新型合成水分散性纤维的技术范围的制作方法

专利名称:新型合成水分散性纤维的技术范围的制作方法
本发明涉及新型合成聚合物水分散性纤维，特别是聚(对苯二甲酸乙二醇酯)及其制法。
最近，人们对水分散性纤维，特别是聚酯纤维的兴趣不断增加。这种水分散性纤维用于各种无纺织物中，包括造纸，湿法成网非织造织物，有时作为混合物的一部分，常常与大量的木纸浆或玻璃纤维混合;也可只应用聚酯纤维，即不与其他纤维混纺。这种用法与过去多数常规用法完全不同，因为常规要把纤维束或切短纤维转化为纺纱，其最终产品为纺织织物或针织织物。在常规用法中，如棉纺系统中，要把纤维，通过梳理程序，转化为纱。就是这种需要水分散性能，把本发明与过去常规的、聚酯短纤维的领域区别开来。
这种水分散性聚酯纤维多数是聚(对苯二甲酸乙二醇酯)，其制法与常规纺织业中制造聚酯短纤维的方法，本质上是一样的，但是，绝大多数水分散性纤维不卷曲，而通常用于纺纱的任何聚酯短纤维，在转化成短纤维前，呈丝束状时，都是卷曲的。因此，水分散性聚酯纤维的制法，一般采用熔融纺丝法，把聚酯转化为单丝，数个单丝联合成为丝束，再通过拉伸，应用适当的涂层，使之具有水分散特性，其方法与常规的纺织纤维束的表面处理方法使获得额外松散性相类似;一般在不卷曲的情况下(在某些情况下，赋予轻微波浪形，和三维卷曲基质)，把丝束转化为短纤维。先有的聚酯短纤维做成未卷曲，可用来做起绒织的短绒，但是，这种用法，就不需要水分散性能。
聚酯纤维本质上是疏水性的，因此，要用适合的涂料，已公开的专利有Ring等人提出的4，007，083号美国专利;Hawkins提出的4，137，181号，4，179，543号，4，294，883号美国专利，Viscose Suisse公司提出的958，350号英国专利。这些专利克服了聚酯纤维的内在疏水性而不起泡或引起纤维絮凝。正是这种涂料较之聚酯本身的固有特征性能或如断面等的形状在内更能显示出水分散性聚酯纤维与多数常规聚酯短纤维的区别。到目前为止人们已知道，所有的商用水分散性聚酯纤维都是圆断面的。其实绝大多数商用聚酯短纤维的断面一般都是圆的，人们认为用圆的最好。
迄今为止，虽然大部分的合成聚合物水分散性纤维都是由聚酯组成的，这是由于它便宜而且数量大，但现在开始大量应用聚烯烃和聚酰胺制备水分散性纤维。本发明并不限于用聚酯，也用其他合成聚合物。
本发明现提供一种新型合成聚合物水分散性纤维，特别是聚酯纤维，其特点是纤维呈扇形椭圆断面。
如本文所叙述的，用扇形椭圆断面可用于其他聚酯纤维。除了断面之外本发明有关水分散性纤维，与以前的水分散性聚酯或者其他合成聚合物纤维相类似，虽然本文下面叙述各种优点还可增加各种改进的可能性。本文下文将特别用聚酯纤维做参考，但其他的聚合物，如聚酰胺和聚烯烃，也同样可用。
本发明所涉及的纤维的简单制法是，采取熔融纺丝和拉伸制成具有一定单丝旦数的聚酯单丝，并应用适当涂敷使之具有水分散特性。然后按最终用途的要求，通常将多个单丝切断成所需长度的短纤维。
令人惊奇地发现，本发明叙述的水分散性纤维，采用扇形椭圆断面，比采用圆断面，促进其分散性，其结果可以从本文的实例中看到，它具有较好的湿法成网均匀性，更加柔软感，更加不透明，透气性好。
图1为本发明典型纤维的扇形椭圆断面。
图2为本发明纺丝用的典型喷丝孔。
