裂膜纖維的集合體的製作方法
2023-05-03 06:19:56 2
專利名稱：裂膜纖維的集合體的製作方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及使多組分纖維開裂而製備的裂膜纖維，該多組分纖維包括至少兩種不同相容性的聚合物組分。
2.相關技術描述將兩種或更多種不同的聚合物組分共紡絲成為多組分纖維使得這些聚合物組分形成橫跨沿著纖維長度伸展的纖維的橫截面的非互鎖的可分離片段(segments)從而形成可開裂纖維。本技術領域眾所周知含細纖維的非織造織物是使較大的多組分纖維開裂成纖維狀網而形成的。多組分纖維中的纖維片段通過機械力，例如高壓水噴射(例如液壓纏結)、擊打、梳理或其它纖維的機械加工而分離。可開裂纖維也可以在熱處理中或者在拉伸過程中被分裂。選擇不相容的不同聚合物組分使得聚合物組分易於在開裂過程中分離。
Haggard等人的國際公開號WO 99/19131描述了一種在紡粘工藝中使纖維在線開裂的方法，其中通過多組分纖維中兩種或更多種組分的不同熱收縮率而實現開裂。
Gillespie等人的美國專利5,783,503描述了從熱塑性可開裂連續多組分纖維製備產品的方法。這些纖維在沒有機械處理或不使用高壓水噴射裝置的條件下，至少部分開裂成更細小的纖維。聚合物組分的不同結晶行為可促進裂膜。
Polanco等人的美國專利申請2003/0203695描述了可開裂多組分纖維，其中至少一種聚合物組分包括約10-95重量％的填料。這些聚合物本身可相容或可不相容，並且採用一種分離處理，例如與刮刀接觸，以便施加機械力使多組分纖維開裂。
Sasse等人的美國專利5,895,710描述了通過在熱的含水條件下拉伸纖維而由至少兩種不相容組分形成的多組分纖維的在線裂膜方法。
仍然存在不藉助於使用不相容聚合物和/或處理以誘導開裂而獲得細纖維非織造物和其它細旦尼爾纖維材料的需要。
附圖簡述
圖1和2為穿過具有並列截面的纖維的橫截面草圖。
圖3和4為穿過具有組合截面的纖維的橫截面草圖。
圖5和6為穿過具有分塊餅(segmented-pie)截面的纖維的橫截面草圖。
圖7為穿過具有菊花截面的纖維的橫截面草圖。
圖8為穿過具有鑲尖三葉形截面的纖維的橫截面草圖。
圖9顯示了適合製備雙組分紡粘網的常規紡粘設備的側視圖。
發明詳述本發明涉及包括小有效直徑裂膜纖維的纖維的集合體，其中這些裂膜纖維是通過使包含至少兩種相容性不同的聚合物組分的多組分纖維開裂而獲得的。在相容性聚合物組分的相鄰片段間發生這種開裂。在一個實施方案中，這種纖維集合體包括非織造網。例如，這種纖維集合體可包括紡粘非織造網，該網包含以紡粘工藝製備的連續裂膜纖維，該工藝過程中，在紡粘網鋪網之前，不需要加熱或另外加工，就可將這些多組分纖維開裂。
在此使用的術語「共聚物」包括無規、嵌段、交替和接枝的共聚物，其通過將兩種或多種共聚單體聚合而製備，並因此包括二元聚物、三元聚合物等。
在此使用的術語「液晶聚合物」(LCP)囊括了顯示液晶性能同時在熔融時顯示流動性的聚合物。LCP在熔融時是各向異性的，即它們在熔融態下顯示分子取向性。分子取向由雙折射度量，其用第一方向和與第一方向垂直的第二方向上的折射率之差來表徵。雙折射可使用本領域已知的方法以偏光顯微鏡測定。非LCP在熔融態下是各向同性的。在此使用的術語「熱塑性各向同性聚合物」是指在熔融態下各向同性的熱塑性聚合物，這可由熔體相中缺少分子取向表徵，即它的折射率基本上與熔體中的方向無關。
在此使用的術語「聚酯」擬包括其中至少85％的重複單元是二羧酸與二羥基醇的縮聚產物的聚合物，二者通過形成酯單元而鍵合。
在此使用的術語「非織造織物、片材、層或網」是指獨立的纖維、長絲或細線結構，它們被以無規的方式定位以形成沒有一致圖案的平面材料，與編織或織造織物相反。非織造織物的實例包括熔噴網、紡粘網、梳理網、氣流成網、溼法成網和射流噴網以及包含多於一層非織造層的複合網。
在此使用的術語「紡粘纖維」是指通過從多個具有擠出纖維直徑的細的通常為圓形的噴絲板毛細孔中擠出纖維狀的熔融熱塑性聚合物材料，然後通過拉伸使擠出纖維的直徑快速減小，接著驟冷纖維而熔紡的纖維。紡粘纖維通常是連續的纖維。
在此使用的術語「熔噴纖維」是指通過熔噴法熔紡的纖維，其包括使可熔融加工的聚合物經過多個毛細孔擠出成為熔融細流，進入到高速氣體中(如空氣)氣流中。熔噴纖維直徑通常為約0.5至10微米，而且通常是不連續的，但也可以是連續的。
在此使用的術語「紡粘-熔噴-紡粘非織造織物」(SMS)是指在兩個紡粘層之間夾合一層與兩個紡粘層粘著的熔噴纖維層的多層複合片材。可在SMS織物中引入另外的紡粘和/或熔噴層，例如紡粘-熔噴-熔噴-紡粘(SMMS)等等。
在此使用的術語「多組分纖維」是指由至少兩種不同的聚合物組分製造的纖維，所述的多個組分已經一起紡絲形成單根纖維。該至少兩種聚合物組分排列在橫跨多組分纖維截面的不同的基本上固定的區域或片段中，這些區域沿著纖維長度方向基本上連續地延伸。在此使用的多組分纖維包括在紡絲工藝中開裂前作為中間纖維存在的可開裂的多組分纖維。這種開裂對應由不同的聚合物區域所形成的多組分纖維中的片段形成裂膜纖維片段。這種可開裂纖維在本申請中也稱作「母體」纖維。這種多組分母體纖維在從其被紡出的噴絲板孔出來時基本上立刻開裂。多組分纖維的一種特定類型是由兩種不同的聚合物組分製備的一種雙組分纖維。多組分纖維與從聚合材料的均質或非均質的單一共混物擠出的纖維是不同的。在此使用的術語「多組分非織造網」是指含有多組分纖維的非織造網。在此使用的術語「雙組分非織造網」是指含有雙組分纖維的非織造網。多組分網可包括多組分纖維和單組分纖維兩者。為了形成可開裂纖維，這些聚合物組分按照非咬合的構型配置，從而不同的聚合物片段在開裂時容易開裂。至少一個含一種不同聚合物組分的可分離片段形成纖維外圍表面的一部分，並且其具有不被其鄰近片段包封的，從而與相鄰的一個或多個片段的分離不受到物理性阻礙。本領域公知可裂膜纖維的橫截面。
在此使用的術語「裂膜纖維」是指在多組分纖維通過在多組分纖維的不同聚合物組分的相鄰片段之間分離而使多組分纖維分離或開裂成兩根或更多根纖維片段時所獲得的纖維。裂膜纖維包括已部分地從多組分母體纖維上裂離出來的纖維。術語裂膜纖維還包括在其中從噴絲孔擠出前不同聚合物組分進行接觸並在出噴絲孔時自發分開的方法中所紡制的纖維。
在此使用的術語「相容性聚合物」是指可形成可溶混的共混物的聚合物，即這些聚合物在熔融共混在一起時是可溶混的。
