专利名称：由回转法制造双组分聚合物纤维的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用改进的回转法制造聚合物纤维，特别是涉及制造双组分聚合物纤维的方法。
过去已用改进的回转法制成双组分无机纤维如玻璃纤维。将两种不同类型的熔融的玻璃供应到具有针孔周壁的喷丝装置上。这两种类型的熔融玻璃经针孔离心形成具有双组分的玻璃纤维。这些纤维特别适用作绝缘产品。
制造玻璃纤维和制造聚合物纤维属于不同的领域。这两种材料具有不同的物理性质，如不同的粘度和熔点，所以制造纤维的方法也不同。
过去已经用纺织法制成双组分聚合物纤维，在此方法中，将两种熔融聚合物提供给有孔的喷丝头，由此拉出或拉伸纤维。这些聚合物一般结合形成一种聚合物芯和另一种聚合物壳的纤维。这些纤维一般用作织物和针织品等产品。例如，在一典型的方法中，两种不同类型的尼龙形成用于制造针织品的双组分纤维。纺织法制造的双组分纤维一般具有较大的直径。
为了某些应用，需要由难以共同或难以完全成纤的聚合物制造双组分纤维。这些聚合物在成纤过程中易于分开所以难以完全制成纤维。由于它们物理性能不同而所需的成纤条件不同，所以难以共同制成纤维。因此，提供一个比纺织法更容易的由难成纤聚合物制造双组分纤维的方法是有好处的。
对其它应用来说，使用直径较小的双组分纤维也是有好处的。因此，提供比纺织法更容易地制造小直径双组分纤维的方法也是有好处的。
本发明涉及制造多组分聚合物纤维，特别是双组分聚合物纤维的方法。在此方法中，将第一种和第二种聚合物供给具有针孔周壁(orificedperipheral wall)的回转喷丝装置。熔融聚合物作为熔融双元聚合物液流经针孔离心。液流经冷却后制成双组分聚合物纤维。
本发明的双组分聚合物纤维可由难以共同成纤或难以完全成纤的聚合物制成。例如，可由两种热膨胀系数不同的聚合物制成具有卓越的绝缘性能的高膨松毛束或网膜的曲面纤维。另一实例是可由熔点不同的两种聚合物制成热熔纤维。本发明的方法可以很容易地制成小直径的纤维。
图1是用本发明的回转法制造双组分聚合物纤维设备的正视简图。
图2是用本发明方法制造双组分聚合物纤维的喷丝装置的正视截面图。
图3是图2的喷丝装置的一部分的透视简图。
图4是取图2的喷丝装置4-4线的正视简图。
图5是制造双组分聚合物纤维的喷丝装置的第二具体实施方案的部分平面图。
图6是制造双组分聚合物纤维的喷丝装置的第三具体实施方案正视截面图。
图7是图6喷丝装置的针孔的正视截面图。
图8是用两种不同聚合物组成的双组分聚合物纤维的截面简图。
图9是双组分聚合物纤维的截面简图，其中两种聚合物的粘度不同可使第二种聚合物部分地绕第一种聚合物流动。
图10是双组分聚合物纤维的截面简图，其中粘度不同可使较低粘度的第二种聚合物几乎包围较高粘度的聚合物。
图11是双组分聚合物纤维的截面简图，其中较低粘度的聚合物始终绕较高粘度的聚合物流动以包围较高粘度聚合物和形成包层。
图12是由三种不同的聚合物形成的三组分纤维的截面简图。
图1说明由本发明的双组分聚合物纤维制造绝缘产品的回转纤维成形法。然而，应理解的是，可以用双组分聚合物纤维通过不同的加工方法制成纺织品、过滤产品以及其它产品。这些加工方法包括缝合、针缝、水-编织和包胶。还可以理解的是，在本发明中除了双组分纤维外还包括多组分纤维，以及除了聚合物外其它热塑性材料，如沥青也可形成纤维。
