CN108823678A - 一种均质纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种均质纤维及其制备方法，制备方法：分别以相同种类不同分子量的聚合物为芯层材料和皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维；芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.05～1.20倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为30～70:70～30。本发明方法解决了较大纤度纤维在成形过程中由于纤维径向温度差异引起的粘度和应力的差异进而导致的取向度和结晶度的径向结构不匀的问题，制备出的均质纤维径向结构均匀，柔韧性、抗弯折性、耐磨性和耐疲劳性大大提高，其耐弯曲次数大于200000次，均质纤维的单丝纤度≥5dtex，断裂强度为7～25cN/dtex，初始模量为30～750cN/dtex。

Description

一种均质纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于纤维制备领域，涉及一种均质纤维及其制备方法。
背景技术
用聚合物熔融纺丝法制备的工业丝，如聚酯(PET、PEN等)工业丝、聚酰胺(PA6、PA66等)工业丝、热致液晶聚合物工业丝等，因其具有较好的强力与模量和优秀的理化性能，被广泛的应用于诸如汽车、安全防护、绳索和复合增强材料等产业领域。而今这类工业丝在箱包、鞋材等领域中的应用也越来越广泛。
从熔融纺丝的过程来看，纤维成形过程中依靠冷空气或其它冷却介质发生凝固，而聚合物为热的不良导体，沿纤维表面到内部的径向会产生温度差异即温度梯度，对于单丝纤度较大的均质纤维，这种现象更加明显，甚至产生严重的皮芯结构。由于温度分布差异导致径向粘度产生一定的分布，高粘度的表层出现应力集中，应力的分布差异导致大分子取向和结晶不匀，这是纤维径向结构不匀的根源，结果导致纤维的强伸性、柔韧性和抗弯折性等较差。
目前生产多采用调节生产工艺的方法来减少纤维径向结构差异，纤维成形条件对聚酯纤维直径均匀性有着较为重要的影响，文章1(《合成纤维》,1980 (4):58-59)中提出通过降低表面喷丝板孔数、增加熔体供量、提高喷丝孔长径比或提高分子量等可以有效减小纤维径向结构差异。但是降低喷丝板孔数，无疑会降低生产效率；增加熔体供量或通过提高喷丝孔长径比使挤出压力保持在较高水平才可实现，对工艺以及设备要求苛刻；而提高分子量，一方面目前高分子量聚合物制备水平限制，使得分子量在目前水平上提高困难，另一方面，分子量高，为使纺丝成型顺利，则需提高纺丝温度来降低熔体粘度，使能耗大大提高，纺丝工艺实现困难。文章2(涤纶切片的结晶性能及其对POY结构均匀性的影响,《合成纤维工业》,1996(5):7-10)中的研究表明，使用结晶度低的聚酯可以有效降低纤维径向结构差异，而这对强力要求不高的民用丝是适用的，而对于工业丝，结晶是强力的保障，通过降低结晶来实现降低径向结构差异，是以牺牲工业丝强力为代价的，是不可取的。
因此，亟需研究一种纤维径向结构均匀的均质纤维及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种以聚合物为皮层、高分子量聚合物为芯层的皮芯复合纤维及其制备方法。本发明方法解决了纤维成形过程中由于纤维径向温度差异引起的粘度、应力和取向度的差异，进而导致的纤维径向结构不匀问题，使制备出的产品具有极佳的力学性能。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种均质纤维的制备方法，分别以相同种类不同分子量的聚合物为芯层材料和皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维；芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.05～1.20倍。常规纺丝即非复合纺丝时，由于纤维内外温差引起熔体粘度差异，进而导致应力、取向度和结晶之间的差异较大，产生径向结构不匀，容易造成“皮芯”，本发明方法采用皮、芯复合纺丝技术，通过皮、芯两部分聚合物分子量差异的调控，使纤维内外结构差异减小。内外结构差异小，则纤维表现出良好的耐弯曲性，有效防止在弯曲时因结构差异导致纤维发生劈裂，提高纤维强伸性能。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种均质纤维的制备方法，所述皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为30～70:70～30。质量分数设置在此范围内的目的是质量分数过高或者过低，造成皮芯比例差异大，达不到均质调节作用。
如上所述的一种均质纤维的制备方法，所述聚合物为聚酯、聚酰胺、聚丙烯或聚乙烯。
如上所述的一种均质纤维的制备方法，所述聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯；所述聚酰胺为聚己内酰胺或聚己二酰己二胺。
如上所述的一种均质纤维的制备方法，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯的特性粘度为0.6～1.1dL/g；所述聚萘二甲酸乙二醇酯的特性粘度为0.7～1.2dL/g；所述聚己内酰胺的相对粘度为 2.4～3.4；所述聚己二酰己二胺的相对粘度为2.4～3.4；所述聚丙烯的熔融指数MI 为2～20；所述聚乙烯的熔融指数MI为0.2～1.2。
如上所述的一种均质纤维的制备方法，所述熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度130～320℃，皮层纺丝温度不高于320℃，拉伸温度90～180℃，拉伸倍率 4～6倍，热定型温度95～190℃。
本发明还提供一种采用如上所述的制备方法制得的均质纤维，所述均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数大于200000次。
作为优选的技术方案：
如上所述的均质纤维，所述均质纤维的单丝纤度≥5dtex，断裂强度为 7～25cN/dtex，初始模量为30～750cN/dtex。
