单一成分多结构纤丝的制作方法

专利名称：单一成分多结构纤丝的制作方法
本申请要求在2001年10月18日提交的美国临时申请第60/330,318号的优先权。
背景技术：
纤丝和纤维的制造在本领域长期以来是众所周知的。这些纤丝和纤维通常采用公知的挤压技术制备。一般而言，这种技术包括使用单挤压机，诸如聚合物材料等可通过挤压机熔化，然后通过迫使其通过冲压头而形成纤丝。
尽管术语“单纤丝”通常指任何无限长或极长的纤丝，但从这种单挤压过程制造的纤丝通常都具有单纤丝的特征。因此与单挤压过程相关过程中所用的术语“单纤丝”更尤其是以“单成分”或“单组分”的单纤丝为特征，也就是说它们仅从一种聚合物挤压而来，且在纤维的整个长度方向上有均匀的横截面。为在本文中容易说明，“单纤丝”指的是通过单挤压过程制造的纤维。术语“纤丝”指的就是通常被称作“单纤丝”的纤丝。
由于使用单挤压机，操作条件和参数例如温度(热量)分布、螺杆速度、剪切力、模具尺寸、模具形状、拉伸比等，都能以直接影响所制造的单纤丝的整体物理或机械性能的方式进行控制和操作，这是由于众所周知这些条件可以也确实影响聚合物内结晶结构的形态，即大体形状、排列和功能，然后再影响单纤丝的性质。然而，可以理解对于整个纤丝来说，全部单纤丝的形态基本上是相同的。尽管操作条件和参数可被控制和操作以影响单纤丝的最终物理性质，但是单纤丝本身的形态基本上自始自终相同。
因此为了得到较好的结果，已经使用各种聚合物或共聚物的混合物以根据所需要的应用来改善单纤丝的某些所需要的物理性质。传统的单纤丝线的应用包括除草机切割线、钓鱼线和缝纫线。这些单纤丝也可以通过纺织或者其它制造过程而制成各种工业和商业上应用的织物，包括造纸机织物、袜子、挂钩和扣环。可以理解由于聚合物的混合物中至少有一种不同组分，所以与单一的聚合物相比聚合物的混合物可对单纤丝提供不同的形态。因此包含聚合物混合物的单纤丝的机械性能不同于包含单一组分的单纤丝的机械性能。
尽管单纤丝在大多数应用中可提供适合的结果，但具有一种常规整体形态的单纤丝对某个材料(即一种成分或者多种成分的混合物)的局限性已引起了对多结构纤丝的兴趣。术语“多结构”指的是在沿纤丝长度方向的任何位置处的每股纤丝的横截面有两个或多个挤压组分的不连续区域。在此之前所公知的多结构纤丝通常被称为“多组分单纤丝”或“复合纤丝”。这些多结构纤丝基本上是以每种聚合物占据分布在纤丝长度内的不连续区域的方式共挤压两种或者多种聚合物而制得的。当这种纤丝由两种不连续材料或者聚合物组分构成时，有时也将纤丝称为“双组分纤丝”。不连续区域的实际形状和尺寸由所用的挤压控制技术和模具组件预定。典型的多结构横截面结构包括纤芯-外壳型结构(core-sheath)、并行排列结构(side-by-side)和溪中小岛型结构(islands-in-the-stream)。此外，更复杂的结构包括纤芯-覆盖层-外壳型(core-mantle-sheath)结构、具有多种尺寸小岛的溪中小岛型结构或者外壳不完全包围纤芯的纤芯-外壳型结构，例如纤芯-尖型结构。
在此之前，多结构纤丝指的是双组分或者多组分纤丝，是使用串联工作的两个或多个挤压机使两种或者多种不同的材料(或者不同材料的混合物)通过同一冲压头的不同通道挤压制得的，从而制造出含有不同材料的两个或者多个不连续区域的纤丝，不连续区域被挤压成的轮廓形状所包围，且由相应的挤压机和冲压头通道所决定。例如为制造纤芯-外壳型结构的双组分纤丝，除了使用两个串联的单独挤压机加工两种不同的材料外，基本上采用与制造单纤丝相同的挤压技术。一个挤压机用于熔化第一组分并将其挤压进模具组件从而最终形成为纤丝的纤芯，同时另一个挤压机熔化第二种不同的组分并将其挤压进模具组件，第二种不同的组分流经不同的流道从而在纤线的制备中最终形成为包围纤芯的外壳。
