CN101068960A - 具有降低的摩擦系数的弹性纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有降低的摩擦系数的交联、烯烃弹性纤维。更特别地，本发明涉及含有有机或无机填料的交联、烯烃弹性纤维。更特别地，本发明涉及含有无机填料的交联、聚乙烯基弹性纤维。

Description

具有降低的摩擦系数的弹性纤维
本发明涉及具有降低的摩擦系数的交联、烯烃弹性纤维。更特别地，本发明涉及含有无机填料的交联、烯烃弹性纤维。更特别地，本发明涉及含有无机填料的交联、聚乙烯基弹性纤维。
最近，在纺织和服装领域中由聚烯烃材料，特别是交联聚烯烃材料(如美国专利5,824,717、6,048,935、6,140,442、6,194,532、6,437,014和6,500,540中公开的那些)制得的弹性纤维得到越来越多的关注。交联、烯烃弹性纤维包括乙烯聚合物、丙烯聚合物和全氢化苯乙烯嵌段共聚物(也称作催化改性聚合物)。乙烯聚合物包括均匀支化和基本上线形均匀支化的乙烯聚合物和乙烯-苯乙烯共聚体。这些交联、烯烃弹性纤维具有良好的抗化学性和抗热性、耐用性和舒适伸展性，由此越来越广泛用于编织和纺织应用中。
使用这些弹性纤维进行的纺织包括将弹性细丝以伸展形式加入到纤维中。通过使用弹性纤维的正面(positive)退绕或恒定张力给料器达到伸展的一致性和伸展的数量(拉伸(draft))。在圆形纺织特征(featuring)的正面退绕设备上(例如Memminger-IRO GmbH制造的那些)，通过弹性纤维进入纺织机器的输送率和非弹性或硬质细丝进入纺织机器的输送率的比率控制拉伸。在特定拉伸上的纤维具有一定的张力。由于导丝(guiding)元件的摩擦，在进料设备和导丝元件之间产生的张力较低。降低的数量反映出纤维与导丝元件的摩擦性质，其可以根据摩擦的动态系数定量。摩擦的高动态系数会导致张力的明显下降，由此可以导致拉伸的减少和纤维的断裂。纤维的表面特性、机器导丝元件的表面特性和放置机器导丝元件的几何学能够影响摩擦的动态系数。例如，用于圆形纺织机器的导丝元件具有不同类型，包括低摩擦滑轮、陶瓷小孔、陶瓷管等，其每一个均具有不同的几何形状和摩擦系数。
如lastol的聚烯烃基弹性纤维通常具有较高的摩擦动力系数，使这个问题对于这些纤维尤为重要。最近，对于这些纤维，通常通过使用施加到纤维表面的整理润滑剂或“纺丝整理助剂”以降低摩擦系数。已经证实了和弹性纤维一起使用的不同纺丝整理助剂，例如分散于织物油中的金属皂(见例如US3,039,895或US6,652,599)、原油中的表面活性剂(见例如美国公开2003/0024052)和聚烷基硅氧烷(见例如US3,296,063或US4,999,120)。
虽然有所帮助，但是这些纺丝整理助剂并没有消除问题，并且导丝元件的摩擦系数仍然很高，特别是对于小孔或管式导丝器。因此在退绕设备和导丝元件之间的区域中拉伸和张力仍然很低。这会导致以下几个问题，包括：在退绕设备中缺乏引发止动滑轮的足够张力(用来防止纤维断裂)以停止机器和由于非常低水平的提升力(该提升力小于需要将细丝从线轴上分离下来的力)导致的不规则循环—由此致使纤维断裂。在针床以前的金属或陶瓷导丝元件中降低的摩擦系数会提高线轴和针床之间的纤维张力的保持并且解决了这些问题。
已经发现在纺织纤维之前将一种或多种无机填料(如滑石、合成二氧化硅、沉淀碳酸钙、氧化锌、硫酸钡、二氧化钛)加入到聚合物中，以降低摩擦的动态系数。通过结合无机填料的使用与纺丝整理助剂的使用以改进这些效果。
因此，本发明的一方面是包括具有至多5重量％的一种或多种无机填料的交联烯烃聚合物的弹性纤维。通常，在纺织纤维之前将这些材料熔融化合入聚合物材料中。
本发明的纤维优选由例如硅油的纺丝整理助剂涂覆。
本发明的纤维不仅显示出降低的摩擦动力系数，并且还显示出改进的韧性，并且当将电子束用于交联时还具有改进的电子束产量。并且当在其中使用具有无机填料的烯烃材料时，也会减少模具的集结，并且通常在以裸露(bare)形式使用纤维的应用中所需的不透明性也会增加。
图1是用于下述的动力纤维-陶瓷针摩擦测试中的电子恒定张力传输机单元(“ECTT”)的示意图。
为了本发明，下列术语具有给定的说明：
“聚合物”是指通过聚合相同或不同类型的单体制得的大分子化合物。“聚合物”包括均聚物、共聚物、三聚物、共聚体等。术语“共聚体”表示通过聚合至少两种类型的单体或共聚单体得到的聚合物。它包括，但不限于共聚物(通常涉及由两种不同类型的单体或共聚单体制得的聚合物，尽管其通常与“共聚体”(通常涉及由三种或三种以上不同类型的单体或共聚单体制得的聚合物)交换使用)、三聚物(通常涉及由三种不同类型的单体或共聚单体制得的聚合物)、四聚物(通常涉及由四种不同类型的单体或共聚单体制得的聚合物)等等。术语“单体”或“共聚单体”可交换使用，其指的是具有加入反应器中以产生聚合物的可聚合部分的任何化合物。在某些情况中当聚合物表示为含有一种或多种单体时，例如含有丙烯和乙烯的聚合物，其含有衍生自单体的单元(例如-CH2-CH2-)的聚合物，而非单体本身(例如CH2＝CH2)。
“纤维”表示其中长径比大于大约10的材料。通常，根据其直径对纤维进行分类。长丝纤维通常定义为具有大于大约15旦、通常大于大约30旦的单独纤维直径。细旦纤维通常表示纤维具有小于大约15旦的直径。微旦纤维通常定义为具有小于大约100微旦的直径的纤维。
相对于“短纤维”(限定长度(也就是，剪切或分割成预定长度的片段的束)的不连续材料束)，“长丝纤维”或“单丝纤维”表示单一连续的无限定长度(也就是，无法预测)的材料束。
“均丝(homofilament)纤维”表示在其长度上具有单独聚合物区域或部分并且不具有任何其它不同聚合物区域(也就是双组分纤维)的纤维。“双组分纤维”表示在其长度上具有两种或两种以上不同聚合物区域或部分的纤维。双组分纤维也称作共轭或多组分纤维。尽管两种或两种以上的组分可以包含相同聚合物，通常聚合物彼此是不相同的。聚合物以基本上不同的区域排列交错在双组分纤维的横截面上，并且通常沿着双组分纤维的长度连续延伸。双组分纤维的构型可以是，例如，盖/核(壳/核)排列(其中一种聚合物环绕着另一种)、肩并肩排列、扇形排列、或“海岛”排列。双组分或共轭纤维进一步公开于USP6,225,243、6,140,442、5,382,400、5,336,552和5,108,820。
“弹性”表示在第一次拉伸之后能恢复到其伸长长度的至少约50％且在第四次之后达到100％应变(双倍长度)的纤维。还可以通过纤维的“永久变形”来描述弹性。永久变形与弹性相反。将纤维伸展到某一点，随后将其释放到伸展前的原始位置，然后再次拉伸。在纤维开始拉伸负载的点被称为永久变形的百分率。
“填料”表示能够通过表面相互作用或其缺乏(lack)和/或其本身的物理特性而改变材料的物理和化学性质的固体材料。填料可以是无机或有机的。有机填料的离子是木质填料。无机填料通常优选用于本发明。
在一方面，本发明是包括具有至多5重量％的一种或多种有机或无机填料的交联烯烃聚合物的弹性纤维。
用于本发明的烯烃聚合物可以是能够形成纤维的任何烯烃基材料，包括乙烯-α烯烃共聚体、基本上氢化的嵌段聚合物、丙烯α烯烃共聚体(包括丙烯乙烯共聚物)、苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段聚合物、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段聚合物、乙烯苯乙烯共聚体、聚丙烯、聚酰胺、聚氨酯及其组合。描述于US6,437,014的，均匀支化的乙烯聚合物特别是基本上线形的乙烯聚合物特别优选适用于本发明。
在形成纤维之前，以占化合材料的至少0.1重量％，优选至少0.25，更优选占化合材料的至少0.5％的量将填料加入到聚合物中。由于过多的填料会导致膨胀和可纺性的问题，因此优选无机填料小于化合材料的5重量％，优选小于4，更优选小于化合材料的3％。填料的最佳范围取决于无机填料的大小分布以及比重。
填料是能够通过表面相互作用或其缺乏和/或其本身的物理特性而改变材料的物理和化学性质的固体材料。优选地，填料是无机填料。更优选地，无机填料选自滑石、合成二氧化硅、沉淀碳酸钙、氧化锌、硫酸钡或氧化钛。滑石是用于本发明的最优选填料。
对于所需的应用，也可以优化填料材料的大小。通常，平均粒度应该小于大约10微米。观察到具有0.1微米的平均粒度的填料可以有效地用于本发明，可能甚至更小的粒度也是有效的。对于非圆形粒子，可以通常根据本领域公知技术(由三维物体组成二维影像，确定阴影面积并且给出具有相同面积的圆作为相当的圆形粒度)计算相当的圆形粒度。同样，为了不同的效果可以改变填料的形状，尽管其形状绝大程度上取决于选择的填料(也就是说，选择的填料已经使其具有特定的形状)。
将无机填料加入烯烃聚合物的任何方式都可以用于本发明。最普遍地，将无机填料熔融化合入聚合物中。或者，在纺织之前单独或作为母体(masterbatch)加入填料。
根据本领域公知的许多方法形成纤维，例如可以熔喷或纺粘纤维。不含无机填料但适用于本发明的纤维公开于US 6,437,014。在此参考中可以看出，纤维厚度在10至400旦之间变化的纤维是最优选的。
并且，优选纤维是均丝纤维，但可以是共轭纤维。在共轭纤维的情况中，优选无机填料材料至少位于组成至少部分纤维表面的材料中，以得到降低摩擦的动态系数的优势。同样，虽然降低的动态系数的优势对单丝纤维是最有利的，但本发明的纤维也可以是短纤维。也可以理解的是将两种或两种以上的单丝纤维连接以形成
在本发明的纤维形成以后，优选用本领域公知的纺丝整理助剂(例如硅油)涂覆本发明的纤维。可以通过浸、填、喷雾、整理辊或在挤出形成纤维的聚合物的同时加入化合聚合物来使用整理助剂。整理助剂的量通常占所用细丝重量的0.25-3％。
可以单独或与含有无弹性纤维(如棉、毛、或合成材料(聚酯或尼龙))的纱结合使用本发明的纤维。但是当单独使用纤维时，降低摩擦的动态系数的优势是最明显的。
无论单独或与纱中的其它材料一起使用，纤维可以单独或与其它纺纱一起使用以根据已知制造方法(例如编织或纺织)制得织物。本发明的纤维尤其适用于纺织应用。
实施例
纤维的制备
进行下列实施例以说明本发明纤维的可行性。在这些实施例中，基础树脂是乙烯-辛烯共聚物，其根据ASTM D-792测定0.875g/cc的密度和根据ASTM D-1238，条件190℃/2.16kg(通常称作“条件(E)”，还称作I2)测定的3MI。加入3000ppm的Cyanox1790、3000ppm的Chimassorb 994和7000ppm的作为加工助剂的PDMSO以化合树脂。对于填料纤维，还在化合步骤加入滑石和TiO2以得到0.5wt％滑石和0.5wt％TiO2的最终浓度。滑石是Ampacet母体、100165-C、在0.924g cm-3的密度和20MI的LLDPE中50wt％。如产物介绍所示，硬脂酸锌的涂覆等级为5微米的平均粒度。TiO2是Ampacet母体、11078、在0.92g cm-3的密度和8MI的LDPE中50wt％。产物片材显示以0.20-0.25微米的平均粒度的金红石形式涂覆TiO2。
将40旦的单丝纤维熔融纺入300克线轴中。在将纤维从熔融态固化之后，通过纺丝整理助剂施加器，将2wt％的Lurol 8517(GoulstronTechnologies)的纺丝整理助剂用于纤维的表面。
实施例1
动态纤维-陶瓷针摩擦测试
使用模仿弹性纤维在纺织中通过导出元件的方法测定纤维的摩擦性质。作为对比，在此包括商业氨纶纤维(40旦Dorlastan v850)。使用得自Lawson Hemphill的测试电子恒定张力传输机单元(“ECTT”)进行所有测试。装备图示见图1。ECTT由进料辊和无需计算机控制的提升辊组成。将通常在大直径圆形纺织机器中使用的用于氨纶弹性纤维的进料器(Memminger-IRO MER2)与ECTT连接并且通过传送皮带驱动ECTT的进料辊。在28.5m/min下展开线轴并且在100m/min下提升，得到3.5X的总拉伸。当纤维退绕后，在90°包角下使其经过1/4英寸直径的陶瓷针(Heany Industries-R.250S P2)。根据制造商测量陶瓷针具有32rms的表面粗糙度。使用两个100cN的张力计(Rothschild-Perma-Tens 100p/100cN)在陶瓷针之前和之后测量负载。使用欧拉公式根据两个张力的比率和包角计算动态摩擦系数：
T 2 T 1 = e μθ
其中μ是摩擦系数，T2是针之后的张力，T1是针之前的张力，θ是包角(π/2)。进行5分钟扫描。在所有摩擦测量中，所有的导丝元件和辊均与纤维接触，并且在每次运转之前使用异丙醇清洗摩擦针以消除任何沉积的集结。
动态摩擦测试的结果列于表1。数据显示滑石和TiO2的加入明显将摩擦系数从0.66降至0.39，该值与测量的氨纶(Dorlastan v850)基本接近。
