CN110055745B - 一种功能纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种功能纤维的制备方法，本发明属于纤维材料后加工领域，它为了解决现有的共混和表面化学接枝等工艺所存在的工艺复杂，功能组分利用率低的问题。制备方法：一、将高分子纤维送入植入区，在植入区内预热软化，得到软化的纤维；二、将功能组分从蓄料箱吹送至在植入区中，在植入区中功能组分受电场力或风力的作用飞升嵌入软化的纤维表面，然后高分子纤维离开植入区；三、对离开植入区的高分子纤维进行热压处理，完成功能纤维的制备。本发明为后处理工艺，无需进行纺丝工艺，采用表面嵌入共混使功能物质最大限度发挥作用，将纤维的表面保持软化状态，可控地确保功能组分能植入纤维的表层，大大提高功能效率。

Description

一种功能纤维的制备方法
技术领域
本发明属于纤维材料后加工领域，具体涉及一种功能高分子材料制备方法。
背景技术
目前功能纤维材料制备的方法主要为共混改性和化学改性这两种方法。共混改性是将功能组分加入纺丝基体中物理共混，再用常规纺丝设备纺丝，具有适用性广的特点，但这种方法所制备的功能纤维不仅要求功能组分使用含量大，且被包埋在中间，功效极低，影响影响纺丝性能。化学改性是指在纤维表面接枝功能基团，赋予纤维一定的功能性，但反应过程复杂，成本高，均一性难控，供选择的功能基团有限。
为了解决传统高分子材料通过共混和化学改性进行功能化的低功效、高成本的不足。现有技术中，如中国发明专利公开号为CN 106283275的专利中公开了一种对高分子材料基材表面进行功能化的技术，该专利技术通过交变电场作用于功能物质微粒，使功能物质微粒加速，形成高速运动、集中并受力动态平衡的功能物质微粒云，使其物理嵌入到熔融软化后的挤出成型的高分子材料基材表面，并使交联基团与高分子材料基材表面实现化学交联和物理共混，最后对软化挤出成型的高分子材料基材进行直接风吹冷却固化或拉伸后风吹冷却固化，最后得到功能高分子材料。
在上述的制备技术中，由于在交变电场中并没有进行加热保温，故当高分子挤出成型后容易凝固，导致功能组分难于物理植入高分子的表面，降低功能性，而且该专利是应用熔融纺丝技术，需配置熔融纺丝机，加大了生产成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的共混和表面化学接枝等工艺所存在的工艺复杂，功能组分利用率低的问题，而提供一种功能纤维的制备方法。
本发明功能纤维的制备方法按以下步骤实现：
一、将高分子纤维送入植入区，在植入区内预热软化，得到软化的纤维；
二、将功能组分从蓄料箱吹送至在植入区中，在植入区中通过电场力或风力使功能组分飞升嵌入软化的纤维表面，然后高分子纤维离开植入区；
三、对离开植入区的高分子纤维进行热压处理，完成功能纤维的制备。
本发明功能纤维的制备方法，属于纤维的后处理，操作简单，无需使用化学试剂，能快速制备出具有良好的功能性、耐洗性的功能纤维，且克服了传统的共混和表面化学接枝等工艺所存在的工艺复杂，功能组分利用率低等缺点。本发明通过将纤维以一定的速度通过具有一定温度的植入区，功能组分在植入区中受外力的作用嵌入纤维受热所软化的表面，随后纤维离开进入区进入热压处理，使功能组分进一步贴服在纤维的表层，冷却后即可得到具有良好功能性的纤维。同时该发明相对现有技术，其在植入区加入了加热装置，使得纤维的凝固时间具有可控性，能使功能组分充分植入纤维上。而且本发明是对纤维的后处理方法，装置简单，无需经过制丝纺丝过程，大大节约成本，操作也较为简单，可控，适合小、中、大型的生产。
本发明所述的功能纤维的制备方法包括如下有益效果：
1、本发明为后处理工艺，无需进行纺丝工艺，节约制备成本，且容易实现；
2、本发明方法避免了传统共混挤出成型方法将功能物质完全包埋的不足，采用表面嵌入共混使功能物质最大限度发挥作用，而且不影响纺丝工艺；
