纤维、单向布、包括该单向布的层压板、管及其应用的制作方法

本发明涉及一种纤维、单向布、包括该单向布的层压板、管及其应用，具体的说是高透明、高强度、高韧性的层压板和管，属于复合材料领域。

背景技术：

聚合物纤维是一种常用的原材料，如聚丙烯纤维，聚酯纤维，尼龙纤维和聚氨酯纤维等。聚合物纤维一般通过熔融纺丝或者溶液纺丝方式制备，通过控制喷丝板的模口形式，可以控制纤维的截面形状。为了制备多功能的纤维材料，可以通过多组分共挤形式形成皮芯结构的纤维，即纤维皮层原料和芯层原料不同。将纤维通过编制可以形成布，制备布的工艺，可以是机械编制，也可以通过在纤维表面涂布一定的胶黏剂，将纤维粘结起来形成单向布。将单向布通过交叉复合，可以形成具有高强度的复合材料。

由于胶黏剂和纤维之间往往相容性不好，造成制备的复合材料性能受限。为了克服现有技术的缺点，我们提供一种新技术用于制备新型纤维及其复合材料。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术的不足，提供一种纤维及其制备方法。

本发明的另一个目的是提供一种上述纤维制备的单向布及其制备方法。

本发明的另一个目的是提供一种含有上述单向布的层压板及其制备方法，所述层压板具有高刚性、高透明性、高强度、高韧性等性能。

本发明的再一个目的是提供一种含有上述纤维制备的管及其制备方法，所述管具有高透明、高韧性、高耐压等性能。

本发明的再一个目的是提供上述单向布、层压板和管的用途。

本发明的再一个目的是提供包括上述单向布、层压板或管的制品。

本发明提供一种皮芯结构的纤维，其直径介于0.5μm-150μm之间；所述芯层和皮层的聚合物种类相同或不同，彼此独立地选自下述聚合物：聚烯烃，聚酰胺，聚氨酯，聚酯，聚甲醛等；所述皮层聚合物的熔点tm1和芯层聚合物的熔点tm2满足下述关系式：

tm2>tm1(1)。

进一步地，所述皮层聚合物的熔点tm1和芯层聚合物的熔点tm2满足下述关系式：

tm2≥tm1+10(1’)。

进一步地，所述皮层聚合物的熔点tm1和芯层聚合物的熔点tm2满足下述关系式：

tm2≥tm1+20(1”)。

进一步地，所述皮层聚合物的熔点tm1和芯层聚合物的熔点tm2满足下述关系式：

tm2≥tm1+30(1”’)。

更进一步地，所述tm1的范围介于30-300℃之间；所述tm2的范围介于60-300℃之间。

更进一步地，所述纤维的直径介于1μm-100μm之间，更优选介于5μm-80μm之间，还更优选介于10μm-60μm之间。

更进一步地，所述皮层质量占到纤维总质量的5-60wt％。优选，5-50wt％。

更进一步地，所述聚烯烃选自c2-20的α-烯烃的均聚物或共聚物，特别地选自聚乙烯；聚丙烯；聚丁烯-1；乙烯共聚物，其共聚单体为丙烯、丁烯、戊烯、己烯或辛烯中的一种或多种；丙烯共聚物，其共聚单体为乙烯、丁烯、戊烯、己烯或辛烯中的一种或多种；或者，丁烯共聚物，其共聚单体为乙烯、丙烯、戊烯、己烯或辛烯中的一种或多种。

更进一步地，所述聚酯为二元酸和二元醇的缩合物，或者内酯的开环聚合物。所述聚酯通过均聚或共聚获得。对于均聚聚酯，只含有一种二元酸和一种二元醇，或者只含有一种内酯；对于共聚聚酯，含有至少两种二元酸或两种二元醇，或者两种内酯。优选地，所述聚酯选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或其共混物。

更进一步地，所述聚酰胺为二元酸和二元胺的缩合物，或者内酰胺的开环聚合物。所述聚酰胺通过均聚或共聚获得。对于均聚聚酰胺，只含有一种二元酸和一种二元胺，或者只含有一种内酰胺；对于共聚聚酰胺，含有至少两种二元酸或两种二元胺，或者两种内酰胺。优选地，所述聚酰胺(pa)选自pa6，pa66，pa45，pa56，pa10，pa1010，pa11或pa12；或者多种二胺、二酸的共聚缩合物，如己二酸、十二烷基二酸、己二胺和十二烷基二胺的共缩聚聚合物。

更进一步地，所述聚甲醛为均聚甲醛或者共聚甲醛，更优选地，为三氧六环的均聚物或者三氧六环、二氧五环以及其他环氧化合物的共聚物。

更进一步地，所述聚氨酯选自二元醇和二异氰酸酯的缩聚产物，如聚酯二元醇、聚醚二元醇、聚碳酸酯二元醇等与二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯等的缩聚产物。

