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文献引用格式:王文浩,倪海燕,吴是甬,等.光热转换海藻纤维的制备及其热性能[J].纺织科技进展,2024,46(6):23-27,32.
光热转换海藻纤维的制备及其热性能
王文浩,倪海燕* ,吴是甬,刘冰灵
(闽江学院服装与艺术工程学院,福州350108)
基金项目:福建省自然科学基金项目(2023J011403);福建省引导性项目(2021H0056);闽江学院校长基金(2022F0420)
第一作者:王文浩(2003—),男,本科在读,研究方向为光热功能纺织材料。
*通信作者:倪海燕(1980—),女,副教授,硕士,研究方向为热湿舒适性功能纺织品。
摘 要:为了提高纤维可吸收光线的波长范围和光热转换效率,通过在海藻纤维中添加可吸收波长范围不同的纳米碳化锆和远红外陶瓷粉,以此提高海藻纤维对太阳光的利用效率;同时采用氙灯、红外灯作为光源,通过红外测温枪测试织物的温升性能。试验结果表明,同时添加碳化锆和远红外陶瓷粉的纤维温度变化比只添加单一材料的更快,且平衡温度也更高;在180s氙灯和红外灯的共同照射下,添加2种光热材料的纤维温度比空白样的高了39.2℃,与只添加碳化锆的织物对比,温度高了12.4℃。
关键词:湿法纺丝;碳化锆;远红外陶瓷粉;海藻纤维;光热转换
当今,人们对服装的要求更加多元化,既要求美观和轻便,又强调实用性,同时,环保意识的提升使得纺织品的生产过程需更加环保,以促进绿色发展,因此,纺织科研人员正研发环保且功能优越的纤维材料。海藻纤维是以海藻植物中分离出的海藻酸钠为原料制备的一种新型绿色生物质纤维[1]。基于海藻酸钠无毒、阻燃且生物相容性好的特点[2-3],海藻纤维在吸湿透气、抗菌、阻燃、远红外、防电磁辐射以及生物相容和可降解方面具有显著优势。并且其原料为海藻植物,来源充足、绿色环保[4],为我国发展海藻纤维提供了巨大潜力。在服装领域,除了轻便与美观,舒适性和保暖性也至关重要。远红外纤维通过添加特殊材料,赋予纤维吸收不同波长红外线的性能,使服装在保持轻薄的同时保暖效果出众,满足了市场对服装的多重需求。
远红外陶瓷粉由无机化合物、矿石粉末和微量金属元素等烧制而成,具有红外辐射兼吸收热量的特性。当其吸收局部皮肤的热能后,会释放出8~15μm波段的远红外光线,与人体的内循环振动频率一致,这可以加速细胞分子运动、局部生热、升高皮肤组织温度、扩张毛细血管,使血液流速加快,改善血液循环和微循环。
图1为测试常温状态下远红外陶瓷粉在8~15μm 波长范围内的法向发射率,在37、50、100 ℃3种温度下验证其稳定性。结果显示,在37、50、100 ℃时法向发射率分别为88.6%、89.0%、89.5%,温度变化对法向发射率有一定影响,但常温状态下发射率结果相对稳定。远红外陶瓷粉具有高辐射率(>85%)和高光热转换效率,无需热源,可吸收周围环境热量并以远红外能量形式输出[5-6]。因此,研究采用远红外陶瓷粉,提高远红外纤维的保暖性能。
图1 同一试样在37、50、100℃时的法向发射率
仅添加远红外材料的纤维虽然利用了红外光能量,但保温效果不足,无法满足保暖需求。因此,需研究如何利用其他光谱光源,提高服装保暖性能。碳化锆材料具有良好的光热转换性能,能吸收可见光并反射波长超过2μm 的红外线[7],从而提高光热转换效果。当光照射碳化锆时,分子中电子跃迁使晶格振动,温度升高,从而达到光热转换效果[8-9]。碳化锆可优化功能复合相变微胶囊的壁材结构,改善过冷结晶现象。在近红外灯下,功能复合微胶囊展现出良好的光热转换性能[10]。因此,碳化锆是值得选择的保暖功能材料。
