骤在搅拌锅中进行，搅拌锅的速率调至80rpm，混合搅拌30min以上；然后按照晴纶聚合工艺聚合，切片得到保温导电切片；

2)将上述颗粒，再进行纺丝，得到保温隔热导电纤维，经检测其氧化铜气凝胶的用量为保温隔热纤维体积的5％，并检测出其微观结构为微纳孔隙颗粒呈矩阵排列搀杂镶嵌于所述纤维的内部，颗粒孔隙直径为30--50纳米；

3)将保温隔热纤维制成隔热保温防静电的无纺布，可直接售卖。

实施例4

1)先将氧化钛气凝胶(孔隙率为80.4％，GBT21652-2008/ISO 15901-2:2006)使用研磨粉碎机粉碎至D90小于1μm，取15L，再取晴纶单体80L，加入二甲基甲酰胺适量，正硅酸乙酯适量，丙三醇适量，抗氧化剂、耐紫外剂、润滑剂适量混合均匀，混合步骤在搅拌锅中进行，搅拌锅的速率调至80rpm，混合搅拌30min以上；然后按照晴纶聚合工艺聚合，造粒得到母粒；

2)将上述母粒纺丝，得到保温隔热纤维，经检测其氧化钛气凝胶的用量为保温隔热纤维体积的40％，并检测出其微观结构为微纳孔隙颗粒呈矩阵排列搀杂镶嵌于所述纤维的内部，颗粒内孔隙直径在50-60nm之间；

3)将保温隔热纤维制成隔热保温的具有光触媒特性的布，可直接售卖。

实验例

将本发明实施例1-4制备出的隔热保温纤维的性能与市面上售卖的普通涤纶纤维(比较例1)、丙纶纤维(比较例2)的性能进行对比，具体性能指标如下表1所示：

表1性能参数对照表

从表1中可以看出，本发明实施例的隔热保温纤维具有极低的导热系数，而且正因为有很多的空气孔其容重相对比较小，后续制成纤维制品应用时更加轻便，也更加受消费者的青睐，能够有利于进一步市场化，另外纤维本身的各项力学性能与普通的纤维材料相比也比较优异，并没有因为增加了本身的功能性而使物理性能降低。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。