聚乙二醇在調(diào)溫紡織品中最佳配比的研究

田娜娜　劉艷君

西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048

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聚乙二醇在調(diào)溫紡織品中最佳配比的研究

田娜娜劉艷君

西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048

取兩種不同聚乙二醇按不同摩爾分?jǐn)?shù)比復(fù)合，再通過施羅德公式計(jì)算所得相變復(fù)合材料的相變溫度，并通過理論體系組圖找出最低共熔點(diǎn)的摩爾分?jǐn)?shù)比；再根據(jù)所得摩爾分?jǐn)?shù)比進(jìn)行不同聚乙二醇的復(fù)合，利用DSC曲線確定不同聚乙二醇復(fù)合的最佳摩爾分?jǐn)?shù)比。此法能有效縮減復(fù)合試驗(yàn)次數(shù)，快速找出滿足人體舒適度要求的相變復(fù)合材料的最佳摩爾分?jǐn)?shù)比。

聚乙二醇，復(fù)合，摩爾分?jǐn)?shù)比，DSC曲線，施羅德公式

聚乙二醇(PEG)能在紡織品調(diào)溫相變材料中發(fā)揮舉足輕重的作用，但單一聚乙二醇因相變溫度過高，在調(diào)溫功能性方面存在局限性，而利用加熱共熔法將兩種聚乙二醇復(fù)合，制得相變復(fù)合材料，可彌補(bǔ)這一缺陷。制得的相變復(fù)合材料的相變溫度能達(dá)到一個(gè)新的最低點(diǎn)，且低于其中任一種相變材料，可滿足人體舒適度要求。

本文選擇了四種不同的聚乙二醇(表1)，通過將PEG-800、藥用PEG-1000和PEG-1000、PEG-1500進(jìn)行兩兩復(fù)合，再利用DSC曲線及施羅德公式，以期快速找出相變復(fù)合材料中不同聚乙二醇的最佳摩爾分?jǐn)?shù)比。 其中，藥用PEG-1000還具有保健功能。

表1　聚乙二醇試劑

1　單一聚乙二醇

1.1DSC測(cè)試方法和步驟

采用差示掃描量熱法對(duì)聚乙二醇相變材料的相變行為進(jìn)行表征。差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry，簡稱DSC)是用于精確測(cè)試待測(cè)物質(zhì)的熱活性參數(shù)(如相變溫度、相變焓)的一種儀器。DSC測(cè)試具體步驟：

(1) 利用稱量精度為0.01 mg的電子天平分別稱取不同的聚乙二醇，樣品質(zhì)量控制在5.00～10.00 mg。減少樣品質(zhì)量雖可以提高分辨率，但測(cè)試靈敏度會(huì)降低，峰值溫度偏低；而增多樣品質(zhì)量雖可以提高測(cè)試靈敏度，但分辨率會(huì)降低，峰值溫度偏高。故應(yīng)將樣品質(zhì)量控制在一定范圍內(nèi)。

(2) 以N2作為保護(hù)氣，利用DSC對(duì)這四種單一的聚乙二醇相變材料進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，溫度從0.0 ° C 升到100.0 °C，升溫速率設(shè)置為10.0 °C/min，得到的四種聚乙二醇相變材料的DSC曲線如圖1所示。

(a) PEG-800

(b) 藥用PEG-1000

(c) PEG-1000

(d) PEG-1500

1.2DSC測(cè)試結(jié)果分析

從圖1可以看出，各DSC曲線圖中都出現(xiàn)了明顯的峰，且峰的形狀、大小、位置因聚乙二醇的不同而不同。四種單一聚乙二醇相變材料的相變溫度與相變焓歸納于表2。

表2　單一聚乙二醇相變材料的DSC測(cè)試結(jié)果

從表2可知，單一聚乙二醇相變材料都有各自特定的相變溫度和相變焓。本文將PEG-800、藥用PEG-1000和PEG-1000、PEG-1500按不同摩爾分?jǐn)?shù)比進(jìn)行兩兩復(fù)合，采用加熱共熔法制備出新的相變復(fù)合材料，使其相變溫度落在具體應(yīng)用領(lǐng)域所要求的溫度范圍內(nèi)。這種新形成的相變復(fù)合材料既具有單一聚乙二醇相變材料各自的優(yōu)點(diǎn)，又能在一定程度上解決單一聚乙二醇相變材料因相變溫度過高等缺點(diǎn)導(dǎo)致其使用存在局限性的問題。所得相變復(fù)合材料可通過后整理法添加到紡織品中以開發(fā)調(diào)溫紡織品。

