一种保温玄武岩纤维包芯纱及其制备方法和应用

本技术涉及包芯纱，尤其是涉及一种保温玄武岩纤维包芯纱及其制备方法和应用。

背景技术：

1、玄武岩纤维是以玄武岩(或辉绿岩)岩石为主要原料，通过熔融-拉丝工艺制成的连续纤维，因其具有良好的力学性能以及电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能，在日常生活中得到广泛的应用。但是关于玄武岩纤维的保温性能这方面研究还很少，如果能够提高其保温性能，则将在建筑保温方面具有很好的应用前景。

2、关于玄武岩纤维的保温性，先前的研究都是用涂覆的方法将玄武岩纤维制备成保温板。如现有技术中公开了一种玄武岩纤维内墙保温网格布，其由玄武岩纤维网格布经表面涂层并烘干后制得，所述的玄武岩纤维网格布采用连续玄武岩纤维原丝经加捻制成玄武岩纤维纱后编织而成；所述表面涂层使用的涂层浆料包含下述组分：成膜剂2.8～3.5％、润滑剂0.3～0.5％、抗静电剂0.1～0.5％、偶联剂0.3～0.7％。该项技术通过使用涂层浆料对玄武岩纤维原丝制作而成的玄武岩纤维网格布进行表面涂层，制备得到的玄武岩纤维网格布不仅具有轻质、高强、耐温、防火、耐腐蚀、抗龟裂、尺寸稳定等特性，还能有效避免抹灰层整体表面张力收缩以及外力引起的开裂，具有较强的抗拉强度和抗断裂效果，可适用于墙面翻新和内墙保温中使用，然而该项技术操作复杂，不利于推广使用。

3、包芯纱通过在芯纱外周缠绕外包纤维制成，其既具有外包纤维的优异特性，如质感好，蓬松性，饱满度高等，又具有作为骨架纱的芯纱所具有的强伸度、保形性、悬垂性、抗褶皱性等。因此通过在玄武岩纤维外侧外包一层具有保温性能的纤维将有助于提升其保温性能。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本技术提供一种保温玄武岩纤维包芯纱，该包芯纱以玄武岩纤维为芯纱线，将具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维包覆在上面，制备的保温玄武岩纤维包芯纱显著提高了玄武岩纤维静止空气吸附能力，进而提高了其保温性能，并延长了温度调节时间。

2、为此，本技术第一方面提供了一种保温玄武岩纤维包芯纱，所述包芯纱中的芯纱线为玄武岩纤维，外包纤维为具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维；其中所述调热储能纳米纤维中的芯材为丙烯酸正烷基酯聚合物，皮材为丙烯腈-偏氯乙烯共聚物。

3、本技术中，所述包芯纱中外包纤维的芯材为相变材料丙烯酸正烷基酯聚合物，丙烯酸正烷基酯聚合物的相变温度接近人体温度，具有优异的储热性能；将该外包纤维包裹在玄武岩纤维上后可以显著提高玄武岩纤维静止空气吸附能力，进而提高其保温性能并延长温度调节时间，能够较好地应用在调温纤维和服装以及建筑节能结构中，具有良好的应用前景。

4、在一些实施方式中，所述丙烯酸正烷基酯聚合物选自聚丙烯酸正十八烷基酯、聚丙烯酸正十六烷基酯、聚丙烯酸正十四烷基酯和聚(丙烯酸正十四烷基酯-丙烯酸正十六烷基酯)中的至少一种。

5、本技术中，上述丙烯酸正烷基酯聚合物的相变温度更为适宜，且储热性能更佳，进而有效提升了制得的保温玄武岩纤维包芯纱的保温性能。

6、本技术中所采用的丙烯酸正烷基酯聚合物可以通过自由基聚合方法进行制备后获得。

7、在一些实施方式中，所述丙烯酸正烷基酯聚合物为聚(丙烯酸正十四烷基酯-丙烯酸正十六烷基酯)；且所述聚(丙烯酸正十四烷基酯-丙烯酸正十六烷基酯)中丙烯酸正十四烷基酯单体与丙烯酸正十六烷基酯单体的摩尔比为(0.5～1.5):(0.5～1.5)。

8、在一些优选的实施方式中，所述聚(丙烯酸正十四烷基酯-丙烯酸正十六烷基酯)中丙烯酸正十四烷基酯单体与丙烯酸正十六烷基酯单体的摩尔比为1:1。

9、本技术通过选用丙烯酸正十四烷基酯单体与丙烯酸正十六烷基酯单体的摩尔比为1:1的丙烯酸正烷基酯共聚物能，有助于进一步提升保温玄武岩纤维包芯纱的保温性能。

10、在一些实施方式中，所述丙烯酸正烷基酯聚合物中添加有石墨烯，且所述石墨烯在丙烯酸正烷基酯聚合物中的含量为0.5～2wt％。

11、在一些具体实施例中，所述石墨烯在丙烯酸正烷基酯聚合物中的含量为0.5wt％、1.0wt％、1.5wt％或2.0wt％等。在一些优选的实施方式中，所述石墨烯在丙烯酸正烷基酯聚合物中的含量为1.0wt％。

12、本技术中，石墨烯具有很高的导热性能，将石墨烯添加在丙烯酸正烷基酯聚合物中，能能够提升丙烯酸正烷基酯聚合物的储热性能，进而进一步提升制得的保温玄武岩包芯纱的保温性能。

