CN111826963B - 一种表面涂覆pur的芳纶纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子材料领域，尤其涉及一种表面涂覆PUR的芳纶纤维及其制备方法。本发明可在保温容器内安装多个不同或相同内径的限径环，实现多条纤维同时进行PUR涂覆生产，得到线径可控的芳纶纤维产品，生产效率大大提高。本发明制得的芳纶纤维表面涂覆有PUR，经过物理固化和湿气固化，固化后的PUR具有较多的交联结构，使得芳纶纤维的表面能得到大幅度提升，表面具有较高的强度，耐热性较好，且芳纶纤维单丝之间无粘结。芳纶纤维表面的PUR经过加热熔融后，能够实现芳纶纤维的自粘结，并能够提高芳纶纤维与其他基材的表面粘结性。本发明的工艺过程简单，操作方便，便于工业化连续处理。

Description

一种表面涂覆PUR的芳纶纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，尤其涉及一种表面涂覆PUR的芳纶纤维及其制备方法。
背景技术
对位芳纶是一种具有高强度、高模量的链状高分子材料，具有优异的尺寸稳定性、抗冲击性、耐化学性和优异的耐热性能，因此被广泛应用于航空航天工业及汽车领域先进复合材料的增强纤维。但是芳纶结晶度高、表面缺少极性基团且表面光滑，使得其表面能较低、表面浸润性较差，不利于芳纶与基体树脂的黏结，导致芳纶与基体之间形成界面缺陷，限制了复合材料性能的发挥。所以为了优化复合材料的性能，以减少界面缺陷、平衡复合材料内部的应力，必须对芳纶进行表面改性。
目前芳纶的表面改性方法主要有等离子处理、高能射线处理、化学刻蚀、表面接枝、表面涂覆等。大量研究表明，等离子处理法的纤维表面稳定性较差；高能射线处理中使用的仪器成本较高，且连续化速度较慢，不适于工业化应用；其余方法也各有其优缺点。
申请号为201210240025.X的发明专利公开了一种提高芳纶纤维表面活性的方法。此方法先将芳纶纤维浸入到丙酮中煮沸1小时，再浸于无水乙醇中煮沸1小时，之后经去离子水洗涤、干燥后，再浸于浓度为20-60wt％的过氧化氢溶液中处理30-90min，再用去离子水洗涤、干燥制得表面改性芳纶。这种处理方法对芳纶纤维的预处理时间太长，太过繁琐，工业化前景渺茫。
申请号为201210070232.5的发明专利公开了一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，是采用酰胺类溶剂作为超声介质，在超声作用下达到酰胺类溶剂对芳纶纤维表面的刻蚀，达到改善纤维表面状态、提高纤维与树脂粘结强度的目的。这种改性方法虽然极易进行工业化，但表面刻蚀仅可使纤维表面部分粗糙化，无法在纤维表面引入极性基团，对纤维表面粘结性的提高程度较低，且表面刻蚀会损害芳纶纤维的力学性能。
申请号为201210290055.1的发明专利公开了一种芳纶的表面改性方法，将氟碳硅烷偶联剂溶解在有机溶剂中或者采用氟碳活性剂将其乳化分散在水中配置成表面改性处理剂，置于上油机中，在恒压泵的输送下在线浸没生产线上行进的芳纶纤维，涂覆于芳纶纤维表面，然后在接触空气的条件下干燥，达到芳纶表面改性的目的。此法虽易于工业化应用，但氟碳硅烷偶联剂及氟碳活性剂本身生产成本较高，价格昂贵，且氟碳硅烷偶联剂只涂覆于纤维表面，干燥过程中易造成纤维束中各单丝间产生粘连，不利于制备复合材料时纤维在树脂中的分散，而使用不含偶联剂的氟碳活性剂只起到上油剂以增加芳纶柔软性的作用，在纤维表面引入的极性基团有限，对芳纶表面粘结性的改善幅度较低。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种表面涂覆PUR的芳纶纤维及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种表面涂覆PUR的芳纶纤维的制备方法，步骤如下：
(1)制备湿气固化反应型聚氨酯热熔胶
取50-90份聚合物多元醇、10-50份多异氰酸酯、0.01-0.5份催化剂和0.1-3份添加剂在70-120℃条件下反应0.5-2h，制得湿气固化反应型聚氨酯热熔胶；
(2)制备表面涂覆PUR的芳纶纤维
将步骤(1)的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶在50-150℃条件下熔融，将芳纶纤维浸于热熔的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶中，并以10-100m/min的速度穿过湿气固化反应型聚氨酯热熔胶和限径环，冷却固化后，得表面涂覆PUR的芳纶纤维。
进一步，步骤(1)中，所述聚合物多元醇至少包含一种结晶性聚合物多元醇，其数均分子量为500-4000，官能度为1.8-2.2，优选官能度为2；
