CN106232882A - 包含脂族聚酯共混物的纤维以及由其形成的纱、丝束和织物 - Google Patents

包含脂族聚酯共混物的纤维以及由其形成的纱、丝束和织物 Download PDF

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Abstract

本公开提供热塑性纤维，所述纤维包含具有不同程度的同分异构纯度的聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物。所述纤维呈现降低的收缩性并且可以提高的生产力形成，特别是利用提高的拉伸比。均质共混物可包含第一PLA聚合物和第二PLA聚合物，其中所述第一PLA聚合物具有对于D‑异构体或L‑异构体而言至少约99％的同分异构纯度，而所述第二PLA聚合物具有对于D‑异构体或L‑异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度。本文进一步包括由所述纤维形成的纱和织物和由所述纱或织物形成的组合物以及制备PLA材料的方法。

Description

包含脂族聚酯共混物的纤维以及由其形成的纱、丝束和织物
技术领域
本公开涉及热塑性纤维。具体地，所述纤维可包含具有不同纯度的脂族聚酯(例如聚乳酸)的共混物，并且所述纤维在升高的温度下可提供降低的收缩性以及高生产力。
背景技术
合成纤维广泛用于多种不同的应用，以提供较强、较薄和较轻的产品。合成热塑性纤维通常为热粘合剂(可热粘合的)，因此无论合成热塑性纤维是单独地或与其它纤维(例如棉、羊毛和木浆)组合，对于制造非织造织物都特别有吸引力。进而，非织造织物广泛用作多种制品的组分，包括但不限于作为吸收剂的个人护理产品，例如尿布、失禁垫、女性卫生保健产品等；医疗产品，例如手术单、无菌覆盖物等；过滤装置；夹层；揩布；家具和寝具构造；衣服；绝缘体；和其它。
然而，常规合成热塑性纤维不能天然降解，因此产生处置含有这样的纤维的产品的问题。具体地，再循环含有天然和常规合成纤维的共混物的制品通常不具有高成本效益，但是在垃圾填埋场中处置这些制品会产生大量的不可降解的废物。由于将达到垃圾填埋场的容量极限，有增加的需求来在一次性产品中掺入更多可降解的组分以及设计可借助通过在固体废物处置设备中掺入以外的手段来处置产品。
为了解决固体废物处置的问题，可生物降解的聚合物日益用作常规合成聚合物的替代物。可用的可生物降解的聚合物包括水溶性聚合物，例如聚乙烯醇；天然合成的聚合物，例如藻酸钠和微生物聚酯；可水解的脂族聚酯和聚氨酯聚合物等。合成可生物降解的脂族聚酯包括聚乙交酯和聚乳酸聚合物。参见，例如，美国专利5,166,231；5,506,041；5,759,569；5,171,309；6,177,193；6,441,267；6,953,622；和7,338,877，各自通过引用而全文结合到本文中。
特别关注乳酸用于制造可生物降解的树脂的用途。聚乳酸(下文中称为"PLA")开始时作为用于医疗产品的可生物降解的聚合物而引入。Gruber等人的美国专利5,142,023和5,807,973公开了可生产并用于非织造织物的非医疗级别的聚乳酸的方法，各自通过引用而全文结合到本文中。完全由聚乳酸聚合物和/或共聚物组成的可生物降解的纤维的实例在美国专利5,010,145和5,760,144中找到，各自通过引用而全文结合到本文中。还参见美国专利5,698,322和5,593,778(涉及包括聚乳酸组分的双组分纤维)，各自通过引用而全文结合到本文中。
与由具有较低同分异构纯度的PLA制备的纤维相比，由具有高同分异构纯度的PLA制备的纤维可提供降低的收缩性。然而，常规PLA纤维仍通常呈现高收缩性(例如，40％或更多)，除非将纤维首先热定形。即使使用热定形的PLA纤维(这是其它常规纤维的情况)，使纤维热定形仅在低于热定形温度的温度下降低纤维的收缩性。在超过热定形温度的温度下，热定形的PLA纤维仍具有高收缩性。
因此，期望提供一种能在宽泛的温度(特别是在超过热定形温度的温度)下呈现降低的收缩性的可生物降解的纤维。
发明内容
本发明提供热塑性纤维，所述纤维包含具有不同程度的同分异构纯度的聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物。所述纤维呈现降低的收缩性并且可以高的生产力形成，特别是利用提高的拉伸比。在一些实施方式中，提供多组分热塑性纤维，其中所述纤维包含均聚物高纯度PLA组分和在至少一部分纤维表面上布置的粘合剂组分。
在本发明的各种实施方式中，提供一种纤维，所述纤维包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第一PLA聚合物重量的至少约99％，或至少约99.5％-100％，或约100％(即，纯的)的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第二PLA聚合物重量的不大于98.5％的同分异构纯度。在本文描述的纤维的各种实施方式中，在均质共混物中第一PLA聚合物与第二PLA聚合物的重量比可为约50:50-约99:1，或约50:50-约75:25。在一些实施方式中，第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第二PLA聚合物重量的约40％-约98.5％，或约60％-约98.5％，或约98％-约98.5％的同分异构纯度。在各种实施方式中，纤维可包含约50％重量或更大的所述均质共混物。纤维可为例如连续纤丝、短纤维、纳米纤维或纳米纤丝。纤维还可为多组分纤维。
在本文描述的纤维的某些实施方式中，第一PLA聚合物可具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第一PLA聚合物重量的至少99％的同分异构纯度，第二PLA聚合物可具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第二PLA聚合物重量的约98％-约98.5％的同分异构纯度，并且在均质共混物中第一PLA聚合物与第二PLA聚合物的重量比可为约50:50-约75:25。
在各种实施方式中，在纤维已在约90℃的温度下热定形后，在约110℃-约130℃或约130℃的温度下，纤维可呈现的收缩性小于约20％，小于约17％，小于约15％，小于约12％或小于约10％-约0％，或约5％。例如，纤维可呈现至多约17％的收缩性。
在本文描述的纤维的一些实施方式中，纤维可为多组分纤维。多组分纤维的第一组分可包含，例如，具有不同程度的同分异构纯度的聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，而第二组分可包含不同的聚合物。在本发明的某些实施方式中，提供多组分纤维，其中所述纤维包含均聚物聚乳酸(PLA)形式的第一组分，第一组分具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第一组分重量的至少约99％的同分异构纯度，或第一组分为纯的D-异构体或纯的L-异构体，其中PLA在第一温度下熔融。多组分纤维还可包含在多组分纤维的至少一部分外表面上布置的第二组分。任选地，第二组分包括在第二温度下熔融的组分，并且其中当存在第二温度时，第二温度小于第一温度。在一种优选的实施方式中，第二组分可为可生物降解的组分或共混物，更优选为PLA组分或共混物。在某些实施方式中，第二组分可为PLA聚合物，其具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第二组分重量的不大于约98.5％，优选不大于约96％，最优选不大于约90％并优选大于约1.5％，或大于约3％，或大于约4％的同分异构纯度。在一种优选的实施方式中，多组分纤维可为芯/皮(core-sheath)排列形式，其中第一组分可为芯组分，而第二组分可为皮组分。本文使用的术语"熔融"指示纤维、固体和/或晶体基质的通常理解的"熔点"。该术语还包括其中无定形聚合物软化至其可用作熔体-粘合剂的点的情况，并且看起来为相对粘稠的液体。在该点下，在接触相邻纤维时，无定形聚合物在表面张力的力量下流动，并且从其初始位置(即，在纤维的皮或壳中)流动，以包封相邻(接触)纤维。
在多组分纤维的各种实施方式中，多组分纤维的第一组分可包含本文的均质共混物，而第二组分也可包含均质共混物。在第二组分中的均质共混物可能与在第一组分中的均质共混物不同。例如，在第二组分中的均质共混物可能与在第一组分中的均质共混物不同，这与以下一者或两者有关：第二PLA聚合物的同分异构纯度，和第一PLA聚合物与第二PLA聚合物的重量比。
在本发明的各种实施方式中，提供纤丝束，其中所述纤丝束包含纤维，该纤维包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第一PLA聚合物重量的至少约99％的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第二PLA聚合物重量的不大于约98.5％的同分异构纯度。例如，束可为纱或丝束形式。在一些实施方式中，一部分纤丝可由包含均质共混物的纤维形成，而一部分纤丝可由无定形PLA形成。在某些实施方式中，例如，提供包含纱或丝束，该纱或丝包含多个纤丝，而纤丝包含聚乳酸(PLA)聚合物，其中第一组纤丝包含L-异构体含量为第一组纤丝的至少约99％重量的半结晶PLA，并且其中第二组纤丝包含D-异构体含量为第二组纤丝的约5％或更大，或约15％或更大重量的无定形PLA。
在各种实施方式中，可形成包含本发明的纤维的织物。例如，所述织物可为非织造织物、织造织物或编织织物。在一些实施方式中，组合物可由包含本文描述的纤维的织物形成。
本发明还提供一种制备低收缩性、高生产力聚乳酸(PLA)材料的方法。在各种实施方式中，所述方法可包括：形成包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物的纤维，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第一PLA聚合物重量的至少约99％的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，并基于第二PLA聚合物重量的不大于约98.5％的同分异构纯度；以约3:1或更大的拉伸比拉伸所形成的纤维；和在至多约110℃的温度下使所形成的纤维热定形；其中在热定形步骤之后，在约115℃-约130℃的温度下，所述PLA材料呈现收缩性小于约20％。
本发明还提供一种制备呈现低收缩性的多组分粘合剂纤维的方法。在一些实施方式中，所述方法可包括以下步骤：提供由第一高熔融聚合物组分和第二较低熔融聚合物组分形成的多组分纤维，其中第一聚合物组分为具有对于L-异构体而言至少约99％同分异构纯度的PLA聚合物，其中第二聚合物组分为具有对于L-异构体而言不大于约98.5％同分异构纯度的PLA聚合物，并且其中第二组分包含多组分粘合剂纤维的至少一部分外表面；和在小于第二聚合物组分熔融的活化温度的温度下，使多组分粘合剂纤维热定形。在大于活化温度的温度下，所形成的热定形的多组分粘合剂纤维可呈现的收缩性小于约20％。
具体实施方式
现在在下文将更充分地描述本发明。然而，本发明可以许多不同的形式体现，并且不应解释为局限于本文描述的实施方式；而是，提供这些实施方式，使得本公开彻底和完全，并且为本领域技术人员充分传达本发明的范围。除非上下文明确另外指示，否则在本说明书和权利要求书中使用的单数形式“一个”、“一”和“该”包括复数对象。
除非特别陈述，否则本文中所有测量基于重量。
本公开提供热塑性纤维，所述纤维包含具有不同程度的同分异构纯度的聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物。所述纤维呈现降低的收缩性并且可以高的生产力形成，特别是利用提高的拉伸比。
除非另外指示，否则本文使用的术语"纤维"指有限长度的纤维(例如常规短纤维)以及基本上连续结构(例如连续纤丝)二者。本发明的纤维可为空心或非空心纤维，并且进一步可具有基本上圆的或圆形横截面或非圆形横截面(例如，椭圆形、矩形、多叶形等)。
本文使用的术语"多组分纤维"包括由存在于纤维中的离散结构化微区的两种或更多种聚合物制备的短纤维和连续纤丝，与共混物相对，其中微区倾向于在挤出之前或期间在熔体中分散。仅为了说明的目的，多组分实施方式可通过包含两种聚合物组分的示例性双组分纤维来描述。然而，应理解的是，本发明的范围意味着包括具有两种或更多种结构化组分的多组分纤维并且不局限于以下描述的示例性双组分纤维。虽然本发明不局限于两种组分，但是本文使用的术语第一组分和第二组分是为了容易描述本发明。
本文使用的术语"聚合物共混物"包括两种或更多种共混在一起的不同的聚合物。该共混物可为均质聚合物共混物并且可特别是聚合物共混物，其中将聚合物充分混合，使得共混物基本上为单相结构。均质聚合物共混物可包含两种或更多种均聚物。
本发明的纤维可变化，并且包括具有任何类型的横截面的纤维，包括但不限于圆形、矩形、正方形、椭圆形、三角形和多叶片的。在某些实施方式中，纤维可具有一个或多个空隙空间，其中所述空隙空间可具有，例如，圆形、矩形、正方形、椭圆形、三角形或多叶片的横截面。纤维可选自单组分(即，在整个纤维中组成基本上均匀)或多组分纤维类型，包括但不限于具有皮/芯结构的纤维和具有岛-海结构的纤维以及具有并排、分段的饼、分段的十字形分段的带或带尖端的多叶片横截面的纤维。
在本发明的各种实施方式中，提供包含热塑性聚合物的共混物的纤维。优选，纤维包含聚合物的均质共混物。在本文描述的纤维的各种实施方式中，均质共混物的聚合物组分可由相同或不同的聚合物形成。本文使用的"相同的"聚合物指具有相同或类似化学式的聚合物组分；然而，例如，每一种聚合物组分可关于它们的同分异构形式而不同。
均质共混物的聚合物组分可各自为脂族聚酯。可用于本发明的脂族聚酯的实例包括但不限于由以下形成的形成纤维的聚合物：(1)二醇(例如，乙二醇、丙二醇、丁二醇、己二醇、辛二醇或癸二醇)或二醇的低聚物(例如，一缩二乙二醇或二缩三乙二醇)与脂族二羧酸(例如，琥珀酸、己二酸、己烷二甲酸或癸烷二甲酸)的组合或(2)聚乳酸以外的羟基羧酸的自缩合、例如多羟基丁酸酯、聚己二酸亚乙基酯、聚己二酸亚丁酯、聚己二酸己烷酯以及含有它们的共聚物。脂族聚酯的实例包括但不限于聚乙交酯或聚乙醇酸(PGA)、聚交酯或聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚己二酸亚乙基酯(PEA)、多羟基alkonoate(PHA)、多羟基丁酸酯(PHB)、聚(3-羟基丁酸酯-共聚-3-羟基戊酸酯)(PHBV)和聚交酯-共聚-乙交酯。
由于可生物降解的性质，脂族聚酯可能特别有用。除了生物降解性以外，脂族聚酯(特别是聚乳酸)可赋予本发明的纤维其它期望的性质。例如，与包括聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰胺的纤维相比，包括聚乳酸(或其它脂族聚酯)作为组分的本发明的纤维可呈现改进的亲水性质，改进的阻燃能力，或者可染色至更深和更亮的色泽。
在本文描述的热塑性纤维的各种实施方式中，纤维可包含具有不同程度的同分异构纯度的聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物。根据本公开可用的聚乳酸聚合物可通过乳酸或丙交酯的聚合而制备。PLA及其制备方法公开于美国专利5,698,322；5,142,023；5,760,144；5,593,778；5,807,973；和5,010,145，各自通过引用而全文结合到本文中。
具有两种光学异构体的乳酸和丙交酯已知为不对称分子，这两种光学异构体分别称为左旋(下文中称为"L")对映异构体和右旋(下文中称为"D")对映异构体。结果是，通过具体对映异构体的聚合或通过使用两种对映异构体的混合物，可制备在化学上类似但是仍具有显著不同性质的聚合物。
PLA聚合物的结晶度程度例如基于聚合物骨架的规则性及其与自身或其它链的类似形状的部分对齐的能力。如果即使相对少量(例如约3-约4重量％)D-对映异构体(乳酸或丙交酯的D-对映异构体)与L-对映异构体(乳酸或丙交酯的L-对映异构体)共聚，则聚合物骨架通常变得足够不规则形状，使其可能自身不能与纯L-对映异构体聚合物的其它骨架链段对齐和取向，因此降低聚合物的结晶度。
PLA纤维可遭受热收缩，这主要是由于聚合物链段的热诱导的链松弛而发生。由于本领域已知PLA的收缩力相对高，因此这是与PLA相关的具体问题。因此，当这样的纤维用于形成热粘合的织物时，例如，当其收缩时，收缩PLA纤维更可能在织物中引起洞或非均匀性。然而，根据本发明，在均质共混物中使用具有相对高L-异构体纯度的第一PLA组分可显著降低纤维的收缩性。
在本发明的各种实施方式中，提供一种纤维，所述纤维包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言为至少约99％的同分异构纯度，而所述第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言为不大于约98.5％。在本文描述的纤维的各种实施方式中，在均质共混物中第一PLA聚合物与第二PLA聚合物的重量比可为约50:50-约99:1，约75:25-约99:1，或约50:50-约75:25。在各种实施方式中，纤维可包含约20％或更大至约100％，或约35％或更大至约100％，或约50％或更大至约100％重量的均质共混物。
第一PLA聚合物可具有对于D-异构体或L-异构体而言至少99％；或至少约99％-约100％的同分异构纯度。在具体的实施方式中，第一PLA聚合物具体地具有对于L-异构体而言至少约99％；或至少约99％-约100％的同分异构纯度。在本发明的各种实施方式中，均质共混物可包含至少约50重量％，至少约60重量％，至少约70重量％，或至少约80重量％-约100％重量的呈现高同分异构纯度的第一PLA聚合物。当然，如果纤维为100％同分异构纯的，则其将不是共混物；然而，这样的纤维仍可用于本文。
已知PLA纤维可呈现高收缩性(例如，约40％或更多)。与常规PLA纤维相比，发现热定形包含至少约50％的具有高L-异构体纯度的PLA(例如，至少约99％的L-异构体)的纤维可提供意外低的收缩性(例如，约5％-约17％)，即使在超过热定形温度的温度下。在超过热定形温度的温度下，由包括至少约50重量％的具有这样高L-异构体含量的第一PLA聚合物的共混物形成的纤维可呈现热收缩性值小于约20％，小于约17％，小于约15％，小于约12％或小于约10％-约0％，或约5％。例如，在90℃下热定形这样的纤维可生产在130℃下收缩性仅为约10％的纤维。注意到可精选热定形温度(例如，90℃)，使得热定形温度低于任何低纯度PLA组分(即，同分异构纯度不大于约98.5％的第二PLA聚合物)开始熔融或足够软化以变得粘稠和劣化纤维性质或妨碍加工的温度。
第二PLA聚合物可具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度。在具体的实施方式中，第二PLA聚合物可具体地具有对于L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度。在一些实施方式中，对于D-异构体或L-异构体，第二PLA聚合物的同分异构纯度可为约40％-约98.5％，或约60％-约98.5％。
尽管通过包含对于L-异构体而言同分异构纯度为至少99％的PLA的纤维，提供有益的降低的收缩性质，但是包含100重量％的这样的PLA聚合物组分的纤维可生产仅能相对低拉伸比(例如，仅能拉伸比为约2.5:1或更低)的纤维。例如，对于赋予合适的纤维强度、旦尼尔和其它性质的给定的过程，比起使用高纯度和较低纯度PLA的共混物的纤维，对于使用纯的高纯度组分的纤维，可实现的最大拉伸比较小。对于包含高纯度和较低纯度PLA的均质共混物的纤维的典型的生产过程，发现这些纤维可呈现提高的拉伸比，例如约3:1或更高，并且仍保持低(即，降低的)收缩性，特别在超过热定形温度的温度下。均质共混物的纤维延长拉伸比而没有牺牲低收缩性性能的能力可能是重要的，因为使用较高拉伸比可实现较高生产力(因此较低成本)。
本文描述的均质共混物可任选包括不会不利地影响其期望的性质的其它组分。可用作另外的组分的示例性材料包括但不限于颜料、抗氧化剂、稳定剂、表面活性剂、蜡、流动促进剂、固体溶剂、颗粒以及加入以增强第一组分和第二组分的加工性能的其它材料。例如，可将稳定剂加入到可生物降解的聚合物中，以降低在聚乳酸精纺过程期间可能另外发生的热降解。这样的稳定剂的应用公开于美国专利5,807,973，其通过引用而全文结合到本文中。此外，可任选包括增强聚乳酸的生物降解性的添加剂，如在美国专利5,760,144中公开的，其先前通过引用而结合到本文中。这些和其它添加剂可以常规量使用。在本文的一种实施方式中，该稳定剂为光稳定剂。
在本文描述的纤维的一些实施方式中，纤维可为多组分纤维。多组分纤维的第一聚合物组分可包含，例如，具有不同程度的同分异构纯度的聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，而第二聚合物组分可包含不同的聚合物。例如，第一聚合物组分可包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，至少约99％的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度。多组分纤维的第二聚合物组分可包含一种或多种选自本领域已知能形成为纤维的任何类型的聚合物的其它聚合物，包括聚烯烃、聚酯、聚酰胺等。用作多组分纤维的第二组分的合适的聚合物的实例包括但不限于聚烯烃，包括聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯和聚甲基戊烯(PMP)；聚酰胺，包括尼龙，例如尼龙6和尼龙6,6；聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯、缩醛树脂、聚乙烯乙烯醇；聚酯，包括芳族聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚(1,4-亚环己基二亚甲基对苯二甲酸酯)(PCT)、聚苯硫醚、热塑性弹性体、聚丙烯腈、纤维素及纤维素衍生物、聚芳族酰胺、缩醛、含氟聚合物、其共聚物和三元共聚物以及其混合物或共混物。
芳族聚酯的其它实例包括(1)具有2-10个碳原子的亚烷基二醇和芳族二酸的聚酯；(2)聚亚烷基萘二甲酸酯，其为2,6-萘二甲酸和亚烷基二醇的聚酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯；和(3)衍生自1,4-环己烷二甲醇和对苯二甲酸的聚酯，例如聚环己烷对苯二甲酸酯。示例性聚亚烷基对苯二甲酸酯包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯。
在本发明的某些实施方式中，提供多组分纤维，其中所述纤维包含聚乳酸(PLA)均聚物形式的第一组分，第一组分具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，其中PLA在第一温度下熔融。多组分纤维还可包含在纤维的至少一部分表面上布置的第二聚合物组分，其中第二聚合物组分包括在第二温度下熔融的组分，并且其中第二温度小于第一温度。在一种优选的实施方式中，第二聚合物组分可为可生物降解的组分或共混物，更优选PLA组分或共混物。在多组分纤维的某些实施方式中，第二聚合物组分可为约100％PLA。多组分纤维的第二聚合物组分可具有对于D-异构体或L-异构体而言98.5％或更少的异构纯度。高纯度第一PLA聚合物(即，芯组分)可允许在较低温度(例如，约90℃)下热定形，但是在较高粘合温度(例如，约130℃)下纤维可仍保持低收缩性。
在本文公开的多组分纤维的各种实施方式中，多组分纤维可具有皮/芯构型。多组分纤维的芯可包含聚乳酸(PLA)均聚物形式的第一组分，其同分异构纯度为至少99％。在一种优选的实施方式中，第一组分可为第一PLA聚合物，其L-异构体纯度为至少约99％。多组分纤维的皮可包含第二组分，其中第二组分的熔点低于芯组分的熔点。在一些实施方式中，第二组分可为第二PLA聚合物形式，其为聚乳酸(PLA)均聚物，其同分异构纯度为约98.5％或更少。在一些实施方式中，第二组分可为本文描述的均质共混物形式。其中芯包含本文描述的第一PLA聚合物(即，高纯度PLA组分)的皮/芯排列可允许纤维在较低温度(例如，约90℃)下热定形并且在较高温度(例如，约130℃)下仍呈现低收缩性。常规粘合剂纤维不具有该特性，必须在比起粘合温度更低的温度下热定形，以防止纤维发粘，并且通常显示在较高粘合温度下较高水平的收缩性。根据本公开，虽然粘合剂纤维优选在低于发粘/粘合温度下热定形，与常规粘合剂纤维相比，本发明的粘合剂纤维意外地能实现低收缩性。传统上，通过在超过纤维的使用温度的温度下热定形，已追赶低收缩性。对于粘合剂纤维，这在历史上是不可能的，因为粘合剂在其使用温度下活化，并且热定形中断过程中过早活化粘合剂。然而，目前公开的粘合剂纤维意外地可热定形以实现低收缩性，其中所述热定形温度低于粘合剂组分的活化温度。
在多组分纤维的各种实施方式中，多组分纤维的第一聚合物组分可包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度。此外，多组分纤维的第二组分还可包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度。
在包含第一均质共混物和第二均质共混物的多组分纤维的各种实施方式中，第二均质共混物可能不同与第一均质共混物。在一些实施方式中，关于第一聚合物组分的第二PLA聚合物，在第二聚合物组分中的均质共混物可包含不同同分异构纯度的第二PLA聚合物。在某些实施方式中，在第一均质共混物中第一PLA聚合物与第二PLA聚合物的重量比可能不同与在第二均质共混物中第一PLA聚合物与第二PLA聚合物的重量比。例如，第一均质共混物的第一PLA聚合物与第二PLA聚合物的共混比可为约50:50，而第二均质共混物的第一PLA聚合物与第二PLA聚合物的共混比可为约75:25。根据本公开的各种实施方式，还包括其它相对比率。
在本发明的各种实施方式中，提供纤丝束。例如，纤丝束可为纱或丝束形式。在各种实施方式中，纤丝束包含包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物的纤维，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度。在一些实施方式中，第一部分纤丝可由包含均质共混物的纤维形成，而第二部分纤丝可包括包含一种或多种均质共混物以外的聚合物或共混物的纤维。例如，第二部分纤丝可包含无定形PLA或半结晶PLA。
在本发明的各种实施方式中，提供包含多个包含聚乳酸(PLA)的纤丝的纱或丝束，其中第一组纤丝包含第一PLA聚合物和第二PLA聚合物，第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％(例如，约40％-约98.5％，或约60％-约98.5％)的同分异构纯度。第一组纤丝与第二组纤丝的比率可为约50:50-约99:1，或约50:50-约75:25。在某些实施方式中，例如，提供包含多个包含聚乳酸(PLA)聚合物的纤丝的纱或丝束，其中第一组纤丝包含L-异构体含量为至少约99％的半结晶PLA，并且其中第二组纤丝包含D-异构体含量为约5％或更大的无定形PLA。
在各种实施方式中，可形成包含本发明的纤维的织物。例如，所述织物可为非织造织物、织造织物或编织织物。在一些实施方式中，组合物可由包含本文描述的纤维的织物形成。包括本发明的纤维作为组分的非织造织物特别适用于一次性产品。具体实例包括但不限于一次性尿布、成人失禁产品、卫生巾、止血棉球、揩布、围兜、伤口敷料和手术帽或手术单。由本文描述的纤维形成的非织造织物还适用于制品，例如包含纤维和纤丝的绳索。
在本文的实施方式中，本发明的纤维可形成为过滤装置，例如空气过滤器、水过滤器、油过滤器、烟雾过滤器等。在本文的实施方式中，过滤器为空气过滤器或烟雾过滤器；或空调过滤器、香烟过滤器、加湿器过滤器、面罩过滤器、汽车过滤器、飞机过滤器；或香烟过滤器。本文还预期结合这样的过滤装置的产品和机器的实施方式，例如空调器、过滤嘴香烟、发动机、液体和水处理设备、奶和饮料加工设备、空气纯化系统、排水等，并且在本发明范围内。在本发明的一种实施方式中，形成本文的纤维、单组分纤维、多组分纤维、纱和/或丝束或制造成为香烟过滤器。香烟过滤器随后与其它香烟组分组合，以形成或制造香烟。
香烟过滤器及其制备方法为本领域公知的。认为本发明的纤维、单组分纤维、多组分纤维、纱和/或丝束可与制造过程、部件、用于这样的香烟过滤器和其它空气过滤器的机器相容。用于电子香烟的过滤器等明确包括在本文中作为本文描述的这些纤维的潜在的应用。香烟制造方法和过滤器本身的代表性实例参见例如Zhang等人在2015年4月2日公布的美国专利公布2015/0090283；Tan等人在2014年12月4日公布的美国专利公布2014/0352708A1；Ingebrethsen等人在2015年4月7日公布的美国专利公布8,997,755B2和Dwyer等人在2004年6月14日公布的美国专利6,761,174B2，均通过引用而全文结合到本文中。
用于制备单组分和多组分纤维的方法为公知的，不需要在此处详细描述。总的来说，为了形成单组分纤维，将聚合物或聚合物共混物挤出。总的来说，为了形成多组分纤维，将至少两种聚合物单独挤出，并且进料至聚合物分布系统，其中将聚合物引入到分段的纺丝头板。聚合物遵循单独的路径至纤维纺丝头，并且在纺丝头洞中合并。设置纺丝头，使得挤出物具有期望的形状。
通过冲模挤出后，所得到的稀薄流体股或纤丝保持为熔融状态达一定的距离，随后通过在周围流体介质中冷却而固化，其可冷却鼓风通过股。一旦固化，纤丝在导丝盘或另一个卷绕表面上卷绕。在连续纤丝法中，股在导丝盘上卷绕，该导丝盘与卷绕导丝盘的速度成比例地喷丝头拉伸稀薄流体物流。在喷射法中，在喷射器(例如像气枪)中收集股，并且在卷绕表面(例如辊或移动带)上喷，以形成纺粘网。在熔喷法中，在纺丝头表面处喷射空气，当在冷却空气路径中在卷绕表面上沉积时，其用于同时喷丝头拉伸和冷却稀薄流体物流，从而形成纤维网。与所用的熔体纺丝程序的类型无关，重要的是稀薄流体物流必须以熔融状态熔体喷丝头拉伸，即，在固化发生前，以降低纤维直径。可利用本领域已知的典型的熔体喷丝头拉伸比率。当采用连续纤丝或短纤维法时，可期望使用常规拉伸设备以固态拉伸股，例如像以不同速度操作的连续导丝盘。参见，例如，美国专利5,082,899，其通过引用而全文结合到本文中。
在以固态拉伸后，连续纤丝可卷曲或变形和切割成为期望的纤维长度，从而产生短纤维。短纤维的长度通常在约25-约50毫米范围，但是如期望的，纤维可更长或更短。参见，例如，Taniguchi等人的美国专利4,789,592和Strack等人的美国专利5,336,552，各自通过引用而全文结合到本文中。
本发明的纤维可为短纤维、丝束、纺粘纤丝、连续纤丝或熔喷纤维。总的来说，根据本发明形成的短纤维、多纤丝和纺粘纤维的细度可为约0.5-约100旦尼尔。熔喷纤丝的细度可为约0.001-约10.0旦尼尔。单纤丝纤维的细度可为约50-约10,000旦尼尔。
如上所述，可将纤维掺入到非织造织物中。本发明的纤维可通过本领域合适的任何装置形成为非织造网，特别是其中使用热粘合。此外，连续纤丝可通过纺粘法直接纺成非织造网。同样可存在本发明的纤维以外的纤维，包括本领域已知的各种合成和/或天然纤维中的任一种。示例性合成纤维包括聚烯烃、聚酯、聚酰胺、丙烯酸类、人造丝、乙酸纤维素、热塑性多组分纤维(例如常规皮/芯纤维，例如聚乙烯皮/聚酯芯纤维)等及其混合物。示例性天然纤维包括羊毛、棉、木浆纤维等及其混合物。
特别可在熔喷非织造织物中掺入本发明的纤维，单独地或与其它纤维结合。熔喷技术为本领域已知的，并且在各种专利中讨论过，例如，Buntin等人的美国专利3,987,185；Buntin的美国专利3,972,759；和McAmish等人的美国专利4,622,259，各自通过引用而全文结合到本文中。同样可使用本领域已知的其它热粘合装置。
因此，在各种实施方式中，所述方法可包括形成包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物的纤维，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，而第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％，的同分异构纯度；以约2.8:1或更大，或约3:1或更大至约3.5:1的拉伸比拉伸所形成的纤维；和使所形成的纤维热定形。可将纤维热定形，例如，在至多约130℃的温度下。在热定形步骤之后，在大于热定形温度的温度下，PLA材料可呈现的收缩性小于约20％，小于约17％，小于约15％，小于约12％或小于约10％-约0％，或约5％。例如，在超过热定形温度至少约20℃，至少约30℃，或至少约40℃的温度下，可显示降低的收缩性。在一些实施方式中，在约95℃-约150℃，约100℃-约145℃，或约110℃-约130℃的温度下，纤维可呈现降低的收缩性。本文描述的"收缩性"涉及在最长的方向降低纤维的长度，如在ASTM测试方法D5104-2中描述的，其在130℃的温度下进行。
在其它实施方式中，本公开可提供形成低收缩性、多组分粘合剂纤维的方法。该粘合剂纤维可为本文描述的多组分纤维，例如包含由高同分异构纯度PLA(例如，同分异构纯度为99％)形成的组分并且包含由较低熔融材料例如同分异构纯度不大于约98.5％，不大于约96％，或不大于约90％的PLA(即，第二PLA聚合物)形成的粘合剂组分的纤维。这样的纯度特别可关于L-异构体。所述方法可包括提供具有所述组成的多组分纤维，特别是为芯/皮构型，和在低于粘合剂组分的熔融温度和/或低于软化温度的温度下使多组分纤维热定形。这样的温度可定义为粘合剂组分的活化温度。热定形同样可在低于多组分粘合剂纤维的使用温度的温度下进行。使用温度应理解为粘合剂纤维提供其预期的粘合功能所经历的温度。在大于粘合剂组分的活化温度的温度下，通过所述方法形成的多组分粘合剂纤维呈现收缩性小于20％，小于17％，小于15％，小于12％或小于10％。通过所述方法形成的多组分粘合剂纤维可呈现本文另外描述的多组分纤维的其它性质。
实验
提供以下实施例来说明与本文关联的其它方面，但是不应解释为限制其范围。
实施例1
根据标准皮/芯双组分纤维挤出法生产拉伸的皮/芯PLA/PLA双组分短纤维。将挤出的皮/芯纤维拉伸，随后切割以形成短纤维。不将纤维卷曲，并且纤维尺寸为3.7旦尼尔/纤丝。经由两阶段过程进行拉伸，在第一拉伸阶段中利用热水浴，在第二拉伸阶段中利用蒸气柜。
制备五种样品纤维。对于所有样品，皮/芯纤维的皮由低-熔融PLA级别聚合物Natureworks 6302D形成，其D-异构体含量为约10％。在拉伸和切割过程中，在没有张力下，在90℃的温度下，在干燥机中热定形所有样品。在拉伸和切割步骤之间进行热定形。下表显示用作芯组分的聚合物的性质、在空气中130℃测试温度下约5分钟的收缩性以及拉伸比。
关于拉伸比，在发生破裂前，样品2和样品5仅能实现2.5的拉伸比。样品1、3和4能超越2.5的拉伸比阈值而不会破裂，并且拉伸不能提高超过3.0的比率。
关于收缩性，样品1不具有足够高的L-异构体纯度来实现降低的收缩性。在98.5％的L-异构体纯度下，收缩性为40.0％。然而，样品1能实现3.0的拉伸比而不会破裂。样品2利用相同类型的聚合物但是具有较高的L-异构体纯度(即，大于99％)。然而，提高的L-异构体纯度不能实现降低的拉伸比而不会破裂。然而，先前还未认识到包含为高纯度PLA的第一组分的多组分纤维可在90℃下热定形并且在130℃下保持低收缩性。因此，利用样品2高纯度PLA作为第一组分，并且利用较低熔融材料(例如，较低纯度PLA)作为第二粘合剂组分的多组分纤维可用作粘合剂纤维。因此，可根据本公开提供多组分粘合剂纤维，其可在低于粘合剂组分的软化点或熔点的温度下(例如，约90℃)热定形，并且随后可在粘合温度(例如，约130℃)下使用，具有低收缩性。比起已知的粘合剂纤维，这可为显著的前进，其中在130℃下热定形(达到在130℃下低收缩性的传统方式)过早活化粘合剂组分，将所有纤维胶合在一起，并且妨碍进一步加工。与样品2类似实施的样品5呈现降低的收缩性；然而，较低的热定形温度也提高在测试温度下的收缩量。
关于根据本公开制备的样品3和样品4，可见高纯度PLA(L-异构体大于99％)与较低纯度PLA(L-异构体98.5％或更少)的共混物能提供降低的收缩性以及提高的拉伸比而不会破裂。当第一PLA与第二PLA的比率提高时，收缩性降低看起来提高。这表明可保持与使用高纯度PLA(对于L-异构体，大于99％纯的)关联的改进收缩性，同时当将高纯度PLA与一定含量的较低纯度PLA(对于L-异构体，98.5％或更少纯的)共混时，可同时提高拉伸比，而不会破裂。
实施例2
使用本领域典型的生产过程和机器，生产由本文的丝束纤维形成的香烟过滤器。香烟过滤器天然可分解，因此比使用传统的丝束纤维、乙酸纤维素和/或聚丙烯制备的传统的香烟纤维显著更加可生物降解。因此，当在垃圾填埋场和其它位置中丢弃时，这些香烟过滤器降低降解所需的空间量。当在其它位置中丢弃时，由于它们更快速消失并且造成较少的环境危害，这些香烟过滤器还证明较少不悦目。比起本行业存在的其它可生物降解的纤维，在制造和储存期间，这些香烟过滤器在耐久性需求和改进的加工性能之间也找到良好的平衡。
受益于在前面的描述中呈现的教导，本发明所属领域技术人员可以想到本发明的许多修改和其它实施方式。因此，应理解的是，本发明不局限于所公开的具体实施方式，并且这些修改和其它实施方式旨在包括在所附权利要求的范围内。虽然本文采用具体术语，但是它们仅以一般性和描述性含义使用，并且不是限制的目的。

Claims (16)

1.一种纤维，所述纤维包含以下的均质共混物：
第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物，其中第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言为至少约99％的同分异构纯度，和
所述第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言为不大于约98.5％；或约40％-约98.5％；或约60％-约98.5％；或约98％-约98.5％的同分异构纯度，和
任选地其中在所述均质共混物中，所述第一PLA聚合物与所述第二PLA聚合物的重量比为约50:50至约99:1，或约50:50至约75:25，
任选地其中所述纤维为多组分纤维，
任选地其中所述纤维包含约50％或更大重量的所述均质共混物，和
任选地其中所述纤维为连续纤丝、短纤维、纳米纤维或纳米纤丝。
2.根据权利要求1所述的纤维，其中所述第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，所述第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言98％-约98.5％的同分异构纯度，并且在所述均质共混物中所述第一PLA聚合物与所述第二PLA聚合物的重量比为约50:50-约75:25。
3.根据权利要求1所述的纤维，其中在纤维已在约90℃的温度下热定形后，在约110℃-约130℃或约130℃的温度下，纤维呈现的收缩性小于约20％，或至多约17％，或至多约13％，或至多约10％。
4.一种多组分纤维，所述纤维包含：
聚乳酸(PLA)均聚物形式的第一组分，第一组分具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，或第一组分为纯的L-异构体或纯的D-异构体，其中所述PLA在第一温度下熔融；和
在所述多组分纤维的至少一部分外表面上布置的第二组分，其中所述第二组分具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度，任选地其中所述第二组分包含在第二温度下熔融的组分；
其中当存在第二温度时，所述第二温度小于所述第一温度，和
任选地其中所述多组分纤维为芯/皮排列形式，其中所述第一组分为芯组分，而所述第二组分为皮组分。
5.根据权利要求4所述的多组分纤维，其中所述第二组分为均聚物形式。
6.根据权利要求4所述的多组分纤维，其中所述第二组分为共混物形式。
7.根据权利要求6所述的多组分纤维，其中所述共混物为第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物，其中所述第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言至少约99％同分异构纯度，而所述第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度。
8.一种纤丝束，所述纤丝包含根据权利要求1所述的纤维，其中所述束为纱或丝束形式，和
任选地其中一部分纤丝由包含所述均质共混物的纤维形成，并且其中一部分纤丝由无定形PLA形成。
9.一种织物，所述织物包含根据权利要求1所述的纤维或根据权利要求4所述的多组分纤维，和
任选地其中所述织物为非织造织物、织造织物或编织织物。
10.一种组合物，所述组合物由根据权利要求9所述的织物形成。
11.一种纱或丝束，其包含多个包含聚乳酸(PLA)聚合物的纤丝，其中第一组纤丝包含L-异构体含量为至少约99％的半结晶PLA，并且其中第二组纤丝包含D-异构体含量为约5％或更大的无定形PLA。
12.一种过滤装置，所述装置包含根据权利要求1所述的纤维、根据权利要求4所述的多组分纤维或根据权利要求11所述的纱或丝束。
13.根据权利要求12所述的过滤装置，其中所述过滤装置为香烟过滤器。
14.一种香烟，所述香烟包含根据权利要求13所述的过滤装置。
15.一种制备低收缩性、高生产力聚乳酸(PLA)材料的方法，所述方法包括：
形成包含第一聚乳酸(PLA)聚合物和第二聚乳酸(PLA)聚合物的均质共混物的纤维，其中所述第一PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言，至少约99％的同分异构纯度，而所述第二PLA聚合物具有对于D-异构体或L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度；
以约3:1或更大的拉伸比拉伸所形成的纤维；和
在至多约110℃的温度下使所形成的纤维热定形；
其中在热定形步骤之后，在约115℃-约130℃的温度下，所述PLA材料呈现的收缩性小于约20％。
16.一种制备呈现低收缩性的多组分粘合剂纤维的方法，所述方法包括：
提供由第一高熔融聚合物组分和第二较低熔融聚合物组分形成的多组分纤维，其中所述第一聚合物组分为PLA聚合物并具有对于L-异构体而言至少约99％的同分异构纯度，其中所述第二聚合物组分为为PLA聚合物并具有对于L-异构体而言不大于约98.5％的同分异构纯度，并且其中所述第二组分包含所述多组分粘合剂纤维的至少一部分外表面；和
在小于所述第二聚合物组分熔融的活化温度的温度下，使所述多组分粘合剂纤维热定形；
其中在大于活化温度的温度下，所形成的热定形多组分粘合剂纤维呈现的收缩性小于约20％。
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