一種芳綸‑氨綸皮芯複合纖維及其製備方法與流程
2023-12-05 02:13:21 2
本發明是一種芳綸-氨綸皮芯複合纖維及其製備方法，屬於聚氨酯彈性纖維材料製造的技術領域。
背景技術：
芳綸1313又稱間位芳綸，全稱「間苯二甲醯間苯二胺」，是「芳香族聚醯胺纖維」的一種，具有良好的阻燃性、熱穩定性、電絕緣性、化學穩定性、耐輻射性及機械特性。但它大多應用在航天航空、汽車工業、特種保護服、電絕緣材料等領域，在國民生活領域特別是在紡織上的應用還是很少見到。單純的芳綸1313織物不僅價格昂貴，而且穿著舒適度不夠，難以在日常生活中得到廣泛使用。
聚氨酯彈性纖維俗稱氨綸，其化學結構一般由「軟鍛」與「硬鍛」兩部分組成。由於軟鍛和硬鍛之間存在熱力學不相容性，通過分散聚集形成各自獨立的微區，並且表現出各自的玻璃化溫度，具有優異的彈性拉伸性能和斷裂強力。氨綸被喻為紡織品的「工業味精」，與非彈性纖維混紡得到織物布料，可以大大改善織物穿著地舒適性能和美觀度，已經成為了一種不可或缺的紡織品原料之一。
為了使具有良好物理、化學性能的芳綸1313更好地應用在國民生活領域上，本發明製備了一種芳綸-氨綸皮芯複合纖維。相較於芳綸與氨綸混紡得到的織物布料，不僅減少了混紡工序，而且織造得到的面料上每一根單絲都具備相同的特性，整體性能更加均一、穩定。該芳綸-氨綸皮芯複合纖維不僅可以改善面料的舒適度，更賦予面料耐高溫、耐化學腐蝕、耐磨損的功能，使面料的使用壽命更長、使用領域更寬闊。芳綸-氨綸皮芯複合纖維可以應用於工作裝、登山服、旅行包等生活用品中，給消費者更加舒適、耐用的體驗，滿足消費者日趨苛刻的要求。
截止目前，關於製備芳綸-氨綸皮芯複合纖維的技術報導暫未查到。但涉及皮芯結構氨綸、芳綸-氨綸混紡技術報導較多，其中吳江鷹翔萬信化纖有限公司在專利CN200910144632公開了一種氨綸與聚丁二酸丁二醇酯皮芯纖維的製備方法，通過聚合得到的聚丁二酸二醇酯與氨綸共同紡絲，其中皮層為聚丁二酸丁二醇酯，芯層為氨綸，得到改性可降解聚酯纖維。
浙江華峰氨綸股份有限公司在專利CN201510117354公開了一種抗菌氨綸纖維及其製備方法，抗菌氨綸纖維由包皮和芯部組合而成，芯部材料為熔紡用聚氨酯切片，通過特殊的噴絲板組合件在溼幹法紡絲的設備和工藝下紡絲，經特殊的凝固浴，製得抗菌氨綸纖維。
浙江情怡襪業有限公司在專利CN200910100266公開了一種芳綸1414纖維/氨綸包覆絲及採用該包覆絲的多功能防護襪，該包覆絲是以氨綸絲為芯絲、芳綸1414纖維為外包絲的包覆絲，所得到的多功能防護襪具有良好的防切割、阻燃、耐磨、保健、穿著舒適等性能。
通過我們的研究發現：專利CN200910144632公開了一種氨綸與聚丁二酸丁二醇酯皮芯纖維的製備方法並沒有解決皮層和芯層共同紡絲成型問題、皮芯層界面問題；專利CN201510117354公開了一種抗菌氨綸纖維及其製備方法，但是其過程繁瑣，需要的設備較普通幹法紡絲氨綸的設備複雜許多，操作不便，不適合工業化生產；專利CN200910100266公開了一種芳綸1414纖維/氨綸包覆絲及採用該包覆絲的多功能防護襪是採用混紡的方法來結合芳綸1414與氨綸，但性能穩定性和均一性都不如芳綸-氨綸皮芯複合纖維。
技術實現要素：
技術問題：本發明擬解決的技術問題是設計一種芳綸-氨綸皮芯複合纖維的製備方法。該製備方法的實施過程穩定，製備的芳綸-氨綸皮芯複合纖維不僅具有高回彈性，還具有良好耐高溫、耐化學腐蝕、耐磨損性能。該芳綸-氨綸皮芯複合纖維製造工藝簡單，與氨綸幹法紡絲設備相同，便於工業化實施，經濟適用。
技術方案：本發明涉及一種芳綸-氨綸皮芯複合纖維及其製備方法，是將皮層包覆在芯層外，皮層為芳綸1313，芯層為氨綸，纖維截面為同心圓型實心結構。
本發明的芳綸-氨綸皮芯複合纖維製備方法：採用皮芯型擠出方式幹法紡絲，皮層紡絲原液和芯層紡絲原液一起進入紡絲系統，通過分隔元件和計量泵控制皮層佔複合纖維總重量的5～20％並一同由噴絲孔擠出，進入幹法紡絲甬道、高溫乾燥、油劑上油、卷繞成型。
其中：
所述的皮層紡絲原液由間苯二甲醯氯(IPC)和間苯二胺(MPD)通過低溫溶液縮聚法製得，製備方法包括以下步驟：
