CN103012765A - 一种吸湿阻燃聚酯纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吸湿阻燃共聚酯，包括对苯二甲酸（PTA）或其他芳香族二元羧酸或其酯类衍生物；含碳原子数2到6的脂肪族二元醇；磷系阻燃剂；含吸湿基团单体及含醚键的柔性链单体聚合而成的共聚物，其中也包含热稳定剂、抗氧化及抗紫外添加剂。合成的吸湿阻燃共聚酯，纺丝制备的织物，具有良好的吸湿、阻燃功能，大大地改善了聚酯纤维织物的穿着舒适性和安全阻燃性。

Description

一种吸湿阻燃聚酯纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于制备具有优异吸湿性和高效阻燃性的复合功能聚酯纤维。属于纺织纤维领域。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对于纺织面料舒适性和安全性的要求越来越高；服装在穿着时的舒适性与服装面料的吸放湿特性具有密切的关系，而服装面料的安全性与阻燃性能有重要关系，特别是特殊作业环境下舒适性与安全性尤为重要。众所周知，聚酯纤维是合成纤维最大（约占合纤产量85%）品种，但吸湿性（回潮率仅为0.4%）、阻燃性较差（极限氧指数20~22%），因此亟需同时解决聚酯阻燃性和吸湿性的难题。

本研究通过化学改性和物理改性技术相结合的方法赋予聚酯纤维优异的吸湿性和高效阻燃性。合成的吸湿阻燃功能聚酯中，除引入含有吸湿基团的单体外，共聚还使聚酯分子链的规整性被部分破坏，结晶性能下降，从而聚酯纤维中无定形区相应增加，有利于吸附更多的水分子，提高了聚酯纤维的吸湿性能。在聚酯合成过程中加入反应型阻燃剂，使得所合成的聚酯具有持久阻燃性能。并且纤维在燃烧时其中的水分子蒸发吸热，具有降低基体温度和稀释可燃气体等作用，协同提高纤维的阻燃性能。可见，纤维的吸湿性能和阻燃性能协同作用，彼此促进各自性能的进一步提高。因此，可制备兼具吸湿性和阻燃性能的聚酯纤维，本发明制备的吸湿阻燃聚酯纤维回潮率大于1.0%，极限氧指数大于28%，大大提高了聚酯纤维织物的安全性与热湿舒适性，可应用于各种场合，特别是用于特殊作业环境下对舒适性与安全性要求极高的领域。

有关吸湿性聚酯纤维的研究国内外有很多报道。其主要改性技术有以下几种方法：1）在聚酯分子链上共聚引入亲水基团，改善聚酯纤维的吸湿性能；2）将聚酯与其它高吸湿聚合物共混纺丝提高吸湿性和亲水性；3）聚酯与吸湿性聚合物的复合纺丝经减量处理制备吸湿性好的多孔性复合纤维；4）用吸湿性物质固定于纤维表面，提高纤维的吸湿性； 5）纤维截面的异形化设计等。利用上述几类技术，各纤维大国相继都有PET吸湿纤维开发的技术报道。

美国杜邦、韩国和日本帝人公司对吸湿聚酯纤维的开发起步较早，并取得了相应的专利。如多孔中空纤维ウェルキィ。ウェルキィ是由日本帝人公司开发的PET中空微孔纤维，可以快速吸湿和放湿。吸湿、放湿纤维ウェルキィMA 也是日本帝人公司的产品。它是采用丝胶朊附着于PET纤维上，制备具有亲水性的聚酯纤维。“control”织物是日本旭化成公司开发的织物，它是由角钢状聚酯异形纤维“シーベE”与常规聚酯长丝编织而成的双重构造吸湿针织物。最著名的是杜邦公司独家研究开发的功能性纤维Coolmax，其纤维表面有四道沟槽，以这种纤维制成的布料能使人体活动时所产生的汗水迅速排至衣服表层。

有关吸湿排湿纤维，我国台湾及大陆地区也先后开发出多种具有良好吸湿排汗功能的新型纤维，如Coolplus、Cooltech、Coolbest、Cooldry等等。它们的共同特点是对纤维截面的异形化设计，使纤维表面具有细微沟槽，能将肌肤表层排出的湿气与汗水经过芯吸、扩散和传输，瞬间排出体外，且纤维与人体接触时不是以面或线接触，而是以点接触，使肌肤保持干爽与清凉。

