凉感聚乙烯复合纤维的制备与性能

孙 婷， 韩 颖， 拖 晓 航， 张 森， 管 福 成

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

夏季服装在保证舒适性的同时，面料具有凉感功能已经成为研究者亟待解决的问题[1-3]。凉感纤维制成的织物可以使人体获得接触凉感[4-6]，因此其导热系数以及织物瞬态最大热量通过量必须比较大，在制成纺织品以后才能够满足使用要求[7-8]。提高织物的导热系数有直接和间接两种方式，其原理是在织物与皮肤接触的时候，能够将热量瞬间散发出去，因此获得接触凉感[9]。直接方式是在纺丝过程中加入一些天然矿物质原料，如云母粉、贝壳粉等，也可以加入一些导热系数比较大的材料。Cai等[10]将氧化锌颗粒嵌到聚乙烯，制成了一种新型的纳米复合材料织物，与一般的纺织品相比，可以使模拟的皮肤避免过热5～13 ℃。Song等[11]设计了一种可以选择性吸收或者发射热辐射并且反射太阳光的个人冷却纺织品，在阳光下，这种纺织品可以使人体温度降低4.5～6.5 ℃。间接方式是在织物表面涂覆放热物质等以达到降低温度的效果。Wei等[12]在纺织品上涂覆了Al2O3分散纤维素乙酸酯，将太阳能反射率提高到了80.1%，且在模拟皮肤温度时，使得皮肤表面温度降低了2.3～8.0 ℃，这种纺织品可以在阳光和室内使皮肤感到凉感。本研究采用熔融纺丝的方法，以高密度聚乙烯为基体，绢云母粉为填料，马来酸酐接枝高密度聚乙烯作为增容剂，制备了高密度聚乙烯/绢云母粉复合纤维，并对其力学性能、结晶性能以及导热性能等进行了探究。

1 实 验

1.1 原 料

高密度聚乙烯，密度0.947 g/cm3，MFI=0.55 g/min，美国陶氏3364；马来酸酐接枝高密度聚乙烯，E100，接枝率为1.0%，东莞市塑胶原料有限公司；绢云母粉，6 000目，密度2.6～2.7 g/cm3，硬度2～3，东海县富彩矿物制品有限公司。

1.2 仪 器

Q2000型DSC分析仪，TA仪器公司；YG061型电子单纱强力仪，莱州市电子仪器有限公司；DRL-Ⅲ型导热系数测试仪(热流法)，湘潭湘仪仪器有限公司；红外热像仪(镜头焦距6.5 mm)，菲力尔公司；JSM-6460LV型扫描电子显微镜，日本电子公司；TGA2热重分析仪，梅特勒-托利多公司。

1.3 方 法

采用研磨钵将绢云母粉研磨均匀，用高速混合机将原料按照一定比例混合均匀，采用哈普转矩流变仪进行熔融纺丝。参数设置：一区150 ℃，二区190 ℃，三区240 ℃，四区240 ℃，输出转速10～15 r/min，交联剂的质量分数为3.0%，添加绢云母粉的质量分数分别为0.025%、0.050%、0.100%和0.150%。

牵伸采用自制水浴锅，使用止血钳，将纤维在沸水中牵伸，分别牵伸至5、10、15、20、25倍，用电子单纱强力仪测试纤维的力学性能。

2 结果与讨论

2.1 复合纤维的结晶性能

纤维的热力学性能包含了熔点、熔融热焓以及结晶度等。熔融热与分子间作用力的强度有关，熔融焓与大分子链的刚性有关，纤维的熔点与几个因素都有关，纤维材料的机械性能与纤维大分子之间的作用力有关，大分子间作用力越大，机械性能越优异。

图1为不同绢云母粉质量分数的高密度聚乙烯/绢云母粉复合纤维的DSC数据组图，表1为高密度聚乙烯/绢云母粉DSC的相关数据。图1(a)为高密度聚乙烯/绢云母粉复合纤维结晶温度曲线，可以看出随着绢云母粉在体系中质量分数的增大，复合纤维的结晶温度虽然有所增加，但是变化幅度比较小。由表1可以看出，添加绢云母粉以后，复合纤维的结晶度呈现下降趋势。这说明，绢云母粉在高密度聚乙烯基体中起到了异相成核的作用，能够在一定程度上提高高密度聚乙烯的结晶温度，同时也作为异相粒子干扰了链段的迁移和有序排列过程，致使结晶度下降。

图1(b)为高密度聚乙烯/绢云母粉复合纤维熔融温度曲线。可以看出，绢云母粉的添加对高密度聚乙烯的熔融行为有很大的影响，随着绢云母粉质量分数的增加，复合纤维的熔融峰位置出现了向高温方向移动的趋势。绢云母粉的加入改善了高密度聚乙烯结晶的完善程度[13]。

2.2 复合纤维的热失重

由图2可知，高密度聚乙烯的起始分解温度为408.4 ℃，在476.5 ℃达到了最大分解速率；高密度聚乙烯/0.025%绢云母粉复合纤维的起始分解温度为408.9 ℃，在482.5 ℃时达到了最大分解速率；高密度聚乙烯/0.150%绢云母粉复合纤维的起始分解温度为420.6 ℃，在484.3 ℃时达到了最大分解速率。可以看出，添加绢云母粉以后，复合纤维的起始分解温度和达到最大分解速率时的温度都有所提高，且随着绢云母粉添加量的增加而增加，起始分解温度最大增加了12.2 ℃，表明复合纤维的耐热性增强。在550.0 ℃左右时，复合纤维的失重残余量较高密度聚乙烯变化比较小，这可能是因为高密度聚乙烯在550.0 ℃已经完全炭化，绢云母粉作为填料的添加量少，因此复合纤维的失重残余量较高密度聚乙烯变化小。

(a) 结晶曲线

(b) 熔融曲线

图2 复合纤维的TG曲线Fig.2 TG curves of composite fibers

2.3 复合纤维的导热性能

纤维的导热性能可以直接测试[14-16]，也可以间接测试[17]，但是由于测试单根纤维的导热性能要考虑的因素比较多[18]，本实验采用复合材料的导热系数表征复合纤维的导热系数。

采用转矩流变仪将混料进行密炼，再采用平板硫化机压片，裁剪成符合测试要求的尺寸。从表1的测试结果可以看出，高密度聚乙烯的导热系数为0.38 W/(m·K)，添加质量分数为0.025%的绢云母粉以后，复合材料的导热系数增加至0.44 W/(m·K)，较高密度聚乙烯提高了15.79%，并且，随着绢云母粉质量分数的增大，导热系数也呈现增大的趋势，在添加绢云母粉质量分数最大为0.150%时，复合材料的导热系数达到了0.47 W/(m·K)，较高密度聚乙烯提高了近23.68%。因此，绢云母粉作为凉感粉体，大大提高了高密度聚乙烯的导热系数。然而，若继续增加绢云母粉的质量分数提高复合材料的导热系数，可能会造成纺丝过程的困难、成本增加，纤维的力学性能也会受到影响。

表1 高密度聚乙烯/绢云母粉复合纤维的DSC数据及复合材料的导热系数Tab.1 DSC data and thermal conductivity of high-density polyethylene/sericite composite fibers

2.4 复合材料的红外成像

将样品放置于常温下，待磁力加热搅拌温度稳定在70 ℃迅速将样品放置在上面，装置示意如图3所示。采用红外成像，每隔10 s拍照一次，记录温度变化，记录时间为3 min，温度变化如图4所示。由图4可以看出，随着时间的延长，样品表面的温度也随着升高，3 min后高密度聚乙烯的表面温度由35.4 ℃达到44.6 ℃。添加绢云母粉以后，在相同的时间内，样品表面最高达到46.6 ℃，并且达到相同的温度，添加绢云母粉较多的复合材料所需要的时间更短。这是因为，随着绢云母粉质量分数的增大，样品的导热系数增大，在相同的时间内所吸收的热比较多，所以所需时间更短，温度也会升高得更快。

图3 装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the device

图4 复合材料样品的表面温度随时间变化图Fig.4 The changes in surface temperature of thecomposite fibers versus of time

2.5 复合纤维的力学性能

由图5可以看出，纤维的断裂强度随着牵伸倍数的增加而增大，由于牵伸使聚合物中大分子链发生沿轴向取向，所以纤维的断裂强度也增大，并且由于绢云母粉自身具有强度大、刚性大等特点，对高密度聚乙烯具有增强的作用。牵伸25倍时，高密度聚乙烯的断裂强度为11.4 cN/dtex。添加绢云母粉，在牵伸倍数达到15倍前，复合纤维的力学性能优于高密度聚乙烯。水浴牵伸20倍时，添加质量分数为0.150%的复合纤维的力学性能优于高密度聚乙烯。绢云母粉质量分数为0.025%、0.050%和0.100%的复合纤维，虽然断裂强度随着牵伸倍数的增大依然呈现上升的趋势，但是断裂强度小于高密度聚乙烯的强度。在水浴牵伸25倍时，添加绢云母粉质量分数为0.150%的复合纤维断裂强度为11.34 cN/dtex，接近高密度聚乙烯在牵伸25倍时的断裂强度。可以看出，添加少量的无机粉末在较小的牵伸倍数下，可以增强纤维的断裂强度；当牵伸倍数较大时，力学强度增加不明显。

图5 复合纤维的断裂强度Fig.5 Breaking strength of composite fibers

2.6 复合纤维表面以及断面特征

图6为高密度聚乙烯/0.025%绢云母粉复合纤维和高密度聚乙烯/0.150%绢云母粉复合纤维的表面形貌和断面图。可以看出，在高密度聚乙烯中添加了绢云母粉，纤维表面变得粗糙不光滑，因为绢云母粉的直径在3.0～4.5 μm，添加绢云母粉会造成复合纤维表面凹凸不平。由复合纤维的断面形貌可以明显看出绢云母粉在复合纤维的

分布情况。随着绢云母粉质量分数的增大，有很多的微纤凸起，其为典型韧性断裂。随着绢云母质量分数的增大，纤维断面变得更加粗糙，微纤凸起更多，说高密度聚乙烯/0.150%绢云母粉纤维在断裂的过程中要耗散更多的能量，这与力学强度一致。

3 结 论

采用熔融纺丝的方法在高密度聚乙烯基体中添加绢云母粉，成功制备出具有凉感功能的纤维，且添加绢云母粉后，复合纤维的大分子链的规整性被破坏，所以复合纤维的熔融温度和结晶性能都会受到影响。复合纤维的断裂强度符合随着牵伸倍数的增加而增大的规律，且在最大牵伸倍数的断裂强度与高密度聚乙烯相差不大；导热系数也随着绢云母粉添加量的增加而增大，最大达到0.49 W/(m·K)。