由于采用两个独立控制的挤压机并使用不同的材料，因此每个不连续材料的特征和由这些不连续材料中的一种制成的纤丝的每一个不连续区域内的物理性质均可按有益于双组分纤丝性能特征的方式进行调整。例如如果一种组分具有优异的耐磨性和坚韧性，但是其缺少尺寸稳定性，而另一方面第二种组分不耐磨，但是具有较大的尺寸稳定性。取决于不同的应用，使耐磨损材料做成的外壳包围尺寸稳定性优异的纤芯组分对于提供较好的纤丝是有益的。因此，可以理解使用两个挤压机和两种材料通过控制所使用的材料，控制操作条件，控制材料被挤压、通过模具组件传送和被拉伸的取向或结构将会提高最终产物物理性能的多功能性。
尽管双组分纤丝越来越受到欢迎，但应用双组分方法制造纤丝仍然存在局限性。首先和最重要的是组分或者成分的兼容性问题。在上述涉及一种成分具有优异的耐磨性和较差的尺寸稳定性及第二种成分具有较好的尺寸稳定性但耐磨性较差的例子中，第一种成分可看作是尼龙，而第二种成分可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。然而，众所周知的是尼龙和PET彼此不充分兼容，因此不能仅使用这两种材料制造双组分纤丝。如果将尼龙做成环绕PET纤芯的外壳，而在二者之间没有某些额外的粘结剂、兼容剂或者兼容层，那么由于二者对于纤丝的制备不兼容，所以纤丝会容易破坏掉。事实上，公知的是尽管使用添加剂将它们维持在一起，但外部压力和其它作用力足以引起这些不兼容材料分层。
因此，许多双组分方法的专利权人和使用者使用化学结构不同但相似且兼容的材料或其它加工材料的混合物或者共聚物。例如美国第6,207,276号专利揭露了一种纤芯-外壳型结构的双组分纤维，其中纤芯是从尼龙6或者尼龙6，6制备的，而外壳为从熔点至少为280℃的聚酰胺制备的，如尼龙4，6、9T、10T、12T，或者尼龙共聚物46/4T、66/6T和6T/6I。这些较后的尼龙均聚物和共聚物及其基本单体在形态上与尼龙6或者尼龙6，6及其基本单体极不相同。
与此相似的是美国第4,069,363号专利揭露了一种双组分纤丝，其中纤芯为六亚甲基十二烷酰胺(尼龙6，12)和E-己酰胺(尼龙6)的共聚物，而外壳为尼龙6，12、尼龙6，6或者只是尼龙6。此外，挤压前所用的起始材料不同，所以挤压前具有不同的化学结构、形态和物理性质。
还有双组分制造方法的其它例子，包括美国专利第5,948,529号，其中公开了具有PET纤芯和聚乙烯外壳的双组分纤丝。PET纤芯还包括混合在其中的功能化的乙烯共聚物。很明显在此专利中的纤芯和外壳起始材料的形态很不相同。
美国第6,254,987号专利揭露了一种表现出增强的耐磨性的纤芯-外壳型结构的双组分纤丝。纤芯是液态晶体聚酯，外壳是按重量计为1-5％的聚碳酸酯和聚酯的混合物。此外，纤芯和外壳起始材料的化学结构不相同。
此外，美国第5,540,992号专利揭露了一种双组分纤维，其包括含有高密度聚乙烯的高熔点纤芯和含有低密度聚乙烯的低熔点外壳。因此，尽管纤维的纤芯和外壳中包含有同类聚合物(即聚乙烯)，但纤维不含有具有相同化学结构和物理形态的相同成分。也就是说其中在挤出前纤芯组分和外壳组分之间的化学结构、分子量和分子量分布是不同的。换句话说，尽管低密度聚乙烯和高密度聚乙烯具有相似的化学组成，但是在形态和布局上完全不同。
因此至此为止现有技术还没有预见到采用相同成分制造多结构纤丝的所有结构部分或者不连续区域。出乎意料的是，人们已经发现在制造过程中通过控制挤压过程来控制成分分布和剪切速率，可以制得相同成分的不同形态，从而提供具有有益性质的纤丝结构部分或者不连续区域。
然而在继续说明前需要注意美国第3,650,884号专利。此专利揭露了一种聚酰胺单纤丝，其直径至少为15密耳(千分之十五英寸)，微孔表面层厚度大约为3-15微米并占据少于6％的单纤丝横向范围。尽管这种单纤丝是真正的单成分单纤丝(即不是多结构的纤丝)，因为其是从含有一种材料即聚酰胺的单挤压机挤压而来的，但是一旦纤丝经过此专利中所述的流动(streaming)和拉伸过程，那么在加工完全后所得到的极薄表面层的形态确实不同于纤丝其余部分的形态。事实上，流动混乱的表面层只是表层，并占据小于6％的纤丝。相比而言，用公知的共挤压技术所制造的多结构纤丝中，通过经由模具组件挤出纤丝的部分而成的每个结构分布和区域占据每股纤丝的部分必须大于7％，优选大于10％。因此可以理解美国第3,650,884号专利中所制得的单纤丝相当不同于使用本发明的双组分制造技术和挤出技术所制造的多结构单纤丝。