上面曾经提过，扇形椭圆断面已广泛应用于常规聚酯短纤维，纺丝成为单丝，拉伸，切断，制成纺纱，然后制成机织品和针织品。这种纤维不具备本发明所需的水分散特性。Gorrafa氏在3，914，488号美国专利报导过具有扇形椭圆断面的聚酯单丝，并建议用于做仿毛皮织物。Frankfort等人在4，134，882号和4，195，051号美国专利中叙述过扇形椭圆断面的取向聚酯单丝，以其甚高速度(6000码/分)纺丝出来。这种速度也可作为制备取向聚酯单丝的基质，然后应用适当的涂敷，使之具有水分散性，获得符合本发明的水分散性纤维。Franklin氏一九八四年十月二十五日USSN664，803的申请中建议，以扇形椭圆断面的部分取向单丝来做拉伸变形加料丝。以上所说的几个工艺，没有一个与本发明的有关领域相同。本发明提出的制造水分散性纤维所用的聚酯单丝基质，可以依照本文叙述的技术制备出来，也可以通过上述或已知的非圆形断面聚酯单丝制造技术，稍加改进制备出来。
Gorrafa氐在3，914，488号美国专利和Franklin氏在USSN664，803专利中，把扇形椭圆断面的参数公开，参见本文图1。这个扇形椭圆实质上是椭圆形，其长短轴的长度明显不同，从这个意义上讲，这和以前的工艺中叙述的圆形和多凸瓣单丝具有显著区别。由于其他旧工艺中对对称性多凸瓣断面有专门术语，因此人们在考虑扇形椭圆的四个圆弓部分(Gorrafa语)作为凸瓣，会令人误解。Gorrafa氏和Franklin氏推荐的尺寸。其特征如下
如图1，纤维的断面形状可由纤维断面的显微照片测定出来。A为长轴X上断面的长度，A等于2R(断面外接半径)。B为短轴Y上断面的宽度。断面的长度与宽度之比为A/B。
单丝熔融纺丝时，聚合物的流动，往往使断面的周边发生平滑的弯弧或者平滑的弯弧和直线的综合形。测量时，可考虑把周边作为直线和圆弧。应用这种观点，本发明的单丝，在长断面轴上的每一端有个凸瓣，凸瓣的最突部分呈圆弧形，弯曲度比半圆大。每个凸瓣的半径用r1表示，同样，断面短轴Y上的每一端有另外的圆弧，以r2表示。图1所示，两个圆弧的曲线中心位于短轴的同一点上，这是不重要的。如Gorrafa所叙述的实例中，曲线中心可以被分开。长轴上凸瓣的头端半径比为r1/R，短轴上最顶部位为r2/R。
Gorrafa和Franklin叙述过，断面的另一个特点，即距离d是两个扇形之间的距离，由横过纤维断面的长轴来测定。
最好的尺寸接近于下列比例断面长短比A/B为1.4至2.4，长轴上凸瓣的半径比r1/R为0.20至0.45，短轴上凸瓣半径比r2/R为凸瓣半径比r1/R的0.8至2.1倍。为使具有本发明所需性能;断面必须呈扇形边状，为此，d/2r1之比，最好在0.6至1.0之间。
上述图象看来是很复杂的，但用显微照片放大断面图则可以轻易地测定出来。
聚酯短纤维的制法则是用常规的，包括下列步骤把聚合物熔融纺丝成单丝，集中单丝成为丝束，拉伸应用适当的水分散性涂料，增加其水分散性能。如果要求有低收缩性，通常可把拉伸后的单丝经退火处理。
选择适合的涂料以增进水分散性，这一点很重要。它比单丝旦数和重量相近似的圆断面纤维所需要用的涂料更多，这是因为具扇形椭圆断面周边的表面较具圆形断面的表面具有更大的周边表面积。要提供一个良好的边沿润滑性能，这一点特别重要。为此，最好用乙氧基涂料。
Hawkins在4，137，181号，4，179，543号和4，294，883号美国专利以及共同未决的USSN721，344等文中，已把适合的涂料公开;同时以Van Issum和Schluter登记的申请，已把聚(氧化烯)二醇所衍生的聚(氧化烯)和聚(对苯二甲酸乙酯)的合成共聚酯的用途予以公开。该共聚酯的平均分子量为300至6000。Mc Intyre等人在3，416，952号，3，557，039号和3，619，269号美国专利把它公开过，本文也作为参考。Raynolds在3，981，807号美国专利，也公开了其他有用的嵌段共聚酯。上述已被公开的文献，本文均作为参考。
一般来说，制备上述聚酯纤维时，首先做成非卷曲长丝丝束，或者，如果需要有额外松散状态及有更加三维卷曲基质，可采用轻微卷曲型工艺提供微波浪型的单丝。上述非卷曲状或微波浪型单丝，按长度要求切断，成为水分散性纤维，一般市场上按捆或其他包装出售切断纤维。所说适量的切断长度，一般为5至90mm(0.25至3英寸)，通常最大为60mm(2.5英寸)，其中长度和直径之比(L/D)，从100∶1至2000∶1，最好150∶1至2000∶1。本发明的优点是，它制造出来的水分散性纤维的性能好，其L/D比高于其他我们考虑的比较满意的旧工艺制造的水分散性纤维。例如，一般机械制造厂家，推荐的L/D比不大于500∶1，有些人认为这个数据仍太高，不现实。适合的单丝旦数(dpf)一般为0.5至20。涂料的用量一般为纤维重量的0.04至1.0重%(OWF%)。一般使用量较少，这有好处，而且比旧工艺效果更满意。
还有一种制备上述水分散性聚酯纤维的方法，包括下列步骤聚酯的熔融纺丝，制成扇形椭圆断面的单丝，多个单丝变成丝束，拉伸，用合成共聚酯涂丝束状的单丝，在适当时间内将涂敷过的单丝转化成短纤维。
最好单丝涂敷是通过加热涂敷单丝进行固化，如有必要也可把涂敷短纤维进行固化，加热温度约100至190℃，以提高耐久性。
本发明用下述实例中说明，所列出的数字和百分比，除非另有说明，一概指重量。OWF是指(固体)“纤维的重量”。测定线纱性质的几个参考的数据，如抗拉性质(拉伸至断裂的强度和伸长度)，按Frankfort氏在4，134，882号美国专利一文所列出的方法进行测定。要知道，其他的条件也可以应用，例如，喷丝孔的设计，参照Gorrafa的3，914，488号美国专利。
实例
下列纤维中，纤维A为圆断面，作为比较，纤维X为本发明的扇形椭圆断面，两者均由聚(对苯二甲酸乙酯)纺丝出来，其特性粘度为0.64，含0.3%TiO2作消光剂。
纤维的纺丝过程是，单丝速度1600ypm(码每分钟)，用常规径向空气骤冷，用900孔喷丝头，圆孔直径0.015英寸，毛细长度0.030英寸，270℃模座温度，聚合物产量68.2磅/小时。单丝旦数3.67。纤维A在一组喂丝滚筒中，以29.3码/分钟的速度，通过拉伸滚筒，以80.0码/分的速度在运动中被取向，由牵引滚筒，以80.1码/分之速度，输送到传送机。在喂丝滚筒间，单丝在45℃水浴中处理。在喂丝和拉伸滚筒之间，用98℃水喷到丝绳。在拉伸和牵引滚筒之间，应用商用水分散性涂料(50/50含十二烷醇的一酸式和二酸式磷酸酯的钾盐/含25摩尔氧化乙烯被乙氧基化的兽脂醇的混合物)。单丝在150℃炉子里松弛6分钟。
纤维X的制法与纤维A类似，其区别在于通过毛细管，参见图2，来纺丝，制造1054根2.98dpf(单丝旦数)单丝，呈扇形椭圆断面，模座温度274℃，出料率67磅/小时。喂丝滚筒上取向的转速为34.1码/分，拉伸滚筒为80.2码/分，牵引滚筒为79.1码/分，扇形椭圆纤维涂上用稍为过量的水分散性涂料，以称补扇形椭圆截面的表面积约13%的增长。
纤维X断面的尺寸参照下列平均比率A/B＝1.57，r1/R＝0.38，r2/R＝0.42，d/2r1＝0.83。
拉伸涂敷单丝的性能比较列于表1。
表1
试样 A X
断面 圆 扇形椭圆
dpf 1.47 1.51
涂敷OWF(%) 0.4 0.7
退浆收缩率(%) 1.0 0.2
干热收缩率(%)(196°) 2.45 3.1
断裂强度(g/d) 4.5 4.7
断裂伸长度(%) 42 36
伸长2%时的强度(g/d) 0.93 0.90
两种均切成长度为0.25，0.375，0.5，0.75英寸，使之成为水分散性纤维试样，在一个倾斜的长网造纸机上进行试验。纤维在小型打浆机上，稠度为0.75%(每100磅纸浆或配料的纤维磅数)，分散3分钟。圆筒形打浆机的直径3英尺乘长6英尺。纤维与未加工亚硫酸纸浆混合，成为50%聚酯混合物，在一个10立方米的储罐中稀释到0.1稠度。储料在打浆机的流浆箱里进一步稀释到0.0143%稠度，然后放入而成为0.5米宽的湿法成网非织造织物，速度20米/分。在造纸机长网的末端喷上Acronyl 240D，这是一种丙烯粘合剂。织物通过直吹空气干燥机，在150℃，进行固化处理。最终织物产品的平均重量为40克/平方米。
用已知织物试样的均匀性来测定其分散性质量。随着切断长度的增大，预计织物均匀性会受到明显的损害。因为长纤维织物的撕裂强度高，所以应用长纤维有好处，在实际应用中，达到在一般均匀性标准下织物制造商采用长纤维。因此最好使用经改良或相当均匀的长纤维。由纤维A和纤维X制成的织物样品，各自独立地，让10个人评判员(男女各半)观看，就有关织物用视觉均匀性的方法来判定，答案列于表2。其中1级为最均匀的，得最低分。
表2
级别 纤维 切断长度(英寸) 平均分数
1 X 0.25 1.1
2 A 0.25 2.0
3 X 0.375 2.9
4 X 0.5 4.4
5 A 0.375 4.6
6 A 0.5 6.2
7 X 0.75 6.8
8 A 0.75 7.0
由表2可看出，每一个扇形椭圆织物(X)都得好分，在同样长度下，比对照织物即圆织物的均匀性更好。实际上0.5英寸的X项织物最好，差距小，比0.375英寸A项织物更少分。
湿法成网非织造积物的一般缺陷是由于单丝过长，纤维互相连接，成两头结块。这种缺陷叫哑铃，若只在一端，称结块。对于两种纤维各种切断长度，已知其重量，可测定缺陷的数量。平均来说，X项，即扇形椭圆织物与对照的织物相比，小于44%缺陷/100克织物。这是由于纤维弯曲模量的不对称本质的影响，限制扇形椭圆长纤维对清水中打旋的自由度。
在乔治亚州Savannah市的Herty Foundation试验室里，测定织物的标准物理性质。以纤维A为100%，纤维X的平均物理性质如下
空气渗透性(Gurley) 101%
不透明性，按ISO2471 108%
松散性，按TAPPI T410om-83和T411om-83 96%
抗拉强度，按TAPP1 T494om-81 112%
抗拉强度，TAPPI T494om-81 93%
剪切强度，按TAPPI T414om-82 100%
总之，X项在重要指标里显示更为优越，具有较高的不透明性和抗拉强度，伸长和松散性减少甚微，X项织物手感好。
本发明制备的扇形椭圆断面纤维，采用一定数量的适当水分散性涂料，具有特殊的分散均匀性，不透明性和柔软的手感。
由80%/20%牛皮纸浆和扇形椭圆水分散纤维混合制成的涂上不同涂料的织物，比由不同重量圆断面聚酯纤维制成的织物，具有更好的不不透明性。
从理论上讲，常规圆断面的水分散性纤维预计具有更高的均匀分散特性，因此可做成更为均匀的湿法成网织物。其原因是，已知纤维(或其他物体)的分散所需的表面能量为
能量＝(表面张力)×(分散表面积-不分散表面积)
成千上万种纤维柱状体和块体中存在着不分散纤维，多数存在于柱状体中。所以不分散表面积比起分散表面积可忽略不计，则能量可近似等于
能量＝(表面张力)×(纤维数量)×(纤维的表面积)
上述能量公式说明两种分散纤维所需要的能量和重新凝结的驱动力所需的自由能量。因此，对于一个特定的涂料和纤维的单丝旦数(dpf)，低表面积的纤维具有更高的均匀分散性，因此可以制成更为均匀的织物。人们期望，而且最好能知道单位重量的最小表面积已知为圆断面纤维。
令人惊奇的是，扇形椭圆纤维，尽管其表面积增大了15%，但能提供更为均匀的织物。本发明在不受任何理论的限制情况下，认为上述结果从纤维流体动力形状所致，即更有效地利用混合器剪切场所产生的能量。
权利要求
1、一种水分散性合成聚合物，其特点是，纤维呈扇形椭圆断面。
2、权利要求
1中的纤维，其切断长度为5至90mm，其中长度/直径之比为100∶1至2000∶1。
3、权利要求
1的聚合物单丝，除连续的不卷曲单丝丝束之外的单丝。
4、一种水分散性聚酯纤维，其特点是，纤维呈扇形椭圆断面。
5、权利要求
4中的纤维，其旦数约为0.5至20。
6、权利要求
4中的纤维，其切断长度约为5至90mm。
7、权利要求
6中的纤维，其长度/直径之比约为100∶1至2000∶1。
8、权利要求
7中的水分散性纤维，呈包装式切断纤维。
9、权利要求
1中的水分散性纤维，呈包装式切断纤维。
10、权利要求
4中的聚酯纤维，基本上是由聚(对苯二甲酸乙酯)组成的。
11、权利要求
4中的水分散性聚(对苯二甲酸乙酯)纤维，是非卷曲状，切断长度为5至90mm，其长度/直径之比，约为100∶1至2000∶1，其旦数约为0.5至20;乙氧基化水分散性涂料的用量约为纤维重量的0.04至1.0%。
12、权利要求
11中的水分散性纤维，呈包装式切断纤维。
13、权利要求
11中的聚酯单丝，除了，它是以连续不卷曲单丝丝束的形式。
14、权利要求
4中的聚酯纤维，涂上具有水分散性的基本上由嵌段共聚酯组成的涂料，该嵌段共聚物是由聚(对苯二甲酸乙酯)重复单元和由聚(氧化烯基)乙二醇衍生的聚(氧化烯)基团组成的共聚酯，其平均分子量为300至6000。
15、权利要求
14中基本上所述的聚酯单丝，其特征是除连续状单丝丝束之外的单丝。
16、权利要求
1中的水分散性纤维，其中扇形椭圆断面的特征如下
a.具有对称的长短轴，而且互相垂直。
b.两个对称轴上测定出来的长度A与宽度B之比为1.4至2.4。
c.长轴上每一头端凸瓣的半径比r/R为0.20至0.45。其中r为头端凸瓣的半径，R为长椭圆断面的外接圆半径。
d.短轴上每一头端凸瓣的半径比r/R为长轴上头端凸瓣之半径比r/R的0.8至2.1倍。
e.长短轴的头端间有凹槽。
f.长轴两边凹槽之间的最短距离d为长轴上凸瓣半径r的1.2至2.0倍。
17、水分散性聚酯纤维的制法，包括将聚酯经熔融纺丝成为扇形椭圆断面的单丝，变单丝为丝束，拉伸丝束，将丝束的单丝涂以其成分为由聚(对苯二甲酸乙酯)重复单元和衍生于聚(氧化烯基)乙二醇的聚(氧化烯)类组成的嵌段共聚酯，其平均分子量为300至6000;然后变涂敷单丝为短纤维，切断长度约为5至90mm。
18、权利要求
17中的方法，其特点是用共聚酯涂敷单丝，用量约为单丝重量的0.04至1.0%。
19、权利要求
17的方法中，要把涂敷单丝进行加热处理，温度为100℃至190℃，涂层在单丝上固化。
20、权利要求
19的方法，其中单丝涂敷用的共聚酯的用量为它们体重的0.04～1.0%。
专利摘要
一种扇形椭圆形断面的合成水分散性纤维，可提高其渗透性，均匀性，柔软感，不透明性，使之成为湿法成网织物。
文档编号D01D5/253GK86102475SQ86102475
公开日1986年10月15日 申请日期1986年4月9日
发明者约翰·西奥多·克拉克, 唐纳德·艾伯特·希弗勒 申请人:纳幕尔杜邦公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan