由迴轉法製造雙組分聚合物纖維的製作方法
2023-06-18 07:33:11 1
專利名稱：由迴轉法製造雙組分聚合物纖維的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用改進的迴轉法製造聚合物纖維，特別是涉及製造雙組分聚合物纖維的方法。
過去已用改進的迴轉法製成雙組分無機纖維如玻璃纖維。將兩種不同類型的熔融的玻璃供應到具有針孔周壁的噴絲裝置上。這兩種類型的熔融玻璃經針孔離心形成具有雙組分的玻璃纖維。這些纖維特別適用作絕緣產品。
製造玻璃纖維和製造聚合物纖維屬於不同的領域。這兩種材料具有不同的物理性質，如不同的粘度和熔點，所以製造纖維的方法也不同。
過去已經用紡織法製成雙組分聚合物纖維，在此方法中，將兩種熔融聚合物提供給有孔的噴絲頭，由此拉出或拉伸纖維。這些聚合物一般結合形成一種聚合物芯和另一種聚合物殼的纖維。這些纖維一般用作織物和針織品等產品。例如，在一典型的方法中，兩種不同類型的尼龍形成用於製造針織品的雙組分纖維。紡織法製造的雙組分纖維一般具有較大的直徑。
為了某些應用，需要由難以共同或難以完全成纖的聚合物製造雙組分纖維。這些聚合物在成纖過程中易於分開所以難以完全製成纖維。由於它們物理性能不同而所需的成纖條件不同，所以難以共同製成纖維。因此，提供一個比紡織法更容易的由難成纖聚合物製造雙組分纖維的方法是有好處的。
對其它應用來說，使用直徑較小的雙組分纖維也是有好處的。因此，提供比紡織法更容易地製造小直徑雙組分纖維的方法也是有好處的。
本發明涉及製造多組分聚合物纖維，特別是雙組分聚合物纖維的方法。在此方法中，將第一種和第二種聚合物供給具有針孔周壁(orificedperipheral wall)的迴轉噴絲裝置。熔融聚合物作為熔融雙元聚合物液流經針孔離心。液流經冷卻後製成雙組分聚合物纖維。
本發明的雙組分聚合物纖維可由難以共同成纖或難以完全成纖的聚合物製成。例如，可由兩種熱膨脹係數不同的聚合物製成具有卓越的絕緣性能的高膨鬆毛束或網膜的曲面纖維。另一實例是可由熔點不同的兩種聚合物製成熱熔纖維。本發明的方法可以很容易地製成小直徑的纖維。
圖1是用本發明的迴轉法製造雙組分聚合物纖維設備的正視簡圖。
圖2是用本發明方法製造雙組分聚合物纖維的噴絲裝置的正視截面圖。
圖3是圖2的噴絲裝置的一部分的透視簡圖。
圖4是取圖2的噴絲裝置4-4線的正視簡圖。
圖5是製造雙組分聚合物纖維的噴絲裝置的第二具體實施方案的部分平面圖。
圖6是製造雙組分聚合物纖維的噴絲裝置的第三具體實施方案正視截面圖。
圖7是圖6噴絲裝置的針孔的正視截面圖。
圖8是用兩種不同聚合物組成的雙組分聚合物纖維的截面簡圖。
圖9是雙組分聚合物纖維的截面簡圖，其中兩種聚合物的粘度不同可使第二種聚合物部分地繞第一種聚合物流動。
圖10是雙組分聚合物纖維的截面簡圖，其中粘度不同可使較低粘度的第二種聚合物幾乎包圍較高粘度的聚合物。
圖11是雙組分聚合物纖維的截面簡圖，其中較低粘度的聚合物始終繞較高粘度的聚合物流動以包圍較高粘度聚合物和形成包層。
圖12是由三種不同的聚合物形成的三組分纖維的截面簡圖。
圖1說明由本發明的雙組分聚合物纖維製造絕緣產品的迴轉纖維成形法。然而，應理解的是，可以用雙組分聚合物纖維通過不同的加工方法製成紡織品、過濾產品以及其它產品。這些加工方法包括縫合、針縫、水-編織和包膠。還可以理解的是，在本發明中除了雙組分纖維外還包括多組分纖維，以及除了聚合物外其它熱塑性材料，如瀝青也可形成纖維。
