CN116876103A - 一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，具体为将二异氰酸酯与含醚键和酯键的多聚二元醇混合，同时加入扩链剂加热混合，并将混合物浇注到双螺杆挤出机输送区充分混合反应得到聚合物，聚合物从双螺杆机挤出后，利用水下切粒机制成聚合物切片粒料；将得到的聚合物切片粒料干燥后输送到单螺杆挤出机内，同时添加功能助剂，将混合均匀后的高温熔体在单螺杆挤出机内熔融熟化后进行纺丝，成品丝在平衡间静止熟化，最终得到高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。本发明以含醚键和酯键的多聚二元醇和异氰酸酯为聚合单体，小分子二元醇为扩链剂，结合相应的纺丝工艺，制备得到的低熔点聚氨酯弹性纤维兼具有聚酯型和聚醚型聚氨酯弹性纤维的特性。
Description
技术领域
本发明属于高分子聚合技术领域，涉及一种制备上述高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，以含醚键和酯键的多聚二元醇和异氰酸酯为聚合单体，小分子二元醇为扩链剂，结合相应纺丝工艺，制得高强度低熔点的新型聚氨酯弹性纤维。
本发明另一方面，还涉及一种高强度低熔点的新型聚氨酯弹性纤维材料。
背景技术
目前已研究的低熔点聚氨酯分子结构具有不结晶无定形结构，熔点低，具有一定的软化黏合温度，当热处理温度达到软化温度后与主体的纤维具有良好的黏合作用，常用于热熔黏结等材料及其制品的开发。
常规的纺丝工艺可以纺制具有热熔黏合功能的均相纤维，由于低熔点聚氨酯熔点比常规的聚氨酯低，结晶性能较常规的聚氨酯结晶性能差，所以低熔点聚氨酯纺丝制备得到的纤维的力学强度不高，对后续的低熔点聚氨酯纤维工业化生产和利用产生了一定的阻碍。为此，需要提供一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维及其制备方法。
发明内容
本发明针对低熔点聚氨酯分子结晶性能较常规的聚氨酯结晶性能差，导致纤维的力学强度不高的技术问题，在原料方面进行创新，以含醚键和酯键的多聚二元醇和异氰酸酯为聚合单体，小分子二元醇为扩链剂，结合相应的制备工艺，制备得到的低熔点聚氨酯弹性纤维兼具有聚酯型和聚醚型聚氨酯弹性纤维的特性。
本发明具体提供了：一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维制备方法，包括：
S1.低熔点聚合物切片的制备：将二异氰酸酯与含醚键和酯键的多聚二元醇混合，并控制温度为40-80℃，同时加入扩链剂加热混合，并将混合物浇注到双螺杆挤出机输送区熔融混合反应，经螺杆机挤出后，再经水下造粒，制得聚合物切片粒料，其熔融温度为100℃-170℃；
S2.高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备：将步骤S1得到的聚合物切片粒料干燥后输送到单螺杆挤出机内，同时在喂料口添加功能助剂，将混合均匀后的高温熔体在单螺杆挤出机内熔融熟化后进行纺丝，纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，成品丝在40℃-80℃平衡间静止熟化，最终得到高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。
所述的小分子扩链剂为乙二醇、1,3丙二醇、1,4丁二醇中的一种或多种组合。
所述的各原料的质量分数占比中，含醚键和酯键的多聚二元醇25％-80％，异氰酸酯10％-30％，小分子扩链剂5％-20％。
作为本发明所述含醚键和酯键的多聚二元醇的一种优选的技术方案，所述的含醚键和酯键的多聚二元醇的分子量为1000-3000。
随着多元醇分子量的增加，其醚键和酯键数量逐渐增加，提高了弹性体的热稳定性，使分解温度增大，但分子量继续增大，分子间的缠绕也越多，降低了结晶度，导致热稳定性有所降低，将分子量选择为1000-3000，可使弹性体具有较佳的热稳定性和结晶度。
作为本发明所述含醚键和酯键的多聚二元醇醇的一种优选的技术方案，所述含醚键和酯键的多聚二元醇的种类是聚己二酸新戊二醇酯二醇、聚己二酸丁二醇酯二醇、聚己二酸二乙二醇酯二醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸己二醇酯二醇中的一种或多种组合。
本申请制备高强度低熔点聚氨酯弹性纤维采用熔体纺丝方法，聚醚型多元醇具有高强度、耐水解、高回弹性和耐低温性好等优势；聚酯型多元醇具有较好的拉伸性能、挠曲性能、耐溶剂性能及耐较高温度的性能。本发明采用的含醚键和酯键的多聚二元醇综合了聚醚型和聚酯型的优势，可制备出性能更优异的聚氨酯纤维丝，可实现高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备。
作为本发明一种优选的技术手段，所述二异氰酸酯的异氰酸酯指数R的范围为0.95-1.05。
R值的大小对聚氨酯合成的影响如下：0<R<1分子扩链，端基为-OH；R＝1时分子无限扩链，端基为-NCO及-OH；1<R<2分子扩链，分子不扩链，端基为-NCO。因此在合成时为了避免化学交联，实现反应的可控性和可重复性，要严格控制R值等于1。从理论上讲，在合成反应中R值越接近于1越有利于弹性体分子量的增长，当-NCO过量时将导致共价交联而生成脲基甲酸酯或缩二脲(水存在下)。在更优选的技术手段中，R值略大于1。聚合过程中通常由于体系微量水分的存在，以及异氰酸酯基相互之间的作用，使异氰酸酯基相对损失较多，因此在合成时，通常使异氰酸酯基稍过量，即R值略大于1。
作为本发明一种优选的技术手段，所述异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比范围为2-4。
本申请采用熔纺聚氨酯纤维纺丝法制备高强度低熔点聚氨酯纤维，熔纺聚氨酯纤维的聚合过程有别于干法聚氨酯纤维，熔纺聚氨酯纤维通过控制异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比及R值来控制整个分子链的软硬段比例，从而对产品的性能进行调控。将异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比范围为2-4，提高了-NCO的含量，更有利于提高低熔点聚氨酯纤维的强度。
