專利名稱：單一成分多結(jié)構(gòu)纖絲的制作方法
本申請要求在2001年10月18日提交的美國臨時申請第60/330,318號的優(yōu)先權(quán)。
背景技術：
纖絲和纖維的制造在本領域長期以來是眾所周知的。這些纖絲和纖維通常采用公知的擠壓技術制備。一般而言，這種技術包括使用單擠壓機，諸如聚合物材料等可通過擠壓機熔化，然后通過迫使其通過沖壓頭而形成纖絲。
盡管術語“單纖絲”通常指任何無限長或極長的纖絲，但從這種單擠壓過程制造的纖絲通常都具有單纖絲的特征。因此與單擠壓過程相關過程中所用的術語“單纖絲”更尤其是以“單成分”或“單組分”的單纖絲為特征，也就是說它們僅從一種聚合物擠壓而來，且在纖維的整個長度方向上有均勻的橫截面。為在本文中容易說明，“單纖絲”指的是通過單擠壓過程制造的纖維。術語“纖絲”指的就是通常被稱作“單纖絲”的纖絲。
由于使用單擠壓機，操作條件和參數(shù)例如溫度(熱量)分布、螺桿速度、剪切力、模具尺寸、模具形狀、拉伸比等，都能以直接影響所制造的單纖絲的整體物理或機械性能的方式進行控制和操作，這是由于眾所周知這些條件可以也確實影響聚合物內(nèi)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形態(tài)，即大體形狀、排列和功能，然后再影響單纖絲的性質(zhì)。然而，可以理解對于整個纖絲來說，全部單纖絲的形態(tài)基本上是相同的。盡管操作條件和參數(shù)可被控制和操作以影響單纖絲的最終物理性質(zhì)，但是單纖絲本身的形態(tài)基本上自始自終相同。
因此為了得到較好的結(jié)果，已經(jīng)使用各種聚合物或共聚物的混合物以根據(jù)所需要的應用來改善單纖絲的某些所需要的物理性質(zhì)。傳統(tǒng)的單纖絲線的應用包括除草機切割線、釣魚線和縫紉線。這些單纖絲也可以通過紡織或者其它制造過程而制成各種工業(yè)和商業(yè)上應用的織物，包括造紙機織物、襪子、掛鉤和扣環(huán)?？梢岳斫庥捎诰酆衔锏幕旌衔镏兄辽儆幸环N不同組分，所以與單一的聚合物相比聚合物的混合物可對單纖絲提供不同的形態(tài)。因此包含聚合物混合物的單纖絲的機械性能不同于包含單一組分的單纖絲的機械性能。
盡管單纖絲在大多數(shù)應用中可提供適合的結(jié)果，但具有一種常規(guī)整體形態(tài)的單纖絲對某個材料(即一種成分或者多種成分的混合物)的局限性已引起了對多結(jié)構(gòu)纖絲的興趣。術語“多結(jié)構(gòu)”指的是在沿纖絲長度方向的任何位置處的每股纖絲的橫截面有兩個或多個擠壓組分的不連續(xù)區(qū)域。在此之前所公知的多結(jié)構(gòu)纖絲通常被稱為“多組分單纖絲”或“復合纖絲”。這些多結(jié)構(gòu)纖絲基本上是以每種聚合物占據(jù)分布在纖絲長度內(nèi)的不連續(xù)區(qū)域的方式共擠壓兩種或者多種聚合物而制得的。當這種纖絲由兩種不連續(xù)材料或者聚合物組分構(gòu)成時，有時也將纖絲稱為“雙組分纖絲”。不連續(xù)區(qū)域的實際形狀和尺寸由所用的擠壓控制技術和模具組件預定。典型的多結(jié)構(gòu)橫截面結(jié)構(gòu)包括纖芯-外殼型結(jié)構(gòu)(core-sheath)、并行排列結(jié)構(gòu)(side-by-side)和溪中小島型結(jié)構(gòu)(islands-in-the-stream)。此外，更復雜的結(jié)構(gòu)包括纖芯-覆蓋層-外殼型(core-mantle-sheath)結(jié)構(gòu)、具有多種尺寸小島的溪中小島型結(jié)構(gòu)或者外殼不完全包圍纖芯的纖芯-外殼型結(jié)構(gòu)，例如纖芯-尖型結(jié)構(gòu)。
在此之前，多結(jié)構(gòu)纖絲指的是雙組分或者多組分纖絲，是使用串聯(lián)工作的兩個或多個擠壓機使兩種或者多種不同的材料(或者不同材料的混合物)通過同一沖壓頭的不同通道擠壓制得的，從而制造出含有不同材料的兩個或者多個不連續(xù)區(qū)域的纖絲，不連續(xù)區(qū)域被擠壓成的輪廓形狀所包圍，且由相應的擠壓機和沖壓頭通道所決定。例如為制造纖芯-外殼型結(jié)構(gòu)的雙組分纖絲，除了使用兩個串聯(lián)的單獨擠壓機加工兩種不同的材料外，基本上采用與制造單纖絲相同的擠壓技術。一個擠壓機用于熔化第一組分并將其擠壓進模具組件從而最終形成為纖絲的纖芯，同時另一個擠壓機熔化第二種不同的組分并將其擠壓進模具組件，第二種不同的組分流經(jīng)不同的流道從而在纖線的制備中最終形成為包圍纖芯的外殼。
