CN114059182A - 一种芳纶纤维及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种芳纶纤维及其制备方法和应用，该芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：将芳纶聚合物输送至喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，得到纤维；将纤维经过三级拉伸、水洗、第二次拉伸、烘干、定型、第三次拉伸，即得芳纶纤维；三级拉伸的每一级拉伸倍数为1～1.2倍，每一级拉伸的拉伸液包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物。本发明制备得到的芳纶纤维强度达到3.5cn/dtex以上，模量为60～130cn/dtex，截面是不规则的扁圆形或豆型，由于芳纶纤维具有不规则形状，比表面积较大，有着更大的接触面积和更好的抱合力，在造纸领域和过滤行业有着非常卓越的优点。
Description
技术领域
本发明涉及芳纶纤维制备技术领域，尤其涉及一种芳纶纤维及其制备方法和应用。
背景技术
芳纶纤维全称为“芳香族聚酰胺纤维”，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的耐温性、热稳定性、阻燃性、绝缘性能和抗老化性能。广泛应用于航空、航天、国防工业、汽车工业、耐热及防护服装、制作丝绳、运动器材以及复合材料的增强体。
目前国内芳纶纤维的截面是圆形，圆形的纤维的比表面积较小，抱合力差等缺陷，从而限制了芳纶纤维的使用。
基于此有必要提供一种芳纶纤维的制备方法以克服目前的芳纶纤维存在的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种芳纶纤维及其制备方法和应用，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
将芳纶聚合物输送至喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，得到纤维；
将纤维经过三级拉伸、水洗、第二次拉伸、烘干、定型、第三次拉伸，即得芳纶纤维；
其中，所述三级拉伸的每一级拉伸倍数为1～1.2倍，每一级拉伸的拉伸液包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，所述拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为10～30％、丁二醇的质量浓度为0～20％。
优选的是，所述的芳纶纤维的制备方法，所述第二次拉伸具体为：于温度为90～100℃的水中拉伸，拉伸倍数为1.5～2倍。
优选的是，所述的芳纶纤维的制备方法，所述第三拉伸具体为：于温度为 270～300℃下拉伸1.5～2倍；
所述烘干的温度为100～120℃；
所述定型的温度为270～300℃。
优选的是，所述的芳纶纤维的制备方法，所述高温成型液的温度为 30～85℃，所述高温成型液包括氯化钙、丁二醇和水的混合物，所述高温成型液中氯化钙的质量浓度为20～50％、丁二醇的质量浓度为0～20％。
优选的是，所述的芳纶纤维的制备方法，所述室温成型液包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，其中，所述室温成型液中二甲基乙酰胺的质量浓度为10～60％、丁二醇的质量浓度为0～20％。
优选的是，所述的芳纶纤维的制备方法，所述喷丝头的孔数为 1000～5000，所述喷丝头的孔径为0.05～0.3mm。
优选的是，所述的芳纶纤维的制备方法，将芳纶聚合物输送至喷丝头之前还包括：将芳纶聚合物通过过滤介质过滤，真空脱泡，然后于20～70℃保存后，再通过纺前过滤器过滤，其中，过滤介质为烧结毡滤芯，过滤介质的目数为200～500目。
优选的是，所述的芳纶纤维的制备方法，所述芳纶聚合物的制备方法包括以下步骤：
将间苯二胺加到酰胺类极性有机溶剂中得到混合溶液；
将相当于间苯二胺当量70～80％的间苯二甲酰氯加入至混合溶液进行第一次聚合反应，并和氨气进行中和反应，过滤后收集滤液；
将余下的20～30％的间苯二甲酰氯加入至滤液中进行第二次聚合反应，反应后使用碱土金属氧化物或碱土金属氢氧化物中和。
第二方面，本发明还提供了一种芳纶纤维，采用所述的制备方法制备得到。
第三方面，本发明还提供了一种所述的芳纶纤维在造纸领域、制备滤材中的应用。
本发明的一种芳纶纤维的制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的芳纶纤维的制备方法，通过将芳纶聚合物输送至喷丝头后，首先在高温成型液里面首次成型，然后经过室温的成型液二次成型，此时的纤维已经具备一定的强度，然后经过三级拉伸，赋予纤维更高的强度，再把经过拉伸的纤维通过高效水洗机洗涤干净，然后进行第二次拉伸，再进入干燥区干燥，再进入结晶机机结晶定型，并同时拉伸，即第三次拉伸，制备得到的芳纶纤维的的截面是非圆形，本发明制备得到的芳纶纤维强度达到3.5cn/dtex以上，模量为60～130cn/dtex，截面是不规则的扁圆形或豆型，由于芳纶纤维具有不规则形状，比表面积非常大，有着更大的接触面积和更好的抱合力，在造纸领域和过滤行业有着非常卓越的优点；采用本发明的芳纶纤维为原料制备的纸页在抗张强度、断裂强度、电气性能方面有着其他同类纤维无可超越的性能。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1、将芳纶聚合物输送至喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，得到纤维；