在所说明的方法中，将两种不同的熔融聚合物组合物(聚合物A和聚合物B)提供给喷丝装置10。熔融的聚合物组合物可由任何适宜的来源提供，例如，可将装有聚合物颗粒的料斗12连接到挤压机14，在此将聚合物熔化后送到喷丝装置。如在下面讨论的，喷丝装置产生双组分聚合物纤维液雾16。用任何的工具，如环状的鼓风机18将纤维向下吹。当纤维向下吹时，将纤维拉细和冷却。将纤维作为毛束(20)收集于任何适宜的表面，如输送机22的表面。为促进纤维的收集，在输送机的下面部分抽真空(未示出)。
然后双组分聚合物纤维毛束可以任选地通过一加工站如炉24以进一步加工。当经过此炉时，优选通过上面的输送机26和下面的输送机28以及边缘导向装置(未示出)使毛束成形。从此炉出来的毛束就是绝缘产品30。
如图2所示，每一喷丝装置10包括周壁32和底壁34。喷丝装置在任一适宜的工具(如转轴36)上回转，这在技术上是众所周知的。喷丝装置的回转将熔融聚合物经周壁的针孔离心，形成双组分聚合物纤维38，下面将更详细地讨论。喷丝装置的转动速度优选约为1200-3000转/分钟。可以使用各种直径的喷丝装置，可将转动速度调节以在周壁的内表面得到所希望的径向加速度。喷丝装置的直径优选约为20-100厘米。周壁内表面的径向加速度(速度2/半径)优选约为4,500米/秒2-14,000米/秒2，更优选的约为6000-9000米/秒2。
环状鼓风机18的位置可将纤维引导向下以收集在输送机上，如图1所示。环状鼓风机可任选使用引风40使纤维进一步拉细。
喷丝装置的内部优选使用任何加热方法(未示出)加热，如吹入热空气或其它气体。喷丝装置的温度优选约为150℃-300℃，但可根据聚合物的类型而变化。
诸如环状热空气供应装置42等加热装置可任选位于喷丝装置的外面供加热喷丝装置或纤维，以促使纤维拉细和保持喷丝装置的温度在聚合物最适宜的离心范围。
在喷丝装置的内部，分别提供两种熔融聚合物液流，第一种液流含聚合物A，第二种液流含聚合物B。优选通过在压力下注入的办法提供熔融聚合物液流。在第一种液流中的聚合物A从第一个输送管(44)直接滴到底壁并由于离心力而向外流向周壁形成如所示的聚合物A头。由第二个输送管46输送的聚合物B的位置比第一种液流更接近周壁，在熔融聚合物到达底壁前受到环状水平法兰48的阻挡。这样，在所示的水平法兰上形成聚合物B的聚集或头。应理解的是，也可以这样提供聚合物，即使得聚合物A受到环状水平法兰的阻挡，聚合物B滴落到底壁上。
如图3所示，喷丝装置装有垂直内壁50，它一般是环状的，位于周壁32的径向之内。在周壁和垂直内壁之间的一系列垂直隔板52将空间分成一系列一般为垂直排列的小室54，这些小室基本上和周壁的整个高度相同。可以看到，水平法兰、垂直内壁和垂直隔板一起组成分隔器，将聚合物A和聚合物B引向交替相邻的小室，使得每隔一个小室含聚合物A，而其余的小室含聚合物B。
周壁装有针孔56，这些针孔位于垂直隔板52的径向外端附近。每个针孔的宽度大于垂直隔板的宽度，这样可使从针孔出来的聚合物A和聚合物B的液流作为的单一的双组分聚合物纤维流出。从图3可以看出，每个小室54运行在沿将小室分隔的整个垂直隔板和具有针孔的周壁32的整个高度下。周壁优选具有约200-5000个针孔，这取决于喷丝装置的直径和其它过程参数。
如图4所示，针孔56呈槽状，当然其它形状的针孔也可使用。在喷丝装置的周壁温度下，聚合物A和B的粘度不同，精确以垂直隔板52为中心的针孔预期排出的低粘度聚合物要多于高粘度的聚合物。为克服这一趋向和平衡熔融聚合物排出量的一个方法是增加喷丝装置中较高粘度聚合物头相对于较低粘度聚合物头的高度。另一平衡熔融聚合物的排出量的方法是调整槽孔的位置，使得其偏离于垂直隔板的中心线。如图4所示，针孔将有一较小端58，限制较低粘度聚合物的流动，较大端60可使相当量的较高粘度聚合物流出或通过。另一平衡熔融聚合物排出量的方法是限制聚合物流进含低粘度聚合物的交替小室，由此部分使流量减少，使得聚合物A和聚合物B的排出量大致相同。当聚合物具有相同的粘度时，或当要求不同的排出量时，针孔也可以垂直隔板为中心。
图5说明喷丝装置的第二具体实施方案的一部分。如在图4中所示的第一具体实施方案一样，喷丝装置装有在垂直内壁64和周壁66间延伸的垂直隔板62，由这些垂直隔板形成小室68。周壁装有多行针孔70，它们位于垂直隔板的径向外端附近。这些针孔呈“V”形，一端或腿导向含聚合物A的小室，一腿导向含聚合物B的小室。聚合物A和聚合物B的两种液流会合，作为单一双组分聚合物纤维从针孔流出。
图6说明喷丝装置的第三具体实施方案。喷丝装置72包括周壁74和底壁76。底壁在接近周壁时向上倾斜。向喷丝装置内部分别提供两种熔融聚合物，即含聚合物A的第一种液流和含聚合物B的第二种液流。在第一种液流中的聚合物由于离心力从第一个输送管78直接滴在底壁上并向上向外流向周壁形成所示的聚合物A头。由第二输送管80输送的聚合物B的位置比第一种液流更接近周壁，在其到达底壁前受到环状水平法兰82的阻挡。在水平法兰上形成所示的聚合物B的聚集或源头。
周壁周围装有一行针孔84，这些针孔临近水平法兰的径向外端。如在图7看到的，每一针孔呈“Y”形，一臂导向聚合物A，另一臂导向聚合物B，底座导向周壁外面，聚合物A和B两种液流会合并作为单一双组分聚合物纤维(86)从针孔流出。
其它构型的喷丝装置也可用来向喷丝装置针孔提供两种聚合物液流。热塑性材料可以是任何可热软化的热塑性材料，如聚合物或沥青，包括无定形热塑性材料。在许多应用中希望使用具有相似物理性能并易于成纤的热塑性材料。但是，本发明的双组分纤维可以由难于共同成纤或难于完全成纤的热塑性材料形成。有利的是，本发明的回转法比纺织法更容易由难以成纤的热塑性材料制造双组分纤维。由于在成纤中易于分离，所以热塑性材料难以完全成纤，由于它们的物理性能不同而要求不同的成纤条件，所以它们难以共同成纤。
例如，双组分的纤维可由具有不同热膨胀系数的两种聚合物形成。当每一纤维冷却时，具有较高热膨胀系数的聚合物比其它聚合物收缩要快。结果，应力作用于纤维，纤维释放应力，所以纤维必然弯曲。结果，双组分聚合物纤维具有不规则的曲面特性。这种曲面特性使纤维具有卓越的绝缘性能，当用于绝缘材料和纺织品时特别有利。一种聚合物的热膨胀系数与另一聚合物的热膨胀系数相差优选高于约5.0ppm/℃，更优选的为高于约10.0ppm/℃。具有明显不同热膨胀系数的两种聚合物的实例是聚丙烯(68ppm/℃)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(17ppm/℃)。
作为另一实例，双组分聚合物纤维可由具有不同熔点的两种聚合物形成。为本发明的目的，热塑性材料如聚合物的熔点是用DSC(差示扫描量热法)测定的。应该理解，“熔点”一词不严格地用于某些类型热塑性材料，特别是无定形材料。在这种情况下，“熔点”一词是指该材料软化和易流动的温度，从而可以制成纤维，熟悉此技术的专业人员是都通晓的。
要求具有不同熔点的聚合物的一种用途是热熔双组分聚合物纤维。加热到某一温度足以将低熔点聚合物熔化但不能熔化高熔点聚合物，从而可将纤维的毛束或网膜熔合在一起。这种可热熔合的双组分聚合物纤维在许多无纺布用途中是有用的。
