CN114349947A - 一种纤维阻燃吸湿改性剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了纤维阻燃吸湿改性剂、及其制备方法，所述纤维阻燃高湿改性剂至少包括含羧基和/或羟基的磷阻燃剂的羧基和/或羟基与吐温的羟基之间进行反应所得化合物，所述反应为磷阻燃剂的羧基与吐温的羟基酯化反应、和/或磷阻燃剂的羟基与吐温的羟基进行醚化反应，并且吐温残基中仍存在至少一个羟基。本申请所提供的纤维阻燃吸湿改性剂含有大量具有吸湿基团的羟基官能团，这些羟基官能团可以提升腈纶的吸湿性，并且能够向腈纶等纤维表面扩散富集，获得良好的阻燃性。

Description

一种纤维阻燃吸湿改性剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维改性剂的技术领域，特别腈纶纤维阻燃吸湿改性剂以及所述阻燃吸湿改性剂的制备方法。
背景技术
腈纶(聚丙烯腈纤维)是化学纤维中重要的品种之一，广泛应用于纺织、服装、汽车用座椅、家用窗帘等纺织品领域中。腈纶具有羊毛的特征，如：良好的蓬松性和保暖性、手感柔软，因此有人造羊毛或合成羊毛之称。但是腈纶的弹性、强度和保暖性比羊毛更好，密度比羊毛更小，而且耐日晒性能优异。
随着消费的不断升级，消费者对腈纶等产品提出了更高的性能要求。腈纶在手感上具有羊毛蓬松性，但是腈纶面料吸湿性较差，穿着时会产生闷气感，尤其是夏季穿着时闷热感明显，同时冬季容易产生静电，严重影响穿着舒适性。
消费者希望在满足基本手感舒适的同时，能进一步提升腈纶穿着舒适性，另外提升其安全性。因此开发阻燃高吸湿腈纶变得十分有意义。
中国发明专利CN101845745B公开了一种高吸湿和阻燃多重功能改性腈纶的制造方法，利用化学络合与环化的方法将腈纶直接络合与环化，形成高吸湿阻燃腈纶。首先将腈纶加入到含铜离子水溶液中反应制成含铜离子的腈纶，然后将含铜离子腈纶加入到水合肼和反应助剂组成的混合溶液中浸泡一定时间，然后将腈纶挤干或甩干成含一定水溶液量腈纶，放入到高温高压汽蒸定型锅内在高温度条件下干蒸或汽蒸一定时间，制成高吸湿阻燃腈纶。该方法只需要一台简单的高温高压汽蒸定型锅及很少的配套工艺与设备，就可以把腈纶处理成高吸湿阻燃腈纶，大大简化了现有高吸湿阻燃腈纶制造技术；并且生产工艺简单，设备投资少，生产成本低，容易实现工业化。
中国发明专利CN113073396A公开了具有阻燃功能的纤维材料及其制备方法和用途，将聚丙烯腈、多羟基大分子混合于二甲亚砜中，脱泡后纺丝，以去离子水作凝固浴得到复合纤维；浸渍于阻燃整理液中，干燥烘焙，再洗涤干燥得到阻燃纤维，其中，多羟基大分子为牡荆素。纤维力学性能好，断裂强度达到了2.1cN/dtex以上，断裂伸长率达到了38.5％以上；阻燃整理效果好，增重率达到了15％以上；阻燃效果好，极限氧指数达到了28％以上，剩碳率达到了4％以上；吸湿率好，吸湿率达到了5％以上。
中国发明专利CN112746347A公开了一种无卤阻燃聚丙烯腈纤维的制备方法。该方法主要包括：将无卤含磷氮阻燃剂加热融化，然后与聚丙烯腈纺丝原液搅拌共混，经湿法纺丝后，再经交联水解，制得。本发明的制备方法使得无卤有机磷氮类阻燃剂能很好地均匀稳定地分散于纺丝原液中，从而在纺丝时有效避免了堵孔现象的产生，极大地延长了纺丝更换喷头的周期。同时，在阻燃腈纶纤维纺丝过程热牵伸工序后进一步对纤维表面进行先交联后碱水解的化学改性，制得的腈纶纤维的阻燃性LOI≥26％，并且改善了腈纶纤维的吸湿性。
