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CN105401254A - 一种高强高模聚甲醛纤维及其两步法热拉制备方法 - Google Patents

一种高强高模聚甲醛纤维及其两步法热拉制备方法 Download PDF

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CN105401254A CN201510703758.6A CN201510703758A CN105401254A CN 105401254 A CN105401254 A CN 105401254A CN 201510703758 A CN201510703758 A CN 201510703758A CN 105401254 A CN105401254 A CN 105401254A
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Abstract

一种高强高模聚甲醛纤维及其两步法热拉制备方法，属于聚甲醛纤维技术领域。将聚甲醛树脂与山梨醇类物质混合均匀后干燥，加热熔融，山梨醇类物质在混合物中的质量分数为0.2～0.3wt.％；熔融的聚甲醛熔体经计量泵计量后通过喷丝头喷出；喷出的熔体进行吹热风使熔体缓慢冷却；冷却后的纤维经上油集束后进行一级热辊牵伸，卷绕后获得初生纤维，其中热辊温度为50～80℃，热辊牵伸倍率为1.2～2.5倍；初生纤维在室温下放置4～24h，使其内应力达到平衡；达到内应力平衡的初生纤维采用热辊进行多级低速高倍牵伸既得成品聚甲醛纤维。本发明聚甲醛纤维性能更好、结构缺陷减少，尤其是拉伸强度和模量得到大幅提升。工艺过程简单、操作易控制、生产成本降低。

