專利名稱：可分散芳族聚酰胺漿粕的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是易在液體中分散的芳族聚酰胺纖維漿粕的制備工藝和可分散的芳族聚酰胺漿粕。
美國專利NO.3，610，542(批準(zhǔn)日1971.10.5.申請人Yamagishi)公開了一種用于精細(xì)粉碎和分裂各種材料的湍動空氣粉磨器。著重公開的是天然纖維材料。
日本專利公開36167-1982公開了一種觸變增強(qiáng)器，其能在攪拌的非溶劑液體中分散聚合物溶液生成聚合物沉淀顆粒，然后洗滌干燥并且精細(xì)粉碎顆粒以制得用于增稠非水性液體的材料。
Research Disclosure item 19037，1980年2月，第74～75頁公開了通過切割、撕捏或研磨芳族聚酰胺纖維來制備漿粕，公開了大量的用途以及許多需要在液體中均勻分散的應(yīng)用。
本發(fā)明提供了一種致密的可通過湍動空氣碾磨機(jī)單獨(dú)開松的芳族聚酰胺漿粕，緊密到密度為每立方厘米0.08～0.5g(5～30磅/英尺3)。漿粕纖維長大約0.8～8毫米(1/32～5/16英寸)，比表面積為每克5～10平方米(m2/g)(2.4～4.8英尺2/磅)。
提供制備致密可再分散芳族聚酰胺漿粕纖維的方法;其步驟包括切割芳族聚酰胺短纖維，提純切割纖維以生成漿粕，使用湍動空氣碾磨機(jī)的作用力開松提純的纖維;緊密開松的纖維至密度為0.08～0.5g/cc。本發(fā)明的這種致密芳族聚酰胺纖維與沒使用湍動空氣碾磨機(jī)開松的致密芳族聚酰胺漿粕纖維相比顯著改善了其在液體中的可分散性。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種芳族聚酰胺纖維的漿粕在復(fù)合物和增強(qiáng)型物品中有多種應(yīng)用。眾所周知，芳族聚酰胺具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫效果。應(yīng)用中，需要的那些耐久性芳族聚酰胺纖維難以生產(chǎn)和加工。
這種纖維漿粕需要專門設(shè)計(jì)的設(shè)備來制備，以精制、撕捏或研磨起始物料的短纖維。一般地，一旦制造出這種漿粕就必須將其運(yùn)送到最終的使用場合。由于該漿粕密度很低，因此就有很好理由需要致密的漿粕，以適宜海運(yùn)和其后使用中的迅速分散。
本發(fā)明提供了一種處理芳族聚酰胺纖維漿粕的方法，用該方法得到的致密漿粕比用現(xiàn)有技術(shù)和處理制得的致密漿粕在液體中更迅速地?cái)U(kuò)散。本發(fā)明的致密漿粕比現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的類似漿粕產(chǎn)品有顯著的改進(jìn)。
用芳族聚酰胺來制備本發(fā)明的漿粕纖維。本發(fā)明的直接產(chǎn)物是這種漿粕纖維的致密團(tuán)。術(shù)語“芳族聚酰胺”意指至少85%的酰胺(-CO-NH)鏈直接接到二個(gè)芳環(huán)上的聚酰胺。適宜的芳族聚酰胺纖維在“人造纖維科學(xué)和技術(shù)”，第二卷，標(biāo)題是形成芳族聚酰胺纖維，297頁、W.Black等人，Inter-science Publishers，1968中有描述。芳族聚酰胺纖維也公開在美國專利，4，172，938，3，869，429，3，819，587，3，673，143，3，354，127和3，094，511。
在芳族聚酰胺中，也能使用其它添加劑，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高達(dá)10wt%的其它聚合材料能同芳族聚酰胺混合，或與能使用高達(dá)10%的其它二胺取代芳族二胺或高達(dá)10%的其它二酰氯取代芳族聚酰胺的二酰氯的共聚物混合。
