CN106835313A

CN106835313A - 一种有机化改性的纳米碳化锆及其在锦纶制备中的应用

Info

Publication number: CN106835313A
Application number: CN201611057890.5A
Authority: CN
Inventors: 汪蔚; 徐丽亚; 沈叶明; 马训明; 毛焘; 王成翔
Original assignee: ZHEJIANG JIAHUA SPECIAL NYLON CO Ltd; Jiaxing University
Current assignee: ZHEJIANG JIAHUA SPECIAL NYLON CO Ltd; Jiaxing University
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2017-06-13

Abstract

本发明提供了一种纳米碳化锆的有机化改性方法，以及含有该改性纳米碳化锆的吸光发热锦纶的制备方法。本发明采用三甲氧基氯硅烷对纳米碳化锆进行处理，使三甲氧基氯硅烷与碳化锆表面羟基进行反应，得到表面包覆三甲氧基硅的有机化改性纳米碳化锆，然后将改性纳米碳化锆添加到成纤用聚己内酰胺树脂中制成功能母粒，再将功能母粒与聚己内酰胺树脂切片混合，经熔融、纺丝、拉伸、卷绕制得吸光发热锦纶。母粒中改性纳米碳化锆的含量为10～15wt％，母粒与切片的共混比(质量比)为20/80～10/90，纤维中改性纳米碳化锆的含量为1.0～3.1％。采用该法制备锦纶，可纺性好，产品具有良好的吸光发热功能和物理机械性能。

Description

一种有机化改性的纳米碳化锆及其在锦纶制备中的应用

技术领域

本发明涉及一种纳米碳化锆的有机化改性方法，以及含有该改性纳米碳化锆的吸光发热锦纶的制备方法，属于功能纤维材料技术领域。

背景技术

御寒保暖是服装最主要的功能之一。传统服装材料主要通过控制人体与外界环境之间的热传导、热对流和热辐射而起到御寒保暖作用。在外界环境温度低于人体正常体温时，可以通过适当增加衣物的厚度来减少人体与外界环境之间的热交换，从而维持人体的正常体温。随着人们对服装时尚及美观要求的日益提高，轻薄化已经成为趋势，尤其是冬季运动服装，厚实臃肿的服装不仅影响美观，还影响其运动功能性。为了提高纺织材料的保温效果，日本钟纺公司、可乐丽公司、三菱人造丝公司以及天津工业大学等通过在聚酯、聚酰胺、聚丙烯或聚丙烯腈中混入具有高辐射率远红外线的陶瓷微粉，制备了远红外发热纤维。采用这类纤维制成的面料，具有较好的保温效果，但仍不能满足冬季服装既轻盈又保暖的要求。于是，又有研究开发者致力于可从外部吸收能量的发热纤维的开发。例如，利用微导电材料通电后发热的“东丽热”纤维，以及利用铁粉等材料被空气中的氧气氧化而发热的化学反应发热纤维等。但是，采用这类纤维制成的面料及服装却有穿着使用不便且耐久性差的缺憾。

吸光发热纤维是指能吸收太阳光、灯光及各种光源中的可见光与近红外线，并将其转化为热能释放出来的纤维。化学元素周期表中第IV族过渡会属元素的碳化物或氧化物，如碳化锆(ZrC)、氧化钛(TiO₂)等，对可见光的吸收率高，受光照后辐射能力及发热效果好。例如，日本泰萨特公司和尤尼吉卡公司通过在聚酰胺、聚酯中添加ZrC和金属铝粉，开发成功商品名为Solar-α的阳光蓄热纤维，在阳光照射下可以显著提高服装内温度达8℃。专利CN103132177A通过在聚酯纤维中在线添加1-8wt％的纳米ZrC，制备了单丝细度为2-5dtex的吸光发热纤维。由于纳米材料比表面积大，表面能极高，在聚合物基体中极易团聚，从而导致纤维可纺性差、产品性能下降，纺细旦纤维困难。为了获得性能良好的纤维，需要使纳米粒子均匀稳定分散在聚合物基体中，保持纳米材料的纳米级粒度。专利CN103436976A通过对SiC、MgO、ZnO、Al₂O₃等纳米粒子的有机化改性，提高了纳米粒子在聚烯烃基体中的均匀稳定分散性能，制得了力学性能增强的聚丙烯、聚乙烯复合纤维。专利CN103484959A公开了一种用于纤维材料中的碳化锆组合物及其制备方法，所述组合物包括碳化锆、金属氧化物及树脂，该组合物可改善碳化锆粉体表面的凹凸与尖锐外观，及其在纤维中的分散，有利于后续加工。

发明内容

本发明的一个目的为了解决纳米碳化锆在成纤高聚物，尤其是成纤聚己内酰胺树脂中的均匀稳定分散问题，而提出的一种纳米碳化锆的有机化改性方法。

本发明的另一个目的是将获得的该改性纳米碳化锆应用于锦纶的制备，以获得具有吸光发热特性的锦纶材料。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：

第一步：按质量计，在100份二丁醚中，加入20～25份粒径为100-300nm的纳米碳化锆，室温下研磨分散1h，制得纳米碳化锆分散液；

第二步：在第一步所得分散液中加入三甲氧基氯硅烷(用量为纳米碳化锆的3～5wt％)，搅拌升温至40℃，反应1h；

第三步：将第二步所得反应液，经喷雾干燥，得表面包覆三甲氧基硅的有机化改性纳米碳化锆。

碳化锆的X射线光电子能谱(XPS)图(参见图1)表明，由于碳化锆在存储过程中会发生氧化、水解反应，其表面含有一定数量的-OH。这些-OH可以与三甲氧基氯硅烷发生取代反应，从而在碳化锆表面连接上三甲氧基硅基团，其反应历程见附图2。

制得的改性纳米碳化锆与聚己内酰胺树脂共混，以制成锦纶材料，以获得吸光发热特性。制取该种锦纶材料的方法如下：

先按质量计，将制得的有机化改性纳米碳化锆12～18份与100份成纤用聚己内酰胺树脂掺混，经螺杆挤出机熔融共混挤出、造粒，制得功能母粒；

再将所制得的功能母粒与聚己内酰胺切片共混，经熔融、纺丝、拉伸、卷绕制得吸光发热锦纶，功能母粒与聚己内酰胺切片按20/80～10/90质量比共混。

有益效果

(1)本发明所提供的纳米碳化锆的有机化改性方法，制备过程简便，易于工业化生产，表面有机包覆层完整，可有效改善纳米碳化锆在聚合物基体中的均匀稳定分散性能。

(2)本发明所提供的含有机化改性纳米碳化锆的吸光发热锦纶的制备方法，可纺性好，可制备细旦纤维(单丝细度＜1.0dtex)，产品具有良好的物理机械性能，在较少的添加量下，即可获得良好的吸光发热性能。

附图说明

图1为碳化锆的X射线光电子能谱(XPS)图；

图2为在碳化锆表面连接上三甲氧基硅基团的反应过程；

图3为含有本发明碳化锆的锦纶材料具有的吸光发热性能测试结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步的描述。

实施例1

第一步：按质量计，在100份二丁醚中，加入20份粒径为100～300nm的纳米碳化锆，采用卧式研磨机，室温下研磨分散1h，制得纳米碳化锆分散液；

第二步：将第一步所得分散液中移入反应釜，加入三甲氧基氯硅烷(用量为纳米碳化锆的5wt％)，在搅拌条件下升温至40℃，反应1h；

第三步：将第二步所得的反应液，经喷雾干燥机干燥。干燥工艺为进料速率3.0～4.0kg/h、进口风温度180～190℃、出口风温度90～100℃、排风速率0.35～0.40m³/min、雾化压强100～120kPa；

第四步：按质量计，将第三步所制得的有机化改性纳米碳化锆12份与100份聚己内酰胺树脂经螺杆挤出机熔融共混挤出、造粒，制得功能母粒。共混工艺为螺杆转速150rpm，各区温度依次为210±3℃、250±3℃、245±3℃、235±3℃、180±3℃。

第五步：按质量计，将第四步所得的功能母粒10份与90份聚己内酰胺树脂共混，经熔融、纺丝、拉伸、卷绕制得吸光发热锦纶纤维，其性能指标参见表1。纺丝工艺为螺杆转速45r/min，螺杆挤压机各区温度依次为262±3℃、266±3℃、267±3℃、270±3℃、270±3℃，喷丝孔直径0.18mm、孔数48，环吹风温度18±1℃、湿度95±2％、风速0.40-0.45m/s，卷绕速度4290m/min。

实施例2

第一步：按质量计，在100份二丁醚中，加入25份粒径为100～300nm的纳米碳化锆，采用卧式研磨机，室温下研磨分散1h，制得纳米碳化锆分散液；

第二步：将第一步所得分散液移入反应釜，加入三甲氧基氯硅烷(用量为纳米碳化锆的3wt％)，在搅拌条件下升温至40℃，反应1h；

第三步：将第二步所得反应液，经喷雾干燥机干燥。干燥工艺为进料速率3.0～4.0kg/h、进口风温度180～190℃、出口风温度90～100℃、排风速率0.35～0.40m³/min、雾化压强100～120kPa；

第四步：按质量计，将第三步所制得的有机化改性纳米碳化锆18份与100份聚己内酰胺树脂经螺杆挤出机熔融共混挤出、造粒，制得功能母粒。共混工艺为螺杆转速150rpm，各区温度依次为210±3℃、250±3℃、245±3℃、235±3℃、180±3℃。

第五步：按质量计，将第四步所得的功能母粒20份与80份聚己内酰胺树脂共混，经熔融、纺丝、拉伸、卷绕制得吸光发热锦纶纤维，其性能指标参见表1。纺丝工艺为螺杆转速45r/min，螺杆挤压机各区温度依次为262±3℃、266±3℃、267±3℃、270±3℃、270±3℃，喷丝孔直径0.18mm、孔数48，环吹风温度18±1℃、湿度95±2％、风速0.40-0.45m/s，卷绕速度4290m/min。

表1吸光发热锦纶主要性能指标

	实施例1	实施例2
			规格	44.4dtex/48F	44.4dtex/48F
有机化纳米碳化锆含量(wt％)	1.07	3.05％
			强度(cN/dtex)	39.8	39.0
断裂伸长率(％)	43.8	42.1
			线密度CV值(％)	1.08	1.12
沸水收缩率(％)	8.2	9.2

将实施例1、实施例2所得纤维制成织物，织物规格：经纬丝线密度44.4dtex，经密740根/10cm、纬密560根/10cm，每平方米重量61g。将织物剪成50cm×50cm的试样，在500W射灯下照射(照射距离50cm)，用红外温度传感器(精度0.1℃)测定试样中心部位的表面温度，每5秒记录一次温度，计算试样在20min内的升温值，并与同规格普通织物对比。各样品的吸光发热性能测试结果见附图3，由图可以看出，在相同的照射时间下，以实施例1、实施例2所得纤维所织成的织物，其表面温度高于同规格普通织物，经20min照射后，以实施例1、实施例2所得纤维所织成的织物，其表面温度比同规格普通织物高6.3℃、7.1℃。

Claims

1.一种有机化改性的纳米碳化锆，其特征在于包括以下步骤：

I.在二丁醚中加入纳米碳化锆，室温下研磨分散1h，制得纳米碳化锆分散液；

II.在步骤I所得分散液中加入三甲氧基氯硅烷，搅拌升温至40℃，反应1h；

III.将步骤II所制得反应液，经喷雾干燥机干燥，得表面包覆三甲氧基硅的有机化改性纳米碳化锆。

2.根据权利要求1所述的有机化改性的纳米碳化锆，其特征是：所述纳米碳化锆的平均粒径为100～300nm。

3.根据权利要求1所述的有机化改性的纳米碳化锆，其特征是：按质量计，所述二丁醚用量为100份，纳米碳化锆用量为20～25份，三甲氧基氯硅烷用量为纳米碳化锆的3～5wt％。

4.根据权利要求1所述的有机化改性的纳米碳化锆用于制取锦纶材料，所述的锦纶材料具有吸光发热性能。

5.一种锦纶材料，其特征在于含有权利要求1所述的有机化改性的纳米碳化锆。

6.一种包含权利要求1所述的有机化改性的纳米碳化锆的锦纶材料，其特征在于按如下方法制取：

I.将有机化改性纳米碳化锆与成纤用聚己内酰胺树脂掺混，经螺杆挤出机熔融共混挤出、造粒，制得功能母粒；

II.将步骤I所得功能母粒与聚己内酰胺切片共混，经熔融、纺丝、拉伸、卷绕制得吸光发热锦纶纤维。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述的功能母粒中改性纳米碳化锆的含量为10～15wt％。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述的母粒与聚己内酰胺切片按质量比20/80～10/90共混。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述锦纶纤维中的所述的有机化纳米碳化锆的含量为1.0～3.1wt％。