有鉴于此，需要一种挤压的多结构单纤丝，其仅含有一种成分，并且由于在通过模具组件挤出的过程中对剪切、熔化温度和其它公知操作条件的控制其可具有改进的物理性质和性能。
发明概述本发明一般涉及一种多结构纤丝，其中纤丝的每个不连续区域(纤芯、外壳等)是由相同成分制得的，但在制造后每个不连续区域对在其前或其后挤压出的任何其它不同区域而言有不同的形态。因此，本发明优选在两个或者多个挤压机中使用单一成分以制造与单纤丝相比、在某些情况下与双组分纤丝相比具有改进的物理性质的多结构纤丝。可以理解，如果将操作条件事先设置到基本上相同，那么纤丝的一些部分可具有相同的形态。因此，在外壳并没有完全包围纤芯的纤芯-外壳型横截面结构的纤丝中，只要是所期望的那么外壳的每一部分均可具有与每一个被称为外壳的其它区域相同的形态。因此，后面所说的每一个“区域”指的是具有相同形态的纤丝不连续的部分，而术语“部分”指的是单个纤丝的每一部分。
更具体而言，本发明一般提供一种多结构纤丝，其包括在通过模具组件挤出后具有两种或多种形态的单一成分，其中纤丝的一个不连续区域包括该成分的一种形态，纤丝的至少另一个不连续区域包括相同成分的另一种形态，及其中纤丝的每个区域包括至少约为7％的纤丝。
术语“单一成分”指的是挤压机中所使用的最初起始材料在化学和物理上基本是一样的。如果直接使用均聚物和商业上可得到的树脂，那么这意味着最初起始材料具有相同的化学结构、基本上相同的分子量、相同的分子量分布、相同的可萃取性、相同的熔点、相同的熔融粘度和相同的熔体流动。因此低密度聚乙烯和高密度聚乙烯不是“单一成分”。如果使用混合物或者共聚物，那么这意味着所用的单体或者起始组分是相同的。然而可以理解，共聚物中的单体比率和和混合物中的混合比率可以稍微变化，彼此变化约为20％，更优选约为10％，再更优选约为2％，而没有偏离本发明对于“单一成分”的定义。因此如果其它挤压机使用单体比约为70∶30、更优选单体比为80∶20的相同单体，那么在一个挤压机中具有90∶10单体比率的共聚物将被认为是相同的“单一成分”。只要最初成分是相同的即同样的，那么混合比率就以这种方式考虑。单体或材料混合物的较宽比率也是合适的，只要其没有影响到本发明的本质特征-即共聚物的形态(即结晶度)基本上是相同的。在某些情况下，如果挤出前组合物的形态受比率的影响，那么可能按重量计小于20％的单体比率或者混合比率是不合适的。然而可以理解的是，本领域所属技术人员将会很容易地确定形态会受到何种程度的影响而不用任何过多的实验，很明显本领域所属技术人员不必改变单体比率或混合比率，因为在数量上的微小不同不会在共聚物或混合物中产生任何明显区别。
有利的是，本发明可得到更多功能的最终产物，即多结构纤丝，其具有较好的物理性质和性能特征。实质上本发明提供了更坚韧更耐磨的组合物，且由于纤丝是相同的组分，所以至少纤丝的一部分与纤丝的其它部分是肯定兼容的。因此在纤丝的结构中保持所使用成分的其它特性的同时，还提高了纤丝的某些物理特性，而不用依赖于混合物或者超过一种成分的使用，这大大降低了需要使用两种或者更多种单独和不同成分的成本。
优选实施方案的详细说明如前所述，本发明涉及一种挤压的多结构纤丝，其中挤压的纤丝的每个不连续区域是从基本上相同的成分制得的，但每个不连续区域对在其前或其后挤压出的任何其它的不连续区域而言有不同的形态。此种多结构纤丝采用公知的挤压技术制造，其中当将树脂材料置于挤压机中时，两个或者多个挤压机熔化基本上为相同成分的树脂材料，并迫使其通过共同的模具组件来制造多结构单纤丝，其中纤丝的每一部分是相同的材料但是彼此具有不同的形态。可以认为，用于制造纤丝的成分的形态变化基本上是由于当通过模具组件加工树脂材料以形成纤丝各部分时剪切和温度的影响。也就是说在树脂通过模具组件时，通过控制树脂的剪切和熔化温度，树脂的物理性质会发生明显的变化。因此，能够制造出包含具有两种或者多种不同形态的单一成分的多结构纤丝。有利的是，此种产物可形成有益于最终产物的物理性能和特性的结构，其中纤丝的每个不连续区域优选包含至少按体积计约为7％的纤丝，更优选按体积计约为10％的纤丝。