聚酯纤维的阻燃改性方法主要采用共混阻燃改性、共聚阻燃改性以及阻燃后整理的方法,常用的阻燃剂主要有卤系和磷系阻燃剂。卤系阻燃体系属品种多、适用范围广、成本低、阻燃效果较好的阻燃剂。但是卤系阻燃剂在热裂解或燃烧时生成较多的烟和腐蚀性气体，容易产生二噁英类物质，对环境及人的生命产生极大的危害。目前阻燃聚酯纤维主要采用环保友好型磷系反应型阻燃剂。反应型阻燃剂非常适用于比较大型的聚酯切片及纤维生产企业，在常规的聚酯生产工艺基本不改变的情况下就可以进行阻燃聚酯的生产，并且由于磷系反应型阻燃剂阻燃效率高，燃烧过程中没有毒性气体的生成等各种优点，磷系反应型阻燃剂已经成为阻燃聚酯的主流阻燃剂。如国外已经工业化的阻燃涤纶如 Forflam、 Treirva CS、 Heim、 GH和 Extar 等，采用的就是共混及共聚型磷系阻燃剂。另外，后整理法也是生产阻燃聚酯及其织物的一种方法。对涤纶织物的阻燃后整理主要采用六溴环十二烷、四羟甲基氯化磷/脲共聚物以及 Amgard 公司生产的环状磷酸酯 Antiblaze P45等，美国Mobil公司的Antiblaze 19T是采用环状磷酸酯阻燃剂整理的代表，但后整理法所得产品的阻燃耐久性较差。

有关阻燃纤维，国内研究者也做了大量工作，四川大学王玉忠教授多年来致力于聚合物阻燃技术的研究与开发，合成了一系列的含磷齐聚物添加型阻燃剂、反应型阻燃剂和后处理阻燃剂，应用于PET的阻燃处理，取得了良好的效果。在反应型阻燃剂中膦酸类反应型阻燃剂研究的较多，北京理工大学等对含膦酸类阻燃剂及其共聚酯进行了大量的研究。北京理工大学的王利生教授合成了13种聚酯用含磷反应型阻燃剂，并研究了共聚酯的热性能和阻燃性能。通过磷酸基、酸基、羟基将阻燃剂引入到聚酯的主链或者侧链上，所制备聚酯的热稳定性能得到了很大的提高，其LOI值超过了27%。

综上，吸湿聚酯纤维及阻燃聚酯纤维均有报道。复合功能聚酯纤维品种也有报道，包括阻燃/阳离子、阻燃/抗菌、阻燃/吸湿等。但目前尚未见具有优异综合性能的吸湿阻燃聚酯纤维专利技术的报道。

发明内容

本发明的目的之一是：提供一种功能性聚酯共聚物，其具有较好的吸湿性和阻燃性，且该聚合物具有良好的加工性和力学性能，可制造成纤维。

本发明的目的之二是：提供一种吸湿阻燃聚酯纤维，由上述功能性共聚酯熔融纺丝而制得。

本发明的目的是采用下列技术方案实现的。

一种具有吸湿、阻燃功能的共聚酯，其特征在于，包括对苯二甲酸（PTA）或其他芳香族二元羧酸或其酯类衍生物；含碳原子数2到6的脂肪族二元醇；磷系阻燃剂；含吸湿基团单体及含醚键的柔性链单体聚合而成的共聚物，其中也包含热稳定剂、抗氧化及抗紫外添加剂等。

所述的芳香族二元羧酸或其酯类衍生物是具有8到14个碳原子的芳香族二羧酸或其芳香族二羧酸的烷基酯类，具体是以对苯二甲酸（PTA）或其酯类衍生物为主，加入1.5~8.0%摩尔（占主组分芳香族二元酸或其酯）的邻苯二甲酸、间苯二甲酸(IPA)、1,4-萘二甲酸、2,5-萘二甲酸、2,6-萘二甲酸、2,7-萘二甲酸或它们的甲酯类衍生物等。

所述的脂肪族二元醇为乙二醇(EG)、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇中的一种或一种以上的混合物。所述的脂肪族二元醇与芳香族二元羧酸或其酯类衍生物的摩尔比为1.2~1.8：1。