从以上的公开资料可以看出，现有的为了实现阻燃高吸湿性能，主要是通过腈纶的后处理方法或在腈纶纺丝液中通过引入改性组分进行共混纺丝。但是后处理的方法存在耐久性的问题，并且上述后处理过程中形成的微交联的结构会降低腈纶原有的蓬松手感。在腈纶纺丝液中添加改性组分进行共混纺丝是可以提升其性能，但是由于纺丝液中组分化学性质的差异很难实现均匀分散，往往需要添加很多助剂才能改善分散性，并且为了达到均匀分散，所带来的问题就是改性组分的添加量都比较高，导致腈纶的可纺性下降。
发明内容
本申请提供一种纤维阻燃吸湿改性剂及其制备方法，采用本发明提供的技术方案解决了目前腈纶共混纺丝中改性组分添加量大导致可纺性下降等技术问题，提供了功能性腈纶开发的新的技术方法。
本申请第一方面是提供一种纤维阻燃吸湿改性剂，尤其是腈纶纤维阻燃吸湿改性剂。
其中，所述纤维阻燃吸湿改性剂，至少包括含羧基和/或羟基的磷阻燃剂的羧基和/或羟基与吐温的羟基之间进行反应所得化合物，所述反应为磷阻燃剂的羧基与吐温的羟基酯化反应、和/或磷阻燃剂的羟基与吐温的羟基进行醚化反应，并且吐温残基中仍存在至少一个羟基。
优选地，所述纤维阻燃吸湿改性剂，具有式I、或式II所示结构：
(A-T-O)z-B (式I)
M-[T-A-T-O-B-O]n-N (式II)
其中，A为含羧基的磷阻燃剂去除与吐温反应的羧基和/或羟基后的剩余部分，B为吐温去除与含羧基和/或羟基的磷阻燃剂反应的羟基后的剩余部分，n为聚合度；M为-OH或可用的封端基团，N为H或可用的封端基团，T为单键或-CO-，z为正整数。
其中，当z大于1时，各个A-T-可以相同或不同。
其中，所述可用的封端基团，可以是R-X-，其中，R为H、C1-C5的碳链、C3-C10的环状结构；X为单键、-O-、-S-、-SO2-、-NR1-、-CO-NH-、-CH＝N-、-CO-、-SiR2R3-；其中，R1、R2和R3分别独立的优选为C1-C5的烷基、C3-C6的环烷基、C5-C10的芳香基。
在一种优选实施例中，所述纤维阻燃吸湿改性剂为共聚型聚合物，更优选地，所述纤维阻燃吸湿改性剂数均分子量优选为10000-40000g/mol。
在一种优选实施例中，所述纤维阻燃吸湿改性剂分子量分布系数为2.0-4.0。
在一种优选实施例中，所述纤维阻燃吸湿改性剂动力粘度为15-50mPa·s。
在本申请第二个方面是提供一种纤维阻燃吸湿改性剂的制备方法，包括：提供含羧基和/或羟基的磷阻燃剂和吐温，磷阻燃剂的羧基与吐温的羟基酯化反应、和/或磷阻燃剂的羟基与吐温的羟基进行醚化反应。
其中，优选地，所述反应为缩聚反应。
其中，优选地，所述含羧基和/或羟基的磷阻燃剂可以是来自含羧基和/或羟基的磷阻燃剂的酯化物。
优选地，所述酯化物可以是通过酯交换的方式与吐温反应，或者酯基反应为羧基和/或羟基后，再与吐温反应。
在一种优选实施例中，所述碳链或环状结构可以是带有或不带有侧基。
一种优选实施例中，所述碳链或环状结构的主链上可以是带有或不带有杂原子，其中所述杂原子可以是S、O、N、Si中的任意一种或更多种。
在一种优选实施例中，所述环状结构可以是芳香基、脂肪环、含杂原子的非芳香环中的任意一种或更多种。
在一种优选实施例中，所述含羧基和/或羟基的的磷阻燃剂结构如式III所示：
Figure BDA0003427610320000041
其中，R1、R2和R3分别为一价取代基，或者R1、R2和R3中的至少两个可以是连接成环状结构(该环状结构为二价取代基)，例如R1和R3连接成环状结构，未成环的取代基为一价取代基；并且R1、R2和R3中至少一个或至少两个带有至少一个羧基和/或羟基。