13、在一些实施方式中，所述丙烯腈-偏氯乙烯共聚物中丙烯腈单体与偏氯乙烯单体的摩尔比为(50～70):(50～30)。

14、在一些优选的实施方式中，所述丙烯腈-偏氯乙烯共聚物中丙烯腈单体与偏氯乙烯单体的摩尔比为70:30。本技术中所采用的丙烯腈-偏氯乙烯共聚物为市售产品，其分子量可以为5千～50万。

15、本技术第二方面提供了一种如本技术第一方面所述的包芯纱的制备方法，所述方法包括以下步骤：

16、s1，配制丙烯酸正烷基酯聚合物的四氢呋喃溶液和丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的二甲基甲酰胺溶液；

17、s2，将所述丙烯酸正烷基酯聚合物的四氢呋喃溶液和丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的二甲基甲酰胺溶液通过同轴针头喷出，采用静电纺丝制得具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维；

18、s3，将所述具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维经金属漏斗收集后缠绕包覆在玄武岩纤维上，形成保温玄武岩纤维包芯纱。

19、本技术通过多喷头同轴静电纺包芯纱的方法，以玄武岩纤维为芯纱线，将以相变材料为芯材的具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维包覆在上面，制得了保温玄武岩纤维包芯纱，制备方法操作简单，成本低，且制得的保温玄武岩纤维包芯纱具有羽绒状纤维结构，保温能力强。同时包覆的相变材料丙烯酸正烷基酯聚合物可以调节相变温度，显著提高玄武岩纤维静止空气吸附能力，具有优异的保温性能，应用起来更加方便。

20、在一些实施方式中，步骤s1中，所述丙烯酸正烷基酯聚合物的四氢呋喃溶液中丙烯酸正烷基酯聚合物的含量为20～60wt％，所述丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的二甲基甲酰胺溶液中丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的含量为10～20wt％。

21、在一些优选的实施方式中，所述丙烯酸正烷基酯聚合物的四氢呋喃溶液中丙烯酸正烷基酯聚合物的含量为50wt％，所述丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的二甲基甲酰胺溶液中丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的含量为15wt％。

22、本技术中，配制的丙烯酸正烷基酯聚合物的四氢呋喃(thf)溶液即为具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维的芯材溶液，配制的丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的二甲基甲酰胺(dmf)溶液即为具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维的皮材溶液。将所述芯材溶液和皮材溶液通过同轴针头喷出，采用同轴静电纺丝技术即可制得具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维，其中同轴静电纺丝的设备原理示意图如图1所示。进一步地，本技术通过将丙烯酸正烷基酯聚合物的四氢呋喃溶液中丙烯酸正烷基酯聚合物的含量以及丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的二甲基甲酰胺溶液中丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的含量控制在上述范围内，能使制得的具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维的调热储能性能更好，进而提高了保温玄武岩纤维包芯纱的保温性能。

23、在一些实施方式中，步骤s2中，丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的二甲基甲酰胺溶液在同轴针头中的喷出速率为0.18～0.36ml/h，丙烯酸正烷基酯聚合物的四氢呋喃溶液在同轴针头中的喷出速率为0.01～0.02ml/h，静电纺丝的电压为15～20kv。

24、在一些优选的实施方式中，丙烯腈-偏氯乙烯共聚物的二甲基甲酰胺溶液在同轴针头中的喷出速率为0.36ml/h，丙烯酸正烷基酯聚合物的四氢呋喃溶液在同轴针头中的喷出速率为0.01ml/h，静电纺丝的电压为20kv。

25、本技术中，制得的具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维的结构和调热储能性能，除了与皮材和芯材的组成有关外，还与皮材溶液和芯材溶液的喷出速率(即进料速度或推进速率)和静电纺丝的电压有关。本技术的发明人通过研究发现，通过将皮材溶液和芯材溶液的喷出速率和静电纺丝的电压控制在上述范围内，有助于进一步提升制得的具有皮/芯结构的调热储能纳米纤维的调热储能性能。

26、本技术中，将芯材溶液和皮材溶液进行同轴喷出时，同轴针头的倾斜角度可以为45～60°，同轴针头的喷丝头和接收器(如金属漏斗)之间的距离可以为15～20厘米。

27、在一些实施方式中，步骤s3中，缠绕包覆过程中的加捻速度为140～200r/min，收丝速度为1.5～3.0m/min。

28、本技术通过控制缠绕包覆过程中的加捻速度和收丝速度能使制得的保温玄武岩纤维包芯纱具有更好的结构强度以及弹性、柔性和手感特性等。

29、本技术第三方面提供了一种如本技术第一方面所述的包芯纱或第二方面所述方法所制备的包芯纱在制备保温材料中的应用。

30、本技术中的保温玄武岩包芯纱具有优异的静止空气吸附能力，进而使得其保温性能更好，并延长了温度调节时间，因此能较好地应用在保温材料的制备中，例如应用在调温纤维和保温服装以及建筑节能结构中，具有良好的应用前景。

31、本技术的有益技术效果为：本技术中所提供的保温玄武岩包芯纱中外包纤维的芯材为相变材料丙烯酸正烷基酯聚合物，丙烯酸正烷基酯聚合物的相变温度接近人体温度，且相变温度可调节，具有优异的储热性能；将该外包纤维包裹在玄武岩纤维上后制得的保温玄武岩包芯纱具有优异的静止空气吸附能力，保温性能更好，并延长了温度调节时间。同时包芯纱的制备方法操作简单，成本低，制得的保温玄武岩纤维包芯纱具有羽绒状纤维结构，保温能力强，应用前景良好。