[发明专利]一种改性聚氨酯纤维材料及其纳米改性与着色方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改性聚氨酯纤维材料，具体涉及由过渡金属氧化物纳米材料改性的聚氨酯纤维材料及其制备方法。

背景技术

聚氨酯是一种既具有塑料的高硬度又具有橡胶高弹性的高分子合成材料。聚氨酯纤维材料(商品名为氨纶，简称PU)具有独特的软硬段链接结构和氢键作用，是弹性纤维中开发技术最为成熟的品种，常温下聚氨酯纤维具有比重轻、弹性回复率好、断裂强度高等优点。随着氨纶使用和应用范围的逐渐变广，对氨纶丝的力学性能要求越来越高，特别是对于宇航服、滑翔伞、绳索、滤布等特殊用途的使用，普通氨纶丝很难达到要求。近年来，研究者采用有机硅、丙烯酸树脂、环氧树脂、天然产物以及与塑料共混和短纤维填充等方法对其进行改性，还有使用稀土元素、蒙脱土、凹凸棒土、碳酸钙、氧化硅等纳米材料来改性聚氨酯纤维。其方法有接枝共聚、嵌段共聚等化学方法，也有共混、充填等物理方法。如国内文献报道了纳米氧化锌和二氧化钛等纳米材料作为增强剂和紫外线吸收剂对聚氨酯纤维改性研究取得的重要进展，但这些改性方法存在成本太高或效果不佳的缺点。

成纤聚合物需要着色或染色工艺赋予纤维多彩性。成纤聚合物的着色又称纺前着色，是在化学纤维生产过程中掺入适当的颜料或染料，直接制成有色纤维的方法，主要是物理过程。而染色与着色不同，染色会引起纤维表面分子结构的改变，其过程主要属于化学变化。另外长时间的高温染色定型，会降低纤维的力学性能，严重影响纤维的质量。化学纤维着色与常规染色相比优点是：着色、纺丝可以连续进行；着色均匀，色牢度好；颜料(染料)利用率高；生产周期短、成本低。因此着色法生产有色化学纤维的比例逐年增加。氨纶传统着色使用的色素通常是低分子量的染料或颜料。着色剂的耐热性和分散性不够，不少染料和颜料对光的稳定性也差，影响了相关产品的耐用性和外观。因此近期不少学者开发色耐牢度和耐热性更好的无机纳米着色剂。但由于这些纳米无机着色剂色谱不全和使用工艺较复杂使得色谱调节不及常规染色法灵活。因此，开发高性能的着色剂以及加强对成纤聚合物的着色工艺技术研究就显得尤为迫切。由于纤维纳米改性和着色所要达到的技术目标不同，所以传统工艺对改性剂和着色剂会分别选择不同的材料，工艺步骤也是分开进行的，目前在氨纶中既能作为纳米改性剂又能作为着色剂并协同发挥作用的材料和方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种改性聚氨酯纤维材料及其纳米改性与着色方法，采用过渡金属氧化物纳米材料来改性聚氨酯材料并利用纳米材料自身颜色，通过单用或复配来给纤维着色，该纳米材料既是改性剂又是着色剂。本发明制造的聚氨酯纤维不仅具有较高的力学性能，同时具有牢固的色彩。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种改性聚氨酯纤维材料的改性与着色方法，该方法包括如下步骤：

a.配置改性着色溶液：将核壳结构过渡金属氧化物纳米材料加入到N，N-二甲基乙酰胺的溶剂中，并加入相增容剂，配制改性着色溶液；其中，该核壳结构过渡金属氧化物纳米材料的内核为过渡金属氧化物粒子，粒径为20-80nm；外壳为表面修饰剂或称表面改性剂，厚度为3-10nm；

b.制备聚合溶液：将步骤a制备的改性着色溶液加入到正丁醇、聚四氢呋喃醚二醇和N，N-二甲基乙酰胺的混合溶液中，并高速搅拌分散形成稳定均匀的溶液；随后加入4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯，控制在35～55℃温度下聚合反应90～120min，得到聚合溶液；

c.进行嵌段聚合扩链反应：在60-120min内将含有胺类扩链剂和胺类反应控制剂的N，N-二甲基乙酰胺溶液加入到上述聚合溶液中，得到聚氨酯溶液；

d.纺丝溶液色度匹配：向步骤c制备的聚氨酯溶液中加入抗氧化剂、润滑疏解剂；参照色板，通过调节核壳结构过渡金属氧化物纳米材料在溶液中的含量来提高或降低色浓度，最终得到浓度为28％～35％的聚氨酯纺丝原液；

e.纺丝：将步骤d制备的聚氨酯纺丝原液经熟化、过滤、脱气后，干法纺丝得到各种颜色的聚氨酯纤维材料。

如上所述的改性与着色方法，优选地，所述步骤a中的过渡金属氧化物为氧化铁、氧化钴、氧化钛和/或氧化铜，所述核壳结构过渡金属氧化物纳米材料在所述改性着色溶液中的浓度为15-20wt％。

如上所述的改性与着色方法，优选地，所述步骤a中的相增容剂为甲醇、乙醇或正丙醇，其在N，N-二甲基乙酰胺溶剂中的浓度小于6wt％。