CN105164323A - 提供改进的红外发射率的聚合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开掺入了红外发射材料的聚合物纤维和膜。这些纤维和膜可以装载的红外发射材料的浓度比以前认为可能装载的红外发射材料浓度更高。得到的聚合材料的红外发射率可以通过增加这些纤维和膜的表面积得以提高。还公开了纤维或膜与其它基底层的层压材料。

Description

提供改进的红外发射率的聚合材料

相关申请

本申请涉及和要求2013年3月15日提交的序列号为61/792,414的美国专利申请的权益，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及提供改进的红外(IR)发射率的聚合材料。包括聚合物膜和纤维状网的聚合材料包含红外发射添加剂，所述红外发射添加剂可以为接触或接近所述聚合材料的活体组织提供健康益处。

发明背景

红外线(IR)照射是从高于绝对零度的所有物理对象发出的辐射热。红外发射体的理想例子是绝对黑体，其既不反射也不透射撞击它的能量，而是吸收所有撞击它的能量。所述黑体，然后在稳定状态下以取决于其温度的频率重新发射该吸收的能量。黑体具有100％的发射率、0％的反射率，以及0％的透射率。

针对对活体组织的明显好处，对发射的红外能量进行了研究。红外线似乎提高了重要的生物活性，诸如扩大微毛细管以提高血流量、促进血液的氧含量，并改善养分运输进出细胞。

对接近黑体的材料感兴趣，因为它们可以从诸如日光、人造光、体热、其它环境热量、电磁能量等来源吸收环境能量，然后在稳定状态下，再发射这种能量。特别感兴趣的是发射红外能量、尤其是发射在远红外光谱的4至14微米波长范围内的红外能量的材料，认为该波长范围内的红外能量是特别有益的。以这种方式发射能量的这些材料可非常有益于增强活组织的健康的生物活性。有证据表明，例如，包含这些红外发射材料的包装材料有助于保持和延长食品的新鲜度，所述食品例如生鲜农产品和肉制品。也有证据表明，服装、医疗设备、毛毯和其它类似的耐用品可以增强活物(livingcreatures)(包括人类)的身体的健康和幸福。这样的耐用品已被证明可以减少炎症、提高血液氧合和其它天然健康诱导的生物学功能、和在体力活动中(例如锻炼和运动)改善表现。由于这些原因，红外发射材料有时被描述为存在“生物活性”。

适合的红外发射材料来自许多来源。各种矿物质和无机材料已被证明表现出红外发射性能。一些有机材料也具有这些性能。已经发现，当被粉碎成细粉末(包括纳米尺寸的微粒)时，红外发射材料效果最佳。所述粉末可应用于基础材料(如织物、薄膜或其它固体物体)的表面。所述粉末也可混入涂料或油漆并应用于固体物体的表面。所述粉末也可混入液体或熔融基质(诸如熔融的热塑性聚合物)，然后模塑成有用的物体。

然而，这些红外发射材料有缺点。它们中的许多通常非常昂贵。由于它们的高成本，所以这些材料往往仅用于非常高端的耐用品。而且，这些材料可能难以并入到生活消费品。如上所述，当粉碎成细粉末时这些材料是最有效的。将这种粉末并入生活消费品可带来挑战。基于矿物的或无机的红外发射粉末对用于大多数生活消费品的有机材料不具有自然亲和力。对于服装，可将红外发射粉末喷涂到天然纤维(如棉、亚麻和羊毛)的表面，但由于磨损，在穿着期间或当洗涤衣物时这些粉末可能被除去或失去。将红外发射粉末并入合成聚合物是可行的。但是存在以下限制：在聚合材料不再能加工之前，可以混入像纤维或薄膜之类的薄聚合材料中的红外发射粉末是多少。例如，已经发现在加工期间纤维变得非常容易破裂之前，无机红外发射粉末在不超过约1-3％的浓度下可成功地混入聚合物纤维中。还不清楚含有如此低水平红外发射粉末的服装、窗帘、毛毯、绷带和其它类似的生活消费品是否有效提供了如这些材料承诺的健康益处。较高浓度的红外发射粉末也削弱了挤塑薄膜。

因此，为了给活体组织带来益处，对改善材料尤其是掺入了红外发射粉末的合成聚合材料存在持续的需求。非常需要减少这些聚合材料的成本，因为是正在改善包含在材料中的红外发射粉末的性能。

发明内容

在一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维在双组分或多组分纤维的组分中掺入红外发射粉末。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维在鞘芯型双组分或多组分纤维的鞘层中掺入红外发射粉末。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维在海中岛型双组分或多组分纤维的岛中掺入红外发射粉末。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维掺入了红外发射粉末，其中所述聚合物纤维的表面积增加。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维掺入了红外发射粉末，其中由于纤维的横截面形状而使得聚合物纤维的表面积增加。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维掺入了红外发射粉末，其中所述聚合物纤维有被微纹理化的(microtextured)增加的表面积。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维掺入了红外发射粉末，其中所述聚合物纤维具有被破裂(cracked)的增加的表面积。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维掺入了红外发射粉末，其中所述聚合物纤维具有发泡的增加的表面积。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物纤维，所述聚合物纤维掺入了红外发射粉末，其中所述聚合物纤维的表面积增加，这是因为纤维分裂成微纤维。

