一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维及其制备方法，属于高性能纤维制备技术领域。本发明专利技术所述高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维以特性粘数为15‑35dL/g的聚对苯撑苯并二噁唑聚合物为原料，并通过干喷湿纺的纺丝方式制备而成；所述高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维的束纱拉伸强度为5.4‑5.8GPa，断裂伸长率为3.5‑4.5%，拉伸模量为140‑180GPa，密度为1.53‑1.54g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维及其制备方法
本专利技术涉及一种聚对苯撑苯并二噁唑纤维及其制备方法，更具体地说，本专利技术涉及一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维及其制备方法，属于高性能纤维制备

技术介绍
聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维由美国空军材料实验室专利技术，美国陶氏公司参与研制，日本东洋纺公司于上世纪90年代实现工业化生产。目前，在市场上东洋纺公司商品名为Zylon®的PBO纤维有AS（常规）和HM（高模型）两种型号。其中的AS型PBO纤维的拉伸强度和模量分别为5.8GPa和180GPa、密度1.54g/cm3、极限氧指数（LOI）值68、热分解温度650℃，各项性能指标均非常优异。因此，PBO纤维被视为航空、航天及军事等先进结构复合材料的新一代超级纤维，在美国和日本的航空航天工业、消防服和防弹服等特殊工业纺织品中得到应用。复合材料的防弹性能主要由其中的纤维决定，随着纤维性能的提高，防弹性能随之提高。PBO纤维优异的机械性能可以赋予复合材料轻质高强的特性，而且可以同时满足耐高温的性能要求，是一种理想的防弹材料。另外，PBO纤维在受冲击时纤维可原纤化，主要是沿纤维纵向有撕裂现象而吸收大量冲击动能；同时，这种撕裂作用又起到防止裂纹扩展的作用，因此，PBO纤维的耐冲击性能十分优异。据报道，PBO纤维的冲击最大载荷和能量吸收均远高于芳纶和碳纤维，在防弹抗冲击吸能材料领域已经得到应用，如制造飞机机身、防弹衣、防弹头盔等。用于防弹的纤维除了需具有较高的强度和模量外，还需要高的延伸率，即需要纤维有很好的韧性。美国防弹方面的研究人员在防弹纤维评价方面做了很多工作，其中Cunniff和Auerbach提出了评价防弹纤维的标准，之后Phoenix和Portwal由此建立了纤维评判标准理论公式，采用该标准公式可以评估防弹纤维的性能。从公式可知，相比于纤维的模量，防弹纤维的伸长率对于防弹性能起着至关重要的作用，在不显著影响纤维模量的前提下提高纤维的伸长率有利于提高其防弹性能。这是因为纤维破坏前的纵向伸长变形有利于吸收一定的能量，同时使纤维纵向产生撕裂能很好的防止了裂纹扩展。可以预见，PBO纤维在纵向大变形作用下的原纤化可以进一步吸收冲击能，更好的起到防弹效果。国家知识产权局公开了PBO纤维的制备方法的专利技术专利：公开号为CN1644772A，名称为“聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法”的专利技术；公开号为CN102943316A，名称为“一种生产聚对苯撑苯并二噁唑PBO纤维的工艺”的专利技术。这两件专利技术公开了PBO纤维的制备方法，但是并未提及生产高伸长率PBO纤维的方法。另外，美国专利US6,268,301B1，名称为“Ballisitic-resistantarticleandprocessformakingthesame”的专利技术提到了PBO纤维在防弹耐冲击领域的应用。但是还未有高伸长率PBO纤维及其制备方法的相关报道。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术中聚对苯撑苯并二噁唑纤维断裂伸长率不高的问题，提供一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维，该纤维具有较高断裂伸长率，由此具有更为优异的防弹和耐冲击性能，特别适用于防弹领域，且该纤维适合工业化规模生产。为了实现上述专利技术目的，其具体的技术方案如下：一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维，其特征在于：所述高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维以特性粘数为15-35dL/g的聚对苯撑苯并二噁唑聚合物为原料，并通过干喷湿纺的纺丝方式制备而成；所述高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维的束纱拉伸强度为5.4-5.8GPa，断裂伸长率为3.5-4.5%，拉伸模量为140-180GPa，密度为1.53-1.54g/cm3。纤维的拉伸强度通常有两种：一种指的是单丝（单根纤维）的拉伸强度，另一种是束纱（或复丝）的拉伸强度。顾名思义，束纱指的是一束纤维，也就是从多个喷丝孔出来的一束纤维。一般由于单丝之间存在差异，以及测试时单丝之间断裂不一致，束纱的拉伸强度低于单丝的拉伸强度。在纤维的工业应用方面，较多使用束纱拉伸强度，科学研究中多使用单丝的拉伸强度。本专利技术中所指的纤维拉伸强度均指束纱的拉伸强度。本专利技术优选的，所述聚对苯撑苯并二噁唑聚合物原料的特性粘数为25-32dL/g。一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法，其特征在于：包括聚对苯撑苯并二噁唑聚合物的合成和干喷湿纺纺丝步骤，在纺丝过程中，纺丝速度为40-200m/min，喷丝孔的直径为0.10-0.25mm，导向辊与牵伸机速度比值为1.01-1.05:1，牵伸和洗涤之间的张力≤500cN，洗涤工序中的多级转筒辊之间的张力≤300cN。本专利技术优选的，所述聚对苯撑苯并二噁唑聚合物的合成具体步骤如下：A、预聚合准备对苯二甲酸（PTA）、4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐（DAR）、多聚磷酸（PPA）和五氧化二磷（P2O5）；其中：对苯二甲酸与4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐的摩尔比为1.0-1.02；将上述物料投入干燥的脱气釜中，50-110℃的温度条件下脱气反应10-15h；然后在脱泡釜中120-150℃下反应1-5h，得到固含量为10-15%的PBO预聚物；B、后聚合通过计量泵将步骤A中得到的PBO预聚物输送至双螺杆挤出反应机中，在150-200℃下进行后聚合反应，物料在螺杆挤出反应机中的停留时间为5-30min，得到溶于多聚磷酸/五氧化二磷溶剂体系，且特性粘数为15-35dL/g的PBO聚合物。本专利技术优选的，所述干喷湿纺纺丝包括凝固、萃取、水洗、碱洗、中和、干燥、上油和卷绕步骤。所述干喷湿纺纺丝的具体步骤如下：将溶于多聚磷酸/五氧化二磷溶剂体系的PBO聚合物直接作为纺丝原液，经过滤后由计量泵计量，从喷丝板上的喷丝孔喷出；喷丝板的孔数大于100孔，其孔径为0.10-0.25mm，出喷丝孔后经过8-20mm的空气层，进入凝固浴，凝固浴为磷酸水溶液，此时丝束中的大部分多聚磷酸已经水解被萃取，成为含有磷酸的湿纱，湿纱经过导向辊去往多级转筒辊的牵伸机，控制丝束的牵伸比在15-30之间；之后湿纱进入使用多级转筒辊的洗涤工序，进一步除去残存的磷酸，然后经过热辊干燥机干燥，得到干纱，干纱上油后用卷绕机收卷，卷绕速度为40-200m/min，导向辊与牵伸机速度比值为1.01-1.05:1，牵伸和洗涤之间的张力≤500cN，洗涤工序中的多级转筒辊之间的张力≤300cN。本专利技术优选的，在干喷湿纺纺丝步骤中，所述凝固浴为质量浓度为0-20%的磷酸水溶液。本专利技术优选的，在干喷湿纺纺丝步骤中，所述凝固浴的温度为10-30℃。本专利技术优选的，在干喷湿纺纺丝步骤中，所述热辊干燥机的干燥温度为100-250℃。本专利技术优选的，在干喷湿纺纺丝步骤中，所述牵伸和洗涤之间的张力≤50cN。本专利技术优选的，在干喷湿纺纺丝步骤中，所述洗涤工序中的多级转筒辊之间的张力≤100cN。本专利技术带来的有益技术效果：1、本专利技术通过选用特定特性粘数的PBO聚合物，采用干喷湿纺的纺丝方式制得断裂伸长率为3.5-4.5%，且其他指标同样优异均衡的高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维，该PBO纤维具有更为优异的防弹和耐冲击性能，特别适用于防弹领域，填补了国内空白，且适用于工业化规模生产。2、本专利技术优选的，所述聚对苯撑苯并二噁唑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维，其特征在于：所述高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维以特性粘数为15‑35dL/g的聚对苯撑苯并二噁唑聚合物为原料，并通过干喷湿纺的纺丝方式制备而成；所述高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维的束纱拉伸强度为5.4‑5.8GPa，断裂伸长率为3.5‑4.5%，拉伸模量为140‑180GPa，密度为1.53‑1.54g/cm