由于采用兩個獨立控制的擠壓機并使用不同的材料，因此每個不連續(xù)材料的特征和由這些不連續(xù)材料中的一種制成的纖絲的每一個不連續(xù)區(qū)域內(nèi)的物理性質(zhì)均可按有益于雙組分纖絲性能特征的方式進行調(diào)整。例如如果一種組分具有優(yōu)異的耐磨性和堅韌性，但是其缺少尺寸穩(wěn)定性，而另一方面第二種組分不耐磨，但是具有較大的尺寸穩(wěn)定性。取決于不同的應用，使耐磨損材料做成的外殼包圍尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異的纖芯組分對于提供較好的纖絲是有益的。因此，可以理解使用兩個擠壓機和兩種材料通過控制所使用的材料，控制操作條件，控制材料被擠壓、通過模具組件傳送和被拉伸的取向或結(jié)構(gòu)將會提高最終產(chǎn)物物理性能的多功能性。
盡管雙組分纖絲越來越受到歡迎，但應用雙組分方法制造纖絲仍然存在局限性。首先和最重要的是組分或者成分的兼容性問題。在上述涉及一種成分具有優(yōu)異的耐磨性和較差的尺寸穩(wěn)定性及第二種成分具有較好的尺寸穩(wěn)定性但耐磨性較差的例子中，第一種成分可看作是尼龍，而第二種成分可以是聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。然而，眾所周知的是尼龍和PET彼此不充分兼容，因此不能僅使用這兩種材料制造雙組分纖絲。如果將尼龍做成環(huán)繞PET纖芯的外殼，而在二者之間沒有某些額外的粘結(jié)劑、兼容劑或者兼容層，那么由于二者對于纖絲的制備不兼容，所以纖絲會容易破壞掉。事實上，公知的是盡管使用添加劑將它們維持在一起，但外部壓力和其它作用力足以引起這些不兼容材料分層。
因此，許多雙組分方法的專利權(quán)人和使用者使用化學結(jié)構(gòu)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。例如美國第6,207,276號專利揭露了一種纖芯-外殼型結(jié)構(gòu)的雙組分纖維，其中纖芯是從尼龍6或者尼龍6，6制備的，而外殼為從熔點至少為280℃的聚酰胺制備的，如尼龍4，6、9T、10T、12T，或者尼龍共聚物46/4T、66/6T和6T/6I。這些較后的尼龍均聚物和共聚物及其基本單體在形態(tài)上與尼龍6或者尼龍6，6及其基本單體極不相同。
與此相似的是美國第4,069,363號專利揭露了一種雙組分纖絲，其中纖芯為六亞甲基十二烷酰胺(尼龍6，12)和E-己酰胺(尼龍6)的共聚物，而外殼為尼龍6，12、尼龍6，6或者只是尼龍6。此外，擠壓前所用的起始材料不同，所以擠壓前具有不同的化學結(jié)構(gòu)、形態(tài)和物理性質(zhì)。
還有雙組分制造方法的其它例子，包括美國專利第5,948,529號，其中公開了具有PET纖芯和聚乙烯外殼的雙組分纖絲。PET纖芯還包括混合在其中的功能化的乙烯共聚物。很明顯在此專利中的纖芯和外殼起始材料的形態(tài)很不相同。
美國第6,254,987號專利揭露了一種表現(xiàn)出增強的耐磨性的纖芯-外殼型結(jié)構(gòu)的雙組分纖絲。纖芯是液態(tài)晶體聚酯，外殼是按重量計為1-5％的聚碳酸酯和聚酯的混合物。此外，纖芯和外殼起始材料的化學結(jié)構(gòu)不相同。
此外，美國第5,540,992號專利揭露了一種雙組分纖維，其包括含有高密度聚乙烯的高熔點纖芯和含有低密度聚乙烯的低熔點外殼。因此，盡管纖維的纖芯和外殼中包含有同類聚合物(即聚乙烯)，但纖維不含有具有相同化學結(jié)構(gòu)和物理形態(tài)的相同成分。也就是說其中在擠出前纖芯組分和外殼組分之間的化學結(jié)構(gòu)、分子量和分子量分布是不同的。換句話說，盡管低密度聚乙烯和高密度聚乙烯具有相似的化學組成，但是在形態(tài)和布局上完全不同。
因此至此為止現(xiàn)有技術還沒有預見到采用相同成分制造多結(jié)構(gòu)纖絲的所有結(jié)構(gòu)部分或者不連續(xù)區(qū)域。出乎意料的是，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在制造過程中通過控制擠壓過程來控制成分分布和剪切速率，可以制得相同成分的不同形態(tài)，從而提供具有有益性質(zhì)的纖絲結(jié)構(gòu)部分或者不連續(xù)區(qū)域。
然而在繼續(xù)說明前需要注意美國第3,650,884號專利。此專利揭露了一種聚酰胺單纖絲，其直徑至少為15密耳(千分之十五英寸)，微孔表面層厚度大約為3-15微米并占據(jù)少于6％的單纖絲橫向范圍。盡管這種單纖絲是真正的單成分單纖絲(即不是多結(jié)構(gòu)的纖絲)，因為其是從含有一種材料即聚酰胺的單擠壓機擠壓而來的，但是一旦纖絲經(jīng)過此專利中所述的流動(streaming)和拉伸過程，那么在加工完全后所得到的極薄表面層的形態(tài)確實不同于纖絲其余部分的形態(tài)。事實上，流動混亂的表面層只是表層，并占據(jù)小于6％的纖絲。相比而言，用公知的共擠壓技術所制造的多結(jié)構(gòu)纖絲中，通過經(jīng)由模具組件擠出纖絲的部分而成的每個結(jié)構(gòu)分布和區(qū)域占據(jù)每股纖絲的部分必須大于7％，優(yōu)選大于10％。因此可以理解美國第3,650,884號專利中所制得的單纖絲相當不同于使用本發(fā)明的雙組分制造技術和擠出技術所制造的多結(jié)構(gòu)單纖絲。
