專利名稱：通過高速紡絲制備高抗拉強度聚酰胺單纖維的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及以高紡絲速度制造諸如尼龍6，6的高抗拉強度聚酰胺單纖維的方法和裝置。本發(fā)明還涉及用這種單纖維形成的紗及其他制品。
現(xiàn)有技術(shù)諸如聚酰胺的許多合成聚合物單纖維都是是熔紡的，即它們由熱的聚合物熔體擠出。熔紡的聚合物單纖維通過從具有許多毛細管的噴絲板擠出熔融聚合物來制備。單纖維離開噴絲板后在驟冷區(qū)中冷卻。熔融聚合物的驟冷及隨后固化的細節(jié)對紡出的單纖維質(zhì)量有顯著影響。
驟冷方法包括橫流驟冷、徑向驟冷和氣流驟冷。橫流驟冷常用于制造高強度聚酰胺纖維，并涉及從新擠出的單纖維陣列一側(cè)橫向吹掃冷卻氣體。在橫流驟冷中，氣流通常指向與新擠出單纖維的移動方向垂直的方向。
在徑向驟冷中，冷卻氣體從圍繞新擠出的單纖維陣列的驟冷屏系統(tǒng)向內(nèi)吹。這種冷卻氣體一般通過跨過單纖維并排出驟冷裝置而離開驟冷系統(tǒng)。
橫流驟冷和徑向驟冷對于高強度應用都局限于以約2800-3000米/分鐘的較低速度制造纖維。較高的制造速度增加了拉伸階段單纖維的斷裂數(shù)量。斷裂的單纖維中斷了工序的連續(xù)性，并降低了生產(chǎn)率。
在20世紀80年代，Vassilatos和Sze在聚合物單纖維，特別是聚酯單纖維的高速紡絲上作出了顯著的改進。這些改進公開在US4687610、4691003和5034182中。
這些專利公開了氣體管理技術(shù)，從而使氣體圍繞新擠出的單纖維，以控制氣體的溫度和衰減曲線。這些類型的驟冷系統(tǒng)和方法稱為氣流驟冷或氣流紡絲系統(tǒng)。其他氣流驟冷方法包括US 5976431和US5824248中描述的方法。
氣流驟冷紡絲工藝提供了降低紡絲期間單纖維的張力，并隨后降低紗線張力的優(yōu)點。通常這種降低了的紗線張力通過提高紡絲速度，并降低單纖維斷裂而提供了更好的生產(chǎn)率，和更好的繞制紗線的可加工性優(yōu)點。氣流驟冷通常涉及提供給定體積的冷卻氣體，以冷卻聚合物單纖維。任何氣體都可用作冷卻介質(zhì)。冷卻氣體優(yōu)選的是空氣，因為空氣很容易獲得。如果需要，也可使用例如蒸汽或諸如氮氣的惰性氣體的其他氣體，因為聚合物單纖維的性質(zhì)很敏感，特別是當單纖維很熱和新擠出時。
在氣流紡絲中，冷卻氣體和單纖維基本上以相同方向平行穿過風道，其中速度通過滾筒組件裝置的速度控制。張力和溫度由氣體流量、風道直徑或截面積(控制氣體速度)和風道長度控制。氣體可沿風道在一個或多個位置引入。氣流紡絲使紡絲速度超過5000米/分鐘。
強度是工業(yè)纖維的關(guān)鍵纖維性能。強度通過分段拉伸驟冷的纖維獲得。這種分段拉伸在目前工業(yè)上提供的低速橫流下工作得很好。公知的橫流驟冷和紡絲拉伸聯(lián)用的裝置的實例如

圖1所示。在該裝置中，熔融聚酰胺在10引入紡絲組件20。聚合物作為未拉伸的單纖維30從該紡絲組件擠出，該組件有許多小孔，以提供要求的截面。單纖維離開紡絲組件的毛細管后，通過圖1中所示橫流冷卻空氣在40冷卻纖維而使單纖維驟冷。這些單纖維利用常規(guī)的整理潤滑劑在50會聚成紗線60，并通過喂料輥組件70向前輸送。然后將紗線喂入第一拉伸輥對80，接著喂入第二拉伸輥對100。可利用熱管90或輔助拉伸進行第二階段的拉伸處理。紗線在拉出器輥110和120處松弛。輥110也稱為松弛輥；它可以低于拉伸輥組件100的速度運動，以控制紗線收縮。輥120也稱為放長輥，以松弛紗線張力，使紗線以低于紗線在拉伸中所承受的張力卷繞。導紗器130將紗線平放在紗線卷裝140上并卷攏。
一種公知的熔體擠出和聯(lián)用的采用橫流驟冷系統(tǒng)的多級拉伸組件示于圖2。圖2的組件與圖1的組件類似，但不包括圖1所示的熱管，因為熱管會損壞纖維。在圖2中，拉伸通過輥而不是熱管完成。在該裝置中，熔融的聚酰胺在200被引入紡絲組件210。該聚合物作為未拉伸的單纖維220從該紡絲組件擠出，該組件設計了許多小孔，以提供要求的截面。單纖維離開紡絲組件的毛細管后，通過圖2中所示230處的橫流冷卻空氣冷卻纖維以使單纖維驟冷。這些單纖維利用常規(guī)的整理潤滑劑在240會聚成250處所示的紗線束，并通過喂料輥組件260向前輸送。然后將紗線喂入第一級拉伸輥組270，接著喂入第二拉伸輥組275。可用任選的第三拉伸輥組件280進一步拉伸纖維。紗線在松弛輥285松弛。導紗器290將紗線平放在通過絡紗機卡盤旋轉(zhuǎn)的紗線卷裝295上并卷攏。
通過采用橫流驟冷，不可能在圖1和圖2的橫流驟冷系統(tǒng)中實現(xiàn)較高的紡絲速度，以提高生產(chǎn)率。用橫流明顯降低了紗線的拉伸能力，降低了最終的紗線強度。此外，使所制造的聚酰胺紗線至少具有與以較低速度獲得的紗線一樣好的性能是很重要的。特別理想的是使所制造的紗線保持要求的強度、斷裂伸長率和均勻性。因此，本領(lǐng)域中需要提供方法和裝置，以在高速紡絲的同時保持這些性能。
采用高紡絲速度的困難在彩色或消光的尼龍紗線中特別明顯。這種紗線由含有顏料的尼龍聚合物擠出，這些顏料提供了各種各樣的調(diào)色板。尼龍紗線聚合物通常通過加入二氧化鈦或硫化鋅消光。一般情況下，消光的和/或染色的尼龍會產(chǎn)生熔融擠出問題，部分是由于熔流特性、微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展和熱損耗性能與未染色的或未消光的尼龍的差別。使用消光的或染色的聚合物時存在單纖維斷裂水平增加是一個長期存在的問題。公知的是試圖提高擠出速度加重了單纖維斷裂問題。因此特別理想的是提供一種高速紡絲方法，該方法在制造著色的聚酰胺紗線時不會使單纖維斷裂。
發(fā)明概述在本發(fā)明中，以約2500米/分鐘-約大于5000米/分鐘的紡絲速度(定義為最高速拉伸輥的表面速度)制備具有商業(yè)上理想的斷裂伸長率和收縮水平的高強度紗線。相反，通過采用傳統(tǒng)橫流驟冷的現(xiàn)有技術(shù)方法制備的紗線在紡絲速度提高時伴隨著強度和伸長率的降低。通過這些傳統(tǒng)方法制備的纖維的收縮也是不希望地高。要求這些性能間具有良好的平衡，以滿足諸如汽車氣囊、硫化固定的橡膠增強紗線(例如輪胎紗線)、防護服、軟箱包的應用中所用的工業(yè)聚酰胺纖維的要求。此外，伴隨著低斷裂伸長率和高收縮率的低強度通常意味著該工藝不健全且未達到商業(yè)級。
因此，提供提高的單纖維擠出速度，同時改進生產(chǎn)率和高強度尼龍紗線的紗線性能，以及含有顏料的高強度尼龍紗線也是本發(fā)明的目的。
本發(fā)明另一個目的是提供一種高速紡絲和拉伸聯(lián)用的方法，該方法得到的聚酰胺(任選是著色的)單纖維、紗線和制品具有所希望的特征，例如至少具有至少與在常規(guī)速度的橫流驟冷方法中制備的產(chǎn)品所獲得的性能相當?shù)男阅堋１景l(fā)明又一個目的是提供具有改進強度的紗線和制品。
