具有粘土或二氧化矽添加劑的錐形刷鬃絲及用它製造的刷子的製作方法

2023-07-27 00:23:51 1

專利名稱：具有粘土或二氧化矽添加劑的錐形刷鬃絲及用它製造的刷子的製作方法
技術領域：
本發明涉及變形錐形長絲。具體地說，本發明涉及熱塑性聚合物的錐形長絲，其具有粘土或二氧化矽添加劑以增加長絲表面並改善當用於刷子應用時塗料的沾取(pickup)和釋放(release)性能。
合成長絲可由各種各樣熱塑性聚合物生產，包括聚醯胺、聚酯(美國專利3,706,111)以及聚烯烴，做成各種各樣構型，包括實心和空心，以及各種各樣斷面，包括圓形、橢圓、三腔、四腔、葉狀(美國專利4,279,053和4,376,746，加拿大專利1,007,032)，或者可含有大量孔隙。通過對不同的聚合物種類、構型和斷面的組合進行實驗，該領域已做了大量工作以期改善漆刷的沾取和釋放性能。然而，儘管有過去在本行業中引入的所有有關這方面的發明，但是目前質量最高、性能最好的專業刷子依然要算由尼龍6，12的錐形實心圓形長絲(特別是由杜邦公司按商品名TYNEX長絲銷售的長絲)與聚對苯二甲酸丁二醇酯錐形實心圓形長絲(特別是由杜邦公司按商品名OREL長絲銷售的長絲)共混所生產的。
美國專利5,032,456公開一種微孔長絲，旨在更好地模擬塗漆用天然豬鬃的表面。該長絲具有多孔表面，以改善沾漆和蘸漆性能，但是未顯示任何在釋漆性能方面的改善。正是由於表面上有這些孔隙，用這種長絲製造的刷子難以清理，致使這樣的長絲未能在當前上等專業刷子中獲得應用。在美國專利5,128,208中，利用一種容易分劈(flagged)的長絲來改善在油性漆中的沾漆性能。然而，這樣的長絲是不受青睞的，因為很難做到成尖(tip)而不分劈，而且不能提供在釋漆性能上的改善，特別是對水性漆的釋漆性能。美國專利4,279,053公開一種三腔和四腔長絲，以提供改善的分劈並降低長絲的密度。雖然這些長絲改善了分劈問題，從而可以改善刷子的沾漆性能，但是三腔長絲不具備用於上等專業刷子所要求的硬挺度和彎曲回復。
過去，在將各種不同粒度、各種不同量的粘土或二氧化矽加入到尼龍和聚酯長絲和纖維中以改善諸如強度、斷裂韌性或磨耗性之類的物理性能方面做了有意義的工作。杜邦公司銷售一種磨蝕長絲，商品名為TYNEXA，它含有矽酸鋁，但它不是製成錐形，而且未用於或建議用於漆刷。美國專利5,727,106公開了，將粘土作為拋光劑加入到尼龍和聚酯均勻(非錐形)長絲中，以製造牙刷。但是，該公開物並未考慮沾取和釋放性能或粘土添加劑在塗布用錐形長絲中的應用。粘土或二氧化矽也曾被加入到長絲和纖維中以更好地模擬天然鬃絲的表面外觀和感覺，然而尚未見到有關將粘土加入到漆刷用的或其他塗布用途用的錐形長絲中的工作。再有，尚沒有任何一種錐形長絲顯示過在沾漆和釋放和漆條長度方面有像本發明這樣程度的改進。
圖2是一根本發明的刷鬃絲。
發明詳述本發明長絲是採用在實心錐形熱塑性鬃絲的製造中通常用於長絲的擠出、拉伸和成錐形的設備製備的。為生產錐形長絲，長絲的拉伸可按照，例如美國專利2,418,492中所描述的方法實施，在此引入作為參考。
熱塑性聚合物樹脂粒料與粘土或二氧化矽添加劑進行共混。共混的樹脂隨後進料到擠出機中，它將熱塑性樹脂熔融並傳送熔融的聚合物。粘土按照組合物總重量的0.1％～10wt％的裝填比例加入。裝填比例若低於組合物總重量的0.1wt％，則達不到所要求的性能特徵。裝填比例超過10％，可能導致擠出過程偏離最佳狀態，例如出現斷絲或長絲拉伸困難。本發明長絲的尤其優選實施方案含有佔組合物總重量的約5wt％粘土或二氧化矽添加劑。