在另一个实施方案中，本发明涉及多层聚合物膜，所述多层聚合物膜在多层薄膜的一个或多个层中掺入红外发射粉末。

在另一个实施方案中，本发明涉及多层聚合物膜，所述多层聚合物膜在多层薄膜的一个或多个表面层中掺入红外发射粉末。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物膜，所述聚合物膜掺入了红外发射粉末，其中所述膜的表面积增加。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物膜，所述聚合物膜掺入了红外发射粉末，其中所述膜有被微纹理化的增加的表面积。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物膜，所述聚合物膜掺入了红外发射粉末，其中所述膜具有被压花的(embossed)增加的表面积。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物膜，所述聚合物膜掺入了红外发射粉末，其中所述膜具有被破裂的增加的表面积。

在另一个实施方案中，本发明涉及聚合物膜，所述聚合物膜掺入了红外发射粉末，其中所述膜具有发泡的增加的表面积。

考虑到本发明的以下详细描述，本发明的其它实施方案将是显而易见的。

附图说明

鉴于附图，本发明将得到更充分理解，其中：

图1a-1c是双组分纤维常见结构的横截面图。

图2a-2d是常见非圆形纤维的横截面图。

图3是有一种组分集中在叶末端的三叶形双组分纤维的横截面图。

图4是鞘芯型双组分纤维的透视图，其中鞘是被微纹理化的(microtextured)。

图5是鞘芯型双组分纤维的透视图，其中鞘是有裂纹的。

图6a和6b是在它们被分裂成微纤维之前和之后两个双组分纤维的图示。

图7a和7b是显示本发明发泡和平坦聚合物膜的测量的发射率的曲线图。

具体实施方式

本发明人已经发现，聚合材料中的红外发射粉末的有效性可以以几种方式得到改善。例如，已经发现红外发射粉末的较高载荷可并入双组分或多组分纤维的一种组分中。纤维的填充组分提供红外发射特性，而纤维的未填充组分加强和支撑纤维的整体结构，尤其是在纺丝过程中。该多组分或多层效果也可在掺入红外发射粉末的聚合物膜中见到。本发明人还发现，增加聚合材料(不论以纤维或薄膜形式)的表面积可提高材料的发射率。

为了本公开的目的，下列术语定义如下：

“膜”指的是片状形式的材料，其中材料在x(长度)和y(宽度)方向的尺寸实质上大于在z(厚度)方向上的尺寸。所述膜具有的z方向的厚度在约1μm至约1mm的范围内。

“纤维”指的是线状形式的材料，其中材料在x(长度)方向的尺寸实质上大于在y(宽度)和z(厚度)方向上的尺寸。纤维可以是整个实心的，或它们可包含空心区域，如孔(cell)、气泡或管。短纤维可以相对短，长度(x尺寸)大约2-100mm。连续纤维(也被称为长丝)是连续地纺丝并且在长度上基本上是无限的。纤维通常具有的y和z尺寸具有小于数量级的不同，且这些尺寸在约0.1μm至约1mm的范围内。例如，典型的纤维的横截面可大致呈圆形，具有约5μm的直径(y和z尺寸)；或者，具有椭圆或长椭圆形横截面的典型的纤维可具有约10μm的宽度(y尺寸)但是约2μm的厚度(z方向)。

“双组分纤维”指的是包含两种明显不同的聚合物组分的纤维，所述两种组分同时挤出以形成纤维，但它们在所述纤维的结构内基本上保持分开并未混合。因此双组分纤维多少可与共挤出的多层聚合物膜相比。双组分纤维的典型截面结构包括鞘/芯、并排式、海中岛、馅饼状或橘子状结构。

“多组分纤维”指的是类似于双组分纤维的纤维，但其包括三个或更多明显不同的聚合物组分。对于本公开的目的，关于双组分纤维的任何陈述应合理理解为也包含多组分纤维。

“红外发射粉末”指的是能够吸收周围能量(光谱范围有限或宽广)然后再发射光谱中红外范围内的部分或所有该能量的任何材料，所述周围能量包括但不限制于光谱的微波、红外线、可见光、或紫外线范围的辐射。作为天然存在的矿物，可以开采红外发射材料，或可合成红外发射材料，然后通过粉碎、研磨、从溶液沉淀、结晶或其它类似的工艺加工成粉末。

“层压材料”作为名词指的是堆叠并结合的片状材料的层状结构，其堆叠并结合使得这些层横跨材料的最窄片的宽度实质上共同延伸。这些层可包括膜、织物、或片状的其它材料、或它们的组合。例如，层压材料可以是包括膜层和织物层的结构，所述膜层和织物层横跨它们的宽度结合在一起，以至于这两个层在正常使用下保持结合为单片。层压材料也可以被称为复合材料或涂覆材料。“层压”作为动词指的是形成这样的层状结构的工艺。

“共挤出”指的是制造多层聚合物膜的工艺。当多层聚合物膜由共挤出工艺制得时，包括所述膜的层的各聚合物或聚合物共混物由自身熔化。熔融的聚合物在挤压模内可以分层，并且熔融聚合物膜的各层基本上同时从模具中挤出。在共挤出的聚合物膜中，该膜的各层结合在一起但在膜内基本上保持为未混合和不同的层。这与混合多组分膜形成对比，混合多组分膜中的聚合物组分被混合，以制得以单层挤出的聚合物的基本均匀混合物或不均匀混合物。

“挤出层压”或“挤压涂覆”指的是为了在基底上涂覆聚合物膜并将基底和膜结合在一起，而将熔融聚合物的膜挤压到固体基底上的工艺。

“可伸展的(Stretchable)”和“可恢复的”是用于描述材料的弹性体性质的描述性术语。“可伸展的”意味着材料可通过拉力延伸到显著大于其初始尺寸的指定尺寸而不引起断裂。例如，在拉力下10cm长的材料可以被延伸到约13cm长而不引起断裂即可被描述为可伸展的。“可恢复的”意味着被拉力延伸到显著大于其初始尺寸的规定尺寸而不引起断裂的材料，在拉力释放时将恢复到其初始尺寸或足够接近初始尺寸的指定尺寸的材料。例如，在拉力下10cm长的材料可以被延伸到约13cm长而不引起断裂，并且其恢复到约10cm长或足够接近10cm的指定长度即可被描述为可恢复的。