所述的含吸湿基团单体是可参与聚合反应的带有磺酸或其金属盐的二元酸。选自下列一种或几种：间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠（SIPM）、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸锂、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钾等。其添加量为芳香族二元羧酸或其酯类衍生物摩尔数的2.0%~10%，最佳用量为2.5%~5.5%（摩尔比）。该组分的添加有利于纤维的快速润湿、亲水化的实施，并提高纤维的浸湿性，还可实现阳离子染料可染。当添加量过少时，纤维的吸湿浸润效果不佳，在本发明的添加量范围内，才能达到纤维的快速润湿、亲水化。

由于引入了极性较强的吸湿基团，大分子之间的作用力增大，对聚合过程中的熔体有明显的增稠效应，导致分子量下降，并会产生过多的泡沫，堵塞真空管道，恶化产品质量，且熔融纺丝时会出现“珠子丝”，技术难度增大。本发明通过加入适量含醚键的柔性链共聚单体，以调节功能性聚酯的熔体粘度，获得满足正常熔融纺丝工艺的分子量，同时提高聚酯及其纤维的吸湿性。

所述的含醚键的柔性链聚合物选自聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇中的一种或它们的两种或三种混合物。其添加量为加入的对苯二甲酸质量的5%~25%，最佳用量为10%~20%。

所述的抗氧剂主要是指一种或多种多元受阻酚类化合物、受阻胺类化合物或其与亚磷酸酯的复合物，包括抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂1098、抗氧剂2246, Irganox B225或其复合等。所述的抗紫外剂是UVP、UV234、UV326/7/8/9、UV360、UV531等其中的一种或复合，二者在所合成的吸湿阻燃聚酯中协同作用，提高聚合过程中以及目标聚合物的耐氧化和抗紫外性能。其中，无论是单独应用，还是复合应用，抗氧剂和抗紫外剂的加入量分别为PTA质量的0.05~0.8%。常用的受阻酚类抗氧剂1010以及紫外线吸收剂UV234的分子结构如下：

所述的阻燃剂为磷系反应型阻燃剂，即阻燃剂中含有一个或多个羟基或羧基或羧酸酯基团或磷酸基团。包括9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、2-羧乙基苯基次磷酸、6-氧-6H-二苯并-c,e1,2-氧磷杂己环-6-酮甲基-丁二酸等。其共同特点是同时具有芳香环结构、磷酸（酯）结构和可反应的羟基或羧基官能团。常用的2-羧乙基苯基次磷酸（CEPPA），分子式为：

在聚酯合成过程中，由于CEPPA耐热性较差，直接加入会发生部分降解，导致阻燃效率下降且聚酯切片发黄。本发明中采用将CEPPA预酯化的方法，提高其耐热性。酯化投料摩尔比EG:CEPPA = 2~2.5:1，预酯化温度110~150℃，酯化时间1.0 ~3.0h，将反应后的酯化液按所添加PTA 质量的0.4%~1.5%（磷元素含量）加入到熔融态的芳香族二元酸或其酯类衍生物和脂肪族二元醇的酯化产物中，共同进行缩聚反应，制得吸湿阻燃共聚酯。

将所合成的吸湿阻燃共聚酯，于260℃~275℃的温度下进行纺丝，纺丝速度1000~3500m/min。纺丝后的纤维于60℃~80℃进行拉伸，拉伸倍数为3.5~1.4倍，定型温度170℃~190℃，纤维的线密度1.0~3.0dtex，该纤维具有较高的回潮率（大于1.0%）。将上述纤维织成平纹、单斜、双斜、缎纹、麻纱等机织物和针织物，均具有很好的吸湿、阻燃功能，大大地改善了聚酯纤维织物的穿着舒适性和安全阻燃性。

具体实施方式

下面将通过实施例进一步对本发明进行描述，显然本发明不仅仅局限于下述实施例。（实施例感觉写的不够清楚，不能清楚说明发明技术的内容，建议把步骤详细理理）

1.CEPPA的预酯化

将CEPPA和EG按1:2的摩尔比投料，预先将EG升温至120±2℃，然后加入白色结晶状固体阻燃剂（CEPPA），在此温度下搅拌3.0h二者进行酯化反应，反应产物输送至储罐中待用。

