新型合成水分散性纖維的技術范圍的制作方法

專利名稱:新型合成水分散性纖維的技術范圍的制作方法
本發明涉及新型合成聚合物水分散性纖維，特別是聚(對苯二甲酸乙二醇酯)及其制法。
最近，人們對水分散性纖維，特別是聚酯纖維的興趣不斷增加。這種水分散性纖維用于各種無紡織物中，包括造紙，濕法成網非織造織物，有時作為混合物的一部分，常常與大量的木紙漿或玻璃纖維混合;也可只應用聚酯纖維，即不與其他纖維混紡。這種用法與過去多數常規用法完全不同，因為常規要把纖維束或切短纖維轉化為紡紗，其最終產品為紡織織物或針織織物。在常規用法中，如棉紡系統中，要把纖維，通過梳理程序，轉化為紗。就是這種需要水分散性能，把本發明與過去常規的、聚酯短纖維的領域區別開來。
這種水分散性聚酯纖維多數是聚(對苯二甲酸乙二醇酯)，其制法與常規紡織業中制造聚酯短纖維的方法，本質上是一樣的，但是，絕大多數水分散性纖維不卷曲，而通常用于紡紗的任何聚酯短纖維，在轉化成短纖維前，呈絲束狀時，都是卷曲的。因此，水分散性聚酯纖維的制法，一般采用熔融紡絲法，把聚酯轉化為單絲，數個單絲聯合成為絲束，再通過拉伸，應用適當的涂層，使之具有水分散特性，其方法與常規的紡織纖維束的表面處理方法使獲得額外松散性相類似;一般在不卷曲的情況下(在某些情況下，賦予輕微波浪形，和三維卷曲基質)，把絲束轉化為短纖維。先有的聚酯短纖維做成未卷曲，可用來做起絨織的短絨，但是，這種用法，就不需要水分散性能。
聚酯纖維本質上是疏水性的，因此，要用適合的涂料，已公開的專利有Ring等人提出的4，007，083號美國專利;Hawkins提出的4，137，181號，4，179，543號，4，294，883號美國專利，Viscose Suisse公司提出的958，350號英國專利。這些專利克服了聚酯纖維的內在疏水性而不起泡或引起纖維絮凝。正是這種涂料較之聚酯本身的固有特征性能或如斷面等的形狀在內更能顯示出水分散性聚酯纖維與多數常規聚酯短纖維的區別。到目前為止人們已知道，所有的商用水分散性聚酯纖維都是圓斷面的。其實絕大多數商用聚酯短纖維的斷面一般都是圓的，人們認為用圓的最好。
迄今為止，雖然大部分的合成聚合物水分散性纖維都是由聚酯組成的，這是由于它便宜而且數量大，但現在開始大量應用聚烯烴和聚酰胺制備水分散性纖維。本發明并不限于用聚酯，也用其他合成聚合物。
本發明現提供一種新型合成聚合物水分散性纖維，特別是聚酯纖維，其特點是纖維呈扇形橢圓斷面。
如本文所敘述的，用扇形橢圓斷面可用于其他聚酯纖維。除了斷面之外本發明有關水分散性纖維，與以前的水分散性聚酯或者其他合成聚合物纖維相類似，雖然本文下面敘述各種優點還可增加各種改進的可能性。本文下文將特別用聚酯纖維做參考，但其他的聚合物，如聚酰胺和聚烯烴，也同樣可用。
本發明所涉及的纖維的簡單制法是，采取熔融紡絲和拉伸制成具有一定單絲旦數的聚酯單絲，并應用適當涂敷使之具有水分散特性。然后按最終用途的要求，通常將多個單絲切斷成所需長度的短纖維。
令人驚奇地發現，本發明敘述的水分散性纖維，采用扇形橢圓斷面，比采用圓斷面，促進其分散性，其結果可以從本文的實例中看到，它具有較好的濕法成網均勻性，更加柔軟感，更加不透明，透氣性好。
圖1為本發明典型纖維的扇形橢圓斷面。
圖2為本發明紡絲用的典型噴絲孔。
