CN112176453B - 一种四叶形皮芯结构负氧离子涤纶纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功能性纤维技术领域，涉及一种能够持续释放负氧离子的四叶形皮芯结构涤纶纤维及其制备方法。该复合纤维是由改性涤纶/功能性添加剂皮层与涤纶芯层组成。皮层与芯层的质量比为1:1至1:4；皮层中的改性涤纶为聚2,5‑二羟基对苯二甲酸乙二酯树脂或者聚2‑羟基对苯二甲酸乙二酯树脂，功能性添加剂为无放射性的且具有明显的负离子发生作用的天然矿物粉末，包括但不限于电气石、蛇纹石、稀土矿物。通过四叶皮芯结构异形喷丝板纺丝，得到四叶形皮芯结构涤纶纤维。制备的纤维材料由于皮层为改性涤纶，与芯层相容性好，因此纤维均匀性好，此外功能性添加剂均位于比表面积较大的皮层，能够充分与空气接触稳定释放负离子。该纤维可用于人体服装织物或者室内纺织品。

Description

一种四叶形皮芯结构负氧离子涤纶纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及纺织技术领域，更具体的说涉及一种四叶形皮芯结构负离子涤纶纤维及其制备方法。
背景技术
长久待在都市密闭房间内，人们会觉得头昏脑涨，当来到森林海边、瀑布等地方的时候，人们会觉得神清气爽，这就是空气负离子的作用。空气负离子也叫负氧离子，是指获得多余电子而带负电荷的氧气离子。它是空气中的氧分子结合了自由电子而形成的。自然界的放电(闪电)现象、喷泉、瀑布等都能使周围空气电离，形成负氧离子。负氧离子在医学界享有“维他氧”、“空气维生素”、“长寿素”、“空气维他命”等美称。
目前，我国遭受空气污染影响的人超过9亿人，中国只有百分之一的城市达到世界卫生组推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。而空气负氧离子被誉为空气中的维生素，能降解中和空气中的有害气体。调节人体生理机能、消除疲劳、改善睡眠、预防呼吸道疾病、改善心脑血管疾病、降血压、增进人的食欲、增强皮肤弹性。因此，提高居住环境的负氧离子含量成为人们迫切的需求，近年来负氧离子织物获得了人们的广泛关注，广泛运用于睡衣、袜子、内衣、床上用品、室内装饰物等纺织品中。
现有的负离子纤维织物的制备方法可分为两大类。
第一类方法是将具有负氧离子释放功能的功能性添加剂添加到高分子载体(如涤纶、腈纶等)中，通过熔体纺丝(如涤纶)或者湿法纺丝(如腈纶)得到负氧离子纤维。如专利CN104532382B、 CN100351439C等。这类方法的优点是功能性添加剂与高分子载体共同挤出成为纤维，添加剂不易从纤维表面脱落，耐水洗性好，因此这类方法制备得到的纤维多用于制备服饰、床上用品等经常需要洗涤的纺织品。但由于功能性添加剂要接触空气才能起到使空气中的水和氧气分子电离并转化为负氧离子的作用，因此这类方法的缺陷在于：通过这类方法纺丝得到的纤维，只有位于纤维表面的能够与空气接触到的功能性添加剂才能够产生负氧离子，而位于纤维表面的添加剂的量与加入纤维的功能性添加剂的总量相比很少，大部分功能性添加剂都位于纤维内部被高分子包埋，无法接触空气和产生负氧离子。此外由于作为无机粉体的功能性添加剂与高分子载体不相容，添加量太少则位于纤维表面的添加剂更少，产生不了预期的负氧离子释放效果；添加量太大，容易由于无机粉体的团聚导致纺丝断头增加、生产效率降低、优等品率下降，纤维成本飙升。
第二类方法是将普通的无负氧离子释放功能的纤维织造成为织物，再将织物用负离子功能整理剂对织物进行后整理。如专利 CN1122733C，这类方法的优势在于由于采用后整理法，功能性添加剂都位于织物的表面，能够与空气接触，可以最大程度的发挥功能性添加剂的作用。因此与第一类方法相比，要使织物达到同样的负氧离子释放量，第二类方法用到的功能性添加剂的量要比第一类方法少的多，成本也低得多。但第二类方法的主要缺陷是耐水洗性较差，一般只能用于制备室内装饰物等洗涤次数较少的纺织品。
