一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及聚苯硫醚纤维制备技术领域，具体涉及一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法。

背景技术

聚苯硫醚纤维，又称PPS纤维或聚对苯硫醚纤维，由聚苯硫醚经熔融纺丝制得，具有良好的耐热性、抗化学腐蚀性和纺织加工性能。由于聚苯硫醚纤维大分子结构的特点，在其加工温度高于180℃时，纤维会出现严重的氧化现象。通过对聚苯硫醚基础纤维进行改性可获得抗化学腐蚀能力、抗氧化性能、热稳定性能以及机械性能更好的聚苯硫醚纤维材料，满足高性能纺织品的原料需求。

碳化硼是一种具有优异化学稳定性的材料，与酸、碱溶液均不起反应。为了提高耐化学腐蚀性，包括耐酸、耐碱性，本发明在使用碳化硼对聚苯硫醚纤维进行改性获得改性聚苯硫醚纤维的制备过程中，需要严格控制纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的干燥温度。当纳米碳化硼-PPS共混颗粒的干燥温度过高时，可能会导致共混颗粒中的聚合物发生热降解，影响后续制备获得的改性聚苯硫醚纤维的整体性能；当纳米碳化硼-PPS共混颗粒的干燥温度过低时，无法有效去除共混颗粒中的水分，可能会导致后续纺丝阶段中产生熔体高温水解现象，生成毛线断头以及造成螺杆挤出机湿切片粘结堵料。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法，所采用的技术方案具体如下：

本发明实施例提供了一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、利用双螺杆挤出机制备纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒；

S2、将纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒输送至干燥箱，进行预结晶处理；

S3、在120℃～170℃下，对步骤S2中预结晶处理后的纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒进行干燥，对所述干燥过程中的温度进行自适应调整，具体实现过程为：

基于干燥图像中邻域像素点的温度数值相似性情况获取干燥图像中每个像素点的热扩散受阻因子；根据热扩散受阻因子的数值大小筛选低温特征点并划分受阻级别；

根据低温特征点及其受阻级别筛选低温社区，并采用游程矩阵获取干燥图像的干燥系数；根据干燥系数的时序变化情况获取每个干燥区间的干燥充分度；

根据干燥充分度对纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的干燥温度进行自适应调整，得到干燥处理后的纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒；

S4、将干燥处理后的纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒进行熔体过滤处理，除去杂质；

S5、熔融纺丝，获得改性聚苯硫醚纤维。

优选的，所述利用双螺杆挤出机制备纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的具体步骤为：

（1）将纤维级PPS母粒和纳米碳化硼分别置于双螺杆挤出机的主喂料筒和侧喂料筒中，并密封；

（2）将纳米碳化硼与纤维级PPS母粒通过双螺杆挤出形成熔体细流；

（3）熔体细流通过冷却水槽形成带条；

（4）采用切粒机将带条切断制成圆柱形颗粒，获得纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒。

优选的，在步骤（2）中，双螺杆转速设置为220r/min，双螺杆挤出机内熔融阶段的熔体压力控制在1.53MPa，熔体温度控制在294℃

优选的，在步骤（4）中，切粒机转速设置为87r/min，制备得到纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒为

优选的，所述干燥的时间为4h。

优选的，所述热扩散受阻因子的获取方法包括：

对于任意采集时刻的干燥图像，以每个像素点为中心构建预设大小的像素窗口；

对于所述像素窗口中的各像素点，将各像素点八邻域方向上预设步长的范围内所有像素点的温度值按照升序顺序，组成像素窗口中各像素点的第一温度序列；计算像素窗口中所有第一温度序列之间的相似性的和值，记为第一和值；

计算每个像素点与其像素窗口中各像素点的温度值之间的差值绝对值的归一化值；计算每个像素点的像素窗口中所有所述归一化值的和值，记为第二和值；

其中，所述热扩散受阻因子分别与每个像素点的像素窗口中的最大温度值、第二和值呈正相关关系；所述热扩散受阻因子分别与每个像素点的温度值、第一和值呈负相关关系。

优选的，所述根据热扩散受阻因子的数值大小筛选低温特征点并划分受阻级别，包括：

将干燥图像中所有像素点的热扩散受阻因子按照升序顺序组成序列，记为干燥图像的热扩散受阻序列，计算所述热扩散受阻序列的第一四分位数，将干燥图像中所有热扩散受阻因子小于等于所述第一四分位数的像素点记为低温特征点；

对于第t时刻的干燥图像，获取热扩散受阻序列的最大值、最小值、低温特征点总个数；计算所述最大值与最小值的差值，计算所述差值与所述低温特征点总个数的比值，将所述比值的向下取整值作为干燥图像的热扩散受阻级别划分值，记为

将干燥图像中所有热扩散受阻因子属于

优选的，所述干燥系数的获取方法包括：

将干燥图像中所有低温特征点的位置坐标构建干燥图像的低温分布序列；将干燥图像中所有低温特征点分别作为低温特征无向图中的节点，当任意两个节点对应低温特征点的受阻级别相同，将任意两个节点在低温特征无向图中进行连线；采用社区发现算法获取低温特征无向图中的所有社区，分别记为低温社区；

以低温社区内每个像素点为中心构建预设大小的窗口，记为热扩散窗口；将每个像素点的热扩散窗口作为灰度游程矩阵算法的输入，输出不同搜索方向的受阻游程矩阵；采用奇异值分解算法获取每个像素点在不同搜索方向的受阻游程矩阵的奇异值；

计算低温社区中所有任意两个像素点在所有搜索方向的受阻游程矩阵之间的奇异值的差值绝对值的和值，记为第三和值；低温社区的水分挥发因子与第三和值呈负相关关系；

计算干燥图像中所有低温社区的水分挥发因子的平均值；计算干燥图像中所有低温社区的水分挥发因子与所述平均值之间的差值绝对值的和值，记为第四和值；

其中，所述干燥系数分别与干燥图像中的低温社区总个数、第四和值呈负相关关系，与干燥图像的低温分布序列的香农熵呈正相关关系。

优选的，所述干燥充分度的获取方法具体为：

根据预设时间段划分所有采集时刻得到每个干燥区间，将每个干燥区间内所有采集时刻的干燥图像的干燥系数按照升序排序组成特征序列；采用序列分解算法获取特征序列中每个时刻干燥系数的趋势项，记为每个时刻的干燥趋势因子，将每个干燥区间内所有干燥趋势因子按照时序顺序组成每个干燥区间的干燥趋势序列；

当每个干燥区间内任意一个时刻的干燥系数小于等于相邻后一时刻的干燥系数时，将所述任意一个时刻记为干燥提升时刻；

对于每个干燥区间，计算每个干燥区域中所有干燥提升时刻的干燥系数之间的差值平方之和，记为第一差值和；计算每个干燥区域中所有干燥提升时刻的干燥趋势因子与所在干燥区间中的最大干燥趋势因子之间的差值绝对值之和，记为第二差值和；计算每个干燥区间中对应特征序列的第三、一四分位数之间的差值绝对值，记为第三差值和；

其中，所述干燥充分度与第一差值和呈正相关关系，分别与第二差值和、第三差值和呈负相关关系。

优选的，所述根据干燥充分度对纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的干燥温度进行自适应调整包括：当实时干燥区间的干燥充分度小于预设干燥充分阈值时，将下一干燥区间的干燥温度提高预设温度值；否则，不对下一干燥区间的干燥温度进行调整。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明通过干燥图像中像素点邻域范围内的低温特征以及温度分布均匀性获得像素点的热扩散受阻因子，在考虑干燥图像中冷点区域的温度差异性基础上加入了对温度分布均匀性的分析；根据热扩散受阻因子实现了对低温特征点的筛选以及像素点受阻级别的划分，实现了对于干燥图像中像素点低温特征以及像素点热量传递受阻状况的进一步精确衡量，通过低温社区中像素点的水分挥发特征获得干燥图像的干燥系数，综合考虑了低温特征点的空间位置分布状况以及低温社区范围内的热量传递受阻相似性；根据干燥区间内干燥图像对应干燥系数的时序变化特征获得干燥区间的干燥充分度，在基于时序变化的基础上实现了对干燥区间中纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥程度的量化评估，根据实时干燥区间的干燥充分度对纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的干燥温度进行自适应调整，并制备获得了抗化学腐蚀能力与抗氧化能力更好的改性聚苯硫醚纤维，即获得耐碱和耐酸性能较好的改性聚苯硫醚纤维，更好的避免了纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥温度过高从而影响后续制备改性聚苯硫醚纤维的整体性能，同时减少了温度过低导致后续纺丝阶段中出现毛线断头，以及造成螺杆挤出机湿切片粘结堵料的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法的步骤流程图；

图2为干燥图像采集示意图；

图3为第i个像素点对应像素窗口中第j个像素点八邻域方向上步长为2的范围内像素点示意图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一个或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：

S1、熔融共混：利用双螺杆挤出机制备纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒；

（1）将2000g纤维级PPS母粒和纳米碳化硼分别置于双螺杆挤出机的主喂料筒和侧喂料筒中，并密封；

（2）开启双螺杆挤出机电机，使纳米碳化硼与纤维级PPS母粒在双螺杆内依次经过压缩-熔融-混炼-均化-计量形成熔体，挤出形成熔体细流；本实施例中双螺杆转速设置为220r/min，双螺杆挤出机内熔融阶段的熔体压力控制在1.53MPa，熔体温度控制在294℃

（3）熔体细流通过温度在26℃以下的冷却水槽，在超纯水中冷却成带条；

（4）利用切粒机将带条切断制成圆柱形颗粒，获得纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒，本实施例中切粒机转速设置为87r/min，制备获得的纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒为

S2、将上述工艺流程制备获得的纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒输送至干燥箱，在干燥箱内对PPS共混颗粒进行预结晶处理，使得切片结晶。使共混颗粒进行预结晶处理的目的在于提高熔融温度，防止后续加热干燥过程中，出现聚合物结块；

S3、在120℃～170℃下对纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒进行干燥。对纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒进行干燥的目的在于降低切片含水量，避免直接纺丝造成熔体高温水解，产生毛线断头；同时避免了直接纺丝造成的螺杆挤出机湿切片粘结堵料，本实施例中干燥时间为4h。其中，纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒在干燥过程中干燥温度的自适应调整方法如下：

通过内窥式炉内高温红外成像仪获取干燥箱中纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥过程中共混颗粒的红外热成像图像，为方便后续描述，将纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥过程中的红外热成像图像称为干燥图像。

内窥式炉内高温红外成像仪设置为俯视角度采集，采集时间间隔为1s，为防止采集获得的干燥图像中噪声干扰较为严重影响后续分析，本实施例通过维纳滤波算法对获得的干燥图像进行预处理，目的在于有效去除干燥图像中噪声的同时最大限度保持图像中的细节特征，维纳滤波算法为公知技术，实施者可根据实际情况选择其它算法对获取的干燥图像进行预处理。其中，干燥图像采集示意图如图2所示。

至此，可获得基于时序的纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥过程中的干燥图像。

纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥效果越好时，纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒内部的水分蒸发越均匀，在干燥图像中具体表现为温度分布的均匀性越高；其次，由于水分的挥发会带走部分热量，这使得干燥图像中会出现温度较低区域即冷点区域，纳米碳化硼-PPS共混颗粒的干燥效果越好时，冷点区域的分布越均匀；其次，冷点区域之间的相似性越高时，表示纳米碳化硼-PPS共混颗粒中的水分挥发状况越显著。

现以第t时刻的干燥图像为例进行后续分析，以第t时刻干燥图像中每一个像素点为中心构建像素窗口，像素窗口大小为9*9，对于第i个像素点对应像素窗口中第j个像素点八邻域方向上步长为2的范围内，将所述范围内所有像素点的温度值按照升序顺序组成序列，记为第i个像素窗口中第j个像素点的第一温度序列。其中，第i个像素点对应像素窗口中第j个像素点八邻域方向上步长为2的范围内像素点示意图如图3所示。

基于上述分析，本实施例构建热扩散受阻因子，用于表征像素点邻域范围内的热量扩散受阻程度：

式中，

当第t时刻干燥图像中第i个像素点对应像素窗口内的温度最大值与所述像素点的温度值之间的比值越大时，即

式中，

当第t时刻干燥图像中第i个像素点的低温显著因子越大时，即

至此，可根据上述方式获取第t时刻干燥图像中所有像素点的热扩散受阻因子。

将第t时刻干燥图像中所有像素点的热扩散受阻因子按照升序顺序组成的序列记为第t时刻干燥图像的热扩散受阻序列，计算第t时刻干燥图像对应热扩散受阻序列的第一四分位数记为

式中，

将第t时刻干燥图像中所有热扩散受阻因子属于

将第t时刻干燥图像中所有低温特征点的位置坐标构建第t时刻干燥图像的低温分布序列记为d。并将第t时刻干燥图像中所有低温特征点分别作为无向图中的节点，若两个低温特征点的受阻级别相同，则认为两个低温特征点之间存在相邻关系，并将所述两个低温特征点在无向图中形成一条边，根据上述方式获取第t时刻干燥图像中的低温特征无向图，将低温特征无向图作为输入，采用CPM派系过滤算法（Clique Percolation Method）获取低温特征无向图中的所有社区，分别记为低温社区c，其中，本实施例中CPM派系过滤算法中的K值取对应时刻干燥图像中低温特征点总个数的

以任意一个低温社区中的每个像素为中心构建热扩散窗口，热扩散窗口大小为5*5，将每个像素点的热扩散窗口作为灰度游程矩阵算法的输入，输出每个像素点在不同搜索方向的受阻游程矩阵。将第c个低温社区中第g个像素点在

基于上述分析，本实施例构建水分挥发系数，用于表征纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的水分去除程度：

式中，

当第t时刻干燥图像中第c个低温社区内所有像素点在不同搜索方向上对应受阻游程矩阵的奇异值之间的差值绝对值之和越小时，即

式中，

当第t时刻干燥图像对应分布序列的香农熵越大时，即

至此，可根据上述方式获取每一采集时刻干燥图像的干燥系数。

设置每15min为一个干燥区间，将第p个干燥区间内所有时刻干燥图像的干燥系数按照升序顺序组成的序列，记为第p个干燥区间的特征序列记为

若干燥区间内某一时刻的干燥系数小于等于其相邻后一时刻的干燥系数时，将该时刻记为干燥提升时刻。基于上述分析，本实施例构建干燥充分置信度，用于表征干燥区间内纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的干燥充分程度：

式中，

当第p个干燥区间中每一个干燥提升时刻的干燥趋势因子与该干燥区间中所有干燥提升时刻中的最大干燥趋势因子之间的差值绝对值之和越小时，即

式中，

当第p个干燥区间对应特征序列的第三四分位数与第一四分位数之间的差值绝对值越小时，即

至此，可根据上述方式获取纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥过程中每一个干燥区间的干燥充分度。

设置干燥充分阈值Y，当实时干燥区间的干燥充分度小于干燥充分阈值Y时，将下一干燥区间的干燥温度提高V℃；当实时干燥区间的干燥充分度大于干燥充分阈值Y时，则无需对纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的干燥温度进行调整。为了避免干燥温度过高导致共混颗粒中的聚合物发生热降解，影响后续制备获得的改性聚苯硫醚纤维的整体性能，本实施例中干燥充分阈值Y取值为0.7，干燥充分阈值Y越大时，对于纳米碳化硼-PPS纤维级共混颗粒的干燥要求越高，实施者可根据实际情况自行设定干燥充分阈值取值，调整温度V取值5℃。

至此，根据上述方式根据实时干燥区间的干燥充分度对纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的干燥温度进行自适应调整，获得干燥充分的纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒用于后续改性聚苯硫醚纤维的制备，有助于提高制备改性聚苯硫醚纤维的抗化学腐蚀能力与抗氧化能力，即可获得耐碱和耐酸性能较好的改性聚苯硫醚纤维，更好的避免了纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥温度过高从而影响后续制备改性聚苯硫醚纤维的整体性能。

S4、将获取的干燥处理后的纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒进行熔体过滤处理，除去其中杂质，降低其中低聚物的含量，提高PPS共混颗粒的可纺性；

S5、熔融纺丝，获得改性聚苯硫醚纤维；本实施例中熔融纺丝具体流程如下：

计量泵输送→利用纺丝组件精细过滤聚合物熔体，并使其充分混合，均匀分布，且在压力下通过喷丝板微孔，挤出形成丝条

对根据本实施例中技术方式制备获得的改性聚苯硫醚纤维的性能进行测试，测试结果如表1所示。

根据表1可知，采用本实施例中所述方式制备获得的改性聚苯硫醚纤维在抗化学腐蚀能力以及抗氧化能力上有较高的提升，至此，实现一种改性聚苯硫醚纤维的制备方法。

综上所述，本发明实施例通过干燥图像中像素点邻域范围内的低温特征以及温度分布均匀性获得像素点的热扩散受阻因子，在考虑干燥图像中冷点区域的温度差异性基础上加入了对温度分布均匀性的分析；根据热扩散受阻因子实现了对低温特征点的筛选以及像素点受阻级别的划分，实现了对于干燥图像中像素点低温特征以及像素点热量传递受阻状况的进一步精确衡量，通过低温社区中像素点的水分挥发特征获得干燥图像的干燥系数，综合考虑了低温特征点的空间位置分布状况以及低温社区范围内的热量传递受阻相似性；根据干燥区间内干燥图像对应干燥系数的时序变化特征获得干燥区间的干燥充分度，在基于时序变化的基础上实现了对干燥区间中纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥程度的量化评估，根据实时干燥区间的干燥充分度对纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒的干燥温度进行自适应调整，并制备获得了抗化学腐蚀能力与抗氧化能力更好的改性聚苯硫醚纤维，即获得耐碱和耐酸性能较好的改性聚苯硫醚纤维，更好的避免了纳米碳化硼-纤维级PPS共混颗粒干燥温度过高从而影响后续制备改性聚苯硫醚纤维的整体性能，同时减少了温度过低导致后续纺丝阶段中出现毛线断头，以及造成螺杆挤出机湿切片粘结堵料的问题。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。