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CN1238579C - 由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法 - Google Patents

由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法 Download PDF

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CN1238579C
CN1238579C CNB018182968A CN01818296A CN1238579C CN 1238579 C CN1238579 C CN 1238579C CN B018182968 A CNB018182968 A CN B018182968A CN 01818296 A CN01818296 A CN 01818296A CN 1238579 C CN1238579 C CN 1238579C
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K·丹戈亚奇
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Abstract

一种由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法，包括下述步骤：(a)挤出和纺聚对苯二甲酸亚丙基酯，并由其形成单丝或复丝，(b)通过使纱线与一定温度下的转动第一对导丝辊接触而加热纱线，所述导丝辊的温度使得纱线温度高于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度并低于其冷结晶温度，(c)在第一对导丝辊和第二对导丝辊之间移动纱线，和(d)在低于第二对导丝辊1-15%的速度和低于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度的温度下，卷绕纱线。

Description

由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法
发明领域
本发明涉及由聚酯，特别是由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱。更具体地说，本发明涉及由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法。
发明背景
部分取向纱(POY)是其中拉伸比小于正常拉伸比，即小于制备完全取向纱(FOY)所用的拉伸比的长丝纱，造成聚合物分子仅仅部分纵向取向。这种必要的取向能够通过导丝辊之间的正常拉伸产生，或者仅仅通过调整第一对导丝辊相对于喷丝板的速度来产生。一般来讲，在由聚酯特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制备POY时，挤出或成形的纱线从喷丝板自由下落至络筒机。这是最经济的方法，并且由于PET具有宽的加工上下限范围即50-10000米/分钟的卷饶速度，这种方法对于PET来说很好。这种方法对于聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)来说效果不好，因为聚对苯二甲酸亚丙基酯具有窄得多的加工窗口，即500-4000米/分钟的卷饶速度。如果速度高于此范围，那么聚合物的Tg升高。这使得在拉伸加工过程中难以建立稳定的条件，因为由PTT制成的纱线对张力更加敏感。
一般使用纺拉成形法制备FOY。该方法一般包含两对或三对导丝辊，这些导丝辊一般被加热到不同温度，并且在其间进行纱线的拉伸。这种方法由于比上文中所述方法费用更高因此不用于制备POY。
发明简述
本发明提供了一种由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法，所述方法包括下述步骤：
(a)挤出和纺聚对苯二甲酸亚丙基酯，并由其形成单丝或复丝，
(b)通过使纱线与一定温度下的第一对导丝辊接触而加热纱线，所述导丝辊的温度使得纱线温度高于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度并低于冷结晶温度，
(c)在第一对导丝辊和第二对导丝辊之间移动纱线，和
(d)在低于第二对导丝辊1-15％的速度和低于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度的温度下，卷绕纱线。
在一个实施方案中，步骤(b)中，第一对导丝辊以1800-3500米/分钟的速度转动，步骤(c)中，第二对导丝辊以1250-4550米/分钟的速度转动，并且其温度使得纱线温度为45-120℃，拉伸比为0.7-1.3。优选的是，第一对导丝辊的速度为2000-3500米/分钟。优选的是，第二对导丝辊的速度为2450-4550米/分钟，更优选2560-4550米/分钟。优选的是，步骤(c)中纱线温度为45-100℃，更优选60至小于100℃。或者，步骤(c)中纱线温度为60-120℃。优选的是，拉伸比为0.7至小于1.3，更优选0.95-1.28。
在第二个实施方案中，步骤(b)中，第一对导丝辊以高于3500米/分钟的速度转动，步骤(c)中，第二对导丝辊以2450-10000米/分钟的速度转动，并且其温度使得纱线温度为80-180℃，拉伸比为0.7-3.0。优选的是，第二对导丝辊的速度为2560-10000米/分钟。优选的是，拉伸比为0.7至小于3.0，更优选0.95-2.0。
本发明还提供了一种由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法，所述方法包括下述步骤：
(a)挤出和纺聚对苯二甲酸亚丙基酯，并由其形成单丝或复丝，
(b)使纱线与在室温下的第一对导丝辊接触，
(c)在第一对导丝辊和第二对导丝辊之间移动纱线，所述第二对导丝辊的温度使得纱线温度高于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度并低于冷结晶温度，
(d)在第二对导丝辊和第三对导丝辊之间移动纱线，和
(e)在低于第三对导丝辊1-15％的速度和低于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度的温度下，卷绕纱线。
在第一个实施方案中，步骤(c)中，第二对导丝辊以1800-3500米/分钟的速度转动，拉伸比为0.3-1.0，步骤(d)中，第三对导丝辊以1250-4550米/分钟的速度转动，并且其温度使得纱线温度为45-120℃，拉伸比为0.7-1.3。优选的是，第三对导丝辊的速度为2450-4550米/分钟，更优选是2560-4550米/分钟。优选的是，步骤(d)中纱线温度为45-100℃，更优选60至小于100℃。优选的是，第二对导丝辊的速度为2000-3500米/分钟。优选的是，步骤(d)中，拉伸比为0.7至小于1.3，更优选0.95-1.28。步骤(c)中拉伸比优选为0.3-1.0，更优选为0.7-1.0，特别是0.95-1.0。
在第二个实施方案中，步骤(c)中，第二对导丝辊以1800-3500米/分钟的速度转动，拉伸比从高于1.0至1.05，步骤(d)中，第三对导丝辊以1250-4550米/分钟的速度转动，并且其温度能够使纱线温度为45-120℃，拉伸比为0.7-1.3。优选的是，第三对导丝辊的速度为2450-4550米/分钟，更优选是2560-4550米/分钟。优选的是，步骤(d)中纱线温度为45-100℃，更优选60至小于100℃。优选的是，第二对导丝辊的速度为2000-3500米/分钟。优选的是，步骤(d)中，拉伸比为0.7至小于1.3，更优选0.95-1.28。
第三个实施方案中，步骤(c)中，第二对导丝辊以高于3500米/分钟的速度转动，拉伸比为0.3-1.0，步骤(d)中，第三对导丝辊以2450-10,000米/分钟的速度转动，其温度能够使纱线温度为80-180℃，拉伸比为0.7-3.0。优选的是，步骤(d)中的拉伸比为0.7至小于3.0，更优选0.95-2.0。优选步骤(c)中的拉伸比为0.7至1.0，更优选0.95-1.0。优选第三对导丝辊的速度为2560-10,000米/分钟。
第四个实施方案中，步骤(c)中，第二对导丝辊以高于3500米/分钟的速度转动，拉伸比为大于1.0至1.05，步骤(d)中，第三对导丝辊以2450-10,000米/分钟的速度转动，其温度能够使纱线温度为80-180℃，拉伸比为0.7-3.0。优选的是，第三对导丝辊的速度为2560-10,000米/分钟。优选在步骤(d)中，拉伸比为0.7至小于1.3，更优选0.95-1.28。
在利用三对导丝辊的方法中，第一组导丝辊处于室温，在第一、第二组导丝辊之间实现了小的拉伸或者没有拉伸，第二组导丝辊被加热，并且主要的拉伸在第二组导丝辊和第三组导丝辊(G3)之间进行。第三对导丝辊也被加热，以使最后的POY卷装物稳定化。
发明的详细描述
本文中描述了由PTT制备POY的纺拉成形法。通过改变纺丝和拉伸条件(速度、温度等)，可以制成具有一定范围的伸长率和强度的POY。利用纺拉成形机制备PTT POY的目的，是通过在卷绕之前利用加热的导丝辊产生足够高的结晶度并松弛拉伸过程中产生的应力，来使纤维对收缩稳定并提高包装物稳定性和延长储存期。
拉伸方法一般涉及两对或多对导丝辊。例如，Barmag，Toray，Murata，Zimmer和Teijin Seiki纺拉成形机都可以用于制备PTTPOY。在该方法中，第一对收线导丝辊(G1)是用于将纱线加热到温度在PTT的玻璃化转变温度(Tg)以上(一般高于45℃)但低于PTT的冷结晶温度Tcc(一般低于60-65℃)，以使纤维能够在第一对导丝辊(G1)和第二对导丝辊(G2)之间拉伸。辊对(G1)的精确温度将取决于所用机械，并由导丝辊的速度和直径以及导丝辊上卷绕的圈数来确定。第二对导丝辊(G2)的温度应当比第一对导丝辊(G1)的温度更高，优选使纱线温度达到80-90℃。其精确温度也取决于导丝辊的速度和直径以及导丝辊上卷绕的圈数。纱线从第二对导丝辊(G2)移动到络筒机上。导丝辊与络筒机的相对速度为：(G1)小于、等于或大于(G2)，(G2)大于或等于络筒机。
实施本发明的一种优选方法是使用三对导丝辊。第一对导丝辊(G1)处于室温，第二对导丝辊(G2)被加热并进行了小的拉伸或没有拉伸，第三对导丝辊(G3)通过在第二对(G2)和第三对导丝辊(G3)之间进行拉伸，完成了拉伸成纱线的主要的拉伸(如果在导丝辊对之间多少有一点拉伸的话)。第三对导丝辊(G3)被加热，来使最终的POY卷装物稳定化。在这种情况下，导丝辊和络筒机的相对速度为：(G1)小于或等于(G2)，(G2)小于、等于或大于(G3)，(G3)大于或等于络筒机。
在没有拉伸的情况下，第一、第二对导丝辊之间的拉伸比(第二对导丝辊与第一对导丝辊的速度比)应当为从0.3，优选0.7，最优选0.95至1.0，第二对导丝辊的温度应当设定为使PTT的纱线温度高于PTT纱线的玻璃化转变温度(Tg)并低于冷结晶温度(Tcc)。如果希望第一、第二对导丝辊之间为小拉伸，那么拉伸比可以增加到最高1.05。第二对和第三对导丝辊之间的拉伸比应当为0.7-1.3，优选0.95-1.28，并且第三对导丝辊的温度应当如上所述根据导丝辊的速度，设定为使PTT纱线温度与上面的实施方案中第二对导丝辊的温度相同。
Tg和Tcc可以用差示量热计(DSC)来测试。DSC常规使用的程序是以20℃/min的速度加热纱线，并从-50℃-260℃之间进行温度扫描。记录纱线的吸热或放热响应变化。Tg是纱线从玻璃态到橡胶态的吸热变化开始时的温度(通过量热计温度扫描曲线的偏离来观察)。Tcc是过冷的纱线因冷结晶而产生放热变化变得最大(即扫描的峰)时的温度。用于测试的纱线样品可以来自第一对导丝辊速度为理想速度下制备的纱线以及卷绕到第一对导丝辊上的纱线。
在另一个实施方案中，本发明中所用的导丝辊对可以是一个导丝辊和一个从动辊，来代替两个导丝辊。低速下可以使用油雾，高于2000米/分钟的速度下可以使用气垫。
当第一对导丝辊(或者在使用三对导丝辊的实施方案中的第二对导丝辊)的速度为1800，优选2000至3500米/分钟时，拉伸比应当为0.7-1.3，优选小于1.3，最有选为0.95-1.28，这是由于使用拉伸变形机或者任何其它类型设备能够产生足够的蓬松性(或卷曲)。这种必要的取向可以通过导丝辊之间的正常拉伸来实现，或者仅通过调整第一对导丝辊相对于喷丝板的速度来实现。第一对导丝辊的温度设定为使PTT的纱线温度高于玻璃化转变温度，即45℃±5-10℃，并低于冷结晶温度，即60-65℃。第二对导丝辊的速度为1250，优选2450，最优选2560至4550米/分钟，并且第二对导丝辊的温度设定为使PTT的纱线温度为从45℃，优选60℃至120℃，优选至100℃，最优选低于100℃。该方法制成的纱线的伸长率大于60％，强度小于3.0g/d。
当第一对导丝辊的速度高于3500米/分钟时，拉伸比应当为0.7-3.0，优选小于3.0，最优选为0.95-2.0。第一对导丝辊的温度与上面的相同，但是第二对导丝辊的温度设定为使PTT的纱线温度为80-180℃。第二对导丝辊的速度为2450，优选2560至10,000米/分钟。该方法制备的纱线的伸长率高于20％，强度低于5.0g/d。
典型操作条件的一个实例如下：
表1
设定的纱线温度(℃)    速度(米/分钟)     纱线卷绕圈数
第一对导丝辊 50-55    1800-2500     6-9
第二对导丝辊 80-90    2800-3800     5-7
络筒机 室温    2800-3600     纱线张力0.03g/旦
速度比(拉伸比)为第二对导丝辊的速度与第一对导丝辊的速度之比，为1.2-1.7，第二对导丝辊的速度与络筒机的速度之比为1.01-1.10。
对于特定机械和特定纱线来说，选择所用的确切条件的要点如下。第一对导丝辊的温度必须设定为使PTT的纱线温度低于冷结晶温度Tcc并高于其玻璃化转变温度Tg。第一对导丝辊的温度根据导丝辊的直径、卷绕的圈数和导丝辊对的速度来选择。长丝的拉伸点控制在最后一圈刚要离开任何导丝辊对的那点。要选择导丝辊对的速度，使纱线卷绕是稳定的。下一对导丝辊的温度建立纱线的形态和松弛应力，以使之对收缩稳定。它还控制纱线的沸水收缩率。导丝辊对的相对速度即拉伸比控制长丝的伸长率和强度。
本发明方法的主要目的是防止卷绕过程中POY卷装物的收缩，并得到具有长的存放期的稳定卷装物。
下面，将参考下面的实施例描述本发明。
实施例
POY的纺丝
实施例1-8中，所用的所有聚对苯二甲酸亚丙基酯切片的IV为0.92(级别CP509210)。首先将切片在干燥器中在选择的温度下干燥选定的一段时间，使水含量低于30ppm。然后将切片自动加入到与挤出机相连的料斗中，并在选择的螺杆速度和区温度设定下挤出。通过挤出机后，将熔融的PTT通过过滤器输送到带有齿轮泵的纺丝组件(spin beam)上。然后，熔融的PTT通过预先选择了孔数的喷丝板得到所需的纱线根数，例如表2第2栏中所示的48、36和24。随后，使熔融的连续丝条通过在预定气流或空气流例如下述的0.4-0.5米/秒的空气流下的骤冷丝条形成室，在例如29℃下冷却并硬化形成连续长丝。然后将该固体连续长丝(或纤维)以如表2所示的预定卷绕圈数卷绕到第一对加热的导丝辊(G1)上。在骤冷丝条形成室和第一对导丝辊之间的某处，利用纺丝整理涂布器向长丝上涂布油剂。随后连续地，长丝继续移动到具有预定卷绕圈数(如表2所示)的第二对加热的导丝辊。随后，长丝通过络筒机卷绕到筒子上。当筒子达到重量(例如14kg)时，它自动地从络筒机上脱落成为POY卷装物。挤出和纺丝条件如下：
实施例1-6
干燥器：130℃，4小时，目标水含量：＜30ppm，实际上为35-45ppm。
所用的低温加热介质为Dow Chemical生产的Dowtherm J(沸点207℃)。
Zimmer(德国)/Teijin Seiki(日本)制造的纺丝机：市售纺拉成形机，具有24个纺丝位，每个纺丝位有8个端头。挤出机区温度设定为：245，250，255，255，260℃。
纺丝箱：250℃
纺丝组件：255℃
纺丝整理：Takemoto 2471(Takemoto Chemical，Inc.，Japan生产)，0.4％OPU(上油率)
挤出机(用于PET)：L/D＝24的单螺杆挤出机，直径为14.85cm。
纺丝挤出机料斗容量：5.08公吨(5吨)。
线圈架管大小：112(内径)×126(外径)×150mm(冲程长度)。
齿轮泵：22rpm下为2.4cc/转×4孔。
骤冷空气温度/流速：29℃/0.4-0.5米/秒。
络筒机是由Teijin Seiki制造的，型号为AW912。
对于实施例1-6来说，在喷丝板表面至骤冷丝条形成室之间的空间即没有加热设备也没有排气系统。加热设备一般是用于防止在挤出和熔体输送系统中加热下产生的副产物以及离开喷丝板时释放的副产物的凝结或结晶。如果安装了排气体系，那么该排气体系是用于抽出这些副产物。
实施例1-6中，导丝辊(G1)和导丝辊(G2)以及络筒机的条件列在表2中。
实施例7和8
干燥器：130℃，4小时，目标水含量：＜30ppm，实际上为35-45ppm。
使用了低温加热介质(沸点为207℃)。
德国Barmag制造的纺丝机：中试规模的纺拉成形机，带有一个纺丝位，每个纺丝位有6个端头。挤出机区温度设定为：240/250/265/255℃。
纺丝箱：250℃。
纺丝组件：258℃。
纺丝整理：Lurol PT7087(Goulston Technologies，Inc.，USA生产的)，0.4％OPU(上油率)。
挤出机：L/D＝24的单螺杆挤出机，直径为14.85cm。
纺丝挤出机料斗容量：500kg。
线圈架管大小：112(内径)×126(外径)×125mm(冲程长度)，管长为150mm。
齿轮泵：19rpm下为3.0cc/转。
骤冷空气温度/流速：29℃/0.4-0.5米/秒。
络筒机是Barmag的Craft(Birotor)Winder。
实施例7和8中，导丝辊(G1)、导丝辊(G2)和络筒机的条件列在表2中。
上述方法和实施例1-8中制备的POY线筒，其纱线性能特别适合于进一步用多种变形机加工成变形纱。能够由这种纱线制成适用于纺织品的织物。
表2
  实施例   纱线类型/根数   纺丝温度℃     G1/G2温度℃     G1/G2卷绕圈数     G1/G2速度m/min     G2/G1速度比     络筒机速度m/min    G2/络筒机速度比     强度     伸长率％     BWS％
  1   A1 POY 105/48   255     55/80     8.5/5.5     2500/3150     1.26     3050    1.03     3.00     76.2     9.8
  2   A2 POY 200/48   255     55/80     8.5/5.5     2500/3150     1.26     3050    1.03     2.78     82.9     7.6
