具有低密度的可再生聚酯纖維的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種由熱塑性組合物構(gòu)成的纖維，所述熱塑性組合物含有剛性可再生聚酯并具有空隙化結(jié)構(gòu)和低密度。為了獲得這樣的結(jié)構(gòu)，將可再生聚酯與聚合物增韌添加劑共混，其中所述增韌添加劑可以在可再生聚酯的連續(xù)基體內(nèi)分散為離散的物理區(qū)域。此后將纖維成型并隨后在聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下的溫度下伸長或拉伸(即，“冷拉伸”)。不希望受限于理論，本發(fā)明人相信，在可再生聚酯基體中，在那些位于離散區(qū)域鄰近出的區(qū)域處，拉伸工藝的變形力和伸長應(yīng)變導致剝離發(fā)生。這產(chǎn)生了位于離散區(qū)域鄰近處的空隙網(wǎng)絡(luò)(如，微空隙、納米空隙或其組合)，其由于它們鄰近的位置，可以形成空隙邊界之間的橋并起著內(nèi)部結(jié)構(gòu)“鉸鏈”的作用，該鉸鏈有助于穩(wěn)定該網(wǎng)絡(luò)并提高了它消散能量的能力。
【專利說明】具有低密度的可再生聚酯纖維
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 為了將可再生聚酯（如，聚乳酸（"PLA"))用于纖維，已經(jīng)作出了各種嘗試。然而， 因為比常規(guī)聚烯烴的密度高約30% (這使它們顯著地更貴），因此可再生聚酯的市場滲透 一直是有限的。為了幫助降低這樣的聚酯的密度，氣態(tài)發(fā)泡劑有時被用來幫助產(chǎn)生具有某 種程度的多孔性的蜂窩狀"泡沫"結(jié)構(gòu)。然而不幸的是，所產(chǎn)生的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的加工性和拉 伸性能通常由于不受控制的孔徑和分布而被破壞。還存在其它問題。例如，可再生聚酯具有 相對高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度并通常展示出很高的剛度，但卻具有相對低的延展性/斷裂伸長 率。舉例來說，聚乳酸具有約59°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和僅約5%的拉伸伸長率（斷裂時）。 這樣的低拉伸伸長率值顯著地限制了這樣的聚合物在纖維中的應(yīng)用，在該應(yīng)用中需要強度 與延展性之間的良好平衡。
[0003] 因此，目前對于還可以展示良好機械性能的低密度可再生聚酯纖維存在需要。
[0004] 發(fā)明概沭
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，公開了一種由熱塑性組合物構(gòu)成的纖維。該組合 物包含至少一種具有約o°c或更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的剛性可再生聚酯、以可再生聚酯的 重量計約lwt. %至約30wt. %的至少一種聚合物增韌添加劑、以可再生聚酯的重量計約 0. lwt. %至約20wt. %的至少一種界面改性劑（interphase modifier)。熱塑性組合物具有 這樣的形態(tài)，其中多個離散的主區(qū)域和空隙被分散于連續(xù)相內(nèi)，所述區(qū)域含有聚合物增韌 添加劑，所述連續(xù)相含有可再生聚酯。所述纖維的密度為約1. 4克每立方厘米或更低，由空 隙占據(jù)的組合物的平均體積百分率為約20%至約80%每立方厘米。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，公開了一種形成低密度纖維的方法，該方法包括： 形成含有剛性可再生聚酯和聚合物增韌添加劑的共混物，其中剛性可再生聚酯的玻璃化轉(zhuǎn) 變溫度為約〇°C或更高；將所述共混物擠出通過模頭以形成纖維；和在比可再生聚酯的玻 璃化轉(zhuǎn)變溫度低的溫度下拉伸所述纖維，以形成含有多個空隙并具有約1. 4克每立方厘米 或更低的密度的熱塑性組合物。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的有一個實施方案，公開了一種用于形成無紡纖網(wǎng)的方法，該方法包 括：將多條纖維無規(guī)地沉積到成型表面上。纖維可以由共混物形成，如本文所描述的。方法 還包括在所述無紡纖網(wǎng)形成之前和/或之后拉伸所述纖維，其中所述纖維是在低于所述可 再生聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下拉伸的，以形成含有多個空隙并具有約1. 4克每立方 厘米或更低的密度的熱塑性組合物。