例如，所述含羧基和/或羟基的的磷阻燃剂可以是选自：
Figure BDA0003427610320000042
Figure BDA0003427610320000043
中的任意一种或更多种；其中，R4、R5、R6、R7分别独立的为二价有机基团或三价有机基团；Ar优选为环状结构(如芳香基、环烷基，构成环的原子可以仅为C、或者除了C之外还含有杂原子，杂原子如O、N、S、Si等)，T1、T2分别独立的为羟基或羧基。
其中，R4、R5分别可以是含有脂肪烃基、含环状结构(环状结构可以是芳香基、脂肪环、含杂原子的非芳香环)的烃基、主链上含杂原子的碳链，例如R4、R5分别可以是
Figure BDA0003427610320000044
-CH2-CH2-、
Figure BDA0003427610320000045
等。
其中，Ar可以是带有或不带有其他取代基的如下基团：
Figure BDA0003427610320000046
Figure BDA0003427610320000047
Figure BDA0003427610320000051
在一种优选实施例中，所述含羧基和/或羟基的的磷阻燃剂可以是源自如下化合物中的一种或更多种：
Figure BDA0003427610320000052
Figure BDA0003427610320000053
或者上述任意化合物的酯化物。
在一种优选实施例中，所述吐温可以是吐温20、吐温21、吐温40、吐温60、吐温61、吐温80、吐温81、吐温85中的任意一种或更多种。
在一种优选实施例中，吐温的羟基数量，与含羧基和/或羟基的磷阻燃剂羧基和/或羟基数量，摩尔比为1.1-2.0︰1。
在一种优选实施例中，吐温与含羧基和/或羟基的磷阻燃剂反应温度优选为150-250℃。
在一种优选实施例中，吐温与含羧基和/或羟基的磷阻燃剂反应时间优选为2-6h。
在一种优选实施例中，吐温与含羧基和/或羟基的磷阻燃剂，在催化剂存在下进行反应，其中所述催化剂优选为苯磺酸、对甲苯磺酸、萘磺酸、苯酚-4磺酸中的任意一种或更多种。
在一种优选实施例中，催化剂重量为含羧基和/或羟基的磷阻燃剂的100ppm-500ppm。
本申请所提供的纤维阻燃吸湿改性剂含有大量具有吸湿基团的羟基官能团，这些羟基官能团可以提升腈纶的吸湿性，并且能够向腈纶等纤维表面扩散富集，获得良好的阻燃性。
具体实施方式
申请人认为，纤维很多性质都是由纤维表面或者外层结构所决定的，比如光泽、阻燃、抗静电、吸湿等等，纤维内部组分功能性发挥有限。因此，如何将功能组分尽可能富集于腈纶的表面从而减少功能组分的使用同时实现功能的改性变得十分有意义。本申请提供了一种纤维阻燃吸湿改性剂，在含极性溶剂的凝固浴中，其在共混溶液中向外层扩散速率大于腈纶纺丝液扩散速率，从而在腈纶表层富集，在低添加量的情况下，也能获得良好的阻燃性。
实施例1
步骤1、含羧基的磷阻燃剂与吐温原料混合打浆
含羧基的磷阻燃剂与吐温20之间的醇酸官能团的化学聚合反应，吐温20与含羧基的磷阻燃剂之间进行化学聚合反应时控制醇酸摩尔比为1.1：1，混合打浆中同时添加苯磺酸催化剂，苯磺酸添加量为含羧基的磷阻燃剂的500ppm。吐温摩尔量过量是为了实现含羧基的磷阻燃剂充分反应。
其中，含羧基的磷阻燃剂为
Figure BDA0003427610320000061
步骤2、醇酸官能团酯化反应
含羧基的磷阻燃剂与吐温之间的化学聚合反应温度240℃，反应时间4h，常压反应，当体系中出水量达到理论出水量的95％时认为酯化反应完成，停止反应。
所得纤维阻燃吸湿改性剂数均分子量大小为18000g/mol、分子量分布系数为2.2、动力粘度36mPa·s。
实施例2
步骤1、含羧基的磷阻燃剂与吐温原料混合打浆
含羧基的磷阻燃剂与吐温40之间的醇酸官能团的化学聚合反应，吐温40与含羧基的磷阻燃剂之间进行化学聚合反应时控制醇酸摩尔比为1.5：1，混合打浆中同时添加苯磺酸催化剂，苯磺酸添加量为含羧基的磷阻燃剂的500ppm。吐温摩尔量过量是为了实现含羧基的磷阻燃剂充分反应。
其中，含羧基的磷阻燃剂为
Figure BDA0003427610320000071
步骤2、醇酸官能团酯化反应
含羧基的磷阻燃剂与吐温之间的化学聚合反应温度220℃，反应时间5h，常压反应，当体系中出水量达到理论出水量的95％时认为酯化反应完成，停止反应。
所得纤维阻燃吸湿改性剂数均分子量大小为44000g/mol、分子量分布系数为2.8、动力粘度31mPa·s。
实施例3
步骤1、含羧基的磷阻燃剂与吐温原料混合打浆
含羧基的磷阻燃剂与吐温61之间的醇酸官能团的化学聚合反应，吐温61与含羧基的磷阻燃剂之间进行化学聚合反应时控制醇酸摩尔比为1.8：1，混合打浆中同时添加苯磺酸催化剂，苯磺酸添加量为含羧基的磷阻燃剂的500ppm。吐温摩尔量过量是为了实现含羧基的磷阻燃剂充分反应。
其中，含羧基的磷阻燃剂为
Figure BDA0003427610320000072
步骤2、醇酸官能团酯化反应
含羧基的磷阻燃剂与吐温之间的化学聚合反应温度250℃，反应时间5h，常压反应，当体系中出水量达到理论出水量的95％时认为酯化反应完成，停止反应。
所得纤维阻燃吸湿改性剂数均分子量大小为26000g/mol、分子量分布系数为3.2、动力粘度23mPa·s。
实施例4
步骤1、含羧基的磷阻燃剂与吐温原料混合打浆
含羧基的磷阻燃剂与吐温85之间的醇酸官能团的化学聚合反应，吐温85与含羧基的磷阻燃剂之间进行化学聚合反应时控制醇酸摩尔比为1.8：1，混合打浆中同时添加苯磺酸催化剂，苯磺酸添加量为含羧基的磷阻燃剂的500ppm。吐温摩尔量过量是为了实现含羧基的磷阻燃剂充分反应。
其中，含羧基的磷阻燃剂为
Figure BDA0003427610320000081
步骤2、醇酸官能团酯化反应
含羧基的磷阻燃剂与吐温之间的化学聚合反应温度200℃，反应时间5h，常压反应，当体系中出水量达到理论出水量的95％时认为酯化反应完成，停止反应。
所得纤维阻燃吸湿改性剂数均分子量大小为25000g/mol、分子量分布系数为3.5、动力粘度31mPa·s。
上述实施例中所得阻燃吸湿改性剂，加入到腈纶纺丝液中进行共混纺丝，添加量为腈纶纺丝液的5wt％。经喷丝头挤出、凝固(50wt％，水和二甲基亚砜)、水浴拉伸和水洗得到纤维，再进行热拉伸定型，得到最终阻燃吸湿腈纶纤维。阻燃吸湿腈纶纤维性能测试标准如下：
极限氧指数测试基于GB/T 5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》；
吸湿性测试基于GB/T 6503-2008《化学纤维回潮率试验方法》；
纤维体积比电阻基于GB/T 14342-93《合成短纤维比电阻试验方法》；
力学性能测试基于GB/T 14344-2003《合成纤维长丝拉伸性能试验方法》
表1，阻燃吸湿腈纶纤维性能
Figure BDA0003427610320000091
可见，本申请阻燃吸湿改性剂，只需要较低的用量，在实现了阻燃和高吸湿性能的同时，依然保留了腈纶纤维的良好的力学性能，力学性能没有变差。