S2、将纤维经过三级拉伸、水洗、第二次拉伸、烘干、定型、第三次拉伸，即得芳纶纤维；
其中，三级拉伸的每一级拉伸倍数为1～1.2倍，每一级拉伸的拉伸液包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，所述拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为10～30％、丁二醇的质量浓度为0～20％。
需要说明的是，本申请的芳纶纤维的制备方法，通过将芳纶聚合物输送至喷丝头后，首先在高温成型液里面首次成型，然后经过室温的成型液二次成型，此时的纤维已经具备一定的强度，然后经过三级拉伸，赋予纤维更高的强度，再把经过拉伸的纤维通过高效水洗机洗涤干净，然后进行第二次拉伸，再进入干燥区干燥，再进入结晶机机结晶定型，并同时拉伸，即第三次拉伸，制备得到的芳纶纤维的的截面是非圆形，具体的，截面为扁圆形或豆型；其中三级拉伸均在室温25℃下进行，每一级拉伸的拉伸液均包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，每一级拉伸倍数为1～1.2倍。本发明制备得到的芳纶纤维强度达到3.5cn/dtex以上，模量为60～130cn/dtex，截面是不规则的扁圆形或豆型，由于芳纶纤维具有不规则形状，比表面积非常大，有着更大的接触面积和更好的抱合力，在造纸领域和过滤行业有着非常卓越的优点。本纤维造成的纸页在抗张强度、断裂强度、电气性能方面有着其他同类纤维无可超越的性能。
在一些实施例中，第二次拉伸具体为：于温度为90～100℃的水中拉伸，拉伸倍数为1.5～2倍。即第二次拉伸即为热水拉伸。第二次拉伸是为了把纤维里面残留的微量溶剂在高温的水浴中进一步清洗干净，经过高温水浴拉伸处理的纤维的有机溶剂的含量低于500ppm，并让纤维进一步紧密。
在一些实施例中，第三次拉伸具体为：于温度为270～300℃下拉伸1.5～2 倍；
烘干的温度为100～120℃；
定型的温度为270～300℃。
上述实施例中，烘干目的是把纤维中的水分蒸发掉。
在上述实施例中，第三次拉伸即为高温拉伸，在温度为270～300℃的结晶机结晶定型的同时，进行第三次拉伸。由于纤维的玻璃化温度为270℃，没有经过高于玻璃化温度和拉伸同时处理的纤维还是无定形结构，经过高于玻璃化温度和拉伸同时处理的纤维，高度结晶、耐温性能和机械性能得以提高。
在一些实施例中，高温成型液的温度为30～85℃，所述高温成型液包括氯化钙、丁二醇和水的混合物，高温成型液中氯化钙的质量浓度为20～50％、丁二醇的质量浓度为0～20％。
在一些实施例中，室温成型液包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，其中，所述室温成型液中二甲基乙酰胺的质量浓度为10～60％、丁二醇的质量浓度为0～20％。具体的，室温成型液的温度即为室温25℃。
在一些实施例中，喷丝头的孔数为1000～5000，喷丝头的孔径为 0.05～0.3mm。
具体的，喷丝头为球面喷丝头。
在一些实施例中，将芳纶聚合物输送至喷丝头之前还包括：将芳纶聚合物通过过滤介质过滤，真空脱泡，然后于20～70℃保存后，再通过纺前过滤器过滤，其中，过滤介质为烧结毡滤芯，过滤介质的目数为200～500目。
在一些实施例中，三级拉伸的每级拉伸液均包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，三级拉伸中第一级拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为20％、丁二醇的质量浓度为10％、余下的为水，倍数为1.1、第二级拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为15％、丁二醇的质量浓度为8％、余下的为水，倍数为1.2、第三级拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为10％、丁二醇的质量浓度为5％、余下的为水，倍数为1.2。通过三级不同浓度、不同拉伸倍数的拉伸，可以让皮芯结构的纤维在一个比较温和的条件下，溶剂均匀扩散，纤维均匀凝固，慢慢演变成致密的纤维结构。
在一些实施例中，芳纶聚合物的制备方法包括以下步骤：
将间苯二胺加到酰胺类极性有机溶剂中得到混合溶液；
将相当于间苯二胺当量70～80％的间苯二甲酰氯加入至混合溶液进行第一次聚合反应，过滤后，收集滤液；
将余下的20～30％的间苯二甲酰氯加入至滤液中进行第二次聚合反应，反应后使用碱土金属氧化物或碱土金属氢氧化物中和。
具体的，上述芳纶聚合物的制备方法为：在聚合釜中加入一定量的极性酰胺类有机溶剂，加入间苯二胺于0～20℃下进行溶解，溶解充分后把温度降低到 -10～10℃，加入相当于间苯二胺当量70-80％间苯二甲酰氯，发生第一次聚合反应，反应过程放热，通过冷媒把体系温度控制在低于10度。聚合的过程是激烈的放热反应，必须控制好温度，温度太高，会发生很多的副反应，影响聚合物的性能。第一次聚合反应后生成副产物氯化氢用氨气中和，通过通用的过滤把中和产物氯化铵除掉，把滤液(第一次聚合生成的芳纶低分子)输送到次级聚合釜，把剩余的20-30％的间苯二甲酰氯加入进行第二次聚合反应，二次反应生成的氯化氢用碱土金属氧化物、氢氧化物发生中和反应，反应时控制温度低于 70度。所用的酰胺类有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等，碱土金属氧化物包括CaO、MgO等，碱土金属氢氧化物包括Ca(OH)2、Mg(OH)2等。
上述方法制备得到的芳纶聚合物的浓度为10～22wt％、[η]＝1.2-2.0、PH值＝6.8～7.0、还含有2～3wt％的盐，如氯化钙。由于聚合物中含有盐，对聚合物的稳定性有很大的帮助，故溶液可以长期保存在低于70度，而不是低温中。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述制备得到的芳纶纤维在造纸领域、制备滤材中的应用。
具体的，采用上述制备得到的芳纶纤维制备纸页具体包括以下步骤：
将芳纶纤维在水中分散疏解，制成质量浓度为0.3-0.8％的芳纶短切纤维浆料；
将芳纶沉析纤维在水中分散疏解、盘磨直至叩解度为50-65°SR、制成质量浓度为1-2％的芳纶沉析纤维浆料；
将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料混合后，进行上网抄造成纸，将上网抄造的芳纶纸在温度为240-300℃，压力为1-6Mpa，轧速为3-20m/min下经压光成型，即制备得到纸页；
其中，芳纶沉析纤维可采用间位芳纶1313，芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料的质量比为(5～40):(60～95)。
以下进一步以具体实施例说明本申请的芳纶纤维的制备方法。
实施例1
本申请实施例提供了一种芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备芳纶聚合物，具体制备方法为：
在充氮的釜式反应器中，将1重量份的聚合级间苯二胺加到9.3重量份的干燥的二甲基乙酰胺中，温度控制在0～20℃，然后加入1.504重量份的间苯二甲酰氯进行第一次聚合反应，生成的氯化氢用氨气中和反应，系统温度控制低于 10度，过滤后，取滤液(即反应生成的芳纶聚合低聚物)；
将滤液输送到次级聚合釜，再次加入0.374重量份的间苯二甲酰氯，进行第二次聚合反应，反应完成后用氢氧化钙中和聚合物的氯化氢，最终得到的芳纶聚合物的质量浓度为15.6wt％、[η]＝1.9、PH值为6.97、含氯化钙质量浓度为 1.83％；
S2、将S1中得到的芳纶聚合物于压滤机过滤，真空脱泡后，然后通过孔数为3000、孔径为0.15mm的喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，得到纤维；
S3、将纤维经过三级拉伸、水洗、第二次拉伸、烘干、定型、第三次拉伸，即得芳纶纤维；
其中，高温成型液的温度为80℃，高温成型液包括氯化钙、丁二醇和水的混合物，高温成型液中氯化钙的质量浓度为45％、丁二醇的质量浓度为20％、余下的为水；
室温成型液包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，其中，室温成型液中二甲基乙酰胺的质量浓度为52％、丁二醇的质量浓度为10％，,室温成型液的温度为25℃；
其中，三级拉伸的每级拉伸液均包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，三级拉伸中第一级拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为20％、丁二醇的质量浓度为10％、余下的为水，倍数为1.1、第二级拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为15％、丁二醇的质量浓度为8％、余下的为水，倍数为1.2、第三级拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为10％、丁二醇的质量浓度为5％、余下的为水，倍数为1.2；
第二次拉伸为使用95℃的水拉伸，拉伸倍数为1.8；
烘干温度为110℃；
定型和第三次拉伸具体为：于350℃的结晶机中结晶定型，并同时给与1.9 倍的拉伸。
实施例1制备得到的芳纶纤维的纤度为2.7Dtex、强度为3.7cn/dtex、伸长率为30％，芳纶纤维截面在电镜下是扁圆型。
应用例1
本应用例提供了一种纸页的制备方法，包括以下步骤：
将实施例1中制备得到的芳纶纤维在水中分散疏解，制成质量浓度为0.6％的芳纶短切纤维浆料；
将芳纶沉析纤维在水中分散疏解、盘磨直至叩解度为50°SR、制成质量浓度为1％的芳纶沉析纤维浆料；
