CN104153034B - 具有保温性能的聚氨酯弹性纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有保温性能的聚氨酯弹性纤维及其制备方法。采用纳米级别的陶瓷粉体作为保温助剂与聚氨酯纤维混合，其中陶瓷粉体的用量为聚氨酯纤维质量的0.1-10％。利用陶瓷粉体对热辐射的阻隔以及反射作用，降低热量的散失；运用低温等离子体照射技术对粉体表面作改性处理，使陶瓷粉体在聚氨酯中呈现良好的分散效果与界面结合作用。由此方法制备的氨纶保温保暖性能出色，特别适合用于纺制冬季内衣面料，以及护膝、护腕、腰带等弹性织物。

Description

具有保温性能的聚氨酯弹性纤维及其制备方法

技术领域

本发明属于聚氨酯弹性纤维的制备技术方法，特别涉及一种具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法。

背景技术

聚氨酯纤维(简称“氨纶”)因其良好的弹性广泛地应用于高档服装、运动衫裤、内衣、袜子、泳衣等纺织品领域。穿着含氨纶的服饰不仅可以带来良好的舒适感，而且可突显完美的修身效果，因此氨纶在面料中的成份比重也越来越大。随着人们生活水平的提高以及纺织行业技术的发展，人们对氨纶以及含氨织物的功能性提出了更多更高的要求：如用于冬季保暖内衣的弹性面料不仅具有贴身舒适的穿着感，更应该具有一定的保温效果；用于护膝、护腕以及绷带等弹性织物同样应具备保温保暖功效，以达到促进关节血液循环、保护运动员免受伤害的目的。但至今为此，并没有相关的专利文献报道关于如何制备具有保温性能的氨纶。

人体向外界散失热量主要是以热辐射、热传导、对流三种方式，其中以热辐射散逸的热量最大。因此，制备具有保温性能纤维的主要技术原理是通过在纤维中添加介质材料以阻隔热辐射的发生，同时增加其对热辐射能量的反射作用，达到保温的效果。具体方法主要有在纤维内部掺杂功能助剂或在纤维表面涂覆保温层等。专利CN103160943A通过在合成纤维中加入0.1-3％的金属或非金属纳米粒子，使纤维具有保温隔热的性能特点；专利CN102115920A提供了一种蓄热保暖保健功能合成纤维的制备方法，具体方法是将碳化锆粉体经偶联剂处理后制成功性能母粒，再与树脂切片混合，经熔融纺丝，制得功能化纤维；专利CN102465453A则是将金属氧化物粉碎后加入到聚酯或聚酰胺中，得到金属氧化物溶胶，再将溶胶涂覆到纤维表面，高温固化得到具有保温与防辐射的功能化纤维。

涂层加工的方法并不适合制备保温氨纶。因为氨纶是一种具有弹性的纤维，在织造的过程中需要对其进行适当的牵伸。如果仅仅是在氨纶在松弛状态下进行涂层处理，那牵伸变细后的氨纶表面涂层则会变得分布不均，影响保温效果。内部掺杂纳米粒子的方法则更为有效。但无论是金属、金属氧化物颗粒，还是无机非金属颗粒，其与聚氨酯类聚合物的混合，都需要解决粒子分散问题以及两相界

低温等离子体粉体处理技术是在室温或稍高于室温的状态下，将真空度极低情况下的气体成分电离成电子、离子、原子自由基、紫外线、高能射线等活性粒子，而这些粒子会对粉体的表面进行刻蚀、活化、氧化、除杂等一系列改性处理。由于低温等离子体粉体处理技术所需设备工艺简单、过程安全无污染、节能高效，因此广泛运用于电子元器件表面刻蚀、生物膜分离、农业种子催化改良以及航空航天等不同领域。但至今为至，没有相关的专利文献报道将这种技术运用于新型功能纤维的制备方面。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种具有保温性能的聚氨酯弹性纤维及其制备方法。此发明采用纳米陶瓷粉体作为纤维的保温助剂，并运用低温等离子体照射技术对粉体表面作改性处理，使陶瓷粉体在聚氨酯中呈现良好的分散效果与界面结合作用。由此方法制备的氨纶保温保暖性能出色，特别适合用于纺制冬季内衣面料，以及护膝、护腕、腰带等弹性织物。

技术方案：本发明的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维，采用纳米级别的陶瓷粉体作为保温助剂与聚氨酯纤维混合，其中陶瓷粉体的用量为聚氨酯纤维质量的0.1-10％。所述纳米陶瓷粉体是氧化锆、氧化铝、氧化镁、氧化硅、碳化锆、碳化硅、氮化硅或氮化硼中的一种或多种组合，粉体颗粒直径为20-400纳米。