发明机理：
纤维粘度、应力和取向最终与纤维径向温度有关，纺丝纤维径向温度、粘度、应力和取向差异的经验公式如下：
公式1)：温度径向分布
其中，为径向温度梯度；ξ表示无因次轴向坐标；θ表示无因次温度；h 为纤维平均表面传热系数；k为熔体热传导率；r为距离纤维中心距离；R为纤维半径；Tr为r处温度；Ta为周围温度；Ts为纺丝温度；
公式2)：粘度径向分布
当T＞Tm时，
η(r)＝(AMW)3.35exp[B/(T(r)+273)]；
当T＜Tm时，
η(r)＝(AMW)3.35exp[B/(T(r)+273)][a(c/c∞)b]；
其中，Tm为聚合物熔点；η(r)为r处熔体粘度；A、B、a和b为特定常数参数；MW表示重均分子量；c为结晶度；c∞表示无穷大时结晶度；
公式3)：应力σ(r)径向分布
其中，表示纺丝速度梯度；
公式4)：取向径向分布
其中，f(r)为取向，Δn表示双折射率，Δ0表示特性双折射率，为常数；C表示应力光学系数，为常数。
由公式1)可以看出，纺丝时纤维从外之内存在温度梯度，且表层温度小于内部温度；由公式2)可以看出，同质聚合物，熔体粘度与温度成反比关系，温度高则熔体粘度低，也就是纤维从外至内熔体粘度逐渐降低，表层粘度大于内部粘度；由公式3)可以看出，纺丝速度梯度恒定，应力与熔体粘度成正比关系，应力从表层至内层逐渐降低；由公式4)可以看出，取向与应力成正比，纤维外层取向大于内层。取向将诱导结晶，进而造成内外结晶不同，引起结构差异。
采用本发明的方法，由于纤维内外温度梯度是不可改变的，采取皮芯复合纺丝，利用皮芯分子量存在差异，根据公式2)：
当T＞Tm时，
η(r)＝(AMW)3.35exp[B/(T(r)+273)]；
当T＜Tm时，
η(r)＝(AMW)3.35exp[B/(T(r)+273)][a(c/c∞)b]；
可知，皮层分子量低，则有效降低温度的影响，降低熔体粘度，芯层分子量高，有效提高熔体粘度。由此通过分子量差异的调控，有效降低纤维径向熔体粘度差异，进而降低应力、取向和结晶差异。
有益效果：
本发明的一种均质纤维及其制备方法，制备方法简单，采用复合纺丝技术，芯层分子量高于皮层，解决纤维成形过程中由纤维径向温度差异引起的粘度、应力和取向度差异，从而导致的纤维径向结构不匀的问题，制备出的纤维径向结构均匀，拉伸性能优异，耐弯曲次数大于200000次，极具应用前景。
附图说明
图1为采用对比例1方法制得的纤维沿径向方向的温度、粘度、应力和取向的分布状况图；
图2为采用本发明方法与对比例1方法制得的纤维沿径向方向的温度分布对比图；
其中，r表示距离纤维中心的距离。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，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
一种均质纤维的制备方法，分别将高分子量的聚对苯二甲酸乙二醇酯为芯层材料和低分子量的聚对苯二甲酸乙二醇酯为皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维，其中，芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.05倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为30:70，低分子量的聚对苯二甲酸乙二醇酯的特性粘度为0.6dL/g；熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度为 300℃，皮层纺丝温度为300℃，拉伸温度为175℃，拉伸倍率为4倍，热定型温度为180℃。
均质纤维耐弯曲次数为230000次，均质纤维的单丝纤度为6dtex，断裂强度为20cN/dtex，初始模量为550cN/dtex。
对比例1
一种纤维的制备方法，技术方案与实施例1基本一致，不同的是芯层材料和皮层材料都为聚对苯二甲酸乙二醇酯且分子量都相同，芯层材料和皮层材料均采用实施例1中的芯层材料，经熔融纺丝制得纤维，熔融纺丝的工艺参数也与实施例1一致。最终制得的纤维沿径向方向的温度、粘度、应力以及分子取向分布状况如图1所示，采用本发明方法制得的均质纤维沿径向方向温度分布与对比例1 的制备方法制得的纤维沿径向方向温度分布对比如图2所示，其中实线表示对比例1制备的纤维的温度径向差异分布曲线，虚线表示本发明方法制备的纤维的温度径向差异分布曲线。从图中可以看出，采用本发明方法制备的纤维温度在芯层和表层的分布较对比例1趋于平稳，本发明方法通过高/低分子量复合纺丝，可以有效减小常规纺丝时沿纤维径向的温度差异，可对径向温度趋同化控制，进而减小由温度差异所引起的纤维径向粘度、应力和取向的差异，使纤维内外结构差异降低，使纤维由内至外更趋于同质。
实施例2
一种均质纤维的制备方法，分别将高分子量的聚对苯二甲酸丙二醇酯为芯层材料和低分子量的聚对苯二甲酸丙二醇酯为皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维，其中，芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.09倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为40:50，低分子量的聚对苯二甲酸丙二醇酯的特性粘度为0.8dL/g；熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度为 300℃，皮层纺丝温度为300℃，拉伸温度为175℃，拉伸倍率为4倍，热定型温度为180℃。
最终制得的均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数为280000次，均质纤维的单丝纤度为5dtex，断裂强度为10cN/dtex，初始模量为700cN/dtex。
实施例3
