空心纤维鉴定的改进及关于空心纤维鉴定的制作方法

专利名称：空心纤维鉴定的改进及关于空心纤维鉴定的制作方法
技术领域：
本发明涉及纤维鉴定的改进及关于纤维鉴定，包括一种制造空心纤维并使其具有以后可用来鉴定该纤维的特征的新方法，这种新颖的空心纤维被如此标记，使其可以被鉴定；包含这种标记纤维的制品和材料，特别是作纤维填料的充填材料(通常简称为“纤维填料”)；由这种标记纤维构成的制品，包括絮垫、纤维团和其它制品，以及由这种标记纤维构成的材料；获得这种空心纤维、其制品和材料的工艺和装置。
纤维厂商的顾客要求厂商提供的纤维其性能一致。换言之，厂商的顾客要求，任何特定纤维的特性在几年间生产的不同批的该种纤维在各批之间不应显著改变。无论如何，纤维制造厂商能鉴定不同生产批次中的纤维，同时保持顾客要求的一致性和均匀性。例如在犯罪学上作为一种使凶手或其它犯人受到审判的方法的纤维鉴定具有很坏的名声。然而厂商还具有更现实和实用的原因需要鉴定批量生产的特定纤维。所以长期以来希望找到一种经济而有效的系统来鉴定纤维。例如先前一种方法是在纤维上加上化学的或核的标记，但是这种方法增加花费、复杂而且还具有缺点、例如容易在制造之后某个人而不是纤维制造厂商便可以加上同样标记，所以扰乱了这种鉴定系统。
具体是，长期以来需要一种经济方法来鉴定和区别弹性的空心纤维(特别是聚酯空心纤维)，该纤维是卷曲的，在制品中用作纤维填料，该制品例如为絮垫、纤维团和其它充填材料，以及充填纤维的制品例如枕头、絮纤维的衣物、盖被、垫子以及这一类的床上用品和装饰材料等。这种卷曲的空心纤维具有一个沿整个纤维长度的单一的连续孔隙，并包括Tolliver在美国专利No.3 772 137中公开的纤维，该纤维的孔隙率约13％至约25％，其卷曲频率为每英寸约5～12个卷曲(每厘米约2～5个卷曲)，卷曲度约25～35。如前所述，重要的是任何鉴定系统不应当改变纤维的性能和特性。
本发明解决了鉴定和区别空心纤维的这一要求，方法是在空心纤维的横截面结构上提供直观的鉴定标记。这种标记仅用目视法便可鉴定空心纤维，即不显著影响纤维的性能。具有本发明这种目视鉴定标记的纤维本文中通常称为“鉴定纤维”(或“鉴定丝”)。
在本文中通常兼顾性地使用词“纤维”和“丝”，而不意味着使用一个词便排斥另一个词。
因此本发明提供一种制备合成聚合物空心丝的工艺，该工艺包括以下步骤通过分段的弧形纺纱毛细孔，后聚合熔纺合成聚合物，该毛细孔形成分段的圆周，使得形成的新纺出的束流聚合，形成具有连续内表面的连续空心丝，随后冷淬，使空心丝固化，然后如果需要，拉伸形成的固体空心丝和/或进一步加工，和/或转化成定长纤维，其特征在于，熔化聚合物还通过位于上述分段圆周内的分离的小孔小量地纺丝，使得在空心丝的内表面上形成可直观鉴定的小凸出部。如下面将说明，所形成的凸出部最好小到使空心丝的空心横截面的不规则度(如本文定义)小于5％。
按照另一方面，本发明提供一种作为新制品的由合成聚合物构成的空心纤维，该纤维沿其整个长度具有单一的连续孔隙、高达30％的孔隙度以及一空心横截面，该横截面显示出从上述单一连续孔隙的内表面凸入该单一连续孔隙的带特征的聚合物材料，上述空心横截面的不规则度(如本文定义)小于5％。
按照再一方面，本发明提供作一种新制品的作纤维填料的充填材料，该纤维填料包括合成聚合物构成的弹性的卷曲的空心卷曲纤维，其中，各个上述空心充填纤维沿其整个纤维长度具有单一的连续孔隙、高达30％的孔隙率上述作纤维填充的充填材料可利用所有上述纤维或预定比例的上述纤维进行鉴定，这些纤维具有空心横截面，该横截面显示出从单一连续孔隙的内壁上凸入该单一连续孔隙内的带特征的聚合物材料，上述空心横截面的不规则度(如本文定义)小于5％。
空心纤维的空心横截面的不规则度这样定义空心横截面具有从内表面凸入到空心横截面内的凸出部分，用凸出部分的面积除以凸出部分的面积和空心横截面的面积之和(然后乘以100)便可计算出用百分率表示的不规则度。此定义使凸出部分的面积与空心截面的面积(即孔隙横截面积)区别开。
按照本文公开的其它方面，本发明提供一种纤维填料(和包括充填该纤维的制品)，其中，上述纤维填料包括合成聚合物构成的有弹性的卷曲的空心充填纤维；例如，至少上述纤维重量的10％的纤维具有沿纤维整个长度的单一连续空隙，并具有显示出从壁(即从该孔隙内表面)凸入到该孔隙内的带特征的聚合物材料的横截面，由此，通过上述带特征的聚合物材料可以从类似的合成聚合物纤维中识别出上述纤维，该类似聚合物纤维不包含任何这种凸出的聚合材料，但是其性能特性(作充填材料的特性)不会显著不同于上述纤维。
因此按照本发明，从合成材料(第一)纤维的单一孔隙的内壁凸出的聚合物材料被用于鉴定上述(第一)纤维并使其有别于其它空心纤维，该其它空心纤维具有类似的横截面和与第一纤维(被鉴定的和有区别的纤维)相同的性能特征，当然，除了该其它纤维不具有从纤维壁内表面凸出的聚合物材料以外。
还提供一种空心合成聚合物丝，该丝具有沿其纤维长度的单一连续孔隙，其中，纤维的横截面积显示出该带特征的聚合物纤维从壁上凸入上述孔隙，因此上述带特征的凸出聚合物材料可使上述纤维区别于不含有任何这种凸出聚合物材料的类似合成聚合物纤维，但该类似聚合物纤维的性能特性与上述纤维没有显著差别。
其它方面包括本文公开的方法、装置和制品。
优选的特征包括采用聚酯聚合物作合成聚合物纤维和/或带特征的聚合物材料的材料，最好用作二者的材料。
在大多数方面，采用本专业中已知的例如本文提到的方法以常规方式制备本发明的作纤维填料的充填材料和弹性的卷曲的空心充填纤维。优选的空心纤维用聚酯聚合物特别是用聚对苯二甲酸乙酯制作，为方便起见本文中更具体地说明了此优选实施例，但很清楚，对于其它的合成聚合物例如聚酰胺或聚丙烯，由于例如其熔点和特性如熔融粘性的差别，本专业技术人员可以进行适当的改变。在本专业中一种这样的公开例是Tolliver的美国专利No.3 772 137，该专利在其

图1、3和5中公开一种空心合成丝和用于用合成聚合物包括聚酯纺出这种丝的毛细喷丝头，这种丝包括单一的连续空隙。
图1～4是本发明的如下所述已纺成空心丝的横截面放大照片。
图5是先有技术的常规已纺成空心丝的横截面放大照片。
图6是毛细喷丝头的放大图，示出喷丝头的下表面，该喷丝头用于纺出图1～4所示的本发明的优选的丝。
图7是放大照片，示出本发明的优选丝，不仅示出横截面，而且还示出纤维是卷曲的，如本文下面将说明的。
参照附图的图6，该图示出用于纺出本发明丝的毛细喷丝头的放大图，应当注意到与Tolliver的图5所示喷丝头的类似性。毛细孔由四个总的用编号11、12、13和14表示的单独扇形部分构成，呈圆周槽口19、20、21、22的形式，该槽口弯曲而形成一个不完全圆的弧段。在各个圆周槽口19、20、20、21的各个端部分别是“接片”23和24、25和26、27和28与29和30，它是上述槽口的放大端部，有助于后聚合喷出的熔化聚合物，从而形成所要的空心固体丝，如从先有技术例如Tolliver的美国专利No.3 772 137中知道的。本文图6中的重要的新差别(即区别于Tolliver的图5之外)是提供了孔40。挤压通过孔40的熔化聚合物固化并聚合在空心纤维的内壁上，该空心纤维由挤压通过槽口11、12、13和14的熔化聚合物的后聚合形成，从而形成从识别纤维内壁上凸入到孔隙中的识别凸出部。如可以理解的，凸出部的相对位置可以沿丝的长度变化。
