CN101175879B - 成束拉制金属纤维及其制品和使用 - Google Patents

Abstract

一种成束拉制金属纤维，其具有包含为中心层、表面层和至少一个中间层的至少三个同心金属层的径向横截面。一个或多个中间层包封中心层。表面层包封一个或多个中间层。表面层提供成束拉制金属纤维的外表面。一种成束拉制金属纤维，其特征在于，其表面层的平均厚度小于金属纤维的等效直径的30％。本发明还涉及提供这种成束拉制金属纤维的方法。

Description

成束拉制金属纤维及其制品和使用 

技术领域

本发明涉及金属纤维，尤其涉及在可加热纺织产品中用作诸如座椅加热元件，例如汽车座椅加热元件的成束拉制金属纤维。 

背景技术

目前，由不锈钢制成的成束拉制金属纤维在本领域已经为人们所熟知。从例如WO03/095724和WO03/095725中可以了解到成束拉制金属纤维用作诸如汽车座椅加热元件的座椅加热元件。 

这些文献公开了调节包含这种成束拉制金属纤维的股线(yarn)的导电率的方法。调节或选择给定导电率的能力对于作为电阻加热元件的金属纤维和金属纤维股线在可加热纺织产品中的一体化来说是一个重要问题。 

然而，铜存在于外表面上这一事实是不利的。当使用时，由于加热纺织品中的一部分具有会接触例如汗的铜，所以铜具有易于被氧化的趋势。 

在JP5-177243的实例2中描述了在径向横截面上包含至少三个同心金属层的成束拉制金属纤维，其中铜不存在于外表面上。环绕高碳钢金属中心体同心地设置第二层铜，接着设置为SUS 304不锈钢的耐酸不锈钢表面层，由此提供三个同心层的组合。以电镀铜的方式来设置该铜层。 

根据JP5-177243的金属纤维具有表面层，其占该金属纤维的径向横截面的表面的至少36％。 

然而在使用中，这种纤维具有缺点，即在纤维经受重复弯曲时，外层易于从其下面层上脱落。所谓的“弯曲寿命”受到限制，且不适于在可加热纺织品中使用金属纤维。在使用铜线、铜绞线(copper strand)或碳丝时，也会出现这样的损坏。 

此外，纤维等效直径减小到这种多层金属纤维的较小直径，这是大约为50μm或更少的等效直径，似乎在成束拉制操作中会引起所使用的复合线材中的纤维频繁断裂，这种断裂会防碍直径的进一步减小。 

发明内容

本发明的一个目的在于提供在径向横截面上包括至少三个同心金属层的成束拉制金属纤维，其克服了作为现有技术的成束拉制金属纤维的缺陷。本发明的又一个目的在于提供具有改善的对连续弯曲荷载的机械抵抗性的成束拉制金属纤维。本发明的还一个目的在于提供更适合具有更细等效直径的成束拉制金属纤维。 

根据本发明，通过提供具有以下特征的成束拉制金属纤维，可以获得上述效果，这些特征为：具有包含为中心层、表面层和至少一个中间层的至少三个同心金属层的径向横截面，所述至少一个中间层包封所述中心层，所述表面层包封所述至少一个中间层，所述表面层提供所述成束拉制金属纤维的外表面，其特征在于：所述表面层的平均厚度小于所述金属纤维的等效直径的30％。 

令人惊讶地发现，在成束拉制金属纤维的外层的厚度保持小于该成束拉制金属纤维的等效直径的30％，更优选地与该等效直径相比小于15％或甚至小于10％的情况下，包含用作电阻加热元件的这种金属纤维股线的可加热纺织品得到更长的“弯曲寿命”。这个平均厚度甚至可以小于等效纤维直径的9％或甚至8％。 

在中间层的所有厚度的总和也小于或等于成束拉制金属纤维的等效直径的20％时，获得最好的结果。 

根据本发明，成束拉制金属纤维优选地使用包括以下步骤的方法制成： 

●提供中心线材；该中心线材将提供成束拉制金属纤维的内部同心层或“中心层”。 

●通过将金属箔覆盖在该中心线材上，向中心线材提供至少一个中间层。中间层厚度的总和T1，其为箔厚度的总和，与中心线材的半径R1被给予比例T1/R1，该比例等于所要求的中心体的等效直径的一半r1与待获得的预期成束拉制金属纤维的中间层厚度的总和t1的比例t1/r1。 

