纤维素基储能调温超细纤维的制备

纤维素基储能调温超细纤维的制备

陈长中1,王林格2,黄 勇*3,4

(1 南阳师范学院化学与制药工程学院,南阳 473061;2 英国谢菲尔德大学生物医学系,

谢菲尔德 S102T N;3 中国科学院化学研究所,高分子化学与物理国家重点实验室,北京 100080;

4 中国科学院广州化学研究所,纤维素重点实验室,广州 510650)

摘要:使用静电纺丝法制备了以醋酸纤维素(CA)为载体基质,聚乙二醇(PEG)为相变材料的新型P EG/

CA储能调温超细复合纤维,研究了纺丝溶液中不同PEG含量和分子量对复合纤维的形态和热学性能的影响。

结果发现复合纤维的形态一般呈表面光滑的圆柱状,其平均直径随着P EG含量和分子量的增加而增大,PEG

随机分布在复合纤维中的内部和表面。热学分析发现当改变纤维中P EG的含量时,复合纤维的相变温度变化

不大,而相变焓则与之成正比变化;当改变纤维中PEG分子量时,复合纤维的相变温度和相变焓均随之而改

变。通过多次热循环测试发现复合纤维的热学性能均无太大变化,表明所得复合纤维具有良好的耐热性能和

稳定性能。通过模拟测试发现,所制得的PEG/CA复合纤维具有良好的蓄热调温特性。因此,PEG/CA储能

调温超细复合纤维具有很好的应用前景。

关键词:静电纺丝;储能调温;超细纤维;形态;热学性能

引言

储能调温纤维又称蓄热调温纤维,是将相变储能材料与纤维制造技术相结合开发出的一种功能纤维。储能调温纤维能够在外界环境温度变化时,利用其中的相变材料发生相转变过程与外界环境进行热交换,即发生吸热或放热的过程,从而实现纤维储能或温度调节功能。储能调温纤维及纺织品技术被美国New sday的编辑们选做 改变21世纪人类生活的21项革新之一。储能调温纤维在服装行业、纺织品、医疗、建筑行业等领域有非常巨大的应用前景,其制备方法有中空纤维填充法、浸轧法、微胶囊法和复合纺丝法等。

早在20世纪80年代,Vig o和Frost[1,2]通过将中空纤维浸入相变材料的溶液如无机水合盐和低分子量的PEG溶液中,制得了几种在不同温度区间的蓄热调温纤维。但是,这些纤维经过循环使用后热性能明显变差。因此,提高蓄热调温纤维热性能的新型制备方法如相变材料的微胶囊技术迅速发展起来。Pause[3]将微胶囊化的相变材料整理到纤维上,并系统地提出了蓄热调温纤维具有基础和动态保温性的新理论。最近,Zhang等[4,5]分别使用熔融纺丝法和湿法纺丝法成功制备了微胶囊化的相变材料嵌入纤维的蓄热调温复合纤维。可是,上述方法对于聚合物和相变材料的选择具有很大的局限性,同时制备过程要求较高,所以此方法只能用于制备极少数几种蓄热调温纤维。因此,寻找一种能克服上述缺点的蓄热调温纤维的制备方法是研究者的当务之急。

静电纺丝法是一种制备微米/纳米级超细纤维的简单方便的技术,各种聚合物、聚合物混合物以及含有无机纳米颗粒或药物的聚合物均可进行静电纺丝[6,7]。静电纺丝在卫生保健、生物与环境工程、防护与安全用品以及能量储存和再生等众多领域有着广泛的研究兴趣和巨大的应用前景。Xia研究组[8]首次使用同轴静电熔融纺丝法制备了含有长链烷烃和T iO2 PVP复合物的相变纳米纤维。本文选取聚乙二醇(PEG)作为相变模型化合物,醋酸纤维素(CA)作为高分子载体,通过静电纺丝法成功制备了PEG/

基金项目:国家自然科学基金(N o.50521302)和广东省自然科学基金(N o.07006836);

作者简介:陈长中(1980-),男,大学讲师,主要从事高分子功能材料的研究,E mail:czchen@.

*通讯联系人:yhuang@.

