苏州大学赵燕/张涛 CEJ：同轴湿纺油包油型乳液制备高拉伸性相变纤维

2023-11-22 来源：高分子科技

将相变材料与纤维复合制备的相变纤维可以通过相变材料的吸热和放热为人们提供舒适的微气候，从而有效降低能量消耗（如建筑物的内部能耗等）。制备相变纤维最常用的是固-液相变材料。固-液相变材料在相变温度以上时处于液态，易于从纤维中泄漏（特别是相变材料含量较高时）；而在相变温度以下时相变材料处于固态，会限制相变纤维的柔性和拉伸性。于是，制备柔性好、拉伸性优、储热密度高、泄漏率低和重复使用性好的相变纤维仍面临挑战。

图1. 同轴湿纺油包油型乳液制备具有皮芯结构相变纤维的示意图。

近期，苏州大学赵燕教授、张涛副教授等报道了一种制备高拉伸性与高储热性相变纤维的新策略（图1）。他们首先以相变材料十八烷（OD）作分散相，以热塑性聚氨酯（TPU）的N,N-二甲基甲酰胺溶液作连续相，制备了油包油（非水）型乳液；然后以该乳液作芯层纺丝液（图2），以TPU溶液作皮层纺丝液，采用同轴湿纺法制备了具有皮芯结构的相变纤维。乳液连续相中的TPU可包覆分散相中的OD，而皮层中的TPU可对芯层二次包覆，从而减少OD的泄漏；同时，乳液连续相中的TPU和皮层的TPU可为纤维提供优异的柔性和拉伸性能。实验结果表明，制备的相变纤维（T-X-Y：X为乳液连续相中TPU的质量浓度，Y为芯/皮纺丝液流速比）具有极低的OD泄漏率，即使在垂直悬挂状态下，40°C加热8小时，OD的泄漏率仍低于3.3%（图3）。相变纤维具有良好的柔性，可弯曲、打结和编织，并具有优异的拉伸性（拉伸应变可高达623.9?%，断裂应力达3.5?MPa）和弹性（图4）。相变纤维的吸热温度在30.7°C到32.0?°C之间，放热温度在21.6°C到22.3?°C之间，分别接近OD的吸热和放热温度；相变纤维具有极高的储热密度（最高达187.8?J/g），并且经过100次加热-冷却循环后，其热容量未见明显降低，表现出了较高的稳定性和重复使用性（图5）。制备方法简单、泄漏率低、柔性好、拉伸性优、储热密度高和重复使用性好使得这种相变纤维在个人温度调节与储热方面（图6）具有广阔应用前景。该工作以“Highly stretchable phase change fibers from coaxial wet spinning of nonaqueous emulsions for temperature regulation”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。论文第一作者是苏州大学博士生曹慧，通讯作者为苏州大学张涛副教授、赵燕教授，论文作者还包括嘉兴学院徐之光教授。该研究获得了国家自然科学基金项目（21805200）和江苏省研究生科研与实践创新项目（KYCX22_3206）的资助。

图2. （a）油包油型乳液分散相质量分数和连续相中TPU浓度对纺丝性能的影响；（b）乳液的光学显微镜照片；乳液（c）合成后和（d）存放半小时后的光学照片。

图3. 相变纤维在（a）水平状态和（b）垂直状态下OD的泄漏测试。

图4. 相变纤维的力学性能：（a）柔性（可打结、弯曲、编织和拉伸）；（b-e）拉伸应力-应变曲线及相应的断裂伸长率和断裂应力（以TPU纤维为参比）；（f）弹性（循环拉伸稳定性）。

图5. 相变纤维的热性能：（a）TG曲线；（b, c）DSC曲线；（d）加热-冷却循环稳定性。

图6. 相变纤维（a）加热与（b）冷却过程中的红外照片，（c）在加热与冷却过程中相变纤维表面温度随时间变化曲线。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147389

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（责任编辑：xu）

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