根據(jù)這些目的，本發(fā)明提供了聚酰胺紗線的制備方法，包括通過紡絲組件擠出聚合物熔體，形成至少一根單纖維；使該單纖維穿過氣流驟冷腔，在此向單纖維提供驟冷氣體，以冷卻和固化單纖維，其中引導驟冷氣體的方向沿與單纖維相同的方向運動；使單纖維通過機械拉伸段并拉伸，從而拉長單纖維形成紗線。如果紗線是復絲，則至少一根單纖維包含許多單纖維，多股單纖維被會聚成復絲，且該紗線穿過機械拉伸段，在此被拉伸并伸長。如果該紗線是單絲紗，則至少一根單纖維在每根紗線中包含單股纖維。
本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點將在以下詳細描述中明確。
附圖簡述圖1是現(xiàn)有技術(shù)中采用熱管拉伸的單纖維驟冷和紡絲拉伸聯(lián)用的裝置的截面示意圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中用輥代替熱管進行拉伸的第二種單纖維驟冷和紡絲拉伸聯(lián)用的裝置的截面示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的氣流單纖維驟冷裝置的截面示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明不同實施方案的氣流單纖維驟冷和紡絲拉伸聯(lián)用的裝置的截面示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的氣流單纖維驟冷和紡絲拉伸聯(lián)用的裝置的截面示意圖。
圖6是本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)能獲得的最大拉伸比作為紡絲速度的函數(shù)的比較圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)紡成的單纖維測量的強度作為紡絲速度的函數(shù)的比較圖。
發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，提供了單絲和復絲聚酰胺紗的制造方法。單絲紗通常由每根紗線一根單纖維組成，而復絲紗由許多單絲組成。術(shù)語“單纖維”在這里是一種通稱用法，也包括現(xiàn)有技術(shù)中稱為短纖維的短的不連續(xù)纖維。通過熔紡、從沖?；驀娊z板毛細管擠出形成的聚酰胺單纖維最初以連續(xù)單纖維形式制備。這樣制備的單纖維具有由毛細管截面形狀確定的任何期望的截面形狀，可包括圓形、橢圓形、三葉形、多葉形、絲帶形和啞鈴形。
任何可熔紡的聚酰胺都可用于制備本發(fā)明的單纖維。該聚酰胺可以是均聚物、共聚物或三聚物，或聚合物的混合物。聚酰胺的實例包括聚六亞甲基己二酰胺(尼龍6，6)；聚己酰胺(尼龍6)；聚庚酰胺(尼龍7)；尼龍10；聚十二內(nèi)酰胺(尼龍12)；聚四亞甲基己二酰胺(尼龍4，6)；聚六亞甲基癸二酰胺均聚物(尼龍6，10)；正十二雙酸與六亞甲基二胺的聚酰胺均聚物(尼龍6，12)；和十二亞甲基二胺與正十二雙酸的聚酰胺(尼龍12，12)。用于本發(fā)明的聚酰胺的制備方法是本領(lǐng)域公知的，可包括使用催化劑、共催化劑和鏈支化劑形成聚合物，如本領(lǐng)域公知的那樣。優(yōu)選的是尼龍6、尼龍6，6或它們的結(jié)合的聚合物。最優(yōu)選的聚酰胺是尼龍6，6。
在本發(fā)明的方法中，聚合物熔體通過紡絲組件擠出，形成至少一根單纖維。紡絲組件可包括使用公知技術(shù)鉆出一個、兩個或多個孔(毛細管)以形成至少一根單纖維的噴絲板。在單絲實施方案中，由單根絲或單絲形成單絲紗，而在復絲實施方案中，由許多單絲形成復絲紗。
可采用的合適氣流紡絲方法和系統(tǒng)的實例公開在US 5824248和2000年4月12日提交的美國專利序列號09/547854中。也可以采用上述任何氣流方法。用于本發(fā)明的優(yōu)選氣流單纖維驟冷系統(tǒng)示意圖在圖3中示出。圖3的組件可用作圖4或圖5的驟冷腔。在圖3中，聚合物熔體300通過具有至少一個，優(yōu)選多個毛細管的單纖維紡絲組件305和噴絲板310擠出，以形成至少一根，優(yōu)選許多根單纖維315。該至少一根單纖維穿過作為氣流驟冷組件一部分的氣流驟冷腔320。氣流驟冷組件包括高度為A的加熱或未加熱的驟冷延時段；高度為B、直徑為D1的驟冷屏段345；高為C1、直徑為D2的驟冷連接管355；高為C2的連接圓錐325；和高為C3、直徑為D3的驟冷管330。在氣流腔中，驟冷氣體在340提供，以冷卻和固化單纖維。優(yōu)選的是單纖維以低于1500米/分鐘的速度通過驟冷腔。驟冷屏345圍繞驟冷腔中的單纖維，鄰近驟冷腔中的驟冷屏處可任選地設置一個多孔驟冷屏350。單纖維和驟冷氣體通過驟冷管330離開驟冷腔。新驟冷的紗線示為335。
對于給定的聚合條件、單纖維尺寸和通過量，噴絲板與連接圓錐之間的距離決定了沿單纖維方向氣體加速的位置，并提供了氣流驟冷效果。驟冷氣體沿與單纖維的方向相同的方向運動，如圖3中箭頭所示。驟冷氣體的速度根據(jù)單纖維的速度控制，使驟冷氣體在單纖維上的空氣動力學曳力最小。這些力通常在高速紡絲時的作用更明顯，使單纖維衰弱并使新紡出的單纖維不希望地過早取向。紡絲過程中驟冷部分單纖維的取向是不希望的，因為這種取向限制了所得單纖維最終的機械拉伸。氣流驟冷紡絲過程中單纖維經(jīng)受的空氣動力學曳力下降，降低了通過單纖維的雙折射測量的取向。
由本發(fā)明方法制備的單纖維形成聚酰胺紗線用圖4和5說明。如圖4所示，聚合物熔體400從紡絲組件410擠出，形成至少一根，優(yōu)選多根單纖維420。紡絲組件410包含過濾介質(zhì)和多毛細管噴絲板。通過將驟冷空氣440引入圖3所示類型的氣流驟冷腔430中，使新擠出的單纖維420在驟冷腔430中驟冷。驟冷屏435在圖4中環(huán)繞單纖維。
在復絲紗實施方案中，本發(fā)明的方法還包括將已固化的單纖維會聚成復絲紗的步驟。離開驟冷腔430的單纖維420通過位于單纖維給油輥450下游的豬尾形導紗鉤455會聚成紗線460。給油輥450用于提供油或本領(lǐng)域公知的其他類型整理劑。
本發(fā)明的方法還包括使單纖維，或在復絲紗實施方案的情況下使紗線通過機械拉伸段拉伸，從而伸長單纖維或紗線的步驟。單纖維在至少一個，通常是多個拉伸段中拉伸。該步驟在圖4的實施方案中通過第一拉伸輥對470和第二拉伸輥對480實現(xiàn)。喂料輥組件465將已處理的紗線460送至被加熱并以高于喂料輥465的速度運行的第一拉伸輥對470，使紗線在輥465與470之間的孔隙處被拉伸。以高于輥470的表面速度運行的第二熱拉伸輥對480經(jīng)熱拉伸針組件或熱管475進一步拉伸紗線，如US 4880961所公開的。優(yōu)選的是單纖維或紗線以大于約2600米/分鐘的速度，甚至更優(yōu)選以大于約4500米/分鐘的速度通過最后的拉伸段。以輥表面速度的比值(最高速輥/最低速輥)定義的拉伸比提供實現(xiàn)高紗線韌度或強度所需要的聚合物鏈定位(取向)。優(yōu)選的是單纖維或紗線以約3至約6的拉伸比拉伸。來自熱輥表面470、480和拉伸針組件475的熱量穩(wěn)定了復絲紗已拉伸(已取向)的結(jié)構(gòu)。紗線在拉伸輥480與輥482和485之間松弛，以控制最終的紗線收縮率。
本發(fā)明的方法可進一步包括將單纖維或紗線卷繞成卷裝的步驟。在圖4的實施方案中，具有期望的強度、收縮率和其他性能的全拉伸紗被卷繞到通過絡紗機(圖4未示出)的卡盤旋轉(zhuǎn)的卷裝495上。導紗器490用于控制紗線路徑。盡管未示出，但一旦發(fā)生絲條斷裂時，在該位置常用斷絲條檢測器來阻止絡紗器。任選斷絲條檢測器安裝在輥482與485之間，以指示不希望有的單纖維斷裂程度的存在。如果需要，可在卷繞前進一步涂覆第二整理油。
根據(jù)本發(fā)明，拉伸可包括在兩個或多個階段中拉伸單纖維。該實施方案用圖5說明。如圖5所示，聚合物熔體500通過紡絲組件510擠出，形成至少一根，優(yōu)選許多單纖維515。紡絲組件510包含過濾介質(zhì)和多毛細管噴絲板。新擠出的單纖維515通過例如圖3所示的氣流驟冷腔520。通過將驟冷空氣525引入圖3所示類型的氣流驟冷腔520中，使新擠出的單纖維515在驟冷腔520中驟冷。離開驟冷腔520的單纖維515通過位于給油輥530下游的導紗器535會聚成復絲紗。給油輥530用于給復絲紗涂覆公知類型的單纖維整理油。喂料輥組件540將已處理的復絲紗送至被加熱并以高于喂料輥540的速度運行的第一拉伸輥對545，使該復絲紗在輥540與545之間的空間中被拉伸。以高于輥545的表面速度運行的第二熱拉伸輥對550進一步拉伸紗線，以便在紗線結(jié)構(gòu)經(jīng)過拉伸輥熱表面穩(wěn)定后，充分取向聚合物分子并賦予紗線強度。任選的第三拉伸輥對555可進一步拉伸該復絲紗，以進一步提高強度。該紗線在拉伸輥555與輥560之間的空間松弛，以控制最終的紗線收縮率。往往在輥555與560之間安裝斷絲檢測器，用于確定產(chǎn)品質(zhì)量。具有期望的強度、收縮率和其他性能的全拉伸紗被卷繞到卷裝570上。導紗器565用于控制紗線路徑。盡管未示出，但一旦發(fā)生絲條斷裂時，在該位置常用斷絲條檢測器來阻止絡紗器。如果需要，可在卷繞前進一步涂覆第二整理油。
在單絲實施方案中，沒有將上述單纖維會聚成復絲紗的步驟。而是單絲形式的單纖維直接通過聯(lián)用的機械拉伸段，如圖4或圖5所示。結(jié)果使單絲拉伸，從而伸長并取向。然后將單絲卷繞成卷裝，如圖4或圖5所示。
根據(jù)本發(fā)明制造的單纖維可以例如大于2000米/分鐘，優(yōu)選大于約3000米/分鐘，更優(yōu)選大于約4000米/分鐘，最優(yōu)選大于約5000米/分鐘，最高至約10000米/分鐘的速度紡絲。在本說明書中，紡絲速度定義為紗線在卷繞前接觸的運動最快的拉伸輥的表面速度。在約2660-約5000米/分鐘的紡絲速度下，驟冷腔出口處冷卻氣體的速度與牽引單纖維的第一輥的速度之比為約0.6-約2.0。該牽引單纖維的第一輥是喂料輥，即圖4中的輥組465或圖5中的輥組540。優(yōu)選的是以低于紡絲速度0.1％-約7％的卷繞速度來完成卷繞紗線。
在本發(fā)明中，以高紡絲速度制備具有商業(yè)上理想的斷裂伸長率和收縮率水平的高強度紗線。相反，通過采用傳統(tǒng)橫流驟冷的現(xiàn)有技術(shù)的方法制備的紗線在紡絲速度提高時伴隨著強度和伸長率的損失。通過這些傳統(tǒng)方法制備的纖維的收縮率也不希望地高。這一點在圖6中說明，圖6表明現(xiàn)有技術(shù)的方法可實現(xiàn)的最大拉伸比逐漸下降。這是由于大量單纖維斷裂，這樣就使該方法難以控制。這也導致強度逐步降低，如圖7所示。紗線強度是其被高度拉伸的產(chǎn)物。結(jié)果使現(xiàn)有技術(shù)中實現(xiàn)的最大強度下降并在低紡絲速度(約4000米/分鐘)下變得難以控制。圖7表示通過用本發(fā)明的驟冷裝置以5500米/分鐘紡絲獲得約10.8克/旦的紗線，而用現(xiàn)有技術(shù)的驟冷裝置只有在3000米/分鐘下才能獲得相同的約10.8克/旦的紗線。該實例中本發(fā)明方法的生產(chǎn)量是現(xiàn)有技術(shù)的(5500/3000)＝1.8倍。圖6和7的數(shù)據(jù)使用圖1所示但沒有熱管90的現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生。代之以紗線從輥80不經(jīng)過物理上不存在的90到達100。剩余的紗線路徑與圖1相同。
因此，在約2600米/分鐘-超過5000米/分鐘的紡絲速度范圍內(nèi)，本發(fā)明的全拉伸紗可具有至少5克/旦(4.5厘牛頓/分特(decitex))，優(yōu)選大于約5.7克/旦(5.0厘牛頓/分特)，更優(yōu)選大于約7.9克/旦(7.0厘牛頓/分特)，更優(yōu)選大于約11.3克/旦(10厘牛頓/分特)的強度。
此外，本發(fā)明的紗線具有理想的性能平衡，例如斷裂伸長率(15-22％)和熱空氣收縮率(小于10％，優(yōu)選小于6％)。本發(fā)明的紗線還具有小于3.7％的纖度散布(denier spread)。相反，通過采用傳統(tǒng)橫流驟冷的現(xiàn)有技術(shù)方法制造的紗線在尋求提高紡絲速度時將伴隨著強度和伸長率的損失。通過這些傳統(tǒng)方法制造的纖維的收縮率也不希望地高。要求這些性能間具有良好的平衡，以滿足諸如汽車氣囊、硫化固定的橡膠增強紗線(例如輪胎紗線)、防護服、軟箱包的應用中所用的工業(yè)聚酰胺纖維的要求。此外，伴隨著低斷裂伸長率和高收縮率的低強度通常意味著該工藝不健全且未達到商業(yè)級。
此外，本發(fā)明的單纖維可具有任何期望的每絲分特數(shù)(分特/絲)，例如0.1-約20分特/絲。用于諸如氣囊和縫紉線的工業(yè)應用的單纖維一般在約2.5-約9分特/絲。對于服裝用途，分特/絲范圍一般在0.1-4，而對于其他應用(例如地毯)，則常用較高的分特/絲，例如約5-約18。
在任何機械拉伸前，本發(fā)明的單纖維具有0.002-0.012的雙折射。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的是，單纖維雙折射指單纖維中聚合物鏈的相對取向程度。在本發(fā)明的氣流驟冷裝置的喂料輥組件處實現(xiàn)的這種雙折射范圍表明了比用現(xiàn)有技術(shù)的橫流驟冷裝置所實現(xiàn)的更低的分子取向。這種在喂料輥組件處的低取向允許采用高得多的拉伸比，而不會遇到過多的斷裂單纖維。
本發(fā)明的單纖維優(yōu)選的是制成復絲紗、織物、短纖維、模壓織物制品、連續(xù)單纖維束和連續(xù)單纖維紗的聚酰胺。包含本發(fā)明的單纖維的織物包括用于船帆和降落傘的工業(yè)織物、地毯、服裝、氣囊或含有至少部分聚酰胺的其他制品。當制造織物時，可采用任何公知的合適織物制造方法。例如織造、經(jīng)編、圓編、針織，以及將短纖維產(chǎn)品鋪放在無紡織物中都適于制備織物。
本發(fā)明的聚酰胺單纖維紗可單獨使用，或以任何期望的量，一般是后紡絲和拉伸，與諸如Spandex、聚酯的其他聚合物合成纖維，以及天然纖維如棉、絲、毛，或尼龍的其他典型的伴纖維混和使用。
根據(jù)本發(fā)明的方法制成的紗線可具有任何希望的單纖維支數(shù)和總分特數(shù)。用本發(fā)明的單纖維形成的紗線一般具有約10分特-約990分特，優(yōu)選約16分特-約460分特的總分特數(shù)。此外，本發(fā)明的紗線可進一步由許多具有不同每絲分特[分特/絲]范圍、截面和/或其他特征的不同單纖維形成。
本發(fā)明的方法所用的聚合物熔體和所得的單纖維、紗線和制品可包含常用的添加劑，它們可在聚合工藝期間加入或加入到形成的聚合物或制品中，可有助于改進聚合物或纖維的性能。這些添加劑的實例包括抗靜電劑、抗氧化劑、抗菌劑、阻燃劑、彩色顏料、光穩(wěn)定劑、聚合反應催化劑和助劑、粘合促進劑，諸如二氧化鈦、消光劑、有機磷酸鹽的消光顆粒，以及它們的結(jié)合。本發(fā)明的聚合物熔體中特別優(yōu)選的添加劑是諸如二氧化鈦或硫化鋅的消光顆粒和彩色顏料顆粒。優(yōu)選的是該聚合物熔體含有約0.01-約1.2％(重量)的彩色或消光顆粒。
可在紡絲和/或拉伸過程中用于纖維的其他添加劑包括抗靜電劑、增滑劑、粘合促進劑、抗氧化劑、抗菌劑、阻燃劑、潤滑劑和它們的結(jié)合。這種其他添加劑可如本領(lǐng)域公知的那樣在該工藝的不同步驟中加入。
本發(fā)明將通過以下非限定性實施例進一步說明。
測試方法用以下方法測量用于表征本發(fā)明單纖維的性能強度在Instron拉伸試驗機(ASTM D76)上測量，該試驗機上裝有兩個夾具，將紗線夾持在10英寸(25.4cm)的量規(guī)長度上。將每英寸試樣加3捻(1.2捻/cm)，然后用夾具以10英寸/分鐘(25.4cm/分鐘)的應變率牽拉紗線。用測力傳感器記錄數(shù)據(jù)，得到應力-應變曲線。強度是斷裂力除以紗線纖度，用克/旦或厘牛頓/分特(厘牛頓/分特＝克/旦×(100/102)×(9/10))表示。用百分數(shù)表達的斷裂伸長率是斷裂時試樣長度的變化除以其原始長度。Instron測量在21℃(±1℃)和65％相對濕度下進行。纖度是通過測量9000m長度的重量(克)獲得的試樣的線密度(分特是纖度乘以因子10/9)。強度和伸長率測量方法一般依據(jù)ASTM D2256。
紗線線密度(用旦或分特表達)的均勻性通過反復稱量特定長度的紗線，并比較代表性數(shù)量的試樣來確定。紗線的線密度通過本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的“切斷并稱重”方法測量。在該方法中，從紗線卷裝上切取特定長度(L)的紗線，例如30米紗線并稱重。紗線試樣的重量(W)用克表示。重量與長度之比(W/L)乘9000米紗線表示旦。作為選擇，用W/L乘10000米紗線表示分特。切斷和稱重過程一般重復8次。從單個紗線卷裝上進行8次測量的平均值稱為“沿端(alongend)”纖度均勻性。用澳地利的LENZING TECHNIK，GmbH&Co.KG提供的自動測試裝置ACW400/DVA進行該測量。ACW400/DVA儀器是根據(jù)切斷和稱重方法測量單纖維紗的旦/分特和均勻性的全自動測量系統(tǒng)。LENZING TECHNIK ACW400/DVA儀器包括提供自動測量被本領(lǐng)域稱為“纖度散布”的纖度變化的纖度變化配件(DVA)。這里的纖度散布測量都是根據(jù)LENZING TECHNIK針對ACW400的纖度變化配件模塊提供的方法進行的。
用根據(jù)ASTM D 789的標準方法測定甲酸溶液中的聚合物相對粘度(RV)、熔點和含濕量。
此處所用的ASTM測試方法D5104-96是單纖維收縮率(單纖維測試)的標準方法。
單根單纖維的雙折射用偏光顯微鏡和傾斜補償器技術(shù)測定。以下公式Eq.1定義了雙折射雙折射＝延遲(波長nm)/試樣厚度(nm)Eq.1纖維的厚度用Watson Image Sheering Eyepiece和顯微鏡測量。測量出的纖維圖像從一側(cè)向另一側(cè)轉(zhuǎn)向并校準得到厚度測量。延遲通過在纖維一端切45°楔來測量。干涉級數(shù)或延遲帶在它們從楔的最薄端向楔的最厚部分或纖維中心傳播時計數(shù)。該測量在采用插入光路中的1/4波片(546納米波長的1/4)的交叉偏振器中進行，纖維垂直于該1/4波片的延遲方向排列。因為對每個延遲帶計數(shù)，纖維中心顯示的帶部分必須用分析儀補償。該分析儀旋轉(zhuǎn)至中心帶補償和角度已被記錄為止。角度(小于180°)代表部分延遲帶(在546納米處)。將延遲帶和用分析儀測量的最后一個的部分的總數(shù)轉(zhuǎn)換成路徑差(nm)。
作為選擇，可用US 5141700(Sze)的第5欄23行開始至第6欄中詳細公開的Senarmont補償方法獲得相同的雙折射數(shù)據(jù)。從根本上說，雙折射法要求測量與雙折射的單纖維有關(guān)的偏振光的兩個波之間的路徑差。該路徑差除以單纖維直徑(微米)即是雙折射的定義。
實施例比較例A
將從DuPont，Canada商購的尼龍6，6聚合物薄片(38相對粘度)用基本不含氧氣的干燥氮氣進行固相聚合，以提高聚合物分子量。將該聚合物送至螺桿熔化器中擠出。然后將熔融聚合物引入單纖維紡絲組件，并在擠出到具有34個毛細管的紡絲板(或噴絲板)之前過濾。該噴絲板可形成34根單股單纖維。這些單纖維在采用圖1所示的橫流驟冷和紡絲拉伸聯(lián)用的裝置中用空氣驟冷。將該單纖維用傳統(tǒng)整理潤滑劑會聚成紗線，并通過輥表面速度為651米/分鐘、輥表面溫度50℃的喂料輥組件70輸送。然后將紗線喂入到輥表面溫度170℃、表面速度為喂料輥速度2.6倍的第一拉伸輥對80中。然后將紗線喂入輥表面溫度215℃的第二拉伸輥對100中，它提供了2800米/分鐘的總體速度，等于喂料輥速度4.3倍的拉伸比。在該比較例中不使用熱管90。將該34頭單纖維紗在速度差為7.1％的牽拉輥110和120上松弛，并以2587米/分鐘的速度卷繞成紗線卷裝140。所得110旦的紗線(34頭單纖維)具有8.8克/旦(7.8厘牛頓/分特)的強度、18％的斷裂伸長率和6.6％的熱空氣收縮率。測量的紗線相對粘度(RV)為70。
實施例1將與比較例A所用相同的尼龍6，6聚合物薄片熔融擠出，并在進入圖4所示紡絲組件400之前用與比較例A相同的方式處理。該聚合物通過噴絲板擠出形成34頭單纖維。將新擠出的單纖維在用圖3所示氣流驟冷裝置和圖4所示聯(lián)用的多級拉伸輥組件中用空氣中驟冷。不使用熱管475(圖4)。
參考圖3，驟冷屏345的直徑D1為4.0英寸(10.2cm)，驟冷屏長度B為6.5英寸(16.5cm)；驟冷延遲高度A為6.6英寸(16.8cm)；驟冷連接管355的高C1為5.0英寸(12.7cm)；驟冷連接管直徑D2為1.5英寸(3.8cm)；連接圓錐325高(C2)為4.8英寸(12.2cm)；管330高(C3)為15英寸(38cm)。
從Eq.2獲得的氣流速度與喂料輥465速度(圖4)之比為1.02英尺/分鐘(31cm/分鐘)。
比值＝(管C3出口的氣流速度)/(喂料輥465的表面速度)Eq.2其中管330(圖3)出口處的氣流速度等于測量的體積空氣流量除以管330的截面積或πD32/4。然后針對由于氣流驟冷單元中總體空氣溫度升高引起的空氣密度降低來校正該比值。