3、本发明在植入区进行加热保暖，将纤维的表面保持软化状态，可控地确保功能组分能植入纤维的表层，大大提高功能效率；
4、装置简单，操作容易，适合小、中、大型的实际生产。
附图说明
图1为本发明制备功能纤维的装置结构示意图；
图2为具体实施方式八在植入区中设置电极板的结构示意图；
图3为具体实施方式九在植入区中设置风扇的结构示意图；
图4为实施例一中氨纶纤维热压前的电镜图；
图5为实施例一中氨纶纤维热压后的电镜图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式功能纤维的制备方法按以下步骤实现：
一、将高分子纤维送入植入区，在植入区内预热软化，得到软化的纤维；
二、将功能组分从蓄料箱吹送至在植入区中，在植入区中通过电场力或风力使功能组分飞升嵌入软化的纤维表面，然后高分子纤维离开植入区；
三、对离开植入区的高分子纤维进行热压处理，完成功能纤维的制备。
本实施方式制备功能纤维的装置结构示意图如图1所示，该制备功能纤维的装置包括送纱装置10，送料区即蓄料箱20，植入区30，热压装置40和卷纱区50，其中送纱装置10由装纱装置11和动力装置12组成，热压装置40由两根加热滚筒41组成，卷纱区50由收纱动力装置51组成。
预准备阶段：将纱线筒装入装纱装置11，将纱线60穿过植入区30与热压装置40，最后在绑在收纱装置51上，并使送料区20往植入区30输送功能组分，且植入区30开始升温，直到植入区30内的温度达到纤维软化温度。
制备阶段：开启机器，送纱装置10内的动力装置12、热压装置40的两根加热滚筒41与卷纱区50的收纱动力装置51同时转动且转速一致，纱线筒纤维60受拉力从送纱装置10往卷纱区50移动，在经过植入区30受热软化时，功能组分受外力的作用下嵌入纤维表面，然后在热压装置40的两根加热滚筒41受到轻压，进一步加固，最后在卷纱区50收集功能纤维。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的高分子纤维为聚酯纤维、聚氨酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚酰胺纤维或聚乙烯纤维。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是当高分子纤维为聚酯纤维时，预热软化温度为220～270℃；当高分子纤维为聚氨酯纤维时，预热软化温度为70～210℃；当高分子纤维为聚丙烯腈纤维时，预热软化温度为190～230℃；当高分子纤维为聚丙烯纤维时，预热软化温度为100～150℃；当高分子纤维为聚乙烯醇缩甲醛纤维时，预热软化温度为210～230℃；当高分子纤维为聚酰胺纤维时，预热软化温度为180～220℃；当高分子纤维为聚乙烯纤维时，预热软化温度为80～100℃。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中植入区的加热方式为激光加热、热灯管加热、电热丝加热或电热管加热。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中所述的功能组分为粒径为11um～100um的固体粉体。
本实施方式固体粉体为导电性的功能组分与非导电性功能组分。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是功能组分为铁粉、铜粉、银粉、金粉、铝粉、不锈钢粉、合金粉、石墨、碳纳米管、石墨烯、壳聚糖粉体、硫磺粉体、碳化纤维粉末、纳他霉素粉末中的一种或多种混合粉末。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中功能组分从蓄料箱通过风扇吹送至在植入区中。
