一种压电微发电加热保健纺织品及其制备方法
技术领域
本发明涉及织物面料技术领域，具体为一种压电微发电加热保健纺织品及其制备方法。
背景技术
随着功能纺织品的发展，加热保健功能的纺织品得到了较好的发展。人们倾向于选用可发热型纤维来制作服饰。如目前的功能纤维通过吸收人体自身发出的红外线，以及降低人体皮肤中水气的流失率来完成保暖工作。但该保暖方式供热有限，通过大量验证，其发热效果并不明显。
目前有利用铁粉等材料在空气中发生氧化反应，从而向外发热的化学反应织物。但是该种纤维制成的织物是利用铁粉材料进行发热的化学反应织物，当该织物中的铁粉被空气中的氧气完全氧化后，其将不再向外放热，持久性有限。
随着技术的进步，石墨烯近些年被推广应用的采暖加热介质，其具有比较好的低温远红外功能，热交换能力非常强。在家居低温加热、医疗保健加热等方面具有巨大的应用市场。石墨烯的发热原理是在电场的驱动作用下，石墨烯产生微观的“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击发热，产生的热能以远红外线传播。可实现低能耗、低电压加热。这为加热保健功能纺织的开发提供了极佳的技术思路。
专利号为CN108179627A的中国专利公开了一种石墨烯服装材料及其制造方法，包括步骤：准备原材料，包括：石墨烯纳米原料25-45％、棉织物载体35-55％、苯乙烯磺酸钠粉末6-10％、脱乙酰度10-18%、壳聚糖8-13%、负离子15%-30%，各组成的含量之和为100％重量；预处理原材料：且将步骤（1）中的原材料组成按比例混配搅拌1-3小时；将上述配料混合后置于制浆机中，通过浆料槽吸浆，再通过烘箱烘干40-80分钟，收取600-800目的石墨烯服装材料原粉末。该发明将石墨烯用于服装材料中，采用该材料制备的服装透气性好、抗菌强、保暖好、防止静电，同时可以释放远红外线、吸湿祛湿等功能。
专利号为CN109232927A的中国专利公开了一种含石墨烯的抗静电抗菌远红外线保暖纺织品的制备方法，是将聚氨酯复合溶液在BOPP膜上涂覆，固化后形成薄膜再与纺织品复合，然后剥离BOPP膜，得到的复合后的纺织品再用质量浓度2-7%的水合肼在70-90℃下还原3-5小时，水洗干燥即得；所述薄膜与纺织品的复合工艺为在形成的薄膜表面涂刮胶黏剂，通过胶黏剂与纺织品贴合，贴合温度为60-100℃，压力为0.3-0.5MPa，时间为0.5-2小时。该发明的制备方法能提高石墨烯的分散性以及与纺织品的结合牢度，耐水洗，能够保持良好的抗静电、抗菌、远红外线保暖的功效。
可见，现有技术已将石墨烯用于纺织材料，通过释放远红外线达到保暖的功能。但单纯在纺织材料原料中添加石墨烯，其保暖效果有限。对于加热保健纺织品，通常还需要通过外在的电加热来实现。另外，现有技术在纺织材料中添加石墨烯的方法，常见的是将石墨烯分散于尼龙然后成丝，作为无纺布材料；也有将石墨烯分散与粘接剂涂敷于无纺布，石墨烯牢固度低，且用量有限。
发明内容
针对目前热保健功能的纺织品需要通过外在的电加热来实现，用于保健服装较为不便=，且石墨烯牢固度低，且用量有限的问题，本发明提出一种压电微发电加热保健纺织品及其制备方法。
采用如下具体技术方案：
一种压电微发电加热保健纺织品的制备方法，具体制备方法如下：
步骤一、将纳米负离子粉、石墨烯、纳米远红外陶瓷粉研磨均匀，然后分散于聚四亚甲基醚二醇，加热至40℃，超声分散处理15-30min，频率为20-25KHz；进一步加入二异氰酸酯，继续超声处理1-5min；移除超声棒，加入催化剂、胺类扩链剂，缓慢搅拌反应，同时升温至60℃，保温1-2h，得到保健粒子分散液。
步骤二、将棉纤维浸润于步骤一得到的保健粒子分散液，然后扎液，烘干，与聚酯纤维混合，混合后进一步经抓棉机、混棉机、开棉机、梳棉机、精梳机得到精梳棉条；
