CN1059719C - 并列双组份复合多孔型中空立体卷曲纤维 - Google Patents

Abstract

本发明是关于并列双组份多孔型中空立体卷曲纤维的制备，属纤维制造类。该纤维是采用双组份聚合物(如PE/PP、PET/PBT、高粘度PET/低粘度PET)复合纺丝3～17孔的立体卷曲纤维。由于双组份熔体从喷丝孔挤出受环吹冷却发生收缩应力的差异，导致所得纤维为自然立体卷曲，且卷曲的持久性得以充分改善。利用复合纺丝装置仅对喷丝组件略加改造即可实施该纤维的生产。

Description

并列双组份复合多孔型中空立体卷曲纤维

本发明是关于并列双组份复合多孔型中空立体卷曲纤维的制备。它是采用双组份聚合体：不同聚合物(PE/PP、PET/PBT)；不同分子量的聚合物(高粘度PET/低粘度PET)。经熔融并列进入喷丝板导孔，由多孔喷丝板挤出、冷却和拉伸制得并列双组份复合多中空立体卷曲纤维(图1)。由于双组份的引入，使最终产品卷曲性能得以根本改善，赋予自然持久的卷曲特征，卷曲牢度和弹性回复也得到提高。

为了提高纤维的回弹性和保暖性，美国杜邦公司于90年代推出了四孔和七孔纤维。EP 352,389，US 5,540,993和US 5,540,994是以聚酯(PET)为原料，经熔融、通过多孔喷丝板挤出、环吹冷却、闭环成形和后处理制得了四孔和七孔纤维，所得纤维能承受高强力、且弹性好。杜邦喷丝孔是围绕喷丝孔圆心为中心的类似工形狭缝组成，由于狭缝排列受到平面布局限制，无法使其继续增多纤维的孔数。

为了使成品纤维具有三维卷曲性能，美国、日本于80～90年代采用了一种偏心非对称冷却法如(JP1981-29007)：该工艺是对单组份熔体在成形单中空或多中空时采用特殊的强冷却，在闭环成形的同时，由于中间空腔的存在，阻碍了热量的传递，使纤维在截面上温度分布出现梯度；这种温度梯度导致了大分子结晶与取向度出现差异，由此赋予了初生纤维的卷曲潜在性能。然而，环吹风速度与温度受种种条件的制约和同一聚合体由此差异而引起的收缩应力又受该聚合体固有特性局限(成纤聚合体热线膨胀系数一般为10^-5k^-1水平)，这是导致纤维自然卷曲立体构象不稳定的根本原因；对初生纤维进行拉伸处理，虽能借助于其潜在收缩应力，在高拉伸外力消失后，高弹形变伸展的大分子即发生松弛，纤维绕轴向发生扭曲，宏观上形成螺旋波纹。但这取决于潜在原丝收缩应力的大小，即使采用由瞬间快速冷却(冷却风速高达5.5～6.0m/s)应力差异仍较难维持纤维卷曲持久；尽管人们又采用热定型方法，试图达到固定其卷曲构象之目的，但毕竟这种大分子序态结构是处于亚稳状态，在外力作用下或较长时间使用后，这种卷曲性能将逐渐消失。这种偏心非对称冷却成形法的本质缺陷是在于采用同一分子量的聚合物。同时生产中采用的强冷却所消耗的能量很大，由此大幅度地提高了生产成本。

JP96-22608采用了二种不同粘度同种聚合物，通过围绕喷丝孔圆心为中心的圆弧形狭缝挤出，冷却闭环成形，经后处理制得单中空纤维。由于单中孔空腔的狭小且易瘪陷，所以纤维明显存在着保暖性差及回弹性难以持久的缺陷。

本发明目的是制备卷曲性能优异的多中空纤维，寻找出一种易于实施工业化生产的方法制备并列双组份多孔型中空立体卷曲之纤维。

本发明的原理是根据“双金属片”的记忆效应，受热形变引起双金属片的弯曲取决于两种金属片的热膨胀系数和金属片的厚度。由此推断，纤维中空度的增加，它将大大地减少纤维管壁厚度，有利于纤维卷曲性和回弹性的提高；同时由于纤维横断面多孔结构空腔增大，空气的隔热作用导致了纤维有优良的保暖性；且双组份不对称聚合物结构使纤维能持久地保持其立体卷曲状态。

本发明的实施途径为：将双组份聚合物分别熔融，经特殊的喷丝组件(图2)，它包括预分配板、第一分配板、第二分配板、复合调整板并列地进入喷丝板导孔，通过多中孔喷丝孔挤出，经冷却后处理得到并列双组份复合多孔型中空立体卷曲纤维。仅只要对复合纺丝装置的纺丝组件加以调整，即可实现该种纤维的生产。

