專利名稱:用超高速紡制備的低結晶度聚酯長絲的制作方法
本發明涉及在受控卷取速度下用高速熔融紡絲方法制備低結晶度聚酯長絲紗。
早已眾所周知，聚合物長絲，如聚酯和聚酰胺長絲，能以5千米/分或更高的高速紡絲方法，直接(即在初紡條件下)制備，而無需任何拉伸。Hebeler和Bowling分別首先公開了用此種方法制備聚酯長絲(美國專利2，604，667)和聚酰胺長絲(美國專利2，957，747)。近十年來對此興趣已大增，許多書公開了這種熔融高速紡絲的方法。
在美國專利4，134，882和4，195，051中，Frankfort等人公開了通過在5千米/分或更高的卷取速度下紡絲和直接卷繞，制備了一種新的均勻的聚酯長絲和加有少量捻度的長絲，它們具有可染性好、低精練收縮率及高熱穩定性。所例舉的最高紡絲速度為8000碼/分。卷取速度即是被長絲纏繞的(至少部分纏繞)第一從動輥(喂絲輥)的速度。當需要對于紡制加有少量捻度的長絲也是適用的均勻聚合物長絲時，必須使用以恒定受控速度驅動的輥或者等效強制設備來卷取長絲，與用空氣噴射器不同。空氣噴射器對于某些使用(例如非織造產品)是滿意的，但不能制得足夠均勻的長絲以制成用途廣泛的加有少量捻度的長絲。
Vassilatos在美國專利4，425，293中，公開一種用于假捻變形工藝的取向非晶態的聚對苯二甲酸乙二醇酯的喂入絲。其制備方法是在至少5000米/分速度下把聚對苯二甲酸乙二醇酯紡絲，并在液體浴中驟冷，提供了一種精練收縮率(BOS)至少為45%并用常規的X射線衍射法檢測不出其結晶度的長絲。按照美國專利4，425，493生產的液體驟冷長絲顯示了極低的斷裂伸長率，這可能是由于迅速冷卻導致了大量的皮芯效應。所謂皮芯效應是指在外部或纖維表皮比在纖維內核有較大的分子取向。當使用如水這樣有效的冷卻介質而不是用空氣作冷卻介質時，這種效應更為明顯。當加重時，有較大皮芯效應的纖維將經受大的徑向應力差，這就導致了纖維過早的斷裂。用5000米/分以上超高速紡生產的低結晶度的，具有更高斷裂伸長率的長絲將是十分吸引人的。
本發明提供了一種用紡絲速度至少為5千米/分的熔融紡絲方法制備的聚酯加捻長絲。這種長絲的精練收縮率大于10%，斷裂伸長為30-120%左右，密度為1.348-1.370克/毫升。其制備方法是在由一個卷取裝置控制的速度下紡絲，使絲從噴絲頭組合件紡進一通道，把一種氣體導入封閉上述通道的區域，這個封閉區域要從上述噴絲頭組合件開始延伸到噴絲頭組合件和卷取裝置之間的一定位置，并使該區域的壓力維持在低于1公斤/厘米2(表壓)下。當氣體離開該區域時，其流速增加到大于長絲移動速度的水平。
圖1是本發明所用設備的一個實施方案的部分縱剖面簡圖。
圖2是本發明所用設備的另一個實施方案的部分縱剖面簡圖。
參照圖1，本設備包括箱體50，它形成了小室52，即一個充滿了壓縮氣體QR的封閉區域，氣體QR由導管54進入，導管54位于箱體側壁51上。一個圓筒形的網屏55處于室52之內，以便均勻地分布流入室內的氣體。噴絲頭組合件16正好位于靠近噴絲頭組合件表面16a的箱體正上方。噴絲板(未畫出)貼在噴絲頭組合件的底表面上，以便把來自噴絲頭組合件的熔融聚合物擠成長絲20進入通道。管56連在箱體50的出口端并和長絲的通道成一直線。該管上方稍成漏斗狀。一個連續的壁或另一管道58套在管56外圍，因此圍繞著管56形成一個環形空間60。壁58和箱體50的出口處相接。管62是氣體入口，和壁58相接，把壓縮氣體QJ導入空間60。操作時，將熔融聚合物計量導入噴絲頭組合件16，并擠成長絲20。該長絲被卷取滾筒34從噴絲板拉出進入通道。通過直管56的氣流作用幫助卷取長絲。選擇管56，58的直徑和氣體QR，QJ的流速，以便使兩個管道中的平均氣流速度相等。這樣可以減少長絲在管56出口進入管58時的擾動。而且，管56應正好位于中心，使氣流QJ分布均勻，以便使在兩管之間的環形空間60中的氣體流速在環的任何位置處都相同。同時，在環形空間內的氣體流速應比兩管內其他部位中的流速大約2倍，但不能過大。