2.酯化及缩聚反应

以乙二醇（EG）与对苯二甲酸（PTA）及一定量的间苯二甲酸（IPA）（EG ：(PTA+IPA)=1.2：1，摩尔比）为原料，在直接酯化装置上于255℃，同时按比例加入CEPPA酯化液。然后添加定量预先配制好的间苯二甲酸二乙二醇酯-5-磺酸钠（SIPE）（按PTA的摩尔计）、定量的聚乙二醇（按PTA的质量计）以及定量UV234及抗氧剂1010（均按PTA的质量计），在0.04%锑类催化剂（Sb₂O₃或乙二醇锑）（按PTA的质量计)以及其它助剂（如热稳定剂等）存在下完成缩聚反应，体系的余压小于100Pa，反应终温控制在280℃。控制反应过程的搅拌功率，制得一定特性粘数的吸湿阻燃功能性共聚酯(具体聚合配方见表1)。

表1  吸湿阻燃共聚酯实施例配方及吸湿阻燃性能

Claims (10)

1.一种具有吸湿阻燃性功能的共聚酯，特征在于包括对苯二甲酸（PTA）或其他芳香族二元羧酸或其酯类衍生物、含碳原子数2到6的脂肪族二元醇、磷系阻燃剂、含吸湿基团单体及含醚键的柔性链单体聚合而成的共聚物，还包括热稳定剂、抗氧化剂及抗紫外添加剂。

2.根据权利要求1所述的吸湿阻燃共聚酯，特征在于所述的芳香族二元羧酸或其酯类衍生物是具有8到14个碳原子的芳香族二羧酸或其烷基酯，具体是以对苯二甲酸（PTA）或其酯类衍生物为主，加入1.5~8.0%摩尔（占主组分芳香族二元酸或其酯）的邻苯二甲酸、间苯二甲酸(IPA)、1,4-萘二甲酸、2,5-萘二甲酸、2,6-萘二甲酸、2,7-萘二甲酸或它们的甲酯类衍生物。

3.根据权利要求1所述的吸湿阻燃共聚酯，特征在于，所述的脂肪族二元醇选自乙二醇(EG)、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇中的一种或一种以上的混合物，脂肪族二元醇与芳香族二元羧酸或其酯类衍生物的摩尔比为1.2~1.8：1。

4.根据权利要求1所述的吸湿阻燃共聚酯，特征在于，所述的含吸湿基团单体是可参与聚合反应的带有磺酸基或其金属盐的二元酸，选自下列一种或几种：间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸锂、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钾。

5.根据权利要求1所述的吸湿阻燃共聚酯，特征在于，所述的含有吸湿基团的共聚单体的添加量为芳香族二元羧酸或其酯类衍生物摩尔数的2.0%~10%，最佳用量为2.5%~5.5%（摩尔比）。

6.根据权利要求1所述的吸湿阻燃共聚酯，特征在于，所述的含醚键的柔性链单体选自聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇中的一种或一种以上的混合物，其添加量为加入的对苯二甲酸质量的5%~25%，最佳用量为10%~20%。

7.根据权利要求1所述的吸湿阻燃共聚酯，特征在于，所述的抗氧化剂是一种或多种受阻酚类化合物、受阻胺类化合物或其与亚磷酸酯的复合物，包括抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂1098、抗氧剂2246，Irganox B225，所述的抗紫外剂是UVP、UV234、UV326/7/8/9、UV360、UV531等其中的一种或几种。其中，无论是单独应用，还是复合应用，抗氧剂和抗紫外剂的加入量分别为PTA质量的0.05~0.8%。

8.根据权利要求1所述的吸湿阻燃共聚酯，特征在于所述的阻燃剂为磷系反应型阻燃剂，含有一个或多个羟基或羧基或羧酸酯基团或磷酸基团，包括9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、2-羧乙基苯基次磷酸、6-氧-6H-二苯并-c,e1,2-氧磷杂己环-6-酮甲基-丁二酸。

9.一种吸湿阻燃聚酯纤维，其特征在于采用如权利要求1所合成的吸湿阻燃共聚酯熔体纺丝得到，其纤维具有较高的回潮率大于1.0%，并具有优异的阻燃性能。

10.一种具有吸湿阻燃功能的织物，其特征在于，将权利要求2所述的改性聚酯纤维织造成平纹、单斜、双斜、缎纹、麻纱等机织物或针织物，织物具有很好的吸湿性及阻燃性，极限氧指数≥31%。