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一种热致变色纤维、其制备和应用

申请号 CN201910440622.9 申请日 2019-05-24 公开(公告)号 CN110205705A 公开(公告)日 2019-09-06
申请人 华中科技大学; 发明人 陶光明; 李攀; 董英琴; 吴嘉威;
摘要 本 发明 属于功能 纤维 领域,更具体地,涉及一种热致变色纤维、其制备和应用。该热致变色纤维为具有芯包结构的纤维,所述芯包结构的芯层为热致变色层,包层为保护层,所述包层位于所述芯层的外部;所述热致变色层通过采用热 软化 拉丝 法制备得到,具体为:先获得该热致变色层的预制棒,然后对该预制棒进行热软化拉丝获得所述热致变色层纤维;所述热软化拉丝为光纤制备工艺中采用的热软化拉丝方法。拉丝工艺相对于现有的热致变色纤维制备方法,热致变色材料及 聚合物 基材选择范围广,结构设计多样化:可以设计不同截面结构纤维,且可以准确控制不同热致变色材料在纤维中的分布,生产效率高,适合规模化生产。
权利要求

1.一种热致变色纤维的制备方法,其特征在于,该热致变色纤维为具有芯包结构的纤维,所述芯包结构的芯层为热致变色层,包层为保护层,所述包层位于所述芯层的外部;
所述热致变色层通过采用热软化拉丝法制备得到,具体为:
先获得该热致变色层的预制棒,然后对该预制棒进行热软化拉丝获得所述热致变色层纤维。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述热致变色层采用的材料包含第一聚合物材料掺杂热致变色材料得到的聚合物基复合材料;所述热致变色材料为一种或多种能够随温度改变而发生颜色变化的有机或无机材料;
所述保护层采用的材料包含第二聚合物材料;
所述第一聚合物材料和第二聚合物材料为透明材料;所述第一聚合物材料和第二聚合物材料种类相同或不同。
3.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述包层通过与所述热致变色层实施热软化共拉丝获得,具体为:首先将所述热致变色层与所述保护层加工成具有芯包结构的预制棒,使得所述热致变色层作为芯层,所述保护层作为包层;然后通过热软化共拉丝制得具有芯包结构的热致变色纤维。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将热致变色材料和第一聚合物材料复合,得到热致变色复合材料;
(2)将步骤(1)得到的热致变色复合材料与第二聚合物材料复合,并加工成型,使得所述热致变色复合材料位于芯层,所述第二聚合物材料位于所述芯层的包层,得到芯包结构预制棒;
(3)对步骤(2)得到的芯包结构预制棒进行热软化共拉丝,得到所述热致变色纤维。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,通过热软化拉丝获得所述热致变色层后,在所述热致变色层的外部涂覆所述包层材料,得到所述具有芯包结构的热致变色纤维。
6.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述涂覆为采用光纤制备工艺中的涂覆工艺对热软化拉丝得到的热致变色层纤维进行保护层材料的涂覆,具体为:
将所述保护层采用的第二聚合物材料置于涂覆装置中,将热软化拉丝得到的热致变色层纤维穿过所述涂覆装置后获得表面涂覆有第二聚合物材料的热致变色层纤维,固化后得到所述具有芯包结构的热致变色纤维。
7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将热致变色材料和第一聚合物材料复合,得到热致变色复合材料;
(2)将步骤(1)得到的热致变色复合材料作为预制棒进行热软化拉丝,得到热致变色层纤维;
(3)将步骤(2)热软化拉丝得到的热致变色层纤维在保持拉丝张的条件下,穿过盛有流体状第二复合材料的涂覆装置中,获得表面涂覆有保护层材料的热致变色层纤维,固化后得到所述具有芯包结构的热致变色纤维。
8.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,通过热软化拉丝获得所述热致变色层后,在所述热致变色层的外部通过磁控溅射法、刷涂或喷涂涂覆所述包层材料。
9.如权利要求1至8任一项所述的制备方法制备得到的热致变色纤维。
10.如权利要求9所述的热致变色纤维的应用,其特征在于,用于制备变色织物。

说明书全文

一种热致变色纤维、其制备和应用

技术领域

[0001] 本发明属于功能纤维领域,更具体地,涉及一种热致变色纤维、其制备和应用。

背景技术

[0002] 人们对于材料功能化、智能化程度要求也越来越高,纺织服装功能向需求的市场逐渐扩大,可控变色智能织物已成为各国学者们探索和研究的热领域。除了美观,智能变色服装同传感器件相结合还能达到情感表达、健康监测等目的。变色纤维是智能变色织物的基础,这种材料的颜色在受到外界光、热、湿、电等刺激的情况下会发生改变。变色纤维最早起源于美国,为满足美军对作战服的要求开发了一种光致变色纤维。随后热致变色、电致变色、湿致变色、压致变色等机制的变色纤维也得到了不断的发展。其中热致变色纤维因为材料成本低,制备工艺相对简单且安全程度较高而受到广大科研工作者的青睐,也更容易为投资者和消费者所接受。
