CN106835711B - 一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法。该方法首先合成一种能在80～100℃下快速固化成膜的水性聚氨酯，再将这种水性聚氨酯均匀地涂覆在普通聚氨酯纤维的表面，经高温干燥、上油、牵伸处理后得到表里层具有不同性能的复合型聚氨酯弹性纤维。该纤维表层聚氨酯能在100～150℃下受热熔融，与其他纤维材料形成强粘合力；里层聚氨酯力学强度大，弹性回复率高。

Description

一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法
技术领域
本发明属于聚氨酯弹性纤维的制备方法，特别涉及一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制造方法。
背景技术
热粘合聚氨酯纤维，又称为低熔点聚氨酯纤维，是市场上逐渐兴起的一种新型聚氨酯纤维产品。该产品的性能特点是在染色或定型等加工环节受热熔融，实现纤维与纤维相互粘合，从而可以有效避免含氨织物在刮划、裁剪和反复拉伸后引起丝线脱散、毛边、卷曲。市场上该类产品有日本日清纺公司的Mobilon、旭化成公司的Roica SF、美国英威达公司生产的Lycar Fusion等，品质优良的国产热粘合聚氨酯纤维产品几乎没有。
制备热粘合纤维的关键在于保持纤维原有性能的前提下，同时使纤维具有特殊的粘合性能。具有皮芯结构的纤维正好能满足这种性能需求，通常由皮层提供特殊的功能性，芯层则保持纤维原有特性。因此，皮芯结构复合纤维技术大量被用于制备具有低熔点热粘合性能的纤维，例如来侃等人开发的低熔点聚酰胺复合纤维(CN201310011783.9)、崔利等人研究的低熔点皮芯结构的聚酯长丝(CN 201410226546.9)、史佳林等人发明的低熔点皮芯型聚乳酸复合纤维(CN 201510441127.1)，英威达公司同样采用了皮芯双组合复合技术(CN 102257198B)开发了热粘合聚氨酯纤维。一般而言，常规皮芯复合纤维的技术方法通常是先制备皮芯两种纺丝液，再将纺丝液经特殊的纺丝设备制成纤维。两种纺丝液在纺丝过程中通过喷丝板上的导孔交会复合，两相纺丝原液必须有相近的流动性以及粘度。如果两种原液的表观粘度相差较大，极易造成复合细流在喷丝孔处发生侧弯，影响皮芯结构的完整性。两种纺丝液也需要有相同的可纺性，因为两种纺丝液是经同一高温甬道蒸发溶剂或低温冷却成纤的。如果存在任何一相纺丝液可纺性差的问题，皮芯结构的完整性必定受到破坏。此外，常规皮芯复合纤维技术所采用的纺丝组件设备往往是具有高精密度的分配板以及皮芯复合喷丝板组件，这些纺丝设备零件不仅在成本上远高于普通组件，而且在组装、拆洗、维护过程中易损伤。总而言之，采用常规的皮芯纤维制备方法生产热粘合聚氨酯纤维不仅对两相纺丝液性能要求苛刻，而且存在工艺过程复杂，设备精度要求高，产品结构性能稳定性差等多个问题。
发明内容
技术问题：本发明提供的是一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法。发明目的是解决运用常规皮芯复合喷丝板组件制备皮芯型热粘合聚氨酯纤维存在的工艺复杂不易控制，设备精度要求高，成本投入大，产品结构性能均一性差等问题。
技术方案：发明的技术方案是首先合成一种能快速固化的水性聚氨酯，再将水性聚氨酯涂覆于普通聚氨酯纤维表面。由于干燥固化后的聚氨酯涂层能牢固地附着在纤维表面，并且在高温受热条件下表现出良好的热熔粘合性，所以由此技术方法制备的聚氨酯纤维同时兼具了良好的力学强度以及出色的热粘合性。
该方法包括以下步骤：
1).水性聚氨酯的制备
将二异氰酸酯与聚合物二醇置于70～90℃条件下反应2～4小时，再缓慢滴加醇类扩链剂与亲水扩链剂的混合物，60～80℃恒温反应1～3小时，得到聚合产物；加入有机溶剂对聚合产物的粘度进行调节；加入中和剂反应10～30分钟，将体系PH控制在7～8之间，之后，加入成膜剂与去离子水，并使用高速乳化机进行30～60分钟的乳化处理，最后，将乳化产物进行减压蒸馏，除去其中的有机溶剂，得到水性聚氨酯；