更进一步地，所述纤维的芯层和皮层具有很好的相容性，最优选为同种类聚合物。

本发明还提供一种单向布，由上述一种纤维或多种纤维制备而成。

进一步地，所述单向布通过下述方法制备：将所述纤维进行单向排列，在热压作用下形成所述单向布，其中控制热压温度低于tm2。

本发明中，由于所述热压温度低于tm2，热压时，纤维皮层出现融化，而芯层还未融化，在压力作用下，纤维皮层之间互相融化并粘结。

本发明还提供一种层压板，其通过至少两层的上述单向布依次叠合后热压制得。

进一步地，所述层压板通过2-2000层(例如2-100层，或者5-50层，或者10-20层)的单向布依次叠合后热压制得。

更进一步地，所述相邻的两个单向布的叠合的角度α满足下式：0≤α≤90°，所述角度α是指两个单向布的经度方向之间的夹角。

更进一步地，所述热压温度低于tm2。本发明中，由于所述热压温度低于tm2，热压时，纤维皮层出现融化，而芯层还未融化，在压力作用下，单向布之间的纤维皮层互相融化并粘结。优选地，所述热压温度约等于所述tm1。该温度为皮层聚合物的起始融化温度，即在热压压力条件下，皮层可以相互融合。

更进一步地，所述热压的压力为0.5mpa～30mpa。

更进一步地，所述层压板的厚度介于100μm～200mm之间，优选介于2mm～50mm之间。

本发明还提供一种管，其通过上述皮芯结构的纤维在圆柱形模具上连续缠绕后通过热压制得。

更进一步地，所述热压温度低于tm2。本发明中，由于所述热压温度低于tm2，热压时，纤维皮层出现融化，而芯层还未融化，在压力作用下，纤维皮层互相融化并粘结。优选地，所述热压温度约等于所述tm1；该温度为皮层聚合物的起始融化温度，即在热压压力条件下，皮层可以相互融合。

更进一步地，所述热压的压力为0.5mpa～30mpa。

更进一步地，所述管材的管壁厚度介于100μm～200mm之间，优选介于2mm～50mm之间。

本发明还提供上述皮芯结构的纤维的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将所述的熔点为tm1的皮层聚合物和熔点为tm2的芯层聚合物分别注入带有加热装置的单螺杆挤出机中进行熔融塑化，对应的螺杆塑化段温度分别为tp1和tp2，其中：tm1+30 ≤tp1≤tm1+50，tm1+50≤tp2≤tm1+90；

(2)将步骤(1)中所形成的熔体经过双组分纺丝组件和喷丝板吐出成丝条；

(3)纺丝和热定型，得到所述皮芯结构的纤维。

优选地，步骤(2)中，将步骤(1)中所形成的熔体分别经过齿轮泵精确计量，控制皮层聚合物和芯层聚合物的体积比为1/9～9/1，再经过双组分纺丝组件和喷丝板吐出成丝条。

优选地，步骤(3)中，将步骤(2)中吐出的丝条经集束、上油后在500～2500m/min的速度下卷绕，得到预取向丝，然后进行牵伸和热定型，得到所述皮芯结构的纤维，为单丝线密度为2～12dtex的皮芯复合全取向丝。优选地，所述牵伸温度和热定型温度分别为td和ts，其中：(tg1+tm1)/2≤td≤(tg2+tm2)/2，td≤ts≤(tg2+tm2)/2，tg1和tg2分别为皮层聚合物和芯层聚合物的玻璃化转变温度。进一步优选地，所述牵伸倍率为1.5～4.5倍，热定型倍率为0.9～1.1倍；或者，

将步骤(2)中吐出的丝条经集束、上油后在2500～4500m/min的速度下进行纺丝、热定型、卷绕，得到所述皮芯结构的纤维，为单丝线密度为2～12dtex的皮芯复合全取向丝。优选地，所述热定型温度为ts，(tg1+tm1)/2≤ts≤(tg2+tm2)/2，tg1和tg2分别为皮层聚合物和芯层聚合物的玻璃化转变温度。进一步优选地，所述热定型倍率为0.85～1.15倍。

本发明还提供上述单向布的制备方法，其包括以下步骤：将所述纤维进行单向排列，在热压作用下形成所述单向布。

优选地，控制所述热压的温度低于tm2。

根据本发明，所述制备方法具体包括以下步骤：

将所述皮芯结构的纤维进行单向排列，在纱架上退纱，顺次经过导丝辊、张力辊、分丝器、热辊、冷却区、牵引辊和收卷装置，在热压作用下形成所述单向布，其中控制热压温度低于tm2。