熔融聚合物經由噴絲板擠出成形為多條長絲單絲。單絲在通常注滿水的冷卻浴中受到驟冷而凝固。隨後，長絲按照由多個線速度組成的周期性預定程序進行拉伸，該線速度包括加速和減速階段以及勻速卷繞階段。一般而言，此類絲被做成錐形，從而產生相當於粗端直徑的約0.5～0.75倍的尖端直徑。隨後，每根長絲通過在兩個輥組之間接受拉伸而取向，其中第二輥組比第一輥組運轉得快，從而改善長絲的縱向強度。隨後，該取向長絲可接受加熱以誘導部分結晶，從而獲得良好的彎曲回復。熱定形通常是在氣體中進行的，例如長絲接受約30～90s的熱空氣吹拂，或者在液體浴中進行，例如讓長絲穿過油浴，歷時約2～10s。
隨後，在每個最小直徑點處將長絲切斷，並收集成為產品絲束。每個絲束在中點處再次切斷並修整端頭，於是生產出適合用於進一步加工為刷子的兩束絲束。單根鬃絲可按照傳統方式進行成尖和分劈(flagged)處理，例如參見美國專利2,697,009和2,911,761，在此引入作為參考。隨後，採用現有技術熟知的方法將鬃絲製成刷子。
本發明長絲可由多種多樣熱塑性聚合物製備，包括聚醯胺、聚酯和聚烯烴、苯乙烯類物質、氟聚合物、聚氯乙烯、聚氨酯、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，以及它們的任何組合。製造毛刷優選的聚醯胺包括尼龍6、尼龍11、尼龍6，6、尼龍6，10、尼龍10，10和尼龍6，12。尼龍6，12尤其優選用作漆刷、睫毛刷、指甲拋光刷和化妝刷。本發明長絲當用尼龍6，12生產時具有彎曲模量430～630ksi，拉伸強度37～80ksi，斷裂負荷0.80～12磅，伸長20～50％，彎曲回復90～100％。
已發現特別適合製造鬃絲的聚酯包括聚對苯二甲酸丁二醇酯和聚對苯二甲酸乙二醇酯及其共混物。可用於鬃絲製造的多種聚烯烴當中，優選聚丙烯。長絲也可通過一種或多種聚合物的共擠出以形成同軸結構、同心結構或其他構型的方式來製備。
本發明的優選粘土和二氧化矽添加劑的粒度介於0.01μm～100μm。有許多類型添加劑均可使用，包括但不限於，漆顆粒、橡膠顆粒、文石粘土、碳酸鈣、斜方粘土、方解石粘土、菱形粘土、高嶺粘土、膨潤土、磷酸二鈣、磷酸三鈣、焦磷酸鈣、不溶性(isoluble)偏磷酸鈉、沉澱碳酸鈣、正磷酸鎂、磷酸三鎂、氧化鋁、水合二氧化矽幹凝膠、金屬矽鋁酸鹽絡合物、矽酸鋁鈉、矽酸鋯、二氧化矽、碳化矽。粘土可以是水合的或無水的，並且可具有或不具有表面改性劑。例子包括但不限於，超細微高嶺土UF、超細微高嶺土121-S和超細微高嶺土Flat D，由Dry Branch，喬治亞的Dry Branch Kaolin公司製造；以及Burgess 2211，由Sandersville，喬治亞的Burgess顏料公司製造。
粘土或二氧化矽添加劑改變鬃絲的表面，從而降低鬃絲與鬃絲之間的表面摩擦，因而改善用於刷子應用時的塗布性能。塗料沾取、釋漆和漆條長度性能均可顯著提高。圖2說明本發明鬃絲的改性表面，這與

圖1中所示現有技術鬃絲表面形成對照。
本發明的刷鬃絲的尖端直徑介於0.003英寸～0.015英寸；粗端直徑介於0.005英寸～0.020英寸。該刷鬃絲可具有任何長度，僅僅受具體用途的限制。作為漆刷使用時，鬃絲的優選長度介於2.00英寸～5.00英寸，粗端直徑優選介於0.007英寸～0.015英寸，尖端直徑優選介於0.004英寸～0.010英寸。在睫毛刷的一個尤其優選實施方案中，鬃絲的優選長度介於0.50英寸～2.00英寸，優選的粗端直徑介於0.005～0.010英寸，而尖端直徑介於0.003～0.005英寸。至於其他用途，選擇鬃絲的優選直徑以為各個用途提供功能。
