专利名称：适合用于抗磨、高强度尼龙混纺纱和织物的尼龙短纤维的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于抗磨和合格的高强度混纺纱和织物(如尼龙/棉(NYCO)纱和织物)的尼龙短纤维的制备。这种尼龙短纤维通过以下方式生产制备相对高分子量的骤冷的尼龙长丝束，拉伸并退火这些丝束，然后通过剪切或其它方法将经拉伸并退火的丝束转变为所需要的尼龙短纤维。这种方法制备的尼龙短纤维可与其它纤维(如棉短纤维)混纺，以生产尼龙/棉 NYCO纱。这些纱接着能被编织成NYCO织物，这些织物可有利地有抗磨、高强度、任选轻便、 舒适、低成本和耐用等优点，因此特别适合用于或作为，例如军用服装如军用制服或其它恶劣环境下使用的服装。相关
背景技术：
尼龙被制造及商业上应用已经许多年，第一种尼龙纤维是尼龙6,6，聚(己二酰己二胺)，且尼龙6，6纤维作为主要的尼龙纤维仍在生产和商业中应用。大量其它尼龙纤维， 特别是由己内酰胺制备的尼龙6纤维也同样在生产和商业中应用。尼龙纤维被用于生产织物和出于其它目的的纱。对于织物，基本上有两种主要的纱种类，即连续的长丝纱和短纤维 (即剪切纤维)制造的纱。尼龙短纤维常规地由以下方法制造将尼龙聚合物熔纺为长丝，收集非常大量的这种长丝成为丝束，对该丝束进行拉伸操作，然后将该丝束转化为短纤维，例如在短纤维切断机中。这种丝束通常包含成千上万的长丝，并且以总旦尼尔计一般约为几十万。该拉伸操作包括在一套喂料辊和一套拉伸辊(运行速度大于喂料辊)之间运送这种丝束以增加尼龙聚合物在该长丝中的取向。拉伸通常与退火操作组合以便在丝束转化成短纤维之前增加丝束长丝中的尼龙结晶性。尼龙短纤维的优势之一是它们容易混纺，特别是与天然纤维，例如棉(通常被认为短纤维)和/或与其它合成纤维，以获得这样混纺可产生的优势。特别理想的尼龙短纤维形式已经被使用很多年，其用于与棉混纺，特别是用于改善包含棉和尼龙混合物的纱制备的织物的耐久性和经济性。这是因为这种尼龙短纤维有相对高的承载强度，如Hebeler 在美国专利第3，044，520号、第3，188，790号、第3，321,448号和第3，459，845号中所公开，这些专利的公开内容通过引用全文结合到本文中。如Hebeler解释，尼龙短纤维的承载能力方便以7%伸长率的强度(T7)测定，并且T7参数作为标准度量已长期被接受并容易在 Instron (英斯特朗)机器上读取。制备尼龙短纤维的Hebeler方法包含上文中描述的尼龙纺制、丝束形成、拉伸和转化操作。后来通过以下方式对制备尼龙短纤维的Hebeler方法进行改良改变丝束拉伸操作的性质，和在整个方法中增加特定类型的退火(或高温处理)和随后的冷却步骤。例如，Thompson在美国专利第5，093，195号和第5，011，645号中公开尼龙短纤维制备，其中尼龙6，6聚合物(具有例如55的甲酸相对黏度(RV))被纺制成长丝，所述长丝然后被拉伸、 退火、冷却并剪切成短纤维，这种短纤维断裂强度(T)约为6. 8-6. 9，单丝旦数为约2. 44，且承载能力(T7)为约2. 4-3. 2。这种尼龙短纤维在Thompson专利中被进一步公开，其与棉混纺并形成具有改善的纱强度的纱。(这些Thompson专利都通过全文引用结合到本文中。)依照Thompson工艺制备的尼龙短纤维已经被混纺成NYCO纱(一般尼龙/棉的比例为50 50)，这些纱被用于制备NYCO织物。发现这种NYCO织物，例如机织物，应用于军队战斗制服和服装。虽然这种织物被广泛证明适合军事或其它恶劣条件服装使用，但军队当局，例如，在不断寻求改良的织物，该织物可为抗磨、高强度、质量更轻、成本更低、并且/ 或者更舒适，但仍然高度耐用，甚至有改善的耐久性。一种用于这种具有改善的抗磨、耐久性、舒适性和任选较轻重量的织物的方法可包含NYCO纱的制备，及由其制备的织物，其中用于制备纱的该尼龙短纤维有适当高的承载能力并且也能给予由其制备的纱和织物抗磨特性。与目前使用的织物相比，用这些尼龙短纤维制成的纱制备的织物能有利地产生改善的抗磨和耐久性。该尼龙短纤维也可通过结合到较轻重量、和/或较低成本的织物中，提供这些理想的抗磨和耐久性能，所述织物可能比目前这类织物使用更少的尼龙短纤维。发明概述考虑到前述事项，一些实施方案涉及尼龙短纤维的制备方法，所述尼龙短纤维能与伴随纤维混纺形成纱并编织成织物来改良织物强度和抗磨，同样包含的是制备该短纤维本身的方法，及由这些尼龙短纤维与伴随的纤维(如棉短纤维)混纺制造的纱。由此产生的混纺纱能随后编织成抗磨、耐用的和任选轻便的机织物，该机织物特别适合军事或其它恶劣条件服装使用。在一些实施方案的方法方面为制备尼龙短纤维的方法。该方法包含以下步骤尼龙聚合物熔纺为长丝，骤冷该长丝并用大量的这些骤冷长丝形成丝束，对这丝束进行拉伸和退火，然后将产生的经拉伸和退火的丝束转化为适合用于形成例如短纤纱的短纤维。依照一些实施方案的方法方面，被熔纺为长丝的尼龙聚合物的甲酸相对黏度(RV) 为65-100。另外，该丝束的拉伸和退火以总有效拉伸比为2. 3-4. 0(包含3. 0-4. 0)下实施的两阶段的连续操作进行。在该拉伸操作的第一拉伸阶段，发生85% -97. 5%的丝束拉伸。 在该操作的第二退火和拉伸阶段，该丝束经受145°C -约205°C的退火温度。在一个实施方案中，丝束在该退火和拉伸阶段的温度可通过以下步骤达到将丝束与在第一阶段拉伸和第二阶段拉伸及退火操作之间放置的蒸汽加热金属板接触。