假發用相變皮芯復合纖維的制備與性能研究

劉術佳，葉 敏，吳學丙，王依民，鄭文青，丁 剛

(1.河南瑞貝卡發制品股份有限公司，河南許昌 461000;2.東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

假發用相變皮芯復合纖維的制備與性能研究

劉術佳1，葉 敏2，吳學丙1，王依民2，鄭文青1，丁 剛1

(1.河南瑞貝卡發制品股份有限公司，河南許昌 461000;2.東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

使用雙組份復合紡絲機熔融紡皮芯復合結構發制品纖維。該皮芯復合纖維芯層為十八烷/EVA的共混物，皮層為EVA/HDPE共混物。紅外光譜分析說明相變材料十八烷已填充進皮芯復合結構發制品纖維;通過熱性能研究得出皮芯復合發用纖維具有調節溫度的特性;當定負荷≤40 cN時，無論是1次拉伸還是反復5次拉伸，含相變材料皮芯復合結構發制品纖維都具有良好的彈性回復率。制備的功能型發制品纖維，在保持良好彈性回復率的情況下，具有蓄熱調溫功能。

相變材料 十八烷 發用纖維 蓄熱調溫

相變材料(Phase Change Materials，簡稱PCMs)是一種利用相變潛熱來貯能和釋能的化學材料，其可在一定的溫度范圍內，利用材料本身相態或結構變化，向環境自動吸收或釋放潛熱，從而達到調控溫度的功能［1-3］。20世紀30年代以來(特別是80年代)，受能源危機影響，相變蓄熱的基礎理論和應用技術的研究在發達國家如美國、加拿大、日本、德國等迅速崛起并得到不斷發展［4］。Maha Ahmad等人［5］、Miroslaw 和 Zukowski［6］、K.Darkwa 等人［7］、Yoshinari T等人［8］對含 PCMs顆粒的墻板、地板等供暖系統中使用的板材進行了制備、熱模擬和仿真測試，結果表明建筑物在溫度舒適性方面得到極大的改善。葉宏［9］研制了HDPE/石蠟聚合物基復合相變材料并分析了其熱穩定性。

隨著社會的不斷發展，人們整體著裝意識加強，對個性美的追求，使得假發越來越被人們所接受。另外，科技的進步和新事物的不斷涌現，使得假發的種類也日益繁多，且人們對發制品舒適性的要求也越來越高。自然舒適、防輻射、抗菌、吸濕性強等功能性安全環保發制品日益受到青睞。因此，研究開發具有保溫涼爽型發制品纖維對不同季節穿戴假發的消費者來說將是一種福音。

筆者采用雙組份復合紡絲機熔融紡制備具有保溫涼爽型皮芯復合結構發制品纖維。采用的相變材料為十八烷(C18H38)，相變溫度為25～32℃(相轉變溫度范圍和人體溫度變化范圍相似)。芯層為十八烷/EVA的共混物，皮層采用EVA/HDPE共混物，添加EVA的目的是為提高復合物的力學性能，同時也有利于相變材料熱性能的穩定、封裝效果好、不易泄露。同時在纖維皮層中混有EVA，可以使皮、芯層有較好的相容性，不會因使用時間的延長而出現相互脫離。

1 試驗

1.1 試驗原料

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，VA含量28%，熔融指數150 g/10 min，密度0.95 g/cm3，上?；ぱ芯吭?

高密度聚乙烯(HDPE)，相對密度 0.955 g/cm3，中國石油撫順石化分公司;

十八烷，相對密度0.776 8 g/cm3，國藥集團化學試劑有限公司;

抗氧劑1010，工業級，上海中山化工市場;

分散劑:硬脂酸1801，工業級，上海中山化工市場。

1.2 含相變材料皮芯復合結構發制品纖維的制備

將芯層與皮層 EVA/HDPE、EVA/十八烷共混料與抗氧劑及分散劑經高速混合機混合均勻后，分別經單螺桿、雙螺桿熔融擠出造粒，隨后將皮芯層粒料經復合紡絲箱體紡絲得到具有蓄熱調溫功能性的復合纖維，整個紡絲過程的工藝流程如圖1所示。其中，皮芯原料的質量比為 1∶1，2∶1，3∶1，3∶2，芯層相變材料十八烷占芯層材料的50%(w)，皮層HDPE的含量為皮層材料的15%(w)。

