一种隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维及其制备方法，所述气凝胶纤维是将含有海藻酸钠和聚乙烯醇的纺丝原液，经纺丝后，依次进入第一低温凝固浴和第二低温凝固浴而形成的初生冻胶纤维再经冷冻干燥而制备得到，其中所述第二低温凝固的温度比第一低温凝固浴的温度低5℃～10℃。本发明专利技术的气凝胶纤维气凝胶孔结构规整，具有良好的力学性能、柔性、孔密度、隔热和阻燃性。本发明专利技术采用两级凝固浴一步法实现丝条的固化、冻冰、拉伸和卷绕收集，工艺路线简单，即实现连续宏量制备孔结构序气凝胶纤维，有助于开发新型纤维和纺织品。有助于开发新型纤维和纺织品。有助于开发新型纤维和纺织品。

【技术实现步骤摘要】
一种隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维及其制备方法


[0001]本专利技术涉及生物基纤维制备领域，涉及基于天然生物基的隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，气凝胶纤维在制备超轻质隔热阻燃材料方面得到广泛关注。气凝胶纤维是一种多孔纳米交错网络结构的高孔隙率和高比表面积的超轻纤维。由于其导热系数低、阻燃性能好，可用于航天服、消防服等特殊服饰；同时，高比表面积使其在快速吸附、催化负载、能源存储等领域也具有广阔的前景。
[0003]相较于石油基气凝胶纤维，生物基气凝胶纤维来源丰富、可再生且环境友好；相较于无机气凝胶纤维，生物基气凝胶纤维的柔性和生物相容性更出色，因此，以生物基气凝胶为基材的隔热保温织物和柔性响应织物成为研究热点。需要关注的是，生物基气凝胶纤维在制备方法、结构和性能方面仍存在问题，如：(1)报道多为短程气凝胶纤维的制备且气凝胶纤维孔结构特征为孔径分布大、孔贯通性差、孔密度小等，尚未形成宏量制备孔结构长程有序的有效方法；(2)报道低温冻冰多采用冰箱、液氮或者冷辊的方法，冰箱降温是通过气体作为导热介质的对流导热，非接触式降温会导致降温效率降低、适合静态物体的冻冰，无法实现连续宏量制备纤维，液氮制冷成本高、制冷效率低、过冷程度大会导致冰晶快速形成，冰晶形状不可控，凝胶纤维孔结构不规整，且材料脆性普遍增加，不适合连续宏量制备时的拉伸、卷绕和后续编织，丝条与冷辊接触式冻冰，也会出现过冷程度大的问题，冷辊方式对原料的低温力学性能要求高，生物基材料往往不能长时间在低温辊上连续卷绕，且随着卷绕量增加，后续的纤维冻冰效果会不断降低；(3)气凝胶纤维多孔结构导致力学性能降低，表现为脆、柔性低和易断头影响卷绕收集和编织成布；(4)分子组成是碳水化合物，耐热性差，易燃烧。基于上述说明，开发一种能够连续宏量制备孔结构长程有序且兼具柔性、拉伸强度和阻燃性生物基气凝胶纤维的方法是非常有意义。
[0004]海藻酸钠具有阻燃性、安全无毒、环境友好以及生物相容性等优点，可以被用来制备生物基气凝胶纤维材料。但单一海藻酸钠为原料制备的气凝胶纤维存在纤维脆、柔性差导致无法连续宏量制备，且易溶胀、孔结构不规整等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对目前海藻酸钠气凝胶纤维综合性能较差的不足，无法连续宏量制备，且孔结构不规整的问题，提供一种隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维及其制备方法。本专利技术通过将海藻酸钠(SA)与聚乙烯醇(PVA)共混并通过干喷、两级低温凝固浴同步完成钙钠离子交换、PVA低温结晶、凝胶固化成型和强迫拉伸形变，构筑具有定向结晶结构的多重交联骨架体系，经过冷冻干燥获得具有三维蜂窝状结构的隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维。本专利技术的气凝胶纤维，其纤维内部孔径均匀、贯通性好、孔结构长程有序，且具有良好的柔性、生物相容性、阻燃性能以及隔热性能。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007]本专利技术的第一方面，提供一种隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维，该气凝胶纤维是将含有海藻酸钠和聚乙烯醇的纺丝原液，经纺丝后，依次进入第一低温凝固浴和第二低温凝固浴而形成的初生冻胶纤维再经冷冻干燥而制备得到，其中所述第二低温凝固的温度比第一低温凝固浴的温度低5℃～10℃。
[0008]进一步地，所述第一低温凝固浴的温度为
‑
5～
‑
10℃。
[0009]进一步地，所述第一低温凝固浴和第二低温凝固浴均由水、氯化钙、水溶性溶剂构成，三者的质量比为：47.5～73：3～5：22～49.5。
[0010]进一步地，所述水溶性溶剂为乙醇、乙二醇或二甲基亚砜。
[0011]进一步地，所述海藻酸钠和聚乙烯醇的质量比为50～90：50～10。海藻酸钠和聚乙烯醇在纺丝原液中的质量浓度分别为3～6％。
[0012]进一步地，所述纺丝原液还含有冰晶调控剂。本专利技术的优选的实施方式中，纺丝原液中还可以加入冰晶调控剂，来降低初生冻胶纤维的温度响应性，从而改变冻冰温度、聚合物与溶剂间的氢键作用和冰晶生长，能够调控气凝胶纤维孔的形貌和结构，以及力学性能。
[0013]进一步地，所述冰晶调控剂为氯化钠、乙二醇或二甲基亚砜中的一种或多种，所述冰晶调控剂占所述海藻酸钠和所述聚乙烯醇的总质量的0.5～10％。
[0014]本专利技术的第二方面，提供以上所述的隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0015](1)将纺丝原料溶于水中，得纺丝原液；
[0016](2)将纺丝原液送入纺丝组件，经喷丝孔挤出进入空气幕，再依次进入第一低温凝固浴和第二低温凝固浴中进行固化处理以及拉伸处理，得具有定向结晶结构的初生冻胶纤维；
[0017](3)将初生冻胶纤维经冷冻干燥；
[0018]在步骤(1)中，所述纺丝原料为海藻酸钠和聚乙烯醇的混合物，或海藻酸钠、聚乙烯醇和冰晶调控剂的混合物。
[0019]进一步地，在上述气凝胶纤维的制备方法中，在步骤(1)中，将纺丝原料分别加入于水中，于40～95℃溶解制成溶液后进行脱泡处理，得纺丝原液。所述脱泡处理可以采用本专利技术常规的高分子材料溶液的脱泡处理方法来进行。优选地，本专利技术中将纺丝原料于水中40～95℃溶解制成溶液，将溶液置于温度为25～40℃，系统余压为0.5kPa～0.6kPa的真空环境中而进行真空脱泡，真空脱泡时间优选为10h～40h。
[0020]进一步地，在上述气凝胶纤维的制备方法中，在步骤(2)中，所述空气幕的长度为3～10mm，在所述固化处理中固化时间为2～20min，在所述拉伸处理中，优选的，在第一低温凝固浴和第二低温凝固浴均进行拉伸处理，在各凝固浴中的拉伸倍数为1～2倍，拉伸速率为3m/min～10m/min。纺丝原液经喷丝孔挤出后，通过适当长度的空气幕，保证纺丝液在进入低温凝固浴前稳定的挤出，且在重力的拉伸下，溶液得到一定程度的取向。纺丝原液经喷丝孔挤出的步骤中，优选地，挤出压力为0.2～0.6Mpa，纺丝原液流量为1mL/min～10mL/min，喷丝孔径为0.4mm～0.58mm。
[0021]进一步地，在上述气凝胶纤维的制备方法中，在步骤(3)中，所述冷冻干燥的温度为
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35℃～
‑
40℃，时间为24～72h，余压小于2000Pa。
[0022]在本专利技术中，将海藻酸钠和聚乙烯醇，或海藻酸钠、聚乙烯醇和冰晶调控剂溶于水中获得纺丝原液，纺丝原液中含有有机大分子聚乙烯醇，克服单一海藻酸钠为原料制备的气凝胶纤维存在纤维脆、柔性差导致无法连续宏量制备，且易溶胀、孔结构不规整等问题。而且，冰晶调控剂的加入能够降低初生冻胶纤维的温度响应性。
[0023]在本专利技术中，将纺丝溶液依次进入具有温度差异的两级低温凝固浴(第一低温凝固浴和第二低温凝固浴)，从而获得具有定向结晶(冰晶定向生长)结构的海藻酸钠/聚乙烯醇初生冻胶纤维，将定向结晶的初生冻胶纤维放入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隔热阻燃海藻酸钠/聚乙烯醇气凝胶纤维，其特征在于，所述气凝胶纤维是将含有海藻酸钠和聚乙烯醇的纺丝原液，经纺丝后，依次进入第一低温凝固浴和第二低温凝固浴而形成的初生冻胶纤维再经冷冻干燥而制备得到，其中所述第二低温凝固的温度比第一低温凝固浴的温度低5℃～10℃。2.根据权利要求1所述的气凝胶纤维，其特征在于，所述第一低温凝固浴的温度为
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5～
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10℃。3.根据权利要求1所述的气凝胶纤维，其特征在于，所述第一低温凝固浴和第二低温凝固浴均由水、氯化钙、水溶性溶剂构成，三者的质量比为：47.5～73：3～5：22～49.5，其中水溶性溶剂为乙醇、乙二醇或二甲基亚砜。4.根据权利要求1所述的气凝胶纤维，其特征在于，所述海藻酸钠和聚乙烯醇的质量比为50～90：50～10，所述海藻酸钠和聚乙烯醇在纺丝原液中的质量浓度分别为3～6％。5.根据权利要求1所述的气凝胶纤维，其特征在于，所述纺丝原液还含有冰晶调控剂。6.根据权利要求5所述的气凝胶纤维，其特征在于，所述冰晶调控剂为氯化钠、乙二醇或二甲基亚砜中的一种或多种，所述冰晶调控剂占所述海藻酸钠和所述聚乙烯醇的总质量的0....

【专利技术属性】
技术研发人员：管福成，郭静，李政，张一航，孙健斌，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
国别省市：