用于制造本發(fā)明漿粕的短纖維一般長為3-13mm(1/8～1/2英寸)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，纖維長度小于3mm不能被提純，因而不能得到具有所需質(zhì)量的漿粕。極端地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，超過13mm的短纖維在加工中纏結(jié)而不能得到后續(xù)使用中，能被允分的分裂和開松的漿粕。對于本發(fā)明，選擇的短纖維在5～13mm之間，在此范圍內(nèi)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在漿粕中的單根纖維能被最完全地開松。
纖維的直徑用線性密度術(shù)語旦尼爾或分特來表示，在本發(fā)明中，適宜使用的短纖維的旦尼爾大約為0.8～2.5，或者較高一些。
一般地，本發(fā)明的漿粕能從使用所謂的氣流紡工藝紡制的纖維來制備，也可能使用其它裝置來制備該種纖維，只要纖維是足夠韌，但在精煉的力下，它們能通過且不斷裂。例如，在U.S專利3，819，587中就公開了濕紡芳族聚酰胺。這種纖維的優(yōu)點(diǎn)是有高取向和結(jié)晶度，并且能被初紡。從各向同性紡絲液中濕紡的纖維，并且任意地拉伸以發(fā)展取向度和結(jié)晶度。這在美國專利3，673，143中已有。在US-3，767，756中指出了氣流紡。在US-3，094，511中指出了連續(xù)拉伸以發(fā)展取向和結(jié)晶度的干法紡，對于制備本發(fā)明供給纖維而言，其是另一種有用的方法。
按照本發(fā)明的進(jìn)一步方法，將芳族聚酰胺纖維紡成連續(xù)紗線，并切成所需的長度，已知作短纖維的切割纖維有比表面積大約為0.2m2/g，密度(以質(zhì)量表示)為0.2～0.3g/cc。通過橫切和豎切粉碎短纖維來從短纖維中制備漿粕，較好的是，使用在造紙工業(yè)中用的漿粕精制方法來制備芳族聚酰胺漿粕，例如使用碟式精制裝置。漿粕纖維的長度為0.8～8mm(1/32～5/16英寸)，這取決于精制度和漿粕。與主要部分纖維(直徑為12μ)相比，原纖化纖維的直徑小于0.1μ。
通過將漿粕置于湍動空氣碾磨機(jī)中來開松，該磨有多級放射型處理研磨區(qū)，包括厚的刀片，其實(shí)際上將厚的纖維分?jǐn)R在平的表面空間中，并且環(huán)繞在具有升高脊的有套定子周圍。脊和刀片的平表面的間距為1.0-4.0mm。
由Jackering GmbH和CO，KG西德出售的超聲旋轉(zhuǎn)磨(ModelⅢ)適用于本發(fā)明的具體實(shí)踐中，這種磨含有一組安裝在轉(zhuǎn)子上的研磨部件(即刀片)，其環(huán)繞在單個(gè)循環(huán)定子周圍，該定子具有所有磨部件共有的長高壁，磨的引力速度使研磨器的底部部件分離。另外，三個(gè)空氣出口等距離地分布在旋轉(zhuǎn)表面的底部，一個(gè)進(jìn)口安置在旋轉(zhuǎn)器的頂部。關(guān)于此類磨的進(jìn)一步描述參閱美國專利，4，747，550，頒布日1988，5，31。
可以相信，用湍動空氣的力來開松通過湍動空氣研磨器供給的漿粕，該力是刀片和研磨器本身的撞擊產(chǎn)生的，參見US-3.610.542。
可以認(rèn)為本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)部件和一個(gè)部件來制備本發(fā)明專利的漿粕，事實(shí)上，通過湍動空氣研磨器來開松漿粕纖維，在這種方法中，當(dāng)壓到一起時(shí)，單根漿粕纖維不再會引起它們彼此之間的纏結(jié)。盡管對于這種效果的原因尚未完全弄清，但通過湍流空氣研磨器的作用開松的漿粕纖維比不用此方法開松的漿粕纖維更容易地分散。