所述多异氰酸酯为二苯基甲烷-4,4’二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、氢化苯二亚甲基二异氰酸酯或氢化二苯基甲烷二异氰酸酯的一种或两种以上；
所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、二醋酸二丁基锡或二吗啉二乙基醚中的一种或两种以上；
所述添加剂为成核剂、抗氧剂、紫外稳定剂、抗静电剂、阻燃剂、防霉剂、颜料、荧光剂、有机或无机填料的一种或几种的混合物。
进一步，步骤(1)中，所得湿气固化反应型聚氨酯热熔胶中的-NCO含量为1-10wt％，优选为2-5％；粘度为500-50000cps(100℃，28#)，优选为5000-20000cps；开放时间为0.1-5min，优选为0.5-2min。
进一步，步骤(2)中，将热熔的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶置于保温容器中，保温温度为50-140℃；
所述限径环的内径为50-1000D。
进一步，步骤(2)中，冷却固化24h以上，冷却固化所在环境的空气湿度为20％RH以上。
本发明的第二个目的在于提供一种利用上述制备方法制得的表面涂覆PUR的芳纶纤维。
本发明的特点和有益效果在于：
1、本发明可在保温容器内安装多个不同或相同内径的限径环，实现多条纤维同时进行PUR涂覆生产，得到线径可控的芳纶纤维产品，生产效率大大提高。
2、本发明制得的芳纶纤维表面涂覆有PUR，经过物理固化和湿气固化，固化后的PUR具有较多的交联结构，使得芳纶纤维的表面能得到大幅度提升，表面具有较高的强度，耐热性较好，且芳纶纤维单丝之间无粘结。芳纶纤维表面的PUR经过加热熔融后，能够实现芳纶纤维的自粘结，并能够提高芳纶纤维与其他基材的表面粘结性。本发明的工艺过程简单，操作方便，便于工业化连续处理。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例中使用的聚合物多元醇为美瑞新材料股份有限公司自产的聚酯多元醇，优选为P11、P12、P13系列多元醇；或采购于巴斯夫的PTMG系列多元醇。
实施例1
一种表面涂覆PUR的芳纶纤维的制备方法，步骤如下：
(1)制备湿气固化反应型聚氨酯热熔胶
将80份聚合物多元醇P1120、0.5份抗氧剂1010加入反应釜中，加热至80℃，待物料融化后开启搅拌并升温至130℃，抽真空脱水至小于200ppm，后降温至80℃；然后加入20份多异氰酸酯，升温至110℃反应1h，再加入0.3份催化剂双吗啉乙基醚(DMDEE)，继续搅拌反应20min，制得湿气固化反应型聚氨酯热熔胶；
(2)制备表面涂覆PUR的芳纶纤维
将芳纶纤维穿过保温容器，并在末端穿过内径为300D的限径环；将步骤(1)的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶在100℃条件下熔融，熔融后的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶置于保温容器中，保温容器的温度为80℃；将芳纶纤维浸渍于热熔的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶中，并以30m/min的速度穿过湿气固化反应型聚氨酯热熔胶和限径环，冷却湿气固化24h后，得到表面涂覆PUR的芳纶纤维。
实施例2
一种PUR包芯纱的制备方法，步骤如下：
(1)制备湿气固化反应型聚氨酯热熔胶
将80份聚合物多元醇1630、1份抗静电剂加入反应釜中，加热至80℃，待物料融化后开启搅拌并升温至130℃，抽真空脱水至小于200ppm，后降温至80℃；然后加入13.3份多异氰酸酯，升温至90℃反应1.5h，再加入0.1份催化剂双吗啉乙基醚(DMDEE)，继续搅拌反应20min，制得湿气固化反应型聚氨酯热熔胶；
(2)制备表面涂覆PUR的芳纶纤维
将芳纶纤维穿过保温容器，并在末端穿过内径为500D的限径环；将步骤(1)的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶在120℃条件下熔融，熔融后的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶置于保温容器中，保温容器的温度为60℃；将芳纶纤维浸渍于热熔的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶中，并以50m/min的速度穿过湿气固化反应型聚氨酯热熔胶和限径环，冷却湿气固化24h后，得到表面涂覆PUR的芳纶纤维。
实施例3
一种PUR包芯纱的制备方法，步骤如下：
