CN104593895A - 一种功能纤维基材及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功能纤维基材及制备方法，所述功能纤维基材是由苯乙烯共聚物及其共混物作为原材料，经过切片造粒，再进行熔融纺丝制得纤维。本发明功能纤维基材及制备方法实现了采用热熔纺丝工艺，制造出能够交联反应和功能化改性处理的纤维材料（基材）。其中的苯乙烯分子链段可用来引入各类官能团进行功能化改性反应，以获取相应的吸附分离材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能纤维基材及制备方法，尤其是吸附性及分离性功能纤维基材及制备方法，属于合成纤维技术领域。
背景技术
本发明涉及一种功能纤维基材的制备方法。功能纤维材料除了具备一般纤维所具有的物理机械性能以外，还具有某种特殊功能的新型纤维。具备某种离交换和选择性吸附功能的离子交换纤维，由于材料被加工成纤维形态后，具有比表面积大，吸附和洗脱迅速快，装填均匀度好等优势，在现代工业生产中的应用领域正日益扩大。
离子交换纤维需要在高分子材料中的大分子中针对性引入某些活性基团，如磺酸基、羧基、胺基、磷酸酯基或巯基等，使其具有对特定离子进行交换或特定溶质吸附的功能，而含有苯乙烯单元的聚合物及其共混物是常见的用做上述离子交换功能化改性的大分子功能组分。
为了保证离子交换纤维或选择性吸附纤维的长期稳定使用，必须在追求材料的离子交换与选择性吸附功能的同时，兼顾纤维的机械强度以及加工性能。通常聚苯乙烯作为功能组分的纤维，在纤维成形时会添加聚丙烯以获得增强效果，制得聚苯乙烯和聚丙烯为主体的共混物纤维基材。这类共混物纤维基材，目前见诸文献和专利的共混以及复合方式包括：聚苯乙烯和聚丙烯经过特定工艺共混后熔融纺丝；聚苯乙烯和聚丙烯通过海岛纺丝形式进行熔融纺丝；以聚丙烯芯，以聚苯乙烯为皮，通过特定工艺制成皮芯结构的纤维等等。
上述聚苯乙烯作为功能组分的共混物纤维基材，由于聚苯乙烯和聚丙烯等聚合物的相容性不佳，均存在不同聚合物之间因相分离形成组织不均匀问题，容易导致功能化改性反应后纤维的强度降低，经过多次吸附和洗脱再生后，功能组分会出现破损剥离，最终导致功能化改性后的纤维材料，其稳定性和可靠性难以满足工业生产需要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，解决以苯乙烯作为功能组分的纤维材料，在功能化改性后机械性能降低、功能组分易破损剥落等问题，提供一种制备工艺简单，制品组织均匀，能够后交联反应和功能化改性的纤维材料及制备方法。
本发明提供的一种功能纤维基材，其原材料为苯乙烯与共轭二烯的共聚物A，以及A组分与B组分形成的共混物。其中A组分为苯乙烯单元与共轭二烯单元的共聚产物，B组分为聚丙烯、聚苯乙烯和ABS等聚合物中的一种或多种。无论是否添加B组分，最终制得的纤维材料中苯乙烯单元的摩尔百分比为35～85%范围内。
本发明的目的还在于提供上述功能纤维基材的制备方法，其特征是以苯乙烯与共轭二烯的共聚物A，或者A组分与B组分形成的共混物作为原料。其中A组分是由苯乙烯单元与共轭二烯单元的共聚物。B组分为聚丙烯、聚苯乙烯和ABS等聚合物中的一种或多种。所述的功能纤维基材的制备方法，其特征还在于无论添加或不添加B组分，须控制最终制得的纤维材料中，苯乙烯单元的摩尔百分比为35～85%范围以内
进一步，苯乙烯与共轭二烯的共聚物A组分，是包含苯乙烯链段和包括丁二烯链段或其他共轭二烯的嵌段共聚物。苯乙烯与共轭二烯的共聚物A成分中，苯乙烯单元与共轭二烯单元之间的摩尔比为0.3～0.85:0.7～0.15。
进一步的，在纤维配方设计时，所述的苯乙烯与共轭二烯的共聚物A中如果不添加B组分时，苯乙烯单元与共轭二烯单元之间的摩尔比为0.35～0.75:0.65～0.25。B的添加比例为0～40wt%。
进一步的，在所述的苯乙烯与共轭二烯的共聚物A中，如果添加物B为不含苯乙烯单元的聚合物，如聚丙烯，苯乙烯单元与共轭二烯单元之间的摩尔比为0.45～0.85:0.55～0.15，B的添加比例为0～10wt%；如果选择的添加物B为含有苯乙烯单元的聚合物，如聚苯乙烯、和ABS等，苯乙烯单元与共轭二烯单元之间的摩尔比为0.3～0.75:0.7～0.25，B的添加比例为0～40wt%。
本发明提供的功能纤维基材的制备方法，其特征还在于制备过程包括以下步骤：
a）将满足上述特征的苯乙烯与共轭二烯的共聚物A经过切片造粒，或添加了B组分的共混合物经过切片造粒，作为纤维纺织的原材料。