1)製備聚合物溶液：將間苯二胺溶解在N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)溶劑中，質量濃度為10.0～15.0％，溫度為-10～0℃，在攪拌下加入間苯二甲醯氯(IPC)，間苯二胺(MPD)與間苯二甲醯氯(IPC)的摩爾比為1:(1.02～1.05)；
2)製備成纖聚合物溶液：向步驟1)製得的聚合物溶液中加入鹼性物質中和其中的氯化氫，過濾雜質並調整成纖聚合物溶液質量濃度為30.0～36.0％，保持粘度為4500～5500poise，與芯層紡絲原液保持一致。
3)向步驟2)製得的成纖聚合物溶液中添加提高染色性能的助劑，攪拌分散，熟化完成即製備得到皮層紡絲原液。
所述的芯層紡絲原液，其製備方法包括以下步驟：
1)製備擴鏈劑溶液：將混合二胺擴鏈劑、單胺類終止劑添加至N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)溶劑中，配得濃度質量百分比為3.0～6.0％；
2)製備預聚物溶液：依次加入N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)和聚四亞甲基醚二醇(PTMG)，然後加入4,4-二苯甲烷二異氰酸酯(4,4-MDI)，NCO/OH比例為1.5～1.8，充分進行預聚反應；
3)製備成纖聚合物溶液：將步驟2)的預聚產物移送至擴鏈罐中，攪拌均勻，控制溫度在0～5℃，滴加步驟1)製得的擴鏈劑溶液進行鏈增長、鏈終止，最終得到成纖聚合物溶液；
4)向步驟3)製備的成纖聚合物溶液中添加抗氧化劑、潤滑劑、表面活性劑，攪拌分散，熟化完成即製備得到芯層紡絲原液，其質量濃度為30.0～36.0％，保持粘度為4500～5500poise；
所述的加入間苯二甲醯氯(IPC)的方法為：
1)初始反應加料時快速加入佔總量75％的間苯二甲醯氯(IPC)，控制加料時間15～20min完成，反應後溶液溫度為30～40℃，得到的預聚物溶液；
2)再將步驟1)得到的預聚物溶液降溫至5～10℃，剩下25％的間苯二甲醯氯(IPC)緩慢加入，控制加料時間為55～60min，反應完成後預聚物溶液的溫度為28～32℃，控制聚合物溶液的粘度增長速率，有利於紡絲成型。
所述的向皮層紡絲原液中加入的鹼性物質為鹼性無機物、含鹼性離子的胺類有機物中的一種或幾種的混合物。
所述的提高染色性能的助劑為白炭黑、聚乙烯亞胺中的一種或兩種的混合物。
所述的噴絲孔為同心圓型的噴絲板組件，噴絲孔的小圓內徑為0.20～0.25mm，內層紡絲原液從小圓內擠出，大圓內徑為0.30～0.35mm，皮層紡絲原液從大圓和小圓的間隙中擠出。
所述的噴絲孔為同心圓型的噴絲板組件，為1～5孔噴絲板。
所述的向芯層紡絲原液中加入的表面活性劑為異辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸單酯銨鹽的一種或兩種的混合物。
有益效果：本發明通過特殊的工藝配方以及特殊的紡絲加工方法，製備的芳綸-氨綸皮芯複合纖維不僅具有高回彈性，還具有良好耐高溫、耐化學腐蝕、耐磨損性能。同時還解決了以下幾個主要問題：
(1)本發明採用兩種手段來解決芳綸因分子結構規整性好而染色困難的問題，①在皮層紡絲原液中加入具有多孔結構的物質(如白炭黑)，該物質具有良好的吸附性能，可以提升染色性和染色色牢度，且對分散染料、酸性染料等都有很好的適應性；②在皮層紡絲原液中加入富含染色位點的物質(如聚乙烯亞胺)，該分子鏈上有很多「N」提供的孤對電子，提供了大量可與酸性染料發生作用的「染座」；
(2)本發明採用獨特的分步添加間苯二甲醯氯的方法，來控制其與間苯二胺的反應速率，以達到控制皮層紡絲原液溫度和粘度的效果，使皮層紡絲原液粘度與芯層紡絲原液粘度一致，有利於複合纖維紡絲成型；
(3)本發明採用在芯層紡絲原液中添加特種表面活性劑的方法來改善芳綸1313和氨綸的界面，該特種表面活性劑易浮於氨綸表面與芳綸1313接觸，具有良好的乳化能力，可以使兩者的界面層有效地混合，起到緩衝剛性皮層與彈性芯層的作用，極大地降低了皮層在後期使用過程中被剝落的風險。