有鑒于此，需要一種擠壓的多結(jié)構(gòu)單纖絲，其僅含有一種成分，并且由于在通過模具組件擠出的過程中對剪切、熔化溫度和其它公知操作條件的控制其可具有改進的物理性質(zhì)和性能。
發(fā)明概述本發(fā)明一般涉及一種多結(jié)構(gòu)纖絲，其中纖絲的每個不連續(xù)區(qū)域(纖芯、外殼等)是由相同成分制得的，但在制造后每個不連續(xù)區(qū)域?qū)υ谄淝盎蚱浜髷D壓出的任何其它不同區(qū)域而言有不同的形態(tài)。因此，本發(fā)明優(yōu)選在兩個或者多個擠壓機中使用單一成分以制造與單纖絲相比、在某些情況下與雙組分纖絲相比具有改進的物理性質(zhì)的多結(jié)構(gòu)纖絲?？梢岳斫猓绻麑⒉僮鳁l件事先設置到基本上相同，那么纖絲的一些部分可具有相同的形態(tài)。因此，在外殼并沒有完全包圍纖芯的纖芯-外殼型橫截面結(jié)構(gòu)的纖絲中，只要是所期望的那么外殼的每一部分均可具有與每一個被稱為外殼的其它區(qū)域相同的形態(tài)。因此，后面所說的每一個“區(qū)域”指的是具有相同形態(tài)的纖絲不連續(xù)的部分，而術語“部分”指的是單個纖絲的每一部分。
更具體而言，本發(fā)明一般提供一種多結(jié)構(gòu)纖絲，其包括在通過模具組件擠出后具有兩種或多種形態(tài)的單一成分，其中纖絲的一個不連續(xù)區(qū)域包括該成分的一種形態(tài)，纖絲的至少另一個不連續(xù)區(qū)域包括相同成分的另一種形態(tài)，及其中纖絲的每個區(qū)域包括至少約為7％的纖絲。
術語“單一成分”指的是擠壓機中所使用的最初起始材料在化學和物理上基本是一樣的。如果直接使用均聚物和商業(yè)上可得到的樹脂，那么這意味著最初起始材料具有相同的化學結(jié)構(gòu)、基本上相同的分子量、相同的分子量分布、相同的可萃取性、相同的熔點、相同的熔融粘度和相同的熔體流動。因此低密度聚乙烯和高密度聚乙烯不是“單一成分”。如果使用混合物或者共聚物，那么這意味著所用的單體或者起始組分是相同的。然而可以理解，共聚物中的單體比率和和混合物中的混合比率可以稍微變化，彼此變化約為20％，更優(yōu)選約為10％，再更優(yōu)選約為2％，而沒有偏離本發(fā)明對于“單一成分”的定義。因此如果其它擠壓機使用單體比約為70∶30、更優(yōu)選單體比為80∶20的相同單體，那么在一個擠壓機中具有90∶10單體比率的共聚物將被認為是相同的“單一成分”。只要最初成分是相同的即同樣的，那么混合比率就以這種方式考慮。單體或材料混合物的較寬比率也是合適的，只要其沒有影響到本發(fā)明的本質(zhì)特征-即共聚物的形態(tài)(即結(jié)晶度)基本上是相同的。在某些情況下，如果擠出前組合物的形態(tài)受比率的影響，那么可能按重量計小于20％的單體比率或者混合比率是不合適的。然而可以理解的是，本領域所屬技術人員將會很容易地確定形態(tài)會受到何種程度的影響而不用任何過多的實驗，很明顯本領域所屬技術人員不必改變單體比率或混合比率，因為在數(shù)量上的微小不同不會在共聚物或混合物中產(chǎn)生任何明顯區(qū)別。
有利的是，本發(fā)明可得到更多功能的最終產(chǎn)物，即多結(jié)構(gòu)纖絲，其具有較好的物理性質(zhì)和性能特征。實質(zhì)上本發(fā)明提供了更堅韌更耐磨的組合物，且由于纖絲是相同的組分，所以至少纖絲的一部分與纖絲的其它部分是肯定兼容的。因此在纖絲的結(jié)構(gòu)中保持所使用成分的其它特性的同時，還提高了纖絲的某些物理特性，而不用依賴于混合物或者超過一種成分的使用，這大大降低了需要使用兩種或者更多種單獨和不同成分的成本。
優(yōu)選實施方案的詳細說明如前所述，本發(fā)明涉及一種擠壓的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中擠壓的纖絲的每個不連續(xù)區(qū)域是從基本上相同的成分制得的，但每個不連續(xù)區(qū)域?qū)υ谄淝盎蚱浜髷D壓出的任何其它的不連續(xù)區(qū)域而言有不同的形態(tài)。此種多結(jié)構(gòu)纖絲采用公知的擠壓技術制造，其中當將樹脂材料置于擠壓機中時，兩個或者多個擠壓機熔化基本上為相同成分的樹脂材料，并迫使其通過共同的模具組件來制造多結(jié)構(gòu)單纖絲，其中纖絲的每一部分是相同的材料但是彼此具有不同的形態(tài)。可以認為，用于制造纖絲的成分的形態(tài)變化基本上是由于當通過模具組件加工樹脂材料以形成纖絲各部分時剪切和溫度的影響。也就是說在樹脂通過模具組件時，通過控制樹脂的剪切和熔化溫度，樹脂的物理性質(zhì)會發(fā)生明顯的變化。因此，能夠制造出包含具有兩種或者多種不同形態(tài)的單一成分的多結(jié)構(gòu)纖絲。有利的是，此種產(chǎn)物可形成有益于最終產(chǎn)物的物理性能和特性的結(jié)構(gòu)，其中纖絲的每個不連續(xù)區(qū)域優(yōu)選包含至少按體積計約為7％的纖絲，更優(yōu)選按體積計約為10％的纖絲。