将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料混合后，进行上网抄造成纸，将上网抄造的芳纶纸在温度为280℃，压力为4Mpa，轧速为15m/min下经压光成型，制备得到厚度为0.037mm的纸页；
其中，芳纶沉析纤维可采用间位芳纶1313，芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料的质量比为55:45。
应用例2
本应用例提供了一种纸页的制备方法，包括以下步骤：
将实施例1中制备得到的芳纶纤维在水中分散疏解，制成质量浓度为0.8％的芳纶短切纤维浆料；
将芳纶沉析纤维在水中分散疏解、盘磨直至叩解度为55°SR、制成质量浓度为2％的芳纶沉析纤维浆料；
将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料混合后，进行上网抄造成纸，将上网抄造的芳纶纸在温度为300℃，压力为6Mpa，轧速为10m/min下经压光成型，制备得到0.052mm的纸页；
其中，芳纶沉析纤维可采用间位芳纶1313，芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料的质量比为40:60。
分别测试应用例1中制备得到的纸页、以及国内2个市售纸页样品的性能，结果如下表1所示。
表1-不同纸页的性能
从表1中可以，应用例1中制备得到的纸页纵向抗张强度、介电强度均优于国内2个市售纸页样品，说明采用本申请的芳纶纤维为原料制备的纸页在抗张强度、断裂强度、电气性能方面有着其他同类纤维无可超越的性能。
分别测试应用例2中制备得到的纸页、国内2个市售纸页样品、以及杜邦公司的纸页的性能，结果如下表2所示。
表2-不同纸页的性能
从表2中可以，应用例2中制备得到的纸页纵向抗张强度、介电强度均优于国内2个市售纸页样品以及杜邦公司的纸页，说明采用本申请的芳纶纤维为原料制备的纸页在抗张强度、断裂强度、电气性能方面有着其他同类纤维无可超越的性能。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种芳纶纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将芳纶聚合物输送至喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，得到纤维；
将纤维经过三级拉伸、水洗、第二次拉伸、烘干、定型、第三次拉伸，即得芳纶纤维；
其中，所述三级拉伸的每一级拉伸倍数为1～1.2倍，每一级拉伸的拉伸液包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，所述拉伸液中二甲基乙酰胺的质量浓度为10～30％、丁二醇的质量浓度为0～20％。
2.如权利要求1所述的芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述第二次拉伸具体为：于温度为90～100℃的水中拉伸，拉伸倍数为1.5～2倍。
3.如权利要求1所述的芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述第三拉伸具体为：于温度为270～300℃下拉伸1.5～2倍；
所述烘干的温度为100～120℃；
所述定型的温度为270～300℃。
4.如权利要求1所述的芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述高温成型液的温度为30～85℃，所述高温成型液包括氯化钙、丁二醇和水的混合物，所述高温成型液中氯化钙的质量浓度为20～50％、丁二醇的质量浓度为0～20％。
5.如权利要求1所述的芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述室温成型液包括二甲基乙酰胺、丁二醇和水的混合物，其中，所述室温成型液中二甲基乙酰胺的质量浓度为10～60％、丁二醇的质量浓度为0～20％。
6.如权利要求1所述的芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述喷丝头的孔数为1000～5000，所述喷丝头的孔径为0.05～0.3mm。
7.如权利要求1所述的芳纶纤维的制备方法，其特征在于，将芳纶聚合物输送至喷丝头之前还包括：将芳纶聚合物通过过滤介质过滤，真空脱泡，然后于20～70℃保存后，再通过纺前过滤器过滤，其中，过滤介质为烧结毡滤芯，过滤介质的目数为200～500目。
8.如权利要求1所述的芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述芳纶聚合物的制备方法包括以下步骤：
将间苯二胺加到酰胺类极性有机溶剂中得到混合溶液；
将相当于间苯二胺当量70～80％的间苯二甲酰氯加入至混合溶液进行第一次聚合反应，并经过氨气中和，过滤后，收集滤液；
将余下的20～30％的间苯二甲酰氯加入至滤液中进行第二次聚合反应，反应后使用碱土金属氧化物或碱土金属氢氧化物中和。
9.一种芳纶纤维，其特征在于，采用如权利要求1～8任一所述的制备方法制备得到。
10.一种如权利要求9所述的芳纶纤维在造纸领域、制备滤材中的应用。
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