“弹性体的”或“弹性体”指的是可延伸到其原始尺寸的至少约150％，且然后其在所施加拉力的方向恢复至不超过原始尺寸的120％的聚合物材料。例如，在拉力下，10cm长的弹性体膜应该延伸到至少约15cm，然后当撤掉拉力时其缩回至不超过约12cm。弹性体材料是既可伸展又可恢复的。

“可伸长的(Extensible)”指的是可延伸到其原始尺寸的至少约130％而不引起断裂，但是不显著恢复或恢复到超过原始尺寸的约120％的聚合物材料，因此其不是以上所定义的弹性体。例如，在拉力下，10cm长的可伸长膜应该延伸到至少约13cm，然后当撤掉拉力时其保持约13cm长或恢复到大于约12cm的长度。可伸长材料是可伸展的，但是无法恢复。

“脆性的”指的是高度抗拉伸并且不能被拉伸超过其原始尺寸的110％而不引起断裂或破裂的聚合材料。例如，在拉力下，10cm长的脆性膜不能被拉伸至超过约11cm而不破裂。当拉力去除时，脆性膜不会恢复或只是最低限度恢复。脆性材料既不可伸展也不可恢复。

当谈及膜时，“外皮”(skin/skins)指的是聚合物膜的另一中央芯的一侧或两侧上的聚合物膜的薄外层。例如，在AB或ABA膜结构的情况下，A层将是所述外皮。

当谈及膜时，“芯层”指的是不是外皮的、聚合物膜的较厚的一个内层或多个内层。例如，在AB膜中，B层比A层厚，B层是芯层。在ABA膜结构中，B层是芯。在ABCBA膜结构中，B和C层都是芯层。

“活化”或“使活化”指的是膜或纤维材料被拉伸的工艺。“有效发射率”表示从膜、织物或层压材料发射的光子数量(尤其是在光谱波长范围4-14微米内的红外光子)占撞击材料的总辐射能的百分比。

对于本发明，将红外发射粉末掺入聚合物基质中以形成聚合材料，例如聚合纤维或膜。本发明的红外发射粉末应该包括具有至少约50％、优选至少约65％、更优选至少约75％、更优选至少约85％的红外发射率的材料。红外发射粉末可以包含许多无机和有机材料。例如，许多金属氧化物可用作红外发射粉末。这些金属氧化物的例子包括，但不限于，氧化铝(Al₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化锆(ZrO₂)、二氧化钛(TiO₂)、二氧化硅(SiO₂)、三氧化二铬(Cr₂O₃)、铁氧体(ferrite)(FeO₂、Fe₃O₄)、尖晶石(MgOAl₂O₃)、氧化钡(BaO)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO₂)、以及三氧化钨(WO₃)。结晶质矿物，包括但不限于云母、方解石、水晶和电气石，其可用作红外发射粉末。尤其电气石(具有复杂的化学结构的硼硅酸盐矿物)是具有良好红外发射特性的矿物氧化物。非氧化物陶瓷，包括但不限于碳化硼(B₄C)、碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化钼(MoC)、碳化钨(WC)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si₃N₄)和氮化锆(ZrN)，也可以是红外发射材料。非金属红外发射材料包括石墨、炭黑和炭。金属和金属合金，包括但不限于钨、钼、钒、铂、镍、铜、镍铬合金、不锈钢和铝镍合金，其也可以用作红外发射粉末。本文所描述的红外发射材料的组合物、混合物、或共混物也可考虑为本发明的实施方案。

如前所述，为达本发明的目的，红外发射材料必须是细粉末。这些粉末的适当的颗粒大小包括横跨范围从约10nm至约10μm的颗粒。

本发明用作基质材料的聚合物包括任何可挤出的热塑性聚合物。用于聚合物基质材料的适合的聚合物包括，但不限于，聚烯烃，例如，聚乙烯均聚物和共聚物、及聚丙烯均聚物和共聚物、官能化的聚烯烃，聚酯，聚(环氧乙烷)，聚(酯-醚)，聚酰胺，包括尼龙，聚(醚-酰胺)，聚丙烯酸酯，聚丙烯腈，聚氯乙烯，聚醚砜，含氟聚合物，聚氨酯，苯乙烯系嵌段共聚物等等。聚乙烯均聚物包括低、中或高密度的那些和/或由高压或低压聚合形成的那些。聚乙烯和聚丙烯的共聚物包括，但不限于，具有C₄-C₈α-烯烃单体的共聚物，包括1-辛烯，1-丁烯，1-己烯和4-甲基戊烯。所述聚乙烯可为基本上直链的或是支链的，并且可使用催化剂(如Ziegler-Natta催化剂，金属茂络合物或单点催化剂或其它本领域众所周知的催化剂)通过本领域已知的各种工艺形成。合适的共聚物的实例包括，但不限于，共聚物如聚(乙烯-丁烯)、聚(乙烯-己烯)、聚(乙烯-辛烯)、和聚(乙烯-丙烯)、聚(乙烯-乙酸乙烯酯)、聚(乙烯-丙烯酸甲酯)、聚(乙烯-丙烯酸)、聚(乙烯-丙烯酸丁酯)、聚(乙烯-丙烯-二烯)(poly(ethylene-propylenediene))、和/或其聚烯烃三元共聚物。合适的聚酯包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。合适的聚酰胺包括尼龙6、尼龙6,6、和尼龙6,12。苯乙烯系嵌段共聚物包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)、苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯(SEBS)、苯乙烯-乙烯丙烯-苯乙烯(SEPS)和其它类似的聚合物。