更具體而言，本發(fā)明涉及通過模具組件的材料的剪切的控制。例如，如果需要纖芯-外殼型形狀的纖絲，那么應提供模具組件，其可使一個或者多個擠壓機迫使材料通過模具組件，并使材料沿著形成纖絲內(nèi)纖芯的通道運行。優(yōu)選此種材料的剪切看起來要比受其它擠壓機擠壓而通過模具組件并沿著形成外部殼體通道運行的相同材料要小。根據(jù)剪切和其它可能的操作條件的影響，本發(fā)明利用了材料結(jié)晶度的合成效果。通?？梢哉J為，在外殼結(jié)構(gòu)擠出過程中的較高剪切使得纖絲在此區(qū)域的結(jié)晶度比用于形成纖芯的材料低(即更不定型)，而用于形成纖芯的材料受到的剪切較小，因此可以認為具高較高的結(jié)晶度。綜上所述，可以理解特別是相對于撓曲疲勞磨損而言，較低結(jié)晶度的材料通常被認為更堅韌、更耐磨，通常它們也被認為更具有撓性，并且抗沖擊和互扣強度得到了提高?？傊?，與產(chǎn)品的張力相關的性能都得到改善。相反，與較低結(jié)晶度的材料相比，具有高結(jié)晶度的材料通常被認為更具化學耐性和耐熱性，并可提供更大的尺寸穩(wěn)定性，這些材料通常也被認為具有較高的抗張強度，可以認為通常與產(chǎn)品的壓力相關的其它性質(zhì)也得到了改善。此外，高結(jié)晶度材料通常與其它材料的兼容性較差。
因此，目前很容易預見到剪切控制模具設備，但是如果用作纖芯和外殼的樹脂材料是相同的成分，那么其中制得的纖絲纖芯具有很高的結(jié)晶度，而纖絲的外殼是更不定形的。這種纖絲基本上具有良好的抗張強度和良好的耐沖擊性能-通常這兩種性質(zhì)在單纖絲的結(jié)構(gòu)中卻剛好相反。例如，如果想制造比較堅韌的單纖絲，那么其沖擊性能受到損害是公知的。本發(fā)明基本上消除了這種困難，不僅使用對纖絲的所有部分而言是兼容的材料而且是相同的材料。迄今為止還沒有辦法來增強相互抵觸的纖絲性能。一種或者另一種性質(zhì)總是受到損害。
取決于不同的應用，按本發(fā)明制造的纖絲表現(xiàn)出明顯提高的機械性能，這些性能包括提高的耐磨性和抗撓曲疲勞性、韌性、提高的拉伸性、互扣和打結(jié)強度、及提高的耐沖擊性能。
本發(fā)明的纖絲并不限于纖芯-外殼型結(jié)構(gòu)，基本上可以使用可預見到的任何多結(jié)構(gòu)關系。如上所述，可以按纖絲的不連續(xù)區(qū)域相互排列的關系來描述這些單纖絲的特性。例如，這些區(qū)域可以是并行排列，或外內(nèi)排列。在外內(nèi)排列中，區(qū)域之一基本上位于纖絲的外圍，因而可稱為外殼或外部區(qū)域，而其它區(qū)域位于纖絲的“纖芯”。外內(nèi)排列的其它實例包括溪中小島型排列，其中內(nèi)部區(qū)域包含幾個被外部區(qū)域外殼所包圍的較小尺寸部分。在纖絲中三個區(qū)域的外內(nèi)排列的實例其中包括外殼-覆蓋層-纖芯型排列和溪中小島型排列。纖絲的外內(nèi)排列可以是對稱的或非對稱的。本發(fā)明的纖絲可具有本領域公知的任何外圍結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)包括圓形、多邊形或扁平形，其邊緣可是光滑、鋸齒狀的或不規(guī)則的。它可是多邊形的，如三角形、四邊形、五邊形、六邊形等。不需要外部區(qū)域完全包圍或圍繞內(nèi)部區(qū)域。在某些例子中如果采用顏料用顏色來區(qū)分區(qū)域，那么可以理解沿著與縱軸平行的纖絲內(nèi)部區(qū)域邊緣延伸的外部區(qū)域可以“剝離”纖絲。
優(yōu)選本發(fā)明不含任何其它填充劑或者添加劑。如背景技術部分所討論的，大多數(shù)現(xiàn)有技術中的多結(jié)構(gòu)纖絲即具有纖芯-外殼型結(jié)構(gòu)或者其它橫截面結(jié)構(gòu)的那些纖絲都是雙組分纖絲，也就是它們均由兩個分離的擠壓機用兩種不同的成分擠壓形成。在一些實例中，這意味著一個擠壓機使用通用的材料如PET，而另一個擠壓機使用同樣的成分并加入添加劑或者填充劑，添加劑或者填充劑可通過改進材料或者使材料(如PET)改性的方式來改進組合物的一種或者多種物理性能。因此，一旦經(jīng)擠壓并制備出雙組分纖絲，那么受添加劑或者填充劑影響的改進性質(zhì)將對纖絲帶來有利的效果。
