CN103352267B - 一种皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：将纤维素和生物质聚酯真空干燥；将纤维素和离子液体按配比加入高速搅拌机混合均匀；将纤维素与离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将第一步所得的生物质聚酯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，得到皮芯结构全降解纤维素复合纤维。本发明兼具了纤维素良好的吸湿性、舒适性、染色性和聚乳酸良好的机械性能，也保留了两者生物可降解的特性，适合于医用和服用领域。

Description

一种皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料的新型绿色加工领域，涉及一种皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法。

背景技术

在当今石油资源日趋紧张、环境污染问题日益严重的背景下，为了减少各种传统石油基纤维对有限石油的消耗，纤维素正逐渐凸显出强大的经济价值和社会意义。作为优良的传统石油基纤维替代品，纤维素纤维具有优良的吸湿性、染色性、悬垂性和抗静电性能。但是纤维素的强度较低、韧性也较低。根据不同用途及环境条件，进一步深入研究复合纺丝已成为化学纤维改性的重要途径之一，其中皮芯结构的复合纤维是一个重要品种，不仅具有皮、芯材料各自的优点，还具有皮芯结构所赋予的特殊性能。如果能选用一种合适的也能生物可降解的材料制备与纤维素的皮芯复合纤维，那么既能保留材料的降解性能，还能赋予材料良好的物理性能。

然而，纤维素大分子结构规整，分子间和分子内存在大量氢键，这种高结晶度和强氢键作用力对纤维素分子的物理化学性能造成了很大的影响，导致纤维素难以溶解在普通溶剂中，也不能直接通过熔融纺制纤维，极大地限制了这类强极性高分子的工业发展。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，纤维素在离子液中的溶解度在10 %左右。然而利用高温高剪切作用，能显著提高离子液体向纤维素分子内部扩散的速度，那么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，这种高效绿色的加工过程有助于实现连续式纺丝法制备高性能纤维素复合纤维。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种皮芯结构全降解纤维素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。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：

第一步：将纤维素和生物质聚酯真空干燥；

第二步：将第一步所得的纤维素和离子液体按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素与离子液体的混合物；

第三步：将第二步所得的纤维素与离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将第一步所得的生物质聚酯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，以生物质聚酯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、以生物质聚酯为芯层的复合纤维材料，即为皮芯结构全降解纤维素复合纤维。

优选地，所述第一步中的纤维素为棉纤维素，聚合度在300-600。

优选地，所述第一步中的纤维素的干燥温度为50-80℃，真空度为90～130 Pa，时间为12-36 h。

优选地，所述第一步中的生物质聚酯的干燥温度为50-80℃，真空度为90～130 Pa，时间为12-36 h。

优选地，所述第二步中的离子液体为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，离子液体的添加量为纤维素质量的2-3倍。

优选地，所述第一步中的生物质聚酯为聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）和聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）中的至少一种。

更优选地，所述的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）和聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）采用生物基多元醇法制备。

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100-120℃，生物质聚酯的挤出温度为120-250℃，螺杆转速为200-400rpm。

优选地，所述第三步中的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，卷绕机的卷绕速度为1000-1500 m/min。

优选地，所述第三步中进入纺丝组件中的纤维素与离子液体的混合物与生物质聚酯的质量比为6:1-1:3。

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，使其与芯层的生物质聚酯纤维粘度比较匹配，制得的复合纤维具有良好的吸湿、透气效果，穿着舒适，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

一种皮芯结构全降解纤维素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PLA（美国NatureWorks，4032D）在温度为70 ℃、真空度为95 Pa，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1.5 kg真空干燥后的纤维素和3 kg [BMIM]Cl（上海成捷，LM1039）加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素与离子液体的混合物；

（3）    将纤维素与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1.5 kg 真空干燥后的PLA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120℃、120℃、130℃、130℃、140℃和150℃，芯层PLA的各段挤出温度分别设为120℃、140℃、160℃、160℃、180℃和180 ℃，螺杆转速为200rpm，经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 ℃，计量泵控制皮层进入纺丝组件的质量为芯层的3倍，由喷丝板纺出得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以PLA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，卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，卷绕机速度设为1000 m/min，得到以纤维素为皮层、以PLA为芯层的复合纤维材料，即为所述的皮芯结构全降解纤维素复合纤维，热分解温度为322.1 ℃，其纤度为4.82 dtex，干断裂强度为5.75 cN/dtex，湿断裂强度为3.16 cN/dtex，干断裂伸长率为29.5 %，湿断裂伸长率为48.3 %。

实施例2

一种皮芯结构全降解纤维素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PBS（法国阿科玛，TH-88）在温度为60 ℃、真空度为100 Pa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1.5 kg真空干燥后的纤维素和4.5 kg [EMIM]Ac（上海成捷，LM1132）加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素与离子液体的混合物；

（3）    将纤维素与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 kg 真空干燥后的 PBS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PBS的各段挤出温度分别设为100℃、100℃、110℃、120℃、130℃和140℃，螺杆转速为250rpm，经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150℃，计量泵控制皮层进入纺丝组件的质量为芯层的6倍，由喷丝板纺出得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以PBS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，卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，卷绕机速度设为1500 m/min，得到以纤维素为皮层、以PBS为芯层的复合纤维材料，即为所述的皮芯结构全降解纤维素复合纤维，热分解温度为318.6 ℃，其纤度为4.20 dtex，干断裂强度为5.91 cN/dtex，湿断裂强度为3.87 cN/dtex，干断裂伸长率为27.3 %，湿断裂伸长率为50.6 %。

实施例3

（1）    将纤维素（江苏龙马，M500）和PHBV（宁波天安，ENMAT-Y1000）在温度为60 ℃、真空度为125 Pa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1.5 kg真空干燥后的纤维素和4.5 kg [BMIM]Cl（上海成捷，LM1039）加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素与离子液体的混合物；

（3）    将纤维素与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3kg 真空干燥后的PHBV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120℃、120℃、130℃、130℃、140℃和140℃，芯层PHBV的各段挤出温度分别设为120℃、140℃、160℃、180℃、180℃和180℃，螺杆转速为300rpm，经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℃，计量泵控制皮层进入纺丝组件的质量为芯层的2倍，由喷丝板纺出得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以PHBV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，卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，卷绕机速度设为1500 m/min，得到以纤维素为皮层、以PHBV为芯层的复合纤维材料，即为所述的皮芯结构全降解纤维素复合纤维，热分解温度为320.2℃，纤度为5.34 dtex，干断裂强度为4.23 cN/dtex，湿断裂强度为2.31 cN/dtex，干断裂伸长率为32.8 %，湿断裂伸长率为60.1 %。

实施例4

（1）    将纤维素（江苏龙马，M500）和PTT（美国杜邦，SORONA）在温度为70 ℃、真空度为120 Pa的条件下真空干燥36小时；所述的纤维素为聚合度为500的普通棉纤维素；

（2）    将1.5 kg真空干燥后的纤维素和4.5 kg [BMIM]Cl（上海成捷，LM1039）加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素与离子液体的混合物；

（3）    将纤维素与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3kg 真空干燥后的PTT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120℃、120℃、130℃、130℃、140℃和140℃,芯层PTT的各段挤出温度分别设为150℃、200℃、220℃、240℃、250℃和260℃,螺杆转速为300rpm，经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260℃，计量泵控制皮层进入纺丝组件的质量为芯层的5倍，由喷丝板纺出得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以PTT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，卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，卷绕机速度设为1200 m/min，得到以纤维素为皮层、以PTT为芯层的复合纤维材料，即为所述的皮芯结构全降解纤维素复合纤维，热分解温度为335.7 ℃，纤度为5.06 dtex，干断裂强度为5.17 cN/dtex，湿断裂强度为2.91 cN/dtex，干断裂伸长率为24.9 %，湿断裂伸长率为47.3 %。

综上所述，以上制备的皮芯结构全降解纤维素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 (4)

1.一种皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：

第一步：将纤维素和生物质聚酯真空干燥；所述的纤维素为棉纤维素，聚合度在300-600，所述第一步中的生物质聚酯为聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基丁酸戊酸共聚酯和聚对苯二甲酸丙二醇酯中的至少一种；

第二步：将第一步所得的纤维素和离子液体按配比加入高速搅拌机混合均匀，得到纤维素与离子液体的混合物；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，离子液体的添加量为纤维素质量的2-3倍；

第三步：将第二步所得的纤维素与离子液体的混合物加入同向双螺杆挤出机的一个投料口，将第一步所得的生物质聚酯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，所述纤维素与离子液体的混合物的挤出温度为100-120℃，生物质聚酯的挤出温度为120-250℃，螺杆转速为200-400rpm，再由计量泵计量后进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，进入纺丝组件中的纤维素与离子液体的混合物与生物质聚酯的质量比为6:1-1:3，得到以纤维素与离子液体的混合物为皮层，以生物质聚酯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、以生物质聚酯为芯层的复合纤维材料，即为皮芯结构全降解纤维素复合纤维。

2.如权利要求1所述的皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第一步中的纤维素的干燥温度为50-80℃，真空度为90～130 Pa，时间为12-36 h。

3.如权利要求1所述的皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第一步中的生物质聚酯的干燥温度为50-80℃，真空度为90～130 Pa，时间为12-36 h。

4.如权利要求1所述的皮芯结构全降解纤维素复合纤维的制备方法，其特征在于，所述第三步中的卷绕通过纺丝组件中的卷绕机完成，卷绕机的卷绕速度为1000-1500 m/min。