2　聚乙二醇的復(fù)合

2.1施羅德公式

將純相變材料的復(fù)合看成理想溶液模型，復(fù)合物的熔化溫度總是低于純化合物，這樣兩組分體系復(fù)合便能達(dá)到一個(gè)最低的熔點(diǎn)，即最低共熔點(diǎn)。若將具有最低共熔點(diǎn)的溶液冷卻，使其在最低共熔點(diǎn)全部凝固，則該最低共熔點(diǎn)即為相變復(fù)合材料的相變溫度。且已有研究表明：不同的聚乙二醇按不同摩爾分?jǐn)?shù)比復(fù)合時(shí)，利用施羅德公式計(jì)算得到的最低共熔點(diǎn)非常接近實(shí)際測(cè)試得到的最低共熔點(diǎn)[1]。本文為縮減復(fù)合試驗(yàn)的次數(shù)，更快找到適合人體所需的不同聚乙二醇復(fù)合的摩爾分?jǐn)?shù)比，選擇采用施羅德公式計(jì)算不同聚乙二醇復(fù)合所對(duì)應(yīng)的相變溫度，以代替大量的實(shí)際測(cè)試[2-5]。

施羅德公式:

式中：T——含化合物A的混合物的相變溫度，K；

Tf——純化合物A的相變溫度，K；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.315 J/(K·mol) ；

xA——混合物中化合物A(主要成分)的摩爾分?jǐn)?shù)；

2.2兩種聚乙二醇復(fù)合的理論分析

選擇將PEG-800、藥用PEG-1000和PEG-1000、PEG-1500進(jìn)行兩兩復(fù)合。

2.2.1PEG-800與PEG-1000復(fù)合

由表2可知，PEG-800的相變溫度為47.7 °C(即320.85 K)，相變焓為194.8 J/g；PEG-1000的相變溫度為46.3 °C(即319.45 K)，相變焓為151.9 J/g。根據(jù)施羅德公式可分別得到PEG-800摩爾分?jǐn)?shù)從0.1到0.9 和PEG-1000摩爾分?jǐn)?shù)從0.1到0.9時(shí)，復(fù)合物的理論相變溫度(表3和表4)。

表3　PEG800不同摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)復(fù)合物的理論相變溫度

表4　PEG1000不同摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)復(fù)合物的理論相變溫度

由PEG-800與PEG-1000構(gòu)成的理論體系組圖如圖2所示。

圖2　PEG-800與PEG-1000構(gòu)成的理論體系組圖

圖2中，左邊為PEG-1000作為主要成分的相變復(fù)合材料的相變溫度曲線；右邊為PEG-800作為主要成分的相變復(fù)合材料的相變溫度曲線。兩條曲線在PEG-800與PEG-1000的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.5∶0.5與0.6∶0.4之間相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為PEG-800與PEG-1000復(fù)合體系理論的最低共熔點(diǎn)(即相變溫度)。

2.2.2PEG-800與PEG-1500復(fù)合

由表2可知，PEG-1500的相變溫度為45.8 °C(即318.95 K)，相變焓為179.0 J/g。根據(jù)施羅德公式可計(jì)算得到PEG-1500摩爾分?jǐn)?shù)從0.1到0.9時(shí)，復(fù)合物的理論相變溫度(表5)。

表5　PEG1500不同摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)復(fù)合物的理論相變溫度

由PEG-800與PEG-1500構(gòu)成的理論體系組圖如圖3所示。

圖3　PEG-800與PEG-1500構(gòu)成的理論體系組圖

圖3中，左邊為PEG-1500作為主要成分的相變復(fù)合材料的相變溫度曲線；右邊為PEG- 800作為主要成分的相變復(fù)合材料的相變溫度曲線。兩條曲線在PEG-800與PEG-1500的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.4∶0.6與0.5∶0.5之間相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為PEG-800與PEG-1500復(fù)合體系理論的最低共熔點(diǎn)(即相變溫度)。