2).热粘合性聚氨酯弹性纤维的制备
将普通聚氨酯纤维基体牵引通过带有水性聚氨酯的槽辊，利用纤维与涂液辊之间的接触作用，使纤维表面均匀地覆盖着水性聚氨酯；再使用热固化装置对纤维进行充分地干燥固化处理，固化后的纤维经上油、牵伸、卷绕，制得具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维。
其中：
所述的二异氰酸酯是4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、环己烷二亚甲基二异氰酸酯或4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种组合。
所述的聚合物二醇选择分子量为1000-2000的聚酯二醇，包括聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸丁二醇酯二醇、聚己内酯二醇或聚己二酸一缩二乙二醇酯二醇中的一种或多种组合。
所述的醇类扩链剂为小分子二元醇，包括乙二醇、1，4-丁二醇、己二醇、辛二醇中的一种或多种组合。
所述的亲水扩链剂为二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、乙二氨基乙磺酸钠、1，2-二羟基-3-丙磺酸钠、二乙醇胺或N-甲基-二乙醇胺中的一种或多种组合。
所述的扩链剂混合物醇类扩链剂与亲水扩链剂的用量质量比例为9/1～1/1。
所述的有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸甲酯、丙酮、丁酮或N-甲基-2-吡咯烷酮中的一种。
所述的中和剂为三乙胺、二乙胺、乙酸或盐酸中的一种。
所述的成膜剂包括乙二醇、丙二醇、己二醇、一缩乙二醇、丙二醇乙醚、乙二醇丁醚或丙二醇丁醚中的一种。
所述的去离子水与聚氨酯质量比例为1/1～4/1。
所述制备的水性聚氨酯粘度为50～500泊。制备的水性聚氨酯在80～100℃能脱水固化。固化后的聚氨酯涂层能在100～150℃条件下受热熔融。
所述的聚氨酯纤维基体是干法纺丝制备的聚氨酯纤维基体，也可以是熔融纺丝制备的聚氨酯纤维基体。
所述涂液辊的数量为2根或2根以上，涂液辊的直径为5～20厘米，转速为10～50转/分钟，辊轴转动的方向与纤维牵引方向一致。
所述的热固化装置包括热风干燥系统与热辊干燥系统；
所述的热风干燥系统采用电加热管将空气加热至80～100℃，再将热空气以0.1～0.5米/秒的速度沿纤维牵引垂直方向吹送；
所述的热辊干燥系统选用的热辊数量为2根或2根以上，热辊直径为10～40厘米，转速为10～30转/分钟，热辊表面温度为60～80℃，热辊转运方向与纤维牵引方向一致。
所述卷绕的速度设定为100～500米/分钟，纺丝卷绕头数为48～64头。
有益效果：该技术方法利用表层涂覆的方法代替使用高精度皮芯喷丝板组件制备两相复合纤维，工艺操控简单易行；同时可通过水性聚氨酯乳液粘稠度以及涂覆速率的变化，有效控制涂层厚度以及复合纤维结构的均一性。制备的复合纤维表层聚氨酯成分能在100～150度下受热熔融，与其他纤维材料形成强粘合力；里层聚氨酯成分力学强度大，弹性回复率高。
附图说明
图1为制备具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的流程示意图。
具体实施方式
本发明制备方案包括二部分内容，第一部分是设计制备水性聚氨酯。合成方法如下：首先，将二异氰酸酯与聚合物二醇置于70～90℃条件下反应2～4小时。再缓慢滴加小分子醇类扩链剂与亲水扩链剂的混合物，60～80℃恒温反应1～3小时。反应完成后，加入有机溶剂对聚合产物的粘度进行调节。其次，加入中和剂反应10～30分钟，将体系PH控制在7～8之间。之后，加入成膜剂与去离子水，并使用高速乳化机进行30～60分钟的乳化处理。最后，将乳化产物进行减压蒸馏，除去其中的有机溶剂，得到水性聚氨酯。
第二部分是将水性聚氨酯涂覆于纤维表面，制得具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维。其工艺过程主要是在传统的聚氨酯纤维纺丝卷绕过程中，增加涂层处理与热固化处理两个工艺环节。其中涂层处理是将普通聚氨酯纤维基体牵引通过带有水性聚氨酯的槽辊，通过涂液辊轴转速以及纤维牵引速度的调整匹配，使纤维表面均匀地覆盖着水性聚氨酯涂层。热固化过程则是采用热风干燥系统与热辊干燥系统对水性聚氨酯涂层进行充分的干燥处理。其中热风干燥系统输是通过电加热管将空气加热至80～100℃，将热空气再沿纤维牵引垂直方向进行吹送，以高温热风带走水性聚氨酯中的水分。纤维在通过热风干燥处理后，还需经过60～80℃的热辊系统，以保证水分充分挥发及成膜剂的完全固化。之后，再对纤维进行上油、牵伸、卷绕，制得具有热粘合性能的聚氨酯纤维。
合成水性聚氨酯所用的二异氰酸酯是4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、环己烷二亚甲基二异氰酸酯、4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种组合；
本发明合成水性聚氨酯所使用的聚合物二醇选择分子量为1000-2000的聚酯二醇，可以是聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸丁二醇酯二醇、聚己内酯二醇或聚己二酸一缩二乙二醇酯二醇中的一种或多种组合。
本发明使用的醇类扩链剂为小分了二元醇，可以是乙二醇、1，4-丁二醇，己二醇，辛二醇中的一种或多种组合。
本发明使用的亲水扩链剂为二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、乙二氨基乙磺酸钠、1，2-二羟基-3-丙磺酸钠、二乙醇胺、N-甲基-二乙醇胺中的一种或多种组合。
本发明使作的醇类扩链剂与亲水扩链剂的用量质量比例为9/1～1/1。
本发明选用的有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸甲酯、丙酮、丁酮、N-甲基-2-吡咯烷酮中的一种。
本发明使用的中和剂为三乙胺、二乙胺、乙酸、盐酸中一种。
本发明使用的成膜剂可以是乙二醇、丙二醇、己二醇、一缩乙二醇、丙二醇乙醚、乙二醇丁醚、丙二醇丁醚中的一种，其用量比例为聚氨酯质量的1.0～10％。
本发明使用的去离子水与聚氨酯质量比例为1/1～4/1。
本发明制备的水性聚氨酯粘度控制在50～500泊。
本发明制备的水性聚氨酯在80～100℃能脱水固化，固化后的聚氨酯涂层能在100～150度条件下熔融。
本发明中涂覆的聚氨酯纤维基体可以是干法纺丝制备的聚氨酯纤维基体，也可是熔融纺丝制备的聚氨酯纤维基体，其中优选干纺聚氨酯纤维基体。
本发明采用涂液辊的数量为2根或2根以上，涂液辊的直径为5～20厘米，转速为10～50转/分钟，辊轴转动的方向与纤维牵引方向一致。
本发明所用的热固化设备装置包括热风干燥系统与热辊干燥系统。
本发明所述的热风干燥系统其特征在于采用电加热管将空气加热至80～100℃，再将热空气以0.1～0.5米/秒的速度沿纤维牵引垂直方向吹送。
本发明所述的热辊干燥系统其特征在于选用的热辊数量为2根或2根以上，热辊直径为10～40厘米，转速为10～30转/分钟，热辊表面温度为60～80℃，热辊转运方向与纤维牵引方向一致。
本发明所述卷绕机的卷绕速度设定为100～500米/分钟，纺丝卷绕头数为48～64头。
本发明技术具体实施方式如下：
1).水性聚氨酯的制备
