CN107881774A - 一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂及其使用方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂及其使用方法和用途，所述复合型表面处理剂包括前处理剂和后处理剂；前处理剂包括偶联剂；后处理剂包括成膜剂、交联剂、络合剂、分散剂和去离子水。其中前处理剂于汽化状态下首先在超高分子量聚乙烯纤维表面通过取向吸附自组装构成活性基团外露的单层薄膜，后处理剂则通过浸涂的方式进一步与单层薄膜的活性基团结合，并经缩聚原位固化反应成膜，通过前处理剂和后处理剂对超高分子量聚乙烯纤维的协同作用，提高了超高分子量聚乙烯纤维所制绳缆等下游产品的着色能力，同时不会降低纤维本体的力学性能。

Description

一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂及其使用方法和 用途
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂及其使用方法和用途。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维是与碳纤维、芳纶纤维并列的三大高性能纤维，它不仅是目前比强度、比模量最高的纤维，而且具有优良的耐磨性、耐冲击性、耐化学腐蚀性、耐低温性、较好的耐候性和耐紫外性能，广泛应用于绳缆、防弹、体育器材、航空航天等领域。
对于超高分子量聚乙烯纤维，当其应用于下游行业如绳缆时，在绳缆编织完毕时，通常会浸胶着色，但是由于纤维表面呈惰性，因此无法有效着色，而且胶层与纤维基体之间的结合力也较差。部分研究者(CN102776596A、CN102199805A、CN103572397A、CN104164791A等)采用在超高分子量聚乙烯纤维纺丝液中添加染料或颜料，以此达到给纤维着色的目的，但是这样做的缺点在于，在着色的同时，纤维的强度会不可避免地降低；部分研究者(徐鑫灿.UHMWPE纤维的染色改性技术研究.浙江理工大学硕士学位论文，2013.任煜.常压等离子体对高性能纤维改性处理的时效性研究.东华大学博士学位论文，2007.)对纤维表面进行物理或化学处理，使纤维表面官能化，这样有利于后续上胶时着色，但因处理效果有限，效率较低，不利于实际生产；更有甚者，目前部分下游绳缆企业，在绳子编织完毕时，未做任何处理，即直接对纤维表面进行上胶着色，显而易见，着色效果不好。所以截止目前，在超高分子量聚乙烯纤维绳缆行业，着色始终是一个未能很好地解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种提高超高分子量聚乙烯纤维的可着色性的复合型表面处理剂及其使用方法。
为达此目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂，所述复合型表面处理剂包括前处理剂和后处理剂。
所述前处理剂包括偶联剂。
所述后处理剂包括成膜剂、交联剂、络合剂、分散剂和去离子水。
本发明所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，这些其他组分赋予所述材料不同的特性。除此之外，本发明所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
本发明另辟蹊径，通过复合型表面处理剂在纤维表面形成了一个聚合物涂层，而涂层上残留的活性基团，提高了纤维的表面能，并与下游绳缆等制品上胶时胶液中的成膜物结合，而成膜物负载染料，因此提高了胶层的色牢度；其次，涂层中复合的络合剂，在涂层中构成弥散分布的“锚点”，能够在下游绳缆等制品上胶时，吸附胶液中的染料，因此提高了胶层的色饱和度。最终，通过前处理剂和后处理剂对超高分子量聚乙烯纤维的协同作用，提高了超高分子量聚乙烯纤维所制绳缆等制品的着色能力。