[0008] 下面更詳細地討論本發(fā)明的其它特征和方面。
[0009] 附圖簡沭
[0010] 針對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的本發(fā)明的完整和能夠?qū)嵤┑墓_，包括其最佳實施方 式，將于參照以下附圖的本說明書的剩余部分中更加具體地陳述，其中：
[0011] 圖1是在本發(fā)明的一個實施方案中，用于形成纖維的方法的示意圖；和
[0012] 圖2是根據(jù)本發(fā)明可形成的纖維的一個實施方案的示意圖。
[0013] 在本說明書和附圖中參考標記的重復(fù)使用旨在表示本發(fā)明相同或相似的特征或 要素。
[0014] 代表件實施方案的詳述
[0015] 現(xiàn)在將詳細參照本發(fā)明的各實施方案，將各實施方案的一個或多個實施例在下面 陳述。每個實施例均是以解釋本發(fā)明而非限制本發(fā)明的方式來提供的。事實上，對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員而言將顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可以在本發(fā)明 中作出各種修改和變化。例如，作為一個實施方案的部分來說明或描述的特征可以在另一 個實施方案中使用，以得到還進一步的實施方案。因此，本發(fā)明旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求 及其等同方式的范圍內(nèi)的修改和變化。
[0016] 定義
[0017] 如本文中所使用，術(shù)語"纖維"是指通過使聚合物通過成型孔（如模頭）而形成的 細長的擠出物。除非另有說明，術(shù)語"纖維"既包括具有確定長度的不連續(xù)纖維又包括基本 上連續(xù)的細絲。實質(zhì)上，細絲例如可以具有遠大于它們的直徑的長度，如長度與直徑之比（〃 長徑比〃）為大于約15, 000至1，在一些情況下，大于約50, 000至1。
[0018] 如本文中所使用，術(shù)語"單組分"是指由一種聚合物形成的纖維。當然，這不排除 已經(jīng)為了顏色、抗靜電性能、潤滑、親水性、液體排斥性等而將添加劑加入的纖維。
[0019] 如本文中所使用，術(shù)語"多組分"是指由從不同的擠出機擠出的至少兩種聚合物 (例如，雙組分纖維）形成的纖維。所述聚合物可以被安置于橫跨纖維的橫截面的基本上 不變地定位的不同區(qū)域。所述組分可以以任意所希望的構(gòu)型來安置，如皮-芯型、皮-芯 型、分割的餅型、海中島型（island-in-the-sea)等等。用于形成多組分纖維的各種方法 被描沭于Taniguchi等人的第4, 789, 592號美國專利、Strack等人的第5, 336, 552號美國 專利、Kaneko等人的第5, 108, 820號美國專利、Kruege等人的第4, 795, 668號美國專利、 Pike等人的第5, 382, 400號美國專利、Strack等人的第5, 336, 552號美國專利、Marmon等 人的第6, 200, 669號美國專利。也可以形成具有各種不規(guī)則形狀的多組分纖維，如在Hogle 等人的第5, 277, 976號美國專利、Hills等人的第5, 162, 074號美國專利、Hills等人的 第5, 466, 410號美國專利、Largman等人的第5, 069, 970號美國專利和Largman等人的第 5, 057, 368號美國專利中所述。
[0020] 如本文中所使用，術(shù)語"無紡纖網(wǎng)"是指具有單個纖維的結(jié)構(gòu)的纖網(wǎng)，所述單個纖 維是無規(guī)交疊（interlaid)的，而不是以可辨認的方式（如在針織織物中）交疊的。無紡纖 網(wǎng)例如包括熔噴纖網(wǎng)、紡粘纖網(wǎng)、梳理纖網(wǎng)、濕法纖網(wǎng)、氣流法纖網(wǎng)、共成型纖網(wǎng)、水力纏繞 纖網(wǎng)等。無紡纖網(wǎng)的基重一般地可以變化，但是通常為約5克每平方米（〃gsm〃）至200gsm， 在一些實施方案中為約lOgsm至約150gsm，在一些實施方案中為約15gsm至約lOOgsm。
[0021] 如本文中所使用，術(shù)語"熔噴"纖網(wǎng)或者層通常是指由以下方法形成的無紡纖網(wǎng)， 其中將熔融熱塑性材料經(jīng)由多個細的、通常圓形的模頭毛細管擠出成為熔融纖維進入會聚 的高速氣（如空氣）流，該氣流使熔融熱塑性材料的纖維變細以減小其直徑，其可為直到微 纖維直徑。此后，熔噴纖維由高速氣流攜帶并沉積在收集表面上，以形成無規(guī)分散的熔噴纖 維的纖網(wǎng)。這樣的方法例如公開于：Butin等人的第3, 849, 241號美國專利申請；Meitner 等人的第4, 307, 143號美國專利申請；和Wisneski等人的第4, 707, 398號美國專利申請。 熔噴纖維可以是基本上連續(xù)或不連續(xù)的，并且當沉積至收集表面時通常為粘性的。