2.2.3藥用PEG-1000與PEG-1000復(fù)合

由表2可知，藥用PEG-1000的相變溫度為41.7 °C(即314.85 K)，相變焓為176.7 J/g。根據(jù)施羅德公式可計(jì)算得到藥用PEG-1000摩爾分?jǐn)?shù)從0.1到0.9時(shí)，復(fù)合物的理論相變溫度(表6)。

表6　藥用PEG1000不同摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)復(fù)合物的理論相變溫度

由藥用PEG-1000與PEG-1000構(gòu)成的理論體系組圖如圖4所示。

圖4　藥用PEG-1000與PEG-1000構(gòu)成的理論體系組圖

圖4中，左邊為藥用PEG-1000作為主要成分的相變復(fù)合材料的相變溫度曲線，右邊為PEG-1000 作為主要成分的相變復(fù)合材料的相變溫度曲線。兩條曲線在藥用PEG-1000與PEG-1000的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8∶0.2與0.7∶0.3之間相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為藥用PEG-1000與PEG-1000復(fù)合體系理論的最低共熔點(diǎn)(即相變溫度)。

2.2.4藥用PEG-1000與PEG-1500復(fù)合

由藥用PEG-1000與PEG-1500構(gòu)成的理論體系組圖如圖5所示。

圖5　藥用PEG-1000與PEG-1500構(gòu)成的理論體系組圖

圖5中，左邊為PEG-1500作為主要成分的相變復(fù)合材料的相變溫度曲線，右邊為藥用PEG-1000 作為主要成分的相變復(fù)合材料的相變溫度曲線。兩條曲線在藥用PEG-1000與PEG-1500的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8∶0.2與0.9∶0.1之間相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為藥用PEG-1000與PEG-1500復(fù)合體系理論的最低共熔點(diǎn)(即相變溫度)。

3　相變復(fù)合材料復(fù)配方案及其最佳配比的確定

有研究表明：在正常狀況下，人體內(nèi)部溫度較恒定、均勻，腋下溫度一般在36.0～37.0 °C，其他體表溫度會(huì)受天氣等多種因素影響而有所差異。外界溫度略偏高時(shí)，人體會(huì)通過出汗、毛細(xì)血管擴(kuò)張等方式加快熱量散失；外界溫度略偏低時(shí)，人體會(huì)通過戰(zhàn)栗、毛細(xì)血管收縮等方式抵御外界寒冷；但當(dāng)人體與外界環(huán)境溫度相差較大時(shí)，則需通過服裝來調(diào)節(jié)人體與環(huán)境之間的能量交換。制備相變溫度接近人體皮膚溫度的相變復(fù)合材料，可使人體獲得舒適感[6-7]。

根據(jù)2.2節(jié)分析得到的最低共熔點(diǎn)處兩種不同聚乙二醇的摩爾分?jǐn)?shù)比制備相變復(fù)合材料，并采用DSC對(duì)制得的相變復(fù)合材料的相變溫度和相變焓進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖6～圖9。

(a) 摩爾分?jǐn)?shù)比為0.5 ∶0.5

(b) 摩爾分?jǐn)?shù)比為0.6 ∶0.4圖6　PEG-800與PEG-1000復(fù)合

(a) 摩爾分?jǐn)?shù)比為0.4 ∶0.6

(b) 摩爾分?jǐn)?shù)比為0.5 ∶0.5圖7　PEG-800與 PEG-1500復(fù)合

(a) 摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8 ∶0.2

(b) 摩爾分?jǐn)?shù)比為0.7 ∶0.3圖8　藥用PEG-1000 與PEG-1000復(fù)合

(a) 摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8 ∶0.2

(b) 摩爾分?jǐn)?shù)比為0.9 ∶0.1圖9　藥用PEG-1000與PEG-1500復(fù)合

由圖6可以看出：當(dāng)PEG-800和PEG-1000的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.5∶0.5時(shí)，所得相變復(fù)合材料的相變溫度為47.3 °C，調(diào)溫區(qū)間為47.3～55.9 °C，相變焓為167.8 J/g；當(dāng)兩者的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.6∶0.4時(shí)，所得相變復(fù)合材料的相變溫度為47.4 °C，調(diào)溫區(qū)間為47.4～ 53.6 °C，相變焓為168.0 J/g。

