PP_PEG相变复合材料制备及性能表征_董振峰_陈小春_王锐_张大省

董振峰等： PP / PEG 相变复合材料制备及性能表征
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升温速率 10 ℃ / min
升降温速率 10 ℃ / min
图1
PEG1000 的 TGA 图
图2
PP 的 DSC 测试曲线
升温速率 10 ℃ / min．
降温速率 10 ℃ / min．
图3
不同相对分子质量 PEG 升温 过程的 DSC 曲线
DOI:10.16454/ki.issn.1001-0564.2016.02.007
相变材料是一种发生相变时可以储存和释放能量的材料 ． 但因其相变时变为液体或气 ， 体 在进行逆过程时数量、 形状、 纯度等无法控制而不能重复使用 ， 因此需要将其密封． 根据用 ［1 ］ ［2 ］ ［3 － 4 ］ 、 途不同， 相变材料的密封或固定方法通常有机械包装法 、 共混法 、 微胶囊法 化学接 枝法
PP / PEG1000 在不同温度下的可纺性 组件 温度 / ℃ 180 175 170 165 160 155 组件 压力 / MPa 2. 0 2. 0 3. 5 5. 0 9. 0 16. 0 可连续 卷绕性 不可卷绕 可短时卷绕 可连续卷绕 可连续卷绕 不可卷绕 不可卷绕
图5
PP / PEG1000 卷绕丝横截面
2
2. 1
结果与讨论
相变材料热稳定性分析
通常相变材料在具有较低的相变温度时 ， 也具有较低的沸点或分解温度， 因此需要根据所 ． PEG 需调控温度及最低的加工温度对相变材料进行筛选 采用 作为相变材料， 首先对其进行 热稳定性能（ TG） 测试． PEG 在 N2 气氛和空气气氛中的 TG 测试结果见图 1． 在实际的试验 （ 或生产） 中 PEG 的气氛介于二者之间． 从图 1 中可以看出， PEG 在 160 ℃ 已经开始分解， 在 175 ℃ 时质量损失率已经大于 1% ． 在 TG 测试过程中以 10 ℃ / min 升温时， 从 160 ℃ 升温至 175 ℃ 只需要 90 s， 而任意组分在纺丝组件中的停留时间一般不会小于 60 s， 因此用 PEG 作相 变材料的复合材料加工温度不宜大于 175 ℃ 及在高温下尽可能短的停留时间 ． 2. 2 皮层材料选择 相变复合材料的皮层材料的熔体流动性能决定复合材料的最低加工温度 ． 用于密封的材 料在相变复合材料的生产、 储存及使用过程中不可与相变材料发生化学反应或被腐蚀、 溶胀、 溶解、 熔融等． PP 作为一种通用高分子材料在注塑及纺丝中应用极为广泛 ， 熔点较低且不会 被 PEG 及其分解物溶胀、 溶解或降解． 将 PP 进行 DSC 测试其升温过程熔点及降温过程凝固 虽然在升温过程中 PP 的熔融终点温度大于 170 ℃ ， 但其降温过 点见图 2． 从图 2 中可以看出， 且低于 PEG 的初始分解温度， 因此可以用于加工皮芯型的 PP / PEG 相 程的凝固点小于 130 ℃ ， 变复合材料． 2. 3 相变材料的选择 相变材料的选择取决于所需要调控的温度及较大的热焓 ． PEG 的相变温度及热焓与其相 对分子质量有关， 为了选择合适相变温度的 PEG， 采用 DSC 对几种常用的不同相对分子质量 的 PEG 进行测试以确定其升温过程和降温过程的相变温度． 选用的相变材料为 PEG600 ， PEG1000 和 PEG2000 ， 1 000 和 2 000． 不同相对分子质量 PEG 的 相对分子质量分别为 600 ， DSC 升温和降温测试曲线分别见图 3 和 4．
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北京服装学院学报（ 自然科学版） 表1 序号 1 2 3 4 5 6
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时可以得到直径为 500 μm ～ 3 mm 的 PP / PEG 皮 芯相变 复 合 材 料． 图 5 是 纺 丝 组 件 温 度 为 165 ℃， 以 300 m / min 的卷绕速度得到卷绕丝采用光 学显微镜拍摄的横截面图； 图 6 是卷绕丝经过 6 倍拉伸后得到的拉伸丝横截面 SEM 图． 从图 5 中可以看出： PP / PEG 相变复合材料为皮芯结构， 卷绕丝的直径约 800 μm； 由于丝条较粗受油浴槽 冷却和牵伸张力等的影响， 横截面并非标准圆形． 从图 6 可以看出， 牵伸丝的直径约 100 μm， 纤度 强度约为 2. 4 cN / dtex． 约为 35 dtex，
1
1. 1
实
验
原料及设备 2. 16 kg ） ； 聚乙二醇： 分析纯， 聚丙烯： 纺丝级， 熔融指数为 35 g / （ 10 min ） （ 230 ℃ ， 北京化
学试剂公司； TiO2 ： 纳 米 级， 上 海 江 沪 钛 白 化 工 制 品 有 限 公 司； 单 螺 杆 纺 丝 机： 螺 杆 直 径 为 25 mm， 25 ， 长径比为 大连华伦化纤工程有限公司； 纺丝组件： 单孔， 皮层微孔内径为 2. 0 mm，
