一种微纳米纤维膜及其制备方法和应用

本发明属于纤维膜，具体涉及一种微纳米纤维膜及其制备方法和应用。背景技术：1、空调、风扇等传统制冷系统的用电量约占总电力消耗的20％，这些传统制冷系统还会排放大量的温室气体，加剧全球变暖。能源的大量消耗是源于能源的低效率使用，空调、风扇等传统制冷系统只能够调节整个建筑空间的温度，而人体所需调节温度空间小，这就造成了能源的浪费。同时，传统制冷系统仅仅适用于室内环境，不可能应用于室外大环境。2、与传统的空间制冷相比，辐射制冷技术主要依赖于使用高太阳反射率、高红外发射率的特定材料和结构设计，优化其表面的辐射特性，最大限度抵挡太阳光吸收能量，使得辐射散热能量高于太阳光吸收能量，使得热能以辐射形式释放到环境中，从而实现冷却效果。因此，在织物上赋予辐射制冷性能，不仅可以调节穿着者的体表热量，而且将制冷系统应用于室外大环境，能够逐渐取代传统空间制冷技术，有利于节约能源、缓解温室效应问题。在户外环境中工作的人除了要保持热舒适性外，还要避免恶劣环境对其影响。防水透湿织物不仅能够抵挡雨水，可以有效地阻止水分渗透到织物内部，同时还具有良好的透湿性，可以让汗液蒸发出去，保持身体干燥和舒适，避免了汗液不能及时排出以及汗液滞留产生的闷湿环境，而造成中暑、热射病和皮肤发痒、感染等严重后果。将辐射制冷与防水透湿性能赋予在同一种织物上，既能有效应对高温天气下的炎热环境，又可以在潮湿环境中保持干爽，具有多功能性穿着优势，还有利于保护身体健康和促进活动的舒适进行。相关技术中，具有被动辐射制冷功能的涂层纺织品，是将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯等溶解至有机溶剂中，加入纳米二氧化硅作致孔剂，搅拌均匀，制得分散液；然后将分散液浇筑至表面具有微米级凸起的模板上，并将基底贴附于分散液上，制备涂层基底；最后将制得的涂层基底脱致孔剂即得所述涂层纺织品。该技术是仅在棉织物或锦纶织物表面上涂覆辐射制冷分散液，该涂层纺织品在反复使用的过程中，涂层一定会产生磨损，辐射制冷性能就会降低，耐用性较差。还有研发人员通过自制装置制备防水透湿tpu复合薄膜。首先打开加热装置；待升温到设定温度后，打开电机，向料斗内投入tpu，tpu在螺杆的作用下向前流动，直至喷头内部的熔体环形流道，打开热风枪，向喷头的中心进气孔通入热气流；确保熔体稳定流入纺丝箱，在箱中熔体被过滤并被压入多孔喷丝板中喷出熔体细流，再经调温风箱吹出的冷风快速冷凝而成纤维。该技术是主要将热塑性聚氨酯变成熔体进行纺丝，属于熔融纺丝。3、目前，市面上的功能性织物在制备方法、使用原材料等方面具有过于复杂、成本较高、污染环境，耐用性较差等缺陷。基于此，亟需开发一种新型纳米纤维膜，不仅可以解决个人热舒适问题，还赋予其防水透湿功能，以此保证人体热湿舒适性。技术实现思路1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种微纳米纤维膜，可以促进热湿平衡，赋予纤维膜优异的力学性能，其小而多的孔结构还能够增强拒液性以及透气性。2、本发明还提供了一种微纳米纤维膜的制备方法。3、本发明还提供了一种由微纳米纤维膜制备得到的功能服装。4、本发明的第一方面提供了一种微纳米纤维膜，所述微纳米纤维膜由亚微米级纤维和纳米级纤维交织形成，所述微纳米纤维膜中分布有水性含氟材料和无机导电剂。5、本发明关于微纳米纤维膜的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：6、本发明的微纳米纤维膜具有微纳米结构，较粗的微纳米纤维因直径的增大会增加其截面积，从而增加了承受外部力的能力，起到增强力学性能的作用。较细的纳米纤维产生的微孔结构可以有效地阻止液体水的渗透，这些微孔又足够小，可以让水汽通过，保证其透气性与透湿性能良好。因此，微纳米纤维膜具有微纳米结构，可以促进热湿平衡，赋予纤维膜优异的力学性能，其小而多的孔结构还能够增强拒液性以及透气性。7、水性含氟材料中含有氟碳链段，这些链段具有高度疏水性，使得材料表面不易与水接触。同时氟元素向纳米纤维膜表面迁移和富集，使纳米纤维膜的表面能降低，意味着表面张力较小，疏水性增加，这导致水滴在表面上形成较为圆滑的形状，不容易被吸附或渗透，从而增强了疏水性能。相较于烷烃链段、硅氧烷链段等，氟碳链段的疏水性能更为优异。此外，在氟碳链段中，氟原子的电负性比碳原子高，因此氟碳链具有较强的极性，使得分子之间的作用力增强，分子间距减小，从而导致辐射传热性能提高。