相變微膠囊在水性聚氨酯合成革中的應(yīng)用及其熱性能研究

孫麗娟 蔣紅梅

(上海華峰新材料研發(fā)科技有限公司 上海 201203)

相變材料具有熱能儲存和溫度調(diào)控功能[1－2]，常常以微膠囊形式被使用。即以高分子材料作為殼材，相變材料作為芯材而被包覆在殼材中，被稱為相變微膠囊(PCM)[3－6]。隨著紡織科學(xué)的發(fā)展，具有溫度調(diào)控功能的相變材料被用于紡織片材中以改善穿著的舒適感[7－8]。

將相變材料應(yīng)用到水性合成革中，能改善水性合成革產(chǎn)品對溫度的適應(yīng)性能[9－10]。本研究將一種PCM摻混到水性合成革面層與中層的聚氨酯乳液中，制備了具有調(diào)溫功能的水性聚氨脂合成革，探究了PCM對其熱性能的影響，研究結(jié)果對自調(diào)溫功能型水性聚氨脂合成革的制備與開發(fā)提供一定的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料與儀器

28℃相變微膠囊RX-xb001，合肥瑞雪新材料科技有限公司；聚氨酯乳液JF-PDY-1821H(芳香族聚醚/聚酯型，固含量30%，黏度4 Pa·s)、JF-PDY-509HY(脂肪族聚醚型，固含量50%，黏度200 mPa·s)和JF-PDY-P521(芳香族聚醚型，固含量47%，黏度300 mPa·s)，浙江華峰合成樹脂有限公司。

Q2000型差示掃描量熱分析(DSC)儀，美國TA儀器沃特斯公司；高精度測溫儀，深圳宇升電子儀器。

1.2 自調(diào)溫功能型水性合成革的制備

稱取5組200 g的JF-PDY-1821H乳液，分別加入10 g黑色漿與少量增稠劑，增稠至黏度5～6 Pa·s，過濾后離心脫泡，得到面層用聚氨酯工作漿料。

稱取5組200 g的JF-PDY-509HY乳液，向其中4組中分別加入5 g(占漿料2.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、10 g(占漿料5%)、20 g(占漿料10%)、30 g(占漿料15%)的PCM并緩慢攪拌均勻，另一組不加PCM；再分別加入10 g發(fā)泡劑緩慢攪拌均勻；向其中多次少量地加入增稠劑，增稠至黏度為12～13 Pa·s；最后將以上5組乳液進(jìn)行機(jī)械發(fā)泡，控制發(fā)泡倍率為2.0倍，得到中層用聚氨酯工作漿料。

稱取5組200 g的JF-PDY-P521乳液增稠至20 Pa·s，過濾后離心脫泡，得到粘合層用工作漿料。

取30 cm×50 cm的離型紙，首先刮涂厚度為100 μm的面層用聚氨酯工作漿料，置于烘箱中烘干；然后刮涂厚度為300 μm的中層用聚氨酯工作漿料，置于烘箱中烘干；再刮涂厚度為150 μm粘合層用聚氨酯工作漿料，濕貼基布后，置于烘箱中烘干。烘干程序?yàn)?先在90℃烘箱中烘5 min，然后繼續(xù)在120℃烘箱中烘5 min。烘干后，取出冷卻，剝離離型紙后得到水性聚氨脂合成革。

在中層用聚氨脂工作漿料中添加PCM，根據(jù)PCM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0、2.5%、5%、10%和15%)，5種PU革樣品分別命名為PUL-0、PUL-2.5、PUL-5、PUL-10、PUL-15。

1.3 DSC測試方法

相變焓值測試:采取液氮保護(hù)，針對PCM、PUL-0、PUL-2.5、PUL-5、PUL-10與PUL-15樣品，升溫試驗(yàn)溫度范圍為－30～60℃，降溫試驗(yàn)溫度范圍為60～－30℃，溫變速率10℃/min。

溫差測試:采取液氮保護(hù)，分別稱取2 mg的PUL-0、PUL-10樣品，升溫范圍為－30～60℃，降溫范圍為60～－30℃，溫變速率10℃/min。

1.4 合成革升溫曲線與降溫曲線

升溫(或降溫)曲線:將接觸式測溫計(jì)粘在革樣(20 cm×30 cm)表面，革樣捆綁后，在冰箱(或50℃烘箱)中放置至溫度恒定，轉(zhuǎn)移至50℃烘箱(或冰箱)中記錄不同時(shí)刻的溫度。以時(shí)間為橫坐標(biāo)、溫度為縱坐標(biāo)，繪制升溫(或降溫)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 相變微膠囊的吸放熱性能

