CN109487361B - 具有良好耐热性和低温定形性的氨纶纤维及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同时具有良好耐热性和低温定形性的氨纶纤维及制备方法，所述方法包括：以多元醇和异氰酸酯反应制备预聚物，使预聚物与扩链剂进行二次聚合得到聚氨酯脲的聚合物原液，并于原液中添加各添加剂并搅拌均匀后，进行纺纱得到氨纶纤维；其中，所述异氰酸酯为包含二异氰酸酯、二异氰酸酯的三聚体的混合物。通过上述方法制造的氨纶纤维具备良好的热定形性和耐热性，可在低温下进行热定形处理，并且在定形处理后保持良好的耐热稳定性，可以在保证低温定形效率的同时，大大提高含氨纶面料的织用性能。

Description

具有良好耐热性和低温定形性的氨纶纤维及制备方法

技术领域

本发明涉及耐热性和低温定形性良好的氨纶纤维及制备方法。

背景技术

一般而言，以多元醇和过量的二异氰酸酯进行反应得到末端为异氰酸酯基的预聚物，将该预聚物溶解于溶剂中，再与二胺类扩链剂进行聚合反应，得到聚氨酯脲的聚合物原液，再由合适的纺丝方法制备得到聚氨酯脲纤维，也即氨纶纤维。

氨纶纤维因其独特的弹性性能，在与涤纶、锦纶、棉、蚕丝、羊毛等纤维混纺织成织物后，广泛用于各种用途。氨纶纺丝成形时纤维内部存在分布不均的应力，该应力会在与其他纤维混纺织造时逐渐释放，造成布面褶皱等问题，从而影响织物质量，需要通过热定形的方法进行消除，以保证织物纤维在使用过程中的稳定性。热定形过程涉及对预设一定张力的织物进行高温热处理，使得纤维结构重整，内应力释放；再通过快速降温使新的纤维结构固定下来，从而保持织物形态和尺寸的稳定性。

普通氨纶纤维的定形温度一般为190℃左右，可与锦纶、涤纶等进行正常处理；但该温度会对棉、丝、毛等低耐热纤维造成损伤，而由于氨纶分子结构中存在的硬段晶区和三维网络化氢键，低温处理无法提供足够的能量进行熔融和解离，达不到定形效果。因此，如何使氨纶在较低温度下保持同样甚至达到更高热定形效率，已有研究者进行了探索，包括美国专利US6063892，6720403B1，2001044517A1，以及中国专利 CN101849048A等，其都是从改变氨纶结构达到提高氨纶热定型效率的目的，涉及到非对称异氰酸酯或者结构对称但具有位阻效应的异氰酸酯的使用，但在提高热定形效率的同时，氨纶的力学强度及耐热性能等均出现了不同幅度的下降。

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以上对比文件涉及树脂、涂料、复合材料等，主要涉及光导、阻燃等，没有涉及耐热性和低温定型性。

因此，开发同时具备高热定形性和耐热性的氨纶纤维是本发明的主要目的。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有良好耐热性和低温定形性的氨纶纤维的制备方法，所述方法包括：以多元醇和异氰酸酯反应制备预聚物，使预聚物与扩链剂进行二次聚合，添加链终止剂终止聚合，得到聚氨酯脲的聚合物原液，并于原液中任选地(添加或不添加)加入添加剂如抗紫外剂、抗氧剂、润滑剂、消光剂中等中的一种或多种,搅拌均匀后，进行纺纱，得到氨纶纤维。

所述异氰酸酯为包含二异氰酸酯、二异氰酸酯的三聚体的混合物，三聚体的含量为二异氰酸酯及二异氰酸酯的三聚体总量的3－12wt％，优选 5-10wt％，更优选6.5－8.5wt％。

进一步地，所述二异氰酸酯为选自如下中的一种或几种：4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，1,5-萘二异氰酸酯、 1,4-亚苯基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、1,4-环己烷二异氰酸酯、 4,4’-二环己烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯；所述二异氰酸酯三聚体为选自如下中的一种或几种二异氰酸酯的三聚体：4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，1,5-萘二异氰酸酯、1,4- 亚苯基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、1,4-环己烷二异氰酸酯、 4,4’-二环己烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯。

进一步地，所述多元醇为选自聚四亚甲基醚二醇、聚丙二醇、聚碳酸酯二醇中的一种或多种。

进一步地，多元醇和异氰酸酯的用量比使得封端比(即NCO/OH的摩尔比)为1.0-2.0，优选1.4-1.8。

进一步地，以异氰酸酯组分为基准计，二异氰酸酯的三聚体占 3-12wt％，优选5-10wt％，4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯占55-90wt％，优选60-80wt％，2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯占3-40wt％，优选5-35wt％。

进一步地，多元醇和异氰酸酯于40-50℃下混合1-2小时,在70-90℃下反应1-2小时,然后于35-45℃下冷却1-2小时,以制备预聚物。

扩链剂的用量按照与预聚物的摩尔比计算，用量一般为1：1.01-1.1，优选1：1.02-1.05，链终止剂为扩链剂的2-20摩尔％，优选4-14摩尔％。优选地，链终止剂随扩链剂一同添加，其用量也按照摩尔比计算。

二次聚合在螺杆挤压动态混合器内进行，控制聚合反应温度在 55-85℃，时间为30-90秒，聚合物的固含量控制在30-50％，聚合粘度控制在1000-3000Poise。

所述扩链剂为选自乙二胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、 2,3-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺、1,4-环己二胺中的一种或多种。链终止剂为选自二甲胺、二乙胺、二正丁胺、环己胺、正戊胺、乙醇胺中一种或多种。

进一步地，所述二异氰酸酯三聚体经由如下方法制备：以二异氰酸酯 (二异氰酸酯选自4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，1,5’-萘二异氰酸酯、1,4’-亚苯基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、1,4’-环己烷二异氰酸酯、4,4’-二环己烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种)和抗氧剂于溶剂中搅拌混合，加热至40-60℃后添加催化剂，保温反应至NCO％达到目标值(NCO％10-20％)，加入阻聚剂终止反应，得到所述二异氰酸酯三聚体。

进一步地，以二异氰酸酯、抗氧剂、溶剂、催化剂、阻聚剂的总量为基准，二异氰酸酯占40-60质量份，优选45-55质量份，抗氧剂为0.05～0.5 质量份，优选0.1-0.3质量份，溶剂占40-60质量份，优选45-55质量份，催化剂为0.01-0.1质量份，优选0.03-0.07质量份，阻聚剂为 0.05-0.3质量份，优选0.07-0.15质量份。

所述二异氰酸酯三聚体制备方法中：抗氧剂为选自BHT、TPP、1790 中的一种或多种；催化剂为2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(商品名 DMP-30)、N,N,N-三(二甲氨基丙基)-六氢化三嗪(商品名LCA-41)、2- 羟基-N,N,N-三甲基-1-丙胺的甲酸盐(商品名TMR-2)、乙酸钾(商品名 LCM-1)、33％的三乙烯二胺溶液(商品名A33)中的一种或多种；溶剂为选自乙酸乙酯、乙酸丁酯、环己酮、N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺中的一种；阻聚剂为选自苯甲酰氯、对苯二甲酰氯、磷酸酯、磺酸酯和磷酸中的一种。

本发明中，可以在原液中任选地加入添加剂，所述添加剂选自抗紫外剂、抗氧剂、润滑剂、消光剂中等中的一种或多种。它们各自可以以本领域惯常的用量使用，这是本领域技术人员所已知的。

本发明中，纺纱按照本领域通常的方式进行，这也是本领域技术人员所已知的。

本发明进一步提供了通过上述方法获得的氨纶纤维。本发明的氨纶纤维强度为1.75-1.98d/g或更高，定伸应力为10.9-12.7cN，断裂伸长率为500-576cN或更高，135℃下热处理2小时之后的强度保持率为88-98％或更高，断裂伸长保持率为108-130％或更高，热定型效率为68-88％或更高。

