用以集合连续喷气纺纤维的方法和装置的制作方法

专利名称：：用以集合连续喷气纺纤维的方法和装置的制作方法Ⅰ．本发明的背景和概要A．本发明的概要本发明提供一种用来产生一连续单维排列的高强度小直径的沥青基质碳纤维的方法和装置。一般来说，本发明提供一种喷气纺丝法，它能创造一种在喷气纺丝速度下具有熔融纺丝产品类型特性的喷气纺产品，因此本发明能改进产品的均匀性和生产经济性。但本发明特别适用于从含碳沥青的喷气纺纤维。其他用途可从以下的公开中获知。B．本发明的背景由于喷气纺丝在技术上已为人所熟知，这里仅对一般术语进行讨论。一种典型的喷气纺丝法利用一种可纺的物质，一种一般是气体的衰减介质，和一个包括用来形成纤维的毛细管的纺丝模子。在纺丝过程中，纤维从毛细管中离开，并与衰减介质相接触而使每根纤维被拉伸或伸长，从而增加其长度和减小其直径，由于衰减介质一般是一种气体，所以也影响到纤维的骤冷速度。典型地用喷气纺丝法所纺制的纤维是短而不连续的纤维，其长度小于2英寸。相反熔融纺纤维则一般是具有基本上无限长度的连续纤维。在正常情况下，熔融纺纤维的长度由设计来选定，而并非由生产纤维的方法所支配。另外，熔融纺纤维比喷气纺纤维具有更好的旦数均匀性。喷气纺可采用几种形式的模式。一般地说，喷气模子是通过把衰减气体送入与纤维相接触的方法来鉴别的。两种常用的设计是环形模和槽形模。具体地说，在环形模中，衰减气体的泄离是围绕着每一毛细管而形成一环带状，并与纤维的方向成平行。衰减作用是由于气体对纤维的拖拉而形成的。在槽形模中，衰减气体在模子顶端的任何一侧以槽子状而形成一角度而泄离与纤维相接触。由模子几何形状决定的接触角是根据可纺物质而予以最佳化，以便获得所需的纤维特性。本发明对各种喷气纺丝模子均能应用。典型的喷气纺丝法使纺制的纤维落到一个位于衰减作用后面的集合表面上。视纤维的组成而定，这种方法产生一种两维或三维的短的随机排列的纤维毛层。用此方式集合的纤维可能含有不需要的弯曲或扭结而导致纤维抗张强度的降低。弯曲和扭结的主要原因被认为是在纤维骤冷过程中由衰减气体所产生的扰动。在技术上熟练的人们已认识到，纤维集合过程是在获得高抗张强度纤维中的一个决定性的步骤。先前的用来集合喷气纺纤维的技术方法由于把它们集合在三维的随机毛层中，所以典型地增加了弯曲和扭结的纤维数目。最近美国专利No．5，648，041发表了把纤维集合在二维的毛层中的方法，但获得二维毛层的方法则需要额外的加工设备和对衰减气体的严格控制。如同熔融纺丝法所表明，制造厂商们长期来已认识到单方向的纤维铺放或集合在例如一锭子或筒管上，能产生根本的纤维性能。然而在本发明之前，在喷气纺丝法中用来达到此目标的方法却未曾被发现。本发明通过提供一种用来集合连续的喷气纺纤维的装置和方法而克服了以前在喷气纺纤维中所遇到的困难。另外，本发明的方法和装置提供了连续纤维的单一方向的集合。这里所用的“连续纤维”的术语表示纤维基本上具有无限的长度。连续纤维长度的中断一般发生在有意识的切断式是由于制造上的问题。另外，用本发明所产生的纤维对纤维的均匀度和抗张强度有所改进。最后，本发明提供的喷气纺丝法能以一相当于喷气纺的速度来产生一熔融纺类型的产品。Ⅱ．本发明的主要公开内容本发明提供一种装置用来以喷气法纺制连续的无限长度的纤维。此新的装置包括一至少具有一根用来形成纤维的毛细管的喷气纺丝模子，和用来引导衰减气体同从毛细管中泄离的纤维相接触的装置。该装置还提供一个用来对纤维在热定形或骤冷也就是固化之前施加张力的装置。另外本发明还可以选用地提供用来把纤维在集合到一接收装置之前，从纤维列或纤维束中驱除气体和蒸汽的装置。另外，本发明提供一种用来纺制连续的喷气纺纤维的方法。本发明的方法通过加热一种可纺物质和使它通过一纺丝模子来形成纤维。纤维通过一衰减气体而衰减。在衰减以后，本方法还通过一张紧装置在纤维上保持一张力来防止在纤维中形成松驰。连续的喷气纺纤维可集合在张紧装置上或一个后继的诸如筒管或卷绕辊上。本发明还额外提供一用来从含碳的沥青中纺制直的喷气纺纤维的方法。此新方法利用一种在纤维上保持张力的装置，在纤维热定形或骤冷之前来消除松驰。本发明还包括把所述纤维在一接收装置上集合成一经纱片或横动的连续长丝束。如果需要的话，本发明可提供在纤维集合到接收装置之前去除气体和蒸汽的装置。最好是在接收装置之前通过施加在纤维上的横流通风来除掉气体和蒸汽。最后，此新方法也能适用于从诸如含碳沥青，包括尼龙在内的聚酰胺，例如涤纶“Dacron”的聚酯，丙纶，包括“莱克拉”(LYcra)在内的聚氨基甲酸酯，诸如“凯天拉尔”(Kevlar)(聚对苯二甲酸对苯二胺)的芬芳聚酰胺，以及诸如中相沥青，溶解的中相沥青和Zenite的液晶材料等的材料中来纺制纤维，当然也并不仅限于这些。其中所有商标均系杜邦公司的注册商标。另外在纺制沥青基纤维时，本发明提供一连续的直的喷气纺纤维，这种纤维没有扭结。弯曲和其他在喷气纺中所存在的降低纤维机械性能的疵点。因此本发明能产生一具有明显地更高抗张强度的纤维。另外，本发明还可提供从喷气纺丝法所产生的连续纤维来制备横动的连续纤维束，经纱片，和单一方向的长丝粗纱织物。Ⅲ附图的简要说明图1是本发明装置的示意图。Ⅳ具体说明A．喷气纺和集合纤维用的装置参照附图，本发明提供一喷气纺丝和纤维集合装置10。装置10具有一典型的由代号20代表的喷气纺丝模子。一个蒸汽去除系统30，和一个张紧装置40或其他适当的在所纺制的纤维上保持张力的装置。喷气纺丝模子在技术上已为人们所熟知。其实如前所述，喷气纺丝模子有几种熟知的变形。本发明可适用于各种喷气纺丝模子。关于喷气纺丝模子功能的其他信息可参阅以下参考文献“熔融纺丝过程中的振动和稳定性”，工业和工程化学研究1993年32期，3100-3111页，Rio和Shambough著；“用以生产微纤维的熔融纺丝法的宏观观点”，工业和工程化学研究，1988年27期，2363-2372页，Shambough著；“实际空气喷咀矩形排列的三维温度领域”，工业和工程化学研究，1994年33期，730-735页，Mohammed和Shambough著；“超细热塑纤维”，VanA．Wente著，工业和工程化学，48卷第8期，1956年8月，1342-1346页；以及美国专利No．4，847，125，No．4，380，570，以及No．5，286，182．本发明的选用的蒸汽去除系统30，在可纺物质含有诸如不起反应的单体的挥发组分或被变成溶剂化物的沥青的溶剂组分时是特别有用的。被变化溶剂化物的沥青是由本发明的受让人所开发的，并在美国专利No．5，259，947，No．5，437，780，5，501，788和No．5，538，621中公开，它们在这里被收编为参考。在推荐的实施例中，蒸汽去除系统30是位于模子20与张紧装置40之间。推荐的蒸汽去除系统利用一个或几个吹风机(图中未表示)或其他装置来产生一气体或空气的横流或运动。横流通风能有效地去除碳氢气体或其他从纤维束内部带走的组分，并有助于附着在丝束的长丝上，在集合之前从纤维列或丝束内部去除挥发组分可改进纤维的可加工性。最后，本发明的装置包括一张紧装置40，如图所示，装置40可以是像一单独筒管或有边筒管一样简单，它在连续的喷气纺纤维上施加张力。也可以在装置40的前面或后面采用额外的筒管、辊筒、针和热夹板等来完成冷拉伸和热定形功能。所用的准确的结构或装置对本发明而言并不是至关重要的，而首要的重点是在所纺制的连续的纤维上提供一种用来保持足够张力的装置，以消除在纤维形成后和在集合过程中的纤维松驰。恒定的张力可使连续的纤维在一线性的排列中对准而集合成对技术上熟练的人们所周知的任何方式，例如一经纱片或横动的连续长丝束。B．喷气纺制连续的直的纤维的方法继续参照附图，本发明提供一种用来集合连续的喷气纺纤维的方法，如在技术上已知那样，用各种集合的方法能产生一经纱片，一个横动的连续纤维束，或其他产品。如前所述，喷气纺制纤维的方法是众所周知的。但虽已知道把连续的喷气纺纤维集合成单一方向形式的优点，而在本发明之前则尚未取得成功。根据本发明的方法，喷气纺纤维是通过使一种可纺物质经过一喷气纺丝模子的毛细管而形成的，当纺制的纤维离开毛细管时，它们被衰减气体所接触，经过衰减以后，纤维可选用地通过一蒸汽去除系统30来除掉任何可能从纤维列中被带走的未经反应的单体或溶剂。这些材料最好在纤维集合之前除掉。特别是当从变成溶剂化物的沥青中来制备纤维时，这尤为重要，因为任何遗留的碳氢物的存在将使所生产的产品降级。蒸汽去除的方法最好通过产生一横流抽吸来完成。横流抽吸最好发生在纤维衰减之后和在纤维集合之前。横流抽吸可由一个或几个吹风机、空气压缩机或其他适当装置来产生(图中未表示)。蒸汽去除的方法不应与在纤维的熔融纺中典型地发生的常用的横流骤冷工序相混淆。从变成溶剂化物的沥青中所纺制的纤维在模子附近快速地骤冷和热定形。其靠近的范围由快速膨胀和冷却的衰减气体所控制，因此从变成溶剂化物的沥青中所产生的纤维在蒸汽去除之前已经完成了骤冷过程。在纤维形成以后，本发明利用一个张紧装置40在纤维上保持一恒定和均匀的力。在纤维上施加张力可消除纤维的弯曲和可能出现的扭结，以便于连续的无限长度的喷气纺纤维的集合。另外，在纤维形成后施加一恒张力能使纤维排直在一线性列中，以便集合在一筒管上作为一经纱片或横动的连续纤维束。额外的张力在纤维的衰减上的冲击将视可纺物质而变动，但额外的张力并不作为一主要的衰减力，而主要是由衰减气体来实现此功能。一旦连续的纤维已排直在一筒管或其他适当的集合装置上以后，纤维便可切断进行进一步加工。纤维从筒管上取下的方式将决定最终产品的特性。如果沿着筒管的长度进行一单独的切割，纤维可作为一排直的单一方向的长丝粗纱布取走，其长度等于筒管的圆周。如果需要短而直的长度均匀的长丝，纤维可从筒管上以特定的间隔而切下以获得所需长度的丝。或者像在技术上熟练的人员所知道的那样，纤维也可从筒管上进行加工，在取下或退绕以后切断到所需长度，然后进行拉伸、整经或以其他任何所需的方式进行加工。另外，在连续纤维由张紧装置40排直以前或以后，还可采用辊筒，针，热夹板和其他已知的装置来完成冷或热的拉伸和热定形功能。C．连续的直的喷气纺碳纤维本发明特别适用于从中相沥青和变形溶剂化物的沥青中来纺制连续的纤维。在美国专利No．5，648，041中讨论了从变成溶剂化物的沥青，特别是中相沥青中来生产直的纤维的困难性。其中指出，纤维在由衰减气体所产生的扰动区域内的快速骤冷趋向于产生纤维的扭结和弯曲。但是通过采用张紧装置40，本发明便能提供连续的喷气纺纤维。另外，本发明通过以更高的单丝和复合的强度位移来生产纤维，还增加了更小直径产品的潜力。最后，本发明还允许使用更大的纺丝模子中毛细管的直径，从而减少在小的毛细管中所遇到的诸如堵塞的困难。表1表示本发明的纤维与用以前的方法所制的纤维相比，具有改进的抗张强度和初纺纤维直径的变动较小。所示的测试结果是从同一批变成溶剂化物的中相沥青中用同一喷气纺丝模子所取得的。如表1所示，集合在筒管上的本发明的纤维比集合成毛层的纤维具有更高的抗张强度和更小的初纺纤维直径的百分比变动系数，百分比的纤维直径变动系数(％CV值)是用百分比表示的标准偏差除以平均纤维直径的一个数据组。较小的％CV值表示在纤维旦数的均匀度上有了改进。表1变动系数<tablesid="table1"num="001"><table>集合方法纤维特性抗张强度(公斤／英寸2)初纺纤维直径的％CV毛层扭结的2856．1毛层扭结的27811．2筒管直的3783．9筒管直的4205．8</table></tables>本发明的其他实施例对于在技术上熟练的人员而言，只要考虑一下此规格或本发明的实践，便可显而易见。上述的规格仅作为一个实例，而本发明的实际范围和精神在后面的权利要求中加以说明。权利要求1．一种用于喷气纺制连续纤维的装置包括一具有至少一根用来形成纤维的毛细管的喷气纺丝模子；用来在从毛细管离开的纤维上引导一衰减气体的装置；在所述纤维经过衰减后用来在纤维上保持张力的装置。2．根据权利要求1的装置，其中所述的用来在所述纤维上保持张力的装置是一种机械装置。3．根据权利要求1的装置，其中所述的在所述纤维上保持张力的装置是从筒管、辊筒、或卷绕辊等装置群中来选取。4．根据权利要求3的装置，还包括一个在所述的纤维衰减后用来在所述纤维中排除气体和蒸汽的装置。5．根据权利要求1的装置，其中所述的在所述纤维上用来保持张力的装置也提供一个用来集合所述纤维的装置。6．一个用来从中相沥青中纺制连续的直的喷气纺纤维的方法包括使所述的中相沥青通过位于喷气纺丝模子内部的毛细管来使中相沥青形成纤维；通过使所述纤维同衰减气体相接触来衰减所述纤维；在衰减以后在所述纤维上保持足够的张力来防止松驰部分的形成。7．根据权利要求6的方法，其中所述纤维被集合在一接收装置上。8．根据权利要求6的方法，其中所述纤维被集合成一经纱片或一横动的连续长丝束。9．根据权利要求8的方法，其中所述经纱片或横动连续长丝束被进一步加工成一单向的长丝粗纱织物。10．根据权利要求6的方法，其中在把所述纤维集合到所述的接收装置之前，将气体和蒸汽从所述纤维中排除掉。11．根据权利要求6的方法，其中所述气体和蒸汽是在接收装置之前，在纤维上施加的横流通风来去除的。12．一种用来纺制连续的直的喷气纺纤维的方法包括把一种可纺物质加热到一足以允许所述物质流动的温度，然后使所述物质进入一纺丝模子，并通过位于所述模子内部的毛细管而形成连续的纤维，然后当所述纤维离开毛细管时通过使所述纤维同至少一个气体流的接触来使纤维衰减，其中的改进包括在所述纤维衰减以后，通过张紧装置在所述纤维上保持一张力。13．根据权利要求12的方法，还包括把所述纤维在一卷绕装置上集合成一经纱片或横动的长丝束的步骤，卷绕装置是用来接收来自所述张紧装置的所述纤维。14．根据权利要求13的方法，还包括一在集合所述纤维之前去除气体和蒸汽的步骤。15．根据权利要求13的方法，其中在所述纤维集合之前，在纤维上施加一横流通风。16．一个横动的连续长丝束包括由喷气纺丝法所纺制的众多连续纤维。17．根据权利要求16的横动连续纤维，其中所述纤维是从包括含碳沥青、聚酰胺、尼龙、聚酯、聚丙烯、聚氨基甲酸酯、芬芳聚酰胺、和液晶等材料群中来纺制的。18．一个经纱片包括由喷气纺丝法所纺制的连续的纤维。19．根据权利要求18的装置，其中用来在所述纤维上施加张力的所述装置是从包括筒管、辊筒、和卷绕辊等的装置群中来选取。20．一种单一方向的长丝粗纱织物从由喷气纺丝法所纺制的连续纤维来制备。21．根据权利要求20的装置，其中所述的用来在所述纤维上施加张力的装置是从包括筒管，辊筒和卷绕辊等的装置群中来选取的。全文摘要本发明提供一种用来喷气纺制连续纤维的方法和装置(10)。此方法利用一喷气纺丝模子(20)和一个张紧装置(40)来消除纤维中的松弛。本发明也提供利用喷气纺丝法所纺制的连续纤维所制的纤维产品。文档编号D01F9/145GK1279734SQ98811374公开日2001年1月10日申请日期1998年9月9日优先权日1997年11月20日发明者J·A·罗杰尔斯,D·F·洛斯隆,R·A·罗斯申请人:康诺科有限公司