一种截面异形芳纶纤维及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及芳纶纤维制备领域，更具体地，涉及一种截面异形芳纶纤维及其制备方法和应用。
背景技术
芳纶，即聚间苯二甲酰对苯二胺，是一种新型高科技合成纤维，由近似于刚性伸直链的芳纶分子以网状交联的结晶结构高聚物，也具有典型的皮、芯层结构模型。同样具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能。可以在200度下长期使用，具有良好的耐温性、热稳定性、阻燃性、绝缘性能和抗老化性能。广泛应用于航空、航天、国防工业、汽车工业、耐热及防护服装、制作丝绳、运动器材以及复合材料的增强体。
现有的芳纶纤维一般存在强度低、抱合力差等缺陷，从而限制了芳纶纤维的使用，例如在制备成纸张时，由于芳纶纤维的抱合力差而导致纸张的抗张强度和撕裂强度差等。为改善芳纶纤维的抱合力，已经有大量地研究对芳纶纤维进行表面改性，例如专利CN2013800539754提供了一种含有橡胶核-壳粒子的纤维增强复合材料，该专利通过添加迁移剂改善了复合材料截面应力传递，然而梯度截面层的形成对材料特性与工艺条件等要求较高，且纤维与树脂基体中纳米粒子的粘结强度不佳。专利CN200910100266公开了一种芳纶1414纤维/氨纶包覆丝及采用该包覆丝的多功能防护袜是采用混纺的方法来结合芳纶1414与氨纶，但性能稳定性和均一性都不佳。
提供一种兼具优异力学性能和抱合力的芳纶纤维具有重要的应用价值。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的首要目的是提供一种截面异形芳纶纤维。
本发明的又一目的是提供一种截面异形芳纶纤维的制备方法。
本发明的再一目的是提供一种截面异形芳纶纤维的应用。
本发明的技术方案如下：
一种截面异形芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
将芳纶聚合物通过滤介质过滤，真空脱泡后于30～95℃下保存，过滤后将滤液通过计量泵送入喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，拉伸，水洗，烘干，结晶定型得到所述纤维；
其中所述芳纶聚合物的质量百分浓度为22～30％，[η]＝2.1～3.0，pH值为7～8；所述高温成型液为质量百分浓度40～70％的氯化钙溶液，温度为90～150℃；所述室温成型液为质量百分浓度25～75％的二甲基乙酰胺溶液。
本发明的芳纶聚合物采用以下方法制备得到：
将酰胺类溶剂加进充满氮气的聚合装置中，再加入苯二胺至溶解，再加入苯二甲酰氯，于0～20℃进行缩聚反应，反应生成芳纶缩聚物和副产物氯化氢；其中生成的氯化氢用碱土金属氧化物、氢氧化物或者氨气等发生中和反应，反应时控制温度低于30℃。
优选地，所述拉伸为三级拉伸。
更优选地，所述三级拉伸中的拉伸倍数逐级递升，其中第一级拉伸倍数为1～2，第二级拉伸倍数为1～2，第三级拉伸倍数为2～3。
更优选地，所述三级拉伸中，第一级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为5～8％的二甲基乙酰胺溶液，第二级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为8～20％的二甲基乙酰胺溶液，第三级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为20～35％的二甲基乙酰胺溶液。
优选地，所述过滤介质为烧结毡滤芯。
优选地，所述过滤介质的孔径为200～500目。
优选地，所述结晶定型的温度为350～400℃。
由上述任意一种方法制备得到的截面异形芳纶纤维也在本发明的保护范围内。
优选地，所述截面异形芳纶纤维的截面为不规则狗骨状。
一种截面异形芳纶纤维在制备滤材中的应用。
一种截面异形芳纶纤维在造纸领域中的应用。
本发明有益的技术效果在于：
本发明提供了一种截面异形芳纶纤维的制备方法，该方法采用特定性能参数的芳纶聚合物为原料，经过中和、过滤和脱泡处理，先后通过喷头两次成型，最后经过独特的三级拉伸，水洗，分区加热烘干和结晶定型，得到了具备大比表面积的截面异形芳纶纤维，其截面具体为不规则狗骨状。与现有芳纶纤维相比，本发明制得的截面异形芳纶纤维具备更好的综合力学性能，其中线密2.0Dtex、断裂强度为4.0-5.0cn/dtex和断裂伸长率25～30％。将本发明制得的截面异形芳纶纤维应用于纸页制备中，得到的0.04mm的纸页抗张强度高达4.01N/cm，是一种优异的纸张制备原料。本发明的制备方法简单，成本较低，条件易控，且得到的芳纶纤维兼具优异的力学性能和结合力，适用于工业化生产，具备良好的发展前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的截面异形芳纶纤维的纤维截面微观放大图。
图2为本发明对比例1的芳纶纤维的纤维截面微观放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的芳纶聚合物采用以下方法制备得到：
将酰胺类溶剂加进充满氮气的聚合装置中，再加入苯二胺至溶解，再加入苯二甲酰氯，于0～20℃进行缩聚反应，反应生成芳纶缩聚物和副产物氯化氢；其中生成的氯化氢用碱土金属氧化物、氢氧化物或者氨气等发生中和反应，反应时控制温度低于30℃。
制得的芳纶聚合物为浅黄透明状，质量百分浓度为22～30％，[η]＝2.1～3.0，pH值为7～8。