由圖7可以看出：當(dāng)PEG-800和PEG-1500的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.4∶0.6時(shí)，所得相變復(fù)合材料的相變溫度為48.1 °C，調(diào)溫區(qū)間為48.1～54.0 °C，相變焓為136.6 J/g；當(dāng)兩者的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.5∶0.5時(shí)，所得相變復(fù)合材料的相變溫度為38.2 °C，調(diào)溫區(qū)間為38.2～ 51.9 °C，相變焓為155.6 J/g。

由圖8可以看出：當(dāng)藥用PEG-1000和PEG-1000 的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8∶0.2時(shí)，所得相變復(fù)合材料的相變溫度為27.6 °C，調(diào)溫區(qū)間為27.6～42.4 °C， 相變焓為136.1 J/g；當(dāng)兩者的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.7∶0.3時(shí)，所得相變復(fù)合材料的相變溫度為23.3 °C， 調(diào)溫區(qū)間為23.3～48.9 °C，相變焓為173.5 J/g。

由圖9可以看出：藥用PEG-1000和PEG-1500 在摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8∶0.2時(shí)制備的相變復(fù)合材料的相變溫度為30.9 °C，調(diào)溫區(qū)間為30.9～47.4 °C，相變焓為163.4 J/g；當(dāng)兩者的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.9∶0.1時(shí)制備的相變復(fù)合材料的相變溫度為32.6 °C，調(diào)溫區(qū)間為32.6～ 45.0 °C，相變焓為150.4 J/g。

從相變溫度的角度考慮，PEG-800與PEG-1500 的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.5∶0.5，藥用PEG-1000與PEG-1500的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8∶0.2和0.9∶0.1，所得相變復(fù)合材料的相變均滿足人體舒適度要求，其中藥用PEG-1000與PEG-1500的摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8∶0.2 時(shí)所得相變復(fù)合材料的相變焓稍微偏大。加之藥用PEG-1000還具有保健功能。故綜合考慮最終確定選擇摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8∶0.2的藥用PEG-1000與PEG-1500制備相變復(fù)合材料。

4　結(jié)論

先通過對(duì)四種單一相變材料進(jìn)行DSC測(cè)試，得到不同規(guī)格聚乙二醇的相變溫度和相變焓；再利用施羅德公式計(jì)算出兩兩復(fù)合的聚乙二醇相變復(fù)合材料的理論最低共熔點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的摩爾分?jǐn)?shù)比；最后結(jié)合試驗(yàn)及DSC測(cè)試結(jié)果，確定使用摩爾分?jǐn)?shù)比為0.8 ∶0.2 的藥用PEG-1000與PEG-1500 制備相變復(fù)合材料，符合開發(fā)滿足人體舒適度要求的智能調(diào)溫、保健面料的需要。

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Study on optimum ratio of polyethylene glycol used in thermo-regulation textiles

TianNa’na,LiuYanjun

Textile and Materials College，Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048，China

Two kinds of different polyethylene glycols (PEGs) were selected and recombined according to different molar ratio. And then transition temperatures of phase-change compound materials were calculated with Schroeder formula, and molar ratios at the lowest eutectic point were obtained with theoretical system diagram. Finally, different PEGs were recombined with the molar ratios obtained, and the best molar ratios for different PEGs’ recombination could be determined with DSC curve.This method could effectively reduce the number of compound experiments, and quickly find out the optimum molar ratio of phase change compound materials to meet the requirements of human body’s comfort.

PEG, composite, molar ratio，DSC curve， Schroeder formula

2015-08-27

2015-09-15

田娜娜，女，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橄嘧儾牧显谡{(diào)溫針織面料中的應(yīng)用

TS184.8

A

1004-7093(2016)07-0022-06