红外屏蔽的核壳相变复合纤维及其制备方法

本发明涉及纤维合成，具体为一种具有红外屏蔽及温度调控功能的复合纤维及其制备方法。

背景技术：

1、随着电子工业和通信技术的快速发展，电子元件的小型化和高功率密度显著提高，使得电子元件的热通量显著增大，为电子设备的控温及稳定使用带来了巨大的挑战。温度浮动过大，会大幅度缩短电子元件的使用寿命，降低其整体性能，因此电子元件的热调节引起广泛关注。相变材料(pcm)是指能够在一定温度范围内利用自身的物理变化，对外释放或吸收潜热的材料。由于其巨大的潜热容量和等温相变特性，在固液相变过程中可以在近乎恒定的温度下储存-释放大量的热量，所以pcm可以有效地将电子元件的工作温度保持在适宜的工作温度范围内。

2、固液pcm在相变过程中产生的液相不可避免地会带来泄漏问题，限制了其扩大应用。可采用pcm的封装技术来克服泄漏问题。封装技术包括对pcm宏观封装、多孔介质材料封装以及微胶囊、同轴纤维等核壳结构封装。其中，通过同轴静电纺丝制备的核壳相变纤维封装效率，可以将相变材料更好的封装在微纳尺度纤维内，不容易发生泄漏，也易于加工和生产具有多重功能的相变复合材料。

3、专利cn115074862a公开了一种核壳结构的柔性相变储能传感材料及其制备方法，该技术是以热塑性聚氨酯与聚乙二醇(peg)的混合纤维为相变核层，热塑性聚氨酯纤维为壳层，二维过渡金属碳/氮化物材料为导电层，制备了一种核壳结构的柔性相变储能传感材料，功能导电层为纺丝后利用喷涂技术与纤维复合，因此制备过程较为复杂。专利cn114908476a公开了一种快速调控人体温度具有皮芯结构的相变调温纤维膜及其制备方法，该技术以复配peg为相变核层，聚丙烯腈与纳米导热填料共混物作为壳层，通过同轴静电纺丝得到具有皮芯结构的复合纤维膜。该专利添加的填料仅具有增强导热的功能，无法凭借自身功能性协同相变材料进行有效控温。

4、因此，通过同轴静电纺丝法制得封装性能良好核壳相变复合纤维，使之在电子器件的调温控温方面得到良好的应用，具有一定的研究价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是制得具有热存储和红外屏蔽功能，封装性能良好的核壳纤维结构相变复合材料。

2、本发明通过以下技术方案实现该目的：

3、本发明提供了一种具有红外屏蔽的核壳相变复合纤维材料的制备方法，包括以下步骤:

4、步骤1，核层纺丝液的配制：将核层相变材料溶于有机溶剂中，室温下磁力搅拌2～5h，得到质量浓度为30～60wt％的均匀核层纺丝液；

5、步骤2，壳层纺丝液的配制：将壳层聚合物材料溶于有机溶剂中配制质量浓度为10～26wt％的溶液，室温下磁力搅拌4～8h至分散均匀，得到均匀的壳层纺丝液；

6、步骤3，纳米颗粒溶液的配制：将功能性纳米颗粒溶于溶剂配制质量浓度为3～8wt％的溶液，超声20～60min；

7、步骤4，同轴静电纺丝制备相变复合纤维：将步骤1、2、3中配制的纺丝液装入注射器，固定在静电纺丝机上，并采用1:1～1:3的核壳流速比、15～20kv加速电压进行同轴静电纺丝；纳米颗粒溶液采用速率为0.4ml/h～2ml/h、10～20kv电压进行静电喷雾；使用贴敷铝箔纸的滚筒接收纤维样品，接收装置转速200rpm，接收距离15cm；将接收的复合纤维膜在40℃真空烘箱中干燥3～5h，得到具有红外屏蔽协同相变调温的相变复合纤维。

8、进一步，所述步骤1中的相变材料选用石蜡、分子量范围1000～4000的单一或复配peg、分子量范围1500～4000的聚乙二醇单甲醚中的任一种。

9、进一步，所述步骤1中的有机溶剂选用1,2-二氯乙烷或二氯甲烷。

10、进一步，其特征在于，所述步骤2中的壳层聚合物材料为分子量范围18000～25000的聚酰胺6(pa6)、分子量范围17000～25000的聚酰胺66(pa66)、聚丙烯腈中的任一种。

11、进一步，所述步骤2中的有机溶剂选用甲酸、苯酚、n,n-二甲基甲酰胺中的任一种。

12、进一步，所述步骤3中的纳米颗粒选用铯钨青铜、氧化铟锡、硫化铜中的任一种。

13、进一步，所述步骤3中的溶剂为乙醇或盐酸。

14、进一步，所述步骤4中的核层纺丝液流速设置为0.1～0.2ml/h，壳层纺丝液流速为0.1～0.6ml/h。

15、本发明还提供了一种具有红外屏蔽的核壳相变复合纤维材料，采用上述的制备方法制备。

16、本发明还提供了一种具有红外屏蔽的核壳相变复合纤维材料的应用，将该复合纤维材料应用于电池或电子器件的控温。

17、相对于现有技术，本发明具有的有益效果为：

18、1、制备工艺简便：本发明通过一步法得到复合纤维，所用原材料来源广泛，溶液配制简单，便于操作。本发明制备的相变纤维表面光滑、纤维间无交联和粘结现象，解决了颗粒在壳层溶液中难以分散的问题，且颗粒在纤维表面分布均匀。

19、2、封装性能好及热稳定性良好：本发明的复合核壳纤维样品的熔融焓值高；经过多次热循环后经过扫描电子显微镜观察，未发现明显泄露，保持原有较高焓值。

20、3、力学性能较好：本发明所选的壳层支撑材料具有较高的拉伸强度及疲劳强度，良好的冲击韧性、弹性和耐磨性。且加入纳米颗粒导致纤维间摩擦力增大，增强了纤维膜的拉伸性能。

21、综上所述，本发明制备的复合纳米纤维是以peg作为核层相变材料，使用聚酰胺类作为壳层支撑材料，添加具有近红外屏蔽的功能性纳米颗粒，使用同轴静电纺丝及静电喷雾技术制备稳定封装纳米尺度核壳结构相变纤维。本发明采用同轴静电纺丝技术制备的相变纤维封装性能好，表面光滑、纤维间无交联和粘结现象；壳层支撑材料具有较高的拉伸强度、良好弹性和耐磨性，为复合纤维提供了良好的力学性能；核层的pcm可通过固相-液相的相转变进行能量的储存-释放，从而实现对温度的调节，加强对太阳能及时差热能的高效利用。通过添加功能性纳米颗粒，提高纤维导热能力，并有效屏蔽太阳光中的近红外光，降低热量输入，协同相变材料进行有效控温。本发明提供的核壳相变复合纤维的制备工艺简单，具有良好的封装性能和调温控温能力。

技术特征：

1.一种具有红外屏蔽的核壳相变复合纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的相变材料选用石蜡、分子量范围1000～4000的单一或复配聚乙二醇、分子量范围1500～4000的聚乙二醇单甲醚中的任一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的有机溶剂选用1,2-二氯乙烷或二氯甲烷。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的壳层聚合物材料为分子量范围18000～25000的聚酰胺6、分子量范围17000～25000的聚酰胺66、聚丙烯腈中的任一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的有机溶剂选用甲酸、苯酚、n,n-二甲基甲酰胺中的任一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的纳米颗粒选用铯钨青铜、氧化铟锡、硫化铜中的任一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的溶剂为乙醇或盐酸。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的核层纺丝液流速设置为0.1～0.2ml/h，壳层纺丝液流速为0.1～0.6ml/h。

9.一种具有红外屏蔽的核壳相变复合纤维材料，其特征在于，采用权利要求1～8所述的制备方法制备。

10.一种如权利要求9所述的复合纤维材料应用，其特征在于，该复合纤维材料应用于电池或电子器件的控温。

技术总结本发明公开了一种具有红外屏蔽的核壳相变复合纤维材料及其制备方法，包括以下步骤:步骤1，配制核层纺丝液：将核层相变材料溶于有机溶剂中，室温下磁力搅拌，得到均匀的核层纺丝液；步骤2，配制壳层纺丝液：将壳层聚合物材料溶于有机溶剂中，室温下磁力搅拌至分散均匀，得到均匀的壳层纺丝液；步骤3，配制纳米颗粒溶液：将功能性纳米颗粒溶于溶剂并进行超声处理；步骤4，同轴静电纺丝制备相变复合纤维：将步骤1、2、3中配制的纺丝液装入注射器，固定在静电纺丝机上，并采用1:1～1:3的核壳流速比进行同轴静电纺丝，纳米颗粒溶液用于静电喷雾，使用贴敷铝箔纸的滚筒接收纤维样品，将样品干燥得到具有红外屏蔽协同相变调温的相变复合纤维。技术研发人员：李婧,侯梦莉,廖晨光,刘洪丽,李攀,汝新烨受保护的技术使用者：天津城建大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12