與此相反的是，本發(fā)明并不含有這樣的添加劑或者填充劑。盡管某些添加劑如顏料等可以加入組合物中，但這些添加劑并不會影響本發(fā)明的本質(zhì)特征，即它們不會顯著影響組合物的形態(tài)。
然而，可以理解在所有使用相同材料的擠壓機中加入相對相同量的添加劑和填充劑，仍然被認為符合本發(fā)明的術語“單一成分”的定義。因此，如果將相對相同量(即取決于所用的添加劑和量約在0.001-5％內(nèi))的水解穩(wěn)定劑加入到兩個(或所有的)擠壓機中，從而基本上不會對欲擠壓的組合物或者混合物在形態(tài)上產(chǎn)生不同，那么向PET中加入水解穩(wěn)定劑也是可接受的。由此，如果加入約0.5克的添加劑時，那么應該加入基本上相同量的相同添加劑，添加劑的量只能有微小的標準偏離。另一方面，如果加入的添加劑量為10,000千克，例如約占所用組合物的40％，那么可以理解標準偏離可以大些，可能達到約5％。
任何公知適于擠壓成纖絲的材料均可用在本發(fā)明中。傳統(tǒng)的材料包括但并不限于聚烯烴，如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)；聚酯，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚酰胺，如尼龍均聚物(例如尼龍6或者尼龍6，6)和共聚物(例如尼龍6，6，6)；特制聚合物，如高溫或高性能的熱塑性塑料，如聚苯硫(PPS)和聚醚醚酮(PEEK)。這些成分在擠壓單纖絲和雙組分纖維時經(jīng)常使用。
至于纖維韌性和耐磨性，這些材料的纖絲性能大概按下列順序增加高溫熱塑性塑料(PPS)→聚酯(PET)→聚烯烴(PE或者PP)→聚酰胺(尼龍)→聚酰胺共聚物。另一方面，尺寸和熱穩(wěn)定性大概按照相反的方向增加，即聚酰胺(尼龍)→聚酯(PET)→高溫熱塑性塑料(PPS)。在保持單纖絲尺寸穩(wěn)定性的同時，提高其韌性和韌性的方法長期以來一直是授權(quán)發(fā)明的主題，如美國第4,748,077號、第4,801,492號、第5,424,125號、第5,456,973號和第5,667,890號專利所公開的發(fā)明，這些專利都由所記載的專利權(quán)人擁有。本發(fā)明在整個多結(jié)構(gòu)纖絲中使用相同的材料用以提高上述的這些性質(zhì)。
制造纖絲所用的材料類型很大程度上取決于所需要的應用。例如，如果需要尺寸穩(wěn)定性，那么聚酰胺在較潮濕的環(huán)境中是不利的。另一方面，高溫熱塑性塑料不能提供除草機切割線等所必須的韌性和耐沖擊性。然而，盡管現(xiàn)在討論的是應用于各種優(yōu)選應用中的多結(jié)構(gòu)纖絲的制造，但本發(fā)明并不局限于此，本發(fā)明的精神和范圍由其本身的權(quán)利要求書所限定，而不是由任何具體的實施方案所限定。此外，可以理解盡管某些材料被認為是某些應用所需要的，但是本領域公知的其它材料也適合那些應用，本發(fā)明不以任何方式局限于那些所列出的材料。
關于高溫高性能的熱塑性塑料，有許多熱塑性塑料可以用于制造本發(fā)明的纖絲。在材料種類中使用更好的材料包括但并不限于聚苯硫(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚對苯二甲酸環(huán)己烷二甲醇酯/聚間苯二甲酸環(huán)己烷二甲醇酯(PCTA)。
聚苯硫(PPS)在本領域中是公知的作為用于多種應用中的單纖絲和纖絲的材料，包括編織成工業(yè)和其它技術織物的纖絲。聚芳硫中最簡單的一種是聚苯硫，其具有顯著的化學耐性和耐熱性。聚苯硫(PPS)在392°F(200℃)以下不溶于所有普通溶劑，且對于蒸汽、強堿、燃料和酸是惰性的。PPS本身還是阻燃材料。以上提到的特性及最小的吸水性和極低的線性熱膨脹系數(shù)使得單纖絲適合用于許多高溫應用中，在此種苛刻的化學環(huán)境中尺寸穩(wěn)定性非常重要。不利的是，在某些應用中聚苯硫(PPS)的有效性由于材料的較高成本和其相對較差的機械性能而受到限制。特別是單纖絲中的PPS非常易碎。盡管需要從PPS纖絲制造織物以在高溫應用中使用，如在造紙機的干燥部分中應用，但是較低的抗張強度(大約是PET的一半)及較低的互扣強度和打結(jié)強度(大約也是PET的一半)已經(jīng)引起在紡織或織物的使用其間隨時間的推移而產(chǎn)生的問題。
