一种高强度复合弹性纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维加工制备领域，尤其是涉及一种高强度复合弹性纤维及其制备方法。
背景技术
随着生活水平的不断提高，人们对服用纤维材料的要求不仅仅是为了遮体、实用、耐穿，还要求款式新颖、美观得体，具有穿着舒适、卫生和便于运动等全面功能。含有弹性纤维的衣物，既贴合人体体型，增加美感，又不会对人体的活动造成束博，迎合了人们对舒适性的要求。因此，人们越来越多地将弹性纤维应用到各种织物中去。
目前，弹性纤维主要是以氨纶包芯纱、聚烯烃弹性纤维以及双组份聚酯复合弹性纤维为主，其中双组份聚酯复合弹性纤维因其不要包覆可直接使用、优良的化学稳定性面具有前两种弹性纤维不可替代的优势，得到广泛的关注和开发。例如，在中国专利文献上公开的“一种弹性复合纤维及其制备方法”，其公开号CN111206300A，由吸水改性PET和PTT以48~52∶52~48的质量比分别挤出后复合而成。该复合弹性纤维具有类似羊毛的高度卷曲性和蓬松性，适合于贴身服饰的应用，扩大了弹性复合纤维的用途。
但现有技术中的PET/PTT等双组份复合弹性纤维强度较低，不太适合加捻和织造等工艺要求；并且复合弹性纤维染色时容易出现色花，色牢度低，限制了弹性纤维的用途。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的PET/PTT等双组份复合弹性纤维强度较低，不太适合加捻和织造等工艺要求；并且复合弹性纤维染色时色牢度低的问题，提供一种高强度复合弹性纤维及其制备方法，将聚酯与3,6-二丁酸萘磺酸钠改性的聚醚酯弹性体并列复合，制得的复合纤维强度高，且具有良好的弹性和染色性能，扩大了弹性纤维的应用范围。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强度复合弹性纤维，由聚酯组分和改性聚醚酯弹性体组分并列复合而成，所述改性聚醚酯弹性体组分的共聚单体包括二元羧酸、二元醇、亚烷基醚二元醇与3,6-二丁酸萘磺酸钠。
本发明还提供了一种上述高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性聚醚酯弹性体组分的制备：
（i）将二元羧酸、二元醇和亚烷基醚二元醇按比例打浆，并加入催化剂及复合抗氧剂，输送至酯化釜I中220~240℃下进行酯化反应，酯化率达到89~95%后输送至酯化釜II；
（ii） 向酯化釜II中加入3,6-二丁酸萘磺酸钠，并加入稳定剂，控制温度在230~245℃之间，保持30~50min，得到混合均匀的酯化物；
（iii）将混合均匀的酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为260~280℃，真空度为0.04~0.13KPa，缩聚60~120 min后得到所述改性聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将改性聚醚酯弹性体组分与聚酯组分干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束经后处理和热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维。
本发明通过将聚酯和改性聚醚酯弹性体并列复合，由于聚酯和改性聚醚酯弹性体的热收缩率不同，经热处理后纤维会像收缩率较高的改性聚醚酯弹性体一侧卷曲，使制得的复合纤维具有自卷曲弹性，满足使用需要。同时，改性聚醚酯弹性体组分由聚酯硬段和聚醚软段构成，与聚酯组分相容性好，并列复合后界面不易剥离。
但复合后的弹性纤维的强度和弹性难以同时满足，因此本发明在聚醚酯弹性体制备过程中先使二元羧酸、二元醇和亚烷基醚二元醇在催化剂的作用下进行酯化和酯交换反应，然后添加3,6-二丁酸萘磺酸钠作为共聚单体与酯化物共缩聚得到改性聚醚酯弹性体。3,6-二丁酸萘磺酸钠的结构式如下：
由于3,6-二丁酸萘磺酸钠分子中含有的萘环是刚性基团，因此本发明使用3,6-二丁酸萘磺酸钠对聚醚酯弹性体进行改性后可以有效提高纤维的强度；同时，萘环通过两侧柔性的短碳链与软段和硬段共聚，在提高刚性的同时可以减小对纤维弹性的影响，并且带有柔性短碳链的3,6-二丁酸萘磺酸钠参与缩聚后，可以降低硬段的结晶尺寸，从而对软段分子链的运动束缚能力下降，软段可以产生较大的形变，使复合弹性纤维具有良好的弹性，因此本发明中制备出的复合弹性纤维在具有高强度的同时还可以具有良好的弹性。同时，3,6-二丁酸萘磺酸钠分子中含有的磺酸基团还可以提高复合弹性纤维的吸湿性和阳离子染料染色性能，解决了聚酯和聚醚酯弹性体本身吸湿性差和染色牢度低的问题。
作为优选，聚酯组分和改性聚醚酯弹性体组分的质量比为（40~60）：（60~40）。
作为优选，聚酯组分选自PET、PBT、阻燃聚酯中的一种。
作为优选，复合弹性纤维的横截面为十字型、双十字型、六叶型、米字型中的一种。采用具有异型截面的复合弹性纤维，可以增加纤维表面沟槽数，再加上改性聚醚酯弹性体组分本身的吸湿性能，可以使复合弹性纤维具有吸湿排汗功能，大大提高穿着的舒适度，从而实现纤维多功能性，更能满足现代家用纺织品要求。
作为优选，二元羧酸、二元醇、亚烷基醚二元醇与3,6-二丁酸萘磺酸钠的摩尔比为1：（1.1~1.3）：（0.04~0.12）：（0.02~0.07）。在此比例下可以使改性聚醚酯弹性体同时具有高强度和良好的回弹性能。
作为优选，二元羧酸选自对苯二甲酸及其衍生物中的一种；所述二元醇的碳原子数在2~8之间；所述亚烷基醚二元醇选自聚四氢呋喃、聚乙二醇、聚丙二醇中的一种或多种，分子量为400~6000。
作为优选，步骤（i）中所述的催化剂为钛系催化剂，加入的质量为二元羧酸质量的0.03~0.07%；所述复合抗氧剂的加入质量为二元羧酸质量的0.02~1%，复合抗氧剂以质量分数计包括25~75%的受阻酚类抗氧剂及25~75％的亚磷酸酯类抗氧剂。
作为优选，受阻酚抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，所述亚磷酸酯类抗氧剂为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯。
作为优选，步骤（ii）中所述的稳定剂为磷酸三甲酯或磷酸三苯酯，加入的质量为二元羧酸质量的0.02~0.06%。由于改性聚醚酯弹性体中含有大量的醚键，当纤维暴露在外界大气中很容易发生降解，使纤维老化，性能降低。因此本发明在改性聚醚酯弹性体的制备过程中加入了稳定剂和抗氧剂，然后再进行缩聚，可以有效防止复合弹性纤维老化，提高纤维性能。
因此，本发明具有如下有益效果：
（1）将聚酯和改性聚醚酯弹性体并列复合，由于聚酯和改性聚醚酯弹性体的热收缩率不同，使制得的复合纤维具有自卷曲弹性，满足使用需要；
（2）使用3,6-二丁酸萘磺酸钠对聚醚酯弹性体进行改性，可以有效提高纤维的强度同时使复合弹性纤维具有良好的回弹性能，并使提高复合弹性纤维的染色性能和吸湿性能；
（3）采用具有异型截面的复合弹性纤维，可以使复合弹性纤维具有吸湿排汗功能，大大提高穿着的舒适度，从而实现纤维多功能性。
附图说明
图1是实施例1中十字型复合弹性纤维的横截面示意图。
图2是实施例2中双十字型复合弹性纤维的横截面示意图。
图3是实施例3中六叶型复合弹性纤维的横截面示意图。
图4是实施例4中米字型复合弹性纤维的横截面示意图。
图中：A聚酯组分、 B改性聚醚酯弹性体组分。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
一种高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性聚醚酯弹性体组分的制备：
（i）将摩尔比为1:1.18:0.13的对苯二甲酸、1,4丁二醇和聚乙二醇（分子量1000）打浆，并加入质量为对苯二甲酸质量0.03%的催化剂钛酸四异丙酯及0.04%的复合抗氧剂，复合抗氧剂包括质量比为35:65的受阻酚抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯及亚磷酸酯类抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，连续输送至酯化釜I中230℃下进行酯化反应，测得酯化率达到89.1%后输送至酯化釜II；
（ii） 向酯化釜II中连续加入与对苯二甲酸摩尔比为0.07:1的3,6-二丁酸萘磺酸钠，并加入质量为对苯二甲酸质量0.06%的稳定剂磷酸三甲酯，控制温度在240℃，保持30min，得到混合均匀的酯化物；
（iii）将混合均匀的酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为270℃，真空度为0.04KPa，缩聚100min后得到所述改性聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将改性聚醚酯弹性体组分与PET干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过复合喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束再经牵伸、卷绕、热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维，复合弹性纤维中PET和改性聚醚酯弹性体组分的质量比为1:1，复合弹性纤维的横截面呈十字型，如图1所示。
实施例2：
一种高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性聚醚酯弹性体组分的制备：
（i）将摩尔比为1:1.1:0.1的对苯二甲酸、1,4丁二醇和聚四氢呋喃（分子量1000）打浆，并加入质量为对苯二甲酸质量0.05%的催化剂钛酸正丁酯及0.02%的复合抗氧剂，复合抗氧剂包括质量比为25:75的受阻酚抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯及亚磷酸酯类抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，连续输送至酯化釜I中220℃下进行酯化反应，测得酯化率达到89.5%后输送至酯化釜II；
（ii） 向酯化釜II中连续加入与对苯二甲酸摩尔比为0.05:1的3,6-二丁酸萘磺酸钠，并加入质量为对苯二甲酸质量0.02%的稳定剂磷酸三甲酯，控制温度在230℃，保持50min，得到混合均匀的酯化物；
（iii）将混合均匀的酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为260℃，真空度为0.08KPa，缩聚90min后得到所述改性聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将改性聚醚酯弹性体组分与PET干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过复合喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束再经牵伸、卷绕、热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维，复合弹性纤维中PET和改性聚醚酯弹性体组分的质量比为3:2，复合弹性纤维的横截面呈双十字型，如图2所示。
实施例3：
一种高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性聚醚酯弹性体组分的制备：
（i）将摩尔比为1:1.3:0.04的对苯二甲酸、1,4丁二醇和聚丙二醇（分子量2000）打浆，并加入质量为对苯二甲酸质量0.07%的催化剂钛酸四丁酯及0.07%的复合抗氧剂，复合抗氧剂包括质量比为75:25的受阻酚抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯及亚磷酸酯类抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，连续输送至酯化釜I中240℃下进行酯化反应，测得酯化率达到94.5%后输送至酯化釜II；
（ii） 向酯化釜II中连续加入与对苯二甲酸摩尔比为0.02:1的3,6-二丁酸萘磺酸钠，并加入质量为对苯二甲酸质量0.04%的稳定剂磷酸三甲酯，控制温度在245℃，保持30min，得到混合均匀的酯化物；
（iii）将混合均匀的酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为280℃，真空度为0.13KPa，缩聚60 min后得到所述改性聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将改性聚醚酯弹性体组分与PET干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过复合喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束再经牵伸、卷绕、热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维，复合弹性纤维中PET和改性聚醚酯弹性体组分的质量比为1:1，复合弹性纤维的横截面呈六叶型，如图3所示。
实施例4：
一种高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性聚醚酯弹性体组分的制备：
（i）将摩尔比为1:1.18:0.06的对苯二甲酸、乙二醇和聚乙二醇（分子量1000）打浆，并加入质量为对苯二甲酸质量0.03%的催化剂钛酸四丁酯及0.03%的复合抗氧剂，复合抗氧剂包括质量比为35:65的受阻酚抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯及亚磷酸酯类抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，连续输送至酯化釜I中230℃下进行酯化反应，测得酯化率达到89.1%后输送至酯化釜II；
（ii） 向酯化釜II中连续加入与对苯二甲酸摩尔比为0.02:1的3,6-二丁酸萘磺酸钠，并加入质量为对苯二甲酸质量0.06%的稳定剂磷酸三甲酯，控制温度在240℃，保持30min，得到混合均匀的酯化物；
（iii）将混合均匀的酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为270℃，真空度为0.04KPa，缩聚120min后得到所述改性聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将改性聚醚酯弹性体组分与PBT干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过复合喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束再经牵伸、卷绕、热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维，复合弹性纤维中PBT和改性聚醚酯弹性体组分的质量比为2:3，复合弹性纤维的横截面呈米字型，如图4所示。
实施例5：
一种高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性聚醚酯弹性体组分的制备：
（i）将摩尔比为1:1.18:0.13的对苯二甲酸、1,4丁二醇和聚乙二醇（分子量1000）打浆，并加入质量为对苯二甲酸质量0.03%的催化剂钛酸四异丙酯及0.06%的复合抗氧剂，复合抗氧剂包括质量比为35:65的受阻酚抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯及亚磷酸酯类抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，连续输送至酯化釜I中230℃下进行酯化反应，测得酯化率达到89.1%后输送至酯化釜II；
（ii） 向酯化釜II中连续加入与对苯二甲酸摩尔比为0.02:1的3,6-二丁酸萘磺酸钠及与对苯二甲酸摩尔比为0.05:1的间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠，并加入质量为对苯二甲酸质量0.06%的稳定剂磷酸三甲酯，控制温度在240℃，保持30min，得到混合均匀的酯化物；
（iii）将混合均匀的酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为270℃，真空度为0.04KPa，缩聚100min后得到所述改性聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将改性聚醚酯弹性体组分与PET干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过复合喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束再经牵伸、卷绕、热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维，复合弹性纤维中PET和改性聚醚酯弹性体组分的质量比为1:1，复合弹性纤维的横截面呈十字型。
对比例1：
一种高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）聚醚酯弹性体组分的制备：将摩尔比为1:1.18:0.13的对苯二甲酸、1,4丁二醇和聚乙二醇（分子量1000）打浆，并加入质量为对苯二甲酸质量0.03%的催化剂钛酸四异丙酯、0.04%的复合抗氧剂及0.06%的稳定剂磷酸三甲酯，复合抗氧剂包括质量比为35:65的受阻酚抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯及亚磷酸酯类抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，连续输送至酯化釜I中230℃下进行酯化反应，酯化完成后将酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为270℃，真空度为0.04KPa，缩聚120min后得到所述聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将聚醚酯弹性体组分与PET干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过复合喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束再经牵伸、卷绕、热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维，复合弹性纤维中PET和聚醚酯弹性体组分的质量比为1:1，复合弹性纤维的横截面呈十字型。
对比例2：
一种高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性聚醚酯弹性体组分的制备：
（i）将摩尔比为1:1.18:0.13的对苯二甲酸、1,4丁二醇和聚乙二醇（分子量1000）打浆，并加入质量为对苯二甲酸质量0.03%的催化剂钛酸四异丙酯及0.04%的复合抗氧剂，复合抗氧剂包括质量比为35:65的受阻酚抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯及亚磷酸酯类抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，连续输送至酯化釜I中230℃下进行酯化反应，测得酯化率达到89.1%后输送至酯化釜II；
（ii） 向酯化釜II中连续加入与对苯二甲酸摩尔比为0.07:1的5,8-二羧基萘磺酸钠，并加入质量为对苯二甲酸质量0.06%的稳定剂磷酸三甲酯，控制温度在240℃，保持30min，得到混合均匀的酯化物；
（iii）将混合均匀的酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为270℃，真空度为0.04KPa，缩聚120min后得到所述改性聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将改性聚醚酯弹性体组分与PET干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过喷丝孔为复合喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束再经牵伸、卷绕、热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维，复合弹性纤维中PET和改性聚醚酯弹性体组分的质量比为1:1，复合弹性纤维的横截面呈十字型，如图1所示。
对比例3：
一种高强度复合弹性纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性聚醚酯弹性体组分的制备：
（i）将摩尔比为1:1.18:0.13的对苯二甲酸、1,4丁二醇和聚乙二醇（分子量1000）打浆，并加入质量为对苯二甲酸质量0.03%的催化剂钛酸四异丙酯及0.04%的复合抗氧剂，复合抗氧剂包括质量比为35:65的受阻酚抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯及亚磷酸酯类抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，连续输送至酯化釜I中230℃下进行酯化反应，测得酯化率达到89.1%后输送至酯化釜II；
（ii） 向酯化釜II中连续加入与对苯二甲酸摩尔比为0.07:1的3,6-二丁酸萘磺酸钠，并加入质量为对苯二甲酸质量0.06%的稳定剂磷酸三甲酯，控制温度在240℃，保持30min，得到混合均匀的酯化物；
（iii）将混合均匀的酯化物输送至缩聚工段，控制缩聚温度为270℃，真空度为0.04KPa，缩聚120 min后得到所述改性聚醚酯弹性体组分；
（2）并列复合纺丝：将改性聚醚酯弹性体组分与PET干燥后分别用螺杆挤出机挤出熔融，经计量泵分别计量后由分配管道输入纺丝箱体，通过复合喷丝板组件熔融挤出，吹风冷却、上油集成丝束，丝束再经牵伸、卷绕、热定型工艺后制得所述高强度复合弹性纤维，复合弹性纤维中PET和改性聚醚酯弹性体组分的质量比为1:1，复合弹性纤维的横截面呈哑铃型。
对上述实施例和对比例中制得的复合弹性纤维的性能进行测试，结果如表1所示。
从表1中可以看出，实施例1~5中采用本发明中的方法制备出的复合弹性纤维强度高、弹性好、色牢度好且具有良好的吸湿排汗性能。而对比例1中不用3,6-二丁酸萘磺酸钠对聚醚酯弹性体进行改性，制备出的复合纤维的强度和色牢度与实施例1中相比均有明显下降；对比例2中使用萘环上不带短碳链的5,8-二羧基萘磺酸钠对聚醚酯弹性体进行改性，制得的复合纤维虽然强度有所提高但弹性与实施例1中相比有所下降；对比例3中的复合弹性纤维制备成哑铃型截面，纤维的吸湿排汗性能差。证明本发明中的方法可以在提高纤维强度的同时不影响纤维的弹性，并且可以提高纤维的色牢度和吸湿排汗性能，扩大纤维的应用范围。
