本發明涉及一種纖維、單向布、包括該單向布的層壓板、管及其應用，具體的說是高透明、高強度、高韌性的層壓板和管，屬于復合材料領域。

背景技術：

聚合物纖維是一種常用的原材料，如聚丙烯纖維，聚酯纖維，尼龍纖維和聚氨酯纖維等。聚合物纖維一般通過熔融紡絲或者溶液紡絲方式制備，通過控制噴絲板的模口形式，可以控制纖維的截面形狀。為了制備多功能的纖維材料，可以通過多組分共擠形式形成皮芯結構的纖維，即纖維皮層原料和芯層原料不同。將纖維通過編制可以形成布，制備布的工藝，可以是機械編制，也可以通過在纖維表面涂布一定的膠黏劑，將纖維粘結起來形成單向布。將單向布通過交叉復合，可以形成具有高強度的復合材料。

由于膠黏劑和纖維之間往往相容性不好，造成制備的復合材料性能受限。為了克服現有技術的缺點，我們提供一種新技術用于制備新型纖維及其復合材料。

技術實現要素：

本發明為克服現有技術的不足，提供一種纖維及其制備方法。

本發明的另一個目的是提供一種上述纖維制備的單向布及其制備方法。

本發明的另一個目的是提供一種含有上述單向布的層壓板及其制備方法，所述層壓板具有高剛性、高透明性、高強度、高韌性等性能。

本發明的再一個目的是提供一種含有上述纖維制備的管及其制備方法，所述管具有高透明、高韌性、高耐壓等性能。

本發明的再一個目的是提供上述單向布、層壓板和管的用途。

本發明的再一個目的是提供包括上述單向布、層壓板或管的制品。

本發明提供一種皮芯結構的纖維，其直徑介于0.5μm-150μm之間；所述芯層和皮層的聚合物種類相同或不同，彼此獨立地選自下述聚合物：聚烯烴，聚酰胺，聚氨酯，聚酯，聚甲醛等；所述皮層聚合物的熔點tm1和芯層聚合物的熔點tm2滿足下述關系式：

tm2>tm1(1)。

進一步地，所述皮層聚合物的熔點tm1和芯層聚合物的熔點tm2滿足下述關系式：

tm2≥tm1+10(1’)。

進一步地，所述皮層聚合物的熔點tm1和芯層聚合物的熔點tm2滿足下述關系式：

tm2≥tm1+20(1”)。

進一步地，所述皮層聚合物的熔點tm1和芯層聚合物的熔點tm2滿足下述關系式：

tm2≥tm1+30(1”’)。

更進一步地，所述tm1的范圍介于30-300℃之間；所述tm2的范圍介于60-300℃之間。

更進一步地，所述纖維的直徑介于1μm-100μm之間，更優選介于5μm-80μm之間，還更優選介于10μm-60μm之間。

更進一步地，所述皮層質量占到纖維總質量的5-60wt％。優選，5-50wt％。

更進一步地，所述聚烯烴選自c2-20的α-烯烴的均聚物或共聚物，特別地選自聚乙烯；聚丙烯；聚丁烯-1；乙烯共聚物，其共聚單體為丙烯、丁烯、戊烯、己烯或辛烯中的一種或多種；丙烯共聚物，其共聚單體為乙烯、丁烯、戊烯、己烯或辛烯中的一種或多種；或者，丁烯共聚物，其共聚單體為乙烯、丙烯、戊烯、己烯或辛烯中的一種或多種。

更進一步地，所述聚酯為二元酸和二元醇的縮合物，或者內酯的開環聚合物。所述聚酯通過均聚或共聚獲得。對于均聚聚酯，只含有一種二元酸和一種二元醇，或者只含有一種內酯；對于共聚聚酯，含有至少兩種二元酸或兩種二元醇，或者兩種內酯。優選地，所述聚酯選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯或其共混物。

