高溫抗氧化復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于化學(xué)纖維技術(shù)領(lǐng)域，涉及聚苯硫醚纖維，特別是涉及一種抗氧化改性 聚苯硫醚纖維，以及該纖維的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚蘢硫醚簡(jiǎn)稱PPS,結(jié)構(gòu)式：
[0UU3」以衆(zhòng)本腧醚纟萬(wàn)絲成的針維具有優(yōu)異的耐溫性、耐化學(xué)腐蝕性、絕緣性、阻燃性等性 能和良好的性價(jià)比，已成為國(guó)際公認(rèn)的燃煤電廠高溫尾氣除塵濾袋主要用原料。但是，由于 常規(guī)PPS大分子結(jié)構(gòu)中的硫原子含有兩對(duì)孤對(duì)電子，導(dǎo)致苯環(huán)和硫原子化學(xué)活性較強(qiáng)，一方 面硫原子容易受到空氣中的氧原子進(jìn)攻，發(fā)生氧化、交聯(lián)等反應(yīng)，另一方面苯環(huán)中的C-H鍵 能較低，也容易發(fā)生氧化交聯(lián)。這就導(dǎo)致了 PPS纖維在高溫有氧工況下活性較強(qiáng)，容易氧化、 交聯(lián)，纖維強(qiáng)度損失高達(dá)30%，致使PPS纖維濾袋的綜合性能和使用壽命降低，成為制約我國(guó) PPS纖維及其濾袋發(fā)展和推廣應(yīng)用的困境和瓶頸。
[0004] 納米復(fù)合Ti-SiOx粒子具有較強(qiáng)的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和納米復(fù)合效應(yīng)，且表面 含有大量的SiOx不飽和殘鍵和羥基，具有一定的表面活性和成鍵傾向，呈現(xiàn)出良好的耐高 溫、抗老化性能，且能明顯提高體系的強(qiáng)度和耐磨性。在PPS纖維的加工過(guò)程中添加入適量 的納米復(fù)合Ti-SiOx粒子，控制特定的切應(yīng)力和溫度，使PPS大分子中的硫原子和苯環(huán)上的 C-H鍵與納米復(fù)合Ti-SiOx粒子發(fā)生化學(xué)和物理作用，理論上能夠解決常規(guī)PPS纖維高溫易 氧化的問(wèn)題。
[0005] CN 104387770A公開了一種改性聚苯硫醚復(fù)合母粒的制備方法，該專利申請(qǐng)針對(duì) 聚苯硫醚纖維脆性強(qiáng)、抗氧化性能差、使用壽命短的情況，采用在聚苯硫醚纖維中添加鈦-二氧化硅納米材料和十二烷基苯磺酸鈉，經(jīng)雙螺桿擠壓機(jī)加熱、熔融、混合、分散、均化，擠 壓制成改性聚苯硫醚復(fù)合母粒，增強(qiáng)了聚苯硫醚材料和織物的強(qiáng)度、韌性、抗氧化性、耐高 溫性能，也提高了聚苯硫醚纖維及織物的使用壽命。
[0006] 由于PPS材料對(duì)于紡絲溫度的敏感性很強(qiáng)，導(dǎo)致其適合于紡絲的溫度范圍較窄?，F(xiàn) 有采用熔融紡絲技術(shù)制備PPS纖維的熔體溫度在320~330°C，客觀上也加速了PPS材料的高 溫交聯(lián)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種高溫抗氧化復(fù)合納米PPS/Ti-Si〇X短纖維，以及該短纖 維的制備方法。
[0008] 本發(fā)明所述的復(fù)合納米PPS/Ti-Si0x短纖維是在線性PPS樹脂中添加納米Ti-SiOx 制成復(fù)合納米PPS/Ti-Si0x母粒，在295~320°C低溫和7~lOMpa壓力下熔融形成熔體，經(jīng)噴 絲板紡絲，以20~30°C、風(fēng)速0.2~0.5m/s的環(huán)吹風(fēng)冷卻固化制成，其中，所述復(fù)合納米PPS/ Ti-SiOx母粒中線性PPS樹脂的質(zhì)量百分含量95~99%，納米Ti-SiOx的質(zhì)量百分含量1~5%， 且所述復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx母粒的熔融指數(shù)145~180g/10min，玻璃化溫度89~92°C，熔 點(diǎn) 279 ~280°C。
