阻燃织物的制作方法

专利名称：阻燃织物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纤维和由它制造的织物，它们能提供适合用于机织和非织造产品，包括室内装饰、床上用品和服装的阻燃性能。
阻燃织物对于预防、延缓或终止火灾很有用。正因为如此，它们尤其被用于室内装饰、床上用品和服装。
由含有热塑性聚合物如聚酯和聚酰胺的纤维制造的织物在一定条件下可燃烧。为尽量减少这一危害，将阻燃化合物与热塑性聚合物共聚，掺混到热塑性聚合物中或者涂覆到纤维或织物的表面。共聚和掺混的热塑性聚合物要求阻燃化合物占据纤维的大部分或全部。这就增加了织物的成本。在纤维或织物表面的阻燃涂层由于磨耗可能丧失某些效力。
目前需要一种成本效益好、耐用、阻燃的织物。
发明概述一种包含具有皮和芯的双组分纤维的阻燃织物，其中皮含极限氧指数至少26的全芳族热塑性聚合物，而芯包含热塑性聚合物。
一种阻燃双组分纤维，它包含热塑性聚合物的芯和按照差示扫描量热法测定，具有一定熔点(Tm)的全芳族液晶聚合物的皮。
发明描述本发明阻燃织物由具有皮和芯的双组分纤维制成，其中皮包含极限氧指数(Limited Oxygen Index，LOI)至少是26的全芳族热塑性聚合物，而芯包含热塑性聚合物。
抗火焰蔓延的全芳族热塑性聚合物是那些基本上由含有一个或多个以酯、酰胺或醚键连接的环的不饱和环烃重复单元组成的聚合物。这些类型聚合物的例子包括但不限于，全芳族聚酯聚合物、聚酯-酰胺聚合物、聚酰胺-酰亚胺聚合物、液晶聚合物(LCP)和液晶聚酯聚合物。优选的例子是按照差示扫描量热法测定一种具有一定熔点，更优选熔点介于约200℃～约325℃的全芳族液晶聚合物。用于成形纤维和织物特别有利的阻燃聚合物是低熔点(Tm)LCP，例如美国专利5,525,700中描述的那些，该专利在此收作参考。此种聚合物不含烷基基团并且，不拟囿于理论但据信，虽然全芳族热塑性聚合物是阻燃的，但烷基基团的存在可导致火焰的蔓延。尽管全芳族热塑性聚合物是优选的，但预计，少量烷基基团在聚合物中的存在将不致显著降低该聚合物的阻燃效能。
为达到最佳效能，全芳族热塑性聚合物应至少覆盖纤维的表面。当暴露于火焰时，据信，全芳族热塑性聚合物首先放出二氧化碳，随后形成炭包围并保护芯以阻止火焰的蔓延，而在某些情况下，实际上起到猝灭火焰的作用。通过将阻燃材料限制在皮层而不是整个纤维中，制造成本可以降低。
阻燃能力的一个衡量尺度可由纤维皮层聚合物的极限氧指数(LOI)来确定。LOI值越大，材料的阻燃倾向越大。要使织物达到阻燃，优选其LOI至少为约26。要使织物达到阻燃，更优选其LOI至少为约28。要使织物达到阻燃，进一步优选其LOI至少为约30。
芯的热塑性聚合物可由，例如但不限于下列材料组成聚酯聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺聚合物或其共聚物。预计，鉴于全芳族皮聚合物的阻燃特性，芯聚合物可由非阻燃聚合物组成，例如，聚乙烯、聚丙烯等。
双组分纤维的断面包含一种皮-芯排列，其中阻燃、全芳族热塑性聚合物成形为皮，包裹和防护着芯免遭火焰蔓延。具有足够皮层厚度的同心皮-芯排列将能保护芯。占据双组分纤维断面面积的至少约10％的皮层已证明能有效地阻滞火焰的蔓延。优选的是，皮组分占到双组分纤维断面面积的至少约20％。皮组分的断面面积可介于约10～约80％或更高，若要求的话。然而，阻燃皮聚合物的断面面积百分率的增加将降低双组分纤维的采用在成本上的效益。偏心皮-芯排列也将能保护芯，只要它在壁的最薄部分具有足够的皮层厚度。
本发明阻燃织物可用于机织和非织造产品。这些产品可由连续或不连续(或短)纤维制成。本发明双组分纤维可由传统双组分纺丝技术制造，包括熔纺、纺粘和熔喷等方法。
测试方法下面的测试方法用来确定各种给出的特性和性能。ASTM是指美国材料和测试学会。
纤维尺寸是纤维有效直径的衡量尺度。它是利用光学显微镜测定并以微米为单位表示的。
基重是单位面积织物或片材的质量的衡量尺度并按照ASTM D-3776，在此收作参考，来确定并以g/m2为单位给出。
极限氧指数(LOI)是，在试验柱中刚好能支持蜡烛状燃烧的氧和氮的上流混合物中的最低氧浓度。鉴于地球大气的氧含量为约21％，故LOI约等于或大于26的材料在移开火源以后将不会继续燃烧。LOI是按照ASTM D-2863，在此收作参考，测定并以百分数表示的。
耐明火织物试验是织物在明火中耐燃倾向的衡量尺度。该试验是按照技术公报117，“软体家具的耐火焰和熏烧试验的要求、试验程序和仪器”，第一章，第二节，加州，家具和热绝缘局，消费者事务处(试行版2/2002)，在此收作参考，进行的。该试验结果根据“通过/不通过分析”来确定。如果有任何火焰穿透，造成纤维试样烧穿成洞，则认为织物不通过。另外，通过计算试验前后织物重量差异并以百分数表示来给出织物的损失。织物重量损失百分数指出有多少织物在试验中被消耗，因此涉及织物的可燃性。对上述试验方法的修改包括采用7×7平方英寸的试样替代12×12平方英寸的试样，以及在棉布(按照技术公报117，附录E)顶面有一层松散纤维。以金属网作为支撑。试验前，试样不预先处理。
实施例实施例1和2用含有8000-系列ZeniteLCP聚合物皮组分和阻燃(FR)聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物芯组分的纺粘双组分纤维制成未粘合的片材。8000-系列ZeniteLCP聚合物是一种全芳族液晶聚酯，如在美国专利5,525,700的实例6中所述，其LOI大于40并且熔点(Tm)等于265℃，由杜邦公司获得。FR聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物是一种含0.5wt％磷的聚对苯二甲酸乙二醇酯的共聚物，LOI为39，由Santai公司(中国)获得。
LCP聚合物以及FR聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物在分开的穿透式空气干燥机中在120℃的空气温度下干燥至聚合物含湿量小于50ppm。LCP聚合物和FR聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物各自在分开的挤出机中分别加热至305℃和290℃。这两种聚合物分开挤出并计量送至纺丝组件，在组件中，这两股熔体流分开过滤，随后合并穿过一叠分配板从而提供多条同心皮-芯纤维断面。
纺丝组件由总共1008个圆毛细孔(14排，每排72孔)组成。纺丝组件沿纵向的宽度是11.3cm，沿横向是50.4cm。每个聚合物毛细孔的直径是0.35mm并且长度1.40mm。
纺丝组件加热到305℃。聚合物以0.5克每孔每分钟的聚合物通过速率喷过每个毛细孔，生产出纤维束。纤维束在38cm长度上延伸的自然夹带的骤冷区内进行冷却。拉细的力由矩形狭缝喷嘴提供给纤维束。纺丝组件到喷嘴进口之间的距离是38cm。制造了具有不同Zenite8000FR聚对苯二甲酸乙二醇酯比值的纤维样品并载于表1中。
离开喷嘴的纤维无规地铺置到收集网上形成未粘合片材。从收集网下面抽吸真空以利将纤维固定。调节收集网速度使生产出的非织造布片材具有约140g/m2的基重。
两种未粘合片材都通过了耐明火织物试验。算出片材的织物重量损失百分率并载于表1中。
即便是纤维中LCP聚合物皮层百分率含量非常低，织物也能通过耐明火织物试验。
对比实施例A纺粘片材用含有来自实施例1和2的阻燃(FR)聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物的纺粘单组分纤维制造。这些纤维按照类似于实例1和2的双组分纤维的方式制造，只是皮和芯组分采用相同的聚合物，因此生产出单组分纤维。而且，这些纤维在纺丝后按照传统纺粘方法粘合而制成粘合的片材，这不同于实例1和2，在实例1和2中，纤维在纺丝后未进行粘合。
FR聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物在穿透空气干燥机中以120℃温度的空气干燥至聚合物含水量低于50ppm。聚合物在挤出机中加热至295℃。聚合物流被挤出并计量送入到纺丝组件，在此，熔体流经过滤，随后喂过一叠分配板从而提供多根纤维。
