TWI734280B

TWI734280B - 製造共聚酯纖維的方法

Info

Publication number: TWI734280B
Application number: TW108144202A
Authority: TW
Inventors: 陳錦文; 楊智喻; 魏騰芳; 芮祥鵬
Original assignee: 國立臺北科技大學
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-07-21
Also published as: TW202122450A

Abstract

本發明提供共聚酯、包含共聚酯的摻合物及使用摻合物製造共聚酯纖維的方法。共聚酯是由包括己二酸、衣康酸及丁二醇之單體組成物進行共聚反應而合成。由己二酸及丁二酯共聚而形成之第一聚合物與由衣康酸及丁二酯共聚而形成之第二聚合物是以酯鍵相互鍵結，且在共聚酯中，第一與第二聚合物的莫耳比例介於90：10至50：50的範圍內。本發明所提供的製造共聚酯纖維的方法可以製造具有高熱焓值與相變化性質之共聚酯纖維。

Description

製造共聚酯纖維的方法

本發明是有關一種共聚酯、包含共聚酯的摻合物及使用摻合物製造共聚酯纖維的方法，特別是有關於一種具有相變化特性之共聚酯、包含共聚酯的摻合物及使用摻合物製造共聚酯纖維的方法。

自聚酯纖維問世以來，由於其具有強度高、抗皺性強、易於染色和成本較低等優點，已被廣泛應用在各種織物上。在各種織物材料中，具備能夠吸收熱能的性質的具有相變化性質之材料(Phase Change Material，PCM)已成為相關技術領域中熱門的研發產品之一。舉例而言，相變化纖維是利用物質相變過程中釋放或吸收潛熱、溫度保持不變的特性開發出來的一種蓄熱調溫功能纖維。

在具有相變化性質之材料的技術領域中，已揭露以殼層材料來包埋低熔點材料之技術手段。然而，由上述技術所得到的材料之相變化熱焓值不高(△H<5焦耳/克)，因此，所形成的聚酯纖維相變化性質固定而不易調整，無法符合各式各樣的紡織品所需。鑒於上述，為了進一步拓展具有相變化性質聚酯纖維的應用性，目前亟需發展可調控且具高熱焓值(△H=10至20焦耳/克)的聚酯母粒，用以製作聚酯纖維以滿足各種產品所需。一般而言，將具有相變化性質之材料與聚合物直接共混並進行紡絲為較簡單的製程，但此技術存在熱焓低、相變化材料易泄漏和纖維強度低等問題。目前現有的技術之一為採用濕法紡絲，將此技術應用於聚丙烯腈纖維和纖維素類纖維。此外，另一技術為微膠囊法，其是以高分子將相變材料包覆及封閉起來，防止相變材料泄漏，再將含有相變材料的微膠囊與聚合物進行共混紡絲得到相變纖維。然而，此技術存在有下列缺點：較大的相變化材料會被過濾掉而不能進入纖維導致纖維相變化熱焓值較小。

據此，在現有技術中，仍有需要提供具有相變化性質之聚酯纖維及其製造方法。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種共聚酯、包含共聚酯的摻合物及使用摻合物製造共聚酯纖維的方法。本發明的共聚酯纖維具有所欲的熱焓值而能良好地適用於各種衣物產品，如製成滑雪服、滑雪靴、手套、襪類等運動性服裝。

本發明之一實施例提供一種共聚酯，其是由一單體組成物進行共聚反應而合成，所述單體組成物包括己二酸、衣康酸及丁二醇，其中，於所述共聚酯中，由己二酸及丁二醇共聚而形成之一第一聚合物與由衣康酸及丁二醇共聚而形成之一第二聚合物是以酯鍵相互鍵結，且所述第一聚合物與所述第二聚合物的莫耳比例介於90：10至50：50的範圍內。

在一個較佳的實施例中，所述共聚酯具有介於0.7dL/克至1.2dL/克的範圍內的本質黏度及20℃至60℃的範圍內的熔點。

在一個較佳的實施例中，所述共聚酯具有介於20000克/莫耳至35000克/莫耳的數目平均分子量。

本發明之另一實施例提供一種摻合物，其包含一共混高分子，所述共混高分子包含5至50重量%之如請求項1所述之共聚酯及50至95重量%之聚己內酯。

在一個較佳的實施例中，所述共混高分子具有介於0.6dL/克至0.8dL/克的範圍內的本質黏度。

在一個較佳的實施例中，所述摻合物進一步包含一基質材料，且所述共混高分子的含量為10至30重量%，而所述基質材料的含量為70至90重量%。

在一個較佳的實施例中，所述基質材料為聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚對苯二甲酸己二酯(PHT)或其等之混合物。

在一個較佳的實施例中，所述摻合物具有介於30000克/莫耳至50000克/莫耳的數目平均分子量、介於30℃至40℃的範圍內的一第一熔點及介於140℃至160℃的範圍內的一第二熔點，以及介於310℃至340℃的範圍內的熱裂解溫度。

本發明之另一實施例提供一種製造共聚酯纖維的方法，其包括：以一單體組成物進行共聚反應而合成一共聚酯；所述共聚酯與聚己內酯共同混練而形成一共混高分子；以及將所述共混高分子與一基質材料共同混練而形成一摻合物。所述單體組成物包括己二酸、衣康酸及丁二醇，其中，於所述共聚酯中，由己二酸及丁二醇共聚而形成之一第一聚合物與由衣康酸及丁二醇共聚而形成之一第二聚合物是以酯鍵相互鍵結，且所述第一聚合物與所述第二聚合物的莫耳比例介於90：10至50：50的範圍內。

在一個較佳的實施例中，所述製造共聚酯纖維的方法還進一步包括於形成所述聚酯粒後，以所述聚酯粒進行紡絲而獲得一聚酯纖維。

在一個較佳的實施例中，所述共聚酯具有20000克/莫耳至35000克/莫耳的數目平均分子量。

在一個較佳的實施例中，在將所述共聚酯與聚己內酯共同混練而形成所述共混高分子的步驟中，所述共混高分子包含5至50重量%之如請求項1所述之共聚酯及50至95重量%之聚己內酯。

在一個較佳的實施例中，在將所述摻合物與所述基質材料共同混練而形成所述摻合物的步驟中，所述共混高分子的含量為10至30重量%，而所述基質材料的含量為70至90重量%。

本發明的主要技術手段在於，本發明實施例所提供的共聚酯、包含共聚酯的摻合物及使用摻合物製造共聚酯纖維的方法，是通過調控共聚酯中不同聚合物之間的比例，以及選用適當含量之聚己內酯及適當含量及種類的基質材料及等技術特徵，使得所製成之共聚酯纖維具備良好的特性而適用於機能性衣物產品中。

圖1為本發明一些實施例所提供的共聚酯的微示差掃描熱(DSC)分析圖；圖2為本發明其中一實施例所提供的共聚酯的熱重分析(TGA)圖；圖3為本發明一些實施例所提供的共聚酯纖維的微示差掃描熱分析圖；圖4為本發明另一些實施例所提供的共聚酯纖維的微示差掃描熱分析圖；圖5為本發明再一些實施例所提供的共聚酯纖維的微示差掃描熱分析圖；以及圖6為本發明其中一實施例所提供的共聚酯纖維的照片與其紅外線分析圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所揭露有關「共聚酯、包含共聚酯的摻合物及使用摻合物製造共聚酯纖維的方法」的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容瞭解本發明的優點與功效。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。另外，本發明的圖式僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸描繪，先予敘明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所揭示的內容並非用以限制本發明的技術範疇。

首先，本發明實施例提供一種共聚酯，其係用以製造共聚酯纖維的原料之一。本發明實施例之共聚酯是由包括己二酸(adipic acid，AA)、衣康酸(itaconic acid)及丁二醇(butanediol)的單體組成物進行共聚反應而合成。舉例而言，在本發明實施例中，於觸媒的存在下，己二酸、衣康酸以丁二醇是作為反應物，進行共聚合反應以形成具有低熔點的聚酯共聚物。

承上所述，於共聚反應中，己二酸與丁二醇聚合而形成第一聚合物：己二酸丁二酯(BA)，而衣康酸與丁二醇聚合而形成第二共聚物：聚衣康酸丁二酯(BI)。接著，在共聚合反應中，聚己二酸丁二酯(BA)及聚衣康酸丁二酯(BI)會隨機排列並以酯鍵相互鍵結來形成聚酯共聚物(聚己二酸丁二酯-共聚-聚衣康酸丁二酯)，且此聚酯嵌段共聚物為隨機共聚物(random copolymer)。

