CN103789867A - 一种吸湿性阳离子可染聚酯纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸湿性阳离子可染聚酯纤维及其生产方法，该聚酯纤维中主要含有阳离子可染聚酯、聚乙烯吡咯烷酮吸湿成分和磷系热稳定剂。聚乙烯吡咯烷酮与阳离子聚酯共混时，使用L/D为45以上二轴挤出机进行低温共混，通过低温纺丝得到聚酯纤维，磷系热稳定剂在共混时或熔融纺丝时加入，最终得到的聚酯纤维具有良好耐久的吸湿性、纤维的色调好，耐光坚牢度优异，可用于内衣或运动衣料。

Description

一种吸湿性阳离子可染聚酯纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种吸湿性阳离子可染聚酯纤维及其生产方法。详细地说，通过在阳离子可染聚酯中添加吸湿成分以及磷系热稳定剂得到能应用于内衣、运动衣等衣料用材料的吸湿性阳离子可染聚酯纤维。

背景技术

阳离子可染聚酯纤维是典型的热可塑性合成纤维，自发明以来，由于其机械强度、耐药品性、耐热性等优良，在衣料及产业方面得到广泛的应用。

但是，阳离子可染聚酯纤维的吸放湿性极低，在直接接触皮肤或贴近皮肤穿着时不能及时排出汗水，会产生发粘的感觉，因此限制了阳离子可染聚酯纤维在内衣类衣料用途上发展。

改善阳离子可染聚酯纤维吸湿性的方法有在阳离子聚酯中共聚吸湿成分或添加具有吸湿性的化合物。例如，在阳离子聚酯反应过程中与侧链上具有羟基亚烷基二醇的二醇共聚，或者与含有磺酸金属盐的二羧酸共聚等等。但是，共聚合得到的吸湿性阳离子可染聚酯纤维存在强度及耐候性低的问题。

在上述通过赋予纤维原料聚酯吸湿性使纤维具有吸湿性的方法之外，还可以通过化学方法在阳离子可染聚酯纤维上附着吸湿性化合物。例如在阳离子可染聚酯纤维上接枝丙烯酸或甲基丙烯酸，再利用碱金属取代其中的羧基，从而提高阳离子可染聚酯纤维的吸湿性。但是由于吸湿性化合物附着在阳离子可染纤维表面上，在使用过程中存在强度逐渐降、手感不良、耐光性差等问题。

特开平2-99612公开了一种将吸湿率为10%以上的吸湿性树脂作为芯部、普通聚酯作为鞘部的芯鞘型复合纤维。用这种方法得到的纤维在做精炼、染色等热处理时，由于芯部分的吸湿性树脂易吸水而膨胀，会在纤维表面形成裂纹，由于吸湿性树脂对水的溶解性高而向外流出，吸湿性消失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸湿性阳离子可染聚酯纤维及其制备方法，通过在阳离子可染聚酯中添加吸湿性物质聚乙烯吡咯烷酮，使其在阳离子可染聚酯中微分散，从而提高聚酯纤维的吸湿性，并且为了得到色调优良、耐光坚牢度优异的纤维，在该纤维中还添加了磷系热稳定剂。

本发明的技术解决方案是：

一种吸湿性阳离子可染聚酯纤维，该聚酯纤维中主要含有阳离子可染聚酯、聚乙烯吡咯烷酮吸湿成分和磷系热稳定剂，其中阳离子可染聚酯中含有由带有磺酸钠基团的间苯二甲酸或其衍生物形成的结构单元，以硫元素计该结构单元占聚酯纤维的0.1～1.5wt%；聚乙烯吡咯烷酮占聚酯纤维重量的3～15wt%，其分散径为200nm以下；磷系热稳定剂的含量以P元素计占聚酯纤维重量的50～500ppm。

在本发明所述聚酯纤维中，相对于聚酯纤维的重量，其中由带有磺酸钠基团的间苯二甲酸或其衍生物形成的结构单元以硫元素计占0.1～1.5wt%，当聚酯纤维中该结构单元的含量小于0.1wt%时，纤维不具有阳离子可染性；当该结构单元的含量超过1.5wt%时，纤维物性下降，实际应用差。为了使聚酯纤维获得理想的阳离子可染特性，优选其含量为0.2%～1.2wt%。

所述阳离子可染聚酯中含有由带有磺酸钠基团的间苯二甲酸或其衍生物形成的结构单元，带有磺酸钠基团的间苯二甲酸或其衍生物为间苯二甲酸-5-磺酸钠、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠或间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠。

在本发明所述聚酯纤维中，相对于聚酯纤维的重量，其中聚乙烯吡咯烷酮的含量为3～15wt%。当聚酯纤维中聚乙烯吡咯烷酮的含量小于3wt%时，纤维不具有吸湿性，实际应用性差；当聚酯纤维中聚乙烯吡咯烷酮的含量超过15wt%时，纤维有粘感，接触很不舒服，而且纤维物性下降。为了使聚酯纤维获得理想的吸湿特性，优选其含量为5～12wt%。

聚乙烯吡咯烷酮在本发明所述聚酯纤维中的平均分散径为200nm以下，优选150nm以下。平均分散径在200nm以下的聚乙烯吡咯烷酮可以与聚酯纤维很好地络合，抑制聚乙烯吡咯烷酮的溶出，防止聚酯纤维的吸湿性下降，调高其吸湿耐久性。优先选用K值为15～90的聚乙烯吡咯烷酮。

本发明所述聚酯纤维中还含有以P元素计相对于聚酯纤维重量为50～500ppm的磷系热稳定剂。该磷系热稳定剂可以抑制共混时阳离子可染聚酯和吸湿成分的热降解以及加水分解，改善所得聚酯纤维的色调，提高其耐光坚牢度。所述磷系热稳定剂优选如式1所示的二磷酸酯系化合物：

       式1

式中R₁、R₂分别为芳香烃基，例如苯基、间位带有碳原子数为1～5的烷基的苯基、对烷基苯基、芳香胺基或芳香磺基等。优选如下所示式2～式4的基团：

           式2，

        式3，

          式4。

本发明还涉及一种上述聚酯纤维的制备方法，将熔点为200℃～240℃的阳离子可染聚酯和K值为15～90的聚乙烯吡咯烷酮和在长径比L/D为45以上的二轴挤出机上进行低温共混，其中聚乙烯吡咯烷酮的添加量占聚酯纤维重量的3～15wt%；将得到的共混物在220～270℃的温度下低温熔融纺丝得到初生纤维，将该初生纤维进一步进行拉伸得到聚酯纤维；在共混阶段或熔融纺丝阶段添加以磷元素计占聚酯纤维重量50ppm～500ppm的磷系热稳定剂。

本发明采用L/D为45以上的二轴挤出机进行混炼，能提高聚乙烯吡咯烷酮在阳离子可染聚酯中的分散性，使其分散径达到200nm以下，进而提高共混物的纺丝性。如果L/D不足45，会使聚乙烯吡咯烷酮的分散径增大，在之后的纺丝过程中，会出现频繁断丝、纤维物性不良等问题。 

本发明使用K值为15～90的聚乙烯吡咯烷酮。K值在该范围内的聚乙烯吡咯烷酮与阳离子可染聚酯更容易共混，与阳离子可染聚酯的络合能力强，在共混挤出后的水冷过程中不容易溶出，能够得到吸湿性良好的聚酯纤维；另外，与K值在该范围内的聚乙烯吡咯烷酮共混后的阳离子聚酯体系的粘度稳定，不会产生混炼吐出不良、造粒困难、生产效率低等的问题。优选聚乙烯吡咯烷酮的K值为20～70。

本发明所使用的聚乙烯吡咯烷酮在高温下耐热性较差，与阳离子可染聚酯共混后所得到的组合物色调容易变黄。因此，本发明选择熔点为200℃～240℃的阳离子可染聚酯与聚乙烯吡咯烷酮进行低温共混，在混炼时控制熔融部温度为阳离子可染聚酯熔点温度以上10～20℃，混炼部温度为180～230℃。更优选熔点为220℃～240℃的阳离子可染聚酯。另外，聚乙烯吡咯烷酮在空气中容易吸水发粘，因此可以在共混挤出机喂料口添加水冷装置，控制喂料口的温度在80℃以下，从而使喂料顺利进行。

本发明所述的磷系热稳定剂优选如式1所示的二磷酸酯系热稳定剂。磷系热稳定剂可以在共混时加入，也可以在熔融纺丝过程中加入，其添加量为以P元素计相当于聚酯纤维重量的50ppm～500ppm。优选在共混阶段加入磷系热稳定剂。在共混阶段加入热稳定剂，通过共混中的剪切作用，使热稳定剂均匀分散，能最大发挥其对基体的热稳定效果。同时，均匀分散的热稳定剂对之后的熔融纺丝不会产生影响。

本发明所述的方法中，在熔融纺丝时也选择低温纺丝，纺丝温度为220℃～270℃，优选235℃～260℃。在低温条件下纺丝，可以减少各共混组分的受热分解，从而得到色调优良的纤维。

本发明所述的吸湿性阳离子可染聚酯纤维的吸湿性参数ΔMR为1.0%以上，色调b值在5.0以下，耐光坚牢度为3级以上的纤维。该纤维的强伸度积在15.0以上，具有一般衣料用途用的机械特性。该纤维可用阳离子染料进行染色，有利于和聚氨酯进行混纺。

