CN1274770A - 高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法,其首先系以双螺杆压出机将特殊配方进行聚合反应,制造出高性能的聚胺酯弹性体,再将此弹性体经过干燥及固态聚合反应而达到熔融纺丝之标准,再进行熔融纺丝生产出弹性纤维;由于本发明采用高碳数聚二醇及芳香族参与反应,可以使生产出之弹性纤维具有较高的熔点、较佳的耐水解性、耐候性及氧化安定性,藉以适合于较高品质要求的弹性纤维制品。

Description

高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法

本发明系一种适合熔融纺丝之聚胺酯弹性体及弹性纤维之制造方法，尤指一种以连续式生产特殊配方之聚胺酯弹性体，其特殊的配方能够使生产的弹性体适用于熔融纺丝制程，藉以使得生产的弹性纤维比一般的聚胺酯纤维，具有较佳的耐水解性、耐热性及耐候性。属于人造纤维技术领域。

聚胺酯弹性体(Polyurethane Elastomer，PU)为热可塑性弹性体中，最为广泛使用的一种，一般又称为TPU，其同时具有塑胶材料之热可塑性加工性能及橡胶材料之弹性，因此广泛地运用于射出成型、压出成型、压模成型、吹模成型等加工方面，其产品包括有各类的管件、零件、运动器材、电子零件及纤维制品等。

目前传统之弹性纤维，最负盛名者为杜邦公司之干式法制程，该等制法首先必须合成聚胺酯弹性体，再制成溶液方式，经压挤出纺口，接着以加热的氮气吹走溶剂，留下弹性体形成弹性纤维，此种制法因为涉及溶剂[如：二甲基甲醯胺(DMF)或二甲基乙醯胺(DMAC)]挥发的问题，对于人体及环境均会造成危害，使得其需要投入庞大资金进行溶剂的回收，造成利用此种方法的弹性纤维成本过高，不利于市场之推广应用及竞争。

进年来在日本发展以熔融法纺丝制造弹性纤维之技术，其有别于杜邦公司之干式法生产方式，利用熔融法生产之弹性纤维制程，没有溶剂回收的问题，可以使得生产的成本较低，但是由于一般聚胺酯弹性体之耐热性不佳，在经过高温熔融纺丝后，其物性会大为衰退，并且制成的弹性纤维于尔后的加工程序上，也会经过加热、染整等步骤，必须接受高温及水解等变化，这使得由日本发展出来的熔融纺丝法，其产品在用途上受到诸多的限制，并且于物理及化学性质方面低于杜邦公司以干式法生产的弹性纤维。

本发明的主要目的是：提供一种以连续性制程生产高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其系先以反应槽进行预聚合反应，再以双螺杆压出机将预聚合物、链延长剂及添加剂等进行反应压出，并以高真空除去水份、未反应物及低聚合物，产物经双螺杆压出机出口拉条切粒，完成的聚胺酯弹性体经干燥后，就可以用来进行熔融纺丝之加工作业。

本发明一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其中的聚胺酯弹性体制造采用的配方系以聚酯二元醇及二异氰酸盐先进行预聚合反应，再将预聚合反应产物与链延长剂，以计量齿轮泵送入双螺杆压出机进行反应押出，生产出具有高性能物理与化学性质的聚胺酯弹性体，藉以运用熔融纺丝制成聚胺酯弹性纤维。

其中的聚酯二元醇系采用A、B两类混合使用；

A类的成分为ploy(tetramethylene adipate)glycol或ploy(ε-caprolactone)glycol；

B类的成分为含高纯度之36碳二聚酸与二醇反应制成之聚酯二元醇；其中A、B两类的聚酯二元醇分子量为500g/mole-3000g/mole，其中B类聚酯二元醇的36碳二聚酸的化学结构为：

本发明采用A、B两类聚酯二元醇混合使用的混合的莫耳比为95∶5～5∶95。

其中，预聚合反应的温度为60～80℃、反应时间为0.5～2小时，且反应时以氮气充入预聚合反应槽。

其中的配方比例大致为：

聚酯二元醇∶链延长剂∶MDI＝1∶1∶2～1∶10∶11；原则为聚酯二元醇+链延长剂之莫耳数等于MDI(二异氰酸盐)之莫耳数。

其中的链延长剂为二醇类，可以分为A、B二部分；

A部分为1.4-丁二醇、1.6-己二醇或1.2-乙二醇，

B部分为芳香族二元族，其化学结构为：

其m，n为整数1、2、3、4、5，且m+n＝2～10。

其中A、B二类二醇类混合使用的混合莫耳比为95∶5～5∶95。

其中聚胺酯弹性体的干燥温度通常系以露点-60℃之绝干空气加热至70～100℃进行干燥。

本发明的优点是：本发明引用多项材料及制程设定，有效改善一般生产聚胺酯弹性之配方，其配方及制程的特色如下：

1.由高纯度含36碳之二聚酸与二醇反应制成之聚酯二元醇为部分的聚胺酯软节段，可以提高弹性体的耐热及耐水解性质。

2.由含芳香族结构组成之二醇为聚胺酯之链延长剂，可以增加弹性体的耐热性质及提高熔点。

3.以连续式双螺杆反应压出制造聚胺酯弹性体，其硬节段与软节段之比例可以任意调整，使得产品的品质稳定。

4.依特殊配方的弹性体进行熔融纺丝，可以具有优异的耐热性、耐水解性及耐候性。

本发明利用独特的配方制出高性能的聚胺酯弹性体，并进一步将此聚胺酯弹性体运用于弹性纤维之制造生产，其所运用的制程简易且产品性质稳定；特别是其独特的配方，可以产生优异的创新效果。

