涼感聚乙烯復合纖維的制備與性能

孫 婷， 韓 穎， 拖 曉 航， 張 森， 管 福 成

( 大連工業大學 紡織與材料工程學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

夏季服裝在保證舒適性的同時，面料具有涼感功能已經成為研究者亟待解決的問題[1-3]。涼感纖維制成的織物可以使人體獲得接觸涼感[4-6]，因此其導熱系數以及織物瞬態最大熱量通過量必須比較大，在制成紡織品以后才能夠滿足使用要求[7-8]。提高織物的導熱系數有直接和間接兩種方式，其原理是在織物與皮膚接觸的時候，能夠將熱量瞬間散發出去，因此獲得接觸涼感[9]。直接方式是在紡絲過程中加入一些天然礦物質原料，如云母粉、貝殼粉等，也可以加入一些導熱系數比較大的材料。Cai等[10]將氧化鋅顆粒嵌到聚乙烯，制成了一種新型的納米復合材料織物，與一般的紡織品相比，可以使模擬的皮膚避免過熱5～13 ℃。Song等[11]設計了一種可以選擇性吸收或者發射熱輻射并且反射太陽光的個人冷卻紡織品，在陽光下，這種紡織品可以使人體溫度降低4.5～6.5 ℃。間接方式是在織物表面涂覆放熱物質等以達到降低溫度的效果。Wei等[12]在紡織品上涂覆了Al2O3分散纖維素乙酸酯，將太陽能反射率提高到了80.1%，且在模擬皮膚溫度時，使得皮膚表面溫度降低了2.3～8.0 ℃，這種紡織品可以在陽光和室內使皮膚感到涼感。本研究采用熔融紡絲的方法，以高密度聚乙烯為基體，絹云母粉為填料，馬來酸酐接枝高密度聚乙烯作為增容劑，制備了高密度聚乙烯/絹云母粉復合纖維，并對其力學性能、結晶性能以及導熱性能等進行了探究。

1 實 驗

1.1 原 料

高密度聚乙烯，密度0.947 g/cm3，MFI=0.55 g/min，美國陶氏3364；馬來酸酐接枝高密度聚乙烯，E100，接枝率為1.0%，東莞市塑膠原料有限公司；絹云母粉，6 000目，密度2.6～2.7 g/cm3，硬度2～3，東?？h富彩礦物制品有限公司。

1.2 儀 器

Q2000型DSC分析儀，TA儀器公司；YG061型電子單紗強力儀，萊州市電子儀器有限公司；DRL-Ⅲ型導熱系數測試儀(熱流法)，湘潭湘儀儀器有限公司；紅外熱像儀(鏡頭焦距6.5 mm)，菲力爾公司；JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡，日本電子公司；TGA2熱重分析儀，梅特勒-托利多公司。

1.3 方 法

采用研磨缽將絹云母粉研磨均勻，用高速混合機將原料按照一定比例混合均勻，采用哈普轉矩流變儀進行熔融紡絲。參數設置：一區150 ℃，二區190 ℃，三區240 ℃，四區240 ℃，輸出轉速10～15 r/min，交聯劑的質量分數為3.0%，添加絹云母粉的質量分數分別為0.025%、0.050%、0.100%和0.150%。

牽伸采用自制水浴鍋，使用止血鉗，將纖維在沸水中牽伸，分別牽伸至5、10、15、20、25倍，用電子單紗強力儀測試纖維的力學性能。

2 結果與討論

2.1 復合纖維的結晶性能

纖維的熱力學性能包含了熔點、熔融熱焓以及結晶度等。熔融熱與分子間作用力的強度有關，熔融焓與大分子鏈的剛性有關，纖維的熔點與幾個因素都有關，纖維材料的機械性能與纖維大分子之間的作用力有關，大分子間作用力越大，機械性能越優異。

圖1為不同絹云母粉質量分數的高密度聚乙烯/絹云母粉復合纖維的DSC數據組圖，表1為高密度聚乙烯/絹云母粉DSC的相關數據。圖1(a)為高密度聚乙烯/絹云母粉復合纖維結晶溫度曲線，可以看出隨著絹云母粉在體系中質量分數的增大，復合纖維的結晶溫度雖然有所增加，但是變化幅度比較小。由表1可以看出，添加絹云母粉以后，復合纖維的結晶度呈現下降趨勢。這說明，絹云母粉在高密度聚乙烯基體中起到了異相成核的作用，能夠在一定程度上提高高密度聚乙烯的結晶溫度，同時也作為異相粒子干擾了鏈段的遷移和有序排列過程，致使結晶度下降。

圖1(b)為高密度聚乙烯/絹云母粉復合纖維熔融溫度曲線?？梢钥闯?，絹云母粉的添加對高密度聚乙烯的熔融行為有很大的影響，隨著絹云母粉質量分數的增加，復合纖維的熔融峰位置出現了向高溫方向移動的趨勢。絹云母粉的加入改善了高密度聚乙烯結晶的完善程度[13]。

2.2 復合纖維的熱失重

由圖2可知，高密度聚乙烯的起始分解溫度為408.4 ℃，在476.5 ℃達到了最大分解速率；高密度聚乙烯/0.025%絹云母粉復合纖維的起始分解溫度為408.9 ℃，在482.5 ℃時達到了最大分解速率；高密度聚乙烯/0.150%絹云母粉復合纖維的起始分解溫度為420.6 ℃，在484.3 ℃時達到了最大分解速率?？梢钥闯?，添加絹云母粉以后，復合纖維的起始分解溫度和達到最大分解速率時的溫度都有所提高，且隨著絹云母粉添加量的增加而增加，起始分解溫度最大增加了12.2 ℃，表明復合纖維的耐熱性增強。在550.0 ℃左右時，復合纖維的失重殘余量較高密度聚乙烯變化比較小，這可能是因為高密度聚乙烯在550.0 ℃已經完全炭化，絹云母粉作為填料的添加量少，因此復合纖維的失重殘余量較高密度聚乙烯變化小。