在所說明的方法中，將兩種不同的熔融聚合物組合物(聚合物A和聚合物B)提供給噴絲裝置10。熔融的聚合物組合物可由任何適宜的來源提供，例如，可將裝有聚合物顆粒的料鬥12連接到擠壓機14，在此將聚合物熔化後送到噴絲裝置。如在下面討論的，噴絲裝置產生雙組分聚合物纖維液霧16。用任何的工具，如環狀的鼓風機18將纖維向下吹。當纖維向下吹時，將纖維拉細和冷卻。將纖維作為毛束(20)收集於任何適宜的表面，如輸送機22的表面。為促進纖維的收集，在輸送機的下面部分抽真空(未示出)。
然後雙組分聚合物纖維毛束可以任選地通過一加工站如爐24以進一步加工。當經過此爐時，優選通過上面的輸送機26和下面的輸送機28以及邊緣導向裝置(未示出)使毛束成形。從此爐出來的毛束就是絕緣產品30。
如圖2所示，每一噴絲裝置10包括周壁32和底壁34。噴絲裝置在任一適宜的工具(如轉軸36)上迴轉，這在技術上是眾所周知的。噴絲裝置的迴轉將熔融聚合物經周壁的針孔離心，形成雙組分聚合物纖維38，下面將更詳細地討論。噴絲裝置的轉動速度優選約為1200-3000轉/分鐘。可以使用各種直徑的噴絲裝置，可將轉動速度調節以在周壁的內表面得到所希望的徑向加速度。噴絲裝置的直徑優選約為20-100釐米。周壁內表面的徑向加速度(速度2/半徑)優選約為4,500米/秒2-14,000米/秒2，更優選的約為6000-9000米/秒2。
環狀鼓風機18的位置可將纖維引導向下以收集在輸送機上，如圖1所示。環狀鼓風機可任選使用引風40使纖維進一步拉細。
噴絲裝置的內部優選使用任何加熱方法(未示出)加熱，如吹入熱空氣或其它氣體。噴絲裝置的溫度優選約為150℃-300℃，但可根據聚合物的類型而變化。
諸如環狀熱空氣供應裝置42等加熱裝置可任選位於噴絲裝置的外面供加熱噴絲裝置或纖維，以促使纖維拉細和保持噴絲裝置的溫度在聚合物最適宜的離心範圍。
在噴絲裝置的內部，分別提供兩種熔融聚合物液流，第一種液流含聚合物A，第二種液流含聚合物B。優選通過在壓力下注入的辦法提供熔融聚合物液流。在第一種液流中的聚合物A從第一個輸送管(44)直接滴到底壁並由於離心力而向外流向周壁形成如所示的聚合物A頭。由第二個輸送管46輸送的聚合物B的位置比第一種液流更接近周壁，在熔融聚合物到達底壁前受到環狀水平法蘭48的阻擋。這樣，在所示的水平法蘭上形成聚合物B的聚集或頭。應理解的是，也可以這樣提供聚合物，即使得聚合物A受到環狀水平法蘭的阻擋，聚合物B滴落到底壁上。
如圖3所示，噴絲裝置裝有垂直內壁50，它一般是環狀的，位於周壁32的徑向之內。在周壁和垂直內壁之間的一系列垂直隔板52將空間分成一系列一般為垂直排列的小室54，這些小室基本上和周壁的整個高度相同。可以看到，水平法蘭、垂直內壁和垂直隔板一起組成分隔器，將聚合物A和聚合物B引向交替相鄰的小室，使得每隔一個小室含聚合物A，而其餘的小室含聚合物B。
周壁裝有針孔56，這些針孔位於垂直隔板52的徑向外端附近。每個針孔的寬度大於垂直隔板的寬度，這樣可使從針孔出來的聚合物A和聚合物B的液流作為的單一的雙組分聚合物纖維流出。從圖3可以看出，每個小室54運行在沿將小室分隔的整個垂直隔板和具有針孔的周壁32的整個高度下。周壁優選具有約200-5000個針孔，這取決於噴絲裝置的直徑和其它過程參數。
如圖4所示，針孔56呈槽狀，當然其它形狀的針孔也可使用。在噴絲裝置的周壁溫度下，聚合物A和B的粘度不同，精確以垂直隔板52為中心的針孔預期排出的低粘度聚合物要多於高粘度的聚合物。為克服這一趨向和平衡熔融聚合物排出量的一個方法是增加噴絲裝置中較高粘度聚合物頭相對於較低粘度聚合物頭的高度。另一平衡熔融聚合物的排出量的方法是調整槽孔的位置，使得其偏離於垂直隔板的中心線。如圖4所示，針孔將有一較小端58，限制較低粘度聚合物的流動，較大端60可使相當量的較高粘度聚合物流出或通過。另一平衡熔融聚合物排出量的方法是限制聚合物流進含低粘度聚合物的交替小室，由此部分使流量減少，使得聚合物A和聚合物B的排出量大致相同。當聚合物具有相同的粘度時，或當要求不同的排出量時，針孔也可以垂直隔板為中心。
圖5說明噴絲裝置的第二具體實施方案的一部分。如在圖4中所示的第一具體實施方案一樣，噴絲裝置裝有在垂直內壁64和周壁66間延伸的垂直隔板62，由這些垂直隔板形成小室68。周壁裝有多行針孔70，它們位於垂直隔板的徑向外端附近。這些針孔呈「V」形，一端或腿導向含聚合物A的小室，一腿導向含聚合物B的小室。聚合物A和聚合物B的兩種液流會合，作為單一雙組分聚合物纖維從針孔流出。
圖6說明噴絲裝置的第三具體實施方案。噴絲裝置72包括周壁74和底壁76。底壁在接近周壁時向上傾斜。向噴絲裝置內部分別提供兩種熔融聚合物，即含聚合物A的第一種液流和含聚合物B的第二種液流。在第一種液流中的聚合物由於離心力從第一個輸送管78直接滴在底壁上並向上向外流向周壁形成所示的聚合物A頭。由第二輸送管80輸送的聚合物B的位置比第一種液流更接近周壁，在其到達底壁前受到環狀水平法蘭82的阻擋。在水平法蘭上形成所示的聚合物B的聚集或源頭。
周壁周圍裝有一行針孔84，這些針孔臨近水平法蘭的徑向外端。如在圖7看到的，每一針孔呈「Y」形，一臂導向聚合物A，另一臂導向聚合物B，底座導向周壁外面，聚合物A和B兩種液流會合併作為單一雙組分聚合物纖維(86)從針孔流出。
其它構型的噴絲裝置也可用來向噴絲裝置針孔提供兩種聚合物液流。熱塑性材料可以是任何可熱軟化的熱塑性材料，如聚合物或瀝青，包括無定形熱塑性材料。在許多應用中希望使用具有相似物理性能並易於成纖的熱塑性材料。但是，本發明的雙組分纖維可以由難於共同成纖或難於完全成纖的熱塑性材料形成。有利的是，本發明的迴轉法比紡織法更容易由難以成纖的熱塑性材料製造雙組分纖維。由於在成纖中易於分離，所以熱塑性材料難以完全成纖，由於它們的物理性能不同而要求不同的成纖條件，所以它們難以共同成纖。
例如，雙組分的纖維可由具有不同熱膨脹係數的兩種聚合物形成。當每一纖維冷卻時，具有較高熱膨脹係數的聚合物比其它聚合物收縮要快。結果，應力作用於纖維，纖維釋放應力，所以纖維必然彎曲。結果，雙組分聚合物纖維具有不規則的曲面特性。這種曲面特性使纖維具有卓越的絕緣性能，當用於絕緣材料和紡織品時特別有利。一種聚合物的熱膨脹係數與另一聚合物的熱膨脹係數相差優選高於約5.0ppm/℃，更優選的為高於約10.0ppm/℃。具有明顯不同熱膨脹係數的兩種聚合物的實例是聚丙烯(68ppm/℃)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(17ppm/℃)。
作為另一實例，雙組分聚合物纖維可由具有不同熔點的兩種聚合物形成。為本發明的目的，熱塑性材料如聚合物的熔點是用DSC(差示掃描量熱法)測定的。應該理解，「熔點」一詞不嚴格地用於某些類型熱塑性材料，特別是無定形材料。在這種情況下，「熔點」一詞是指該材料軟化和易流動的溫度，從而可以製成纖維，熟悉此技術的專業人員是都通曉的。
要求具有不同熔點的聚合物的一種用途是熱熔雙組分聚合物纖維。加熱到某一溫度足以將低熔點聚合物熔化但不能熔化高熔點聚合物，從而可將纖維的毛束或網膜熔合在一起。這種可熱熔合的雙組分聚合物纖維在許多無紡布用途中是有用的。
第一種熱塑性材料的熔點比第二種熱塑性材料的熔點優選至少約高10℃，更優選的為至少約高25℃。較高熔點或軟化點的熱塑性材料的實例包括但不限於聚亞苯基硫(「PPS」)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(「PET」)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(「PBT」)、聚碳酸酯、聚醯胺以及它們的混合物。較低熔點或軟化點的熱塑性材料的實例包括但不限於聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、瀝青和它們的混合物。
用本發明的迴轉法還可將兩種粘度大不相同的熱塑性材料製成雙組分纖維。第一種熱塑性材料的粘度與第二種熱塑性材料的粘度相差約5-1000倍，一般約為50-500倍。為本發明的目的，粘度的測定是在噴絲裝置的周壁溫度下進行的。
用本發明的迴轉法比紡織法更容易製造小直徑的雙組分聚合物纖維。因為迴轉法是用離心力將纖維拉細，而紡織法是通過機械法使纖維拉細，從而前者具有優點。雙成分聚合物纖維的平均外徑優選約為5微米-50微米，更優選為5微米-35微米。
本發明的迴轉法還可製造與由熔吹法製造的相似的高膨鬆的無紡布產品，而不需要一般紡織法所需的第二加工工序。
本發明的每支雙組分聚合物纖維都由兩種不同的聚合物組合物，即聚合物(A)和聚合物(B)組成。如果要製備雙組分聚合物纖維的理想截面，則纖維的一半是聚合物A，另一半是聚合物B。但在實際上，在纖維中可以有各種比例的聚合物、A和聚合物B存在，甚至在單支纖維的整個長度上也如此。聚合物A的百分比可佔纖維總體積的約5％-95％，其餘是聚合物B。總之，一組纖維如毛束可由不同百分比的聚合物A和聚合物B組成，包括少量是單一成分的纖維。雙組分纖維的優選組成將隨用途不同而異。對某些用途，雙組分纖維優選約含40％-60％重量的聚合物A，和40％-60％重量的聚合物B。
將儘可能平行取向的纖維在環氧樹脂中使纖維束固定可以得到纖維的截面照片。將環氧樹脂栓塞橫切並拋光。然後在拋光的試樣表面塗以薄碳層得到導電試樣供給掃描電子顯微鏡(SEM)分析。將試樣用反向散射電子檢測儀在SEM上進行試驗，灰度的變化表明平均原子序數的變化。例如，這種分析可由纖維截面上的明區和暗區說明兩種聚合物的存在，以及示出兩種聚合物的界面。
在圖8到12中，將聚合物A指定為聚合物90，聚合物B指定為聚合物92。如圖8所示，如果聚合物90與聚合物92的比值是50∶50，則聚合物90和聚合物92之間的界面88經過纖維截面的中心94。如在圖9中所示，如果聚合物92的粘度較低，則聚合物92可稍彎曲或包繞較高粘度聚合物90，從而界面88成為曲面。這要求由噴絲裝置出來的雙組分的聚合物纖維液流保持的溫度應足以使低粘度聚合物92繞高粘度聚合物90流動。必須調節噴絲裝置的操作參數，如熱空氣流速、鼓風機壓力以及聚合物溫度，才能得到所希望的低粘度聚合物的包繞。
如在圖10中所示的，較低粘度聚合物92幾乎總是繞較高粘度聚合物90流動。定量測定較低粘度聚合物繞較高粘度聚合物流動程度的一個方法是測定包封角，如在圖10中的α角。在某些情況下，較低粘度聚合物繞較高粘度聚合物流動形成至少270度的α角，即較低粘度聚合物繞較高粘度聚合物流動直到雙組分聚合物纖維的周表面96的至少270度是由第二種聚合物生成。
如在圖11中所示，在某些條件下，聚合物92可始終繞聚合物90流動，從而聚合物92包圍聚合物90形成包層。在此情況下，雙組分聚合物纖維的整個周表面96(360度)是聚合物92或較低粘度聚合物。
本發明方法不限於雙組分纖維，而還包括其它多組分纖維，如在圖12中所示的三組分纖維。為形成三組分纖維，分別將第一、第二和第三種熔融聚合物97、98和99供給具有針孔周壁的迴轉噴絲裝置。這些熔融聚合物保持分隔，直到在針孔會合。一個方法是使用具有如在圖6中的單行針孔的噴絲裝置，但在此將環狀水平法蘭82上的區域分成交替的小室，如在圖5中所示。這樣，從法蘭上面兩種液流送到每一針孔，而從法蘭下面將第三種液流送到每一針孔。其它結構的噴絲裝置也可以使用。第一、第二和第三種熔融聚合物作為熔融的三組分液流經針孔離心，將三元液流保持在足以使較低粘度聚合物之一可繞其它聚合物中至少一種流動的溫度。將三元液流冷卻後，形成三組分纖維。形成三組分纖維的另一方法是形成第一種聚合物以及第二和第三兩種聚合物混合物的熔融雙組分液流，其中第二和第三種聚合物具有不同的物理性質，所以在冷卻形成纖維後它們相互分離。多組分纖維還包括多於三種成分的纖維。以上敘述和熱塑性材料的物理性能的比較可適用於多組分纖維的每種材料。
本發明的雙組分纖維包括熱塑性材料相互呈平行排列關係的纖維。上面討論的迴轉設備一般生成這樣的平行排列的雙組分纖維。本發明的雙組分纖維還包括熱塑性材料之一形成芯，而另一種在芯周圍形成殼的纖維。可以用已知的方法專門建造迴轉設備以製成殼和芯雙組分纖維。總之，這種設備將一種熔融成分提供給針孔形成殼，將另一種熔融成分提供到殼內形成芯。還可以形成不同種類纖維的結合。本發明的多組分纖維還可以是異形纖維，將針孔製成各種形狀，所以形成的纖維可具有非圓形截面。在Huey等的U.S.Patent Nos 4,636,234和4,666,485中公開了製造異形纖維的方法。
實施例本發明的雙組分纖維可以由聚亞苯基硫(「PPS」)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(「PET」)製成。PPS的熔點約為285℃，PET的熔點約為270℃。將熔融的PPS和PET液流分別提供給周壁溫度約為205℃的圖6和7中說明的噴絲裝置。在將聚合物提供給噴絲裝置的溫度下，PPS的粘度約為4000泊，PET的粘度約為300泊。噴絲裝置的直徑約為20.3釐米，轉動提供的徑向加速度約為7600米/秒2。噴絲裝置周壁裝有350個針孔。經過針孔將熔融的PPS和PET的雙組分液流離心。液流冷卻後製得雙組分聚合物纖維並作為毛束收集。纖維的平均外徑約為25微米。
在優選的具體實施方案中已經解釋並說明了本發明的操作原理和方式。但是應該知道，除非專門說明或解釋，本發明可在未偏離其實質和範圍下實施。
本發明的多組分纖維可以用於許多用途，包括服裝、隔熱和隔音產品、過濾產品以及用作複合材料的粘合劑。
權利要求
1．製造熱塑性材料的多組分纖維的方法，此法包括將熔融熱塑性材料(A,B)提供到具有針孔周壁(32,66,74)的迴轉噴絲裝置(10,72)；將熔融熱塑性材料作為熱塑性材料的熔融多組分液流經針孔(56,70,84)離心；以及將液流冷卻以製造熱塑性材料的多組分纖維。
2．權利要求1的方法，其中多組分纖維是雙組分纖維(38,86)，第一種熱塑性材料(A)的熔點與第二種熱塑性材料(B)的熔點相差約大於10℃。
3．權利要求2的方法，其中第一種熱塑性材料(A)的熔點與第二種熱塑性材料(B)的熔點相差約大於25℃。
4．權利要求1的方法，其中多組分纖維是雙組分纖維(38,86)，第一種熱塑性材料(A)的熱膨脹係數比第二種熱塑性材料(B)的熱膨脹係數相差約大於5.0ppm/℃。
5．權利要求4的方法，其中第一種熱塑性材料(A)的熱膨脹係數與第二種熱塑性材料(B)的熱膨脹係數相差約大於10.0ppm/℃。