上面曾經提過，扇形橢圓斷面已廣泛應用于常規聚酯短纖維，紡絲成為單絲，拉伸，切斷，制成紡紗，然后制成機織品和針織品。這種纖維不具備本發明所需的水分散特性。Gorrafa氏在3，914，488號美國專利報導過具有扇形橢圓斷面的聚酯單絲，并建議用于做仿毛皮織物。Frankfort等人在4，134，882號和4，195，051號美國專利中敘述過扇形橢圓斷面的取向聚酯單絲，以其甚高速度(6000碼/分)紡絲出來。這種速度也可作為制備取向聚酯單絲的基質，然后應用適當的涂敷，使之具有水分散性，獲得符合本發明的水分散性纖維。Franklin氏一九八四年十月二十五日USSN664，803的申請中建議，以扇形橢圓斷面的部分取向單絲來做拉伸變形加料絲。以上所說的幾個工藝，沒有一個與本發明的有關領域相同。本發明提出的制造水分散性纖維所用的聚酯單絲基質，可以依照本文敘述的技術制備出來，也可以通過上述或已知的非圓形斷面聚酯單絲制造技術，稍加改進制備出來。
Gorrafa氐在3，914，488號美國專利和Franklin氏在USSN664，803專利中，把扇形橢圓斷面的參數公開，參見本文圖1。這個扇形橢圓實質上是橢圓形，其長短軸的長度明顯不同，從這個意義上講，這和以前的工藝中敘述的圓形和多凸瓣單絲具有顯著區別。由于其他舊工藝中對對稱性多凸瓣斷面有專門術語，因此人們在考慮扇形橢圓的四個圓弓部分(Gorrafa語)作為凸瓣，會令人誤解。Gorrafa氏和Franklin氏推薦的尺寸。其特征如下
如圖1，纖維的斷面形狀可由纖維斷面的顯微照片測定出來。A為長軸X上斷面的長度，A等于2R(斷面外接半徑)。B為短軸Y上斷面的寬度。斷面的長度與寬度之比為A/B。
單絲熔融紡絲時，聚合物的流動，往往使斷面的周邊發生平滑的彎弧或者平滑的彎弧和直線的綜合形。測量時，可考慮把周邊作為直線和圓弧。應用這種觀點，本發明的單絲，在長斷面軸上的每一端有個凸瓣，凸瓣的最突部分呈圓弧形，彎曲度比半圓大。每個凸瓣的半徑用r1表示，同樣，斷面短軸Y上的每一端有另外的圓弧，以r2表示。圖1所示，兩個圓弧的曲線中心位于短軸的同一點上，這是不重要的。如Gorrafa所敘述的實例中，曲線中心可以被分開。長軸上凸瓣的頭端半徑比為r1/R，短軸上最頂部位為r2/R。
Gorrafa和Franklin敘述過，斷面的另一個特點，即距離d是兩個扇形之間的距離，由橫過纖維斷面的長軸來測定。
最好的尺寸接近于下列比例斷面長短比A/B為1.4至2.4，長軸上凸瓣的半徑比r1/R為0.20至0.45，短軸上凸瓣半徑比r2/R為凸瓣半徑比r1/R的0.8至2.1倍。為使具有本發明所需性能;斷面必須呈扇形邊狀，為此，d/2r1之比，最好在0.6至1.0之間。
上述圖象看來是很復雜的，但用顯微照片放大斷面圖則可以輕易地測定出來。
聚酯短纖維的制法則是用常規的，包括下列步驟把聚合物熔融紡絲成單絲，集中單絲成為絲束，拉伸應用適當的水分散性涂料，增加其水分散性能。如果要求有低收縮性，通常可把拉伸后的單絲經退火處理。
選擇適合的涂料以增進水分散性，這一點很重要。它比單絲旦數和重量相近似的圓斷面纖維所需要用的涂料更多，這是因為具扇形橢圓斷面周邊的表面較具圓形斷面的表面具有更大的周邊表面積。要提供一個良好的邊沿潤滑性能，這一點特別重要。為此，最好用乙氧基涂料。
Hawkins在4，137，181號，4，179，543號和4，294，883號美國專利以及共同未決的USSN721，344等文中，已把適合的涂料公開;同時以Van Issum和Schluter登記的申請，已把聚(氧化烯)二醇所衍生的聚(氧化烯)和聚(對苯二甲酸乙酯)的合成共聚酯的用途予以公開。該共聚酯的平均分子量為300至6000。Mc Intyre等人在3，416，952號，3，557，039號和3，619，269號美國專利把它公開過，本文也作為參考。Raynolds在3，981，807號美國專利，也公開了其他有用的嵌段共聚酯。上述已被公開的文獻，本文均作為參考。
一般來說，制備上述聚酯纖維時，首先做成非卷曲長絲絲束，或者，如果需要有額外松散狀態及有更加三維卷曲基質，可采用輕微卷曲型工藝提供微波浪型的單絲。上述非卷曲狀或微波浪型單絲，按長度要求切斷，成為水分散性纖維，一般市場上按捆或其他包裝出售切斷纖維。所說適量的切斷長度，一般為5至90mm(0.25至3英寸)，通常最大為60mm(2.5英寸)，其中長度和直徑之比(L/D)，從100∶1至2000∶1，最好150∶1至2000∶1。本發明的優點是，它制造出來的水分散性纖維的性能好，其L/D比高于其他我們考慮的比較滿意的舊工藝制造的水分散性纖維。例如，一般機械制造廠家，推薦的L/D比不大于500∶1，有些人認為這個數據仍太高，不現實。適合的單絲旦數(dpf)一般為0.5至20。涂料的用量一般為纖維重量的0.04至1.0重%(OWF%)。一般使用量較少，這有好處，而且比舊工藝效果更滿意。
還有一種制備上述水分散性聚酯纖維的方法，包括下列步驟聚酯的熔融紡絲，制成扇形橢圓斷面的單絲，多個單絲變成絲束，拉伸，用合成共聚酯涂絲束狀的單絲，在適當時間內將涂敷過的單絲轉化成短纖維。
最好單絲涂敷是通過加熱涂敷單絲進行固化，如有必要也可把涂敷短纖維進行固化，加熱溫度約100至190℃，以提高耐久性。
本發明用下述實例中說明，所列出的數字和百分比，除非另有說明，一概指重量。OWF是指(固體)“纖維的重量”。測定線紗性質的幾個參考的數據，如抗拉性質(拉伸至斷裂的強度和伸長度)，按Frankfort氏在4，134，882號美國專利一文所列出的方法進行測定。要知道，其他的條件也可以應用，例如，噴絲孔的設計，參照Gorrafa的3，914，488號美國專利。
實例
下列纖維中，纖維A為圓斷面，作為比較，纖維X為本發明的扇形橢圓斷面，兩者均由聚(對苯二甲酸乙酯)紡絲出來，其特性粘度為0.64，含0.3%TiO2作消光劑。
纖維的紡絲過程是，單絲速度1600ypm(碼每分鐘)，用常規徑向空氣驟冷，用900孔噴絲頭，圓孔直徑0.015英寸，毛細長度0.030英寸，270℃模座溫度，聚合物產量68.2磅/小時。單絲旦數3.67。纖維A在一組喂絲滾筒中，以29.3碼/分鐘的速度，通過拉伸滾筒，以80.0碼/分的速度在運動中被取向，由牽引滾筒，以80.1碼/分之速度，輸送到傳送機。在喂絲滾筒間，單絲在45℃水浴中處理。在喂絲和拉伸滾筒之間，用98℃水噴到絲繩。在拉伸和牽引滾筒之間，應用商用水分散性涂料(50/50含十二烷醇的一酸式和二酸式磷酸酯的鉀鹽/含25摩爾氧化乙烯被乙氧基化的獸脂醇的混合物)。單絲在150℃爐子里松弛6分鐘。
纖維X的制法與纖維A類似，其區別在于通過毛細管，參見圖2，來紡絲，制造1054根2.98dpf(單絲旦數)單絲，呈扇形橢圓斷面，模座溫度274℃，出料率67磅/小時。喂絲滾筒上取向的轉速為34.1碼/分，拉伸滾筒為80.2碼/分，牽引滾筒為79.1碼/分，扇形橢圓纖維涂上用稍為過量的水分散性涂料，以稱補扇形橢圓截面的表面積約13%的增長。
纖維X斷面的尺寸參照下列平均比率A/B＝1.57，r1/R＝0.38，r2/R＝0.42，d/2r1＝0.83。
拉伸涂敷單絲的性能比較列于表1。
表1
試樣 A X
斷面 圓 扇形橢圓
dpf 1.47 1.51
涂敷OWF(%) 0.4 0.7
退漿收縮率(%) 1.0 0.2
干熱收縮率(%)(196°) 2.45 3.1
斷裂強度(g/d) 4.5 4.7
斷裂伸長度(%) 42 36
伸長2%時的強度(g/d) 0.93 0.90
兩種均切成長度為0.25，0.375，0.5，0.75英寸，使之成為水分散性纖維試樣，在一個傾斜的長網造紙機上進行試驗。纖維在小型打漿機上，稠度為0.75%(每100磅紙漿或配料的纖維磅數)，分散3分鐘。圓筒形打漿機的直徑3英尺乘長6英尺。纖維與未加工亞硫酸紙漿混合，成為50%聚酯混合物，在一個10立方米的儲罐中稀釋到0.1稠度。儲料在打漿機的流漿箱里進一步稀釋到0.0143%稠度，然后放入而成為0.5米寬的濕法成網非織造織物，速度20米/分。在造紙機長網的末端噴上Acronyl 240D，這是一種丙烯粘合劑。織物通過直吹空氣干燥機，在150℃，進行固化處理。最終織物產品的平均重量為40克/平方米。
用已知織物試樣的均勻性來測定其分散性質量。隨著切斷長度的增大，預計織物均勻性會受到明顯的損害。因為長纖維織物的撕裂強度高，所以應用長纖維有好處，在實際應用中，達到在一般均勻性標準下織物制造商采用長纖維。因此最好使用經改良或相當均勻的長纖維。由纖維A和纖維X制成的織物樣品，各自獨立地，讓10個人評判員(男女各半)觀看，就有關織物用視覺均勻性的方法來判定，答案列于表2。其中1級為最均勻的，得最低分。
表2
級別 纖維 切斷長度(英寸) 平均分數
1 X 0.25 1.1
2 A 0.25 2.0
3 X 0.375 2.9
4 X 0.5 4.4
5 A 0.375 4.6
6 A 0.5 6.2
7 X 0.75 6.8
8 A 0.75 7.0
由表2可看出，每一個扇形橢圓織物(X)都得好分，在同樣長度下，比對照織物即圓織物的均勻性更好。實際上0.5英寸的X項織物最好，差距小，比0.375英寸A項織物更少分。
濕法成網非織造積物的一般缺陷是由于單絲過長，纖維互相連接，成兩頭結塊。這種缺陷叫啞鈴，若只在一端，稱結塊。對于兩種纖維各種切斷長度，已知其重量，可測定缺陷的數量。平均來說，X項，即扇形橢圓織物與對照的織物相比，小于44%缺陷/100克織物。這是由于纖維彎曲模量的不對稱本質的影響，限制扇形橢圓長纖維對清水中打旋的自由度。
在喬治亞州Savannah市的Herty Foundation試驗室里，測定織物的標準物理性質。以纖維A為100%，纖維X的平均物理性質如下
空氣滲透性(Gurley) 101%
不透明性，按ISO2471 108%
松散性，按TAPPI T410om-83和T411om-83 96%
抗拉強度，按TAPP1 T494om-81 112%
抗拉強度，TAPPI T494om-81 93%
剪切強度，按TAPPI T414om-82 100%
總之，X項在重要指標里顯示更為優越，具有較高的不透明性和抗拉強度，伸長和松散性減少甚微，X項織物手感好。
本發明制備的扇形橢圓斷面纖維，采用一定數量的適當水分散性涂料，具有特殊的分散均勻性，不透明性和柔軟的手感。
由80%/20%牛皮紙漿和扇形橢圓水分散纖維混合制成的涂上不同涂料的織物，比由不同重量圓斷面聚酯纖維制成的織物，具有更好的不不透明性。
從理論上講，常規圓斷面的水分散性纖維預計具有更高的均勻分散特性，因此可做成更為均勻的濕法成網織物。其原因是，已知纖維(或其他物體)的分散所需的表面能量為
能量＝(表面張力)×(分散表面積-不分散表面積)
成千上萬種纖維柱狀體和塊體中存在著不分散纖維，多數存在于柱狀體中。所以不分散表面積比起分散表面積可忽略不計，則能量可近似等于
能量＝(表面張力)×(纖維數量)×(纖維的表面積)
上述能量公式說明兩種分散纖維所需要的能量和重新凝結的驅動力所需的自由能量。因此，對于一個特定的涂料和纖維的單絲旦數(dpf)，低表面積的纖維具有更高的均勻分散性，因此可以制成更為均勻的織物。人們期望，而且最好能知道單位重量的最小表面積已知為圓斷面纖維。
令人驚奇的是，扇形橢圓纖維，盡管其表面積增大了15%，但能提供更為均勻的織物。本發明在不受任何理論的限制情況下，認為上述結果從纖維流體動力形狀所致，即更有效地利用混合器剪切場所產生的能量。
權利要求
1、一種水分散性合成聚合物，其特點是，纖維呈扇形橢圓斷面。
2、權利要求
1中的纖維，其切斷長度為5至90mm，其中長度/直徑之比為100∶1至2000∶1。
3、權利要求
1的聚合物單絲，除連續的不卷曲單絲絲束之外的單絲。
4、一種水分散性聚酯纖維，其特點是，纖維呈扇形橢圓斷面。
5、權利要求
4中的纖維，其旦數約為0.5至20。
6、權利要求
4中的纖維，其切斷長度約為5至90mm。
7、權利要求
6中的纖維，其長度/直徑之比約為100∶1至2000∶1。
8、權利要求
7中的水分散性纖維，呈包裝式切斷纖維。
9、權利要求
1中的水分散性纖維，呈包裝式切斷纖維。
10、權利要求
4中的聚酯纖維，基本上是由聚(對苯二甲酸乙酯)組成的。
11、權利要求
4中的水分散性聚(對苯二甲酸乙酯)纖維，是非卷曲狀，切斷長度為5至90mm，其長度/直徑之比，約為100∶1至2000∶1，其旦數約為0.5至20;乙氧基化水分散性涂料的用量約為纖維重量的0.04至1.0%。
12、權利要求
11中的水分散性纖維，呈包裝式切斷纖維。
13、權利要求
11中的聚酯單絲，除了，它是以連續不卷曲單絲絲束的形式。
14、權利要求
4中的聚酯纖維，涂上具有水分散性的基本上由嵌段共聚酯組成的涂料，該嵌段共聚物是由聚(對苯二甲酸乙酯)重復單元和由聚(氧化烯基)乙二醇衍生的聚(氧化烯)基團組成的共聚酯，其平均分子量為300至6000。
15、權利要求
14中基本上所述的聚酯單絲，其特征是除連續狀單絲絲束之外的單絲。
16、權利要求
1中的水分散性纖維，其中扇形橢圓斷面的特征如下
a.具有對稱的長短軸，而且互相垂直。
b.兩個對稱軸上測定出來的長度A與寬度B之比為1.4至2.4。
c.長軸上每一頭端凸瓣的半徑比r/R為0.20至0.45。其中r為頭端凸瓣的半徑，R為長橢圓斷面的外接圓半徑。
d.短軸上每一頭端凸瓣的半徑比r/R為長軸上頭端凸瓣之半徑比r/R的0.8至2.1倍。
e.長短軸的頭端間有凹槽。
f.長軸兩邊凹槽之間的最短距離d為長軸上凸瓣半徑r的1.2至2.0倍。
17、水分散性聚酯纖維的制法，包括將聚酯經熔融紡絲成為扇形橢圓斷面的單絲，變單絲為絲束，拉伸絲束，將絲束的單絲涂以其成分為由聚(對苯二甲酸乙酯)重復單元和衍生于聚(氧化烯基)乙二醇的聚(氧化烯)類組成的嵌段共聚酯，其平均分子量為300至6000;然后變涂敷單絲為短纖維，切斷長度約為5至90mm。
18、權利要求
17中的方法，其特點是用共聚酯涂敷單絲，用量約為單絲重量的0.04至1.0%。
19、權利要求
17的方法中，要把涂敷單絲進行加熱處理，溫度為100℃至190℃，涂層在單絲上固化。
20、權利要求
19的方法，其中單絲涂敷用的共聚酯的用量為它們體重的0.04～1.0%。
專利摘要
一種扇形橢圓形斷面的合成水分散性纖維，可提高其滲透性，均勻性，柔軟感，不透明性，使之成為濕法成網織物。
文檔編號D01D5/253GK86102475SQ86102475
公開日1986年10月15日 申請日期1986年4月9日
發明者約翰·西奧多·克拉克, 唐納德·艾伯特·希弗勒 申請人:納幕爾杜邦公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan