一種含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維的制備方法及其制備的聚合物復(fù)合纖維的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種聚合物纖維的制備方法，進一步講，是涉及一種通過將金屬粉末與聚合物熔融共混后拉伸成纖而原位制備含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維的方法及其所制備的聚合物復(fù)合纖維。
【背景技術(shù)】
[0002]相較天然纖維，合成纖維具有價格低廉，密度低和吸濕率低等特性，廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)生活的紡織服裝類、編織袋等領(lǐng)域。但是合成纖維的電絕緣性能好，電阻率高，在使用過程中易產(chǎn)生靜電，對工業(yè)生產(chǎn)和人民生活都會帶來危害。并且隨著高科技的發(fā)展，由于靜電以及靜電吸附塵埃是導(dǎo)致現(xiàn)代電子設(shè)備運轉(zhuǎn)故障、電路短路、信號丟失、誤碼、成品率低的直接原因之一。在石油、化工、精密機械、煤礦、食品、醫(yī)藥等行業(yè)均對靜電的防護有特殊的要求。因此，開發(fā)具有優(yōu)越電性能的纖維從而減少靜電帶來的危害成為十分迫切的課題。
[0003]碳納米管是有碳六元環(huán)組成的類似卷曲石墨的納米級管狀結(jié)構(gòu)。由于碳納米管具有優(yōu)異的電學和力學性能，因此被廣泛用于聚合物基復(fù)合材料或復(fù)合纖維領(lǐng)域。但是由于納米粒子自身的高表面能導(dǎo)致碳納米管具有嚴重的團聚效應(yīng)，從而增加了納米粒子的填充量和成本。同時，大量的納米粒子填充給纖維的生產(chǎn)也造成了困難。如何降低碳納米管用量，減少生產(chǎn)困難是亟待解決的問題。
[0004]采用復(fù)合導(dǎo)電導(dǎo)電填料技術(shù)加入第三組分是有效提高纖維導(dǎo)電效率，降低碳納米管含量的有效方法。專利CN102409421A公開了一種制備聚丙烯/納米二氧化錫/碳納米管復(fù)合纖維的制備方法。該技術(shù)雖然降低了復(fù)合纖維的電阻率，但是加入的第三組分同樣為納米粒子，增加了加工原料的難度，纖維表面粗糙，手感差，力學性能下降，生產(chǎn)中容易斷絲等現(xiàn)象。
[0005]近年來，國內(nèi)外聚合物/低熔點金屬復(fù)合材料領(lǐng)域出現(xiàn)新的發(fā)展。低熔點金屬以高電導(dǎo)率、易加工等特性作為一個新的導(dǎo)電填料被廣泛應(yīng)用于聚合物的復(fù)合材料領(lǐng)域。專利CN102021671A公開了一種聚合物/低熔點金屬復(fù)合導(dǎo)線及其制造方法，同時專利CN102140707A公開了一種皮芯復(fù)合電磁屏蔽纖維及其制備方法。上述兩項技術(shù)利用皮芯復(fù)合技術(shù)制備聚合物包覆低熔點金屬導(dǎo)線或纖維的方法。但是該技術(shù)中需要特殊的復(fù)合紡絲機，且作為纖維的芯層金屬比重加大，雖然保證了纖維較低電阻率，但是需要大量添加金屬,增加了生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]為了能夠以簡便和低成本的方法制備含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維，提出本發(fā)明。
[0007]本發(fā)明的目的提供一種含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維的制備方法。
[0008]本發(fā)明的制備方法是將金屬粉末與熱塑性聚合物樹脂中進行熔融共混，所得共混物熔體通過擠出機擠出經(jīng)過擠出機口模時直接進行縱向拉伸，得到聚合物復(fù)合纖維。在熔融共混過程以及通過擠出機口模形成聚合物復(fù)合纖維的拉伸過程中，由于聚合物樹脂和金屬之間的作用等因素使得金屬粉末不斷地被破碎而原位形成粒徑更小的超細金屬顆粒。由此所得到的聚合物復(fù)合纖維的微觀形態(tài)為超細金屬顆粒作為分散相均勻分布在復(fù)合纖維的聚合物基體中。從而形成含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維。
[0009]本發(fā)明的含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維的制備方法具有良好的適用性和較低的設(shè)備成本。在制備過程中，通過對金屬粉末粒徑的選擇和聚合物種類和成纖工藝的調(diào)節(jié)，使所制得的復(fù)合纖維的分散相超細金屬顆粒的直徑可調(diào)，甚至可以通過選擇合適的金屬粉末粒徑和合適的制備條件，制備出直徑在納米級的超細金屬顆粒分散相，從而使所制備的復(fù)合纖維具有優(yōu)異的性能。
[0010]具體來講，本發(fā)明的含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維的制備方法為:
[0011]將金屬粉末與熱塑性聚合物樹脂進行熔融共混，所得共混物熔體通過擠出機擠出；從擠出機口模擠出時對共混物熔體直接進行縱向拉伸，得到含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維；所述擠出機口模的溫度不低于所述熱塑性聚合物樹脂熔點或軟化溫度，同時不低于金屬粉末的熔點。擠出機口模溫度高于聚合物熔點或軟化溫度和金屬熔點時，當共混物熔體經(jīng)過口模拉伸時，可使金屬在聚合物的存在下容易被破碎。此處所述的熱塑性聚合物熔點或軟化溫度，是指聚合物受熱開始熔融或軟化的溫度，對于結(jié)晶熱塑性聚合物來講，此溫度稱為熱塑性聚合物熔點，對于非結(jié)晶熱塑性聚合物來講此溫度就叫熱塑性聚合物軟化溫度。
[0012]進一步地，對本發(fā)明的含超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維制備方法詳述如下:
[0013]有關(guān)本發(fā)明所述步驟一:
[0014]其中金屬粉末與熱塑性聚合物樹脂進行熔融共混時，按照熱塑性聚合物樹脂和金屬粉末總的體積份數(shù)計算，其中所述的金屬粉末的體積份數(shù)優(yōu)選小于或等于10%vol，更優(yōu)選小于或等于5%vol，最優(yōu)選小于或等于3%vol。
[0015]所述制備方法中的熱塑性聚合物樹脂沒有任何限制，可以為現(xiàn)有技術(shù)中各種熱塑性聚合物樹脂，優(yōu)選為熱塑性乙烯聚合物樹脂、熱塑性乙烯聚合物樹脂改性產(chǎn)物中的至少一種。其中所述的熱塑性乙烯聚合物樹脂可以為現(xiàn)有技術(shù)中各種熱塑性乙烯聚合物樹脂，優(yōu)選為乙烯的均聚物(乙烯均聚物)、乙烯和其他烯烴的共聚物(乙烯共聚物)中的至少一種。其中熱塑性乙烯聚合物樹脂改性產(chǎn)物指現(xiàn)有技術(shù)中已有的各種熱塑性乙烯聚合物樹脂的化學改性產(chǎn)物和物理改性產(chǎn)物，其中化學改性指改性劑與乙烯聚合物樹脂分子發(fā)生化學反應(yīng)，使其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，例如包括接枝改性等；物理改性是指在不改變乙烯聚合物樹脂分子的化學結(jié)構(gòu)，乙烯聚合物樹脂分子本身不發(fā)生化學反應(yīng)的情況下，通過物理的方法對乙烯聚合物樹脂進行改性，包括填充改性、增強改性和共混改性等。據(jù)此，本發(fā)明中的熱塑性乙烯聚合物樹脂更優(yōu)選為乙烯均聚物、乙烯共聚物、乙烯均聚物的接枝物、乙烯共聚物的接枝物中的至少一種。其中的乙烯均聚物的接枝物、乙烯共聚物的接枝物沒有任何限制，可以為現(xiàn)有技術(shù)中的已有的任何乙烯均聚物和/或乙烯共聚物在任何接枝技術(shù)、任何單體、任何接枝率條件下得到的接枝產(chǎn)物。
[0016]其中所述金屬粉末的金屬為熔點在55?500°C的單組分金屬和金屬合金中的至少一種，其熔點優(yōu)選為90?350°C，更優(yōu)選為100?300°C，最優(yōu)選為120?250°C。其中所述的金屬的熔點既可高于所述聚合物熔點或軟化溫度也可低于或等于所述聚合物熔點或軟化溫度。
[0017]以上所述單組分金屬優(yōu)選為鎵、銫、銣、銦、錫、鉍、鎘、鉛元素的單質(zhì)金屬；所述金屬合金優(yōu)選為鎵、銫、銣、銦、錫、鉍、鎘、鉛元素中兩種以上的金屬合金，或者為鎵、銫、銣、銦、錫、鉍、鎘、鉛元素中的至少一種與銅、銀、金、鐵或鋅元素中的至少一種的金屬合金，或者為鎵、銫、銣、銦、錫、秘、鎘、鉛元素中的至少一種與銅、銀、金、鐵或鋅元素中的至少一種與硅元素和/或碳元素形成的合金。
[0018]金屬粉末的粒徑?jīng)]有限制，粒徑越小，根據(jù)本發(fā)明的制備方法所制備的復(fù)合纖維中所含超細金屬顆粒的粒徑就越小。優(yōu)選微米級的金屬粉末，其粉末粒徑小于或等于500 μ m,更優(yōu)選小于或等于200 μ m,更優(yōu)選小于或等于100 μ m,更優(yōu)選小于或等于80 μ m。
[0019]在本發(fā)明制備方法的中，所述將金屬粉末與熱塑性聚合物樹脂熔融共混時的所使用的設(shè)備沒有任何限制，為塑料和橡膠工業(yè)上熔融共混工藝通常使用的設(shè)備。熔融共混設(shè)備包括擠出機、開煉機、密煉機。所述熔融共混所用設(shè)備優(yōu)選擠出機，即與擠出階段為同一擠出機，將熔融共混和擠出于同一擠出機上完成最為優(yōu)選。如果熔融共混設(shè)備選用開煉機或密煉機，則所得共混物則要采用擠出機進行擠出拉伸。所述擠出機優(yōu)選螺桿擠出機。所述螺桿擠出機包括單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機等。
[0020]在本發(fā)明制備方法中，將金屬粉末與聚合物樹脂熔融共混所采用的方法就是橡塑加工中通常的熔融共混法。其中所述熔融共混的條件滿足通常聚合物樹脂熔融共混的加工條件即可。
[0021]當共混物熔體通過擠出機擠出，經(jīng)過擠出機口模直接進行縱向拉伸從而得到含有超細金屬顆粒的聚合物/金屬復(fù)合纖維時，拉伸比(纖維收卷電機的轉(zhuǎn)速和共混物熔體的擠出速度之比)越大，得到的復(fù)合纖維直徑越細，其中超細金屬顆粒的粒徑也越小，此外還可以防止聚合物熔體中的金屬粉因相互熔接而造成最終復(fù)合纖維所含的金屬顆粒的直徑太大的問題。所以當所述聚合物與金屬粉末的共混物熔體通過擠出機口模直接進行拉伸時，其拉伸比優(yōu)選為20-2000，更優(yōu)選為100-1000，最優(yōu)選為100-500。
[0022]此外，根據(jù)加工需要，可在共混物料中適量加入熱塑性聚合物樹脂加工的常規(guī)助齊U，比如抗氧劑，增塑劑及其它加工助劑等。這些常用的助劑用量為常規(guī)用量，或根據(jù)實際情況的要求來進行適當?shù)恼{(diào)整。在熔融共混過程中可以將所述聚合物樹脂與金屬粉末等各組分通過計量加料等方式同時加入熔融共混設(shè)備中進行熔融共混；也可以先通過通用的物料混合設(shè)備，預(yù)先將所述各個組分混合均勻，然后再經(jīng)過橡塑共混設(shè)備熔融共混。所述的物料混合設(shè)備選自現(xiàn)有技術(shù)中的高速攪拌機，捏合機等機械混合設(shè)備。
[0023]所得到的聚合物復(fù)合纖維的微觀形態(tài)為:在聚合物與金屬粉末在共混過程以及共混物熔體在拉伸紡絲過程中，金屬粉末原位生成的超細金屬顆粒作為分散相向均勻分布在復(fù)合纖維的聚合物基體中。
[0024]另外，所述制備方法中，將金屬粉末與聚合物樹脂熔融共混時，可以是一步共混，比如，將金屬粉末和全部的聚合物樹脂一次熔融共混得到共混物熔體；也可以是分兩步共混，即將一部分聚合物樹脂與金屬粉末先熔融共混，然后再與剩下的聚合物樹脂再次進行熔融共混得到共混物熔體，兩次共混的聚合物樹脂可以是一種，也可以是不同種類。
[0025]本發(fā)明的另一目的是提供一種由以上方法制備的聚合物復(fù)合纖維。
[0026]利用以上本發(fā)明的含有超細金屬顆粒的聚合物復(fù)合纖維制備方法，通過對金屬粉末粒徑的優(yōu)化選擇和聚合物種類和成纖過程技術(shù)參數(shù)的調(diào)節(jié)，使所制得復(fù)合纖維中含有的超細金屬顆粒的粒徑可調(diào)