以上对发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明内。

Claims (10)

1.一种纤维阻燃吸湿改性剂，其特征在于，至少包括含羧基和/或羟基的磷阻燃剂的羧基和/或羟基与吐温的羟基之间进行反应所得化合物，所述反应为磷阻燃剂的羧基与吐温的羟基酯化反应、和/或磷阻燃剂的羟基与吐温的羟基进行醚化反应，并且吐温残基中仍存在至少一个羟基。
2.根据权利要求1所述的纤维阻燃吸湿改性剂，其特征在于，所述纤维阻燃吸湿改性剂，具有式I、或式II所示结构：
(A-T-O)z-B (式I)
M-[T-A-T-O-B-O]n-N (式II)
其中，A为含羧基的磷阻燃剂去除与吐温反应的羧基和/或羟基后的剩余部分，B为吐温去除与含羧基和/或羟基的磷阻燃剂反应的羟基后的剩余部分，n为聚合度；M为-OH或可用的封端基团，N为H或可用的封端基团，T为单键或-CO-，z为正整数。
3.根据权利要求1所述的纤维阻燃吸湿改性剂，其特征在于，所述含羧基和/或羟基的的磷阻燃剂结构如式III所示：
Figure FDA0003427610310000011
其中，R1、R2和R3分别为一价取代基，或者R1、R2和R3中的至少两个可以是连接成环状结构(该环状结构为二价取代基)，例如R1和R3连接成环状结构，未成环的取代基为一价取代基；并且R1、R2和R3中至少一个或至少两个带有至少一个羧基和/或羟基。
4.根据权利要求3所述的纤维阻燃吸湿改性剂，其特征在于，所述含羧基和/或羟基的的磷阻燃剂可以是选自：
Figure FDA0003427610310000012
Figure FDA0003427610310000013
中的任意一种或更多种；其中，R4、R5、R6、R7分别独立的为二价有机基团或三价有机基团；Ar为环状结构，T1、T2分别独立的为羟基或羧基。
5.根据权利要求4所述的纤维阻燃吸湿改性剂，其特征在于，所述含羧基和/或羟基的的磷阻燃剂源自：
Figure FDA0003427610310000021
Figure FDA0003427610310000022
或者上述任意化合物的酯化物。
6.根据权利要求3所述的纤维阻燃吸湿改性剂，其特征在于，所述吐温选自吐温20、吐温21、吐温40、吐温60、吐温61、吐温80、吐温81、吐温85中的任意一种或更多种。
7.根据权利要求1所述的纤维阻燃吸湿改性剂，其特征在于，所述纤维阻燃吸湿改性剂数均分子量大小为10000-40000g/mol；所述纤维阻燃高湿改性剂分子量分布系数为2.0-4.0；所述纤维阻燃吸湿改性剂动力粘度为15-50mPa·s。
8.一种权利要求1所述纤维阻燃吸湿改性剂的制备方法，其特征在于，包括：提供含羧基和/或羟基的磷阻燃剂和吐温，磷阻燃剂的羧基与吐温的羟基酯化反应、和/或磷阻燃剂的羟基与吐温的羟基进行醚化反应。
9.根据权利要求8所述的纤维阻燃吸湿改性剂的制备方法，其特征在于，吐温的羟基数量，与含羧基和/或羟基的磷阻燃剂羧基和/或羟基数量，摩尔比为1.1-2.0︰1；反应时间为2-6h。
10.根据权利要求8所述的纤维阻燃吸湿改性剂的制备方法，其特征在于，吐温与含羧基和/或羟基的磷阻燃剂，在催化剂存在下进行反应，其中所述催化剂为苯磺酸、对甲苯磺酸、萘磺酸、苯酚-4磺酸中的任意一种或更多种；催化剂重量为含羧基和/或羟基的磷阻燃剂的100ppm-500ppm。。
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