因此，只有當PPS的這些物理性能提高了，它才能令人滿意地用作造紙機干燥織物。然而，迄今為止這些改進已經(jīng)以樹脂混合物或者以兼容的聚合物或可使組合物變堅韌的聚合物添加劑的混合物形式出現(xiàn)，而明顯不包括PPS的耐熱性和化學耐性的改進。例如美國第5,425,125號專利揭露了一種含有由PPS和至少一種其它的聚合物所成的混合物的單纖絲結(jié)構(gòu)，其中至少另一種其它的聚合物選自PET、高溫聚酯樹脂(如PCT或者PCTA)或者聚苯(PPO)。相似地，美國第4,610,916號專利揭露了一種含有由PPS與烯烴和鹵代單體的共聚物所成混合物的單纖絲的結(jié)構(gòu)。然而，仍然存在成本和可加工性問題。本發(fā)明試圖改善纖絲的物理性能，包括提高韌性、互扣韌性和互扣沖擊強度，而不會損害耐熱性或化學耐性并消除加工中的問題。由于在苛刻的化學和溫度環(huán)境下使用這些織物，所以與由常規(guī)材料如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰胺制成的單纖絲所構(gòu)成的織物相比，PPS織物使用壽命長且整體性能更好。
另一種適合的高性能熱塑性塑料是聚醚醚酮(PEEK)，PEEK是公知具有相對良好的尺寸穩(wěn)定性并表現(xiàn)出優(yōu)異的化學耐性和耐潮濕性的材料。它不溶于很多溶劑，但這些溶劑不同于PPS不溶的溶劑，且其機械性能強于PPS。PEEK具有相對均衡的性能，使得其應用范圍很廣，如在電氣零件和電子零件、軍事裝備、汽車零件、電線和電纜及飛機所使用的高級結(jié)構(gòu)性復合材料中使用。然而，可能由于其成本和其制造過程中所需要的其它可能的操作條件的原因，所以PEEK在單纖絲的應用中很少被人所知。
長期以來單纖絲是由聚酯制得的。常規(guī)的聚酯如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)已用于制造應用廣泛的單纖絲，其中一個有用的應用是作為造紙機中的成型織物。其它的聚酯包括至少含有摩爾百分比為50％的對苯二甲酸亞乙酯單元的共聚多酯。在所述的共聚多酯中合適的共聚單元包括間苯二酸、含有金屬磺酸鹽基團的間苯二酸、雙酚、新戊基乙二醇及1，6-環(huán)己二醇。除了PET外，本發(fā)明所用的其它聚酯包括但不限于聚對苯二甲酸亞丙酯(PTT)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(PPT)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等。
適合本發(fā)明使用的聚酯通常商業(yè)上可購得。在一些實例中，優(yōu)選聚酯中含有按重量計為0.007％的水。優(yōu)選地，聚酯材料的固有粘度(IV)約為0.6-0.99，更優(yōu)選約為0.85-0.99，再更優(yōu)選約為0.90-0.95。
PET和其它聚酯通常具有良好的平衡性能，其耐磨和尺寸穩(wěn)定性介于PPS和聚酰胺之間。
長期以來單纖絲也可由聚酰胺制得，優(yōu)選的聚酰胺是尼龍和尼龍共聚物。尼龍包括但不限于尼龍6、尼龍6/6、尼龍6/9、尼龍6/10、尼龍6/12和尼龍6/36。尼龍共聚物包括但不限于尼龍6/66、尼龍66/6、尼龍6/612和尼龍6/636。此外，這些材料的制造在本領域是公知的，并通?？蓮纳虡I(yè)上買到，或者它們的制備方法在本領域是公知的。
尼龍以其韌性和耐磨性而眾所周知，然而如前所述其缺少尺寸穩(wěn)定性。盡管如此仍在試圖提高其韌性和耐磨性，包括沖擊強度。也就是說，與其它尼龍單纖絲相比，耐磨性和韌性被提高的尼龍纖絲適合用作改進的釣魚線或除草機切割線，及改進的工業(yè)用過濾織物、掛鉤和扣環(huán)、剛毛單纖絲和縫紉線。
本發(fā)明也用到聚烯烴。盡管基本上可以使用可通過本發(fā)明的共擠壓過程而制成纖絲的任何聚烯烴，但是優(yōu)選的聚烯烴包括聚乙烯和聚丙烯。
為證實本發(fā)明的實施，利用本發(fā)明的構(gòu)思制備單一成分多結(jié)構(gòu)的纖絲。然后測試這些纖絲的機械性能相對于當前許多應用中所使用纖絲的改進。
特別地，在優(yōu)選實施方案中，制備含有從Philips以商標RYTON GRO6買來的單一成分聚苯硫(PPS)的各種纖絲，其是通過使從串聯(lián)工作的兩個單獨抗壓機中來的相同PPS材料通過模具組件共擠壓而制備的，其模具組件具有用于制備纖芯-外殼型橫截面結(jié)構(gòu)的纖絲的兩個不同流道。纖絲含有約80％的纖芯材料和約20％的外殼材料。模具組件中包含外殼材料的熔體流道以可對流經(jīng)其中而被擠壓的材料提供比包含纖芯(相同)材料的熔體流道可提供的剪切更大的方式制成。除了不同的流道外，用于構(gòu)成纖絲的材料基本上是以相同的方法制備和加工的。對PPS而言，這意味著纖絲按照通常技術織物的制造中所用的規(guī)格來制造，尤其是造紙機干燥部分中所用的織物。這些操作條件包括熔融擠壓機中的擠出溫度約為290-320℃。此過程包括在96℃的加熱爐中進行的拉伸比率約為3.9/1的單次拉伸，然后其在149℃的退火爐中松馳約11.4％。這樣有效拉伸是3.45/1。
一旦制備出多結(jié)構(gòu)纖絲，就用差式掃描量熱儀(DSC)測試纖絲的結(jié)晶度。按ASTM的方法D3417-97進行的DSC的分析結(jié)果如下表I所示，表I中不僅有上面制備的PPS纖絲的結(jié)果，還有下面所述的其它測試的纖絲的結(jié)果。