在本發明的一些實施例中，在共聚酯中，第一聚合物與第二聚合物的莫耳比例介於90：10至50：50的範圍內。換句話說，第一聚合物-己二酸丁二酯的含量為90至50莫耳份，而第二聚合物的含量為10至50莫耳份。在本發明的實施例中，己二酸丁二酯的含量為90、80、70、60或50莫耳份，而聚衣康酸丁二酯的含量為10、20、30、40或50莫耳份。通過將共聚酯中的第一聚合物與第二聚合物之間的比例調控於上述範圍內，可以使得共聚酯具有所欲的物理特性，如本質黏度及熔點，亦對後續形成之摻合物的性質有所影響。

承上所述，本發明實施例所提供之共聚酯具有介於0.7dL/克至1.2dL/克的範圍內的本質黏度(intrinsic viscosity)。在一些實施例中，共聚酯具有20℃至60℃的範圍內的熔點。換句話說，由於本發明實施例所提供之共聚酯具有在上述範圍內的熔點，其可以在接觸到人體體溫時吸收熱量。另外，在本發明的一些實施例中，共聚酯具有20000克/莫耳至35000克/ 莫耳的數目平均分子量(number average molecular weight)。

接著，本發明的實施例還提供一種摻合物。所述摻合物可以用以作為進行紡絲之原料，進而製造具有相變化性質的共聚酯纖維。詳細而言，所述摻合物是包含共混高分子，而共混高分子包含5至50重量%之上述共聚酯，以及50至95重量%之聚己內酯。換句話說，摻合物中的共混高分子可以是通過將上述的共聚酯與作為基質(matrix)的聚己內酯混練而形成。

在一些實施例中，所述共混高分子中，聚己二酸丁二酯-共聚-聚衣康酸丁二酯(共聚酯)的含量為10、15、20、25、30重量比，而聚己內酯的含量為90、85、80、75、70重量比。具體來說，添加聚己內酯、以聚己內酯與共聚酯進行混練可以對共聚酯提供保護的功能，亦可藉此調控共混高分子的熱焓值(△Hm)。由於聚己內酯具有熔點低、高溫下不易流動的特性，因此，在共混高分子中，聚己內酯是作為分散劑(基質)及保護劑。

接下來，在本發明的一些實施例中，摻合物除了包含前述共混高分子之外，還包含一基質材料。在摻合物中，共混高分子的含量為10至30重量%，而基質材料的含量為70至90重量%。具體而言，共混高分子的含量可為10、20或30重量份，而基質材料的含量可為90、80或70重量份。

承上所述，基質材料可為聚乳酸(Polylactic Acid，PA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚對苯二甲酸己二酯(PHT)或其等之混合物。在一個較佳的實施例中，基質材料為聚乳酸。

詳細而言，在形成共混高分子後，共混高分子可以再與基質材料進行混練而形成摻合物。在摻合物中使用基質材料與共混高分子再次進行共混是用以對共混高分子中的共聚酯提供支撐，並提升所製成之摻合物的可紡性。所形成之摻合物可以具有介於30000克/莫耳至50000克/莫耳的數目平均分子量。在一個實施例中，摻合物可以具有介於30℃至40℃的範圍內的第一熔點及介於140℃至160℃的範圍內的第二熔點。因此，摻合物為雙熔點摻合物。在再一個實施例中，摻合物可以具有介於310℃至340℃的範圍內的熱裂解溫度。

承上所述，本發明實施例所提供的摻合物可以是一種用於製造共聚酯纖維的聚酯母粒。由於採用了前述實施例中所述的共聚酯作為主要的原料之一，摻合物可以具有相變化的性質。在本發明的一些實施例中，具有相變化性質的共聚酯纖維的熱焓值介於2.25至23.8毫焦耳/毫克(mJ/mg)。

另外，本發明實施例所提供的摻合物是具有可紡性，而由其所製造之共聚酯纖維可具有介於1600至2400公尺/分鐘(m/min)的纖維捲取速度。在一些實施例中，由本發明的摻合物作為母粒製造的共聚酯纖維的纖維細度在介於3.09至3.86dtex的範圍內。在一些實施例中，共聚酯纖維的強度在介於0.53克/丹(g/den)至2.46克/丹的範圍內。在一些實施例中，共聚酯纖維的伸度在介於30%至100%的範圍內。在一些實施例中，具有相變化性質的共聚酯纖維在40℃至50℃環境下，紅外線量測其纖維溫度下降1至3℃。

本發明的實施例還提供一種製造共聚酯纖維的方法。所述方法包括以單體組成物進行共聚反應而合成共聚酯；將共聚酯與聚己內酯共同混練而形成共混高分子；以及將共混高分子與基質材料共同混練而形成一摻合物。

事實上，本發明的實施例所提供的製造共聚酯纖維的方法，是包括使用如前所述之共聚酯及摻合物作為原料。首先，在形成共聚酯的步驟中，是以包括己二酸、衣康酸及丁二醇的單體組成物作為反應物，進行共聚反應而形成其中包括第一聚合物及第二聚合物的共聚物。特別是，由己二酸及丁二醇共聚而形成之第一聚合物與由衣康酸及丁二醇共聚而形成之第二聚合物是以酯鍵相互鍵結，且第一聚合物與第二聚合物的莫耳比例介於90：10至50：50的範圍內。上述形成共聚酯的步驟可以在觸媒的存在下進行。

如前所述，由於本發明的實施例是以前述共聚酯及摻合物作為原料，有關共聚酯及摻合物的成分配比及特性皆如前所述，在此不再重覆敘述。

接下來，將共聚酯與聚己內酯共同混練而形成共混高分子。在此步驟中，共混高分子包含5至50重量%之共聚酯及50至95重量%之聚己內酯。事實上，此步驟是將共聚合反應之產物進一步以作為保護劑及熔點調控劑的聚己內酯以特定比例進行混練。

在形成共混高分子後，本發明實施例所提供的製造共聚酯纖維的方法還包括將共混高分子與基質材料共同混練而形成摻合物。在所形成之摻合物中，共混高分子的含量為10至30重量%，而基質材料的含量為70至90重量%。基質材料可為聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸己二酯(poly(hexamethylene terephthalate)，PHT)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)或其等之混合物。

值得一提的是，在本發明所提供的製造共聚酯纖維的方法中，為了提供用以形成共聚酯纖維之共聚酯原料足夠之支撐性以及可紡性，需將共聚酯與基質材料共混練。然而，由於依據前述步驟所製造之共聚酯的物理性質與作為基質材料的化合物的物理性質有很大的差異(如兩者的熔點差距大)，在將共聚酯與基質材料混練之前，本發明實施例所提供的製造方法是先將共聚酯與聚己內酯進行混練，使得聚己內酯可以做為共聚酯與後續使用之基質材料之間的相容化分散助劑。

詳細而言，若直接將通過共聚合反應所合成的共聚酯與提供支撐性的基質材料，如聚乳酸混練，會使得混練程序難以進行且所形成之母粒可紡性低。

以下將通過具體實施例來進一步說明本發明的內容。首先，請參閱圖1，其為本發明一些實施例所提供的共聚酯的微示差掃描熱分析(differential scanning calorimetry，DSC)圖。具體而言，圖1之(a)、圖1之(b)及圖1之(c)之圖表分別代表本發明實施例之共聚酯在第一次加熱(1^st heating)、第二次加熱(2^nd heating)及冷卻(cooling)階段所量測的DSC圖。在各個圖表中，以不同顏色曲線表示共聚酯中第一聚合物(BA)與第二聚合物(BI)之間的莫耳比例。其中，綠色曲線代表BA/BI=7/3，藍色曲線代表BA/BI=8/2，紅色曲線代表BA/BI=9：1，而黑色曲線代表BA/BI=10/0(黑色曲線為對照組)。由圖1中可知，隨著共聚酯中第二聚合物之莫耳比例的降低，DSC圖中峰值向高溫方向位移，而能調控的溫度區間為20~60℃。

