專利名稱：激光加工技術(shù)制造多微孔中空纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用激光技術(shù)對人造化學(xué)纖維進(jìn)行處理的方法，尤其涉及對中空纖維進(jìn)行處理以在其壁中產(chǎn)生穿透性多微孔的方法。本發(fā)明涉及的人造化學(xué)中空纖維是一種延軸向具有空腔結(jié)構(gòu)的化學(xué)纖維長絲或短纖，可以是錦綸、滌綸或丙綸。
中空纖維在紡織品中的應(yīng)用主要目的是讓制成的紡織品或纖維材料制成品具有輕薄、保溫的功能。具有多孔結(jié)構(gòu)的中空纖維長絲或短纖主要用于改善化學(xué)纖維的吸濕透氣性，同時(shí)近年來也在新型復(fù)合材料及過濾材料中得到廣泛的應(yīng)用。
目前，制造多孔纖維或多孔中空纖維的方法主要有拉伸法和移去法兩類。拉伸法(例如美國專利U.S.P.5,435,955,1995年7月25日)的基本原理是在纖維成型過程中或成型后予以適當(dāng)?shù)睦?，在纖維的微觀結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生塑性變形，形成多孔結(jié)構(gòu)。移去法主要有兩種，一種是在紡絲液中加入一種物質(zhì)，在纖維成型過程中或成型后用化學(xué)或物理的方法將該物質(zhì)移去，在纖維或中空纖維壁中形成微孔結(jié)構(gòu)(例如美國專利U.S.P.5,480,712,1996年1月2日)；移去法的另一種方法則是采用化學(xué)腐蝕的方法，在纖維成型過程中或成型后，用特定的化學(xué)物質(zhì)與纖維進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，蝕去部分纖維體，形成多孔結(jié)構(gòu)。這兩類方法生產(chǎn)的多孔纖維具有的共同特征之一是其多孔結(jié)構(gòu)在纖維的軸向和徑向是連續(xù)分布的，而不能對中空纖維任意選擇的區(qū)域產(chǎn)生多微孔結(jié)構(gòu)，用途有一定局限性。此外，移去法還存在一定的化學(xué)污染問題。
一般意義上的利用激光加熱纖維材料(例如中國專利公開號CN1047542A)或利用激光在纖維集合體中打孔(例如中國專利公開號CN1130555A)主要是利用紅外激光激發(fā)纖維中分子鏈段震動產(chǎn)生熱作用的原理在纖維中產(chǎn)生高溫加熱、熔融或蒸發(fā)的效果，該作用主要是一種光熱作用。在光熱作用中，決定作用效果的主要因素是激光的強(qiáng)度，因而聚焦的高能、連續(xù)紅外激光幾乎能用于對大部分的金屬、陶瓷和塑料等有機(jī)或無機(jī)材料進(jìn)行熱處理、包括切割、打孔和焊接加工處理。紅外激光打孔的主要特征之一是產(chǎn)生的孔的大小主要由作用于處理目標(biāo)上光斑的尺寸決定，產(chǎn)生孔的數(shù)目與作用于處理目標(biāo)上激光的模數(shù)對應(yīng)，即一束單模激光在同一時(shí)間內(nèi)只能打出一個(gè)孔。采用這種現(xiàn)有技術(shù)要在外徑為10至30微米的單根纖維或中空纖維上打出微米級的多孔，在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。特別是在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，要使用單束聚焦或散焦紅外激光在復(fù)絲中的每一根單絲中產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)相當(dāng)困難，因而單束聚焦或散焦紅外激光主要適用于纖維聚集體或制成品的鉆孔或切割，例如二氧化碳激光裁剪技術(shù)已應(yīng)用于服裝工業(yè)生產(chǎn)之中。
本發(fā)明的目的是提供一種激光加工技術(shù)制造多微孔中空纖維的方法，可以很方便地在10至30微米的單根纖維特別是中空纖維上打出微米級的多孔，多微孔的區(qū)域可在纖維的軸向或徑向任意選擇，多微孔區(qū)域的大小可以方便調(diào)節(jié)，既可以在纖維成型之后進(jìn)行，也可以在纖維制成成品后進(jìn)行，沒有化學(xué)污染。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種激光加工技術(shù)制造多微孔中空纖維的方法，其特征在于(a)、所用激光為準(zhǔn)分子激光，其波長范圍為193nm至248nm，激光能量強(qiáng)度為10mJ/cm2至500mJ/cm2；頻率范圍為1-100HZ；(b)、所用的中空纖維應(yīng)具有比一般纖維較高的取向度和較低的結(jié)晶度，其結(jié)晶度小于25％，纖維體的雙折射率大于0.18；(c)、用(a)所述的準(zhǔn)分子激光照射(b)所述的中空纖維10至80秒，即在所述中空纖維壁中產(chǎn)生穿透性微孔結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所用的準(zhǔn)分子激光可與被處理的纖維材料發(fā)生光化學(xué)作用，其作用原理是一定波長和強(qiáng)度的激光對聚合物的大分子鏈進(jìn)行直接切割，從而在聚合物表面，特別是化學(xué)纖維表面產(chǎn)生光化學(xué)雕蝕作用。這種方法方便、快捷、靈活，能處理極細(xì)的中空纖維，處理的區(qū)域及區(qū)域大小可任意選擇，無污染。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1為本發(fā)明激光加工技術(shù)制造多微孔中空纖維的方法一個(gè)典型實(shí)施例的流程示意圖。
圖1中1為激光器；1’為激光束；2為未處理的中空長絲紗筒；3為導(dǎo)紗鉤；4為喂入羅拉；5為絲束穩(wěn)定器(靜態(tài)處理方法中不需要)，其作用是保持被處理的長絲在運(yùn)動時(shí)不偏離激光束1’；6為牽引羅拉；7為被處理過的長絲；8為卷起紗筒。其中喂入羅拉4、牽引羅拉6及卷起紗筒8可以單動或聯(lián)動，整個(gè)喂入、牽引卷起系統(tǒng)可以是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以是脈動運(yùn)轉(zhuǎn)，并且運(yùn)轉(zhuǎn)速度是可調(diào)節(jié)的。具體的處理方法要依據(jù)實(shí)際需要來確定。待處理的中空纖維長絲卷裝于紗筒2中，通過導(dǎo)紗鉤3及喂入羅拉4后進(jìn)入絲束穩(wěn)定器5，在絲束穩(wěn)定器5中被激光器1發(fā)出的準(zhǔn)分子激光光束1’照射而產(chǎn)生多微孔，再通過牽引羅拉6及導(dǎo)紗鉤3進(jìn)入卷起紗筒8，即成為處理好的成品。
如上所述的本發(fā)明所涉及的方法中，準(zhǔn)分子激光不一定要聚焦，并且在纖維中產(chǎn)生的孔的大小及數(shù)目除了受激光輻射量影響之外，還受纖維自身結(jié)構(gòu)的影響，特別是纖維自身的結(jié)晶度、取向度是決定能否形成多孔結(jié)構(gòu)和形成多孔結(jié)構(gòu)特征(例如孔的大小和數(shù)目)的主要因素。
現(xiàn)有的生產(chǎn)多孔纖維或中空纖維技術(shù)和所生產(chǎn)的多孔纖維，特別是多孔中空纖維并不能滿足新型功能材料或過濾材料生產(chǎn)的要求，特別是在只需纖維具有局部多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，依靠現(xiàn)有技術(shù)是難以做到的。本發(fā)明提出的技術(shù)能很容易在纖維特別是在中空纖維長絲或短纖的軸向或徑向任意選擇的區(qū)域產(chǎn)生多微孔結(jié)構(gòu)，可滿足新型功能材料或過濾材料生產(chǎn)的要求。
本發(fā)明涉及的纖維，特別是中空纖維主要包括目前紡織工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一般中空纖維不同之處在于激光處理的效果與纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，激光處理后可產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)的中空纖維應(yīng)具有比一般纖維較高的取向度和較低的結(jié)晶度，即結(jié)晶度一般小于25％，最好小于30％；纖維體的雙折射率一般大于0.18，最好大于0.188。同時(shí)本發(fā)明涉及的中空纖維可以是單孔中空纖維，也可以是多孔結(jié)構(gòu)、即纖維截面中空孔數(shù)超過一個(gè)的中空纖維。
本發(fā)明提出的技術(shù)可用于單根長絲或短纖維，也可用于復(fù)絲長絲或短纖維束，但在處理復(fù)絲的時(shí)候，例如150D/30F長絲，依據(jù)實(shí)際需要，被處理的部位必須經(jīng)過一定的梳理處理，使復(fù)絲中的單根纖維彼此之間呈無遮擋排列狀態(tài)，防止由于復(fù)絲中單根纖維相互遮擋而造成處理不完全的結(jié)果。
本發(fā)明涉及的激光波長范圍為193nm至248nm，激光能量強(qiáng)度為10mJ/cm2至500mJ/cm2，在激光為1HZ時(shí)激光處理時(shí)間為10秒至80秒。例如，處理4D的滌綸中空纖維，可用193nm-248nm波長的激光，最好是248nm的激光，能量密度為30mJ/cm2至300mJ/cm2，最好為60mJ/cm2至200mJ/cm2；處理時(shí)間為10秒至60秒；最好為20秒至30秒。在處理復(fù)絲時(shí)，如使用高頻率的或連續(xù)的激光處理，會因?yàn)樘幚磉^程中的熱積累在復(fù)絲中導(dǎo)致明顯的熱作用，使長絲相互粘結(jié)。因此，處理復(fù)絲時(shí)最好使用脈沖激光，頻率可為1-100HZ，最好為10-40HZ。