[0003] 在中国发明专利CN105862169中公开了一种热致变色纤维采用溶液纺丝法制备可热致变色的纶纤维,该方法较简单,但是由于在纤维中直接加入热敏变色染料,纤维着色性不强,并且溶液纺丝法制备出的纤维学性能不佳,结构很难控制。
[0004] 在中国发明专利CN109505061中公开了一种热敏变色纤维纳米膜的制备方法,该纤维膜是通过将热敏变色微胶囊加入由聚乙烯醇与性聚氨酯制备而成的纺丝原液中采用静电纺丝技术将制备而成,这种方法制备的纤维以薄膜形态存在,不可直接用于纺织,并且以这种方法制备热致变色纤维原材料选用受限。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种热致变色纤维、其制备和应用,其通过采用光纤制备工艺中的热软化拉丝方法获得具有芯包结构热致变色纤维的芯层,由此解决现有技术制备热致变色纤维结构单一、制备成本高、原材料选择范围有限且生产速度慢等的技术问题的技术问题。
[0006] 为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种热致变色纤维的制备方法,该热致变色纤维为具有芯包结构的纤维,所述芯包结构的芯层为热致变色层,包层为保护层,所述包层位于所述芯层的外部;
[0007] 所述热致变色层通过采用热软化拉丝法制备得到,具体为:
[0008] 先获得该热致变色层的预制棒,然后对该预制棒进行热软化拉丝获得所述热致变色层纤维。
[0009] 优选地,所述热致变色层采用的材料包含第一聚合物材料掺杂热致变色材料得到的聚合物基复合材料;所述热致变色材料为一种或多种能够随温度改变而发生颜色变化的有机或无机材料;
[0010] 所述保护层采用的材料包含第二聚合物材料;
[0011] 所述第一聚合物材料和第二聚合物材料为透明材料;所述第一聚合物材料和第二聚合物材料种类相同或不同。
[0012] 优选地,所述包层通过与所述热致变色层实施热软化共拉丝获得,具体为:首先将所述热致变色层与所述保护层加工成具有芯包结构的预制棒,使得所述热致变色层作为芯层,所述保护层作为包层;然后通过热软化共拉丝制得具有芯包结构的热致变色纤维。
[0013] 优选地,所述第一聚合物材料和第二聚合物材料为透明热塑性材料;所述第一聚合物材料和第二聚合物材料能够同时进行热软化拉丝;且其拉丝温度均低于所述热致变色材料的耐受温度。
[0014] 优选地,所述的制备方法,包括如下步骤:
[0015] (1)将热致变色材料和第一聚合物材料复合,得到热致变色复合材料;
[0016] (2)将步骤(1)得到的热致变色复合材料与第二聚合物材料复合,并加工成型,使得所述热致变色复合材料位于芯层,所述第二聚合物材料位于所述芯层的包层,得到芯包结构预制棒;
[0017] (3)对步骤(2)得到的芯包结构预制棒进行热软化共拉丝,得到所述热致变色纤维。
[0018] 优选地,通过热软化拉丝获得所述热致变色层后,在所述热致变色层的外部涂覆所述包层材料,得到所述具有芯包结构的热致变色纤维。
[0019] 优选地,所述涂覆为采用光纤制备工艺中的涂覆工艺对热软化拉丝得到的热致变色层纤维进行保护层材料的涂覆,具体为:
[0020] 将所述保护层采用的第二聚合物材料置于涂覆装置中,将热软化拉丝得到的热致变色层纤维穿过所述涂覆装置后获得表面涂覆有第二聚合物材料的热致变色层纤维,固化后得到所述具有芯包结构的热致变色纤维。
[0021] 优选地,所述的制备方法,包括如下步骤:
[0022] (1)将热致变色材料和第一聚合物材料复合,得到热致变色复合材料;
[0023] (2)将步骤(1)得到的热致变色复合材料作为预制棒进行热软化拉丝,得到热致变色层纤维;
[0024] (3)将步骤(2)热软化拉丝得到的热致变色层纤维在保持拉丝张力的条件下,穿过盛有流体状第二复合材料的涂覆装置中,获得表面涂覆有保护层材料的热致变色层纤维,固化后得到所述具有芯包结构的热致变色纤维
[0025] 优选地,通过热软化拉丝获得所述热致变色层后,在所述热致变色层的外部通过磁控溅射法、刷涂或喷涂涂覆所述包层材料。
[0026] 按照本发明的另一个方面,提供了一种所述的制备方法制备得到的热致变色纤维。
[0027] 按照本发明的另一个方面,提供了一种所述的热致变色纤维的应用,其特征在于,用于制备变色织物。
[0028] 总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
[0029] (1)本发明提供了一种热致变色纤维的热软化拉丝制备方法,其采用光纤制备中成熟的拉丝工艺对该具有芯包结构的热致变色纤维的芯层进行热软化拉丝制得。拉丝工艺相对于现有的热致变色纤维制备方法,热致变色材料及聚合物基材选择范围广,结构设计多样化:可以设计不同截面结构纤维,且可以准确控制不同热致变色材料在纤维中的分布,生产效率高,适合规模化生产。
[0030] (2)本发明提供的热致变色纤维具有芯包结构,包层作为保护层可以很好地保护芯层的热致变色层材料保持变色特性,包层可以和芯层制成芯包结构预制棒,然后通过热软化拉丝制得,此时包层和芯层选择的聚合物材料均为透明热塑性材料,熔点相同或相近,且低于所述热致变色材料的耐受温度。本发明通过选择合适的聚合物材料分别作为该热致变色纤维的芯层和包层材料,并在芯层中掺杂热致变色材料,结合热软化拉丝工艺获得该全新的结构设计能够很好的确保芯层热致变色材料使用过程中的循环稳定性
[0031] (3)本发明提供的热致变色纤维的包层结构也可以通过在热软化拉丝制得其芯层的热致变色层纤维后,在该纤维表面通过各种涂覆工艺制备得到。比如可以通过采用光纤制备中采用的涂覆工艺,将热致变色层拉丝纤维穿过盛有包层材料的涂覆杯中,使得流体状包层材料涂覆在热致变色层纤维表面,固化后得到本发明的具有芯包结构的热致变色纤维;当然也可在获得热致变色层纤维后,通过其他涂覆工艺,比如喷涂、刷涂、磁控溅射或其他涂覆沉积工艺获得。采用涂覆方法在热至变色层纤维表面制备包层结构时,包层采用的聚合物材料选择范围较大,包括绝大多数的透明聚合物材料。
[0032] (4)现有技术的变色纤维一般不具有包层即保护层,本发明得到的变色纤维纤芯热致变色复合材料被包层聚合物材料包裹保护,表面光滑度高,并且具有一定的稳定性、耐摩擦性及耐洗色牢度,适宜被应用于可穿戴织物中。
[0033] (5)本发明得到的热致变色纤维根据使用热致变色材料的选择,可以实现任意颜色的变化,具有良好的柔韧性以及循环稳定性。
[0034] (6)本发明制备的热致变色纤维截面可以为圆形、三形、矩形等任意几何形状,且尺度在微、毫米级精确可调,具有结构可控的特点;另外,芯层和包层的尺寸比例在较大范围内可调,能够满足热致变色纤维的需求。
[0035] (7)本发明通过将热致变色材料和聚合物材料混合制备结构化多材料预制棒,并通过热拉制的方法制备出具有皮芯结构的热致变色纤维,由此解决现有技术制备热致变色纤维结构单一、制备成本高、原材料有限且生产速度慢等的技术问题。结合现有成熟的纤维拉丝工艺制备该热致变色纤维,制备方法简单,条件温和,材料及制备成本低,结合现有成熟的纤维拉丝工艺,可以通过调整预制棒的尺寸来获得超长连续的热致变色纤维,生产效率远高于现有的热致变色纤维的制备工艺,适合规模化生产。
[0036] (8)本发明得到的变色纤维具有可纺织性能,可采用传统制造方法用于面料加工,进行变色织物的批量化生产,容易投入工业化生产及应用;聚合物基底材料具有可纺织性能与某些传统的可纺织材料种类相同,可以兼容传统的纺织工艺和设备。
[0037] (9)本发明的热致变色纤维为智能织物提供了基础,在军事伪装、时尚行业以及智能可穿戴等领域展现出巨大的应用前景和价值。附图说明
[0038] 图1是本发明的实施例制备的横截面为圆形结构的热致变色纤维示意图,其中1为圆形结构的热致变色纤维的芯层,2为圆形结构的热致变色纤维的包层。
[0039] 图2是本发明的实施例提供的热压机热压原理示意图,其中3为热压材料,4为加热板,5为模具。
[0040] 图3是本发明的实施例采用薄膜卷绕法制备皮芯结构预制棒结构示意图,其中6为薄膜卷绕法得到的热致变色微胶囊/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料,7为聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
[0041] 图4是本发明的实施例采用套管法制备皮芯结构预制棒结构示意图,其中8为聚甲基丙烯酸甲酯实心棒,9为中心孔,10为套管法采用的热致变色微胶囊/聚甲基丙烯酸甲酯实心棒。
[0042] 图5是本发明制备热致变色纤维的装置示意图,其中11为预制棒夹,12为预制棒,13为加热炉,14为激光测径仪,15为牵引装置,16为绕线装置。
[0043] 图6是基于本发明制备的热致变色材料的热致变色织物变色原理图,其中17为热致变色纤维,18为普通织物纤维。
[0044] 图7是本发明的实施例制备的方形结构的热致变色纤维示意图,其中19为方形结构的热致变色纤维的芯层,20为方形结构的热致变色纤维的包层。
[0045] 图8为本发明实施例涂覆法制备热致变色纤维包层的装置示意图,其中21为涂覆杯,22为紫外固化炉。

具体实施方式

[0046] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0047] 本发明提供的一种热致变色纤维的制备方法,该热致变色纤维为具有芯包结构的纤维,所述芯包结构的芯层为热致变色层,包层为保护层,所述包层位于所述芯层的外部;所述热致变色层通过采用热软化拉丝法制备得到,具体为:先获得该热致变色层的预制棒,然后对该预制棒进行热软化拉丝获得所述热致变色层纤维;所述热软化拉丝为光纤制备工艺中采用的热软化拉丝方法。将所述热致变色层的预制棒加热软化后拉制成直径符合要求的细小热致变色层纤维。
[0048] 一些实施例中,所述热致变色层采用的材料包含第一聚合物材料掺杂热致变色材料得到的聚合物基复合材料;所述热致变色材料为一种或多种能够随温度改变而发生颜色变化的有机或无机材料;
[0049] 所述保护层采用的材料包含第二聚合物材料;
[0050] 所述第一聚合物材料和第二聚合物材料为透明材料;所述第一聚合物材料和第二聚合物材料种类相同或不同。
[0051] 一些实施例中,所述包层通过与所述热致变色层实施热软化共拉丝获得,具体为:首先将所述热致变色层与所述保护层加工成具有芯包结构的预制棒,使得所述热致变色层作为芯层,所述保护层作为包层;然后通过热软化共拉丝制得具有芯包结构的热致变色纤维。
[0052] 将芯层和包层采用热软化共拉丝制备时,所述第一聚合物材料和第二聚合物材料为透明热塑性材料;所述第一聚合物材料和第二聚合物材料能够同时进行热软化拉丝;且其拉丝温度均低于所述热致变色材料的耐受温度。
[0053] 本发明提供的具有芯包结构的热致变色纤维,其结构类似于光纤的纤芯和包层结构。
[0054] 本发明提供的热致变色纤维,为了确保热致变色层受热颜色变化能够显现出来,其芯层和包层采用的聚合物材料均为高透明聚合物材料。一些实施例中,所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料透明度不低于75%。
[0055] 一些实施例中,包层通过与所述热致变色层实施热软化共拉丝获得时,热致变色纤维材料的热致变色层和保护层采用的聚合物材料均为热塑性聚合物材料,能够同时在特种光纤拉丝设备上进行热软化拉丝。为了确保二者能够同时进行拉制成形,本发明第一聚合物材料和第二聚合物材料的熔点相同或相近。一些实施例中,所述第一聚合物材料和第二聚合物材料的熔点之差不超过50℃。
[0056] 热致变色层中热致变色材料的掺杂量可根据选择的第一聚合物、第二聚合物以及热致变色材料的种类而进行选择,一般而言,掺杂的热致变色材料含量越高,变色效果越明显;但是掺杂含量太高会影响拉丝质量,甚至不能进行拉丝。一些实施例中,所述热致变色层中掺杂的热致变色材料占所述热致变色层总质量的30%以内。
[0057] 本发明采用的热致变色材料可以为各种传统的颜色能够随温度改变而发生变化的有机或无机材料热致变色材料。该热致变色材料可以为单一或复合热致变色材料,包括但不限于具有不同响应温度的不同种类的热致变色材料,和/或具有相同响应温度,但同时具有不同响应颜色的不同种类热致变色材料。
[0058] 为了更好的保护热致变色材料在使用中不容易被破坏,一些优选实施例中,所述热致变色材料为微胶囊结构热致变色材料。
[0059] 本发明提供的热致变色纤维的芯层横截面形状可以根据需要设计成任意几何形状,包括但不限于圆形、方形、三角形、锯齿形等;包层包裹在该芯层外表面,二者结合形成的热致变色纤维的整体横截面结构可以根据需要设计成任意几何形状,同样包括但不限于圆形、方形、三角形、锯齿形等。
[0060] 本发明提供的热致变色纤维其截面尺寸可以根据需要自行选择和设置。一些实施例中,对于截面为圆形的芯层,其芯层直径和包层厚度的比值在1:10-10:1之间,优选实施例中,该比值为1:1-10:1之间。
[0061] 一些实施例中,本发明热致变色纤维的截面尺寸为0.05-2.5mm。
[0062] 一些优选实施例中,采用共拉丝工艺制备本发明芯包结构的热致变色纤维时,本发明所述的第一聚合物材料或第二聚合物材料为透明热塑性聚合物,包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯类共聚物(COC塑料)、聚苯乙烯(PS)、聚酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、ABS(丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物)等,以及由这些材料组成的共混物。所述热致变色材料为包裹有机材料(如结晶紫内酯、双蒽类、三芳甲烷类等)的微胶囊或包裹热致变色液晶(胆甾型液晶等)微胶囊。
[0063] 本发明提供的热致变色纤维还可以在所述热致变色层中根据需求添加功能材料,比如一些实施例中,所述热致变色层掺杂有热稳定剂、增塑剂、抗静电剂和抗紫外剂中的一种或多种。
[0064] 一些实施例中,采用热软化共拉丝制备芯层和包层时,具体制备方法包括如下步骤:
[0065] (1)将热致变色材料和第一聚合物材料复合,得到热致变色复合材料;
[0066] (2)将步骤(1)得到的热致变色复合材料与第二聚合物材料复合,并加工成型,使得所述热致变色复合材料位于芯层,所述第二聚合物材料位于所述芯层的包层,得到芯包结构预制棒;
[0067] (3)对步骤(2)得到的芯包结构预制棒进行热软化共拉丝,得到所述热致变色纤维。
[0068] 一些实施例中,步骤(1)采用溶液共混法或机械混合法进行热致变色复合材料的制备。
[0069] 一些实施例中,采用溶液共混法制备所述热致变色复合材料,具体包括如下步骤:
[0070] (1-1)将第一聚合物材料与溶剂按照一定比例混合,搅拌作用下加热使所述第一聚合物材料溶解在所述溶剂中,得到第一聚合物材料的溶液;
[0071] (1-2)在所述第一聚合物材料的溶液中混入热致变色材料,得到复合材料混合溶液;
[0072] (1-3)将所述复合材料混合溶液中的溶剂去除,固化后得到热致变色复合材料。
[0073] 一些实施例中,步骤(1-1)中搅拌作用可以为磁力搅拌或超声混合搅拌。
[0074] 一些实施例中,步骤(1-3)采用热蒸发或加热抽真空方法去除所述溶剂。
[0075] 一些实施例中,采用机械混合法制备热致变色复合材料,具体可以为:将粉末状或颗粒状的第一聚合物材料和热致变色材料通过物理混合得到所述热致变色复合材料。
[0076] 一些实施例中,步骤(2)制备芯包复合预制棒的方法包括热压法、热软化挤压法等。
[0077] 一些优选实施例中,采用热压法制备所述芯包复合预制棒,具体包括如下步骤:
[0078] (2-1)将所述热致变色复合材料压成密实的具有特定尺寸及形态的实心棒,得到热致复合材料实心棒;
[0079] (2-2)将所述第二聚合物材料的薄膜卷绕于步骤(2-1)获得的热致变色复合材料实心棒外表面,然后通过热处理,使所述第二聚合物材料紧紧包裹并贴合在所述热致复合材料实心棒表面,得到所述芯包结构预制棒。
[0080] 一些实施例中,步骤(2-2)为:在以实心棒形态的第二聚合物材料的中心位置进行钻孔,孔径大小为所述热致变色复合材料实心棒的直径,然后将所述热致变色复合材料实心棒置于第二聚合物材料实心棒的中心孔中,并通过热处理得到所述芯包结构预制棒。可以通过直接购买实心棒形态的第二聚合物材料,也可以将颗粒状的第二聚合物材料加工成实心棒结构。
[0081] 一些实施例中,步骤(2-2)所述热处理用于使预制棒包层与芯层复合变色材料贴合紧密,具体热加工可以为管式炉加热或热压机热压方式。热加工温度略高于包层材料软化温度,比如高于所述包层材料软化温度20℃以内,且热加工时长不超过3小时。
[0082] 一些实施例中,步骤(2-1)具体为:将所述热致变色复合材料在模具中通过热压机在略高于所述复合材料的软化温度条件下热压成实心棒,比如高于软化温度20℃内进行热压,且该温度不会破坏所述热致变色材料的变色特性。优选实施例中,通过将所述热致变色复合材料磨碎成颗粒状再进行上述热压步骤。所述热致变色复合材料实心棒的横截面形状取决于所选模具的形状,一些实施例中,所述热致变色复合材料实心棒的其横截面尺寸可以为10mm-1000mm,长度可以在10-1000mm。
[0083] 一些实施例中,步骤(3)对所述预制棒进行热软化拉制时,拉丝炉的中心温度不能高于热致变色材料的耐受温度,拉丝炉的中心温度也即所选择的第一聚合物材料和第二聚合物材料的热软化温度,因此,第一聚合物材料和第二聚合物材料的热软化温度不高于所述热致变色材料的耐受温度。所述热致变色材料的耐受温度是指热致变色材料变色特性被破坏的临界温度
[0084] 一些优选实施例中,所述热致变色材料的耐受温度不超过400℃,所述第一聚合物材料和第二聚合物材料的热软化温度在90-400℃范围,所述拉丝炉的中心温度在90-400℃范围。
[0085] 步骤(3)对所述预制棒进行拉制时,其送棒速率及牵引速率等工艺参数可参考采用常规石英光纤的拉丝制备工艺。
[0086] 一些实施例中,步骤(3)中预制棒拉制时,拉丝张力控制在1-1000g以内。
[0087] 本发明第一聚合物材料和第二聚合物材料可以根据需要制成任意形状,比如颗粒状、薄膜状或实心棒状。或根据需要购买需要的形状。
[0088] 另一些实施例中,通过热软化拉丝获得所述热致变色层后,在所述热致变色层的外部涂覆所述包层材料,得到所述具有芯包结构的热致变色纤维。
[0089] 一些实施例中,所述涂覆为采用光纤制备工艺中的涂覆工艺对热软化拉丝得到的热致变色层纤维进行保护层材料的涂覆,具体为:
[0090] 将所述保护层采用的第二聚合物材料置于涂覆装置中,将热软化拉丝得到的热致变色层纤维穿过所述涂覆杯后获得表面涂覆有第二聚合物材料的热致变色层纤维,固化后得到所述具有芯包结构的热致变色纤维。
[0091] 一些实施例中,采用涂覆工艺在热软化拉丝制得的热致变色层纤维表面涂覆包层材料,具体包括如下步骤:
[0092] (1)将热致变色材料和第一聚合物材料复合,得到热致变色复合材料;
[0093] (2)将步骤(1)得到的热致变色复合材料作为预制棒进行热软化拉丝,得到热致变色层纤维;
[0094] (3)将步骤(2)热软化拉丝得到的热致变色纤维在保持拉丝张力的条件下,穿过盛有流体状第二复合材料的涂覆装置中,获得表面涂覆有保护层材料的热致变色层纤维,固化后得到所述具有芯包结构的热致变色纤维
[0095] 一些实施例中,上述涂覆工艺中采用的涂覆装置即为光纤拉制工艺中采用的涂覆杯,因此,本发明热致变色纤维的制备方法可以和现有成熟的光纤拉丝工艺设备很好的兼容。
[0096] 一些实施例中,通过热软化拉丝获得所述热致变色层后,在所述热致变色层的外部通过磁控溅射法、刷涂、喷涂或其他涂覆方法涂覆所述包层材料。
[0097] 在采用光纤拉丝工艺中的热软化拉丝结合涂覆工艺获得具有芯包结构的热致变色纤维时,所述第一聚合物材料的熔点只需低于所述热致变色材料的耐受温度即可,第二聚合物可以在室温下为流体状,通过常规固化方法比如紫外光照实现固化得到所述包层;或在涂覆杯中通过加热使其成为流体状,离开涂覆杯冷却至室温时固化或通过紫外固化等得到所述包层。
[0098] 采用光纤制备中的涂覆工艺进行该热致变色纤维的包层的制备时,可以根据需求设计涂覆杯底部的孔横截面形状和尺寸,从而获得相应截面形状和尺寸的热致变色纤维。该孔径相对于所述热致变色层纤维的截面直径越大,采用该方法获得的包层厚度越大。
[0099] 采用光纤拉丝结合涂覆工艺获得芯包结构的热致变色纤维时,所述第一聚合物材料可以为热塑性透明聚合物材料,第二聚合物材料可以为透明聚合物材料,也能够获得任意所需的截面形状和尺寸。
[0100] 一些实施例中,采用涂覆工艺制备芯包结构热致变色纤维的包层时,第一聚合物材料可以同芯包共拉丝工艺中采用的第一聚合物材料,比如可以为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯烃类共聚物(COC塑料)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、ABS(丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物)等,以及由这些材料组成的共混物。所述热致变色材料为包裹有机材料(如结晶紫内酯、双蒽酮类、三芳甲烷类等)的微胶囊或包裹热致变色液晶(胆甾型液晶等)微胶囊;第二聚合物材料选择范围更大,其为透明聚合物,比如可以为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、苯乙烯丙烯氰(AS)、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(MS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、尼龙等。
[0101] 本发明将通过对热致变色纤维的包层和芯层材料进行特别选择,配合热软化拉制的方法制备得到具有芯包结构的热致变色纤维的芯层,然后采用涂覆工艺获得其表面的包层结构,或芯包结构共拉丝制备,热软化拉制工艺工作效率高,可以快速得到任意长度、横截面尺寸和形状的热致变色纤维。且原材料选择范围广,制备成本大大降低。本发明制得的具有可控横截面结构、良好的柔韧性、变色性、循环稳定性以及可编织性的热致变色纤维,可制备出颜色可控变化的智能织物。该方法简单,成本低并且适合规模化生产。
[0102] 以下为实施例:
[0103] 实施例1
[0104] 在本发明实施例中,首先提供了一种的皮芯结构热致变色纤维,其具有一定的稳定性、耐摩擦及耐洗色牢度,适宜穿着,热变色温度为31℃。
[0105] 图1是本实施例制备的横截面为圆形结构的热致变色纤维示意图,其中1为热致变色纤维的芯层,2为包层。
[0106] 其中,该热致变色纤维变色层材料为热致变色微胶囊与聚甲基丙烯酸甲酯的复合材料,变色层直径为100μm,包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯,厚度为50μm。
[0107] 本发明实施例提供一种热致变色纤维方法包括:热致变色复合材料的制备、预制棒的制备与纤维热拉制。
[0108] 热致变色材料的制备方法包括以下步骤:(1)称取100g聚甲基丙烯酸甲酯,并量取200ml二甲基乙酰胺混合,并置于磁力搅拌器加热台上制作聚合物溶液,其中加热温度为
130℃;(2)加入8g热致变色温度为31℃(低温绿色,高温白色),直径小于10μm的热致变色微胶囊粉末并继续搅拌10min,再经过15min超声分散得热致变色微胶囊/聚甲基丙烯酸甲酯/二甲基乙酰氨混合溶液;(3)将所得混合溶液加入广口瓶中水浴加热,并使广口瓶密封连接真空抽真空蒸发二甲基乙酰氨溶剂,待溶液呈半凝固态取出放入真空干燥箱中干燥48h得热致变色微胶囊/甲基丙烯酸甲酯复合材料,真空干燥箱温度为70℃;(4)将干燥物料剪碎成粒径不大于10mm的热致变色复合材料颗粒与真空干燥箱中保存。
[0109] 预制棒的制备包括以下步骤(薄膜卷绕法):(1)将热致变色复合材料颗粒填入模具中,模具有直径为10mm长为180mm的半圆柱体凹槽,按照图2所示将模具放入热压机上下加热板之间,设置热压温度为120℃,热压压强为20MPa,将热致变色微胶囊/甲基丙烯酸甲酯复合材料热压成直径为10mm长为180mm的半圆柱体棒;(2)重复步骤(1)过程制备另外一根半圆柱体棒;(3)将上述步骤制得的两根半圆柱体分别放进两个模具中并将两个模具堆叠使两根半圆柱棒拼接成一根完整圆柱体,放入热压机中热压成复合材料圆柱实心棒;然后通过抛光打磨制成直径为6mm长为180mm的圆柱实心棒;(4)按图3所示使用甲基丙烯酸甲酯薄膜7卷绕上述所得的实心棒6至棒的直径达到12mm并将其放入管式炉中热固,热固温度为110℃,热固时间为1h,得到芯包结构预制棒。
[0110] 预制棒的制备包括以下步骤(套管法):(1)将热致变色复合材料颗粒填入模具中,模具有直径为10mm长为180mm的半圆柱体凹槽,如图2所示方式将模具放入热压机上下加热板之间,设置热压温度为120℃,热压压强为20MPa,将热致变色微胶囊/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料热压成直径为10mm长为180mm的半圆柱体棒;(2)重复步骤(1)过程制备另外一根半圆柱体棒;(3)将上述步骤制得的两根半圆柱体分别放进两个模具中并将两个模具堆叠使两根半圆柱棒拼接成一根完整圆柱体,放入热压机中热压成复合材料圆柱实心棒;然后通过抛光打磨制成直径为6mm长为180mm的圆柱实心棒;(4)依照前三个步骤,将模具尺寸换成直径为15mm长为180mm的半圆柱体凹槽,设置热压温度为150℃,热压压强为30MPa,使用甲基丙烯酸甲酯材料热压成圆柱实心棒,然后通过抛光打磨制成直径为12mm长为180mm的圆柱实心棒;(5)如图4所示用钻铣床在(4)中圆柱实心棒中心钻出直径为6mm的中心孔,然后将(3)中复合材料实心棒套入其中并将其放入管式炉中热固,热固温度为110℃,热固时间为1h。
[0111] 纤维热拉制包括以下步骤:(1)如图5所示将预制棒2夹在预制棒夹11中,调整预制棒夹的位置使预制棒对准加热炉13中心并将预制棒插入加热炉中;(2)等待拉丝塔加热炉13升温至330℃,待预制棒软化掉头后,减掉头子,使纤维依次通过测径仪14,辅助牵引轮
15,最后到收线轮16;(3)控制进棒速度为0.3mm/min,调整收丝速度为0.48m/min即可将热致变色纤维尺寸控制在200μm。
[0112] 本实施例制备的热致变色纤维实际结构参数为纤维直径为200±1μm,纤芯变色层直径为100μm,保护层厚度为50μm。
[0113] 本实施例提供的热致变色纤维变色反应为可逆反应,其热致变色温度为31℃,当纤维温度低于31℃时显示为绿色,当纤维温度高于31℃时显示为白色,而当纤维温度将至31℃以下又恢复至绿色。