整理劑在450(圖4)處涂覆，并用位于給油輥450下游的豬尾形導紗鉤455將單纖維會聚成紗線。通過喂料輥組件465將紗線輸送到第一拉伸輥對470。喂料輥組件465具有1087米/分鐘的表面速度和50℃的表面溫度。第一拉伸輥對470的輥表面溫度為170℃。表面速度是喂料輥速度的3.2倍。
然后使單纖維越過本實施例未使用的熱管475送至第二拉伸輥對480。表面溫度212℃、表面速度5000米/分鐘的拉伸輥480提供4.6的總拉伸比?？偫毂韧ㄟ^拉伸輥480的表面速度除以喂料輥465的表面速度來計算。該34頭單纖維紗在485處以7.4％的速度差松弛，并以4600米/分鐘的速度卷繞。所得110旦的紗線具有9.1克/旦(8.0厘牛頓/分特)的強度、20.6％的斷裂伸長率和6.7％的熱空氣收縮率。測量的紗線RV為70。
實施例2使用圖4布置的紡絲機，處理比較例A所用的相同尼龍6，6聚合物薄片，熔融擠出并輸送到紡絲組件410，通過噴絲板擠出形成34頭單纖維。將新擠出的單纖維420在根據(jù)本發(fā)明采用圖3所示氣流驟冷裝置的空氣中驟冷。使用圖4所示的聯(lián)用多級拉伸輥和熱管475工藝。參考圖3，驟冷屏345的直徑為4.0英寸(10.2cm)，驟冷長度B為8.1英寸(20.6cm)；驟冷延遲高度A為6.6英寸(16.8cm)；驟冷連接管355高C1為5.0英寸(12.7cm)；連接管355的直徑D2為1.5英寸(3.8cm)；連接圓錐325高C2為4.8英寸(12.2cm)；驟冷管330的管高C3為15英寸(38cm)；氣流速度與喂料輥組件速度之比為1.05。在450處涂覆整理潤滑劑，在455處將單纖維會聚成紗線。通過喂料輥組件465將紗線460輸送到第一拉伸輥對470。喂料輥組件465的表面速度為1064米/分鐘，輥表面溫度為50℃。第一拉伸輥對470的輥表面溫度為常溫，輥表面速度是喂料輥速度的2.7倍。
然后使單纖維與熱管475接觸，該熱管與US 4880961中公開的熱管相同。紗線螺旋前進并與熱管摩擦接觸，并圍繞內(nèi)部加熱的熱管包裹一圈半。拉伸輔助單元熱管475的表面溫度為181℃。然后將紗線送至輥表面溫度215℃的第二拉伸輥對480?？偫毂葹槲沽陷?65表面速度的4.7倍，第二拉伸輥組件480的表面速度為5000米/分鐘。該34頭單纖維紗在松弛輥組件485處以7.0％的速度差松弛，并以4615米/分鐘的速度卷繞成紗線卷裝495。拉伸的110旦(122分特-34頭單纖維)的紗線具有9.8克/旦(8.6厘牛頓/分特)的強度、16.3％的斷裂伸長率和7.3％的熱空氣收縮率。測量的紗線甲酸RV為70。
實施例3使用圖4所示的聯(lián)用擠出和拉伸裝置，按照與實施例2相同的方式，熔融擠出和處理含有1％(重量)銳鈦礦形式的二氧化鈦的38RV的尼龍6，6聚合物薄片(HOMBITANLO-CR-S-M，Sachtleben ChemieGmbH，Duisburg，Germany)。用相同的紡絲組件和噴絲板形成34頭單纖維。將新擠出的單纖維在采用圖3所示氣流驟冷裝置的空氣中驟冷。氣流驟冷裝置的測量與實施例2相同。管330(圖3)中的空氣速度與喂料輥組件465速度之比為1.1。如上所述，在450處涂覆整理潤滑劑，通過導紗鉤455將單纖維會聚成紗線。喂料輥組件465將紗線輸送到第一拉伸輥對470。喂料輥465的表面速度為1087米/分鐘，輥表面溫度為50℃。第一拉伸輥對470的輥表面溫度為常溫，表面速度是喂料輥速度的2.7倍。紗線前進到實施例2中的熱管。紗線螺旋前進并與熱管摩擦接觸，并圍繞內(nèi)部加熱的熱管包裹一圈半。拉伸輔助單元475的表面溫度為181。然后將紗線送至表面速度為5000米/分鐘、輥表面溫度215℃的第二拉伸輥對480，以提供喂料輥速度4.6倍的總拉伸比。該34頭單纖維紗用松弛輥組件485以6.5％的速度差松弛，并4645米/分鐘的速度卷繞成卷裝495。所得110旦(122分特-34頭單纖維)的紗線具有8.7克/旦(7.7厘牛頓/分特)的強度、17.6％的斷裂伸長率和7.1％的熱空氣收縮率。測量的紗線甲酸RV為78。
比較例B使用用圖1的聯(lián)用紡絲和多級拉伸裝置熔融擠出與實施例1中所用相同的38RV尼龍6，6聚合物薄片。紡絲組件20包含有34個毛細管的噴絲板，并紡出34頭單纖維。每根單纖維在多級拉伸后的細度為6旦(6.6分特)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)公知的方法用橫流驟冷空氣40將單纖維(圖1中的30)冷卻并固化。在50處涂覆整理潤滑劑，將單纖維會聚成紗線。通過圓周速度為560米/分鐘、輥表面溫度為50℃的喂料輥組件70將紗線60輸送到第一拉伸輥對80。第一拉伸輥對80的輥表面溫度為170℃，表面速度是喂料輥速度的3.0倍。不使用熱管90。然后將紗線喂入輥表面溫度215℃的第二拉伸輥對100，它提供5倍于喂料輥速度的總拉伸比或2800米/分鐘的速度。然后將該34頭單纖維紗以8.0％的速度差松弛，并以2562米/分鐘的速度卷繞。拉伸后的210旦(233分特)的紗線具有9.4克/旦(8.3厘牛頓/分特)的強度、17.5％的斷裂伸長率和6.7％的熱空氣收縮率。測量的紗線甲酸RV為70。
實施例4采用圖4的氣流驟冷的紡絲和拉伸聯(lián)用裝置(沒有熱管475)，在到達紡絲組件前像比較例A那樣處理尼龍6，6聚合物，并通過噴絲板熔融擠出形成34頭單纖維。將新擠出的單纖維在采用圖3所示本發(fā)明的氣流驟冷裝置和圖4所示的聯(lián)用多級拉伸輥組件的氣流中驟冷。
參考圖3，驟冷屏345的直徑為4.0英寸(10.2cm)，驟冷高度B為6.5英寸(16.5cm)；驟冷延遲高度A為6.6英寸(16.8cm)；驟冷連接管355高C1為12.5英寸(31.7cm)；連接管直徑D2為1.5英寸(3.8cm)；連接圓錐325高C2為4.8英寸(12.2cm)，驟冷管330高C3為15英寸(38cm)。驟冷管330中的氣流速度與喂料輥組件465(圖4)的速度之比為0.87。
在450處涂覆整理潤滑劑，在455處將單纖維420會聚成紗線。通過喂料輥465將紗線460輸送到第一拉伸輥對470。該喂料輥具有1042米/分鐘的圓周速度和50℃的輥表面溫度。第一拉伸輥對470的輥表面溫度為170℃，表面速度是喂料輥速度的2.8倍。然后越過熱管475將紗線送至輥表面溫度為220℃的第二拉伸輥對480。該第二拉伸輥480提供了4.8倍于喂料輥速度或5000米/分鐘的總拉伸比。該34頭單纖維紗以7.0％的速度差松弛，并通過松弛輥組件485以4620米/分鐘的速度卷繞。拉伸后，該210旦(233分特-34頭單纖維)紗線具有10.0克/旦(8.8厘牛頓/分特)的強度、17.9％的斷裂伸長率和6.8％的熱空氣收縮率。測量的紗線甲酸RV為70。
實施例5采用圖4的具有熱管(拉伸輔助部件475)的氣流驟冷的聯(lián)用紡絲和拉伸裝置，在到達紡絲組件前像比較例A那樣處理尼龍6，6聚合物，并通過噴絲板熔融擠出形成34頭單纖維。將新擠出的單纖維在采用圖3所示本發(fā)明的氣流驟冷裝置和圖4所示的聯(lián)用多級拉伸輥組件的氣流中驟冷。