本发明的工艺基础是双组份聚合物的匹配选择。与常规的并列形复合纤维之差异是本纤维为多中空纤维。受双组分聚合物流变性能和喷丝孔狭缝挤出量的局限，为形成卷曲性能优异又保持多孔截面完整，满足纺丝性能稳定的要求，故对双组份聚合物的选择是极其重要的。为此对双组份聚合物的选择有下列几方面的条件限制：(i)双组份聚合物的收缩性能——选择双组份聚合物的热收缩性能差异越大，在同样冷却条件下初生纤维的收缩内应力则越大。在双组份匹配上可选择聚合体热膨胀系数差异大的双组份。以PE/PP和PET/PBT为例：PE与PP的热线膨胀系数为20.0～22.0×10^{- 5}K^-1与6.0～8.0×10^-5K^-1，PET/PBT的热线膨胀系数为7～8×10^-5K^-1与13×10^-5K^-1，进一步优化选择不同的PE与PP规格，即可达到上述要求；这种热收缩的悬殊差异为立体卷曲提供了内在的保证，更重要的是由于并列双组分的聚合物差异形成的纤维弹性回复率是持久稳定的，而且由于多中空结构的存在，使这种性能尤为明显。(ii)双组份聚合物的相容性——选择双组份相容性好的聚合体是保证初生纤维成孔的完整性与拉伸后成品纤维的卷曲性的重要条件。由于多狭缝挤出量的限制，在纤维截面上双组份界面接触甚为有限，未成形纤维截面的完整性很大程度上取决于双组份熔体接触界面的相容性，更为具体地说是两聚合物界面的相互粘接性，选择不当很易使纤维截面中孔破裂或经后拉伸出现两组份分离。在双组份的选择上，可选择聚合物的溶度参数彼此靠近的组份，或采用结构相似相容的原理进行筛选。以PE/PP为例：PE与PP的溶度参数分别为6.2×10^-3(J/m²)^1/2与6.6×10^-3(J/m²)^1/2，决定其双组份的相容可行。又在此基础上进一步优选材料的型号以达到最佳匹配目的。实验结果表明：以下双组份的选择是可行的，它们是：聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)；聚酯(PET)/聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)；高粘度PET/低粘度PET；(iii)双组份的流变性——选择双组份熔体中每一组分的流变性在纺丝条件下尽可能接近是稳定纺丝的一个重要条件。由于双组份结构差异越大，一般而言其收缩会出现较悬殊的变化，然而这也导致聚合物流变性能出现不同。当双组份进入喷丝板导孔之后，所处的外部环境为同一条件，即温度、压力等均为一致，双组份流变性能较为接近时，对纺丝的稳定性、对初生纤维的闭环成孔、对双组份的对称性和成品纤维的立体卷曲都有着显著的影响。因此，当双组份聚合物种类确定后，双组份聚合物的纺丝温度和熔体压力的选择匹配，对于形成双组份多孔型中空纤维的成空率、中空度及并列复合界面的均匀性，是极其重要的。

本发明双组份聚合物复合比的选择是涉及纤维卷曲性能和成品纤维成本高低的关键。从降低生产成本角度出发，选择廉价的组份为主要比例是合理的，然而所占比例太高会影响纤维的卷曲性能，一般A组份与B组份之比宜在20∶80～80∶20；从纤维的卷曲性能角度出发，选择较为接近的双组份比例是适当的，因为这种比例可以增加初生纤维的收缩内应力，从而提高纤维的卷曲性能，一般A组份与B组份之比宜在40∶60～60∶40。

本发明所述的双组份复合比的实施是依赖于一种特殊的纺丝组件，它包括：预分配板、第一分配板、第二分配板、复合调整板和多孔喷丝板(详见上海德全化纤设备厂王永亮等人提交的关于“并列双组份复合多孔型中空纤维纺丝组件”专利申请)。双组份熔体通过预分配板、第一分配板、第二分配板和复合调整板，均匀、平衡地到达喷丝板导孔的两侧(由复合调整板将双组份间隔开来)，并列地按所需的复合比进入喷丝板导孔。双组份复合比的调整可借助于复合调整板将喷丝板导孔口分割的比例来实施(也可通过双组份输出计量泵转速予以控制)。被分割喷丝导孔截面之比宜在40∶60～60∶40之间，更为可取的面积之比为50∶50。

本发明对组件温度的选择是随双组份聚合物的改变而改变的。在双组份确定后，组件温度的确定是以双组份聚合物流变性能达到吻合为终点，具体表现为纺丝的稳定性和初生纤维的均匀性，更为直观的是喷丝孔出口处未成形纤维保持挺直和光滑，以此来决定纺丝箱体温度。对下列双组份纺丝箱体温度的选择是：PE/PP宜在258～282℃；PET/PBT宜在270～284℃；高粘度PET/低粘度PET宜在265～298℃。

本发明采用的多孔喷丝板是由围绕喷丝孔圆心为中心的不同射线一侧分布的弧形狭缝组成，每个弧形狭缝可以是：类似C字型；类似E字型。由弧形狭缝构成的空腔数为3～17个，一般以3～15个为宜(图3)。采用不同空腔数可得到不同的多孔纤维，孔数的确定是依赖成品纤维的要求。

本发明由于利用了双组份聚合物悬殊的冷却收缩率差异的固有特性，由此对冷却温度及风量的要求不再十分苛求，即可达到工艺要求。本发明采用的环吹风速度仅为0.4～0.8m/s，风温为14～28℃，这对降低设备要求能耗，稳定纺丝工艺极为有利。

本发明对初生纤维实施拉伸处理，其喷头拉伸比宜在50～100倍，后拉伸比宜在2.8～4.8倍；更为可取的喷头拉伸比为40～80倍，后拉伸比为3.0～4.0。

本发明由于选择了两种热收缩率差异极大的聚合体，导致了所得纤维的自然卷曲数增加到7.4个/2.5cm以上(单组份仅为5.6个/2.5cm)。不仅如此，并列复合双组份多孔型中空纤维的弹性回复率较单中空并列双组份纤维又有所提高(见实例2，对照例2)，纤维的初始弹性回复率经十万次负荷压缩，单中空双组份纤维(对照例2)，其弹性回复保持率30％，而多孔型中空双组份纤维(实施例2)，可达58％，提高了近一倍。

附图说明

图1并列双组份复合多孔型中空立体卷曲纤维生产示意图a-螺杆  b-纺丝箱体及复合并列多孔组件   c-卷绕

图2并列双组份复合多孔型中空立体卷曲纤维纺丝组件示意图1帽盖  2外套圈  3隔离板  4过滤器  5预分配板  6第一分配板7第二分配板  8复合调整板  9喷丝板  10纺丝孔11A成分积存处  12B成分积存处  13预分配板A成份积存处14预分配板B成份积存处  15第一分配板A成份环形槽16第一分配板B成份环形槽  17铝垫圈

图3多中空喷丝板狭缝孔型示意图a-五孔图           b-九孔图            c-十三孔图

图4多中空纤维及多孔纤维截面图a-多中空纤维立体卷曲图  b-多中空纤维截面图  b1-五中空纤维截面图  b2-九中空纤维截面图  b3-十三中空纤维截面图

图5双组分多中空纤维(PE/PP)DSC图(5℃/min升温)a-PE切片  b-PP切片  c-PE/PP双组分复合多中空立体卷曲纤维

本发明以下列实施例予以说明，但本发明专利权利要求不受实施例条件所限制。实施例1

用A，B两根螺杆(φ80mm)分别对低粘PET[η]＝0.58(以苯酚-四氯乙烷为溶剂，在25℃温度下进行测试)和高粘PET[η]＝0.70(测试方法同上)进行熔融，通过计量泵10cc/rpm输入至纺丝箱体和复合并列纺丝组件(喷丝板φ＝160mm，喷丝板孔数200孔)挤出，经环吹(风速＝0.6m/s，风温24℃)冷却，纺丝箱体温度265-298℃，纺丝速度620m/min，喷头拉伸倍数60倍，对集束总旦数65万旦的卷绕丝束采用两级拉伸，一级拉伸3.2倍(油浴温度72℃)；二级拉伸1.12倍(过热蒸汽125℃)，热定型温度(一区125℃；二区135℃；三区120℃)，热定型时间16分，由此制得并列双组分复合多中空立体卷曲纤维(图4)，其成空率达97％，∑中空度31.8％，自然卷曲个数7.5个/2.5cm，伸长38％，强度3.9CN/dtex，切断长度65mm，弹性回复率88.8％。实施例2