为了结合两类方法的优点、克服两类方法的缺陷，人们也进行了各种改进研究，如制备PA6/PET皮芯负氧离子纤维(现代纺织技术， 2013年第5期，P1-3)，这种方法将功能性添加剂纳米电气石粉添加到PA6皮层，而芯层则是纯的PET，在一定程度上能避免第一类方法中由于功能性添加剂被包埋而无法有效释放负氧离子的缺陷。但该方法的问题在于，PA6与PET的熔点和流变性能差异较大，导致纺丝过程难度较大，而且也未能解决由于无机粉体的团聚导致纺丝断头增加带来的生产效率降低问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种低成本高效率的负氧离子纤维及其制备方法。
本发明技术方案如下：
一种新型四叶形皮芯结构负氧离子纤维，其特征在于，包括皮层以及芯层，所述皮层为改性共聚涤纶母粒制得，所述芯层为涤纶母粒制得，所述皮层包裹芯层；
所述改性共聚涤纶母粒的结构为
Figure BDA0002116717590000031
Figure BDA0002116717590000041
其中的任意一种。
优选地，所述改性涤纶纤维的结构中的m:n为6～10:3～6。
优选地，所述芯层的截面为圆形，所述皮层截面具有4个叶片。
与圆形纤维相比，这种四叶形皮芯结构纤维有更大的比表面积，从而位于纤维表面的功能性添加剂的量也更多。与原型纤维相比，在同样的功能性添加剂添加量下，异形纤维中位于纤维表面能够与空气接触的添加剂的比例更大，因此具有更高效的负离子发生效果(附图2，左图为圆形纤维，右图为四叶异形纤维，1为功能性添加剂粉体、 2为芯层、3为表层)。
皮芯层聚合物纤维的制备是技术上熟知的，例如可参见Killian 的美国专利2936482、Bannerman的美国专利2989798等。生产多叶形的皮芯型双组分长丝的双组分纺丝技术也是技术上熟知的，例如可参见中国专利CN101200816B。
本发明所述的四叶异形皮芯双组分负氧离子纤维可采用本发明所提供的改性涤纶/功能性添加剂作为皮层、结合熟知的技术制备而成。
本发明的另一方面：
一种新型四叶形皮芯结构负氧离子纤维的制备方法，其特征在于，其由如下步骤而制成：
(1)制得改性共聚涤纶母粒
将一定比例的2,5-二羟基对苯二甲酸、对苯二甲酸、乙二醇混合；
加入催化剂、消光剂、功能性添加剂，并升温至80-100℃搅拌 1-2小时使催化剂溶解；
继续升温至250-270℃，观察出水；
当酯化率达到96％以上时，继续升温至280-290℃反应3-5小时；
当熔体粘度达到0.42-0.6时，终止反应，冷却切粒，制得改性共聚涤纶母粒；
Figure BDA0002116717590000051
或
将一定比例的2-羟基对苯二甲酸、对苯二甲酸、乙二醇混合；
加入催化剂、消光剂、功能性添加剂，并升温至80-100℃搅拌 1-2小时使催化剂溶解；
继续升温至250-270℃，观察出水；
当酯化率达到96％以上时，继续升温至280-290℃反应3-5小时；
当熔体粘度达到0.42-0.6时，终止反应，冷却切粒，制得改性共聚涤纶母粒；
Figure BDA0002116717590000061
；(2)制得新型四叶形皮芯结构负氧离子纤维
将步骤(1)制得的改性涤纶母粒经过结晶干燥后进入第一螺杆挤出机和第一计量泵；
将涤纶母粒经过结晶干燥后进入第二螺杆挤出机和第二计量泵；
使用四叶皮芯喷丝板，使改性涤纶母粒进入喷丝板皮层毛细孔，涤纶母粒进入喷丝板芯层毛细孔；
固化，纺丝，得四叶形皮芯结构负氧离子复合纤维。
优选地，对苯二甲酸的加入量为m摩尔，2,5-二羟基对苯二甲酸 (或2-羟基对苯二甲酸)的加入量为n摩尔，其中m:n为6～10:3～6；乙二醇的加入量为m+n摩尔。
优选地，所述功能性添加剂包括电气石、蛇纹石、稀土矿物其中的任一种或组合；所述功能性添加剂的添加量为改性共聚涤纶母粒重量的3wt％-10wt％；所述功能性添加剂的粒径为20-200nm。
优选地，进入喷丝板皮层毛细孔的改性涤纶母粒和进入喷丝板芯层毛细孔的涤纶母粒质量比为1:1-4。
优选地，进入喷丝板皮层毛细孔的改性涤纶母粒和进入喷丝板芯层毛细孔的涤纶母粒质量比为1:1-2。
与现有技术相比，本发明的显著改进在于：
1.采用目前通用的技术直接将负离子功能添加剂加入切片中纺丝得到纤维，大部分功能性添加剂都位于纤维内部，只有位于纤维表面的少部分添加剂能够起到释放负离子的功能。因此如果添加量太少则位于纤维表面的添加剂更少，产生不了预期的负氧离子释放效果；添加量太大，容易由于无机粉体的团聚导致纺丝断头增加、生产效率降低、成本飙升。而本发明得到的皮芯层纤维，功能性添加剂均位于纤维皮层，芯层为纯的普通涤纶切片，在较少的添加剂用量下即可得到满意的负离子释放效果。且由于添加剂的用量少，对纺丝影响不大，有利于保证生产效率和控制成本。
2.与皮芯形圆形纤维相比，四叶形皮芯结构纤维有更大的比表面积。因此位于纤维表面的、能够与空气接触的功能性添加剂的比例更大，因此具有更高效的负离子发生效果。
3.本发明中采用2,5-二羟基对苯二甲酸(或2-羟基对苯二甲酸) 代替部分对苯二甲酸制备改性涤纶。2,5-二羟基对苯二甲酸(或2- 羟基对苯二甲酸)与对苯二甲酸相比，其结构上仅差一个羟基，因此制备的改性涤纶和纯涤纶的化学结构类似，两者的相容性较好，熔点和流变性能接近。本发明的纤维制备工艺中，皮层采用的改性涤纶，而芯层采用的是涤纶，皮芯层高分子的相容性较好，熔点和流变性能接近，有助于简化皮芯纺丝工艺，避免了由于皮芯层为不同高分子导致其熔点和流变性能不同、相容性差，带来的纺丝参数设置和工艺控制上的复杂和困难。
4.本发明中采用2,5-二羟基对苯二甲酸(或2-羟基对苯二甲酸) 制备改性涤纶的另外一个优势在于，由于负离子功能性添加剂大都是亲水的，而2,5-二羟基对苯二甲酸(或2-羟基对苯二甲酸)带有亲水性羟基，因此高分子与功能性添加剂的结合性较好，无需像目前的负离子纤维制备工艺中那样要将功能性添加剂事先用偶联剂分散剂进行表面处理才能保证粉体在高分子载体中的分散效果。
5.本发明整体制备工艺简单，可使用现有的涤纶生产用聚合和纺丝设备，不需要进行特殊聚合设备，仅需做工艺参数上的调整，适于在现有聚酯纤维生产企业推广。
附图说明
附图1：本发明的四叶形皮芯结构负氧离子复合纤维结构示意图；
附图2：左图为圆形纤维，右图为四叶异形纤维；
其中1-功能性添加剂粉体、2-芯层、3-皮层。
具体实施方式
实施例1
将116.2公斤的对苯二甲酸(700摩尔)、59.4公斤的2,5-二羟基对苯二甲酸(300摩尔)、62公斤的乙二醇(1000摩尔)、83克催化剂三氧化二锑、830克消光剂二氧化钛、8公斤电气石粉(平均孔径120nm)投入聚合反应釜中，首先在常压下升温至100℃搅拌1小时，然后继续升温至250℃反应并抽真空，观察出水情况，4小时后酯化率达到91％，继续保持高真空并升温至290℃反应5小时，熔体粘度达到0.51时终止反应，冷却切粒，制得改性共聚涤纶母粒，即 2,5-二羟基对苯二甲酸乙二酯-对苯二甲酸乙二酯共聚涤纶母粒。共聚酯中，对苯二甲酸乙二酯:2,5-二羟基对苯二甲酸乙二酯的摩尔分数m:n为7:3。
其反应式如下：
Figure BDA0002116717590000091
将改性涤纶母粒经过结晶干燥后进入第一螺杆挤出机和第一计量泵1，将普通涤纶母粒经过结晶干燥后进入螺杆挤出机2和计量泵 2；使用四叶皮芯喷丝板，使改性涤纶进入皮层喷丝孔，普通涤纶进入芯层喷丝孔；调节计量泵转速，使进入喷丝板的改性涤纶的进入量与普通涤纶的进入量的质量比为1:2，纺速3300米，箱体温度为287℃，纺丝得到四叶形皮芯结构负氧离子复合纤维。实测负离子释放量为 3800个/cm3。
实施例2
改变实施例1中的2,5-二羟基对苯二甲酸与对苯二甲酸的相对加入量，其它操作步骤同实施例1。反应物的量为：99.6公斤的对苯二甲酸(600摩尔)、79.2公斤的2,5-二羟基对苯二甲酸(300摩尔)、 62公斤的乙二醇(1000摩尔)、83克催化剂三氧化二锑、830克消光剂二氧化钛、12公斤电气石粉(平均孔径120nm)。
纺丝得到的四叶形皮芯结构负氧离子复合纤维，其负离子释放量为6000个/cm3。
实施例3
将实施例1中的2,5-二羟基对苯二甲酸改变为2-羟基对苯二甲酸，反应物的量做相应改变。反应物的量为：116.2公斤的对苯二甲酸(700摩尔)、54.6公斤的2,5-二羟基对苯二甲酸(300摩尔)、62 公斤的乙二醇(1000摩尔)、83克催化剂三氧化二锑、830克消光剂二氧化钛、8公斤电气石粉(平均孔径120nm)。将上述物料投入聚合反应釜中，首先在常压下升温至100℃搅拌1小时，然后继续升温至 250℃反应并抽真空，观察出水情况，当酯化率达到96％时，继续保持高真空并升温至285℃反应5小时后熔体粘度达到0.54，终止反应，冷却切粒，制得改性共聚涤纶母粒，即2-羟基对苯二甲酸乙二酯-对苯二甲酸乙二酯共聚涤纶母粒。共聚酯中，对苯二甲酸乙二酯:2-羟基对苯二甲酸乙二酯的摩尔分数m:n为7:3。
Figure BDA0002116717590000111
纺丝工艺同实施例1，纺丝得到的四叶形皮芯结构负氧离子复合纤维，其负离子释放量为4400个/cm3。
以上实施例只为说明本发明的构思基本特点，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种四叶形皮芯结构负氧离子纤维，其特征在于，包括皮层以及芯层，所述皮层为改性共聚涤纶母粒制得，所述芯层为涤纶母粒制得，所述皮层包裹芯层；
所述改性共聚涤纶母粒的结构为
Figure FDA0003304008260000011
其中的任意一种；
其中，m代表对苯二甲酸的重复单元数，n代表2,5-二羟基对苯二甲酸或2-羟基对苯二甲酸的重复单元数，且m:n为6～10：3～6；
其中，所述改性共聚涤纶母粒的原料由2,5-二羟基对苯二甲酸、对苯二甲酸、乙二醇、催化剂、消光剂、功能性添加剂组成或由2-羟基对苯二甲酸、对苯二甲酸、乙二醇、催化剂、消光剂、功能性添加剂组成；
所述功能性添加剂包括电气石、蛇纹石、稀土矿物其中的任一种或组合。
2.根据权利要求1所述的四叶形皮芯结构负氧离子纤维，其特征在于，所述芯层的截面为圆形，所述皮层截面具有4个叶片。
3.一种四叶形皮芯结构负氧离子纤维的制备方法，其特征在于，其由如下步骤而制成：
(1)制得改性共聚涤纶母粒
将一定比例的2,5-二羟基对苯二甲酸、对苯二甲酸、乙二醇混合；
加入催化剂、消光剂、功能性添加剂，并升温至80-100℃搅拌1-2小时使催化剂溶解；
继续升温至250-270℃，观察出水；
当酯化率达到96％以上时，继续升温至280-290℃反应3-5小时；
当熔体粘度达到0.42-0.6时，终止反应，冷却切粒，制得改性共聚涤纶母粒；
Figure FDA0003304008260000021
或
将一定比例的2-羟基对苯二甲酸、对苯二甲酸、乙二醇混合；
加入催化剂、消光剂、功能性添加剂，并升温至80-100℃搅拌1-2小时使催化剂溶解；
继续升温至250-270℃，观察出水；
当酯化率达到96％以上时，继续升温至280-290℃反应3-5小时；
当熔体粘度达到0.42-0.6时，终止反应，冷却切粒，制得改性共聚涤纶母粒；
Figure FDA0003304008260000031
(2)制得四叶形皮芯结构负氧离子纤维
将步骤(1)制得的改性涤纶母粒经过结晶干燥后进入第一螺杆挤出机和第一计量泵；
将涤纶母粒经过结晶干燥后进入第二螺杆挤出机和第二计量泵；
使用四叶皮芯喷丝板，使改性涤纶母粒进入喷丝板皮层毛细孔，涤纶母粒进入喷丝板芯层毛细孔；
固化，纺丝，得四叶形皮芯结构负氧离子复合纤维；
其中，所述功能性添加剂包括电气石、蛇纹石、稀土矿物其中的任一种或组合；
其中，对苯二甲酸的加入量为m摩尔，2,5-二羟基对苯二甲酸或2-羟基对苯二甲酸的加入量为n摩尔，其中m:n为6～10:3～6；乙二醇的加入量为m+n摩尔。
4.根据权利要求3所述的四叶形皮芯结构负氧离子纤维的制备方法，其特征在于，所述功能性添加剂包括电气石、蛇纹石、稀土矿物其中的任一种或组合；所述功能性添加剂的添加量为改性共聚涤纶母粒重量的3wt％-10wt％；所述功能性添加剂的粒径为20-200nm。
5.根据权利要求3所述的四叶形皮芯结构负氧离子纤维的制备方法，其特征在于，进入喷丝板皮层毛细孔的改性涤纶母粒和进入喷丝板芯层毛细孔的涤纶母粒质量比为1:1-4。
6.根据权利要求3所述的四叶形皮芯结构负氧离子纤维的制备方法，其特征在于，进入喷丝板皮层毛细孔的改性涤纶母粒和进入喷丝板芯层毛细孔的涤纶母粒质量比为1:1-2。
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