CN113430714B - 一种β晶聚丙烯抗老化土工布及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种β晶聚丙烯抗老化土工布及其制备方法，所述土工布是由上、中、下三层材料经非织造针刺工艺复合而成，所述上层为β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料、中层为聚丙烯机织布材料、下层为波纹型聚丙烯非织造材料，其中上下层非织造材料可为针刺短纤非织造材料或纺粘长丝非织造材料；通过波纹型聚丙烯非织造材料层的波纹面提高土工布的摩擦力，通过聚丙烯机织布应用于土工布的中层，提高土工布的强度，通过将β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料应用于土工布的上层，借助超声外场作用促进聚丙烯晶型尤其是β晶的形成，皮芯层界面间连接稳定，以最低的β晶含量达到良好的抗老化效果。

Description

一种β晶聚丙烯抗老化土工布及其制备方法
技术领域
本发明涉及土工用材料领域，具体为一种β晶聚丙烯抗老化土工布及其制备方法。
背景技术
随着现代交通、水利、建筑等领域的快速发展，对土工布的种类和质量要求也越来越高。聚丙烯纤维作为非织造土工布常用纤维，其具有价格低廉，力学性能优良，耐腐蚀耐酸碱等优势，但其分子结构中存在叔碳原子，在户外紫外线和氧气的作用下极易发生老化，产生变色、硬化和裂开等现象，材料拉伸强度及断裂伸长率等力学性能受损，严重影响了聚丙烯土工布的应用范围。
因此研究改善聚丙烯纤维的抗老化性能具有重大意义，专利CN108754668A公开了一种抗老化聚丙烯纤维及其制备方法，其以抗氧剂、紫外吸收剂、光稳定剂、炭黑改性的聚丙烯为皮层，普通聚丙烯为芯层，具有较好的抗老化性能，但其在皮层加入的其他化学成分过多，一方面影响材料连接性，从而降低产品强度，另一方面也不利于环境保护。专利CN207105798U公开了一种高强度抗老化经编复合土工布，其在每根纤维表面包覆防老化层，效果良好，但是表面改性剂牢度不够且浸渍工艺复杂难以大规模快速生产。研究发现，经β晶结构改性的聚丙烯不易被光线透过，具有抗老化效果，满足土工使用标准。
发明内容
本发明的目的针对目前聚丙烯土工材料存在问题，提供一种β晶聚丙烯抗老化土工布及其制备方法，其中，分别通过熔融纺丝法、非织造纺粘法制备芯层为α晶、皮层为β晶的皮芯结构聚丙烯纤维，并通过超声外场促进晶体形成，将其应用于土工布的上层材料，具有较好的抗老化性能和力学性能，解决上述问题。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种β晶聚丙烯抗老化土工布，所述土工布是由上、中、下三层材料经非织造针刺工艺复合而成，所述上层为β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料、中层为聚丙烯机织布材料、下层为波纹型聚丙烯非织造材料；所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料为针刺短纤非织造材料或纺粘长丝非织造材料，所述针刺短纤非织造材料、纺粘长丝非织造材料均是由β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维制成；所述聚丙烯机织布由α晶聚丙烯纤维制成，所述波纹型聚丙烯非织造材料可为针刺短纤非织造材料或纺粘长丝非织造材料，由常规α晶聚丙烯纤维制成，其波纹面由热凹凸辊作用制成。
进一步的，所述土工布面密度为200-300g/m2，其中β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料和波纹型聚丙烯非织造材料的面密度为50-75g/m2，聚丙烯机织布的面密度为100-150g/m2。
进一步的，所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维是由晶型较小结构质密的α晶聚丙烯和晶型较大结构疏松的β晶聚丙烯组成；以强度高的α晶聚丙烯为芯层，以抗老化效果及韧性优良的β晶聚丙烯为皮层，所述皮层包覆在芯层上。
进一步的，所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维是由质量分数为30-50%皮层与质量分数为50-70%芯层组成；所述皮层的配方是由α晶聚丙烯母粒与β成核剂熔融混合而成，所述α晶聚丙烯占皮层总质量的99.3-99.7%，所述β成核剂占皮层总质量的0.3-0.7%；所述芯层的材料为α晶聚丙烯母粒。
进一步的，一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，具体如下：