优选地，所述偶联剂选择沸点相对较低的小分子偶联剂，包括戊二醛、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和γ-氯丙基三乙氧基硅烷中的任意一种或至少两种的组合，其中，典型但非限制性的组合为：戊二醛与γ-氨丙基三乙氧基硅烷的组合，γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷与γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的组合，乙烯基三乙氧基硅烷与γ-氯丙基三乙氧基硅烷的组合，戊二醛、γ-氨丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷的组合。
优选地，所述后处理剂还包括抗静电剂和/或消泡剂。
优选地，所述后处理剂按质量份数计包括：成膜剂40～50份，例如40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份、49份或50份等，乳化剂15～20份，例如15份、16份、17份、18份、19份或20份等，交联剂5～10份，例如5份、6份、7份、8份、9份或10份等，络合剂1～5份，例如1份、2份、3份、4份或5份等，抗静电剂3～5份，例如3份、3.2份、3.5份、3.8份、4份、4.2份、4.5份、4.8份或5份等，消泡剂1～3份，例如1份、1.2份、1.5份、1.8份、2份、2.2份、2.5份、2.8份或3份等，分散剂2～5份，例如2份、2.2份、2.5份、2.8份、3份、3.2份、3.5份、3.8份、4份、4.2份、4.5份、4.8份或5份等，去离子水150～200份，例如150份、160份、170份、180份、190份或200份等。
优选地，所述成膜剂为多官能团化合物。
优选地，所述多官能团化合物包括多环氧基化合物、多羧基化合物和多羟基化合物中的任意一种或至少两种的组合，其中，典型但非限制性的组合为：多环氧基化合物与多羧基化合物的组合，多环氧基化合物与多羟基化合物的组合，多羧基化合物与多羟基化合物的组合，多环氧基化合物、多羧基化合物与多羟基化合物的组合。
优选地，所述乳化剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚和/或烷基酚聚氧乙烯醚。
优选地，所述脂肪醇聚氧乙烯醚的环氧乙烷加成摩尔数(EO数)为6～12，例如6、7、8、9、10、11或12等，使其具有较好的水溶性。
优选地，所述烷基酚聚氧乙烯醚的环氧乙烷加成摩尔数(EO数)为6～12，例如6、7、8、9、10、11或12等，使其具有较好的水溶性。
优选地，所述交联剂包括多胺类化合物和/或有机硅。
优选地，所述多胺类化合物包括二乙烯三胺、三乙烯四胺和硅烷水解液中的任意一种或至少两种的组合，其中，典型但非限制性的组合为：二乙烯三胺与三乙烯四胺的组合，二乙烯三胺与硅烷水解液的组合，三乙烯四胺与硅烷水解液的组合，二乙烯三胺、三乙烯四胺与硅烷水解液的组合。
优选地，所述络合剂包括羧甲基壳聚糖、海藻酸钠和聚丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合，羧甲基壳聚糖和海藻酸钠是天然绿色环保的，聚丙烯酸酯是人工合成的。
优选地，所述抗静电剂包括烷基磷酸酯钾盐。
优选地，所述消泡剂包括聚硅氧烷和/或丁醇。
优选地，所述分散剂包括聚乙二醇。
第二方面，本发明提供根据第一方面所述复合型表面处理剂的使用方法，包括如下步骤：
(1)按照所述质量份数称取后处理剂的各组分，室温下于密闭装置中共混分散，得到后处理剂；
(2)把前处理剂通过导管注入管式炉中，加热使前处理剂汽化，形成连续稳定的气流；
(3)将超高分子量聚乙烯纤维从管式炉的一端引入步骤(1)所述气流中，使汽化后的前处理剂在所述超高分子量聚乙烯纤维的表面取向吸附，形成单层薄膜，再将所述超高分子量聚乙烯纤维从所述管式炉的另一端引出；
(4)将步骤(3)所述引出的超高分子量聚乙烯纤维引入步骤(1)所得后处理剂中进行充分浸涂，然后依次经挤胶、固化、干燥后，得到可着色性提高的超高分子量聚乙烯纤维。
其中前处理剂于汽化状态下首先在超高分子量聚乙烯纤维表面通过取向吸附自组装构成活性基团外露的单层薄膜，后处理剂则通过浸涂的方式进一步与单层薄膜的活性基团结合，并经缩聚原位固化反应成膜。
优选地，步骤(1)所述密闭装置包括卧式砂磨机、高剪切搅拌机和胶体磨中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述共混分散的时间为20～40min，例如20min、22min、25min、28min、30min、32min、35min、38min或40min等。
