CN1136098A - 双组份自卷曲聚合物纤维的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过主牵拉、在冷牵拉单元上进行后牵拉、在有拉力状态下涂布水以及在干燥器入口处在紧密和密实形状下进行松弛这样一些步骤，在纤维生产线上生产自卷曲S/S型双组分纤维的方法，这造成具有新型卷曲形状和极好使用状况的纤维。
Description
本发明涉及一种双组份自卷曲聚合物纤维。
本发明特别涉及一种自卷曲双组份聚合物纤维的新制法，以及按照这种方法可以生产的具有新的卷曲形状的双组份纤维以及其应用。
由于并列型(S/S型)双组份纤维具有自卷曲性能，是生产的主要品种。基于该聚合物纤维的两半有不同的收缩率，可以产生三维卷曲，与使用机械填塞式卷曲机进行卷曲得到的锯齿状卷曲相比，其优点是膨松度大、弹性和回弹性好，手感优良。
自卷曲的先决条件是要有由于纤维的两半在收缩率、收缩能力和弹性模量上的差别而造成的一定的卷曲潜力。再有，如果两个组份是处于大致相等的部位，即在截面上每个组份都是半个圆，对确定的聚合物组合对就有最大的卷曲能力。
然而，对于除了需要有不同的收缩率，而且应该彼此很好地粘在一起的两个组份，并不绝对要求是两种聚合物，因为在取向、结晶度或相对粘度方面的差别也能产生收缩率差。
然而，后几种可能性是与减小卷曲潜力相联系的，这使得卷曲产生困难。由于卷曲潜力太小的纤维产生的问题是尽管如此还要使它们产生均匀的卷曲。正如在DE 17 60 755中所述，必须藉助于空气喷射嘴来吹开由许多单根的原纤组成的牵拉过的纤维束来做到这一点，使得每根单根的原纤能自由而松驰地卷曲，受不到其相邻纤维的阻碍。通过这种方法制成通常的三维卷曲。然而，就当前的短纤牵拉生产线的能力来说，将纤维束吹散成为膨大而松散的结构会导致一种困难，这就是在最终的干燥和热定形过程中，这种卷曲的丝束几乎没有任何余地来通过正常的干燥器，而且会都卡在那里，这就使正常的生产变得很难。但是对于双组份纤维来说，由于这种纤维是由两种不同聚合物组成，本身具有较高的卷曲潜力，是至今所知的唯一的三维螺旋形自卷曲，再加上要使大的纤维束，即由多根单纤组成的束发生卷曲，这就指出了如在所述例子中出现的问题。
因此，本发明的目标是开发一种方法，它可避免在先有技术中的上述问题和讲过的缺点，使得在纤维生产线上也能控制大丝束密度的双组份聚合物纤维的自卷曲。
在下文中，丝束被理解为至少由5000根连续纤维组成的一种结构。
如果在主牵拉后跟着在最后一个冷的牵拉单元上对热且干的丝束进行后牵拉；在有拉力状态下，必要时加有榨干的操作，使得在松弛前测量丝束有10～30％(wt)的水膜；在干燥器吸入处，在紧密，密实状态下进行松弛。那么就会得到具有二维Ω丝束(这对使用是有益的)和可控制的一部分三维螺旋丝束的纤维的自卷曲。这种卷曲是新型的，而且有非常的优点。
使人意外的是，由于至今为止出于纯几何的原因，在具有运动自由度受到严格限制的紧密丝束中进行单根丝的自卷曲是不可想象的，而按照本发明的方法做到了这一点。
甚至更令人意外的是按照本发明的方法产生的自卷曲形状及其机理。在发明过程开发的新操作方法避免了使用与大纤维丝束有关的DE 17 60 755所产生的问题。
为了说明本发明，在图1和图2中示意性地介绍了按照本发明的牵拉和卷曲方法的优选实施方案，图上的数字代表：
1.纺丝丝束(未牵拉的S/S型双组份纤维丝束)
2.第一牵拉单元
3.蒸汽通道
4.第二牵拉单元
5.第三牵拉单元
6.第四牵拉单元(冷却轧光机)
7.最终整理用浸浴
8.压水辊
9.干燥机前的丝束卷绕装置
10.平板式传递带干燥机
11.整理过的丝束送往切断机
12.与7不同的辊式整理
通过将多个卷筒的丝束合并而得到未牵拉的S/S双组份纤维丝束1，其中从所有纺位来的合并多股线分别放在纺丝机上。这里未牵拉的丝束仍然是平直的，因为在此状态下卷曲性质只是一种潜在性质。由于具有较高卷曲潜力，所以最好使用由两种不同的但又是同类型(为了有足够的粘合力)聚合物组成的多股线，比如是PA6/PA66、PET/PBT、PE/PP或者由聚合物与其共聚物配成一对，比如PET/共聚PET。在按照本发明的方法中特别优选内酯在共聚PET中的含量为4～12％(mol)的PET/ε-己内酯共聚PET的组合。
为了得到在其表面复盖有预先加热并均匀化了的纺丝制备涂层的紧密丝束，将丝束1分别引导通过一个润湿槽(图上未标出)，然后进入第一牵拉单元2。在使用PET/共聚PET时，导丝辊温度设置大约70℃。牵拉发生在第一牵拉单元和行速更快的第二牵拉单元4之间，藉助于温度约100℃的蒸汽通道进行。在第二牵拉单元中的温度大约120℃，这和用什么聚酯有关，后面所有的数据都如此。根据纺丝速度和纤维的类型不同，牵拉比一般在大约3.0～3.7之间。正如在图1中所指出的，如果提供总共四套牵拉单元，第三牵拉单元5的设定值是与第二单元相同的。如果该纤维生产线只装有全部三个牵拉单元，而且它们原则上足可以满足按照本发明方法的要求，那么第三个牵拉单元必须完成后牵拉单元的职能。只是应该记住，在到达最后一个导丝辊之前(约120℃)，纤维丝束必须是干的，而且必须达到接近导丝辊的温度。为了诱导卷曲，一个处于冷状态下的小的后牵拉，即最后一个牵拉单元(图上的第4个)是很重要的。冷就意味着不用加热(即接近室温)。在实际使用时，此后牵拉单元经常是一个具有大导丝辊的所谓轧光机，将其对常规的PET纤维是用于热定形。后牵拉的牵拉比在1,000～1,100之间为好，最好在1.005～1.050之间。在牵拉工序之后是对按照本发明方法的另一重要的处理步骤：必须给予仍处于应力状态下的丝束以较高而分布均匀的水含量。与用水处理的同时，在丝束上要涤上最终整理剂，对于填充纤维一般涂上硅化合物(在水中的乳液)。通过一个浸渍浴7就能很好地实现丝束的浸湿。在辊8上轧去多余的水，使得留在丝束上的水膜的量对于按照本发明的方法是最佳的。最佳范围是含有10～30％的水膜，最好是15～20％。此水膜明显高于DE 17 60 755中所要求的范围(＜6％)。图2介绍的是丝类浸湿的另一优选实施方案，就是用辊整理12(吻合辊)。可用它来代替浸渍浴。虽然从理论上讲正确的水含量应直接可用辊整理来调节，但在此情况下一般还推荐先加上过量的水，然后在后面再将其榨去，因为只有用这样的方法才能保证浸到丝束内部的芯层。在纤维生产线上进行的，按照本发明的方法所必须的第三和最后一个处理步骤就是松驰和自卷曲。松驰发生在一对卷绕辊对9之后。与以前众所周知的方法相反，按照本发明方法的特征性和本质的一点是，丝束的松驰发生在湿态和紧密状态，丝束并未打开，所以处于紧密结构下的各单根丝相互接触，彼此之间有一定量的粘附作用。
意外的是，在与先技术大相径庭的这些条件下可以发生自卷曲作用。在平板传送带干燥器10入口处的卷绕装置9的总管中已经开始了纤维的自卷曲。该总管用来沿着平板传送带干燥器的宽度范围上将蛇状的丝束进行卷绕。对于为利用干燥器的能力而进行的靠近的卷绕，必要时能在总管末端和板式传送带之间使用附加的辅助装置，藉以看到未加捻的卷绕和叠起的情况。在进入第一干燥室之前已经在很大程序上发生了卷曲。由于使用按照本发明的操作方法，即使在已卷曲的状态下，丝束的膨松度也小于开放的吹散丝束，因此在操作上仍然没有问题。平板式传送带干燥器最好置于145～185℃的温度，停留时间为5～12分钟，最好大约7.5分钟。也可以使用筛网筒状干燥器来代替平板式传送带干燥器。干燥条件要满足使纤维表面硅整理剂固化的要求，同时也用来使卷曲丝束干燥和热定形。在传送带末端整理过的丝束被冷却，然后一般是进入一个切断机11(图中未显示)。然而也有的应用是直接加工未切断的丝束。
使用按照本发明的方法来制造自卷曲的纤维束，这种纤维束不像用普通方法那样是螺旋状即螺线状，这样就意外地形成了一种新的卷曲方法。我们称这种新的卷曲为Ω卷曲。在图3的特征花样b中可以看到这是一个适当的描述。(请注意：在图3中的所有图像都放大了141％，以便使卷曲结构能更好地被观察到)。直到目前为止，只有利用复杂的机械方法(也称作皱纹法或圆圈卷曲)才能制造出相似种类的有如此精美的圆圈和规则卷曲的丝束，这样的方法比如R.Bauer和H.J.Koslowski在《化纤辞典》(Chemiefaser-Lexikon)，DeutscherFachverlag GmbH，Frankfurt/Main，1979，P60底部(插图)和P63底部右边的叙述；或者如B.von Falkai在《合成纤维》(Synthesefasern)，Verlag Chemie，Weinheim 1981，P148底部和P149(111.20带照片)中的叙述。但是，完全按照本发明的Ω丝束并不是在个别的纤维或一组纤维中弧立地制造的，而只是在适当条件下呈一种紧密的比较大的结构。参考图3a就清楚地看到这一点，图3a代表了Ω卷曲纤维束的一个平面形截面。从上面看，能看到严格有序的连续规则波浪状结构，在丝束的前进方向(左-右)以及意外地在横向(上-下)以横定的相位，严格相同步地延续着。这种高度有序的结构本身是在选择的条件下形成的，如果用机械圆圈式卷曲，这是完全不可想象的。如果通过图3a的平面做一个纵向截面，并从侧面观察，就可看到单根纤维的Ω卷曲，这就是说，图3b代表了图3a的纵向断面。由此，可直接证实，真实的纯Ω卷曲是一种二维(平面状)卷曲。如果考虑的不仅是纯专业领域(经常是由线性和单因果思维方式来支配这一点)，那么只能找到与在一个宽的表面上用许多单根纤维延展出严格有序的Ω卷曲机理有关问题的答案。在此情况下，很清楚的是，Ω卷曲现像是所谓自组织系统的一个例子，就就好像以后在明显完全不同的系统中，如在物理、化学、生物、社会学、经济学等领域中，在有关方法的惊人相似处能发现这一点。Hermann Haken在此上面奠基了一门称作协作学的新学科。这项工作的学说能从数学上说明，由无组织的元素或分系统自然建立起结构。这样远离热力学平衡的结构只能通过不断地供应能量和/或物质(即在一个与环境发生变换联系的开放系统)才能维持与建立。因此，就存在着与烛焰相类似的动力学结构。通过在一定外部条件(比如除了讲过的其它要求外，丝束的水膜要多于约10％)下由无序(混乱)建立的有序参数来控制单个元素的协调合作，这与通过偶发力(脉动)和确定的关系造成的相转变很相似。比如，不能用自组织的方法直接建立如用机械针织卷曲做成的结构，代替它的是需要许多在更高层次上的自然感觉，以便以可自生的结构系统的方法使外部影响值互相达到最佳匹配。
在图4和图5中对比了已知的螺旋卷曲和按照本发明的新型Ω卷曲的几何形状。各符号有如下含义：
X、Y、Z 三维座标系的三轴
S 螺旋卷曲
Ω Ω卷曲
Ps 螺旋卷曲的周期
PΩ Ω卷曲的周期
WΩ Ω卷曲的转折点
在图4表示的是从座标O点开始，纤维的螺旋在垂直的Z轴方向上，而在X-Y平面上的Ω卷曲是在Y方向上。对每类自卷曲，S/S双组份构形收缩较多的组份(对于PET/共聚PET系统是共聚PET)分别位于卷曲弧的内侧。由于与螺旋卷曲相反，Ω卷曲交替地具有相反转折方向的弧，Ω曲线轨迹的数学转折点(与Y轴相交点)也同时相当于在纤维中组份位置变换处的物质转折点。由于过程的位置变换是连续发生的，当丝束结构中有给定的空间(横向)干扰时，它只能以如下方式发生，即当一个Ω弧向下一个过渡时，纤维就沿着自己的轴转向。由于相互的接触，这个转向不会个别地发生，而是在相互连接的丝束的整个宽度上以如下的方式发生耦合的，即共轭的纤维分别以相反的转动方向(在每个弧之后交替的是向后和向前)彼此转动。因此，Ω卷曲的转折点是紧密丝束的联系体系，所以说，藉此产生了卷曲的同步，最终它又导致自组织和丝束的高度有序。在图5中，它表示为什么同一种材料会自动地具有更宽的弧，也就是说每个线性单元中，Ω卷曲比S卷曲有更长的卷曲周期和更少的弧数。如果将两种类型的卷曲以线型部分彼此吻合地画在一起，就可以看出，当Ω弧的长度有一半到转折点并仍摆向另一侧时，S弧已经结束了。不过，Ω周期并不需要恰好为S周期宽度的2倍(这也取决于S螺线的有效间距)，但是一般较大的弧(在周期和振辐上)总是导致Ω卷曲形状而不是螺旋形。对于某些应用，无论是纯的S卷曲还是纯的Ω卷曲都不是最好的。不过，藉助于按照本发明的方法，就能特别有效地设置出介于S卷曲和Ω卷曲的中间状态，而不会带来任何生产方法上的不利。在图4中，这样的纤维将座落在Y-Z平面上，在空间中沿Y方向以Ω形状延伸，然后再在空间中在Z方向以S形状延伸。这样的图样，不再是纯粹的Ω卷曲，带有螺旋弧的照片如图3d和e所示。图3d的图样表示的是适于制造填充纤维的中间卷曲形状，它也特别适用于制造小纤维球(如Schlafkugeln，睡梦球)，在中空的实施方案中，它具有特别好的膨松度和回弹性。对于纯粹的二维Ω卷曲的最好应用是以这种方式(非中空)卷曲的纤维用来增强特种纸张(湿羊毛纸)，在如下的实施例中将更详细地叙述图3c～e的花样的生产要求。
实施例
一种未牵拉双组份纺丝材料，其组份为PET/ε-己内酯共聚PET，共聚PET中含ε-己内酯8％(mol)，其他材料为S/S中空截面构形。
第一与第二牵拉单元之间的主牵拉比约为1∶3.5。一方面是5％的硅整理剂的涂布方法，另一方面是在冷牵拉单元的后牵拉比都是变化的，这两者对自卷曲都有影响。在这些不同实施方案中，各种纤维的纺织数据仍然大致是相同的，即整理过的纤维的纤度约为5.3dtex，断裂伸长率为45％，抗拉强度约为3.6cN/dtex，各实施方案涉及卷曲的几何形状有如下的影响：
——正如在图3c的一段松散丝束中所见，后牵拉比为1.006
和随后浸渍、榨干令导致良好的Ω卷曲。
——同样的后牵拉比(1.006)，但用(计量的)辊整理，不榨
干，得到图3d的卷曲。由于水膜不均匀，形成较小的
纤维组，其中Ω和S弧统计地交替。
——用浸渍和榨干进行整理，但使用更高的后牵拉比，发
生由Ω向S卷曲的移动，对于图3e中的花样，后牵拉比
为1.024，对于更大(1.050以上)的后牵拉比，形成单
个的纹合，其S卷曲多于Ω卷曲。后牵拉比越高，Ω卷
曲面积越小，比较图3c和e就可看到这一点。
Claims (10)
1.基于在纤维束生产线上合并S/S纺出的双组份材料，生产自卷曲双组份聚合物纤维的方法，包括用牵拉、后牵拉、整理、松驰、干燥和热定形来加工这种丝束，其特征是：
——在主牵拉后跟着在最后一个冷的牵拉单元上对热且干
的丝束进行后牵拉，
——在有拉力状态下，必要时加有榨干的操作，使得在松
弛前测量丝束有10～30％(wt)的水膜，
——在干燥器吸入处，在紧密，密实状态下进行松弛。
2.按照权利要求1的方法，其特征是，后牵拉所用的牵拉比最大为1.100。
3.按照权利要求1和2的方法，其特征是，后牵拉所用的牵拉比为1.005～1.050。
4.按照权利要求1～3中之一的方法，其特征是，用浸渍或辊整理的方法进行整理。
5.按照权利要求1和4的方法，其特征是，用硅整理剂进行整理。
6.按照前述权利要求1～5中之一的方法，其特征是，在必要时具有的榨干后和在松驰前测量的水膜为15～20％(wt)的方法进行整理。
7.按照前述权利要求1～6中之一项的方法，其特征是，对于S/S型双组份纤维，使用相关类型的聚合物，比如是PA6/PA66，PET/PBT，PE/PP，或者聚酯和共聚聚酯对，比如PET/共聚PET作为聚合物，其中含有统计分布的ω-羟基羧酸单元的PET/共聚PET组合最后，后者最好通过用ε-己内酯改性而制得。
8.按照权利要求7的方法，其特征是，选择一方面来自对苯二甲酸乙二醇酯的聚合物，另一方面来自含有4～12％(mol)的ε-己内酸的聚对苯二甲酸乙二醇酯共聚物用于S/S型双组份纤维。
9.可用按照1～8中之一项的方法生产的，基本上含有二维Ω卷曲弧，还可能地含有三维螺旋弧的自卷曲双组份纤维。
10.按照权利要求9的自卷曲双组份纤维作为填充纤维的应用，特别是其中空形式，最好是用来生产小纤维球，以及纸张增强纤维，特别是用纯粹的Ω卷曲形式。
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