CN103352266A - 一种纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：将纤维素和热塑性高聚物真空干燥；将真空干燥后的纤维素和离子液体按配比加入高速搅拌机混合均匀；将纤维素和离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将真空干燥后的热塑性高聚物加入到另一个投料口，通过同向双螺杆挤出机将两者挤出，进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，将所得的复合纤维经过水槽洗去皮层中的离子液体，然后通过纺丝组件进行拉伸、卷绕，得到纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维。本发明兼具了纤维素良好的吸湿性、舒适性、染色性和热塑性高聚物纤维良好的弹性、稳定性、机械性能，适合于医用和服用等特殊用途。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料的新型绿色加工领域，涉及一种纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法。
背景技术
纤维素是世界上来源最丰富的天然高分子，而且种类繁多、再生时间短，但是纤维素分子链之间相互作用力很强，六元吡喃环结构致使内旋转困难，其分子内和分子间都能形成氢键特别是分子内氢键致使糖苷键不能旋转从而使其刚性大大增加，所以纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂，在高温下直接分解而不熔融，导致纤维素的加工和应用一直面临着较多困难。近年来，含咪唑阳离子的离子液体被发现不仅可以作为纤维素的优良溶剂，而且还是优良的纤维素反应介质，当加热到120℃时纤维素在离子液中的溶解度在10％左右。如果利用高剪切作用，能显著提高离子液体向纤维素分子内部扩散的速度，在挤出过程中当加热到120℃时就能大大提高纤维素在离子液体中的溶解效率。这样，通过选择合适的挤出温度和螺杆转速，只加入少量的离子液体也能实现纤维素在挤出过程中的流动性。
随着人类环保意识的增强和生活水平的提高，纺织业内环保、生态、健康的风潮日益强劲，功能性产品的消费需求已从面料延伸到原料纤维。纤维素纤维具有良好的吸湿性、染色性和悬垂性等优点，如果能进一步提高纤维的韧性和强度，那么将很好的扩大纤维素纤维的应用领域，促进纤维行业的差别化生产。我们将纺丝温度较低的纤维素/离子液体作为皮层，选用纺丝温度较高的热塑性聚合物作为芯层，利用复合纺丝技术制备皮芯复合纤维，纤维素皮层可以在比芯层更低的温度下流动，使其与热塑性聚合物纤维有较好的粘合。所得的皮芯复合纤维既有优良的吸湿性、染色性和悬垂性，也有优良的力学性能、尺寸稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法。采用连续式设备制备纤维素复合纤维不仅提高了纤维素的流动性能和加工 性能，而且开发了差别化品种，提高了产品附加值。
为了达到上述目的，本发明提供了一种纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
第一步：将纤维素和热塑性高聚物真空干燥；
第二步：将真空干燥后的纤维素和离子液体按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素和离子液体的混合物；
第三步：将第二步所得的纤维素和离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将真空干燥后的热塑性高聚物加入到同向双螺杆挤出机的另一个投料口，通过同向双螺杆挤出机将两者挤出，再由计量泵计量后进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以热塑性高聚物作为芯层的复合纤维；将所得的复合纤维经过水槽洗去皮层中的离子液体，然后通过纺丝组件进行拉伸、卷绕，得到以纤维素为皮层、以热塑性高聚物为芯层的复合纤维材料，即为纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维。
优选地，所述第一步中的纤维素为普通棉纤维素，聚合度在300-600。
优选地，所述第一步中纤维素的干燥温度为50-80℃，真空度为90Pa～130Pa，时间为12-36h。
优选地，所述第一步中热塑性高聚物的干燥温度为50-80℃，真空度为90Pa～130Pa，时间为12-36h。
优选地，所述第一步中的热塑性高聚物为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)中的至少一种。
所述第二步中的离子液体由阳离子和阴离子组成，其中阳离子为烷基咪唑离子，阴离子为Cl-或CH3COO-，优选为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([EMIM]Ac)中的至少一种。
优选地，所述第二步中，离子液体与纤维素的质量比为2∶1-3∶1。
优选地，所述第三步中，纤维素与离子液体的混合物的挤出温度为100-150℃，热塑性高聚物的挤出温度为100-280℃，螺杆转速为200-400rpm。
优选地，所述的第三步中，进入纺丝组件的纤维素与离子液体的混合物与热塑性高聚物的质量比为6∶1-1∶3。
优选地，所述的第三步中的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，所述的卷绕 机卷绕速度为500-1500m/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明的加工工艺可获得易于成型、性能优良、绿色清洁化的纤维素复合纤维。在挤出过程中，离子液体的化学作用和挤出机高剪切的物理作用有效地破坏了纤维素分子内和分子间的氢键，明显改善了纤维素的流动性能，使其与芯层的热塑性高聚物纤维粘度比较匹配，制得的复合纤维具有良好的吸湿、透气效果，穿着舒适，强度和弹性都较高，在功能性纤维领域中具有较大的市场潜力。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。
实施例1
一种纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，具体步骤包括：
(1)将纤维素(江苏龙马，M550)和低熔点热塑性高聚物PET(美国杜邦，FC02)在温度为60℃、真空度为98Pa的条件下真空干燥12小时；所述的纤维素为聚合度为550的普通棉纤维素。
(2)将1.5kg真空干燥后的纤维素和3kg[BMIM]Cl(上海成捷，LM1039)按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素和离子液体的混合物；
