CN107002330B - 高韧性或高承载尼龙纤维及其纱线和织物 - Google Patents

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Abstract

本公开提供具有大于7.5 g/den的断裂韧性和/或大于4.0 g/den的10%伸长率下的韧性的高强度或承载尼龙纤维，以及其纱线、织物和制品以及它们的生产方法。

Description

高韧性或高承载尼龙纤维及其纱线和织物
技术领域
本公开涉及具有通过断裂韧性以及在7％和10％伸长率下的韧性量化的合意高强度的改进型尼龙短纤维的制备。这些尼龙短纤维是通过以下方式产生：制备相对均匀纺织且骤冷的尼龙长丝的丝束，在蒸汽的存在下牵拉且退火这些丝束，且随后切割或以其它方式将经牵拉且退火的丝束转化为所需高强度尼龙短纤维。
如此制备的尼龙短纤维可以与例如棉短纤维等其它纤维掺和以产生也具有合意高强度的纱线。这些纱线随后可以制成为织物和其它制品，这些制品有利地可为重量轻的、舒适的、较低成本且耐久的，且因此尤其适合于用于或用作例如军用服装，例如战斗服或其它坚固的使用服装。
本公开还涉及高韧性尼龙纤维和纤维素材料或再循环合成或天然纤维技术的非织造复合材料。这些复合材料的最终用途包含但不限于工业(毛毡/背衬/过滤/绝缘)、服装(包含衬里织物)、鞋类、包/背包硬壳、耐久和半耐久(一次性或半一次性)衣服或PPE，包含FR(经化学处理或与固有FR纤维技术组合)、生物化学或其它特种防护服。
背景技术
尼龙已经制造并商用许多年。最先的尼龙纤维是尼龙6,6,聚(己二酰己二胺)，且尼龙6,6纤维仍在制作且商用作为主要的尼龙纤维。大量的其它尼龙纤维，尤其是从己内酰胺制备的尼龙6纤维，也在制作且商用。尼龙纤维在用于纺织织物的纱线中使用，以及用于其它目的。对于纺织织物，基本上存在两种主要纱线类别，即连续长丝纱线以及从短纤维(即，切割纤维)制作的纱线。
尼龙短纤维常规上通过以下方式来制作：将尼龙聚合物熔融纺织为长丝，将极大量的这些长丝收集为丝束，使丝束经受牵拉操作，且随后将丝束转化为短纤维(例如，在短纤维切割器中)。所述丝束通常含有成千上万的长丝，且大体上总旦尼尔数大约为几十万(或更高)。所述牵拉操作涉及在一组馈送辊与一组牵拉辊(以高于馈送辊的速度操作)之间递送丝束以增加长丝中的尼龙聚合物的定向。牵拉经常与退火操作组合以在将丝束转化为短纤维之前增加丝束长丝中的尼龙结晶性。
尼龙短纤维的优点之一是它们容易尤其与例如棉(经常称为短纤维)等天然纤维和/或与其它合成纤维掺和，以实现可从此掺和得出的优点。一种尤其合意形式的尼龙短纤维已经使用多年以与棉掺和，尤其用以改善从包括棉与尼龙的掺和物的纱线制作的织物的耐久性和经济性。这是因为此尼龙短纤维具有相对高的承载韧性，如Hebeler的第3,044,250；3,188,790；3,321,448；和3,459,845号美国专利中公开，以上美国专利的公开内容特此以全文引用的方式并入。如Hebeler所阐释，尼龙短纤维的承载能力常规上测得为在7％伸长率下的韧性(T7)，且T7参数已经长期被接受作为标准测量值且容易在Instron试验机上读取。
用于制备尼龙短纤维的Hebeler过程涉及前文描述的尼龙纺织、丝束形成、牵拉和转化操作。用于制备尼龙短纤维的Hebeler过程中的改进随后通过修改丝束牵拉操作的性质以及通过对总体过程添加特定类型的退火(或高温处理)和后续的冷却步骤来做出。举例来说，Thompson在第5,093,195和5,011,645号美国专利中公开了尼龙短纤维制备，其中将例如具有55的甲酸相对粘度(RV)的尼龙6,6聚合物纺织成长丝，所述长丝随后被牵拉、退火、冷却且切割为短纤维，所述短纤维具有约6.8到6.9的断裂韧性T、约2.44的每长丝旦尼尔数，以及从约2.4到3.2的承载能力T7。这些尼龙短纤维进一步在Thompson专利中公开为与棉掺和且形成为具有改进纱线强度的纱线。(这两个Thompson专利以全文引用的方式并入本文。)
根据Thompson技术制备的尼龙短纤维已经掺和到NYCO纱线(大体上处于50:50尼龙/棉比率)中，其中这些纱线用以制备NYCO织物。这些NYCO织物(例如，机织织物)已应用于军用战斗服和服装。虽然这些织物已经大体上证明为对于军用或其它坚固服装用途是令人满意的，但例如军事当局一直在寻找改进的织物，所述织物可能重量更轻、成本更低和/或更舒适，且仍高度耐久或甚至具有改善的耐久性。
发明内容
本发明涉及产生具有极高韧性(断裂韧性和低伸长率下的韧性两者)的尼龙短纤维。本发明涉及使用蒸汽以允许较高牵拉比率对当前使用的正常牵拉比率。随后使产品退火且在张力下干燥。在张力下的退火/炉干燥帮助移除在蒸汽牵拉期间得到的过量水分。所得的纤维断裂韧性已经从平均7.1克/den增加到7.5-7.75克/旦尼尔范围。10％伸长率下的韧性也已经增加10-20％更高对标准产品或先前描述的改进。从此纤维制作的织物预期展现在抓取和撕裂强度方面的较高强度或相当的强度但重量减轻多达1.0oz.。
因此，本发明的一方面涉及具有大于7.5g/den的断裂韧性和/或大于4.0g/den的10％伸长率下的韧性的高强度或承载尼龙短纤维。
本发明的另一方面涉及一种纱线，其至少一部分是从具有大于7.5g/den的断裂韧性和/或大于4.0g/den的10％伸长率下的韧性的高强度或承载尼龙短纤维纺织成。
在一个实施例中，所述纱线是通过将这些尼龙短纤维与至少一种伴随短纤维进行掺和而制作。
在一个实施例中，所述纱线可以是尼龙/棉(NYCO)纱线，其可随后机织成耐久且任选地重量轻的机织NYCO织物，所述织物可尤其适合于军用或其它坚固服装用途。
本发明的另一方面涉及小于6.0oz./yd2的轻重量织物，其满足或超过针对重量大于6.0oz./yd2的织物建立的当前军用织物强度和撕裂规范。所述织物由一种纤维掺和物构成，其至少一部分包括具有大于7.5g/den的断裂韧性和大于4.0g/den的10％伸长率下的韧性的高强度或承载尼龙纤维。
本发明的另一方面涉及一种制品，其至少一部分包括具有大于7.5g/den的断裂韧性和/或大于4.0g/den的10％伸长率下的韧性的高强度或承载尼龙纤维。
本发明的另一方面涉及包括高韧性纤维和纤维素材料或再循环合成或天然纤维的非织造织物复合材料。
在一个实施例中，在非织造织物复合材料中使用的高韧性纤维包括具有大于7.5g/den的断裂韧性和/或大于4.0g/den的10％伸长率下的韧性的承载尼龙纤维。
本发明的又一方面涉及用于生产具有大于7.5g/den的断裂韧性和/或大于4.0g/den的10％伸长率下的韧性的高强度或承载尼龙纤维的方法。此方法包括以下步骤：将尼龙聚合物熔融纺织成长丝；使所述长丝均匀地骤冷且从大量这些经骤冷长丝形成丝束；在蒸汽存在下使所述丝束经受牵拉；在张力下进行退火；以及随后将所得的经牵拉且退火的丝束转化为适合于形成为例如纺织纱线的短纤维。
具体实施方式
本公开提供具有大于7.5g/den的断裂韧性和/或大于4.0g/den的10％伸长率下的韧性的高强度或承载尼龙纤维、至少一部分是从这些纤维制备的纱线、织物和其它制品，以及用于其生产的方法。
本公开还提供包括高韧性纤维和纤维素材料或再循环合成或天然纤维的非织造织物复合材料。
如本文使用，术语“耐久”和“耐久性”指代如此表征的织物具有合适高的抓撕强度以及此织物的既定最终用途的耐磨性的倾向，以及在织物使用开始后的适当时间长度中保持这些合意的性质。
如本文使用，在提及纺织纱线时的术语“掺和”或“经掺和”意味着至少两个类型的纤维的混合物，其中所述混合物以一方式形成以使得每一类型纤维的个别纤维与其它类型的个别纤维大体上完全互混以提供大体上均质的纤维混合物，其具有充分的缠结以在进一步处理和使用中维持其完整性。
如本文使用，棉支数指代基于840纱线的长度的纱线计数系统，且其中纱线的支数等于重1磅所需的840纱线缕的数目。
本文叙述的所有数字值应理解为由术语“约”修饰。
一些实施例是基于具有某些指定特性的改进的尼龙短纤维的制备以及基于纱线和从这些纱线机织的织物的后续制备，其中这些改进的尼龙短纤维与至少一种其它纤维掺和。其它纤维可包含例如棉等纤维素材料、例如经FR处理的纤维素等经改性的纤维素材料、聚酯、人造丝、例如羊毛等动物纤维、耐火(FR)聚酯、FR尼龙、FR人造丝、经FR处理的纤维素、间位芳纶、对位芳纶、变性腈纶、酚醛树脂纤维、三聚氰胺、聚氯乙烯、抗静电纤维、PBO(1,4-苯二甲酸，与4,6-二氨基-1,3-苯二酚盐酸盐的聚合物)、PBI(聚苯并咪唑)，及其组合。一些实施例的尼龙短纤维可对纱线和织物提供强度和/或耐磨性的增加。对于与例如棉和羊毛等相对较弱纤维的组合来说尤其如此。
