高强度蓄热调温海藻纤维的制备与表征

周美会，罗 艳，杜 鹃

（东华大学化学化工与生物工程学院，上海 201620）

随着科技的进步和生活水平的提高，人们对服饰的滑爽、卫生、柔软等需求更高，各类功能性纺织品应运而生［1］。蓄热调温纺织品作为一种新型功能性纺织品，将相变材料与纤维制造技术相结合，利用相变材料吸收和释放热量维持织物温度，使人体保持在舒适的温度范围。但是相变材料制备的蓄热调温海藻纤维在强度方面有待改善［2-4］。海藻酸钠为白色或淡黄色粉末，几乎无臭无味，是一种天然多糖，来源丰富，具有高吸湿性、高阻燃性、易生物降解、价格低廉等优点［5-7］。但是海藻酸钠为聚电解质，水溶液电导率较高，阴离子间斥力较强，阻碍链之间的相互缠绕，因此单纯海藻酸钠水溶液制备的海藻酸钠纤维强度较低［8-11］。聚乙烯醇（PVA）是一种无臭无味的水溶性高分子聚合物，应用广泛，具有粘接性、耐油性、耐溶剂性、保护胶体性、气体阻绝性和耐磨性，可用作纤维增强体［12-14］。本实验基于湿法纺丝，以海藻酸钠、PVA 为原料，加入相变微胶囊（PCMs）制备高强度蓄热调温海藻纤维；研究相变微胶囊用量、PVA 种类、挤出速率、凝固浴中CaCl2质量分数和凝固浴温度对纤维形貌、强度以及热性能的影响。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：海藻酸钠（化学纯，国药集团化学试剂有限公司），氯化钙（CaCl2，分析纯，上海泰坦科技有限公司），聚乙烯醇（PVA，上海臣启化工科技有限公司），相变微胶囊（PCMs）、蒸馏水（自制）。

仪器：LSP01-1A 注射泵（保定兰格恒流泵有限公司），TM-1000 扫描电子显微镜（日本株式会社日立制作所），纤维强伸度仪（上海新纤仪器有限公司），DSC204F1差示扫描量热仪（德国NETZSCH 公司）。

1.2 蓄热调温海藻纤维的制备

将海藻酸钠粉末在50 ℃水浴中溶胀2 h，再50 ℃机械搅拌3 h，得到黏稠的海藻酸钠溶液。同时配制2%不同醇解度的PVA 溶液。将PVA 溶液与PCMs 加入海藻酸钠溶液，充分搅拌1 h，于室温下放置24 h形成纺丝原液。用注射泵将纺丝原液以30 mL/h 挤至30 ℃恒温凝固浴（CaCl2溶液）中。由于离子交换作用，海藻酸钠以海藻酸钙的形式沉淀至长丝（纤维）中。纤维在凝固浴中停留5 min，再拉伸、卷绕、水洗。最后在20 ℃、相对湿度65%下干燥48 h。

1.3 测试

表面形态：用扫描电子显微镜观察；热性能：在恒定氮气氛围下，用差示扫描量热仪于-70～-10 ℃内分析；断裂强度与断裂伸长率：用纤维强伸度仪测定。

2 结果与讨论

2.1 蓄热调温海藻纤维制备工艺优化

2.1.1 相变微胶囊用量

由图1 可以看出，相变微胶囊已被成功负载至纤维内部及表面，随着相变微胶囊的加入，纤维表面出现不均匀的沟槽，纤维细度也变得不均匀。相变微胶囊用量为10%时，蓄热调温海藻纤维不仅成功包覆微胶囊，而且表面沟槽较少，纤维形貌最好。

图1 不同相变微胶囊用量制备的纤维SEM 图

由图2 可以看出，随着相变微胶囊用量增加，纤维断裂强度与断裂伸长率均先增大后减小。这是因为相变微胶囊的加入使纤维间的交联度增加，弹性增大，断裂强度与断裂伸长率增加。但随着用量增加，纤维硬度上升，纤维变脆，断裂强度与断裂伸长率减小［15］。10%时断裂强度高达1.93 cN/tex，断裂伸长率为51.22%。