b）将1）中所述的切片颗粒在熔融状态下，经螺杆挤出机挤出，并在稳定速度下纺丝。
c）挤出的熔融状态纤维离开纺丝模具后，首先经过100%到400%伸长率的热牵伸，制得成品纤维。
步骤a）中所述的切片颗粒轮廓尺寸为3～13mm；步骤b）中所述的熔融加热温度为190～265℃，步骤b）中所述的纺丝速度为50～380m/min。步骤c）中所述的纤维直径为8～170μm。
本发明提供的功能纤维基材制备方法中，纤维以苯乙烯共聚物及其共混物作为原材料，其中的苯乙烯分子链段可用来引入各类官能团进行功能化改性反应，同时材料中存在一定的不饱和键，可以在纤维成型后进行交联反应。因此，本发明提供的功能纤维基材，可实施对纤维进行成型后的交联反应，并且可通过功能化改性制备离子交换纤维和其他吸附材料。
本发明的有益效果：采用上述工艺及参数，本发明能使用通用的熔融纺丝设备与组件进行纤维加工，利于工业化大生产；更重要的是本发明解决了现有含苯乙烯单元功能纤维基材在功能化改性后性能不稳定，使用寿命短的问题。因此，本发明提供的纤维在功能化改性后的稳定性和可靠性可以很好地满足工业生产需要，即本发明提供的功能纤维基材，其中的苯乙烯分子链段可用来引入各类官能团进行功能化改性反应（参照现有离子交换吸附分离树脂的交联反应和功能化改性反应，其反应条件的范围更宽，并可以简化，如预先进行钙离子的置换，完成从氢型到钙型的转化等；典型的参考资料如：F.Homogeneous and Heterogeneous Sulfonation of Polymers:A Review.Polym.Eng.Sci.1998,38(5),783-792.），以获取相应的吸附分离材料，经过交联反应和功能化改性后，纤维的机械性能仍然良好，即使经过长期的吸附与再生，不会出现纤维的断裂、破损和剥落。同时制得的纤维尺寸均匀，功能化反应的取代度高，官能团密度均匀。本发明在离子交换材料和色谱分离材料领域可以获得意想不到的效果。通过对基材进一步加工，可以制取性能优越的强酸性离子交换纤维，该纤维钙型转化后可以应用于小分子糖类的色谱分离时，例如用于果糖与葡萄糖的分离和木糖与阿拉伯糖的分离等，在同比条件下能够获得更高的分离度与回收率。与离子交换吸附分离树脂相比较，糖的纯度明显提高，回收率增加10%以上，材料的使用寿命更长。
总之，本发明提供的功能纤维基材及制备方法，可应用于制备高性能的离子交换纤维和其他吸附材料，是现有离子交换树脂基材的更新换代产品。
具体实施方式
以下所给实施例，并非构成对本发明权利要求范围的限制，而是对本发明进行进一步的描述。
实施例1
选用苯乙烯与丁二烯的共聚物，其苯乙烯单元与丁二烯单元之间的摩尔比为0.5:0.5。添加聚苯乙烯和聚丙烯形成共混物，聚苯乙烯占全部混合原料的质量比为31wt%，聚丙烯占全部混合原料的质量比为4wt%。经过混匀后在195℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒。然后将该共混物切片颗粒在205～265℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在230～330m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照150～310%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为29～36μm的纤维。
实施例2
选用苯乙烯与异戊二烯的共聚物，其苯乙烯单元与异戊二烯单元之间的摩尔比为0.5:0.5。添加聚苯乙烯和聚丙烯形成共混物，聚苯乙烯占全部混合原料的质量比为31wt%，聚丙烯占全部混合原料的质量比为4wt%。经过混匀后在195℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒。然后将该共混物切片颗粒在205～265℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在230～330m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照150～310%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为29～36μm的纤维。
实施例3