Description

一种高强高模聚甲醛纤维及其两步法热拉制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强高模聚甲醛纤维及其两步法热拉制备方法，尤其是熔融纺丝工艺，属于聚甲醛纤维技术领域。
背景技术
聚甲醛树脂作为目前世界上三大通用塑料之一，具有优异的物理机械性能和化学稳定性，尤其是共聚甲醛，其由三聚甲醛与少量二氧戊环或环氧乙烷聚合制得，主链上含有少量的单元，可以阻止其热分解，从而提高共聚甲醛的热稳定性，使其加工温度范围变宽，目前其在市场上所占份额很大，远远超过均聚甲醛树脂。
随着制造工业领域技术的迅速发展，聚甲醛树脂的用途越来越广，产能不断扩大，当前市场急需消化聚甲醛的产能，同时要发掘聚甲醛树脂更多的用途，生产出更多的聚甲醛制品。
由于聚甲醛的结晶度较高、结晶速率较快，并且其熔点和热分解温度较接近，导致其加工窗口很窄，这给聚甲醛的加工过程带来了困难。尤其是利用聚甲醛树脂进行熔融纺丝制备聚甲醛纤维时，加工工艺难度高。但研究发现，聚甲醛纤维不仅具有聚甲醛树脂的许多优点还会因为其纤维结构增加新的优点，例如：强度高、模量高、耐磨性优良、尺寸稳定性好、耐酸耐碱、耐候等，不仅可用于民用纺织品还可用于军工和海洋工业等领域。因此有必要利用聚甲醛本身的特性，通过改变其结晶性能和工艺方法来生产高性能聚甲醛纤维，使其优点得到充分利用。
受到聚甲醛本身特殊性能、生产工艺和设备等的影响，目前关于制备聚甲醛纤维的相关报道甚少，国内则更是很少有相关方面的研究。专利CN102677217A公开了一种改性POM纤维及其制备方法，将纳米碳酸钙改性后和POM共混，然后将这种混合物用双螺杆挤出，造粒，之后干燥再纺丝，虽然该专利制得的纤维力学和热学性能都有较好的提高，纤维表面变得粗糙，与水泥等界面作用力增强，但是因为无机粒子的加入，会使纤维在拉伸过程中产生应力集中现象，较易出现毛丝或断头等缺陷；专利CN101792938A公开一种聚甲醛纤维的新型制备技术，经多级缓冷和三级不同介质拉伸制备聚甲醛纤维，纤维性能较好、高模、高强、性能稳定，但是其工艺步骤过多，在生产过程中有许多不可控制的因素，不易操作，且生产设备占地面积太大，不利用其工业化生产；专利CN1504508公开了一种通过调节所含氧化烯单元的比例，控制聚甲醛的结晶，使其形成高强度、高模量的聚甲醛纤维，这是从分子设计层面控制合成适合纺丝的聚甲醛，由于国内目前还做不好聚甲醛基础树脂，直接合成纺丝级聚甲醛的技术难度很大。
专利CN102011201A公开了一种具有高断裂强度的聚甲醛纤维的生产方法，为了改善聚甲醛纤维的结晶情况以适合纺丝和后拉伸，得到高模高强的聚甲醛纤维，采用缓冷－骤冷对初生纤维进行预处理，以及多级慢速多倍率牵伸工艺，制备出聚甲醛纤维，但是其工艺过程过于复杂，不易操作，生产效率低，占地面积大，生产成本高，不利于市场竞争；
鉴于目前聚甲醛纤维制造过程的不足，有必要有一种新的工艺方法，此工艺方法生产流程简单、易控制、生产设备占地面积小、生产成本低，能耗小、易于实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高强高模聚甲醛纤维及其两步法热拉制备方法，此发明生产工艺简单、易操作、设备占地面积小、生产成本低、电能消耗少，制备的纤维性能优越，结构稳定，拉伸强度和模量得到大幅提升，结构缺陷减少。
本发明涉及到的工艺为熔融纺丝工艺，为了改进目前生产聚甲醛纤维技术上的不足，本发明采用两步法制备高强高模的聚甲醛纤维：第一步将聚甲醛树脂与山梨醇类物质混合均匀后加热熔融，然后利用环吹热风冷却的方式制备出初生纤维，第二步将初生纤维在热辊上进行多级低速高倍牵伸制得成品纤维。
本发明中一种高强高模聚甲醛纤维及其两步法热拉制备方法，具体步骤如下：①将聚甲醛树脂与山梨醇类物质混合均匀后在真空干燥箱中干燥数小时，加入螺杆挤出机中加热熔融，其中山梨醇类物质作为成核剂，在混合物中的质量分数为0.2～0.3wt.％；熔融的聚甲醛熔体经计量泵计量后通过喷丝头喷出；②步骤喷出的熔体进行吹热风使熔体缓慢冷却；③冷却后的纤维经上油集束后进行一级热辊牵伸，卷绕后获得初生纤维；④初生纤维在室温下放置4～24h，使其内应力达到平衡；⑤达到内应力平衡的初生纤维采用热辊进行多级低速高倍牵伸既得成品聚甲醛纤维。
本发明步骤①通过在聚甲醛树脂中加入质量百分比分数为0.2～0.3wt.％的山梨醇类来控制聚甲醛熔体冷却时的结晶性能。山梨醇类物质的加入可有效地降低聚甲醛熔体冷却时球晶尺寸，使生成更多的小球晶，同时降低聚甲醛成纤过程中的结晶速率。本发明所用山梨醇类成核剂为二苄叉山梨醇类化合物，其结构通式如下：
式中的R1和R2为碳原子数为4－8的烷基。
本发明中所涉及的步骤①熔融纺丝工艺加热过程中各区设定温度为：加料段60～75℃，压缩段170～205℃，计量段170～220℃，机头170～230℃，喷丝头200～230℃。聚甲醛树脂在加热温度低于230℃时，分解的质量分数仅为3wt.％左右；当温度高于230℃时，聚甲醛开始迅速分解，因此在制备聚甲醛纤维时应严格控制温度，避免聚甲醛分解为甲醛气体，影响聚甲醛成品纤维的性能。
本发明为了进一步改善聚甲醛树脂的可纺性并提高成品纤维的强度和模量，对喷出的丝进行吹热风处理，优选采用能够循环不断吹热风的装置进行环吹热风，使得从喷丝板喷出的熔体缓慢冷却，进而控制其结晶度和结晶速率，同时减少内应力和皮芯结构等结构缺陷。热风区的长度和热风区的温度是影响熔体冷却时结晶性能的关键因素，关系到成品纤维的强度和模量等性能；本发明中对喷出的丝进行吹热风处理的部分为喷丝板到上油辊距离的前1/3，热风风速为0.25～0.5m/s，热风温度为60～155℃，热风方向垂直纤维。
在本发明中纤维经上油集束后先通过热辊进行一级牵伸，然后再卷绕制得初生纤维，这样经一级牵伸使得纤维结构稳定，且在后续拉伸过程中不易出现结构缺陷。但牵伸倍率不宜过高，若倍数过高，不仅影响后拉伸过程中纤维的牵伸倍数还会影响纤维强度的提升。热辊温度为50～80℃，热辊牵伸倍率为1.2～2.5倍，优选1.5-2.0。
本发明所述的一种高强高模聚甲醛纤维及其两步法热拉制备方法，其第二步多级低速高倍拉伸经放置达到内应力平衡后的纤维，通过高倍牵伸使纤维的强度增加，断裂伸长率降低；通过多级牵伸不仅可使纤维进行定型还可进一步提升纤维的强度，同时纤维的收缩率经多级拉伸也可大幅度降低。在不出现微孔隙等结构缺陷的前提下应尽可能的提高牵伸倍数使其强度达到最大值。拉伸速度为5～80m/min，牵伸倍数为3.0～8.0倍，牵伸级数为2～4级，牵伸温度为80-150℃。
本发明特点如下：本发明中利用两步法热拉制备高强高模聚甲醛纤维，第一步中采用加入少量山梨醇类成核剂和吹热风来控制聚甲醛熔体冷却过程中的结晶性能，降低结晶度和球晶尺寸，提高聚甲醛的可纺性，再通过热辊一级牵伸使纤维结构稳定，减少后续拉伸过程中的结构缺陷；第二步中采用多级低速高倍热拉来使聚甲醛纤维定型并且提高聚甲醛纤维的强度和模量。通过用两步法冷拉制备聚甲醛纤维，其能耗小，易操作，设备占地面积小，制备的纤维强度和模量都很高。制备的聚甲醛成品纤维不仅可用于水泥增强、缆车绳索等生活领域，还可用于军舰炮衣、渔网等海洋渔业领域中。
本发明聚甲醛纤维性能更好、结构缺陷减少，尤其是拉伸强度和模量得到大幅提升，且本发明工艺过程简单、操作易控制实施、生产成本较大降低。
具体实施方案
本发明以下实施例中所用原料为共聚甲醛树脂，优选其熔融指数为2～54g/10min，熔点为160～170℃。其结构为其中n、m均是大于1的自然数；其中乙氧结构单元的摩尔百分比含量为0.5～8.0mol％。对喷出的丝进行吹热风(尤其环吹热风)处理的部分为从喷丝板到上油辊距离的前1/3。
实施例1：将熔融指数为11g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.27wt.％的山梨醇(R1＝R2＝碳原子数为6的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段170℃，计量段200℃，机头220℃，喷丝头220℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为140℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为70℃，牵伸倍数为1.5倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为4级，总牵伸倍数为8.0倍，牵引温度120℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
