CN104452306A - 一种新型高性能tpu复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种新型高性能tpu复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种TPU复合材料及其制备方法,所述TPU复合材料的芯部为丝线或棉线,在所述芯部的外表面包裹一层TPU材料,其制备方法包括:首先采用挤出机挤出TPU材料,然后通过包覆技术,将TPU包覆在丝线或棉线上成为另一种线,从而得到本发明的TPU复合材料,该材料可缠绕成线卷或直接制成纺织品。本发明通过将丝线或棉线和TPU材料共同纺织,制得了一种透气性更好、机械强度更高的TPU复合材料,该复合材料还具有耐磨、阻燃、耐黄变、防霉抗菌等优点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备领域,尤其涉及一种TPU复合材料及其制备方法。
背景技术
热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)是一类由热动力学上不相容的硬段和软段交替形成的线性多嵌段聚合物,具有独特的微相分离结构,因此,其物理机械性能相当优异。TPU具有的突出特点是硬度大、强度高、弹性好、耐低温、耐磨性优异、耐臭氧性极好,有良好的耐油、耐化学药品和耐环境性能等特点,因此,广泛应用于注塑、挤出、压延及溶解成溶液型树脂等加工方式,其制品涵盖了工业应用和民用必需品的范围。
热塑性聚氨酯(TPU)具有突出的是耐磨性性能,使其在做一些表观外层制品上具有很大的优势,鞋层和鞋帮等材料,电线电缆光缆护套,拉链片和高档塑料表带、表壳以及潜水表、礼品表等系列,机械制品(如汽车部件、机械轴承、滚轮等),皮包皮革等方面。
目前,在TPU复合材料方面的研究不多,尤其是关于TPU复合布的研究较少,其中,CN101748611A公开了一种TPU布及其制备方法,提供了一种耐磨、耐曲折耐寒的TPU布,但其采用的是将TPU与织物进行粘结,通过油性胶水或水性胶水粘结TPU层和织布层,这样一方面增加了胶水的使用成本,且采用胶水降低了复合布的环保性能。
CN104015444A公开了一种热塑性聚氨酯/纤维复合软布及其制备方法,其公开的复合软布采用TPU与不同种类颜色的纤维织物为原料,将TPU与织物以热贴合的形式粘结在一起,实现了零污染、工序简单、成本低廉的效果,然而,采用热贴合的形式制成的复合布仍然存在透气性差、机械强度不够等缺陷。
CN103483801A公开了一种热塑性聚氨酯复合材料及其制备方法,其采用了在热塑性聚氨酯复合材料中,加入玄武岩纤维作为增强材料,采用熔融挤出工艺制备得到热塑性聚氨酯复合材料,使得该热塑性聚氨酯复合材料与使用普通玻璃纤维的聚氨酯复合材料相比,机械性能和耐热性能得到了明显提高,然而,采用将纤维材料与热塑性聚氨酯共同熔融挤出的方法制成的复合材料,在透气性能方面会比较差,因而,在透气性要求较高的领域,比如鞋材、服饰辅料等方法无法广泛应用。
因此,寻找一种透气性好、机械强度高的热塑性聚氨酯复合材料以应用于鞋材、服饰等领域是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种TPU复合材料及其制备方法,特别是一种新型高性能TPU复合材料及其制备方法。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种TPU复合材料,所述TPU复合材料的芯部为丝线或棉线,在所述芯部的外表面包裹TPU材料。
本发明中,所述的复合材料按重量份包括以下组份:TPU材料63-85份;纤维材料8-20份,助剂8-18份。
本发明中所述的TPU材料为63-85重量份,例如可以是63份、65份、68份、70份、72份、75份、78份、80份、82份、85份。
本发明中所述的纤维材料为8-20重量份,例如可以是8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份。
本发明中所述的助剂为8-18重量份,例如可以是8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份。
本发明中所述的助剂选自相容剂、抗氧剂、润滑剂或阻燃剂等,其中,助剂为相容剂、抗氧剂和润滑剂时,各组分的重量份数分别为相容剂5-10份,抗氧剂2-5份,润滑剂为1-3份。
本发明中,所述的丝线或棉线为无机纤维和/或有机纤维。
优选地,所述的无机纤维为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或玄武岩纤维中的任意一种或至少两种的混合。
优选地,所述的有机纤维为粘胶纤维、锦纶、涤纶或芳纶中的任意一种或至少两种的混合。
本发明中,所述的TPU材料为TPU薄膜材料和/或TPU热熔胶。
本发明中所述的TPU复合材料可以是内部为丝线或棉线,其外表面包裹一层TPU薄膜材料;也可以是内部为丝线或棉线,其外表面包裹为TPU热溶胶;也可以是内部为丝线或棉线,其外表面包裹一层TPU薄膜材料,再外部包裹一层TPU热溶胶。
本发明中,所述丝线或棉线的直径为20-50μm,例如可以是20μm、22μm、25μm、28μm、30μm、32μm、35μm、38μm、40μm、42μm、45μm、48μm、50μm,优选为25-45μm,进一步优选为38-40μm。
本发明中,所述TPU材料的直径为30-60μm,例如可以是30μm、32μm、35μm、38μm、40μm、42μm、45μm、48μm、50μm、52μm、55μm、58μm、60μm优选为35-50μm,进一步优选为40-46μm。
第二方面,本发明还提供了一种如本发明第一方面所述的TPU复合材料的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)准备TPU材料,将所述的TPU材料通过挤压机进行挤压;
(2)将步骤(1)得到的TPU材料包覆在丝线或棉线的外表面,即得。
本发明中,步骤(1)所述的TPU材料挤出前经干燥处理,优选地,所述的干燥处理为80-110℃下干燥2-5h,例如在80-85℃下干燥2-5h,在80-90℃下干燥2-5h,在90-100℃下干燥2-4h,在90-100℃下干燥3h等。
优选地,所述的挤出机为螺杆挤出机。
优选地,所述挤压机的加工温度为175-220℃,例如可以是175℃、180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃、220℃。
优选地,所述挤压机的螺杆转速为20-50rpm,例如可以是20rpm、25rpm、30rpm、35rpm、40rpm、45rpm、50rpm。
优选地,所述的TPU材料经挤压后进行冷却。
优选地,步骤(2)为采用将所述的TPU材料绕丝线或棉线轴向进行缠绕包裹,以便完全涂覆所述的丝线或棉线。
优选地,所述的TPU材料通过多个绕线架沿不同的螺旋方向卷绕在所述丝线或棉线的外表面。
作为本发明优选的一个实施方案,所述的制备方法具体包括以下步骤:
(1)对丝线或棉线进行预处理,包括采用水帘喷射和低氧等离子体处理;
(2)把TPU材料加入料斗内,密封料斗后,在80℃-90℃,干燥并除湿2-4h,开动挤出机;
(3)调节所述挤出机的机头上、下口型的距离,保证涂覆的厚度;
(4)设置机头预热温度在190-200℃,开动挤出机,打开牵引,使丝线或棉线通过机头口型,TPU材料进入螺杆挤出机,粒料在螺杆推动下向机头方向移动,经过4-5段加热,使粒料在机头出口处温度达到200-210℃,超过粒料熔点,粒料以熔融状的粘流态进入挤出机头,涂覆在丝线或棉线的外周围,即得。
本发明采用对丝线进行预处理后,可以增加丝线的拉伸强度和韧性。
本发明的步骤(1)中,所述的水帘喷射为采用从100-120孔/m的多孔喷射板中产生0.11-0.15mm的微细水流形成水帘对丝线或棉线进行冲击,并产生1.8×108-2.2×108Pa的压力,达到410-450m/s的速度。
优选地,所述的低氧等离子体处理条件为:时间15-25min,压强60-100Pa,功率80-100W,其中,时间可以是15min、18min、20min、22min、25min,压强可以是60Pa、65Pa、70Pa、75Pa、80Pa、85Pa、90Pa、95Pa、100Pa,功率可以是80W、82W、85W、90W、92W、95W、100W。
本发明所述方法制得的TPU复合材料缠绕成线卷,利用纺织机制成纺织品,或者将所述的TPU复合材料直接纺织成纺织品。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明得到的TPU复合材料可直接纺织用于鞋材、服饰辅料等方面,相比采用将不同层直接贴合的方法,不仅提高了丝绵布、布料等材料的透气性,也增加了其物理机械性能和美观性;该复合材料织成网布后,产品环保、性能卓越,用于鞋材、手袋、箱包,提高了产品的多样化程度;在保持强度的同时,实现了轻量化。
附图说明
图1是实施例1所制备的TPU复合材料;
图2是实施例2所制备得到的TPU复合材料;
图3是实施例3所制备得到的TPU复合材料;
其中,1-丝线或棉线,2-TPU薄膜,3-TPU热熔胶。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
按照以下步骤进行TPU复合材料的制备:
(1)按重量份进行原料配比:TPU薄膜63份;丝线20份,助剂17份,其中助剂为相容剂马来酸酐-苯乙烯共聚物(SMA)10份,抗氧剂Cyanox1790,5份,润滑剂聚硅氧烷2份;
(2)对丝线进行预处理,包括采用水帘喷射和低氧等离子体处理;其中,所述的水帘喷射为采用从100孔/m的多孔喷射板中产生0.11mm的微细水流形成水帘对丝线进行冲击,并产生1.8×108Pa的压力,达到410m/s的速度;所述的低氧等离子体处理条件为:时间15min,压强60Pa,功率80W;
(3)把TPU薄膜材料加入料斗内,密封料斗后,在80℃,干燥并除湿2h,开动挤出机;调节所述挤出机的机头上、下口型的距离,保证涂覆的厚度;
(4)设置机头预热温度在190℃,开动挤出机,打开牵引,使丝线通过机头口型,TPU材料进入螺杆挤出机,粒料在螺杆推动下向机头方向移动,经过5段加热,使粒料在机头出口处温度达到210℃,超过粒料熔点,粒料以熔融状的粘流态进入挤出机头,涂覆在丝线的外周围,即得,其结构如图1所示。
实施例2
按照以下步骤进行TPU复合材料的制备:
(1)按重量份进行原料配比:TPU热熔胶68份;棉线17份,助剂15份,其中助剂为相容剂马来酸酐-苯乙烯共聚物(SMA)8份,抗氧剂Cyanox1790,4份,润滑剂为重量比为1:1的聚硅氧烷和季戊四醇硬脂酸脂共3份;
(2)对棉线进行预处理,包括采用水帘喷射和低氧等离子体处理;其中,所述的水帘喷射为采用从110孔/m的多孔喷射板中产生0.12mm的微细水流形成水帘对棉线进行冲击,并产生2.0×108Pa的压力,达到420m/s的速度;所述的低氧等离子体处理条件为:时间18min,压强70Pa,功率90W;
(3)把TPU熔胶材料加入料斗内,密封料斗后,在85℃,干燥并除湿3h,开动挤出机;调节所述挤出机的机头上、下口型的距离,保证涂覆的厚度;
(4)设置机头预热温度在195℃,开动挤出机,打开牵引,使棉线通过机头口型,TPU材料进入螺杆挤出机,粒料在螺杆推动下向机头方向移动,经过5段加热,使粒料在机头出口处温度达到210℃,超过粒料熔点,粒料以熔融状的粘流态进入挤出机头,涂覆在棉线的外周围,即得,其结构如图2所示。
实施例3
按照以下步骤进行TPU复合材料的制备:
(1)按重量份进行原料配比:TPU薄膜30份,TPU熔胶40份;丝线10份、棉线8份,助剂12份,其中助剂为相容剂马来酸酐-苯乙烯共聚物(SMA)8份,抗氧剂Irganox1076,3份,润滑剂聚硅氧烷1份。
(2)对丝线和棉线进行预处理,包括采用水帘喷射和低氧等离子体处理;其中,所述的水帘喷射为采用从120孔/m的多孔喷射板中产生0.15mm的微细水流形成水帘对丝线和棉线进行冲击,并产生2.2×108Pa的压力,达到450m/s的速度;所述的低氧等离子体处理条件为:时间25min,压强100Pa,功率100W;
(3)把TPU薄膜和热熔胶材料加入料斗内,密封料斗后,在90℃,干燥并除湿4h,开动挤出机;调节所述挤出机的机头上、下口型的距离,保证涂覆的厚度;
(4)设置机头预热温度在200℃,开动挤出机,打开牵引,使丝线或棉线通过机头口型,TPU材料进入螺杆挤出机,粒料在螺杆推动下向机头方向移动,经过5段加热,使粒料在机头出口处温度达到210℃,超过粒料熔点,粒料以熔融状的粘流态进入挤出机头,涂覆在丝线或棉线的外周围,即得,其结构如图3所示。
对比例1
按照实施例3的配比进行各组分的配制,采用将TPU挤出后涂覆到已纺织好的纤维布上,使TPU和纤维布完全粘合到一起。
对比例2
按照实施例3的配比进行各组分的配制,采用将中间层为已纺织好的连续纤维布,上下表面层为TPU材料,所述的中间层与上、下表面层通过热贴合方式连接。
对比例3
按照实施例3的配比进行各组分的配制,将纤维材料作为增强剂与TPU材料进行混料,进行熔融挤出、造粒。
性能测试:
将上述实施例1-3和对比例1-3制备的TPU复合材料进行性能测试。相关性能测试方法如下:
(1)拉伸强度:拉伸强度按GB/T1040标准进行检验;
(2)断裂伸长率:断裂伸长率按GB/T1040标准进行检验;
(3)透气性:透气性按GB/T26253-2010标准进行检测;
(4)撕裂强度:撕裂强度按GB/T529-2008标准进行检测。
对实施例1-3和对比例1-3制备的TPU复合材料的测定结果如表1所示。
表1
测试指标 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
拉伸强度(Mpa) | 52 | 54 | 61 | 25 | 23 | 45 |
撕裂强度(MPa) | 53 | 56 | 59 | 30 | 28 | 42 |
断裂伸长率(%) | 582 | 568 | 571 | 354 | 362 | 415 |