(a) 結晶曲線

(b) 熔融曲線

圖2 復合纖維的TG曲線Fig.2 TG curves of composite fibers

2.3 復合纖維的導熱性能

纖維的導熱性能可以直接測試[14-16]，也可以間接測試[17]，但是由于測試單根纖維的導熱性能要考慮的因素比較多[18]，本實驗采用復合材料的導熱系數表征復合纖維的導熱系數。

采用轉矩流變儀將混料進行密煉，再采用平板硫化機壓片，裁剪成符合測試要求的尺寸。從表1的測試結果可以看出，高密度聚乙烯的導熱系數為0.38 W/(m·K)，添加質量分數為0.025%的絹云母粉以后，復合材料的導熱系數增加至0.44 W/(m·K)，較高密度聚乙烯提高了15.79%，并且，隨著絹云母粉質量分數的增大，導熱系數也呈現增大的趨勢，在添加絹云母粉質量分數最大為0.150%時，復合材料的導熱系數達到了0.47 W/(m·K)，較高密度聚乙烯提高了近23.68%。因此，絹云母粉作為涼感粉體，大大提高了高密度聚乙烯的導熱系數。然而，若繼續增加絹云母粉的質量分數提高復合材料的導熱系數，可能會造成紡絲過程的困難、成本增加，纖維的力學性能也會受到影響。

表1 高密度聚乙烯/絹云母粉復合纖維的DSC數據及復合材料的導熱系數Tab.1 DSC data and thermal conductivity of high-density polyethylene/sericite composite fibers

2.4 復合材料的紅外成像

將樣品放置于常溫下，待磁力加熱攪拌溫度穩定在70 ℃迅速將樣品放置在上面，裝置示意如圖3所示。采用紅外成像，每隔10 s拍照一次，記錄溫度變化，記錄時間為3 min，溫度變化如圖4所示。由圖4可以看出，隨著時間的延長，樣品表面的溫度也隨著升高，3 min后高密度聚乙烯的表面溫度由35.4 ℃達到44.6 ℃。添加絹云母粉以后，在相同的時間內，樣品表面最高達到46.6 ℃，并且達到相同的溫度，添加絹云母粉較多的復合材料所需要的時間更短。這是因為，隨著絹云母粉質量分數的增大，樣品的導熱系數增大，在相同的時間內所吸收的熱比較多，所以所需時間更短，溫度也會升高得更快。

圖3 裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the device

圖4 復合材料樣品的表面溫度隨時間變化圖Fig.4 The changes in surface temperature of thecomposite fibers versus of time

2.5 復合纖維的力學性能

由圖5可以看出，纖維的斷裂強度隨著牽伸倍數的增加而增大，由于牽伸使聚合物中大分子鏈發生沿軸向取向，所以纖維的斷裂強度也增大，并且由于絹云母粉自身具有強度大、剛性大等特點，對高密度聚乙烯具有增強的作用。牽伸25倍時，高密度聚乙烯的斷裂強度為11.4 cN/dtex。添加絹云母粉，在牽伸倍數達到15倍前，復合纖維的力學性能優于高密度聚乙烯。水浴牽伸20倍時，添加質量分數為0.150%的復合纖維的力學性能優于高密度聚乙烯。絹云母粉質量分數為0.025%、0.050%和0.100%的復合纖維，雖然斷裂強度隨著牽伸倍數的增大依然呈現上升的趨勢，但是斷裂強度小于高密度聚乙烯的強度。在水浴牽伸25倍時，添加絹云母粉質量分數為0.150%的復合纖維斷裂強度為11.34 cN/dtex，接近高密度聚乙烯在牽伸25倍時的斷裂強度?？梢钥闯?，添加少量的無機粉末在較小的牽伸倍數下，可以增強纖維的斷裂強度；當牽伸倍數較大時，力學強度增加不明顯。

圖5 復合纖維的斷裂強度Fig.5 Breaking strength of composite fibers

2.6 復合纖維表面以及斷面特征

圖6為高密度聚乙烯/0.025%絹云母粉復合纖維和高密度聚乙烯/0.150%絹云母粉復合纖維的表面形貌和斷面圖?？梢钥闯?，在高密度聚乙烯中添加了絹云母粉，纖維表面變得粗糙不光滑，因為絹云母粉的直徑在3.0～4.5 μm，添加絹云母粉會造成復合纖維表面凹凸不平。由復合纖維的斷面形貌可以明顯看出絹云母粉在復合纖維的

分布情況。隨著絹云母粉質量分數的增大，有很多的微纖凸起，其為典型韌性斷裂。隨著絹云母質量分數的增大，纖維斷面變得更加粗糙，微纖凸起更多，說高密度聚乙烯/0.150%絹云母粉纖維在斷裂的過程中要耗散更多的能量，這與力學強度一致。

3 結 論

采用熔融紡絲的方法在高密度聚乙烯基體中添加絹云母粉，成功制備出具有涼感功能的纖維，且添加絹云母粉后，復合纖維的大分子鏈的規整性被破壞，所以復合纖維的熔融溫度和結晶性能都會受到影響。復合纖維的斷裂強度符合隨著牽伸倍數的增加而增大的規律，且在最大牽伸倍數的斷裂強度與高密度聚乙烯相差不大；導熱系數也隨著絹云母粉添加量的增加而增大，最大達到0.49 W/(m·K)。