[0009]本發(fā)明所述復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維的具體制備方法是： 1) 將質(zhì)量百分含量95~99%的線性PPS樹脂與質(zhì)量百分含量1~5%的納米Ti-SiOx在螺 桿擠壓機(jī)中190~240°C下加熱熔融混合均勻，擠壓制成復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx母粒； 2) 將所述復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx母粒在130~150°C的惰性氣體環(huán)境下預(yù)結(jié)晶，140~ 190°C干燥至含水率< 50ppm; 3) 將干燥的母粒加入螺桿擠壓機(jī)內(nèi)，在295~320°C的熔體低溫、7~lOMpa的熔體壓力 下加熱熔融形成熔體，送至噴絲組件，經(jīng)海沙過(guò)濾后，由噴絲板擠出形成熔體細(xì)流； 4) 恪體細(xì)流進(jìn)入絲室，在800~1200m/min的紡速下被環(huán)吹風(fēng)冷卻固化成型，得到初生 纖維，其中控制環(huán)吹風(fēng)的送風(fēng)溫度為20~30°C、風(fēng)壓400~450pa、風(fēng)速0.2~0.5m/s; 5) 初生纖維集束后喂入三道牽伸區(qū)，以3~5倍的總牽伸比進(jìn)行牽伸，絲束在牽伸過(guò)程 中依次經(jīng)過(guò)30~40°C水浴、油劑質(zhì)量濃度2~5%的80~90°C油浴、100~150°C蒸汽加熱處 理； 6) 將牽伸后的絲束纖維依次進(jìn)行緊張熱定型、卷曲和松弛熱定型，切斷得到復(fù)合納米 PPS/Ti-SiOx短纖維成品。
[00?0]本發(fā)明所述復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維的制備方法中，所述恪體在進(jìn)入噴絲板 前先經(jīng)過(guò)20~50目的海沙過(guò)濾。優(yōu)選地，所述海沙的平均粒徑為20~40目。
[0011] 更優(yōu)選地，本發(fā)明制備方法中所述的海沙是由24目和40目的海砂按照2:1的質(zhì)量 比混合組成的海沙。
[0012] 本發(fā)明中，所述噴絲板具有900~1500孔。
[0013] 本發(fā)明優(yōu)選以70~200m/min的牽伸速度對(duì)初生纖維絲束進(jìn)行牽伸。
[0014] 本發(fā)明中，牽伸后的絲束纖維是在120~180°C的熱定型溫度下，以1.002~1.05的 牽伸倍數(shù)進(jìn)行緊張熱定型。
[0015] 本發(fā)明中，緊張熱定型后的絲束纖維是經(jīng)80~150°C蒸汽預(yù)處理，以0.90~0.98的 超位進(jìn)行卷曲。
[0016] 本發(fā)明進(jìn)而是將卷曲后的絲束在100~180°C松弛熱定型15~40min。
[0017] 本發(fā)明上述制備的初生纖維斷裂強(qiáng)度0.8~1.5cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率200~500%; 復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維成品纖度0.8~2.5dtex，纖維斷裂強(qiáng)度4.0~5.5cN/dtex，斷 裂伸長(zhǎng)率25~35%。
[0018] 本發(fā)明制備的復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維氧化誘導(dǎo)溫度470~480°C，將纖維在 230°C處理72h后，強(qiáng)度保持率88~95%，與常規(guī)PPS纖維相比，氧化誘導(dǎo)溫度提高15°C左右， 230°C、72h條件下纖維及其濾料強(qiáng)度保持率提高20~30%，其高溫抗氧化性能得到明顯的提 尚。
[0019] 本發(fā)明在制備復(fù)合納米PPS/Ti-Si〇X短纖維的過(guò)程中，將改性纖維的熔體溫度適 當(dāng)降低到295~320°C，并控制熔體壓力在7~lOMpa，紡絲溫度相對(duì)于常規(guī)PPS降低了 10°C左 右。由于納米材料在PPS熔體中起到了增塑劑作用，使PPS大分子鏈間自由空間增大，分子鏈 及其鏈段分子運(yùn)動(dòng)速率降低，大分子的解纏結(jié)減少，共混高聚物表觀粘度減小，PPS熔體流 動(dòng)性提高，因此可以通過(guò)適當(dāng)提高熔體壓力及海砂堆積密度，使熔體體積減小，表觀粘度增 加。這樣的改進(jìn)有利于納米粒子在PPS基體中的分散混合，滿足界面兩相物質(zhì)的物理化學(xué)作 用，降低了熱氧化反應(yīng)的發(fā)生，提高了改性纖維的抗氧化性能，同時(shí)又使PPS/Ti-Si〇 x改性 高聚物熔體具有良好的流變性能，保證了所制備的改性纖維具有良好的可紡性，以及優(yōu)異 的力學(xué)性能。
[0020] 本發(fā)明還通過(guò)對(duì)初生纖維的風(fēng)冷方式進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)改善纖維的結(jié)晶性能。本發(fā)明 調(diào)節(jié)初生纖維冷卻固化的環(huán)吹風(fēng)風(fēng)溫為20~30°C，并控制環(huán)吹風(fēng)風(fēng)壓為400~450pa、風(fēng)速 0.2~0.5m/s，從而使冷卻氣流的溫度呈拋物線形分布場(chǎng)梯度變化，共混高聚物熔體細(xì)流在 離開噴絲板后的一定距離內(nèi)仍保持熔融拉伸狀態(tài)，進(jìn)一步被拉伸細(xì)化，至離開噴絲頭下方 40~70cm的距離內(nèi)驟冷固化，延長(zhǎng)了初生纖維的固化時(shí)間，從而有效控制初生纖維的結(jié)晶 度在20~25%并提高其均勻性，保證得到具有良好韌性和較小纖度的初生纖維，繼而保證了 纖維的紡絲性能和機(jī)械性能。
[0021] 繼而，本發(fā)明采用三相式水浴、油浴、蒸汽牽伸和緊張熱定型對(duì)改性纖維進(jìn)行后加 工處理，在牽伸倍數(shù)并不高、緊張熱定型溫度也不高的前提下，得到了力學(xué)性能較好的改性 纖維。緊張熱定型工序中均勻的熱輥溫度消除了纖維大分子中一定的應(yīng)力集中點(diǎn)，使纖維 的穩(wěn)定性提高，且在較高溫度下，取向度和結(jié)晶度進(jìn)一步增加，最終得到了聚集態(tài)結(jié)構(gòu)較為 規(guī)整的高溫抗氧化復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維。
[0022]本發(fā)明制備的復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維與國(guó)內(nèi)普通PPS纖維比較，取向度提高 25%以上，氧化誘導(dǎo)溫度提高15°C左右，纖維及其濾料強(qiáng)度保持率提高20~30%，具有優(yōu)異的 抗氧化、耐尚溫等性能，抗氧化性能提尚了 15~20%，制成的濾毯氧化后強(qiáng)力保持率大于 95%，用于火力發(fā)電濾袋，使用壽命提高30%，降低燃煤電廠濾袋除塵的運(yùn)營(yíng)成本，各項(xiàng)物理-機(jī)械性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品。
[0023]隨著國(guó)家對(duì)工業(yè)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)袋式除塵器的過(guò)濾精度要求也越來(lái)越 高。降低纖維細(xì)度，增加其比表面積，可以較好的實(shí)現(xiàn)濾袋過(guò)濾精度的提高。采用本發(fā)明工 藝方法，可以制備得到0.8~2.5dtex的復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維。
[0024]本發(fā)明的復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx短纖維可加工性能較好，在高速針刺機(jī)上使用效 果顯著優(yōu)于國(guó)內(nèi)常規(guī)PPS纖維，制成的濾布產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明實(shí)施例制備的復(fù)合納米PPS/Ti-SiOx母粒的拉斷面SEM圖。
[0026]圖2是本發(fā)明