微流控TPU/Cs復合中空纖維的制備及研究

李冉冉，胡 靜，李 琴，李興興，劉宇清

(蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021)

在太陽光中，波長為780～2 500 nm的近紅外光(near-infrared region，NIR)占太陽能的50%，是一種非常綠色的能量來源[1-3]。而銫鎢青銅(Cs0.33WO3)材料有著非常優異的近紅外吸收性能[4]，將銫鎢青銅與紡織品結合可有效實現對太陽能的利用，在紡織品領域將有著非常廣闊的應用前景[5-6]。

本文采用同軸微流控紡絲技術，以熱塑性聚氨酯(TPU)及銫鎢青銅粉(Cs0.33WO3)的復合溶液為外部溶液，去離子水為內部溶液及凝固浴，制備出TPU/Cs復合中空纖維。通過調節Cs0.33WO3粉在紡絲液中的質量比，探究不同含量Cs0.33WO3粉對TPU中空纖維近紅外吸收性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

材料：TPU(巴斯夫有限公司，1185A)；聚二甲基甲酰胺(DMF)(國藥集團化學試劑有限公司，分析純99%)；Cs0.33WO3粉(杭州吉康新材料有限公司，SS-CW20)；去離子水(實驗室自制)。

1.2 實驗方法

1.2.1 TPU/Cs復合溶液的制備

由于Cs0.33WO3粉比表面積大，表面能高，容易發生軟團聚[7-8]。因此，我們需要對Cs0.33WO3粉進行預處理，將購買得到的Cs0.33WO3粉經過180目的尼龍過濾布進行篩濾，去除較大的Cs0.33WO3團聚物，獲得細膩、均一的銫鎢青銅粉末。

本文選用的TPU紡絲液質量分數為20%，首先，稱取上述篩濾后的Cs0.33WO3粉末加入到溶劑DMF中并超聲分散。Cs1%、Cs3%、Cs5%代表Cs0.33WO3粉與TPU紡絲液的質量比分別為1%、3%、5%。在上述溶液分散30 min后添加TPU粉末，磁力攪拌3 h，最終獲得分散均勻的TPU/Cs復合紡絲液，并分別記作TPU/Cs1%、TPU/Cs3%、TPU/Cs5%。

1.2.2 TPU/Cs復合中空纖維的制備

將上述制備出的TPU/Cs復合溶液作為同軸微流控外部溶液，流速設定為9 mL/h；去離子水為內部溶液，流速設定為6 mL/h。將上述兩種溶液分別裝入合適的針管中，利用微量注射泵擠入去離子水凝固浴中。收卷裝置是直徑為5.8 cm的不銹鋼滾筒，收卷速度設為2 r/min，收卷距離為120 cm。

1.3 測試方法

1.3.1 表面形貌觀察

采用日立高新技術公司的TM3030型臺式掃描電鏡測試，將中空纖維放入液氮中冷凍5 min進行脆斷，將脆斷后的纖維截面粘貼在導電臺上進行噴金，在不同放大倍數下對樣品截面的微觀形貌進行觀察。

1.3.2 拉伸機械性能

選用Instron-5967萬能材料試驗機對中空纖維進行拉伸，參數設置為拉伸距離10 mm，拉伸速度100 mm/min，每個樣品重復測試20次。

1.3.3 紫外-可見近紅外分光光度計分析

用UV3600紫外-可見近紅外分光光度計(UV-VIS-NIR)測量纖維在280～2 500 nm波長范圍內的透過率。

1.3.4 光熱轉換性能測試

分別將TPU、TPU/Cs1%、TPU/Cs3%、TPU/Cs5%中空纖維編織成5 cm×5 cm的小樣織物。將織物并排放置到導熱系數小的木板上，織物與木板之間放置測溫熱電偶。選用型號為R95e(100 W)飛利浦燈作為太陽模擬光源，燈源距離織物40 cm處。用熱電偶記錄燈照120 s及關燈后300 s的織物內部溫度變化。

