CN102108562B - 一种聚羟基脂肪酸酯纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚羟基脂肪酸酯纤维的制备方法。该方法如下步骤:(1)将聚羟基脂肪酸酯熔融挤出得到初生聚羟基脂肪酸酯纤维;(2)将所述初生聚羟基脂肪酸酯纤维在10℃-50℃下结晶后进行拉伸并进行张力热定型得所述聚羟基脂肪酸酯纤维。在拉伸之后和张力热定型之前还可以包括10℃-50℃二次结晶和二次拉伸的步骤,在该结晶温度下结晶时间可以控制在3min-3h内,从而大大缩短结晶所需的时间。本发明所提供的方法制备的聚羟基脂肪酸酯纤维的断裂强度为50-300Mpa,具有很强的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维的制备方法,尤其涉及一种聚羟基脂肪酸酯纤维的制备方法。
背景技术
聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoate;PHA)是细菌体内广泛存在的一种聚酯,主要作为细胞内碳源和能源的贮藏性物质而存在。最早被发现的PHA是二十世纪初在Azotobacter chroococcum内发现的一种亲苏丹染料、可溶于氯仿的类脂肪包涵体,其后在Bacillus megaterium又发现了类似的包涵体,其组成被鉴定为聚-D-3-羟基丁酸(poly-D-3-hydroxybutyric acid or P(3HB))(Microbiology Reviews.1990,54:450-472)。到了六七十年代,开始有其它单体组成的PHA被发现,同时第一代PHA(PHB)和第二代PHA(聚羟基丁酸羟基戊酸酯-Poly(hydroxybutyrate-co-valerate)或PHBV)实现了工业化生产。
PHA具有类似于化工塑料的物化特性和生物可降解性,已经部分被作为环境可降解的塑料而得到应用,以缓解目前越来越严重的“白色污染”问题。PHA还具有生物相容性、光学活性、压电性、气体相隔性等许多优秀性能,因而除了可以在塑料工业中得以推广应用,成为新型的生物可降解塑料以外,也可能在医疗、制药、电子等高附加值领域得到广泛应用,这使得对PHA家族的研究成为现今的一个热点。
PHA的纺丝研究及PHA纤维的产业化也随着对国内外对PHA材料研究的兴起而有了一定的发展。2008年,Iwata等人(US.App.No.20080061467)报道了一种PHA弹性纤维的制作方法:将PHB、PHBHHx、P3HB4HB,P3HB6HHx等熔融挤出后冷却至Tg+15℃以内的温度,得到无定形态纤维,在Tg+15℃以内的温度下结晶6~12小时后,对纤维进行拉伸及紧张热处理,得到了断裂强度大于300MPa的PHA纤维。该方法在Tg+15℃以内的温度下结晶需要6~12小时,结晶时间比较长;但是该方法认为结晶时间过短会导致结晶不充分,不能顺利进行拉伸;结晶时间过长会导致结晶过度,进而无法拉伸。许开天等人(申请号200810052461.8)将PHBHHx熔融挤出初生纤维后进行预拉伸,然后在冰水中等温结晶24h后再次拉伸,得到直径为100~300um,强度为500~600MPa之间的PHBHHx纤维。因此,寻找一种既能够缩短结晶时间又能够使纤维结晶适度的纤维制备方法是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚羟基脂肪酸酯纤维的制备方法。
本发明提供的聚羟基脂肪酸酯纤维的制备方法(一步法),包括如下步骤:
(1)将聚羟基脂肪酸酯熔融挤出得到初生聚羟基脂肪酸酯纤维;
(2)将所述初生聚羟基脂肪酸酯纤维在10℃-50℃下结晶后进行拉伸;所述拉伸之后经张力热定型即得所述聚羟基脂肪酸酯纤维。
本发明还提供一种聚羟基脂肪酸酯纤维的制备方法(二步法),包括如下步骤:
(1)将聚羟基脂肪酸酯熔融挤出得到初生聚羟基脂肪酸酯纤维;
(2)将所述初生聚羟基脂肪酸酯纤维在10℃-50℃下第一次结晶后进行第一次拉伸,所述第一次拉伸之后再于10℃-50℃下进行第二次结晶后进行第二次拉伸,所述第二次拉伸之后经张力热定型即得所述聚羟基脂肪酸酯纤维。
上述制备方法中,步骤(1)所述熔融挤出的温度为120℃-140℃,具体可为120℃、130℃或140℃。
对于一步法:
结晶温度为10℃-50℃,具体可为10℃、15℃、23℃、33℃、44℃或50℃。
结晶时间为3min-180min,具体可为3min、4min、6min、25min、100min或180min;
拉伸温度为10℃-68℃,具体可为10℃、20℃、40℃、60℃、65℃或68℃。
拉伸倍数为15-30倍,具体可为15倍、20倍或30倍。
对于二步法:
第一次结晶温度为10℃-50℃,具体可为10℃、15℃、23℃、33℃、44℃或50℃。
第一次结晶时间为1min-90min,具体可为1min、2min、4min、15min、50min或90min;
第一次拉伸温度为10℃-50℃,具体可为10℃、20℃、30℃、40℃或50℃。
第一次拉伸倍数为2-7倍,具体可为2倍、4倍或7倍。
第二次结晶温度为10℃-50℃,具体可为10℃、20℃或50℃。
第二次结晶时间为3min-180min,具体可为3min、45min或180min;
第二次拉伸温度为10℃-68℃,具体可为10℃、20℃、40℃、60℃、65℃或68℃。
第二次拉伸倍数为10-20倍,具体可为10倍或20倍。
上述结晶、第一次结晶、第二次结晶可以在任何不能溶解聚羟基脂肪酸酯的气体或液体中进行,如水、空气等。
上述制备方法中,步骤(2)所述热定型的温度为20℃-75℃,如20℃、45℃、60℃或75℃;所述热定型的时间为5分钟-24小时,如30min、1小时、6小时或24小时。
上述制备方法中,所述聚羟基脂肪酸酯为3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚酯;所述3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚酯的重均分子量Mw可为306000g/mol;所述3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚酯中HHx摩尔百分含量可为9-11%。
本发明所提供的制备方法,使结晶在10℃-50℃下进行,加快了结晶速度。本发明还提供了在拉伸之后和张力热定型之前还可以包括10℃-50℃二次结晶和二次拉伸的步骤,在该结晶温度下结晶时间可以控制在3min-3h内,从而大大缩短结晶所需的时间,如在44℃下只需要4分钟就可以结晶适度进入拉伸步骤,进而缩短了整个制备工艺所需的时间。本发明所提供的方法制备的聚羟基脂肪酸酯纤维的直径分布在70um-300μm之间,断裂伸长率为400%-1200%,断裂强度为50MPa-300MPa。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