管56起始處的位置，應在假若無此管時沿著紡絲路線上出現結晶的位置上方。曾報導(《高速紡纖維》(High-Speed Fiber Spinning) Edited by A.Ziabicki和H.Kawai，John Wiley和Sons，New York 1985)結晶聚合物如聚對苯二甲酸乙二醇酯或尼龍66，在高卷取速度下(如超過4500米/分)被紡成纖維，其沿紡絲路線上出現結晶十分突然。實際上，結晶出現的位置可以用形成“頸狀物”來檢知，在形成結晶處，移動的長絲直徑非常突然地減小即形成“頸狀物”。因為其直徑減小，長絲必須加速以保持在噴絲板毛細管處提供的物料流速恒定。很明顯，結晶出現的位置也能用另一方法檢知，即沿著紡絲路線找出速度幾乎是以梯度函數突然增加的位置。測定紡絲路線的速度可用多普勒式激光速度計(Laser-doppler Velocimeter)。
氣體(最好是室溫下的空氣)在管56和58中的流速至少可以是長絲移動速度的約1.5-100倍，以便使空氣對長絲發揮拉伸(牽引)效果，這一效果隨這些管的長度增加而增大。同時，當氣體流速增大時，拉伸效果也增加，當QR及QJ(量)增大或在恒定流量下管直徑減小時，都出現這種情況。除拉伸長絲外，管中較高的氣流速度還促進了長絲在管道內甚至管道出口以外更快的冷卻，這是因為出口氣流斷裂點產生輕微湍流強化了冷卻的結果。管56起始處的理想位置是在當沒有該管時，出現“頸狀物”的位置上方5～250厘米處，最好是10～90厘米。這樣做則可抑制結晶，維持高的卷取速度，可得到本發明的低結晶度長絲。
除管58被拆除外，圖2是類似于圖1的另一具體設備。操作方法如在實例1中敘述。
試驗強度/伸長率/初始模量-強度和初始模量的單位為克/旦，伸長率為%，使用10英寸(25.4厘米)夾持長度的樣品，在相對濕度65%和70°F，伸長速度為每分鐘60%條件下，按ASTM D2256進行測定。
密度-用密度梯度管試驗方法按ASTM D15056-68測定。
精練收縮率-按美國專利4，156，071第6欄第51行中所述方法測定。
實施例Ⅰ把特性粘度為0.63的聚對苯二甲酸乙二醇酯從噴絲板擠出，特性粘度是在體積比為1∶2的苯酚-四氯乙烷混合溶液中測定的，噴絲板有直徑為0.25毫米的4個小孔，小孔之間距離為0.25厘米并排列成直線，紡絲溫度為290℃，速度為3.1克/分·孔。擠出的長絲通過緊靠噴絲板下方的直徑為7.6厘米、長度為43厘米的充氣室。提供約20℃的空氣流以30標準立方英尺/分的速度通過一金屬絲網的圓筒。箱體底部用一個在中心有開口的板復蓋，開口連一個內徑1.25厘米、長5.0厘米的管道、管口如圖2所示呈微漏斗形。
供氣室在噴絲頭組件底部是密封的，以使充入室內的空氣僅能從其底部的管道離開。調節空氣流速，計算噴絲板下室內保持的壓力應為大氣壓以上約0.01公斤/厘米2。離開管道后，長絲在被滾筒卷繞前在空氣中經過約280厘米的行程。當卷繞速度為5948米/分時，在管道出口處的紡絲速度是1280米/分或約為管中空氣流速的19%。而且，紡絲速度分布平穩增加最后達到卷繞速度，無任何突然的速度改變或形成“頸狀物”。這說明沿紡制的長絲無明顯結晶發生。這不同于使用在充氣室底部沒有管道的設備中紡絲時速度分布的情況。在后一種情況中，在從噴絲板出口開始的約118厘米的距離中，紡絲速度從1647米/分最終增加到5948米/分，其中速度分布顯出有突然的急驟增加(形成“頸狀物”)。在相應于管道出口位置處，紡制的絲條的速度約229米/分。纖維的卷繞速度及其性質列于表Ⅰ。長絲到達輥前，進行了上油和輕微的交纏。
(表Ⅰ見下頁)
表Ⅰ紡絲或 精練 密度 強度 斷裂 模量卷取速度 收縮率 伸長率米/分 % 克/毫升 克/旦 % 克/旦6405 45 1.3578 2.3 79 477320 32 1.3563 2.5 38 708235 15 1.3668 3.0 31 75實施例Ⅱ把特性粘度0.63的聚對苯二甲酸乙二醇酯從噴絲板擠出，特性粘度是在體積比為1∶2的苯酚-四氯乙烷混合溶液中測定的，噴絲板有17個直徑0.25毫米的小孔，其中7個孔等距離地分布在直徑3.8厘米的圓周上，10個孔等距離地分布在直徑5.4厘米的圓周上，紡絲溫度290℃，速度為2.5克/分·孔。