圖1 相變皮芯復合纖維的紡絲工藝流程

1.3 性能測試

1.3.1 光學顯微鏡觀察

采用日本奧林巴斯株式會社生產的光學顯微鏡觀察不同皮芯質量比的復合結構相變纖維的截面，儀器型號為BX51，比例標尺為20 μm。

1.3.2 傅立葉變換紅外光譜分析測試

采用美國Thermo Nicolet公司生產的傅立葉變換紅外光譜分析儀，檢驗相變材料十八烷是否真正熔融共混進皮芯復合結構纖維的芯層中，儀器型號:Magna-IR 550，掃描范圍為500～4 000 cm-1。

1.3.3 相變復合纖維的熱性能測試

實際溫度測試:將筆者制備的含相變材料皮芯復合結構纖維纏繞成團絮狀，先后放進20℃和35℃的烘箱環境中，待其溫度穩定一段時間后，用溫度計插入纖維團絮中，測得的溫度為相變纖維周圍的微氣候溫度，觀察其是否具有調溫功效。每個試樣重復測試5次，取其平均值。

采用瑞士梅特勒-托利多公司生產的差示掃描量熱儀測試相變復合纖維的熱性能，儀器型號:DSC-822。

1.3.4 強力及彈性回復率測試

采用上海利浦應用科學技術研究所生產的纖維強力儀及纖維拉伸彈性儀，測試相變復合纖維強力及彈性回復率，儀器型號:XQ-1及XQ-2，夾持距離為20 mm，拉伸速度為20 mm/min。

2 結果與討論

2.1 光學顯微鏡觀察

采用光學顯微鏡觀察不同皮芯質量比的復合結構相變纖維截面，如圖2(a)～2(d)所示。

圖2 不同皮芯質量比的相變皮芯復合纖維的截面

從皮芯復合結構纖維的截面圖可以看出，纖維的皮層均全部包覆芯層，形狀較為均勻，因此筆者制得的相變纖維具有良好的皮芯復合結構。另外，除圖2(c)芯層較小外，其他芯層均較大，含相變材料較多，在滿足完全包覆的前提下，復合纖維能獲得較為理想的蓄熱調溫性。由此可見，皮芯纖維的截面圖皮層均勻包覆芯層。

2.2 傅立葉變換紅外光譜分析

圖3 為相變材料十八烷與筆者制得皮芯比為3∶2的相變皮芯復合纖維的紅外光譜圖，圖中十八烷的曲線在2 953，2 913，2 848，1 471，717 cm-15 處出現了明顯的十八烷(石蠟)特征吸收峰。在相變皮芯復合纖維中同樣出現了波數基本相同的特征吸收峰，從圖中可以證明，相變材料十八烷已填充進皮芯復合結構纖維。

圖3 相變材料十八烷與相變皮芯復合纖維的紅外光譜圖

2.3 實際溫度測定

按照1.3.3操作，得到如下的結論:

a)當環境溫度為20℃左右時，含相變材料十八烷纖維內部溫度基本恒定在24℃左右;

b)當環境溫度為35℃左右時，纖維內部溫度基本恒定在32℃左右。

因此可以說，筆者制備的功能型發制品纖維蓄熱調溫效果顯著。

2.4 相轉變溫度與吸放熱性能的測定

純相變材料十八烷的DSC曲線如圖4所示，熔融相變焓為240.901 7 J/g，熔融溫度為30.27 ℃;結晶相變焓為238.958 4 J/g，結晶溫度為25.90℃。圖5所示為皮芯比為3∶2的相變復合纖維的DSC曲線，從圖中可見，其熔融相變焓為53.068 2 J/g，熔融溫度為30.25 ℃;結晶相變焓為52.008 0 J/g，結晶相變溫度為25.88℃。

圖4 十八烷的DSC曲線

圖5 皮芯比為3∶2的皮芯復合相變纖維的DSC曲線

其它組分皮芯質量比的復合結構纖維的相變溫度和吸放熱量值如表1所示。

從表1可看出，相變復合纖維的熔融溫度范圍及結晶溫度范圍較純相變材料都向低溫區發生了稍許偏移，即相變皮芯復合纖維發生相轉變的溫度較純相變材料略向低溫區偏移，并且隨相變材料含量的增加，復合纖維的熔融溫度大體呈降低的趨勢，而結晶溫度呈升高的趨勢。同時，相變皮芯復合纖維的熔融相變焓和結晶相變焓都較純相變材料低許多，這是因為，相變材料周圍包裹了沒有相變性能的EVA及HDPE，單位質量的相變皮芯復合纖維中相變材料所占質量比重遠小于單位質量的純相變材料，因而相變皮芯復合纖維的相變焓也比純相變材料低許多。