生产含红外发射粉末的聚合纤维材料的一个问题是所述粉末可以使聚合物纤维难以纺纱。如果纤维中所述粉末的含量非常高，如大于纤维总质量的约1％至5％，使用常规纤维纺纱技术纺织纤维将变得非常难以进行。此外，在过去已经认为，高浓度的红外发射粉末非常粗糙而不能被掺入纤维中。令人担忧的是由于所述的粉末磨损，高负载的红外发射粉末会很快损坏纤维成形设备。

红外发射粉末可以掺入鞘芯型双组分纤维的鞘中，该粉末浓度比以前认为可能的浓度高得多。可以在纤维的鞘组分中掺入包括以重量计约1％、至多约10％、至多约20％、至多约25％、至多约30％、或至多约50％的浓度的红外发射粉末，并且仍然容易拉伸纤维，只要该双组分纤维的芯组分包含总纤维体积的至少约50％或更多即可。

红外发射粉末也可掺入到其它双组分或多组分纤维的一个或多个组分中。例如，红外发射粉末可以掺入多层鞘芯型纤维结构的一个或多个层中，如图1a所示。或者，红外发射粉末可以掺入海中岛双组分或多组分纤维的岛组分中，如图1b所示。或者，红外发射粉末可以掺入具“馅饼状”或“橘子状”横截面的双组分或多组分纤维的楔型物或壁中，如图1c所示。

对于双组分或多组分纤维，含有红外发射粉末的纤维组分可构成双组分纤维总体结构的至多约50％，其它纤维组分构成总纤维结构的剩余百分比。更优选地，红外发射组分可构成总纤维结构的至多约30％、至多约25％、至多约20％、至多约15％、或至多约10％，其它纤维组分构成总纤维结构的剩余百分比。

增加聚合物纤维的表面积可以增加材料的红外发射率。通过增加纤维的活性表面积，会有更多的区域来捕获和吸收冲击辐射，从而增加了红外发射粉末颗粒遇到和吸收冲击辐射的机会，然后作为红外光谱中的光子转换并重新发射该能量。红外发射粉末可掺入表面积增加的整个纤维中，或者所述粉末可掺入表面积增加的双组分或多组分纤维结构的一个或多个组分中。

聚合物纤维的表面积可以以很多方式增加。一个简单的方法是纺织具有非圆形横截面的纤维。这样的纤维可以以椭圆形、狗骨形、三叶形、多叶形、星形、或其它非圆形形状制成。图2a-e示出了具有增加表面积的许多可能形状中的几个。

本发明的一个可能的实施方案是创造双组分多叶形纤维，所述双组分多叶形纤维以使得红外发射粉末集中在叶区域的方式被挤出。该实施方案的一个例子示于图3。该实施方案增加了纤维的表面积，将红外发射材料暴露在表面，但保持了纤维的未填充的中心区域的强度和韧性。

另一种增加聚合物纤维表面积的方法是将发泡剂掺入纤维基质中。所述发泡剂可被掺入整个纤维，或优选地，仅掺入双组分或多组分纤维的一个组分中。所述发泡剂在纤维的聚合物基质内创建微小的开放的或闭合的小孔，这导致纤维内的表面区域的显着增加。这些表面区域允许冲击辐射散射，并且基本上在纤维内部四处“反弹”直到辐射消失或被红外发射粉末吸收。

另一种增加聚合物纤维表面积的方法是使表面微纹理化。对于鞘芯型双组分纤维，如果芯材料比鞘稍微更有弹性并具有更多的拉伸和恢复性能，则可以将纤维拉伸到一定程度，然后纤维大致恢复到原始长度。如果所述双组分纤维的鞘可伸长但比芯材料的弹性小，虽然当纤维被拉伸时鞘将伸长，但当拉力放松时鞘将不会恢复。相反，鞘材料将趋于在纤维表面起皱或缩拢。这种起皱现象也称为微纹理化，因为事实上各个皱褶往往太小而不被肉眼看到。相反，眼睛只察觉得到有点类似浮雕表面的磨砂表面。图4示出了本发明的微纹理纤维。需要注意的是，对于具有微纹理表面的纤维，不需要芯聚合物组合物是如上所定义的真正弹性体。的确，芯聚合物组合物仅需要是可延伸的。仅需要在纤维被拉伸后，芯聚合物组合物具有比鞘聚合物组合物更多的恢复能力。

另一种增加聚合物纤维表面积的方法是形成鞘为脆性聚合物组合物的纤维，然后拉伸纤维来破裂脆性聚合物鞘。对于该实施方案，纤维的鞘中的脆性聚合物可以包括本领域已知的任何常见的可挤出的脆性聚合物，如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、其它的丙烯酸酯聚合物、聚酯、聚碳酸酯等。其中特别优选的一种脆性聚合物是聚苯乙烯。对于该实施方案，纤维芯的聚合物组合物应包含可延伸的或弹性体的聚合物。这将给予整个纤维被拉伸的韧性，以破裂脆性聚合物鞘而不破坏整个纤维。图5示出了具有脆性鞘的双组分纤维，其作为本发明的一个实施方案。

