一種高強(qiáng)高模高彈聚氨酯纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)高模高彈聚氨酯纖維的制備方法，屬于纖維材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]聚氨酯主要是由二異氰酸酯或多異氰酸酯與二羥基或多羥基化合物加聚反應(yīng)而成。它具有高彈性、耐磨性、耐低溫性、耐溶劑性以及耐老化性等優(yōu)良性能，因而廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。由于聚氨酯材料在N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺和二甲基亞砜中具有良好的溶解性，聚氨酯可以通過濕法紡絲的方法制備聚氨酯纖維，廣泛的應(yīng)用在皮革、沙發(fā)、鞋帽、汽車內(nèi)飾、裝飾、履帶等領(lǐng)域。
[0003]隨著聚氨酯纖維應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們對聚氨酯纖維的拉伸力學(xué)性能提出了更高的要求。因此，聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能的增強(qiáng)技術(shù)和方法具有重要的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)價值。目前，增強(qiáng)聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能主要采用如下四個方法:1.通過設(shè)計和調(diào)節(jié)聚氨酯大分子中軟硬鏈段的組分、種類和含量實現(xiàn)聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能的調(diào)整；2.通過合成的方法，將富含苯環(huán)、酯基、碳碳雙鍵或碳碳三鍵的分子嵌入聚氨酯大分子中，通過引入剛性鏈段達(dá)到增強(qiáng)聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能的目的；3.在聚氨酯大分子側(cè)鏈引入官能團(tuán)，使分子間形成交聯(lián)鍵以實現(xiàn)聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能的增強(qiáng)；4.在聚氨酯纖維加工過程中，通過雜化或填充的方法添加無機(jī)粉體或纖維狀材料，實現(xiàn)聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能的增強(qiáng)。
[0004]上述增強(qiáng)聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能的方法是從分子結(jié)構(gòu)方面、分子間力方面、聚集態(tài)方面以及添加增強(qiáng)體方面進(jìn)行設(shè)計和實施的，是將聚氨酯纖維改性成剛性纖維的過程，聚氨酯纖維剛性的增加將會導(dǎo)致其彈性的下降。因此，上述增強(qiáng)聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能的方法只能有效地實現(xiàn)其斷裂強(qiáng)度和楊氏模量的增加，卻難以實現(xiàn)聚氨酯纖維在斷裂強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂伸長率三個力學(xué)指標(biāo)同時增加的目的。針對現(xiàn)有增強(qiáng)聚氨酯纖維拉伸力學(xué)性能的缺陷，創(chuàng)新性的制備出一種高強(qiáng)高模高彈的聚氨酯纖維顯得非常有意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)高模高彈聚氨酯纖維的制備方法，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為，