实施例1
一种截面异形芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
将芳纶聚合物通过滤介质过滤，真空脱泡后于40℃下保存，过滤后将滤液通过计量泵送入喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，拉伸，水洗，烘干，结晶定型得到所述纤维；
其中芳纶聚合物的质量百分浓度为25％，[η]＝2.5，pH值为7.5；
高温成型液为质量百分浓度50％的氯化钙溶液，温度为90℃；
室温成型液为质量百分浓度55％的二甲基乙酰胺溶液；
拉伸为三级拉伸，且第一级拉伸倍数为1.5，第二级拉伸倍数为1.8，第三级拉伸倍数为2，第一级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为5％的二甲基乙酰胺溶液，第二级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为8％的二甲基乙酰胺溶液，第三级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为20％的二甲基乙酰胺溶液；
过滤介质为烧结毡滤芯，孔径为200目；
结晶定型的温度为400℃。
本实例得到的芳纶纤维截面为不规则狗骨状；
将得到的芳纶纤维按GB/T14343-2008测得线密度为2.06Dtex；
按GB/T14337-2008测试断裂强度为4.5cn/dtex，断裂伸长率为36％；
采用传统纸张制备工艺，将制得的芳纶纤维作为主原料制备厚度为0.04mm的纸页，测得纸页的抗张强度为4.21N/cm，撕裂强度为2000CN。
实施例2
一种截面异形芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
将芳纶聚合物通过滤介质过滤，真空脱泡后于55℃下保存，过滤后将滤液通过计量泵送入喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，拉伸，水洗，烘干，结晶定型得到所述纤维；
其中芳纶聚合物的质量百分浓度为22％，[η]＝2.1，pH值为7.1；
高温成型液为质量百分浓度40％的氯化钙溶液，温度为100℃；
室温成型液为质量百分浓度35％的二甲基乙酰胺溶液；
拉伸为三级拉伸，且第一级拉伸倍数为1.3，第二级拉伸倍数为1.8，第三级拉伸倍数为2，第一级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为5％的二甲基乙酰胺溶液，第二级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为8％的二甲基乙酰胺溶液，第三级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为20％的二甲基乙酰胺溶液；
过滤介质为烧结毡滤芯，孔径为300目；
结晶定型的温度为380℃。
本实例得到的芳纶纤维截面为不规则狗骨状；
将得到的芳纶纤维按GB/T14343-2008测得线密度为2.02Dtex；
按GB/T14337-2008测试断裂强度为4.2cn/dtex，断裂伸长率为35％；
采用传统纸张制备工艺，将制得的芳纶纤维作为主原料制备成厚度为0.04mm的纸页，测得纸页的抗张强度为3.91N/cm，撕裂强度为1700CN。
实施例3
一种截面异形芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
将芳纶聚合物通过滤介质过滤，真空脱泡后于95℃下保存，过滤后将滤液通过计量泵送入喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，拉伸，水洗，烘干，结晶定型得到所述纤维；
其中芳纶聚合物的质量百分浓度为30％，[η]＝3.1，pH值为8；
高温成型液为质量百分浓度30％的氯化钙溶液，温度为150℃；
室温成型液为质量百分浓度45％的二甲基乙酰胺溶液；
拉伸为三级拉伸，且第一级拉伸倍数为1.1，第二级拉伸倍数为1.8，第三级拉伸倍数为2.2，第一级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为5％的二甲基乙酰胺溶液，第二级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为8％的二甲基乙酰胺溶液，第三级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为20％的二甲基乙酰胺溶液；
过滤介质为烧结毡滤芯，孔径为500目；
结晶定型的温度为380℃。
本实例得到的芳纶纤维截面为不规则狗骨状；
将得到的芳纶纤维按GB/T14343-2008测得线密度为2.09Dtex；
按GB/T14337-2008测试断裂强度为3.9cn/dtex，断裂伸长率为27％；
采用传统纸张制备工艺，将制得的芳纶纤维作为主原料制备成厚度为0.04mm的纸页，测得纸页的抗张强度为3.96N/cm，撕裂强度为1900CN。
对比例1
一种芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
将芳纶聚合物通过滤介质过滤，真空脱泡后于40℃下保存，过滤后将滤液通过计量泵送入喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，拉伸，水洗，烘干，结晶定型得到所述纤维；
其中芳纶聚合物的质量百分浓度为18％，[η]＝1.9，pH值为7.5；
高成型液为质量百分浓度50％的二甲基乙酰胺溶液，温度为50℃；
室温成型液为质量百分浓度55％的二甲基乙酰胺溶液；
拉伸为三级拉伸，且第一级拉伸倍数为1.2，第二级拉伸倍数为2.1，第三级拉伸倍数为3.4，第一级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为5％的二甲基乙酰胺溶液，第二级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为7％的二甲基乙酰胺溶液，第三级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为15％的二甲基乙酰胺溶液；
过滤介质为烧结毡滤芯，孔径为200目；
结晶定型的温度为400℃。
本对比例得到的芳纶纤维截面为规则圆形；
将得到的芳纶纤维按GB/T14343-2008测得线密度为2.0Dtex；
按GB/T14337-2008测试断裂强度为3.76cn/dtex，断裂伸长率为44％；
采用传统纸张制备工艺，将制得的芳纶纤维作为主原料制备成厚度为0.04mm的纸页，测得纸页的抗张强度为2.31N/cm，撕裂强度为600CN。
对比例2
一种芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
将芳纶聚合物通过滤介质过滤，真空脱泡后于40℃下保存，过滤后将滤液通过计量泵送入喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，拉伸，水洗，烘干，结晶定型得到所述纤维；
其中芳纶聚合物的质量百分浓度为20％，[η]＝2.0，pH值为7.1；
高温成型液为质量百分浓度50％的二甲基乙酰胺溶液，温度为70℃；
室温成型液为质量百分浓度55％的二甲基乙酰胺溶液；
拉伸为三级拉伸，且第一级拉伸倍数为1，第二级拉伸倍数为1.5，第三级拉伸倍数为2.2，第一级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为5％的二甲基乙酰胺溶液，第二级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为8％的二甲基乙酰胺溶液，第三级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为20％的二甲基乙酰胺溶液；
过滤介质为烧结毡滤芯，孔径为200目；
结晶定型的温度为400℃。
本对比例得到的芳纶纤维截面为规则圆形；
将得到的芳纶纤维按GB/T14343-2008测得线密度为2.1Dtex；
按GB/T14337-2008测试断裂强度为3.48cn/dtex，断裂伸长率为12％；
采用传统纸张制备工艺，将制得的芳纶纤维作为主原料制备成厚度为0.04mm的纸页，测得纸页的抗张强度为2.23N/cm，撕裂强度为500CN。
对比例3
一种芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
将芳纶聚合物通过滤介质过滤，真空脱泡后于40℃下保存，过滤后将滤液通过计量泵送入喷丝头，先后通过高温成型液、室温成型液喷出成型，拉伸，水洗，烘干，结晶定型得到所述纤维；
其中芳纶聚合物的质量百分浓度为21％，[η]＝1.2，pH值为7.5；
高温成型液为质量百分浓度35％的二甲基乙酰胺溶液，温度为70℃；
室温成型液为质量百分浓度60％的二甲基乙酰胺溶液；
拉伸为三级拉伸，且第一级拉伸倍数为0.9，第二级拉伸倍数为1.8，第三级拉伸倍数为2.2，第一级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为10％的二甲基乙酰胺溶液，第二级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为15％的二甲基乙酰胺溶液，第三级拉伸的拉伸液为质量百分浓度为30％的二甲基乙酰胺溶液；
过滤介质为烧结毡滤芯，孔径为200目；
结晶定型的温度为400℃。
本对比例得到的芳纶纤维截面为不规则圆形；
将得到的芳纶纤维按GB/T14343-2008测得线密度为1.96Dtex；
按GB/T14337-2008测试断裂强度为3.36cn/dtex，断裂伸长率为15％；
采用传统纸张制备工艺，将制得的芳纶纤维作为主原料制备成厚度为0.04mm的纸页，测得纸页的抗张强度为2.54N/cm，撕裂强度为630CN。
通过观察比较实施例1～3和对比例1～3可知，实施例制得的芳纶纤维的力学性能远好于对比例制得的芳纶纤维。进一步地，将实施例和对比例制得的芳纶纤维应用到纸页制备中，实施例得到的纸页具备更加优异的抗张强度和撕裂强度，其原因可能在于，本发明实施例制得的芳纶纤维截面为不规则狗骨状，相比于对比例中的不规则圆形截面，不规则狗骨状的比表面积更大，因此有更大的接触面积和抱合力，进而显著提高了纸页的抗张强度和撕裂强度。
本发明的芳纶纤维不仅兼具优异的力学性能和抱合力，且制备工艺简单，绿色环保，条件易控，在造纸领域和过滤袋行业有着非常卓越的优点，完全能够工业化发展，具备良好的发展前景。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对说明书中所列运用进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