第一种热塑性材料的熔点比第二种热塑性材料的熔点优选至少约高10℃，更优选的为至少约高25℃。较高熔点或软化点的热塑性材料的实例包括但不限于聚亚苯基硫(“PPS”)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(“PBT”)、聚碳酸酯、聚酰胺以及它们的混合物。较低熔点或软化点的热塑性材料的实例包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、沥青和它们的混合物。
用本发明的回转法还可将两种粘度大不相同的热塑性材料制成双组分纤维。第一种热塑性材料的粘度与第二种热塑性材料的粘度相差约5-1000倍，一般约为50-500倍。为本发明的目的，粘度的测定是在喷丝装置的周壁温度下进行的。
用本发明的回转法比纺织法更容易制造小直径的双组分聚合物纤维。因为回转法是用离心力将纤维拉细，而纺织法是通过机械法使纤维拉细，从而前者具有优点。双成分聚合物纤维的平均外径优选约为5微米-50微米，更优选为5微米-35微米。
本发明的回转法还可制造与由熔吹法制造的相似的高膨松的无纺布产品，而不需要一般纺织法所需的第二加工工序。
本发明的每支双组分聚合物纤维都由两种不同的聚合物组合物，即聚合物(A)和聚合物(B)组成。如果要制备双组分聚合物纤维的理想截面，则纤维的一半是聚合物A，另一半是聚合物B。但在实际上，在纤维中可以有各种比例的聚合物、A和聚合物B存在，甚至在单支纤维的整个长度上也如此。聚合物A的百分比可占纤维总体积的约5％-95％，其余是聚合物B。总之，一组纤维如毛束可由不同百分比的聚合物A和聚合物B组成，包括少量是单一成分的纤维。双组分纤维的优选组成将随用途不同而异。对某些用途，双组分纤维优选约含40％-60％重量的聚合物A，和40％-60％重量的聚合物B。
将尽可能平行取向的纤维在环氧树脂中使纤维束固定可以得到纤维的截面照片。将环氧树脂栓塞横切并抛光。然后在抛光的试样表面涂以薄碳层得到导电试样供给扫描电子显微镜(SEM)分析。将试样用反向散射电子检测仪在SEM上进行试验，灰度的变化表明平均原子序数的变化。例如，这种分析可由纤维截面上的明区和暗区说明两种聚合物的存在，以及示出两种聚合物的界面。
在图8到12中，将聚合物A指定为聚合物90，聚合物B指定为聚合物92。如图8所示，如果聚合物90与聚合物92的比值是50∶50，则聚合物90和聚合物92之间的界面88经过纤维截面的中心94。如在图9中所示，如果聚合物92的粘度较低，则聚合物92可稍弯曲或包绕较高粘度聚合物90，从而界面88成为曲面。这要求由喷丝装置出来的双组分的聚合物纤维液流保持的温度应足以使低粘度聚合物92绕高粘度聚合物90流动。必须调节喷丝装置的操作参数，如热空气流速、鼓风机压力以及聚合物温度，才能得到所希望的低粘度聚合物的包绕。
如在图10中所示的，较低粘度聚合物92几乎总是绕较高粘度聚合物90流动。定量测定较低粘度聚合物绕较高粘度聚合物流动程度的一个方法是测定包封角，如在图10中的α角。在某些情况下，较低粘度聚合物绕较高粘度聚合物流动形成至少270度的α角，即较低粘度聚合物绕较高粘度聚合物流动直到双组分聚合物纤维的周表面96的至少270度是由第二种聚合物生成。
如在图11中所示，在某些条件下，聚合物92可始终绕聚合物90流动，从而聚合物92包围聚合物90形成包层。在此情况下，双组分聚合物纤维的整个周表面96(360度)是聚合物92或较低粘度聚合物。