更具体而言，本发明涉及通过模具组件的材料的剪切的控制。例如，如果需要纤芯-外壳型形状的纤丝，那么应提供模具组件，其可使一个或者多个挤压机迫使材料通过模具组件，并使材料沿着形成纤丝内纤芯的通道运行。优选此种材料的剪切看起来要比受其它挤压机挤压而通过模具组件并沿着形成外部壳体通道运行的相同材料要小。根据剪切和其它可能的操作条件的影响，本发明利用了材料结晶度的合成效果。通常可以认为，在外壳结构挤出过程中的较高剪切使得纤丝在此区域的结晶度比用于形成纤芯的材料低(即更不定型)，而用于形成纤芯的材料受到的剪切较小，因此可以认为具高较高的结晶度。综上所述，可以理解特别是相对于挠曲疲劳磨损而言，较低结晶度的材料通常被认为更坚韧、更耐磨，通常它们也被认为更具有挠性，并且抗冲击和互扣强度得到了提高。总之，与产品的张力相关的性能都得到改善。相反，与较低结晶度的材料相比，具有高结晶度的材料通常被认为更具化学耐性和耐热性，并可提供更大的尺寸稳定性，这些材料通常也被认为具有较高的抗张强度，可以认为通常与产品的压力相关的其它性质也得到了改善。此外，高结晶度材料通常与其它材料的兼容性较差。
因此，目前很容易预见到剪切控制模具设备，但是如果用作纤芯和外壳的树脂材料是相同的成分，那么其中制得的纤丝纤芯具有很高的结晶度，而纤丝的外壳是更不定形的。这种纤丝基本上具有良好的抗张强度和良好的耐冲击性能-通常这两种性质在单纤丝的结构中却刚好相反。例如，如果想制造比较坚韧的单纤丝，那么其冲击性能受到损害是公知的。本发明基本上消除了这种困难，不仅使用对纤丝的所有部分而言是兼容的材料而且是相同的材料。迄今为止还没有办法来增强相互抵触的纤丝性能。一种或者另一种性质总是受到损害。
取决于不同的应用，按本发明制造的纤丝表现出明显提高的机械性能，这些性能包括提高的耐磨性和抗挠曲疲劳性、韧性、提高的拉伸性、互扣和打结强度、及提高的耐冲击性能。
本发明的纤丝并不限于纤芯-外壳型结构，基本上可以使用可预见到的任何多结构关系。如上所述，可以按纤丝的不连续区域相互排列的关系来描述这些单纤丝的特性。例如，这些区域可以是并行排列，或外内排列。在外内排列中，区域之一基本上位于纤丝的外围，因而可称为外壳或外部区域，而其它区域位于纤丝的“纤芯”。外内排列的其它实例包括溪中小岛型排列，其中内部区域包含几个被外部区域外壳所包围的较小尺寸部分。在纤丝中三个区域的外内排列的实例其中包括外壳-覆盖层-纤芯型排列和溪中小岛型排列。纤丝的外内排列可以是对称的或非对称的。本发明的纤丝可具有本领域公知的任何外围结构，这些结构包括圆形、多边形或扁平形，其边缘可是光滑、锯齿状的或不规则的。它可是多边形的，如三角形、四边形、五边形、六边形等。不需要外部区域完全包围或围绕内部区域。在某些例子中如果采用颜料用颜色来区分区域，那么可以理解沿着与纵轴平行的纤丝内部区域边缘延伸的外部区域可以“剥离”纤丝。
优选本发明不含任何其它填充剂或者添加剂。如背景技术部分所讨论的，大多数现有技术中的多结构纤丝即具有纤芯-外壳型结构或者其它横截面结构的那些纤丝都是双组分纤丝，也就是它们均由两个分离的挤压机用两种不同的成分挤压形成。在一些实例中，这意味着一个挤压机使用通用的材料如PET，而另一个挤压机使用同样的成分并加入添加剂或者填充剂，添加剂或者填充剂可通过改进材料或者使材料(如PET)改性的方式来改进组合物的一种或者多种物理性能。因此，一旦经挤压并制备出双组分纤丝，那么受添加剂或者填充剂影响的改进性质将对纤丝带来有利的效果。
与此相反的是，本发明并不含有这样的添加剂或者填充剂。尽管某些添加剂如颜料等可以加入组合物中，但这些添加剂并不会影响本发明的本质特征，即它们不会显著影响组合物的形态。