采用实施例1的A、B螺杆及纺丝箱体和复合多孔组件，A螺杆熔融PET[η]＝0.65，B螺杆熔融PBT[η]＝0.72，纺丝箱体温度270～284℃，环吹风风速0.6m/s，风温24℃、纺丝速度580m/min、喷头拉伸倍数60倍，集束总旦数65万旦、后拉伸温度(油浴70℃，过热蒸汽120℃)、拉伸比(一级3.0倍，二级1.11倍)、热定型温度(一区120℃；二区135℃；三区120℃)和热定型时间16分。所得纤维成空率95.7％，∑中空度26.5％，自然卷曲个数7.4个/2.5cm，伸长48％，强度3.4CN/dtex，切断长度65mm，弹性回复率91.8％。实施例3

采用实施例1的A、B螺杆及纺丝箱体和复合多孔组件，A螺杆熔融PP，B螺杆熔融PE，复合并列成PP/PE多孔型中空纤维。纺丝箱体温度270℃，环吹风速0.4m/s，环吹风温16℃，纺丝速度650m/min，喷头拉伸倍数60倍，后拉伸I级3.2倍(油浴温度50℃)，II级1.16倍(过热蒸汽105℃)，热定型温度(一区105℃；二区115℃；三区110℃)。所得纤维成空率95％，∑中空度27％，自然卷曲个数7.2个/2.5cm，伸长54％，强度3.2CN/dtex，切断长度65mm，弹性回复率86.6％。

该纤维的组分可以由DSC来测定(图5c)。对照例1

采用A、B螺杆及复合纺丝箱体，A螺杆熔融高粘度PET[η]＝0.70，B螺杆熔融低粘度PET[η]＝0.58，并列成单空复合纤维，所得纤维成空率95％，中空度18％，自然卷曲个数6.8个/2.5cm，伸长42％，强度3.6CN/dtex，切断长度65mm，弹性回复率87％。对照例2

采用A、B螺杆及复合纺丝箱体，A螺杆熔融PET[η]＝0.65，B螺杆熔融PBT[η]＝0.72，所得单空复合纤维成空率96％，中空度19.5％，自然卷曲个数6.5个/2.5cm，伸长52％，强度3.3CN/dtex，切断长度65mm，弹性回复率89.8％。

Claims (13)

1、一种包含双组份并列复合多孔型中空立体卷曲纤维，其特征在于：所述双组份是两种相容的聚合物组份，它们可以是：聚乙烯(A)与聚丙烯(B)；聚酯(A)与聚对苯二甲酸丁二酯(B)；或者高粘度聚酯(A)与低粘度聚酯(B)，将所述双组份熔体按一定复合比并列地进入喷丝板的导孔，通过多孔喷丝板挤出，熔体在环吹风冷却作用下闭合成环，形成双组份并列形复合多孔型中空原丝，其后经喷头拉伸、后拉伸制得并列双组份复合多孔型中空立体卷曲纤维。

2、根据权利要求1所述的纤维，其中所述双组份复合比可为：组份A占总组份的20～80％，组份B占总组份的80～20％。

3、根据权利要求2所述的纤维，其中所述双组份的复合比可为：A组份占总组份的40～60％，B组份占总组份的60～40％。

4、根据权利要求1所述的纤维，其中双组份熔体分别通过预分配板、第一分配板、第二分配板和复合调整板到达喷丝板导孔，双组份熔体在导孔孔口对称分开，被分开导孔的面积之比在40∶60～60∶40之间。

5、根据权利要求4所述的纤维，其中所述被分开导孔的面积之比为50∶50。

6、根据权利要求1至5中任何一项所述的纤维，其中不同的双组份选择不同的纺丝箱体温度，它们分别是：(1)聚乙烯与聚丙烯的纺丝箱体温度为258～282℃；(2)聚酯与聚对苯二甲酸丁二酯的纺丝箱体温度为270～284℃；或者(3)高粘度聚酯与低粘度聚酯的箱体温度为265～298℃。

7、根据权利要求6所述的纤维，其中所述多孔喷丝板由以喷丝孔圆心为中心不同射线一侧分布的弧形狭缝组成。

8、根据权利要求7所述的纤维，其中所述弧形狭缝是中心对称地分布在喷丝孔上的类似C字形或类似E字形的弧形狭缝。

9、根据权利要求1所述的纤维，其中所得多孔纤维为3～17孔双组份并列形复合纤维。

10、根据权利要求9所述的纤维，其中所得多孔纤维为3～15孔双组份并列形复合纤维。

11、根据权利要求1所述的纤维，其中所述经环吹风冷却作用下闭合成环的环吹风速度为0.4～0.8米/秒，风温为14～28℃。

12、根据权利要求1所述的纤维，其中所述喷头拉伸的拉伸比为50～80倍，所述后拉伸的拉伸比为2.8～4.8倍。

13、根据权利要求12所述的纤维，其中所述后拉伸的拉伸比为3.0～4.0倍。

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