图2 相变微胶囊用量对纤维断裂强度与断裂伸长率的影响

2.1.2 PVA 种类

PVA 环保性较好，与海藻酸钠共混后分子间形成氢键，能改善纤维强度低的问题［16］。随着PVA 醇解度增加，可纺性提高，水溶性降低，需要更高的温度使其溶解，因此需探索适用于湿法纺丝的PVA 种类。由图3 可以看出，PVA 0588 醇解度过低，纤维表面粗糙，裸露表面较多，可纺性较差；PVA 1792 制备的纤维形貌最好，表面最光滑，且成功包覆PCMs。

图3 不同种类PVA 制备的纤维SEM 图

由图4 可知，随着PVA 醇解度的增加，纤维断裂强度与断裂伸长率先增大后减小。PVA 1792 时纤维断裂强度为2.90 cN/tex，断裂伸长率为41.85%。

图4 PVA 种类对纤维断裂强度与断裂伸长率的影响

2.1.3 挤出速率

由图5可知，纤维细度随挤出速率的增大而增大，30 mL/h时纤维形貌最好，表面最光滑，沟槽最少。

图5 不同挤出速率制备的纤维SEM 图

由图6 可知，随着挤出速率的增大，纤维断裂强度与断裂伸长率先增大后减小。30 mL/h 时纤维断裂强度为2.59 cN/tex，断裂伸长率为71.15%。

图6 挤出速率对纤维断裂强度与断裂伸长率的影响

2.1.4 CaCl2质量分数

由图7 可知，随着CaCl2质量分数增加，纤维细度先增大后减小，4%时纤维形貌最好，表面光滑且均一。

图7 不同CaCl2质量分数制备的纤维SEM 图

由图8 可以看出，随着CaCl2质量分数增大，纤维断裂强度与断裂伸长率先增大后减小。这是因为当钙离子浓度过低时，与海藻酸钠大分子结合的钙离子数量很少，纤维大分子间的交联点较少，作用力较弱，断裂强度较小；CaCl2质量分数过大，钙离子与纤维表层大分子反应速率提高，阻碍钙离子向纤维内部扩散，能够与海藻酸钠结合的钙离子数量减少，纤维强度减弱［17-18］；CaCl2质量分数为4%时，纤维断裂强度和断裂伸长率均较高。

图8 CaCl2质量分数对纤维断裂强度与断裂伸长率的影响

2.1.5 凝固浴温度

由图9 可知，30 ℃时，纤维断裂强度和断裂伸长率均达到最高（3.40 cN/tex，41.85%），此时纤维断裂强度比棉纤维（1.8～3.1 cN/tex）和黏胶纤维（2.2～2.6 cN/tex）都高；升高或降低凝固浴温度，纤维断裂强度和断裂伸长率均下降。原因是随着凝固浴温度升高，海藻酸钠大分子的钠离子和凝固浴中钙离子的扩散速率均增加，有利于钙离子和钠离子的交换，同时可使海藻酸钠大分子对钙离子的结合常数与吸附容量都增加。但温度过高，纤维固化成形太快，初生纤维的牵伸受限，强度下降［19-20］。

图9 凝固浴温度对纤维断裂强度与断裂伸长率的影响

2.2 纤维的热性能

由图10 可以看出，纯海藻纤维的DSC 曲线均为水平直线，表明纤维在相应温度下无吸热和放热，即纯海藻纤维没有温度调节作用；蓄热调温海藻纤维的温度调节范围为18～25 ℃，熔化峰温度为23.8 ℃，放热焓为18.79 J/g，结晶峰温度为22.9 ℃，吸热焓为16.08 J/g，表明蓄热调温海藻纤维具有一定的蓄热和温度调节能力。

图10 蓄热调温海藻纤维(a、c)和纯海藻纤维(b、d)的DSC 曲线

3 结论

随着相变微胶囊用量、挤出速率、CaCl2质量分数增大，凝固浴温度升高，纤维断裂强度和断裂伸长率先增大后减小。当相变微胶囊用量为10%、PVA 种类为1792、挤出速率为30 mL/h、凝固浴中CaCl2质量分数为4%、凝固浴温度为30 ℃时，纤维形貌最好，调温范围为18～25 ℃，放热焓为18.79 J/g，断裂强度和断裂伸长率均达最大值（3.40 cN/tex，41.85%）。