然而，可以理解在所有使用相同材料的挤压机中加入相对相同量的添加剂和填充剂，仍然被认为符合本发明的术语“单一成分”的定义。因此，如果将相对相同量(即取决于所用的添加剂和量约在0.001-5％内)的水解稳定剂加入到两个(或所有的)挤压机中，从而基本上不会对欲挤压的组合物或者混合物在形态上产生不同，那么向PET中加入水解稳定剂也是可接受的。由此，如果加入约0.5克的添加剂时，那么应该加入基本上相同量的相同添加剂，添加剂的量只能有微小的标准偏离。另一方面，如果加入的添加剂量为10,000千克，例如约占所用组合物的40％，那么可以理解标准偏离可以大些，可能达到约5％。
任何公知适于挤压成纤丝的材料均可用在本发明中。传统的材料包括但并不限于聚烯烃，如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)；聚酯，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚酰胺，如尼龙均聚物(例如尼龙6或者尼龙6，6)和共聚物(例如尼龙6，6，6)；特制聚合物，如高温或高性能的热塑性塑料，如聚苯硫(PPS)和聚醚醚酮(PEEK)。这些成分在挤压单纤丝和双组分纤维时经常使用。
至于纤维韧性和耐磨性，这些材料的纤丝性能大概按下列顺序增加高温热塑性塑料(PPS)→聚酯(PET)→聚烯烃(PE或者PP)→聚酰胺(尼龙)→聚酰胺共聚物。另一方面，尺寸和热稳定性大概按照相反的方向增加，即聚酰胺(尼龙)→聚酯(PET)→高温热塑性塑料(PPS)。在保持单纤丝尺寸稳定性的同时，提高其韧性和韧性的方法长期以来一直是授权发明的主题，如美国第4,748,077号、第4,801,492号、第5,424,125号、第5,456,973号和第5,667,890号专利所公开的发明，这些专利都由所记载的专利权人拥有。本发明在整个多结构纤丝中使用相同的材料用以提高上述的这些性质。
制造纤丝所用的材料类型很大程度上取决于所需要的应用。例如，如果需要尺寸稳定性，那么聚酰胺在较潮湿的环境中是不利的。另一方面，高温热塑性塑料不能提供除草机切割线等所必须的韧性和耐冲击性。然而，尽管现在讨论的是应用于各种优选应用中的多结构纤丝的制造，但本发明并不局限于此，本发明的精神和范围由其本身的权利要求书所限定，而不是由任何具体的实施方案所限定。此外，可以理解尽管某些材料被认为是某些应用所需要的，但是本领域公知的其它材料也适合那些应用，本发明不以任何方式局限于那些所列出的材料。
关于高温高性能的热塑性塑料，有许多热塑性塑料可以用于制造本发明的纤丝。在材料种类中使用更好的材料包括但并不限于聚苯硫(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯/聚间苯二甲酸环己烷二甲醇酯(PCTA)。
聚苯硫(PPS)在本领域中是公知的作为用于多种应用中的单纤丝和纤丝的材料，包括编织成工业和其它技术织物的纤丝。聚芳硫中最简单的一种是聚苯硫，其具有显著的化学耐性和耐热性。聚苯硫(PPS)在392°F(200℃)以下不溶于所有普通溶剂，且对于蒸汽、强碱、燃料和酸是惰性的。PPS本身还是阻燃材料。以上提到的特性及最小的吸水性和极低的线性热膨胀系数使得单纤丝适合用于许多高温应用中，在此种苛刻的化学环境中尺寸稳定性非常重要。不利的是，在某些应用中聚苯硫(PPS)的有效性由于材料的较高成本和其相对较差的机械性能而受到限制。特别是单纤丝中的PPS非常易碎。尽管需要从PPS纤丝制造织物以在高温应用中使用，如在造纸机的干燥部分中应用，但是较低的抗张强度(大约是PET的一半)及较低的互扣强度和打结强度(大约也是PET的一半)已经引起在纺织或织物的使用其间随时间的推移而产生的问题。
