CN115012220A - 一种聚氨酯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚氨酯复合材料及其制备方法，该复合材料以聚酰亚胺纤维作为芯部，由聚氨酯包覆聚酰亚胺纤维而形成聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料；在形成聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料之前，所述聚酰亚胺纤维经过表面上浆接枝处理。本发明的聚氨酯复合材料将聚酰亚胺纤维作为芯部与聚氨酯复合，与现有技术相比，可明显提高聚氨酯复合材料的强度，并可填补聚酰亚胺耐磨性能的不足。另外，聚酰亚胺纤维经过表面上浆接枝处理，能够增加表面极性，与聚氨酯结合性好，不易剥离。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料，具体涉及一种聚氨酯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚氨酯可分为热塑性氨酯(TPU)与热固性聚氨酯(CPU)，也可称为颗粒(固态)与液态。常规的高性能热塑性聚氨酯(TPU)复合材料的芯部主要以丝线或棉线为主。在所述芯部的外表面包裹一层聚氨酯材料，得到一种聚氨酯复合材料，该材料可缠绕成线卷或直接制成纺织品。
参见中国专利申请CN107780222A，这种聚氨酯复合材料的生产工艺包括：首先采用挤出机挤出聚氨酯材料，然后通过包覆技术，将聚氨酯包覆在丝线或棉线上，从而得到聚氨酯复合材料。
上述常规的聚氨酯复合材料芯部主要是丝线或棉线，经过挤出机挤出聚氨酯材料包覆形成。采用丝线和棉线作为芯部，限制了聚氨酯复合材料的强度，从而限制了材料的使用范围。
聚酰亚胺是高分子链中含有酰亚胺环的一类聚合物。聚酰亚胺主链中的刚性芳环结构及酰亚胺基团赋予了其优异的力学性能、耐高低温性能、阻燃性能、耐辐照性能以及高绝缘等性能。高强高模聚酰亚胺纤维因其优异的力学性能、低的吸水率等，正在开展将其作为复合材料增强体的研究。但是，聚酰亚胺存在耐磨性能不足的缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型的聚氨酯复合材料及其制备方法，其能够至少解决现有技术中存在的聚氨酯复合材料强度不高、聚酰亚胺耐磨性能不足的问题。
根据本发明的目的，一方面，本发明提供了一种聚氨酯复合材料，其以聚酰亚胺纤维作为芯部，所述聚氨酯为热塑性聚氨酯，由聚氨酯包覆聚酰亚胺纤维而形成聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料；在形成聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料之前，所述聚酰亚胺纤维经过表面上浆接枝处理。
本发明的聚氨酯复合材料将聚酰亚胺纤维作为芯部与热塑性聚氨酯复合，与现有技术相比，可明显提高聚氨酯复合材料的强度，并可填补聚酰亚胺耐磨性能的不足。另外，聚酰亚胺纤维经过表面上浆接枝处理，能够增加表面极性，与聚氨酯结合性好，不易剥离。
本发明中的聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料为一种皮芯结构复合纤维(也可称为复合纱)，以聚酰亚胺纤维为芯层，以聚氨酯为皮层。
优选地，所述聚酰亚胺纤维是线密度为200D～1500D的高强高模聚酰亚胺纤维，纤维断裂强度大于17.5cN/dtex，初始模量大于110GPa。
通过采用高强高模聚酰亚胺纤维，能够大大提高聚氨酯复合材料的强度。
另一方面，本发明提供了一种纺织品，其由上述聚氨酯复合材料制成。可以将上述聚氨酯复合材料缠绕成卷，或者可以利用纺织机制制成各种纺织品。
再一方面，本发明提供了一种聚氨酯复合材料的制备方法，其中，所述聚氨酯复合材料为聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料，所述聚氨酯为热塑性聚氨酯，所述制备方法包括以下步骤：
1)将聚酰亚胺纤维作为芯部，采用上浆剂，对聚酰亚胺纤维进行表面上浆接枝处理；
2)将聚氨酯的粒料加入料斗内，密封料斗后，在80℃～90℃条件下干燥并除湿2～4 小时，开动挤出机；