一种均质纤维的制备方法，分别将高分子量的聚对苯二甲酸丁二醇酯为芯层材料和低分子量的聚对苯二甲酸丁二醇酯为皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维，其中，芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.06倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为60:70，高分子量的聚对苯二甲酸丁二醇酯的特性粘度为1.1dL/g；熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度为 280℃，皮层纺丝温度为280℃，拉伸温度为160℃，拉伸倍率为6倍，热定型温度为170℃。
最终制得的均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数为250000次，均质纤维的单丝纤度为5dtex，断裂强度为7cN/dtex，初始模量为120cN/dtex。
实施例4
一种均质纤维的制备方法，分别将高分子量的聚萘二甲酸乙二醇酯为芯层材料和低分子量的聚萘二甲酸乙二醇酯为皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维，其中，芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.13倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为50:40，低分子量的聚萘二甲酸乙二醇酯的特性粘度为0.7dL/g；熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度为320℃，皮层纺丝温度为320℃，拉伸温度为180℃，拉伸倍率为4倍，热定型温度为 190℃。
最终制得的均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数为210000次，均质纤维的单丝纤度为9dtex，断裂强度为18cN/dtex，初始模量为30cN/dtex。
实施例5
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例4基本一致，不同的是高分子量的聚萘二甲酸乙二醇酯的特性粘度为1.2dL/g，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为300000次，均质纤维的单丝纤度为8dtex，断裂强度为20cN/dtex，初始模量为220cN/dtex。
实施例6
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例4基本一致，不同的是高分子量的聚萘二甲酸乙二醇酯的特性粘度为1.0dL/g，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为220000次，均质纤维的单丝纤度为6dtex，断裂强度为13cN/dtex，初始模量为330cN/dtex。
实施例7
一种均质纤维的制备方法，分别将高分子量的聚己内酰胺为芯层材料和低分子量的聚己内酰胺为皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维，其中，芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.17倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为70:30，高分子量的聚己内酰胺的相对粘度为3.4；熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度为270℃，皮层纺丝温度为270℃，拉伸温度为 160℃，拉伸倍率为5倍，热定型温度为165℃。
最终制得的均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数290000次，均质纤维的单丝纤度为7dtex，断裂强度为25cN/dtex，初始模量为750cN/dtex。
实施例8
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例7基本一致，不同的是低分子量的聚己内酰胺的相对粘度为2.8，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为250000 次，均质纤维的单丝纤度为6dtex，断裂强度为24cN/dtex，初始模量为750cN/dtex。
实施例9
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例7基本一致，不同的是低分子量的聚己内酰胺的相对粘度为2.4，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为230000 次，均质纤维的单丝纤度为5dtex，断裂强度为21cN/dtex，初始模量为610cN/dtex。
实施例10
一种均质纤维的制备方法，分别将高分子量的聚己二酰己二胺为芯层材料和低分子量的聚己二酰己二胺为皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维，其中，芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.20倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为40:60，低分子量的聚己二酰己二胺的相对粘度为2.4；熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度为300℃，皮层纺丝温度为 300℃，拉伸温度为170℃，拉伸倍率为6倍，热定型温度为180℃。
最终制得的均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数290000次，均质纤维的单丝纤度为5dtex，断裂强度为23cN/dtex，初始模量为460cN/dtex。
实施例11
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例10基本一致，不同的是分子量的聚己二酰己二胺的相对粘度为3.4，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为 210000次，均质纤维的单丝纤度为7dtex，断裂强度为11cN/dtex，初始模量为 105cN/dtex。
实施例12
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例10基本一致，不同的是分子量的聚己二酰己二胺的相对粘度为3.1，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为 260000次，均质纤维的单丝纤度为6dtex，断裂强度为7cN/dtex，初始模量为 280cN/dtex。
实施例13
一种均质纤维的制备方法，分别将高分子量的聚丙烯为芯层材料和低分子量的聚丙烯为皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维，其中，芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.08倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为30:30，低分子量的聚丙烯的熔融指数MI为10；熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度为200℃，皮层纺丝温度为200℃，拉伸温度为150℃，拉伸倍率为5倍，热定型温度为160℃。
最终制得的均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数230000次，均质纤维的单丝纤度为8dtex，断裂强度为7cN/dtex，初始模量为82cN/dtex。
实施例14
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例13基本一致，不同的是高分子量的聚丙烯的熔融指数MI为20，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为240000 次，均质纤维的单丝纤度为10dtex，断裂强度为9cN/dtex，初始模量为360cN/dtex。
实施例15
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例13基本一致，不同的是低分子量的聚丙烯的熔融指数MI为2，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为280000次，均质纤维的单丝纤度为5dtex，断裂强度为15cN/dtex，初始模量为750cN/dtex。
实施例16
一种均质纤维的制备方法，分别将高分子量的聚乙烯为芯层材料和低分子量的聚乙烯为皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维，其中，芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.11倍，皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为60:50，低分子量聚乙烯的熔融指数MI为0.9；熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度为130℃，皮层纺丝温度为130℃，拉伸温度为90℃，拉伸倍率为6倍，热定型温度为95℃。
最终制得的均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数209000次，均质纤维的单丝纤度为10dtex，断裂强度为12cN/dtex，初始模量为30cN/dtex。
实施例17
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例16基本一致，不同的是低分子量聚乙烯的熔融指数MI为0.2，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为215000次，均质纤维的单丝纤度为9dtex，断裂强度为22cN/dtex，初始模量为60cN/dtex。
实施例18
一种均质纤维的制备方法，具体步骤与实施例16基本一致，不同的是高分子量聚乙烯的熔融指数MI为1.2，最终制得的均质纤维耐弯曲次数为220000次，均质纤维的单丝纤度为9dtex，断裂强度为20cN/dtex，初始模量为550cN/dtex。

Claims (8)

1.一种均质纤维的制备方法，其特征是：分别以相同种类不同分子量的聚合物为芯层材料和皮层材料通过皮芯复合组件进行熔融纺丝得到均质纤维；芯层材料分子量为皮层材料分子量的1.05～1.20倍。
2.根据权利要求1所述的一种均质纤维的制备方法，其特征在于，所述皮层材料的质量份数与芯层材料的质量份数之比为30～70:70～30。
3.根据权利要求2所述的一种均质纤维的制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚酯、聚酰胺、聚丙烯或聚乙烯。
4.根据权利要求3所述的一种均质纤维的制备方法，其特征在于，所述聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯；所述聚酰胺为聚己内酰胺或聚己二酰己二胺。
5.根据权利要求4所述的一种均质纤维的制备方法，其特征在于，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯的特性粘度为0.6～1.1dL/g；所述聚萘二甲酸乙二醇酯的特性粘度为0.7～1.2dL/g；所述聚己内酰胺的相对粘度为2.4～3.4；所述聚己二酰己二胺的相对粘度为2.4～3.4；所述聚丙烯的熔融指数MI为2～20；所述聚乙烯的熔融指数MI为0.2～1.2。
6.根据权利要求1所述的一种均质纤维的制备方法，其特征在于，所述熔融纺丝的工艺参数为：芯层纺丝温度130～320℃，皮层纺丝温度不高于320℃，拉伸温度90～180℃，拉伸倍率4～6倍，热定型温度95～190℃。
7.采用如权利要求1～6任一项所述的制备方法制得的均质纤维，其特征是：所述均质纤维径向结构均匀，耐弯曲次数大于200000次。
8.根据权利要求7所述的均质纤维，其特征在于，所述均质纤维的单丝纤度≥5dtex，断裂强度为7～25cN/dtex，初始模量为30～750cN/dtex。
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