因此，只有当PPS的这些物理性能提高了，它才能令人满意地用作造纸机干燥织物。然而，迄今为止这些改进已经以树脂混合物或者以兼容的聚合物或可使组合物变坚韧的聚合物添加剂的混合物形式出现，而明显不包括PPS的耐热性和化学耐性的改进。例如美国第5,425,125号专利揭露了一种含有由PPS和至少一种其它的聚合物所成的混合物的单纤丝结构，其中至少另一种其它的聚合物选自PET、高温聚酯树脂(如PCT或者PCTA)或者聚苯(PPO)。相似地，美国第4,610,916号专利揭露了一种含有由PPS与烯烃和卤代单体的共聚物所成混合物的单纤丝的结构。然而，仍然存在成本和可加工性问题。本发明试图改善纤丝的物理性能，包括提高韧性、互扣韧性和互扣冲击强度，而不会损害耐热性或化学耐性并消除加工中的问题。由于在苛刻的化学和温度环境下使用这些织物，所以与由常规材料如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰胺制成的单纤丝所构成的织物相比，PPS织物使用寿命长且整体性能更好。
另一种适合的高性能热塑性塑料是聚醚醚酮(PEEK)，PEEK是公知具有相对良好的尺寸稳定性并表现出优异的化学耐性和耐潮湿性的材料。它不溶于很多溶剂，但这些溶剂不同于PPS不溶的溶剂，且其机械性能强于PPS。PEEK具有相对均衡的性能，使得其应用范围很广，如在电气零件和电子零件、军事装备、汽车零件、电线和电缆及飞机所使用的高级结构性复合材料中使用。然而，可能由于其成本和其制造过程中所需要的其它可能的操作条件的原因，所以PEEK在单纤丝的应用中很少被人所知。
长期以来单纤丝是由聚酯制得的。常规的聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)已用于制造应用广泛的单纤丝，其中一个有用的应用是作为造纸机中的成型织物。其它的聚酯包括至少含有摩尔百分比为50％的对苯二甲酸亚乙酯单元的共聚多酯。在所述的共聚多酯中合适的共聚单元包括间苯二酸、含有金属磺酸盐基团的间苯二酸、双酚、新戊基乙二醇及1，6-环己二醇。除了PET外，本发明所用的其它聚酯包括但不限于聚对苯二甲酸亚丙酯(PTT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PPT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等。
适合本发明使用的聚酯通常商业上可购得。在一些实例中，优选聚酯中含有按重量计为0.007％的水。优选地，聚酯材料的固有粘度(IV)约为0.6-0.99，更优选约为0.85-0.99，再更优选约为0.90-0.95。
PET和其它聚酯通常具有良好的平衡性能，其耐磨和尺寸稳定性介于PPS和聚酰胺之间。
长期以来单纤丝也可由聚酰胺制得，优选的聚酰胺是尼龙和尼龙共聚物。尼龙包括但不限于尼龙6、尼龙6/6、尼龙6/9、尼龙6/10、尼龙6/12和尼龙6/36。尼龙共聚物包括但不限于尼龙6/66、尼龙66/6、尼龙6/612和尼龙6/636。此外，这些材料的制造在本领域是公知的，并通常可从商业上买到，或者它们的制备方法在本领域是公知的。
尼龙以其韧性和耐磨性而众所周知，然而如前所述其缺少尺寸稳定性。尽管如此仍在试图提高其韧性和耐磨性，包括冲击强度。也就是说，与其它尼龙单纤丝相比，耐磨性和韧性被提高的尼龙纤丝适合用作改进的钓鱼线或除草机切割线，及改进的工业用过滤织物、挂钩和扣环、刚毛单纤丝和缝纫线。
本发明也用到聚烯烃。尽管基本上可以使用可通过本发明的共挤压过程而制成纤丝的任何聚烯烃，但是优选的聚烯烃包括聚乙烯和聚丙烯。
为证实本发明的实施，利用本发明的构思制备单一成分多结构的纤丝。然后测试这些纤丝的机械性能相对于当前许多应用中所使用纤丝的改进。
特别地，在优选实施方案中，制备含有从Philips以商标RYTON GRO6买来的单一成分聚苯硫(PPS)的各种纤丝，其是通过使从串联工作的两个单独抗压机中来的相同PPS材料通过模具组件共挤压而制备的，其模具组件具有用于制备纤芯-外壳型横截面结构的纤丝的两个不同流道。纤丝含有约80％的纤芯材料和约20％的外壳材料。模具组件中包含外壳材料的熔体流道以可对流经其中而被挤压的材料提供比包含纤芯(相同)材料的熔体流道可提供的剪切更大的方式制成。除了不同的流道外，用于构成纤丝的材料基本上是以相同的方法制备和加工的。对PPS而言，这意味着纤丝按照通常技术织物的制造中所用的规格来制造，尤其是造纸机干燥部分中所用的织物。这些操作条件包括熔融挤压机中的挤出温度约为290-320℃。此过程包括在96℃的加热炉中进行的拉伸比率约为3.9/1的单次拉伸，然后其在149℃的退火炉中松驰约11.4％。这样有效拉伸是3.45/1。