3)设置机头预热温度为190℃～200℃，开动挤出机，打开牵引，使所述聚酰亚胺纤维通过机头口型，聚氨酯的粒料进入螺杆挤出机，粒料在螺杆推动下向机头方向移动，经过4～ 5段加热，使粒料在机头出口处温度达到200℃～210℃，超过粒料熔点，粒料以熔融的粘流状进入挤出机头，涂覆在所述聚酰亚胺纤维的外周围，得到所述聚氨酯复合材料。
通过采用本发明的制备方法，能够将聚酰亚胺纤维作为芯部并将热塑性聚氨酯涂覆在聚酰亚胺纤维的外周围，从而得到聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料，该复合材料可明显提高聚氨酯复合材料的强度，并可填补聚酰亚胺耐磨性能的不足。另外，在所述的聚酰亚胺纤维与聚氨酯复合前，先对纤维表面进行上浆接枝处理，能够增加表面极性，与聚氨酯结合性好，不易剥离。
优选地，所述聚酰亚胺纤维为经过加捻的聚酰亚胺纤维或者未经过加捻的聚酰亚胺纤维，所述经过加捻的聚酰亚胺纤维的捻度为50～600捻/米。
在本发明中，可根据产品用途等实际需要，选择是否对聚酰亚胺纤维进行加捻，若选择加捻纤维，则加捻纤维捻度为50～600捻/米。
优选地，所述聚酰亚胺纤维是线密度为200D～1500D的高强高模聚酰亚胺纤维，纤维断裂强度大于17.5cN/dtex，初始模量大于110GPa。通过采用高强高模聚酰亚胺纤维，能够大大提高聚氨酯复合材料的强度。
优选地，所述上浆剂为水性上浆剂，所述水性上浆剂选自水性有机硅类上浆剂、水性环氧类上浆剂、水性氰酸酯类上浆剂、水性聚酰胺酸上浆剂。更优选地，所述水性上浆剂为水性有机硅类上浆剂。
所述上浆接枝处理包括上浆和烘干。优选地，所述上浆剂浓度应为3％～20％，上浆温度为常温，烘干温度应根据上浆剂的固化温度而定，但不得高于320℃。通过这样设定上浆剂浓度、上浆温度、烘干温度，能够更好地确保经过上浆接枝处理的聚酰亚胺纤维与聚氨酯之间具有紧密的结合。作为本发明的一个优选实施例，水性有机硅类上浆剂的浓度为15％，上浆温度为常温，烘干温度为150℃。
在本发明中，与聚氨酯复合前，对聚酰亚胺纤维进行表面上浆接枝处理，促进纤维与聚氨酯更好的结合。
优选地，在步骤3之前，通过调节挤出机机头上、下口型的距离，或者通过调节聚酰亚胺纤维的放卷速度、收卷速度及挤出机螺杆的旋转速度，控制所述聚氨酯的涂覆量。
在本发明中，通过适当地控制聚氨酯涂覆量，能够实现所需的涂覆效果，控制聚氨酯涂覆量可通过调节挤出机机头上、下口型的距离达到；也可通过调节纤维的放卷速度、收卷速度，及挤出机螺杆的旋转速度达到。
优选地，在步骤3之后，将所述聚氨酯复合材料缠绕成卷，利用纺织机制制成纺织品。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)采用聚酰亚胺纤维，尤其是线密度为200D～1500D的高强高模聚酰亚胺纤维作为芯部，与将丝线和棉线作为芯部相比，同等线密度条件下，聚酰亚胺纤维的力学性能更为优异，大大提高所得到的聚氨酯复合材料的强度。
2)可根据产品用途等实际需要，灵活选择是否对纤维进行加捻；
3)在与聚氨酯复合前，对聚酰亚胺纤维进行表面上浆接枝处理，增加表面极性，与聚氨酯结合性好，不易剥离；
4)作为芯部的聚酰亚胺纤维色彩鲜明，且具有优异的阻燃性能(极限氧指数≥38％)、耐高低温性能(玻璃化温度≥320℃)、耐紫外性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。实施例中所用聚酰亚胺纤维由江苏先诺提供。
实施例1：取断裂强度为20.8cN/dtex，初始模量为115GPa的200D聚酰亚胺纤维a，将聚酰亚胺纤维a作为芯部，采用水性有机硅类上浆剂SH9608-A，对聚酰亚胺纤维进行表面上浆接枝处理，其中上浆剂浓度为15％，上浆温度为常温，烘干温度为150℃；将聚氨酯的粒料加入料斗内，密封料斗后，在80℃～90℃条件下干燥并除湿2～4小时，开动挤出机；设置机头预热温度为190℃～200℃，开动挤出机，打开牵引，使所述聚酰亚胺纤维通过机头口型，聚氨酯的粒料进入螺杆挤出机，粒料在螺杆推动下向机头方向移动，经过4～5段加热，使粒料在机头出口处温度达到200℃～210℃，超过粒料熔点，粒料以熔融的粘流状进入挤出机头，涂覆在所述聚酰亚胺纤维的外周围，即得到聚氨酯复合材料A。
实施例2：对断裂强度为20.8cN/dtex，初始模量为115GPa的200D聚酰亚胺纤维b进行加捻S80捻/米处理，经过上浆接枝，与聚氨酯复合，即得到聚氨酯复合材料B。除此之外，与实施例1相同。
实施例3：断裂强度为20.8cN/dtex，初始模量为115GPa的500D聚酰亚胺纤维c，经过上浆接枝，与聚氨酯复合，即得到聚氨酯复合材料C。除此之外，与实施例1相同。
实施例4：对断裂强度为20.8cN/dtex，初始模量为115GPa的500D聚酰亚胺纤维d进行加捻S80捻/米处理，经过上浆接枝，与聚氨酯复合，即得到聚氨酯复合材料D。除此之外，与实施例1相同。
对以上4种纤维及4种复合材料共计8个样品进行断裂强度、初始模量、断裂伸长率、耐磨性能测试，其中，断裂强度、初始模量、断裂伸长率的测试标准为：GB/T 19975-2005《高强化纤长丝拉伸性能试验方法》；耐磨性能测试为纱-纱耐磨：测试样品在100g负荷下打结3圈，进行样品自身的耐磨测试。结果如下表1所示。
由表1结果可以看出，本发明的聚氨酯复合材料与聚酰亚胺纤维相比，耐磨次数显著变多，且断裂强度和初始模量明显提高，由于聚氨酯的断裂强度明显低于聚酰亚胺的断裂强度，因此这表明聚酰亚胺纤维经表面处理并与聚氨酯结合之后，在提高强度方面能够发挥协同作用，同时能够具有优异的耐磨效果。另外，在对聚酰亚胺纤维进行加捻处理后，能够进一步提高复合材料的断裂强度和初始模量。
表1
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种聚氨酯复合材料，其特征在于，以聚酰亚胺纤维作为芯部，所述聚氨酯为热塑性聚氨酯，由聚氨酯包覆聚酰亚胺纤维而形成聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料；
在形成聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料之前，所述聚酰亚胺纤维经过表面上浆接枝处理。
2.根据权利要求1所述的聚氨酯复合材料，其特征在于，所述聚酰亚胺纤维是线密度为200D～1500D的高强高模聚酰亚胺纤维，纤维断裂强度大于17.5cN/dtex，初始模量大于110GPa。
3.一种纺织品，由权利要求1所述的聚氨酯复合材料制成。
4.一种聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚氨酯复合材料为聚氨酯与聚酰亚胺纤维的复合材料，所述聚氨酯为热塑性聚氨酯，所述制备方法包括以下步骤：
1)将聚酰亚胺纤维作为芯部，采用上浆剂，对聚酰亚胺纤维进行表面上浆接枝处理；
2)将聚氨酯的粒料加入料斗内，密封料斗后，在80℃～90℃条件下干燥并除湿2～4小时，开动挤出机；
3)设置机头预热温度为190℃～200℃，开动挤出机，打开牵引，使所述聚酰亚胺纤维通过机头口型，所述粒料进入螺杆挤出机，粒料在螺杆推动下向机头方向移动，经过4～5段加热，使粒料在机头出口处温度达到200℃～210℃，超过粒料熔点，粒料以熔融的粘流状进入挤出机头，涂覆在所述聚酰亚胺纤维的外周围，得到所述聚氨酯复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺纤维为经过加捻的聚酰亚胺纤维或者未经过加捻的聚酰亚胺纤维，所述经过加捻的聚酰亚胺纤维的捻度为50～600捻/米。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺纤维是线密度为200D～1500D的高强高模聚酰亚胺纤维，纤维断裂强度大于17.5cN/dtex，初始模量大于110GPa。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述上浆剂为水性上浆剂，所述水性上浆剂选自水性有机硅类上浆剂、水性环氧类上浆剂、水性氰酸酯类上浆剂、水性聚酰胺酸上浆剂；所述上浆剂的浓度为3％～20％，上浆温度为常温，烘干温度≤320℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述水性上浆剂为水性有机硅类上浆剂。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤3之前，通过调节挤出机机头上、下口型的距离，或者通过调节聚酰亚胺纤维的放卷速度、收卷速度及挤出机螺杆的旋转速度，控制所述聚氨酯的涂覆量。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤3之后，将所述聚氨酯复合材料缠绕成卷，利用纺织机制制成纺织品。
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