步骤三、将步骤二得到的精梳棉条在并条机上并条，进一步纺纱、纺织，得到负载石墨烯的纺织品；
步骤四、将纳米压电材料分散在水性聚氨酯液中，作为整理液对负载石墨烯的纺织品进行整理，使纺织品表面形成一层压电微膜；再次涂敷步骤一得到的保健粒子分散液，烘干，高压极化，得到一种压电微发电加热保健纺织品。
优选地，所述步骤一中所述纳米负离子粉选用电气石基负离子粉，由电气石粉和镧系元素复合而得。电气石在中国被称为托玛琳，或者碧玺。电气石粉是把电气石原矿经过去除杂质后，经过机械粉碎得到的粉体。电气石具有压电性、热释电性、导电性、远红外辐射和释放负离子性等独特性能，通过物理或化学方法与其他材料复合，可制得多种功能材料。经过加工提纯的电气石粉体具有较高的负离子产生量和远红外发射率。负离子粉通常由稀土元素、电气石粉等物质组成，能产生空气负离子。
优选地，所述步骤一中所述纳米远红外陶瓷粉为托玛琳粉且具有永久电极,可以不间断的释放负离子,具有保健作用。
优选地，所述步骤一中所述聚四亚甲基醚二醇为聚四亚甲基醚二醇, CAS号25190-06-1，聚四亚甲基醚二醇分子式为H·(C4H8O)n·OH，常温下为白色蜡状固体，熔化后为透明、无色液体，熔点33-36℃，主要用作生产聚氨酯弹性体、聚氨酯弹性纤维。
优选的，步骤一中所述超声分散处理的频率为20-25KHz。
一种实施方式中，步骤一的催化剂选用月桂酸二丁基锡。
一种实施方式中，步骤一中所述胺类扩链剂为乙二胺、二亚乙基三胺中的一种。
一种实施方式中，步骤一中所述纳米负离子粉、石墨烯、纳米远红外陶瓷粉、聚四亚甲基醚二醇、二异氰酸酯、催化剂、胺类扩链剂的配制重量份数为：纳米负离子粉40-60份、石墨烯8-15份、纳米远红外陶瓷粉30-40份、聚四亚甲基醚二醇80-100份、二异氰酸酯60-90份、催化剂3-5份、胺类扩链剂3-6份。
优选的，步骤二中所述烘干温度为60-80℃。
优选的，步骤二中所述聚酯纤维选用纺织领域的常用的聚酯纤维，如聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维、聚芳酯纤维、聚丁二酸丁二醇酯纤维、聚己内酯纤维。
优选地，所述步骤二中所述抓棉机打手转速为740r/min；混棉机风车的动力为3.75KW；开棉机开送辊的直径为600mm，转速为800r/min；梳棉机刺辊的工作直径为250mm，工作转速为700-900r/min；精梳机的出头速度为3.6m/min，牵伸倍数为2.5-5倍。
一种实施方式中，步骤二中所述棉纤维与聚酯纤维的配制重量份数为：棉纤维30-45份、聚酯纤维40-60份。
优选地，步骤三中所述并条机的输出速度为12m/min，所述纺纱的喂入速度为5.8m/min，卷绕速度为160m/min；所述纺织的速度为500-550r/min。
优选地，步骤四中纳米压电材料与质量浓度为15%的水性聚氨酯液以质量比1:3分散为整理液；所述纳米压电材料选用纳米级的钛酸钡、铌酸钠、铌酸钾、铌酸锂中的一种。纳米压电材料在纺织品形成微膜，通过高压极化使压电颗粒中的电畴取向一致，得到具有定向压电性质的薄膜；其在挤压时能产生微电压。
优选地，步骤四中所述高压极化的电压为7KV。
优选地，步骤四中所述烘干的温度为60-80℃。
一种压电微发电加热保健纺织品，其特征在于：由上述方法制备而成。
本发明一种压电微发电加热保健纺织品及其制备方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明通过将纳米负离子粉、石墨烯、纳米远红外陶瓷粉功能粉体分散于聚氨酯液的前驱物中，通过形成聚氨酯液将功能粉体均匀分散其中得到保健粒子分散液，将棉纤维充分浸润保健粒子分散液后与聚酯纤维混纺成纺织品，然后在纳米压电材料制备成整理剂中进行整理，使纺织品覆一层压电微膜。利用分散的石墨烯作为电极以及加热材料；在压电材料折叠、挤压等作用下，石墨烯产生微观的“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击发热，产生的热能以远红外线传播。实现了低能耗、低电压加热。保健纳米粒子分散均匀，牢固负载于棉纤维上，其中的石墨烯在微电压下能够均匀发热，穿着舒适。
