CN105386152B - 一种具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法，该方法首次将螺旋型纳米管添加至聚氨酯纤维。具体是先使用高分子表面活性剂及超声振荡处理将螺旋型纳米管进行表面改性及分散处理，制成均匀稳定的螺旋型纳米管分散液；再将分散液及其他助剂与聚氨酯溶液进行均匀混合，最后经高温甬道蒸发溶剂形成聚氨酯纤维。该技术方法是利用螺旋型纳米管的“弹簧效应”，构建更为稳固的弹性网络结构体系，使聚氨酯纤维的耐拉伸疲劳性能得到明显提升。

Description

一种具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法
技术领域
本发明属于聚氨酯纤维的技术方法，特别涉及一种具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法。
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、内衣、袜子、泳衣等纺织品领域，其中纤度超过140旦的氨纶产品则主要用于生产内衣肩带、袜口、袖口以及其他松紧带等。但是在使用含氨织物的过程中常常会发现，这些具有弹性的衣物在长时间多次穿着后弹性会变得越来越差，原本具有修身效果的衣物变得松弛宽大，特别是领口袖口等部位往往更容易发生弹性失效。这主要是因为普通氨纶的耐拉伸疲劳性能差导致的。
普通氨纶的内部结构是由“软段”与“硬段”两部分组成。以“硬段”充当聚合物分子链的物理交联点，进而限制“软段”的自由活动能力。“硬段”比例(或者说物理交联程度)、构成“硬段”的分子极性、分子间相互作用力大小等因素决定着氨纶弹性强弱以及氨纶内部交联网络结构体系抵抗外力破坏能力的大小。普通氨纶分子间相互作用力主要是依靠大量的氢键化作用。聚合物分子链段在受到外力反复拉伸过程中，链段间的氢键作用极易被破坏，引起分子链滑移、断裂，最终导致内部交联网络结构解体，纤维外部直观表现为弹性失效。因此，为使氨纶具有优异的耐拉伸疲劳性能可添加补强剂以构建更为牢固的网络结构体系以抵抗外力反复拉伸破坏。
螺旋型的纳米管是一种极其特殊的纳米材料。它是由一根或多根中空的纳米管卷曲排列而成，通常呈发辫形、似DNA形以及曲绕形等多种结构形态。它不仅具有普通纳米材料特有的表面效应﹑量子尺寸效应﹑隧道效应等基本特征，而且具有一定的弹性及机械能存储性，因此可称之为“纳米弹簧”。以螺旋型的碳纳米管为例。它与普通的碳纳米管在组成构造以及性能方面均存在不同。普通的碳纳米管是由碳的六元环构成，呈一维线性结构；螺旋型的碳纳米管是由碳的六元环、五元环、七元环组成，呈现出类似弹簧的结构形态。螺旋型碳纳米管不仅具有普通碳纳米管高强度、高导电导热等性能，而且拥有很高的本征振动频率以及良好的机械能存储性，因此可用于制作微型传感器以及超精密弹簧。自X.B.Zhang等人于1994年发现螺旋型碳纳米管至今，多个研究小组开展了一系列关于螺旋型纳米管制备及生长机理的研究工作，但因受限于形貌的精确控制，螺旋型纳米管制备难度远高于普通纳米管，其产量也不远及普通纳米管。
将普通纳米管(包括碳纳米管、硅纳米管、二氧化硅纳米管等)添加至纤维中制备具有高强度、导电、耐热等特殊功能性的复合纤维在近些年均有报道，如专利CN200610023797.2、CN 200710172249、CN 200810011038.3、CN 201010128403.6。但至今为止，没有任何专利报道将螺旋型的纳米管添加至纤维中以提高纤维的耐拉伸疲劳性能。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法。发明首次将螺旋型的纳米管添加至在聚氨酯纤维。采用溶液混合的方法使螺旋型纳米管均匀地分散在聚氨酯基体中。利用螺旋型纳米管的“弹簧效应”，构建更为稳固的弹性网络结构体系，使聚氨酯纤维在弹性模量、弹性回复速度以及耐拉伸疲劳性能得到明显提升。
技术方案：本发明制备的具有耐拉伸疲劳聚氨酯纤维的技术方案是先使用高分子表面活性剂及超声振荡对螺旋型纳米管的进行表面改性与分散处理，制成均匀稳定的螺旋型纳米管分散液；再将分散液及其他助剂与聚氨酯溶液进行混合均匀，最后经高温甬道蒸发溶剂形成聚氨酯纤维。
本发明技术方案具体包括以下几个步骤：
1)将螺旋型纳米管置于有机溶剂中，加入高分子表面活性剂，并使用高功率超声振荡仪进行分散处理，制成均匀稳定的螺旋型纳米管分散液；
2)将聚四亚甲基醚二醇、二异氰酸酯溶于有机溶剂中进行预聚合反应，得到预聚物；将所述预聚物溶解、稀释、冷却，再依次加入扩链反应剂、链增长控制剂；待反应完成后，加入螺旋型纳米管分散液、抗氧化剂、光稳定剂、润滑剂，搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液；
3)将步骤2)得到的聚氨酯纺丝溶液通过输送泵挤压至纺丝槽，由计量泵精确计量后，从喷丝板小孔喷出细流，经高温甬道蒸发溶剂凝固成丝条，再经罗拉牵伸，上油，卷绕成纤维。
其中：
所用的螺旋型纳米管是螺旋型的硅纳米管、螺旋型的碳纳米管、螺旋型的二氧化硅纳米管或螺旋型的二氧化钛纳米管；螺旋型纳米管直径为5～10纳米，螺径为50～200纳米，螺距10～50纳米。
所用的螺旋型纳米管用量为聚氨酯纤维质量的0.01～20％。
所用的高分子表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亚胺、聚马来酰亚胺、季胺化聚丙烯亚胺、聚二甲胺环氧氯丙烷或磺化聚苯乙烯中的一种或多种组合；高分子表面活性剂与螺旋型纳米管的质量比例为1/10～1/100。
所用的超声振荡仪的超声振荡功率为500～1000瓦，时间为1～10小时。
所用的螺旋型纳米管分散液的质量浓度为5～20％。
所用的扩链反应剂为乙二醇、1，4-丁二醇、丙三醇、乙二胺、1，2-丙二胺、1，5-戊二胺或二乙烯三胺的一种或多种组合；链增长控制剂为甲醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、3-甲基-1-丁醇、N-乙基甲基胺、二乙胺、二甲胺或正丁胺中的一种或多种组合。
所用的螺旋型纳米管分散液与聚氨酯溶液的混合搅拌时间为24～48小时。
有益效果：本发明通过对螺旋型纳米管进行表面改性及超声振荡处理，使其能均匀地分散在聚氨酯纤维中，相当于在基体内部填充大量的“纳米弹簧”。聚氨酯分子链缠绕附着于纳米管上，形成更为稳固的交联网络体系。因此，在对聚氨酯纤维进行拉伸时，需要更高的应力同时使聚合物分子链与螺旋型纳米管发生形变；而当外力撤去时，螺旋型纳米管的伸缩回复性则会加快聚合物分子链回复至初始形态；螺旋型纳米管稳定的化学性质使其能在高温高压以及多次强外力作下仍能保持良好的结构形态，这使得聚氨酯纤维的耐拉伸疲劳性得到明显改善。
附图说明
图1为添加螺旋型纳米管的聚氨酯纤维的内部结构示意图。
具体实施方式
本发明的技术工艺具体包括以下几个步骤：
1.将螺旋型纳米管将置于二甲基乙酰胺(DMAC)中，加入高分子表面活性剂，并使用高功率超声振荡仪进行分散处理，制成均匀稳定的螺旋型纳米管分散液；
2.将聚四亚甲基醚二醇(PTMG)、二异氰酸酯溶解于DMAC中，进行长时间的预聚合反应，得到异氰酸酯基(-NCO)封端的预聚合产物；
3.将步骤2得到的产物进行溶解、稀释，冷却至1-20摄氏度，再依次加入扩链反应剂、链增长控制剂。待反应完成后，加入螺旋型纳米管分散液、抗氧化剂、光稳定剂、润滑剂，长时间搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液；
4.将步骤3得到的聚氨酯溶液通过输送泵挤压至纺丝槽，由计量泵精确计量后，从喷丝板小孔喷出细流，经200-260摄氏度高温甬道蒸发溶剂，凝固成丝条，再经高速罗拉牵伸，上油，卷绕成纤维。
本发明所用的螺旋型纳米管可选用螺旋型的硅纳米管、螺旋型的碳纳米管、螺旋型的二氧化硅纳米管以及螺旋型的二氧化钛纳米管；螺旋型纳米管直径为5～10纳米，螺径为50～200纳米，螺距10～50纳米；
本发明所用的螺旋型纳米管的用量为聚氨酯纤维质量的0.01～20％；
本发明所用的高分子表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亚胺、聚马来酰亚胺、季胺化聚丙烯亚胺、聚二甲胺环氧氯丙烷、磺化聚苯乙烯中的一种或多种组合；高分子表面活性剂与螺旋型纳米管的质量比例为1/10～1/100；
本发明步骤1所选用的超声振荡功率为500～1000瓦，时间为1～10小时；
本发明制备的螺旋型纳米管分散液的质量浓度为5～20％；
本发明所使用的扩链反应剂为乙二醇、1，4-丁二醇、丙三醇、乙二胺、1，2-丙二胺、1，5-戊二胺、二乙烯三胺的一种或多种组合；选用的链增长控制剂为甲醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、3-甲基-1-丁醇、N-乙基甲基胺、二乙胺、二甲胺、正丁胺等其中的一种或多种组合。
本发明中螺旋型纳米管分散液与聚氨酯溶液的混合搅拌时间为24～48小时。
实施例1
将15克螺旋型的碳纳米管分散于300克二甲基乙酰胺中，同时加入2克聚乙烯吡咯烷酮，使用500瓦的超声振荡仪振荡处理4小时，制成质量浓度为5％的螺旋型碳纳米管分散液；
将2千克PTMG、0.8千克4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)以及3.6千克DMAC在60摄氏度下进行3小时的预聚合反应；将预聚合产物加入4.0千克的DMCA溶解稀释，并冷却至18摄氏度；然后缓慢滴加乙二醇、丙二胺、二乙烯三胺混合液体作为扩链剂反应剂，剂反应控制剂为甲醇。待扩链反应完成后，加入螺旋型碳纳米管分散液、抗氧化剂、光稳定剂、润滑剂，搅拌36小时，得到聚氨酯纺丝溶液；
再将聚氨酯纺丝溶液通过输送泵挤压至纺丝槽，由计量泵精确计量后，从喷丝板小孔喷出细流，经230摄氏度高温甬道蒸发溶剂，凝固成丝条，再经高速罗拉牵伸，上油，卷绕成纤维。
实施例2
将40克螺旋型的硅纳米管分散于600克二甲基乙酰胺中，同时加入5克聚乙烯吡咯烷酮，使用500瓦的超声振荡仪振荡处理6小时，制成质量浓度为6.7％的螺旋型硅纳米管分散液；
将3.5千克PTMG、1.0千克4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)以及5.2千克DMAC在53摄氏度下进行4小时的预聚合反应；将预聚合产物加入4.0千克的DMCA溶解稀释，并冷却至25摄氏度；然后缓慢滴加乙二胺、丙二胺、丙三醇混合液体作为扩链剂反应剂，剂反应控制剂为正丁醇。待扩链反应完成后，加入螺旋型硅纳米管分散液、抗氧化剂、光稳定剂、润滑剂，搅拌48小时，得到聚氨酯纺丝溶液；
再将聚氨酯纺丝溶液通过输送泵挤压至纺丝槽，由计量泵精确计量后，从喷丝板小孔喷出细流，经240摄氏度高温甬道蒸发溶剂，凝固成丝条，再经高速罗拉牵伸，上油，卷绕成纤维。
实施例3
将50克螺旋型的二氧化硅纳米管分散于500克二甲基乙酰胺中，同时加入8克聚乙烯吡咯烷酮，使用500瓦的超声振荡仪振荡处理4.5小时，制成质量浓度为10％的螺旋型二氧化硅纳米管分散液；