重要的是開松時(shí)漿粕纖維未被顯著地地原纖化。本發(fā)明的開松后漿粕的比表面實(shí)際上與未開松的漿粕起始構(gòu)料的比表面積相同。為了比較，芳族聚酰胺短纖維的比表面積大約是0.2m2/g，通過精制芳族聚酰胺短纖維制備的微原纖化漿粕的比表面積一般大于5，經(jīng)常是10m2/g，在本發(fā)明的開松條件下，相同漿粕的比表面積一般大于5，經(jīng)常是10m2/g。
本發(fā)明的漿粕能以一些方法進(jìn)行處理以獲得特殊的效果，例如，使用聚合物料制備起始纖維可以包括添加劑，如著色劑，紫外光吸收劑，表面活性劑，潤滑劑等等。這些添加劑存在于聚合物料中，并同時(shí)紡絲，在本發(fā)明的漿粕中也包括這些添加物料。另外，在開始或開松之后，普通纖維，短纖維，能通過涂敷或其它處理來進(jìn)行表面處理，例如電暈放電處理或火焰暴露處理。當(dāng)然，必須小心施用以避免一些處理帶來不利影響，如在開松后，漿粕中纖維與纖維的纏結(jié)或漿粕的分散。
按照進(jìn)行的一般原則，在本發(fā)明之前，通過精制短纖維來制備漿粕，當(dāng)使用漿粕時(shí)，必須結(jié)合進(jìn)液體，以便其能被分散和混合以形成分散體，這里有幾個(gè)同生產(chǎn)有關(guān)問題，第一，分散體不完全或不如所希望的均勻，第二，漿粕不致密和海運(yùn)使其還原，增稠，成卷實(shí)際上增加了同分散有關(guān)的問題。作為降低了的分散性的結(jié)果是，漿粕纖維更困難地并且較慢地被任何液體分散介質(zhì)所濕潤。在使用之前，有時(shí)需要漿粕已被“開松”;但是使用后開松工藝(使用迅速旋轉(zhuǎn)混合器刀片或設(shè)備)不能完全地開松，并且這種不完全開松對于運(yùn)輸來說不能通過所需的致密工藝來得到保護(hù)。
本發(fā)明的致密漿粕產(chǎn)生了幾乎完全和全部均勻的分散體;從漿粕制得的分散體是致密的，密度超過0.5g/CC(30磅/英尺3)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明開松的一個(gè)積極效果是漿粕是致密的，密度最高為0.08g/CC(5磅/英尺3)，換句話說，在海運(yùn)漿粕中，需要的漿粕能盡可能地致密，而不影響產(chǎn)品的分散性。例如，本發(fā)明的漿粕能被致密成0.5g/CC(30磅/英尺3)并且表現(xiàn)出本發(fā)明優(yōu)秀的分散特性。
將漿粕通過分散進(jìn)入聚合物母體中，在母體中有或沒有另外的物料。如果漿粕完全地分散和均勻地貫穿于物品，選擇的漿粕就能滿足增強(qiáng)物品和最佳化增強(qiáng)作用的目的。對于液體系統(tǒng)而言，本發(fā)明的漿粕也能使用作為觸變劑和增稠劑。本發(fā)明的漿粕制成的物品，有著改善的完全和均勻分散質(zhì)量。
通過分散性試驗(yàn)裝置來評估本發(fā)明的漿粕，對于這種評估的試驗(yàn)方法將在下面闡述。
密度對于本發(fā)明的目的，開松漿粕致密團(tuán)的密度是重要的，密度的測定用已知體積的漿粕團(tuán)的重量來進(jìn)行。
分散率“棉結(jié)”是纏結(jié)的纖維團(tuán)。完全分散的纖維團(tuán)沒有棉結(jié)，棉結(jié)數(shù)增加，分散率下降。棉結(jié)可有多種尺寸大小，對于本發(fā)明的纖維來說，通過棉結(jié)試驗(yàn)來測定分散度。
被試驗(yàn)的纖維是漿粕，其所用本發(fā)明的方法開松或進(jìn)行分散性試驗(yàn)以與本發(fā)明的漿粕比較。在試驗(yàn)之前，試驗(yàn)的漿粕纖維是致密的。
以一種控制方式，通過將已知重量的漿粕放入園形金屬筒來進(jìn)行致密，筒是細(xì)長的，內(nèi)徑大于1英寸(2.54cm)，深是8 7/8 英寸(22.5cm)。用一個(gè)直徑1英寸(2.54cm)，重2.45磅(1112g)的活塞從筒里面塞住。在填1.5克的漿粕進(jìn)入筒后，活塞落下往復(fù)20次，在第二十次落下后，使在漿粕上的活塞仃止，讀出致密的體積(從活塞部分到筒的頂端)并且計(jì)算出體積密度，然后從筒中取出致密物料，以供進(jìn)行分散性試驗(yàn)用。
為了進(jìn)行試鹼，將24.75g的甘油注入一個(gè)50ml的燒杯中，并加入0.25g的上述致密纖維，用5mm直徑的玻璃棒(手動)在2分鐘內(nèi)將漿粕纖維混入甘油中，循環(huán)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為120沖程/分鐘攪拌中纖維與燒杯側(cè)壁磨擦。
在混合時(shí)間的最后，將一半的分散體注入半透明板的中心，第二塊半透明板放在承受壓力的第一塊上面，以使分散體擴(kuò)散進(jìn)入直徑15厘米(6英寸)的園形物中，第二塊半透明板包括一個(gè)半透明的格柵，該格柵在中心具有四塊1英寸(2.54cm)的矩形格。在每個(gè)格中，棉結(jié)被計(jì)數(shù)和分類，以下列方式，將大小歸于系數(shù)對于3.2～5.1mm(大)棉結(jié)，為3，對于1.6～3.2mm(中)棉結(jié)，為2，對于小于1.6mm(小)棉結(jié)，為1，用另一半分散體重復(fù)進(jìn)行整個(gè)過程，以對系統(tǒng)提供一個(gè)成對的數(shù)據(jù)，當(dāng)物料呈現(xiàn)出棉結(jié)大于5.1mm時(shí)，可以認(rèn)為該物料不能被接受，并且難以分散，試驗(yàn)失敗。
按照這些尺寸和公式(棉結(jié)數(shù)X分級數(shù))并除以2，通過計(jì)算棉結(jié)的重量來計(jì)算“棉結(jié)數(shù)”;
棉結(jié)數(shù)＝(大×3)+(中×2)+(小×1)/2低的棉結(jié)數(shù)表明好的分散性，本發(fā)明的漿粕的棉結(jié)數(shù)一般小于100，通常小于50。
在下列例子中，通過精制1.5旦尼爾，1.25cm長的芳族聚酰胺短纖維來制備芳族聚酰胺漿粕，然后根據(jù)本發(fā)明來開松，致密以進(jìn)行分散性試驗(yàn)。三個(gè)未開松的漿粕商業(yè)上可從E.I.duPont de Nemours &.co出售的商品名“kevlar”購得，一個(gè)未開松的漿粕可從
.V，出售的，商品名“Twaron”購得，漿粕的性能如下表Ⅰ物料編號長(mm) 平均長(mm)＊kevlarR“302” A 0-5 1.78“305” B 0-7 3.13“371” C 0-2.75 1.03TwaronRD 0-3.50 1.48＊使用纖維長度分析儀，(FS-100，kajaani，Inc，Norcross，GA.USA)測定第二階段平均的平均長度。
實(shí)例1對上面提及的每一種漿粕物料，在經(jīng)受了攪拌處理，包括本發(fā)明的湍流空氣碾磨器和現(xiàn)有技術(shù)的對應(yīng)處理后，試驗(yàn)其分散性。現(xiàn)有技術(shù)的攪拌處理包括接受實(shí)驗(yàn)混合器的處理，例如Waring Blendor;和在已知的Eirich Mirer混合器中研磨。Eirich混合器是一種強(qiáng)功率混合器，其有密閉，反轉(zhuǎn)的高速刀片，容器有一壁刮條，其以高速碰撞單獨(dú)粒子。Eirich混合器有Eirich Machines，Inc，NY.NY，USA出售。為了比較，每一種漿粕都以“收到的”(原樣)，進(jìn)行試驗(yàn)，不經(jīng)任何攪拌力的作用。