表I從測試的纖絲得來的纖芯-外殼組分的結(jié)晶度對比
可以理解外殼的熔融熱基本上小于纖芯的熔融熱。外殼較低的熔融熱表明由于形態(tài)不同所導致的焓的變化。這種形態(tài)的變化表明外殼的結(jié)晶度較低。反過來，這一點改善了聚合物纖絲的機械性能。
針對纖絲的一般應用對纖絲的各種機械性能進行測試。對于PPS而言，這種應用是干燥織物。對這些纖絲及包含相同材料即PPS的對照單纖絲進行偏移簧片(offset reed)拉力沖擊測試和環(huán)扣沖擊強度測試。第一種對照纖絲不僅包括PPS還包括韌化劑，即可從DuPont以商品名TEFZEL210購得的乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)。第二種對照纖絲是以可最佳化其機械性能的方式制得的100％PPS單纖絲。使用與本發(fā)明前述的相似的操作條件制備此單纖絲。
偏移簧片韌性沖擊測試采用ASTM測試方法第D1822-83號，但將其修改成測量沿著纖絲軸使纖絲破碎或者斷裂的能量。測試時將纖絲綁到鐘擺或者吊燈或定位裝置上。纖絲穿過紡織機簧片，這樣當鐘擺下降時，纖絲相對于紡織機簧片而言處于拉伸狀態(tài)。然后記錄循環(huán)終止時的次數(shù)。
相似的是，環(huán)扣沖擊強度的測試基本上采用相同的設備，但這種測試以環(huán)扣形式進行，其中兩股纖絲環(huán)扣在具有預定重量的定位裝置與鐘擺之間。當鐘擺下降時，纖絲處于拉伸狀態(tài)，且最終經(jīng)過多個循環(huán)或應用較大的外力后纖絲折斷裂。
表II中列出了這些測試的結(jié)果和其它公知的機械性能。
表IIPPS的機械性能
應該清楚的是本發(fā)明的新纖絲與對照纖絲尤其是對照單纖絲1相比明顯改善了纖絲的缺口(偏移簧片)強度和無缺口(環(huán)扣沖擊)強度及纖絲的韌性。與對照單纖絲2相比，盡管本發(fā)明的纖絲韌性低，但偏移簧片拉伸沖擊性能和環(huán)扣沖擊性能卻明顯改善。尤其是在這些測試中本發(fā)明的纖絲沒有折斷，但每個對照的纖絲卻折斷了。因此，很明顯至少纖絲的某些機械性能，尤其是對于纖絲的應用最重要的那些性能相對相同材料的單纖絲而言有很大改善。纖絲1的性質(zhì)表明其在靜力學和動力學機械性能兩方面都有整體的提高。這使得這種特定的纖絲適用于造紙機的干燥部分。
盡管不限于理論，但是可以認為具有形態(tài)差異的外殼可在沖擊時產(chǎn)生偏離缺口的包層，并阻止裂縫延長。更復雜機械要求更高的織物設計或者三維結(jié)構(gòu)的編織需要更平衡的PPS單纖絲。此種纖絲可提供這種平衡性質(zhì)。
在另一種實施方案中，基本上按如上所述的方法制備兩股或更多的纖絲，但這次使用尼龍6/66用作單一成分。此外，纖絲設計成纖芯-尖端型橫截面結(jié)構(gòu)，其中橫截面結(jié)構(gòu)中約70％是纖芯，橫截面結(jié)構(gòu)中約30％是用作切割線的尖端，而在釣魚線的制造中，橫截面結(jié)構(gòu)中約80％是纖芯，約20％是外殼。纖芯和尖端(外殼)均由尼龍6/66的共聚物擠壓而來，尼龍6/66中包含85％的尼龍6和15％的尼龍66。根據(jù)傳統(tǒng)的除草機切割線關于對纖線進行淬火、拉伸和放松的制造工藝擠壓和制造纖絲。
這種纖絲有很多應用，包括釣魚線或除草機切割線。此外，如表I所示纖芯的熔融熱明顯高于外殼(即尖端)的熔融熱，因此表明尖端在形態(tài)上有明顯的變化，且與纖芯相比結(jié)晶度較低。反過來，這使得尖端更堅韌和耐磨。
為確定可看到纖絲中的任何改善，對按本發(fā)明構(gòu)思制得的尼龍6/66纖絲和含有尼龍6/66的對照單纖絲進行了各種物理測試。釣魚線和切割線的各種測試結(jié)果如下面的表III所示。
此外，不同形態(tài)的尖端增加了外表面的韌性，這一點與沖擊引起的機械偏離無關且表明撓曲疲勞消失。“外殼”層可防止纖芯由于在纖絲表面切口或者刻痕而產(chǎn)生的破裂的擴展。
表III尼龍6/66纖絲的機械性能測試結(jié)果
基于以上結(jié)果，很顯然本發(fā)明的纖絲在靜力學和動力學方面性能都得到了提高。外殼層用于加強釣魚線和切割線性質(zhì)，使其更象復合纖絲但其實不是。它們的層含有相同的成分。
可以理解，本發(fā)明改善了適合用做切割線、釣魚線和造紙機干燥織物的纖絲的機械性能。纖絲或本發(fā)明特別適合的其它應用包括但不限于用于造紙機中的PET成型織物、尼龍成型織物及壓氈，尼龍掛鉤和環(huán)扣織物，尼龍縫紉線，尼龍刷子和適合過濾用等的各種工業(yè)纖絲等。
盡管在上述的實施例中已經(jīng)結(jié)合特定的方式、材料和實施方案對本發(fā)明進行了說明，但是很顯然本領域所屬技術人員可以做出各種變化和修飾，而這些變化和修飾落于所附的權(quán)利要求書中所列出的本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。因而，本發(fā)明不局限于已公布的詳細說明，而是擴展到權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有等價物。