另一种增加聚合物纤维表面积的方法是挤出双组分纤维，然后可以使用已知的微纤维制造技术来将其分离或分裂成微纤维。图6a和6b示出了可分裂的双组分纤维在它们被分离成微纤维之前和之后的例子。原始的双组分纤维的第一未填充组分作为载体基质，其使得纺织预裂纤维成为可能，并且含有红外发射粉末的第二组分随后分裂成微纤维，从而大大增加了这些纤维的可用表面积。

另一种增加聚合物纤维表面积的方法是使用蚀刻技术(诸如化学蚀刻或等离子蚀刻)蚀刻纤维的表面。蚀刻攻击纤维表面并且优先去除较低聚合物结晶度的区域。这既侵蚀了表面，从而创造的具有增加的表面积的更为高低不平的表面，同时也暴露了纤维内更多的结晶聚合物结构。

另一种增加聚合物纤维表面积的方法是对纤维的表面进行压花(emboss)。一些连续纤维制造技术(如冷拉伸或机械拉伸)涉及从喷丝头使用剥离辊拉伸挤出的半熔纤维而不是简单地将挤出的纤维放置在成形表面上。如果在剥离辊上刻有压花图案，则所述压花图案将被转移至拉伸纤维上。

一旦本发明的红外发射纤维形成，它们可被进一步加工成织物或其它纤维网。这些织物或其它纤维网可完全由本发明的纤维制成，或可以将本发明的纤维与传统的纤维混合以创造具有所需物理和美学特性的织物。对于耐用品，本发明的纤维可以机织或针织成织物，然后其可用于时装、防护外套、毛毯、或其它类似的最终用途产品。对于有限使用或一次性用品，可能希望形成来自本发明的纤维的非织造织物。制造机织的、针织的和非织造织物的方法是本领域熟知的。

本发明的另一个实施方案是包含红外发射粉末的聚合物膜。膜，如同纤维，可包括相似的红外发射粉末和聚合物基质组分。适合于这种聚合物膜材料的可挤出的热塑性聚合材料是已知的。

然而，本发明人发现红外发射粉末可以掺入多层膜上的薄表层中并且获得可接受的发射率结果。通过在膜的表层填充红外发射粉末以及使芯层具有很少或没有红外发射粉末，可以生产非脆性的薄膜且其比整个膜结构含有红外发射粉末的膜更加便宜。此外，所述表层可以含有负载高很多的红外发射粉末，并仍然可容易地加工成柔韧的、坚韧的膜。可以在膜的表层中掺入包括以重量计的约1％、至多约10％、至多约20％、至多约25％、至多约30％、至多约50％、或至多约80％的浓度的红外发射粉末。薄表层可构成总膜结构的至多约30％，其它膜层构成总膜结构的剩余百分比。更优选地，所述表层可构成总膜结构的至多约25％、至多约20％、至多约15％、至多约10％、或至多约5％，其它膜层构成总膜结构的剩余百分比。

任何成膜工艺都可制备本发明的多层红外发射膜。在具体的实施方案中，共挤出工艺(诸如流延共挤出(castcoextrusion)或吹塑薄膜共挤出)用于形成多层膜。通过流延或吹制工艺共挤出多层膜是众所周知的。

在另一个实施方案中，本发明人已经发现可制成包含填充有红外发射粉末的一表层、包含未填充的聚合物的芯层、和另一表层的多层膜，所述另一表层包含光反射处理、涂层、或诸如金属化颗粒、金属化膜或薄金属箔等材料。所述反射表层可以提高该薄膜的红外发射组分的有效发射率。因为它们穿过膜而没有被红外发射粉末吸收的撞击光子，将通过膜反射回来，从而有被红外发射材料吸收的另一机会。当光子从红外发射组分发射出时，反射表层也将在期望的方向反射这些发射光子。因此红外发射材料的有效发射率得到改善。

进一步增加聚合物膜的表面积可以增加本发明材料的红外发射率。正如纤维一样，通过增加膜的表面积，有更多的区域捕获冲击辐射，从而增加了红外发射粉末颗粒遇到和吸收冲击辐射的机会，然后转换并重新发射该能量为具有红外光谱波长的光子。红外发射粉末可掺入表面积增加的整个膜中，或者所述粉末可掺入表面积增加的多层膜的其中一层或多层、优选是表层中。

增加聚合物膜的表面积的一种方法是对膜的表面进行压花。在流延挤出工艺中，将熔融或半熔融聚合物网浇注到冷却的铸轧辊上，其中所述膜被快速淬火和凝固。如果铸轧辊刻有压花图案，所述压花图案将被转移到挤出膜上。

另一种增加聚合物膜表面积的方法是将发泡剂掺入膜组合物中。所述发泡剂可被掺入整个膜中，或仅掺入多层膜的表层。所述发泡剂在膜的聚合物基质内创建微小的开放的和闭合的小孔，这导致膜内表面区域的显着增加。这些表面区域允许冲击辐射散射，并且基本上在膜内部四处“反弹”直到辐射消失或被红外发射粉末吸收。

另一种增加聚合物膜表面积的方法是使表面微纹理化。对于多层膜，如果芯层材料有点弹性并具有拉伸和恢复性能，则可以将膜拉伸到一定程度，然后膜大致恢复到原始长度。正如同纤维，如果多层膜的表层是可伸的，长但比芯层的弹性小，当膜被拉伸时表层将伸长，但当拉力放松时表层将不会恢复。相反，表层将趋于在膜表面起皱或缩拢。这种起皱现象也称为微纹理化。需要注意的是，对于具有微纹理表面的膜，不需要芯层聚合物组合物是如上所定义的真正弹性体。的确，芯层聚合物组合物仅需要是可延伸的。仅需要在膜被拉伸后，芯层聚合物组合物具有比表层聚合物组合物更多的恢复能力。