本发明方法不限于双组分纤维，而还包括其它多组分纤维，如在图12中所示的三组分纤维。为形成三组分纤维，分别将第一、第二和第三种熔融聚合物97、98和99供给具有针孔周壁的回转喷丝装置。这些熔融聚合物保持分隔，直到在针孔会合。一个方法是使用具有如在图6中的单行针孔的喷丝装置，但在此将环状水平法兰82上的区域分成交替的小室，如在图5中所示。这样，从法兰上面两种液流送到每一针孔，而从法兰下面将第三种液流送到每一针孔。其它结构的喷丝装置也可以使用。第一、第二和第三种熔融聚合物作为熔融的三组分液流经针孔离心，将三元液流保持在足以使较低粘度聚合物之一可绕其它聚合物中至少一种流动的温度。将三元液流冷却后，形成三组分纤维。形成三组分纤维的另一方法是形成第一种聚合物以及第二和第三两种聚合物混合物的熔融双组分液流，其中第二和第三种聚合物具有不同的物理性质，所以在冷却形成纤维后它们相互分离。多组分纤维还包括多于三种成分的纤维。以上叙述和热塑性材料的物理性能的比较可适用于多组分纤维的每种材料。
本发明的双组分纤维包括热塑性材料相互呈平行排列关系的纤维。上面讨论的回转设备一般生成这样的平行排列的双组分纤维。本发明的双组分纤维还包括热塑性材料之一形成芯，而另一种在芯周围形成壳的纤维。可以用已知的方法专门建造回转设备以制成壳和芯双组分纤维。总之，这种设备将一种熔融成分提供给针孔形成壳，将另一种熔融成分提供到壳内形成芯。还可以形成不同种类纤维的结合。本发明的多组分纤维还可以是异形纤维，将针孔制成各种形状，所以形成的纤维可具有非圆形截面。在Huey等的U.S.Patent Nos 4,636,234和4,666,485中公开了制造异形纤维的方法。
实施例本发明的双组分纤维可以由聚亚苯基硫(“PPS”)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)制成。PPS的熔点约为285℃，PET的熔点约为270℃。将熔融的PPS和PET液流分别提供给周壁温度约为205℃的图6和7中说明的喷丝装置。在将聚合物提供给喷丝装置的温度下，PPS的粘度约为4000泊，PET的粘度约为300泊。喷丝装置的直径约为20.3厘米，转动提供的径向加速度约为7600米/秒2。喷丝装置周壁装有350个针孔。经过针孔将熔融的PPS和PET的双组分液流离心。液流冷却后制得双组分聚合物纤维并作为毛束收集。纤维的平均外径约为25微米。
在优选的具体实施方案中已经解释并说明了本发明的操作原理和方式。但是应该知道，除非专门说明或解释，本发明可在未偏离其实质和范围下实施。
本发明的多组分纤维可以用于许多用途，包括服装、隔热和隔音产品、过滤产品以及用作复合材料的粘合剂。
权利要求
1．制造热塑性材料的多组分纤维的方法，此法包括将熔融热塑性材料(A,B)提供到具有针孔周壁(32,66,74)的回转喷丝装置(10,72)；将熔融热塑性材料作为热塑性材料的熔融多组分液流经针孔(56,70,84)离心；以及将液流冷却以制造热塑性材料的多组分纤维。
2．权利要求1的方法，其中多组分纤维是双组分纤维(38,86)，第一种热塑性材料(A)的熔点与第二种热塑性材料(B)的熔点相差约大于10℃。
3．权利要求2的方法，其中第一种热塑性材料(A)的熔点与第二种热塑性材料(B)的熔点相差约大于25℃。
4．权利要求1的方法，其中多组分纤维是双组分纤维(38,86)，第一种热塑性材料(A)的热膨胀系数比第二种热塑性材料(B)的热膨胀系数相差约大于5.0ppm/℃。
5．权利要求4的方法，其中第一种热塑性材料(A)的热膨胀系数与第二种热塑性材料(B)的热膨胀系数相差约大于10.0ppm/℃。