将3.2千克PTMG、0.73千克4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)以及3.2千克DMAC在38摄氏度下进行3.5小时的预聚合反应；将预聚合产物加入4.8千克的DMCA溶解稀释，并冷却至6摄氏度；然后缓慢滴加1，4-丁二醇、1，5-戊二胺、丙三醇混合液体作为扩链剂反应剂，剂反应控制剂为正戊醇。待扩链反应完成后，加入螺旋型二氧化硅纳米管分散液、抗氧化剂、光稳定剂、润滑剂，搅拌40小时，得到聚氨酯纺丝溶液；
再将聚氨酯纺丝溶液通过输送泵挤压至纺丝槽，由计量泵精确计量后，从喷丝板小孔喷出细流，经230摄氏度高温甬道蒸发溶剂，凝固成丝条，再经高速罗拉牵伸，上油，卷绕成纤维。

Claims (7)

1.一种具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法，其特征在于该方法包括如下几个步骤：
1)将螺旋型纳米管置于有机溶剂中，加入高分子表面活性剂，并使用高功率超声振荡仪进行分散处理，制成均匀稳定的螺旋型纳米管分散液；
2)将聚四亚甲基醚二醇、二异氰酸酯溶于有机溶剂中进行预聚合反应，得到预聚物；将所述预聚物溶解、稀释、冷却，再依次加入扩链反应剂、链增长控制剂；待反应完成后，加入螺旋型纳米管分散液、抗氧化剂、光稳定剂、润滑剂，搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液；
3)将步骤2)得到的聚氨酯纺丝溶液通过输送泵挤压至纺丝槽，由计量泵精确计量后，从喷丝板小孔喷出细流，经高温甬道蒸发溶剂凝固成丝条，再经罗拉牵伸，上油，卷绕成纤维；
所用的螺旋型纳米管是螺旋型的硅纳米管、螺旋型的碳纳米管、螺旋型的二氧化硅纳米管或螺旋型的二氧化钛纳米管；螺旋型纳米管直径为5～10纳米，螺径为50～200纳米，螺距10～50纳米。
2.根据权利要求1所述的具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法，其特征在于所用的螺旋型纳米管用量为聚氨酯纤维质量的0.01～20％。
3.根据权利要求1所述的具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法，其特征在于所用的高分子表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亚胺、聚马来酰亚胺、季胺化聚丙烯亚胺、聚二甲胺环氧氯丙烷或磺化聚苯乙烯中的一种或多种组合；高分子表面活性剂与螺旋型纳米管的质量比例为1/10～1/100。
4.根据权利要求1所述的具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法，其特征在于所用的超声振荡仪的超声振荡功率为500～1000瓦，时间为1～10小时。
5.根据权利要求1所述的具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法，其特征在于所用的螺旋型纳米管分散液的质量浓度为5～20％。
6.根据权利要求1所述的具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法，其特征在于所用的扩链反应剂为乙二醇、1，4-丁二醇、丙三醇、乙二胺、1，2-丙二胺、1，5-戊二胺或二乙烯三胺的一种或多种组合；链增长控制剂为甲醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、3-甲基-1-丁醇、N-乙基甲基胺、二乙胺、二甲胺或正丁胺中的一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的具有耐拉伸疲劳性能的聚氨酯纤维的制备方法，其特征在于所用的螺旋型纳米管分散液与聚氨酯溶液的混合搅拌时间为24～48小时。
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