这种已纺成的空心识别丝的横截面示于图1～4，该丝包含一个单一的孔隙及从内壁上向该孔隙中凸入的聚合物，在这些图中大多数横截面清楚地显示凸入到孔隙中的聚合物。图1中的两个横截面(在中心水平行的左端和下面的相邻的水平行从左端数的第四个)没有清楚显示出凸入孔隙的聚合物；我认为这些丝的横截面实际上是相似的，或许是因为丝的横截面被切开的方式和/或照片角度而不能清楚地看到凸出的聚合物。图2～4示出识别丝的横截面的其它放大照片，在这些图中可以清楚看到凸出部并示出了放大倍数。
这种识别丝用作充填材料的性能和特性与不包含凸出聚合物的并示于图5的类似常规先有技术纤维的性能和特性相当。纤维填料丝是如此细，因而不放大时每个人便毫无疑问地不能看到横截面中的任何孔隙，或不能看出纤维是实心的、空心的还是多孔隙的，更不用说看清楚任何孔隙是否部分地充填凸出聚合物。换言之，不放大横截面并对它们进行分析和比较，大多数人是不能确定本发明的丝和先有技术的常规丝之间有显著差别的。所以采用不同的毛细喷丝头而形成不同的横截面内部结构便可以经济地达到本发明的目的而不改变纤维的内部或其性能。
本发明新型纤维的性能与没有任何凸出部的类似纤维的性能是相同的。本发明纤维中的凸出部不对性能(例如膨松性)产生任何影响，但在检验(放大的)横截面时则直观地显示出来，所以纤维起着直观识别件的作用而不影响其性能。虽然引用不规则度已证明是方便的，但是我们最好避免使用基于面积的关系，因为我们最好作成看起来像突跃尖头一样的凸出部，因为逐渐变厚的较长壁部分不容易直观地看出，因而对新的发明不是最好的。但是我们的确测量了图1～4的横截面不规则度，它们约为1.5％，即远低于5％。
一般要求凸出部显著地可检测地伸入到孔隙中，伸出量达到丝平均壁厚的约5％或10％，考虑到上述这一要求，伸出量不超过平均壁厚的35％。要平缓地增厚壁不像突跃大的尖头那样容易被检测出来。重要的目的是要有一个相当容易看的特征，特别是应用同样的聚合物材料时。
Tolliver公开他的空心纤维的孔隙率约为13～25％，这种孔隙率对本发明的纤维也是合适的和有用的。孔隙率为12～20％的空心纤维特别适用于作纤维填料。通过形成本发明的凸出材料也可以用来识别大范围的高达30％的孔隙率。孔隙率一般至少应为10％，再小便不能形成与实心纤维的显著差别，但这似乎取决于所要纤维的最终用途，因为厚壁有时比孔隙率更重要。
对销售的一批纤维，不一定要使每一根丝(即100％)都有识别件，而可以包括其比例可调的(例如至少为重量的10％)特别标记的丝，并将该比例记录下来。但是如果需要，每条丝均可具有识别件。
另外，用单一聚合物来纺丝成本较低，一般是优先的，所以凸出部的聚合物材料和丝的其余材料是相同的，如果需要也可以用不同的聚合物，从而对组合的纤维或纤维批提供更好的鉴定。
如容易理解的，本发明适合于很多改变。例如，考虑到一般要求尽量增大孔隙率而利用存在的孔隙，凸出部相对于孔隙的数目和构形可以在某种有限的范围内改变。
在以下的例子中进一步例示了本发明，除非另有说明，所有成分和百分率均按重量计。涂在丝上的涂层(光滑剂和涂料)是OWF(相对于纤维的重量)。利用美国专利No.4 712 988(Broaddus等)所述的方法测定相对粘度(有时称作LRV)和孔隙率(按体积，用漂浮法测定)。膨松度测量是一般评价纤维填料性能的方法。采用Tolliver的美国专利No.3 772 137中所述的方法测定。卷曲特性也基本上按Tolliver所述进行测量。
举例用纺出的丝切成纤维填料，该丝用粘度为20.4的聚对苯二甲酸乙酯在以下条件下纺出聚合物温度291～297℃，以1277码/min(1167m/min)的速度通过具有363个毛细孔的喷丝头，每个毛细孔的通过量为0.278英磅/h(0.126kg/h)，采用图6所示的孔。该丝被组合形成922000松驰拉伸但尼尔的丝束。该丝束在保持在约95℃的热的温喷雾拉伸区被拉伸，采用拉伸比为3.5倍。然后在常规的填塞箱卷曲机(尺寸3.5英寸，8.9cm)中卷曲拉伸的丝，卷曲到每英寸约8.5个卷曲(每厘米约3.3个卷曲)的卷曲频率，从而得到约0.6英寸(15mm)的支承膨松度(在0.2英磅/英寸2的膨松度)，然后在180℃的炉中松驰卷曲的丝束。在松驰之前用包含约纤维重量1％的硅酮的涂料使纤维光滑，从而获得平均为0.3的摩擦。再涂上一层约为纤维重量0.07％的常规抗静电外涂层。已发现该纤维的平均孔隙率约为18％，每条纤维的但尼尔数为6。纤维的外周是圆形的和光滑的。
本发明的已纺成纤维具有图1～4中示出的横截面。该丝包括单一的连续孔隙。在这些空隙的内周面上是起识别标记作用的凸出部。如从以下的比较可以看出的，本发明的作为充填材料的这些纤维的性质(具体为膨松特性)基本上类似于类似的常规纤维(除不存在起直观鉴定标记作用的凸出材料外)。
比较将上述纤维填料与现时常规的经光滑处理(同样约1％)的空心制品比较，该制品具有同样的但尼数(约为6)和平均孔隙率(约18％)，并用常规毛细孔(如图6所示的毛细孔但没有孔40，即大体上如Tolliver的美国专利No.3 772 137的图5示出的毛细孔)纺出，并同样卷曲到约每英寸8.75个卷曲数(每厘米约3.4个卷曲数)的卷曲频率，由此形成同样的0.59英寸(15mm)的支承膨松度。这些常规丝(已纺成状态)具有图5所示横截面。这些横截面不同于本发明丝的横截面之处在于，它们不包括从内壁凸入该孔隙的纤维识别标记。
在上述比较试验中，在将包含本发明标记纤维的纤维填料的膨松度与包含同样横截面的但孔隙是空的(即没有标记)的纤维作的纤维填料的膨松度比较时，均要将比较的各组纤维在相同的填塞箱卷曲机中在相同的条件(用相同速度、温度分布和压力)下进行卷曲。图7是本发明的卷曲的空心纤维的放大照片，示出多少类似于图1～4放大照片中横截面的空心横截面，只是可以见到多根纤维，所以该照片可以显示出采用这种填塞箱的确可以以常规方式卷曲这种纤维。
本发明的空心纤维可以加工成制品例如絮垫和纤维团(有时称作絮团)和进一步加工成枕头、絮入纤维的衣物、被子、褥垫以及类似的床上用品和装饰材料，如在先有技术包括在本文中特别提到的先有技术和例如Le Van的美国专利No.3 510 888、4 999 232，Marcus的不同美国专利No.4 618 531、4 783 364、4 794 038、4 818 599、4 940 502、5 169 580以及Belcher等的美国专利No.5 088 014中所公开的。虽然迄今为止大多数纤维填料包括切短的纤维，例如上述公开的纤维，但采用不为丝束的连续丝作纤维填料的商业兴趣不断增加，如Watson在美国专利No.3 952 134和3 328 850中公开的。因此本文也考虑了应用不为丝束的连续丝作纤维填料，本发明不限于切断纤维，也不限于包含这种切断纤维的纤维填料。另外，如在这种技术中已很好理解，将纤维混合或掺合起来用作纤维填料是很平常的。因此下面的情况也视为是可能的，即本发明的纤维填料可基本上整个地由本发明的标记纤维构成，或者这些标记纤维可以与其它纤维混合；因此作纤维填料的充填材料可以通过其全部的或其部分的标记纤维进行鉴定。如本专业技术人员已很好理解的，纤维填料是作纤维填料的充填材料的简称，或是较短的纤维充填材料的简称，涉及用于充填制品的膨松体，该制品包括枕头、褥垫和其它的装饰材料，包括其它的床上用品例如睡袋、床垫、被子、衣物以及绒被等，在衣物中例如大衣以及其它的保温衣物，不管是用填料填塞还是不填塞。卷曲是一种重要的特征，它形成对纤维填料基本要求的膨松度。纤维一般用机械装置卷曲，通常在填塞箱卷曲机中，例如在Halm等人的美国专利No.5 112 684中所述的卷曲机中卷曲。也可以用其它方法进行卷曲，例如应用不对称冷淬，或应用例如Marcus在美国专利No.4 618 531和4 794 038中以及在本文提到的文献中报告的双组份丝，以形成“螺旋形”的弯曲。所有这些是本专业的技术人员很清楚的。
权利要求
1.一种制备合成聚合物的空心纤维的方法，包括以下步骤通过弧形分段的纺丝毛细孔后聚合熔纺合成聚合物，该毛细孔形成分段的圆周，便利形成的新鲜纺出的熔融喷流聚合并形成具有连续内表面的连续空心丝，然后冷淬而固化该空心丝，如果需要再拉伸该最后得到的固化空心丝，和/或进一步加工；和/或转化成定长纤维，其特征在于，熔化聚合物也通过一个分开的小孔少量地纺丝，该小孔位于上述分段的圆周内，使得在空心丝的内表面上形成可目视鉴定的小凸出部。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述合成聚合物是聚酯。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述合成聚合物是聚酯，上述熔化聚合物也是聚酯。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，上述熔化聚合物的聚酯与上述合成聚合物的聚酯相同。
5.制品，它是合成聚合物的空心纤维并具有沿其纤维长度的单一连续孔隙，高达30％的孔隙率和一空心横截面，该横截面显示出从单一连续孔隙的内表面凸入该单一连续孔隙内的带特征的聚合物材料，上述空心横截面的不规则度(按本文定义)小于5％。
6.由纤维填料的充填材料构成的制品，该纤维填料包括由合成聚合物制成的弹性卷曲的空心充填纤维，其中，上述空心充填纤维具有沿其纤维长度的单一连续孔隙和高到30％的孔隙率；并且上述纤维充填材料由全部的或预定比例的上述纤维鉴定，该上述纤维具有一空心横截面，该横截面显示出从单一连续孔隙内表面凸入该单一连续孔隙内的带特征的聚合物材料，上述空心横截面的不规则度(按本文定义)小于5％。
7.如权利要求5或6所述的制品，其特征在于，上述合成聚合物是聚酯。
8.如权利要求5、6或7中任一项所述的制品，其特征在于，上述合成聚合物是聚酯，上述带特征的聚合物材料也是聚酯。
9.如权利要求8所述的制品，上述带特征的聚合物材料的聚酯与上述聚合物的聚酯相同。
全文摘要
空心纤维通过其孔隙由鉴别特征物局部充填而被区别,该特征物是带特征的聚合物材料的凸出部。这种材料与其余纤维的材料相同或不同。该凸出部通过适当调节纺丝孔,即在形成纤维的挤压期间被形成。
文档编号D02G3/00GK1200776SQ95197992
公开日1998年12月2日 申请日期1995年10月12日 优先权日1995年10月12日
发明者I·A·赫南德兹 申请人:纳幕尔杜邦公司