CN107687030A - 纳米改性稀土‑天然植物纤维复合纱、其制备方法和应用 - Google Patents

纳米改性稀土‑天然植物纤维复合纱、其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的改性稀土‑天然植物纤维纳米复合纱、及其制备方法和应用。本发明的改性稀土‑天然植物纤维纳米复合纱，通过将纳米级的稀土进行改性，然后与天然植物纤维进行复合、经熔融纺丝制备纳米复合纱，改性稀土与天然植物纤维的界面相容性好，相较于天然植物纤维，强度高和断裂伸长率明显提高。根据本发明的改性稀土‑天然植物纤维纳米复合纱的制备方法工艺简单、可大规模生产。得到纳米复合纱制品，具有优异的抗霾、抗菌功效以及光滑凉爽、透气的使用效果，可以用于防霾及防霾制品生产。

Description

纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱、其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纺丝材料技术领域，具体涉及一种纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱的制备方法及其制品。
背景技术
近几年来，天然植物纤维复合材料方面的研究方兴未艾，一方面是因为天然植物纤维来源广泛，价格低廉，另一方面天然植物纤维可降解，生产同类产品，使用天然植物纤维的能耗能地，相比于人工纤维，天然植物纤维对环境和生物体更为友好。
但是天然植物纤维由于表面富含羟基，会表现出强极性和亲水性，与非极性或弱极性物质形容性差，由于天然植物纤维体积大、填充量大，纤维与设备及纤维之间的摩擦大使得天然植物纤维难于加工，另外，天然植物纤维的力学性能较玻璃纤维等表现较弱，高温熔融状态下高速剪切易断裂且不易成核继续生产。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的是提供一种可以制备出具有优异的力学性能的、抗菌的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱的制备方法。
再一目的是得到力学性能增强、具有抗菌性能的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，所述复合纱的制备方法包括以下步骤：
(1)制备改性稀土：对0.2-0.5μm的稀土氧化物进行改性，得到改性稀土；
(2)制备母粒：将天然植物纤维切片进行干燥至含水率低于50ppm后，冷却至20-22℃，将重量比为25:2-5的天然植物纤维切片与步骤(1)制备的改性稀土混合、破碎均匀，然后经挤出、造粒，得到母粒；
(3)熔融纺丝制备纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱：将步骤(2)得到的母粒干燥后经挤出后进行熔融纺丝，然后进行缓冷、成型、拉伸、卷制，制得纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，为了保证得到的所述复合纱力学性能稳定，所述天然植物纤维优选韧皮纤维：亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维或苎麻纤维。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，为了改善稀土与天然植物纤维的相容性，有效增强天然植物纤维的断裂强度，在步骤(1)中，所述改性稀土为偶联剂改性氧化稀土、阳离子表面活性剂改性氧化稀土或长链卤代烃改性氧化稀土；
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，在步骤(2)中，所述天然植物纤维干燥后含水率低于30ppm。天然纤维切片中水分对熔融纺丝的纺丝效果极为有害，未经干燥的天然植物纤维切片的含水率通常为0.4wt％左右，去除天然植物纤维切片中的水分可以避免在纺丝过程中产生水解。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，在步骤(2)中，以10000-25000r/min的转速将所述天然植物纤维切片与改性稀土搅拌混合0.5-4min至混合、破碎均匀，破碎后天然植物纤维和改性稀土的混合料全部过50-300目筛，无筛上料剩余。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，为了保证天然植物纤维完全融化，且尽量降低天然植物纤维的降解速率，在步骤(2)中，混合、破碎均匀的天然植物纤维和改性稀土经双螺杆挤出机挤出，所述双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区和六区的温度分别为223℃、225℃、222℃、220℃、222℃和225℃。若双螺杆挤出机的各区温度较低，天然纤维在双螺杆挤出机中不能完全融化，挤出过程中阻力较大，而且未完全融化的天然纤维流动性很差，稀土在涤纶聚酯中分散不均匀；若双螺杆挤出机的各区温度较高，天然纤维在较高温度下的降解速率会增大，影响后续产品的性能。因此，本发明专利所给的双螺杆挤出机各区温度是适宜，一方面可以使改性稀土在天然纤维中分散均匀，稳定地制备复合母粒；另外一方面可以防止天然纤维的快速降解。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，为了保证纺丝顺利进行，纺丝前天然植物纤维和改性稀土的混合料经螺杆挤出的温度需保证混合料有合适的粘度且保证尽量降低天然植物纤维的降解速率，在步骤(3)中，将步骤(2)得到的所述母粒干燥后经螺杆挤出，经螺杆挤出的一区、二区和三区温度的分别为220℃、223℃和225℃。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，在步骤(3)中，在120-140℃下将步骤(2)得到的所述母粒干燥4-2小时，干燥后母粒的含水率低于50ppm。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，基于改性稀土和天然植物纤维混合料特质，为了保证成型后纺丝产品的力学性能，在步骤(3)中，通过侧吹风冷却成型，所述吹风的湿度为20-25％，风速为0.3-0.5m/s，温度为20-25℃。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，针对改性稀土和天然植物纤维混合料，在步骤(3)中，经三个对辊进行拉伸，按照拉伸顺序，第一对辊、第二对辊和第三对辊的温度分别为20-25℃、102-112℃和120-130℃。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，为了保证成品率，保证纺丝质量，在步骤(3)中，卷制转速为200-500m/min。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，具有优异的力学性能、抗菌和阻燃性能，且改善了稀土与天然植物纤维的界面相容性，复合纱的性能稳定，适于防霾口罩以及其他苛刻环境下抗菌、防霾产品的生产。
一种制备纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)制备改性稀土：对0.2-0.5μm的稀土氧化物进行改性，得到改性稀土；
(2)制备母粒：将天然植物纤维切片，干燥至含水率低于50ppm，冷却至20-22℃，将重量比为25:2-5的天然植物纤维切片与步骤(1)制备的改性稀土混合，破碎、挤出、造粒，得到母粒；
(3)熔融纺丝：将步骤(2)得到的母粒进行熔融纺丝，然后进行缓冷、成型、拉伸、卷制，制得纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱。
根据本发明的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱用于防霾的应用。
本发明的有益效果为：
根据本发明的改性稀土-天然植物纤维纳米复合纱，通过将纳米级的稀土进行改性，然后与天然植物纤维进行复合、经熔融纺丝制备纳米复合纱，改性稀土与天然植物纤维的界面相容性好，相较于天然植物纤维，强度高和断裂伸长率明显提高。根据本发明的改性稀土-天然植物纤维纳米复合纱的制备方法工艺简单、可大规模生产。得到纳米复合纱制品，具有优异的抗霾、抗菌功效以及光滑凉爽、透气的使用效果，可以用于防霾及防霾制品生产。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
纳米改性稀土-苎麻纤维复合纱，其制备方法，包括以下步骤：
(1)制备改性稀土：对0.2-0.5μm的稀土氧化物用硅烷偶联剂进行改性，得到偶联剂改性氧化稀土；
(2)制备母粒：将苎麻纤维切片进行干燥至含水率低于50ppm后，冷却至20℃，将重量比为25:5的苎麻纤维切片与改性稀土10000r/min的转速下将所述苎麻纤维切片与步骤(1)制备的改性稀土搅拌4min至混合、破碎均匀，然后经双螺杆挤出机挤出、所述双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区和六区温度分别为223℃、225℃、222℃、220℃、222℃和225℃，待挤出的带条颜色均匀且无气泡后，将带条送入切粒机造粒，得到母粒；
(3)熔融纺丝制备纳米改性稀土-苎麻纤维复合纱：将步骤(2)得到的母粒在120℃下干燥2小时至母粒的含水率低于50ppm，干燥后经螺杆挤出，挤出后进入纺丝箱进行熔融纺丝，然后经环形缓冷器缓冷、经侧吹风冷却成型、然后上油、经三个对辊进行拉伸、卷制，制得纳米改性稀土-苎麻纤维复合纱；
所述螺杆挤出的一区、二区和三区温度分别为220℃、223℃和225℃；
所述纺丝箱温度控制为225℃；
所述吹风的湿度为25％，风速为0.3m/s，温度为25℃；
按照拉伸顺序，三个对辊中，第一对辊、第二对辊和第三对辊的温度分别为20℃、112℃和120℃；
卷制转速为500m/min。
上述纳米改性稀土-苎麻纤维复合纱用于防霾的应用。
实施例2
纳米改性稀土-椰子壳纤维复合纱，其制备方法，包括以下步骤：
(1)制备改性稀土：对0.2-0.5μm的稀土氧化物用阳离子表面活性剂进行改性，得到阳离子表面活性剂改性氧化稀土；
(2)制备母粒：将椰子壳纤维切片进行干燥至含水率低于50ppm后，冷却至22℃，将重量比为25:2的椰子壳纤维切片与改性稀土25000r/min的转速下将所述椰子壳纤维切片与步骤(1)制备的改性稀土搅拌0.5min至混合、破碎均匀，然后经双螺杆挤出机挤出、所述双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区和六区温度分别为223℃、225℃、222℃、220℃、222℃和225℃，待挤出的带条颜色均匀且无气泡后，将带条送入切粒机造粒，得到母粒；
(3)熔融纺丝制备纳米改性稀土-椰子壳纤维复合纱：将步骤(2)得到的母粒在140℃下干燥4小时至母粒的含水率低于50ppm，干燥后经螺杆挤出，挤出后进入纺丝箱进行熔融纺丝，然后经环形缓冷器缓冷、经侧吹风冷却成型、然后上油、经三个对辊进行拉伸、卷制，制得纳米改性稀土-椰子壳纤维复合纱；
所述螺杆挤出的一区、二区和三区温度分别为220℃、223℃和225℃；
所述纺丝箱温度控制为225℃；
所述吹风的湿度为25％，风速为0.3m/s，温度为25℃；
按照拉伸顺序，三个对辊中，第一对辊、第二对辊和第三对辊的温度分别为20℃、112℃和120℃；
卷制转速为500m/min。
上述纳米改性稀土-椰子壳纤维复合纱用于防霾的应用。
实施例3
纳米改性稀土-剑麻纤维复合纱的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备改性稀土：对0.2-0.5μm的稀土氧化物用长链卤代烃进行改性，得到长链卤代烃改性氧化稀土；
(2)制备母粒：将剑麻纤维切片进行干燥至含水率低于50ppm后，冷却至25℃，将重量比为25:3的剑麻纤维切片与改性稀土20000r/min的转速下将所述剑麻纤维切片与步骤(1)制备的改性稀土搅拌2min至混合、破碎均匀，然后经双螺杆挤出机挤出、所述双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区和六区温度分别为223℃、225℃、222℃、220℃、222℃和225℃，待挤出的带条颜色均匀且无气泡后，将带条送入切粒机造粒，得到母粒；
(3)熔融纺丝制备纳米改性稀土-剑麻纤维复合纱：将步骤(2)得到的母粒在122℃下干燥5小时至母粒的含水率低于50ppm，干燥后经螺杆挤出，挤出后进入纺丝箱进行熔融纺丝，然后经环形缓冷器缓冷、经侧吹风冷却成型、然后上油、经三个对辊进行拉伸、卷制，制得纳米改性稀土-剑麻纤维复合纱；
所述螺杆挤出的一区、二区和三区温度分别为220℃、223℃和225℃；
所述纺丝箱温度控制为225℃；
所述吹风的湿度为22％，风速为0.4m/s，温度为23℃；
按照拉伸顺序，三个对辊中，第一对辊、第二对辊和第三对辊的温度分别为22℃、110℃和125℃；
卷制转速为300m/min。
上述纳米改性稀土-剑麻纤维复合纱用于防霾的应用。
实验例
将实施例1-3得到的复合纱分别与原天然植物纤维原料的力学性能进行比较，力学性能依照GBT14344-2003进行检测，检测结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，经改性稀土改性的天然植物纤维经熔融纺丝得到的复合纱与原天然植物纤维原料相比，强度和断裂伸长率都有了明显提高。
实施例1-3的复合纱的抗菌性能依照纺织行业标准FZT 23023-2002中D.2抗菌针织物测试方法：振荡法进行检测，测得对金黄色葡萄球菌的抗菌率均达到99.9％，表明实施例1-3得到的复合纱均有作为抗菌材料的应用前景。
将实施例1-3得到的复合纱制成普通PM2.5口罩厚度的制品，并按照TAJ1001-2015《PM2.5防护口罩》PM2.5过滤要求在GK-3012过滤效率测试仪上进行测定，结果显示过滤效率均大于95％，符合1级F95标准，说明本发明得到的复合纱具有优异的防霾性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，其特征在于，所述复合纱的制备方法包括以下步骤：
(1)制备改性稀土：对0.2-0.5μm的稀土氧化物进行改性，得到改性稀土；
(2)制备母粒：将天然植物纤维切片，干燥至含水率低于50ppm，冷却至20-22℃，将重量比为25:2-5的天然植物纤维切片与步骤(1)制备的改性稀土混合，破碎、挤出、造粒，得到母粒；
(3)熔融纺丝：将步骤(2)得到的母粒进行熔融纺丝，然后进行缓冷、成型、拉伸、卷制，制得纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱。
2.根据权利要求1所述的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，其特征在于，在步骤(1)中，所述改性稀土为偶联剂改性氧化稀土、阳离子表面活性剂改性氧化稀土或长链卤代烃改性氧化稀土。
3.根据权利要求1所述的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，其特征在于，在步骤(2)中，以10000-25000r/min的转速将所述天然植物纤维切片与改性稀土搅拌混合0.5-4min。
4.根据权利要求1所述的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，其特征在于，在步骤(2)中，混合、破碎的天然植物纤维和改性稀土经双螺杆挤出机挤出，所述双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区和六区的温度分别为223℃、225℃、222℃、220℃、222℃和225℃。
5.根据权利要求1所述的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，其特征在于，在步骤(3)中，将步骤(2)得到的母粒干燥并经螺杆挤出，经螺杆挤出的一区、二区和三区的温度分别为220℃、223℃和225℃。
6.根据权利要求1所述的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，其特征在于，在步骤(3)中，在120-140℃下将步骤(2)得到的母粒干燥4-2小时，至母粒的含水率低于50ppm。
7.根据权利要求1所述的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，其特征在于，在步骤(3)中，通过侧吹风冷却成型，所述吹风的湿度为20-25％，风速为0.3-0.5m/s，温度为20-25℃。
8.根据权利要求1所述的纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱，其特征在于，在步骤(3)中，经三个对辊进行拉伸，按照拉伸顺序，第一对辊、第二对辊和第三对辊的温度分别为20-25℃、102-112℃和120-130℃，卷制转速为200-500m/min。
9.一种制备纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备改性稀土：对0.2-0.5μm的稀土氧化物进行改性，得到改性稀土；
(2)制备母粒：将天然植物纤维切片，干燥至含水率低于50ppm，冷却至20-22℃，将重量比为25:2-5的天然植物纤维切片与步骤(1)制备的改性稀土混合，破碎、挤出、造粒，得到母粒；
(3)熔融纺丝：将步骤(2)得到的母粒进行熔融纺丝，然后进行缓冷、成型、拉伸、卷制，制得纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱。
10.权利要求1所述纳米改性稀土-天然植物纤维复合纱用于防霾的应用。
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