综上所述,远红外陶瓷粉和碳化锆均具有较好的保暖性能,但单一使用,存在利用光源受限制,保暖功效不明显的现象。因此,同时使用碳化锆和远红外陶瓷粉作为光热转换材料进行光热转换纤维的制备[11],利用两者的协同功效,开发具有光热转换功能的高保暖海藻纤维。
1 试 验
1.1 试剂与材料
无水氯化钙、无水乙醇、粒径为50nm 的碳化锆、海藻酸钠、粒径为2μm 的远红外陶瓷粉分别从鑫达食化生物科技、西陇科学股份有限公司、上海超威科技有限公司、青岛明月海藻集团有限公司和天津鸿雁天山石业纳米技术有限公司购得。
1.2 仪器和设备
TS-01-20台式湿法纺丝机(常州市灵纤纺织机械有限公司)、TM4000Plus台式扫描电子显微镜(日本日立公司)、YG001N 电子单纤维强力仪(常州市天祥纺织仪器有限公司)、62MAX红外测温枪(福禄克测试仪器有限公司)、SC-IV2红外灯(上海弋翔仪器有限公司)、JJ-1精密增力电动搅拌器(常州普天仪器制造有限公司)、MS-H-ProA 磁力搅拌器(大龙兴创实验仪器有限公司)、JJ1023BF电子天平(上海精胜科学仪器有限公司)、YG(B)086缕纱测长机(温州大荣纺织仪器有限公司)、CEL-NP2000-2(10)A 全自动光功率计、Microsolar300氙灯光源系统(北京中教金源科技有限公司)。
1.3 制备光热转换海藻纤维
目前海藻纤维制备方法有湿法纺丝、静电纺丝、微流控纺丝、离心纺丝等[12]。湿法纺丝可以通过使用不同喷丝头纺出不同直径的纤维;静电纺丝可以纺出比湿法纺丝更细的纤维[13]。周美会[14]将海藻酸钠溶液与聚乙烯醇和相变微胶囊混合,通过湿法纺丝工艺纺出一种具有蓄热调温功能的海藻纤维,当相变微胶囊含量达到10%时纤维有较好的力学性能。
准备4个烧杯,在每个烧杯中称取380g去离子水和20g海藻酸钠粉末。将这些混合物加热至50℃,使用电动搅拌器搅拌,以促进海藻酸钠的溶解。溶解后,第二个烧杯中加入1.2g的碳化锆,第三个烧杯中加入4g的远红外陶瓷粉,第四个烧杯中同时加入1.2g碳化锆和4g远红外陶瓷粉。保持温度并高速搅拌3h,使粉体在海藻酸钠溶液中均匀分散。最后,制得的纺丝原液需要经过一晚上的静置消泡。
打开计量泵并对储料罐进行加压,然后将纺丝原液从由直径25mm 过滤网、25mm×1.9mmO 型圈、喷丝帽、分配板以及2个直径25mm 垫圈组成的喷丝头中喷出。纺丝原液从喷丝头喷出后再经过由5%的氯化钙溶液所组成的凝固浴,凝固成丝,接着依次经过压丝棒和导丝轮后到达对辊组,调整4组对辊组的速度使纤维得到一定程度的牵伸。纺丝原液经过4组对辊机的作用后形成纤维,最后将纺丝辊上的纤维浸泡在无水乙醇中,使纤维中的水分被酒精稀释,然后将纤维从纺丝辊上退绕下来,在退绕过程中酒精会迅速挥发,从而得到具有光热转换性能的海藻纤维。
将制备的4种不同比例的光热转换海藻纤维依次命名为1# 、2# 、3# 、4# ,不同样品中功能材料的含量见表1。
2 表征分析
2.1 纤维微观结构表征
使用台式扫描电子显微镜观察纤维的形貌。使用导电胶带将4个样品贴在样品台上,然后将样品台放到喷金仪器里,打开变压器然后开始对样品进行喷金。喷金结束后通过螺纹杆将样品台安装进样品仓,抽真空后开始观察样品。
2.2 纤维力学性能测试
将单根海藻纤维样品置于YG001N 电子单纤维强力仪上,用夹持器夹紧,单纤的预加张力为0.5cN,拉伸速度为100mm/min,试验次数30次,结果取平均值。
2.3 光功率密度检测