一旦制备出多结构纤丝，就用差式扫描量热仪(DSC)测试纤丝的结晶度。按ASTM的方法D3417-97进行的DSC的分析结果如下表I所示，表I中不仅有上面制备的PPS纤丝的结果，还有下面所述的其它测试的纤丝的结果。
表I从测试的纤丝得来的纤芯-外壳组分的结晶度对比
可以理解外壳的熔融热基本上小于纤芯的熔融热。外壳较低的熔融热表明由于形态不同所导致的焓的变化。这种形态的变化表明外壳的结晶度较低。反过来，这一点改善了聚合物纤丝的机械性能。
针对纤丝的一般应用对纤丝的各种机械性能进行测试。对于PPS而言，这种应用是干燥织物。对这些纤丝及包含相同材料即PPS的对照单纤丝进行偏移簧片(offset reed)拉力冲击测试和环扣冲击强度测试。第一种对照纤丝不仅包括PPS还包括韧化剂，即可从DuPont以商品名TEFZEL210购得的乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)。第二种对照纤丝是以可最佳化其机械性能的方式制得的100％PPS单纤丝。使用与本发明前述的相似的操作条件制备此单纤丝。
偏移簧片韧性冲击测试采用ASTM测试方法第D1822-83号，但将其修改成测量沿着纤丝轴使纤丝破碎或者断裂的能量。测试时将纤丝绑到钟摆或者吊灯或定位装置上。纤丝穿过纺织机簧片，这样当钟摆下降时，纤丝相对于纺织机簧片而言处于拉伸状态。然后记录循环终止时的次数。
相似的是，环扣冲击强度的测试基本上采用相同的设备，但这种测试以环扣形式进行，其中两股纤丝环扣在具有预定重量的定位装置与钟摆之间。当钟摆下降时，纤丝处于拉伸状态，且最终经过多个循环或应用较大的外力后纤丝折断裂。
表II中列出了这些测试的结果和其它公知的机械性能。
表IIPPS的机械性能
应该清楚的是本发明的新纤丝与对照纤丝尤其是对照单纤丝1相比明显改善了纤丝的缺口(偏移簧片)强度和无缺口(环扣冲击)强度及纤丝的韧性。与对照单纤丝2相比，尽管本发明的纤丝韧性低，但偏移簧片拉伸冲击性能和环扣冲击性能却明显改善。尤其是在这些测试中本发明的纤丝没有折断，但每个对照的纤丝却折断了。因此，很明显至少纤丝的某些机械性能，尤其是对于纤丝的应用最重要的那些性能相对相同材料的单纤丝而言有很大改善。纤丝1的性质表明其在静力学和动力学机械性能两方面都有整体的提高。这使得这种特定的纤丝适用于造纸机的干燥部分。
尽管不限于理论，但是可以认为具有形态差异的外壳可在冲击时产生偏离缺口的包层，并阻止裂缝延长。更复杂机械要求更高的织物设计或者三维结构的编织需要更平衡的PPS单纤丝。此种纤丝可提供这种平衡性质。
在另一种实施方案中，基本上按如上所述的方法制备两股或更多的纤丝，但这次使用尼龙6/66用作单一成分。此外，纤丝设计成纤芯-尖端型横截面结构，其中横截面结构中约70％是纤芯，横截面结构中约30％是用作切割线的尖端，而在钓鱼线的制造中，横截面结构中约80％是纤芯，约20％是外壳。纤芯和尖端(外壳)均由尼龙6/66的共聚物挤压而来，尼龙6/66中包含85％的尼龙6和15％的尼龙66。根据传统的除草机切割线关于对纤线进行淬火、拉伸和放松的制造工艺挤压和制造纤丝。
这种纤丝有很多应用，包括钓鱼线或除草机切割线。此外，如表I所示纤芯的熔融热明显高于外壳(即尖端)的熔融热，因此表明尖端在形态上有明显的变化，且与纤芯相比结晶度较低。反过来，这使得尖端更坚韧和耐磨。
为确定可看到纤丝中的任何改善，对按本发明构思制得的尼龙6/66纤丝和含有尼龙6/66的对照单纤丝进行了各种物理测试。钓鱼线和切割线的各种测试结果如下面的表III所示。