2 結果與討論

2.1 復合中空纖維的形貌分析

從圖1(a)～(d)中可以看出，添加了Cs0.33WO3粉的TPU/Cs復合中空纖維內、外壁表面光滑、致密，且纖維的截面形態、孔洞分布、內外徑尺寸與純TPU纖維，見圖1(a)，對比無明顯差異。觀察圖1(e)～(h)，即上述纖維截面放大圖，添加了Cs0.33WO3粉的TPU/Cs復合中空纖維截面均勻分散著不同數量的Cs0.33WO3亮點，且亮點數量隨著Cs0.33WO3粉質量比的提高而增加，證實了Cs0.33WO3粉均勻地分散在TPU紡絲液中并成功紡出。

(a)未添加Cs0.33WO3粉；(b)、(c)、(d)Cs0.33WO3粉質量比為1%、3%、5%；(e)～(h)分別為(a)～(d)的截面放大圖(a)～(d)比例尺：100 μm；(e)～(h)比例尺：20 μm

2.2 纖維力學性能分析

本實驗對不同Cs0.33WO3粉添加量的TPU中空纖維進行了力學性能測試，結果如圖2所示，Cs0.33WO3粉的加入降低了TPU纖維的拉伸應力和斷裂伸長率，這是因為銫鎢青銅粉的加入，使得TPU相鄰大分子被銫鎢青銅粉隔斷，降低了TPU大分子之間的結合力，因此TPU/Cs復合中空纖維力學性能下降。但上述復合中空纖維的最低斷裂伸長率仍高達537%，表明了TPU/Cs復合中空纖維仍有著優異的彈性。

圖2 不同Cs0.33WO3粉質量比的TPU中空纖維拉伸應力和斷裂伸長率曲線

2.3 紫外-可見近紅外分光光度計分析(UV-VIS-NIR)

從圖3所示的UV-VIS-NIR曲線圖中可以看出，未添加Cs0.33WO3粉的TPU纖維在近紅外波段有高達80%的透過率，近紅外波段的吸收性能非常差。而銫鎢青銅粉的加入，大大降低了TPU纖維的近紅外透過率，且隨著Cs0.33WO3粉質量比的增加，TPU/Cs復合中空纖維的近紅外透過率越來越低，當Cs0.33WO3粉的質量比為5%時，近紅外透過率僅為15%左右，表明TPU/Cs復合中空纖維優異的近紅外吸收性能[9]。

圖3 不同Cs0.33WO3粉質量比的TPU中空纖維UV-VIS-NIR光譜圖

2.4 光熱轉換性能分析

從圖4的溫度變化曲線圖中可以看出，在120 s的紅外光的照射下，純TPU織物溫度從最初的 13.8 ℃上升到24.0 ℃，溫差僅為10.2 ℃，溫度上升幅度較小，且速率慢。觀察TPU/Cs復合織物的升溫曲線，發現銫鎢青銅粉質量比越大，織物內部溫度上升速度越為迅猛。其中，升溫效果最好的 TPU/Cs5%織物從最初的15.4 ℃上升到36.2 ℃，溫度差高達20.8 ℃。證實了TPU/Cs復合織物非常好的近紅外吸收性能及光熱轉化率。而當紅外燈關閉后，TPU/Cs復合織物溫度迅速下降，表明該復合織物與紅外光有著非常好的協同性。

圖4 不同Cs0.33WO3粉添加量的中空纖維在紅外燈照射120 s并關燈后纖維內部的溫度變化曲線圖

3 結論

通過對TPU/Cs復合中空纖維的形貌分析，亮點的存在證實了Cs0.33WO3粉的成功摻入，且分布均勻、無其他雜質產生。力學性能分析顯示Cs0.33WO3粉的加入降低了TPU纖維的拉伸性能，但復合中空纖維仍有著高達537%的斷裂伸長率。UV-VIS-NIR顯示TPU/Cs復合中空纖維優異的近紅外吸收性能，且與Cs0.33WO3粉的質量比成正比。在紅外燈照射120 s后，TPU/Cs5%小樣織物內部溫度提高了20.8 ℃，表現出非常好的光熱轉化性能。