（1）将α晶聚丙烯与β成核剂按皮层配方的比例装入双螺杆挤出机中，在一区温度150-170℃、二区温度180-200℃、三区温度200-230℃、四区温度230-250℃，螺杆转速50-80r/min的条件下均匀混合挤出造粒，并反复混合3-5次，制得皮层材料；
（2）先结合熔融纺丝工艺、超声处理工艺，再采用非织造针刺短纤工艺或纺粘长丝工艺制备β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料；
（3）在β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料与波纹型聚丙烯非织造材料间夹入聚丙烯机织布材料形成上、中、下三层结构，并经针刺复合制得β晶聚丙烯抗老化土工布。
进一步的，所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料为针刺短纤非织造材料；所述步骤（2）中以非织造针刺短纤工艺制备β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料，具体工艺如下：
（a）按β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维的配方分别将皮层与芯层的材料分别喂入熔融纺丝机的皮层和芯层纺丝料斗，经纺丝双螺杆挤出机熔融挤出、纺丝箱体出丝后，获得皮芯结构聚丙烯长丝；其中皮层螺杆各温区温度依次为180-200℃/190-210℃/200-220℃/190-210℃/190-210℃，芯层螺杆各温区温度依次为210-230℃/220-240℃/230-250℃/220-240℃/220-240℃，纺丝箱温度为244-276℃；
（b）在纺丝牵伸辊牵伸下，将初步定型的皮芯结构聚丙烯长丝经超声频率20-25kHz，超声距离2-5cm，超声温度40-80℃的纺丝超声槽机械振动传递能量，进一步分散成核剂，并促进晶区尤其是β晶的形成；
（c）超声后的皮芯结构聚丙烯长丝经集束，上油，牵伸，紧张热定型，卷曲，松弛热定型后切断为38-51mm的β晶皮芯型抗老化聚丙烯短纤；
（d）将38-51mm的β晶皮芯型抗老化聚丙烯短纤开松梳理后针刺制得针刺短纤非织造材料。
进一步的，所述波纹型聚丙烯针刺非织造材料为常规α晶聚丙烯短纤开松梳理后针刺，经热凹凸辊作用制得。
进一步的，所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料为纺粘长丝非织造材料，所述步骤（2）中以纺粘长丝工艺制备β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料，具体工艺如下：
（a）按β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维的配方分别将皮层与芯层的材料喂入纺粘设备的皮层和芯层纺粘料斗，经纺粘双螺杆挤出机熔融挤出、纺丝箱体出丝后，获得皮芯结构聚丙烯长丝；其中皮层螺杆各温区温度依次为180-200℃/190-210℃/200-220℃/190-210℃/190-210℃，芯层螺杆各温区温度依次为210-230℃/220-240℃/230-250℃/220-240℃/220-240℃，纺丝箱温度为244-276℃，侧吹风温度17-20℃；
（b）在纺粘牵伸辊牵伸下，将步骤（a）中初步定型的皮芯结构聚丙烯长丝经超声频率20-25kHz，超声距离2-5cm，超声温度40-80℃的纺粘超声槽机械振动传递能量，进一步分散成核剂，并促进晶区中的β晶的形成；
（c）将超声后的皮芯结构聚丙烯长丝经抽吸后加固后，再经过纺粘熔融设备皮芯纺丝铺网制得纺粘长丝非织造材料。
进一步的，所述波纹型聚丙烯针刺非织造材料为将α晶聚丙烯由纺粘熔融设备纺丝铺网后经热凹凸辊作用制得。
与现有技术相比，采用了上述技术方案的一种β晶聚丙烯抗老化土工布，
β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料中β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维有效结合了聚丙烯α晶的强度和β晶的抗老化和韧性特点，制备出的β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维结构的连接性能良好；在超声外场作用下进一步促进了聚丙烯的结晶，提高β晶皮芯型抗老化聚丙烯长丝的抗老化性能、力学性能；将β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料应用于土工布的上层，以最低的β晶含量达到良好的抗老化效果，将聚丙烯机织布应用于土工布的中层，提高土工布的强度，波纹型聚丙烯非织造材料应用于土工布的下层，通过其波纹面提高土工布的的摩擦力，使其更加防滑，整体制备方法简单，可实现大规模生产。
附图说明
