CN110846730A - 一种超细phbv纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超细PHBV纤维及其制备方法，属于高分子材料领域。具体制备方法为：(1)按照10～90：10～90的复合比将海成分聚乳酸PLA和岛成分聚(3‑羟基丁酸酯‑co‑3‑羟基戊酸酯)PHBV加入到熔融复合纺丝机的料斗中进行复合纺丝，经拉伸热定型制备得到海岛型PLA/PHBV复合纤维；所述的纺丝过程中采用的喷丝板的孔数为24～96孔，每孔24～37岛；(2)将步骤(1)制备得到的海岛型PLA/PHBV复合纤维在溶剂中进行溶解，制得超细PHBV纤维；可用于过滤、吸附、阻菌或保暖领域。

Description

一种超细PHBV纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超细PHBV纤维及其制备方法，属于高分子材料领域。
背景技术
聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)资源可再生，生物可降解，可熔融加工，性能类似于聚丙烯。尽管PHBV拥有诸多优异的特性，但其也存在一些固有的性能缺陷，缺陷之一是其结晶速率慢以致于纺丝过程中纤维间、纤维和导丝辊间易粘连，纺丝困难、可纺性差，制备超细纤维更是难上加难。
诱导和加速PHBV结晶的唯一合适的方法是引入成核剂，用作PHBV成核剂的主要有碳纳米材料、纤维素纳米晶、粘土、二硫化钨(WS2)、氮化硼(BN)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)和羟基磷灰石(HAP)等纳米填料。氮化硼(BN)被认为是最好的成核剂之一，宁波天安生物材料有限公司已将引入BN的PHBV商业化(商品名为ENMAT Y1010和ENMAT Y1000P)，然而，以ENMAT Y1000P为原料，进行熔融纺丝发现，纺丝过程中纤维间、纤维和导丝辊间的粘连现象仍然存在，纺丝无法连续进行。另外，常规的成核剂一般为纳米填料，易团聚，分散困难，纺丝过程中以固体的状态存在会增加过滤系统的负担，熔体压力增大，甚至会堵塞喷丝孔。因此，引入成核剂以提高PHBV的可纺性效果有限。
目前，专利CN 102936761A公开了以聚乳酸(PLA)为30～70份，聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)为30～70份，导电填料为0.05～8份采用物理共混来制备PLA/PHBV共混纤维，但是仅仅是普通纤维，达不到超细纤维的要求。
另外，超细纤维由于具有高的比表面积，广泛地应用于过滤、吸附、保暖、隔热和阻菌等领域，而目前超细PHBV纤维主要通过溶液静电纺丝的方法制得，但该方法产量低，工业化困难，且强度低。
发明内容
为了解决上述至少一个问题，本发明提供了一种超细PHBV纤维，其强度可以达到5.5cN/dtex以上，细度可以达到0.33dtex以下，产量高，易于工业化，并提供了其制备方法。
本发明的第一个目的是提供一种超细PHBV纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照10～90：10～90的复合比将海成分聚乳酸PLA和岛成分聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)PHBV加入到熔融复合纺丝机的料斗中进行复合纺丝，经拉伸热定型制备得到海岛型PLA/PHBV复合纤维；所述的纺丝过程中采用的喷丝板的孔数为24～96孔，每孔24～37岛；
(2)将步骤(1)制备得到的海岛型PLA/PHBV复合纤维在溶剂中进行溶解，制得超细PHBV纤维。
可选地，海成分聚乳酸PLA和岛成分聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)PHBV在纺丝之前可以进行干燥，具体的干燥方式为：在真空烘箱中干燥8～48h，干燥温度为50～90℃；
可选地，所述的干燥之后PLA和PHBV的含水率不高于50ppm；
可选地，所述的海成分为右旋乳酸(D-LA)结构单元含量为10mol％～50mol％的PLA；
可选地，所述的海成分为右旋乳酸(D-LA)结构单元含量为12mol％～50mol％的PLA；
可选地，所述的PHBV的粘均分子量为5.0×104～1.0×106；
可选地，所述的岛成分熔融挤出温度为150～200℃；
可选地，所述的PLA的粘均分子量为5.0×104～1.0×106；
可选地，所述的海成分熔融挤出温度为130～200℃；
可选地，所述的纺丝具体为：熔融纺丝、侧吹风冷却、上油、卷绕、在线拉伸、热定型，其中侧吹风温度为15～20℃，冷却风相对湿度为50～80％，侧吹风的速度为0.2～0.8m/s；纺丝速度为3500～4500m/min；