优选地，所述导丝辊、张力辊和牵引辊为五辊或七辊，所述热辊为1对或2对。进一步地，所述热辊的辊面温度(即热压温度)为tr，tm1≤tr<tm2。更进一步地，所述冷却区可采取自然冷却或鼓风冷却。

本发明还提供上述层压板的制备方法，其包括如下步骤：制备单向布；将至少两层所述的单向布依次叠合后热压，制得所述层压板。

进一步地，将2-2000层(例如2-100层，或者5-50层，或者10-20层)的单向布依次叠 合后热压，制得所述层压板。

进一步的，所述热压温度低于tm2。本发明中，由于所述热压温度低于tm2，热压时，纤维皮层出现融化，而芯层还未融化，在压力作用下，单向布之间的纤维皮层互相融化并粘结。优选地，所述热压温度约等于所述tm1。该温度为皮层聚合物的起始融化温度，即在热压压力条件下，皮层可以相互融合。热压的压力为0.5mpa～30mpa。

进一步地，单向布按照上述单向布的方法制备。

更进一步地，所述相邻的两个单向布的叠合的角度α满足下式：0≤α≤90°，所述角度α是指两个单向布的经度方向之间的夹角。

本发明还提供上述管的制备方法，其包括如下步骤：将上述的皮芯结构的纤维在圆柱形模具上连续缠绕后通过热压制得。

进一步地，所述热压温度低于tm2。本发明中，由于所述热压温度低于tm2，热压时，纤维皮层出现融化，而芯层还未融化，在压力作用下，纤维皮层互相融化并粘结。优选地，所述热压温度约等于所述tm1。该温度为皮层聚合物的起始融化温度，即在热压压力条件下，皮层可以相互融合。热压的压力为0.5mpa～30mpa。

本发明还提供上述单向布、层压板或管的用途，其用于托盘、箱体、建筑、交通工具等领域，用于作为受力部件或者装饰部件。

本发明还提供一种制品，其由本发明的层压板制备得到。具体而言，其是将本发明的层压板，经过进一步加工，如吸塑工艺，制备成容器或其他部件，如冰箱面板、容器、汽车保险杠或汽车内外饰件等。

本发明的有益效果是：

1、本发明的皮芯结构的纤维，即所述皮芯复合全取向丝，其强度为300～600mpa，断裂伸长率为15～30％。

2、本发明的层压板的拉伸强度高，透明度高，刚性大，韧性好，特别适用于托盘、箱体、建筑、交通工具等领域，用于作为受力部件或者装饰部件(如冰箱面板、容器、汽车保险杠或汽车内外饰件等)。

3、本发明的管的透明度高、韧性高且耐压性能极好，适合于建筑、交通工具等领域。

附图说明：

图1本发明的纤维的横截面的结构示意图

图2本发明的一种层压板中的α＝90°的结构示意图

图3本发明的另一种层压板中的0<α<90°的结构示意图

图4本发明的皮芯结构的纤维截面照片：(a)预取向丝(纺丝速度：500m/min)；(b)全取向丝(牵伸倍率：2.8倍)

1纤维；2皮层；3芯层。

具体实施方式

本发明中的温度，若无特殊说明，均是指摄氏度(℃)。

[聚合物]

本发明的皮层或芯层的聚合物选自：聚烯烃、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚甲醛等。

所述聚烯烃选自c2-20的α-烯烃的均聚物或共聚物，特别的选自聚乙烯；聚丙烯；聚丁烯-1；乙烯共聚物，其共聚单体为丙烯、丁烯、戊烯、己烯或辛烯中的一种或多种；丙烯共聚物，其共聚单体为乙烯、丁烯、戊烯、己烯或辛烯中的一种或多种；或者，丁烯共聚物，其共聚单体为乙烯、丙烯、戊烯、己烯或辛烯中的一种或多种。

更进一步地，所述聚酯为二元酸和二元醇的缩合物，或者内酯的开环聚合物。所述聚酯通过均聚或共聚获得。对于均聚聚酯，只含有一种二元酸和一种二元醇，或者只含有一种内酯；对于共聚聚酯，含有至少两种二元酸或两种二元醇，或者两种内酯。优选地，所述聚酯选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或其共混物。

更进一步地，所述聚酰胺为二元酸和二元胺的缩合物，或者内酰胺的开环聚合物。所述聚酰胺通过均聚或共聚获得。对于均聚聚酰胺，只含有一种二元酸和一种二元胺，或者只含有一种内酰胺；对于共聚聚酰胺，含有至少两种二元酸或两种二元胺，或者两种内酰胺。优选地，所述聚酰胺(pa)选自pa6，pa66，pa45，pa56，pa10，pa1010，pa11或pa12；或者多种二胺、二酸的共聚缩合物，如己二酸、十二烷基二酸、己二胺和十二烷基二胺的共缩聚聚合物。