本發明鬃絲可具有不同斷面形狀，這是通過從噴絲板板片內的不同的毛細管形狀擠出而形成的。依所要求的鬃絲用途而定，採用現有技術已知的傳統方法，生產的每根長絲可以是挺直、彎曲、成圈或弧形的。本發明鬃絲可通過將聚合物與不同著色劑共混或者通過現有技術已知的其他著色技術製成任何顏色。鬃絲也可容易地成尖、分劈或按照與標準實心圓形錐形長絲相同的方式進行加工。
本發明將通過下面的具體實施例和對比實施例得到進一步說明。
尼龍6，12聚合物樹脂(商品名ZYTEL，由Wilmington，德拉瓦的杜邦公司市售供應)與按組合物總重量計10wt％粘土濃縮物(McHenry，伊利諾斯的Chroma公司市售供應)進行共混。該粘土濃縮物由在ZYTEL6，12尼龍樹脂中的50wt％Burgess 2211粘土構成，(它是由Sandersville，喬治亞的Burgess顏料公司製造的)。尼龍與粘土精礦的共混物重力進料到擠出機中。
120孔的噴絲板板片，帶有0.031英寸直徑圓形毛細管，安裝在噴絲板中，並且聚合物在240℃下擠出，並在噴絲板板片下面距離約1.0英寸的25℃水中驟冷。形成的長絲含有5wt％Burgess 2211粘土。所形成的長絲利用橡膠摩擦輥變成錐形，摩擦輥按照美國專利2,418,492所述，以周期性改變的表面速度運轉，從而產生從0.016至0.024英寸之間相應改變的單絲直徑。錐形長絲接受3.75∶1的拉伸比的取向，從而獲得從0.008變化至0.012英寸的單絲直徑。長絲從170℃～180℃的烘箱穿過而達到熱定形。紡絲、拉伸和熱定形以後，長絲在每個最小直徑點處切斷並收集成產品絲束。在絲束上放上橡膠帶，並沿中點將直徑為每束2.0英寸的產品絲束再次切斷並修整端部，於是就生產出兩束適合進一步加工為漆刷的絲束。生產出的這兩個鬃絲束具有實心圓形直徑，測定長度分別為3.50英寸和3.75英寸。
隨後，採用工業製造技術將鬃絲束製成兩個3英寸牆漆刷。刷子1由100％本發明尼龍長絲構成。刷子2由本發明尼龍長絲與市售實心圓形聚酯長絲的混合物構成。刷子1和刷子2被用於塗布性能評估試驗，並對比三種最好的市售專業刷子，刷子3、刷子4和刷子5，它們全都由不同尺寸和長度的市售實心圓形尼龍與聚酯長絲的混合物構成。
刷子按照杜邦長絲市場應用「漆刷評估試驗」中所述的步驟進行評估。該「漆刷評估試驗」測定刷子沾漆和釋漆(將漆落定在表面上)的能力，並用肉眼評定這方面的效果如何。該試驗的關鍵結果是用「沾漆量」、「釋漆量」和「漆條長度」測定值衡量的。漆條長度試驗模擬油漆工在垂直牆壁上塗布一水平漆條。採用特殊黑漆紙來做該漆條試驗。漆條長度是從漆條起點到刷子開始出現漏塗那一點的漆條的實際測量值。雖然該漏塗點帶有一定程度主觀性，但只要所有漆條都根據同一標準判斷，比較的結果將是一致的。測定這三種試驗標準的程序包括下列步驟(1)稱重夾具和刷子，包括刷柄在內，並記錄「夾具-刷子」重量。
(2)將刷子浸沒在漆中至鬃絲的規定長度並保持30s，然後讓油漆滴淌30s。
(3)稱取夾具和刷子連同漆的重量，並記錄「塗前」重量。
(4)用浸漆後的刷子塗一條從左至右的漆條，刷子不再回塗一條。
(5)迅速再次稱取夾具和刷子的重量，並記錄「塗後」重量。
(6)通過從「塗前」重量中減去「夾具-刷子」重量計算沾漆量。
(7)通過從「塗前」重量中減去「塗後」重量計算釋漆量。