可选地，卷绕步骤中的初生丝卷绕速度为10～100m/min；
可选地，采用的在线拉伸加热方式为CO2激光辐照加热方式；
可选地，所述的在线拉伸的温度为60～80℃，拉伸倍数为8～20倍；
可选地，热定型温度为70～120℃；
可选地，CO2激光辐照加热点离输出侧导丝辊间的距离大于10cm；
可选地，所述溶剂为乙酸乙酯、四氢呋喃、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的一种或一种以上；
可选地，所述的在溶剂中进行处理的具体参数为：浴比为25～30：1，温度为25～30℃，溶解时间为20～200min。
本发明的第二个目的是采用本发明所述的制备超细PHBV纤维的方法制备得到的超细PHBV纤维。
本发明的第三个目的是提供一种超细PHBV纤维，其前驱体为海岛型聚乳酸/聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PLA/PHBV)复合纤维，前驱体的海成分为右旋乳酸(D-LA)结构单元含量为10mol％～50mol％的PLA；
可选地，海成分和岛成分的质量比为10～90：10～90。
本发明的第四个目的是包括本发明所述的超细PHBV纤维的纱线、织物。
本发明的第五个目的是采用本发明所述的制备超细PHBV纤维的方法制备得到的超细PHBV纤维在过滤、吸附、保暖、隔热或阻菌领域中的应用。
有益效果：
(1)本发明的超细PHBV纤维的制备方法可以进行工业化生产，产量高。
(2)本发明的超细PHBV纤维的制备方法采用的原料均是资源可再生、生物可降解的。
(3)本发明的超细PHBV纤维的制备方法中前驱体海成分PLA的玻璃化转变温度高于室温，可克服PHBV的玻璃化转变温度低引起的粘连现象。
(4)本发明的超细PHBV纤维的制备方法中前驱体的海成分PLA为右旋乳酸结构单元含量为10mol％～50mol％的PLA，几乎为无定形聚合物，结晶度极低，拉伸温度高于海成分的玻璃化转变温度，随着岛成分PHBV的结晶，岛成分的粘度逐渐增加，而海成分在拉伸过程中始终处于高弹态，以致于拉伸应力主要作用在岛成分PHBV中有利于β型晶体的形成，以便最终制得超细PHBV纤维，强度可以达到5.5cN/dtex以上，细度可以达到0.33dtex以下。
(5)采用CO2激光辐照加热拉伸技术可以实现PHBV纤维的高强和超细。
(6)本发明的超细PHBV纤维的制备方法中PLA右旋乳酸结构单元的含量(10mol％～50mol％)、CO2激光辐照加热的温度(60～80℃)、加热点距离输出侧导丝辊间的距离(大于10cm)三者相互配合，可以制备得到超细PHBV纤维。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
断裂强度和断裂伸长率的测量方法：按照国家标准《GB/T 14344-2008化学纤维长丝拉伸性能试验方法》进行测试，夹持距离为500mm，拉伸速度为500mm/min，预加张力为0.05cN/dtex。
细度的测试方法：按照国家标准《GB/T 14343-2008化学纤维长丝线密度试验方法》中的单根法进行测试，测试其长度和重量，计算出超细纤维复丝的线密度，然后用复丝的线密度除以复丝中纤维的根数得单根超细纤维的线密度。
实施例1
(1)按照10：90的复合比将海成分聚乳酸PLA和岛成分聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)PHBV加入到熔融复合纺丝机的料斗中进行复合纺丝，经拉伸热定型制备得到海岛型PLA/PHBV复合纤维；其中，所述的纺丝过程中采用的喷丝板的孔数为96孔，每孔24岛；所述的纺丝具体为：熔融纺丝、侧吹风冷却、上油、卷绕、在线拉伸、热定型，其中侧吹风温度为18℃，冷却风相对湿度为60％，侧吹风的速度为0.6m/s；纺丝速度为4000m/min；熔融纺丝过程中的海成分熔融挤出温度为170℃，岛成分熔融挤出温度为170℃，卷绕过程中的初生丝卷绕速度为30m/min，采用CO2激光辐照加热在线拉伸，拉伸温度为75℃，距离输出侧导丝辊间的距离为50cm，拉伸倍数为20倍，热定型温度为95℃；
(2)将步骤(1)制备得到的海岛型PLA/PHBV复合纤维在乙酸乙酯中进行处理，处理过程中浴比为20：1，温度为30℃，溶解时间为30min，制得超细PHBV纤维。所得超细PHBV纤维的断裂强度为6.5cN/dtex，断裂伸长率为15％，直径为0.28dtex。
实施例2-4的参数设置以及强力、细度测试结果如表1所示：
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
PLA和PHBV质量比 10：90 15：85 10：90 20：80
海成分熔融挤出温度(℃) 170 160 160 165
岛成分熔融挤出温度为(℃) 170 170 175 170
初生丝卷绕速度为(m/min) 30 50 20 30
拉伸温度为(℃) 75 80 65 80
距离输出侧导丝辊间的距离为(cm) 50 40 30 45
拉伸倍数 20 15 20 15
热定型温度为(℃) 95 95 100 90
喷丝板孔数(个) 96 24 40 35
喷丝板岛数(个) 24 24 37 24
侧吹风温度(℃) 18 15 18 20
冷却风相对湿度(％) 60 50 80 70
侧吹风的速度(m/s) 0.6 0.2 0.6 0.8
纺丝速度(m/min) 4000 3500 4000 4500
溶剂 乙酸乙酯 四氢呋喃 乙酸乙酯 丙酮
溶剂处理浴比 20：1 20：1 25：1 20：1
溶剂处理温度(℃) 30 25 28 25
溶剂处理时间(min) 40 30 40 50
断裂强度(cN/dtex) 6.5 6.2 6.3 5.8
断裂伸长率(％) 15 30 19 26
细度(dtex) 0.28 0.3 0.29 0.3
对照例1
将实施例1中的聚乳酸的右旋乳酸(D-LA)含量(％)、CO2激光辐照加热在线拉伸的温度(℃)、距离输出侧导丝辊间的距离(cm)按照下面表2进行设置，其他条件或者参数保持不变。所得的超细PHBV纤维测试性能如下表2所示：
表2
Figure BDA0002293397910000051
从上表2可以看出：序号1、4、5超出了D-LA含量的范围，序号6和8超出了在线拉伸的温度范围，序号9和10达不到距离输出侧导丝辊间所需要的距离，从测试结果可以看出：如果仅仅调整其中的某一个参数，根本无法得到本发明所述的效果。序号13和14同时调整了2个参数，同样也无法得到本发明所述的效果。因此，只有D-LA含量(％)、在线拉伸的温度(℃)、距离输出侧导丝辊间的距离(cm)只有在本发明的范围内时，才能相互配合发挥PHBV的作用。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种超细PHBV纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照10～90：10～90的复合比将海成分聚乳酸PLA和岛成分聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)PHBV加入到熔融复合纺丝机的料斗中进行复合纺丝，经拉伸热定型制备得到海岛型PLA/PHBV复合纤维；所述的纺丝过程中采用的喷丝板的孔数为24～96孔，每孔24～37岛；
(2)将步骤(1)制备得到的海岛型PLA/PHBV复合纤维在溶剂中进行溶解，制得超细PHBV纤维；
所述的海成分为右旋乳酸D-LA结构单元含量为10mol％～50mol％的PLA。
2.根据权利要求1所述的超细PHBV纤维的制备方法，其特征在于，所述溶剂为乙酸乙酯、四氢呋喃、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的一种或一种以上。
3.根据权利要求1所述的超细PHBV纤维的制备方法，其特征在于，所述的在溶剂中进行溶解的具体参数为：浴比为25～30：1，温度为25～30℃，溶解时间为20～200min。
4.根据权利要求1所述的超细PHBV纤维的制备方法，其特征在于，采用CO2激光辐照加热方式进行在线拉伸，在线拉伸的温度为60℃～80℃，拉伸倍数为8～20倍。
5.根据权利要求4所述的超细PHBV纤维的制备方法，其特征在于，CO2激光辐照加热点和复合纺丝所用设备的输出侧导丝辊间的距离大于10cm。
6.根据权利要求1所述的超细PHBV纤维的制备方法，其特征在于，所述的纺丝具体为：熔融纺丝、侧吹风冷却、上油、卷绕、在线拉伸、热定型，其中侧吹风温度为15～20℃，冷却风相对湿度为50～80％，侧吹风的速度为0.2～0.8m/s；纺丝速度为3500～4500m/min。
7.权利要求1-6任一所述的超细PHBV纤维的制备方法制备的超细PHBV纤维。
8.一种超细PHBV纤维，其特征在于，其前驱体为海岛型聚乳酸/聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)PLA/PHBV复合纤维，前驱体的海成分为右旋乳酸D-LA结构单元含量为10mol％～50mol％的PLA。
9.包括权利要求7或8任一所述的超细PHBV纤维的纱线、织物。
10.权利要求7或8任一所述的超细PHBV纤维在过滤、吸附、保暖、隔热或阻菌领域中的应用。
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