本文制备和使用的尼龙短纤维的特定特性包含纤维旦尼尔数、纤维韧性以及在7％和10％伸长率下的纤维韧性方面界定的纤维承载能力。
本文的所需尼龙短纤维材料的实现是基于具有某些选定性质且使用某些选定处理操作和条件处理的尼龙聚合长丝和丝束的短纤维制造中的使用。具体来说，本发明人已经发现，在馈送与牵拉模块之间引入蒸汽和/或在退火期间的张力显著减少了牵拉力，因此允许将尼龙供应牵拉得比任何干式牵拉工艺远得多。在本发明的一个实施例中，通过在馈送与牵拉模块之间添加蒸汽室，将蒸汽引入到正常尼龙短纤维过程中，因为这允许在退火之前移除过量的水。在不限于任何特定理论的情况下，据信所述蒸汽室添加了足够的热/蒸汽以减少尼龙的牵拉力，且帮助将牵拉局部化于蒸汽室而不是馈送辊出口上方或出口处。可通过压力来控制蒸汽。
本发明的用于尼龙长丝纺织的尼龙聚合物自身可以常规方式生产。适合于在一些实施例的过程和长丝中使用的尼龙聚合物由合成熔融可纺织或熔融已纺织聚合物组成。这些尼龙聚合物可包含聚酰胺均聚物、共聚物及其混合物，其主要为脂肪族，即，聚合物的少于85％的酰胺键附接到两个芳环。根据一些实施例可以使用例如作为尼龙6,6的聚(己二酰己二胺)和作为尼龙6的聚(ε-己酰胺)等广泛使用的聚酰胺聚合物及其共聚物和混合物。可有利地使用的其它聚酰胺聚合物是尼龙12、尼龙4,6、尼龙6,10、尼龙6,12、尼龙12,12，及其共聚物和混合物。在一些实施例的过程、纤维、纱线和织物中可采用的聚酰胺和共聚酰胺的说明是在第5,077,124、5,106,946和5,139,729号美国专利(都颁予Cofer等人)中描述的那些，以及由Gutmann在《国际化学纤维(Chemical Fibers International)》(1996年12月，卷46，418到420页)中公开的聚酰胺聚合物混合物。这些公开案全部以引用的方式并入本文。
在尼龙短纤维的制备中使用的尼龙聚合物常规上是通过使适当的单体、催化剂、抗氧化剂和其它添加剂进行反应而制备，所述其它添加剂例如塑化剂、消光剂、颜料、染料、光稳定剂、热稳定剂、用于减少静电的抗静电剂、用于修改染料能力的添加剂、用于修改表面张力的试剂等。通常在连续聚合器或间歇反应釜中实行聚合。由此产生的熔融聚合物随后通常引入到纺织组件，其中所述聚合物受迫通过合适的喷丝板且形成为长丝，所述长丝经骤冷且随后形成为丝束以用于最终处理为尼龙短纤维。如本文使用，纺织组件包括在组件的顶部处的组件盖、在组件的底部处的喷丝板，以及夹在前述两个部件之间的聚合物过滤器固持器。所述过滤器固持器中具有中心凹口。过滤器固持器中的盖和凹口协作以界定封闭式袋，其中接纳例如沙等聚合物过滤媒介。所述组件内部提供通道以允许由泵或挤压器供应的熔融聚合物流行进通过组件且最终通过喷丝板。所述喷丝板具有延伸穿过其中的小精密孔的阵列，所述孔将聚合物传递到组件的下部表面。所述孔的嘴部形成喷丝板的下部表面上的孔口阵列，所述表面界定骤冷区的顶部。退出这些孔口的聚合物呈长丝的形式，所述长丝随后被向下引导通过骤冷区。
在所述连续聚合器或间歇反应釜中实行的聚合的程度可大体上借助于称为相对粘度或RV的参数来量化。RV是在甲酸溶剂中的尼龙聚合物溶液的粘度与甲酸溶剂自身的粘度的比率。RV被视为尼龙聚合物分子量的间接指示。为了本文的目的，增加尼龙聚合物RV视为与增加尼龙聚合物分子量同义。
随着尼龙分子量增加，其处理由于尼龙聚合物的粘度增加而变得较困难。因此，连续聚合器或间歇反应釜通常操作以提供尼龙聚合物以用于最终处理为短纤维，其中所述尼龙聚合物具有约60或更小的RV值。
已知出于一些目的，具有较大分子量的尼龙聚合物的提供，即，具有大于70到75且高达140或甚至190和更高的RV值的尼龙聚合物可为有利的。已知例如此类型的高RV尼龙聚合物具有对挠曲磨损和化学降解的改善的抵抗性。因此，此高RV尼龙聚合物尤其适合于纺织成尼龙短纤维，其可有利地用于造纸毛毡的制备。用于制作高RV尼龙聚合物和从其制作短纤维的程序和设备在Kidder的第5,236,652号美国专利中以及Schwinn和West的第6,235,390；6,605,694；6,627,129和6,814,939号美国专利中公开。所有这些专利以全文引用的方式并入本文。