6．权利要求1的方法，其中多组分纤维是平均外径约为5微米-50微米的双组分纤维(38,86)。
7．权利要求6的方法，其中双组分纤维(38,86)是平均外径约为5微米-35微米。
8．权利要求1的方法，其中多组分纤维是双组分纤维(38,86)，第一种热塑性材料(A)与第二种热塑性材料(B)的粘度相差约为5-1000倍。
9．权利要求1的方法，其中多组分纤维是双组分纤维(38,86)，另外还包括将双组分聚合物纤维作为毛束(20)收集，并使毛束经受高于第二种聚合物(B)熔点但低于第一种聚合物(A)熔点的温度。
10．权利要求1的方法，多组分纤维是双组分纤维(38,86)，第一种聚合物(A)的熔点与第二种聚合物(B)的熔点相差约大于10℃。第一种聚合物的热膨胀系数与第二种聚合物的热膨胀系数相差约大于2.0ppm/℃，纤维的平均外径约为5微米-50微米。
11．权利要求10的方法，其中热塑性材料的双组分纤维(38,86)含约40％-60％重量的第一种热塑性材料(A)和约40％-60％重量的第二种热塑性材料(B)。
12．权利要求10的方法，其中第一种热塑性材料(A)是选自聚亚苯基硫、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚酰胺以及它们的混合物的聚合物。
13．权利要求10的方法，其中第二种热塑性材料(B)是选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、沥青和它们的混合物的聚合物。
14．制备热塑性材料的双组分纤维(38,86)的方法，此法包括将第一种(A)和第二种(B)熔融热塑性材料提供到具有针孔周壁(32,66,74)的回转喷丝装置(10,72)，其中第一种热塑性材料(A)与第二种热塑性材料(B)熔点相差约高于10℃；将熔融热塑性材料作为热塑性材料的熔融双组分液流经针孔(56,70,84)离心；以及将液流冷却以制造热塑性材料的双组分纤维。
15．权利要求14的方法，其中第一种热塑性材料(A)的热膨胀系数比第二种热塑性材料(B)的热膨胀系数相差约大于2.0ppm/℃。
16．权利要求14的方法，其中双组分纤维(38,86)的平均外径约为5微米-50微米。
17．权利要求14的方法，其中第一种热塑性材料(A)是选自聚亚苯基硫、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚酰胺以及它们的混合物的聚合物。
18．权利要求14的方法，其中第二种热塑性材料(B)是选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、沥青和它们的混合物的聚合物。
19．第一种(97)、第二种(98)和第三种(99)热塑性材料的三组分纤维。
20．权利要求19的三组分纤维，此种纤维的平均外径约为5微米-50微米。
全文摘要
在一制造双组分的聚合物纤维(38)方法中,将第一种(A)和第二种(B)熔融聚合物提供给具有针孔周壁(32)的回转喷丝装置(10)。熔融聚合物(A,B)作为熔融的双组分聚合物液流经针孔离心。然后将液流冷却制得双组分的聚合物纤维(38)。
文档编号D01D5/18GK1212736SQ97192633
公开日1999年3月31日 申请日期1997年2月27日 优先权日1996年2月29日
发明者M·T·派莱格伦, P·M·加温, P·L·奥尔特, J·E·劳夫图斯, R·M·哈尼斯, V·G·莫里斯 申请人:欧文斯科尔宁格公司