CN100347365C - 制造丝束状聚合物纤维的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种制造丝束形式聚合物纤维的方法及其制造所用的装置。该方法包括带和不带卷曲的牵伸和热定型，其中丝束在加工期间具有每英寸恒定的旦数。该方法允许在经过制造设备/装置加工期间，制造每英寸宽度上厚度至少为150000旦的非常大的牵伸丝束。该制造装置依次包括常规的叠丝机、牵伸机，热定型机和非必要的卷曲机。因叠丝机定位在牵伸设备之前，故允许使用辊比通常已知的辊明显短的牵伸和热定型设备制造非常大的丝束。

Description

制造丝束状聚合物纤维的方法

技术领域

本发明涉及纤维生产中用到的，将合成聚合物材料制造成长丝状制造过程，尤其涉及对这类长丝材料，特别是通常被称作聚酯的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)进行牵伸、热定型以及卷曲的装置和方法。特别是，本发明涉及未牵伸丝束的旦数为大约3百万旦或更高和牵伸丝束的旦数为1.0百万旦或更高的新牵伸路线。更具体地说，本发明涉及聚合物丝束的牵伸、热定型和卷曲，这里，牵伸后丝束每英寸宽度具有恒定的旦数。

背景技术

在常规的合成纱线制造中，将熔融的聚合物材料以多根连续长丝的形式挤出，经骤冷冷却长丝后，它们以通常称作丝束的纵长共扩张(co-extensive)束丝被汇集并纵向传输。尤其对例如聚酯的聚合物材料，这些丝束要经受随后的牵伸和加热操作，以使每束丝中每根组成单丝的分子结构取向和热定型。

典型的牵伸和热定型操作包括，将多根丝束并列连续通过逐渐增加驱动速度的二道或多道牵伸机，对丝束施加纵向的牵伸力，使得它们的每根丝在牵伸机之间传输过程中受到牵伸而分子取向，接着将丝束沿着紧张热定型辊圆周的方向按正弦路径传输使之充分加热而固定丝的取向结构。通常，该丝束紧接紧张热定型机结构传输通过冷却机被冷却，并且最终将许多丝束在叠丝机中合并在一起并送往例如称作填塞箱的卷曲机，以赋予丝结构和膨松。

常规的牵伸生产线设备在牵伸丝前，将丝束铺开呈缎带状，并且该铺展的丝束在骤冷之后到卷曲机之前一直没有并丝。常规的牵伸生产线设备在牵伸带状丝束的操作中使用了悬臂辊，该悬臂辊要求支撑的壁相当巨大，并且悬臂辊的机械支撑结构必须足够大，以支撑辊并抵抗常规加工尺寸和旦数的丝束所产生弯曲力矩和偏斜力。

Paulsen的美国专利US 2,918,346公开了聚酯丝厚丝束取向的方法。Paulsen公开了将丝束带在加热浴中加热，并牵伸丝束达原始长度的2.3-5.8倍。在实施例3中，Paulsen公开了密度为每英寸142000旦的未牵伸丝束，相当于牵伸密度为每英寸大约24000-62000旦。

Bull等的美国专利US 3,259,681用图显示出始于喷丝板并连续通过牵伸阶段热定型并最后卷曲丝束的制备聚酯丝束的方法。在该专利的实施例4中公开了每英寸130000旦的未牵伸丝束。

Spiller的美国专利US 3,567,817公开了通过一系列的辊牵伸丝束的方法，包括在牵伸之间用热的液体加热丝束。在该专利的实施例4中公开了每英寸约为267000旦的未牵伸聚酯丝束。

虽然Paulsen、Bull等和Spiller的专利公开的是大旦数的丝束，但它们是未牵伸的。本发明制造150000旦/英寸或更大的牵伸丝束。

上述类型的丝束牵伸及热定型路线已被证明对既定目标是相当有效和可靠的。然而，因为纤维工业一直致力于提高效率和减少生产成本，所以为增加每束丝中的丝数目以及为提高丝通过牵伸和热定型加工的线速度已做了大量的努力，但涉及到在该生产线中建造装置以及对丝束中全部组成丝有效地完成热定型，其存在着特定的困难和问题。

发明内容

本发明寻求克服使用3百万旦或更大的厚重未牵伸丝束时常规牵伸线设备的笨重结构。不象常规牵伸路线那样在骤冷后用叠丝机将几束丝束合并，本发明在牵伸阶段之前就将几束丝束叠起和合并，以致厚重的丝束能行进通过整个牵伸线达到卷曲机。通过回避将丝束铺成缎带状的常规牵伸路线，使厚重的丝束形成平坦状但不是薄缎带状。它反而厚如非常厚的皮带并且当其通过牵伸机、热定型机和卷曲机时有150000旦/英寸或更大。本发明悬臂辊的结构比常规辊明显变短。因此本发明悬臂辊的结构不再要求巨大的结构性支撑和大的承载负荷特征。从而，本发明装置在投资成本上明显便宜。

本发明包括牵伸、热定型、骤冷及卷曲厚重丝束的装置和方法。

就最广义而言，本发明包括一种制造丝束纤维的方法，其包括对丝束进行每英寸宽度上旦数恒定地牵伸、热定型和卷曲的步骤。

就最广义而言，本发明包括将牵伸密度大于150000旦/英寸宽度的纤维束进行牵伸、热定型的方法。

就最广义而言，本发明包括叠丝设备、牵伸设备和热定型设备，各设备排列得能够使丝束状纤维束以紧凑的方式从叠丝机到热定型机连续通过。

附图说明

通过阅读以下详细说明并参考附图，本发明的其它目的和优越性将变得显而易见，其中：

图1是对以丝束状连续长丝进行从牵伸到卷曲操作的常规牵伸生产线的侧视简图。

图2是对以丝束状连续长丝进行从牵伸到卷曲操作的本发明牵伸生产线的侧视简图。

具体实施方式

现在参考附图按图描述，并首先参考图1-在本发明中寻求改进的用于牵伸和热定型长丝丝束的常规PET生产线，其通常以引用数字10表示。该生产线包括一个接一个成一直线排列的一系列机器单元，用于将丝束依次从一台机器传送到下一台机器。

基本上，首先将丝束从盛丝筒或其它合适的丝束供给源处(没有显示)传送到预张力架12，该预张力架沿着顺中心机架16纵长方向上的上下水平线交替排列着一系列驱动圆筒形辊14，其使丝束15以蛇行路径依次与各个上下辊的圆周连续接触行进，由此，多个辊14共同在生产线10的预备阶段给丝束15的下游牵伸建立了最初的张力点。

在下游与槽17留有间隔并彼此有间隔地布置两台牵伸机18、20。牵伸机18、20的每一台相似地包括中心直立框架22，多个筒状悬臂辊从该框架沿上下两条水平线交替伸出，以便丝束15沿蛇行路径连续地围绕辊24的每一个辊的圆周行进，这里，两台牵伸机18、20沿生产线10建立了另外的张力点。在预张力架12和牵伸机18之间设有含预牵伸流体，优选水基乳液的槽17，以便在丝束15进入第一牵伸机18之前对其施加流体。该流体有助于丝束的加工，例如减少断丝。一系列的辊26安装在槽17的入口以及槽17内流体液面之下，以便引导丝束15浸没于该浴中行进。槽17尾端有一对常规轧辊28将丝束中多余的流体挤出。第一流体箱30(基本上是封闭的有温水喷淋的通道)布置在两台牵伸机18、20之间，向丝束15上施加热水。热水应足以将丝束加热到接近其玻璃化转化温度。另一个流体箱32布置在第二牵伸机20的下游侧，但操作温度和第一流体箱30的相比更高。典型地，第二流体箱在丝束15通过其内部时向丝束上施加蒸汽，以便将丝束加热到高于其玻璃化转化温度。

紧张热定型机34紧接着布置在第二流体箱32之后，并主要包括比较笨重的结构，该结构有沿着上下两个水平线交替悬臂伸出的多个大直径辊38，以使丝束15按与上述预张力架12和牵伸机18、20相似的方式依次围绕辊38的外周蛇行行进。用任何合适的手段从内部加热每个热定型辊38的圆筒外周——该辊的直径比牵伸机18、20或预张力架12所用辊的大数倍——使其达到足够的温度(根据丝束15的物理特征、其行进速度、辊上的停留时间以及其它已知变量选择)以便在丝束保持张力的情况下对其进行热定型。由于紧张热定型机34中辊38的配置，缎带状的丝束15每一侧被加热，对于通常的聚对苯二甲酸乙二酯纤维被加热到大约180-205℃。当然，其它聚合物具有不同的玻璃化转化温度Tg因而需要不同的热定型范围。

紧接在紧张热定型机34后面的是具有从其上伸出有序悬臂辊44的冷却机40，以便将丝束15充分冷却到热定型温度以下从而稳定丝束的物理性能。从冷却机40出来，丝束进到喷淋机46，在该喷淋机中喷雾器(未示出)向丝束15施加合适的油剂组合物，以便强化丝束中丝随后的卷曲加工。