參考圖3，驟冷屏345的直徑為4.0英寸(10.2cm)，驟冷高度B為6.5英寸(16.5cm)；驟冷延遲高度A為6.6英寸(16.8cm)；驟冷連接管355高C1為12.5英寸(31.7cm)；連接管直徑D2為1.5英寸(3.8cm)；連接圓錐325高C2為4.8英寸(12.2cm)，驟冷管330高C3為15英寸(38cm)。驟冷管330中的氣流速度與喂料輥組件465(圖4)的速度之比為1.12。
先在450處涂覆整理潤滑劑，在導紗鉤455處將單纖維會聚成紗線。通過喂料輥組件465將紗線輸送到第一拉伸輥對470，然后送至拉伸輔助部件475。該喂料輥組件465具有1087米/分鐘的表面速度和50℃的輥表面溫度。第一拉伸輥對470的輥表面溫度為室溫，表面速度是喂料輥速度的2.8倍。紗線螺旋前進并與拉伸輔助部件475摩擦接觸，并圍繞內(nèi)部加熱的熱管包裹一圈半。該拉伸輔助部件475的表面溫度為181℃。
然后將紗線送至輥表面溫度為215℃、提供了至少5倍于喂料輥速度或約5000米/分鐘的總拉伸比的第二拉伸輥對480。該34頭單纖維紗以6.5％的速度差用松弛輥組件485松弛，并4630米/分鐘的速度卷繞成紗線卷裝495。拉伸后，所得210旦(233分特-34頭單纖維)紗線具有9.9克/旦(8.7厘牛頓/分特)的強度、18％的斷裂伸長率和7.9％的熱空氣收縮率。測量的紗線甲酸RV為70。
比較例C干燥含有約0.1％碘化銅的60RV尼龍6，6聚合物薄片(來源E.I.du Pont de Nemours，Waynesboro，Virginia)并像比較例A那樣熔融擠出。在該比較例中采用現(xiàn)有技術(shù)的使用橫流驟冷系統(tǒng)(圖2中的230)的熔融擠出和聯(lián)用的多級拉伸組件。紡絲板(包含在紡絲組件210中)有34根毛細管。制備34頭單纖維復絲。將該紗線在240上抹油并會聚成紗線，然后通過表面溫度60℃的喂料輥260向前輸送。第一級拉伸輥對270的表面溫度為170℃。第二級拉伸輥對275的表面溫度為215℃。未使用圖2中的任選拉伸輥組件280。紗線紡絲速度由輥組件275的表面速度決定。以3個不同紡絲速度、3個最大拉伸比(輥275速度除以輥260速度)和由輥組件285和絡紗機295提供的相關(guān)紡絲速度松弛率百分比制備公稱纖度為每絲6旦(6.7分特)的紗線。測量的紗線甲酸RV為60。每種紡絲速度試驗下的強度和斷裂伸長率見表1。
表1中的這些值相當于現(xiàn)有技術(shù)橫流驟冷的限值。最好的說明是不中斷基本工藝可獲得的最大拉伸比降低，例如紡絲速度提高時斷裂單纖維的程度高。由于不能采用較高的拉伸比，紡絲速度提高時可實現(xiàn)的紗線強度降低。
表1
實施例6干燥含有約0.1％碘化銅的60RV尼龍6，6聚合物薄片(來源E.I.du Pont de Nemours，Waynesboro，Virginia)并像比較例A那樣熔融擠出。使用采用圖3中描述的氣流驟冷系統(tǒng)的圖5的熔融擠出和多級拉伸聯(lián)用組件紡絲并拉伸34頭單纖維紗。紡絲組件510中包含的紡絲板有34根毛細管。采用具有表2中給出尺寸的氣流驟冷組件(圖3)。將該紗線在氣流驟冷后在530上抹油并通過豬尾形導紗鉤535會聚成復絲紗。紗線通過表面溫度60℃的喂料輥組件540輸送到兩級拉伸輥組件。第一級拉伸輥545的表面溫度為170℃，第二級拉伸輥550的表面溫度為215℃。以3種不同紡絲速度制備210旦(233分特-34頭單纖維)紗線?？偫毂鹊扔谳?50的速度除以輥540的速度，絡紗機處速度的松弛率百分比在表2中給出。測量的紗線甲酸RV為60。
每種紡絲速度試驗下的強度和斷裂伸長率示于表2。如比較例C，拉伸比是由工藝連續(xù)性，例如過量的斷裂單纖維所允許的最大拉伸比。
表2
用氣流驟冷紡絲拉伸聯(lián)用系統(tǒng)制造高拉伸紗的實施例6引入注目地表明，氣流驟冷紡絲方法的效果超過了比較例C中現(xiàn)有技術(shù)的橫流驟冷。在所用的兩種最低紡絲速度2660和3660米/分鐘下，對于橫流驟冷(表1)和氣流驟冷(表2)的紗線強度和斷裂伸長率不同。這種差別是由于氣流驟冷的紗線能拉伸到較高的拉伸比，而不會在紡單纖維時斷裂，即損失了工藝連續(xù)性。
橫流驟冷的紗線(表1)在3660米/分鐘下的拉伸程度較低，因為單纖維斷裂中斷了紡絲連續(xù)性。在最高的紡絲速度4660米/分鐘下比較(見表1和2)，用氣流驟冷能獲得高得多的拉伸比而不會使單纖維斷裂。這種拉伸比能制備比用橫流驟冷組件紡的紗強度高的紗線。
比較例D干燥來自E.I.du Pont de Nemours and Co.，Waynesboro，Virginia的含有約0.1％碘化銅抗氧化劑的60RV尼龍6，6聚合物薄片，并像采用現(xiàn)有技術(shù)橫流驟冷系統(tǒng)的圖2所示用紡絲機熔融擠出。紡絲組件210包含34孔噴絲板。喂料輥260表面溫度為常溫。未使用第一級拉伸輥270和第二級拉伸輥275。紗線從喂料輥組件260出來后立即收攏。用4種不同喂料輥紡絲速度和4種不同的每紡絲孔每分鐘的質(zhì)量流量通過量制備4種紗線。這些條件都使單纖維纖度在所有速度與通過量結(jié)合的喂料輥上保持恒定。紗線不拉伸。測量的所紡制紗線的甲酸RV為60。測量紗線試樣的雙折射。
實施例7將與比較例D相同的聚合物擠出到圖5所示本發(fā)明的聯(lián)用紡絲拉伸單纖維紡絲機中。采用比較例D的試驗條件，但將驟冷裝置從橫流變成氣流驟冷(如圖3)。在喂料輥組件540后直接集束氣流驟冷的34頭單纖維紗。測量在與比較例D所用相同的4種喂料輥速度和每個紡絲孔的質(zhì)量通過量條件下制備的紗線的雙折射。結(jié)果示于表3。
比較表3中給出的本發(fā)明實施例7和比較例D的結(jié)果清楚地表明氣流單纖維驟冷超過現(xiàn)有技術(shù)的橫流驟冷系統(tǒng)的優(yōu)點。對于比較例D，在每種喂料輥速度和聚合物產(chǎn)量下測量的單纖維雙折射都高于相同條件下對于氣流驟冷測量的雙折射。氣流驟冷紗線的雙折射指示了較低取向的聚合物，即能進一步拉伸并變成更高取向的聚合物。更高取向聚合物的拉伸紗將具有比低取向聚合物的拉伸紗更高的強度和更低的斷裂伸長率。在喂料輥上集束的氣流驟冷單纖維具有一貫低于橫流驟冷單纖維的雙折射。事實上，以最高紡絲速度集束的氣流驟冷單纖維的雙折射僅比以最低紡絲速度集束的橫流驟冷紗線的雙折射高約18％。由于氣流驟冷單纖維在驟冷過程中的取向很低，即使在較高的紡絲速度下也如此，因此用氣流驟冷也可能獲得較高生產(chǎn)率的紡絲和機械拉伸方法。
表3
比較例E干燥來自E.I.du Pont de Nemours and Co.，Waynesboro，Virginia的含有約0.1％碘化銅抗氧化劑的60RV尼龍6，6聚合物薄片，并像上述實施例中那樣熔融擠出到圖2所示具有兩個聯(lián)用拉伸段的紡絲機中。采用現(xiàn)有技術(shù)的橫流驟冷裝置。紡絲組件包含34孔噴絲板沖模，并制備34頭單纖維紗。紗線250通過表面溫度60℃的喂料輥260輸送。第一級拉伸輥270表面溫度為170℃，第二級拉伸輥275表面溫度為215℃。用3種不同紡絲速度(拉伸輥組件275的速度)和總拉伸比(輥275除以喂料輥260的速度比)制備210標稱纖度(233分特-34頭單纖維)紗線。測量的紗線甲酸RV為60。每種紡絲速度試驗下的紗線強度示于表4。