作為本發(fā)明的實(shí)施例，漿粕承受了二次不同的湍動空氣碾磨處理，一次是在已知的Turbomill上進(jìn)行，進(jìn)一步描述見US-3.610.542，由Matsuzaka Co，Ltd，TOKYO出售。另一次是在超聲磨ModelⅢ中進(jìn)行，由Jackering GmbH&CO，KG，西德出售。
使用每一個(gè)攪拌式或開松裝置來試驗(yàn)每一個(gè)芳族聚酰胺樣品Ⅰ.對于試驗(yàn)“收到的”(原樣)漿粕，不進(jìn)行開松處理，漿粕用手抖開，并放入壓實(shí)腔中。
Ⅱ.對于混合器，將2-5g的漿粕放入1L的Waring Blendor jar中，并且在全速下攪拌2個(gè)1分鐘。
Ⅲ).對于Eirich混合器，將約200g的漿粕放入容器中，斧式刀片以3225rpm轉(zhuǎn)動，容器正向以71rpm轉(zhuǎn)動二個(gè)二分鐘。
Ⅳ).對于Turbomill，漿粕通過一個(gè)運(yùn)行的磨供入，該磨速度為4000rpm，刀片速度為52.4米/秒，間隙大約為3mm。在磨上所有容器關(guān)閉后，漿粕以單個(gè)通過方式完成開松處理。
Ⅴ).對于超聲磨，漿粕通過一個(gè)運(yùn)行的磨供入，磨速為2150rpm，刀片速度為81米/秒，間隙大約為3mm。在磨上所有容器關(guān)閉后，漿粕以單個(gè)通過方式完成升松處理。
得到的產(chǎn)品是致密的，這如在上面的分散性試驗(yàn)方法中所描述的。在樣品和樣品間，得到的漿粕密度變化緩慢，在0.10～0.13g/cc(6.5～8.3磅/英尺3)之間。按照前述方法對致密芳聚酰胺樣品進(jìn)行分散性試驗(yàn)，得到結(jié)果如下表所示
表Ⅱ樣品處理棉結(jié)數(shù)密度(＃/ft3)A “收到的”(原樣) 178 9.17A Eirich 153A Ultra Rotor 39 7.24A Turbomill 23B “收到的”(原樣) 273 8.73B Eirich 192B 超聲磨 55C “收到的”(原樣) 372 8.09C Eirich 442 8.60C Blendor 171 8.60C Turbomill 3 6.71C 超聲磨 4D “收到的”(原樣) 20＊8.35D Eirich 18＊ 8.09D Blendor 18＊D Turbomill 3 7.97＊在每次試驗(yàn)中，數(shù)種棉結(jié)的尺寸在0.5-1.7cm之間，盡管這樣樣品是不合格的。
僅僅一種例外，對于用湍流空氣碾磨機(jī)開松的漿粕，棉結(jié)數(shù)小于50;對于沒用湍流空氣碾磨機(jī)開松的漿粕，棉結(jié)數(shù)大于150;可以注意到，對于物料B，用超聲磨處理，棉結(jié)數(shù)大于50;但小于按照本發(fā)明未處理漿粕的棉結(jié)數(shù)。應(yīng)該認(rèn)為，對于物料B來講略高的棉結(jié)數(shù)是由于材料纖維的長度稍大所致。
例二為了試驗(yàn)本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)的極端情況，進(jìn)行特別的試驗(yàn)，在此，芳族聚酰胺漿粕被致密成異常高的密度;試驗(yàn)致密了的漿粕的分散性。物料的樣品指定為“A”，如上所述，以“收到的”形式，Blendor開松和用超聲波處理，使用相同量物料和如前所述的相同活塞，旋轉(zhuǎn)筒進(jìn)行致密，不同的是通過壓迫活塞進(jìn)入筒來進(jìn)行致密時(shí)用In stron機(jī)器，施加于活塞壓力大約是1000磅。