作为本发明双螺杆挤出机优选的技术手段，所述双螺杆挤出机的螺杆直径均为50mm-90mm，螺杆长径比25-60，螺杆挤出温度设置为100-200℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100-200rpm，螺杆负载为65％-85％。
单螺杆挤出机螺杆直径30mm，螺杆长径比25。
作为本发明一种优选的技术手段，所述纺丝甬道的长度为3m-9m，甬道温度15-25℃，湿度为40％-70％，风速为0.1-0.6m/s，纺速为500-1000m/min。
为了实现含醚键和酯键的多聚二元醇制备得到的聚氨酯纤维丝有优异的材料性能，本申请将甬道温度15-25℃，湿度为40％-70％，风速为0.1-0.6m/s，纺速为500-1000m/min，适当的送风温度利于提高卷绕丝断裂强度，纺速较高时风温宜低，送风湿度增加可减少丝束因摩擦带电引起的抖动，提高比热容和导热系数，风速过低时纤维内外温差大，导致初生纤维不匀，风速过大时气流导致丝束湍流，丝束不匀，纺速越高，则卷绕张力增大，分子取向度越大，因此，本申请综合考虑了产品性能及纺丝的作业性对纺丝工艺进行了重新设计。
作为本发明一种优选的技术手段，所述添加的助剂用量为聚合物总质量的0.1％-1.2％。所述功能助剂为热稳定剂、光稳定剂、着色剂、水解稳定剂、阻燃剂的一种或多种。
作为本发明一种优选的技术手段，所述热稳定剂是2,6-叔丁基-4-甲基苯酚、四(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基丙酸)、季戊四醇酯、3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯、亚磷酸三苯酯、亚磷酸三壬基苯酯中的一个和多个组合；光稳定剂是2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2,2’-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2(2-羟基-3’,5-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑、双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯中的一个和多个组合；着色剂是有机染料或无机颜料；水解稳定剂是碳化二亚胺类化合物；阻燃剂是硼酸盐、氧化锌、三氧化二锑中的一个和多个组合。
本发明另一方面，提供了一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维，所述高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的聚合单体是以含醚键和酯键的多聚二元醇和异氰酸酯为聚合单体。
本申请突出的技术效果为：
1.本发明以含醚键和酯键的多聚二元醇和异氰酸酯为聚合单体，小分子二元醇为扩链剂，结合相应的制备工艺，制备的低熔点弹性纤维兼具有聚酯型和聚醚型聚氨酯弹性纤维的特性，是一种新型的弹性纤维，本发明的高强度低熔点弹性纤维具有良好的机械性能以及较低的加工温度。
2.进一步，本申请为了得到热稳定性好的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维，将含醚键和酯键的多聚二元醇的分子量控制在1000-3000，随着多元醇分子量的增加，其醚键和酯键数量逐渐增加，提高了弹性体的热稳定性，使分解温度增大，但分子量继续增大，分子间的缠绕也越多，降低了结晶度，导致热稳定性有所降低，将聚酯醚型多元醇的分子量控制在1000-3000兼顾了弹性体的热稳定性和结晶度，可得到较佳的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。
3.本申请将二异氰酸酯的异氰酸酯指数R的范围为0.95-1.05，将异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比范围为2-4，可实现反应的可控性和可重复性有利于弹性体分子量的增长。由于聚合过程中通常由于体系微量水分的存在，以及异氰酸酯基相互之间的作用，使异氰酸酯基相对损失较多，因此本申请更优选地R值略大于1。通过将异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比范围为2-4来控制整个分子链的-NCO含量高，有利于用含醚键和酯键的多聚二元醇制备高强度弹性纤维。
4.本申请还特针对采用含醚键和酯键的多聚二元醇制备聚氨酯纤维进行纺丝工艺创新设计，将纺丝甬道的长度设计为3-9m，甬道温度15-25℃，湿度为40％-70％，风速为0.1-0.6m/s，纺速为500-1000m/min，本申请采用适当的送风温度利于提高卷绕丝断裂强度；本申请风湿度增加可减少丝束因摩擦带电引起的抖动提高比热容和导热系数；本申请设计适当的风速有利于丝束均匀，若风速过低时纤维内外温差大，导致初生纤维不匀，风速过大时气流导致丝束湍流，丝束不匀；本申请设计了适当的纺丝速度，纺速越高，则卷绕张力增大，分子取向度越大，因此，本申请综合考虑了产品性能及纺丝的作业性对纺丝工艺进行了重新设计。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定，给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的，选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的，并且可以进行任意地组合，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。
在本申请列举的实施例中，采用的所述小分子扩链剂为1,4丁二醇。本领域技术人员清楚，在本申请的实施例中，在所述小分子扩链剂为1,4丁二醇的实施例启示下，本领域技术人员将所述小分子扩链剂设置为乙二醇、1,3丙二醇、1,4丁二醇中的一种或多种组合或设置为其他小分子扩链剂也不影响本申请权利要求的保护范围和本申请实施例的完整性。
当前，常规的纺丝工艺可以纺制具有热熔黏合功能的均相纤维，由于低熔点聚氨酯熔点比常规的聚氨酯低，结晶性能较常规的聚氨酯结晶性能差，所以低熔点聚氨酯纺丝制备得到的纤维的力学强度不高，对后续的低熔点聚氨酯纤维工业化生产和利用产生了一定的阻碍。为此本申请下述实施例以含醚键和酯键的多聚二元醇和异氰酸酯为聚合单体，小分子二元醇为扩链剂，结合相应的制备工艺，制备得到的低熔点弹性纤维兼具有聚酯型和聚醚型聚氨酯弹性纤维的特性，实现了高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备。本申请过程为：
S1.低熔点聚合物切片的制备：将二异氰酸酯与含醚键和酯键的多聚二元醇混合，并控制温度为40-80℃，同时加入扩链剂加热混合，并将混合物浇注到双螺杆挤出机输送区充分混合反应得到聚合物，聚合物从双螺杆机挤出后，再经水下造粒，制成熔融温度为100℃-170℃的聚合物切片粒料；
S2.高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备：将步骤S1得到的聚合物切片粒料干燥后输送到单螺杆挤出机内，同时在喂料口添加功能助剂，将混合均匀后的高温熔体在单螺杆挤出机内熔融熟化后进行纺丝，纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，成品丝在40℃-80℃平衡间静止熟化，最终得到高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。
具体实施例为：
实施例1
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸新戊二醇酯二醇68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.15m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
实施例2：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸丁二醇酯二醇69.8份，MDI 24.4份，1,4丁二醇5.8份，异氰酸酯指数0.99，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比2.8，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，螺杆挤出温度150℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为110rpm，螺杆负载为73％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，同时在喂料口添加光稳定剂、水解稳定剂，其中2,2’-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮占聚合物总量的0.3％，(N,N'-二(2,6-二异丙基苯基)碳二亚胺)占聚合物总量的0.5％。混合均匀的高温熔体在单螺杆挤出机内熔融熟化，挤出温度为160℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型。甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.1m/s，纺速为500m/min。成品丝在60℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
实施例3：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸二乙二醇酯二醇67.9份，MDI 26.0份，1,4-丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.01，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，螺杆挤出温度180℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为150rpm，螺杆负载为80％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，同时在喂料口添加热稳定剂、阻燃剂，其中亚磷酸三苯酯占聚合物总量的0.7％，氧化锌占聚合物总量的0.3％。混合均匀的高温熔体在单螺杆挤出机内熔融熟化，挤出温度为180℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型。甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.5m/s，纺速为750m/min。成品丝在60℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
实施例4
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸乙二醇酯二醇72.4份，MDI23.0份，1,4丁二醇4.6份，异氰酸酯指数1.04，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比2.5，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，螺杆挤出温度175℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为150rpm，螺杆负载为80％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，同时在喂料口添加热稳定剂，其中2,6-叔丁基-4-甲基苯酚占聚合物总量的0.8％。其中混合均匀的高温熔体在单螺杆挤出机内熔融熟化，挤出温度为180℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型。甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.25m/s，纺速为600m/min。成品丝在70℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例1
本对比例与实施例1的不同在于，原料使用不含有醚键的聚酯型多元醇，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己内酯68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与聚酯多元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.15m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例2
本对比例与实施例1的不同在于，原料使用聚醚型多元醇，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚醚二醇PTMEG 68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与聚醚多元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.15m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例3
本对比例与实施例1的不同在于，二异氰酸酯的异氰酸酯指数的范围为1.1，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚醚二醇PTMEG 68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.1，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.15m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例4
本对比例与实施例1的不同在于，二异氰酸酯的异氰酸酯指数的范围为0.9，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚醚二醇PTMEG 68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数0.9，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.15m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例5
本对比例与实施例1的不同在于，甬道温度过高，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸新戊二醇酯二醇68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度28℃，湿度为50％，风速为0.15m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例6
本对比例与实施例1的不同在于，甬道湿度过低，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸新戊二醇酯二醇68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为35％，风速为0.15m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例7
本对比例与实施例1的不同在于，甬道湿度过高，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸新戊二醇酯二醇68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为75％，风速为0.15m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例8
本对比例与实施例1的不同在于，甬道风速较高，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸新戊二醇酯二醇68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为1m/s，纺速为550m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例9
本对比例与实施例1的不同在于，纺速过低，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸新戊二醇酯二醇68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.15m/s，纺速为450m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
对比例10
本对比例与实施例1的不同在于，纺速过高，具体如下：
S1：按质量份计量，将2000分子量的聚己二酸新戊二醇酯二醇68.6份，MDI 25.3份，1,4丁二醇6.1份，异氰酸酯指数1.02，异氰酸酯所含的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比3.2，经计量泵准确计量后经高速混合头注入双螺杆挤出机中，螺杆直径65mm，螺杆长径比25，熔融温度165℃，温度精度控制在±2℃，螺杆转速为100rpm，通过螺杆机挤出，螺杆负载为70％，利用水下切粒机造粒，制得聚合物切片粒料。
S2：将S1制备的聚合物切片粒料，通过成品料输送系统，经切片干燥系统，水分控制在100ppm以下，输送到单螺杆挤出机，在喂料口添加热稳定剂，其中3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯占聚合物总量的0.6％。混合均匀后的高温熔体在螺杆机内熔融熟化，挤出温度为175℃，输送至熔体计量泵进入纺丝箱体内的纺丝组件。纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，甬道长度为9m，甬道温度17℃，湿度为50％，风速为0.15m/s，纺速为1100m/min。成品丝在50℃平衡间静止熟化处理，最终得到一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。对得到的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维进行机械性能检测，详见表1。
表1实施例、对比例所得高强度低熔点聚氨酯纤维性能数据如下：
通过实施例1和对比例1可以看到，使用不含有醚键的聚酯型多元醇制备的聚氨酯弹性纤维相比采用含有醚键的聚酯型多元醇制备的聚氨酯弹性纤维，产品纤度、熔点变高，断裂强度、断裂伸长率、300％伸长时弹性恢复率都降低。
通过实施例1和对比例2可以看到，使用聚醚型多元醇制备的聚氨酯弹性纤维相比采用含有醚键的聚酯型多元醇制备的聚氨酯弹性纤维，虽然断裂伸长率有所提高，但断裂强度、300％伸长时弹性恢复率都有所降低。
通过实施例1和对比例3可以看到，当聚氨酯弹性纤维原料中二异氰酸酯的异氰酸酯指数为1.1时，产品纤度变化较小，但产品断裂强度、断裂伸长率、300％伸长时弹性恢复率都有小幅下降。
通过实施例1、对比例3、对比例4可以看到，异氰酸酯指数为0.9时，高强度低熔点聚氨酯弹性纤维产品性能最差，异氰酸酯指数为1.02时，高强度低熔点聚氨酯弹性纤维产品性能最好，推测是由于异氰酸酯指数为1.1时分子不扩链，异氰酸酯指数为0.9时，端基为羟基，羟基端聚氨酯的链间作用力较弱,导致其机械强度和均匀性较差。实施例1异氰酸酯基指数为1.02，与理论分子无限扩链时的异氰酸酯基指数相近，由于聚合过程中通常由于体系微量水分的存在，以及异氰酸酯基相互之间的作用，使异氰酸酯基相对损失较多，因此实施例1使异氰酸酯基稍过量，可实现最佳扩链反应过程。
通过实施例1和对比例5可以看到，当甬道温度过高时，高强度低熔点聚氨酯弹性纤维产品性能降低，推测是由于温度过高，会造成丝束表面和内部的溶剂挥发速度差变大，表面和内部结构差异变大，导致得到的丝束结构强度和弹性性能较差。
通过实施例1、对比例6、对比例7可以看到，当甬道湿度过低和甬道湿度过高时，都不利于制备高强度低熔点聚氨酯弹性纤维，推测是由于设置恰当的甬道湿度可减少丝束因摩擦带电引起的抖动，提高比热容和导热系数，但湿度过高后，会使丝束表面水层增厚,影响丝束表面溶剂挥发过程，最终影响产品性能。
通过实施例1和对比例8可以看到，当甬道风速过高时，产品综合性能降低，推测是由于风速过大时气流导致丝束湍流，造成丝束不匀，最终导出产品综合性能下降。
通过实施例1、对比例9、对比例10可以看到，纺速过低时，产品纤度较高、产品断裂伸长率变高，但断裂强度和300％伸长时弹性恢复率降低，当纺速过高时，产品的综合性能降低，推测是由于纺速越高，则卷绕张力增大，分子取向度越大，但纺速过高后，会发生纤维内部组织断裂，导致产品断裂强度、断裂伸长率、300％伸长时弹性恢复率迅速下降。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于，包括：
S1.低熔点聚合物切片的制备：将二异氰酸酯与含醚键和酯键的多聚二元醇混合，并控制温度为40-80℃，同时加入扩链剂加热混合，并将混合物浇注到双螺杆挤出机输送区熔融混合反应，经螺杆机挤出后，再经水下造粒，制得聚合物切片粒料；
S2.高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备：将步骤S1得到的聚合物切片粒料干燥后输送到单螺杆挤出机内，同时在喂料口添加功能助剂，将混合均匀后的高温熔体在单螺杆挤出机内熔融熟化后进行纺丝，纺丝熔体通过喷丝板得到初生纤维，初生纤维通过纺丝甬道，经上油装置，最后经卷绕机卷绕成型，成品丝在40℃-80℃平衡间静止熟化，最终得到高强度低熔点聚氨酯弹性纤维。
2.如权利要求1所述的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于，所述的含醚键和酯键的多聚二元醇分子量为1000-3000。
3.如权利要求1或2所述的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于，所述含醚键和酯键的多聚二元醇是聚己二酸新戊二醇酯二醇、聚己二酸丁二醇酯二醇、聚己二酸二乙二醇酯二醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸己二醇酯二醇中的一种或多种组合。
4.如权利要求1所述的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于，所述二异氰酸酯的异氰酸酯指数的范围为0.95-1.05。
5.如权利要求1或4所述的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于，所述二异氰酸酯中的异氰酸酯基-NCO与含醚键和酯键的多聚二元醇的摩尔比范围为2-4。
6.如权利要求1所述的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于，所述纺丝甬道的长度为3m-9m，甬道温度15℃-25℃，湿度为40％-70％，风速为0.1-0.6m/s，纺速为500m/min-1000m/min。
7.如权利要求1所述的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于，添加所述功能助剂用量为聚合物总质量的0.1％-1.2％，所述功能助剂为热稳定剂、光稳定剂、着色剂、水解稳定剂、阻燃剂的一种或多种。
8.如权利要求7所述的高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的制备方法，其特征在于，所述热稳定剂是2,6-叔丁基-4-甲基苯酚、四(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基丙酸)、季戊四醇酯、3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯、亚磷酸三苯酯、亚磷酸三壬基苯酯中的一个和多个组合；光稳定剂是2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2,2’-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2(2-羟基-3’,5-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑、双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯中的一个和多个组合；着色剂是有机染料或无机颜料；水解稳定剂是碳化二亚胺类化合物；阻燃剂是硼酸盐、氧化锌、三氧化二锑中的一个和多个组合。
9.一种高强度低熔点聚氨酯弹性纤维，其特征在于，所述高强度低熔点聚氨酯弹性纤维的聚合单体是以含醚键和酯键的多聚二元醇和异氰酸酯为聚合单体。
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|---|---|---|---|---|
| CN117306102A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 烟台泰和新材高分子新材料研究院有限公司 | 一种用于制备聚氨酯弹性熔喷布的设备和方法 |
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