CN107447288B - 一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维及其制备方法 - Google Patents
一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维，其特征在于，包括聚苯硫醚PPS切片98‑99.9wt％和大内腔HNTs 0.1‑2wt％。本发明的PPS/大内腔HNTs杂化纤维具有较强的断裂强度；在180℃热氧老化处理24h后，仍具有较高的力学性能保持率，为61.4‑73.4％；其中的HNTs具有大内腔结构，其内径比常见HNTs大3‑25nm，具有良好的传热性能。
Description
技术领域
本发明属于杂化纤维及其制备领域，特别涉及一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维及其制备方法。
背景技术
近年来，PM2.5、PM10等大气粉尘污染严重影响着人们的健康和生活质量。如何解决这一问题已成为人们关注的焦点。在废气排放前对废气中的粉尘进行过滤，是一种有效的解决方案，由于废气排放时的温度较高，除尘滤袋的主要材料因此必须具备耐高温的性能。
作为一种高性能纤维，聚苯硫醚(PPS)纤维具有优异的耐腐蚀性、耐高温和阻燃性，且成本较低，是制备除尘滤袋的理想纤维材料，目前已被广泛地应用于工业废气中粉尘的处理。但在高温含氧环境中，PPS容易发生氧化断裂降解，导致其力学性能逐渐下降，最终服役寿命难以超过3年。因此，如何提高PPS纤维的抗热氧老化性能，已成为PPS纤维研究的重点。
埃洛石纳米管(HNTs)是一种具有多壁纳米管结构的纯天然矿物粘土，一般在自然条件下由多个高岭土片层卷曲形成，呈现出具有多层的中空结构。埃洛石作为一种天然的矿物粘土材料，在全球范围内有着非常丰富的储量，具有价格低廉、储存方便、提纯工艺简单、性能稳定等诸多优点，最重要的是它具有与碳纳米管一样严谨而完整的纳米管状结构。HNTs的这种特殊结构，使其具备了阻碍热量传递的性能。即将HNTs加入到其他材料中时，HNTs内腔中的空气，可以成为材料内部传递热量的阻碍，防止材料内部因温度过高而发生损坏。由于HNTs内管腔的主要组成成分是铝的氧化物，因此使用不与二氧化硅反应的强酸对HNTs进行处理，可以在不破坏HNTs多壁纳米管结构的同时扩大其内腔体积，从而可以容纳更多阻碍热量传递的空气，提高HNTs阻碍传热的能力。所以将具有大内腔结构HNTs用于PPS纤维中，可以有效保护PPS纤维内部因为高温发生分解，大大提高了PPS纤维的抗热氧老化性能，从而延长PPS纤维用作除尘滤袋的使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维及其制备方法，该抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维在热氧老化后力学性能保持率高，该制备方法操作简单，成本低，可规模化生产。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维，其特征在于，包括聚苯硫醚(PPS)切片98-99.9wt％和大内腔HNTs0.1-2wt％。
优选地，所述的PPS切片为纺丝级PPS切片，相对分子质量为3-5万。
优选地，所述的大内腔HNTs的外径为40-100nm，内径为13-60nm，长度为0.2-1μm。所述的大内腔HNTs相对于常见HNTs内径增加了3-25nm。
本发明还提供了上述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法，其特征在于，包括：先通过强酸处理HNTs制备大内腔HNTs，再通过双螺杆共混和熔融纺丝制备抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维。
优选地，所述的强酸为浓硝酸和浓硫酸中的一种或几种。
优选地，所述的通过强酸处理HNTs制备大内腔HNTs的具体步骤包括：将HNTs先放入马弗炉中预处理，然后将其与强酸溶液混合，在70-90℃条件下恒温搅拌48-96h后停止反应；将反应后得到的产物离心，洗涤离心得到的固体物质，再滴加碱液进行处理，使内腔具有Si-OH结构，然后进行离心，将离心所得固体物质干燥，研磨，即得大内腔HNTs粉体。
优选地，所述的通过双螺杆共混和熔融纺丝制备抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的具体步骤包括：将大内腔HNTs粉体和PPS切片放入双螺杆挤出机中造粒，烘干，再进行熔融纺丝。
更优选地，所述的螺杆转速80-120r/min，双螺杆挤出机各个加热段的温度为：第一段为280-290℃，第二段为300-310℃，第三段为300-310℃，第四段为300-310℃，第五段为300-310℃。
更优选地，所述的熔融纺丝的纺丝工艺如下：螺杆挤出温度：315-320℃，螺杆机头压力：0.6-0.8MPa，卷绕速度：500-700m/min，牵伸倍数：2-3倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维，断裂强度为0.81-1.20cN/dtex；在180℃热氧老化处理24h后，仍保持较高的力学性能保持率，为61.4-73.4％；其中的HNTs具有大内腔结构，其内径比常见HNTs大3-25nm，具有良好的传热性能；本发明的制备方法操作简单，成本低，可规模化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维，由聚苯硫醚PPS切片99.0wt％和大内腔HNTs 1.0wt％组成。
所述的PPS切片为纺丝级PPS切片，相对分子质量为3-5万。所述的大内腔HNTs的外径为40-100nm，长度为0.2-1μm。
所述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法为：
(1)先通过强酸处理HNTs制备大内腔HNTs：
将50g常见HNTs(购自郑州金阳光陶瓷有限公司，内径10-35nm，外径40-100nm，长度0.2-1μm)先放入400℃马弗炉中预处理4小时，然后将其与500mL2mol/L硫酸溶液在接有冷凝装置的玻璃容器中进行混合，并在80℃条件下恒温持续机械搅拌72h后停止反应；此时由于HNTs内腔的主要成分铝的氧化物与强酸反应，因此HNTs的内腔得以扩大。将反应后得到的产物倒入离心管，以5000r/min的速度离心5min，再用去离子水反复洗涤离心后得到的固体物质，直至其水溶液pH值为7；再滴加20mL 0.01mol/L NaOH溶液进行处理，使内腔具有大量Si-OH结构；然后进行离心，将离心所得固体物质放于80℃烘箱中干燥24h；最后用球磨机进行研磨，即得大内腔HNTs粉体，所得大内腔HNTs内径增加至13-58nm。
(2)再通过双螺杆共混和熔融纺丝制备纤维：
将上述粉体和纯PPS切片放入双螺杆挤出机中造粒，其中HNTs的质量分数为1.0％，PPS的质量分数为99.0％；螺杆转速100r/min，双螺杆挤出机各个加热段的温度为：第一段(喂料区)为285℃，第二段(挤压区)为305℃，第三段(计量区)为305℃，第四段(均化段)为305℃，第五段(出口区)为305℃。
将上述步骤制得的杂化PPS切片，用烘箱烘干至含水率为20PPM。
将烘干后的上述杂化PPS切片，取1kg加入熔融纺丝设备中，制得杂化纤维。熔融纺丝的纺丝工艺如下：
螺杆挤出温度：318℃
箱体温度：316℃
螺杆机头压力：0.7MPa
组件压力：0.6-0.7MPa
卷绕速度：600m/min
牵伸倍数：2.5倍
测试由上述工艺得到的杂化纤维在180℃热氧老化处理24h前后的纤维拉伸强度，发现其强度保持率为73.4％(纯PPS纤维为60.3％)，纤维杂化后强度保持率有显著的提高。
实施例2
一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维，由聚苯硫醚PPS切片99.5wt％和大内腔HNTs 0.5wt％组成。
所述的PPS切片为纺丝级PPS切片，相对分子质量为3-5万。所述的大内腔HNTs的外径为40-100nm，长度为0.2-1μm。
所述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法为：
(1)先通过强酸处理HNTs制备大内腔HNTs：
将25g常见HNTs(购自郑州金阳光陶瓷有限公司，内径10-35nm，外径40-100nm，长度0.2-1μm)先放入400℃马弗炉中预处理4小时，然后将其与250mL2mol/L硫酸溶液在接有冷凝装置的玻璃容器中进行混合，并在80℃条件下恒温持续机械搅拌96h后停止反应；此时由于HNTs内腔的主要成分铝的氧化物与强酸反应，因此HNTs的内腔得以扩大。将反应后得到的产物倒入离心管，以5000r/min的速度离心5min，再用去离子水反复洗涤离心后得到的固体物质，直至其水溶液pH值为7；再滴加10mL 0.01mol/L KOH溶液进行处理，使内腔具有大量Si-OH结构；然后进行离心，将离心所得固体物质放于80℃烘箱中干燥24h；最后用球磨机进行研磨，即得大内腔HNTs粉体，所得大内腔HNTs内径增加至15-60nm。
(2)再通过双螺杆共混和熔融纺丝制备纤维：
然后将上述粉体和纯PPS切片放入双螺杆挤出机中造粒，其中HNTs的质量分数为0.5％，PPS的质量分数为99.5％；螺杆转速100r/min，双螺杆挤出机各个加热段的温度为：第一段(喂料区)为285℃，第二段(挤压区)为305℃，第三段(计量区)为305℃，第四段(均化段)为305℃，第五段(出口区)为305℃。
将上述步骤制得的杂化PPS切片，用烘箱烘干至含水率为20PPM。
将烘干后的上述杂化PPS切片，取1kg加入熔融纺丝设备中，制得杂化纤维。熔融纺丝的纺丝工艺如下：
螺杆挤出温度：318℃
箱体温度：316℃
螺杆机头压力：0.7MPa
组件压力：0.6-0.7MPa
卷绕速度：600m/min
牵伸倍数：2.5倍
测试由上述工艺得到的杂化纤维在180℃热氧老化处理24h前后的纤维拉伸强度，发现其强度保持率为72.1％(纯PPS纤维为60.3％)，纤维杂化后强度保持率有显著的提高。
实施例3
一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维，由聚苯硫醚PPS切片98.0wt％和大内腔HNTs 2.0wt％组成。
所述的PPS切片为纺丝级PPS切片，相对分子质量为3-5万。所述的大内腔HNTs的外径为40-100nm，长度为0.2-1μm。
所述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法为：
(1)先通过强酸处理HNTs制备大内腔HNTs：
将100g常见HNTs(购自郑州金阳光陶瓷有限公司，内径10-35nm，外径40-100nm，长度0.2-1μm)先放入400℃马弗炉中预处理4小时，然后将其与1000mL 2mol/L硫酸溶液在接有冷凝装置的玻璃容器中进行混合，并在80℃条件下恒温持续机械搅拌48h后停止反应；此时由于HNTs内腔的主要成分铝的氧化物与强酸反应，因此HNTs的内腔得以扩大。将反应后得到的产物倒入离心管，以5000r/min的速度离心5min，再用去离子水反复洗涤离心后得到的固体物质，直至其水溶液pH值为7；再滴加40mL 0.01mol/L NaOH溶液进行处理，使内腔具有大量Si-OH结构；然后进行离心，将离心所得固体物质放于80℃烘箱中干燥24h；最后用球磨机进行研磨，即得大内腔HNTs粉体，所得大内腔HNTs内径增加至13-52nm。
(2)再通过双螺杆共混和熔融纺丝制备纤维：
然后将上述粉体和纯PPS切片放入双螺杆挤出机中造粒，其中HNTs的质量分数为2.0％，PPS的质量分数为98.0％；螺杆转速100r/min，双螺杆挤出机各个加热段的温度为：第一段(喂料区)为285℃，第二段(挤压区)为305℃，第三段(计量区)为305℃，第四段(均化段)为305℃，第五段(出口区)为305℃。
将上述步骤制得的杂化PPS切片，用烘箱烘干至含水率为20PPM。
将烘干后的上述杂化PPS切片，取1kg加入熔融纺丝设备中，制得杂化纤维。熔融纺丝的纺丝工艺如下：
螺杆挤出温度：318℃
箱体温度：316℃
螺杆机头压力：0.7MPa
组件压力：0.6-0.7MPa
卷绕速度：600m/min
牵伸倍数：2.5倍
测试由上述工艺得到的杂化纤维在180℃热氧老化处理24h前后的纤维拉伸强度，发现其强度保持率为61.4％(纯PPS纤维为60.3％)，纤维杂化后强度保持率有所提高。
Claims (6)
1.一种抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法，其特征在于，包括：先通过强酸处理HNTs制备大内腔HNTs，再通过双螺杆共混和熔融纺丝制备抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维；所述抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维，其特征在于，包括聚苯硫醚切片98-99.9wt％和大内腔HNTs 0.1-2wt％。
2.如权利要求1所述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述的聚苯硫醚切片为纺丝级PPS切片，相对分子质量为3-5万。
3.如权利要求1所述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述的大内腔HNTs的外径为40-100nm，内径为13-60nm，长度为0.2-1μm。
4.如权利要求1所述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述的强酸为浓硝酸和浓硫酸中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述的通过强酸处理HNTs制备大内腔HNTs的具体步骤包括：将HNTs先放入马弗炉中预处理，然后将其与强酸溶液混合，在70-90℃条件下恒温搅拌48-96h后停止反应；将反应后得到的产物离心，洗涤离心得到的固体物质，再滴加碱液进行处理，然后进行离心，将离心所得固体物质干燥，研磨，即得大内腔HNTs粉体。
6.如权利要求1所述的抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的制备方法，其特征在于，所述的通过双螺杆共混和熔融纺丝制备抗热氧老化PPS/大内腔HNTs杂化纤维的具体步骤包括：将大内腔HNTs粉体和PPS切片放入双螺杆挤出机中造粒，烘干，再进行熔融纺丝。
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