[0114] 本实施例提供的电热致变色纤维可与普通纺织纤维一起被编织成织物,通过改变织物所处环境温度可实现织物的颜色或图案变化,如图6所示。
[0115] 实施例2
[0116] 在本发明实施例中,首先提供了一种的皮芯结构热致变色纤维,其具有一定的稳定性、耐摩擦及耐洗色牢度,适宜穿着,热变色温度为31℃。
[0117] 其中,该热致变色纤维变色层材料为热致变色微胶囊与聚甲基丙烯酸甲酯的复合材料,变色层直径为1000μm,包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯,厚度为50μm。
[0118] 本发明实施例提供一种热致变色纤维方法包括:热致变色复合材料的制备、预制棒的制备与纤维热拉制。
[0119] 热致变色材料的制备方法包括以下步骤:(1)称取100g聚甲基丙烯酸甲酯,并量取200ml二甲基乙酰胺混合,并置于磁力搅拌器加热台上制作聚合物溶液,其中加热温度为
130℃;(2)加入8g热致变色温度为31℃(低温绿色,高温白色),直径小于10μm的热致变色微胶囊粉末并继续搅拌10min,再经过15min超声分散得热致变色微胶囊/聚甲基丙烯酸甲酯/二甲基乙酰氨混合溶液;(3)将所得混合溶液加入广口瓶中水浴加热,并使广口瓶密封连接真空泵抽真空蒸发二甲基乙酰氨溶剂,待溶液呈半凝固态取出放入真空干燥箱中干燥48h得热致变色微胶囊/甲基丙烯酸甲酯复合材料,真空干燥箱温度为70℃;(4)将干燥物料剪碎成粒径不大于10mm的热致变色复合材料颗粒与真空干燥箱中保存。
[0120] 预制棒的制备包括以下步骤(薄膜卷绕法):(1)将热致变色复合材料颗粒填入模具中,模具有直径为22mm长为180mm的半圆柱体凹槽,按照图2所示将模具放入热压机上下加热板之间,设置热压温度为120℃,热压压强为20MPa,将热致变色微胶囊/甲基丙烯酸甲酯复合材料热压成直径为22mm长为180mm的半圆柱体棒;(2)重复步骤(1)过程制备另外一根半圆柱体棒;(3)将上述步骤制得的两根半圆柱体分别放进两个模具中并将两个模具堆叠使两根半圆柱棒拼接成一根完整圆柱体,放入热压机中热压成复合材料圆柱实心棒;然后通过抛光打磨制成直径为20mm长为180mm的圆柱实心棒;(4)按图3所示使用甲基丙烯酸甲酯薄膜7卷绕上述所得的实心棒6至棒的直径达到22mm并将其放入管式炉中热固,热固温度为110℃,热固时间为1h,得到芯包结构预制棒。
[0121] 预制棒的制备包括以下步骤(套管法):(1)将热致变色复合材料颗粒填入模具中,模具有直径为22mm长为180mm的半圆柱体凹槽,如图2所示方式将模具放入热压机上下加热板之间,设置热压温度为120℃,热压压强为20MPa,将热致变色微胶囊/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料热压成直径为22mm长为180mm的半圆柱体棒;(2)重复步骤(1)过程制备另外一根半圆柱体棒;(3)将上述步骤制得的两根半圆柱体分别放进两个模具中并将两个模具堆叠使两根半圆柱棒拼接成一根完整圆柱体,放入热压机中热压成复合材料圆柱实心棒;然后通过抛光打磨制成直径为20mm长为180mm的圆柱实心棒;(4)依照前三个步骤,将模具尺寸换成直径为25mm长为180mm的半圆柱体凹槽,设置热压温度为150℃,热压压强为30MPa,使用甲基丙烯酸甲酯材料热压成圆柱实心棒,然后通过抛光打磨制成直径为22mm长为180mm的圆柱实心棒;(5)如图4所示用钻铣床在(4)中圆柱实心棒中心钻出直径为20mm的中心孔,然后将(3)中复合材料实心棒套入其中并将其放入管式炉中热固,热固温度为110℃,热固时间为1h。
[0122] 纤维热拉制包括以下步骤:(1)如图5所示将预制棒2夹在预制棒夹11中,调整预制棒夹的位置使预制棒对准加热炉13中心并将预制棒插入加热炉中;(2)等待拉丝塔加热炉13升温至330℃,待预制棒软化掉头后,减掉头子,使纤维依次通过测径仪14,辅助牵引轮
15,最后到收线轮16;(3)控制进棒速度为0.3mm/min,调整收丝速度为0.48m/min即可将热致变色纤维尺寸控制在1100μm。
[0123] 本实施例制备的热致变色纤维实际结构参数为纤维直径为1200±1μm,纤芯变色层直径为1000μm,保护层厚度为50μm。
[0124] 本实施例提供的热致变色纤维变色反应为可逆反应,其热致变色温度为31℃,当纤维温度低于31℃时显示为绿色,当纤维温度高于31℃时显示为白色,而当纤维温度将至31℃以下又恢复至绿色。
[0125] 实施例3
[0126] 在本发明实施例中,首先提供了一种的皮芯结构热致变色纤维,其具有一定的稳定性、耐摩擦及耐洗色牢度,适宜穿着,热变色温度为31℃。
[0127] 其中,该热致变色纤维变色层材料为热致变色微胶囊与聚甲基丙烯酸甲酯的复合材料,变色层直径为100μm,包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯,厚度为50μm。
[0128] 本发明实施例提供一种热致变色纤维方法包括:热致变色复合材料的制备、预制棒的制备与纤维热拉制。
[0129] 热致变色材料的制备方法包括以下步骤:(1)称取100g聚甲基丙烯酸甲酯,并量取200ml二甲基乙酰胺混合,并置于磁力搅拌器加热台上制作聚合物溶液,其中加热温度为
