假發(fā)用相變皮芯復(fù)合纖維的制備與性能研究

劉術(shù)佳，葉 敏，吳學(xué)丙，王依民，鄭文青，丁 剛

(1.河南瑞貝卡發(fā)制品股份有限公司，河南許昌 461000;2.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

假發(fā)用相變皮芯復(fù)合纖維的制備與性能研究

劉術(shù)佳1，葉 敏2，吳學(xué)丙1，王依民2，鄭文青1，丁 剛1

(1.河南瑞貝卡發(fā)制品股份有限公司，河南許昌 461000;2.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

使用雙組份復(fù)合紡絲機(jī)熔融紡皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)制品纖維。該皮芯復(fù)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(jìn)皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)制品纖維;通過熱性能研究得出皮芯復(fù)合發(fā)用纖維具有調(diào)節(jié)溫度的特性;當(dāng)定負(fù)荷≤40 cN時(shí)，無論是1次拉伸還是反復(fù)5次拉伸，含相變材料皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)制品纖維都具有良好的彈性回復(fù)率。制備的功能型發(fā)制品纖維，在保持良好彈性回復(fù)率的情況下，具有蓄熱調(diào)溫功能。

相變材料 十八烷 發(fā)用纖維 蓄熱調(diào)溫

相變材料(Phase Change Materials，簡(jiǎn)稱PCMs)是一種利用相變潛熱來貯能和釋能的化學(xué)材料，其可在一定的溫度范圍內(nèi)，利用材料本身相態(tài)或結(jié)構(gòu)變化，向環(huán)境自動(dòng)吸收或釋放潛熱，從而達(dá)到調(diào)控溫度的功能［1-3］。20世紀(jì)30年代以來(特別是80年代)，受能源危機(jī)影響，相變蓄熱的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的研究在發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、加拿大、日本、德國(guó)等迅速崛起并得到不斷發(fā)展［4］。Maha Ahmad等人［5］、Miroslaw 和 Zukowski［6］、K.Darkwa 等人［7］、Yoshinari T等人［8］對(duì)含 PCMs顆粒的墻板、地板等供暖系統(tǒng)中使用的板材進(jìn)行了制備、熱模擬和仿真測(cè)試，結(jié)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(fù)合相變材料并分析了其熱穩(wěn)定性。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們整體著裝意識(shí)加強(qiáng)，對(duì)個(gè)性美的追求，使得假發(fā)越來越被人們所接受。另外，科技的進(jìn)步和新事物的不斷涌現(xiàn)，使得假發(fā)的種類也日益繁多，且人們對(duì)發(fā)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(qiáng)等功能性安全環(huán)保發(fā)制品日益受到青睞。因此，研究開發(fā)具有保溫涼爽型發(fā)制品纖維對(duì)不同季節(jié)穿戴假發(fā)的消費(fèi)者來說將是一種福音。

筆者采用雙組份復(fù)合紡絲機(jī)熔融紡制備具有保溫涼爽型皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)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(zhuǎn)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(fù)合物的力學(xué)性能，同時(shí)也有利于相變材料熱性能的穩(wěn)定、封裝效果好、不易泄露。同時(shí)在纖維皮層中混有EVA，可以使皮、芯層有較好的相容性，不會(huì)因使用時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)相互脫離。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

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

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

十八烷，相對(duì)密度0.776 8 g/cm3，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;

抗氧劑1010，工業(yè)級(jí)，上海中山化工市場(chǎng);

分散劑:硬脂酸1801，工業(yè)級(jí)，上海中山化工市場(chǎng)。

1.2 含相變材料皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)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(jīng)高速混合機(jī)混合均勻后，分別經(jīng)單螺桿、雙螺桿熔融擠出造粒，隨后將皮芯層粒料經(jīng)復(fù)合紡絲箱體紡絲得到具有蓄熱調(diào)溫功能性的復(fù)合纖維，整個(gè)紡絲過程的工藝流程如圖1所示。其中，皮芯原料的質(zhì)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(fù)合纖維的紡絲工藝流程

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 光學(xué)顯微鏡觀察

采用日本奧林巴斯株式會(huì)社生產(chǎn)的光學(xué)顯微鏡觀察不同皮芯質(zhì)量比的復(fù)合結(jié)構(gòu)相變纖維的截面，儀器型號(hào)為BX51，比例標(biāo)尺為20 μm。

1.3.2 傅立葉變換紅外光譜分析測(cè)試

采用美國(guó)Thermo Nicolet公司生產(chǎn)的傅立葉變換紅外光譜分析儀，檢驗(yàn)相變材料十八烷是否真正熔融共混進(jìn)皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)纖維的芯層中，儀器型號(hào):Magna-IR 550，掃描范圍為500～4 000 cm-1。

1.3.3 相變復(fù)合纖維的熱性能測(cè)試

實(shí)際溫度測(cè)試:將筆者制備的含相變材料皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)纖維纏繞成團(tuán)絮狀，先后放進(jìn)20℃和35℃的烘箱環(huán)境中，待其溫度穩(wěn)定一段時(shí)間后，用溫度計(jì)插入纖維團(tuán)絮中，測(cè)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(diào)溫功效。每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)試5次，取其平均值。

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

1.3.4 強(qiáng)力及彈性回復(fù)率測(cè)試

采用上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所生產(chǎn)的纖維強(qiáng)力儀及纖維拉伸彈性儀，測(cè)試相變復(fù)合纖維強(qiáng)力及彈性回復(fù)率，儀器型號(hào):XQ-1及XQ-2，夾持距離為20 mm，拉伸速度為20 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)顯微鏡觀察

采用光學(xué)顯微鏡觀察不同皮芯質(zhì)量比的復(fù)合結(jié)構(gòu)相變纖維截面，如圖2(a)～2(d)所示。

圖2 不同皮芯質(zhì)量比的相變皮芯復(fù)合纖維的截面

從皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)。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(fù)合纖維能獲得較為理想的蓄熱調(diào)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(fù)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(xiàn)了明顯的十八烷(石蠟)特征吸收峰。在相變皮芯復(fù)合纖維中同樣出現(xiàn)了波數(shù)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(jìn)皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)纖維。

圖3 相變材料十八烷與相變皮芯復(fù)合纖維的紅外光譜圖

2.3 實(shí)際溫度測(cè)定

按照1.3.3操作，得到如下的結(jié)論:

a)當(dāng)環(huán)境溫度為20℃左右時(shí)，含相變材料十八烷纖維內(nèi)部溫度基本恒定在24℃左右;

b)當(dāng)環(huán)境溫度為35℃左右時(shí)，纖維內(nèi)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(fā)制品纖維蓄熱調(diào)溫效果顯著。

2.4 相轉(zhuǎn)變溫度與吸放熱性能的測(cè)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(jié)晶相變焓為238.958 4 J/g，結(jié)晶溫度為25.90℃。圖5所示為皮芯比為3∶2的相變復(fù)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(jié)晶相變焓為52.008 0 J/g，結(jié)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(fù)合相變纖維的DSC曲線

其它組分皮芯質(zhì)量比的復(fù)合結(jié)構(gòu)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(fù)合纖維的熔融溫度范圍及結(jié)晶溫度范圍較純相變材料都向低溫區(qū)發(fā)生了稍許偏移，即相變皮芯復(fù)合纖維發(fā)生相轉(zhuǎn)變的溫度較純相變材料略向低溫區(qū)偏移，并且隨相變材料含量的增加，復(fù)合纖維的熔融溫度大體呈降低的趨勢(shì)，而結(jié)晶溫度呈升高的趨勢(shì)。同時(shí)，相變皮芯復(fù)合纖維的熔融相變焓和結(jié)晶相變焓都較純相變材料低許多，這是因?yàn)椋嘧儾牧现車藳]有相變性能的EVA及HDPE，單位質(zhì)量的相變皮芯復(fù)合纖維中相變材料所占質(zhì)量比重遠(yuǎn)小于單位質(zhì)量的純相變材料，因而相變皮芯復(fù)合纖維的相變焓也比純相變材料低許多。

表1 不同皮芯質(zhì)量比的復(fù)合結(jié)構(gòu)纖維升溫過程的相變溫度和吸熱值

2.5 力學(xué)性能測(cè)定

當(dāng)牽伸倍數(shù)為3.5時(shí)，不同皮芯質(zhì)量比復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率如圖6和圖7所示。

圖6 圖6不同皮芯比纖維對(duì)應(yīng)的斷裂強(qiáng)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(duì)應(yīng)的斷裂伸長(zhǎng)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(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都呈下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)橄嘧兤ば緩?fù)合纖維中含低分子質(zhì)量的十八烷在復(fù)合纖維中相當(dāng)于雜質(zhì)，易引起應(yīng)力集中而造成纖維強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)下降，且十八烷含量越多，強(qiáng)度越低。故而，綜合考慮相變皮芯復(fù)合纖維的蓄熱調(diào)溫功能性及力學(xué)性能應(yīng)選擇皮芯比為3∶2的復(fù)合纖維最為理想。

2.6 定負(fù)荷下彈性回復(fù)率測(cè)試

假發(fā)纖維要求具有良好的彈性回復(fù)率，故筆者在定負(fù)荷20，40，60 cN下，反復(fù)5次拉伸測(cè)試?yán)w維的彈性回復(fù)率，如表2所示。

表2 定負(fù)荷、5次拉伸測(cè)試?yán)w維的彈性回復(fù)率

從表2可知，對(duì)纖維反復(fù)5次拉伸，當(dāng)相變材料含量較少(為3∶1及2∶1)時(shí)，復(fù)合纖維在低負(fù)荷(20，40 cN)下，具有優(yōu)異的彈性回復(fù)率，可以達(dá)到99.26%～100%，基本可以完全回復(fù);但當(dāng)負(fù)荷較大，為60 cN時(shí)，彈性回復(fù)率下降較明顯，僅為46%左右，在此負(fù)荷下，相變皮芯復(fù)合纖維便不太適合作為假發(fā)使用。因此，當(dāng)定負(fù)荷≤40 cN時(shí)，含相變材料皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)制品纖維均具有良好的彈性回復(fù)率。隨著芯層含量的增加即相當(dāng)于相變材料十八烷含量的增加，復(fù)合纖維的彈性回復(fù)率降低。

3 結(jié)論

a)筆者所制備的皮芯復(fù)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(fù)合纖維能夠隨環(huán)境溫度升高或降低有較好的溫度調(diào)節(jié)性。

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

d)筆者所制備的皮芯復(fù)合纖維經(jīng)反復(fù)5次拉伸，當(dāng)定負(fù)荷≤40 cN時(shí)，含相變材料皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)制品纖維都具有良好的彈性回復(fù)率。

綜合來看，筆者制備的皮芯復(fù)合發(fā)用纖維，解決了常規(guī)發(fā)制品纖維不能在周圍形成溫度基本恒定的微氣候，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)功能的問題，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的傳統(tǒng)假發(fā)不能智能調(diào)溫的不足，并能在滿足溫度調(diào)節(jié)功能性的同時(shí)，保持良好的彈性回復(fù)率，使該纖維作為假發(fā)使用有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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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(shù)佳(1983—)，女，山西臨汾人，博士后，主要研究方向?yàn)楣δ苄园l(fā)制品纖維，已發(fā)表SCI檢索論文2篇，申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)。