[0022] 如本文中所使用，術(shù)語"紡粘"纖網(wǎng)或者層通常是指含有小直徑基本上連續(xù)的細絲 的無紡纖網(wǎng)。所述細絲如下形成：將熔融熱塑性材料從多個細的、通常圓形的噴絲頭毛細管 擠出，而經(jīng)擠出細絲的直徑然后例如通過引出拉伸（eductive drawing)和/或其它熟知的 紡粘機制而迅速減小。紡粘纖網(wǎng)的制備例如描述并說明于Appel等人的第4, 340, 563號美 國專利、Dorschner等人的第3,692,618號美國專利、Matsuki等人的第3,802,817號美國 專利、Kinney等人的第3, 338, 992號美國專利、Kinney等人的第3, 341，394號美國專利、 Hartman等人的第3, 502, 763號美國專利、Levy等人的第3, 502, 538號美國專利、Dobo等 人的第3, 542, 615號美國專利和Pike等人的第5, 382, 400號美國專利。當紡粘細絲被沉 積至收集表面上時，它們通常是非粘性的。紡粘細絲有時可以具有小于約40微米的直徑， 并且通常為約5至約20微米。
[0023] 詳沭
[0024] -般而言，本發(fā)明涉及由熱塑性組合物構(gòu)成的纖維，該組合物含有剛性可再生聚 酯并具有空隙化結(jié)構(gòu)和低密度。為了實現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)，將可再生聚酯與聚合物增韌添加劑 共混，其中增韌添加劑可以作為離散的物理區(qū)域分散于可再生聚酯的連續(xù)基體內(nèi)。此后纖 維形成并隨后在該聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下的溫度下伸長或拉伸（即"冷拉伸"）。不 希望受限于理論，本發(fā)明人相信，在可再生聚酯基體中，在那些位于離散區(qū)域鄰近處的區(qū)域 處，拉伸工藝的變形力和伸長應(yīng)變導致剝離發(fā)生。這產(chǎn)生了位于離散區(qū)域鄰近處的空隙網(wǎng) 絡(luò)（如，微空隙、納米空隙或其組合），其由于它們鄰近的位置，可以形成空隙邊界之間的橋 并起著內(nèi)部結(jié)構(gòu)"鉸鏈"的作用，該鉸鏈有助于穩(wěn)定該網(wǎng)絡(luò)并提高其消散能量的能力。
[0025] 在纖維的給定單位體積內(nèi)，由空隙占據(jù)的平均體積百分率可以相對較高，如約 20%至約80% /cm3,在一些實施方案中約30%至約70%，和在一些實施方案中約40%至 約60%每立方厘米的組合物。這樣高的空隙體積顯著降低了纖維的密度。例如，所產(chǎn)生的 纖維可以具有約1. 4克每立方厘米（〃g/cm3〃）或更低，在一些實施方案中約0. 4g/cm3至約 1. lg/cm3,和在一些實施方案中約0. 5g/cm3至約0. 95g/cm3的密度。本發(fā)明人也已發(fā)現(xiàn)，所 述空隙可以以基本上均質(zhì)的方式遍布所述組合物分布。例如，所述空隙可以以列的方式分 布，所述列是與施加應(yīng)力的方向通常垂直的方向來取向的。這些列一般地可以橫跨所述組 合物的寬度彼此平行。不希望受限于理論，所相信的是，這樣均質(zhì)分布的空隙化網(wǎng)絡(luò)的存在 可導致在負載下顯著的能量消散。這與用于產(chǎn)生空隙的常規(guī)技術(shù)截然相反，所述常規(guī)技術(shù) 涉及使用發(fā)泡劑來引發(fā)孔的形成，這傾向于導致不受控制的孔分布和差的機械性能。
[0026] 現(xiàn)在將更詳細地描述本發(fā)明的各實施方案。
[0027] I.熱塑件纟目合物
[0028] A.可再牛聚酯
[0029] 可再生聚酯通常占熱塑性組合物的約70wt. %至約99wt. %，在一些實施方案中 占熱塑性組合物的約75wt. %至約98wt. %，和在一些實施方案中占熱塑性組合物的約 80wt. %至約95wt. %。任意多種可再生聚酯通常都可以在熱塑性組合物中采用，例如脂族 聚酯，如聚己酸內(nèi)酯、聚酰胺酯、聚乳酸（PLA)及其共聚物、聚乙醇酸、聚烷撐碳酸酯（例如， 聚碳酸亞乙酯）、聚-3-羥丁酸（PHB)、聚-3-羥戊酸（PHV)、3-羥丁酸與4-羥丁酸的共聚 物、3-羥丁酸與3-羥戊酸的共聚物（PHBV)、3_羥丁酸與3-羥己酸的共聚物、3-羥丁酸與 3_羥辛酸的共聚物、3-羥丁酸與3-羥癸酸的共聚物、3-羥丁酸與3-羥十八烷酸的共聚物、 和基于琥珀酸的脂族聚合物（例如，聚琥珀酸亞丁酯、聚琥珀酸己二酸亞丁酯、聚琥珀酸亞 乙酯等）；脂族-芳香族共聚多酯（例如，聚己二酸對苯二酸亞丁酯、聚己二酸對苯二酸亞 乙酯、聚己二酸間苯二酸亞乙酯、聚己二酸間苯二酸亞丁酯等）；芳香族聚酯（例如，聚對苯 二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯等）；等等。
