一种高强度耐磨纱线材料及其制备方法与流程

本发明属于纺织生产，具体涉及一种高强度耐磨纱线材料及其制备方法。

背景技术：

1、在纺织领域，纱线的性能直接影响到织物的应用范围和耐用性。天然纤维如棉和羊毛，因其良好的舒适性和吸湿性，长久以来被广泛应用于各种纺织品中。然而，尽管天然纤维在某些属性上表现出色，它们在强度和耐磨性方面往往无法满足特定高强度应用的需求，如户外装备、特种服装和工业用途等。

2、随着技术进步，合成纤维如尼龙、聚酯、芳纶和超高分子量聚乙烯的开发，极大地扩展了纱线材料的性能边界。这些合成纤维因其卓越的机械性能和耐磨性，成为高性能纱线生产的首选材料，特别是在要求极高耐用性和强度的应用中。

3、不过，尽管合成纤维提供了比天然纤维更高的性能，它们在面对极端条件时仍显示出性能上的局限。例如，芳纶虽然强度高，但其耐光性和耐化学品性较差，限制了其在某些环境下的使用。同样，虽然超高分子量聚乙烯的耐磨性和强度极高，但其高加工成本和对温度的敏感性也限制了其应用范围。此外，当前市场上的纱线产品往往无法同时满足高强度、耐磨性以及特定功能性的综合需求。

4、基于上述问题，开发一种既具有高强度和耐磨性，又能适应极端环境并满足特殊功能需求的新型纱线材料，成为纺织科技领域迫切需要解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明公开了一种高强度耐磨纱线材料及其制备方法，通过选择热敏感性能优异的相变材料（pcm）石蜡，并利用环氧偶联剂对基础纱线材料进行表面改性增强其与石蜡的相容性，然后将官能化耐磨微粒嵌入经微胶囊技术包裹的石蜡中，最后利用混纺技术将功能化石蜡微胶囊与改性纱线结合，形成既具有协同温度调节功能又增强耐磨性的复合纱线。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强度耐磨纱线材料，由相变材料石蜡、聚酯复合纤维、碳纳米管组成。

3、一种高强度耐磨纱线材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：纱线材料的表面改性：利用环氧偶联剂对聚酯复合纤维进行表面改性；

5、s2：耐磨颗粒的官能化处理：利用硅烷偶联剂对碳纳米管微粒表面修饰；

6、s3：相变材料的功能化处理：将官能化耐磨微粒嵌入经微胶囊技术包裹的相变材料中；

7、s4：复合纱线材料的结合：通过混纺技术将功能化石蜡微胶囊与改性纱线材料结合。

8、优选地，步骤s1中所述纱线材料的表面改性包括以下步骤：

9、a1：将2wt%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到乙醇和去离子水混合比例为1:1的混合溶液a中，500rpm搅拌15～20min，获得混合溶液b；

10、a2：将步骤a1中获得的棉/聚酯复合纤维加入到乙醇和去离子水混合比例为1:1的混合溶液c中，300w超声处理20～30min，获得预处理棉/聚酯复合纤维；

11、a3：将步骤a2中获得的预处理棉/聚酯复合纤维浸泡在混合溶液b中2h后，水浴加热提升温度至80℃，200rpm搅拌反应45～60min，反应完成后5000rpm离心6～10min，用乙醇和去离子水以1:1比例混合的溶液进行洗涤，60℃烘箱中干燥12～18h，获得改性聚酯复合纤维。

12、优选地，步骤a1中所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷与混合溶液a的体积之比为1～1.5:50；步骤a2中所述棉/聚酯复合纤维是由5%的棉和95%的聚酯纤维复合制备获得，所述聚酯纤维特性黏数为0.64；所述棉/聚酯复合纤维与混合溶液c的用量之比为1g:20ml；步骤a3中所述预处理棉/聚酯复合纤维与混合溶液b的用量之比为1g:10～20ml。

13、优选地，步骤s2中所述耐磨颗粒的官能化处理包括以下步骤：

14、b1：将多壁碳纳米管加入去离子水中，完全浸没，300w超声处理30min，6000rpm离5min，过滤，取沉淀物，去离子水洗涤，获得预处理多壁碳纳米管，将预处理多壁碳纳米管加入13倍质量体积的酸性溶液中，在室温下静置6～10h，过滤，去离子水洗涤直至ph为中性，50℃真空干燥12h后，放入加热炉中，1～10ml/min充入惰性气体，以10℃/min的速度逐渐升温至300～500℃，反应1～2h，自然冷却至室温，获得预处理碳纳米管；

15、b2：将3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入无水乙醇中，混合均匀，获得混合溶液d；将步骤b1中制备获得的预处理碳纳米管加入混合溶液d中，120w超声处理30～60min，室温下静置反应12～24h，去离子水洗涤，50℃真空干燥12h，获得官能化碳纳米管。

16、优选地，步骤b1中所述酸性溶液是由68%的浓硝酸和20%的浓盐酸以2.5:1的体积比例混合而成；所述惰性气体是氩气、氦气中的一种，优选为同体积氩气和氦气的混合物；

