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一种聚苯并唑短纤维的制备方法

2021-04-25 18:51:52

一种聚苯并唑短纤维的制备方法

  技术领域

  本发明属于高强高模短纤维的制备技术领域,具体地说,涉及一种聚苯并唑短纤维的制备方法。

  背景技术

  聚苯并唑(polybenzazole,简称PBZ)纤维是新一代有机高性能纤维,具有高强度、高模量、耐高温等优异性能,其中具有代表性的纤维有聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维和聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑](PIPD,亦称M5)纤维。目前,PBO纤维已实现工业化,其长丝拉伸强度和模量分别为5.8GPa和270GPa,分解温度高达650℃。现阶段,综合性能更为优异的PIPD纤维也已经有公斤级的产品下线,其拉伸强度和模量分别达5GPa和330GPa,而且还有很大的提升空间,分解温度达560℃。正因为其具有的优异性能,聚苯并唑纤维在航空航天、兵器装备、高温过滤、安全防护、电子电气、建筑建材、体育用品等诸多领域有着广泛的应用。在这些应用领域中,虽大多使用的是聚苯并唑纤维的长丝,但是也有很多场合需要使用各种规格的聚苯并唑短纤维,如铝材和玻璃业的耐热毡、高温过滤毡、防护服、橡塑制品增强、特种纸基材料等等。

  目前,现有的聚苯并唑短纤维的制备方法,一是将制备好的聚苯并唑纤维长丝切成短纤维,如US%205164131(名称为“Methods%20for%20synthesizing%20pulps%20and%20short%20fiberscontaining%20polybenzazole%20polymers”)公开的制备聚苯并唑类短纤维的方法是:先将纺丝原液挤出、拉伸、洗涤和干燥制备成长丝后,在其未完全干燥的潮湿状态下切割成短纤维。该方法存在如下问题:1、由于聚苯并唑分子结构不仅本身呈刚性,且经过纺丝拉伸后,分子排列规整,结晶度和取向度高,使得其已具备相当的强度和模量,短难度非常大,刀口磨损快;2、拉伸后经过充分洗涤的聚苯并唑纤维长丝更是具备高强高模的特点,耐切割性高,难以在高线速度下进行切割,使得切割效率低,成本高。二是在纺丝过程中将其切割成短纤维,如CN%201155302A公开的一种制备聚苯并唑短纤维的连续方法。该方法是将聚苯并唑聚合物纺丝原液供入纺丝用喷丝头,并使从喷丝板纺成的粘稠单丝丝条通过喷丝板下方的骤冷室冷却至0~5℃,形成冷冻的粘稠丝,再通过切断装置将经干燥辊有一定拉伸的粘稠单丝切断至所需长度,最后经洗涤和干燥形成聚苯并唑短纤维。但是,该方法不仅实际操作难度非常大,且还存在如下问题:1.在较高的纺丝速度下,通过骤冷室来快速冷却丝条,需要配备要求较高的冷冻装置,增加投资,消耗能源。2.因聚苯并唑聚纤维的耐低温性能非常好,即使是还未完全成型的粘稠丝,在0~5℃范围内也很难使丝条发脆,达到快速切断的目的;3.仅通过冷却而未与凝固剂接触的粘稠丝,单丝间非常容易发生粘连;尤其是施加横向切断力时,单丝间粘连更加严重,这将导致切断后,粘连的单丝很难再通过后续的洗涤和干燥工序有效的分散开来,影响后续销售使用。

  发明内容

  本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种新的聚苯并唑短纤维的制备方法。

  本发明提供的一种聚苯并唑短纤维的制备方法,该方法的工艺步骤和条件如下:

  (1)将制备的聚苯并唑聚合物纺丝原液,计量后送入纺丝组件,在纺丝组件内过滤和均匀分配后,由喷丝板喷出;

  (2)喷出的丝条进入喷丝板下方温度为130-180℃的气隙中,使丝条在此区域按照常规进行充分的拉伸取向;

  (3)经充分拉伸的丝条进入质量浓度30~60%、温度为30~85℃的磷酸水溶液中凝固,使纤维处于半凝固状态;

  (4)将半凝固状态的纤维牵引进入短装置中,按要求的规格切成短纤维;

  (5)所得短纤维经水洗、干燥工序,得到短纤维成品。

  以上方法中所述的纺丝原液中的聚苯并唑聚合物为聚苯并唑均聚物或含有≥85%的聚苯并唑结构单元的无规共聚物、交替共聚物或嵌段共聚物。这些聚苯并唑聚合物所含有的结构单元,优选能够形成溶致液晶的聚合物结构单元,具体为以下a~g所示的结构单元,优选a~c所示的结构单元:

  

  

  以上聚苯并唑聚合物的合成可参照以下文献所公开的方法制备:Wolf等,US4703103,“Liquid Crystalline Polymer Compositions,Process and Products”,US4533724“Liquid Crystalline Poly(2,6-Benothiozole)Composition,Process andProducts”;北河亨等,CN 101506412B,“聚吲哚系纤维及苯撑吡啶并二咪唑纤维”;范新年等,CN 102936342B,“一种聚对苯撑苯并二噁唑聚合物的半连续制备方法”;Sikkema等,US8263221B2,“High inherent viscosity polymers and fibers therefrom”;付兴伟等,CN105350108B,“一种聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]纤维的制备方法”;金宁人等,ZL 200410093359.4,“AB型聚对苯撑苯并二噁唑单体及其合成与应用”。

  以上方法中所述的聚苯并唑聚合物纺丝原液中聚合物的质量浓度不低于6%,以形成液晶溶液;最高浓度根据纺丝原液的粘度和聚合物的溶解度的控制,不超过35%。

  以上方法中所述气隙的气体为空气、氮气、氦气或者二氧化碳的任一种,较优选的为空气。

  以上方法中所述的短装置的短速度优选不低于40m/min,更优选的不低于100m/min,最优选的不低于500m/min;切成的短纤维的长度优选0.1~100mm,更优选1~60mm,最优选1~10mm;切断装置可以选择往复切断、旋转切断装置等,没有具体的限制;由于与腐蚀性酸接触,切断装置的材质优选不锈钢材质,为减少磨损可对部件进行必要的涂层处理。

  以上方法中所述的短纤维的水洗,可以是单级或多级水洗,优选多级水洗;为充分降低短纤维中酸含量,采用多级水洗时,在最后一级水洗前,可以使用pH为8-13的碱溶液进行洗涤;洗涤浴的温度优选10~100℃,更优选20~40℃;经洗涤后,短纤维中的酸含量优选低于5000ppm,更优选的低于3000ppm。

  以上方法中所述的短纤维的干燥,可以采用单个干燥设备,也可以采用多个干燥设备,优选两个和两个以上干燥设备;采用多级干燥时,第一级干燥设备的温度为120~220℃,较优选160~190℃;纤维经干燥后的水分含量优选低于4.0%。

  本发明与现有技术相比,具有以下有益效果:

  1.由于本发明提供的聚苯并唑短纤维的制备方法是将经充分拉伸并赋予其一定强度的丝条,再通过质量浓度为30~60%,温度为30~85℃磷酸水溶液的凝固浴进行凝固,使之处于半凝固状态后进入后续的切断工序,因而一方面可避免单丝之间发生粘连,另一方面因初步赋予了丝条一定的强度,送入后续的切断时也不易产生断丝。

  2.由于本发明提供的聚苯并唑短纤维的制备方法是将处于半凝固状态的纤维进行切割,此时的纤维强度低,容易切割,因而不仅短的速度快,可以在高线速度下进行切割,提高工作效率,且对切刀磨损小,可减少刀片的更换,降低成本。

  3.由于本发明提供的聚苯并唑短纤维的制备方法不需要对丝条进行额外的低温急速冷却,并配备要求较高的冷冻装置,增加投资,消耗能源,因而实际操作简便,易于实现工业化。

  具体实施方式

  下面给出实施例以对本发明作进一步的说明,值得一提的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制,如果本领域从业人员根据本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。

  值得说明的是,以下实施例所得短纤维的磷元素含量是采用美国TJA公司的VGPQExCell型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)检测的;所得短纤维的拉伸强度和拉伸模量是采用美国Instron万能材料试验机测试的。

  实施例1

  将含有结构式为(a)的聚对苯撑苯并二噁唑聚合物配制成浓度为10%的纺丝原液,通过计量泵计量后输送至纺丝组件,在纺丝组件内过滤和均匀分配后,经喷丝板喷出;喷出的丝条进入喷丝板下方温度为160℃的空气气隙中,使丝条在此区域进行充分的拉伸取向;经充分拉伸的丝条进入质量浓度45%、温度为60℃的磷酸水溶液中凝固,使纤维处于半凝固状态;将半凝固状态的纤维牵引进入短装置中,切成3mm长的短纤维;将所得短纤维用去离子水进行三级水洗,在最后一级水洗前,采用20℃的pH为10的NaOH水溶液进行洗涤;洗涤后的短纤维进行多级干燥,第一级干燥温度为160℃,最终得到水分含量为0.5%的短纤维。