6．權利要求1的方法，其中多組分纖維是平均外徑約為5微米-50微米的雙組分纖維(38,86)。
7．權利要求6的方法，其中雙組分纖維(38,86)是平均外徑約為5微米-35微米。
8．權利要求1的方法，其中多組分纖維是雙組分纖維(38,86)，第一種熱塑性材料(A)與第二種熱塑性材料(B)的粘度相差約為5-1000倍。
9．權利要求1的方法，其中多組分纖維是雙組分纖維(38,86)，另外還包括將雙組分聚合物纖維作為毛束(20)收集，並使毛束經受高於第二種聚合物(B)熔點但低於第一種聚合物(A)熔點的溫度。
10．權利要求1的方法，多組分纖維是雙組分纖維(38,86)，第一種聚合物(A)的熔點與第二種聚合物(B)的熔點相差約大於10℃。第一種聚合物的熱膨脹係數與第二種聚合物的熱膨脹係數相差約大於2.0ppm/℃，纖維的平均外徑約為5微米-50微米。
11．權利要求10的方法，其中熱塑性材料的雙組分纖維(38,86)含約40％-60％重量的第一種熱塑性材料(A)和約40％-60％重量的第二種熱塑性材料(B)。
12．權利要求10的方法，其中第一種熱塑性材料(A)是選自聚亞苯基硫、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚醯胺以及它們的混合物的聚合物。
13．權利要求10的方法，其中第二種熱塑性材料(B)是選自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、瀝青和它們的混合物的聚合物。
14．製備熱塑性材料的雙組分纖維(38,86)的方法，此法包括將第一種(A)和第二種(B)熔融熱塑性材料提供到具有針孔周壁(32,66,74)的迴轉噴絲裝置(10,72)，其中第一種熱塑性材料(A)與第二種熱塑性材料(B)熔點相差約高於10℃；將熔融熱塑性材料作為熱塑性材料的熔融雙組分液流經針孔(56,70,84)離心；以及將液流冷卻以製造熱塑性材料的雙組分纖維。
15．權利要求14的方法，其中第一種熱塑性材料(A)的熱膨脹係數比第二種熱塑性材料(B)的熱膨脹係數相差約大於2.0ppm/℃。
16．權利要求14的方法，其中雙組分纖維(38,86)的平均外徑約為5微米-50微米。
17．權利要求14的方法，其中第一種熱塑性材料(A)是選自聚亞苯基硫、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚醯胺以及它們的混合物的聚合物。
18．權利要求14的方法，其中第二種熱塑性材料(B)是選自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、瀝青和它們的混合物的聚合物。
19．第一種(97)、第二種(98)和第三種(99)熱塑性材料的三組分纖維。
20．權利要求19的三組分纖維，此種纖維的平均外徑約為5微米-50微米。
全文摘要
在一製造雙組分的聚合物纖維(38)方法中,將第一種(A)和第二種(B)熔融聚合物提供給具有針孔周壁(32)的迴轉噴絲裝置(10)。熔融聚合物(A,B)作為熔融的雙組分聚合物液流經針孔離心。然後將液流冷卻製得雙組分的聚合物纖維(38)。
文檔編號D01D5/18GK1212736SQ97192633
公開日1999年3月31日 申請日期1997年2月27日 優先權日1996年2月29日
發明者M·T·派萊格倫, P·M·加溫, P·L·奧爾特, J·E·勞夫圖斯, R·M·哈尼斯, V·G·莫裡斯 申請人:歐文斯科爾寧格公司