CN1188552C - 纺制聚合物长丝的工艺 - Google Patents

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Abstract

在一种用于纺制连续的聚合物长丝的熔纺工艺中，将冷却气体导入位于纺丝头下部区域的刚挤出的熔融长丝中。所述长丝和冷却气体一起通过一个管排出所述区域，所述管具有有限的尺寸，并且该管环绕其所冷却的长丝。所述管的上部距离纺丝头表面下方80厘米。通过加速所述气体，使其离开所述管的速度低于长丝的速度，并且通过使所述管距离纺丝头下面的距离小于80厘米，可以生产出一种具有改善的均匀性的纱线，而不会遇到处理问题。另外，采用该工艺，可以提高纱线的退绕速度，而不会相应降低其拉伸量或增加其拉伸张力。

Description

纺制聚合物长丝的工艺
发明领域
本发明涉及一种纺制聚合物长丝的工艺，更具体地讲，涉及在由加热的熔融聚合物挤出所述长丝之后如何进行冷却，以便使其硬化，然后卷绕或作其他处理。
发明背景
大多数合成聚合物长丝是熔纺物，即它们是由加热的熔融聚合物挤出的。自从W.H.Carothers发明尼龙那天起，到现在该方法业已使用了50年以上。现今，在刚挤出的熔融长丝流离开纺丝头之后，通过冷却气流将其“冷却”，以便加速其硬化，以便能将其卷绕成连续长丝纱线包或作其他处理，例如，以平行的连续长丝束形式收集用于加工，例如，作为连续的长丝束转化成例如短纤维或作其他加工。
现有的冷却系统包括均为Brownley所拥有的GB1034166和US3336634所披露的系统。GB1034166A中的图2上具有表示空气通过门22周围的孔和通过开孔部分24进入的箭头，如在实施例之前的第二页上所述。由于Brownley的两份文献都没有封闭冷却装置，不可能知道有多大体积的气体被长丝从外侧空间的空气中吸入并随所供应的冷却空气一起通过。因此，无法知道通过所述管的气体的速度以及离开所述管的气体的速度是否低于长丝的速度。类似地，US3336634示出了进入烟囱10顶部的空气。授予Dauchert的US3067458在图4中披露了具有有限直径的管或烟囱26。Dauchert的冷却器是封闭的，并且根据所使用的流体以及烟囱的直径计算，可以使得烟囱中气体的速度低于卷绕速度。不过，Dauchert没有提及所述长丝离开烟囱的速度以及它的速度相对于离开所述烟囱的气体速度的任何重要性。因此，在这一段中所提及的所有参考文献都没有披露控制所述管的尺寸和位置，以便将所述气体加速、但以低于长丝的速度离开所述管。
在1980年代，Vassilatos和Sze在高速纺聚合物长丝方面作出了重大改进，并且在下列美国专利中披露了有关改进以及所得到的改进的长丝：US4687610(Vassilatos)，US4691003，US5034182(Sze和Vassilatos)以及US5141700(Sze)。所述专利披露了气体控制技术，以便由环绕着刚挤出的长丝的气体来控制其温度和衰减特征，所述气体的速度至少为长丝速度的1.5-大约100倍，以便由空气对所述长丝产生拉伸作用。
授予Teijin的JP03180508(Teijin’508)讨论了较小直径部分距纺丝头的距离的重要性。具体地讲，Teijin’508披露了如果较小直径部分距离其表面的距离小于80厘米，在纺丝期间进行切割时就会发生纱线堵塞，因此容易导致处理问题。
发明概述
与现有技术的介绍不同，申请人业已发现，通过加速气体，使其离开所述管的速度低于长丝的速度，并且通过使所述管的顶部距离纺丝头下面的距离小于80厘米，有可能生产出一种具有改善的均匀性的纱线，而不会遇到处理问题。另外，申请人业已发现，使用这种方法可以提高纱线的退绕速度(withdrawal speed)，而不会相应降低拉伸量或增加拉伸张力。
因此，根据本发明，提供了一种在从纺丝头中的经加热的熔融聚合物到以至少500米/分钟的表面速度传动的辊的路径中纺制连续聚合物长丝的熔纺工艺。将冷却气体导入位于纺丝头下方区域的刚挤出的熔融长丝中。所述长丝和冷却气体一起通过一个管从所述区域排出，所述管具有有限的尺寸，并且环绕着被冷却的长丝。所述管的顶部距离纺丝头下面的距离小于80厘米，优选小于64厘米。控制所述管的尺寸和位置以及气体的数量，以便将所述气体加速，但其离开所述管的速度低于长丝的速度。
附图简述
图1是现有装置的局部剖开的示意图，该装置作为对照与图2所示的本发明的装置进行比较。