仍然保持缎带状的丝束15因太薄以至于难以用常规的卷曲设备加工。因此，在油剂喷淋机46之后布置叠丝机48以便将丝束叠得即窄又厚。叠丝机架48包括如图1所示排列的多个辊50，以便确定出分开的行进路径，通过它，丝束15的分隔部分能被引导着沿独立的路径行进。辊50确定了相互之间一般为会聚关系的不同路径，以便将丝束15的分隔部分引导到靠近叠丝机48丝束出口辊51，丝束15的分隔部分在这里彼此重叠地重新集合，形成了更厚更窄的丝束带。

丝束15被从叠丝机48输送到叫作张力调节机的52，其作为“松弛”吸收装置，对后面的卷曲机提供恒定的张力。该张力调节机52具有入口和出口54、56，在它们之间第三个辊58是竖直方向上可移动用来吸收丝束15的张力波动，以确保的丝束以基本恒定的张力传送给下游的卷曲机。然后，由张力调节机52输出的丝束15通过甬道状蒸汽柜60的蒸汽气氛，以便将丝束加热到高于大约90℃对于聚对苯二甲酸乙二酯，确保丝束15在通过卷曲机时会保持其卷曲特性。从蒸汽柜60出来，丝束传送到卷曲机62，该卷曲机是公知的赋予丝束卷曲或纹理结构的设备。卷曲机62可为所谓的填塞箱、齿轮卷曲单元或者其它合适的本工业中公知的替代装置。如果需要短纤维，那么在卷曲机62之后，丝束15通常被干燥并切断成为短纤维长度，并且收集打包，交付常规的纺纱工序以便生产短纤纱。

图1和2的牵伸生产线典型地用于聚酯纤维。聚酯纤维包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸丙二酯和聚萘二甲酸乙二酯的均聚物。聚酯纤维还包括基于聚对苯二甲酸乙二酯的共聚物，如聚对苯二甲酸-间苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸-己二酸乙二酯或者聚对苯二甲酸-丁二酸乙二酯等；或者基于聚对苯二甲酸丁二酯的共聚物，如聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯、聚对苯二甲酸-丁二酸丁二酯等；或者基于聚对苯二甲酸丙二酯的共聚物，如聚对苯二甲酸-己二酸丙二酯或者聚对苯二甲酸-丁二酸丙二酯等；或者基于聚萘二甲酸乙二酯的共聚物，如聚萘二甲酸-间苯二甲酸(isothalate)乙二酯、聚萘二甲酸-己二酸乙二酯、聚萘二甲酸-丁二酸乙二酯等或者上述任意2种或更多种的混合物。

如前述，虽然聚酯生产线10代表连续合成长丝牵伸、热定型和卷曲领域当前状况下可行的结构和工艺，但是其全部构造十分笨重并且非常昂贵，很大一部分原因是紧张热定型机34所需的尺寸。因为丝束在每一个辊上产生成吨的力并且必须停留足够长的时间以便仍然处于张力中丝束被加热到足以“锁定”其物理性能，所以紧张热定型机34必须十分笨重。要把丝束加热到其热定型温度，需对丝束15可被加工的行进速度进行严格限制。通常为了加热密度75000旦/英寸宽度的丝束，所需的停留时间大约5秒。为了令人满意地对丝束15全部各处向组成丝的两边均匀加热，紧张热定型机34的笨重结构要求以及其中为使支撑辊38不至偏斜的支承结构差不多要花费整个生产线10投资的1/3。

首要的是，本发明大体上克服了这些困难和缺点，并且能以比图1装置中常规所知的(到叠丝机之前，丝束为75000旦/英寸宽度)厚得多的恒定的每英寸宽度旦数(150000旦/英寸宽度丝束或更高)运行。

本发明将参考附图2阐述如下。本发明的合成纤维牵伸生产线通常以110表示。通常，来自高贮存容器等源头的许多小丝束被汇集成一般3百万旦或更高的单一丝束，并通过预张力装置112进入牵伸生产线110。该预张力装置具有一系列辊114，该辊用于对丝束115施加轻微张力以便所有起皱、缠结和集束的纤维变成缎带状。这一点是通过使丝束115按照本领域公知的蛇行路径围绕辊114定位实现的。从预牵伸装置114出来，丝束紧接着进入盛有纤维润滑流体的浸渍浴117，该流体通常为水溶性的，并起到润湿每根单丝的作用，以致当进一步加工丝束时丝之间不相互磨损。辊126将丝束导入浸渍浴并在浸渍槽中液面之下给丝束提供行进路径。在浸渍浴末端有一对轧辊128从丝束挤出多余的流体，以便多余的流体不弄湿整个牵伸生产线110。

在此阶段，丝束115为扁平的缎带状并且进入具有多个辊132的叠丝机130，辊132设计用于将丝束分隔成数个不同的部分，并相互垂直地叠起这些部分，以使丝束变成宽度约为最初进入叠丝机时宽度1/3(或更小)的厚带状。出叠丝机130后，丝束进入包括第一牵伸辊、喷淋浴和第二牵伸辊的第一牵伸段。第一牵伸机134包括一系列辊136。然后，丝束进入温度提高到大约90℃的喷淋浴138。虽然示出的是喷淋浴，但可以接受任何合适的加热手段，例如加热的液体浴、蒸汽柜、电磁辐射等。出喷淋浴，丝束进入轧辊139，其设计用于从丝束中除去多余的含湿量，然后进入有多个辊146的第二牵伸机144。辊146的圆周速度比第一牵伸机中辊136的圆周速度快2～6倍。速度上的这种差异使纤维比它们的初始长度伸长2～6倍。这时丝束进入最后牵伸和热定型段，以便使丝束进一步牵伸和取向达到比第一牵伸段所能获得的更高程度，并使在取向条件下同时仍处于张力状态的丝束热定型。非必要地，最后牵伸和热定型可象常规所知的那样分步骤完成。最后牵伸和热定型段包括辊架(roll stand)144、加热箱148和辊架154。支架154(原文为145，但图中未示出)上的辊156以前面支架144上的辊146的大约1.1X～2.5X倍速度运行，目的是给终产品、丝束115高的张力取向。这种最后牵伸的至少一部分发生在加热箱148中，它在大约100℃～大约200℃或更高的提高的温度范围内运行。

牵伸和热定型段在丝束密度为150000旦/英寸宽度丝束或更高的状况下运行。和现有技术中的惯例相比这是非常高的。高密度允许所有的辊长度将非常短，减少了辊和牵伸机上的弯曲负荷。降低负载将使设备更轻并且制造费用更少。

为了加热高密度的丝束，加热箱148必须使用让热渗透到丝束内部的、与仅仅加热表面和依赖简单传导截然不同的一种或多种加热方法。这类渗透加热方法包括电磁辐射例如微波和红外线，热液体浴和喷淋，以及热气体透过丝束的受迫流动。尤其适合的方法是，将饱和蒸汽向丝束上压缩，并特别是用加压的蒸汽。压力为蒸汽渗透到多孔丝束的内部提供了手段。

在加热箱148的高温下，聚合物在其仍处于最后牵伸段高张力的同时发生结晶。这为“锁定”纤维的取向结构而获得需要的高模量低缩率的最终产品性能提供了手段。丝束在加热箱148被热定型之后，从牵伸机154的未被加热的辊156上通过。丝束在解除张力之前温度被降至该聚合物玻璃化转变温度之下，从而高度取向的结构被保留下来。

出骤冷装置，丝束进入具有辊170的油剂箱168，在此为了易于加工向丝束施加了一种液体涂层，或者为了产生特定的性能对丝束的单丝进行表面处理。常规的油剂是本技术领域众所周知的。油剂箱之后，丝束先穿过具有类似于图1中张力调节机52的卷取辊架172然后进入蒸汽柜176。通过一对常规的轧辊180，丝束进入卷曲机178。卷曲机180可以是填塞箱型或者任何能够处理至少150000旦/英寸宽度的丝束的设备。这类装置是公知的。

在操作中，从数个纺丝源收集成的至少3百万旦的丝束，或者从多个盛丝筒(未示出)进入有辊114的预张力装置112，辊114设计用来伸直单丝制成缎带状的丝束。出预张力装置112后，丝束115紧接着进入设计用于向丝束提供少量含湿从而使它可加工(减少纤维对纤维的磨损)的浸渍浴。典型地，浸渍浴以接近环境温度(大多数情况为室温)施加水溶液或者溶剂。然后丝束进入叠丝机130，其中丝束被相互层叠以便制出宽度大约变为1/3(或更小)且大约厚了3倍的一根全体丝束。出叠丝机后，丝束115进入第一牵伸机，其中辊136典型地具有50mpm(米/分钟)～200mpm范围的圆周速度。喷淋浴138用于将丝束加热到至少高于聚酯的第一玻璃化转变温度(对于聚对苯二甲酸乙二酯，其大约为70℃)。然后丝束进入第二牵伸机144并沿蛇行路径行进，其中第二牵伸机的辊以介于100mpm和400mpm之间的圆周速度转动。由于转速不同，并且在喷淋浴138对纤维进行了加热，丝束在喷淋浴138中牵伸为其原始长度的2.0～4.0倍。对于聚酯型聚合物纤维，总牵伸比一般介于其原始长度的2和6倍之间。对于其它聚合物纤维，根据纤维的类型，总牵伸比可介于其原始长度的2和10倍之间。

第一次牵伸之后，典型地，将丝束再次牵伸以便进一步提高物理性能。此牵伸必须在提高的温度下进行，并且在加热箱148中进行。在已有的惯例中，最后牵伸和热定型段通常是分开的，热定型典型地在牵伸区后的加热辊上完成。本发明中，优选将最后牵伸和热定型结合在一台装置中。这简化了设备，并且还保证在最大取向时进行热定型。热定型之后，重要的是在温度降低到大约或者低于聚合物纤维的玻璃化转变温度之前不允许张力缓解，否则可能损失一部分取向。牵伸机154的功能不仅在于给丝束带最后牵伸提供动力，而且在于当丝束从加热箱148出来后在除去张力之前冷却丝束。为此，可提供辊156冷却手段，例如内部循环的冷却水或者从丝束上吹过空气的外部风扇。

骤冷之后，将丝束送到油剂组合物中常规地处理，充分加热将丝束引入卷曲机中，并且将丝束卷曲以便提供有公知“膨松化”特性的丝束，然后丝束可用络丝机(未示出)卷绕在纱锭上(也未示出)并销售，或者出卷曲机的丝束可用本领域人员公知的常规设备(未示出)切断成短纤维长度，并作为短纤维打包和销售。

因此显而易见，本发明已提供了一种完全满足前面提出的目的、目标和优点的方法。虽然本发明结合了具体的实施方案进行描述，但显然对于本领域的熟练人员来说，在前面描述的启发下，有许多替换、改进和变化是显而易见的。因此本发明要包括落入本发明精神和范围内的所有这类多替换、改进和变化。

Claims (15)

1.一种制造丝束状聚合物纤维的方法，包括：将在牵伸之前旦数至少为3百万旦的所述丝束牵伸至其起始长度的2-6倍，将所述丝束在张力下热定型，并将所述丝束卷曲以获得膨化，由此在牵伸后所述丝束每英寸宽度具有额定的恒定的旦数。

2.权利要求1的方法，其中在牵伸后，所述聚合物纤维具有的旦数为每英寸宽度150000旦或更多。

3.权利要求1的方法，其中所述聚合物纤维选自聚对苯二甲酸乙二酯的均聚物或共聚物、聚对苯二甲酸丙二酯的均聚物或共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯的均聚物或共聚物以及聚萘二甲酸乙二酯的均聚物或共聚物。

4.权利要求1的方法，其中所述热定型可为压缩到丝束上的加压气体、电磁辐射或者热液体浴。

5.权利要求4的方法，其中所述电磁辐射是红外辐射或微波辐射。

6.权利要求4的方法，其中所述热液体浴包括热油或任何温度低于大约200℃时不蒸发的液体。

7.权利要求6的方法，其中所述热油为矿物油。

8.权利要求4的方法，其中所述加压气体为压缩到丝束上的蒸汽。

9.权利要求1的方法，其中所述丝束在所述热定型步骤后骤冷。

10.一种制造丝束状聚合物纤维的方法，包括：将所述丝束牵伸至其起始长度的2～6倍并将所述丝束的张力下热定型，由此在牵伸后所述丝束每英寸宽度的旦数为150000旦或更多。

11.权利要求10的方法，其中所述聚合物纤维选自聚对苯二甲酸乙二酯的均聚物或共聚物、聚对苯二甲酸丙二酯的均聚物或共聚物、聚对苯二甲酸丁二酯的均聚物或共聚物以及聚萘二甲酸乙二酯的均聚物或共聚物。

12.权利要求10的方法，其中所述热定型可为压缩到丝束上的加压气体、电磁辐射或者热液体浴。

13.权利要求12的方法，其中所述电磁辐射是红外辐射或微波辐射。

14.权利要求12的方法，其中所述热液体浴包括热油或任何温度低于大约200℃时不蒸发的液体。

15.权利要求12的方法，其中所述加压气体为压缩到丝束上的蒸汽。

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