CN109868513A - 一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，通过使用非织造设备来制备原位成纤的聚合物纤维，具体如下；将聚合物基体材料、原位成纤的增强相聚合物材料和抗氧剂、稳定剂、增容剂以一定比例混合后，加入熔炼设备中塑化熔融并充分混合形成共混体系，熔体经过非织造设备的喷丝板流出形成复合纤维，再经过牵伸后，在成网装置上收集，所形成复合纤维的平均直径在0.5‑50微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在10‑500纳米。本专利制备纳米原位成纤聚合物纤维材料，所需要的设备可通过将常规非织造设备简单改进而使用，可快速实现产业化生产；并容易达到规模化生产，可根据实际需要选用相应规模的非织造设备来增加产量。

Description

一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维

技术领域

本发明涉及一种聚合物纤维材料，特别是涉及一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维。

背景技术

聚合物复合材料通过在聚合物基体中增加增强相来实现聚合物的增强增韧。目前市场上纤维增强聚合物复合材料使用的增强材料主要是玻璃纤维、碳纤维等无机纤维，一般通过将聚合物同增强纤维复合后制备，但是无机纤维密度一般远大于聚合物材料密度，造成复合材料的密度也随之升高。

随着当前市场对材料轻量化的要求的不断提高，使用聚合物纤维增强聚合物基体的复合材料不断被开发出来，由于聚合物纤维的密度较无机纤维大大降低，和聚合物基体的密度接近，因此复合材料的密度变化不大，较常规聚合物复合材料密度明显下降。其中，聚合物原位成纤技术具有工艺简单的优势，是大力发展的新技术。原位成纤技术是指将分散在聚合物基体中的第二相聚合物经过一定牵伸在聚合物基体中原位形成纤维增强相的技术。但是，常规的聚合物原位成纤技术多使用挤片或纺丝后牵伸制备，生产效率较低，难以大规模生产，且原位形成的纤维直径多在微米尺度。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提出一种原位形成的纤维直径在纳米尺度的原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，通过使用非织造设备来制备原位成纤的聚合物纤维，具体如下；

将聚合物基体材料、原位成纤的增强相聚合物材料和抗氧剂、稳定剂、增容剂以一定比例混合后，加入熔炼设备中塑化熔融并充分混合形成共混体系，熔体经过非织造设备的喷丝板流出形成复合纤维，再经过牵伸后，在成网装置上收集，所形成复合纤维的平均直径在0.5-50微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在10-500纳米。

方案优化的，所述非织造设备为装有熔喷组件的熔喷非织造设备、或装有纺粘组件的纺粘非织造设备、或采用熔喷组件与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备。

方案优化的，采用熔喷非织造设备所形成复合纤维的平均直径在0.8-20微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在30-250纳米；

采用纺粘非织造设备所形成复合纤维的平均直径在5-50微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在100-500纳米；

采用熔喷组件与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备所形成复合纤维的平均直径在0.5-10微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在10-200纳米。

方案优化的，所述熔喷组件与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备，包括装有喷丝板的熔喷组件、位于喷丝板下方的纺粘冷却牵伸组件、及成网装置，所述喷丝板上开设有用于喷出熔喷纤维的喷丝孔，所述纺粘冷却牵伸组件包括冷风箱和风道，熔喷纤维经冷风箱及风道冷却后形成熔喷冷却纤维，所述冷风箱由喷丝板下方两侧的纺粘侧吹冷却风道围合形成，中间形成漏斗状的冷却空间，冷却风道底部为冷风进口，顶部为与冷却空间相连通的冷风出口，冷却风道上、冷却空间顶部正对冷风出口的位置处设有折流挡风板；

所述风道为长距离纺粘气流牵伸冷却风道；

所述成网装置位于风道的下方，具有用于接收所述熔喷冷却纤维的接收面。

方案优化的，所述成网装置包括成网网带和负压风机，负压风机的吸风口设置于成网网带的正下端。成网装置可根据需要采用不同成网方式。

方案优化的，所述折流挡风板面积至少覆盖冷风出口的面积。

方案优化的，所述接收面的进给方向垂直于所述风道的轴线方向。

方案优化的，所述喷丝孔为毛细孔，喷丝孔的四周设有朝喷丝孔方向渐缩的斜向高温气体孔。

方案优化的，所述喷丝板通过两侧熔喷侧板与冷风箱连接，两侧熔喷侧板中间形成中间宽两端窄的流道。

方案优化的，所述纺粘气流牵伸冷却风道的长度为1.0-1.5m。

方案优化的，其中共混体系中原位成纤的增强相聚合物颗粒平均粒径在0.5-10微米范围内。

方案优化的，其中聚合物基体材料为热塑性聚合物材料，包括但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚乳酸，聚苯乙烯，聚酯，聚酰胺等，在体系中使用比例为50-99wt％。

方案优化的，其中原位成纤的增强相聚合物材料也为热塑性聚合物材料，包括但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚酯瓶片，聚酰胺，聚四氟乙烯，热塑性弹性体等，在体系中使用比例为0.5-45wt％。

方案优化的，其中增容剂可根据不同的聚合物基体材料和增强相聚合物材料来选择，包括但不限于聚合物接枝改性材料，共聚高分子材料等，在体系中添加量为0.5-15wt％。

方案优化的，抗氧化剂和其他助剂的使用量为1-5wt％。

方案优化的，所述熔炼设备为双螺杆挤出机或其他熔炼设备，其设定温度根据使用材料的不同而设定，在聚合物基体和增强相聚合物材料的最高熔融温度以上10-50℃。

方案优化的，其中熔喷组件或纺丝组件温度根据使用材料的不同而设定，在聚合物基体和增强相聚合物材料的最高熔融温度以上15-60℃。

本发明的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，与现有技术相比所产生的有益效果是：

本专利制备的纳米原位成纤聚合物复合纤维材料，所需要的设备可通过将常规非织造设备简单改进而使用，可快速实现产业化生产；并容易达到规模化生产，可根据实际需要选用相应规模的非织造设备来增加产量，其中使用纺粘法非织造设备可实现0.8-3吨/小时的产能，使用熔喷非织造设备可实现0.2-2吨/小时的产能。本专利主要解决了原位成纤的纳米化成型；可使用常规的非织造设备制备，容易实现工业化生产；生产效率高，可达到较高产能。

1、形成一种纳米纤维增强聚合物纤维材料，具有增强增韧，降低材料密度的优势。

2、在纺丝过程中原位形成纳米纤维增强相结构，工艺简单，生产效率高。

3、可使用常规非织造设备制备，设备改进少，容易快速实现规模化工业化生产。

4、适用性广，可适用于大多数热塑性材料；并可使用聚酯瓶片料作为纳米成纤材料，降低材料成本。

附图说明

附图1是原位成纤的纳米纤维增强聚合物纤维形成示意图；

附图2是纺粘非织造布设备结构示意图；

附图3是熔喷非织造布设备结构示意图；

附图4是熔喷组件和纺粘牵伸结合的非织造布设备结构示意图；

附图5是本发明所涉及冷风箱的内部流道结构示意图。

附图中各标记表示：

1、熔喷组件，2、熔喷侧板，3、冷风箱，300、冷却风道，301、冷却空间，302、冷风进口，303、冷风出口，304、折流挡风板，4、风道，5、成网装置，6、负压风机，7、喷丝孔，8、高温气体孔，9、双螺杆挤出机，10、过滤器，11、计量泵，12、纺粘组件。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维作以下详细说明。

本发明提供一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，通过使用非织造设备来制备原位成纤的聚合物纤维，具体如下；

如附图1.A所示，将聚合物基体材料、原位成纤的增强相聚合物材料和抗氧剂、稳定剂、增容剂以一定比例混合后，加入熔炼设备中塑化熔融并充分混合形成图1.B所示的共混体系，熔体经过非织造设备的喷丝板流出形成复合纤维，再经过牵伸后，在成网装置5上收集形成图1.C所示的复合纤维，所形成复合纤维的平均直径在0.5-50微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在10-500纳米。

其中非织造设备为装有熔喷组件1的熔喷非织造设备、或装有纺粘组件12的纺粘非织造设备、或采用熔喷组件1与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备。

结合附图2，采用熔喷非织造设备，熔体经过熔喷组件1中的喷丝板流出并经高温高速气流牵伸形成连续的复合纤维，再经过纺粘系统中的冷风和牵伸气流牵伸一定的比例后形成复合纤维结构，所形成复合纤维的平均直径在0.8-20微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在30-250纳米。

结合附图3，采用纺粘非织造设备，熔体经过纺粘组件12中的喷丝板流出形成连续的复合纤维，再经过纺粘系统中的冷风和牵伸气流牵伸一定的比例后形成复合纤维结构，所形成复合纤维的平均直径在5-50微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在100-500纳米；

结合附图4，采用熔喷组件1与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备，熔体经过熔喷组件1中的喷丝板流出并经高温高速气流牵伸形成连续的复合纤维，再经过纺粘系统中的冷风和牵伸气流进一步牵伸形成复合纤维结构，所形成复合纤维的平均直径在0.5-10微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在10-200纳米。

其中共混体系中原位成纤的增强相聚合物颗粒平均粒径在0.5-10微米范围内。

其中聚合物基体材料为热塑性聚合物材料，包括但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚乳酸，聚苯乙烯，聚酯，聚酰胺等，在体系中使用比例为50-99wt％。

其中原位成纤的增强相聚合物材料也为热塑性聚合物材料，包括但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚酯瓶片，聚酰胺，聚四氟乙烯，热塑性弹性体等，在体系中使用比例为0.5-45wt％。

其中增容剂可根据不同的聚合物基体材料和增强相聚合物材料来选择，包括但不限于聚合物接枝改性材料，共聚高分子材料等，在体系中添加量为0.5-15wt％。抗氧化剂和其他助剂的使用量为1-5wt％。

其中熔炼设备为双螺杆挤出机9，其设定温度根据使用材料的不同而设定，在聚合物基体和增强相聚合物材料的最高熔融温度以上10-50℃。

其中熔喷组件1或纺丝组件温度根据使用材料的不同而设定，在聚合物基体和增强相聚合物材料的最高熔融温度以上15-60℃。

结合附图4、5，本发明的熔喷组件1与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备，包括装有喷丝板的熔喷组件1、位于喷丝板下方的纺粘冷却牵伸组件、及成网装置5，熔喷组件1通过连接管道依次连接计量泵11、过滤器10、螺杆挤出机，所述喷丝板上开设有用于喷出熔喷纤维的喷丝孔7，所述纺粘冷却牵伸组件包括冷风箱3和风道4，熔喷纤维经冷风箱3及风道4冷却后形成熔喷冷却纤维，

其中：

喷丝孔7为毛细孔，喷丝孔7的四周设有朝喷丝孔7方向渐缩的斜向高温气体孔8。

喷丝板通过两侧熔喷侧板2与冷风箱3连接，两侧熔喷侧板2中间形成中间宽两端窄的流道。

冷风箱3由喷丝板下方两侧的纺粘侧吹冷却风道300围合形成，中间形成漏斗状的冷却空间301，冷却风道300底部为冷风进口302，顶部为与冷却空间301相连通的冷风出口303，冷却风道300上、冷却空间301顶部正对冷风出口303的位置处设有折流挡风板304，折流挡风板304面积至少覆盖冷风出口303的面积；

风道为4长距离纺粘气流牵伸冷却风道4，长度为1.0-1.5m；

成网装置5位于风道4的下方，具有用于接收所述熔喷冷却纤维的接收面，接收面的进给方向垂直于所述风道4的轴线方向。成网装置5包括成网网带和负压风机6，负压风机6的吸风口设置于成网网带的正下端。成网装置5可根据需要采用不同成网方式。

实施例一

将聚丙烯颗粒，干燥后的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)颗粒，增容剂，抗氧剂和稳定剂在双螺杆挤出机9中熔融共混，混合温度265℃。以重量百分比计，其中聚丙烯含量50％，PET含量35％，增容剂用量10％，抗氧剂和稳定剂用量5％。共混熔体经纺粘非织造系统的喷丝板流出后，经过冷风箱3冷却后再经过气流牵伸，收集在成网装置5上制得复合纤维。纺粘组件12温度设定在270℃。制得的复合纤维直径在5-50微米范围，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯在牵伸过程中在聚丙烯纤维中原位形成直径在100-500纳米之间的增强纤维。

实施例二

将干燥的聚乳酸，干燥后的聚酰胺，增容剂，抗氧剂和稳定剂在双螺杆挤出机9中熔融共混，混合温度230℃。以重量百分比计，其中聚乳酸含量80％，聚酰胺含量12％，增容剂用量5％，抗氧剂和稳定剂用量3％。共混熔体经熔喷非织造系统的喷丝板流出后，经过喷丝孔7附近的高温高速气流吹出并牵伸，收集在成网装置5上制得复合纤维。熔喷组件1温度设定在240℃。制得的复合纤维直径在0.8-20微米范围，其中聚酰胺在牵伸过程中在聚乳酸纤维中原位形成直径在30-250纳米之间的增强纤维。

实施例三

将干燥的聚酯，干燥后的聚四氟乙烯，增容剂，抗氧剂和稳定剂在双螺杆挤出机9中熔融共混，混合温度290℃。以重量百分比计，其中聚酯含量98％，聚四氟乙烯含量0.5％，增容剂用量0.5％，抗氧剂和稳定剂用量1％。共混熔体经熔喷组件1中的喷丝板流出，并经喷丝孔7附近的高温高速气流吹出并牵伸，再经过纺粘系统中的冷风和牵伸气流进一步牵伸，收集在成网装置5上制得复合纤维。熔喷组件1温度设定在300℃。制得的复合纤维直径在0.5-10微米范围，其中聚四氟乙烯在牵伸过程中在聚酯纤维中原位形成直径在10-200纳米之间的增强纤维。

实施例四

将聚乙烯颗粒，干燥后的聚丙烯颗粒，增容剂，抗氧剂和稳定剂在熔炼设备中熔融共混，混合温度190℃。以重量百分比计，其中聚乙烯含量50％，聚丙烯含量45％，增容剂用量3％，抗氧剂和稳定剂用量2％。共混熔体经纺粘非织造系统的喷丝板流出后，经过冷风箱3冷却后再经过气流牵伸，收集在成网装置5上制得复合纤维。纺粘组件12温度设定在195℃。制得的复合纤维直径在5-20微米范围，其中聚丙烯在牵伸过程中在聚乙烯纤维中原位形成直径在100-500纳米之间的增强纤维。

实施例五

将聚丙烯颗粒，干燥后的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)颗粒，增容剂，抗氧剂和稳定剂在熔炼设备中熔融共混，混合温度265℃。以重量百分比计，其中聚丙烯含量61％，PET含量20％，增容剂用量15％，抗氧剂和稳定剂用量4％。共混熔体经熔喷组件1中的喷丝板流出，并经喷丝孔7附近的高温高速气流吹出并牵伸，再经过纺粘系统中的冷风和牵伸气流进一步牵伸，收集在成网装置5上制得复合纤维。熔喷组件1温度设定在270℃。制得的复合纤维直径在5-50微米范围，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯在牵伸过程中在聚丙烯纤维中原位形成直径在100-500纳米之间的增强纤维。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，通过使用非织造设备来制备原位成纤的聚合物纤维，具体如下；

将聚合物基体材料、原位成纤的增强相聚合物材料和抗氧剂、稳定剂、增容剂以一定比例混合后，加入熔炼设备中塑化熔融并充分混合形成共混体系，熔体经过非织造设备的喷丝板流出形成复合纤维，再经过牵伸后，在成网装置上收集，所形成复合纤维的平均直径在0.5-50微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在10-500纳米。

2.根据权利要求1所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，所述非织造设备为装有熔喷组件的熔喷非织造设备、或装有纺粘组件的纺粘非织造设备、或采用熔喷组件与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备。

3.根据权利要求2所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，采用熔喷非织造设备所形成复合纤维的平均直径在0.8-20微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在30-250纳米；

采用纺粘非织造设备所形成复合纤维的平均直径在5-50微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在100-500纳米；

采用熔喷组件与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备所形成复合纤维的平均直径在0.5-10微米，其中原位成纤的增强相聚合物纤维平均直径在10-200纳米。

4.根据权利要求2或3所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，所述熔喷组件与纺粘冷却牵伸组件相结合的非织造设备，包括装有喷丝板的熔喷组件、位于喷丝板下方的纺粘冷却牵伸组件、及成网装置，所述喷丝板上开设有用于喷出熔喷纤维的喷丝孔，所述纺粘冷却牵伸组件包括冷风箱和风道，熔喷纤维经冷风箱及风道冷却后形成熔喷冷却纤维，

所述冷风箱由喷丝板下方两侧的纺粘侧吹冷却风道围合形成，中间形成漏斗状的冷却空间，冷却风道底部为冷风进口，顶部为与冷却空间相连通的冷风出口，冷却风道上、冷却空间顶部正对冷风出口的位置处设有折流挡风板；

所述风道为长距离纺粘气流牵伸冷却风道；

所述成网装置位于风道的下方，具有用于接收所述熔喷冷却纤维的接收面。

5.根据权利要求4所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，所述折流挡风板面积至少覆盖冷风出口的面积。

6.根据权利要求4所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，所述喷丝板通过两侧熔喷侧板与冷风箱连接，两侧熔喷侧板中间形成中间宽两端窄的流道。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，所述共混体系中原位成纤的增强相聚合物颗粒平均粒径在0.5-10微米范围内。

8.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，所述熔炼设备为双螺杆挤出机或其他混炼设备，其设定温度根据使用材料的不同而设定，在聚合物基体和增强相聚合物材料的最高熔融温度以上10-50℃。

9.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，所述熔喷组件或纺丝组件温度根据使用材料的不同而设定，在聚合物基体和增强相聚合物材料的最高熔融温度以上15-60℃。

10.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种原位成纤的纳米纤维增强的聚合物纤维，其特征在于，所述聚合物基体材料为热塑性聚合物材料，在体系中使用比例为50-98wt％，所述增强相聚合物材料也为热塑性聚合物材料，在体系中使用比例为0.5-45wt％，所述增容剂根据不同的聚合物基体材料和增强相聚合物材料来选择，在体系中添加量为0.5-15wt％，所述抗氧化剂和稳定剂的使用量为1-5wt％。