防电弧和防火的变性聚丙烯腈/芳族聚酰胺纤维共混物的制作方法

专利名称：防电弧和防火的变性聚丙烯腈/芳族聚酰胺纤维共混物的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及适用于生产具有防电弧性能和防火性能的织物的共混纱线。本发明还涉及由该织物生产的衣服。
2.相关技术描述靠近激励电气设备的工作人员和应对激励设备附近突发事件的救灾人员要冒电弧和可能由电弧事件造成的火灾的危险。电弧是涉及数千伏特和数千安培电流的极其凶险的事件。电弧是当空气中两个电极之间的电位差(即电压)使空气中的原子离子化并变成能导电时形成的。
授予Ichibori等的美国专利5,208,105公开了包含内有大量锑化合物的含卤纤维和至少一种纤维选自天然纤维和化学纤维的阻燃复合材料纤维共混物。把纤维共混物织造成织物并试验其极限氧指数，作为其阻燃性的量度。
目前需要具有高度防电弧性能和防火性能的纱线、织物和衣服。
发明概述本发明涉及适用于防电弧和防火织物和衣服的纱线，它包含(a)40～70重量％变性聚丙烯腈纤维，(b)5～20重量％对位-芳族聚酰胺纤维和(c)10～40重量％间位-芳族聚酰胺纤维，所述百分数都以组分(a)、(b)和(c)之和为基准计算。
此外，这种织物和衣服能提供抗开裂性和耐磨性。
发明详述本发明涉及提供可用来生产提供防电弧性和阻燃性的织物和衣服的纱线。包含低拉伸强度阻燃纤维的织物和衣服在暴露于电弧的强热应力中时会开裂，从而使穿戴者因入射能而受到额外伤害。电弧一般涉及数千伏特和数千安培电流。电弧比来自骤燃的入射能强得多。为了对穿戴者提供防护，衣服或织物必须阻止能量穿透、转移到穿戴者身上。相信这一点要靠织物吸收一部分入射能和织物抗开裂。在开裂期间，织物上形成的孔洞会把穿戴者的表面直接暴露于入射能。
本发明的纱线、织物和衣服在暴露于电弧的强热应力中时阻止能量转移。相信本发明减少能量转移的机制是吸收一部分入射能并通过炭化减少透射能。
本发明的纱线包含变性聚丙烯腈纤维、间位-芳族聚酰胺纤维和对位-芳族聚酰胺纤维的共混物。本发明的纱线一般包含40～70重量％变性聚丙烯腈纤维、5～20重量％对位-芳族聚酰胺纤维和10～40重量％间位-芳族聚酰胺纤维。优选本发明的纱包含55～65重量％变性聚丙烯腈纤维、5～15重量％对位-芳族聚酰胺纤维和20～30重量％间位-芳族聚酰胺纤维。上述百分数均以这3种命名组分之和为基准计算。此外，纱线中还可加入耐磨纤维，以通过提高耐磨性来提高耐久性。
所谓“纱线”是指纺丝或加捻在一起形成连续股的纤维的集合，它们能用来织造、针织、编结或添纱，或制成纺织材料或织物。
所谓变性聚丙烯腈纤维是指由主要包含聚丙烯腈的聚合物制成的丙烯酸合成纤维。优选该聚合物是包含30～70重量％聚丙烯腈和70～30重量％含卤乙烯基单体的共聚物。含卤乙烯基单体是至少一种选自如下一组的单体氯乙烯、偏氯乙烯、溴乙烯、偏溴乙烯等。可共聚乙烯基单体的实例是丙烯酸、甲基丙烯酸、这类酸的盐或酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、醋酸乙烯酯等。
本发明的优选变性聚丙烯腈纤维是聚丙烯腈与偏氯乙烯组合的共聚物，为了提高阻燃性，该共聚物还含有一种或多种氧化锑。这类适用的变性聚丙烯腈纤维包括，但不限于，美国专利3,193,602所公开的含2重量％三氧化锑的纤维、美国专利3,748,302所公开的用存在量至少2重量％且优选不超过8重量％的多种氧化锑制成的纤维，以及美国专利5,208,105和5,506,042所公开的含8～40重量％锑化合物的纤维。
在本发明的纱线内，变性聚丙烯腈纤维提供阻燃的焦炭形成纤维，其LOI一般至少为28，随锑衍生物掺入量而变。变性聚丙烯腈纤维也阻止因暴露于火烟中所引起的纤维损伤的扩展。变性聚丙烯腈纤维虽然非常阻燃，但其本身提供的拉伸强度不足以为纱线或由这种纱线制成的织物提供暴露于电弧中时所需的抗开裂能力。