接著，請參閱圖2。圖2為本發明其中一實施例所提供的共聚酯的熱重分析(TGA)圖。由圖2中可知包括不同比例之第一共聚物與第二共聚物的共聚酯之間具有類似的TGA曲線。圖3至圖5分別為本發明不同實施例所提供的共聚酯纖維的微示差掃描熱分析圖。請一併參閱下表1，下表1列出不同共聚酯纖維之原料中所使用之聚己內酯與基質材料(此處使用聚乳酸)間的比例，以及DSC分析所測得之相關數據。由表1的結果可看出，當PLA與PCL之間的比例為約1：9，該共聚酯具有最佳的熱焓值。

接下來，請參閱圖6。圖6本發明其中一實施例所提供的共聚酯纖維的照片與其紅外線分析圖。圖6之(a)顯示實施例6所製成之共聚酯纖維之照片，而圖6之(b)顯示實施例6所製成之共聚酯纖維的紅外線分析圖。請同時參閱下表2。實施例6是採用PLA/PCL為8/2之摻合物所製造之具有向變化性質的共聚酯纖維。比較例1則是僅包含PLA作為基質材料，而未先以PCL與共聚酯進行混練而得之材料所製成之共聚酯纖維。由表2可知，本發明實施例所製造之共聚酯纖維明顯具有較佳之性質。

表2

[實施例的可行功效]

綜上所述，本發明的有益效果在於，本發明實施例所提供的共聚酯、包含共聚酯的摻合物及使用摻合物製造共聚酯纖維的方法，是通過調控共聚酯中不同聚合物之間的比例，以及選用適當含量之聚己內酯及適當含量及種類的基質材料等技術特徵，使得所製成之共聚酯纖維具備良好的特性而適用於機能性衣物產品中。

詳細而言，本發明所提供之摻合物是包括具有雙熔點性質的共聚酯，且為可調控且具有高熱焓值的聚酯母粒，使用其製作的共聚酯纖維是具有相變化性質。舉例而言，本發明的共聚酯纖維可以在固相與固相之間轉換時吸收潛熱而本身溫度保持不變，因此可以做為蓄熱調溫功能纖維而具備廣泛的應用性。

除此之外，本發明實施例所提供的製造共聚酯纖維的方法是包含以特定比例先行混練共聚酯與聚己內酯，再將前述混練後形成的共混高分子與具有支撐功能的基質材料例如聚乳酸混練，藉此大幅提升共聚酯纖維的可紡性。

雖然本發明之實施例係以上述較為詳細的方式揭示，所屬技術領域具有通常知識者可以了解本發明之各種修飾可以在不背離界定於所附之申請專利範圍中之本發明的範圍之下進行。因此，本發明之實例的進一步修飾將不會偏離本發明之技術。

Claims

一種製造共聚酯纖維的方法，其包括：以一單體組成物進行共聚反應而合成一共聚酯，其中，所述單體組成物包括己二酸、衣康酸及丁二醇，其中，於所述共聚酯中，由己二酸及丁二醇共聚而形成之一第一聚合物與由衣康酸及丁二醇共聚而形成之一第二聚合物是以酯鍵相互鍵結，且所述第一聚合物與所述第二聚合物的莫耳比例介於90：10至50：50的範圍內，其中，所述共聚酯具有20000克/莫耳至35000克/莫耳的數目平均分子量；將所述共聚酯與聚己內酯共同混練而形成一共混高分子；將所述共混高分子與一基質材料共同混練而形成一摻合物；以及以所述摻合物進行紡絲而獲得所述共聚酯纖維。
如請求項1所述之製造共聚酯纖維的方法，其中，所述共聚酯具有介於0.7dL/克至1.2dL/克的範圍內的本質黏度及20℃至60℃的範圍內的熔點。
如請求項1所述之製造共聚酯纖維的方法，其中，在將所述共聚酯與聚己內酯共同混練而形成所述共混高分子的步驟中，所述共混高分子包含5至50重量%之如請求項1所述之共聚酯及50至95重量%之聚己內酯。
如請求項1所述之製造共聚酯纖維的方法，其中，在將所述摻合物與所述基質材料共同混練而形成所述摻合物的步驟中，所述共混高分子的含量為10至30重量%，而所述基質材料的含量為70至90重量%。
如請求項1所述之製造共聚酯纖維的方法，其中，所述基質材料為聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚對苯二甲酸己二酯(PHT)或其等之混合物。