17、优选地，步骤b2中所述3-氨基丙基三乙氧基硅烷用量为无水乙醇的1～5%；所述预处理碳纳米管和混合溶液d的用量之比为0.01g:1ml。

18、优选地，步骤s3中所述相变材料的功能化处理包括以下步骤：

19、c1：将石蜡加热至50℃，加入聚乙二醇、聚乙二醇辛基苯基醚和去离子水，1000～1800rpm高速搅拌乳化反应30min，获得乳化混合液；

20、c2：向步骤c1中获得的乳化混合液中依次加入步骤b2中制备获得的官能化碳纳米管、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、乙二醇二甲基丙烯酸酯和2,2'-偶氮二异丁腈，提升温度至80℃，提高转速至1200～1500rpm搅拌反应3h，反应完成后，70℃热水洗涤，10000rpm离心5～8min，过滤，获得微胶囊化石蜡。

21、优选地，步骤c1中所述聚乙二醇的分子量为1000，所述石蜡、聚乙二醇和去离子水的用量之比为5～10g:1g:15～30ml；所述聚乙二醇辛基苯基醚的用量为去离子水体积的0.1～1%；步骤c2中所述官能化碳纳米管加入后，需先以1200rpm转速搅拌30～60min后再添加其他化合物；所述官能化碳纳米管的用量为石蜡的1～2%；所述甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、乙二醇二甲基丙烯酸酯、2,2'-偶氮二异丁腈和石蜡的用量之比为2ml:2.5ml:0.01～0.05ml:0.005～0.01g:1g。

22、优选地，步骤s4中所述复合纱线材料的结合包括以下步骤：

23、d1：将步骤a1中制备获得的改性聚酯复合纤维与步骤c1中制备获得的微胶囊化石蜡混合，使用混合器在600～800rpm转速下15～30min进行均匀混合，然后在室温条件下，利用环锭纺，控制转速12000～15000rpm处理，获得混纺纱线；

24、d2：将步骤d1中获得的混纺纱线利用吐温-80在30℃的水中洗涤，时间10～20min，再利用聚乙二醇处理15～30min，控制温度50℃热定型1～2min，获得复合纱线材料。

25、优选地，步骤d1中所述改性聚酯复合纤维与微胶囊化石蜡用量之比为1:0.05～0.3；步骤d2中所述吐温-80的用量为改性聚酯复合纤维的1.5～2%；所述聚乙二醇的用量为改性聚酯复合纤维的1～2%；所述聚乙二醇的处理方式为溶于100倍质量体积乙醇中进行喷涂。

26、本发明的有益效果如下：

27、本发明通过使用环氧偶联剂对基础纱线材料(聚酯复合纤维)进行表面改性，增强了相变材料石蜡与聚酯复合纤维基材的相容性；这种改性不仅有助于微胶囊化的相变材料石蜡与聚酯复合纤维更紧密地结合，而且保证了石蜡的稳定性和长效性能。将官能化耐磨微粒(碳纳米管)嵌入经微胶囊技术包裹的石蜡中，有效保护了石蜡，延长了使用周期，同时通过微胶囊的外壳提供额外耐磨层，耐磨微粒可以直接作用于接触面，减少磨损，同时保持石蜡的功能不受影响，利用混纺技术将功能化石蜡微胶囊与改性聚酯复合纤维结合，形成一种多层复合结构，混纺技术可以有效确保石蜡微胶囊均匀分布于聚酯复合纤维中，进而使温度调节功能更加有效和持久；具体而言，混纺技术不仅提高了聚酯复合纤维的耐磨性，还保护了石蜡微胶囊不易在日常使用中损坏。

28、环氧偶联剂改性的聚酯复合纤维通过提高与石蜡的相容性，保持了复合材料在温度变化下的性能稳定性；此外，官能化的碳纳米管在相变过程中的高热导率不仅提高了耐磨性，也促进了热量的快速分布，有助于石蜡的热稳定性。微胶囊化的石蜡，通过微胶囊技术包裹，保护石蜡免受物理损伤，维持其在不同温度条件下的稳定性和相变能力。

29、相变材料石蜡通过在特定温度下发生相变(吸收或释放热量)来调节周围环境的温度，为纱线提供了一种动态的温度管理能力；耐磨微粒的添加提高了石蜡的机械强度，同时也提高了纱线的耐磨性；当纱线在使用过程中经历温度变化时，石蜡的相变过程可以提供能量吸收和释放机制，基于材料在热膨胀或收缩时能够更好地分散应力，减少局部应力集中，进而有助于减少机械磨损。

30、碳纳米管具有极高的热导率，可以促进热量在复合材料内的快速传递。在相变材料石蜡吸收或释放热量时，碳纳米管可以作为热桥，帮助热量更均匀地分布于材料中，这有助于提高热管理效率，使石蜡的相变过程更加迅速和均匀，从而更有效地调节温度。在材料经历热膨胀或收缩时，碳纳米管的引入可以改善材料的应力分布；由于碳纳米管的高强度和模量，它们可以在材料内部形成一个坚固的支撑网络，帮助分散由于温度变化引起的应力，减少局部应力集中，这种改善的应力分布有助于减少因热膨胀差异导致的内部裂纹和损伤，进而提高材料的耐磨性和耐久性。