更進一步地，所述聚酰胺為二元酸和二元胺的縮合物，或者內酰胺的開環聚合物。所述聚酰胺通過均聚或共聚獲得。對于均聚聚酰胺，只含有一種二元酸和一種二元胺，或者只含有一種內酰胺；對于共聚聚酰胺，含有至少兩種二元酸或兩種二元胺，或者兩種內酰胺。優選地，所述聚酰胺(pa)選自pa6，pa66，pa45，pa56，pa10，pa1010，pa11或pa12；或者多種二胺、二酸的共聚縮合物，如己二酸、十二烷基二酸、己二胺和十二烷基二胺的共縮聚聚合物。

更進一步地，所述聚甲醛為均聚甲醛或者共聚甲醛，更優選地，為三氧六環的均聚物或者三氧六環、二氧五環以及其他環氧化合物的共聚物。

更進一步地，所述聚氨酯選自二元醇和二異氰酸酯的縮聚產物，如聚酯二元醇、聚醚二元醇、聚碳酸酯二元醇等與二苯基甲烷二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯等的縮聚產物。

更進一步地，所述纖維的芯層和皮層具有很好的相容性，最優選為同種類聚合物。

本發明還提供一種單向布，由上述一種纖維或多種纖維制備而成。

進一步地，所述單向布通過下述方法制備：將所述纖維進行單向排列，在熱壓作用下形成所述單向布，其中控制熱壓溫度低于tm2。

本發明中，由于所述熱壓溫度低于tm2，熱壓時，纖維皮層出現融化，而芯層還未融化，在壓力作用下，纖維皮層之間互相融化并粘結。

本發明還提供一種層壓板，其通過至少兩層的上述單向布依次疊合后熱壓制得。

進一步地，所述層壓板通過2-2000層(例如2-100層，或者5-50層，或者10-20層)的單向布依次疊合后熱壓制得。

更進一步地，所述相鄰的兩個單向布的疊合的角度α滿足下式：0≤α≤90°，所述角度α是指兩個單向布的經度方向之間的夾角。

更進一步地，所述熱壓溫度低于tm2。本發明中，由于所述熱壓溫度低于tm2，熱壓時，纖維皮層出現融化，而芯層還未融化，在壓力作用下，單向布之間的纖維皮層互相融化并粘結。優選地，所述熱壓溫度約等于所述tm1。該溫度為皮層聚合物的起始融化溫度，即在熱壓壓力條件下，皮層可以相互融合。

更進一步地，所述熱壓的壓力為0.5mpa～30mpa。

更進一步地，所述層壓板的厚度介于100μm～200mm之間，優選介于2mm～50mm之間。

本發明還提供一種管，其通過上述皮芯結構的纖維在圓柱形模具上連續纏繞后通過熱壓制得。

更進一步地，所述熱壓溫度低于tm2。本發明中，由于所述熱壓溫度低于tm2，熱壓時，纖維皮層出現融化，而芯層還未融化，在壓力作用下，纖維皮層互相融化并粘結。優選地，所述熱壓溫度約等于所述tm1；該溫度為皮層聚合物的起始融化溫度，即在熱壓壓力條件下，皮層可以相互融合。

更進一步地，所述熱壓的壓力為0.5mpa～30mpa。

更進一步地，所述管材的管壁厚度介于100μm～200mm之間，優選介于2mm～50mm之間。

本發明還提供上述皮芯結構的纖維的制備方法，其包括以下步驟：

(1)將所述的熔點為tm1的皮層聚合物和熔點為tm2的芯層聚合物分別注入帶有加熱裝置的單螺桿擠出機中進行熔融塑化，對應的螺桿塑化段溫度分別為tp1和tp2，其中：tm1+30 ≤tp1≤tm1+50，tm1+50≤tp2≤tm1+90；

(2)將步驟(1)中所形成的熔體經過雙組分紡絲組件和噴絲板吐出成絲條；

(3)紡絲和熱定型，得到所述皮芯結構的纖維。

優選地，步驟(2)中，將步驟(1)中所形成的熔體分別經過齒輪泵精確計量，控制皮層聚合物和芯層聚合物的體積比為1/9～9/1，再經過雙組分紡絲組件和噴絲板吐出成絲條。

優選地，步驟(3)中，將步驟(2)中吐出的絲條經集束、上油后在500～2500m/min的速度下卷繞，得到預取向絲，然后進行牽伸和熱定型，得到所述皮芯結構的纖維，為單絲線密度為2～12dtex的皮芯復合全取向絲。優選地，所述牽伸溫度和熱定型溫度分別為td和ts，其中：(tg1+tm1)/2≤td≤(tg2+tm2)/2，td≤ts≤(tg2+tm2)/2，tg1和tg2分別為皮層聚合物和芯層聚合物的玻璃化轉變溫度。進一步優選地，所述牽伸倍率為1.5～4.5倍，熱定型倍率為0.9～1.1倍；或者，

將步驟(2)中吐出的絲條經集束、上油后在2500～4500m/min的速度下進行紡絲、熱定型、卷繞，得到所述皮芯結構的纖維，為單絲線密度為2～12dtex的皮芯復合全取向絲。優選地，所述熱定型溫度為ts，(tg1+tm1)/2≤ts≤(tg2+tm2)/2，tg1和tg2分別為皮層聚合物和芯層聚合物的玻璃化轉變溫度。進一步優選地，所述熱定型倍率為0.85～1.15倍。

本發明還提供上述單向布的制備方法，其包括以下步驟：將所述纖維進行單向排列，在熱壓作用下形成所述單向布。

優選地，控制所述熱壓的溫度低于tm2。

根據本發明，所述制備方法具體包括以下步驟：

將所述皮芯結構的纖維進行單向排列，在紗架上退紗，順次經過導絲輥、張力輥、分絲器、熱輥、冷卻區、牽引輥和收卷裝置，在熱壓作用下形成所述單向布，其中控制熱壓溫度低于tm2。

優選地，所述導絲輥、張力輥和牽引輥為五輥或七輥，所述熱輥為1對或2對。進一步地，所述熱輥的輥面溫度(即熱壓溫度)為tr，tm1≤tr<tm2。更進一步地，所述冷卻區可采取自然冷卻或鼓風冷卻。

本發明還提供上述層壓板的制備方法，其包括如下步驟：制備單向布；將至少兩層所述的單向布依次疊合后熱壓，制得所述層壓板。

進一步地，將2-2000層(例如2-100層，或者5-50層，或者10-20層)的單向布依次疊 合后熱壓，制得所述層壓板。

進一步的，所述熱壓溫度低于tm2。本發明中，由于所述熱壓溫度低于tm2，熱壓時，纖維皮層出現融化，而芯層還未融化，在壓力作用下，單向布之間的纖維皮層互相融化并粘結。優選地，所述熱壓溫度約等于所述tm1。該溫度為皮層聚合物的起始融化溫度，即在熱壓壓力條件下，皮層可以相互融合。熱壓的壓力為0.5mpa～30mpa。

進一步地，單向布按照上述單向布的方法制備。

更進一步地，所述相鄰的兩個單向布的疊合的角度α滿足下式：0≤α≤90°，所述角度α是指兩個單向布的經度方向之間的夾角。

本發明還提供上述管的制備方法，其包括如下步驟：將上述的皮芯結構的纖維在圓柱形模具上連續纏繞后通過熱壓制得。

進一步地，所述熱壓溫度低于tm2。本發明中，由于所述熱壓溫度低于tm2，熱壓時，纖維皮層出現融化，而芯層還未融化，在壓力作用下，纖維皮層互相融化并粘結。優選地，所述熱壓溫度約等于所述tm1。該溫度為皮層聚合物的起始融化溫度，即在熱壓壓力條件下，皮層可以相互融合。熱壓的壓力為0.5mpa～30mpa。

本發明還提供上述單向布、層壓板或管的用途，其用于托盤、箱體、建筑、交通工具等領域，用于作為受力部件或者裝飾部件。

本發明還提供一種制品，其由本發明的層壓板制備得到。具體而言，其是將本發明的層壓板，經過進一步加工，如吸塑工藝，制備成容器或其他部件，如冰箱面板、容器、汽車保險杠或汽車內外飾件等。