如本文所用，“芳族聚酰胺”是指下述聚酰胺至少85％的酰胺键(-CONH-)直接连接在2个芳环上。芳族聚酰胺可以与添加剂一起使用，实际上已发现，可以把多达10重量％的其它聚合物与芳族聚酰胺进行共混，也可以用多达10％的其它二胺取代芳族聚酰胺中的二胺或多达10％的其它二酰基氯取代芳族聚酰胺中的二酰基氯。适用的芳族聚酰胺纤维已描述在Interscience出版社1968年出版的W.Black等所著的Man-Made Fibers-Science and Technology，Volume 2，page297(人造纤维—科学与技术，第二卷，297页)题为Fiber-FormingAromatic Polyamides(成纤芳族聚酰胺)的部分中。芳族聚酰胺纤维也公开在美国专利4,172,938；3,869,429；3,819,587；3,673,143；3,354,127和3,094,511中。间位-芳族聚酰胺是酰胺键在间位上彼此相对的芳族聚酰胺，而对位-芳族聚酰胺是酰胺键在对位上彼此相对的芳族聚酰胺。在实践本发明时，最常用的芳族聚酰胺是聚对苯二甲酰对苯二胺和聚间苯二甲酰间苯二胺。
在本发明的纱线内，间位-芳族聚酰胺纤维可提供LOI约26的阻燃的焦炭形成纤维。间位-芳族聚酰胺也阻止因暴露于火烟中所引起的纤维损伤的扩展。间位-芳族聚酰胺还可以使由包含本发明纱线的纤维所形成的织物更舒适。
间位-芳族聚酰胺为纱线和由纱线制成的织物提供更高的拉伸强度。变性聚丙烯腈纤维和间位-芳族聚酰胺纤维的组合是非常阻燃的，但为纱线和由该纱线制成的织物提供的拉伸强度不足以使它们在暴露于电弧中时具有所需的抗开裂性。
在本发明的纱线中，对位-芳族聚酰胺纤维提供高拉伸强度纤维，当加入量足够多时，能提高由该纱线制成织物的抗开裂性。纱线中大量对位-芳族聚酰胺纤维会使包含该纱线的衣服的穿戴者不舒服。
术语拉伸强度是指材料在断裂或失效前所能承受的最大应力。撕裂强度是撕裂织物所需的力。织物的拉伸强度一般与织物多么容易撕裂有关。拉伸强度也可与织物避免变成永久伸长或变形的能力有关。织物拉伸和撕裂强度应高到足以使衣服防撕裂或防止以明显降低衣服防护性的方法发生永久变形。
此外，在纱线中可加入耐磨纤维以通过提高耐磨性而提高耐久性。所谓耐磨性是指纤维或织物承受表面磨擦的能力。优选耐磨纤维是尼龙。所谓尼龙是指由脂肪族聚酰胺聚合物制成的纤维；以及聚六亚甲基己二酰胺(尼龙66)是优选的尼龙聚合物。其它尼龙如聚己内酰胺(尼龙6)、聚丁内酰胺(尼龙4)、聚(9-氨基壬二酸)(尼龙9)、聚庚内酰胺(尼龙7)、聚辛内酰胺(尼龙8)、聚六亚甲基癸二酰胺(尼龙6，10)等也适用。
耐磨纤维一般占纱线的2～15重量％。耐磨纤维含量少于2重量％的纱线在耐磨性上不表现出明显的改进。耐磨纤维含量超过15重量％的纱线会降低纱线和由该纱线制成的织物的阻燃性和防电弧性。
此外，在本发明的纱线、织物和衣服中可加入抗静电组分。典型的实例是钢纤维、碳纤维或已有纤维上的碳涂层。碳或金属如钢，在加入本发明的纱线、织物或衣服时，它们的导电性为有助于耗散静电的积聚提供电导。静电放电对使用敏感电气设备或接近可燃蒸气的工人可能是非常危险的。抗静电组分的存在量可以是纱线总量的1～5重量％。
本发明的纱线可以用本领域熟知的任何纺纱技术来生产，例如，但不限于环绽纺纱、包芯纺纱和气流喷射纺纱或更高的气流喷射纺纱，如用空气把短纤维加捻成纱线的Murata气流喷射纺纱。然后，一般要在把由任何普通技术生产的单股纱线合股在一起以形成包含至少两种单股纱线的合股-加捻纱之后转化为织物。
为提供对电弧引起的强热应力的防护性，希望防电弧织物和由该织物制成的衣服具有如下特点高于空气中氧浓度的LOI，以阻燃；短焦炭长度，说明织物损伤慢扩展；和良好的抗开裂性，以防止入射能直接冲击保护层以下的表面。