本发明的的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法包括以下几个步骤：

1)陶瓷粉体的等离子体处理：将陶瓷粉体加入到球磨机内进行高速研磨；取研磨后的粉体置于低温等离子体处理设备的真空反应罐中，开启真空泵，将反应罐内的气压抽至所需值；通入放电气体，并调节真空阀，使反应罐内的真空度保持恒定；开启射频电源，选择所需的射频功率，使反应罐内气体电离，产生辉光放电；

2)陶瓷粉体与有机溶剂的混合：待陶瓷粉体经等离子体处理完成后，加入到有机溶剂中，高速搅拌，形成陶瓷粉体-有机溶剂的混合液；

3)纺丝原液的制备：将聚合物二醇、二异氰酸酯进行预聚合反应，得到异氰酸酯基封端的预聚物；在预聚物中加入有机溶剂进行溶解、稀释、冷却，再通过高速静态混合器将其与扩链剂、封端剂等混合反应；待反应完成后，在聚合物中依次加入所述陶瓷粉体-有机溶剂的混合液、抗氧化剂、耐紫外光助剂、染色助剂和润滑剂，充分搅拌，得到纺丝原液；

4)将所述纺丝原液通过高温甬道进行溶剂的蒸发，再经罗拉伸牵、上油、卷绕，制备成具有保温性能的聚氨酯弹性纤维。

所述陶瓷粉体加入到球磨机内进行高速研磨的时间控制在1-3小时。

所述低温等离子体处理设备的真空反应罐，在抽气后的气压值为1-100帕；通入放电气体后反应罐的真空度保持在10-500帕。

所述放电气体是氮气、氧气、氦气、氩气或氨气中的一种；选择的射频功率为100-1000瓦；粉体等离子处理时间为1-4小时。

用于溶解分散陶瓷粉体的有机溶剂是二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、吡啶、丙酮、甲酸甲酯、乙酸乙酯或四氢呋喃中的一种。

所述聚合物二醇为聚醚类二醇或聚酯类二醇，如聚氧化丙烯二醇、聚四亚甲基醚二醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸丁二醇酯二醇、聚己二酸己二醇酯二醇或聚己内酯二醇中的一种或多种组合；所述二异氰酸酯为4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或甲苯二异氰酸酯的一种或多种组合。

所述扩链剂是乙二胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、乙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丁二醇、1,5-戊二醇、1,2-戊二醇或己二醇中的一种或多种组合；所述封端剂为甲醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、3-甲基-1-丁醇、乙醇胺、N-乙基甲基胺或二乙胺其中的一种或多种组合。

所述的高温甬道的温度在180-250摄氏度之间，纺丝速度为800-1200米/分钟。

有益效果：本发明选用纳米陶瓷粉体作为纤维的保温助剂，利用陶瓷粉体对热辐射的阻隔以及反射作用，降低热量的散失；采用低温等离子体处理技术对陶瓷粉体表面进行改性，降低粉体表面能，使粉体能均匀地分散在纤维之中，并与聚合物分子链段形成良好的界面浸润效果。因此，本发明制备的氨纶具有优异的保温保暖功效，适合纺制冬季贴身内衣、护腕护膝等弹性织物的。

具体实施方式

本发明制备的具有保温性能的聚氨酯脲弹性纤维方法包括以下几个步骤：

1.陶瓷粉体的等离子体处理：将陶瓷粉体加入到行星式球磨机进行高速研磨；取研磨后的粉体置于低温等离子体处理设备的真空反应罐中，开启真空泵，将反应罐内的气压抽至所需值；通入放电气体，并调节真空阀，使反应罐内的真空度保持恒定；开启射频电源，选择合适的射频功率，使反应罐内气体电离，产生辉光放电；

2.陶瓷粉体与有机溶剂的混合：待粉体经等离子体处理完成后，加入到有机溶剂中，高速搅拌，形成粉体-有机溶剂的混合液；

3.纺丝原液的制备：将聚合物二醇、二异氰酸酯进行预聚合反应，得到异氰酸酯基封端的预聚物；在预聚物中加入有机溶剂进行溶解、稀释、冷却，再通过高速静态混合器将其与扩链剂、封端剂等混合反应；待反应完成后，在聚合物中依次加入粉体混合液、抗氧化剂、耐紫外光助剂、染色助剂、润滑剂，充分搅拌，得到纺丝原液；