该拉伸和退火操作之后进行的是冷却步骤，其中经拉伸和退火的丝束被冷却到80°C以下的温度。在这两个阶段的拉伸和退火操作过程中，该丝束被保持在可控的张力之下。另一个方面涉及所述类型尼龙短纤维，该尼龙短纤维可依照前述的方法制备。因此，本发明的尼龙短纤维是那些单丝旦数为约1. 0-3. 0、强度至少约6. 0克每旦尼尔、且以 7%伸长率强度(T7)测定的承载能力大于2.5 (如大于3. 2)克每旦尼尔的尼龙短纤维。这些短纤维用相对黏度65-100的尼龙聚合物成型。在另一个方面，本发明涉及纺织纱，该纺织纱可通过本文的尼龙短纤维和棉短纤维混纺制备。由此产生的尼龙/棉(即NYC0)纱，因此同时包含棉短纤维和尼龙短纤维，棉与尼龙纤维的重量比为20 80-80 20。基本上所有该NYCO纱中尼龙短纤维是包含甲酸 RV为65-100的尼龙聚合物，单丝旦数为1. 0-3. 0，强度为至少6. 0克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测定的承载能力大于2. 5，且更优选大于3. 2克每旦尼尔的尼龙短纤维。在另一个方面，本发明涉及轻便和理想耐用的NYCO织物，该织物由上文描述的
5NYCO纺织纱编织。该织物由纺织纱在经向和纬向(纬纱)方向编织。至少这些方向之一编织的纱将是包含混纺的本文尼龙短纤维和棉短纤维的纱，其中棉纤维与尼龙纤维重量比为约20 80-80 20。此外，基本上所有用于编织本文的NYCO织物的纺织纱中的尼龙短纤维是包含甲酸RV为65-100的尼龙聚合物，具有单丝旦数为约1. 0-3. 0，强度为至少约6. 0 克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测定的承载能力大于约2. 5克每旦尼尔，如大于 3. 2克每旦尼尔的尼龙短纤维。在另一个实施方案中，所述尼龙短纤维可以是包含强度至少约6. 0克每旦尼尔和以(T7)测定的承载能力大于约3. 2克每旦尼尔的尼龙短纤维。在还另一个方面为包含混纺纱的织物(如NYCO织物)，由纺织纱在经向和纬向 (纬纱)方向编织的NYCO织物，其中这些在两个方向编织的纺织纱包含混纺的棉短纤维和尼龙短纤维，其中棉短纤维与尼龙短纤维的重量比为20 80-80 20。此外，在该织物中， 纬向(纬纱)方向编织的NYCO纱包含具有单丝旦数为1. 3-2. 0(包含1. 55-1. 8，1. 6-1. 8 和1. 55-1. 75)的尼龙短纤维，并且经向编织的NYCO纱包含具有单丝旦数为2. 1-3. 0 (包含 2. 3-2. 7)的尼龙短纤维。在还另一个实施方案中，在经向和纬向使用的纱，可分别以其它物理特性或性能规格来区别。例如，织物可由经向纱构成，对比以纬向使用的纱，经向的纱有相对较高抗磨性，但是张力强度较低。发明详述本文所用的术语“耐用的”和“耐久性”指织物的习性，特征为对于该织物的预期终端使用，具有合适的高抓样强度和撕裂强度以及抗磨性，和织物开始使用后合适长度的时间内保持这些需要的性质。本文所用的术语混纺或混纺的，在涉及短纤纱时，表示至少两种类型纤维的混合物，其中该混合物由以下方式形成每一种类型纤维的单个纤维与其它类型的单个纤维基本上完全混合，以提供一个基本上均勻的纤维混合物，这种混合物在将来的加工和使用中有足够的缠结维持它的完整性。本文所用的棉纱支数指基于840码长度的纱编号系统，并且其中纱的支数等同于 1磅重所需的840码绞纱的数量。本文陈述的所有数值应当被理解为用术语“约”修饰。一些实施方案是基于有确定的具体特征的改善的尼龙短纤维制备和随后的纱与该纱编织的织物的制备，其中这些改善的尼龙短纤维与至少一种其它纤维混纺，也指作为伴随纤维。所述其它纤维可以包含纤维素制品(如棉)、改性的纤维素制品(如FR处理的纤维素)、聚酯、人造丝、动物纤维(如羊毛)、耐火(FR)聚酯、FR尼龙、FR人造丝、FR处理的纤维素、间芳族聚酰胺、对芳族聚酰胺、变性聚丙烯腈、酚醛纤维(novoloid)、三聚氰胺、 聚氯乙烯、抗静电纤维、PBO(1,4-苯二甲酸，二盐酸4，6_ 二氨基-1，3苯二酚的聚合物)、 PBI (聚苯并咪唑)和其组合。一些实施方案的尼龙短纤维可使纱和织物在强度和/或抗磨性方面增强。与相对较弱的纤维(如棉和羊毛)组合时这是特别真实的。本文制备和使用的尼龙短纤维具体特征包含用于制备纤维的尼龙的甲酸RV、纤维旦尼尔、纤维强度和根据7%伸长率的纤维强度定义的纤维承载能力。本文需要的尼龙短纤维材料的实现也基于有确定选择特性的尼龙聚合物材料在短纤维制造中的使用。用于尼龙长丝纺制的尼龙聚合物自身能用常规的方式生产。适合用于本发明的方法和长丝中的尼龙聚合物由合成的可熔纺或熔纺聚合物组成。该尼龙聚合物可包含聚酰胺均聚物、共聚物和其混合物，该混合物主要为脂肪族的，即聚合物的少于85%的酰胺连结为连接到两个芳族环。依照一些实施方案，广泛使用的聚酰胺聚合物如聚(己二酰己二胺)(尼龙6，6)和聚(ε -己内酰胺)(尼龙6)及它们的共聚物和混合物可被使用。可以有利地使用的其它聚酰胺聚合物是尼龙12、尼龙4，6、尼龙6，10、尼龙6， 12、尼龙12，12和它们的共聚物和混合物。能在本发明的方法、纤维、纱和织物中使用的聚酰胺和共聚酰胺的例证，在美国专利第5，077，124号、第5，106，946号和第5，139，729号 (各授予Cofer等)中被描述，聚酰胺聚合物的混合物由Gutmarm公开于Chemical Fibers hternationaK国际化学纤维)，418-420页，第46卷，1996年12月。这些出版物都通过引用结合到本文中。用于制备尼龙短纤维的尼龙聚合物常规通过使适当的单体、催化剂、抗氧化剂和其它添加剂(例如增塑剂、除光剂、色素、染料、光稳定剂、热稳定剂、减少静电的抗静电齐U、 用于改变染料能力的添加剂、用于改变表面张力的试剂等)反应来制备。聚合通常在连续的聚合器或间歇高压釜中执行。由此生产的熔融聚合物接着通常被引进至纺丝喷丝头，其中它受推力通过合适的喷丝板以形成长丝，所述长丝被骤冷接着形成用于最终处理为尼龙短纤维的丝束。如本文使用的纺丝喷丝头由在喷丝头顶部的喷丝头盖子，在喷丝头底部的喷丝板和夹在前述两部件中间的聚合物过滤支持物组成。该过滤支持物中有一个中央凹座。盖子和过滤支持物的凹座配合限定一个密闭的袋，在其中聚合物过滤介质(如沙子) 被接收。向喷丝头内部提供通道以允许熔融聚合物流通，所述熔融聚合物由泵或挤压机供应并穿过该喷丝头并最终通过喷丝板。该喷丝板有在其中延伸的一系列小的、精确的孔，所述孔运送聚合物至喷丝头的下表面。在该喷丝板的下表面，这些孔的口形成一系列洞口，该表面确定骤冷区域的顶部。聚合物以长丝的形式离开这些洞口，所述长丝然后指引向下通过骤冷区域。在连续聚合器或间歇高压釜中，进行聚合的程度大体能以称为相对黏度或RV的参数的方法量度。RV是指尼龙聚合物在甲酸溶剂中的溶液的黏度与甲酸溶剂本身黏度的比。RV的测定在下文的测试方法部分中有更详细的描述。RV被认为是尼龙聚合物分子量的间接指示。出于本文目的，增加尼龙聚合物RV被认为是与增加尼龙聚合物分子量是相同的。当尼龙分子量增加时，由于尼龙聚合物增加的黏度它的处理变得更加困难。因此， 通常操作连续的聚合器或者间歇高压釜以提供用于最终加工为短纤维的尼龙聚合物，其中所述尼龙聚合物RV值为约60或更少。已知出于某些目的，提供较大分子量的尼龙聚合物，即RV值大于70-75和高达140 或甚至190及更高的尼龙聚合物可为有利的。已知，例如，这种类型的高RV尼龙聚合物具有改善的对挠曲磨损和化学降解的抗性。因此，这些高RV尼龙聚合物特别适合纺制为尼龙短纤维，所述尼龙短纤维能有利地用于制备造纸毡。用于制备高RV尼龙聚合物和由其制备的短纤维的程序和仪器公开于Kidder的美国专利第5，236，652号及ktiwirm和W^est的美国专利第6，235，390号、第6，605，694号、第6，627，129号和第6，814，939号中。所有这些专利通过引用全文结合到本文。依照本发明，已发现RV值高于通常通过在连续聚合器或间歇高压釜中聚合得到的尼龙聚合物的尼龙聚合物制备的短纤维，依照本文描述的纺制、骤冷、拉伸和退火步骤加工，可显示出合适的高的承载能力(该承载能力以7%伸长率值时T7强度量度)，甚至在较低的拉伸比时。当该合适的高承载能力的相对高RV尼龙短纤维与棉短纤维混纺时，合适的高强度的织物纱能被实现。用该纱编织的NYCO织物显示出前面描述的关于抗磨、强度、耐久性、任选较轻的重量、舒适和/或低成本的优点。依照本文短纤维制备方法，经过一个或多个纺丝喷丝头喷丝板熔纺成形成丝束的长丝并骤冷的尼龙聚合物，将有约65-100的RV值。在一个实施方案中，本文熔纺成形成丝束的长丝的尼龙聚合物RV将为约68-95或甚至70-85的RV。有该RV特征的尼龙聚合物可被通过，例如，使用上述Kidder’652专利的聚酰胺浓缩物的熔融混纺步骤制备。Kidder公开了确定的实施方案，其中加入到聚酰胺浓缩物中的添加剂是用于增加甲酸相对黏度(RV) 的催化剂。能用于熔融和纺制的较高RV尼龙聚合物，也可依照固相聚合(SPP)步骤来提供， 其中尼龙聚合物薄片或粒料被调节成可增加RV到需要的程度。该固相聚合(SPP)步骤在前面提到的Schwinn/ffest ‘390，’ 694，’ 129和，939专利中有更详细的公开。如本文前面描述那样制备并有如本文规定的必要RV特征的尼龙聚合物材料，被填至纺丝喷丝头，例如通过双螺杆熔融器装置。在该纺丝喷丝头中尼龙聚合物被挤压通过一个或多个喷丝板纺制成大量的长丝。出于本文目的，术语“长丝”被定义为一个相对柔性的、有高的长宽比的宏观均质体，所述的宽指穿过其横截面积垂直于其长度的宽度。该长丝横截面可为任何形状，但通常是圆形。本文中术语“纤维”也可与术语“长丝”交换使用。每个单独的喷丝板位点可在小至9英寸乘7英寸9cmX 17. 8cm)的面积包含 100-1950条长丝。纺丝喷丝头仪器可以包含1-96个位点，每个所述位点提供成束的长丝， 所述长丝最终组合为单一丝束带，与其它丝束带一起用于拉伸/下游处理。离开该纺丝喷丝头的喷丝板后，被挤压通过每一个喷丝板的熔融长丝通常通过骤冷区域，其中多种骤冷条件和构型可用于固化该熔融聚合物长丝，并使它们适合收集一起成为丝束。骤冷最普通的执行方式是通过冷却气体，例如，空气，朝向、处于、伴随、围绕和通过从纺丝喷丝头的每个喷丝板位点正被挤压进骤冷区域的长丝束。一个合适的骤冷构型是交叉流骤冷，其中冷却气体(如空气)沿基本垂直于挤压的长丝穿过骤冷区域的方向的方向被推动进入骤冷区域。交错流骤冷排列，连同骤冷构造， 描述于美国专利第3，022，539号、第3，070，839号、第3，336，634号、第5，824，248号、第 6，090，485号、第6，881，047号和第6，926，854号中，所有这些专利都通过引用结合到本文中。本文短纤维制备方法一个重要的方面是用于最终形成需要的尼龙短纤维的挤压的尼龙长丝应该在方位均勻性和骤冷条件均勻性情况纺制、骤冷及形成丝束，这足以允许使用提供需要的最终的短纤维T7强度(例如，T7大于2. 