本发明所涉及的评价方法有：

（1）混炼安定性

通过观察挤出机出口处阳离子聚酯的挤出胀大程度判定，无挤出胀大记为○，轻微挤出胀大记为△，严重挤出胀大记为×，其中○和△判定为合格。

（2）纺丝性

纺丝2小时内的纺丝情况通过下列方法进行评价，无断丝记为○，有少量断丝（1～3回）记为△，断丝频繁（4回以上）记为×，其中○和△判定为合格。

（3）聚乙烯吡咯烷酮的平均分散径

通过扫描电镜SEM或透射电镜TEM对纤维横截断面进行观察，得到电子图像，再通过winrof软件对电子图像进行处理，得到聚乙烯吡咯烷酮的平均分散径。

（4）聚乙烯吡咯烷酮K值

    将聚乙烯吡咯烷酮制成质量浓度为1%的水溶液，测定其相对粘度，再用fikentscher计算其K值，

                  logZ=C[75K²/(1+1.5KC)+K]，

其中K：K值×10³，C：水溶液浓度（W/V%），Z：浓度为C的水溶液的相对粘度。

（5）纤维的强伸度积

强伸度积=强度×(伸度)^0.5，

强度为纤维应力-应变拉伸时最大破断点的应力/纤度（cN/dtex），伸度为纤维最大破断点的应变 (%)。

    （6）吸湿性参数ΔMR

    将纤维去除油剂，将约1g的试样装入玻璃重量为W称量瓶内，放入干燥机中，于110℃干燥2小时。将该称量瓶密封，置于干燥器中30分钟冷却。测试装有试样的称量瓶重量W₁。接着，以开放的状态装入设定在20℃，65%RH的恒温恒湿机内，放置24小时。随后，再在密封状态下，置于干燥器中30分钟后，再次测试称量瓶重量W₂。继续以开放的状态装入设定在30℃，90%RH的恒温恒湿机内，放置24小时，再在密封状态下，置于干燥器中30分钟后，再测试称量瓶重量W₃，

 MR₁=（W₂-W₁）*100%/（W₁-W），

 MR₂= (W₃-W₁)*100%/（W₁-W），

 ΔMR=MR₂-MR₁。

（7）耐光坚牢度

按照日本JIS L-0842标准进行测试，级数越高表示耐光色牢度越好。

（8）纤维中吸湿性物质及其含量的测定

根据核磁共振的氢谱可测得吸湿性物质中特征峰的位置和强度，再根据化学式推算出该吸湿性物质的含量。

（9）聚酯中的S元素含量的测试方法

将6g聚合物压成片状，用荧光X线分析装置（理学电气公司制造的X线分析装置3270型）测定它的强度，用已知金属含量的样品事先作成的检测线进行换算。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1

    将K值为30的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、双(2,6-二叔丁基-4-甲基苯基)季戊四醇二磷酸酯与熔点230℃的阳离子可染聚酯在二轴挤出机上共混挤出，（φ44mm、L/D:52），其中PVP的添加量占聚酯纤维的3wt%，二磷酸酯的添加量以磷元素计相当于聚酯纤维的150ppm。挤出机的温度设定为熔融部245℃、混炼部200℃，挤出状况良好。所得共混物中PVP的平均分散径为80nm。将得到的共混物进行熔融纺丝，纺丝温度为255℃，纺丝速度为2500m/min，得到初生纤维，再将初生纤维通过2.2倍延伸加工得到聚酯纤维。经测试，所得聚酯纤维中PVP的平均分散径为80nm，该纤维的吸湿性参数ΔMR为1.1%，色调b值为2.0，强伸度积为19.8，耐光坚牢度为4级以上。

实施例2～4

    改变相对于聚酯纤维PVP的添加量分别为5wt%、10wt%、15wt%，其他同实施例1。混炼及纺丝没有出现问题，具体的结果见表1。

比较例1～2

    改变相对于聚酯纤维PVP的添加量分别为1wt%、20wt%，其他同实施例1。当相对于聚酯纤维PVP的添加量为1wt%时，虽然混炼和纺丝没有问题，但是所得纤维的吸湿性不好。当相对于聚酯纤维PVP的添加量为20wt%时，混炼时挤出胀大严重，造粒困难。具体的结果见表1。

表1

实施例5～8

    固定相对于聚酯纤维PVP添加量为7wt%，改变相对于聚酯纤维以P元素计双(2,6-二叔丁基-4-甲基苯基)季戊四醇二磷酸酯的添加量分别为50ppm、250ppm、350ppm、450ppm，其他同实施例1。混炼及纺丝没有出现问题，具体的结果见表2。