此外，不同形态的尖端增加了外表面的韧性，这一点与冲击引起的机械偏离无关且表明挠曲疲劳消失。“外壳”层可防止纤芯由于在纤丝表面切口或者刻痕而产生的破裂的扩展。
表III尼龙6/66纤丝的机械性能测试结果
基于以上结果，很显然本发明的纤丝在静力学和动力学方面性能都得到了提高。外壳层用于加强钓鱼线和切割线性质，使其更象复合纤丝但其实不是。它们的层含有相同的成分。
可以理解，本发明改善了适合用做切割线、钓鱼线和造纸机干燥织物的纤丝的机械性能。纤丝或本发明特别适合的其它应用包括但不限于用于造纸机中的PET成型织物、尼龙成型织物及压毡，尼龙挂钩和环扣织物，尼龙缝纫线，尼龙刷子和适合过滤用等的各种工业纤丝等。
尽管在上述的实施例中已经结合特定的方式、材料和实施方案对本发明进行了说明，但是很显然本领域所属技术人员可以做出各种变化和修饰，而这些变化和修饰落于所附的权利要求书中所列出的本发明所要求保护的范围内。因而，本发明不局限于已公布的详细说明，而是扩展到权利要求书范围内的所有等价物。
权利要求
1.一种多结构纤丝，其包括在通过模具组件挤出后具有两种或多种形态的单一成分，其中所述纤丝的一个不连续区域包括所述成分的一种形态，所述纤丝的至少另一个不连续区域包括相同成分的另一种形态，及其中所述纤丝的每个区域包括按体积计至少约为7％的所述纤丝。
2.如权利要求1所述的多结构纤丝，其中所述的单一成分选自聚酰胺、聚酯、聚烯烃及高性能热塑性塑料。
3.如权利要求1所述的多结构纤丝，其中所述的单一成分是材料的混合物。
4.如权利要求1所述的多结构纤丝，其中所述的单一成分是共聚物。
5.如权利要求1所述的多结构纤丝，其中所述的单一成分是聚苯硫。
6.如权利要求1所述的多结构纤丝，其中所述的单一成分是尼龙共聚物。
7.如权利要求6所述的多结构纤丝，其中所述的单一成分是尼龙6/66。
8.如权利要求1所述的多结构纤丝，还包括纤芯-外壳型结构。
9.如权利要求8所述的多结构纤丝，其中所述的纤芯结晶度比所述的外壳结晶度高。
10.如权利要求1所述的多结构纤丝，还包括纤芯-尖端型结构。
11.如权利要求10所述的多结构纤丝，其中所述的纤芯结晶度比所述的尖端结晶度高。
12.如权利要求1所述的多结构纤丝，其中所述纤丝的每个区域包括按体积计至少为10％的所述纤丝。
13.如权利要求1所述的多结构纤丝，其中所述纤丝与由相同成分制得的单纤丝相比具有改善的韧性和耐磨性。
14.一种制备多结构纤丝的方法，所述的多结构纤丝含有单一成分并且与由相同成分组成的常规单纤丝相比具有改善的机械性能，所述方法包括通过具有两个或多个不同流道的同一模具组件挤压出从串联的两个或多个挤压机来的所述单一成分，其中从一个挤压机来的所述成分的流道所提供的剪切小于从其它挤压机来的相同成分的流道所提供的剪切，由此提供在纤丝横截面内具有两个或多个不同区域的纤丝，每个区域和任何其它区域相比具有不同的形态，其中所述纤丝的每个区域包括按体积计至少约为7％的所述纤丝。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述的纤丝不同区域是其外壳和纤芯。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述的纤丝不同区域是其纤芯和四个尖端。
17.如权利要求14所述的方法，其中每个区域包括按体积计至少为10％的所述纤丝。
全文摘要
本发明公开了一种多结构纤丝，其包括在通过模具组件挤出后具有两种或多种形态的单一成分，其中该纤丝的一个不连续区域包括该成分的一种形态，该纤丝的至少另一个不连续区域包括相同成分的另一种形态，及其中该纤丝的每个区域包括至少约为7％的纤丝。本发明也公开了该纤丝的制备方法。
文档编号D01F8/04GK1561410SQ02819296
公开日2005年1月5日 申请日期2002年10月10日 优先权日2001年10月18日
发明者查德·博伊德, 彼得·布里塞特, 阿提耶·坦韦尔蒂 申请人:莎士比亚有限责任公司