CN106120161B - 一种轻量化高弹性能的立体网状结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热可塑性聚酯类弹性体领域，具体是一种具有轻量化高弹性能的立体网状结构，由热可塑性聚酯类弹性体构成，所述的热可塑性聚酯类弹性体硬度为90‑98A，所述的立体网状结构由聚酯类弹性体纤维彼此缠绕而成，纤维线径为0.1‑1.5mm，纤维外观呈半透明状，透光率在1％以上，所述的立体网状结构密度为20‑75kg/m3。本发明的较高硬度的聚酯类弹性纤维起到提高承托力的作用，并能延长产品使用寿命，所制成的立体网状结构重量较轻，另外通过结晶行为的控制，得到透明或半透明状的聚酯类弹性体纤维所制得的立体网状结构触感较好且具压缩消音性。

Description

一种轻量化高弹性能的立体网状结构
技术领域
本发明涉及热可塑性聚酯类弹性体技术领域，具体地说，是一种具有高弹性支撑性能且轻量化的聚酯类弹性体立体网状结构。
背景技术
立体网状结构属于弹性结构的成型品，使用热可塑性弹性体为原料制成长条纤维，长条纤维再卷曲成空间立体网状结构，材料可重新加工回收使用。由于结构中包含大量空隙，具有较好的透气和轻量化性能，作为支撑垫或缓冲垫使用可取代传统的热固性聚氨酯发泡棉，不仅可以减小环境负担，更赋予产品更好的舒适性。
当所述的立体网状结构作为缓冲垫时，产品的承托力及耐久性相当重要，由于该缓冲垫具有可水洗性，在使用产品时轻量化也相当重要，该缓冲垫如应用在移动交通工具时轻量化产品更节能减碳，故开发具有轻量化的高弹性能立体网状结构，在实际应用中更显的特别重要。
立体网状结构的承托力及耐久性与使用的材料息息相关，立体网状结构可使用各种软质塑料或热可塑性弹性体，包括聚乙烯，乙烯醋酸乙烯酯共聚物，聚烯烃类弹性体、热可塑性聚氨酯类弹性体、热可塑性聚酯类弹性体或热可塑性聚酰胺类弹性体等。考虑到材料的舒适性，热可塑性弹性体优于软质塑料，使用半结晶性的团联共聚物(Blockcopolymer)作为立体网状结构的材料，回弹性高于无规共聚物(Random copolymer)。同时考虑材料加工性能，故作为缓冲垫优选热可塑性聚酯类弹性体为材料。
热可塑性聚酯类弹性体为结晶性材料，当使用低硬度的热可塑性聚酯类弹性体作为立体网状结构的材料时，立体网状结构的结晶度低，触感好，但承托力小，要达到所需的承托力时就要花费更多的材料，导致立体网状结构成品更重。
当使用高硬度的热可塑性聚酯类弹性体作为立体网状结构的材料，虽然可在较低密度下达到所需的承托力，立体网状结构成品较轻，然使用较硬的聚酯类弹性体为材料其结晶度亦高，造成立体网状结构的触感差，发硬，不利作为缓冲垫使用。
中国专利文献CN104562731A公开了一种具有高弹性能的立体网状结构，其密度为30-75kg/m3，由双组份皮芯纤维制成，所述的双组份皮芯纤维的皮成分所占质量百分比为40％-80％，剩余为芯成分，所述皮成分为热可塑性弹性聚合物，所述芯成分为硬质聚合物，所述皮成分的硬度小于所述芯成分的硬度并介于邵氏硬度70-95A。但是关于一种具有高弹性支撑性能且轻量化的聚酯类弹性体立体网状结构目前还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种轻量化高弹性能的立体网状结构，该立体网状结构在轻量化下亦具备高的承托力、压变耐久性、舒适性和消音性。
本发明的第一方面，提供一种具有轻量化高弹性能的立体网状结构，由热可塑性聚酯类弹性体构成，所述的立体网状结构由聚酯类弹性体纤维彼此缠绕而成，纤维线径为0.1-1.5mm(优选0.4-1.1mm)，纤维外观呈半透明状，透光率在1％以上，所述的立体网状结构密度为20-75kg/m3。
所述的热可塑性聚酯类弹性体，硬度为90-98A，优选为92-96A。硬度高表示该聚酯类弹性体软段含量低，则该聚酯类弹性体结晶性能佳，较难以水温控制其结晶型态，硬度低表示该聚酯类弹性体软段含量高，所制成的聚酯类弹性体立体网状结构手感好弹性佳，但支撑力差，需要较高密度的立体网状结构，才能达到所需的承托力。
所述的热可塑性聚酯类弹性体软段含量为20-60wt％。优选40-55wt％。热可塑性聚酯类弹性体中软段含量越低承托力虽高，但触感差，回弹性差且结晶速度越快，不易控制结晶速度，软段含量越高承托力越低，但触感好，回弹性好，结晶速度易控制，本发明考虑平衡承托力、触感、回弹性等，选择软段含量为20-60wt％。优选40-55wt％。
优选的，所述的聚酯类弹性体软段可以为分子量400-5000的聚乙二醇，聚四亚甲基醚二醇，聚丙烯二醇，聚乙烯丙烯共聚醇等。优选分子量为1000的聚四亚甲基醚二醇。
此外热可塑性聚酯类弹性体材料的选择上，还可以通过加入第三或第四组成的双酸或双醇加以改性，如加入间苯二甲酸或其酯化物，1,3-丁二醇，新戊二醇，1,4-环己烷醇，双酚-A聚氧乙烯醇等，改性后的聚酯类弹性体，其熔点及结晶速度都有所降低，搭配调整的冷却水温，更便于控制所需的聚酯类弹性体纤维的结晶型态。
优选的，所述的缠绕构成立体网状结构的聚酯类弹性体纤维为实心纤维或中空纤维。当所述的聚酯类弹性体纤维为中空纤维缠绕时，所述的中空纤维壁厚为0.05-0.6mm，优选0.2-0.6mm。空心纤维比实心纤维承托力更高，纤维的线径和壁厚都会影响承托力、触感和回弹性；此外壁厚更影响结晶速度的调控，壁厚越薄结晶速度更易调控。
优选的，所述的立体网状结构的厚度为15-200mm。
本发明的第二方面，提供上述的具有轻量化高弹性能的立体网状结构的制备方法，包括以下步骤：使用挤出机将热可塑性聚酯类弹性体加热熔融后，经计量泵计量后压至纺丝板中，挤出后的聚酯类弹性体在红外线保温下落丝成纤维，聚酯类弹性体纤维以熔融状态彼此卷曲缠绕后冷却水带入冷却水浴中，冷却水温10-45℃，急冷后固化，经牵引后形成立体网状结构。
所述的立体网状结构亦可通过低温退火，提高立体网状结构的耐久性并降低压缩永久变型率。退火一般是使用材料低于熔点(Tm)20℃以下进行退火，本发明的立体网状结构考虑到避免材料受高温氧化降解，建议使用材料结晶温度(Tc)下进行低温退火，退火时间为1-24小时，优选1-8小时。
所述的聚酯类弹性体的结晶性能可通过控制材料的冷却速度来控制，当聚酯类弹性体材料在骤冷下固化，聚酯类弹性体纤维将来不及结晶，因结晶度低或结晶晶粒较小，纤维表观呈透明或半透明状。如不通过骤冷下固化，则聚酯类弹性体材料结晶度较高或结晶晶粒较大，纤维表观呈不透明状。
使聚酯类弹性体纤维在骤冷下固化，可以通过控制水温实现，冷却水温度控制在10-45℃，更优选10-35℃，最优选10-30℃。在低水温下结晶链段没有足够的能量及时间堆积，则造成聚酯类弹性体纤维结晶度低或结晶晶粒较小，此时该纤维表观呈透明或半透明状。透明或半透明状的聚酯类弹性体纤维由于结晶度低或结晶晶粒较小，纤维触感较为柔软，即便使用较高硬的聚酯类弹性体为材料，该纤维卷曲缠绕而成的立体网状结构亦较为舒适且承托力佳。
本发明的第三方面，提供上述的具有轻量化高弹性能的立体网状结构作为缓冲垫或支撑垫的应用。所述的立体网状结构在轻量化下亦具备高的承托力、压变耐久性、舒适性和消音性。
本发明优点在于：
本发明的较高硬度的热可塑性聚酯类弹性纤维起到提高承托力的作用，并能延长产品使用寿命，所制成的立体网状结构重量较轻，另外通过结晶行为的控制，得到透明或半透明状的聚酯类弹性体纤维所制得的立体网状结构触感较好且具压缩消音性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
表1各实施例原料列表
注：上表中DMT/BDO为对苯二甲酸二甲酯/1,4-二丁二醇，PTMEG*为分子量1000的聚四亚甲基醚二醇。DMI为苯二甲酸二甲酯。
实施例1
一种具有高弹性能的立体网状结构，具体制备方法为：A-1原料送入挤出机，挤出机内被加热至250℃熔融状态，经计量泵输送到纺丝板，纺丝板到水箱间采用红外线保温，避免较细的实心异型纤维在交错前提早固化，织出的纤维在15℃温水中经模具压缩成型后得到立体网状结构，通过控制牵引速率将立体网状结构密度控制在48kg/m3，其立体网状结构40％压陷硬度为258N，永久变形率为4.1％，纤维透光度为9％，耐疲劳反复压缩后硬度损失率为24.1％。反复压缩测试时，手感舒适度评价，分级为良。
实施例2
一种具有高弹性能的立体网状结构，具体制备方法为：A-2原料送入挤出机，挤出机内被加热至230℃熔融状态，经计量泵输送到纺丝板，纺丝板到水箱间采用红外线保温，避免较细的实心异型纤维在交错前提早固化，织出的纤维在20℃温水中经模具压缩成型后得到立体网状结构，通过控制牵引速率将立体网状结构密度控制在66kg/m3，其立体网状结构40％压陷硬度为244N，永久变形率为3.8％，纤维透光度为13％，耐疲劳反复压缩后硬度损失率为25.3％。反复压缩测试时，手感舒适度评价，分级为优。
实施例3
一种具有高弹性能的立体网状结构，具体制1备方法为：A-3原料送入挤出机，挤出机内被加热至220℃熔融状态，经计量泵输送到纺丝板，纺丝板到水箱间采用红外线保温，避免较细的实心异型纤维在交错前提早固化，织出的纤维在20℃温水中经模具压缩成型后得到立体网状结构，通过控制牵引速率将立体网状结构密度控制在55kg/m3，其立体网状结构40％压陷硬度为265N，永久变形率为3.7％，纤维透光度为14％，耐疲劳反复压缩后硬度损失率为24.6％。反复压缩测试时，手感舒适度评价，分级为优。
比较例1
一种具有高弹性能的立体网状结构，具体制备方法为：A-1原料送入挤出机，挤出机内被加热至250℃熔融状态，经计量泵输送到纺丝板，纺丝板到水箱间采用红外线保温，避免较细的实心异型纤维在交错前提早固化，织出的纤维在75℃温水中经模具压缩成型后得到立体网状结构，通过控制牵引速率将立体网状结构密度控制在53kg/m3，其立体网状结构40％压陷硬度为264N，永久变形率为6.4％，纤维透光度小于1％，耐疲劳反复压缩后硬度损失率为29.6％。反复压缩测试时，手感舒适度评价，分级为劣。
比较例2
一种具有高弹性能的立体网状结构，具体制备方法为：A-2原料送入挤出机，挤出机内被加热至230℃熔融状态，经计量泵输送到纺丝板，纺丝板到水箱间采用红外线保温，避免较细的实心异型纤维在交错前提早固化，织出的纤维在65℃温水中经模具压缩成型后得到立体网状结构，通过控制牵引速率将立体网状结构密度控制在71kg/m3，其立体网状结构40％压陷硬度为231N，永久变形率为5.2％，纤维透光度小于1％，耐疲劳反复压缩后硬度损失率为33.6％。反复压缩测试时，手感舒适度评价，分级为可。
比较例3
一种具有高弹性能的立体网状结构，具体制备方法为：B-1原料送入挤出机，挤出机内被加热至250℃熔融状态，经计量泵输送到纺丝板，纺丝板到水箱间采用红外线保温，避免较细的实心异型纤维在交错前提早固化，织出的纤维在15℃温水中经模具压缩成型后得到立体网状结构，通过控制牵引速率将立体网状结构密度控制在45kg/m3，其立体网状结构40％压陷硬度为271N，永久变形率为7.4％，纤维透光度小于1％，耐疲劳反复压缩后硬度损失率为34.6％。反复压缩测试时，手感舒适度评价，分级为劣。
性能测试
对上述实施例1-3和比较例1-3制得的立体网状结构性能进行测试，具体测试方法如下：
1、线径：从立体网状结构中抽出纤维，使用20倍光学显微镜搭配比例尺量测直径，随机抽取5根纤维取平均值。
2、厚度：使用测厚计测量产品厚度，随机选取5片样品取平均值。
3、密度：把产品放入烘箱，烘箱设置为80℃*3hr，确保水分去除后，量测产品的长宽高计算出体积，并以精确到小数点后三位的精密天平称重，之后计算密度。
4、40％压陷硬度测试：在23℃恒定温度下，将产品置于上下两压盘之间，在测试速度100mm/min下，压缩至应变40％，上压盘向下压缩产品，上端的荷重元即感受到压力，并将压力转换成电压讯号输给显示器解析，同时把压力值显示与屏幕上，测试三次取平均值。
5、压缩永久变形率：在23℃恒定温度下，50％压缩变形量，经22小时后，观察产品恢复后厚度的变化。压缩永久变形量＝(产品测试前后厚度差)/产品测试前厚度*100％，测试三次取平均值。
6、耐疲劳反复压缩硬度损失率：在23℃恒定温度下，将产品放入到反复压缩测试仪的下平台上，以压缩力750N，每分钟70次的频率反复压缩产品，达8万次后评定产品的性能。耐疲劳反复压缩硬度损失率＝(产品测试前后硬度力差)/产品测试前硬度力*100％，测试三次取平均值。
7、舒适性评价:由5位不同测试者对产品柔顺度及舒适性进行评价，由好至坏分级为优◎，良○，可△，劣×，4等级。
8、透光度：取长方型10mm*10mm*30mm的石英容器，从立体网状结构中抽出纤维后一根一根塞进石英容器中，直至塞满石英容器，使用透光度测试仪测试透光度，共测试三次取平均值。
测试结果见表2：
表2实施例1-2和比较例1-3的性能对照
注：手感舒适度：优◎，良○，可△，劣×，4等级。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种具有轻量化高弹性能的立体网状结构，其特征在于，由热可塑性聚酯类弹性体构成，所述的热可塑性聚酯类弹性体硬度为92A，所述的立体网状结构由聚酯类弹性体纤维彼此缠绕而成，聚酯类弹性体纤维线径为0.76mm，外观呈半透明状，透光率14％，所述的聚酯类弹性体纤维为中空纤维，所述的中空纤维壁厚为0.05-0.6mm；所述的立体网状结构的制备原料中硬段为对苯二甲酸二甲酯，含量为45wt％，其中二元醇成分为1,4-二丁二醇，还包括对其进行改性的苯二甲酸二甲酯10wt％，软段为分子量1000的聚四亚甲基醚二醇，含量为45wt％；所述的立体网状结构的制备方法为：将所述的立体网状结构的制备原料送入挤出机，挤出机内被加热至220℃熔融状态，经计量泵输送到纺丝板，纺丝板到水箱间采用红外线保温，避免较细的实心异型纤维在交错前提早固化，织出的纤维在20℃温水中经模具压缩成型后得到立体网状结构，通过控制牵引速率将立体网状结构密度控制在55kg/m3；所述的立体网状结构的厚度为44mm。
2.如权利要求1所述的具有轻量化高弹性能的立体网状结构的制备方法，包括以下步骤：将所述的立体网状结构的制备原料送入挤出机，挤出机内被加热至220℃熔融状态，经计量泵输送到纺丝板，纺丝板到水箱间采用红外线保温，避免较细的实心异型纤维在交错前提早固化，织出的纤维在20℃温水中经模具压缩成型后得到立体网状结构，通过控制牵引速率将立体网状结构密度控制在55kg/m3。
3.如权利要求1所述的具有轻量化高弹性能的立体网状结构作为缓冲垫或支撑垫的应用。
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