比较例3

    不添加磷系热稳定剂，其他同实施例5的得到纤维，所得纤维的色调b值为6.0，纤维耐光坚牢度为3级以下。

比较例4

    相对于聚酯纤维，PVP添加量为7wt%，双(2,6-二叔丁基-4-甲基苯基)季戊四醇二磷酸酯的添加量为以磷元素含量计150ppm，聚酯选取熔点为252℃的普通聚酯，混炼温度为265℃，纺丝温度为280℃，所制得的纤维色调b值为10.0，纤维耐光坚牢度为1级。

表2

实施例9～11

    选择长径比L/D分别为45、48、55的二轴挤出机进行共混，其他同实施例5。所得到的组合物的平均分散径为180nm、165nm、90nm。具体结果见表3。

比较例5～6

    选择长径比L/D分别为30、35的二轴挤出机进行共混，其他同实施例5。得到的组合物的平均分散径为250nm、300nm。具体结果见表3。

表3

实施例12

将K值为60的PVP与熔点220℃的阳离子可染聚酯在二轴挤出机上共混挤出（φ44mm、L/D:52），其中PVP的添加量占聚酯纤维的7wt%，挤出机的温度设定为熔融部235℃、混炼部180℃，挤出状况良好。所得共混物中PVP的平均分散径为100nm。将得到的共混物进行熔融纺丝，在纺丝过程中添加双(2,4-二叔丁基苯基) 季戊四醇二磷酸酯，其添加量以磷元素计相当于聚酯纤维的150ppm。纺丝温度为245℃，纺丝速度为2000m/min，得到初生纤维，再将初生纤维通过2.4倍延伸加工得到聚酯纤维。经测试，所得聚酯纤维中PVP的平均分散径为100nm，该纤维的吸湿性参数ΔMR为2.1%、色调b值为2.0、强伸度积为18.5、耐光坚牢度为4级。

实施例13～14

选用熔点分别为230℃、240℃的阳离子聚酯，相应的改变熔融纺丝时的纺丝温度分别为255℃、260℃，其他同实施例12。具体结果见表4。

表4

Claims (9)

1.一种吸湿性阳离子可染聚酯纤维，其特征是：该聚酯纤维中主要含有阳离子可染聚酯、聚乙烯吡咯烷酮吸湿成分和磷系热稳定剂，其中阳离子可染聚酯中含有由带有磺酸钠基团的间苯二甲酸或其衍生物形成的结构单元，以硫元素计该结构单元占聚酯纤维的0.1～1.5wt%；聚乙烯吡咯烷酮占聚酯纤维重量的3～15wt%，其分散径为200nm以下；磷系热稳定剂的含量以P元素计占聚酯纤维重量的50～500ppm。

2.根据权利要求1所述的吸湿性阳离子可染聚酯纤维，其特征是：所述聚乙烯吡咯烷酮占聚酯纤维重量的5～12wt%。

3.根据权利要求1或2所述的吸湿性阳离子可染聚酯纤维，其特征是：所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为15～90。

4.根据权利要求1或2所述的吸湿性阳离子可染聚酯纤维，其特征是：所述磷系热稳定剂为如式1所示的二磷酸酯系化合物：

       式1

式中R₁、R₂分别为芳香烃基。

5.根据权利要求1或2所述的吸湿性阳离子可染聚酯纤维，其特征是：所述带有磺酸钠基团的间苯二甲酸或其衍生物为间苯二甲酸-5-磺酸钠、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠或间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠。

6.根据权利要求1所述的吸湿性阳离子可染聚酯纤维，其特征是：该聚酯纤维的吸湿性参数ΔMR为1.0%以上，色调b值在5.0以下，耐光坚牢度在3级以上。

7.一种权利要求1所述吸湿性阳离子可染聚酯纤维的生产方法，其特征是：将熔点为200～240℃的阳离子聚酯和K值为15～90的聚乙烯吡咯烷酮和在长径比L/D为45以上的二轴挤出机上进行低温共混，其中聚乙烯吡咯烷酮的添加量占聚酯纤维重量的3～15wt%；将得到的共混物在220～270℃的温度下低温熔融纺丝得到初生纤维，将该初生纤维进一步进行拉伸得到聚酯纤维；在共混阶段或熔融纺丝阶段添加以磷元素计占聚酯纤维重量50ppm～500ppm的磷系热稳定剂。

8.根据权利要求7所述吸湿性阳离子可染聚酯纤维的生产方法，其特征是：所述磷系热稳定剂为如式1所示的二磷酸酯系化合物：

       式1

式中R₁、R₂分别为芳香烃基。

9.根据权利要求7或8所述的吸湿性阳离子可染聚酯纤维的生产方法，其特征是：磷系热稳定剂在共混阶段添加。