(8)等漆變幹以後，立即測量從塗刷起點到刷子開始漏塗處漆條的長度。該測量值就是「漆條長度」。
試驗結果示於表1。該結果表明，本發明刷子(刷子1和2)的塗漆性能與目前有的最好刷子(刷子3、4和5)相比有顯著改善。
表1塗漆性能
因為刷子5在這些沾漆量和釋漆量試驗中達到最佳結果，故將刷子1和刷子2在沾漆量和釋漆量方面的性能結果與刷子5的結果做比較。因為刷子3在漆條長度試驗中達到最佳結果，故將試樣的漆條長度性能測試結果與刷子3的結果做比較。刷子1顯示46％沾漆量上的改善，23％釋漆量上的改善，以及22％漆條長度上的改善。刷子2顯示26％沾漆量上的改善，49％釋漆量上的改善，以及60％漆條長度上的改善。這些結果表明，本發明長絲，尤其當與聚酯長絲在一把刷子中共混時，達到了比標準尼龍和聚酯長絲顯著好的塗布性能。
採用實施例1中所述杜邦長絲「漆刷評估試驗」對刷子6進行評估。如同實施例1中一樣，因為刷子5在沾漆量和釋漆量試驗中達到最佳結果，故將刷子6在沾漆量和釋漆量方面的性能結果與刷子5的結果做比較。因為刷子3在漆條長度試驗中達到最佳結果，故將刷子6的漆條長度方面的性能結果與刷子3的結果做比較。刷子6的結果載於表1。同樣，採用本發明長絲顯示出明顯改善，在沾漆量上達到30％的改善，釋漆量上32％的改善，漆條長度上36％的改善。
儘管本發明是結合若干特定實施方案描述的，但本領域技術人員可以看出，在所附權利要求精神和範圍之內，本發明還可衍生出各種各樣替代方案。
權利要求
1.一種由包含熱塑性聚合物和粒狀添加劑的組合物生產的錐形長絲。
2.權利要求1的長絲，其中熱塑性聚合物選自聚醯胺、聚酯、聚烯烴、苯乙烯類物質、氟聚合物、聚氯乙烯、聚氨酯、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，及其任何共聚物和共混物。
3.權利要求1的長絲，其中粒狀添加劑在組合物中的存在量為組合物總重量的0.1～10wt％。
4.權利要求1的長絲，其中粒狀添加劑選自粘土或二氧化矽。
5.權利要求1的長絲，其中粒狀添加劑選自文石粘土、碳酸鈣、斜方粘土、方解石粘土、菱形粘土、高嶺粘土、膨潤土、磷酸二鈣、磷酸三鈣、焦磷酸鈣、不溶性偏磷酸鈉、沉澱碳酸鈣、正磷酸鎂、磷酸三鎂、氧化鋁、水合二氧化矽幹凝膠、金屬矽鋁酸鹽絡合物、矽酸鋁鈉、矽酸鋯、二氧化矽、碳化矽、漆顆粒和橡膠顆粒。
6.權利要求1的長絲，其中熱塑性聚合物是聚醯胺，而粒狀添加劑是高嶺粘土。
7.權利要求1～6中任何一項的長絲，它是刷鬃絲。
8.一種包含權利要求7的刷鬃絲的刷子。
9.權利要求8的刷子，它是漆刷。
10.權利要求8的刷子，它是化妝刷。
11.權利要求1～6中任何一項的長絲作為刷鬃絲的應用。
12.權利要求11的應用，其中刷鬃絲用於施塗表面塗層。
13.一種施塗表面塗層的方法，它包括提供權利要求8的刷子，以及用該刷子施塗表面塗層。
14.一種製造刷鬃絲的方法，它包括提供權利要求1～6中任何一項的長絲，以及由該長絲製造刷鬃絲。
15.一種製造刷子的方法，它包括提供權利要求7的刷鬃絲，以及由該刷鬃絲製造刷子。
全文摘要
一種具有粘土或二氧化矽添加劑以改善塗布性能的錐形熱塑性聚合物刷鬃絲,此類刷鬃絲尤其可用於漆刷、睫毛刷、指甲拋光刷和化妝刷消費品用途。
文檔編號D01F6/60GK1351682SQ00808032
公開日2002年5月29日 申請日期2000年5月24日 優先權日1999年5月25日
發明者R·A·布雷斯萊三世 申請人:納幕爾杜邦公司