[0030] 通常地，熱塑性組合物含有至少一種性質(zhì)上為剛性并因此具有相對較高的玻璃化 轉(zhuǎn)變溫度的可再生聚酯。例如，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（"T g")可為約o°c或更高，在一些實施方案 中為約5 °C至約100°C，在一些實施方案中為約30°C至約80°C，在一些實施方案中為約50°C 至約75°C。可再生聚酯的熔融溫度可為約140°C至約260°C，在一些實施方案中為約150°C 至約250°C，和在一些實施方案中為約160°C至約220°C。熔化溫度可以根據(jù)ASTM D-3417 采用差示掃描量熱法（〃DSC〃）來測定。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以根據(jù)ASTM E1640-09通過動態(tài) 機械分析來測定。
[0031] 一種特別適合的剛性聚酯是聚乳酸，其通?？稍醋匀樗岬娜我馔之悩?gòu)體的單體 單元，如左旋乳酸（"L-乳酸")、右旋乳酸（"D-乳酸")、內(nèi)消旋乳酸（meso-lactic acid) 或其混合物。單體單元也可以由乳酸的任意同分異構(gòu)體的酸酐，包括左旋丙交酯、右旋丙交 酯、內(nèi)消旋丙交酯（meso-lactide)或其混合物構(gòu)成。這樣的乳酸和/或丙交酯的環(huán)狀二聚 體也可以被采用。任意已知的聚合方法，如縮聚或開環(huán)聚合，均可以用來聚合乳酸。少量的 擴鏈劑（例如，二異氰酸酯化合物、環(huán)氧化合物或者酸酐）可以被采用。聚乳酸可以是均聚 物或者共聚物，如含有源自L-乳酸的單體單元和源自D-乳酸的單體單元的那些。雖然不要 求，源自L-乳酸的單體單元和源自D-乳酸的單體單元中的一種的含量比率優(yōu)選為約85摩 爾％或者更高，在一些實施方案中約90摩爾％或者更高，和在一些實施方案中約95摩爾％ 或者更高。多種聚乳酸（每種均具有不同的源自L-乳酸的單體單元和源自D-乳酸的單體 單元的比例）可以以任意百分比共混。當然，聚乳酸也可以與其它類型的聚合物（例如，聚 烯烴、聚酯等）共混。
[0032] 在一個特別的實施方案中，聚乳酸具有以下通用結(jié)構(gòu)：
[0033]
【權(quán)利要求】
1. 一種由熱塑性組合物構(gòu)成的纖維，所述熱塑性組合物包含： 至少一種剛性可再生聚酯，其具有約〇°C或更高并且優(yōu)選地約50°C至約75°C的玻璃化 轉(zhuǎn)變溫度， 按所述可再生聚酯的重量計約lwt. %至約30wt. %的至少一種聚合物增韌添加劑， 按所述可再生聚酯的重量計約〇. lwt. %至約20wt. %的至少一種界面改性劑， 其中所述熱塑性組合物具有這樣的形態(tài)，其中多個離散的主區(qū)域和空隙被分散于連續(xù) 相內(nèi)，所述區(qū)域含有所述聚合物增韌添加劑，所述連續(xù)相含有所述可再生聚酯， 其中所述纖維具有約1. 4克每立方厘米或更低并且優(yōu)選地約0. 5克每立方厘米至約 0. 95克每立方厘米的密度，和 其中由所述空隙占據(jù)的組合物的平均體積百分率為約20%至約80%每立方厘米，優(yōu) 選為約40%至約60%每立方厘米。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維，其中所述空隙的長徑比為約0. 1至約1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的纖維，其中所述空隙含有微空隙和納米空隙的組合。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中所述可再生聚酯為聚乳酸。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中所述可再生聚酯的溶解度參數(shù)與所述 聚合物增韌添加劑的溶解度參數(shù)之比為約〇. 5至約1. 5,所述可再生聚酯的熔體流動速率 與所述聚合物增韌添加劑的熔體流動速率之比為約〇. 2至約8,并且所述可再生聚酯的楊 氏彈性模量與所述聚合物增韌添加劑的楊氏彈性模量之比為約2至約500。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中所述聚合物增韌添加劑包括聚烯烴， 如丙烯均聚物、丙烯/ α -烯烴共聚物、乙烯/ α -烯烴共聚物或其組合。