專利名稱：一種高性能纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能纖維及其制備方法，具體的說涉及一種以聚對苯二甲酰對苯二胺為原料制備的高性能纖維及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚對苯二甲酰對苯二胺纖維又稱對位芳綸或芳綸1414，是三大高性能纖維之一， 具有高強度、高模量、耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，具有其它傳統(tǒng)纖維不可替代的地位，在高性能輪胎簾子線、強力傳送帶、防彈服、頭盔、機翼或火箭引擎外殼、壓力容器、繩索及纖維復(fù)合材料中被大量應(yīng)用。聚對苯二甲酰對苯二胺纖維理論模量約為238GPa，而目前通用型聚對苯二甲酰對苯二胺纖維的實際模量僅為65-85GPa，模量提升潛力很大。熱處理是提高聚對苯二甲酰對苯二胺纖維模量的簡便、靈活和常用的方法。美國專利US3414645公開了干噴-濕法制備芳香酰胺纖維的制備工藝，強調(diào)熱處理過程是必不可少的環(huán)節(jié)，該專利公開的熱處理溫度是300-450°C。隨后的研究發(fā)現(xiàn)自由熱定型或定長熱定型處理能提高模量，但強度在熱處理過程中隨之下降，尤其在高溫和長時間處理條件下。(Polymer，2001，42 :p. 5925-5935) 對kevlar-四纖維的熱退火研究發(fā)現(xiàn)，聚對苯二甲酰對苯二胺纖維的模量在較高溫度下纖維的模量可增加50%，但其強度的下降達到60%。(Journal of Macromolecular Science Part B, 1984,24(3) :p. 289-309)對模量為63. 9GPa的kevlar-四纖維進行了定長退火處理，發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的增加模量也隨之增加，到300°C時達到最大值79. OGPa，退火溫度進一步升高和時間延長，纖維強度顯著下降。熱處理過程中對纖維施以一定的張力即熱牽伸處理可以改善聚對苯二甲酰對苯二胺纖維的模量，同時一定程度地降低強度損失。美國專利US3767756、US3869429、 US3869430公開了 PPTA初生絲在150-550°C采用緊張熱定型處理，模量可增加85%，斷裂伸長下降50%，模量隨處理溫度和應(yīng)力的增加而增大，典型的工藝參數(shù)是150°C時，應(yīng)力范圍2-12gpd，時間1. 5-6s ;550°C，應(yīng)力范圍0. 5-2gpd，時間l_6s。溫度低于250°C模量提高不明顯，超過400°C后，強度會顯著降低。歐洲專利EP0021484和美國專利US4320081中采用300-550°C溫度范圍內(nèi)對PPTA初生纖維熱處理，美國專利US4016236公布在空氣中熱定型溫度應(yīng)小于400°C，在氮氣和惰性氣體氣氛下，可以升高到400-600°C。可見聚對苯二甲酰對苯二胺纖維在熱牽伸處理過程中，模量會隨處理溫度增加、時間延長等處理條件的變化而大幅提高，但強度會隨熱處理條件的苛刻而顯著降低。聚對苯二甲酰對苯二胺纖維的熱敏感性是導(dǎo)致模量大幅提高與強度下降相矛盾的主要原因，而熱敏感性又具有與處理條件和原料絲性能相關(guān)的復(fù)雜特點。中國專利CN101775680A公開一種通過熱定型提高聚對苯二甲酰對苯二胺纖維強度和模量的方法。該發(fā)明利用擠水裝置對聚對苯二甲酰對苯二胺纖維絲束進行擠壓脫水， 擠壓脫水時將聚對苯二甲酰對苯二胺纖維絲束中水分的重量百分比控制在40-60% ；再將聚對苯二甲酰對苯二胺纖維絲束利用干燥輥進行干燥、拉伸牽引，并讓聚對苯二甲酰對苯二胺纖維絲束在受到拉伸牽引的狀態(tài)下穿過干燥箱，聚對苯二甲酰對苯二胺纖維絲束穿過干燥箱的時間為20-40秒，干燥箱內(nèi)的溫度為200-300°C，干燥輥的溫度為150-300°C，拉伸牽引的張力為1500-2500CN。然而，其開的熱處理前的初生絲強度較低為2. 34GPa，該強度的纖維受熱敏感性的影響?。淮送庠诰蹖Ρ蕉柞Ρ蕉防w維加工過程中有可能會殘留 SO2—離子，在高溫和高濕環(huán)境中會引起聚對苯二甲酰對苯二胺纖維水解，導(dǎo)致性能下降。綜上所述，熱處理能有效地提高聚對苯二甲酰對苯二胺纖維模量，但現(xiàn)有技術(shù)在熱處理工藝和控制方面仍需要優(yōu)化。例如纖維熱敏感性除了同熱處理溫度和處理時間有關(guān)，還同原料長絲的力學(xué)性能有關(guān)，原料長絲強度越大，受熱敏性影響也越大。熱處理需考慮原料長絲性能特別是超高強度聚對苯二甲酰對苯二胺纖維品種，應(yīng)充分認識原料長絲強度、熱處理溫度和處理時間這三種因素及其相互之間關(guān)聯(lián)對纖維性能的影響，從而調(diào)整和優(yōu)化控制工藝。此外在實際熱處理工藝中采用張力控制方式，所需設(shè)備復(fù)雜，價格昂貴，控制存在困難。有鑒于此，特提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)現(xiàn)狀和存在的不足，本發(fā)明的第一目的在于提供一種高性能纖維， 為實現(xiàn)本發(fā)明的第一目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種高性能纖維，是采用聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲通過熱處理制備而成。所述的聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲，是采用聚對苯二甲酰對苯二胺粉體與溶劑配成液晶紡絲液，經(jīng)干噴-濕法工藝紡絲，后經(jīng)中和、洗滌、干燥處理獲得。其原料和制備方法可采用現(xiàn)有技術(shù)中本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的，優(yōu)選所制備的聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲纖度為300-4000dtex，強度為2. 5-3. 5GPa，模量為65_85GPa，斷裂伸長率為 2. 8-3. 4%，含水量小于3. 5%，晶區(qū)取向因子為0. 85-0. 89，聲速取向函數(shù)為92-94%的原料長絲。優(yōu)選的，本發(fā)明聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲纖度為1000-1600dtex、強度為 2. 8-3. 2GPa、模量為75_82GPa、含水量為0. 5-1. 5%、伸長率3. 0-3. 5 %、晶區(qū)取向因子為 0. 86-0. 88、聲速取向函數(shù)為92. 5-93 %。更優(yōu)選纖度llOOdtex、強度3. OGPa、模量80GPa、 含水量1. 0 %、伸長率3. 0 %、晶區(qū)取向因子0. 86、聲速取向函數(shù)92. 5 %。本發(fā)明通過選擇合適的熱處理條件對聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲進行熱處理，得到本發(fā)明所述的高性能纖維，所述的高性能纖維模量為100-155Gpa、晶區(qū)取向因子為0. 90-0. 95、聲速取向函數(shù)為95. 5% -98%。與原料長絲相比，其結(jié)晶度增量為3% -10%,006晶面表觀晶粒尺寸增量為20 % -70 %、第二類晶格畸變參數(shù)減量為11 % -26 %、比濃對數(shù)粘度減量小于5 %，強度降低幅度小于10%。本發(fā)明所述纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)參數(shù)是采用廣角X-衍射儀測定和計算獲得，具體 方法如下在廣角X-衍射儀分別對纖維進行赤道線、子午線和方位角掃描，獲取纖維無定形和晶形結(jié)構(gòu)信息，通過對衍射數(shù)據(jù)的處理，計算結(jié)晶度、晶區(qū)取向、表觀晶粒尺寸、第二類晶格畸變參數(shù)。采用公式(1)計算結(jié)晶度，以原料長絲的結(jié)晶度為參照，用熱處理后纖維的結(jié)晶度變化描述所述功能纖維，以百分比計。
權(quán)利要求
1.一種高性能纖維，其特征在于采用聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲通過熱處理制備而成，所述的高性能纖維模量為100-155Gpa、晶區(qū)取向因子為0. 90-0. 95、聲速取向函數(shù)為 95. 5% -98% ο
2.如權(quán)利要求1所述的高性能纖維，其特征在于與原料長絲相比，其結(jié)晶度增量為3% -10%、006晶面表觀晶粒尺寸增量為20% -70%、第二類晶格畸變參數(shù)減量為 11% _26%、比濃對數(shù)粘度減量小于5%，強度降低幅度小于10%。