表1
  纤维   COF
  氨纶(Dorlastan v850)   0.32
  对比纤维(不含填料)   0.66
  填充的纤维(0.5％滑石和0.5％TiO2)   0.39
实施例2
在圆形纺织中评估纤维的摩擦响应。在此实验中使用30英寸的直径和28gauge的带有96弹性进料器(MER-2Iro)的Mayer大圆机(1988)。70/2旦的膨体聚酰胺用作对比纤维。将机器的速度设为22rpm，硬纱进料速率为155m/min，弹性进料速率为43m/min。得到3.6x的弹性拉伸。
使弹性纤维进入针床的纱载体的组成和几何构型会影响由纤维在其进入针之前产生的抗摩擦性。评估两种不同类型的弹性纱载体：
(a)类型A：陶瓷小孔随后钢定位器
(b)类型B：非塑料旋转滑轮随后钢导出元件
使用Zivy张力计测定进入载体之前的区域中的弹性纤维张力，并分别作为载体的TA和TB进入表II中。将其与实施例1中描述的由ECTT单元测定的没有任何摩擦阻碍的3.6x拉伸上的每个纤维的动态张力对比，没有陶瓷针，通过MER-2设备的纤维进料速率为43m/min，提升速率为155m/min。由于纤维与纱载体之间的摩擦相互作用，TA和TB多少会低于在相同拉伸上没有任何摩擦阻碍下所测得的张力。两个张力的比与纤维与纱载体装置之间的有效摩擦系数有关。本领域的技术人员应该很容易地理解到比率越接近1说明摩擦越小。
使用三种不同类型的纤维经过两种不同类型的载体，在纺织机上使用张力计测定的张力显示于表II中。张力记录显示10个线轴的平均值，1分钟测定每一个。表II还显示的是由ECTT测定这两种纤维的平均动态张力值，5分钟扫描。在这个实施例中所用的氨纶是40旦的Lycra 136B。
表II
  纤维   ECTT张力T(gf)      类型A载体     类型B载体
  TA(gf)   T/TA   TB(gf)   T/TB
  氨纶(Lycra 136B)   12.5   6.3   2.0   8.2   1.5
  对比纤维(不含填料)   6.5   2.3   2.8   3.0   2.2
  填充的纤维(0.5％滑石和0.5％TiO2)   6.3   3.3   1.9   4.3   1.5

Claims (20)

1.一种纤维，包括交联烯烃聚合物和0.1-5重量％的一种或多种有机或无机填料。
2.根据权利要求1所述的纤维，其中交联烯烃聚合物包括聚乙烯/α-烯烃共聚物。
3.根据权利要求2所述的纤维，其中聚乙烯/α-烯烃共聚物是乙烯/辛烯共聚物。
4.根据权利要求1所述的纤维，其中填料是无机填料。
5.根据权利要求4所述的纤维，其中无机填料选自滑石、合成二氧化硅、沉淀碳酸钙、氧化锌、硫酸钡、二氧化钛或其混合物。
6.根据权利要求5所述的纤维，其中无机填料是滑石。
7.根据权利要求1所述的纤维，其中有机或无机填料具有0.1-5微米的平均粒度。
8.根据权利要求1所述的纤维，其中有机或无机填料具有基本为球形的形状。
9.根据权利要求1所述的纤维，其中有机或无机填料占纤维的0.25-4重量％。
10.根据权利要求1所述的纤维，其中有机或无机填料占纤维的0.5-3重量％。
11.根据权利要求1所述的纤维，在纤维表面进一步包括润滑剂。
12.根据权利要求11所述的纤维，其中润滑剂是硅油。
13.根据权利要求1所述的纤维，其中纤维是弹性纤维。
14.一种改进含有烯烃聚合物的弹性纤维的动态系数的方法，所述方法包括在形成纤维以前将一种或多种有机或无机填料加入到烯烃聚合物中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使有机或无机填料熔融化合入烯烃聚合物中。
16.根据权利要求14所述的方法，填料是无机的并且选自滑石、合成二氧化硅、沉淀碳酸钙、氧化锌、硫酸钡、二氧化钛或其混合物。
17.根据权利要求16所述的方法，其中无机填料是滑石。
18.根据权利要求14所述的方法，其中无机填料具有0.1-5微米的平均粒度。
19.根据权利要求14所述的方法，其中无机填料具有基本为球形的形状。
20.根据权利要求14所述的方法，其中无机填料占纤维的0.1-5重量％。
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