  3   A3 POY 105/36   255     55/80     8.5/5.5     2500/3150     1.26     3050    1.03     2.88     81.8     8.2
  4   B1 POY 83/24   255     50/80     7.5/4.5     2500/3150     1.26     3050    1.03     3.02     76.2     8
  5   B2 POY 85/24   255     50/80     7.5/4.5     2500/3050     1.22     2950    1.03     2.90     84.7     6
  6   B3 POY 85/24   255     50/80     7.5/4.5     2915/3600     1.23     3350    1.07     3.31     63.6     10
  7   C1 POY 175/48   258     55/90     8.5/5.5     2500/2800     1.12     2700    1.04     2.6     110     ？
  8   C2 POY 195/48   257     48/80     8.5/5.5     2500/3200     1.28     3230    1.01     3.02     81     10.7

Claims (8)

1.一种由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法，包括下述步骤：
(a)挤出和纺聚对苯二甲酸亚丙基酯，并由其形成单丝或复丝，
(b)通过使纱线与一定温度下的第一对导丝辊接触而加热纱线，所述导丝辊的温度使得纱线温度高于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度并低于其冷结晶温度，
(c)在第一对导丝辊和第二对导丝辊之间移动纱线，和
(d)在低于第二对导丝辊1-15％的速度和低于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度的温度下，卷绕纱线。
2.根据权利要求1的纺拉成形法，其中：
步骤(b)中，第一对导丝辊以2000-3500米/分钟的速度转动，并且
步骤(c)中，第二对导丝辊以2450-4550米/分钟的速度转动，其温度能够使纱线温度为45-120℃，拉伸比为0.7-1.3。
3.根据权利要求1的纺拉成形法，其中：
步骤(b)中，第一对导丝辊以高于3500米/分钟的速度转动，并且
步骤(c)中，第二对导丝辊以2450-10,000米/分钟的速度转动，其温度能够使纱线温度为80-180℃，拉伸比为0.7-3.0。
4.一种由聚对苯二甲酸亚丙基酯制备部分取向纱的纺拉成形法，所述方法包括下述步骤：
(a)挤出和纺聚对苯二甲酸亚丙基酯，并由其形成单丝或复丝，
(b)使纱线与在室温下的第一对导丝辊接触，
(c)在第一对导丝辊和第二对导丝辊之间移动纱线，所述第二对导丝辊的温度使得纱线温度高于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度并低于其冷结晶温度，
(d)在第二对导丝辊和第三对导丝辊之间移动纱线，和
(e)在低于第三对导丝辊1-15％的速度和低于聚对苯二甲酸亚丙基酯纱线的玻璃化转变温度的温度下，卷绕纱线。
5.根据权利要求4的纺拉成形法，其中：
步骤(c)中，第二对导丝辊以2000-3500米/分钟的速度转动，拉伸比为0.3-1.0，并且
步骤(d)中，第三对导丝辊以2450-4550米/分钟的速度转动，其温度能够使纱线温度为45-120℃，拉伸比为0.7-1.3。
6.  根据权利要求4的纺拉成形法，其中：
步骤(c)中，第二对导丝辊以2000-3500米/分钟的速度转动，拉伸比为1.0以上至1.05，并且
步骤(d)中，第三对导丝辊以2450-4550米/分钟的速度转动，其温度能够使纱线温度为45-120℃，拉伸比为0.7-1.3。
7.根据权利要求4的纺拉成形法，其中：
步骤(c)中，第二对导丝辊以高于3500米/分钟的速度转动，拉伸比为0.3-1.0，并且
步骤(d)中，第三对导丝辊以2450-10,000米/分钟的速度转动，其温度能够使纱线温度为80-180℃，拉伸比为0.7-3.0。
8.根据权利要求4的纺拉成形法，其中：
步骤(c)中，第二对导丝辊以高于3500米/分钟的速度转动，拉伸比为1.0以上至1.05，并且
步骤(d)中，第三对导丝辊以2450-10,000米/分钟的速度转动，其温度能够使纱线温度为80-180℃，拉伸比为0.7-3.0。
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