另一种增加聚合物膜表面积的方法是挤出具有脆性聚合物表层的多层膜，然后拉伸膜以破裂脆性表层。对于该实施方案，包括膜表层的脆性聚合物可包含本领域已知的任何常见的可挤压脆性聚合物，如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、其它的丙烯酸酯聚合物、聚酯、聚碳酸酯等。其中特别优选的一种脆性聚合物是聚苯乙烯。对于该实施方案，膜芯层的聚合物组合物应包含可延伸的或弹性体的聚合物。这将给予整个膜被用来拉伸的韧性，以破裂脆性聚合物表层而不破坏整个膜，。

另一种增加聚合物膜表面积的方法是使用蚀刻技术(诸如化学蚀刻或等离子蚀刻)蚀刻膜的表面。蚀刻攻击膜表面并且优先去除较低聚合物结晶度的区域。这既侵蚀了表面，从而创造具有增加的面积的更为高低不平的表面，并且暴露了膜内更多的结晶聚合物结构。

对于本发明的一些实施方案，无论是纤维、纤维网或膜，有必要拉伸或活化本发明的材料以增加所述材料的表面积。为了创造微纹理纤维或膜，拉伸是必要的，且为了破坏或破裂纤维或膜上的脆性聚合物鞘或表层，拉伸也是必要的。本发明的材料可以以多种方式被活化。例如，所述材料可被拉伸、折叠、起皱、用花纹辊压延、或以芯层被延伸且表层被延伸或破坏这样一种方式进行其它变形。拉伸所述材料的优选方法是通过已知的拉伸技术，诸如机器方向取向(machine-directionorientation)(MDO)、拉幅、或者增量拉伸。活化所述材料的特别优选的方法是增量拉伸相互啮合轧辊之间的材料，如美国专利4,144,008所描述的。

应当理解的是，可增加附加的工艺步骤(诸如对本发明的材料进行印花(printing)或切割、将其它层层压到本发明的材料上、和其它类似的工艺)，并且所述附加的工艺步骤在本发明的范围之内。

本发明的材料，尤其是纤维状网或膜，可以通过已知的层压方法层压到基底层。所述基底层可以是任何可延伸的片状材料，诸如另一种织物，另一种聚合物膜，或纸。特别有用的材料是包含红外发射纤维状网和红外发射膜的红外发射材料。

本发明的材料可以通过已知的层压方法层压到基底层。这些层压方法包括挤出层压、粘合层压、热结合、超声波结合、压延结合、以及其它类似的方法。这些结合方法的组合也在本发明的范围之内。

在加工过程中的任何时候，都可将本发明的材料层压到一个或多个基底层上。具体而言，本发明的材料可以在材料活化之前或之后层压到基底层上。

列出以下的实施例以说明本发明的不同方面。这些实施例不意旨于以任何方式限制本发明。

实施例1

根据本发明制造鞘/芯结构的双组分纤维。纤维的鞘包括在聚丙烯基质中的20％(重量)的竹炭纳米颗粒的红外发射粉末色母粒，所述色母粒以产品货号ZT-MB020(上海沪正纳米科技有限公司,上海,中国)出售。双组分纤维的芯包括MFI为35的聚丙烯(PH835，来自LyondellBasell,Houston,TX)。纤维的结构为10％的鞘和90％的芯，按体积计算。将纤维成功地纺成良好纤维，该良好纤维被制成非纺织网。

实施例2

制造具有与实施例1相同的组成的双组分纤维，但其鞘聚合物组合物仅含有10％(重量)的红外发射粉末色母粒。纤维的结构是25％的鞘和75％的芯，按体积计算。将纤维成功地纺成良好纤维，该良好纤维被制成非纺织网。

比较例1

根据本发明制造鞘/芯结构的双组分纤维。纤维的鞘包括在聚丙烯基质中的20％(重量)的竹炭纳米颗粒的红外发射粉末色母粒，所述色母粒以产品货号ZT-MB020(上海沪正纳米科技有限公司,上海,中国)出售。双组分纤维的芯包括MFI为35的聚丙烯(PH835，来自LyondellBasell,Houston,TX)。纤维的结构为25％的鞘和75％的芯，按体积计算。这些纤维无法成功纺成良好纤维，其在拉丝过程中断裂且不能形成网，实验不得不中止。

实施例1和2表明只要纤维的基础芯组分构成整体结构的足够部分，则含有高浓度的红外发射粉末的双组分纤维可以被成功纺织。相反，比较例1表明如果纤维的芯组分少于整体结构的足够部分，则不能成功制造含有高浓度的红外发射粉末的双组分纤维。可以预料的是给定纤维组成的最佳或优选鞘芯比率将根据许多因素而变化，包括但不限于支撑聚合物基质的物理性质，红外发射粉末的种属(identity)、浓度、和粒径分布。测定本发明双组份纤维的优选或最佳鞘芯比率应该是本领域技术人员常规实验中的问题。

实施例3

制备包含约48.5％的Vistamaxx6102聚烯烃、3％的Ecocell发泡剂、和48.5％的红外发射色母粒的发泡聚合物膜，所述红外发射色母粒包含在聚乙烯基质中的20％(重量)的固体，所述色母粒以产品货号ARP-MB020(上海沪正纳米科技有限公司,上海,中国)出售。最终的膜配方含有约10％的红外发射粉末。还制备了含有除Ecocell发泡剂外的相同组分的可比较膜。通过CI系统(SimiValley,CA)测试发泡膜和平坦膜的发射率。