图2是用于实施本发明的装置的一种实施方案的局部剖开的示意图，它被用于例7和例8，并且标出了例1-6中冷却系统的各种元件的高度。
图3是用于实施本发明的装置的另一种实施方案的局部剖开的示意图，并被用于例1-6中。
图4是按照本发明的工艺生产的产品的旦尼尔分布(DS)与每根长丝的旦尼尔数(dpf)的曲线图，并且对现有的商业制品和来自公开文献的实施例的纱线进行比较，如下文将要解释的。
优选实施方案详述
根据本发明，提供了一种纺制连续聚合物长丝的熔纺工艺。本文所使用的术语“长丝”是概括性的，并且不一定排除切割过的纤维(通常称之为短纤维)，不过，合成聚合物最初通常是以熔纺的(挤压的)连续聚合物长丝形式制备的。本发明不局限于聚酯长丝，而是可应用于其他聚合物，如聚酰胺，例如尼龙6，6和尼龙6，聚烯烃，例如聚丙烯和聚乙烯，并且包括共聚物，混合聚合物，混合物和支链聚合物，以上仅仅是所举的少数几种例子。
首先将结合附图中的图1说明被用作对照的冷却系统和工艺。图1所示冷却系统是Vassilatos在US4687610中所披露系统的改进型。图1所示的冷却系统包括一个外壳50，该外壳形成一个腔室52，由设在外壳50的外壁51上的入口管54向该腔室输送高压冷却气流。腔室52具有一个在腔室52下部与内壁66连接的底板53，内壁66位于筒形冷却过滤系统55的下面，由它形成腔室52上部的内表面，通过这里将高压冷却气体从腔室52径向向内吹入位于纺丝头表面17下面的区域18，刚刚通过纺丝头表面17上的孔(未示出)在加热的纺丝头组件16中由加热的熔融物挤出的仍然是熔融状态的长丝束20从区域18通过，所述孔位于相对于外壳50的中央位置，并且从(纺丝头组件16)的表面16a凹陷，外壳50贴靠在它上面。长丝20通过由环绕长丝的内壁66形成的管从区域18连续流出该冷却系统，向下到达拉伸辊34，该辊的表面速度被称为长丝20的退绕速度。
在图1中示出了下列尺寸，它所表示的是常规辐射状冷却控制装置的尺寸，例如，参见表1-9：
A-冷却延迟高度，是纺丝头表面17在表面16a上方的高度；
B-冷却过滤高度，是筒状冷却过滤系统55的高度(从表面16a到内壁66顶部的高度)；和
C-管高度，是环绕长丝20的内壁66的高度，即长丝通过筒状冷却过滤系统55的底部后直到通过外壳50的底部53的距离。
可以理解的是，我们用作对照的从纺丝头(表面)到所述管出口的进行所述处理的总高度为A+B+C。
下面将结合附图中的图2对本发明的优选的冷却系统和工艺进行说明，相似的编号表示与图1类似的元件，如加热的纺丝头组件16，纺丝头组件表面16a，该表面与外壳50连接，纺丝头表面17，区域18，长丝20，拉伸辊34，外壳50的外壁51，腔室52，底板53，入口54和筒状冷却过滤系统55。不过，向下通过筒状冷却系统55，该冷却系统和工艺不同于在图1中所示以及上文所述的对照例。长丝向下可以有效通过一个内径与筒状冷却系统55相同的短管71，并优选通过一个锥形部分72，然后进入具有较小内径的管73，有关元件的尺寸是这样的，使得长丝20在进入管73以后会变细，并考虑吹入入口54和与长丝20一起离开管73的冷却气体的量，离开管73的气体的速度低于离开管73的长丝20的速度。长丝20优选在离开管73之前已经硬化，在这种情况下，当其离开管73时，其速度已经与辊34的退绕速度相同。
除了在上面讨论过的图1所示的A和B的高度尺寸之外，表1-9还列举了图2中的尺寸：
C1-连接管高度，是所有短管71的高度；或
C2-连接锥体高度，它是所有锥形部分72的高度；或
C3-管高度，在这种情况下它是具有有限内径的管73的高度，该管会导致冷却气体加速排出区域18。
可以理解的是，用于生产本发明纱线的工艺从纺丝头(表面)到所述管出口的总高度为A+B+C+C1+C2+C3。
如图1和2所示，长丝20在离开冷却系统之后，继续向下到达传动辊34，该传动辊沿其轨道从加热的纺丝头拉伸长丝20，因此长丝在辊34上的速度与传动辊34的表面速度相同(不考虑滑动)，该速度被称为退绕速度。与传统做法相同(在附图中未示出)，在长丝20作为纱线到达传动辊34之前将一种涂饰剂涂在固体长丝20上。在此时，可以使用不同类型的卷绕装置，优选将一种三辊卷绕系统用于连续长丝纱线，如Knox在US4156071中所述，如图中所示，这些辊是交织的或者例如是所谓无导丝辊系统，其中，纱线被交织，然后作为一个包装卷绕在图1所示第一传动辊34上，或者，例如，长丝不交织也不卷绕，而是可以作为平行的连续长丝束进行丝束加工，若干这样的丝束通常合并在一起进行丝束加工。