本發明的有益效果是：

1、本發明的皮芯結構的纖維，即所述皮芯復合全取向絲，其強度為300～600mpa，斷裂伸長率為15～30％。

2、本發明的層壓板的拉伸強度高，透明度高，剛性大，韌性好，特別適用于托盤、箱體、建筑、交通工具等領域，用于作為受力部件或者裝飾部件(如冰箱面板、容器、汽車保險杠或汽車內外飾件等)。

3、本發明的管的透明度高、韌性高且耐壓性能極好，適合于建筑、交通工具等領域。

附圖說明：

圖1本發明的纖維的橫截面的結構示意圖

圖2本發明的一種層壓板中的α＝90°的結構示意圖

圖3本發明的另一種層壓板中的0<α<90°的結構示意圖

圖4本發明的皮芯結構的纖維截面照片：(a)預取向絲(紡絲速度：500m/min)；(b)全取向絲(牽伸倍率：2.8倍)

1纖維；2皮層；3芯層。

具體實施方式

本發明中的溫度，若無特殊說明，均是指攝氏度(℃)。

[聚合物]

本發明的皮層或芯層的聚合物選自：聚烯烴、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚甲醛等。

所述聚烯烴選自c2-20的α-烯烴的均聚物或共聚物，特別的選自聚乙烯；聚丙烯；聚丁烯-1；乙烯共聚物，其共聚單體為丙烯、丁烯、戊烯、己烯或辛烯中的一種或多種；丙烯共聚物，其共聚單體為乙烯、丁烯、戊烯、己烯或辛烯中的一種或多種；或者，丁烯共聚物，其共聚單體為乙烯、丙烯、戊烯、己烯或辛烯中的一種或多種。

更進一步地，所述聚酯為二元酸和二元醇的縮合物，或者內酯的開環聚合物。所述聚酯通過均聚或共聚獲得。對于均聚聚酯，只含有一種二元酸和一種二元醇，或者只含有一種內酯；對于共聚聚酯，含有至少兩種二元酸或兩種二元醇，或者兩種內酯。優選地，所述聚酯選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯或其共混物。

更進一步地，所述聚酰胺為二元酸和二元胺的縮合物，或者內酰胺的開環聚合物。所述聚酰胺通過均聚或共聚獲得。對于均聚聚酰胺，只含有一種二元酸和一種二元胺，或者只含有一種內酰胺；對于共聚聚酰胺，含有至少兩種二元酸或兩種二元胺，或者兩種內酰胺。優選地，所述聚酰胺(pa)選自pa6，pa66，pa45，pa56，pa10，pa1010，pa11或pa12；或者多種二胺、二酸的共聚縮合物，如己二酸、十二烷基二酸、己二胺和十二烷基二胺的共縮聚聚合物。

更進一步地，所述聚甲醛為均聚甲醛或共聚甲醛，優選為三氧六環的均聚物或者三氧六環和二氧五環及其他環氧化合物的共聚物。

更進一步地，所述聚氨酯選自二元醇和二異氰酸酯的縮聚產物，如聚酯二元醇、聚醚二元醇、聚碳酸酯二元醇等與二苯基甲烷二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯等的縮聚產物。

更進一步地，所述纖維的芯層和皮層具有很好的相容性，最好為同種類聚合物。

上述聚合物的熔融指數為0.5-10g/10min，優選1-8g/10min。

以下通過具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明，但不應將此理解為本發明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發明上述方法思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包含在本發明的范圍內。

實施例1(具有皮芯結構的纖維的制備)

皮層聚合物為含有乙烯和丁烯的丙烯共聚物，熔融指數為2.8g/10min，其熔點tm1(dsc測定)為134℃。

芯層聚合物為丙烯均聚物，熔融指數為2.8g/10min，其熔點tm2(dsc測定)為163℃。

(1)將所述的皮層聚合物和芯層聚合物分別注入帶有加熱裝置的單螺桿擠出機中進行熔融塑化，對應的螺桿塑化段溫度分別為tp1和tp2，其中：tm1+30≤tp1≤tm1+50，tm1+50≤tp2≤tm1+90；

(2)將步驟(1)中所形成的熔體分別經過齒輪泵精確計量，控制皮層聚合物和芯層聚合物的體積比為1/9～9/1，再經過雙組分紡絲組件和噴絲板吐出成絲條；

(3)將步驟(2)中吐出的絲條經集束、上油后在500～2500m/min的速度下卷繞，得到預取向絲，然后進行牽伸和熱定型，得到所述皮芯結構的纖維，為單絲線密度為2～12dtex的皮芯復合全取向絲；其中，所述牽伸溫度和熱定型溫度分別為td和ts，其中：(tg1+tm1)/2≤td≤(tg2+tm2)/2，td≤ts≤(tg2+tm2)/2，tg1和tg2分別為皮層聚合物和芯層聚合物的玻璃化轉變溫度；其次，所述牽伸倍率為1.5～4.5倍，熱定型倍率為0.9～1.1倍。

實施例2(具有皮芯結構的纖維的制備)

步驟(1)和(2)同實施例1，步驟(3)替換為：

將步驟(2)中吐出的絲條經集束、上油后在2500～4500m/min的速度下進行紡絲、熱定型、卷繞，得到所述皮芯結構的纖維，為單絲線密度為2～12dtex的皮芯復合全取向絲；其中，所述熱定型溫度為ts，(tg1+tm1)/2≤ts≤(tg2+tm2)/2，tg1和tg2分別為皮層聚合物和芯層聚合物的玻璃化轉變溫度；其次，所述熱定型倍率為0.85～1.15倍。

實施例3(具有皮芯結構的纖維的制備)

步驟同實施例1，只是皮層聚合物和芯層聚合物分別替換為：

皮層聚合物：聚酰胺，熔融指數為2.8g/10min，其熔點tm1(dsc測定)為130℃；

芯層聚合物：聚酰胺，熔融指數為2.8g/10min，其熔點tm2(dsc測定)為154℃。

實施例4(具有皮芯結構的纖維的制備)

步驟同實施例2，只是皮層聚合物和芯層聚合物分別替換為：

皮層聚合物：聚酰胺，熔融指數為2.8g/10min，其熔點tm1(dsc測定)為130℃；

芯層聚合物：聚酰胺，熔融指數為2.8g/10min，其熔點tm2(dsc測定)為154℃。

實施例1-4制備的纖維的強度為300～600mpa，斷裂伸長率為15～30％。

實施例5(單向布的制備)

將實施例1中制備的皮芯結構的纖維進行單向排列，在紗架上退紗，順次經過導絲輥、張力輥、分絲器、熱輥、冷卻區、牽引輥和收卷裝置，在熱壓作用下形成所述單向布；其中，所述導絲輥、張力輥和牽引輥為五輥或七輥，所述熱輥為1對或2對；所述熱輥的輥面溫度(即熱壓溫度)為tr，tm1≤tr<tm2；所述冷卻區可采取自然冷卻或鼓風冷卻。

實施例6-8(單向布的制備)

步驟同實施例5，只是分別用實施例2-4的纖維替換所述纖維。

實施例9(層壓板的制備)

采用實施例5-8中的單向布通過熱壓加工出層壓板，每兩層布之間的纖維呈90℃交叉，結果列于表1中。

表1實施例9中的層壓板的組成和加工方法

實施例10(管的制備)

采用實施例1中的纖維在圓柱形模具上連續纏繞，通過熱壓(10mpa，130℃)加工制備出管，制備的管最大承受的靜壓力為300mpa。

實施例11(管的制備)

采用實施例3中的纖維在圓柱形模具上連續纏繞，通過熱壓(10mpa，130℃)加工制備出管，制備的管最大承受的靜壓力為360mpa。