图1为土工布的结构示意图；
图2为β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维的结构示意图；
图3为熔融纺丝法制备β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维的工序示意图；
图4为纺粘法制备β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料的工序示意图；
附图标记：1、β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料；2、聚丙烯机织布材料；3、波纹型聚丙烯非织造材料；4、皮层；5、芯层；6、纺丝料斗；7、纺丝双螺杆挤出机；8、纺丝喷丝板；9、纺丝超声槽；10、纺丝牵伸辊；11、导丝装置；12、卷绕筒；13、纺粘料斗；14、纺粘双螺杆挤出机；15、纺粘喷丝板；16、侧吹风装置；17、气流分丝装置；18、纺粘超声槽；19、纺粘牵伸辊；20、抽吸装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1-2所示，一种β晶聚丙烯抗老化土工布，所述土工布是由上、中、下三层材料经非织造针刺工艺复合而成，所述上层为β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料1、中层为聚丙烯机织布材料2、下层为波纹型聚丙烯非织造材料3；所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料1为针刺短纤非织造材料或纺粘长丝非织造材料，针刺短纤非织造材料、纺粘长丝非织造材料均是由β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维制成；所述聚丙烯机织布2由α晶聚丙烯纤维制成，有效提高土工布强度；所述波纹型聚丙烯非织造材料3可为针刺短纤非织造材料或纺粘长丝非织造材料，由常规α晶聚丙烯纤维制成，其波纹面由热凹凸辊作用制成，提高摩擦力。
所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维是由晶型较小结构质密的α晶聚丙烯和晶型较大结构疏松的β晶聚丙烯组成；以强度高的α晶聚丙烯为芯层5，以抗老化效果及韧性优良的β晶聚丙烯为皮层4，所述皮层4包覆在芯层5上。
所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯长丝的配方是由质量分数为30-50%皮层4与质量分数为50-70%芯层5组成，所述皮层4的配方是由α晶聚丙烯与β成核剂混合而成，所述α晶聚丙烯占皮层4总质量的99.3-99.7%，所述β成核剂占皮层4总质量的0.3-0.7%。所述芯层5的材料为α晶聚丙烯母粒。
所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维经超声外场作用促进了聚丙烯晶型尤其是皮层4β晶的形成，皮芯层5界面间连接稳定，提升了纤维的抗老化能力和力学性能。
实例1
一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，具体如下：
（1）将质量分数99.5%的α晶聚丙烯与质量分数0.5%的β成核剂装入双螺杆挤出机中，在一区温度150℃、二区温度180℃、三区温度200℃、四区温度230℃，螺杆转速60r/min的条件下均匀混合挤出造粒，并反复混合4次，制得皮层4材料；
（2）将质量分数为40%的皮层4材料与质量分数为60%的芯层5材料分别喂入熔融纺丝机的皮层4和芯层5纺丝料斗6，经纺丝双螺杆挤出机7熔融挤出、纺丝箱体出丝后，获得皮芯结构聚丙烯长丝；其中皮层4螺杆各温区温度依次为180℃/190℃/200℃/185℃/185℃，芯层5螺杆各温区温度依次为230℃/240℃/250℃/235℃/235℃，纺丝箱温度为244℃；
（3）在纺丝牵伸辊10牵伸下，将步骤（2）中初步定型的皮芯结构聚丙烯长丝经超声频率20kHz，超声距离3cm，超声温度50℃的纺丝超声槽9机械振动传递能量，进一步分散成核剂，并促进晶区中的β晶的形成；
（4）超声后的皮芯结构聚丙烯长丝经经集束，上油，牵伸，紧张热定型，卷曲，松弛热定型后切断为51mm。
（5）将51mm的β晶皮芯型抗老化聚丙烯短纤开松梳理后针刺制得针刺短纤非织造材料，将38mm的常规α晶聚丙烯短纤开松梳理后针刺，经热凹凸辊作用制得波纹型聚丙烯针刺非织造材料，在波纹型聚丙烯针刺非织造材料和针刺短纤非织造材料之间夹入聚丙烯机织布材料2形成上、中、下三层结构，并经针刺复合，制得β晶聚丙烯抗老化土工布。
实例2
一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，具体如下：