一種高強(qiáng)高模高彈聚氨酯纖維的制備方法，所述的方法按以下步驟進(jìn)行:
聚氨酯纖維紡絲包括聚氨酯紡絲液制備、凝固浴配制、濕法牽伸成形以及熱處理。 所述的凝固浴配制是指按如下質(zhì)量百分比:
去尚子水15?97.5%
銨鹽I?70%
含酰胺鍵的極性溶劑0.5?10%
丙酮0.9?4.5%
低相對分子量陰離子型表面活性劑 0.1?0.5% 將銨鹽、含酰胺鍵的有機(jī)溶劑、丙酮和低相對分子量陰離子型表面活性劑放入去離子水中得到混合溶液，然后將混合溶液的溫度升高至25?90°C并機(jī)械攪拌3-5h后得到凝固浴，其中，攪拌速率為800-3000r/min ；
所述的濕法牽伸成形是指將聚氨酯紡絲液經(jīng)噴絲孔擠出后，以10-80m/min的速率經(jīng)過溫度為25-90°C、凝固距離為8-45m的凝固浴，得到濕法牽伸成形后的聚氨酯纖維。
[0006]所述的聚氨酯紡絲液是聚醚型聚氨酯紡絲液或聚酯型聚氨酯紡絲液或聚酯-聚醚型聚氨酯紡絲液中的一種，含固量為10-25%，動力粘度為300-20000 mPa.S。
[0007]所述的去離子水的導(dǎo)電率彡16 ΜΩ.αιι。
[0008]所述的銨鹽是硝酸銨或氯化銨或硫酸銨或硫酸氫銨或碳酸銨或碳酸氫銨或磷酸銨或磷酸氫銨或磷酸二氫銨或磷酸氫二銨中的一種。
[0009]所述的含酰胺鍵的極性溶劑是甲酰胺或N，N- 二甲基甲酰胺或N，N- 二甲基乙酰胺中的一種。
[0010]所述的低相對分子量陰離子型表面活性劑是硫酸酯鹽表面活性劑或磺酸鹽表面活性劑或磷酸酯鹽表面活性劑中的一種，相對分子量為200-1000。
[0011]所述的噴絲孔的直徑為65-90 μ m，長度為l_5mm。
[0012]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)在于:
1.本發(fā)明的技術(shù)方法可以實現(xiàn)聚氨酯纖維的斷裂強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂伸長率的同時增強(qiáng)。
[0013]將聚氨酯紡絲液經(jīng)噴絲孔進(jìn)入含有銨鹽的凝固浴中，經(jīng)過濕法牽伸成形后，聚氨酯溶液會固化成多孔的纖維結(jié)構(gòu)。在濕法牽伸成形的相轉(zhuǎn)化和液相分離的過程中，聚氨酯紡絲液中的溶劑會擴(kuò)散至凝固浴中，而凝固浴中的銨鹽分子也會隨著凝固浴擴(kuò)散至聚氨酯無定形區(qū)的大分子之間和孔洞中，然后聚氨酯紡絲液逐漸固化成聚氨酯纖維，得到溶劑和凝固浴共存的濕法固化聚氨酯纖維。然后，將濕法固化聚氨酯纖維拿出凝固浴并放入干燥箱中進(jìn)行干燥處理，隨著濕法固化聚氨酯纖維中溶劑和凝固浴的揮發(fā)，銨鹽分子中的銨鹽離子會在聚氨酯纖維中無定形區(qū)大分子之間以氫鍵的形式構(gòu)成微交聯(lián)結(jié)構(gòu)。同時，銨鹽離子也會在聚氨酯纖維的孔洞中形成納米針狀結(jié)構(gòu)和納米球狀結(jié)構(gòu)，且與聚氨酯纖維的大分子之間也形成了較強(qiáng)的氫鍵力，兩者之間的質(zhì)量比例為8:2-9:1，兩者的尺寸均為幾十納米至幾百納米之間，干燥處理后，得到高強(qiáng)高模高彈聚氨酯纖維。當(dāng)其受到拉伸時，聚氨酯纖維中無定形區(qū)大分子之間的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)和聚氨酯纖維孔洞中的納米針狀銨鹽結(jié)構(gòu)均可以有效地增加聚氨酯纖維的斷裂強(qiáng)度和楊氏模量。同時，聚氨酯纖維孔洞中的納米針狀銨鹽結(jié)構(gòu)和納米球狀銨鹽結(jié)構(gòu)相互結(jié)合并形成了“滑板”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效地增加聚氨酯纖維的斷裂伸長率。在拉伸力的作用下，以強(qiáng)氫鍵力圍繞在納米針狀銨鹽和納米球狀銨鹽的聚氨酯大分子可以隨著納米球狀銨鹽的滾動以及其與納米針狀銨鹽之間的相對滑動，增加了聚氨酯大分子之間的滑移位移，從而增加了聚氨酯纖維的斷裂伸長率。
[0014]2.凝固浴中多種組分的配合使用確保了銨鹽分子能夠有效地進(jìn)入聚氨酯纖維中無定形區(qū)大分子之間以及聚氨酯纖維的孔洞中。
[0015]凝固浴中的配比如下:去離子水15?97.5%，銨鹽I?70%，含酰胺鍵的極性溶劑0.5?10%，丙酉同0.9?4.5%，低相對分子量陰離子型表面活性劑0.1?0.5%。其中，錢鹽是聚氨酯纖維獲得高強(qiáng)高模高彈拉伸力學(xué)性能的增強(qiáng)體，含酰胺鍵的極性溶劑和丙酮的使用是為了控制濕法牽伸成形聚氨酯纖維的成形速率、孔洞的尺寸和大小、以及濕法牽伸成形過程中兩相的擴(kuò)散速率，確保銨鹽分子能夠有效地進(jìn)入聚氨酯纖維中無定形區(qū)大分子之間以及聚氨酯纖維的孔洞中。低相對分子量陰離子型表面活性劑具有陰離子特性，且相對分子量較低，能夠與聚氨酯纖維大分子的端基以及大分子鏈上的酰胺鍵形成界面結(jié)合力，使?jié)穹可斐尚尉郯滨ダw維在干燥熱處理過程中，銨鹽分子能夠有效的形成納米針狀結(jié)構(gòu)和納米球狀結(jié)構(gòu)。
[0016]3.在聚氨酯纖維的濕法牽伸成形過程中，采用10_80m/min的速率對聚氨酯紡絲液進(jìn)行牽伸，并使其經(jīng)過凝固浴的距離為8-45m，較慢的牽伸速率和較長的凝固浴接觸距離能夠確保銨鹽分子有效地進(jìn)入聚氨酯纖維中無定形區(qū)大分子之間以及聚氨酯纖維的孔洞中。
[0017]在聚氨酯纖維的濕法牽伸成形過程中，聚氨酯紡絲液與凝固浴之間會發(fā)生相轉(zhuǎn)化和相分離，由于聚氨酯紡絲液為細(xì)長條形，直徑為幾十微米，比表面積較大，導(dǎo)致其相轉(zhuǎn)化和相分離具有方向性和取向性，促使聚氨酯纖維形成大量長條形孔洞為主、類圓形孔洞為輔的孔洞結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建出了大量“滑板”結(jié)構(gòu)。濕法牽伸成形聚氨酯纖維中類圓形孔洞結(jié)構(gòu)和長條狀孔洞結(jié)構(gòu)的同時存在，且相互鏈接，可以為銨鹽分子在干燥熱處理過程中形成納米球狀結(jié)構(gòu)和納米針狀結(jié)構(gòu)提供場所，有助于形成滑板結(jié)構(gòu)，達(dá)到同時增加聚氨酯纖維斷裂強(qiáng)度、楊氏模量、斷裂伸長率的目的。
[0018]本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)高模高彈聚氨酯纖維的制備方法，該方法與現(xiàn)有聚氨酯纖維增強(qiáng)的方法相比，能夠同時對聚氨酯纖維的斷裂強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂伸長率實現(xiàn)增強(qiáng)，斷裂強(qiáng)度增加150-280%，斷裂伸長率增加60-120%，楊氏模量增加50_160%，大幅度提高了聚氨酯纖維的拉伸力學(xué)性能，擴(kuò)寬了聚氨酯纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，該制備方法工藝設(shè)備簡單，成本較低，對生態(tài)環(huán)境無污染，可控性高，具有很大的應(yīng)用前景。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行具體詳細(xì)描述。
[0020]一種高強(qiáng)高模高彈聚氨酯纖維的制備方法，所述制備方法按以下步驟進(jìn)行: a聚氨酯紡絲液制備
將聚醚型聚氨酯或聚酯型聚氨酯或聚酯-聚醚型聚氨酯中的一種放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%?99%的N，N- 二甲基甲酰胺中，在室溫為8-38°C條件下機(jī)械攪拌0.5-1 h后真空脫泡，得到含固量為10-25%、動力