纺丝组件由总共1008个圆毛细孔组成(14排，每排72孔)。纺丝组件沿纵向的宽度是11.3cm，沿横向是50.4cm。每个聚合物毛细孔的直径是0.35mm并且长度1.40mm。
纺丝组件加热到295℃。聚合物以0.6克每孔每分钟的聚合物通过速率喷过每个毛细孔纺丝。纤维束在64cm长度上延伸的侧吹风骤冷区内进行冷却。拉细的力由矩形狭缝喷嘴提供给纤维束。纺丝组件到喷嘴进口之间的距离是64cm。
离开喷嘴的纤维无规地铺置到收集网上形成未粘合片材。从收集网下面抽吸真空以利将纤维固定。随后，纤维在由压花辊和砧辊组成的一组夹辊之间通过而被热粘合。粘合条件是135℃辊温和23N/m辊隙压力。调节收集网速度使生产出的非织造布片材具有约140g/m2的基重。
热粘合的片材在卷绕机上成形为卷材。
尽管纤维聚合物具有至少26的LOI，粘合片材依然未通过耐明火织物试验。这可能部分地归咎于聚合物缺乏全芳族特性。实例1和2的片材则通过了该试验并且纤维皮聚合物具有至少26的LOI，而且其纤维皮聚合物是全芳族的。测定片材的织物重量损失百分率并载于表1。本例片材的织物重量损失百分率大于实施例1和2片材的。
对比实施例B和C类似于实例1和2制造未粘合片材，不同的是纤维的皮和芯聚合物。该皮聚合物是LOI等于20的聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物，由杜邦公司作为Crystar4405购得，而芯聚合物是Zenite8000。制造了具有不同Zenite8000聚对苯二甲酸乙二醇酯比值的纤维样品并载于表1中。
两种未粘合片材都未通过耐明火织物试验。算出片材的织物重量损失百分率并载于表1中。
对比实施例D和E未粘合片材由Kevlar和Nomex纤维制成，两种都是公知的阻燃材料，由杜邦公司获得。这些纤维以纱线形式取得并切断成2.5cm长的短纤维。短纤维被无规地配置到网上形成未粘合片材。
这些未粘合片材通过了耐明火织物试验。算出片材的织物重量损失百分率并载于表1中。
表1纤维和织物的性能
其中FR PET＝阻燃聚对苯二甲酸乙二醇酯从对比实施例A的结果清楚地看出，本发明织物的阻燃特性是由于在皮-芯双组分纤维的皮中存在全芳族热塑性聚合物的缘故，而不是芯中的聚合物的阻燃特性。预计，非阻燃聚合物可以用在芯中与本发明的皮中的全芳族热塑性聚合物配合并将获得与实例1和2类似的织物性能。
实施例3和4用含有2000-系列ZeniteLCP聚合物皮组分和聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物芯组分的纺粘双组分纤维制成未粘合的片材。2000-系列ZeniteLCP聚合物是一种全芳族液晶聚酯，其LOI大于40并且熔点(Tm)等于235℃，由杜邦公司获得。聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物的LOI为20，由杜邦公司作为Crystar4405获得。
皮聚合物在105℃干燥60h；芯聚合物在90℃干燥60h。芯和皮聚合物分开挤出并计量送至具有10个纺丝毛细孔的纺丝组件中。一叠分配板将这两种聚合物合并成皮-芯构型并喂入喷丝毛细孔。纺丝组件加热到280℃。通过量是1.1克每孔每分钟，并且纺丝速度是300m/min。纤维样品具有不同Zenite2000聚对苯二甲酸乙二醇酯比值并载于表2中。
离开喷丝板的丝束被约2m长的侧吹风区中的冷却骤冷风冷却。随后，丝束收集在卷绕机上的纸筒管上。随后，丝束切断为2.5cm的长度的短纤维。短纤维无规地配置在网上制成未粘合片材。
这些片材通过了耐明火织物试验。算出片材的织物重量损失百分率并载于表2中。
实施例5～7类似于实例3和4制造未粘合片材，不同的是采用8000-系列ZeniteLCP聚合物皮组分替代2000-系列Zenite，并采用各种不同芯聚合物。皮聚合物加热至290℃，而不是280℃。在实例5中，同样的聚对苯二甲酸乙二醇酯被用于芯组分，但在实例6和7中，分别采用来自Himont的Profax6323聚丙烯和来自杜邦公司的Zytel158聚酰胺替代聚对苯二甲酸乙二醇酯。对于实例5～7，通过量分别是1.1、1.8和1.8每克每孔每分钟，纺丝速度分别是250、300和200m/min。纤维样品具有不同Zenite8000芯聚合物比值并载于表2中。
这些片材通过了耐明火织物试验。算出片材的织物重量损失百分率并载于表2中。
对比实施例F用含实例3和4的聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物的单组分纤维制造未粘合片材。这些纤维按照类似于实例3和4的双组分纤维的方式制造，只是皮和芯组分采用相同的聚合物，因此生产出单组分纤维。纺丝速度是400m/min。
该片材未能通过耐明火织物试验。算出片材的织物重量损失百分率并载于表2中。
表2纤维和织物的性能
其中PET＝聚对苯二甲酸乙二醇酯PP＝聚丙烯PA＝聚酰胺从对比实施例F的结果清楚地看出，本发明织物的阻燃特性是由于在皮-芯双组分纤维的皮中存在全芳族热塑性聚合物的缘故。
从本发明纤维和织物在阻滞火焰蔓延上表现出的效能来看，这些材料将在得益于阻燃特性的含织物制品领域得到应用，例如，床上用品例如垫子、枕头、毯子、被子或珩缝被和睡衣或者防护服，例如手套、靴子或靴子盖布、实验室外套、连衫裤工作服等。
权利要求
1.一种包含具有皮和芯的双组分纤维的阻燃织物，其中皮包含LOI至少是26的全芳族热塑性聚合物，而芯包含热塑性聚合物。
2.权利要求1的阻燃织物，其中双组分纤维的皮包含LOI至少是28的全芳族热塑性聚合物。
3.权利要求2的阻燃织物，其中双组分纤维的皮包含LOI至少是30的全芳族热塑性聚合物。
4.权利要求1的阻燃织物，其中双组分纤维的皮包含聚酯、聚酯-酰胺或聚酰胺-酰亚胺聚合物。
5.权利要求4的阻燃织物，其中双组分纤维的皮包含液晶聚合物。
6.权利要求5的阻燃织物，其中双组分纤维的皮包含液晶聚酯聚合物。
7.权利要求1的阻燃织物，其中双组分纤维的芯包含聚酯聚合物或聚酰胺聚合物。
8.权利要求7的阻燃织物，其中双组分纤维的芯包含聚对苯二甲酸乙二醇酯。
9.权利要求1的阻燃织物，其中双组分纤维的皮包含液晶聚合物，而纤维芯包含聚对苯二甲酸乙二醇酯。
10.权利要求1的阻燃织物，其中双组分纤维的皮-芯包含同心皮-芯排列。
11.权利要求1的阻燃织物，其中双组分纤维的皮占纤维断面面积的至少10％。
12.权利要求11的阻燃织物，其中纤维皮占纤维断面面积的至少20％。
13.权利要求9的阻燃织物，其中双组分纤维包含同心皮-芯排列并且纤维皮占纤维断面面积的至少10％。
14.权利要求1的阻燃织物，其中双组分纤维是连续或不连续的。
15.权利要求1的阻燃织物，其中双组分织物包含机织或非织造布材料。
16.一种阻燃双组分纤维，它包含热塑性聚合物的芯和全芳族液晶聚合物的皮，后者按照差示扫描量热法测定具有一定熔点(Tm)。
17.权利要求16的阻燃纤维，其中所述Tm介于约200℃～约325℃之间。
18.权利要求16的阻燃纤维，其中所述皮占纤维断面面积的至少10％。
19.权利要求18的阻燃纤维，其中所述皮占纤维断面面积的10％～80％。
20.一种包含权利要求1的阻燃织物或权利要求16的阻燃纤维的垫子。
21.一种包含权利要求1的阻燃织物或权利要求16的阻燃纤维的枕头。
22.一种包含权利要求1的阻燃织物或权利要求16的阻燃纤维的毯子或被子。
23.一种包含权利要求1的阻燃织物或权利要求16的阻燃纤维的防护服制品。
24.一种包含权利要求1的阻燃织物或权利要求16的阻燃纤维的睡衣制品。
全文摘要
一种包含具有皮和芯的双组分纤维的阻燃织物，其中皮含极限氧指数至少26的全芳族热塑性聚合物，而芯包含热塑性聚合物。
文档编号D01F8/16GK1732295SQ200380108092
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月30日 优先权日2002年12月30日
发明者V·班萨尔, 林鍠胜, M·R·萨米尔斯, H·V·萨米尔森 申请人:纳幕尔杜邦公司