更进一步地，所述聚甲醛为均聚甲醛或共聚甲醛，优选为三氧六环的均聚物或者三氧六环和二氧五环及其他环氧化合物的共聚物。

更进一步地，所述聚氨酯选自二元醇和二异氰酸酯的缩聚产物，如聚酯二元醇、聚醚二元醇、聚碳酸酯二元醇等与二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯等的缩聚产物。

更进一步地，所述纤维的芯层和皮层具有很好的相容性，最好为同种类聚合物。

上述聚合物的熔融指数为0.5-10g/10min，优选1-8g/10min。

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。

实施例1(具有皮芯结构的纤维的制备)

皮层聚合物为含有乙烯和丁烯的丙烯共聚物，熔融指数为2.8g/10min，其熔点tm1(dsc测定)为134℃。

芯层聚合物为丙烯均聚物，熔融指数为2.8g/10min，其熔点tm2(dsc测定)为163℃。

(1)将所述的皮层聚合物和芯层聚合物分别注入带有加热装置的单螺杆挤出机中进行熔融塑化，对应的螺杆塑化段温度分别为tp1和tp2，其中：tm1+30≤tp1≤tm1+50，tm1+50≤tp2≤tm1+90；

(2)将步骤(1)中所形成的熔体分别经过齿轮泵精确计量，控制皮层聚合物和芯层聚合物的体积比为1/9～9/1，再经过双组分纺丝组件和喷丝板吐出成丝条；

(3)将步骤(2)中吐出的丝条经集束、上油后在500～2500m/min的速度下卷绕，得到预取向丝，然后进行牵伸和热定型，得到所述皮芯结构的纤维，为单丝线密度为2～12dtex的皮芯复合全取向丝；其中，所述牵伸温度和热定型温度分别为td和ts，其中：(tg1+tm1)/2≤td≤(tg2+tm2)/2，td≤ts≤(tg2+tm2)/2，tg1和tg2分别为皮层聚合物和芯层聚合物的玻璃化转变温度；其次，所述牵伸倍率为1.5～4.5倍，热定型倍率为0.9～1.1倍。

实施例2(具有皮芯结构的纤维的制备)

步骤(1)和(2)同实施例1，步骤(3)替换为：

将步骤(2)中吐出的丝条经集束、上油后在2500～4500m/min的速度下进行纺丝、热定型、卷绕，得到所述皮芯结构的纤维，为单丝线密度为2～12dtex的皮芯复合全取向丝；其中，所述热定型温度为ts，(tg1+tm1)/2≤ts≤(tg2+tm2)/2，tg1和tg2分别为皮层聚合物和芯层聚合物的玻璃化转变温度；其次，所述热定型倍率为0.85～1.15倍。

实施例3(具有皮芯结构的纤维的制备)

步骤同实施例1，只是皮层聚合物和芯层聚合物分别替换为：

皮层聚合物：聚酰胺，熔融指数为2.8g/10min，其熔点tm1(dsc测定)为130℃；

芯层聚合物：聚酰胺，熔融指数为2.8g/10min，其熔点tm2(dsc测定)为154℃。

实施例4(具有皮芯结构的纤维的制备)

步骤同实施例2，只是皮层聚合物和芯层聚合物分别替换为：

皮层聚合物：聚酰胺，熔融指数为2.8g/10min，其熔点tm1(dsc测定)为130℃；

芯层聚合物：聚酰胺，熔融指数为2.8g/10min，其熔点tm2(dsc测定)为154℃。

实施例1-4制备的纤维的强度为300～600mpa，断裂伸长率为15～30％。

实施例5(单向布的制备)

将实施例1中制备的皮芯结构的纤维进行单向排列，在纱架上退纱，顺次经过导丝辊、张力辊、分丝器、热辊、冷却区、牵引辊和收卷装置，在热压作用下形成所述单向布；其中，所述导丝辊、张力辊和牵引辊为五辊或七辊，所述热辊为1对或2对；所述热辊的辊面温度(即热压温度)为tr，tm1≤tr<tm2；所述冷却区可采取自然冷却或鼓风冷却。

实施例6-8(单向布的制备)

步骤同实施例5，只是分别用实施例2-4的纤维替换所述纤维。

实施例9(层压板的制备)

采用实施例5-8中的单向布通过热压加工出层压板，每两层布之间的纤维呈90℃交叉，结果列于表1中。

表1实施例9中的层压板的组成和加工方法

实施例10(管的制备)

采用实施例1中的纤维在圆柱形模具上连续缠绕，通过热压(10mpa，130℃)加工制备出管，制备的管最大承受的静压力为300mpa。

实施例11(管的制备)

采用实施例3中的纤维在圆柱形模具上连续缠绕，通过热压(10mpa，130℃)加工制备出管，制备的管最大承受的静压力为360mpa。