本发明下述实施例中所用的熔融挤出机型号为TR01型台式熔融纺丝机;断裂强度的测试方法为:室温下,纤维测量长度为10mm,拉伸速率为10mm/min,结果取每种条件下10个样品的测量平均值。仪器:电子单纤维强力仪(莱州电子仪器有限公司)。
本发明下述实施例中所用的3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)可按照下述文献记载的方法制备:Industrial scale production ofpoly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)(Appl.Microbiol.Biotechnol.2001,57:50-55)。
实施例1、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%),真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至120℃,挤出速度为60cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在空气中10℃下进行结晶180min,然后在10℃下进行拉伸,拉伸速度为300m/min,拉伸倍数为15;将得到的拉伸倍数为15的取向PHBHHx纤维在20℃下进行张力热定型24h得到PHBHHx纤维,其直径为250um-300um,断裂强度为50MPa-100MPa。
实施例2、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%),真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至130℃,挤出速度为120cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在空气中15℃下进行结晶100min,然后在20℃下进行拉伸,拉伸速度为250m/min,拉伸倍数为20;将得到的拉伸倍数为20的取向PHBHHx纤维在45℃下进行张力热定型6h得到PHBHHx纤维,其直径为200um-250um,断裂强度为50MPa-150MPa。
实施例3、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%),真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至140℃,挤出速度为240cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中23℃下进行结晶25min,然后在40℃下进行拉伸,拉伸速度为200m/min,拉伸倍数为30;将得到的拉伸倍数为30的取向PHBHHx纤维在60℃下进行张力热定型1h得到PHBHHx纤维,其直径为150um-200um,断裂强度为50MPa-200MPa。
实施例4、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%),真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至130℃,挤出速度为480cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中33℃下进行结晶6min,然后在60℃下进行拉伸,拉伸速度为150m/min,拉伸倍数为30;将得到的拉伸倍数为30的取向PHBHHx纤维在75℃下进行张力热定型0.5h得到PHBHHx纤维,其直径为150um-200um,断裂强度为50MPa-200MPa。
实施例5、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%),真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至130℃,挤出速度为960cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中44℃下进行结晶4min,然后在65℃下进行拉伸,拉伸速度为100m/min,拉伸倍数为30;将得到的拉伸倍数为30的取向PHBHHx纤维在60℃下进行张力热定型1h得到PHBHHx纤维,其直径为150um-200um,断裂强度为50MPa-200MPa。
实施例6、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%),真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至130℃,挤出速度为1200cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中50℃下进行结晶3min,然后在68℃下进行拉伸,拉伸速度为50m/min,拉伸倍数为30;将得到的拉伸倍数为30的取向PHBHHx纤维在45℃下进行张力热定型6h得到PHBHHx纤维,其直径为150um-200um,断裂强度为50MPa-200MPa。
实施例7、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%,真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至120℃,挤出速度为60cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中10℃下进行结晶90min,然后在10℃下进行拉伸,拉伸速度为2m/min,拉伸倍数为2;将得到的拉伸倍数为2的取向PHBHHx纤维在10℃空气中下再一次进行结晶180min,然后在10℃下再进行拉伸,拉伸速度为50m/min,拉伸倍数为10;将得到的拉伸倍数为20的取向PHBHHx纤维在20℃下进行张力热定型24h得到PHBHHx纤维,其直径为200um-250um,断裂强度为50MPa-150MPa。
实施例8、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%,真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至130℃,挤出速度为120cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中15℃下进行结晶50min,然后在20℃下进行拉伸,拉伸速度为4m/min,拉伸倍数为2;将得到的拉伸倍数为2的取向PHBHHx纤维在20℃空气中下再一次进行结晶45min,然后在20℃下再进行拉伸,拉伸速度为100m/min,拉伸倍数为20;将得到的拉伸倍数为40的取向PHBHHx纤维在45℃下进行张力热定型6h得到PHBHHx纤维,其直径为150um~200um,断裂强度为50MPa-200MPa。