圖1為選用的PCM的升溫、降溫DSC曲線。

圖1 相變微膠囊的DSC圖

由圖1可知，降溫過程中的相變溫度范圍為15～26℃，焓變?yōu)?93.0 J/g，表明PCM在此溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時(shí)開始放熱，最多可放熱193.0 J/g；升溫過中的相變溫度范圍為23～32℃，焓變?yōu)?95.2 J/g，表明PCM在此溫度范圍內(nèi)熔融，當(dāng)環(huán)境溫度高于32℃時(shí)開始吸熱，最多可吸熱195.2 J/g。由此可見，該相變微膠囊的相變溫度范圍基本在人體感覺舒適的范圍內(nèi)，添加到合成革中，有望獲得可緩沖環(huán)境溫度的自調(diào)溫合成革。

2.2 PCM摻雜量對合成革吸放熱性能影響

圖2為不同PCM摻雜量制備的合成革樣品的DSC曲線，表1為相應(yīng)熱性能數(shù)據(jù)。

圖2 不同PCM摻雜量合成革的DSC圖

表1 不同PCM摻雜量合成革的熱性能分析數(shù)據(jù)

由圖2和表1可知，未添加PCM的合成革PUL-0在升溫與降溫過程中，無熔融與結(jié)晶峰，表明PUL-0在環(huán)境溫度改變時(shí)無緩沖溫度變化的能力。添加PCM的合成革在升溫與降溫的過程中，均呈現(xiàn)出吸熱與放熱行為。其中，PUL-2.5的熔融與結(jié)晶峰較小，相變焓值小于10 J/g；隨PCM含量的增加，熔融與結(jié)晶峰增大。當(dāng)PCM含量達(dá)到10%時(shí)，相變焓值為27.8～30.9 J/g；當(dāng)PCM含量達(dá)到15%時(shí)，相變焓值達(dá)到46.6～48.2 J/g。

另外，在配制漿料過程中，當(dāng)PCM摻雜量為2.5%、5%以及10%時(shí)，漿料過濾順暢，而當(dāng)PCM摻雜量為15%時(shí)，漿料出現(xiàn)過濾困難的現(xiàn)象。綜合考慮較高相變焓值與良好的漿料過濾性，PCM的最佳摻雜量為10%。

2.3 摻雜10%PCM制備的水性合成革自調(diào)溫性能

以未摻雜PCM的合成革空白樣做對比，摻雜10% PCM制備的合成革樣品DSC溫差圖見圖3。

由圖3可見，與空白樣相比，降溫過程中，在15～25℃范圍內(nèi)，摻雜10% PCM的合成革樣品溫度高于空白樣，在約21℃時(shí)達(dá)到最大溫差0.6℃；升溫過程中，在25～35℃范圍內(nèi)，摻雜10% PCM的合成革樣品溫度低于空白樣，在約30℃時(shí)，達(dá)到最大溫差1.1℃。這表明在環(huán)境溫度降低/升高的過程中，摻雜PCM可以一定程度上抵消環(huán)境溫度的變化，合成革應(yīng)對環(huán)境溫度的改變有自調(diào)溫特性。

圖3 PUL-10與PUL-0的DSC溫差圖

圖4為實(shí)際升溫與降溫過程中，合成革樣品PUL-10與空白樣PUL-0的升溫與降溫現(xiàn)象。

圖4 PUL-0與PUL-10的升溫/降溫曲線圖

由圖4升溫曲線圖可知，將兩樣品從冰箱轉(zhuǎn)移到50℃烘箱后，PUL-0升溫速率較快，在約7.5 min時(shí)達(dá)到烘箱的平衡溫度，而PUL-10升溫速率較慢，在約15 min時(shí)達(dá)到烘箱的平衡溫度；另外，由降溫曲線圖可見，將兩樣品從50℃烘箱轉(zhuǎn)移到冰箱后，PUL-0降溫速率較快，而PUL-10降溫速率較慢，兩樣品在約15 min時(shí)達(dá)到冰箱的平衡溫度。這是由于在升/降溫的過程中，相變材料吸/放熱與空白樣相比，含有相變材料的合成革表現(xiàn)出較慢的升/降溫現(xiàn)象。這表明摻雜相變材料有助于合成革自身緩沖環(huán)境溫度的變化，在實(shí)際應(yīng)用中有望通過摻雜相變材料實(shí)現(xiàn)合成革的智能溫度調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

(1)相變材料升溫時(shí)，相變溫度范圍為23～32℃，焓變195.2 J/g；降溫時(shí)，相變溫度范圍為15～26℃，焓變193.0 J/g，該相變微膠囊PCM的相變溫度范圍基本在人體感覺舒適的范圍內(nèi)。

(2)將PCM摻雜到合成革中間層漿料制備合成革，PCM的最佳用量為10%。

(3)摻雜10% PCM制備的合成革PUL-10在環(huán)境升溫過程中，與空白樣間最大溫差為1.1℃；在環(huán)境降溫過程中，PUL-10與空白樣間最大溫差為0.6℃；在升/降溫的過程中，與空白樣相比，含有PCM的合成革表現(xiàn)出較慢的升/降溫現(xiàn)象，即應(yīng)對環(huán)境溫度的改變有自調(diào)溫特性。