本实施方式是在蓄料箱与植入区之间安装风扇，利用压力差，将蓄料箱内功能组分送至在植入区，其中风扇的转速为100～1000转/分钟。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中在植入区中通过电场力使功能组分飞升嵌入软化的纤维表面，电场力的作用过程是高分子纤维穿过两电极之间，对两电极施加电压为20～70kV的直流静电场。
本实施方式两电极的距离为10～18cm，植入方向是由下到上，可根据不同的材料调节静电场中电极距离与电压的变化。
本实施方式植入区中设置电极板的结构示意图如图2所示，植入区中设置有电加热管3，纤维从进丝孔1进入植入区，功能组分从进料孔2吹入植入区，在植入区的顶壁和底壁上分别设置有电极板4，高分子纤维穿过两电极之间。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中在植入区中通过风力的作用使功能组分飞升嵌入软化的纤维表面，风力的产生是在植入区中设置有风扇。
本实施方式吹风植入区内的风扇的转速为100～1000转/分钟。可根据不同的材料调节植入区内风扇的转速。
本实施方式植入区中设置风扇的结构示意图如图3所示，植入区中设置有电加热管3，纤维从进丝孔1进入植入区，功能组分从进料孔2吹入植入区，在植入区的顶壁和底壁上分别设置有风扇5，高分子纤维穿过两个风扇之间，底壁风扇的风向是由下向上，顶壁风扇的风向是由上向下。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤三中采用加热对辊对离开植入区的高分子纤维进行热压处理。
本实施方式采用加热滚筒进行热压处理。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是热压温度设置为小于植入区温度的5～40℃。
本实施方式热压温度优选小于植入区温度的20～30℃。
实施例一：本实施例功能纤维的制备方法按以下步骤实现：
一、将氨纶纤维送入单向直流电场植入区，植入区升温到180℃，氨纶纤维在植入区内预热软化，得到软化的纤维；
二、将功能组分为粒径11um的石墨烯从蓄料箱吹送至在植入区中，在植入区中功能组分受电场力的作用克服重力飞升嵌入软化的纤维表面，然后高分子纤维离开植入区；
三、热压装置升温到150℃，对离开植入区的高分子纤维进行热压处理，使功能组分更贴服在纤维的表层，且加强牢固度，完成功能纤维的制备。
本实施例蓄料箱内的风扇的转速为100转/分钟，植入区静电场内两电极的距离为13cm，电压为30kV。
在制备时，氨纶在卷纱装置的带动向下，不断穿过植入区受热表面软化，而石墨烯在静电力作用下，飞升植入氨纶表面；然后纤维经过热压装置进行热压处理，使得石墨烯进一步贴覆在纤维的表层，最后制成了表面均匀嵌入了石墨烯导电氨纶纤维，在超声清洗20次后，依然能保持良好的导电性，且由于氨纶具有高弹性，可用于智能服装领域。
热压前 热压后
清洗前电导率(S/m) 5.7 7.3
清洗后电导率(S/m) 5.1 7.1
实施例二：本实施例功能纤维的制备方法按以下步骤实现：
一、将乙纶纤维送入吹风式植入区，植入区升温到90℃，乙纶纤维在植入区内预热软化，得到软化的纤维；
二、将功能组分为粒径11um的硫磺粉从蓄料箱吹送至在植入区中，在植入区中功能组分受风力的作用克服重力飞升嵌入软化的纤维表面，然后高分子纤维离开植入区；
三、热压装置升温到70℃，对离开植入区的高分子纤维进行热压处理，完成功能纤维的制备。
本实施例蓄料箱内的风扇的转速为300转/分钟，吹风式植入区内的风扇的转速为200转/分钟。
本实施例在制备时，乙纶在卷纱装置的带动向下，不断穿过植入区受热表面软化，而硫磺粉在风力作用下，充满在植入箱中，从而植入乙纶表面；然后纤维经过热压装置进行热压处理，使得硫磺粉进一步贴服在纤维的表层，最后制成了表面均匀嵌入了硫磺粉抗菌防螨乙纶纤维，在漂洗20次之后，该纤维抑菌圈宽度≥1mm，可以完全抑制细菌的繁殖，安全性好，对金黄色葡萄球菌(ATCC6538)的抑菌率达90％以上，大肠杆菌(8099)的抑菌率达85％以上，白色念球菌(ATCC10231)的抑菌率达85％以上，其抑菌效果均超过标准要求。可用于医疗服装领域。
实施例三：本实施例功能纤维的制备方法按以下步骤实现：
一、将低熔点氨纶纤维送入吹风式植入区，植入区升温到70℃，低熔点氨纶纤维在植入区内预热软化，得到软化的纤维；
二、将功能组分为平均粒径13um的壳聚糖从蓄料箱吹送至在植入区中，在植入区中功能组分受风力的作用飞升嵌入软化的纤维表面，然后高分子纤维离开植入区；
三、热压装置升温到50℃，对离开植入区的高分子纤维进行热压处理，完成功能纤维的制备。
本实施例蓄料箱内的风扇的转速为300转/分钟，吹风式植入区内的风扇的转速为200转/分钟。
本实施例在制备时，低熔点氨纶在卷纱装置的带动向下，不断穿过植入区受热表面软化，而壳聚糖在风力作用下，充满在植入箱中，从而植入低熔点氨纶表面；然后纤维经过热压装置进行热压处理，使得壳聚糖进一步贴服在纤维的表层，最后制成了表面均匀嵌入了壳聚糖抗菌氨纶纤维，在漂洗20次之后，该纤维抑菌圈宽度≥1mm，可以完全抑制细菌的繁殖，安全性好，对金黄色葡萄球菌(ATCC6538)的抑菌率达93％以上，大肠杆菌(8099)的抑菌率达88％以上，白色念球菌(ATCC10231)的抑菌率达83％以上，其抑菌效果均超过标准要求。可用于医疗服装领域。

Claims (7)

1.一种功能纤维的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤实现：
一、将高分子纤维送入单向直流电场植入区，在植入区内预热软化，得到软化的纤维；
二、将功能组分从蓄料箱吹送至在植入区中，在植入区中通过电场力使功能组分飞升嵌入软化的纤维表面，然后高分子纤维离开植入区；
三、对离开植入区的高分子纤维进行热压处理，热压温度设置为小于植入区温度的20～30℃，完成功能纤维的制备；
步骤一中所述的高分子纤维为聚酯纤维、聚氨酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚酰胺纤维或聚乙烯纤维；
当高分子纤维为聚酯纤维时，预热软化温度为220～270℃；当高分子纤维为聚氨酯纤维时，预热软化温度为70～210℃；当高分子纤维为聚丙烯腈纤维时，预热软化温度为190～230℃；当高分子纤维为聚丙烯纤维时，预热软化温度为100～150℃；当高分子纤维为聚乙烯醇缩甲醛纤维时，预热软化温度为210～230℃；当高分子纤维为聚酰胺纤维时，预热软化温度为180～220℃；当高分子纤维为聚乙烯纤维时，预热软化温度为80～100℃；
步骤二中在植入区中功能组分受电场力的作用飞升嵌入软化的纤维表面，电场力的作用过程是高分子纤维穿过两电极之间，对两电极施加电压为20～70 kV的直流静电场，两电极的距离为10～18 cm。
2.根据权利要求1所述的一种功能纤维的制备方法，其特征在于步骤一中植入区的加热方式为激光加热、热灯管加热、电热丝加热或电热管加热。
3.根据权利要求1所述的一种功能纤维的制备方法，其特征在于步骤二中所述的功能组分为粒径为11μm～100μm的固体粉体。
4.根据权利要求1所述的一种功能纤维的制备方法，其特征在于功能组分为铁粉、铜粉、银粉、金粉、铝粉、不锈钢粉、合金粉、石墨、碳纳米管、石墨烯、壳聚糖粉体、硫磺粉体、碳化纤维粉末中的一种或多种混合粉末。
5.根据权利要求1所述的一种功能纤维的制备方法，其特征在于步骤二中功能组分从蓄料箱通过风扇吹送至在植入区中。
6.根据权利要求1所述的一种功能纤维的制备方法，其特征在于步骤二中在植入区中功能组分受风力的作用飞升嵌入软化的纤维表面，风力的作用是在植入区中设置有风扇。
7.根据权利要求1所述的一种功能纤维的制备方法，其特征在于步骤三中采用加热对辊对离开植入区的高分子纤维进行热压处理。
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