实施例9、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%,真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至140℃,挤出速度为240cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中23℃下进行结晶15min,然后在30℃下进行拉伸,拉伸速度为8m/min,拉伸倍数为4;将得到的拉伸倍数为4的取向PHBHHx纤维在50℃空气中下再一次进行结晶3min,然后在40℃下再进行拉伸,拉伸速度为150m/min,拉伸倍数为10;将得到的拉伸倍数为40的取向PHBHHx纤维在60℃下进行张力热定型1h得到PHBHHx纤维,其直径为150um~200um,断裂强度为50MPa-200MPa。
实施例10、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%,真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至130℃,挤出速度为480cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中33℃下进行结晶4min,然后在40℃下进行拉伸,拉伸速度为16m/min,拉伸倍数为4;将得到的拉伸倍数为4的取向PHBHHx纤维在10℃空气中下再一次进行结晶180min,然后在60℃下再进行拉伸,拉伸速度为200m/min,拉伸倍数为20;将得到的拉伸倍数为80的取向PHBHHx纤维在75℃下进行张力热定型0.5h得到PHBHHx纤维,其直径为100um~150um,断裂强度为50MPa-250MPa。
实施例11、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%,真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至130℃,挤出速度为960cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中44℃下进行结晶2min,然后在50℃下进行拉伸,拉伸速度为32m/min,拉伸倍数为7;将得到的拉伸倍数为7的取向PHBHHx纤维在20℃空气中下再一次进行结晶45min,然后在65℃下再进行拉伸,拉伸速度为250m/min,拉伸倍数为10;将得到的拉伸倍数为70的取向PHBHHx纤维在60℃下进行张力热定型1h得到PHBHHx纤维,其直径为100um~150um,断裂强度为50MPa-250MPa。
实施例12、3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx)纤维的制备
称取20g PHBHHx(重均分子量Mw为306000g/mol,其中,3-羟基己酸的摩尔百分含量HHx%为9.4%,真空干燥后投入至熔融挤出机中,升温至130℃,挤出速度为1200cm/min,挤出圆柱型样条即为初生纤维;将该初生纤维在水中50℃下进行结晶1min,然后在20℃下进行拉伸,拉伸速度为64m/min,拉伸倍数为7;将得到的拉伸倍数为7的取向PHBHHx纤维在50℃空气中下再一次进行结晶3min,然后在68℃下再进行拉伸,拉伸速度为300m/min,拉伸倍数为20;将得到的拉伸倍数为140的取向PHBHHx纤维在60℃下进行张力热定型1h得到PHBHHx纤维,其直径为70um~100um,断裂强度为50MPa-300MPa。
Claims (11)
1.一种聚羟基脂肪酸酯纤维的制备方法,包括如下步骤:
(1)将聚羟基脂肪酸酯熔融挤出得到初生聚羟基脂肪酸酯纤维;
(2)将所述初生聚羟基脂肪酸酯纤维在10℃-50℃下结晶后进行拉伸,然后在所述拉伸之后经张力热定型即得所述聚羟基脂肪酸酯纤维;所述聚羟基脂肪酸酯为3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚酯。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述结晶的时间为3min-180min。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述拉伸的温度为10℃-68℃。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述拉伸的倍数为15-30倍。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述拉伸的倍数为15-30倍。
6.一种聚羟基脂肪酸酯纤维的制备方法,包括如下步骤:
(1)将聚羟基脂肪酸酯熔融挤出得到初生聚羟基脂肪酸酯纤维;
(2)将所述初生聚羟基脂肪酸酯纤维在10℃-50℃下第一次结晶后进行第一次拉伸;所述第一次拉伸之后再于10℃-50℃下进行第二次结晶后进行第二次拉伸,所述第二次拉伸之后经张力热定型即得所述聚羟基脂肪酸酯纤维;所述聚羟基脂肪酸酯为3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚酯。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述第一次结晶的时间为1min-90min,所述第二次结晶的时间为3min-180min。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述第一次拉伸的温度为10℃-50℃,所述第二次拉伸的温度为10℃-68℃。
9.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述第一次拉伸的倍数为2-7倍,第二次拉伸的倍数为10-20倍。
10.根据权利要求1或2或6或7所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述熔融挤出的温度为120℃-140℃。
11.根据权利要求1或2或6或7所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述热定型的温度为20℃-75℃;所述热定型的时间为0.5小时-24小时。
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