(3)将所得的纤维素和离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将1.5kg真空干燥后的热塑性高聚物PET加入到另一个投料口，通过同向双螺杆挤出机将两者挤出，皮层纤维素与离子液体混合物的各段挤出温度分别设为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃和150℃，芯层PET的各段挤出温度分别设为120℃、120℃、150℃、150℃、180℃和180℃，螺杆转速为200rpm，再由计量泵计量后进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，纺丝温度为180℃，经计量泵控制皮层组分进入纺丝组件的质量为芯层组分的3倍，得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以热塑性高聚物作为芯层的复合纤维；将所得的复合纤维经过水槽水洗除去皮层中的离子液体，然后通过纺丝组件进行拉伸、卷绕，所述的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，所述的卷绕机卷绕速度为800m/min，得到以纤维素为皮层、以热塑性高聚物为芯层的复合纤维材料，即为纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维，其纤度为5.31dtex，干断裂强度为6.35cN/dtex，湿断裂强度为3.62cN/dtex，干断裂伸长率为21.6％，湿断裂伸长率为45.8％。
实施例2
(1)将纤维素(江苏龙马，M550)和热塑性高聚物PA6(德国巴斯夫，B30S)在70℃、真空度为95Pa的条件下真空干燥30小时；所述的纤维素为聚合度为550普通棉纤维素。
(2)将1.5kg真空干燥后的纤维素和4.5kg[BMIM]Cl(上海成捷，LM1039)按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素和离子液体的混合物；
(3)将所得的纤维素和离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将1kg真空干燥后的热塑性高聚物PA6加入到另一个投料口，通过同向双螺杆挤出机将两者挤出，皮层纤维素与离子液体混合物的各段挤出温度分别设为100℃、100℃、110℃、110℃、120℃和120℃，芯层PA6的各段挤出温度分别设为120℃、180℃、210℃、230℃、250℃和250℃，螺杆转速为250rpm，再由计量泵计量后进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，纺丝温度为250℃，经计量泵控制皮层组分进入纺丝组件的质量为芯层组分的6倍，得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以热塑性高聚物作为芯层的复合纤维；将所得的复合纤维经过水槽水洗除去皮层中的离子液体，然后通过纺丝组件进行拉伸、卷绕，所述的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，所述的卷绕机卷绕速度为1500m/min，得到以纤维素为皮层、以热塑性高聚物为芯层的复合纤维材料，即为纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维，其纤度为5.11dtex，干断裂强度为5.14cN/dtex，湿断裂强度为2.59cN/dtex，干断裂伸长率为24.3％，湿断裂伸长率为47.3％。
实施例3
(1)将纤维素(江苏龙马，M600)和低熔点热塑性高聚物PA66(美国杜邦，8066)在70℃、真空度为120Pa的条件下真空干燥30小时；所述的纤维素为聚合度为600的普通棉纤维素。
(2)将1.5kg真空干燥后的纤维素和4.5kg[BMIM]Cl(上海成捷，LM1039)按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素和离子液体的混合物；
(3)将所得的纤维素和离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将1kg真空干燥后的热塑性高聚物PA66加入到另一个投料口，通过同向双螺杆挤出机将两者挤出，皮层纤维素与离子液体混合物的各段挤出温度分别设为100℃、100℃、110℃、110℃、120℃和120℃，芯层PA66的各段挤出温度分别 设为150℃、150℃、180℃、200℃、220℃和250℃，螺杆转速为250rpm，再由计量泵计量后进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，纺丝温度为250℃，经计量泵控制皮层组分进入纺丝组件的质量为芯层组分的6倍，得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以热塑性高聚物作为芯层的复合纤维；将所得的复合纤维经过水槽水洗除去皮层中的离子液体，然后通过纺丝组件进行拉伸、卷绕，所述的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，所述的卷绕机卷绕速度为1000m/min，得到以纤维素为皮层、以热塑性高聚物为芯层的复合纤维材料，即为纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维，其纤度为5.90dtex，干断裂强度为5.85cN/dtex，湿断裂强度为2.86cN/dtex，干断裂伸长率为18.3％，湿断裂伸长率为40.1％。
实施例4
(1)将纤维素(江苏龙马，M500)和热塑性高聚物PP(美国陶氏，C715-12NHP)在80℃、真空度为90Pa的条件下真空干燥12小时；所述的纤维素为聚合度为500的普通棉纤维素。
(2)将1.5kg真空干燥后的纤维素和3kg[EMIM]Ac(上海成捷，LM1132)按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素和离子液体的混合物；