优选地，步骤(3)所述引入的速度，沿所述超高分子量聚乙烯纤维的轴向，为10～25m/min，例如10m/min、11m/min、12m/min、13m/min、14m/min、15m/min、16m/min、17m/min、18m/min、19m/min、20m/min、21m/min、22m/min、23m/min、24m/min或25m/min等，优选14～17m/min。
优选地，步骤(3)所述引入的速度与所述引出的速度相同。
保持所述进出速度，使汽化后的前处理剂在纤维表面取向吸附，自组装构成活性基团外露的单层薄膜。
第三方面，本发明提供根据第一方面所述复合型表面处理剂的用途，所述复合型表面处理剂用于改善超高分子量聚乙烯纤维的着色能力。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
1.在改善着色能力的同时，因处理剂在纤维表面构成薄而均匀的外加涂层，而纤维本体并未改变，所以不会降低纤维本体的力学性能。
2.与现有纤维生产工艺流程的匹配性好，简单改造后即可实现联产；
3.涂层成分在纤维表面构成网状交联，形成管-壳式结构，从而紧紧地束缚于纤维表面，因此不易剥离和脱落；
4.处理工艺简单，易于规模化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂，包括前处理剂和后处理剂；其中前处理剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；后处理剂按质量份数由以下组分组成：多官能团环氧树脂(南通星辰合成材料有限公司)50份，脂肪醇聚氧乙烯醚O-10(江苏海安石油化工厂)20份，聚酰胺DJ2421H(山东德源环氧科技有限公司)10份，羧甲基壳聚糖(山东陆海蓝圣生物科技股份有限公司)3.5份，烷基磷酸酯钾盐AS-2201(上海多纶化工有限公司)3份，消泡剂FOAMEX 810(赢创工业集团)1份，聚乙二醇PEG 1000(南京古田化工有限公司)2份，去离子水200份。
其使用方法步骤如下：
称取质量份为多官能团环氧树脂(南通星辰合成材料有限公司)50份，脂肪醇聚氧乙烯醚O-10(江苏海安石油化工厂)20份，聚酰胺DJ2421H(山东德源环氧科技有限公司)10份，羧甲基壳聚糖(山东陆海蓝圣生物科技股份有限公司)3.5份，烷基磷酸酯钾盐AS-2201(上海多纶化工有限公司)3份，消泡剂FOAMEX 810(赢创工业集团)1份，聚乙二醇PEG 1000(南京古田化工有限公司)2份，去离子水200份，置于胶体磨中，常温下混合20min，倒出置入金属槽中；
然后将γ-氨丙基三乙氧基硅烷(南京曙光化工集团有限公司)连续引流至自制的管式炉中，控制炉内局部温度≥220℃，然后把超高分子量聚乙烯纤维从管式炉的一端引入，另一端引出，速度为10m/min；随即将管式炉中处理过的纤维，导入盛有后处理剂的金属槽中，使纤维表面浸涂后处理剂，导出后牵引至辊轧装置，去除多余的后处理剂，再进一步导入干燥热箱中，热箱温度≥105℃，最后通过卷绕机收卷。
实施例2
一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂，包括前处理剂和后处理剂；其中前处理剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(南京曙光化工集团有限公司)；后处理剂按质量份数由以下组分组成：多官能团环氧树脂(南通星辰合成材料有限公司)45份，脂肪醇聚氧乙烯醚O-10(江苏海安石油化工厂)18份，三乙烯四胺(南京莽原之旭化工有限公司)5份，印染级海藻酸钠(青岛亿纺化工有限公司)5份，烷基磷酸酯钾盐AS-2201(上海多纶化工有限公司)5份，消泡剂FOAMEX 810(赢创工业集团)3份，聚乙二醇PEG 1000(南京古田化工有限公司)5份，去离子水180份。
其使用方法步骤如下：