(1)制备湿气固化反应型聚氨酯热熔胶
将80份聚合物多元醇PTMG1000、0.9份UV助剂加入反应釜中，加热至80℃，待物料融化后开启搅拌并升温至130℃，抽真空脱水至小于200ppm，后降温至80℃；然后加入40份多异氰酸酯，升温至100℃反应1h，再加入0.5份催化剂双吗啉乙基醚(DMDEE)，继续搅拌反应20min，制得湿气固化反应型聚氨酯热熔胶；
(2)制备表面涂覆PUR的芳纶纤维
将芳纶纤维穿过保温容器，并在末端穿过内径为1000D的限径环；将步骤(1)的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶在80℃条件下熔融，熔融后的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶置于保温容器中，保温容器的温度为120℃；将芳纶纤维浸渍于热熔的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶中，并以80m/min的速度穿过湿气固化反应型聚氨酯热熔胶和限径环，冷却湿气固化24h后，得到表面涂覆PUR的芳纶纤维。
测试1
取实施例1-3的芳纶纤维，分别测试其表面能，具体见表1。
测试标准如下：
表面能：测试芳纶纤维对水和乙醇的接触角，后根据S.Wu方法计算芳纶纤维表面的表面能。
表1
Figure BDA0002635799890000061
Figure BDA0002635799890000071
由表1的数据可以看出，经PUR处理后，芳纶纤维的表面能提高，表明对材料的润湿性大幅度调高，有利于提高制备复合材料过程中对基材的润湿性。
测试2
将实施例1的PUR处理后的芳纶纤维和未处理的芳纶纤维分别纺织成芳纶布，测试芳纶布的表面粘结性。具体见表2。
测试标准如下：
耐热性：将纱线置于热压机下进行压合，温度为从120℃开始，每次升高5℃，压力为0.1MPa，待纱线表面层融化或发粘时的温度记录为纱线的耐热温度。
表面粘结力：将芳纶布剪切成25mm*100mm的样条，两层叠起后，放置于热压机上，经过150℃热压机压合，压力为0.3MPa。
表2
表面粘结力(N/mm) 耐热性(℃)
PUR处理的芳纶布 6 190℃
未处理的芳纶纱布 不粘结 /
由表2的数据可以看出，处理后的芳纶纤维经热压后具有较好的自粘结性，并且耐热温度达到190℃，大大拓展了芳纶纤维或芳纶布的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (2)

1.一种表面涂覆PUR的芳纶纤维的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)制备湿气固化反应型聚氨酯热熔胶
取50-90份聚合物多元醇、10-50份多异氰酸酯、0.01-0.5份催化剂和0.1-3份添加剂在70-120℃条件下反应0.5-2h，制得湿气固化反应型聚氨酯热熔胶；
(2)制备表面涂覆PUR的芳纶纤维
将步骤(1)的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶在50-150℃条件下熔融，将芳纶纤维浸于热熔的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶中，并以10-100m/min的速度穿过湿气固化反应型聚氨酯热熔胶和限径环，冷却固化后，得表面涂覆PUR的芳纶纤维；
步骤(1)中，所述聚合物多元醇至少包含一种结晶性聚合物多元醇，其数均分子量为500-4000，官能度为1.8-2.2；
所述多异氰酸酯为二苯基甲烷-4,4’二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、氢化苯二亚甲基二异氰酸酯或氢化二苯基甲烷二异氰酸酯的一种或两种以上；
所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、二醋酸二丁基锡或二吗啉二乙基醚中的一种或两种以上；
所述添加剂为成核剂、抗氧剂、紫外稳定剂、抗静电剂、阻燃剂、防霉剂、颜料、荧光剂、有机填料或无机填料的一种或两种以上；
步骤(1)中，所得湿气固化反应型聚氨酯热熔胶中的-NCO含量为1-10wt％，粘度为500-50000cps，开放时间为0.1-5min；
步骤(2)中，将热熔的湿气固化反应型聚氨酯热熔胶置于保温容器中，保温温度为50-140℃；所述限径环的内径为50-1000D；
步骤(2)中，冷却固化24h以上，冷却固化所在环境的空气湿度为20％RH以上。
2.一种权利要求1所述制备方法制得的表面涂覆PUR的芳纶纤维。
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