可使用聚合物溶解度參數選擇適用於本發明的相容性聚合物。在本領域各種聚合物的溶解度參數是公知的。例如，在1973年International Textbook Co.，Ltd.，出版的J.M.G.Cowie的《聚合物現代材料的化學和物理(PolymerChemistry and Physics ofModern Materials)》第142-145頁發表了有關溶解度參數的討論，在此將其內容引入本申請作為參考。多組分纖維中相鄰排列的可相容的不同聚合物組分理想地具有小於約3(cal/cm3)1/2的溶解度參數差異。更優選，相鄰聚合物組分存在的溶解度參數差異小於約2(cal/cm3)1/2。當不同聚合物組分中的一種或多種包含兩種或多種聚合物的共混物時，體積加權平均值用於計算溶解度參數。例如，如果一種聚合物組分是25體積％的聚合物A與75體積％的聚合物B的共混物，則這種共混物的溶解度參數如下計算0.25(聚合物A的溶解度參數)+0.75(聚合物B的溶解度參數)。
合適的非咬合的纖維的橫截面示於圖1-圖8。圖1和圖2例示了雙組分並列的橫截面，其中第一聚合物組分的片段1與第二聚合物組分的片段3相鄰，第一聚合物組分與第二聚合物組分是相容的。每個片段在纖維長度方向上基本上連續，兩種聚合物組分均被暴露在纖維表面上。這些片段之間的界面5′和5″可以分別如圖1所示是直的，或者如圖2所示是彎曲的。圖3和圖4例示的截面構型中，至少一種聚合物組分形成與第二聚合物組分的一個或更多個片段9交替排列的兩個或更多個片段7，類似於並列織物置。圖5例示了一種分塊餅形纖維的橫截面，包括第一聚合物組分和第二聚合物組分的交替楔形片段11和13。圖6例示了與圖5類似的一種中空分塊餅形纖維橫截面，不同的是圖6的母體纖維具有穿過纖維中心延伸的孔隙15。圖7例示了本領域中有時稱為菊花橫截面的一種橫截面，其中一種聚合物組分的片段17為花瓣形的，而且其被第二聚合物組分的相鄰片段19部分覆蓋。儘管花瓣形片段由於相鄰片段的覆蓋而存在某些部分的咬合，但是這些片段能夠容易地分開形成裂膜纖維。圖8例示了一種鑲尖三葉形的橫截面，其中一種不同聚合物組分在葉的尖部形成片段21。適於形成可裂膜纖維的其它橫截面是本領域公知的。這些纖維橫截面可對稱或不對稱。這些纖維可為圓形橫截面的，或者為諸如橢圓或多葉橫截面等其它橫截面形狀的。不同聚合物組分可等量或不等量地存在。優選對紡絲條件和設備進行選擇，使得單根裂膜纖維片段具有小於0.04-50微米的有效直徑。例如，裂膜纖維片段可具有不大於約10微米的有效纖維直徑，優選其在約1微米至10微米的範圍內。在此使用的具有不規則橫截面的纖維(例如由本發明的至少部分開裂纖維而獲得的裂膜片段或裂膜片段的組合)的「有效直徑」等於具有相同橫截面面積的假想圓纖維的直徑。
本發明的材料優選由可開裂母體纖維形成，該母體纖維含有第一聚合物組分和第二聚合物組分，該第一聚合物組分包括液晶聚合物，該第二聚合物組分包括熱塑性各向同性聚合物。第一和第二聚合物組分以相鄰片段排列在非咬合橫截面中，例如上述的橫截面中。合適的LCP包括液晶聚酯，例如美國專利5,525,700中描述的那些液晶聚酯，其在此引入本申請作為參考。液晶聚酯可為全芳香(基於芳香二醇和芳香二羧酸)的，或者可為部分芳香(基於一種或多種含2至10個碳原子的脂肪二醇和芳香二羧酸)的。母體纖維中的第二聚合物組分經過選擇以便其與第一聚合物組分相容。當第一聚合物組分含有液晶聚酯時，第二聚合物組分可選自熱塑性各向同性聚酯，例如聚(對苯二甲酸乙二醇酯)、聚(對苯二甲酸-1，3-丙二醇酯)、聚(對苯二甲酸-1，4-丁二醇酯)、聚(萘二甲酸乙二醇酯)和聚(對苯二甲酸環己二甲酯)及其共聚物或共混物。可使用其它聚酯共聚物，包括其中基於二酸組分約5-30摩爾％由間苯二甲酸酯基(例如源於二甲基間苯二甲酸)形成的聚(對苯二甲酸乙二醇酯)共聚物，和其中基於二醇組分約5-60摩爾％由-1，4-環己烷二甲醇形成的聚(對苯二甲酸乙二醇酯)共聚物。可從Eastman Chemicals(Kingsport，TN)以PETG共聚物獲得的經過-1，4-環己烷二甲醇改性的聚(對苯二甲酸乙二醇酯)共聚物。
令人驚訝的是，母體多組分纖維的相容性聚合物片段是容易開裂的。這與現有技術情形相反，現有技術教導，為了取得明顯開裂效果，使用不相容的聚合物片段或者在至少一種聚合物組分中要求高填料加入量的相容聚合物片段。通常，這種多組分纖維在紡絲過程中至少部分開裂，並且因此一般不分離出「未開裂」的纖維。本發明的裂膜纖維材料不要求為了引起母體纖維開裂而分開進行加熱、機械處理、液壓處理或化學處理。在多組分進行紡絲過程中，母體纖維能自發開裂。
在一個實施方案中，本發明的纖維集合體包含復絲紗或絲束。在本發明的一個優選實施方案中，由多組分纖維開裂形成的纖維集合體包括非織造織物或非織造網。非織造網可包括紡粘非織造網，其包含基本上連續的紡粘裂膜纖維。可替換地，非織造網可包括熔噴網，其包含裂膜熔噴纖維。纖維集合體可包含第二纖維，這種第二纖維包括單組分和/或多組分纖維，其可為連續纖維或不連續纖維。第二纖維可與裂膜連續纖維共混，或者它們可作為單獨的層沉積在裂膜連續纖維的網上。可替換地，纖維集合體可基本上由裂膜連續纖維組成。
在一個實施方案中，纖維集合體含有多層非織造網，其中至少一層包含裂膜纖維集合體。例如，這種纖維集合體可為含至少一個紡粘層和至少一個熔噴層的多層網，其中該紡粘層和/或熔噴層包含由多組分纖維開裂形成的裂膜纖維，這些多組分纖維包含一種或多種LCP片段和一種或多種熱塑性各向同性聚合物片段。在一個這樣的實施方案中，纖維集合體包含熔噴層和紡粘層的組合，例如SMS、SMMS等非織造織物，其中至少一個紡粘層包含本發明裂膜連續纖維的集合體。在另一個這樣的實施方案中，纖維集合體是SMS、SMMS等非織造織物，其中該熔噴層包含按照本發明製備的裂膜纖維。可替換地，紡粘層和熔噴層可各自含有本發明的裂膜纖維。一種或全部聚合物組分可包含本領域已知的非聚合物添加劑，包括抗氧化劑、顏料、填料等等。這些添加劑不是為了獲得組分開裂而要求添加的。通常，在使用了顏料和/或微粒填料時，它們的存在量為少於約5重量％，基於含這種添加劑和/或填料的聚合物組分。術語「微粒」用於本申請是指顏料和其它固體填料。例如，基於包含這種微粒的聚合物組分，微粒可總共添加約2重量％或更少。
圖9顯示了用於由兩種不同聚合物組分製備紡粘網的常規紡粘設備的側視圖。將液晶聚合物餵入加料鬥40而熱塑性各向同性聚合物餵入加料鬥42。將加料鬥40和42中的聚合物分別進料到擠出機44和46，它們各自對其中所含的聚合物進行熔融和加壓，並迫使其分別通過過濾器48和50以及計量泵52和54。兩股聚合物流在紡絲頭組合體56中按照已知方法組合，從而產生需要的非咬合纖維橫截面。可以選擇這些聚合物組分以便熱塑性各向同性聚合物比LCP組分的熔點更低，以便於紡粘織物的熱粘結。例如，熱塑性各向同性聚合物的熔點可比LCP的熔點低至少10℃，並更優選其熔點比LCP的熔點低至少20℃。可替換地，LCP的熔點可更低。如果熱粘合法未被用於粘結紡粘織物，則聚合物組分可具有類似的熔點。例如，如果通過使用高壓水噴射裝置(液力纏結)纏結使非織造網結合，則熔點差異就不重要了。熔融的聚合物經過許多位於噴絲板58表面上的毛細孔或開孔離開噴絲頭組合體56，形成纖維簾幕60。這些毛細開孔可以按照常規樣式排列在噴絲板板面上，例如矩形排列的、交錯排列的或者一些其它構型。用驟冷空氣62冷卻這些纖維，然後在鋪放形成非織造網之前通過一個氣流拉伸噴嘴64。由一個或多個引導空氣吹向纖維的常規驟冷箱(未示出)提供驟冷空氣，其速率通常為約0.3至2.5米/秒且溫度在5℃至25℃範圍內。可替換地，可使用雙側驟冷系統，其中從兩側引導驟冷空氣到達纖維簾幕上，以便獲得更均勻的驟冷效果。在驟冷步驟中，纖維的溫度被充分地降低，使得纖維在通過噴嘴時不再彼此粘住，或者粘在噴嘴的內壁上。將空氣66饋入拉伸噴嘴並對纖維提供拉伸張力，引起纖維在噴絲板板面附近被拉伸。饋入拉伸噴嘴中的空氣可以是熱的或不熱的。離開拉伸噴嘴的纖維67被沉積在鋪網輸送帶或成網篩網68上，形成連續纖維的網70。網70可任選地從熱粘合輥72和74之間通過，然後收集在輥78上。
不希望受理論的約束，認為在驟冷步驟中聚合物固化時，這些纖維至少部分開裂。當出自驟冷區的纖維在鋪網形成紡粘網之前經過氣流拉伸噴嘴時，可能發生了進一步的開裂。
測試方法在以上描述中，採用下列測試方法確定各種報告的特徵和性能。
有效纖維直徑是用光學顯微鏡測定的，並且以微米為單位報告平均值。對於包含本發明裂膜纖維集合體的每個樣品，測量並平均約100根纖維的直徑。
聚合物的熔點根據ASTM D 3418-99使用差示掃描量熱法(DSC)測定。
權利要求
1.一種纖維集合體，其包含第一聚合物組分的許多第一纖維片段和第二聚合物組分的許多第二纖維片段，該第一聚合物組分包含第一液晶聚合物，該第二聚合物組分包含第一熱塑性各向同性聚合物，其中第一和第二聚合物組分是相容的，並且第一和第二纖維片段通過包含第一和第二纖維片段的多組分纖維的至少部分開裂形成，該第一和第二纖維片段排列在橫跨多組分纖維橫截面的不同非咬合區域中，並且沿著多組分纖維長度基本上連續地延伸，其中在第一和第二纖維片段之間發生開裂。
2.一種非織造網，其包含權利要求1的纖維集合體。
3.權利要求2的非織造網，其中第一和第二纖維片段包括連續纖維。
4.權利要求3的非織造網，其中非織造網是紡粘網。
5.權利要求2或4任一項的非織造網，其中第一和第二纖維片段具有非圓形的橫截面形狀。
6.權利要求5的非織造網，其中第一和第二纖維片段是楔形的。
7.權利要求4的非織造網，其中第一和第二纖維片段的有效纖維直徑介於約0.04微米和50微米之間。
8.權利要求7的非織造網，其中第一和第二纖維片段的有效纖維直徑不超過約10微米。
9.權利要求4的非織造網，進一步包含粘著到紡粘網第一側上的一個熔噴纖維層。
10.權利要求9的非織造網，其中熔噴纖維是多組分纖維。
11.權利要求9的非織造網，其中熔噴纖維層包含許多第三和第四纖維片段，其中第三纖維片段包含第二液晶聚合物，而第四纖維片段包含與第二液晶聚合物相容的第二熱塑性各向同性聚合物，第三和第四纖維片段通過多組分熔噴纖維的開裂形成，該多組分熔噴纖維包含排列在橫跨多組分熔噴纖維橫截面的不同非咬合區域中的第三和第四纖維片段，並且沿著多組分熔噴纖維長度方向基本上連續地延伸，其中在第三和第四纖維片段之間發生開裂。
12.權利要求2的非織造網，其中第一和第二纖維片段包括熔噴纖維片段。
13.權利要求2或4任一項的非織造網，其中液晶聚合物選自全芳香聚酯和部分芳香聚酯，而熱塑性各向同性聚合物是聚酯，其選自聚(對苯二甲酸乙二醇酯)、聚(對苯二甲酸-1，3-丙二醇酯)、聚(對苯二甲酸-1，4-丁二醇酯)、聚(萘二甲酸乙二醇酯)和聚(對苯二甲酸環己二甲酯)、聚酯共聚物以及它們的共混物。
14.權利要求13的非織造網，其中熱塑性各向同性聚合物是聚酯共聚物，其選自其中基於二酸組分約5-30摩爾％由間苯二甲酸酯基團形成的聚(對苯二甲酸乙二醇酯)共聚物，和其中基於二醇組分約5-60摩爾％由-1，4-環己烷二甲醇形成的聚(對苯二甲酸乙二醇酯)共聚物。
15.一種紡粘非織造織物，其包含第一聚合物組分的許多第一連續纖維片段和第二聚合物組分的許多第二連續纖維片段，該第一聚合物組分包含液晶聚合物，該第二聚合物組分包含熱塑性各向同性聚合物，其中第一和第二纖維片段通過許多包含第一和第二聚合物組分的片段的多組分纖維的開裂形成，第一和第二聚合物組分排列在橫跨多組分纖維橫截面的不同非咬合區域中，並且沿著多組分纖維長度基本上連續地延伸，其中在第一和第二聚合物組分的片段之間發生開裂。
16.權利要求15的紡粘織物，其中多組分纖維的橫截面選自分塊餅形和中空分塊餅形的橫截面。
17.包含裂膜纖維的紡粘非織造織物的製備方法，包括以下步驟(a)從噴絲板熔紡許多可開裂的連續多組分纖維，這些多組分纖維包含第一聚合物組分和第二聚合物組分，第一和第二聚合物組分排列在橫跨多組分纖維橫截面的不同非咬合區域中，並且沿著多組分纖維長度基本上連續地延伸，第一和第二聚合物組分各自構成多組分纖維外圍表面的至少一部分，其中第一和第二聚合物組分是相容的，並且第一和第二聚合物組分各含少於5重量％的微粒；(b)在第一和第二聚合物熔融時，在多組分纖維離開噴絲板後拉伸它們；(c)驟冷多組分纖維，其中多組分纖維在完成驟冷步驟之前，至少部分地自發開裂；和(d)在收集表面上沉積至少部分開裂的纖維，以形成紡粘非織造網。
18.紡粘織物的製備方法，包括以下步驟(a)從噴絲板熔紡許多可開裂的連續多組分纖維，這些多組分纖維包含第一聚合物組分和第二聚合物組分，該第一聚合物組分含一種液晶聚合物，而該第二聚合物組分包含熱塑性各向同性聚合物，第一和第二聚合物組分排列在橫跨多組分纖維橫截面的不同非咬合區域中，並且沿著多組分纖維長度基本上連續地延伸，第一和第二聚合物組分各自構成多組分纖維外圍表面的至少一部分，其中第一和第二聚合物組分是相容的；(b)在第一和第二聚合物仍然熔融時，在多組分纖維離開噴絲板後拉伸它們；(c)驟冷多組分纖維，其中多組分纖維在完成驟冷步驟之前，至少部分地自發開裂；和(d)在收集表面上沉積裂膜纖維，以形成紡粘非織造網。
全文摘要
由不同相容性聚合物組分形成的裂膜纖維所形成的纖維集合體，其中這些可相容聚合物組分中的至少一種包括液晶聚合物，而這些可相容聚合物組分中的另一種包括熱塑性各向同性聚合物，並且儘管是可相容的，但是液晶聚合物組分容易與熱塑性各向同性聚合物組分分離，且不需要為裂膜進行單獨的機械或化學處理步驟。
文檔編號D04H1/42GK1973070SQ200580020934
公開日2007年5月30日 申請日期2005年6月24日 優先權日2004年6月24日
發明者V·班薩爾 申請人:納幕爾杜邦公司