称取质量份为多官能团环氧树脂(南通星辰合成材料有限公司)45份，脂肪醇聚氧乙烯醚O-10(江苏海安石油化工厂)18份，三乙烯四胺(南京莽原之旭化工有限公司)5份，印染级海藻酸钠(青岛亿纺化工有限公司)5份，烷基磷酸酯钾盐AS-2201(上海多纶化工有限公司)5份，消泡剂FOAMEX 810(赢创工业集团)3份，聚乙二醇PEG 1000(南京古田化工有限公司)5份，去离子水180份，置于胶体磨中，常温下混合20min，倒出置入金属槽中；
然后将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(南京曙光化工集团有限公司)连续引流至自制的管式炉中，控制炉内局部温度≥260℃，然后把超高分子量聚乙烯纤维从管式炉的一端引入，另一端引出，速度为15m/min；随即将管式炉中处理过的纤维，导入盛有后处理剂的金属槽中，使纤维表面浸涂后处理剂，导出后牵引至辊轧装置，去除多余的后处理剂，再进一步导入干燥热箱中，热箱温度≥105℃，最后通过卷绕机收卷。
实施例3
一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂，包括前处理剂和后处理剂；其中前处理剂为N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷SG-Si900(南京曙光化工集团有限公司)；后处理剂按质量份数由以下组分组成：多官能团环氧树脂(南通星辰合成材料有限公司)40份，脂肪醇聚氧乙烯醚O-10(江苏海安石油化工厂)15份，二乙烯三胺(南京莽原之旭化工有限公司)10份，FS-88(辽宁恒星精细化工有限公司)2份，烷基磷酸酯钾盐AS-2201(上海多纶化工)2份，消泡剂FOAMEX 1488(赢创德固萨)1份，聚乙二醇PEG 1000(南京古田化工有限公司)3.5份，去离子水160份。
其使用方法步骤如下：
称取质量份为多官能团环氧树脂(南通星辰合成材料有限公司)40份，脂肪醇聚氧乙烯醚O-10(江苏海安石油化工厂)15份，二乙烯三胺(南京莽原之旭化工有限公司)10份，FS-88(辽宁恒星精细化工有限公司)2份，烷基磷酸酯钾盐AS-2201(上海多纶化工)2份，消泡剂FOAMEX 1488(赢创德固萨)1份，聚乙二醇PEG 1000(南京古田化工有限公司)3.5份，去离子水160份，置于胶体磨中，常温下混合20min，倒出置入金属槽中；
然后将N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷SG-Si900(南京曙光化工集团有限公司)连续引流至自制的管式炉中，控制炉内局部温度≥260℃，然后把超高分子量聚乙烯纤维从管式炉的一端引入，另一端引出，速度为20m/min；随即将管式炉中处理过的纤维，导入盛有后处理剂的金属槽中，使纤维表面浸涂后处理剂，导出后牵引至辊轧装置，去除多余的后处理剂，再进一步导入干燥热箱中，热箱温度≥105℃，最后通过卷绕机收卷。
实施例1～3处理后的纤维，与未经处理的超高分子量聚乙烯纤维，经动态接触角测试仪(德国Dataphysics公司，仪器型号：DCAT 21)测试，(采用Wash-burn法测量)其与蒸馏水的接触角见表1。
表1
纤维样品 未表面处理 实施例1 实施例2 实施例3
接触角(°) 89.46 68.12 71.04 43.35
从表1中可以看出，超高分子量聚乙烯纤维经本发明中的复合型表面处理剂处理后，纤维的表面与蒸馏水的接触角变小，说明纤维的表面能都有不同程度的提升，其中，实施例3中的处理效果最好。
而纤维的表面能越高，则意味着纤维的表面活性越强，因此在超高分子量聚乙烯纤维制品如绳索的表面涂覆胶粘剂之后，与胶粘剂进一步结合的能力就越强。
着色能力测试：
将未表面处理的超高分子量聚乙烯纤维与实施例1、实施例2、实施例3中表面处理后的超高分子量聚乙烯纤维，分别编织成12股绳，然后投入配兑好的水性聚氨酯胶黏剂乳液中(水67份，比利时I-coats公司的ICO-THANE 32型胶粘剂乳液30份，上海金狮化工有限公司的N8912型黑色色浆3份)，1min后取出，常温下晾干，目视观察绳子内外表面的颜色，如表2所示。
表2
其中，实施例3着色最均匀。实施例1绳子在使用前需要较长时间晾置，但不影响其着色效果和力学性能，实施例2表面局部有胶状物堆积，同样不影响其着色效果和力学性能。由表2的对比结果可知，未表面处理的纤维所编织的绳子着色能力差，有部分纤维未上色所以呈白色且芯部未浸透；与未表面处理的纤维所编织的绳子相比，表面经实施例处理后的纤维所编织的绳子，着色更为显著，且浸透性更好。又由于处理剂在纤维表面构成薄而均匀的外加涂层，而纤维本体并未改变，所以纤维的力学性能无明显变化。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种提高纤维可着色性的复合型表面处理剂，其特征在于，所述复合型表面处理剂包括前处理剂和后处理剂；
所述前处理剂包括偶联剂；
所述后处理剂包括成膜剂、交联剂、络合剂、分散剂和去离子水。
2.根据权利要求1所述的复合型表面处理剂，其特征在于，所述偶联剂包括戊二醛、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和γ-氯丙基三乙氧基硅烷中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的复合型表面处理剂，其特征在于，所述后处理剂还包括抗静电剂和/或消泡剂；
优选地，所述后处理剂按质量份数计包括：成膜剂40～50份，乳化剂15～20份，交联剂5～10份，络合剂1～5份，抗静电剂3～5份，消泡剂1～3份，分散剂2～5份，去离子水150～200份。
4.根据权利要求1～3任一项所述的复合型表面处理剂，其特征在于，所述成膜剂为多官能团化合物；
优选地，所述多官能团化合物包括多环氧基化合物、多羧基化合物和多羟基化合物中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1～4任一项所述的复合型表面处理剂，其特征在于，所述乳化剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚和/或烷基酚聚氧乙烯醚；
优选地，所述脂肪醇聚氧乙烯醚的环氧乙烷加成摩尔数为6～12；
优选地，所述烷基酚聚氧乙烯醚的环氧乙烷加成摩尔数为6～12。
6.根据权利要求1～5任一项所述的复合型表面处理剂，其特征在于，所述交联剂包括多胺类化合物和/或有机硅；
优选地，所述多胺类化合物包括二乙烯三胺、三乙烯四胺和硅烷水解液中的任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1～6任一项所述的复合型表面处理剂，其特征在于，所述络合剂包括羧甲基壳聚糖、海藻酸钠和聚丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述抗静电剂包括烷基磷酸酯钾盐；
优选地，所述消泡剂包括聚硅氧烷和/或丁醇；
优选地，所述分散剂包括聚乙二醇。
8.根据权利要求1～7任一项所述复合型表面处理剂的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照所述质量份数称取后处理剂的各组分，室温下于密闭装置中共混分散，得到后处理剂；
(2)把前处理剂通过导管注入管式炉中，加热使前处理剂汽化，形成连续稳定的气流；
(3)将超高分子量聚乙烯纤维从管式炉的一端引入步骤(1)所述气流中，使汽化后的前处理剂在所述超高分子量聚乙烯纤维的表面取向吸附，形成单层薄膜，再将所述超高分子量聚乙烯纤维从所述管式炉的另一端引出；
(4)将步骤(3)所述引出的超高分子量聚乙烯纤维引入步骤(1)所得后处理剂中进行充分浸涂，然后依次经挤胶、固化、干燥后，得到可着色性提高的超高分子量聚乙烯纤维。
9.根据权利要求8所述复合型表面处理剂的使用方法，其特征在于，步骤(1)所述密闭装置包括卧式砂磨机、高剪切搅拌机和胶体磨中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述共混分散的时间为20～40min；
优选地，步骤(3)所述引入的速度，沿所述超高分子量聚乙烯纤维的轴向，为10～25m/min，优选14～17m/min；
优选地，步骤(3)所述引入的速度与所述引出的速度相同。
10.根据权利要求1～7任一项所述复合型表面处理剂的用途，其特征在于，所述复合型表面处理剂用于改善超高分子量聚乙烯纤维在下游制品中的着色能力，所述下游制品包括绳缆、纺织品、膜材和体育器材。
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