3.如權(quán)利要求1所述的高性能纖維，其特征在于所述的聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲纖度為300-4000dtex，強度為2. 5-3. 5GPa，斷裂伸長率為2. 8-3. 4 %，模量為 65-85GPa，含水量小于3. 5%，晶區(qū)取向因子為0. 85-0. 89，聲速取向函數(shù)為92_94%。
4.如權(quán)利要求3所述的高性能纖維，其特征在于所述的聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲纖度為1000-1600dtex、強度為2. 8-3. 2GPa、模量為75_82GPa、含水量為0. 5-1. 5%、伸長率3. 0-3. 5%、晶區(qū)取向因子為0. 86-0. 88、聲速取向函數(shù)為92. 5-93%。
5.一種如權(quán)利要求1-4任一項所述的高性能纖維的制備方法，其特征在于所述的制備方法為對聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲進行熱處理以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，得到高性能纖維； 所述的熱處理在熱空氣中進行，熱處理牽伸倍數(shù)為1. 010-1. 120，處理條件滿足580 ^ (強度參數(shù))X (溫度)X (時間)< M60，所述的溫度為熱處理過程中纖維表面溫度，所述強度參數(shù)為原料長絲的強度除以3. OGPa0
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述的溫度為493.15-623. 15K，強度參數(shù)為0. 83-1. 17，時間為1-6秒。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述的溫度為535.15-585. 15K，強度參數(shù)為0. 95-1. 02，時間為3-4秒。
8.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于在熱處理過程中，還加入100-110°C的水蒸氣，使熱處理氣氛中水蒸氣分壓為18-22Kpa。
9.如權(quán)利要求5或8所述的制備方法，其特征在于所述的制備方法具體為利用連續(xù)給料裝置將原料長絲以180-220米/分鐘速度送入加熱裝置，控制絲束均勻受熱，使溫度保持在493. 15-623. 15K，絲束熱處理的時間為1-6秒，熱牽伸比為1. 010-1. 120，熱處理過程中保持經(jīng)過濾凈化后的熱空氣在加熱裝置內(nèi)均勻流動，熱處理后的絲束經(jīng)觀8. 15-296. 15K 溫度的側(cè)吹風冷卻后經(jīng)上油、卷繞得到成品。
10.如權(quán)利要求5或8所述的制備方法，其特征在于所述的制備方法具體為利用連續(xù)給料裝置將原料長絲以180-220米/分鐘速度送入加熱裝置，控制絲束均勻受熱，使溫度保持在493. 15-623. 15K，絲束熱處理的時間為1_6秒，熱牽伸比為1.010-1. 120，熱處理過程中保持經(jīng)過濾凈化后的熱空氣在加熱裝置內(nèi)均勻流動，加入100-110°C的水蒸氣，使熱處理氣氛中水蒸氣分壓為18-22Kpa，熱處理后的絲束經(jīng)觀8. 15-296. 1 溫度的側(cè)吹風冷卻后經(jīng)上油、卷繞得到成品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高性能纖維，采用聚對苯二甲酰對苯二胺原料長絲通過熱處理制備而成。所述的高性能纖維模量為100-150Gpa、晶區(qū)取向因子為0.90-0.95、聲速取向函數(shù)為95.5％-98％。與原料長絲相比，其結(jié)晶度增量為3％-10％、006晶面表觀晶粒尺寸增量為20％-70％、第二類晶格畸變參數(shù)減量為11％-26％、比濃對數(shù)粘度減量小于5％，強度降低幅度小于10％。本發(fā)明通過選擇合適的熱處理條件，相比原料長絲所述熱處理后纖維的比濃對數(shù)粘度減量小于5％，紅外特征光譜無變化，使獲得超高模量的同時，保持纖維強度降低幅度小于10％。
文檔編號D01D10/02GK102286794SQ20111022681
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者姜鋒, 孔令熙, 李鑫, 韓國義, 黃品威 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國紡織科學(xué)研究院