假发用相变皮芯复合纤维的制备与性能研究

刘术佳，叶 敏，吴学丙，王依民，郑文青，丁 刚

(1.河南瑞贝卡发制品股份有限公司，河南许昌 461000;2.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620)

假发用相变皮芯复合纤维的制备与性能研究

刘术佳1，叶 敏2，吴学丙1，王依民2，郑文青1，丁 刚1

(1.河南瑞贝卡发制品股份有限公司，河南许昌 461000;2.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620)

使用双组份复合纺丝机熔融纺皮芯复合结构发制品纤维。该皮芯复合纤维芯层为十八烷/EVA的共混物，皮层为EVA/HDPE共混物。红外光谱分析说明相变材料十八烷已填充进皮芯复合结构发制品纤维;通过热性能研究得出皮芯复合发用纤维具有调节温度的特性;当定负荷≤40 cN时，无论是1次拉伸还是反复5次拉伸，含相变材料皮芯复合结构发制品纤维都具有良好的弹性回复率。制备的功能型发制品纤维，在保持良好弹性回复率的情况下，具有蓄热调温功能。

相变材料 十八烷 发用纤维 蓄热调温

相变材料(Phase Change Materials，简称PCMs)是一种利用相变潜热来贮能和释能的化学材料，其可在一定的温度范围内，利用材料本身相态或结构变化，向环境自动吸收或释放潜热，从而达到调控温度的功能［1-3］。20世纪30年代以来(特别是80年代)，受能源危机影响，相变蓄热的基础理论和应用技术的研究在发达国家如美国、加拿大、日本、德国等迅速崛起并得到不断发展［4］。Maha Ahmad等人［5］、Miroslaw 和 Zukowski［6］、K.Darkwa 等人［7］、Yoshinari T等人［8］对含 PCMs颗粒的墙板、地板等供暖系统中使用的板材进行了制备、热模拟和仿真测试，结果表明建筑物在温度舒适性方面得到极大的改善。叶宏［9］研制了HDPE/石蜡聚合物基复合相变材料并分析了其热稳定性。

随着社会的不断发展，人们整体着装意识加强，对个性美的追求，使得假发越来越被人们所接受。另外，科技的进步和新事物的不断涌现，使得假发的种类也日益繁多，且人们对发制品舒适性的要求也越来越高。自然舒适、防辐射、抗菌、吸湿性强等功能性安全环保发制品日益受到青睐。因此，研究开发具有保温凉爽型发制品纤维对不同季节穿戴假发的消费者来说将是一种福音。

笔者采用双组份复合纺丝机熔融纺制备具有保温凉爽型皮芯复合结构发制品纤维。采用的相变材料为十八烷(C18H38)，相变温度为25～32℃(相转变温度范围和人体温度变化范围相似)。芯层为十八烷/EVA的共混物，皮层采用EVA/HDPE共混物，添加EVA的目的是为提高复合物的力学性能，同时也有利于相变材料热性能的稳定、封装效果好、不易泄露。同时在纤维皮层中混有EVA，可以使皮、芯层有较好的相容性，不会因使用时间的延长而出现相互脱离。

1 试验

1.1 试验原料

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，VA含量28%，熔融指数150 g/10 min，密度0.95 g/cm3，上海化工研究院;

高密度聚乙烯(HDPE)，相对密度 0.955 g/cm3，中国石油抚顺石化分公司;

十八烷，相对密度0.776 8 g/cm3，国药集团化学试剂有限公司;

抗氧剂1010，工业级，上海中山化工市场;

分散剂:硬脂酸1801，工业级，上海中山化工市场。

1.2 含相变材料皮芯复合结构发制品纤维的制备

将芯层与皮层 EVA/HDPE、EVA/十八烷共混料与抗氧剂及分散剂经高速混合机混合均匀后，分别经单螺杆、双螺杆熔融挤出造粒，随后将皮芯层粒料经复合纺丝箱体纺丝得到具有蓄热调温功能性的复合纤维，整个纺丝过程的工艺流程如图1所示。其中，皮芯原料的质量比为 1∶1，2∶1，3∶1，3∶2，芯层相变材料十八烷占芯层材料的50%(w)，皮层HDPE的含量为皮层材料的15%(w)。