●通过将金属箔覆盖在该中心线材和一个或多个中间层上提供环绕此中心线材和一个或多个中间层的表面层，由此提供涂敷的中心线材。该表面层且因此金属箔由耐腐蚀金属制成的，且优选地在合金中具有很少量的掺杂物。表面层厚度T2以及因此箔厚度与中心线材的半径R1被给定比例T2/R1，该比例等于所要求的中心体的等效直径的一半r1与待获得的预期成束拉制金属纤维的表面层厚度t2的比例t2/r1。在下一步骤用耐酸性较低材料覆盖该涂敷中心线材之前，可能地，可以实施通过施加在该涂敷中心线材上的线材拉制操作减小直径的附加步骤。可能地，在线材直径减小步骤已经在该涂敷的中心线材上执行了之后，该涂敷的中心线材的直径从此以后被理解为初始涂敷的中心线材。 

●用基体，优选地用金属基体来覆盖涂敷线材的外表面，该金属基体是一种与表面层金属相比耐酸性较低的材料。优选地，该耐酸性较低的材料为铜或铁； 

●将多个用耐酸性较低的材料覆盖的涂敷线材束扎成束，并环绕此束提供耐酸性较低材料的保护层，从而提供具有初始直径的复合线材。此保护层优选地由铁或低碳钢制成。 

●通过线材拉制操作将该复合线材拉制(且在必要时中间进行退火)至最终直径，得到最终复合直径； 

●通过让该保护层和基体在诸如硝酸或硫酸这样的合适的酸中溶解，可能要利用电化学方法来辅助，将该保护层和基体从复合线材上除去，从而提供本发明的金属纤维束。 

可能地，在将保护层和基体除去之前，可以实施对在最终直径下的复合线材进行绞合的附加步骤。这样可以得到彼此绞合的成束拉 制金属纤维束。因此可以获得包含多个成束的拉制金属纤维丝的单股线。 

可能地，在将保护层和基体除去之前，可以实施使最终直径的至少两个复合线材(可以是绞合的复合线材，也可以不是)成对的附加步骤。由此可以提供包含至少两个成束的拉制金属纤维单股线的合股线。 

可能地，在将基体材料除去之前，通过在两个齿轮之间卷曲该复合线材，使得最终直径的复合线材具有卷曲。该步骤使得在除去基体之后得到的金属纤维具有起伏或卷曲，且同时避免了对纤维表面的损害。 

可能地，在除去基体材料后，成束拉制金属纤维束可以被拉断，以提供短纤维(staple fibers)，其接着可以被用来提供包含为短纤维形式的作为本发明主题的金属纤维的细股线(spun yarns)。可以理解：在这种细股线中，另外的非金属纤维可以与作为本发明主题的金属纤维混合。优选地，使用波状的金属纤维。 

可以理解：存在于该复合线材中的每个涂覆线材代表该金属纤维束中的一根成束拉制金属纤维。金属纤维的等效直径与初始涂覆线材直径的比例等同于初始复合直径与最终复合直径之间的比例。 

术语纤维的“等效直径”被理解为一种假想圆的直径，该假想圆的表面积与该纤维的径向横截面的表面积相同。由于成束拉制操作，纤维的横截面通常是五边形或六边形的形状，且该纤维横截面的圆周通常为锯齿形的。 

已经发现这个事实，即通过包覆提供连续金属层，这样使改善连续弯曲荷载的机械抵抗性的该连续层的表面之间的接触也得到了改善，且使得能够提供具有更细等效直径的成束拉制金属纤维。该成束拉制金属纤维的等效直径可以小于100μm，甚至小于50μm，例如小于36μm，例如小于30μm或甚至小于25μm或甚至小于20μm。 

通过环绕处于纤维中央的中心金属线材包覆一个或多个箔，使得中心线材具有中间金属层。由此获得的纤维包含多个金属层，这些 金属层根据环绕金属纤维轴线的同心层设置。中心层的金属，其处于径向横截面的中央，可以优选地从由不锈钢、高碳钢合金和低碳钢合金组成的一组选出。最优选为不锈钢，诸如Fe-Ni-Cr合金或Fe-Cr-Al合金。 

最优选的是，在径向横截面中央的金属和表面层的金属为不锈钢，诸如Fe-Ni-Cr合金不锈钢，诸如AISI316不锈钢合金，例如AISI316Ti。最优选的是，在径向横截面中央和表面层的金属为不锈钢的情况下，中间层为铜层。 

