一種新型復合材料纖維、其制備方法及熔噴紡絲方法

一種新型復合材料纖維、其制備方法及熔噴紡絲方法
【專利摘要】本發明屬于紡織材料技術領域，具體涉及一種新型復合材料纖維、其制備方法及熔噴紡絲方法，所述新型復合材料纖維，按重量百分比計，其包括以下組分：納米介孔二氧化硅1?10％、聚丙烯80?98％、偶聯劑0?1％和蠟1?10％。本發明的新型復合材料纖維、其制備方法及熔噴紡絲方法，利用介孔二氧化硅納米粒子具有高比表面積、大孔容、吸附性好等特點，與聚丙烯材料復合制備出纖維狀復合材料，擴大納米介孔二氧化硅吸附與過濾領域的應用范圍。
【專利說明】
一種新型復合材料纖維、其制備方法及熔噴紡絲方法
技術領域
[0001] 本發明屬于紡織材料技術領域，具體涉及一種新型復合材料纖維、其制備方法及 熔噴紡絲方法。
【背景技術】
[0002] 印立用介孔二氧化硅與苯二甲酸丙二醇酯(PTT)熔融共混制備復合材料纖維，相 比純PTT，拉伸強度和沖擊強度分別提升了26%和10 % Auo-YuanHsu等人用介孔二氧化硅 與硅氧烷化合物poly-VSQ(乙烯基-三甲氧基甲硅烷聚合物）制得低介電系數的底物填充 料，可用于緩解高頻設備中的能源消耗問題。蔡蕾將分子篩以一定比例（1%)與聚丙烯共混 后，經過熔融紡絲制得的紡絲纖維具有可紡性好，斷裂強度和初始模量等性能比純聚丙烯 纖維高的特點。用納米介孔二氧化硅與聚合物共混，相比純聚合物，拉伸強度和沖擊強度都 會有顯著提高;并且納米介孔二氧化硅填充物對復合材料有明顯的增強和增韌的作用。王 娜等人用熔融共混法制備出聚丙烯基納米復合材料，發現納米介孔MCM-41填充物對聚丙烯 基納米復合材料有明顯的增強和增韌的作用。平均粒徑大約在100~500nm介孔氧化硅與 PEG(聚乙二醇)共混后的，粒子沒有團聚現象，材料表面孔隙分布均勻。介孔氧化硅的加入， 使PEG在耐熱性方面的效果有所提高，使PEG分子鏈在受熱分解時比普通的PEF(聚乙烯）具 有更高的分解溫度；另一方面，HMS與PEG分子間存在比較強的相互作用，在體系中起到交聯 的作用，在一定程度上抑制PEG的分解，從而提高了體系的耐熱性及復合材料的熱穩定性。
[0003] 分子篩以一定比例與聚丙烯共混后，經過熔融紡絲得到共混紡絲纖維。有實驗表 明，共混后得到的紡絲纖維可紡性好，斷裂強度高，初始模量、上染率及回潮率均有所提高。 在制作分子篩的過程中，添加了部分偶聯劑，與其發生了化學反應，產生"連結"作用，是分 子篩與聚丙烯可以更好的進行相互作用，連接更加緊密，對于連結后得到的共混纖維，力學 性能得到了很大改善。由于介孔二氧化硅的吸附性特征尤為顯著，將其作為分子篩與聚丙 烯共混后，大量活潑的硅羥基，可以鏈接有機官能團并同時具有與單體或聚合物端基縮聚 的能力，與帶有極性基團的聚合物或聚合物單體之間具有很好的相容性。利用這樣的特點， 將吸附性功能化，可以添加染色劑，生成光致變色纖維，在軍事，工業，紡織業等領域均有了 其用武之地。
[0004] 但目前對于納米介孔二氧化硅與聚丙烯復合材料紡絲纖維的研究還沒有相關的 報道。

【發明內容】

[0005] 本發明主要提供了一種新型復合材料纖維、其制備方法及熔噴紡絲方法，利用介 孔二氧化硅納米粒子具有高比表面積、大孔容、吸附性好等特點，與聚丙烯材料復合制備出 纖維狀復合材料，擴大納米介孔二氧化硅吸附與過濾領域的應用范圍。其技術方案如下:一 種新型復合材料纖維，按重量百分比計，其包括以下組分:納米介孔二氧化硅1-10%、聚丙 烯80-98%、偶聯劑0-1 %和蠟1-10%。
[0006]優選的，按重量百分比計，其包括以下組分：納米介孔二氧化硅3%、聚丙烯90%、 偶聯劑1 %、蠟6%。前期我們考察了不同百分含量的納米介孔二氧化硅對聚丙烯復合材料 及其紡絲工藝性能的影響，并對所得聚丙烯復合材料力學性能、熔融指數以及纖維的表面 形態結構進行測試分析。
[0007] 優選的，所述納米介孔二氧化娃的粒徑為50-150nm，孔徑為2-5nm。
[0008] 優選的，所述偶聯劑為硅烷偶聯劑，所述硅烷偶聯劑選自一氯甲基硅烷、二氯乙基 硅烷、二氣甲基硅烷、y -氣丙基二乙氧基硅烷和氣乙基)-y -氣丙基二乙氧基硅烷 中的一種或多種。
[0009] 優選的，所述蠟為固體石蠟、液體石蠟、聚乙烯蠟和半精煉石蠟中的一種或多種。 [001 0] -種新型復合材料纖維的制備方法，包括以下步驟：
[0011] (1)取配方量的納米介孔二氧化硅、聚丙烯、偶聯劑和蠟在高速混合機內混合，得 混合料；
[0012 ] (2)混合料經雙螺桿高溫熔融共混進行第一次造粒切粒；
[0013] (3)進行第二次造粒切粒。
[0014] 優選的，步驟(2)中第一次造粒切粒和步驟(3)中第二次造粒切粒的溫度為0-300 r。
[0015] 一種新型復合材料纖維的熔噴紡絲方法，其熔噴紡絲溫度為260~290°C，熱空氣 溫度為270~285°C，空氣壓力為0.2~0.4MPa，纖維接收裝置為圓鼓轉筒，纖維接收距離為 30~60cm〇
[0016] 熔噴紡絲技術是一種一步法成布技術，通過這種方法將樹脂切片或顆粒制成纖維 網狀的結構，熔噴法屬于長絲拉伸工藝，這種技術不僅流程短而且成本低。這種由無序排列 的超細短纖維組成的無紡布，不僅具有較大的比表面積，孔隙小，空隙率大，結構蓬松，而且 具有較好的各向同性，過濾性、透氣性、絕熱性。
[0017] 首先將聚合物加入螺桿擠出機，經擠出機加熱到融化，經計量栗精確計量供料后 通過噴絲板出料，在高壓熱空氣拉伸的作用下形成極細纖維，以非常高的速度飛往接料滾 筒，經過空氣從冷卻到凝固，靠纖維自身余熱加以連接，成為連續網狀熔噴無紡布。
[0018] 聚合物經干燥、喂入、培融擠出、過濾計量、熔體從噴絲孔擠出、熔體細流牽伸與冷 卻、成網、成品等步驟完成紡絲。
[0019]采用上述新型復合材料纖維、其制備方法及熔噴紡絲方法，本發明具有以下優點：
[0020] 實驗結果表明，隨著二氧化硅百分含量的增加，聚丙烯的力學性能有所提高，但是 伸長率卻有所降低;納米介孔二氧化硅含量達到10 %仍有較好的噴絲板紡絲性能;含3 %納 米介孔二氧化硅的二次造粒料的熔噴紡絲性能最好;通過電鏡照片可以看出納米介孔二氧 化硅在聚丙烯中的分散性比較好，熔噴纖維的細度及成網性好;含3%納米介孔二氧化硅的 熔噴纖維比表面積達到50.518m 2/g。本發明利用介孔二氧化硅納米粒子具有高比表面積、 大孔容、吸附性好等特點，與聚丙烯材料復合制備出纖維狀復合材料，擴大納米介孔二氧化 硅吸附與過濾領域的應用范圍。
【附圖說明】
[0021] 圖1為實施例2中一次造粒材料分散性圖片；
[0022] 圖2為實施例2中二次造粒材料分散性圖片；
[0023] 圖3為實施例3中一次造粒材料分散性圖片；
[0024] 圖4為實施例3中二次造粒材料分散性圖片；
[0025] 圖5為實施例4中一次造粒材料分散性圖片；
[0026] 圖6為實施例4中二次造粒材料分散性圖片；
[0027]圖7為力學性能測試中啞鈴形拉伸試樣圖；
[0028] 圖8為實施例2中熔噴紡絲電鏡圖片；
[0029] 圖9為實施例3中熔噴紡絲電鏡圖片；
[0030] 圖10為實施例4中熔噴紡絲電鏡圖片；
[0031] 圖11為實施例2中熔噴無紡布纖維分散性電鏡圖片；
[0032]圖12為實施例3中熔噴無紡布纖維分散性電鏡圖片；
[0033]圖13為實施例4中熔噴無紡布纖維分散性電鏡圖片；
【具體實施方式】 [0034] 實施例1
[0035] 1. -種新型復合材料纖維，按重量百分比計，其包括以下組分:納米介孔二氧化硅 1 %、聚丙如98%和錯1 %。
[0036]其中，納米介孔二氧化娃的粒徑為150nm，孔徑為3nm;錯為半精煉石錯。
[0037] 2.新型復合材料纖維的制備方法：
[0038] (1)取配方量的納米介孔二氧化硅、聚丙烯、偶聯劑和蠟在高速混合機內混合，得 混合料；
[0039] (2)混合料經雙螺桿高溫熔融共混在100°C條件下進行第一次造粒切粒；
[0040] (3)在100°C條件下進行第二次造粒切粒。
[0041 ] 實施例2
[0042] 1. -種新型復合材料纖維，按重量百分比計，其包括以下組分:納米介孔二氧化硅 3%、聚丙烯90%、偶聯劑1 %和蠟6%。
[0043] 其中，納米介孔二氧化硅的粒徑為100nm，孔徑為3nm;偶聯劑為硅烷偶聯劑一氯甲 基硅烷，蠟為液體石蠟。
[0044] 2.新型復合材料纖維的制備方法：
[0045] (1)取配方量的納米介孔二氧化硅、聚丙烯、偶聯劑和蠟在高速混合機內混合，得 混合料；
[0046] (2)混合料經雙螺桿高溫熔融共混在300°C條件下進行第一次造粒切粒；
[0047] (3)在300°C條件下進行第二次造粒切粒。
[0048] 實施例3
[0049] 1. -種新型復合材料纖維，按重量百分比計，其包括以下組分:納米介孔二氧化硅 6%、聚丙烯86%、偶聯劑0.5%和蠟7.5%。
[0050] 其中，納米介孔二氧化硅的粒徑為100nm，孔徑為3nm;偶聯劑為三氯甲基硅烷和 Y -氨丙基三乙氧基硅烷的混合，蠟為半精煉石蠟。
[00511 2.新型復合材料纖維的制備方法：
[0052] (1)取配方量的納米介孔二氧化硅、聚丙烯、偶聯劑和蠟在高速混合機內混合，得 混合料；
[0053] (2)混合料經雙螺桿高溫熔融共混在300°C條件下進行第一次造粒切粒；
[0054] (3)在300°C條件下進行第二次造粒切粒。
[0055] 實施例4
[0056] 1. -種新型復合材料纖維，按重量百分比計，其包括以下組分:納米介孔二氧化硅 10%、聚丙烯80%和蠟10%。
[0057] 其中，納米介孔二氧化娃的粒徑為50nm，孔徑為2nm;錯為聚乙稀錯。
[0058] 2.新型復合材料纖維的制備方法：
[0059] (1)取配方量的納米介孔二氧化硅、聚丙烯、偶聯劑和蠟在高速混合機內混合，得 混合料；
[0060] (2)混合料經雙螺桿高溫熔融共混在200°C條件下進行第一次造粒切粒；
[0061 ] (3)在200°C條件下進行第二次造粒切粒。
[0062]性能測試及結果
[0063] 1.納米介孔二氧化硅在聚丙烯中的分散性研究
[0064] 取實施例2-4中一次造粒、二次造粒的粒料在電鏡下觀察相容性，實施例2中的一 次造粒觀察結果見附圖1，二次造粒觀察結果見附圖2,實施例3中的一次造粒觀察結果見附 圖3,二次造粒觀察結果見附圖4,實施例4中的一次造粒觀察結果見附圖5,二次造粒觀察結 果見附圖6。由附圖1-6可知，納米介孔二氧化硅聚丙烯復合材料沒有出現明顯的顆粒團聚 現象，納米介孔二氧化硅在聚丙烯中的分散性比較好，通過比較圖2、4、6可以看出，納米介 孔二氧化硅含量越高，分散性越差。從圖2中可以看出，3 %二次造粒的分散性最好。
[0065] 2.熔融指數測試分析
[0066]實驗原理:熔體流動速率是指熱塑性塑料在一定溫度和負荷下，熔體每lOmin通過 標準口模的質量，用MFR來表示，其數值可以表征熱塑性塑料在熔融狀態時的粘流特性。 [0067]表1熔融指數性能測試結果
[0069] 通過表1熔融指數的測試數據可以看出，熔融指數隨著納米介孔二氧化硅百分含 量的增加而降低，納米介孔二氧化硅含量的增加，使其粘度有所增加，造成熔融指數的降 低。二次造粒的熔融指數明顯高于一次造粒，通過二次造粒，各百分比的熔融指數均有大幅 度提高，流動性變得更好。二次造粒溫度的升高，產生熱降解，分子量降低，是熔融指數增加 的主要原因。
[0070] 3.力學性能測試
[0071] (1)取實施例1-4中一次成型、二次成型顆粒，根據注射成型工藝條件，模板為如附 圖7所示啞鈴形拉伸測試試樣，在拉伸過程中，斷裂經常發生在Go區域，而不是在Go標線以 外的區域。
[0072]啞鈴樣條的制作工藝參數:①有較高的注塑壓力、較長的保壓時間、較高的模具溫 度，還必須有適當的多級注塑工藝。所得樣條為一平面，不能有凹陷，并且樣條內不能有氣 泡。②在注塑過程中，不應改變工藝條件，保證同一配方的工藝參數相同，避免由于工藝條 件改變而帶來的試驗測試的誤差，進而影響試驗測試的結果。
[0073] (2)注塑成型流程：
[0074]快速鎖模-高壓鎖模-射膠一段-射膠二段-射膠三段-保壓三段-溶膠一段 -溶膠二段-溶膠三段-送退-慢速開模-快速開模-減速開模-頂針一段-頂針二段 -退針一段-退針二段。
[0075] (3)啞鈴試樣拉伸測試分析
[0076] 測試條件:有效長度為80mm，寬度為10mm，厚度為4mm，拉伸速度為50mm/min。
[0077] ①先用注射成型機根據不同配比分別制備啞鈴試條；
[0078]②將試條以正確的方式擺正，使其剛好可以在有效區域拉伸，以氣壓固定；
[0079]③測試前先平衡；
[0080] ④開始試驗；
[0081] ⑤測試，分別記錄數據和圖像。
[0082]測試結果如表1所示：
[0083]表2力學性能測試結果
[0085] 通過表2拉伸試驗的測試可以看出，隨著二氧化硅百分含量的增加，最大屈服強度 呈遞減趨勢;在相同百分比的條件下，二次造粒要比一次造粒的力學性能要好，是因為二次 造粒的分散均勻性好于一次造粒。從實驗結果可知，添加納米介孔二氧化硅可使聚丙烯的 力學性能得到提高，其中二氧化硅百分含量為3%二次造粒的力學性能最佳。
[0086] 可以看出隨著納米介孔二氧化硅含量的增加，聚丙烯的力學性能逐漸降低，但與 純聚丙烯相比，有顯著提高，而伸長率隨著納米介孔二氧化硅含量的增加也顯著降低，這是 因為大分子的熱降解造成分子量變小，而無機粉體納米顆粒作為纏結點纏結大分子，對拉 伸變形產生了較大的影響。
[0087] 4.紡絲性能測試
[0088] 取實施例1-4中一次成型、二次成型顆粒，紡絲設備采用氣壓式柱塞紡絲機，紡絲 溫度0-400 °C，氣壓0~IMPa，噴絲板4孔，孔徑巾0.2mm，直流調速繞絲機繞絲，繞絲速度10~ 800m/min可調，紡絲過程為加紡絲油劑，只考核最大連續繞絲速度，即可紡性。
[0089] 表3繞絲性能的測試
[0091]通過表3由最大繞速可以看出，隨著納米介孔二氧化硅百分含量的增加，最大繞速 成遞減狀態，其中實施例2中3 %二次造粒的繞速最高。通過一次造粒和二次造粒比較，二次 造粒明顯比一次造粒繞速要高，證明二次造粒相對于一次造粒來說，流動性更加好，拉伸性 能也有很大提尚。
[0092] 5.熔噴紡絲性能測試及電鏡分析
[0093] 取實施例2-4中二次造粒顆粒，進行熔噴紡絲試驗。熔噴紡絲溫度為260~290°C， 熱空氣溫度為270~285°C，空氣壓力0.2~0.4MPa，纖維接收裝置為圓鼓轉筒，纖維接收距 離為30~60cm。實施例2的熔噴紡絲結果見圖8,實施例3的熔噴紡絲結果見圖9,實施例4的 熔噴紡絲結果見圖10,通過比較圖8-10可以看出實施例2中的3%熔噴無紡布的纖維粗細較 均勻，3%二次造粒的熔融指數最高，所以最適合做熔噴，3%二次造粒所得熔噴無紡布的性 能最好。
[0094]取實施例2-4中二次造粒顆粒，對熔噴無紡布表面進行電鏡掃描，在樣托上貼好雙 面膠，應選取導電性能較好的雙面膠，以防測試高倍數時模糊不清，將3種樣品所制得的熔 噴無紡布選取一塊置于樣品托上，注意選取較柔軟，沒有熔料的無紡布。實施例2的電鏡照 片見圖11，實施例3的電鏡照片見圖12，實施例4的電鏡照片見圖13，3 %二次造粒熔噴表面 纖維的分散性最好，經過比表面積測試，納米介孔二氧化硅含量為6%的聚丙烯熔噴纖維的 比表面積為50.518m 2/g。
[0095]對本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種 相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬于本發明權利要求的保護范圍 之內。
【主權項】
1. 一種新型復合材料纖維，按重量百分比計，其包括以下組分：納米介孔二氧化硅1-10%、聚丙烯80-98%、偶聯劑0-1 %和蠟1-10%。2. 根據權利要求1所述的新型復合材料纖維，按重量百分比計，其包括以下組分：納米 介孔^氧化娃3%、聚丙稀90%、偶聯劑1 %、錯6%。3. 根據權利要求1所述的新型復合材料纖維，其特征在于:所述納米介孔二氧化娃的粒 徑為50-150nm，孔徑為2-5nm。4. 根據權利要求1所述的新型復合材料纖維，其特征在于:所述偶聯劑為硅烷偶聯劑， 所述硅烷偶聯劑選自一氯甲基硅烷、二氯乙基硅烷、三氯甲基硅烷、γ -氨丙基三乙氧基硅 烷和Ν-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一種或多種。5. 根據權利要求1所述的新型復合材料纖維，其特征在于:所述蠟為固體石蠟、液體石 蠟、聚乙烯蠟和半精煉石蠟中的一種或多種。6. -種制備如權利要求1所述的新型復合材料纖維的方法，其特征在于：包括以下步 驟： (1) 取配方量的納米介孔二氧化硅、聚丙烯、偶聯劑和蠟在高速混合機內混合，得混合 料； (2) 混合料經雙螺桿高溫熔融共混進行第一次造粒切粒； (3) 進行第二次造粒切粒。7. 根據權利要求6所述的新型復合材料纖維的制備方法，其特征在于:步驟(2)中第一 次造粒切粒和步驟(3)中第二次造粒切粒的溫度為0-300°C。8. -種使用如權利要求1所述的新型復合材料纖維熔噴紡絲的方法，其特征在于:熔噴 紡絲溫度為260~290°C，熱空氣溫度為270~285°C，空氣壓力為0.2~0.4MPa，纖維接收裝 置為圓鼓轉筒，纖維接收距離為30~60cm。
【文檔編號】D01D5/08GK105839218SQ201610207903
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】蔡強, 李和玉, 于冉, 張建民, 童渝川, 陳奇飛
【申請人】南京眾力盛強新材料科技有限公司