在單絲或復(fù)絲的處理過程中，應(yīng)特別注意處理時(shí)被處理區(qū)域內(nèi)的單絲或絲束的穩(wěn)定，使被處理區(qū)域自始至終穩(wěn)定地處在激光的光斑之內(nèi)。特別是本發(fā)明涉及的處理技術(shù)，依據(jù)實(shí)際需要，可以在纖維軸向很大范圍內(nèi)產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，也可以在纖維軸向幾個(gè)微米的范圍內(nèi)產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，在小區(qū)域(微米級)處理的情況下，被處理的纖維的穩(wěn)定性顯得更為重要。
本發(fā)明所處理的中空纖維可以單孔中空纖維，也可以是多孔中空纖維，亦即可以是在橫截面中有包括一個(gè)或多于一個(gè)的、在纖維縱向連通或不連通的中空孔的中空纖維；包括中空孔在纖維的徑向或橫向與纖維外界部分或全部連通的中空纖維；包括中空孔中含有空氣或無任何物質(zhì)的中空纖維，也包括中空孔中含有其它物質(zhì)的中空纖維；包括單絲、復(fù)絲、短纖維，也包括處在單一或多種類纖維集合體或纖維制成品中的中空纖維。
權(quán)利要求
1.一種激光加工技術(shù)制造多微孔中空纖維的方法，其特征在于(a)、所用激光為準(zhǔn)分子激光，其波長范圍為193nm至248nm，激光能量強(qiáng)度為10mJ/cm2至500mJ/cm2；頻率范圍為1-100HZ；(b)、所用的中空纖維應(yīng)具有比一般纖維較高的取向度和較低的結(jié)晶度，其結(jié)晶度小于25％，纖維體的雙折射率大于0.18；(c)、用(a)所述的準(zhǔn)分子激光照射(b)所述的中空纖維10至80秒，即在所述中空纖維壁中產(chǎn)生穿透性微孔結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的中空纖維是一種延軸向具有空腔結(jié)構(gòu)的化學(xué)纖維長絲或短纖，可以是錦綸、滌綸或丙綸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的中空纖維可以單孔中空纖維，也可以是多孔中空纖維，亦即可以是在纖維橫截面中有包括一個(gè)或多于一個(gè)的、在纖維縱向連通或不連通的中空孔的中空纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的中空纖維還包括中空孔在纖維的徑向或橫向與纖維外界部分或全部連通的中空纖維。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的中空纖維包括中空孔中含有空氣或無任何物質(zhì)的中空纖維，也包括中空孔中含有其它物質(zhì)的中空纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在激光照射過程中，應(yīng)使被照射的中空纖維單絲或絲束保持穩(wěn)定，使被處理區(qū)域自始至終穩(wěn)定地處在激光的光斑之內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的中空纖維包括單絲、復(fù)絲、短纖維，也包括處在單一或多種類纖維集合體或纖維制成品中的中空纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在處理復(fù)絲的時(shí)候，被處理的部位必須經(jīng)過一定的梳理處理，使復(fù)絲中的單根纖維彼此之間呈無遮擋排列狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于處理復(fù)絲時(shí)最好使用脈沖激光，頻率可為1-100HZ，最好為10-40HZ。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光加工技術(shù)制造多微孔中空纖維的方法,其特征在于:所用激光為準(zhǔn)分子激光,其波長范圍為193nm至248nm,激光能量強(qiáng)度為10mJ/cm
文檔編號D01D10/00GK1220322SQ9711432
公開日1999年6月23日 申請日期1997年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月16日
發(fā)明者柳啟瑞, 陳 光, 龔文忠, 黃健洪, 陳炳華, 楊國榮 申請人:柳啟瑞, 陳 光, 龔文忠, 黃健洪, 陳炳華, 楊國榮