4.将纺丝原液通过高温甬道进行溶剂的蒸发，再经罗拉伸牵、上油、卷绕，制备成具有保温性能的聚氨酯脲弹性纤维。

发明步骤1中对陶瓷粉体研磨时间为1-3小时。

发明步骤1中反应罐在抽气后的气压值为1-100帕；通入放电气体后反应罐的真空度保持在10-500帕。

发明步骤1中所用的放电气体可以是氮气、氧气、氦气、氩气、氨气中的一种；所用的射频功率为100-1000瓦；粉体等离子处理时间为1-4小时。

发明步骤2中用于溶解分散粉体的有机溶剂可以是二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、吡啶、丙酮、甲酸甲酯、乙酸乙酯、四氢呋喃中的一种。

发明步骤3中的聚合物二醇可以为聚醚类二醇或聚酯类二醇，如聚氧化丙烯二醇、聚四亚甲基醚二醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸丁二醇酯二醇、聚己二酸己二醇酯二醇、聚己内酯二醇中的一种或多种组合。

发明步骤3中的二异氰酸酯为4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯的一种或多种组合。

发明步骤3中的扩链剂为低分子二元胺或低分子二元醇，可以是乙二胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、乙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丁二醇、1,5-戊二醇、1,2-戊二醇、己二醇中的一种或多种组合。

发明步骤3中的封端剂可以为甲醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、3-甲基-1-丁醇、乙醇胺、N-乙基甲基胺、二乙胺等其中的一种或多种组合。

发明步骤4中所述的高温甬道的温度在180-250摄氏度之间，纺丝速度为800-1200米/分钟。

实施例1

1.将50克氧化锆加入到行星式球磨机进行高速研磨，研磨时间为2小时；取研磨后的氧化锆置于低温等离子体处理设备的真空反应罐中，开启真空泵，将反应罐内的气压抽至10帕；通入氦气，并调节真空阀，使反应罐内的真空度保持在50帕；开启射频电源，将射频功率调节至400瓦，使反应罐内气体电离，产生辉光放电；

2.氧化锆经等离子体处理完成后，直接加入到500毫升的二甲基乙酰胺中，高速搅拌，形成氧化锆-二甲基乙酰胺的混合液；

3.将4.5千克聚四亚甲基醚二醇、0.5千克聚氧化丙烯二醇与1.2千克4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，在65摄氏度下进行1.5小时的预聚合反应，得到异氰酸酯基封端的预聚物；在预聚物中加入7.2千克的二甲基乙酰胺进行溶解、稀释，冷却至15度，再通过高速静态混合器将其与150克乙二胺、10克二乙胺的混合液进行混合反应；待反应完成后，在聚合物中依次加入氧化锆-有二甲基乙酰胺的混合液、抗氧化剂、耐紫外光助剂、染色助剂、润滑剂，搅拌8小时，得到纺丝原液；

4.将纺丝原液通过240度高温甬道进行溶剂的蒸发，纺丝速度为950米/分钟，再经罗拉伸牵、上油、卷绕，制备成具有保温性能的聚氨酯脲弹性纤维。

实施例2

1.将60克的氧化铝加入到行星式球磨机进行高速研磨，研磨时间为1.5小时；取研磨后的氧化铝置于低温等离子体处理设备的真空反应罐中，开启真空泵，将反应罐内的气压抽至5帕；通入氧气，并调节真空阀，使反应罐内的真空度保持在80帕；开启射频电源，将射频功率调节至320瓦，使反应罐内气体电离，产生辉光放电；

2.氧化铝经等离子体处理完成后，直接加入到450毫升的二甲基乙酰胺中，高速搅拌，形成氧化铝-二甲基乙酰胺的混合液；

3.将4.2千克聚四亚甲基醚二醇、0.8千克聚己二酸乙二醇酯二醇与1.5千克异佛尔酮二异氰酸酯，在85摄氏度下进行3小时的预聚合反应，得到异氰酸酯基封端的预聚物；在预聚物中加入8.5千克的二甲基乙酰胺进行溶解、稀释，冷却至20度，再通过高速静态混合器将其与80克乙二胺、20克1,3-丙二胺与8克正丁醇的混合液进行混合反应；待反应完成后，在聚合物中依次加入氧化铝-二甲基乙酰胺的混合液、抗氧化剂、耐紫外光助剂、染色助剂、润滑剂，搅拌10小时，得到纺丝原液；

4.将纺丝原液通过230度高温甬道进行溶剂的蒸发，纺丝速度为1000米/分钟，再经罗拉伸牵、上油、卷绕，制备成具有保温性能的聚氨酯脲弹性纤维。

实施例3

1.将50克碳化硅与30克氧化镁的混合物一起加入到行星式球磨机进行高速研磨，研磨时间为1.5小时；取研磨后的氧化锆置于低温等离子体处理设备的真空反应罐中，开启真空泵，将反应罐内的气压抽至15帕；通入氮气，并调节真空阀，使反应罐内的真空度保持在80帕；开启射频电源，将射频功率调节至500瓦，使反应罐内气体电离，产生辉光放电；