CA蓄热调温超细复合纤维;同时对纤维的形态与热性能进行了较细致的研究。

1 实验部分

1 1 原料与试剂

聚乙二醇(PEG):分子量分别为2000、4000、6000、10000和20000,广州化学试剂有限公司,分析纯。按分子量的不同将其分别写为PEG2000、PEG4000、PEG6000、PEG10000和PEG20000。

醋酸纤维素(CA):M n=2 9∀104,DS=2 45,Sigma A ldrich公司;

丙酮:天津市百世化工有限公司,分析纯;

N,N 二甲基乙酰胺(DMAc):天津市博迪化工有限公司,分析纯。

1.2 静电纺丝过程

首先将一定质量的CA溶解在N,N 二甲基乙酰胺/丙酮混合溶液(w/w=1#2)中配置一系列浓度为15%(w t)的溶液,然后分别往其中加入不同含量及分子量的PEG,在室温下密封匀速搅拌2h。将已配置好的溶液装入5m L的玻璃注射器中,注射器一端与直径为0.8mm的喷丝头相接,另一端则连接注射泵推动溶液以5mL/h的速度流至喷丝头一端。喷丝头与高压静电发生器(BPS 20,北京静电设备有限公司)的阳极相连,纺丝电压为14kV,周围环境温度为25∃,相对湿度为65%。使用与地相连的铝箔收集得到无纺布纤维,铝箔与喷丝口之间距离为15cm,滚筒轴心与喷丝口之间距离为15cm。将电纺所得纤维在真空烘箱室温下干燥24h以除去残余的溶剂。

1.3 热循环实验

为了确定纯PEG粉末和PEG/CA电纺复合纤维的热稳定性和可靠性,将其进行了加热 冷却的热循环处理实验。实验过程如下:首先将一定质量的PEG粉末和PEG/CA电纺复合纤维分别装入未完全密封的铝盒中,然后将其放入热台(ST C200,Instec,美国)中进行热循环处理。热循环过程包括高于PEG溶解温度(最高温度100∃)的加热过程和冷却过程(冷却至室温),加热和冷却过程分别设置为20m in和30m in。以上过程持续进行100次。

1.4 蓄热调温性能实验

为了测试样品在外界温度变化时的蓄热调温性能,实验中采用热台模拟外界温度变化过程并对其过程中样品的温度变化进行监测,从而得到其蓄热调温变化曲线。具体操作如下:将CA纤维、PEG粉末和PEG/CA复合纤维分别使用铝箔包转成管状,其厚度约1cm,而将PEG粉末则装入一个小铝瓶中,然后都放置在热台上。热台设置为温度在35~90∃之间进行加热 冷却的循环过程,加热和冷却过程设置时间分别为20min和25min左右。在循环变化过程中,热台、CA纤维、PEG粉末以及PEG/CA复合纤维的温度变化使用热耦合灵敏温度计(Center300,台湾群特公司)进行测试,每隔30s读数一次。

1.5 测试与表征

1.5.1 电纺溶液性质 所得溶液的粘度和电导率分别使用旋转粘度计(REOTEST II,Volkseignener,德国)和电导率仪(DDS 11A,上海大普仪器有限公司)进行测定。以上测试在室温下进行,且均重复测量三次,各取相应的平均值。

1.5.2 纤维形态测试 先将处理前后的电纺纤维表面喷金,然后使用场发射扫描电子显微镜(FE SEM,JSM 6700F,JEOL,日本)在低真空20kV加速电压下对其形态进行观测。透射电子显微镜(T EM, JEOL 100CX/II,NEC,日本)也用于纤维形态的观测,其工作电压为100kV。选取至少5张各纤维样品的FE SEM照片,使用U TH SCSA Im ag e To ol软件测出电纺纤维的平均直径。

1 5 3 热性能测试 将热处理前后的样品通过示差扫描量热仪(DSC,DSC 100,PE,美国)进行热分析测试。测试条件为:将样品在N2保护下从-20∃加热至120∃,然后再从120∃至 20∃,加热和冷却速率均为10∃/min。样品还通过热重分析仪(T G,TGA2050,T A,美国)测试,测试条件为:高纯氮气保护,流量为80m L/min,样品质量在8~15m g之间,扫描温度范围从0∃到650∃,升温速率为10∃/m in。