（1）将质量分数99.4%的α晶聚丙烯与质量分数0.6%的β成核剂装入双螺杆挤出机中，在一区温度170℃、二区温度200℃、三区温度230℃、四区温度250℃，螺杆转速70r/min的条件下均匀混合挤出造粒，并反复混合5次，制得皮层4材料；
（2）将质量分数为50%的皮层4材料与质量分数为50%的芯层5材料分别喂入纺粘设备的皮层4和芯层5纺粘料斗13，经纺粘双螺杆挤出机14熔融挤出、纺丝箱体出丝后，获得皮芯结构聚丙烯长丝；其中皮层4螺杆温度为180℃/190℃/200℃/185℃/185℃，芯层5螺杆温度为230℃/240℃/250℃/235℃/235℃，纺丝箱温度为256℃，侧吹风温度20℃，侧吹风装置16的侧吹风温度17-20℃；
（3）在纺粘牵伸辊19牵伸下，将步骤（2）中初步定型的皮芯结构聚丙烯长丝经超声频率25kHz，超声距离4cm，超声温度70℃的纺粘超声槽18机械振动传递能量，进一步分散成核剂，并促进晶区中的β晶的形成；
（4）超声后的皮芯聚丙烯长丝经抽吸后加固后，再经过纺粘熔融设备皮芯纺丝铺网制得纺粘长丝非织造材料，将α晶聚丙烯由纺粘熔融设备纺丝铺网后经热凹凸辊作用制得波纹型聚丙烯纺粘非织造材料，在波纹型聚丙烯纺粘非织造材料和纺粘长丝非织造材料之间夹入聚丙烯机织布材料2形成上、中、下三层结构，并经针刺复合，制得β晶聚丙烯抗老化土工布。
实例3
一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，具体如下：
（1）将质量分数99.3%的α晶聚丙烯与质量分数0.7%的β成核剂装入双螺杆挤出机中，在一区温度160℃、二区温度190℃、三区温度215℃、四区温度245℃，螺杆转速80r/min的条件下均匀混合挤出造粒，并反复混合5次，制得皮层4材料；
（2）将质量分数为30%的皮层4材料与质量分数为70%的芯层5材料分别喂入纺粘设备的皮层4和芯层5纺粘料斗13，经纺粘双螺杆挤出机14熔融挤出、纺丝箱体出丝后，获得皮芯结构聚丙烯长丝；其中皮层4螺杆温度为180℃/190℃/200℃/185℃/185℃，芯层5螺杆温度为230℃/240℃/250℃/235℃/235℃，纺丝箱温度为270℃，侧吹风温度20℃，侧吹风装置16的侧吹风温度17-20℃；
（3）在纺粘牵伸辊19牵伸下，将步骤（2）中初步定型的皮芯结构聚丙烯长丝经超声频率23kHz，超声距离5cm，超声温度80℃的纺粘超声槽18机械振动传递能量，进一步分散成核剂，并促进晶区中的β晶的形成；
（4）超声后的皮芯结构聚丙烯长丝经抽吸后加固后，再经过纺粘熔融设备皮芯纺丝铺网制得纺粘长丝非织造材料，将α晶聚丙烯由纺粘熔融设备纺丝铺网后经热凹凸辊作用制得波纹型聚丙烯纺粘非织造材料，在波纹型聚丙烯纺粘非织造材料和纺粘长丝非织造材料之间夹入聚丙烯机织布材料2形成上、中、下三层结构，并经针刺复合，制得β晶聚丙烯抗老化土工布。
上述实例1-3中，所述β晶聚丙烯抗老化土工布面密度为200-300g/m2，其中β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料1和波纹型聚丙烯非织造材料3的面密度为50-75g/m2，聚丙烯机织布2的面密度为100-150g/m2。
以上是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，其特征在于：所述β晶聚丙烯抗老化土工布是由上、中、下三层材料经非织造针刺工艺复合而成，上层为β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料、中层为聚丙烯机织布材料、下层为波纹型聚丙烯非织造材料；所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料为针刺短纤非织造材料或纺粘长丝非织造材料，所述针刺短纤非织造材料、纺粘长丝非织造材料均是由β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维制成；所述聚丙烯机织布由α晶聚丙烯纤维制成，所述波纹型聚丙烯非织造材料为针刺短纤非织造材料或纺粘长丝非织造材料，由常规α晶聚丙烯纤维制成，其波纹面由热凹凸辊作用制成；
所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维是由晶型较小结构质密的α晶聚丙烯和晶型较大结构疏松的β晶聚丙烯组成；以强度高的α晶聚丙烯为芯层，以抗老化效果及韧性优良的β晶聚丙烯为皮层，所述皮层包覆在芯层上；
β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，具体步骤如下：
（1）将α晶聚丙烯与β成核剂按皮层配方的比例装入双螺杆挤出机中，在一区温度150-170℃、二区温度180-200℃、三区温度200-230℃、四区温度230-250℃，螺杆转速50-80r/min的条件下均匀混合挤出造粒，并反复混合3-5次，制得皮层材料；
