[发明专利]一种高浓度聚氨酯脲纺丝溶液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚氨酯脲溶液的制备技术方法，特别涉及一种高浓度聚氨酯脲纺丝溶液的制备方法。

背景技术

聚氨酯脲纤维(简称“氨纶”)因其良好的弹性广泛地应用于高档服装、运动衫裤、内衣、袜子、泳衣等纺织品领域。穿着含氨纶的服饰不仅可以带来良好的舒适感，而且可突显完美的修身效果，因此氨纶在面料中的用量比重越来越大，其市场需求量逐年增加，这也促使各个生产厂家不断增加氨纶的产能及提高氨纶的生产效率。但是跟其他化纤相比，氨纶的生产效率往往不高。普通干纺氨纶的纺丝速度往往在700～900m/min之间，仅仅是涤纶纺丝速度的三分之一左右。限制干纺氨纶纺丝速度提高的主要原因是溶剂挥发速度有限。干法纺丝是将聚合物浓溶液经高温甬道脱除溶剂得到纤维的一个过程。溶剂蒸发速率是有限的，如果大幅度增加纺丝速度将会减少聚合物溶液在甬道内的停留时间，导致溶剂无法充分挥发，这不仅使纤维的结构与性能发生巨大的变化，其内部过多的残留溶剂也会对人体健康造成损害。解决高速纺丝条件下溶剂难挥发易残留的最直接方法就是减少溶剂用量，增加聚合物溶液浓度。但是早期的研究报告表明，普通的聚氨酯脲在极性溶剂中的溶解浓度上限为37％，浓度超过37％的聚氨酯脲溶液性质变得不稳定，极易在后续的搅拌或存放过程发生聚合物从溶剂中析出形成凝胶颗粒，造成纺丝过程不稳定、纤维品质差等问题。因此，如何提高聚氨酯脲的溶解性以制备高浓度纺丝溶液一直是氨纶研究过程中的难点。

普通的聚氨酯脲在高浓度体系中性质不稳定原因是由于分子链之间强氢键作用以及高度缠结的结构形态导致的。为了弱化分子链间的氢键作用，提高聚氨酯脲在溶剂中的溶解性，研究人员使用了一些非对称的二异氰酸酯作为氨纶生产原料。专利200810003050.X采用少量的非对称性的2，4’-MDI部分代替的4，4’－MDI制备聚氨酯脲，其纺丝溶液的浓度可以达到45wt％。专利201310703614.1使用2～8％间-四甲基苯二甲基二异氰酸酯(间-TMXDI)与普通的4，4’-MDI一同作为聚氨酯脲的“硬段”成分，利用不对称异氰酸酯的结构特性及其自带侧甲基的位阻效应，弱化分子链之间的氢键作用，从而使聚合物的溶解能力提高，其制备的聚氨酯脲纺丝溶液质量浓度可达到40-45wt％，满足高速纺丝的工艺要求。但至今为至，没有相关的专利技术是通过变改聚氨酯脲直链型易缠结的结构形态以增加其溶解性的。

高分子材料链结构形态(包括直链型或支链型)对其流动性能影响很大，其直观表现就是影响粘度的大小。在分子量相同的情况下，带有支链结构的星型或梳子型高分子聚合物比长直链型的聚合物粘度更低。这是因为支链型聚合物的分子回旋半径要小于长直链型聚合物的，所以前者分子间距大，分子间相互作用力相对较弱，在高速剪切过程中链段不易严重地缠结在一起。但是，支链型聚合物的支链分子量及长短尺寸必须控制在一定的范围内，如果支链分子量过大、尺寸过长，那么支链本身就会发生缠结现象，支链型聚合物的流动性将变得太差。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种高浓度聚氨酯脲纺丝溶液及其制备方法。此技术通过新型扩链剂聚醚胺的使用，将聚氨酯脲原本直链型的分子结构形态转变为支链型，将聚合物分子链间原本高度缠结的结构形式转变为堆叠相对规整的排布方式；有效减轻扩链反应过程中因分子量增加或分子缠结增多造成的体系粘度剧增，解决了聚合物浓溶液在高速长时间搅拌过程中聚合物难溶解易析出聚集成凝胶造成粘度波动的问题，同时解决了大幅度提高纺速后纺丝过程不稳定，纤维易“并丝”、“断丝”，纤维内部溶剂残留过多等技术难题。

技术方案：本发明就是通过将聚氨酯脲直链型的分子结构转变为支链型，制备高浓度的适合高速纺丝的聚氨酯脲溶液。该聚氨酯脲的分子结构为支链型，聚氨酯脲的质量浓度为48～55wt％，用于1200～1600m/min高速干法纺丝。

本发明制备的高浓度聚氨酯脲纺丝溶液是先将聚醚二醇与二异氰酸酯一同溶于有机溶剂进行预聚合反应；再通过“二步扩链法”对预聚合产物进行链增长以及分子链结构形成的控制。其中的第一步扩链反应是使用小分子二元胺将预聚物连接成分子尺寸合适的链段，第二步扩链反应是使用聚醚胺将各个链段组装成具有支化结构的分子整链。

本发明制备的高浓度聚氨酯脲纺丝溶液过程具体包括以下几个步骤：

1)预聚合反应：将聚四亚甲基醚二醇PTMG与4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯MDI混合，在50～80℃下进行1～3小时的预聚合反应。反应完成后，使用有机溶剂将预聚物溶解稀释，冷却至5～30℃，得到异氰酸酯基团-NCO封端预聚合产物；