图7a和7b分别示出了对发泡膜和平坦膜的发射率的扫描。测试表明在整个4至14微米的波长范围，发泡薄膜发射率保持在80％和100％之间，所述波长范围是红外光谱的有利波长范围。与此相反，在大部分这种波长范围，平坦膜的发射率在80％以下。因此当与平坦膜相比时，发泡膜显示出出众的发射率。

这是对本发明连同实施本发明的优选方法的描述。然而，本发明本身应该只由所附的权利要求限定，其中我们要求：

Claims (71)

1.红外发射双组分聚合物纤维，包括：

a)包含红外发射材料的细粉碎颗粒和热塑性聚合物的第一聚合物组合物，和

b)包含热塑性聚合物的第二聚合物组合物，

其中所述第一聚合物组合物包含鞘芯型双组分纤维结构的鞘，和所述第二聚合物组合物包含所述鞘芯型双组分纤维结构的芯。

2.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述红外发射材料构成约1-50％的所述第一聚合物组合物。

3.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述红外发射材料构成约1-25％的所述第一聚合物组合物。

4.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述红外发射材料构成约10-25％的所述第一聚合物组合物。

5.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述双组分纤维内的鞘芯比率分别在约1％/99％至约50％/50％的范围内。

6.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述双组分纤维内具有的鞘芯比率分别在约10％/90％至约50％/50％的范围内。

7.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述双组分纤维内具有的鞘芯比率分别在约10％/90％至约25％/75％的范围内。

8.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述红外发射材料选自于由金属氧化物、结晶质矿物、陶瓷碳化物、陶瓷氮化物、金属、金属合金、碳、以及它们的组合构成的组。

9.根据权利要求8所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述红外发射材料选自于由氧化铝、氧化镁、氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、氧化铬、铁氧体、尖晶石、氧化钡、氧化锌、氧化锡、三氧化钨、云母、方解石、水晶、电气石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、石墨、碳黑、炭、钨、钼、钒、铂、镍、铜、镍铬合金、不锈钢、铝镍合金、以及它们的组合构成的组。

10.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述红外发射材料的细粉碎颗粒的尺寸为从约10nm至约10μm。

11.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述第一聚合物组合物中的聚合物和所述第二聚合物组合物中的聚合物各自选自由下述所构成的组：聚烯烃、聚酯、聚酰胺、官能化的聚烯烃、聚(环氧乙烷)、聚(酯-醚)、聚(醚-酰胺)、聚丙烯酸酯、纤维素聚合物、聚芳酰胺、聚氯乙烯、聚醚砜、含氟聚合物、聚氨酯、苯乙烯系嵌段共聚物、它们的共聚物及它们的共混物。

12.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述第一聚合物组合物中的聚合物和所述第二聚合物组合物中的聚合物各自选自由下述所构成的组：聚乙烯；聚丙烯；聚对苯二甲酸乙二醇酯；尼龙6；尼龙6,6；尼龙6,12；聚丙烯腈；人造丝；聚氯乙烯，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯；苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯；苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯；它们的共聚物；和它们的共混物。

13.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述第一聚合物组合物中的聚合物和所述第二聚合物组合物中的聚合物是相同的聚合物。

14.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述第一聚合物组合物中的聚合物和所述第二聚合物组合物中的聚合物是不同的聚合物。

15.根据权利要求1所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述红外发射双组分聚合物纤维形成纤维状网。

16.根据权利要求15所述的纤维状网，其中，所述纤维状网包括机织物、针织物或非织造物。

17.根据权利要求15所述的纤维状网，其中，所述纤维状网也包括传统纤维。

18.根据权利要求15所述的纤维状网，其中，所述纤维状网结合到基底层以形成层压结构。

19.根据权利要求18所述的层压结构，其中，所述纤维状网是非织造物且所述基底层是聚合物膜。

20.红外发射聚合物纤维，所述红外发射聚合物纤维包括第一聚合物组合物，所述第一聚合物组合物包含：红外发射材料的细粉碎颗粒和热塑性聚合物基质，其中所述纤维表面积大于具有光滑表面、圆形横截面的可比较纤维的表面积。

21.根据权利要求20所述的红外发射聚合物纤维，其中，所述纤维是双组分纤维，所述双组分纤维包括：

a)包含红外发射材料的细粉碎颗粒和热塑性聚合物基质的所述第一聚合物组合物，和

b)包含热塑性聚合物的第二聚合物组合物。

22.根据权利要求20所述的红外发射聚合物纤维，其中，所述纤维具有非圆形的横截面。

23.根据权利要求22所述的红外发射聚合物纤维，其中，所述纤维具有椭圆形、狗骨形、三叶形、多叶形、或星形横截面。

24.根据权利要求21所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述纤维具有非圆形的横截面。

25.根据权利要求24所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述纤维具有椭圆形、狗骨形、三叶形、多叶形、或星形横截面。

26.根据权利要求25所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述第一聚合物组合物包括所述纤维的表面的全部或部分。

27.根据权利要求25所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，

a)所述纤维是三叶形、或多叶形，和

b)所述第一聚合物组合物实质上位于所述纤维的有叶区域，和

c)所述第二聚合物组合物实质上位于连接所述纤维的有叶区域的中心区域。

28.根据权利要求20所述的红外发射聚合物纤维，其中，所述第一聚合物组合物包含发泡的聚合物。

29.根据权利要求21所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述第一聚合物组合物包含发泡的聚合物，且所述第一聚合物组合物包含鞘-芯型结构的鞘组分。

30.根据权利要求20所述的红外发射聚合物纤维，其中，所述纤维的表面被微纹理化，以增加表面积。

31.根据权利要求21所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述双组分纤维包括鞘-芯型结构，且鞘层的表面被微纹理化以增加所述纤维的表面积。