（2）先结合熔融纺丝工艺、超声处理工艺，再采用非织造针刺短纤工艺或纺粘长丝工艺制备β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料；
（3）在β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料与波纹型聚丙烯非织造材料间夹入聚丙烯机织布材料形成上、中、下三层结构，并经针刺复合制得β晶聚丙烯抗老化土工布；
所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料为针刺短纤非织造材料；
所述步骤（2）中以非织造针刺短纤工艺制备β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料，具体工艺步骤如下：
（a）按β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维的配方分别将皮层与芯层的材料分别喂入熔融纺丝机的皮层和芯层纺丝料斗，经纺丝双螺杆挤出机熔融挤出、纺丝箱体出丝后，获得皮芯结构聚丙烯长丝；其中皮层螺杆各温区温度依次为180-200℃/190-210℃/200-220℃/190-210℃/190-210℃，芯层螺杆各温区温度依次为210-230℃/220-240℃/230-250℃/220-240℃/220-240℃，纺丝箱温度为244-276℃；
（b）在纺丝牵伸辊牵伸下，将初步定型的皮芯结构聚丙烯长丝经超声频率20-25kHz，超声距离2-5cm，超声温度40-80℃的纺丝超声槽机械振动传递能量，进一步分散成核剂，并促进晶区β晶的形成；
（c）超声后的皮芯结构聚丙烯长丝经集束，上油，牵伸，紧张热定型，卷曲，松弛热定型后切断为38-51mm的β晶皮芯型抗老化聚丙烯短纤；
（d）将38-51mm的β晶皮芯型抗老化聚丙烯短纤开松梳理后针刺制得针刺短纤非织造材料；
所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料为纺粘长丝非织造材料，
所述步骤（2）中以纺粘长丝工艺制备β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料，具体工艺步骤如下：
（a）按β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维的配方分别将皮层与芯层的材料喂入纺粘设备的皮层和芯层纺粘料斗，经纺粘双螺杆挤出机熔融挤出、纺丝箱体出丝后，获得皮芯结构聚丙烯长丝；其中皮层螺杆各温区温度依次为180-200℃/190-210℃/200-220℃/190-210℃/190-210℃，芯层螺杆各温区温度依次为210-230℃/220-240℃/230-250℃/220-240℃/220-240℃，纺丝箱温度为244-276℃，侧吹风温度17-20℃；
（b）在纺粘牵伸辊牵伸下，将步骤（a）中初步定型的皮芯结构聚丙烯长丝经超声频率20-25kHz，超声距离2-5cm，超声温度40-80℃的纺粘超声槽振动传递能量，进一步分散成核剂，并促进晶区中的β晶的形成；
（c）将超声后的皮芯结构聚丙烯长丝经抽吸后加固后，再经过纺粘熔融设备皮芯纺丝铺网制得纺粘长丝非织造材料。
2.根据权利要求1所述的一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，其特征在于：所述土工布面密度为200-300g/m2，其中β晶皮芯型抗老化聚丙烯非织造材料和波纹型聚丙烯非织造材料的面密度为50-75g/m2，聚丙烯机织布的面密度为100-150g/m2。
3.根据权利要求1所述的一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，其特征在于：所述β晶皮芯型抗老化聚丙烯纤维是由质量分数为30-50%皮层与质量分数为50-70%芯层组成；所述皮层的配方是由α晶聚丙烯母粒与β成核剂熔融混合而成，所述α晶聚丙烯占皮层总质量的99.3-99.7%，所述β成核剂占皮层总质量的0.3-0.7%；所述芯层的材料为α晶聚丙烯母粒。
4.根据权利要求1所述的一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，其特征在于：所述波纹型聚丙烯针刺非织造材料为常规α晶聚丙烯短纤开松梳理后针刺，经热凹凸辊作用制得。
5.根据权利要求1所述的一种β晶聚丙烯抗老化土工布的制备方法，其特征在于：所述波纹型聚丙烯针刺非织造材料为将α晶聚丙烯由纺粘熔融设备纺丝铺网后经热凹凸辊作用制得。
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