本发明的优点

本发明制备同时具备良好低温定形性和耐热性的氨纶纤维，在通过改变氨纶硬段结构，得到良好低温定形效率的同时，通过异氰酸酯三聚体的引入提供交联结构，保证制备的氨纶同时具备良好的耐热性和物理性能。通过本发明方法制造的氨纶纤维可在低温下进行热定形处理，并且在定形处理后保持良好的耐热稳定性，可以在保证低温定形效率的同时，大大提高含氨纶面料的织用性能。

具体实施方式

下面，对本发明的氨纶纤维及制备方法进行详细说明。但本发明的实施例可变形为各种其他形式，而且本发明的范围不限于下面说明的实施方式。另外，对于在整篇说明书中所述的“包括”某构成要素，除非有特殊相反的记载，否则并不排除其他构成要素，可以包括其他构成要素。

根据本发明的实施例的氨纶纤维是，以多元醇和异氰酸酯反应制备预聚物，使预聚物与扩链剂进行二次聚合得到聚氨酯脲的聚合物原液，并于原液中添加各添加剂并搅拌均匀后，进行纺纱得到所述氨纶纤维。

在本发明中，用于氨纶纤维制备的异氰酸酯为包含二异氰酸酯、二异氰酸酯的三聚体的混合物。优选地，三聚体的含量为异氰酸酯及三聚体总量的5-10％为宜。

在本发明中，二异氰酸酯的具体示例包括4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，1,5-萘二异氰酸酯、1,4-亚苯基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、1,4-环己烷二异氰酸酯、4,4’-二环己烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯；在这些二异氰酸酯中，优选地，可单独使用4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯或将其与其他二异氰酸酯组合使用；进一步优选地，使用4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和2,4’- 二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物，此时2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯的含量为5-40％，4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯的含量为60-95％为宜。

另外，所述二异氰酸酯三聚体经由如下方法制备：以二异氰酸酯和抗氧剂于溶剂中搅拌混合，加热至40-60℃后添加催化剂，保温反应至NCO％达到目标值，加入阻聚剂终止反应，得到所述二异氰酸酯三聚体。

在本发明中，所述二异氰酸酯三聚体制备方法中的具体示例如下：抗氧剂为选自BHT、TPP、1790中的一种或多种；催化剂具体示例包括2,4,6- 三(二甲氨基甲基)苯酚(商品名DMP-30)、N,N,N-三(二甲氨基丙基) -六氢化三嗪(商品名LCA-41)、2-羟基-N,N,N-三甲基-1-丙胺的甲酸盐 (商品名TMR-2)、乙酸钾(商品名LCM-1)、33％的三乙烯二胺溶液(商品名A33)中的一种或多种；溶剂具体示例包括乙酸乙酯、乙酸丁酯、环己酮、N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺；阻聚剂具体示例包括苯甲酰氯、对苯二甲酰氯、磷酸酯、磺酸酯和磷酸。进一步优选地，抗氧剂选择1790，催化剂选择DMP-30，溶剂选择N,N-二甲基乙酰胺，阻聚剂选择磷酸。

另外，本发明提供的氨纶纤维，所述多元醇为选自聚四亚甲基醚二醇、聚丙二醇、聚碳酸酯二醇中的一种或多种；所述扩链剂为选自乙二胺、 1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、2,3-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6- 己二胺、1,4-环己二胺中的一种或多种。优选地，多元醇选择聚四亚甲基醚二醇，扩链剂选择乙二胺和1,2-丙二胺中的一种或者两种的混合物。

下面，通过具体的实施例及比较例对本发明的优点进行详细说明，但这些实施例只是对本发明进行例证，而不限制本发明的范围。

在将要后述的实施例及比较例中提及的氨纶力学性能、耐热性能和热定形性是通过如下方法进行测量的。

氨纶丝力学性能测试：采用中国台湾高铁公司的AI7000型万能试验机，以试料长度10cm，拉伸速度500mm/min进行测量。此时，测量断裂时的强度(DS)和断裂伸长率(DE)，以及丝线拉伸至300％时所承受的拉力 (SS300)。

氨纶丝的热定形性：将初始的氨纶丝(L0)在暴露于大气的状态下拉伸300％(L1)之后，在170℃下进行一分钟的干热处理之后，冷却至室温并测量原纱长度(L2)。HSE的计算公式如下：

热定形效率HSE(％)＝{(L2-L0)/(L1-L0)}×100％

其中：L0为初始长度；L1为牵伸后长度；L2为定形后长度。

耐热性能测试：将热定形处理过的氨纶丝于烘箱中135℃下热处理2 小时，进行力学性能测试，对比前后变化。

实施例1

以摩尔比分别为50％的4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯和50％的2,4'- 二苯基甲烷二异氰酸酯的进行制造，按照二异氰酸酯所占总质量比为 49.65％，添加占总质量比为0.2％的1790作为抗氧剂，以N,N-二甲基乙酰胺为溶剂，添加量占总质量比的50％，搅拌混合、加热至40-60℃后添加0.05％质量分数的DMP-30催化剂，保温反应至NCO％达到目标值，加入 0.1％质量分数的磷酸作为阻聚剂终止反应，得到二异氰酸酯三聚体。

按照上述三聚体质量比5％、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比90％和2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比5％的混合物作为混合异氰酸酯进行制造，按照1.60的封端比(CR)，通过将平均分子量为1800的聚四亚甲基醚二醇与上述混合异氰酸酯进行混合，在45℃下混合1.5小时，待温度达到90℃时保持1.5小时，然后在40℃下冷却，制备预聚物。使用摩尔比例分别为80％和20％的乙二胺和1,2-丙二胺混合物作为扩链剂，使用二乙胺作为链终止剂，扩链剂和链终止剂的摩尔比例为10:1，以N,N- 二甲基乙酰胺为溶剂，得到浓度为7％的扩链剂和链终止剂的混合胺溶液，预聚物与混合胺溶液，扩链剂的用量按照与预聚物的摩尔比计算(均不含溶剂)为1.03，链终止剂随扩链剂一同添加，其用量也按照摩尔比计算，为扩链剂的10％，在85℃下聚合反应75秒钟，得到固体重量含量为 40％、粘度2500Poise(40℃)的聚氨酯脲原液。

用上述获得的纺纱原液以800m/min的速度进行干法纺丝，制造40 丹尼尔的氨纶纤维，并评价其物性表示于表1。

实施例2

除了以三聚体质量比5％、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比80％和 2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比15％的混合物作为混合异氰酸酯进行制造之外，以与实施例1相同的方法制造氨纶纤维并评价其物性表示于表1。

实施例3

除了以三聚体质量比5％、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比70％和 2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比25％的混合物作为混合异氰酸酯进行制造之外，以与实施例1相同的方法制造氨纶纤维并评价其物性表示于表1。

实施例4

除了以三聚体质量比5％、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比60％和 2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比35％的混合物作为混合异氰酸酯进行制造之外，以与实施例1相同的方法制造氨纶纤维并评价其物性表示于表1。

实施例5

除了以三聚体质量比10％、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比60％和2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比30％的混合物作为混合异氰酸酯进行制造之外，以与实施例1相同的方法制造氨纶纤维并评价其物性表示于表1。

实施例6

除了以三聚体质量比10％、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比70％和2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比20％的混合物作为混合异氰酸酯进行制造之外，以与实施例1相同的方法制造氨纶纤维并评价其物性表示于表1。

对比例1

除了以4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比90％和2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比10％的混合物作为混合异氰酸酯进行制造之外，以与实施例1相同的方法制造氨纶纤维并评价其物性表示于表1。

对比例2

除了以三聚体质量比15％、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比60％和2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯质量比25％的混合物作为混合异氰酸酯进行制造之外，以与实施例1相同的方法制造氨纶纤维并评价其物性表示于表1。

所有实施例及对比例的耐热性能测试结果表示于表2。

表1

从上述表1可知，与对比例1不同，异氰酸酯中添加三聚体可以保持氨纶纤维较好的强度和定伸应力，但对比例2中，三聚体含量达到15％时，断裂伸长率下降明显，5-10％的三聚体用量较为适宜。

表2

从上述表2可知，与对比例1不同，三聚体的使用对氨纶纤维的耐热性能提升明显，纤维的强度、应力和伸长保持率都更接近原氨纶纤维，对比例2中，三聚体含量为15％时，热处理后的物理指标与纤维原始水平最为接近。

本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (13)

1.一种具有良好耐热性和低温定形性的氨纶纤维的制备方法，所述方法包括：以多元醇和异氰酸酯反应制备预聚物，使预聚物与扩链剂进行二次聚合，添加链终止剂终止聚合，得到聚氨酯脲的聚合物原液，并于聚氨酯脲的聚合物原液中任选地加入添加剂,搅拌均匀后，进行纺丝，得到氨纶纤维；

所述异氰酸酯为包含二异氰酸酯、二异氰酸酯的三聚体的混合物，二异氰酸酯的三聚体的含量为二异氰酸酯及二异氰酸酯的三聚体总量的5-8.5wt%，二异氰酸酯由4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯和2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯组成，

以异氰酸酯组分为基准计，4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯占60-80wt%，2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯占5-30wt%；

所述二异氰酸酯三聚体经由如下方法制备：以二异氰酸酯和抗氧剂于溶剂中搅拌混合，加热至40-60℃后添加催化剂，保温反应至NCO%达到目标值10-20%，加入阻聚剂终止反应，得到所述二异氰酸酯三聚体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，三聚体的含量为二异氰酸酯及二异氰酸酯的三聚体总量的6.5－8.5wt%。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述多元醇为选自聚四亚甲基醚二醇、聚丙二醇、聚碳酸酯二醇中的一种或多种。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，多元醇和异氰酸酯的用量比使得封端比为1.0-2.0。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，多元醇和异氰酸酯的用量比使得封端比为1.4-1.8。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，多元醇和异氰酸酯于40-50℃下混合1-2小时,在70-90℃下反应1-2小时,然后于35-45℃下冷却1-2小时,以制备预聚物；

扩链剂的用量按照与预聚物的摩尔比计算，用量为1.01-1.1：1，链终止剂为扩链剂的2-20摩尔%；和二次聚合在螺杆挤压动态混合器内进行，控制聚合反应温度在55-85℃，时间为30-90秒，聚合物的固含量控制在30-50%，聚合粘度控制在1000-3000Poise。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，扩链剂的用量按照与预聚物的摩尔比计算，用量为1.02-1.05：1，链终止剂为扩链剂的4-14摩尔%。

8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述扩链剂为选自乙二胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、2,3-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺、1,4-环己二胺中的一种或多种；

链终止剂为选自二甲胺、二乙胺、二正丁胺、环己胺、正戊胺、乙醇胺中一种或多种。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在二异氰酸酯三聚体的制备中，以二异氰酸酯、抗氧剂、溶剂、催化剂、阻聚剂的总量为基准，二异氰酸酯占40-60质量份，抗氧剂为0.05~0.5质量份，溶剂占40-60质量份，催化剂为0.01-0.1质量份，阻聚剂为0.05-0.3质量份。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，以在二异氰酸酯三聚体的制备中，二异氰酸酯、抗氧剂、溶剂、催化剂、阻聚剂的总量为基准，二异氰酸酯占45-55质量份，抗氧剂为0.1-0.3质量份，溶剂占45-55质量份，催化剂为0.03-0.07质量份，阻聚剂为0.07-0.15质量份。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述二异氰酸酯三聚体制备方法中：抗氧剂为选自BHT、TPP、1790中的一种或多种；

催化剂为2,4,6-三（二甲氨基甲基）苯酚、N,N,N-三（二甲氨基丙基）-六氢化三嗪、2-羟基-N,N,N-三甲基-1-丙胺的甲酸盐、乙酸钾、33%的三乙烯二胺溶液中的一种或多种；

溶剂为选自乙酸乙酯、乙酸丁酯、环己酮、N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺中的一种或多种；

阻聚剂为选自苯甲酰氯、对苯二甲酰氯、磷酸酯、磺酸酯和磷酸中的一种或多种。

12.通过权利要求1-11的任一项所述的制备方法获得的氨纶纤维。

13.根据权利要求12所述的氨纶纤维，其中，氨纶纤维强度为1.75-1.98d/g，定伸应力为10.9-12.7cN，断裂伸长率为500-576%，135℃下热处理2小时之后的强度保持率为88-98%，断裂伸长保持率为108-130%，热定型效率为68-88%。