氟碳链段还具有较高的反射率，能够增强材料散失热量，提高辐射制冷效果。8、无机导电剂使微纳米纤维膜制备过程的溶液中的电荷密度提高，电导率提高，从而产生了优异的拉伸力。这种优异的拉伸力能从聚合物流体射流中产生精细的纳米纤维。随着纺丝时间的增长，一根根精细的纳米纤维最终堆积出了相互连接的“网”。9、根据本发明的一些实施方式，所述亚微米级纤维可以是聚酰胺6纤维。10、根据本发明的一些实施方式，所述纳米级纤维可以是聚酰胺6纤维。11、聚酰胺6是太阳反射率高以及优异的红外透过材料，具有其它材料所不具备的高太阳反射率和红外发射率，能够将人体辐射的红外最大程度辐射至外太空，从而达到制冷的作用。对于能够自动调节温度、适应气候变化的智能织物的需求日益增长，使用聚酰胺6纤维满足了这一需求。12、根据本发明的一些实施方式，所述水性含氟材料包括碳8防水剂和碳6防水剂中的至少一种。13、根据本发明的一些实施方式，所述水性含氟材料包括含氟丙烯酸树脂、全氟辛基乙基丙烯酸酯和丙烯酸(n-甲基全氟己基磺酰胺基)乙酯中的至少一种。14、根据本发明的一些实施方式，所述无机导电剂包括硝酸银、四丁基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、氯化镁和氯化锂中的至少一种。15、根据本发明的一些实施方式，所述亚微米级纤维的直径为130nm～190nm。16、根据本发明的一些实施方式，所述亚微米级纤维的直径可以为130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm中的任一值或任意两者形成的范围值。17、根据本发明的一些实施方式，所述纳米级纤维的直径为35nm～55nm。18、根据本发明的一些实施方式，所述纳米级纤维的直径可以为35nm、40nm、45nm、50nm、55nm中的任一值或任意两者形成的范围值。19、本发明的第二方面提供了一种制备所述的微纳米纤维膜的方法，包括分别配制高浓度纺丝液和低浓度纺丝液，通过静电纺丝形成所述微纳米纤维膜的步骤。20、本发明关于微纳米纤维膜的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：21、本发明制备方法制备出的微纳米纤维膜具有微纳米结构，高浓度的纺丝溶液具有更高的粘度，这会导致纤维在拉伸时的拉伸速度减慢，从而使纤维直径增大。较粗的纤维因直径的增大会增加其截面积，从而增加了承受外部力的能力，起到增强力学性能的作用。在低浓度纺丝液中加入一定量的无机物质，可以使溶液中的电荷密度提高，电导率提高，从而产生了优异的拉伸力。这种优异的拉伸力能从聚合物流体射流中产生精细的纳米纤维。随着纺丝时间的增长，一根根精细的纳米纤维堆积出了相互连接的“网”。这些由精细的纳米纤维产生的微孔结构可以有效地阻止液体水的渗透，这些微孔又足够小，可以让水汽通过，保证其透气性与透湿性能良好。因此，具有微纳米结构纤维可促进热湿平衡，赋予纤维膜优异的力学性能，其小而多的孔结构还能够增强拒液性以及透气性。22、本发明通过配制醇溶性聚酰胺6(pa6)的不同浓度(高浓度纺丝液以及低浓度纺丝液)，加入水性含氟材料与无机导电剂，采用静电纺丝技术(即高浓度纺丝液与低浓度纺丝液同时纺丝)，形成微纳米结构纤维，即形成较粗的纤维以及较细的网状纤维，一步即可制备出同时具有辐射制冷与防水透湿性能的纤维膜。23、和现有技术的熔融法相比，本发明可以将原料溶于乙醇，配制纺丝液，使用静电纺丝技术制备得到纤维膜，采用静电纺丝技术制备的纤维膜具有纤维直径小，比表面积大、多孔性、质量轻、力学性能优异等特点，一步便可制成具有辐射制冷与防水透湿性能的纤维膜，其工序少，操作简便，从而很大地提高生产效率，可批量生产。24、和现有技术相比，本发明是通过配制纺丝液，使用静电纺丝技术制备得到纤维膜。利用聚酰胺6具有高太阳反射、高红外发射特点与水性含氟材料中的氟碳链段能够增强散失热量，从而实现辐射制冷性能，因此耐用性较好。25、本发明的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，反应条件不苛刻，原料易得，生产成本低，容易工业化生产。26、根据本发明的一些实施方式，所述高浓度纺丝液中含有14wt％～15wt％的醇溶性聚酰胺6和3wt％～9wt％的所述水性含氟材料。