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中在40°C的溫度下測定時，所述界面改 性劑的運動粘度為約0. 7至約200厘沲。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中所述熱塑性組合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 與所述可再生聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之比為約〇. 7至約1. 3。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中所述界面改性劑是疏水的。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中所述界面改性劑為硅氧烷、硅氧 烷-聚醚共聚物、脂族聚酯、芳香族聚酯、烷撐二醇、鏈烷二醇、氧化胺、脂肪酸酯或其組合。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中所述組合物包含聚環(huán)氧化物改性劑， 所述改性劑包括環(huán)氧官能的（甲基）丙烯酸單體組分。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維，其中所述可再生聚酯占所述熱塑性組合 物的約70wt. %或更高。
13. -種無紡纖網(wǎng)，其包含前述權(quán)利要求中任一項所述的纖維。
14. 一種吸收性制品，其包含在液體可滲透層和一般地液體不可滲透層之間放置的吸 收芯，所述吸收性制品包含權(quán)利要求13的無紡纖網(wǎng)。
15. -種用于形成低密度纖維的方法，所述方法包括： 形成一種共混物，所述共混物含有剛性可再生聚酯，如聚乳酸，和聚合物增韌添加劑， 如聚烯烴，其中所述剛性可再生聚酯具有約〇°C或更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度； 將所述共混物經(jīng)由模頭擠出，以形成所述纖維；和 在低于所述可再生聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，優(yōu)選地在所述可再生聚酯的玻璃 化轉(zhuǎn)變溫度以下至少約10°c的溫度下拉伸所述纖維，以形成含有多個空隙并且具有約1. 4 克每立方厘米或更低，優(yōu)選約〇. 5克每立方厘米至約0. 95克每立方厘米的密度的熱塑性組 合物。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其進一步包括在所述可再生聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 以上的溫度下，退火所述經(jīng)拉伸的纖維。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述纖維由所述空隙占據(jù)的平均體積百分率為 約20 %至約80 %每立方厘米。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述共混物包含至少一種界面改性劑和/或聚 環(huán)氧化物改性劑，該聚環(huán)氧化物改性劑包括環(huán)氧官能的（甲基）丙烯酸單體組分。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述共混物通常不含氣態(tài)發(fā)泡劑。
20. -種用于形成無紡纖網(wǎng)的方法，該方法包括： 形成含有剛性可再生聚酯和聚合物增韌添加劑的共混物，其中所述剛性可再生聚酯的 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為約〇°C或更高； 將所述共混物經(jīng)由模頭擠出，以形成多根纖維； 將經(jīng)拉伸的纖維無規(guī)地沉積到表面上，以形成無紡纖網(wǎng)；和 在所述無紡纖網(wǎng)形成之前和/或之后拉伸所述纖維，其中將所述纖維在低于所述可再 生聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下拉伸，以形成含有多個空隙并具有約1. 4克每立方厘米 或更低的密度的熱塑性組合物。
【文檔編號】D04H1/724GK104093891SQ201380008281
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月10日
【發(fā)明者】R·J·麥克尼尼, V·A·托波爾卡雷夫, N·T·肖勒, T·伊比 申請人:金伯利-克拉克環(huán)球有限公司