选用苯乙烯与丁二烯的共聚物，其苯乙烯单元与丁二烯单元之间的摩尔比为0.65:0.35，添加ABS塑料形成共混物，ABS塑料占共混物原料的质量比为15wt%。经过混匀后在190℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒。然后将该共混物切片颗粒在195～255℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在200～300m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照150～200%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为29～36μm的纤维。
实施例4
选用苯乙烯与异戊二烯的共聚物，其苯乙烯单元与异戊二烯单元之间的摩尔比为0.65:0.35，添加ABS塑料形成共混物，ABS塑料占共混物原料的质量比为15wt%。经过混匀后在190℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒。然后将该共混物切片颗粒在195～255℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在200～300m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照150～200%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为29～36μm的纤维。
实施例5
选用苯乙烯与丁二烯的共聚物，其苯乙烯单元与丁二烯单元之间的摩尔比为0.6:0.4。添加聚苯乙烯形成共混物，聚苯乙烯占全部混合原料的质量比为30wt%。经过混匀后在200℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒。然后将该共混物切片颗粒在215～265℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在220～320m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照200～350%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为30～45μm的纤维。
实施例6
选用苯乙烯与异戊二烯的共聚物，其苯乙烯单元与异戊二烯单元之间的摩尔比为0.6:0.4。添加聚苯乙烯形成共混物，聚苯乙烯占全部混合原料的质量比为30wt%。经过混匀后在200℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒。然后将该共混物切片颗粒在215～265℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在220～320m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照200～350%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为30～45μm的纤维
实施例7
选用苯乙烯与丁二烯的共聚物，其苯乙烯单元与丁二烯单元之间的摩尔比为0.7:0.3。添加聚丙烯形成共混物，聚丙烯占全部混合原料的质量比为10wt%。经过混匀后在210℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒。然后将该共混物切片颗粒在205～275℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在200～300m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照200～350%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为25～30μm的纤维。
实施例8
选用苯乙烯与异戊二烯的共聚物，其苯乙烯单元与异戊二烯单元之间的摩尔比为0.7:0.3。添加聚丙烯形成共混物，聚丙烯占全部混合原料的质量比为10wt%。经过混匀后在210℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒。然后将该共混物切片颗粒在215～265℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在200～300m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照200～350%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为25～30μm的纤维
实施例9
选用苯乙烯与丁二烯的共聚物切片颗粒直接作为纺丝原料，其苯乙烯单元与丁二烯单元之间的摩尔比为0.6:0.4。将该颗粒在195～265℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在230～300m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照100～150%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为35～60μm的纤维。
实施例10
选用苯乙烯与异戊二烯的共聚物切片颗粒直接作为纺丝原料，其苯乙烯单元与异戊二烯单元之间的摩尔比为0.6:0.4。将该颗粒在195～265℃条件下经螺杆挤出，并通过喷丝板在200～300m/min线速度下纺丝。喷丝板后的纤维在冷却前按照100～150%伸长率进行二次牵伸，最终制得直径为35～60μm的纤维。
以上纤维材料均可经处理后为离交纤维，用于糖的分离，有着意想不到的效果，纯度明显提高，回收率增加10%以上，离交纤维材料的使用寿命更长，工艺条件更宽。
Claims (10)
1.一种功能纤维基材，其特征是所述纤维基材是由苯乙烯共聚物及其共混物作为原材料，经过切片造粒，再进行熔融纺丝制得纤维。
2.根据权利要求1所述的功能纤维基材，其特征是原材料为苯乙烯与共轭二烯的共聚物A，以及A组分与B组分形成的共混物；其中A组分为苯乙烯单元与共轭二烯单元的共聚产物，B组分为聚丙烯、聚苯乙烯和ABS等聚合物中的一种或多种，共混制得的功能纤维基材中苯乙烯单元的摩尔百分比为35～85%；所述的苯乙烯与共轭二烯的共聚物A，包含苯乙烯链段和丁二烯链段或其他共轭二烯的嵌段共聚物。
3.一种功能纤维基材的制备方法，其特征是以苯乙烯与共轭二烯的共聚物A，以及A组分与B组分形成的共混物作为原料；其中A组分是由苯乙烯单元与共轭二烯单元的共聚产物，B组分为聚丙烯、聚苯乙烯和ABS等聚合物中的一种或多种；所述的苯乙烯与共轭二烯的共聚物A，包含苯乙烯链段和丁二烯链段或其他共轭二烯的嵌段共聚物，并且苯乙烯单元与共轭二烯单元之间的摩尔比为0.3～0.85:0.7～0.15。
4.如权利要求3所述的功能纤维基材的制备方法，其特征在于B组分添加比例为0～40wt%；但须控制最终制得的纤维材料中，苯乙烯单元的摩尔百分比为35～85%范围以内。
5.如权利要求3所述的功能纤维基材的制备方法，其特征在于苯乙烯与共轭二烯的共聚物A中如果不添加B组分，控制苯乙烯单元与共轭二烯单元之间的摩尔比为0.35～0.7:0.65～0.3。
6.如权利要求3所述的功能纤维基材的制备方法，其特征在于在纤维配方设计时，在苯乙烯与共轭二烯的共聚物A中如果选择添加的B组分为不含苯乙烯单元的聚合物，控制苯乙烯单元与共轭二烯单元之间的摩尔比为0.45～0.85:0.55～0.15，B组分的添加比例为0～10wt%。
7.如权利要求4所述的功能纤维基材的制备方法，其特征在于在纤维配方设计时，在苯乙烯与共轭二烯的共聚物A中如果选择添加的B组分为含有苯乙烯单元的聚合物，控制苯乙烯单元与共轭二烯单元之间的摩尔比为0.3～0.75:0.7～0.25，B组分的添加比例为0～40wt%。
8.如权利要求3所述的功能纤维基材的制备方法，其特征是制备过程包括以下步骤：
a）将满足上述特征的苯乙烯与共轭二烯的共聚物A经过切片造粒，或添加了B组分的共混物经过切片造粒，作为纤维纺织的原材料；
b）将a）中所述的切片颗粒在熔融状态下，经螺杆挤出机挤出，并在稳定速度下纺丝；
c）挤出的熔融状态纤维离开纺丝模具后，首先经过100～400%伸长率的热牵伸，制得成品纤维。
9.如权利要求3所述的功能纤维基材的制备方法，其特征是步骤a）中所述的切片颗粒轮廓尺寸为3～13mm；步骤b）中所述的熔融加热温度为190～265℃，优选步骤b）中所述的纺丝速度为50～380m/min；步骤c）中所述的纤维直径为8～170μm。
10.如权利要求1所述的一种功能纤维基材的用途，其特征在于纤维成型后经过交联反应和功能化改性反应处理，应用于制备离子交换纤维和其他吸附分离材料。
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