本发明具有如下附图：

图1为本发明有关聚胺酯弹性体之制造流程图。

图2为本发明有关聚胺酯弹性体之制造设备示意图。

图3为本发明有关聚胺酯弹性纤维之制造流程图。

图4为本发明有关聚胺酯弹性纤维之制造设备示意图。

图中标号如下：

1.二异氰酸盐预热槽    2.聚酯二元醇预热除水槽

3.添加剂预热槽        4.预聚合反应槽

5.预聚合物中间槽      6.链延长剂预热槽

7.链延长剂中间槽      8.计量齿轮泵

9.计量齿轮泵          10.计量齿轮泵

11.计量齿轮泵         12.计量齿轮泵

13.原料出口           14.双螺杆压出机

15.真空抽出物出口     16.冷却水槽

17.切粒机             18.弹性体干燥槽

19.弹性体中间槽       20.押出机

21.纺口组             22.冷却风箱

23.纺丝管             24.第一中间轮

25.第二中间轮         26.卷取机

兹举较佳实施例并配合附图详细说明如下：

本发明系一种关于聚胺酯弹性体及弹性纤维之制造方法，请参阅各附图所示，逐项将本发明的制造生产流程加以说明：

A：二异氰酸盐预热

请参阅图2、图2所示，本发明采用的二异氰酸盐(diisocyanate)成分为Methylene bis-(phenylisocynate)，简称MDI，其纯度大约97％、熔点为42-44℃，一般系保存于0℃以下的冰库中，藉以确保其安全性，使用时需要将MDI置于50℃之二异氰酸盐预热槽1加以溶解，惟其溶解时的温度不可高于65℃以上，同时其熔融状的保持时间不可超过一个小时，藉以防止MDI本身进行聚合反应。

B：聚酯二元醇加热抽真空除水

本发明采用的聚酯二元醇可以分为A、B两类；其中，A类的成分为ploy(tetramethylene adipate)glycol或ploy(ε-caprolactone)glycol；B类的成分为含高纯度之36碳二聚酸与二醇反应制成之聚酯二元醇；A、B两类的聚酯二元醇分子量为500g/mole-3000g/mole，其中的B类由于含有36碳结构，能提供弹性体高低温安定性、耐水解性、耐候性及氧化安定性。

其中，36碳二聚酯的化学结构为：

本发明采用A、B两类聚酯二元醇混合使用，其混合的莫耳比为95∶5～5∶95，可以依客户的需求来选定，由于聚酯二元醇常会吸收水气，因此使用前需要先于聚酯二元醇预热除水槽2加热溶解，其需要加温至100℃以上，并以真空除去所吸收之水份备用。

C：添加剂预热

本发明为使反应进行时，迅速达成目标，并让日后产品的性质安定，特别于反应物中添加催化剂、热安定剂及抗氧化剂，所需的反应物均于添加剂预热槽3内溶解备用。

D：预聚合反应

本发明采用的二异氰酸盐、聚酯二元醇及添加剂，经计量齿轮泵计量送入预聚合反应槽4进行预聚合反应，预聚合反应所需要的温度为60～80℃、反应时间为0.5～2小时，反应时以氮气充入预聚合反应槽4内，藉以防止氧化之发生。

E：预聚合物中间槽

经由预聚合反应完成聚合的预聚物，一次送至聚合物中间槽5，预聚合反应槽4可以进行另一批次的反应。

F：链延长剂预热

本发明采用的链延长剂为二醇类，可以分为A、B二部分；A部分为1.4-丁二醇、1.6-己二醇或1.2-乙二醇，B部分的化学结构为：

其m，n为整数1、2、3、4、5，且m+n＝2～10B部分之结构为芳香族二元族，提供聚合物优秀的耐热性质，本聚合反应采用A、B二种二醇类混合使用，由A、B各取一种，其莫耳比为95∶5～5∶95，可以依客户需求来选定，此二醇需于链延长剂预热槽6中加热混合均匀，并升温至80℃备用。

G：链延长剂中间槽

由链延长剂混合均匀之链延长剂移转至链延长剂中间槽7备用，同时链延长剂预热槽6可以进行下一批次的准备工作。

H：双螺杆压出机设定

本发明采用连续式聚合反应，对于产物性质的控制完全依预先计算的比例，将所需的原料计量进行反应，例如：预聚合反应之MDI与聚酯二元醇莫耳比或预聚合物与链延长剂之莫耳比，均可以由计量齿轮泵8、9、10、11、12加以精密控制。