由于密度相當(dāng)高，在分散性試驗(yàn)中分散力也隨之增加，為了進(jìn)行分散性試驗(yàn)，二克的每種致密漿粕樣品被放入到198g甘油中，并且在Waring Blendor中混合二個(gè)30秒，結(jié)果列在下述表Ⅲ中，表Ⅲ樣品處理棉結(jié)數(shù)密度(＃/英尺3)A “收到的” ＊ 32.7A Blendor ＊ 33.1A 超聲磨 18 33.1＊在試驗(yàn)格中，存在大量的棉結(jié)(主要尺寸在1.2至超過2.5cm)，棉結(jié)數(shù)不能確定。
權(quán)利要求
1.一種制備致密可再分散的芳族聚酰胺漿粕的方法包括下列步驟(a)將芳族聚酰胺漿粕纖維放在湍動空氣碾磨機(jī)中以開松漿粕；和(b)致密開松的纖維，使密度大于0.08g/cm3。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，致密開松纖維，使密度在0.08-0.5g/cm3。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中，漿粕纖維的長度為0.8-8毫米。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中，漿粕纖維的比表面積為5-10m2/g。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中，湍動空氣碾磨機(jī)有多級放射型處理研磨區(qū)，包括實(shí)際上具有平表面的刀片，其將厚纖維分開，并且環(huán)繞在具有升高脊的有套定子周圍，背和刀片的平表面的間距為1.0-4.0mm。
6.用于制備致密可再分散芳族聚酰胺漿粕的方法，包括下列步驟。a)從連續(xù)的芳族聚酰胺纖維中切割出芳族聚酰胺短纖維。b)精制短纖維以得到漿粕纖維。c)通過用湍動空氣碾磨機(jī)來開松漿粕纖維;d)致密開松的纖維使其密度大于0.08g/cm3。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中致密的開松纖維密度為0.08-0.5g/cm3。
8.如權(quán)利要求6的方法，其中漿粕纖維長度為0.8-8mm。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中漿粕纖維的比表面為5-10m2/g。
10.如權(quán)利要求6的方法，其中湍動空氣碾磨機(jī)有多級放射型處理碾磨區(qū)，包括實(shí)際上具有平表面的刀片，其將厚纖維分開，并且環(huán)繞在具有開高脊的有套定子周圍，背和刀片的平表面之間距為1.0-4.0mm。
11.一種開松芳族聚酰胺纖維的致密可再分散芳族聚酰胺纖維漿粕，其長度為0.8-8mm，比表面積5-10m2/g。旦尼爾為0.8-2.5;致密漿粕密度為0.08-0.5g/cm3。
12.如權(quán)利要求11的致密可再分散芳族聚酰胺漿粕，其中漿粕的棉結(jié)數(shù)小于100。
13.如權(quán)利要求11的致密可再分散芳族聚酰胺漿粕，其中漿粕的棉結(jié)數(shù)小于50。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種制備致密的、可再分散的芳族聚酰胺纖維產(chǎn)品的方法，其中芳族聚酰胺使用湍動空氣碾磨機(jī)開松，然后開松漿粕被致密至適宜于海運(yùn)的程度。
文檔編號D04H1/72GK1057470SQ91101779
公開日1992年1月1日 申請日期1991年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月28日
發(fā)明者迪納·瑪麗·海恩斯, 托馬斯·富蘭克林·舒勒 申請人:納幕爾杜邦公司