【技术特征摘要】
1.一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维，其特征在于：所述高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维以特性粘数为15-35dL/g的聚对苯撑苯并二噁唑聚合物为原料，并通过干喷湿纺的纺丝方式制备而成；所述高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维的束纱拉伸强度为5.4-5.8GPa，断裂伸长率为3.5-4.5%，拉伸模量为140-180GPa，密度为1.53-1.54g/cm3。2.根据权利要求1所述的一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维，其特征在于：所述聚对苯撑苯并二噁唑聚合物原料的特性粘数为25-32dL/g。3.根据权利要求1所述的一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法，其特征在于：包括聚对苯撑苯并二噁唑聚合物的合成和干喷湿纺纺丝步骤，在纺丝过程中，纺丝速度为40-200m/min，喷丝孔的直径为0.10-0.25mm，导向辊与牵伸机速度比值为1.01-1.05:1，牵伸和洗涤之间的张力≤500cN，洗涤工序中的多级转筒辊之间的张力≤300cN。4.根据权利要求3所述的一种高伸长率聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法，其特征在于：所述聚对苯撑苯并二噁唑聚合物的合成具体步骤如下：A、预聚合准备对苯二甲酸、4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐、多聚磷酸和五氧化二磷；其中：对苯二甲酸与4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐的摩尔比为1.0-1.02；将上述物料投入干燥的脱气釜中，50-110℃的温度条件下脱气反应10-15h；然后在脱泡釜中120-150℃下反应1-5h，得到固含量为10-15%的PBO预聚物；B、后聚合通过计量泵将步骤A中得到的PBO预聚物输送至双螺杆挤出反应机中，在150-200℃下进行后聚合反应，物料在螺杆挤出反应机中的停留时间为5-30min，得到溶于多聚磷酸/五氧化二磷溶剂体系，且特性粘数为15-35dL/g...

【专利技术属性】
技术研发人员：许伟，付兴伟，范新年，赵亮，黄治川，
申请(专利权)人：中蓝晨光化工有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51