比較例F干燥與比較例E相同的60RV尼龍6，6聚合物薄片，并熔融擠出到圖2所示具有3個聯(lián)用的拉伸段的紡絲機中。采用相同的現(xiàn)有技術(shù)橫流驟冷系統(tǒng)。喂料輥260表面溫度為60℃。第一拉伸輥270、第二拉伸輥275和第三級拉伸輥280的表面溫度分別為170℃、230℃和230℃。包含在紡絲組件210中的紡絲板有34個孔，并用3種不同紡絲速度(最高速度拉伸輥280的速度)和總拉伸比(輥280除以喂料輥260的速度比)制備34頭單纖維紗(210旦或233分特-34頭單纖維)。測量的紗線甲酸RV為60。每種紡絲速度試驗下的紗線強度示于表4。
表4
實施例8在本發(fā)明的本實施例中，將與比較例E和F中所用的相同的60RV尼龍6，6聚合物薄片干燥，并熔融擠出到采用圖3所示氣流驟冷系統(tǒng)的圖5所示的聯(lián)用紡絲拉伸機中。僅采用兩個拉伸段，越過輥組件555。紡絲組件510中所含的紡絲板有34個孔。在纖維給油輥530處給單纖維515抹油，并在豬尾形導紗鉤535處會聚成34頭單纖維紗。通過運行在60℃表面溫度下的喂料輥540將該紗線輸送到聯(lián)用的1對拉伸段。第一級拉伸輥545和第二級拉伸輥550的表面溫度分別為170℃和215℃。以3種不同的紡絲速度(紡絲速度是輥組件550的速度)和總拉伸比(總拉伸比為輥550的速度除以輥540的速度)制備3種210旦(233分特-34頭單纖維)的紗線。將紗線以等于輥組件560與550的速度差除以輥組件550的速度的量的速度差松弛。測量的紗線甲酸RV為60。
每種紡絲速度試驗下的紗線性能示于表5。
實施例9用同樣的聚合物，并采用圖5的裝置的紡絲板和3級拉伸輥(包括輥組件555)，重復實施例8。第一級拉伸輥545、第二級拉伸輥550和第三級拉伸輥555的表面溫度分別為170℃、230℃和230℃。以3種不同的紡絲速度(紡絲速度是輥組件555的速度)和總拉伸比(總拉伸比為輥555的速度除以輥540的速度)制備3種210旦(233分特-34頭單纖維)的紗線。將紗線以等于輥組件560與555的速度差除以輥組件555的速度的量的速度差松弛。測量的紗線甲酸RV為60。
每種紡絲速度試驗下的紗線性能示于表5。
表5
表4和5的數(shù)據(jù)表明，與現(xiàn)有技術(shù)橫流驟冷系統(tǒng)與聯(lián)用的紡絲拉伸方法比較，氣流驟冷系統(tǒng)和聯(lián)用紡絲拉伸裝置能獲得更高的生產(chǎn)率。結(jié)果，在由于采用橫流驟冷而使斷裂單纖維的數(shù)量增加，從而不可能實現(xiàn)的總拉伸比下，不論拉伸的級數(shù)多少，都能以較高的總紡絲速度制備高強度聚酰胺單纖維紗。
實施例10在本實施例中采用圖4的帶有兩級拉伸輥聯(lián)用紡絲拉伸裝置，不用熱管475。將來自DuPont Canada的70RV尼龍6，6聚合物熔融擠出到包含34根毛細管噴絲板的紡絲組件410中。將該34頭單纖維用圖3所示裝置進行氣流驟冷。單纖維在450上抹油并在豬尾導紗鉤455處會聚成34頭單纖維紗。通過喂料輥組件465將該紗線送至采用拉伸輥組件470和480并越過熱管475的兩級聯(lián)用拉伸。紡絲速度(速度最高的拉伸輥組件480的速度)如表6所示從2660米/分鐘至6000米/分鐘變化。喂料輥組件465、第一級拉伸輥470和第二級拉伸輥480的溫度分別為50℃、170℃和215℃。拉伸比為輥組件480的表面速度與輥組件465的表面速度之比。松弛量由輥組件480與485之間的表面速度差除以輥組件480的表面速度給出。在降低聚合物生產(chǎn)量的情況下進行5000米/分鐘和6000米/分鐘的試驗，以便提供110旦(122分特-34頭單纖維)紗線，以代替在較低紡絲速度下提供的210旦(233分特-34頭單纖維)紗線。紗線松弛率(速度降低)通過在卷繞成紗線卷裝495前由輥組件485提供。紗線卷裝卷繞的例外是以6000米/分鐘紡制的紗線。這些紗線不卷繞，但被吸入到本領(lǐng)域公知的紗線拉緊裝置中。
表6概括了制備的5種氣流驟冷和拉伸紗試樣的性能。
在用與本發(fā)明實施例10中相同的聚合物進行的對比實驗中，拉伸紗用具有圖1所示的聯(lián)用的兩級拉伸輥組件，但越過熱管90的現(xiàn)有技術(shù)的橫流驟冷裝置制備。紡絲板如上所述具有34孔。單纖維在50處抹油并會聚成34頭單纖維紗。紗線通過喂料輥組件70輸送到采用拉伸輥組件80和100的兩級聯(lián)用拉伸并越過熱管90。紡絲速度(速度最高的拉伸輥組件100的速度)如表6所示從2660米/分鐘至4200米/分鐘變化。拉伸比為拉伸輥組件100與喂料輥組件70的表面速度之比。喂料輥組件70、第一級拉伸輥80和第二級拉伸輥100的溫度分別為50℃、170℃和215℃。松弛量由輥組件120與100之間的表面速度差除以輥組件100的速度給出。210旦(233分特)的紗線在用輥組件120的速度松弛后卷繞成紗線卷裝140。
表6概括了制備的3種橫流驟冷和拉伸紗試樣的性能。
表6
*這里的驟冷屏的直徑D1為4.0英寸(10.2cm)，驟冷屏高度B為6.5英寸(16.5cm)；驟冷延遲高度A為6英寸(15.2cm)；驟冷連接管高C1為12.5英寸(31.7cm)；連接管直徑D3為1.5英寸(3.8cm)；連接圓錐高C2為4.8英寸(12.2cm)；和管高C3為15英寸(38cm)。
**在這兩種情況下，所有上述參數(shù)均相同，只有驟冷連接管高度C1為5英寸(12.7cm)。
表6中的這些結(jié)果表明，本發(fā)明的方法可在約6000米/分鐘的紡絲速度下使用?，F(xiàn)有技術(shù)采用橫流驟冷方式的聯(lián)用紡絲拉伸方法在僅約4200米/分鐘的速度下就由于過多的紡絲斷裂而不能提供良好的紡絲連續(xù)性。在5000米/分鐘的紡絲速度下，氣流驟冷的聯(lián)用紡絲拉伸方法僅用5.6的機械拉伸比就提供了高強度(9.0厘牛頓/分特)紗線。現(xiàn)有技術(shù)方法以2660米/分鐘的紡絲速度才能提供大致相同強度的紗線，但要求6.6的總最大拉伸比。這些233分特、34頭的單纖維紗在性能的平衡上基本相同。然而，本發(fā)明的聯(lián)用紡絲拉伸方法的紗線生產(chǎn)量提高了約88％。這種生產(chǎn)量的提高是商業(yè)上很明顯的優(yōu)點，并優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的方法。本實施例表明，氣流驟冷方式結(jié)合聯(lián)用多級拉伸方法允許較高的紡絲速度和較高的總拉伸比，同時保持高紗線強度和用橫流驟冷方式不能實現(xiàn)的百分比提高的紗線的斷裂伸長率性能。
比較例G在用本發(fā)明實施例10中采用的相同聚合物進行的另一個比較例中，用圖1所示聯(lián)用兩級拉伸輥組件的現(xiàn)有技術(shù)的橫流驟冷裝置制備拉伸紗。