5克每旦尼尔，或者在另一个实施方案中，大于3. 2克每旦尼尔)的拉伸比。方位均勻性包含方位内均勻性和方位间均勻性。两种类型的方位均勻性可通过小心地控制填料至纺丝喷丝头的尼龙聚合物温度来改善，这与简单地监视用于加热聚合物供应管线和喷丝头套管(well)的热交换介质温度相反。美国专利第5，866，050号(通过引用结合到本文)，公开了一种更好控制尼龙聚合物温度的方法并涉及有均勻聚合物温度的重要性。为了达到这个目的公开的该具体方法包含用于加热纺丝喷丝头至高于预设的聚合物入口温度的第一预设参考温度的第一温度控制设备，使得纺丝喷丝头中横跨聚合物过滤支持物和喷丝板的温度基本均勻。其中有至少一个聚合物流通道的板组件被布置在泵的出口和纺丝喷丝头的进口之间。提供了用于独立控制该板组件的温度至第二预设参考温度的第二温度控制设备。依照此处公开的本发明中使用的温度控制策略和方法与随后将要描述的十分不同。聚合物的重新熔融，例如在双螺杆熔融器中，而不是从连续的聚合(CP)操作提供聚合物，也可帮助在均勻控制的温度提供聚合物到纺丝喷丝头和骤冷烟囱。相对于仅在喷丝板/喷丝头之前一个相似的位置测定热交换介质温度的连续聚合单元，双螺杆熔融器有能力在运送至喷丝板前各种位置测定和控制聚合物温度。联系本文公开的方法的进展，观察到当连续聚合器的操作被双螺杆熔融器取代时，连续操作运行延长的时间段时，聚合器和纺丝喷丝头间运输管线中聚合物温度的变动由+/-2. 5°C减少为+/-0. 6°C。从连续的聚合器制备的聚合物也已知包含为降解的或交联的聚合物的凝胶。凝胶可引起下游的在断裂的长丝方面的拉伸问题。众所周知相对于来自CP单元的聚合物供应，已发现使用双螺杆熔融器能减少凝胶的数量。这是能使挤压的长丝制造得更均勻和以更高比拉伸的聚合物供应特征的一个实例。纺制中心位点间长丝束均勻性也可影响下游拉伸处理。位点间长丝束均勻性问题源头在于仪器和骤冷介质的设计。使用较少的纺制位点可促进位点间均勻性的改善。关于维持沿着纺制仪器管道作业的长度的恒定骤冷介质压力，相对于例如40甚至96个位点，有 20或更少喷丝板位点的纺制仪器更容易控制。与常规实践相比骤冷介质管道系统长度减少约50%，与此关联的较少位点允许提供至纺制中心的更均勻、非紊流的骤冷介质供应。促进均勻长丝生产的纺制中心的另一个设计特征涉及到骤冷介质过滤系统。一个改良的骤冷空气过滤系统，在纺制中心的上游，持续监视穿过该滤器的压降来控制后过滤的气流和压力。气流和压力是与纺制的产物纺制相关的因素。能提供改良的位点间长丝的均勻性的纺制中心的其它设计特征，是使喷丝头/喷丝板精确地位于骤冷烟 的中心。所有这些设计特征改善了在仪器上待纺制的产物位点间的均勻性，并有助于由长丝形成的丝束的下游拉伸性能的改善，所述长丝被纺制并骤冷。位点内长丝的均勻性对丝束的下游处理和获得需要的所得的短纤维性质有最大的影响。大量先有技术文献讨论以较高处理量制备并使用高长丝密度熔纺方法得到均勻性质的长丝中遇到的问题。美国专利第4，248, 581号提到用均勻的方式骤冷长丝和交叉流骤冷相关的困难。本文前面引用的‘539、‘839、‘634、‘248 ； ‘485、‘047和‘854专利对这些问题同样有讨论。该位点内问题与骤冷区域内的骤冷条件均勻性关联，克服该位点内问题是允许使用一般较高拉伸比方面的一个重要因素，所述较高拉伸比用于本文方法的随后的拉伸/退火阶段。在一些交叉流骤冷操作中，骤冷空气从矩形的长丝阵列的一侧被推动通过熔融的聚合物长丝束。可由这种类型的长丝骤冷引起的问题，是离气流最近的长丝列首先或较快骤冷，而离气流较远的长丝列在较晚的时间骤冷。同样在很多专利中显示的是随着长丝的向下运动骤冷空气受到牵引，及当它移动穿过长丝阵列或束的时候被加热。这引起熔融长丝的不平均骤冷。这种不平均、非均勻骤冷可在前、中和后长丝间产生结晶化差异。如果该结晶化差异足够大，它能引起长丝束中纤维或多或少的拉伸。换句话说，那些骤冷烟囱中早期完全骤冷的长丝相对于较晚骤冷的可能不会拉伸至同样的比。此种情况，反过来，当由这种非均勻长丝形成的丝束在较高的拉伸比拉伸时，能导致过度的长丝断裂；或可限制拉伸比，由于拉伸机器的不可操作性所述拉伸比可被使用。
如Ziabicki 出版物“Fundamentals of Fibre Formation”( “纤维形成原理，，)(J Wiley & Sons)，1976，pl96ff和ρ 241所述，喷嘴设备正下方冷却条件对丝线的质量是决定性的。另外，丝束对骤冷介质流施加了显著的阻力，所述阻力可能基于以下事实吹出的空气在丝束周围流动，而不是流动通过该相同丝束区域。Ziabicki也公开在温度分布上甚至观察到更明显的影响。丝束前、丝束之外，还有丝束中测定的空气温度差异可为真实的。 他引用了另一个研究，其中取自丝束不同部分的长丝的构造和力学性质与丝束独立部分中空气温度的范围是有关的。Ziabicki认为，通常，非均勻结构的结果是屈服应力和应力-应变特征的变化。这个影响的结果是，如果经受拉伸的材料由不同结构组成，则不同部分的有效拉伸比也将会不同。湍流骤冷介质流(例如涡流)可引起熔融长丝相互间产生接触并粘贴。这些粘贴的纤维也可导致下游长丝破损问题。为最小化前述类型的问题，本发明的方法中使用的骤冷区域或小室应该被设计和安装，以使得所有的长丝束在相同的时限基本都处于相同的骤冷条件。在骤冷区域中创造这样的均勻骤冷条件时，一个重要因素涉及到当冷却气流进入、流过及离开该骤冷区域或小室时，提供可控的和均勻的冷却气流(如空气)。多种特征可用于改善骤冷气流的均勻性。挡板可位于烟囱里用于阻止空气流经丝束周围而不通过丝束。这些挡板可被调整至也阻止烟囱中涡流或湍流空气，所述空气一般导致粘贴的、熔融的长丝。烟囱门或管道中的穿孔也可用于较好的控制骤冷介质的湍流。通过引用结合到本文的美国专利第3，108，322号、第3，936，253号和第4，045，534号公开挡板和穿孔在烟囱骤冷系统中用于改善骤冷和减少粘贴的长丝的用途。可用于改善方位均勻性的另一个修改是使用单体收集装置，所述装置允许位点调整和横跨机器牵拉的全部真空方面的调节。合适的单体收集装置还可有较大的矩形开口， 该开口在需要时可用于牵引另外的空气通过丝束，但对其控制以防止长丝离开丝束。大体上，使用一些或者全部前述的纺制和骤冷特征的组合以保证纺制提供均勻性 (即在单丝旦数、结晶度等方面较多均勻)的未拉伸的纤维，这些纤维在下文描述的拉伸/ 退火步骤中，可相应地被拉伸更多而不会出现不适当频率的长丝断裂。这相应地允许制备在7%伸长率和断裂时较高强度的尼龙短纤维。已使用上述的均勻性加强技术形成的骤冷的纺制长丝，可组合成一个或多个丝束。由来自一个或多个喷丝板的长丝形成的此丝束，接着经受两阶段的连续操作，其中该丝束被拉伸和退火。丝束的拉伸通常是主要在最初或第一拉伸阶段或区域中执行，其中丝束带在一套喂料辊和一套拉伸辊(以较高的速度运行)间通过，以增加丝束中长丝的结晶取向。丝束的拉伸程度能被指定的拉伸比量度，所述拉伸比是指该拉伸辊较高的外围速度与喂料辊较低的外围速度的比。第一拉伸阶段或区域可以包含几套喂料辊和拉伸辊，以及其它丝束引导辊和张力辊(例如拉伸点固定销)。拉伸辊表面可以由金属(如铬)或陶瓷制造。已发现陶瓷拉伸辊表面在允许使用相对较高的拉伸比时有特别的优势，所述拉伸比指定用于与本文的短纤维制备方法关联。陶瓷辊改善辊的寿命并提供倾向于较少缠绕的表面。International Fiber Journal (国际纤维期刊)出版的一篇文章((International
10Fiber Journal，17，1，2002 年 2 月:"Textile and Bearing Technology for Separator Rolls,Zeitz和el.)，以及美国专利第4，494，608号(两者都通过引用结合到本文)，同样公开陶瓷辊用于改善辊的寿命和减少纤维粘在辊表面的用途。影响丝束拉伸的仪器元件的特定排列描述于本文前面提到的Hebeler美国专利第 3，044，520 号、第 3，188，790 号、第 3，321，448 号及第 3，459，845 号，和 Thompson 美国专利第5，093，195号和第5，011，645号中，所有这些专利通过引用结合到本文。优选的陶瓷辊可被例如，像Thompson美国专利第5，093，195号的图2中标记为元件12,13和22的一
些或全部的辊一样安装。本文长丝束的最大程度拉伸发生在最初或第一拉伸阶段或区域，而一些附加的丝束拉伸一般也将发生在本文后面描述的第二或退火和拉伸阶段或区域。本文的长丝束经受的拉伸总数可通过指定总有效拉伸比来量度，所述总有效拉伸比考虑到发生在第一最初的拉伸阶段或区域和在第二退火和拉伸阶段或区域。在本发明的方法中，尼龙长丝束经受2. 3-4. 0或者3. 0-4. 0的总有效拉伸比。在一个其中丝束的单丝旦数通常较小的实施方案中，总有效拉伸比可为2. 5-3. 40,2. 5-3.0 和3. 12-3.40。在另一实施方案中，其中丝束的单丝旦数通常较大，总有效拉伸比可为 3. 25-4. 0 (如 3. 5-4. 0，和 3. 25-3. 75)。在一些实施方案的方法中，如本文前面提到，丝束的大部分拉伸发生在第一或最初的拉伸阶段或区域。尤其，给予丝束的拉伸的总量的85% -97.5%，或更优选的 92% -97%将发生在第一或最初的拉伸阶段或区域。当长丝已穿过熔纺操作的骤冷区域时， 无论温度如何，第一或最初阶段的拉伸操作一般会被执行。通常，该第一阶段拉伸温度为 800C -125°C。从第一或最初拉伸阶段或区域，部分拉伸的丝束被传递到第二退火和拉伸阶段或区域，其中该丝束被同时加热和进一步拉伸。丝束的加热影响退火旨在增加长丝尼龙聚合物的结晶度。在该第二退火和拉伸阶段或区域，该丝束的长丝经受了 145°C-205°C的退火温度，更优选，使用165°C-205°C的退火温度。在一个实施方案中，该退火和拉伸阶段中丝束的温度可以通过将丝束与蒸汽加热的金属板接触来达到，所述金属板在第一阶段拉伸和第二阶段拉伸和退火操作之间放置。在本文方法的退火和拉伸阶段之后，经过拉伸和退火的丝束冷却到80°C以下的温度，更优选低于75°C。贯穿本文描述的拉伸、退火和冷却操作，该丝束维持在可控的张力下并相应地不允许松弛。拉伸、退火和冷却之后，该多长丝束以常规的方式(例如使用纤维切断机)转化为短纤维。由该丝束形成的短纤维长度一般为2-13cm(0.79-5. 12英寸)。更优选， 2-12cm(0. 79-4. 72英寸)或2-12. 7cm(0. 79-5. 0英寸)或甚至5-lOcm的短纤维可被形成。 本文短纤维可为卷曲，但更优选将为不卷曲的。依照一些实施方案形成的尼龙短纤维一般将以纤维的集合(如纤维包)被提供， 其中单纤维旦数为1. 0-3. 0。将要制备单纤维旦数为1. 6-1. 8的短纤维时，2. 5-3. 0的总有效的拉伸比可用于本文方法中，以提供有需要的承载能力的短纤维。将要制备单纤维旦数为2. 1-3. 0，或2. 5-3. 0的纤维时，约3. 25-3. 75的总有效的拉伸比应用于本文方法中，以提供有需要的承载能力的短纤维。
本文的尼龙短纤维将有7%伸长率的强度(T7)测定大于2. 5克每旦尼尔(如大于3. 2克每旦尼尔)的承载能力。本文尼龙短纤维的T7值将为2. 5-5. 0克每旦尼尔，包含 3. 0-5. 0,3. 3-4. 0克每旦尼尔、和3. 4-3. 7克每旦尼尔。本文尼龙短纤维也可具有至少约 6.0克每旦尼尔的断裂强度T。一些实施方案的短纤维可具有大于6. 5克每旦尼尔(包含 7. 0-8. 0克每旦尼尔)的断裂强度T。本文提供的尼龙短纤维特别用于与其它纤维混纺，用于多种类型的纺织品应用。 混纺产品可被，例如，用一些实施方案的尼龙短纤维与其它合成纤维(如人造丝或聚酯)组合制备。本文尼龙短纤维的混纺产品也可以用天然纤维素纤维(如棉、亚麻、大麻、黄麻和 /或苎麻)制备。精密混纺这些纤维的合适方法可以包含膨化(bulk)，在梳理前机械混纺该短纤维；在梳理前和梳理期间膨化机械混纺该短纤维；或在梳理后和纱纺制前至少两架拉伸机混纺该短纤维。依照一个实施方案，本文高承载能力尼龙短纤维可以与棉短纤维混纺，并纺制为纺织纱。该纱可以用常规的方式纺制，使用通常已知的短的和长的短纤维纺制方法(含环锭纺纱、喷气或涡流纺纱、自由端纺纱或摩擦纺纱)。这样产生的纺织纱的棉纤维尼龙纤维重量比一般将为20 80-80 20，更优选为40 60-60 40，并且通常棉尼龙重量比为50 50。在本领域纤维含量标称变动是公知的，如52 48同样被认为是50 50混纺纱。本文高承载能力尼龙短纤维制备的纺织纱通常会显示至少观00的棉纱品质指标值， 更包含在50 50NYC0含量中至少为3000。或者，该纱可以有至少17. 5或18cN/特的断裂强度，包含在50 50NYC0含量时至少19cN/特。在一个实施方案中，本文的纺织纱将被用单丝旦数为1. 6-1. 8或者为1. 55-1. 75 的尼龙短纤维制备。另一个实施方案中，本文的纺织纱将用单丝旦数为2. 1-3.0(例如 2. 5-3. 0，或者2. 3-2. 7)的尼龙短纤维制备。一些实施方案中的尼龙/棉(NYCO)纱能以常规的方式用于制备NYCO机织物，所述机织物有特别需要的特性能用于军事或其它恶劣条件使用的服装的性质。因此该纱可以被织成2 X 1或3 X 1的斜纹NYCO织物。纺制NYCO纱及包含该纱的3 X 1的斜纹机织物大体上描述并例证于Green的美国专利第4，920，000号中。该’ 000专利通过引用结合到本文。当然，NYCO机织物包含经向和纬向(纬的)方向纱。本发明的机织物为在这些方向中至少一个方向，并且优选两个方向有NYCO纺织纱的机织物。在一个特别优选的实施方案中，有特别需要的耐久性和舒适性的本文织物将有在纬向(纬的)方向编织的纱和在经向方向编织的纱，所述纬向的纱包含单丝旦数为1. 6-1. 8或1. 55-1. 75的本文尼龙短纤维， 所述经向的纱包含单丝旦数为2. 1-3. 0或2. 5-3. 0的本文尼龙短纤维。本文使用包含本文抗磨和/或高承载能力的尼龙短纤维的纱制备的机织物，可比常规NYCO织物使用更少的尼龙短纤维，同时保留许多需要的该常规NYCO织物的性质。因此，该织物可被制备成相对轻便和低成本的产品而仍然理想地抗磨、高强度和/或耐用。或者，该织物可使用相对常规NYCO织物的尼龙纤维含量等量或甚至更大量的本文尼龙短纤维制备，同时本文所述织物提供更好耐久性的性质。一些实施方案中轻便织物(如NYCO织物)的织物质量可以少于220g/m2 (6. 5oz/ yd2)，包含少于200g/m2(6.0oZ/yd2)或少于175g/m2 (5. 25oz/yd2)。一些实施方案中耐用NYCO织物(如NYCO织物)在经向方向抓样强度可以为1901b或者更大，及在纬向(纬的) 方向抓样强度为801b或者更大。本文其它耐用织物将为在“被认可的”织物中的撕裂强度为经向方向为11. Olbf (磅·英尺)或者更大，及纬向方向为9. Olbf或者更大的织物。本文其它耐用织物将为那些有至少600个循环至失效，更优选，至少1000个循环至失效的Taber (泰伯)抗磨度。本文其它耐用织物在经向和纬向方向会有50，000 (循环) 或者更大的挠曲磨损。优选的织物混纺比为标称50/50，如50/50尼龙棉。本领域的技术人员会意识到抗磨性能将取决于织物重量，较高织物质量有助于改良性能。当制备的织物质量为5. 6-6. 5oz/yd2时，本文公开的织物显示挠曲磨损值在经向为60，000循环至高达 70，000循环，及纬向为68，000-80，000。这些值将被在“被认可的”条件比较。在“被认可的”或未洗涤状态，同样上述的织物构造的Taber磨损值可为600循环至1900循环。测试方法当本文的聚合物、纤维、纱和织物的各种参数、性质和特征被详细说明时，应当理解该参数、性质和特征可使用以下类型的测试程序和仪器来测定尼龙聚合物相对黏度本文使用的尼龙材料的甲酸RV，指在25°C毛细管黏度计测定的溶液和溶剂黏度比。该溶剂是含10%重量的水的甲酸。该溶液为溶解于该溶剂中的8. 4%重量的尼龙聚合物。该测试基于ASTM标准测试方法D789。优选甲酸RV用拉伸前或者拉伸后的纺制的长丝测定，并可被认为是纺制纤维甲酸RV。短纤维的hstron (英斯特朗)测量本文的短纤维的所有Instron测量都是用单一短纤维进行，适当小心地夹紧该短纤维，并进行至少10根纤维的测量取平均值。一般地，至少3组测量(每组10根纤维)在一起取平均值以提供测定的参数的值。长丝旦尼尔旦尼尔是长丝的线密度，以9000m长丝的克数的重量表示。旦尼尔可用来自德国慕尼黑的Textechno的Vibroscope (示振仪)测定。旦尼尔乘以(10/9)等于分特(dtex)。 单丝旦数可依照ASTM标准测试方法D1577进行重力测试。断裂强度断裂强度(T)是长丝的最大力或者断裂力，表示为每单位横截面的力。该强度可用得自hstron of Canton,Mass.的1130型hstron测定，并报告为克每旦尼尔(克每分特)。长丝断裂强度(和断裂伸长率)可依照ASTM D885测定。长丝7%伸长率强度长丝7%伸长率强度(T7)是为达到7%伸长率施加到长丝的力除以长丝旦尼尔数。T7可依照ASTM D 3822测定。纱强度本文纺制的尼龙/棉纱的强度可以以棉纱品质指标值或纱断裂强度量度。棉纱品质指标和绞纱断裂强度是纺织纱的平均强度的常规量度，并且可依照ASTM D1578测定。棉纱品质指标值用磅力单位报告。断裂强度用cN/特单位报告。织物重量本文机织物织物重量或单位重量可通过以下方法测定称重已知面积织物样品，并依照ASTM D3776标准测试方法的程序计算按克/m2或者oz/yd2的重量或单位重量计算。织物抓样强度织物抓样强度可依照ASTM D5034测定。抓样强度测量以经向和纬向两个方向的磅-力报告。mmm^ -Elmendorf (埃尔丨、1 多夫)织物撕裂强度可依照以下方法测定ASTM D1424，标题为Mandard Test Method for Tearing Strength of Fabrics by Falling-Pendulum Type (Elmendorf) Apparatus (用于织物撕裂强度的通过落锤型(Elmendorf)测试仪进行的标准测试方法。抓样强度测量用经向和纬向两个方向的磅-力报告。织物抗磨件度-Taber (泰伯)织物抗磨性度可以以ASTM D3884-01,标题为 Abrasion Resistance Using Rotary Platform Double Head Abrader (使用旋转平台双头磨耗机测定抗磨性度)测量的 Taber抗磨性度进行测定。结果用失效循环数报告。织物抗磨件度-Flex (挠曲)织物抗磨性度可以以ASTM D3885，标题为 Mandard Test Method for Abrasion Resistance of Textile Fabrics (Flexing and Abrasion Method) (1 ^JilJgftiS W 标准测试方法(挠曲和磨损方法))测量的挠曲抗磨性度进行测定。结果用失效循环数报
生
1=1 O本发明的特征和优势通过以下的实施例更全面地展示，所述实施例出于说明，而非作为以任何方式限制本发明的目的被提供。
实施例本发明的一些实施方案能通过以下的实施例说明。本文实施例中，制备了各种不同的尼龙短纤维。使用的处理包含SPP阶段、长丝纺制阶段、拉伸和退火阶段及短纤维制备阶段。这样制备的短纤维然后与棉短纤维纺制成NYCO纱。在所有情况下，前体尼龙聚合物薄片被填料至固相聚合(SPP)罐。该前体薄片聚合物为均聚物尼龙6，6 (聚己二酰己二胺)，以16份每百万的重量浓度含有聚酰胺化催化剂 (即得自办公室在 Niagara Falls, N. Y.的 Occidental Chemical Company 的次磷酸猛)。 所述被填入SPP罐的前体薄片的甲酸RV约为48。在SPP罐中，调控气体被用于增加尼龙聚合物薄片的RV至75-85的值，例如约80。 该较高RV薄片材料被从SPP罐中移出，并填料至双螺杆熔融器，接着至纺丝喷丝头用于通过喷丝板熔纺成为长丝。挤压通过喷丝板的长丝穿过骤冷区域，然后汇成连续的长丝束。该连续的长丝束然后在两阶段操作中被拉伸和退火，使用美国专利第5，011，645 号描述的仪器和程序。这个两阶段程序中使用的各种有效拉伸比见表1。该丝束拉伸至同样见于表1的相对较小的单丝旦数(dpf)。经拉伸和退火的丝束然后冷却到80°C以下，并被剪切为具有表1显示的特征的尼龙短纤维。表 权利要求
1.一种用于制备尼龙短纤维的方法，所述方法包含将尼龙聚合物熔纺成长丝，骤冷所述长丝及由大量所述骤冷的长丝形成一个或多个丝束，将所述丝束拉伸并退火，及将所述拉伸和退火的丝束转化为适合形成短纤纱的短纤维；其中；A)所述熔纺成长丝的尼龙聚合物的甲酸相对黏度(RV)为65-100；B)所述丝束的拉伸和退火以总有效拉伸比为2.3-4. 0实施的两阶段连续操作进行，所述操作包含第一拉伸阶段和第二退火和拉伸阶段，第一拉伸阶段中发生85% -97. 5%的丝束拉伸，第二退火和拉伸阶段中所述丝束经受145°C _205°C的退火温度；所述操作之后是冷却步骤，其中所述拉伸和退火的丝束被冷却到低于80°C的温度；和C)贯穿所述两阶段连续操作过程，所述丝束被维持在可控的张力下。
2.权利要求1的方法，其中所述短纤维的单丝旦数为1.0-3. 0，断裂强度为至少6. 0克每旦尼尔和以7%伸长率的强度(T7)测量的大于2. 5克每旦尼尔的承载能力。
3.权利要求1的方法，其中所述尼龙聚合物的相对黏度(RV)为70-85。
4.权利要求1的方法，其中所述短纤维的单丝旦数为1.55-1. 8，断裂强度大于6. 5克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测量的3. 0-5. 0克每旦尼尔的承载能力。