權(quán)利要求
1.一種多結(jié)構(gòu)纖絲，其包括在通過模具組件擠出后具有兩種或多種形態(tài)的單一成分，其中所述纖絲的一個不連續(xù)區(qū)域包括所述成分的一種形態(tài)，所述纖絲的至少另一個不連續(xù)區(qū)域包括相同成分的另一種形態(tài)，及其中所述纖絲的每個區(qū)域包括按體積計至少約為7％的所述纖絲。
2.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述的單一成分選自聚酰胺、聚酯、聚烯烴及高性能熱塑性塑料。
3.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述的單一成分是材料的混合物。
4.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述的單一成分是共聚物。
5.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述的單一成分是聚苯硫。
6.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述的單一成分是尼龍共聚物。
7.如權(quán)利要求6所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述的單一成分是尼龍6/66。
8.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，還包括纖芯-外殼型結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述的纖芯結(jié)晶度比所述的外殼結(jié)晶度高。
10.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，還包括纖芯-尖端型結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述的纖芯結(jié)晶度比所述的尖端結(jié)晶度高。
12.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述纖絲的每個區(qū)域包括按體積計至少為10％的所述纖絲。
13.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)構(gòu)纖絲，其中所述纖絲與由相同成分制得的單纖絲相比具有改善的韌性和耐磨性。
14.一種制備多結(jié)構(gòu)纖絲的方法，所述的多結(jié)構(gòu)纖絲含有單一成分并且與由相同成分組成的常規(guī)單纖絲相比具有改善的機械性能，所述方法包括通過具有兩個或多個不同流道的同一模具組件擠壓出從串聯(lián)的兩個或多個擠壓機來的所述單一成分，其中從一個擠壓機來的所述成分的流道所提供的剪切小于從其它擠壓機來的相同成分的流道所提供的剪切，由此提供在纖絲橫截面內(nèi)具有兩個或多個不同區(qū)域的纖絲，每個區(qū)域和任何其它區(qū)域相比具有不同的形態(tài)，其中所述纖絲的每個區(qū)域包括按體積計至少約為7％的所述纖絲。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的纖絲不同區(qū)域是其外殼和纖芯。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的纖絲不同區(qū)域是其纖芯和四個尖端。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中每個區(qū)域包括按體積計至少為10％的所述纖絲。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多結(jié)構(gòu)纖絲，其包括在通過模具組件擠出后具有兩種或多種形態(tài)的單一成分，其中該纖絲的一個不連續(xù)區(qū)域包括該成分的一種形態(tài)，該纖絲的至少另一個不連續(xù)區(qū)域包括相同成分的另一種形態(tài)，及其中該纖絲的每個區(qū)域包括至少約為7％的纖絲。本發(fā)明也公開了該纖絲的制備方法。
文檔編號D01F8/04GK1561410SQ02819296
公開日2005年1月5日 申請日期2002年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月18日
發(fā)明者查德·博伊德, 彼得·布里塞特, 阿提耶·坦韋爾蒂 申請人:莎士比亞有限責任公司