(3)将所得的纤维素和离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将9kg真空干燥后的热塑性高聚物PP加入到另一个投料口，通过同向双螺杆挤出机将两者挤出，皮层纤维素与离子液体混合物的各段挤出温度分别设为100℃、100℃、110℃、110℃、120℃和120℃，芯层PP的各段挤出温度分别设为120℃、140℃、160℃、180℃、200℃和200℃，螺杆转速为300rpm，再由计量泵计量后进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，纺丝温度为200℃，经计量泵控制皮层组分进入纺丝组件的质量为芯层组分的1/2，得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以热塑性高聚物作为芯层的复合纤维；将所得的复合纤维经过水槽水洗除去皮层中的离子液体，然后通过纺丝组件进行拉伸、卷绕，所述的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，所述的卷绕机卷绕速度为1000m/min，得到以纤维素为皮层、以热塑性高聚物为芯层的复合纤维材料，即为纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维，其纤度为5.49dtex，干断裂强度为4.73cN/dtex，湿断裂强度为2.51cN/dtex，干断裂伸长率为25.8％，湿断裂伸长率为49.7％。
实施例5
(1)将纤维素(江苏龙马，M550)和热塑性高聚物LLDPE(上海塞科，LL0220KJ)在80℃、真空度为110Pa的条件下真空干燥24小时；所述的纤维素为聚合度为550的普通棉纤维素。
(2)将1kg真空干燥后的纤维素和2kg[EMIM]Ac(上海成捷，LM1132)按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素和离子液体的混合物；
(3)将所得的纤维素和离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将9kg真空干燥后的热塑性高聚物LLDPE加入到另一个投料口，通过同向双螺杆挤出机将两者挤出，皮层纤维素与离子液体混合物的各段挤出温度分别设为100℃、100℃、110℃、110℃、120℃和120℃，芯层LLDPE的各段挤出温度分别设为120℃、140℃、160℃、180℃、180℃和200℃，螺杆转速为300rpm，再由计量泵计量后进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，纺丝温度为200℃，经计量泵控制皮层组分进入纺丝组件的质量为芯层组分的1/3，得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以热塑性高聚物作为芯层的复合纤维；将所得的复合纤维经过水槽水洗除去皮层中的离子液体，然后通过纺丝组件进行拉伸、卷绕，所述的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，所述的卷绕机卷绕速度为1000m/min，得到以纤维素为皮层、以热塑性高聚物为芯层的复合纤维材料，即为纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维，其纤度为5.82dtex，干断裂强度为4.25cN/dtex，湿断裂强度为2.17cN/dtex，干断裂伸长率为27.0％，湿断裂伸长率为51.5％
综上所述，以上制备的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的力学性能均高于目前常用的粘胶纤维和天丝纤维，与涤纶纤维的力学性能相近，因此能逐步替代涤纶纤维，以减少化学合成纤维对有限石油的消耗。
Claims (10)
1.一种纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
第一步：将纤维素和热塑性高聚物真空干燥；
第二步：将真空干燥后的纤维素和离子液体按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素和离子液体的混合物；
第三步：将第二步所得的纤维素和离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将真空干燥后的热塑性高聚物加入到同向双螺杆挤出机的另一个投料口，通过同向双螺杆挤出机将两者挤出，再由计量泵计量后进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以热塑性高聚物作为芯层的复合纤维；将所得的复合纤维经过水槽洗去皮层中的离子液体，然后通过纺丝组件进行拉伸、卷绕，得到以纤维素为皮层、以热塑性高聚物为芯层的复合纤维材料，即为纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维。
2.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第一步中的纤维素为普通棉纤维素，聚合度在300-600。
3.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第一步中纤维素的干燥温度为50-80℃，真空度为90～130Pa，时间为12-36h。
4.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第一步中热塑性高聚物的干燥温度为50-80℃，真空度为90～130Pa，时间为12-36h。
5.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第一步中的热塑性高聚物为聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯中的至少一种。
6.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第二步中的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐中的至少一种。
7.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第二步中，离子液体与纤维素的质量比为2∶1-3∶1。
8.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第三步中，纤维素与离子液体的混合物的挤出温度为100-150℃，热塑性高聚物的挤出温度为100-280℃，螺杆转速为200-400rpm。
9.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的第三步中，进入纺丝组件的纤维素与离子液体的混合物与热塑性高聚物的质量比为6∶1-1∶3。
10.如权利要求1所述的纤维素与热塑性高聚物皮芯型复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的第三步中的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，所述的卷绕机卷绕速度为500-1500m/min。
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