芯层微孔内径为 0. 5 mm， 长径比为 4 ， 西安探索仪器有限公司． 1. 2 相变复合材料制备 将聚丙烯通过螺杆挤出机熔融经计量泵输送至纺丝组件 ， 从喷丝板挤出形成相变复合材 料的皮层； 将聚乙二醇与质量分数 0. 3% 的 TiO2 在熔融罐中熔融混合均匀后经计量泵输送至 纺丝组件从喷丝板挤出形成相变复合材料的芯层 ． 相变复合材料经油槽冷却上油后以 50 ～ 300 m / min 卷绕得到皮芯相变复合材料的卷绕丝 ． 将卷绕丝在室温下牵伸 6 倍得到牵伸丝． 1. 3 表征与测试 12 离子溅射 采用 YG086C 型缕纱测长仪测试纤维线密度， 常州纺织仪器厂； 用 KYKYSBC7500F 型场发射型扫描电子显微镜下观察并记录 仪对纤维试样进行镀金处理， 然后置于 JSM-
图6
PP / PEG1000 牵伸丝横截面的 SEM 图
2. 5
直径对 PP / PEG 吸放热性能的影响 在 PP / PEG 相变复合材料制备过程中的无
油丝、 卷绕丝和牵伸丝的直径不同， 在实际应用 中根据用途不同需要选择不同直径的相变复合 材料， 如作为服装填充纤维需要牵伸丝 ， 而作为 座垫的编织材料则需要直径为 1 ～ 3 mm 的卷 绕丝． 不同直径则对应着不同的壁厚、 传热速 率、 相变材料量 （ 或热焓量 ） 及力学性能． 图 7 是相同皮芯比不同直径的 PP / PEG 相变复合材 料的相变材料升温过程 DSC 曲线． 从图 7 中可 以看 出， 皮 芯 质 量 比 为 4 ∶ 6 时， 直 径 对 PP / PEG1000 复合材料的传热速率并无明显影响， PP / PEG 复合材料的升温熔融热焓约为 82 J / g． 2. 6 升降温速率对 PP / PEG 吸放热性能的影响
升温速率 10 ℃ / min．
图7
不同直径 PP / PEG1000 的 DSC 曲线
当相变材料从低温环境进入不同的高温环境时 ， 可以用不同升温速率来间接表征； 反之， 当相变材料从高温环境进入不同的低温环境也可用不同降温速率来间接表征 ． 图 8 和 9 分别 为同一 PP / PEG1000 牵伸丝经封闭后在 0 ～ 60 ℃ 以不同的速率升温和降温时的 DSC 曲线． 从 图 8 和 9 中可以看出， 随着升降温速率的降低， 由于不同完善程度的晶格有足够的缓冲时间逐
第 36 卷 第 2 期 2016 年 6 月
北京服装学院学报 Journal of Beijing Institute of Clothing Technology
Vol． 36 No． 2 Jun． 2016

PP / PEG 相变复合材料制备及性能表征 *
N2 气 纤维的形态结构． 采用美国 TA 公司 Q2000 测试相变材料及相变复合材料的熔融温度， N2 气氛和空气气氛． 采用美国英斯特 升温速率为 10 ℃ / min， 氛． 热重分析采用 TG / DTA6300 ， 朗公司 Instron5969 力学性能测试仪按照 GB / T 14337 —1993 进行纤维力学性能的测试， 拉伸 速度为 40 mm / min． 采用奥林巴斯 BX51 工业光学显微镜观察并记录纤维的形态结构 ．
收稿日期： 2016 － 01 － 15 * 基金项目： 北京市人才强教计划 —青年英才项目（ YETP1407 ） 作者简介： 董振峰（ 1981 － ） ， 男， 讲师． mail： clywangrui@ bift． edu． cn ＊＊通讯联系人 E-
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北京服装学院学报（ 自然科学版）
2016 年
［5 ］ ［6 － 7 ］ 、 纺丝法 等．
纺丝法主要用于制备直径在 10 μm ～ 5 mm 的纤维状或连续条状相变复合材料， 可以用于 ［8 ］ ［9 ］ 纺织服装、 编织和缠绕等材料． 纺丝法主要有共混纺丝法 和皮芯复合纺丝法 ． 由于用于 通常会导致相变材料挥发或者分解 ； 纺丝的聚合物材料的螺杆输送温度及纺丝组件温度偏高 ， 相变材料与纺丝聚合物的相容性较差导致相变材料混入率较低 ； 相变材料熔融后与聚合物熔 体粘度差较大导致其共混物难以输送 ， 以上原因导致复合材料中相变材料的含量和相变热含 量较小． 本研究选用 PEG 作为相变材料， 以熔融储罐代替螺杆输送相变材料， 将 PEG 与纺丝级聚 并对其结构及性能进行研究． 丙烯制备皮芯相变复合材料，
1 2 董振峰 ，陈小春 ，王
锐
1 ＊＊
，张大省1
（ 1. 北京服装学院材料科学与工程学院 ，北京 100029 ； 2. 北方华安工业集团有限公司， 齐齐哈尔 161006 ）
摘
要： 采用熔融纺丝法制得 PP / PEG 相变复合材料， 并研究其结构与性能． 结果表明： 相对分子
1 000 ， 2 000 的 PEG 均可用于制备 PP / PEG 相变复合材料； 相变复合材料为皮芯结构 ， 质量为 600 ， 当 PP 与 PEG1000 质量比为 4∶ 6 时， 直径为 100 μm ～ 3 mm， 可调控的温度范围为 20 ～ 45 ℃ ， 相变焓 约 82 J / g， 强度约为 2. 4 cN / dtex． PP / PEG 相变复合材料封闭后可重复使用 ． 关键词： 相变； 调温； 聚乙二醇； 封闭； 熔融纺丝 中图分类号： TQ342. 89 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 0564 （ 2016 ） 02 － 0045 － 06