将二异氰酸酯与聚合物二醇置于70～90℃条件下反应2～4小时。再缓慢滴加醇类扩链剂与亲水扩链剂的混合物，60～80℃恒温反应1～3小时。反应完成后，加入有机溶剂对聚合产物的粘度进行调节。其次，加入中和剂反应10～30分钟，将体系PH控制在7～8之间。之后，加入成膜剂与去离子水，并使用高速乳化机进行30～60分钟的乳化处理。最后，将乳化产物进行减压蒸馏，除去其中的有机溶剂，得到粘度为50～500泊的水性聚氨酯。
2).热粘合性聚氨酯弹性纤维的制备
将普通聚氨酯纤维基体牵引通过带有水性聚氨酯的槽辊，利用纤维与涂液辊之间的接触作用，使纤维表面均匀地覆盖着水性聚氨酯。使用80～100℃的高温热风对纤维进行干燥，除去水分，风速控制在0.1～0.5米/分钟；再经过60～80℃的热辊以保证水分充分挥发及成膜剂的完全固化。之后，再对纤维进行上油、牵伸、卷绕，制得具有热粘合性能的聚氨酯纤维。
实施例1
将378g的4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯与2000g的分子量为2000的聚己二酸丁二醇酯二醇混合均匀，加热至90℃反应2小时。降低温度至70℃，再滴加24.8g乙二醇与17.8g的1，2-二羟基-3-丙磺酸钠的混合物进行1小时的扩链反应。加入500ml的丙酮将聚合产物进行稀释。再滴加10.4g的三乙胺进行中和反应，体系pH值控制在8左右。添加24g乙醇丁醚以及3500g去离子水进行30分钟的高速乳化处理。最后将乳液加热至60℃进行减压蒸馏除去丙酮，得到粘度为85泊的水性聚氨酯。
将干法纺丝原液蒸发溶剂形成聚氨酯纤维原丝，牵引通过装有水性聚氨酯涂层槽辊，涂液辊轴的转速设置为25转/分钟。表层涂覆水性聚氨酯的纤维经100℃热风干燥，除去水分，再经过80℃热辊进一步固化。最后对纤维进行上油，牵伸，卷绕成型，制备具有热粘性能的聚氨酯弹性纤维。
实施例2
将450g的4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯与1800g的分子量为1000的聚己二酸乙二醇酯二醇混合均匀，加热至75℃反应2小时。再滴加48g的1，4-丁二醇与24g的二羟甲基丙酸的混合物进行1.5小时的扩链反应。加入750ml的丙酮将聚合产物进行稀释。再滴加20.8g的三乙胺进行中和反应，体系pH值控制在7.5左右。添加35.4g乙二醇丙醚以及4200g去离子水进行45分钟的高速乳化处理。最后将乳液加热至50℃进行减压蒸馏除去丙酮，得到粘度为100泊的水性聚氨酯。
将干法纺丝原液蒸发溶剂形成聚氨酯纤维原丝，牵引通过装有水性聚氨酯涂层槽辊，涂液辊轴的转速设置为35转/分钟。表层涂覆水性聚氨酯的纤维经100℃热风干燥，除去水分，再经过75℃热辊进一步固化。最后对纤维进行上油，牵伸，卷绕成型，制备具有热粘性能的聚氨酯弹性纤维。
实施例3
将296g的2，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯与1500g的分子量为1800的聚己二酸己二醇酯二醇混合均匀，加热至80℃反应1.5小时。再将反应温度降至65℃，再滴加30.2g乙二醇与17.8g的二乙醇胺的混合物进行2小时的扩链反应。加入450ml的乙酸乙酯将聚合产物进行稀释。再滴加乙酸进行中和反应，体系pH值控制在7.0左右。添加48g乙醇丁醚与6000g去离子水进行45-30分钟的高速乳化处理。最后将乳液加热至75℃进行减压蒸馏除去丙酮，得到粘度为180泊的水性聚氨酯。
将干法纺丝原液蒸发溶剂形成聚氨酯纤维原丝，牵引通过装有水性聚氨酯涂层槽辊，涂液辊轴的转速设置为30转/分钟。表层涂覆水性聚氨酯的纤维经95℃热风干燥，除去水分，再经过80℃热辊进一步固化。最后对纤维进行上油，牵伸，卷绕成型，制备具有热粘性能的聚氨酯弹性纤维。

Claims (10)

1.一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1).水性聚氨酯的制备
将二异氰酸酯与聚合物二醇置于70～90℃条件下反应2～4小时，再缓慢滴加醇类扩链剂与亲水扩链剂的混合物，60～80℃恒温反应1～3小时，得到聚合产物；加入有机溶剂对聚合产物的粘度进行调节；加入中和剂反应10～30分钟，将体系pH控制在7～8之间；之后，加入成膜剂与去离子水，并使用高速乳化机进行30～60分钟的乳化处理；最后，将乳化产物进行减压蒸馏，除去其中的有机溶剂，得到水性聚氨酯；
2).热粘合性聚氨酯弹性纤维的制备
将普通聚氨酯纤维基体牵引通过带有水性聚氨酯的槽辊，利用纤维与涂液辊之间的接触作用，使纤维表面均匀地覆盖水性聚氨酯；再使用热固化装置对纤维进行充分地干燥处理；固化后的纤维经上油、牵伸、卷绕，制得具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维。
2.根据权利要求1所述的一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述的二异氰酸酯是4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、环己烷二亚甲基二异氰酸酯或4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述的聚合物二醇选择分子量为1000～2000的聚酯二醇，包括聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸丁二醇酯二醇、聚己内酯二醇或聚己二酸一缩二乙二醇酯二醇中的一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述的醇类扩链剂为小分子二元醇，包括乙二醇、1，4-丁二醇、己二醇、辛二醇中的一种或多种组合；所述的亲水扩链剂为二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、乙二氨基乙磺酸钠、1，2-二羟基-3-丙磺酸钠、二乙醇胺或N-甲基-二乙醇胺中的一种或多种组合，醇类扩链剂与亲水扩链剂的质量比例为9/1～1/1。
5.根据权利要求1所述的一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述的中和剂为三乙胺、二乙胺、乙酸或盐酸中的一种。
6.根据权利要求1所述一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述的成膜剂包括乙二醇、丙二醇、己二醇、一缩乙二醇、丙二醇乙醚、乙二醇丁醚或丙二醇丁醚中的一种。
7.根据权利要求1所述一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于去离子水与水性聚氨酯质量比例为1/1～4/1。
8.根据权利要求1所述一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述的聚氨酯纤维基体是干法纺丝制备的聚氨酯纤维基体，或是熔融纺丝制备的聚氨酯纤维基体。
9.根据权利要求1所述一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述涂液辊的数量为2根或2根以上，涂液辊的直径为5～20厘米，涂液辊的转速控制为10～50转/分钟，辊轴转动的方向与纤维牵引方向一致。
10.根据权利要求1所述一种具有热粘合性能的聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于所述的热固化装置包括热风干燥系统与热辊干燥系统；所述的热风干燥系统采用电加热管将空气加热至80～100℃，再将热空气以0.1～0.5米/秒的速度沿纤维牵引垂直方向吹送；所述的热辊干燥系统选用的热辊直径为10～40厘米，控制热辊表面温度为60～80℃，转速为10～30转/分钟，且热辊转运方向与纤维牵引方向一致。
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