5.权利要求4的方法，其中所述多长丝束的所述拉伸和退火以2.5-3. 0的总有效拉伸比进行。
6.权利要求1的方法，其中所述短纤维的单丝旦数为2.1-3. 0，断裂强度为大于6. 5克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测量3. 0-4. 0克每旦尼尔的承载能力。
7.权利要求6的方法，其中所述多长丝束的所述拉伸和退火以3.25-3. 75总有效拉伸比进行。
8.权利要求1的方法，其中所述尼龙聚合物通过使尼龙薄片材料经历固相聚合(条件)以获得需要的相对黏度(RV)并随后将所述聚合物熔纺成长丝来制备。
9.权利要求1的方法，其中所述第一拉伸阶段在80°C_125°C的温度进行，且所述第二退火和拉伸阶段在165°C _205°C的温度进行。
10.权利要求1的方法，其中所述尼龙聚合物选自聚己二酰己二胺(尼龙6，6)和聚己内酰胺(尼龙6)。
11.尼龙短纤维，其通过权利要求1的方法制备。
12.一种包含尼龙短纤维的制品，所述尼龙短纤维由甲酸相对黏度(RV)为65-100，更优选为70-85的尼龙制备，其中所述纤维的单丝旦数为1. 0-3. 0，强度为至少6. 0克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测量的大于2. 5克每旦尼尔的承载能力。
13.权利要求12的制品，其中所述尼龙短纤维单丝旦数为1.55-1. 75，断裂强度大于 6. 5克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测量的3. 0-5. 0克每旦尼尔的承载能力。
14.权利要求12的制品，其中所述尼龙短纤维单丝旦数为2.1-3. 0，断裂强度大于6. 5 克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测量的3. 0-5. 0克每旦尼尔的承载能力。
15.权利要求12的制品，其中所述尼龙短纤维由选自聚己二酰己二胺(尼龙6，6)和聚己内酰胺(尼龙6)的尼龙聚合物材料制备。
16.权力要求12的制品，其中所述尼龙短纤维长度为2-13厘米(0.79-5. 12英寸)。
17.权利要求12的制品，其中所述制品包含适用于编织成织物以改善所述织物抗磨性的纺织纱，所述纱包含以棉短纤维与尼龙短纤维重量比为20 80-80 20混纺的棉短纤维和尼龙短纤维。
18.—种纺织纱，适合编织成织物以改善所述织物抗磨性，所述纱包含以棉短纤维与尼龙短纤维重量比为20 80-80 20混纺的棉短纤维和尼龙短纤维，其中基本上所有所述的尼龙短纤维由甲酸相对黏度(RV)为65-100的尼龙制备，所述尼龙纤维进一步的特征为单丝旦数为1.0-3.0，强度为至少6.0克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测量的大于 2. 5克每旦尼尔承载能力。
19.权利要求17的纺织纱，所述纺织纱基于标准的50 50尼龙棉比，显示棉纱品质指标值为至少2800或者断裂强度为至少IScN/特。
20.一种NYCO织物，由权利要求17的纺织纱编织。
21.—种NYCO织物，由纺织纱在经向和纬向(纬的)两个方向编织，其中所述在至少一个方向编织的纺织纱包含以棉短纤维与尼龙短纤维重量比为约20 80-80 20的混纺的棉短纤维和尼龙短纤维；且其进一步特征在于，所述尼龙短纤维由甲酸相对黏度(RV)为 65-100，更优选为70-85的尼龙制备，所述尼龙纤维还有单丝旦数为1. 0-3. 0，强度为至少 6. 0克每旦尼尔，及以7%伸长率的强度(T7)测量的大于2. 5克每旦尼尔的承载能力。
22.权利要求20的NYCO织物，其中所述纬的方向编织的纱包含有1.6-1. 8单丝旦数的尼龙短纤维，并且所述经向编织的纱包含有2. 3-2. 7单丝旦数的尼龙短纤维。
23.权利要求20的NYCO织物，其织物重量为200g/m2(6.Ooz/yd2)或者更少。
24.权利要求20-23中任一项的2X 1的斜纹NYCO织物，依照ASTM D 5034测定，抓样强度经向为1901b或者更高，纬的方向为801b或者更高。
25.权利要求20的2X 1的斜纹NYCO织物，依照ASTM D 3884测定，Taber磨损抗性为至少600循环至失效，及更优选至少1200循环至失效。
26.权利要求20的2X 1的斜纹NYCO织物，依照ASTM D 3885测定，挠曲磨损为至少 55，000循环，更优选65，000循环至失效。
全文摘要
包含的是高强度尼龙短纤维的制备，所述尼龙短纤维的单丝旦数为约1.0-3.0，断裂强度T为至少约6.0，并且承载能力，T7，大于约2.5，包含大于3.2。该尼龙短纤维由以下方式生产制备相对高分子量的尼龙长丝的丝束(RV为65-100)，通过两阶段拉伸和退火操作拉伸和退火该丝束，然后切断或者用其它方式将所述拉伸的和退火的丝束转化为需要的高强度尼龙短纤维。这样制备的尼龙短纤维可与伴随纤维如棉短纤维混纺，以制备尼龙/棉(NYCO)纱。
文档编号D01F6/60GK102245819SQ200980150343
公开日2011年11月16日 申请日期2009年10月12日 优先权日2008年10月10日
发明者D·A·布卢姆 申请人:英威达技术有限公司