附图说明：
图1为本发明压电微发电加热保健纺织品制备方法的工艺流程图。
图2为实施例1制备得到的压电微发电加热保健纺织品的测试现场图。
具体实施方式
通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种压电微发电加热保健纺织品的制备方法，具体制备方法如下：
步骤一、将电气石粉和镧系元素复合而得的电气石基负离子粉、石墨烯、托玛琳粉研磨均匀，然后分散于CAS号为25190-06-1的聚四亚甲基醚二醇，加热至40℃，超声分散处理25min，频率为20KHz；进一步加入二异氰酸酯，继续超声处理5min；移除超声棒，加入月桂酸二丁基锡、乙二胺，缓慢搅拌反应，同时升温至60℃，保温1.5h，得到保健粒子分散液。
其中纳米负离子粉、石墨烯、纳米远红外陶瓷粉、聚四亚甲基醚二醇、二异氰酸酯、催化剂、胺类扩链剂的配制重量份数为：电气石基负离子粉50份、石墨烯10份、托玛琳粉35份、聚四亚甲基醚二醇90份、二异氰酸酯80份、月桂酸二丁基锡3份、乙二胺4份。
步骤二、将40份棉纤维浸润于保健粒子分散液，然后扎液，烘干，烘干温度为65℃，与45份对苯二甲酸乙二醇聚酯纤维混合，混合后进一步经抓棉机、混棉机、开棉机、梳棉机、精梳机得到精梳棉条；抓棉机打手转速为740r/min；混棉机风车的动力为3.75KW；开棉机开送辊的直径为600mm，转速为800r/min；梳棉机刺辊的工作直径为250mm，工作转速为900r/min；精梳机的出头速度为3.6m/min，牵伸倍数为3倍。
步骤三、将精梳棉条在并条机上并条，进一步纺纱、纺织，得到负载石墨烯的纺织品；并条机的输出速度为12m/min，所述纺纱的喂入速度为5.8m/min，卷绕速度为160m/min；所述纺织的速度为500r/min。
步骤四、纳米压电材料与质量浓度为15%的水性聚氨酯液以质量比1:3分散为整理液；纳米级的钛酸钡分散在水性聚氨酯液中作为整理液对负载石墨烯的纺织品进行整理，使纺织品表面形成一层压电微膜；再次涂敷保健粒子分散液，烘干，高压极化，高压极化的电压为7KV，得到一种压电微发电加热保健纺织品。
实施例2
一种压电微发电加热保健纺织品的制备方法，具体制备方法如下：
步骤一、将电气石粉和镧系元素复合而得的电气石基负离子粉、石墨烯、托玛琳粉研磨均匀，然后分散于CAS号为25190-06-1的聚四亚甲基醚二醇，加热至40℃，超声分散处理20min，频率为20KHz；进一步加入二异氰酸酯，继续超声处理3min；移除超声棒，加入月桂酸二丁基锡、乙二胺，缓慢搅拌反应，同时升温至60℃，保温1.5h，得到保健粒子分散液。
其中纳米负离子粉、石墨烯、纳米远红外陶瓷粉、聚四亚甲基醚二醇、二异氰酸酯、催化剂、胺类扩链剂的配制重量份数为：电气石基负离子粉55份、石墨烯9份、托玛琳粉35份、聚四亚甲基醚二醇85份、二异氰酸酯75份、月桂酸二丁基锡3份、乙二醇3份。
步骤二、将45份棉纤维浸润于保健粒子分散液，然后扎液，烘干，烘干温度为80℃，与60份聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维混合，混合后进一步经抓棉机、混棉机、开棉机、梳棉机、精梳机得到精梳棉条；抓棉机打手转速为740r/min；混棉机风车的动力为3.75KW；开棉机开送辊的直径为600mm，转速为800r/min；梳棉机刺辊的工作直径为250mm，工作转速为800r/min；精梳机的出头速度为3.6m/min，牵伸倍数为5倍。
步骤三、将精梳棉条在并条机上并条，进一步纺纱、纺织，得到负载石墨烯的纺织品；并条机的输出速度为12m/min，所述纺纱的喂入速度为5.8m/min，卷绕速度为160m/min；所述纺织的速度为500r/min。
步骤四、纳米压电材料与质量浓度为15%的水性聚氨酯液以质量比1:3分散为整理液；铌酸钠分散在水性聚氨酯液中作为整理液对负载石墨烯的纺织品进行整理，使纺织品表面形成一层压电微膜；再次涂敷保健粒子分散液，烘干，高压极化，高压极化的电压为7KV，得到一种压电微发电加热保健纺织品。
实施例3
一种压电微发电加热保健纺织品的制备方法，具体制备方法如下：
步骤一、将电气石粉和镧系元素复合而得的电气石基负离子粉、石墨烯、托玛琳粉研磨均匀，然后分散于CAS号为25190-06-1的聚四亚甲基醚二醇，加热至40℃，超声分散处理25min，频率为25KHz；进一步加入二异氰酸酯，继续超声处理4min；移除超声棒，加入月桂酸二丁基锡、二亚乙基三胺，缓慢搅拌反应，同时升温至60℃，保温1.5h，得到保健粒子分散液。
其中纳米负离子粉、石墨烯、纳米远红外陶瓷粉、聚四亚甲基醚二醇、二异氰酸酯、催化剂、胺类扩链剂的配制重量份数为：电气石基负离子粉55份、石墨烯8份、托玛琳粉30份、聚四亚甲基醚二醇100份、二异氰酸酯90份、月桂酸二丁基锡5份、二亚乙基三胺5份。
步骤二、将38份棉纤维浸润于保健粒子分散液，然后扎液，烘干，烘干温度为75℃，与49份聚芳酯纤维混合，混合后进一步经抓棉机、混棉机、开棉机、梳棉机、精梳机得到精梳棉条；抓棉机打手转速为740r/min；混棉机风车的动力为3.75KW；开棉机开送辊的直径为600mm，转速为800r/min；梳棉机刺辊的工作直径为250mm，工作转速为900r/min；精梳机的出头速度为3.6m/min，牵伸倍数为2.5倍。
步骤三、将精梳棉条在并条机上并条，进一步纺纱、纺织，得到负载石墨烯的纺织品；并条机的输出速度为12m/min，所述纺纱的喂入速度为5.8m/min，卷绕速度为160m/min；所述纺织的速度为500r/min。
步骤四、纳米压电材料与质量浓度为15%的水性聚氨酯液以质量比1:3分散为整理液；铌酸钾分散在水性聚氨酯液中作为整理液对负载石墨烯的纺织品进行整理，使纺织品表面形成一层压电微膜；再次涂敷保健粒子分散液，烘干，高压极化，高压极化的电压为7KV，得到一种压电微发电加热保健纺织品。
实施例4
一种压电微发电加热保健纺织品的制备方法，具体制备方法如下：
步骤一、将电气石粉和镧系元素复合而得的电气石基负离子粉、石墨烯、托玛琳粉研磨均匀，然后分散于CAS号为25190-06-1的聚四亚甲基醚二醇，加热至40℃，超声分散处理30min，频率为2KHz；进一步加入二异氰酸酯，继续超声处理5min；移除超声棒，加入月桂酸二丁基锡、二亚乙基三胺，缓慢搅拌反应，同时升温至60℃，保温1.5h，得到保健粒子分散液。
其中纳米负离子粉、石墨烯、纳米远红外陶瓷粉、聚四亚甲基醚二醇、二异氰酸酯、催化剂、胺类扩链剂的配制重量份数为：电气石基负离子粉50份、石墨烯15份、托玛琳粉35份、聚四亚甲基醚二醇90份、二异氰酸酯75份、月桂酸二丁基锡4份、二亚乙基三胺5份。
步骤二、将45份棉纤维浸润于保健粒子分散液，然后扎液，烘干，烘干温度为70℃，与55份聚丁二酸丁二醇酯纤维混合，混合后进一步经抓棉机、混棉机、开棉机、梳棉机、精梳机得到精梳棉条；抓棉机打手转速为740r/min；混棉机风车的动力为3.75KW；开棉机开送辊的直径为600mm，转速为800r/min；梳棉机刺辊的工作直径为250mm，工作转速为850r/min；精梳机的出头速度为3.6m/min，牵伸倍数为4倍。
步骤三、将精梳棉条在并条机上并条，进一步纺纱、纺织，得到负载石墨烯的纺织品；并条机的输出速度为12m/min，所述纺纱的喂入速度为5.8m/min，卷绕速度为160m/min；所述纺织的速度为550r/min。
步骤四、纳米压电材料与质量浓度为15%的水性聚氨酯液以质量比1:3分散为整理液；铌酸锂分散在水性聚氨酯液中作为整理液对负载石墨烯的纺织品进行整理，使纺织品表面形成一层压电微膜；再次涂敷保健粒子分散液，烘干，高压极化，高压极化的电压为7KV，得到一种压电微发电加热保健纺织品。
实施例5
一种压电微发电加热保健纺织品的制备方法，具体制备方法如下：
步骤一、将电气石粉和镧系元素复合而得的电气石基负离子粉、石墨烯、托玛琳粉研磨均匀，然后分散于CAS号为25190-06-1的聚四亚甲基醚二醇，加热至40℃，超声分散处理20min，频率为20KHz；进一步加入二异氰酸酯，继续超声处理5min；移除超声棒，加入月桂酸二丁基锡、乙二胺，缓慢搅拌反应，同时升温至60℃，保温1.5h，得到保健粒子分散液。
其中纳米负离子粉、石墨烯、纳米远红外陶瓷粉、聚四亚甲基醚二醇、二异氰酸酯、催化剂、胺类扩链剂的配制重量份数为：电气石基负离子粉55份、石墨烯9份、托玛琳粉35份、聚四亚甲基醚二醇80份、二异氰酸酯75份、月桂酸二丁基锡5份、乙二胺4份。
步骤二、将40份棉纤维浸润于保健粒子分散液，然后扎液，烘干，烘干温度为80℃，与55份聚己内酯纤维混合，混合后进一步经抓棉机、混棉机、开棉机、梳棉机、精梳机得到精梳棉条；抓棉机打手转速为740r/min；混棉机风车的动力为3.75KW；开棉机开送辊的直径为600mm，转速为800r/min；梳棉机刺辊的工作直径为250mm，工作转速为800r/min；精梳机的出头速度为3.6m/min，牵伸倍数为4.5倍。
步骤三、将精梳棉条在并条机上并条，进一步纺纱、纺织，得到负载石墨烯的纺织品；并条机的输出速度为12m/min，所述纺纱的喂入速度为5.8m/min，卷绕速度为160m/min；所述纺织的速度为500r/min。
步骤四、纳米压电材料与质量浓度为15%的水性聚氨酯液以质量比1:3分散为整理液；纳米级的铌酸钠分散在水性聚氨酯液中作为整理液对负载石墨烯的纺织品进行整理，使纺织品表面形成一层压电微膜；再次涂敷保健粒子分散液，烘干，高压极化，高压极化的电压为7KV，得到一种压电微发电加热保健纺织品。
对比例1
对比例1为没有利用压电材料整理的纺织品，具体制备方法为：
将40份棉纤维与45份对苯二甲酸乙二醇酯纤维混合，混合后进一步经抓棉机、混棉机、开棉机、梳棉机、精梳机得到精梳棉条；将精梳棉条在并条机上并条，进一步纺纱、纺织，得到纺织品。
其中，抓棉机打手转速为740r/min；混棉机风车的动力为3.75KW；开棉机开送辊的直径为600mm，转速为800r/min；梳棉机刺辊的工作直径为250mm，工作转速为900r/min；精梳机的出头速度为3.6m/min，牵伸倍数为3倍。并条机的输出速度为12m/min，所述纺纱的喂入速度为5.8m/min，卷绕速度为160m/min；所述纺织的速度为500r/min。
实验对比如下：
将实施例1-5以及对比例1得到的纺织品样品裁切为尺寸为30cm×10cm的试样，将纺织物两端夹在夹具上，测试环境温度为17℃。使夹具一端旋转8圈，使织物发生缠绕；如此反复30次，测试缠绕前后纺织物的温度变化。
按式（1）计算试样纺织物表面的温升，修约至0.1℃：
ΔT=T-T0（1）
式中：
ΔT为试样缠绕前后的温度变化，单位为(℃)；
T0为试样初始表面温度，单位为（℃）；
T为试样缠绕30次后的表面温度，单位为（℃）。
测试结果如表1所示：
测试结果表明：纺织物中的压电微膜在缠绕时发生折叠，从而产生微电压，使石墨烯在微电压下能够均匀发热，具有发热保健效果，达到预期效果。