被擠出的長絲通過如實施例Ⅰ所述的充氣室。連接于該室底部的內徑為1.27厘米，長度為15.3厘米的管道。此管可將氣體泄入內徑1.9厘米，長度17.8厘米的另一管道，如圖1所示。把另一股流速為25標準立方英尺/分的冷卻氣流QJ計量送入該管道。被計量送入充氣室的氣流QR的流速為20標準立方英尺/分。兩股氣流均約為20℃。調節空氣流速并計算噴絲板下充氣室內維持的壓力約為0.02公斤/厘米2(表壓)。從小管擠出的絲是直的、拉緊的和彼此分離的。甚至當移動到較大的外管道時仍是如此，這可以通過管子的透明塑料壁觀察到。此裝置的改進是增加了一個外管道，這樣可以使長絲充分變冷，以便減少它們在大管道出口處(此處由于出口氣流的斷裂可導致湍流)長絲之間的潛在的粘合，因此維持了長絲直線移動并彼此分開。而且采用兩股受控氣流QR和QJ提供了更好的工藝控制。這可以控制紡絲速度分布及也可控制紡絲溫度分布。例如，由于增加了第二股氣流QJ，氣體流量更大了，溫度不再會明顯升高，所以熱量散失變得對于長絲的冷卻是合適的。纖維的卷繞速度及其性能列于表Ⅱ，長絲達到輥前，進行了上油和輕度的交纏。
表Ⅱ紡絲或 精練 密度 強度 斷裂 模量卷取速度 收縮率 伸長率米/分 % 克/毫升 克/旦 % 克/旦7000 63 1.3570 2.4 65 418000 50 1.3582 3.0 53 519000 21 1.3688 3.4 37 55實施例Ⅲ如實施例Ⅱ所述，把聚對苯二甲酸乙二醇酯從噴絲板擠出，但有以下不同點噴絲板有5個孔，通過量為4.45克/分·孔。連接于充氣室底部的管道內徑為1.17厘米，長15.3厘米，外管內徑1.90厘米，長49.8厘米。氣流QR和QJ的流速分別是7.5及20標準立方英尺/分。
所得到樣品的性能列于表Ⅲ。
表Ⅲ紡絲或 精練 密度 強度 斷裂 模量卷取速度 收縮率 伸長率 (初始)米/分 % 克/毫升 克/旦 % 克/旦5500 57.1 1.3554 1.6 117 26.97000 55.5 1.3549 2.0 58 63.48000 52.8 1.3563 3.2 48 76.5
實施例Ⅳ如實施例Ⅱ所述，把聚對苯二甲酸乙二醇酯從噴絲板擠出，但QR和QJ的流速分別是25和31.2標準立方英尺/分。所得樣品性能見表Ⅳ。
表Ⅳ紡絲或 精練 密度 強度 斷裂 模量卷取速度 收縮率 伸長率 (初始)米/分 % 克/毫升 克/旦 % 克/旦6000 62.8 1.3550 1.4 88.2 29.57000 65.8 1.3540 1.7 68.5 34.58000 66.6 1.3548 2.2 43.5 53.39000 62.2 1.3550 2.4 31.2 67.7實施例Ⅴ如實施例Ⅱ所述，把聚對苯二甲酸乙二醇酯從噴絲板擠出，但聚合物通過量為2.5克/分·孔，QR和QJ流速分別為40和30標準立方英尺/分，所得樣品性能見表Ⅴ。
表Ⅴ紡絲或 精練 密度 強度 斷裂 模量卷取速度 收縮率 伸長率 (初始)米/分 % 克/毫升 克/旦 % 克/旦6000 62.3 1.3488 1.6 35.9 33.68000 61.6 1.3516 2.2 40.8 40.910000 57.7 1.3524 2.5 42.7 42.810500 59.3 1.3530 2.8 48.7 33.9
勘誤表
權利要求
1.熔融紡制的聚酯長絲，它的紡制方法是受卷取裝置控制的紡絲速度至少是5千米/分，從噴絲頭組合件開始長絲進入一通道，把氣體順流導入封閉上述通道的一個區域內，這個封閉區從上述噴絲頭組合件開始一直延伸到噴絲頭組合件和卷取裝置之間的一定位置，維持上述封閉區內壓力小于1公斤/厘米2(表壓)，當氣體離開該區域時其流速增加到大于絲的移動速度，上述長絲密度約為1.348-1.370克/毫升，斷裂伸長率30-120%，精練收縮率至少10%。
2.權利要求
1的長絲，其密度為1.350-1.360克/毫升。
專利摘要
聚對苯二甲酸乙二醇酯在超過5000米/分的速度下紡絲，同時在絲條周圍采用氣體控制技術，以便控制溫度及絲條外形變細，提供了一種生產具有相對高斷裂伸長率、低結晶度聚酯長絲的方法。
文檔編號D01D5/08GK87103149SQ87103149
公開日1987年11月11日 申請日期1987年4月30日
發明者喬治·瓦西拉托斯 申請人:納幕爾杜邦公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan