专利名称：一种高性能纤维及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能纤维及其制备方法，具体的说涉及一种以聚对苯二甲酰对苯二胺为原料制备的高性能纤维及其制备方法。
背景技术：
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维又称对位芳纶或芳纶1414，是三大高性能纤维之一， 具有高强度、高模量、耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，被广泛应用于国民经济的各个领域，具有其它传统纤维不可替代的地位，在高性能轮胎帘子线、强力传送带、防弹服、头盔、机翼或火箭引擎外壳、压力容器、绳索及纤维复合材料中被大量应用。聚对苯二甲酰对苯二胺纤维理论模量约为238GPa，而目前通用型聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的实际模量仅为65-85GPa，模量提升潜力很大。热处理是提高聚对苯二甲酰对苯二胺纤维模量的简便、灵活和常用的方法。美国专利US3414645公开了干喷-湿法制备芳香酰胺纤维的制备工艺，强调热处理过程是必不可少的环节，该专利公开的热处理温度是300-450°C。随后的研究发现自由热定型或定长热定型处理能提高模量，但强度在热处理过程中随之下降，尤其在高温和长时间处理条件下。(Polymer，2001，42 :p. 5925-5935) 对kevlar-四纤维的热退火研究发现，聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的模量在较高温度下纤维的模量可增加50%，但其强度的下降达到60%。(Journal of Macromolecular Science Part B, 1984,24(3) :p. 289-309)对模量为63. 9GPa的kevlar-四纤维进行了定长退火处理，发现随着退火温度的增加模量也随之增加，到300°C时达到最大值79. OGPa，退火温度进一步升高和时间延长，纤维强度显著下降。热处理过程中对纤维施以一定的张力即热牵伸处理可以改善聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的模量，同时一定程度地降低强度损失。美国专利US3767756、US3869429、 US3869430公开了 PPTA初生丝在150-550°C采用紧张热定型处理，模量可增加85%，断裂伸长下降50%，模量随处理温度和应力的增加而增大，典型的工艺参数是150°C时，应力范围2-12gpd，时间1. 5-6s ;550°C，应力范围0. 5-2gpd，时间l_6s。温度低于250°C模量提高不明显，超过400°C后，强度会显著降低。欧洲专利EP0021484和美国专利US4320081中采用300-550°C温度范围内对PPTA初生纤维热处理，美国专利US4016236公布在空气中热定型温度应小于400°C，在氮气和惰性气体气氛下，可以升高到400-600°C。可见聚对苯二甲酰对苯二胺纤维在热牵伸处理过程中，模量会随处理温度增加、时间延长等处理条件的变化而大幅提高，但强度会随热处理条件的苛刻而显著降低。聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的热敏感性是导致模量大幅提高与强度下降相矛盾的主要原因，而热敏感性又具有与处理条件和原料丝性能相关的复杂特点。中国专利CN101775680A公开一种通过热定型提高聚对苯二甲酰对苯二胺纤维强度和模量的方法。该发明利用挤水装置对聚对苯二甲酰对苯二胺纤维丝束进行挤压脱水， 挤压脱水时将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维丝束中水分的重量百分比控制在40-60% ；再将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维丝束利用干燥辊进行干燥、拉伸牵引，并让聚对苯二甲酰对苯二胺纤维丝束在受到拉伸牵引的状态下穿过干燥箱，聚对苯二甲酰对苯二胺纤维丝束穿过干燥箱的时间为20-40秒，干燥箱内的温度为200-300°C，干燥辊的温度为150-300°C，拉伸牵引的张力为1500-2500CN。然而，其开的热处理前的初生丝强度较低为2. 34GPa，该强度的纤维受热敏感性的影响小；此外在聚对苯二甲酰对苯二胺纤维加工过程中有可能会残留 SO2—离子，在高温和高湿环境中会引起聚对苯二甲酰对苯二胺纤维水解，导致性能下降。综上所述，热处理能有效地提高聚对苯二甲酰对苯二胺纤维模量，但现有技术在热处理工艺和控制方面仍需要优化。例如纤维热敏感性除了同热处理温度和处理时间有关，还同原料长丝的力学性能有关，原料长丝强度越大，受热敏性影响也越大。热处理需考虑原料长丝性能特别是超高强度聚对苯二甲酰对苯二胺纤维品种，应充分认识原料长丝强度、热处理温度和处理时间这三种因素及其相互之间关联对纤维性能的影响，从而调整和优化控制工艺。此外在实际热处理工艺中采用张力控制方式，所需设备复杂，价格昂贵，控制存在困难。有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对上述技术现状和存在的不足，本发明的第一目的在于提供一种高性能纤维， 为实现本发明的第一目的，采用如下技术方案本发明所述的一种高性能纤维，是采用聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝通过热处理制备而成。所述的聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝，是采用聚对苯二甲酰对苯二胺粉体与溶剂配成液晶纺丝液，经干喷-湿法工艺纺丝，后经中和、洗涤、干燥处理获得。其原料和制备方法可采用现有技术中本领域技术人员常用的，优选所制备的聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝纤度为300-4000dtex，强度为2. 5-3. 5GPa，模量为65_85GPa，断裂伸长率为 2. 8-3. 4%，含水量小于3. 5%，晶区取向因子为0. 85-0. 89，声速取向函数为92-94%的原料长丝。优选的，本发明聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝纤度为1000-1600dtex、强度为 2. 8-3. 2GPa、模量为75_82GPa、含水量为0. 5-1. 5%、伸长率3. 0-3. 5 %、晶区取向因子为 0. 86-0. 88、声速取向函数为92. 5-93 %。更优选纤度llOOdtex、强度3. OGPa、模量80GPa、 含水量1. 0 %、伸长率3. 0 %、晶区取向因子0. 86、声速取向函数92. 5 %。本发明通过选择合适的热处理条件对聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝进行热处理，得到本发明所述的高性能纤维，所述的高性能纤维模量为100-155Gpa、晶区取向因子为0. 90-0. 95、声速取向函数为95. 5% -98%。与原料长丝相比，其结晶度增量为3% -10%,006晶面表观晶粒尺寸增量为20 % -70 %、第二类晶格畸变参数减量为11 % -26 %、比浓对数粘度减量小于5 %，强度降低幅度小于10%。本发明所述纤维的结晶结构参数是采用广角X-衍射仪测定和计算获得，具体 方法如下在广角X-衍射仪分别对纤维进行赤道线、子午线和方位角扫描，获取纤维无定形和晶形结构信息，通过对衍射数据的处理，计算结晶度、晶区取向、表观晶粒尺寸、第二类晶格畸变参数。采用公式(1)计算结晶度，以原料长丝的结晶度为参照，用热处理后纤维的结晶度变化描述所述功能纤维，以百分比计。
权利要求
1.一种高性能纤维，其特征在于采用聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝通过热处理制备而成，所述的高性能纤维模量为100-155Gpa、晶区取向因子为0. 90-0. 95、声速取向函数为 95. 5% -98% ο
2.如权利要求1所述的高性能纤维，其特征在于与原料长丝相比，其结晶度增量为3% -10%、006晶面表观晶粒尺寸增量为20% -70%、第二类晶格畸变参数减量为 11% _26%、比浓对数粘度减量小于5%，强度降低幅度小于10%。
3.如权利要求1所述的高性能纤维，其特征在于所述的聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝纤度为300-4000dtex，强度为2. 5-3. 5GPa，断裂伸长率为2. 8-3. 4 %，模量为 65-85GPa，含水量小于3. 5%，晶区取向因子为0. 85-0. 89，声速取向函数为92_94%。
4.如权利要求3所述的高性能纤维，其特征在于所述的聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝纤度为1000-1600dtex、强度为2. 8-3. 2GPa、模量为75_82GPa、含水量为0. 5-1. 5%、伸长率3. 0-3. 5%、晶区取向因子为0. 86-0. 88、声速取向函数为92. 5-93%。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的高性能纤维的制备方法，其特征在于所述的制备方法为对聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝进行热处理以优化其结构，得到高性能纤维； 所述的热处理在热空气中进行，热处理牵伸倍数为1. 010-1. 120，处理条件满足580 ^ (强度参数)X (温度)X (时间)< M60，所述的温度为热处理过程中纤维表面温度，所述强度参数为原料长丝的强度除以3. OGPa0
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的温度为493.15-623. 15K，强度参数为0. 83-1. 17，时间为1-6秒。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述的温度为535.15-585. 15K，强度参数为0. 95-1. 02，时间为3-4秒。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于在热处理过程中，还加入100-110°C的水蒸气，使热处理气氛中水蒸气分压为18-22Kpa。
9.如权利要求5或8所述的制备方法，其特征在于所述的制备方法具体为利用连续给料装置将原料长丝以180-220米/分钟速度送入加热装置，控制丝束均勻受热，使温度保持在493. 15-623. 15K，丝束热处理的时间为1-6秒，热牵伸比为1. 010-1. 120，热处理过程中保持经过滤净化后的热空气在加热装置内均勻流动，热处理后的丝束经观8. 15-296. 15K 温度的侧吹风冷却后经上油、卷绕得到成品。
10.如权利要求5或8所述的制备方法，其特征在于所述的制备方法具体为利用连续给料装置将原料长丝以180-220米/分钟速度送入加热装置，控制丝束均勻受热，使温度保持在493. 15-623. 15K，丝束热处理的时间为1_6秒，热牵伸比为1.010-1. 120，热处理过程中保持经过滤净化后的热空气在加热装置内均勻流动，加入100-110°C的水蒸气，使热处理气氛中水蒸气分压为18-22Kpa，热处理后的丝束经观8. 15-296. 1 温度的侧吹风冷却后经上油、卷绕得到成品。
全文摘要
本发明涉及一种高性能纤维，采用聚对苯二甲酰对苯二胺原料长丝通过热处理制备而成。所述的高性能纤维模量为100-150Gpa、晶区取向因子为0.90-0.95、声速取向函数为95.5％-98％。与原料长丝相比，其结晶度增量为3％-10％、006晶面表观晶粒尺寸增量为20％-70％、第二类晶格畸变参数减量为11％-26％、比浓对数粘度减量小于5％，强度降低幅度小于10％。本发明通过选择合适的热处理条件，相比原料长丝所述热处理后纤维的比浓对数粘度减量小于5％，红外特征光谱无变化，使获得超高模量的同时，保持纤维强度降低幅度小于10％。
文档编号D01D10/02GK102286794SQ20111022681
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者姜锋, 孔令熙, 李鑫, 韩国义, 黄品威 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国纺织科学研究院