  所得短纤维测得的磷元素含量为2200ppm,其拉伸强度为5.0GPa,拉伸模量为160GPa。

  实施例2

  将含有结构式为(a)的聚对苯撑苯并二噁唑聚合物配制成浓度为15%的纺丝原液,通过计量泵计量后输送至纺丝组件,在纺丝组件内过滤和均匀分配后,经喷丝板喷出;喷出的丝条进入喷丝板下方温度为180℃的氮气气隙中,使丝条在此区域进行充分的拉伸取向;经充分拉伸的丝条进入质量浓度60%、温度为30℃的磷酸水溶液中凝固,使纤维处于半凝固状态;将半凝固状态的纤维牵引进入短装置中,切成1mm长的短纤维;将所得短纤维用去离子水进行五级水洗,在最后一级水洗前,采用40℃的pH为11的NaOH水溶液进行洗涤;洗涤后的短纤维进行多级干燥,第一级干燥温度为190℃,最终得到水分含量为2.0%的短纤维。

  所得短纤维测得的磷元素含量为1800ppm,其拉伸强度为5.2GPa,拉伸模量为150GPa。

  实施例3

  将含有结构式为(a)的聚对苯撑苯并二噁唑聚合物配制成浓度为20%的纺丝原液,通过计量泵计量后输送至纺丝组件,在纺丝组件内过滤和均匀分配后,经喷丝板喷出;喷出的丝条进入喷丝板下方温度为140℃的空气气隙中,使丝条在此区域进行充分的拉伸取向;经充分拉伸的丝条进入质量浓度55%、温度为50℃的磷酸水溶液中凝固,使纤维处于半凝固状态;将半凝固状态的纤维牵引进入短装置中,切成0.1mm长的短纤维;将所得短纤维用去离子水进行四级水洗,在最后一级水洗前,采用30℃的pH为12的NaOH水溶液进行洗涤;洗涤后的短纤维进行多级干燥,第一级干燥温度为175℃,最终得到水分含量为4%的短纤维。

  所得短纤维测得的磷元素含量为3000ppm,其拉伸强度为4.9GPa,拉伸模量为155GPa。

  实施例4

  将含有结构式为(c)的聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑聚合物配制成浓度为6%的纺丝原液,通过计量泵计量后输送至纺丝组件,在纺丝组件内过滤和均匀分配后,经喷丝板喷出;喷出的丝条进入喷丝板下方温度为170℃的空气气隙中,使丝条在此区域进行充分的拉伸取向;经充分拉伸的丝条进入质量浓度40%、温度为70℃的磷酸水溶液中凝固,使纤维处于半凝固状态;将半凝固状态的纤维牵引进入短装置中,切成100mm长的短纤维;将所得短纤维用去离子水进行二级水洗,在最后一级水洗前,采用60℃的pH为9的NaOH水溶液进行洗涤;洗涤后的短纤维进行多级干燥,第一级干燥温度为140℃干燥,最终得到水分含量为3%的短纤维。

  所得短纤维测得的磷元素含量为5000ppm,其拉伸强度为4.4GPa,拉伸模量为230GPa。

  实施例5

  将含有结构式为(c)的聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑聚合物配制成浓度为35%的纺丝原液,通过计量泵计量后输送至纺丝组件,在纺丝组件内过滤和均匀分配后,经喷丝板喷出;喷出的丝条进入喷丝板下方温度为130℃的二氧化碳气体气隙中,使丝条在此区域进行充分的拉伸取向;经充分拉伸的丝条进入质量浓度30%、温度为85℃的磷酸水溶液中凝固,使纤维处于半凝固状态;将半凝固状态的纤维牵引进入短装置中,切成10mm长的短纤维;将所得短纤维用去离子水进行七级水洗,在最后一级水洗前,采用10℃的pH为13的NaOH水溶液进行洗涤;洗涤后的短纤维进行多级干燥,第一级干燥温度为120℃干燥,最终得到水分含量为1.0%的短纤维。

  所得短纤维测得的磷元素含量为2000ppm,其拉伸强度为4.5GPa,拉伸模量为250GPa。

  实施例6

  将含有结构式为(a)的聚对苯撑苯并二噁唑和结构式为(c)的聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]的无规共聚物(其中结构式为(a)的结构单元的含量为85%)配制成浓度为13%的纺丝原液,通过计量泵计量后输送至纺丝组件,在纺丝组件内过滤和均匀分配后,经喷丝板喷出;喷出的丝条进入喷丝板下方温度为150℃的氦气气隙中,使丝条在此区域进行充分的拉伸取向;经充分拉伸的丝条进入质量浓度50%、温度为45℃的磷酸水溶液中凝固,使纤维处于半凝固状态;将半凝固状态的纤维牵引进入短装置中,切成1mm长的短纤维;将所得短纤维用去离子水进行二级水洗,在最后一级水洗前,采用100℃的pH为8的NaOH水溶液进行洗涤;洗涤后的短纤维进行多级干燥,第一级干燥温度为220℃,最终得到水分含量为1.5%的短纤维。

  所得短纤维测得的磷元素含量为4500ppm,其拉伸强度为4.8GPa,拉伸模量为150GPa。

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