实施例2：将熔融指数为11g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.27wt.％的山梨醇(R1＝R2＝碳原子数为6的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段170℃，计量段200℃，机头220℃，喷丝头220℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为155℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为80℃，牵伸倍数为2.0倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为4级，总牵伸倍数为6.0倍，牵引温度150℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
实施例3：将熔融指数为11g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.27wt.％的山梨醇(R1＝R2＝碳原子数为6的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段190℃，计量段200℃，机头210℃，喷丝头220℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为60℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为50℃，牵伸倍数为1.5倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为3级，总牵伸倍数为8.0倍，牵引温度80℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
对比例4：将熔融指数为11g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.27wt.％的山梨醇(R1＝R2＝碳原子数为6的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段205℃，计量段210℃，机头220℃，喷丝头230℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为140℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为70℃，牵伸倍数为3.0倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为3级，总牵伸倍数为6.0倍，牵引温度120℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
实施例5：将熔融指数为11g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.3wt.％的山梨醇(R1＝R2＝碳原子数为6的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段185℃，计量段200℃，机头210℃，喷丝头210℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为120℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为70℃，牵伸倍数为1.5倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为3级，总牵伸倍数为6.0倍，牵引温度90℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
实施例6：将熔融指数为2g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.2wt.％的山梨醇(R1＝R2＝碳原子数为6的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段170℃，计量段200℃，机头220℃，喷丝头220℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为140℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为70℃，牵伸倍数为1.5倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为4级，总牵伸倍数为8.0倍，牵引温度120℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
实施例7：将熔融指数为25g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.25wt.％的山梨醇(R1＝碳原子数为6的烷基、R2＝碳原子数为8的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段195℃，计量段200℃，机头220℃，喷丝头220℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为130℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为80℃，牵伸倍数为2.0倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为4级，总牵伸倍数为6.0倍，牵引温度120℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
实施例8：将熔融指数为40g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.2wt.％的山梨醇(R1＝碳原子数为5的烷基、R2＝碳原子数为6的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段170℃，计量段200℃，机头220℃，喷丝头220℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为140℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为70℃，牵伸倍数为1.5倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为4级，总牵伸倍数为6.0倍，牵引温度100℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
对比例9：将熔融指数为54g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。与0.27wt.％的山梨醇(R1＝R2＝碳原子数为6的烷基)混合后加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段170℃，计量段200℃，机头210℃，喷丝头210℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为140℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为70℃，牵伸倍数为1.0倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为3级，总牵伸倍数为6.0倍，牵引温度120℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
实施例10：将熔融指数为2g/10min的聚甲醛树脂在80℃的真空干燥箱中干燥12h。直接加入螺杆挤出机中熔融加热，充分熔融后经计量泵计量分配通过喷丝板喷出，加热过程中各区温度设定为：加料段70℃，压缩段170℃，计量段200℃，机头220℃，喷丝头220℃。熔体经喷丝板喷出后进行吹热风处理，热风温度为140℃，然后经上油集束通过热辊一级牵伸后卷绕获得初生纤维，热辊温度为70℃，牵伸倍数为2.0倍。将初生纤维放置在恒温(室温)恒湿的条件下12～24h后，通过在牵伸速度为20m/min，牵伸级数为4级，总牵伸倍数为6.0倍，牵引温度120℃的条件下，在冷辊上进行慢速牵伸、收丝，制得成品纤维。
如表1以上实施例所得纤维性能结果。