130℃;(2)加入8g热致变色温度为31℃(低温绿色,高温白色),直径小于10μm的热致变色微胶囊粉末并继续搅拌10min,再经过15min超声分散得热致变色微胶囊/聚甲基丙烯酸甲酯/二甲基乙酰氨混合溶液;(3)将所得混合溶液加入广口瓶中水浴加热,并使广口瓶密封连接真空泵抽真空蒸发二甲基乙酰氨溶剂,待溶液呈半凝固态取出放入真空干燥箱中干燥48h得热致变色微胶囊/甲基丙烯酸甲酯复合材料,真空干燥箱温度为70℃;(4)将干燥物料剪碎成粒径不大于10mm的热致变色复合材料颗粒与真空干燥箱中保存。
[0130] 预制棒的制备包括以下步骤(薄膜卷绕法):(1)将热致变色复合材料颗粒填入模具中,模具为长×宽×高180mm×10mm×10mm的方形凹槽,按照图2所示将模具放入热压机上下加热板之间,设置热压温度为120℃,热压压强为20MPa,将热致变色微胶囊/甲基丙烯酸甲酯复合材料热压成长×宽×高180mm×10mm×10mm方形实心棒;然后通过抛光打磨制成180mm×6mm×6mm的方形实心棒;(4)按图3所示使用甲基丙烯酸甲酯薄膜7卷绕上述所得的实心棒6至棒的直径达到12mm并将其放入管式炉中热固,热固温度为110℃,热固时间为1h,得到芯包结构预制棒。
[0131] 预制棒的制备包括以下步骤(套管法):(1)将热致变色复合材料颗粒填入模具中,模具为长×宽×高180mm×10mm×10mm的方形凹槽,如图2所示方式将模具放入热压机上下加热板之间,设置热压温度为120℃,热压压强为20MPa,将热致变色微胶囊/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料热压成长×宽×高180mm×10mm×10mm的方形实心棒;然后通过抛光打磨制成180mm×6mm×6mm的方形实心棒;(4)依照前三个步骤,将模具尺寸换成180mm×15mm×15mm的方形凹槽,设置热压温度为150℃,热压压强为30MPa,使用甲基丙烯酸甲酯材料热压成圆柱实心棒,然后通过抛光打磨制成180mm×12mm×12mm方形实心棒;(5)如图4所示用钻铣床在(4)中圆柱实心棒中心钻出6mm×6mm的方形孔,然后将(3)中复合材料实心棒套入其中并将其放入管式炉中热固,热固温度为110℃,热固时间为1h。
[0132] 纤维热拉制包括以下步骤:(1)如图5所示将预制棒2夹在预制棒夹11中,调整预制棒夹的位置使预制棒对准加热炉13中心并将预制棒插入加热炉中;(2)等待拉丝塔加热炉13升温至330℃,待预制棒软化掉头后,减掉头子,使纤维依次通过测径仪14,辅助牵引轮
15,最后到收线轮16;(3)控制进棒速度为0.3mm/min,调整收丝速度为0.48m/min即可将热致变色纤维尺寸控制在200μm(方形)。
[0133] 本实施例制备的热致变色纤维实际结构参数为纤维直径为200±1μm,纤芯变色层直径为100μm,保护层厚度为50μm,如图7所示。
[0134] 本实施例提供的热致变色纤维变色反应为可逆反应,其热致变色温度为31℃,当纤维温度低于31℃时显示为绿色,当纤维温度高于31℃时显示为白色,而当纤维温度将至31℃以下又恢复至绿色。
[0135] 实施例4
[0136] 在本发明实施例中,首先提供了一种的皮芯结构热致变色纤维,其具有一定的稳定性、耐摩擦及耐洗色牢度,适宜穿着,热变色温度为38℃。
[0137] 图1是本实施例制备的横截面为圆形结构的热致变色纤维示意图,其中1为热致变色纤维的芯层,2为包层。
[0138] 其中,该热致变色纤维变色层材料为热致变色微胶囊与聚甲基丙烯酸甲酯的复合材料,变色层直径为400μm,包层材料为聚二甲基烷,厚度为40μm。
[0139] 本发明实施例提供一种热致变色纤维方法包括:热致变色复合材料的制备、预制棒的制备与纤维热拉制。
[0140] 热致变色材料的制备方法同实施例1。
[0141] 预制棒的制备包括以下步骤:(1)将热致变色复合材料颗粒填入模具中,模具有直径为20mm长为180mm的半圆柱体凹槽,按照图2所示将模具放入热压机上下加热板之间,设置热压温度为120℃,热压压强为20MPa,将热致变色微胶囊/甲基丙烯酸甲酯复合材料热压成直径为20mm长为180mm的半圆柱体棒;(2)重复步骤(1)过程制备另外一根半圆柱体棒;(3)将上述步骤制得的两根半圆柱体分别放进两个模具中并将两个模具堆叠使两根半圆柱棒拼接成一根完整圆柱体,放入热压机中热压成复合材料圆柱实心棒;然后通过抛光打磨制成直径为6mm长为180mm的圆柱实心棒;
[0142] 纤维热拉制及包层涂覆包括以下步骤:(1)如图8所示将预制棒2夹在预制棒夹11中,调整预制棒夹的位置使预制棒对准加热炉13中心并将预制棒插入加热炉中;(2)等待拉丝塔加热炉13升温至330℃,待预制棒软化掉头后,减掉头子,使纤维依次通过测径仪14,辅助牵引轮15,涂覆杯中心孔21,紫外固化炉22,最后到收线轮16;(3)控制进棒速度为0.1mm/min,调整收丝速度为2.5m/min即可将热致变色纤维尺寸控制在400μm。
[0143] 本实施例制备的热致变色纤维实际结构参数为纤维直径为440μm,纤芯变色层直径为400μm,保护层厚度为40μm。
[0144] 本实施例提供的热致变色纤维变色反应为可逆反应,其热致变色温度为38℃,当纤维温度低于38℃时显示为蓝色,当纤维温度高于38℃时显示为白色,而当纤维温度将至38℃以下又恢复至蓝色。
[0145] 本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。