表1 不同皮芯質量比的復合結構纖維升溫過程的相變溫度和吸熱值

2.5 力學性能測定

當牽伸倍數為3.5時，不同皮芯質量比復合纖維的斷裂強度和斷裂伸長率如圖6和圖7所示。

圖6 圖6不同皮芯比纖維對應的斷裂強度皮芯比為 1-3∶1;2-2∶1;3-3∶2;4-1∶1

圖7 不同皮芯比纖維對應的斷裂伸長率皮芯比為 1-3∶1;2-2∶1;3-3∶2;4-1∶1

由圖6和圖7可知，隨著芯層含量即相變材料的增加，相變皮芯復合纖維的斷裂強度和伸長率都呈下降的趨勢，這是因為相變皮芯復合纖維中含低分子質量的十八烷在復合纖維中相當于雜質，易引起應力集中而造成纖維強度等力學指標下降，且十八烷含量越多，強度越低。故而，綜合考慮相變皮芯復合纖維的蓄熱調溫功能性及力學性能應選擇皮芯比為3∶2的復合纖維最為理想。

2.6 定負荷下彈性回復率測試

假發纖維要求具有良好的彈性回復率，故筆者在定負荷20，40，60 cN下，反復5次拉伸測試纖維的彈性回復率，如表2所示。

表2 定負荷、5次拉伸測試纖維的彈性回復率

從表2可知，對纖維反復5次拉伸，當相變材料含量較少(為3∶1及2∶1)時，復合纖維在低負荷(20，40 cN)下，具有優異的彈性回復率，可以達到99.26%～100%，基本可以完全回復;但當負荷較大，為60 cN時，彈性回復率下降較明顯，僅為46%左右，在此負荷下，相變皮芯復合纖維便不太適合作為假發使用。因此，當定負荷≤40 cN時，含相變材料皮芯復合結構發制品纖維均具有良好的彈性回復率。隨著芯層含量的增加即相當于相變材料十八烷含量的增加，復合纖維的彈性回復率降低。

3 結論

a)筆者所制備的皮芯復合纖維在不同的皮芯比下，均獲得了較為理想的包覆。

b)所制備的皮芯復合纖維能夠隨環境溫度升高或降低有較好的溫度調節性。

c)隨著芯層相變材料的增加，相變皮芯復合纖維的斷裂強度和伸長率都呈下降的趨勢，綜合考慮相變皮芯復合纖維的蓄熱調溫功能性及力學性能，選擇皮芯比為3∶2的復合纖維最為理想。

d)筆者所制備的皮芯復合纖維經反復5次拉伸，當定負荷≤40 cN時，含相變材料皮芯復合結構發制品纖維都具有良好的彈性回復率。

綜合來看，筆者制備的皮芯復合發用纖維，解決了常規發制品纖維不能在周圍形成溫度基本恒定的微氣候，從而實現溫度調節功能的問題，彌補了現有技術生產的傳統假發不能智能調溫的不足，并能在滿足溫度調節功能性的同時，保持良好的彈性回復率，使該纖維作為假發使用有獨特的優勢。

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［9］葉宏，葛新石，王軍，等.定形相變貯能材料及其制備方法:CN，1506434［P］，2004.

Study on the preparation and performance of fiber for wig having insulation and cool property

Liu Shujia1，Ye Min2，Wu Xuebing1，Wang Yimin2，Zheng Wenqing1，Ding Gang1
(1.HeNan Rebecca Holding(Group)Co.，Ltd.，HeNan 461000，China;2.Engineering Research Center of Technical Textiles，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China)

sheath-core composite fiber for wig was prepared by double components melt-spinning in this study.The core layer of sheath-core composite fiber was the composites of octadecane and EVA，and Sheath Layer was EVA/HDPE.Infrared Spectrum shows that the phase change material has already been filled in the sheath-core composite fiber.It has the property of attemperment by the researches of thermal behavior.When the work load≤40 cN，whichever once or repeat quintic stretching，the sheath-core composite fiber posses good elastic resilience property.So，the sheath-core composite fiber for wig in this paper has well elastic resilience，also insulation and cool properties.

phase change material;octadecane;fiber for wig;insulation and cool

TQ342.94

A

1006-334X(2012)03-0001-05

2012-06-11

劉術佳(1983—)，女，山西臨汾人，博士后，主要研究方向為功能性發制品纖維，已發表SCI檢索論文2篇，申請發明專利4項。