Claims (9)

1.一种高强高模聚甲醛纤维的两步法热拉制备方法，其特征在于，具体步骤如下：①将聚甲醛树脂与山梨醇类物质混合均匀后在真空干燥箱中干燥数小时，加入螺杆挤出机中加热熔融，其中山梨醇类物质作为成核剂，在混合物中的质量分数为0.2～0.3wt.％；熔融的聚甲醛熔体经计量泵计量后通过喷丝头喷出；②喷出的熔体进行吹热风使熔体缓慢冷却；③冷却后的纤维经上油集束后进行一级热辊牵伸，卷绕后获得初生纤维，其中热辊温度为50～80℃，热辊牵伸倍率为1.2～2.5倍；④初生纤维在室温下放置4～24h，使其内应力达到平衡；⑤达到内应力平衡的初生纤维采用热辊进行多级低速高倍牵伸既得成品聚甲醛纤维。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，山梨醇类物质为二苄叉山梨醇类化合物，其结构通式如下：
式中的R1和R2为碳原子数为4－8的烷基。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤①熔融纺丝工艺加热过程中各区设定温度为：加料段60～75℃，压缩段170～205℃，计量段170～220℃，机头170～230℃，喷丝头200～230℃。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤②进行吹热风是采用能够循环不断吹热风的装置进行环吹热风。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，对喷出的丝进行吹热风处理的部分为喷丝板到上油辊距离的前1/3，热风风速为0.25～0.5m/s，热风温度为60～155℃，热风方向垂直纤维。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤③热辊牵伸倍率1.5-2.0。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于，采用热辊进行多级低速高倍牵伸，其中拉伸速度为5～80m/min，牵伸倍数为3.0～8.0倍，牵伸级数为2～4级，牵伸温度为80-150℃。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于，聚甲醛树脂为共聚甲醛树脂，其熔融指数为2～54g/10min，熔点为160～170℃；其结构为其中n、m均是大于1的自然数；其中乙氧结构单元的摩尔百分比含量为0.5～8.0mol％。
9.按照权利要求1-8的任一项方法制备得到的高强高模聚甲醛纤维。
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