中间层厚度的总和可以在一个大范围内变化。然而，该总和优选小于金属纤维的等效直径的20％。 

提供中间层的金属优选地选自由铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金、金和金合金组成的一组中。优选为铜或铜合金。 

为了获得这样的中间层厚度，形成中间层和包覆在中心层上的金属箔的厚度T1被选定小于中心线材半径R1、形成中间层的箔的箔厚度T1和形成表面层的箔的箔厚度T2的总和的20％。 

优选地，通过将金属箔包覆到中心层和中间层，向中心体提供表面层，其中金属箔具有合适厚度，其耐酸性好于或等于形成其下层的金属。为了能够将纤维成束拉制至较小的纤维直径，要非常小心地选择表面层合金的纯度。合金具有的掺杂物越少，成束拉制金属纤维越能够被拉制至较小的等效直径。 

另一方面，表面层的平均厚度通常大于等效纤维直径的1％，更优选地大于等效纤维直径的1.5％或甚至大于等效纤维直径的2％。 

成束拉制金属纤维可以具有占有所述金属纤维的径向横截面面积的30％或更小的外表面层。此表面层的平均厚度可以甚至小于金属纤维的等效直径的15％或甚至小于金属纤维的等效直径的10％。此平均厚度可以甚至小于等效纤维直径的9％或甚至小于等效纤维直径的8％。 

为了获得这个表面层厚度，形成表面层和包覆到中间层的金属箔的厚度T2被选定小于中心线材半径R1、形成中间层的箔的箔厚度 T1和形成表面层的箔的箔厚度T2的总和的30％，或甚至小于该总和的15％，或甚至小于10％，或甚至小于9％，或甚至小于8％。 

金属纤维表面层的合金要满足几个要求，诸如： 

●耐酸性，以使基体材料能够极少或不损失表面层材料； 

●在成束拉制期间的良好变形。为此，优选高纯度合金，以使能够提供更细金属纤维的更薄的表面层。 

●可被包覆，以进一步改善可使用性和可拉伸性。 

在金属纤维的特殊用途，诸如用作可加热纺织产品的加热元件的情况下，要求耐电蚀或耐汗(腐蚀)的附加性质。 

成束拉制金属纤维的该表面层优选地选自由不锈钢、镍、镍合金、铝、铝合金、钛和钛合金组成的一组。更优选地，使用不锈钢诸如Fe-Ni-Cr合金或Fe-Cr-Al合金。作为实例，使用ESR精制型的AISI316Ti，或作为替换，可以使用Inconel型不锈钢合金，诸如包含大约23％的Cr，大约60％的Ni，大约14％的Fe和大约1.4％的铝的Inconel601。 

已经发现，用作表面层的金属，其具有最小量的掺杂物，优选地大体上没有掺杂物，还使得能够制造具有比现有技术中所熟知的表面层都要薄的表面层的成束拉制金属纤维。显然，此表面层的纯度还使得在对复合线材实施拉制操作期间能进一步减小表面层的厚度，和/或使用包覆在具有中间层的中心线材上的初始较薄的表面层。在表面层中存在很少或没有杂质，似乎能在很大的伸展中避免表面层断裂或在表面层中出现孔穴，这些会导致金属纤维的中心体发生腐蚀或溶解。这还进一步减少了紧接地在除去基体和保护层之后金属纤维束中的金属纤维的中断数量，甚至在较小等效直径的情况下。 

根据本发明，成束拉制金属纤维包含环绕金属纤维轴线同心设置的至少三个同心层(中心层，一个中间层和表面层)，这些层优选地通过包覆被设置在另一层上。 

该成束拉制金属纤维的优点是多重的。首先，与目前熟知的包含铜层的成束拉制金属纤维以及包含铜线材或碳丝的电阻加热元件相 比，其抗重复弯曲的能力得到明显改善。 

特别地，通过包覆提供一个或多个中间层以及外表面层，似乎对在用作例如可加热纺织品中的加热元件时的金属纤维的所谓弯曲寿命有积极的效果。在用作可加热纺织产品的电阻加热元件诸如汽车座椅加热元件时，抗连续弯曲力的能力(弯曲寿命)对于金属纤维而言是紧接着导电性的最重要特征之一。 

与成束拉制金属纤维的现有技术发展水平相比，该表面层具有减少的厚度。太厚的表面层易于在重复的弯曲荷载下破裂。较薄的表面层似乎能更久地抵抗重复弯曲力。 

在通过包覆来提供这些层的情况下，连续层之间的机械粘合也似乎得到了改进。一层从另一层上脱落的趋势很大程度地得到了降低，这样就能在生产过程中得到较好的纤维拉伸性，且在纤维经受重复弯曲作用时，具有较少的层松动的风险。 

此外，由于所必需的较高导电性金属被更多地转移到金属纤维的外表面上，因此就有更多的空间用于处于金属纤维中央的机械上更有抵抗力的金属，其提供更多的针对于弯曲荷载的抵抗能力。 

对于给定等效纤维直径的情况，由于如目前所知那样，对于较大的伸展，外表面层的厚度会受到限制，因此可以向成束拉制金属纤维中间层提供较大体积的较高导电性金属。通过这种方式，具有给定等效直径的金属纤维的导电性变得更强了。 

或者，对于给定所要求的成束拉制金属纤维电导率而言，可以使用具有更小等效直径、且重量较轻和体积较小的金属纤维。与外层相比，可以增加中心层和中间层的尺寸。 

此外，由于所必需的较高导电性金属被更多地转移到金属纤维的外表面上，因此就有更多的空间用于处于金属纤维中央的机械上更有抵抗力的金属，其提供更多的针对于弯曲荷载的抵抗能力。 

在用作EMI屏蔽应用中的EMI屏蔽元件时，也注意到了关于该金属纤维的屏蔽效果的积极效果。 

较高导电性金属可处于更靠近于纤维外表面的这一事实，也对该 金属纤维的EMI屏蔽性质，特别是针对于高频屏蔽，有着积极的效果。 

在要对较高频率进行屏蔽时，屏蔽主要靠发生在金属纤维横截面的外部区域的所谓趋肤效应来获得。尤其是靠近金属纤维外表面的该外部区域中的材料的导电性越高，就可以更好地对高频进行屏蔽。因为可以提供在该较高导电性金属之上的较薄表面层的金属纤维，从而越靠近金属纤维的外表面的金属导电性越高，从而即使该较高导电性的金属层仅是一薄层，也能得到较好的屏蔽效果。在使用具有两个或更多同心层的中心体的情况下，在该较高导电性金属下方的较大量的金属可以作为提供机械性能上更强的且针对更高频率范围具有较好屏蔽效果的金属纤维。 

附图说明

本发明将通过参考附图得到更详细地描述，其中： 

图1是成束拉制的金属纤维的径向横截面的示意图。 

具体实施方式

图1示意性地示出了本发明的实施例。图1示出了成束拉制的金属纤维101的径向横截面的示意图。 

成束拉制的金属纤维101具有大体为五边形的形状，其侧面示意性地用点线111、112、113、114和115表示。金属纤维101包含由不锈钢合金AISI316Ti制成的表面层104。该金属纤维还包含被所述表面层104包封的中心体120。中心体120包括同心地环绕金属纤维轴线130的两个同心金属层122和123。中间层123接触表面层104，且中间层由铜组成，因此与表面层104的金属相比具有较高的导电性。处于金属纤维中央的金属中心层122也可以用不锈钢AISI316制成。 

金属纤维101的等效半径为35μm。表面层104的平均厚度为2.5μm。表面层104占径向横截面的总表面的26.5％。平均厚度小于 纤维等效直径的10％。更特别地，表面层的平均厚度为纤维等效直径的7.5％。 

中间层123的表面占金属纤维的径向横截面的总表面面积的30.5％。铜中间层123的平均厚度为3.5μm或等效纤维直径的10％。 

通过计算没有表面层时的金属纤维等效直径以及没有表面层和中间层123时的金属纤维等效直径，来计算中间层123的平均厚度。 

没有表面层时的金属纤维等效直径减掉没有表面层和中间层123时的金属纤维等效直径所得到的值的一半，就是该平均厚度。 

或者，使用AISI316Ti或高碳钢或低碳钢来制造中心层122。 

作为另一个选择，使用银或铝金属来制造中间层123。 

在制造过程中，该复合直径的直径进一步减少形成具有22.5μm的等效直径的成束拉制金属纤维。 

这些实施例以大体类似的方式获得。 

制造如图1所示的成束拉制纤维的方法包括以下步骤： 

●提供中心线材。在图1的实施例的情况下，提供铜中心线材。在图2的实施例的情况下，采用包含通过包覆铜层提供的ESR性质的不锈钢AISI316层的中心线材。该中心线材的直径为8mm。 

●通过环绕中心线材设置表面层，优选地通过在此中心线材上包覆金属箔，提供具有初始涂覆线材直径的涂覆中心线材。由不锈钢AISI316Ti(ESR性质)形成该表面层。表面层的厚度为0.65mm。涂覆中心线材的直径为9.2mm。 

●通过线材拉制操作，使该涂覆中心线材的直径减少10倍。 

●用一种与表面层金属相比耐酸性较低的材料--铜基体来覆盖该涂覆线材的外表面； 

●将40根覆盖有较低耐酸性材料的涂覆线材束扎成束，然后提供铁层，以提供具有初始直径的复合线材。 

●通过线材拉制操作，将此复合线材拉制至0.6mm的最终直径，并且如果必要的话中间进行退火。 

●通过用硝酸溶解该铁层和基体，将该层和基体从复合线材上 除去，从而得到作为本发明的主题的金属纤维束。 

显然，使用覆盖不锈钢层和覆盖铜中间层，看上去能以经济和可再生的方式来生产成束拉制金属纤维。 

一种替换产品通过使用大体类似的方法来制得。275根涂覆线材被束扎成束并配备铁层。在拉制该复合线材以得到275根等效直径为35μm的金属纤维后，还对该复合线材进行附加的步骤，即在除去铁层和基体之前绞合该复合线材。在过滤(leach)金属纤维束后，得到了包括275根等效直径为35μm、彼此绞合的成束拉制金属纤维丝的单股线。 

另一种替换产品使用大体类似的方法来制得。275根涂覆线材被束扎成束并配备铁层。在拉制该复合线材以得到275根等效直径为35μm的金属纤维后，还对该复合线材进行附加的步骤，即在除去铁层和基体之前绞合该复合线材。使用左手绞合方向。在绞合步骤之后，两个绞合的复合线材沿着相反、即右手方向彼此成对。在过滤该束金属纤维后，得到包括两个单股线的合股线，每个单股线包括275根彼此绞合的成束拉制金属纤维丝。 

长丝股线(filament yarns)被用作汽车座椅加热元件中的电阻加热元件。 

Claims (20)

1.一种成束拉制金属纤维，其具有包含为中心层、表面层和至少一个中间层的至少三个同心金属层的径向横截面，所述至少一个中间层包封所述中心层，所述表面层包封所述至少一个中间层，所述表面层提供所述成束拉制金属纤维的外表面，其特征在于：所述表面层的平均厚度小于所述金属纤维的等效直径的30％。

2.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中所述表面层的平均厚度小于所述金属纤维的等效直径的15％。

3.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中所述表面层的平均厚度小于所述金属纤维的等效直径的10％。

4.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中所述至少一个中间层包括多个同心设置的中间层。

5.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中所有所述中间层的平均厚度的总和小于所述金属纤维的等效直径的20％。

6.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中位于径向横截面的中央的所述中心层的金属从由不锈钢、高碳钢和低碳钢组成的一组中选择。

7.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中所述表面层由不锈钢、镍、镍合金、铝、铝合金、钛和钛合金组成的一组中的金属提供。

8.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中所述中心层的金属和所述表面层的金属都是不锈钢。

9.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中所述至少一个中间层的所述金属是由铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金、金和金合金组成的一组中的金属。

10.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中金属纤维具有小于100μm的等效直径。

11.如权利要求1所述的成束拉制金属纤维，其中金属纤维具有小于50μm的等效直径。

12.如权利要求1-11中任一项所述的成束拉制金属纤维束。

13.一种包含如权利要求1-11中任一项所述的成束拉制金属纤维的股线。

14.如权利要求13所述的股线，其中所述金属纤维为长丝纤维。

15.如权利要求13所述的股线，其中所述金属纤维为短纤维。

16.如权利要求1-11中的任一项所述的成束拉制金属纤维在EMI屏蔽应用中作为EMI屏蔽元件的使用。

17.如权利要求1-11中的任一项所述的成束拉制金属纤维在可加热纺织品应用中作为电阻加热元件的使用。

18.如权利要求17所述的成束拉制金属纤维的使用，其中所述可加热纺织品应用是汽车座椅加热元件。

19.如权利要求13-15中的任一项所述的股线在可加热纺织品应用中作为电阻加热元件的使用。

20.如权利要求19所述的股线的使用，其中所述可加热纺织品应用是汽车座椅加热元件。