27、根据本发明的一些实施方式，所述高浓度纺丝液中醇溶性聚酰胺6的浓度可以是14.1wt％、14.2wt％、14.3wt％、14.4wt％、14.5wt％、14.6wt％、14.7wt％、14.8wt％、14.9wt％、15wt％中的任一值或任意两者形成的范围值。28、根据本发明的一些实施方式，所述高浓度纺丝液中水性含氟材料的浓度可以是3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％中的任一值或任意两者形成的范围值。29、根据本发明的一些实施方式，所述低浓度纺丝液中含有4wt％～5wt％的醇溶性聚酰胺6、3wt％～9wt％的所述水性含氟材料和1wt％～2wt％的所述无机导电剂。30、根据本发明的一些实施方式，所述低浓度纺丝液中醇溶性聚酰胺6的浓度可以是4.1wt％、4.2wt％、4.3wt％、4.4wt％、4.5wt％、4.6wt％、4.7wt％、4.8wt％、4.9wt％、5wt％中的任一值或任意两者形成的范围值。31、根据本发明的一些实施方式，所述低浓度纺丝液中水性含氟材料的浓度可以是3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％中的任一值或任意两者形成的范围值。32、根据本发明的一些实施方式，所述低浓度纺丝液中无机导电剂的浓度可以是1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％、2wt％中的任一值或任意两者形成的范围值。33、使用低浓度纺丝液为了纺出直径较小的精细纤维。在低浓度纺丝液中加入无机导电剂，使纺丝液的电荷密度提高、电导率提高，在静电纺丝中产生优异拉伸力，进一步形成精细纤维。高浓度纺丝液纺出的纤维直径较大，两者配合才形成微纳米结构纤维膜，所以无机导电剂只能加入低浓度纺丝液。34、根据本发明的一些实施方式，所述静电纺丝中，电压可以是25kv～30kv。35、根据本发明的一些实施方式，所述静电纺丝中，灌注速度可以是1.8ml/h～2ml/h。36、根据本发明的一些实施方式，所述静电纺丝中，纺丝时接收距离可以是14cm～16cm。37、根据本发明的一些实施方式，所述静电纺丝中，纺丝时温度可以是25℃～27℃。38、根据本发明的一些实施方式，所述静电纺丝中，纺丝时的相对湿度可以是40％～50％。39、根据本发明的一些实施方式，高浓度纺丝液和低浓度纺丝液中的溶剂可以是无水乙醇。40、根据本发明的一些实施方式，微纳米纤维膜的制备方法可以是：41、s1、配制高浓度纺丝液，混合质量分数为14wt％～15wt％醇溶性聚酰胺6的和质量分数为3wt％～9wt％水性含氟材料于溶剂中；42、s2、配制低浓度纺丝液，混合质量分数为4wt％～5wt％醇溶性聚酰胺6、质量分数为3wt％～9wt％水性含氟材料和质量分数为1wt％～2wt％的无机物质于溶剂中；43、s3、将油光纸作为静电纺丝的接收基材，通过静电纺丝将所述混合溶液纺于油光纸上，得到具有辐射制冷性能与防水透湿性能纳米纤维膜。44、s4、将制备的纤维膜取下并放置于80℃干燥箱进行干燥2h，去除残留的溶剂，即可得到具有辐射制冷与防水透湿性能的纳米纤维膜。45、本发明的第三方面提供了一种功能服装，由本发明的微纳米纤维膜制备得到。46、本发明关于功能服装的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：47、优异的力学性能：微纳米结构的纤维膜由亚微米级和纳米级纤维交织而成，这增加了纤维膜的承载能力和耐久性，使其在承受外部力时表现出优异的机械性能。48、防水透湿性能：微纳米纤维膜中分布有水性含氟材料，这提高了材料的疏水性，使得水滴在表面形成圆滑的形状，从而增强了防水性能。同时，纳米级纤维产生的微孔结构可以有效地阻止液体水的渗透，但又足够小，可以让水汽通过，保证了透湿性能。49、辐射制冷效果：微纳米纤维膜中含有氟碳链段，这些链段具有较高的反射率，能够增强材料的散失热量，提高辐射制冷效果。此外，氟碳链段的极性和分子间距的减小还能够提高辐射传热性能。50、电导率提高：无机导电剂的添加提高了微纳米纤维膜的电导率，这有助于提高纤维膜的拉伸力和稳定性，使其更适用于各种功能服装的制备过程中。51、综上所述，由上述微纳米纤维膜制得的功能服装可能具有防水透湿、辐射制冷、优异的力学性能和电导率提高等多种有益效果，使其在户外运动、防护服装等领域具有广泛的应用前景。