使用全自动光功率计测试不同光源的光功率密度,将传感器的盖子打开后依次使用氙灯、红外灯进行照射,同时使用氙灯和红外灯照射,观测使用不同光源照射时光功率的变化。
2.4 光热转换功能检测
根据试验要求,需要对纺出的实验样品进行光热转换性能检测。为了更真实地模拟人们日常穿着时的太阳光环境,太阳模拟器的光源选择至关重要,必须具备高发光效率、功率可调、高亮度,光谱特性尽可能接近太阳光谱。短弧氙灯具有连续光谱特性,并且可见光光谱近似于太阳光,所以常作为太阳模拟器的光源[15]。
在研究中,采用氙灯作为太阳模拟器的光源。为了达到所需的光线强度,为氙灯光源系统安装了CELAB25型滤光片,使光线强度衰减至75%。随后,将试验样品置于氙灯光源系统下方,并设置了一盏红外灯。通过调整样品与光源的距离,确保氙灯光源系统距离样品30cm 并垂直照射,而红外灯距离样品25cm并以45°角照射,还要确保2种光源的光线在样品位置相交,如图2所示。
图2 光热转换性能检测装置
正式检测开始前,先对样品进行了温度测试,确保其初始温度大致相同。检测过程中,使用红外测温枪分别记录仅用氙灯光源系统照射、仅用红外灯照射以及同时使用2种光源照射时样品的温度变化。每10s记录一次数据,持续进行监测。
3 结果与讨论
3.1 纤维形貌与结构
通过哈氏切片法将纤维一端整齐切断,对纤维进行喷金处理后,使用台式扫描电子显微镜观察远红外陶瓷粉体与碳化锆在海藻纤维中的分布情况,得到4份样品的扫描电镜图,如图3所示。
(a)空白样电镜图
(b)0.3%碳化锆电镜图
(c)1%远红外陶瓷粉电镜图
(d)0.3%碳化锆和1%远红外陶瓷粉电镜
图3 添加不同光热材料海藻纤维的形貌特征
由图3可观察到纤维表面存在明显的沟槽,这是由于纤维在凝固过程中纤维表面会失去大量水分所导致的。从图3(a)可以看出,没有添加任何远红外粉体和碳化锆的海藻纤维表面十分光滑,不存在颗粒。从图3(b)可以看出海藻纤维中有较多的碳化锆颗粒,但是发生了团聚现象。从图3(c)可以看出海藻纤维中的远红外陶瓷粉也发生了较为严重的团聚现象。从图3(d)可以看出碳化锆和远红外粉体虽然分布较为均匀,但是也存在较多的团聚现象[16]。
通过纤维形貌与结构图可以分析出将碳化锆粉体和陶瓷粉体掺杂到纤维中,碳化锆粉体和陶瓷粉体的尺寸和形状会影响其在纤维中的分散性。出现团聚现象可能是因为粉体尺寸过大或形状不规则,即粉体颗粒聚集在一起,形成较大的团块,而不是均匀分布在纤维中。其次,纤维的表面性质也会影响粉体的分布。海藻纤维具有亲水性,会使粉体更容易附着在纤维表面,而不是均匀分散在纤维内部。团聚现象的出现加剧了纤维的强力降低,使得纤维不易成形[16]。
3.2 纤维力学性能
通过强力测试获得的试验数据见表2。
从表2可以看出,1# 样品的断裂强度优于其他样品,认为是添加陶瓷粉和碳化锆影响了纤维的强力。通过图3可观察到3# 样品中的团聚现象最为严重,其力学性能最差,也可表明团聚现象会加剧对纤维强力的影响。
3.3 光热转换性能测试结果与分析
3.3.1 各种测试光源的光功率密度
通过全自动光功率计测得不同光源的光功率密度,见表3。
3.3.2 不同样品的光热转换性能
通过红外测温枪对4个样品分别在氙灯光源系统、红外灯、氙灯光源系统及红外灯的照射下所产生的温度变化进行记录。
(1)使用氙灯照射时试样的温升情况如图4所示。
图4 氙灯照射时试样的温升情况