热防护衣服，如消防员的消防服，一般都能抵制明火产生的对流热。这类防护服在暴露于由电弧所产生的强能量中时能开裂(即织物中形成开口)，使能量穿透衣服并使穿戴者严重受伤。本发明的织物优选提供双重防护防明火的对流热并在暴露于电弧中时提供更高的抗开裂和能量转移能力。
术语织物，如本说明书和所附权利要求所用，是指用本发明的一种或多种不同类型的纱线以织造、针织或其它集合法制成的所需保护层。优选本发明的织物是织造织物。非常优选本发明的织物是斜纹组织。
基础重量是单位面积重量的量度。典型的单位包括盎司/码2的或g/cm2。本说明书中报告的基础重量以盎司/码2(OPSY)报告。随单位面积织物量的增加，潜在危险与受保护者之间的材料量增加。材料基础重量的增加意味着将观察到防护性的相应增加。本发明织物基础重量的增加导致更高的抗开裂性、更高的防热因子和更好的防电弧性。本发明织物的基础重量一般都大于约8.0opsy，优选大于约8.7opsy，非常优选大于约9.5opsy。相信基础重量大于约12opsy的本发明织物会表现出更高的刚度并因此而降低由这种织物制成衣服的舒适性。
焦炭长度是纺织物阻燃性的量度。焦炭定义为因热解或不完全燃烧所形成的炭素残渣。在ASTM 6413-99试验条件下织物的焦炭长度，如本说明书所报告，定义为受特定撕力后自直接暴露于火烟中的织物边缘至最远可见织物损伤点的距离。优选本发明织物的焦炭长度小于6英寸。
本发明的织物可作为单层使用或作为多层防护服的一部分使用。在本说明书中，织物的防护值是针对单层织物报告的。本发明还包括由本发明的织物制成的衣服。
本发明的纱线可存在于织物的经纱或纬纱中。优选本发明的纱线同时存在于所得织物的经纱和纬纱中。非常优选本发明的纱线专门存在于织物的经纱和纬纱中。
试验方法磨耗试验本发明织物的磨耗性按ASTM D-3884-01“纺织品耐磨性标准指南(旋转平台，双头法)”。
耐电弧试验本发明织物的耐电弧性按ASTM F-1959-99“测定服装材料电弧热性能值的标准试验方法”测定。优选本发明织物的耐电弧性至少为0.8卡/cm2·opsy，更优选至少1.2卡/cm2·opsy。
抓样强力试验本发明织物的耐抓性按ASTM D-5034-95“织物断裂强度和伸长率的标准试验方法(抓样强力试验)”测定。
极限氧指数试验本发明织物的极限氧指数(LOI)按ASTM G-125-00“测定液体和固体材料在气态氧化剂中着火极限的标准试验方法”测定。
撕裂试验本发明织物的抗撕裂性按ASTM D-5587-03“Trapezoid法织物撕裂的标准试验方法”。
防热性试验本发明织物的防热性按NFPA 2112“保护工人免遭骤燃的阻燃服的标准”测定。
垂直燃烧试验本发明织物的焦炭长度按ASTM D-6413-99“纺织品阻燃性的标准试验方法(垂直法)”测定。
术语防热性(TPP)涉及在织物暴露于直接火烟或辐射热中时，织物对织物下穿戴者皮肤持续和可靠的防护能力。
极限氧指数(LOI)按ASTM G125/D2863在ASTM D2863的条件下氧氮混合物刚好支持一开始在室温下的材料燃烧的最低氧浓度，以体积百分数表示。
为说明本发明提供下列实施例。所有份数和百分数都以重量计，温度是摄氏度，除非另有说明。
实施例变性聚丙烯腈/芳族聚酰胺/尼龙织物实施例1制备经纱和纬纱中都有Nomex450型、Kevlar29、变性聚丙烯腈和尼龙的均匀共混物的环绽纺纱的防热且耐久的织物。Nomex450型是聚间苯二甲酰间苯二胺(MPD-1)、变性聚丙烯腈是含6.8％锑的ACN/聚偏氯乙烯共聚物(商品名为ProtexC)，Kevlar29是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T)，以及尼龙是聚六亚甲基己二酰胺。
制备含30重量％Nomex450型、5重量％Kevlar29、50重量％变性聚丙烯腈和15重量％尼龙的清棉混条，并用环锭细纱机以传统的棉体系加工成捻度为3.7的纺纱。由此制成的纱线是24.6特(24棉纱支数)单纱。然后在合股机上把两股单纱进行合股以制成双股纱。用类似的方法以及相同的捻度和共混比制成28.1特(21棉纱支数)纱，作纬纱用。然后把这两种纱线合股成合股纱。
在梭织机上用Nomex/Kevlar/变性聚丙烯腈/尼龙纱线作为3×1斜纹结构中的经纱和纬纱。该本色斜纹织物的结构是26经纱×17纬纱/cm(66经纱×42纬纱/英寸)，基础重量为240.7g/m2(7.1盎司/码2)。把如上所述制成的本色斜纹织物浸在热水中煮炼并在低张力下干燥之。然后用碱性染料喷染该煮炼过的织物。然后对311.9g/m2(9.2盎司/码2)成品织物试验其热和机械性能。
实施例2制备经纱和纬纱中都有Nomex450型、Kevlar29、变性聚丙烯腈和尼龙的均匀共混物的环绽纺纱的防热且耐久的织物。Nomex450型是聚间苯二甲酰间苯二胺(MPD-1)、变性聚丙烯腈是含6.8％锑的ACN/聚偏氯乙烯共聚物(商品名为ProtexC)，Kevlar29是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T)，以及尼龙是聚六亚甲基己二酰胺。
制备含25重量％Nomex450型、5重量％Kevlar29、60重量％变性聚丙烯腈和10重量％尼龙的清棉混条，并用环锭细纱机以传统的棉体系加工成捻度为3.7的纺纱。由此制成的纱线是21.1特(28棉纱支数)单纱。然后在合股机上将两股单纱进行合股以制成双股纱。用类似的方法以及相同的捻度和共混比制成22.7特(26棉纱支数)纱，作纬纱用。然后把这两种纱合股成合股纱。
在梭织机上用Nomex/Kevlar/变性聚丙烯腈/尼龙纱线作为3×1斜纹结构中的经纱和纬纱。该本色斜纹织物的结构是27经纱×21纬纱/cm(68经纱×52纬纱/英寸)，基础重量为223.7g/m2(6.9盎司/码2)。把如上所述制成的本色斜纹织物浸在热水中煮炼并在低张力下干燥之。然后用碱性染料喷染该煮炼过的织物。然后对294.9g/m2(8.7盎司/码2)成品织物试验其热和机械性能。
实施例3制备经纱和纬纱中都有NomexN303型、Kevlar29、变性聚丙烯腈和尼龙的均匀共混物的环绽纺纱的防热且耐久的织物。NomexN303型是92％聚间苯二甲酰间苯二胺(MPD-1)、5％Kevlar29和3％P140(为抗静电已涂炭的尼龙)，变性聚丙烯腈是含2％锑的ACN/聚偏氯乙烯共聚物，Kevlar29是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T)，以及尼龙是聚六亚甲基己二酰胺。
制备含20重量％Nomex450型、10重量％Kevlar29、60重量％变性聚丙烯腈和10重量％尼龙的清棉混条，并用环锭细纱机以传统的棉体系加工成捻度为3.7的纺纱线。由此制成的纱线是24.6特(21棉纱支数)单纱。然后在合股机上将两股单纱进行合股以制成双股纱。用类似的方法以及相同的捻度和共混比，制成28.1特(21棉纱支数)纱，作纬纱用。然后把这两种纱合股成合股纱。
在梭织机上用Nomex/Kevlar/变性聚丙烯腈/尼龙纱线作为3×1斜纹结构中的经纱和用Nomex/变性聚丙烯腈纱线作为纬纱。该本色斜纹织物的结构是27经纱×17纬纱/cm(68经纱×42纬纱/英寸)，基础重量为244.1g/m2(7.2盎司/码2)。把如上所述制成的本色斜纹织物浸在热水中煮炼并在低张力下干燥之。然后用碱性染料喷染该煮炼过的织物。然后对325.4g/m2(9.6盎司/码2)成品织物试验其热和机械性能。
实施例4制备经纱和纬纱中都有Nomex450型、Kevlar29、变性聚丙烯腈和尼龙的均匀共混物的环绽纺纱的防热且耐久的织物。Nomex450型是聚间苯二甲酰间苯二胺(MPD-1)、变性聚丙烯腈是含15％锑的ACN/聚偏氯乙烯共聚物(商品名为ProtexM)，Kevlar29是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T)，以及尼龙是聚六亚甲基己二酰胺。
制备含25重量％Nomex450型、10重量％Kevlar29、60重量％变性聚丙烯腈和5重量％尼龙的清棉混条，并用环锭细纱机以传统的棉体系加工成捻度为3.7的纺纱。然后在合股机上将两股单纱进行合股以制成双股纱。
在梭织机上用Nomex/Kevlar/变性聚丙烯腈/尼龙纱线作为3×1斜纹结构中的经纱和纬纱。把如上所述制成的本色斜纹织物浸在热水中煮炼并在低张力下干燥之。然后用碱性染料喷染该煮炼过的织物。然后对295g/m2(8.7盎司/码2)成品织物试验其热和机械性能。
权利要求
1.适用于防电弧和防火的纱线，包含(a)40～70重量％变性聚丙烯腈纤维，(b)5～20重量％对位-芳族聚酰胺纤维和(c)10～40重量％间位-芳族聚酰胺纤维，所述百分数都以组分(a)、(b)和(c)之和为基准计算。
2.权利要求1的纱线，包含(a)55～65重量％变性聚丙烯腈纤维，(b)5～15重量％对位-芳族聚酰胺纤维和(c)20～35重量％间位-芳族聚酰胺纤维。
3.权利要求1的纱线，还含有(d)耐磨纤维。
4.权利要求3的纱线，其中耐磨纤维的存在量为组分(a)、(b)、(c)和(d)之和的2～15重量％。
5.权利要求3的纱线，其中耐磨纤维是尼龙。
6.权利要求1的纱线，还含有抗静电组分。
7.权利要求6的纱线，其中抗静电组分的存在量是纱线总量的1～5重量％。
8.权利要求6的纱线，其中抗静电组分包含碳和金属纤维。
9.权利要求8的纱线，其中抗静电组分包含碳。
10.包含适用于防电弧和防火的纱线的织物，所述纱线包含(a)40～70重量％变性聚丙烯腈纤维，(b)5～20重量％对位-芳族聚酰胺纤维和(c)10～40重量％间位-芳族聚酰胺纤维，所述百分数都以组分(a)、(b)和(c)之和为基准计算。
11.权利要求10的织物，其中所述纱线包含(a)55～65重量％变性聚丙烯腈纤维，(b)5～15重量％对位-芳族聚酰胺纤维和(c)20～35重量％间位-芳族聚酰胺纤维。
12.权利要求10的织物，还包含(d)耐磨纤维。
13.权利要求12的织物，其中耐磨纤维的存在量是组分(a)、(b)、(c)和(d)之和的2～15重量％。
14.权利要求12的织物，其中耐磨纤维是尼龙。
15.权利要求10的织物，还包含抗静电组分。
16.权利要求10的织物，按照ASTM D-6413-99测定，其焦炭长度小于6英寸。
17.权利要求10的织物，按照ASTM F-1959-99测定，其耐电弧性至少为0.8卡/cm2·opsy。
18.权利要求17的织物，其中耐电弧性至少为1.2卡/cm2·opsy。
19.适用于防电弧和防火的衣服，包含(a)40～70重量％变性聚丙烯腈纤维，(b)5～20重量％对位-芳族聚酰胺纤维和(c)10～40重量％间位-芳族聚酰胺纤维，所述百分数都以组分(a)、(b)和(c)之和为基准。
20.权利要求19的衣服，包含(a)55～65重量％变性聚丙烯腈纤维，(b)5～15重量％对位-芳族聚酰胺纤维和(c)20～35重量％间位-芳族聚酰胺纤维。
21.权利要求19的衣服，还含有耐磨纤维。
22.权利要求19的衣服，还含有抗静电组分。
全文摘要
适用于防电弧和防火的纱线、织物和衣服含有变性聚丙烯腈、对位－芳族聚酰胺和间位－芳族聚酰胺纤维。
文档编号D02G3/04GK1930335SQ200580008105
公开日2007年3月14日 申请日期2005年3月16日 优先权日2004年3月18日
发明者R·朱, D·古克尔特, S·L·罗瓦西克 申请人:纳幕尔杜邦公司