透气性(cc/cm2/秒) | 65 | 63 | 68 | 45 | 43 | 51 |
耐黄变 | 4级 | 4级 | 5级 | 3级 | 3级 | 3级 |
通过表1可以看出,实施例1-3与对比例1-3相比,其拉伸强度、撕裂强度和断裂伸长率以及透气性都要优于对比例1-3,耐黄变性能更优异。
通过实施例1-3的测定结果可以看出,本发明的TPU复合材料的拉伸强度≥52MPa、撕裂强度≥53MPa,断裂伸长率≥568%,透气性≥68cc/cm2/秒,相比采用粘合、热贴合以及熔融挤出造粒的方法,本发明通过采用在每根丝线或棉线外表面包覆一圈TPU材料的方法制得的TPU复合材料具有良好的透气性,机械强度高,发光或反光效果持久,耐变黄等优点,适合于鞋材、服饰辅料等方面,具有重要的应用价值。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法,但本发明并不局限于上述详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种TPU复合材料,其特征在于,所述TPU复合材料的芯部为丝线或棉线,在所述芯部的外表面包裹TPU材料。
2.如权利要求1所述的TPU复合材料,其特征在于,所述的复合材料按重量份包括以下组份:TPU材料63-85份;丝线或棉线8-20份,助剂8-18份。
3.如权利要求1或2所述的TPU复合材料,其特征在于,所述的丝线或棉线为无机纤维和/或有机纤维;
优选地,所述的无机纤维为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或玄武岩纤维中的任意一种或至少两种的混合;
优选地,所述的有机纤维为粘胶纤维、锦纶、涤纶或芳纶中的任意一种或至少两种的混合;
优选地,所述的TPU材料为TPU薄膜材料和/或TPU热熔胶。
4.如权利要求1-3任一项所述的TPU复合材料,其特征在于,所述丝线或棉线的直径为20-50μm,优选为25-45μm,进一步优选为38-40μm;
优选地,所述TPU材料的直径为30-60μm,优选为35-50μm,进一步优选为40-46μm。
5.如权利要求1-4任一项所述的TPU复合材料的制备方法,其特征在于,所述的方法包括以下步骤:
(1)准备TPU材料,将所述的TPU材料通过挤压机进行挤压;
(2)将步骤(1)得到的TPU材料包覆在丝线或棉线的外表面,即得。
6.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述的TPU材料挤出前经干燥处理,优选地,所述的干燥处理为80-110℃下干燥2-5h;
优选地,所述的挤出机为螺杆挤出机;
优选地,所述挤压机的加工温度为175-220℃;
优选地,所述挤压机的螺杆转速为20-50rpm;
优选地,所述的TPU材料经挤压后进行冷却。
7.如权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)为采用将所述的TPU材料绕丝线或棉线轴向进行缠绕包裹,以便完全涂覆所述的丝线或棉线;
优选地,所述的TPU材料通过多个绕线架沿不同的螺旋方向卷绕在所述丝线或棉线的外表面。
8.如权利要求5-7任一项所述的制备方法,其特征在于,所述的方法具体包括以下步骤:
(1)对丝线或棉线进行预处理,包括采用水帘喷射和低氧等离子体处理;
(2)把TPU材料加入料斗内,密封料斗后,在80℃-90℃,干燥并除湿2-4h,开动挤出机;
(3)调节所述挤出机的机头上、下口型的距离,保证涂覆的厚度;
(4)设置机头预热温度在190-200℃,开动挤出机,打开牵引,使丝线或棉线通过机头口型,TPU材料进入螺杆挤出机,粒料在螺杆推动下向机头方向移动,经过4-5段加热,使粒料在机头出口处温度达到200-210℃,超过粒料熔点,粒料以熔融状的粘流态进入挤出机头,涂覆在丝线或棉线的外周围,即得。
9.如权利要求8所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的水帘喷射为采用从100-120孔/m的多孔喷射板中产生0.11-0.15mm的微细水流形成水帘对丝线或棉线进行冲击,并产生1.8×108-2.2×108Pa的压力,达到410-450m/s的速度;
优选地,所述的低氧等离子体处理条件为:时间15-25min,压强60-100Pa,功率80-100W。
10.如权利要求5-9任一项所述的制备方法,其特征在于,所述方法制得的TPU复合材料缠绕成线卷,利用纺织机制成纺织品;
任选地,所述的TPU复合材料直接纺织成纺织品。
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