图1 相变皮芯复合纤维的纺丝工艺流程

1.3 性能测试

1.3.1 光学显微镜观察

采用日本奥林巴斯株式会社生产的光学显微镜观察不同皮芯质量比的复合结构相变纤维的截面，仪器型号为BX51，比例标尺为20 μm。

1.3.2 傅立叶变换红外光谱分析测试

采用美国Thermo Nicolet公司生产的傅立叶变换红外光谱分析仪，检验相变材料十八烷是否真正熔融共混进皮芯复合结构纤维的芯层中，仪器型号:Magna-IR 550，扫描范围为500～4 000 cm-1。

1.3.3 相变复合纤维的热性能测试

实际温度测试:将笔者制备的含相变材料皮芯复合结构纤维缠绕成团絮状，先后放进20℃和35℃的烘箱环境中，待其温度稳定一段时间后，用温度计插入纤维团絮中，测得的温度为相变纤维周围的微气候温度，观察其是否具有调温功效。每个试样重复测试5次，取其平均值。

采用瑞士梅特勒-托利多公司生产的差示扫描量热仪测试相变复合纤维的热性能，仪器型号:DSC-822。

1.3.4 强力及弹性回复率测试

采用上海利浦应用科学技术研究所生产的纤维强力仪及纤维拉伸弹性仪，测试相变复合纤维强力及弹性回复率，仪器型号:XQ-1及XQ-2，夹持距离为20 mm，拉伸速度为20 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 光学显微镜观察

采用光学显微镜观察不同皮芯质量比的复合结构相变纤维截面，如图2(a)～2(d)所示。

图2 不同皮芯质量比的相变皮芯复合纤维的截面

从皮芯复合结构纤维的截面图可以看出，纤维的皮层均全部包覆芯层，形状较为均匀，因此笔者制得的相变纤维具有良好的皮芯复合结构。另外，除图2(c)芯层较小外，其他芯层均较大，含相变材料较多，在满足完全包覆的前提下，复合纤维能获得较为理想的蓄热调温性。由此可见，皮芯纤维的截面图皮层均匀包覆芯层。

2.2 傅立叶变换红外光谱分析

图3 为相变材料十八烷与笔者制得皮芯比为3∶2的相变皮芯复合纤维的红外光谱图，图中十八烷的曲线在2 953，2 913，2 848，1 471，717 cm-15 处出现了明显的十八烷(石蜡)特征吸收峰。在相变皮芯复合纤维中同样出现了波数基本相同的特征吸收峰，从图中可以证明，相变材料十八烷已填充进皮芯复合结构纤维。

图3 相变材料十八烷与相变皮芯复合纤维的红外光谱图

2.3 实际温度测定

按照1.3.3操作，得到如下的结论:

a)当环境温度为20℃左右时，含相变材料十八烷纤维内部温度基本恒定在24℃左右;

b)当环境温度为35℃左右时，纤维内部温度基本恒定在32℃左右。

因此可以说，笔者制备的功能型发制品纤维蓄热调温效果显著。

2.4 相转变温度与吸放热性能的测定

纯相变材料十八烷的DSC曲线如图4所示，熔融相变焓为240.901 7 J/g，熔融温度为30.27 ℃;结晶相变焓为238.958 4 J/g，结晶温度为25.90℃。图5所示为皮芯比为3∶2的相变复合纤维的DSC曲线，从图中可见，其熔融相变焓为53.068 2 J/g，熔融温度为30.25 ℃;结晶相变焓为52.008 0 J/g，结晶相变温度为25.88℃。

图4 十八烷的DSC曲线

图5 皮芯比为3∶2的皮芯复合相变纤维的DSC曲线

其它组分皮芯质量比的复合结构纤维的相变温度和吸放热量值如表1所示。

从表1可看出，相变复合纤维的熔融温度范围及结晶温度范围较纯相变材料都向低温区发生了稍许偏移，即相变皮芯复合纤维发生相转变的温度较纯相变材料略向低温区偏移，并且随相变材料含量的增加，复合纤维的熔融温度大体呈降低的趋势，而结晶温度呈升高的趋势。同时，相变皮芯复合纤维的熔融相变焓和结晶相变焓都较纯相变材料低许多，这是因为，相变材料周围包裹了没有相变性能的EVA及HDPE，单位质量的相变皮芯复合纤维中相变材料所占质量比重远小于单位质量的纯相变材料，因而相变皮芯复合纤维的相变焓也比纯相变材料低许多。

表1 不同皮芯质量比的复合结构纤维升温过程的相变温度和吸热值

2.5 力学性能测定

当牵伸倍数为3.5时，不同皮芯质量比复合纤维的断裂强度和断裂伸长率如图6和图7所示。

图6 图6不同皮芯比纤维对应的断裂强度皮芯比为 1-3∶1;2-2∶1;3-3∶2;4-1∶1

图7 不同皮芯比纤维对应的断裂伸长率皮芯比为 1-3∶1;2-2∶1;3-3∶2;4-1∶1

由图6和图7可知，随着芯层含量即相变材料的增加，相变皮芯复合纤维的断裂强度和伸长率都呈下降的趋势，这是因为相变皮芯复合纤维中含低分子质量的十八烷在复合纤维中相当于杂质，易引起应力集中而造成纤维强度等力学指标下降，且十八烷含量越多，强度越低。故而，综合考虑相变皮芯复合纤维的蓄热调温功能性及力学性能应选择皮芯比为3∶2的复合纤维最为理想。

2.6 定负荷下弹性回复率测试

假发纤维要求具有良好的弹性回复率，故笔者在定负荷20，40，60 cN下，反复5次拉伸测试纤维的弹性回复率，如表2所示。

表2 定负荷、5次拉伸测试纤维的弹性回复率

从表2可知，对纤维反复5次拉伸，当相变材料含量较少(为3∶1及2∶1)时，复合纤维在低负荷(20，40 cN)下，具有优异的弹性回复率，可以达到99.26%～100%，基本可以完全回复;但当负荷较大，为60 cN时，弹性回复率下降较明显，仅为46%左右，在此负荷下，相变皮芯复合纤维便不太适合作为假发使用。因此，当定负荷≤40 cN时，含相变材料皮芯复合结构发制品纤维均具有良好的弹性回复率。随着芯层含量的增加即相当于相变材料十八烷含量的增加，复合纤维的弹性回复率降低。

3 结论

a)笔者所制备的皮芯复合纤维在不同的皮芯比下，均获得了较为理想的包覆。

b)所制备的皮芯复合纤维能够随环境温度升高或降低有较好的温度调节性。

c)随着芯层相变材料的增加，相变皮芯复合纤维的断裂强度和伸长率都呈下降的趋势，综合考虑相变皮芯复合纤维的蓄热调温功能性及力学性能，选择皮芯比为3∶2的复合纤维最为理想。

d)笔者所制备的皮芯复合纤维经反复5次拉伸，当定负荷≤40 cN时，含相变材料皮芯复合结构发制品纤维都具有良好的弹性回复率。

综合来看，笔者制备的皮芯复合发用纤维，解决了常规发制品纤维不能在周围形成温度基本恒定的微气候，从而实现温度调节功能的问题，弥补了现有技术生产的传统假发不能智能调温的不足，并能在满足温度调节功能性的同时，保持良好的弹性回复率，使该纤维作为假发使用有独特的优势。

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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

刘术佳(1983—)，女，山西临汾人，博士后，主要研究方向为功能性发制品纤维，已发表SCI检索论文2篇，申请发明专利4项。