2.粉体混合物经等离子体处理完成后，直接加入到800毫升的二甲基甲酰胺中，高速搅拌，形成粉体-二甲基甲酰胺的混合液；

3.将6.0千克聚四亚甲基醚二醇与1.0千克4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，在50摄氏度下进行3小时的预聚合反应，得到异氰酸酯基封端的预聚物；在预聚物中加入8.0千克的二甲基甲酰胺进行溶解、稀释，冷却至5度，再通过高速静态混合器将其与75克乙二胺、15克1,5-戊二胺、10克乙二醇以及6克正丁醇的混合液进行混合反应；待反应完成后，在聚合物中依次加入粉体混合液、抗氧化剂、耐紫外光助剂、染色助剂、润滑剂，搅拌12小时，得到纺丝原液；

4.将纺丝原液通过220度高温甬道进行溶剂的蒸发，纺丝速度为750米/分钟，再经罗拉伸牵、上油、卷绕，制备成具有保温性能的聚氨酯脲弹性纤维。

Claims (9)

1.一种具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于该聚氨酯弹性纤维采用纳米级别的陶瓷粉体作为保温助剂与聚氨酯纤维混合，其中陶瓷粉体的用量为聚氨酯纤维质量的0.1-10％；所述纳米陶瓷粉体是氧化锆、氧化铝、氧化镁、氧化硅、碳化锆、碳化硅、氮化硅或氮化硼中的一种或多种组合，粉体颗粒直径为20-400纳米；

该制备方法包括以下几个步骤：

1)陶瓷粉体的等离子体处理：将陶瓷粉体加入到球磨机内进行高速研磨；取研磨后的粉体置于低温等离子体处理设备的真空反应罐中，开启真空泵，将反应罐内的气压抽至所需值；通入放电气体，并调节真空阀，使反应罐内的真空度保持恒定；开启射频电源，选择所需的射频功率，使反应罐内气体电离，产生辉光放电；

2)陶瓷粉体与有机溶剂的混合：待陶瓷粉体经等离子体处理完成后，加入到有机溶剂中，高速搅拌，形成陶瓷粉体-有机溶剂的混合液；

3)纺丝原液的制备：将聚合物二醇、二异氰酸酯进行预聚合反应，得到异氰酸酯基封端的预聚物；在预聚物中加入有机溶剂进行溶解、稀释、冷却，再通过高速静态混合器将其与扩链剂、封端剂混合反应；待反应完成后，在聚合物中依次加入所述陶瓷粉体-有机溶剂的混合液、抗氧化剂、耐紫外光助剂、染色助剂和润滑剂，充分搅拌，得到纺丝原液；

4)将所述纺丝原液通过高温甬道进行溶剂的蒸发，再经罗拉伸牵、上油、卷绕，制备成具有保温性能的聚氨酯弹性纤维。

2.按照权利要求1所述的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述陶瓷粉体加入到球磨机内进行高速研磨的时间控制在1-3小时。

3.按照权利要求1所述的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述低温等离子体处理设备的真空反应罐，在抽气后的气压值为1-100帕；通入放电气体后反应罐的真空度保持在10-500帕。

4.按照权利要求1所述的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述放电气体是氮气、氧气、氦气、氩气或氨气中的一种；选择的射频功率为100-1000瓦；粉体等离子处理时间为1-4小时。

5.按照权利要求1所述的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于用于溶解分散陶瓷粉体的有机溶剂是二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、吡啶、丙酮、甲酸甲酯、乙酸乙酯或四氢呋喃中的一种。

6.按照权利要求1所述的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述聚合物二醇为聚醚类二醇或聚酯类二醇；所述二异氰酸酯为4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或甲苯二异氰酸酯的一种或多种组合。

7.按照权利要求6所述的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述聚醚类二醇或聚酯类二醇为聚氧化丙烯二醇、聚四亚甲基醚二醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸丁二醇酯二醇、聚己二酸己二醇酯二醇或聚己内酯二醇中的一种或多种组合。

8.按照权利要求1所述的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述扩链剂是乙二胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、乙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丁二醇、1,5-戊二醇、1,2-戊二醇或己二醇中的一种或多种组合；所述封端剂为甲醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、3-甲基-1-丁醇、乙醇胺、N-乙基甲基胺或二乙胺其中的一种或多种组合。

9.按照权利要求1所述的具有保温性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述的高温甬道的温度在180-250摄氏度之间，纺丝速度为800-1200米/分钟。