由图4可知,在氙灯的照射下1# 样品和3# 样品温度变化平缓,在140s时达到平衡,且温度变化曲线基本相似。由此可以推断纤维中的远红外陶瓷粉在可见光照射下温度变化极小。2# 样品和4# 样品在氙灯的照射下前30s温度快速升高,30s后温度变化趋于平缓,在150s时温度达到60℃且后期变化趋于平稳。2# 样品和4# 样品在氙灯的照射下有着相似的升温曲线,由于远红外陶瓷粉在氙灯的照射下不会发生温度变化,所以可以推断出是纤维中的碳化锆在氙灯的照射下起到光热转换的作用,且不会被添加的远红外陶瓷粉影响。
(2)使用红外灯照射时试样的温升情况如图5所示。
图5 红外灯照射时试样的温升情况
由图5可知,在红外灯的照射下1# 样品和3# 样品在10s前温度迅速提升,10s后温度提升速度减缓,经过180s的照射后1# 样品温度提升了25.8℃,3# 样品温度提升了34.2℃。2# 样品在前20s温度提升迅速,20s后温度提升速度减缓,经过180s的照射后温度提升了50.6 ℃。4# 样品在前40s温度提升迅速,40s后温度提升速度减缓,经过180s的照射后温度提升了58.3℃。各组温度的变化说明了单独添加碳化锆相较于纯海藻纤维会有温度的提升,但温度提升速度较慢,单独添加远红外陶瓷粉相较于海藻纤维对红外光的敏感程度近似相同,但最终温度提升不显著;同时添加碳化锆以及远红外陶瓷粉可以结合两者的优点,不仅可以快速对红外光作出反应且温度提升显著。
(3)使用氙灯和红外灯同时照射时试样的温升情况如图6所示。
图6 氙灯与红外灯同时照射时试样的温升情况
由图6可知,在氙灯和红外灯2种光源同时照射下,1# 样品在20s前温度迅速升高,20s后升温速度趋于平缓,经过180s照射后温度提升了28.5℃。2#样品和4# 样品在10s前温度迅速提升,10s后温度提升速度趋于平缓,经过180s的照射,2# 样品温度提升了55.3℃,4# 样品温度提升了67.8℃。3# 样品在10s前温度迅速升高,10s后升温速度趋于平缓,经过180s照射后温度提升了32.3 ℃。在照射过程中4#样品温度始终高于其他样品,由此可以推断出同时添加2种光热材料能提高纤维的光热转换性能。
将图5与图6中的1# 样品进行对比,该样品的平衡温度几乎没有变化,由此可以推断出在使用红外灯照射的基础上使用氙灯照射并不会影响纤维的最终温度。将图4与图5中的2# 样品和4# 样品进行对比可知,同时使用2种光源照射的纤维温度比只使用红外灯照射的纤维提升了大约5 ℃,由于远红外陶瓷粉在氙灯的照射下不会进行光热转换作用,所以可推断出纤维温度的提升是由于碳化锆进行光热转换造成的。在使用红外灯照射的基础上再添加一个氙灯光源可以使4# 样品温度提高约5℃,这说明添加2种光热材料的样品与其他样品相比可吸收的波长范围更广,可以更好地利用太阳光。
4 结 论
(1)采用扫描电子显微镜观察该纤维的表面形态,通过观察可知纤维中的光热材料发生不同程度的团聚现象,其中3# 样品的团聚现象最严重。
(2)采用电子单纤维强力机测量不同样品的力学性能,3# 样品的力学性能最差,这是由于团聚现象会严重影响纤维的性能。
(3)采用氙灯光源系统和红外灯对纤维进行光热转换性能测试,其结果为:在氙灯光源照射下1# 样品和3# 样品温度变化情况几乎相同,在150s左右达到平衡温度,温度提高约8℃。2# 样品和4# 样品经过130s左右的照射后温度提高34.4℃。使用红外灯照射样品,3# 样品比1#样品的平衡温度高了大约6.6℃。在使用红外灯照射的基础上再使用氙灯光源进行照射,2# 样品和4# 样品的平衡温度提高约5℃,这说明添加2种光热材料的纤维可吸收的波长范围更广。
参考文献见《纺织科技进展》2024年第6期。
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