本发明采用的配方比例大致为：

聚酯二元醇∶链延长剂∶MDI＝1∶1∶2～1∶10∶11；以上采用莫耳比，其原则为聚酯二元醇+链延长剂之莫耳数等于MDI之莫耳数，但为了求得高分子量之达成，各计量齿轮泵8、9、10、11、12造成之莫耳误差不得超过1％，否则会造成分子量低落及品质不佳的问题。

上述E及G步骤之中间槽反应物，经过精密的计量齿轮泵，将预聚合物及链延长剂依比例送入双螺杆压出机14的原料入口13，双螺杆压出机14的温度设定依不同的配方而略有差异，其温度设定的范围为170～240℃，反应押出所需的时间可以由螺杆转速来控制，反应物所进行之押出反应时间为1至10分钟，反应时产生的气体(二氧化碳或水蒸汽)及小分子量不反应物，可以由真空抽出物出口15抽出，使得产物可以完美无泡，并由双螺杆压出机14出口送出。

I：弹性体压出冷却切粒

本发明由双螺杆压出机14送出之产物，由冷却水槽16迅速加以冷却，并由切粒机17进行切粒，就可以制造出具独特配方及优良物理与化学性质之聚胺酯弹性体产品。

J：弹性体干燥

请参阅图3、图4所示，由于聚胺酯弹性体之玻璃转化点低于室温，因此设定的干燥温度不宜过高，通常系以露点-60℃之绝干空气加热至70～100℃进行干燥，该干燥热风通过聚胺酯弹性体时，聚胺酯弹性体可以由弹性体干燥槽18内的搅拌器加以搅拌，让干燥热风可以迅速地将水份带走，同时经由4～20小时之持续干燥，聚胺酯弹性体可进行固态聚合反应，使聚胺酯弹性体之分子量，达到熔融纺丝的标准。

K：押出机设定

依聚胺酯弹性体之组成差异，聚胺酯弹性体之熔点为165～200℃，因此押出机20的温度设定为190～230℃、压力设定为50～200kg/cm、转速设定为2～50rpm，依照所纺的规格进行设定，而聚胺酯弹性体于押出机20内之停留时间以不超过15分钟为宜，最佳状况为不超过5分钟，可以防止聚胺酯弹性体在高温下发生裂解反应。

L：纺丝道设定

纺丝道设之长度可以依需要调整，惟所需的冷却风箱22的冷却风温度以20～25为宜。

M：中间转速设定

第一中间轮24与第二中间轮25的转速比为1∶1～1∶3，以此延伸纤维具顺向作用，可提高聚胺酯弹性纤维之结晶度及强度。

N：成品卷取

由于本发明生产的高性能聚胺酯弹性体具有较高之黏度及熔点，十分适合于高速纺丝，其运转卷取之速度可达1000～2500m/min，有效提高产率、降低成本，反观一般的聚胺酯弹性体只能在低速下(300～500m/min)运转，产能相当低；因此，本发明以生产的聚胺酯弹性体制成聚胺酯弹性纤维，不仅制造成本低，并且产品的物理及化学性质都明显超越传统制程生产之聚胺酯弹性纤维。

Claims (10)

1.一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中的聚胺酯弹性体制造采用的配方系以聚酯二元醇及二异氰酸盐先进行预聚合反应，再将预聚合反应产物与链延长剂，以计量齿轮泵送入双螺杆压出机进行反应押出，生产出具有高性能物理与化学性质的聚胺酯弹性体，藉以运用熔融纺丝制成聚胺酯弹性纤维。

2.根据权利要求1所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中的聚酯二元醇系采用A、B两类混合使用；

A类的成分为ploy(tetramethylene adipate)glycol或ploy(ε-caprolactone)glycol；

B类的成分为含高纯度之36碳二聚酸与二醇反应制成之聚酯二元醇。

3.根据权利要求2所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中A、B两类的聚酯二元醇分子量为500g/mole-3000g/mole。

4.根据权利要求2所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中的B类聚酯二元醇的36碳二聚酸的化学结构为：

5.根据权利要求2所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中A、B两类聚酯二元醇混合使用的混合的莫耳比为95∶5～5∶95。

6.根据权利要求1所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中，预聚合反应的温度为60～80℃、反应时间为0.5～2小时，且反应时以氮气充入预聚合反应槽。

7.根据权利要求1所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中的配方比例为：

聚酯二元醇∶链延长剂∶MDI＝1∶1∶2～1∶10∶11；原则为聚酯二元醇+链延长剂之莫耳数等于MDI(二异氰酸盐)之莫耳数。

8.根据权利要求1或2所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中的链延长剂为二醇类，可以分为A、B二部分；

A部分为1.4-丁二醇、1.6-己二醇或1.2-乙二醇，

B部分为芳香族二元族，其化学结构为：

其m，n为整数1、2、3、4、5，且m+n＝2～10。

9.根据权利要求8所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中A、B二类二醇类混合使用的混合莫耳比为95∶5～5∶95。

10.根据权利要求1所述之一种高性能聚胺酯弹性纤维之制造方法，其特征在于：其中聚胺酯弹性体的干燥温度通常系以露点-60℃之绝干空气加热至70～100℃进行干燥。

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