在這里越過了熱管90，采用兩級聯(lián)用拉伸輥組件80和100。紡絲速度(輥100的表面速度)為2800米/分鐘，總拉伸比(輥100與輥70速度之比)為4.1。拉伸后，所得110旦(122分特-34頭單纖維)紗具有8.3克/旦(7.3厘牛頓/分特)的強度和14％的斷裂伸長率。沿所制備的每種紗線試樣長度(“沿端”)的纖度均勻性為3.7％。
實施例11在本發(fā)明的實施例中，用與本發(fā)明實施例10相同的聚合物，用圖3所示氣流驟冷裝置和圖4所示聯(lián)用兩級拉伸輥組件，但沒有熱管475，制備拉伸紗。驟冷屏的直徑D1為4.0英寸(10.1cm)驟冷屏B為6.5英寸(16.5cm)；驟冷延遲高度A為6.6英寸(16.8cm)；驟冷連接管高C1為12.5英寸(31.8cm)；連接管直徑D3為1.5英寸(3.8cm)，連接圓錐高C2為4.8英寸(12.2cm)；和管高C3為15英寸(38cm)。由Eq.1給出的空氣速度與喂料輥組件速度之比為1.02。紡絲板有34個孔。紡絲速度(輥組件480的表面速度)為5000米/分鐘，總拉伸比(輥480與輥465速度之比)為4.6。所得110旦(122分特-34頭單纖維)紗具有8.4克/旦(7.4厘牛頓/分特)的強度和22％的斷裂伸長率。沿所制備的每種紗線試樣長度(“沿端”)的纖度均勻性為1.1％。
將本發(fā)明的實施例11與比較例G比較表明，采用以高速運行的聯(lián)用紡絲拉伸工藝的氣流驟冷方式實現(xiàn)了優(yōu)異的沿端纖度均勻性。122分特-34頭單纖維紗的強度基本相同，然而制備高均勻性氣流驟冷紗線的紡絲生產(chǎn)率比用現(xiàn)有技術(shù)驟冷方式制備的紗線高1.7倍。
雖然本發(fā)明通過參考特定和優(yōu)選的實施方案進行了舉例說明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應該承認，可通過本發(fā)明的常規(guī)試驗和實踐進行變化和修改。因此，本發(fā)明不限于上述描述，而由附屬權(quán)利要求及其等價物限定。
權(quán)利要求
1.聚酰胺紗線的制備方法，包括通過紡絲組件擠出聚合物熔體，形成至少一根單纖維；使單纖維通過氣流驟冷腔，向單纖維提供驟冷氣體，以冷卻并固化單纖維，其中驟冷氣體的流動方向與單纖維方向相同；和使至少一根單纖維通過機械拉伸段，拉伸并伸長單纖維，制成紗線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中至少一根單纖維包含許多單纖維，所述方法還包括將許多單纖維會聚成復絲紗，并使紗線通過機械拉伸段拉伸和伸長紗線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中至少一根單纖維包含每根紗線一根單纖維，且該紗線是單絲紗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中單纖維以約3-約6的拉伸比拉伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中單纖維以低于1500米/分鐘的速度通過驟冷腔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中單纖維通過至少一個拉伸段，且其中單纖維通過最后的拉伸段的速度大于約2600米/分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中單纖維以高于約4500米/分鐘的速度通過最后的拉伸段。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在約2600-約5000米/分鐘的紡絲速度下，驟冷腔出口處冷卻氣體的速度與牽拉單纖維的第一輥的速度之比為約0.6-約2.0。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以低于紡絲速度約0.1％-約7％的卷繞速度將單纖維卷繞成卷裝。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中拉伸步驟包括經(jīng)由熱管的拉伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中單纖維每絲的分特為約2.5-9。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中單纖維的雙折射在單纖維拉伸前為0.002-0.012。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中聚合物熔體包含彩色的或消光的顆粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中顆粒選自二氧化鈦、硫化鋅和彩色顏料。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中聚合物熔體含有約0.01-約1.2％重量的彩色或消光的顆粒。
16.由權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法制備的紗線。
17.由權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法制備的全拉伸紗線。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的紗線，具有至少約5克/旦(4.5厘牛頓/分特)的強度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的紗線，其在約2600米/分鐘-大于約5000米/分鐘的紡絲速度范圍內(nèi)，具有約7-約10厘牛頓/分特(7.9-11.3克/旦)的強度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的紗線，其具有約15％-約22％的斷裂伸長率。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的紗線，其具有小于3.7％的纖度散布。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的紗線，其具有小于10％的熱空氣收縮率。
全文摘要
本發(fā)明涉及諸如尼龍6，6的高抗拉強度聚酰胺單纖維的制造方法。本發(fā)明還涉及用這種單纖維形成的紗線和其他制品。本發(fā)明特別用于以高紡絲工藝速度提供強度等于或優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的單纖維紗，同時保持對紗線的拉伸能力。本發(fā)明還涉及提供由消光的或染色的聚酰胺聚合物擠出的單纖維紗。
文檔編號D01F6/60GK1671897SQ03817708
公開日2005年9月21日 申請日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
發(fā)明者K·R·薩曼特, G·瓦西拉托斯 申請人:因維斯塔技術(shù)有限公司