微流控TPU/Cs复合中空纤维的制备及研究

李冉冉，胡 静，李 琴，李兴兴，刘宇清

(苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

在太阳光中，波长为780～2 500 nm的近红外光(near-infrared region，NIR)占太阳能的50%，是一种非常绿色的能量来源[1-3]。而铯钨青铜(Cs0.33WO3)材料有着非常优异的近红外吸收性能[4]，将铯钨青铜与纺织品结合可有效实现对太阳能的利用，在纺织品领域将有着非常广阔的应用前景[5-6]。

本文采用同轴微流控纺丝技术，以热塑性聚氨酯(TPU)及铯钨青铜粉(Cs0.33WO3)的复合溶液为外部溶液，去离子水为内部溶液及凝固浴，制备出TPU/Cs复合中空纤维。通过调节Cs0.33WO3粉在纺丝液中的质量比，探究不同含量Cs0.33WO3粉对TPU中空纤维近红外吸收性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

材料：TPU(巴斯夫有限公司，1185A)；聚二甲基甲酰胺(DMF)(国药集团化学试剂有限公司，分析纯99%)；Cs0.33WO3粉(杭州吉康新材料有限公司，SS-CW20)；去离子水(实验室自制)。

1.2 实验方法

1.2.1 TPU/Cs复合溶液的制备

由于Cs0.33WO3粉比表面积大，表面能高，容易发生软团聚[7-8]。因此，我们需要对Cs0.33WO3粉进行预处理，将购买得到的Cs0.33WO3粉经过180目的尼龙过滤布进行筛滤，去除较大的Cs0.33WO3团聚物，获得细腻、均一的铯钨青铜粉末。

本文选用的TPU纺丝液质量分数为20%，首先，称取上述筛滤后的Cs0.33WO3粉末加入到溶剂DMF中并超声分散。Cs1%、Cs3%、Cs5%代表Cs0.33WO3粉与TPU纺丝液的质量比分别为1%、3%、5%。在上述溶液分散30 min后添加TPU粉末，磁力搅拌3 h，最终获得分散均匀的TPU/Cs复合纺丝液，并分别记作TPU/Cs1%、TPU/Cs3%、TPU/Cs5%。

1.2.2 TPU/Cs复合中空纤维的制备

将上述制备出的TPU/Cs复合溶液作为同轴微流控外部溶液，流速设定为9 mL/h；去离子水为内部溶液，流速设定为6 mL/h。将上述两种溶液分别装入合适的针管中，利用微量注射泵挤入去离子水凝固浴中。收卷装置是直径为5.8 cm的不锈钢滚筒，收卷速度设为2 r/min，收卷距离为120 cm。

1.3 测试方法

1.3.1 表面形貌观察

采用日立高新技术公司的TM3030型台式扫描电镜测试，将中空纤维放入液氮中冷冻5 min进行脆断，将脆断后的纤维截面粘贴在导电台上进行喷金，在不同放大倍数下对样品截面的微观形貌进行观察。

1.3.2 拉伸机械性能

选用Instron-5967万能材料试验机对中空纤维进行拉伸，参数设置为拉伸距离10 mm，拉伸速度100 mm/min，每个样品重复测试20次。

1.3.3 紫外-可见近红外分光光度计分析

用UV3600紫外-可见近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)测量纤维在280～2 500 nm波长范围内的透过率。

1.3.4 光热转换性能测试

分别将TPU、TPU/Cs1%、TPU/Cs3%、TPU/Cs5%中空纤维编织成5 cm×5 cm的小样织物。将织物并排放置到导热系数小的木板上，织物与木板之间放置测温热电偶。选用型号为R95e(100 W)飞利浦灯作为太阳模拟光源，灯源距离织物40 cm处。用热电偶记录灯照120 s及关灯后300 s的织物内部温度变化。

2 结果与讨论

2.1 复合中空纤维的形貌分析

从图1(a)～(d)中可以看出，添加了Cs0.33WO3粉的TPU/Cs复合中空纤维内、外壁表面光滑、致密，且纤维的截面形态、孔洞分布、内外径尺寸与纯TPU纤维，见图1(a)，对比无明显差异。观察图1(e)～(h)，即上述纤维截面放大图，添加了Cs0.33WO3粉的TPU/Cs复合中空纤维截面均匀分散着不同数量的Cs0.33WO3亮点，且亮点数量随着Cs0.33WO3粉质量比的提高而增加，证实了Cs0.33WO3粉均匀地分散在TPU纺丝液中并成功纺出。

(a)未添加Cs0.33WO3粉；(b)、(c)、(d)Cs0.33WO3粉质量比为1%、3%、5%；(e)～(h)分别为(a)～(d)的截面放大图(a)～(d)比例尺：100 μm；(e)～(h)比例尺：20 μm

2.2 纤维力学性能分析

本实验对不同Cs0.33WO3粉添加量的TPU中空纤维进行了力学性能测试，结果如图2所示，Cs0.33WO3粉的加入降低了TPU纤维的拉伸应力和断裂伸长率，这是因为铯钨青铜粉的加入，使得TPU相邻大分子被铯钨青铜粉隔断，降低了TPU大分子之间的结合力，因此TPU/Cs复合中空纤维力学性能下降。但上述复合中空纤维的最低断裂伸长率仍高达537%，表明了TPU/Cs复合中空纤维仍有着优异的弹性。

图2 不同Cs0.33WO3粉质量比的TPU中空纤维拉伸应力和断裂伸长率曲线

2.3 紫外-可见近红外分光光度计分析(UV-VIS-NIR)

从图3所示的UV-VIS-NIR曲线图中可以看出，未添加Cs0.33WO3粉的TPU纤维在近红外波段有高达80%的透过率，近红外波段的吸收性能非常差。而铯钨青铜粉的加入，大大降低了TPU纤维的近红外透过率，且随着Cs0.33WO3粉质量比的增加，TPU/Cs复合中空纤维的近红外透过率越来越低，当Cs0.33WO3粉的质量比为5%时，近红外透过率仅为15%左右，表明TPU/Cs复合中空纤维优异的近红外吸收性能[9]。

图3 不同Cs0.33WO3粉质量比的TPU中空纤维UV-VIS-NIR光谱图

2.4 光热转换性能分析

从图4的温度变化曲线图中可以看出，在120 s的红外光的照射下，纯TPU织物温度从最初的 13.8 ℃上升到24.0 ℃，温差仅为10.2 ℃，温度上升幅度较小，且速率慢。观察TPU/Cs复合织物的升温曲线，发现铯钨青铜粉质量比越大，织物内部温度上升速度越为迅猛。其中，升温效果最好的 TPU/Cs5%织物从最初的15.4 ℃上升到36.2 ℃，温度差高达20.8 ℃。证实了TPU/Cs复合织物非常好的近红外吸收性能及光热转化率。而当红外灯关闭后，TPU/Cs复合织物温度迅速下降，表明该复合织物与红外光有着非常好的协同性。

图4 不同Cs0.33WO3粉添加量的中空纤维在红外灯照射120 s并关灯后纤维内部的温度变化曲线图

3 结论

通过对TPU/Cs复合中空纤维的形貌分析，亮点的存在证实了Cs0.33WO3粉的成功掺入，且分布均匀、无其他杂质产生。力学性能分析显示Cs0.33WO3粉的加入降低了TPU纤维的拉伸性能，但复合中空纤维仍有着高达537%的断裂伸长率。UV-VIS-NIR显示TPU/Cs复合中空纤维优异的近红外吸收性能，且与Cs0.33WO3粉的质量比成正比。在红外灯照射120 s后，TPU/Cs5%小样织物内部温度提高了20.8 ℃，表现出非常好的光热转化性能。