[发明专利]具有保暖和阻燃功能的双网络有机/无机复合气凝胶纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有保暖和阻燃功能的双网络有机/无机复合气凝胶纤维及其制备方法，通过一种有机硅离聚物和石墨烯对聚酯进行改性，经湿法纺丝和冷冻干燥制备三维双网络结构有机/无机复合气凝胶纤维；该复合纤维由三组分构成，聚酯为基体树脂，有机硅离聚物提供阻燃性能和硅氧烷三维网络结构，石墨烯提供气凝胶骨架并作为成炭因子提供阻燃性能；硅氧烷网络和石墨烯骨架形成不同尺度微孔，同时双网络结构增加了气凝胶的机械强度和模量；该复合纤维具有保暖、阻燃、抗静电功能，可对其进一步功能化制备功能纤维，工艺简单，适用性强，在功能气凝胶纤维领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及保暖功能气凝胶纤维及其制备方法，尤其是涉及一种具有保暖和阻燃功能的双网络有机/无机复合气凝胶纤维及其制备方法，所述双网络有机/无机复合气凝胶纤维可进一步用于制备其他功能纤维。

背景技术

随着人们生活质量的不断提升，功能性织物被广泛关注。其中，对防寒服饰的保暖性、轻便性以及功能性要求越来越高，而传统纤维材料已无法满足，因此越来越多的织物新材料、新结构和新工艺被提出，以获得更加优良的使用性能。纤维的保暖性能主要与材料结构相关，与内部静止空气含量成正比，与纤维直径大小和整体材料密度成反比，三者共同决定了织物保暖性能。因此，研究者开发出了许多新结构材料以满足上述三个条件。中空纤维是一种内部具有轴向管状空腔的化学纤维，中空结构可减少纤维20％的重量，其内部静止空气含量较高，因此中空结构不仅提高了纤维的保暖性能，使其织物比同质面料提高了65％以上，而且具有轻质弹性、干爽舒适等效果，广泛应用于冬季服饰、保暖内衣、户外运动，内垫填料、以及超滤透析等多个领域。除中空纤维外，超细纤维由于特殊的致密结构能够锁住空气，从而产生稳定静止空气层，起到防寒保暖的效果。随着研究的不断深入，研究者进一步通过在纤维内部构建微孔介孔结构来提升静止空气含量，由此而发展出一种新型材料——气凝胶。

气凝胶是指用一定的干燥方式使凝胶中的液相被气体取代形成纳米级多孔的新型固态材料，孔隙率极高且密度超低，由于结构中80％以上是空气，因此具有优异的隔热效果，是理论上隔热保温效果最好的材料。这是因为气凝胶内部微纳孔隙结构能够有效抑制气体分子的热传导，从而限制局域热激发和红外热辐射，其固态热导率比相应玻璃态材料低2-3个数量级。随着对气凝胶材料的不断开发，目前已形成多种气凝胶种类，如硅系、碳系、金属系等，其中聚合物基气凝胶纤维由于兼具气凝胶材料的超高孔隙率、低导热系数以及纤维材料优异的柔韧性和可编织性等特性，逐步成为下一代保暖纤维的重要发展方向。然而，由于气凝胶纤维在轴向方向的多孔结构，导致其机械性能与高孔隙率难以兼顾，且热稳定性较差，制备工艺复杂。同时，目前报道的气凝胶纤维多为新型化学纤维材料，制备复杂，成本较高，而对于传统化学纤维进行气凝胶结构构筑鲜有报道。因此如何对传统化纤进行改性制备气凝胶纤维，赋予其优异的隔热保暖性能是推动传统化纤材料转型的重要途径之一。

火灾是目前最普遍的主要灾害之一，严重威胁公众安全和社会发展，随着经济社会不断进步，防范火灾成为保障公众安全、降低经济损失的重要方面。一般而言，织物材料具有较低的燃烧点，这主要是因为织物多为天然纤维或者聚合物纤维，而火灾的发生往往伴随着环境中织物的快速燃烧和火焰传播，因此对于织物材料的阻燃性能越来越受到关注。为赋予织物阻燃性能，目前主要方法是采用添加阻燃剂进行改善，如含卤阻燃剂，虽然具有较好的阻燃效果，但初期燃烧会产生对环境和人体健康造成严重危害的有毒物质，特别是溴化物能够产生对人体伤害性较大的神经毒素和致癌物质。在含卤阻燃剂因毒性等安全问题被限制使用条件下，磷系阻燃剂被认为是目前较为有效的阻燃剂，常见的有磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、丁苯系磷酸酯、丙苯系磷酸酯等。然而磷系阻燃剂挥发性大且相容性较差，其阻燃机理主要是通过促进熔滴而使得燃烧热快速释放达到阻燃效果，但是熔融滴落极易造成二次火灾或人体伤害。