(4)通過調節分隔元件和計量泵可以控制皮層在複合纖維總重量中佔的比重，可以得到不同性能的複合纖維，滿足不同產品的不同要求。
具體實施方式
本發明涉及一種芳綸-氨綸皮芯複合纖維及其製備方法，是將皮層包覆在芯層外，皮層為芳綸1313，芯層為氨綸，纖維截面為同心圓型實心結構。其製備方法為：採用皮芯型擠出方式幹法紡絲，皮層紡絲原液和芯層紡絲原液一起進入紡絲系統，通過分隔元件和計量泵控制皮層佔複合纖維總重量的5～20％並一同由噴絲孔擠出，進入幹法紡絲甬道、高溫乾燥、油劑上油、卷繞成型。
所述的皮層紡絲原液由間苯二甲醯氯(IPC)和間苯二胺(MPD)通過低溫溶液縮聚法製得，製備方法包括以下步驟：
1)製備聚合物溶液：將間苯二胺溶解在N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)溶劑中，質量濃度為10.0～15.0％，溫度為-10～0℃，在攪拌下加入間苯二甲醯氯(IPC)，間苯二胺(MPD)與間苯二甲醯氯(IPC)的摩爾比為1:(1.02～1.05)；
2)製備成纖聚合物溶液：向步驟1)製得的聚合物溶液中加入鹼性物質中和其中的氯化氫，過濾雜質並調整成纖聚合物溶液質量濃度為30.0～36.0％，保持粘度為4500～5500poise，與芯層紡絲原液保持一致。
3)向步驟2)製得的成纖聚合物溶液中添加提高染色性能的助劑，攪拌分散，熟化完成即製備得到皮層紡絲原液。
所述的芯層紡絲原液，其製備方法包括以下步驟：
1)製備擴鏈劑溶液：將混合二胺擴鏈劑、單胺類終止劑添加至N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)溶劑中，配得濃度質量百分比為3.0～6.0％；
2)製備預聚物溶液：依次加入N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)和聚四亞甲基醚二醇(PTMG)，然後加入4,4-二苯甲烷二異氰酸酯(4,4-MDI)，NCO/OH比例為1.5～1.8，充分進行預聚反應；
3)製備成纖聚合物溶液：將步驟2)的預聚產物移送至擴鏈罐中，攪拌均勻，控制溫度在0～5℃，滴加步驟1)製得的擴鏈劑溶液進行鏈增長、鏈終止，最終得到成纖聚合物溶液；
4)向步驟3)製備的成纖聚合物溶液中添加抗氧化劑、潤滑劑、表面活性劑，攪拌分散，熟化完成即製備得到芯層紡絲原液，其質量濃度為30.0～36.0％，保持粘度為4500～5500poise；
所述的加入間苯二甲醯氯(IPC)的方法為：
1)初始反應加料時快速加入佔總量75％的間苯二甲醯氯(IPC)，控制加料時間15～20min完成，反應後溶液溫度為30～40℃，得到的預聚物溶液；
2)再將步驟1)得到的預聚物溶液降溫至5～10℃，剩下25％的間苯二甲醯氯(IPC)緩慢加入，控制加料時間為55～60min，反應完成後預聚物溶液的溫度為28～32℃，控制聚合物溶液的粘度增長速率，有利於紡絲成型。
所述的向皮層紡絲原液中加入的鹼性物質為鹼性無機物、含鹼性離子的胺類有機物中的一種或幾種的混合物。
所述的提高染色性能的助劑為白炭黑、聚乙烯亞胺中的一種或兩種的混合物。
所述的噴絲孔為同心圓型的噴絲板組件，噴絲孔的小圓內徑為0.20～0.25mm，內層紡絲原液從小圓內擠出，大圓內徑為0.30～0.35mm，皮層紡絲原液從大圓和小圓的間隙中擠出。
所述的噴絲孔為同心圓型的噴絲板組件，為1～5孔噴絲板。
所述的向芯層紡絲原液中加入的表面活性劑為異辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸單酯銨鹽的一種或兩種的混合物。
實施例1：
第一步：皮層紡絲原液的製備
1)製備聚合物溶液：將間苯二胺溶解在N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)溶劑中，質量濃度為10.0％，溫度為-10℃，在攪拌下加入間苯二甲醯氯，間苯二胺與間苯二甲醯氯的摩爾比為1:1.02。初始反應加料時快速加入佔總量75％的間苯二甲醯氯，控制加料時間15min完成；再將得到的預聚物溶液降溫至5℃，剩下25％的間苯二甲醯氯緩慢加入，控制加料時間為55min。控制預聚物溶液的溫度為28～32℃。
2)製備成纖聚合物溶液：向步驟1)製得的聚合物溶液中加入氫氧化鈣中和其中的氯化氫，過濾雜質並調整成纖聚合物溶液質量濃度為32.0％，保持粘度為4500～5500poise。
3)向步驟2)製得的成纖聚合物溶液中添加多孔結構的物質白炭黑來提高染色性能。
第二步：芯層紡絲原液的製備
1)製備擴鏈劑溶液：將混合二胺擴鏈劑、單胺類終止劑添加至N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)溶劑中，配得濃度質量百分比為4.0％；
2)製備預聚物溶液：依次加入N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)和聚四亞甲基醚二醇(PTMG)，然後加入4,4-二苯甲烷二異氰酸酯(4,4-MDI)，NCO/OH比例為1.8，充分進行預聚反應；
3)製備成纖聚合物溶液：將預聚產物移送至擴鏈罐中，攪拌均勻，控制溫度為0℃，滴加步驟1)製得的擴鏈劑溶液進行鏈增長、鏈終止，最終得到成纖聚合物溶液；
4)向步驟3)製備的成纖聚合物溶液中添加抗氧化劑、潤滑劑、特種表面活性劑，攪拌分散，熟化完成即製備得到芯層紡絲原液，其質量濃度為30.0％，保持粘度為4500～5500poise；
所述的特種表面活性劑為異辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯。
第三步：皮芯型擠出方式幹法紡絲
皮層原液和芯層原液一起進入紡絲系統，通過分隔元件和計量泵控制皮層佔複合纖維總重量的5％，使用同心圓型噴絲板同時擠出，進入幹法紡絲甬道、高溫乾燥、油劑上油、卷繞成型。
實施例2：
第一步：皮層紡絲原液的製備
1)製備聚合物溶液：將間苯二胺溶解在N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)溶劑中，質量濃度為15.0％，溫度為-5℃，在攪拌下加入間苯二甲醯氯，間苯二胺與間苯二甲醯氯的摩爾比為1:1.05，初始反應加料時快速加入佔總量75％的間苯二甲醯氯，控制加料時間20min完成；再將得到的預聚物溶液降溫至10℃，剩下25％的間苯二甲醯氯緩慢加入，控制加料時間為60min。控制預聚物溶液的溫度為28～32℃。
2)製備成纖聚合物溶液：向步驟1)製得的聚合物溶液中加入含鹼性離子的丁二胺，過濾雜質並調整成纖聚合物溶液質量濃度為33.0％，保持粘度為4500～5500poise，與芯層紡絲原液保持一致。
3)向步驟2)製得的成纖聚合物溶液中添加含染色點位「N」化合物聚乙烯亞胺來提高染色性能。
第二步：芯層紡絲原液的製備
1)製備擴鏈劑溶液：將混合二胺擴鏈劑、單胺類終止劑添加至N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)溶劑中，配得濃度質量百分比為5.0％；
2)製備預聚物溶液：依次加入N,N-二甲基乙醯胺(DMAC)和聚四亞甲基醚二醇(PTMG)，然後加入4,4-二苯甲烷二異氰酸酯(4,4-MDI)，NCO/OH比例為1.6，充分進行預聚反應；
3)製備成纖聚合物溶液：將預聚產物移送至擴鏈罐中，攪拌均勻，控制溫度為5℃，滴加步驟1)製得的擴鏈劑溶液進行鏈增長、鏈終止，最終得到成纖聚合物溶液；
4)向步驟3)製備的成纖聚合物溶液中添加抗氧化劑、潤滑劑、表面活性劑，攪拌分散，熟化完成即製備得到芯層紡絲原液，其質量濃度為35.0％，保持粘度為4500～5500poise，與皮層紡絲原液保持一致；
所述的特種表面活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸單酯銨鹽。
第三步：皮芯型擠出方式幹法紡絲
皮層原液和芯層原液一起進入紡絲系統，通過分隔元件和計量泵控制皮層佔複合纖維總重量的15％，使用同心圓型噴絲板同時擠出，進入幹法紡絲甬道、高溫乾燥、油劑上油、卷繞成型。