32.根据权利要求31所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述鞘层的表面通过拉伸而被微纹理化。

33.根据权利要求31所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述鞘层的表面通过增量拉伸而被微纹理化。

34.根据权利要求21所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述双组分纤维包括鞘-芯型结构，并且所述鞘层包含脆性聚合物，所述脆性聚合物被破裂以增加所述纤维的表面积。

35.根据权利要求34所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述脆性聚合物包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚碳酸酯、它们的共聚物、或它们的共混物。

36.根据权利要求34所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述脆性聚合物通过拉伸、折叠、起皱、压延或它们的组合而被破裂。

37.根据权利要求36所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述脆性聚合物通过增量拉伸而被破裂。

38.根据权利要求21所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述纤维被分裂以形成微纤维，从而增加表面积，并且其中所述微纤维包含所述第一聚合物组合物。

39.根据权利要求38所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，可分裂的双组分纤维具有橘子或海中岛状结构。

40.根据权利要求20所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述纤维被压花，以增加所述纤维的表面积。

41.根据权利要求20所述的红外发射双组分聚合物纤维，其中，所述纤维被蚀刻，以增加所述纤维的表面积。

42.根据权利要求20所述的红外发射聚合物纤维，其中，所述红外发射聚合物纤维形成纤维状网。

43.根据权利要求42所述的纤维状网，其中，所述纤维状网包括机织物、针织物、或非织造物。

44.根据权利要求42所述的纤维状网，其中，所述纤维状网也包括传统的纤维。

45.根据权利要求42所述的纤维状网，其中，所述纤维状网结合到基底层以形成层压结构。

46.根据权利要求45所述的层压结构，其中，所述纤维状网是非织造物，且所述基底层是聚合物膜。

47.红外发射多层聚合物膜，包括：

a)包含红外发射材料的细粉碎颗粒和热塑性聚合物基质的第一聚合物组合物，和

b)包含热塑性聚合物的第二聚合物组合物，

其中所述第一聚合物组合物包含多层膜的表层，且所述第二聚合物组合物包含所述多层膜的芯层。

48.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述红外发射材料构成约1-50％的所述第一聚合物组合物。

49.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述红外发射材料构成约1-25％的所述第一聚合物组合物。

50.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述红外发射材料构成约10-25％的所述第一聚合物组合物。

51.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述红外发射材料选自于由金属氧化物、结晶质矿物、陶瓷碳化物、陶瓷氮化物、金属、金属合金、碳、以及它们的组合组成的组。

52.根据权利要求51所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述红外发射材料选自于由氧化铝、氧化镁、氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、氧化铬、铁氧体、尖晶石、氧化钡、氧化锌、氧化锡、三氧化钨、云母、方解石、水晶、电气石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、石墨、碳黑、炭、钨、钼、钒、铂、镍、铜、镍铬合金、不锈钢、铝镍合金、以及它们的组合组成的组。

53.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述红外发射材料的细粉碎颗粒的尺寸为从约10nm至约10μm。

54.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述第一聚合物组合物中的热塑性聚合物基质和所述第二聚合物组合物中的聚合物各自选自由下述所组成的组：聚烯烃、聚酯、聚酰胺、官能化的聚烯烃、聚(环氧乙烷)、聚(酯-醚)、聚(醚-酰胺)、聚丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚醚砜、含氟聚合物、聚氨酯、聚烯烃弹性体、苯乙烯系嵌段共聚物、它们的共聚物及它们的共混物。

55.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述第一聚合物组合物中的热塑性聚合物基质包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙6、尼龙6,6、它们的共聚物或它们的共混物。

56.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，所述红外发射多层聚合物膜具有的膜表层的表面积大于具有光滑表面的可比较膜的表面积。

57.根据权利要求56所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜被压花，以增加所述膜的表面积。

58.根据权利要求56所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜的第一聚合物组合物包含发泡的聚合物，以增加所述膜的表面积。

59.根据权利要求56所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜的表层被微纹理化，以增加所述膜的表面积。

60.根据权利要求59所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜的表层通过拉伸而被微纹理化。

61.根据权利要求59所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜的表层通过增量拉伸而被微纹理化。

62.根据权利要求56所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜的第一聚合物组合物包含脆性聚合物表层，所述脆性聚合物表层被破裂，以增加膜的表面积。

63.根据权利要求62所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜的脆性表层通过拉伸、折叠、起皱、或压延而被破裂。

64.根据权利要求62所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜的脆性表层通过增量拉伸而被破裂。

65.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，所述红外发射多层聚合物膜包括第二表层，所述第二表层包含反射材料。

66.根据权利要求65所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述反射材料是金属化膜、金属化颗粒、或金属箔。

67.根据权利要求47所述的红外发射多层聚合物膜，其中，所述膜结合到基底层以形成层压结构。

68.根据权利要求67所述的膜，其中，所述基底层是纤维状网。

69.根据权利要求68所述的层压结构，其中，所述基底层是非织造物。

70.层压材料，包括：

a)纤维的红外发射聚合物纤维状网的层，所述纤维的红外发射聚合物纤维状网包括聚合物组合物，所述聚合物组合物包含红外发射材料的细粉碎颗粒和第一热塑性聚合物基质，和

b)红外发射聚合物膜的层，所述红外发射聚合物膜包括聚合物组合物，所述聚合物组合物包含红外发射材料的细粉碎颗粒和第二热塑性聚合物基质。

71.根据权利要求70所述的层压材料，其中，所述纤维状网是非织造物。