根据一些实施例，已经发现，当在本文描述的蒸汽和退火程序的存在下根据纺织、骤冷、馈送和牵拉进行处理时，从具有大体上与在连续聚合器或间歇高压釜中经由聚合大体上获得的值一致或在一些情况下更高的RV值的尼龙聚合物制备的短纤维意外地展现与标准产品或先前描述的改进相比增加的纤维断裂韧性和增加的韧性与10％伸长率。当具有改善的韧性的这些尼龙短纤维与例如棉短纤维等一种或多种其它纤维掺和时，可实现具有改善的强度以及较低重量的纺织纱线。从这些纱线机织的例如NYCO织物等织物展现至此相对于耐久性、任选较轻的重量、改善的舒适度和/或潜在较低成本所描述的优势。
根据本文的短纤维制备过程，通过一个或多个纺织组件喷丝板熔融纺织为形成丝束的长丝且经骤冷的尼龙聚合物将具有范围从45到100的RV值，包含从55到100、从46到65；从50到60；以及从65到100。具有这些RV特性的尼龙聚合物可以例如使用聚酰胺浓缩物程序的熔融掺和来制备，例如上文提到的Kidder'652专利中公开的过程。Kidder公开了某些实施例，其中并入到聚酰胺浓缩物中的添加剂是用于增加甲酸相对粘度(RV)的催化剂。例如具有从65到100的RV的尼龙等可用于熔融和纺织的较高RV尼龙聚合物也可借助于固相聚合(SPP)步骤而提供，其中尼龙聚合物薄片或颗粒经调节以将RV增加到所需程度。这些固相聚合(SPP)程序是众所周知的且在上文提到的Schwinn/West'390、'694、'129和'939专利中更详细公开。
具有如本文指定的必要RV特性的尼龙聚合物材料例如经由双螺杆熔融器装置馈送到纺织组件。在纺织组件中，尼龙聚合物借助通过一个或多个喷丝板的挤压而纺织成大量长丝。为了本文的目的，术语“长丝”定义为相对柔性的宏观上均质体，其具有跨越垂直于其长度的其横截面区域的长度与宽度的高比率。长丝横截面可以是任何形状，但通常是圆形的。本文中，术语“纤维”也可以与术语“长丝”可互换地使用。
每一个别喷丝板位置可以在小达9英寸乘7英寸(22.9cm乘17.8cm)的区域中含有从100到1950条长丝。纺织组件机器可以含有从一个到96个位置，其中每一者提供多束长丝，这最终组合为单个丝束带以用于牵拉/关于其它丝束带的下游处理。
在退出纺织组件的喷丝板之后，已经通过每一喷丝板挤压的熔融长丝通常经过骤冷区，其中可使用多种骤冷条件和配置以固化熔融聚合物长丝，且使它们适合于在一起收集成丝束。骤冷最通常通过以下方式实行：使冷却气体(例如，空气)朝向正从纺织组件内的每一喷丝板位置挤压到骤冷区中的长丝束传递、传递到其上、与其一起传递、在其周围传递以及传递通过其中。
一种合适的骤冷配置是交叉流动骤冷，其中在大体上垂直于挤压长丝正行进通过骤冷区的方向的方向上迫使例如空气等冷却气体进入骤冷区。除其它骤冷配置外，交叉流动骤冷布置在第3,022,539；3,070,839；3,336,634；5,824,248；6,090,485、6,881,047和6,926,854号美国专利中描述，以上专利全部以引用的方式并入本文。
在本文的短纤维制备过程的一个实施例中，用以最终形成所需尼龙短纤维的挤压尼龙长丝被纺织、骤冷且形成为具有位置均匀性和骤冷条件均匀性两者的丝束，例如第2011/0177737和2011/0177738号公开的美国专利申请中描述，以上美国专利申请的教示以全文引用的方式并入本文。
经骤冷的纺织长丝可随后组合成一个或多个丝束。从来自一个或多个喷丝板的长丝形成的这些丝束随后经受两阶段连续操作，其中丝束在蒸汽的存在下被牵拉且退火。
丝束的牵拉大体上主要在初始或第一牵拉阶段或区中实行，其中丝束带在一组馈送辊与一组牵拉辊(以较高速度操作)之间传递以增加丝束中的长丝的结晶定向。丝束被牵拉的程度可通过指定牵拉比率而量化，所述牵拉比率为牵拉辊的较高外围速度与馈送辊的较低外围速度的比率。通过使第一牵拉比率与第二牵拉比率相乘来计算有效牵拉比率。
第一牵拉阶段或区可以包含若干组馈送和牵拉辊，以及其它丝束导引和拉紧辊，例如制动销。牵拉辊表面可以由金属(例如，铬)或陶瓷制成。已经发现陶瓷牵拉辊表面尤其有利于准许为了与本文的短纤维制备过程结合使用而指定的相对较高牵拉比率的使用。陶瓷辊改善了辊寿命以及提供了较不易于卷绕的表面。在《国际纤维期刊(InternationalFiber Journal)》(国际纤维期刊，2002年2月1日，17：《用于分离辊的纺织和承载技术(Textile and Bearing Technology for Separator Rolls)》，Zeitz等人)中出现的论文以及第4,794,680号美国专利(均以引用的方式并入本文)中也公开了使用陶瓷辊以便改善辊寿命，且减少对辊表面的纤维粘附。
虽然本文的长丝丝束的最大牵拉程度在初始或第一牵拉阶段或区中发生，但丝束的一些额外牵拉将大体上还在下文描述的第二或退火和牵拉阶段或区中发生。本文的长丝丝束经受的总牵拉量可通过指定总有效牵拉比率来量化，所述总有效牵拉比率考虑了在第一初始牵拉阶段或区中和在同时进行退火和一些额外牵拉的第二区或阶段中发生的牵拉。
在一些实施例的过程中，尼龙长丝的丝束经受从2.3到5.0的总有效牵拉比率，包含从3.0到4.0。在其中丝束的每长丝旦尼尔数大体上较小的一个实施例中，总有效牵拉比率可以范围从3.12到3.40。在其中丝束的每长丝旦尼尔数大体上较大的另一实施例中，总有效牵拉比率可以范围从3.5到4.0。
在本文的过程中，如前文所述的丝束的大多数牵拉是在第一或初始牵拉阶段或区中发生。特定来说，赋予丝束的总牵拉量的从85％到97.5％(包含从92％到97％)将在第一或初始牵拉阶段或区中发生。第一或初始阶段中的牵拉操作将大体上在当从熔融纺织操作的骤冷区经过时长丝具有的任何温度下实行。此第一阶段牵拉温度将经常范围从80℃到125℃。
在本发明中，在馈送与牵拉之间引入蒸汽以最大化尼龙的牵拉。在一个实施例中，定位于馈送与牵拉模块之间的蒸汽室用以允许例如本文描述的较高牵拉比率对正常牵拉比率。
从第一或初始牵拉阶段或区，部分牵拉的丝束传递到第二退火和牵拉阶段或区，其中丝束被同时加热且进一步牵拉。实现退火的丝束的加热用以增加长丝的尼龙聚合物的结晶性。在此第二退火和牵拉阶段或区中，丝束的长丝经受从145℃到205℃的退火温度，例如从165℃到205℃。在一个实施例中，在此退火和牵拉阶段中的丝束的温度可以通过使丝束与定位于第一阶段牵拉与第二阶段牵拉和退火操作之间的蒸汽加热的金属板接触而实现。在本发明中，在张力下的退火/炉干燥帮助移除在蒸汽牵拉期间得到的过量水分。
在本文过程的退火和牵拉阶段之后，将经牵拉和退火的丝束冷却到小于80℃的温度，例如小于75℃。贯穿本文描述的牵拉、退火和冷却操作，丝束维持于受控张力下且因此不准许松弛。
在蒸汽存在下的牵拉以及在张力下的退火/炉干燥之后，将多长丝丝束以常规方式转化为短纤维，例如使用短纤维切割器。从丝束形成的短纤维将经常长度范围从2到13cm(0.79到5.12英寸)。举例来说，短纤维可以范围从2到12cm(0.79到4.72英寸)、从2到12.7cm(0.79到5.0英寸)，或从5到10cm可形成。本文的短纤维可任选地卷曲。
根据本文的过程形成的高韧性尼龙短纤维将大体上提供为纤维的集合，例如作为纤维捆，其具有从1.0到3.0的每纤维旦尼尔数。当将制备具有从1.6到1.8的每纤维旦尼尔数的短纤维时，在本文的过程中可使用从3.12到3.40(例如从3.15到3.30)的总有效牵拉比率以提供具有必要承载能力的短纤维。当将制备具有从2.5到3.0或2.3到2.7的每纤维旦尼尔数的短纤维时，在本文的过程中应当使用从3.5到4.0或从3.74到3.90的总有效牵拉比率以提供具有必要承载能力的短纤维。
使用此过程且随后在180℃下使用标准退火辊使纤维退火产生了具有大于7.5g/den的韧性的显著较高韧性纤维。
在本发明的一个非限制性实施例中，公开了具有大于7.5g/den的断裂韧性的尼龙短纤维。在本发明的另一非限制性实施例中，公开了具有大于7.8g/den的断裂韧性的尼龙短纤维。在本发明的另一非限制性实施例中，公开了具有至少8.0g/den的断裂韧性的尼龙短纤维。
在本发明的一个非限制性实施例中，公开了具有至少4.0g/den的10％伸长率下的韧性的尼龙短纤维。
具有以上性质的纤维可在较低掺和比率下使用或使用替代纺织系统纺织成纱线，其显著减少织物制造成本且仍满足现有的织物规范。具有极高韧性(断裂韧性以及7％或10％伸长率下的韧性)的纤维以及可从此纤维制作的可能更强、更低成本或更轻重量织物。通过允许使用较低尼龙掺和水平和/或替代纺织系统且同时维持织物性质，此所述纤维可用以显著减少纱线纺织和成品织物成本。这向下游顾客对竞争提供了价值。为了实现纤维中的这些性质，使用蒸汽室帮助最大化尼龙的牵拉。所获得的纤维韧性高于在正常短纤维设备上产生的任何纤维。
具有产生显著较高强度纤维对完成的能力是极为有利的。较高强度尼龙纤维允许纱线纺织器和织物编织器减少成本，同时仍满足成品织物/服饰中的强度要求。此较高强度将在成本方面使竞争性供应处于较大劣势。此成本差异可能可从$0.34到超过$1.00/lb。较低成本纱线/织物的实例包含纺织纱线中的尼龙含量的较低使用，同时仍满足纱线和织物强度要求，以及较低成本纱线纺织系统(Vortex或OES)的使用，同时仍满足织物强度要求。这些较低成本替代方案在成功实施的情况下可每织物纱线节省超过$1.00。具有生产此较高强度纤维的能力带来竞争无法满足的显著优势。另一可能优势是允许生产较低重量织物/服饰，同时仍满足现有的织物规范。在例如较轻重量织物等任何新型织物规范中的新纤维的采用将防止竞争性纤维制造商进入市场。
本文提供的尼龙短纤维尤其有用于与其它纤维掺和以用于各种类型的纺织应用。可例如以一些实施例的尼龙短纤维与例如人造丝或聚酯等其它合成纤维组合而进行掺和。本文的尼龙短纤维的掺和的实例包含以例如棉、亚麻、大麻、黄麻和/或苎麻等天然纤维素纤维制作的那些。用于密切掺和这些纤维的合适方法可包含：在梳理之前的短纤维的批量机械掺和；在梳理之前和在梳理期间的短纤维的批量机械掺和；或者在梳理后以及在纱线纺织之前的短纤维的至少两个遍次的牵拉框架掺和。
根据一个实施例，本文的高承载能力尼龙短纤维可以与棉短纤维掺和且纺织成纺织纱线。这些纱线可以使用通常已知的短纤维和长纤维纺织方法以常规方式纺织，包含环形纺织、空气喷射或涡流纺织、开端纺织或摩擦纺织。当纱线掺和包含棉时，所得纺织纱线将大体上具有从20:80到80:20的棉纤维与尼龙纤维重量比率，包含从40:60到60:40，且经常为50:50的棉:尼龙重量比率。此项技术中众所周知，纤维含量的标称变化(例如，52:48)也视为50:50掺和。以本文的高承载能力尼龙短纤维制作的纺织纱线将经常展现在50:50NYCO含量下的至少2800的LEA产品值，例如至少3000。替代地，这些纱线可具有在50:50NYCO含量下的至少17.5或18cN/tex的断裂韧性，包含至少19cN/tex。
在一个实施例中，本文的纺织纱线将由具有从1.6到1.8的每长丝旦尼尔数的尼龙短纤维制作。在另一实施例中，本文的纺织纱线将由具有从2.5到3.0(包含从2.3到2.7)的每长丝旦尼尔数的尼龙短纤维制作。
一些实施例的尼龙/棉(NYCO)纱线可以常规方式使用以制备尤其具有在军用或其它坚固用途服装中使用的合意性质的NYCO机织织物。因此这些纱线可以机织成2x1或3x1斜纹NYCO织物。纺织的NYCO纱线和包括这些纱线的3x1斜纹机织织物在Green的第4,920,000号美国专利中大体上描述且例示。此'000专利以引用的方式并入本文。
NYCO机织织物当然包括经纱线和纬(纬向)纱线。一些实施例的机织织物是在这些方向中的至少一个方向且任选地两个方向上机织本文的NYCO纺织纱线的那些织物。在一个实施例中，本文的具有尤其合意的耐久性和舒适度的织物将在纬(纬向)纱方向上机织包括本文的具有从1.6到1.8的每长丝旦尼尔数的尼龙短纤维的纱线，且将在经纱方向上机织包括本文的具有从2.3到3.0的每长丝旦尼尔数的尼龙短纤维的纱线，包含从2.5到3.0以及从2.3到2.7每长丝旦尼尔数。
使用包括本文的高承载尼龙短纤维的纱线制作的一些实施例的机织织物可使用比常规NYCO织物少的尼龙短纤维，同时保持这些常规NYCO织物的许多合意性质。因此，这些织物可制作为相对重量轻的且成本低的，同时仍合意地耐久。替代地，与常规NYCO织物的尼龙纤维含量相比，可使用相等或甚至更大量的本文的尼龙短纤维来制作这些织物，其中本文的这些织物提供优良的耐久性性质。
例如一些实施例的NYCO织物等重量轻的织物可具有小于220grams/m2(6.5oz/yd2)的织物重量，包含小于200grams/m2(6.0oz/yd2)，以及小于175grams grams/m2(5.25oz/yd2)。一些实施例的合适的耐久NYCO织物将具有在经纱方向上190lbs或更大的抓取强度以及在纬(纬向)纱方向上80lbs或更大的抓取强度。其它耐久织物具有在“原样接收的”织物中在经纱方向上11.0lbf(磅英尺)或更大以及在纬向方向上9.0lbf或更大的撕裂强度。
本发明还涉及包括高韧性纤维和纤维素材料或再循环合成或天然纤维的非织造织物复合材料。本发明人已经发现，高韧性纤维的包含对非织造衬底赋予额外的拉伸、撕裂、磨损、洗涤耐久性和长期性，包含但不限于水刺、空气编织、针刺和其它梳理非织造技术。在一个实施例中，在非织造织物复合材料中使用的高韧性纤维包括具有大于7.5g/den的断裂韧性和/或大于4.0g/den的10％伸长率下的韧性的承载尼龙纤维。然而，如本领域的技术人员在阅读本公开后将理解，也可使用替代的高韧性纤维，例如但不限于在公开的第2011/0177737和2011/0177738号美国专利申请中描述的那些。在这些非织造复合材料中可使用的具有相对高承载韧性的尼龙短纤维的额外非限制性实例在第3,044,250；3,188,790；3,321,448；3,459,845；5,093,195和5,011,645号美国专利中公开。高韧性纤维可与各种纤维素材料或再循环合成或天然纤维技术组合，包含但不限于再循环牛仔布。非织造织物复合材料的最终用途包含但不限于工业(毛毡/背衬/过滤/绝缘)、服装(包含衬里织物)、鞋类、包/背包硬壳、耐久和半耐久(一次性或半一次性)衣服或PPE，包含FR(经化学处理或与固有FR纤维技术组合)、生物化学或其它特种防护服。
测试方法
当本文的聚合物、纤维、纱线和织物的各种参数、性质和特性被指定时，应理解，可使用以下类型的测试程序和设备来确定这些参数、性质和特性：
尼龙聚合物相对粘度
本文使用的尼龙材料的甲酸RV指代在25℃下在毛细管粘度计中测得的溶液与溶剂粘度的比率。溶剂是含有10％重量的水的甲酸。溶液是在溶剂中溶解的8.4％重量的尼龙聚合物。此测试是基于ASTM标准测试方法D789。在牵拉之前或在牵拉之后，在纺织长丝上确定甲酸RV，且其可称为纺织纤维甲酸RV。
短纤维上的Instron测量
本文的短纤维的所有Instron测量是在单个短纤维上进行，适当谨慎考虑短纤维的夹持，且在至少10条纤维上做出测量的平均。大体上，将至少3组测量(每组针对10条纤维)在一起求平均以提供所确定参数的值。
长丝旦尼尔数
旦尼尔数是长丝的线性密度，其表达为9000米长丝的以克计的重量。可在来自德国慕尼黑的Textechno的振动计上测量旦尼尔数。旦尼尔数乘以(10/9)等于分特(dtex)。可根据ASTM标准测试方法D 1577以重量法确定每长丝的旦尼尔数。例如在振动计中使用的具有基于振动的线性密度测量的Favimat机器也可用以确定个别纤维的DPF或每长丝旦尼尔数且可与ASTM D1577相比较。
断裂韧性
断裂韧性(T)是长丝的最大或断裂力，其表达为每单位横截面积的力。可在可购自马萨诸塞州的Instron of Canton的Instron型号1130上测量韧性，且报告为每旦尼尔克数(每dtex克数)。可根据ASTM D 885测量长丝断裂韧性(以及断裂伸长率)。
7％和10％伸长率下的长丝韧性
7％伸长率下的长丝韧性(T7)是施加于长丝以实现7％伸长率的力除以长丝旦尼尔数。可根据ASTM D 3822确定T7。可在Favimat上运行10％伸长率下的韧性，其可与ASTMD3822相比较。
纱线强度
本文的纺织尼龙/棉纱线的强度可经由Lea乘积值或纱线断裂韧性来量化。Lea乘积和绞纱断裂韧性是纺织纱线的平均强度的常规指标，且可根据ASTM D 1578来确定。Lea乘积值是以磅力为单位报告。断裂韧性是以cN/tex为单位报告。
织物重量
本文的机织织物的织物重量或基本重量可通过以下方式确定：根据ASTM D 3776的标准测试方法的程序，对具有已知面积的织物样本进行称重，且在grams/m2或oz/yd2方面计算重量或基本重量。
织物抓取强度
可根据ASTM D 5034测量织物抓取强度。抓取强度测量是以在经纱和纬向纱方向上的磅力来报告。
织物撕裂强度--Elmendorf
可根据标题为《通过落锤型(Elmendorf)设备的织物撕裂强度的标准测试方法(Standard Test Method for Tearing Strength of Fabrics by Falling-PendulumType(Elmendorf)Apparatus)》的ASTM D 1424测量织物撕裂强度。抓取强度测量是以在经纱和纬向纱方向上的磅力来报告。
织物耐磨性--Taber
织物耐磨性可确定为通过标题为《使用旋转平台双头研磨机测试耐磨性(Abrasion Resistance Using Rotary Platform Double Head Abrader)》的ASTM D3884-01测得的Taber耐磨性。结果是以达到失效的循环数来报告。
织物耐磨性--Flex
织物耐磨性可确定为通过标题为《纺织织物的耐磨性的标准测试方法(挠曲和磨损方法)(Standard Test Method for Abrasion Resistance of Textile Fabrics(Flexing andAbrasion Method))》的ASTM D3885测得的Flex耐磨性。结果是以达到失效的循环数来报告。
以下章节提供与在无蒸汽牵拉辅助的情况下通过标准过程制备的纤维相比合成纤维及其特性的进一步说明。这些工作实例仅是说明性的，且不希望以任何方式限制本发明的范围。
实例
实例1：标准T420对高强度T420的比较
将根据本发明的蒸汽牵拉辅助过程产生的纤维的性质与在切割和排水之后在Favimat仪器上通过标准过程制备的纤维进行比较。在表1中示出了结果。
表1
Figure BDA0001322693380000161

Claims (15)

1.一种用于生产高强度或承载尼龙纤维的方法，所述方法包括：将尼龙聚合物熔融纺织成长丝；使所述长丝均匀地骤冷且从大量这些经骤冷长丝形成丝束；在蒸汽存在下使所述丝束经受牵拉；退火；以及将所得的经牵拉且退火的丝束转化为短纤维，其中所述尼龙纤维具有大于7.5 g/den的断裂韧性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在张力下执行退火。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述尼龙纤维具有大于4.0 g/den的10%伸长率下的韧性。
4.一种包括尼龙聚合物的尼龙短纤维，所述纤维采用权利要求1的方法制备，所述纤维具有大于7.5 g/den的断裂韧性。
5.根据权利要求4所述的尼龙短纤维，其中所述尼龙聚合物是尼龙6,6。
6.根据权利要求4所述的尼龙短纤维，其中10%伸长率下的韧性大于4.0 g/den。
7.一种从根据权利要求4到6中任一权利要求所述的尼龙短纤维纺织的纱线。
8.根据权利要求7所述的纱线，其进一步包括至少一种伴随短纤维。
9.根据权利要求8所述的纱线，其中所述伴随短纤维选自由以下各项组成的群组：纤维素材料、经改性的纤维素材料、动物纤维、耐火聚酯、耐火尼龙、耐火人造丝、经耐火处理的纤维素、间位芳纶、对位芳纶、变性腈纶、酚醛树脂、三聚氰胺、聚氯乙烯、抗静电纤维、PBO(1,4-苯二甲酸与4,6-二氨基-1,3-苯二酚二盐酸盐的聚合物)以及PBI(聚苯并咪唑)，及其组合。
10.一种织物，其包括根据权利要求4到7中任一权利要求所述的尼龙短纤维或根据权利要求8到9中任一权利要求所述的纱线。
11.根据权利要求10所述的织物，其具有小于6.0 oz./yd2的重量。
12.根据权利要求10所述的织物，其满足或超过针对重量小于6.0 oz./yd2的织物建立的军用织物强度和撕裂规范。
13.一种制品，其至少一部分包括根据权利要求4所述的尼龙短纤维。
14. 一种非织造织物复合材料，其包括高韧性纤维和纤维素材料或再循环合成或天然纤维，其中所述高韧性纤维采用权利要求1的方法制备，包括具有大于7.5 g/den的断裂韧性和/或大于4.0/den的10%伸长率下的韧性的承载尼龙纤维。
15.根据权利要求14所述的非织造复合材料，其中所述纤维素材料或再循环合成或天然纤维包括再循环牛仔布。
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