参见图3，以举例形式示出了在一个扩散管中的具有八个本发明冷却系统的示意结构。参见图2(以及下文实施例中的表)，该系统上的各个元件在左侧示出，“延迟”相当于位于纺丝头表面17和表面16a之间的“冷却延迟高度A”，“过滤管”相当于向下延伸到筒状冷却过滤系统55底部和短管71顶部的“冷却过滤高度B”，“套筒”相当于向下延伸到锥形部分72顶部的“连接管高度(C1)”，“锥体”相当于向下延伸到较小内径的管73顶部的“连接60°锥体高度(C2)”，“管”相当于“管高度(C3)”，即具有较小内径的管73本身。应当指出的是，图中所示的后一种“管”是可调节的，可以在右侧从该系统上抬起，由此提供了控制所述管的位置的方式。另外，可以采用不同尺寸的管和/或可以调节所供应冷却气体(通过一个共同的“空气入口”吹入)的体积和/或温度，以便调整冷却条件，并确保气体的速度被加快，但仅仅加速到低于长丝的速度。
本发明的系统和工艺可以采用加速的气体速度运行，加速度相当于长丝退绕速度的大约1/4至大约1/2。通过所述管的气体速度很容易通过所供应的气体体积和管的截面计算，而长丝的退绕速度比长丝离开所述管的速度更容易测定。所述长丝优选在离开所述管之前业已硬化，以便当长丝离开所述管时其速度已经达到或接近退绕速度，而气体的速度低于长丝的速度。气体和长丝的相对速度可以根据所期望的结果而变化，如，气体的速度可小到大约为长丝速度的大约20-60％，或者如果必要的话甚至小至高达90％或者高达95％，不过，我们业已发现，重要的是防止将气体的速度加速到超过长丝的速度，因为这样的话，气体和长丝都会从该冷却系统的底部排出，这与现有技术的结论相反。
因此，根据本发明，冷却气体首先被导入位于纺丝头下面的区域，在这里，刚挤出的长丝以熔融形式作为单独的流通过毛细管从纺丝头中排出。冷却气体的引入可以用多种方式完成。例如，可以使用导入冷却气体的常规方法，或者涉及新方法。无论选择什么样的方法，冷却气体都倾向于以较小的速度分量沿长丝的运动方向引入所述区域，长丝本身缓慢地运动离开纺丝头。通常，所述区域的截面积明显大于一系列刚挤出的长丝的截面积。不过，为了离开该区域，根据本发明，冷却气体必须进入具有有限截面积的管(小于所述区域的截面积)，因此当所述气体在进入并向下通过该管时必须加速。据信，这会迫使所述冷却气体进入长丝阵列，这样可加强该气体对长丝的冷却效果。
优选为所述管设置一个锥形入口。据信，为所述管提供一个合适的锥形入口可以均匀加速冷却气体，并避免最终会导致较差均匀性的紊流。用于管上的锥形入口的锥角为30度，45度和60度，最佳锥角取决于多种因素的组合。业已发现直径为1英寸(2.5厘米)的管在实践中非常有用。直径为1.25英寸(3.2厘米)的管的使用效果也非常好。所述管的顶部优选距离纺丝头不是太远。所述管的顶部距离纺丝头表面的距离应当为80厘米或更小，优选64厘米或更小。因此，上文所述的高度A+B+C1+C2应当小于80厘米，优选小于64厘米。
本发明并不局限于环绕圆形排列的长丝的冷却系统，而是可以有更广的用途，例如，应用于其他合适的冷却系统，所述系统将冷却气体导入位于纺丝头下面的区域中的适当形状排列的刚挤出的熔融长丝。另外，具有有限尺寸的管的形状不仅仅需要具有圆形截面，而且可以改变，特别是在挤出非圆形排列的长丝时可以改变。例如，可以使用矩形、方形、椭圆形或其他截面的管。所述管的截面尺寸在根据所输送的冷却气体体积计算从这里排出的冷却气体的速度方面是重要的。
特别是对于聚酯加工来说，所述冷却气体优选为空气，因为空气比其他气体便宜，不过，可以使用其他气体，如蒸汽或惰性气体。
采用本发明的工艺可以改善纱线的均匀性和/或提高纱线的退绕速度，而不会相应降低其拉伸量(EB)或增加其拉伸张力。旦尼尔分布(DS)在这里被用于表示改善的均匀性。旦尼尔分布是纱线末端均匀度的一种指标，通过沿着纱线以规则的间隔测定其质量的变化进行计算。断裂拉伸量是在纱线断裂之前人们可以拉伸纱线的程度，并且以其原始长度的百分比形式表达，如在US5066447中所述。
因此，根据本发明，生产了一种断裂拉伸量为大约100％或更高的连续长丝聚(对苯二甲酸乙二醇酯)纱线。该纱线包括数量为25-150的长丝。该纱线具有通过下列公式表达的旦尼尔分布：
％旦尼尔分布≤0.01(旦尼尔/长丝)+0.76       (1)
该公式(公式1)对于每根长丝小于4.0旦尼尔(小于4.5分特/长丝)的纱线来说是有效的。
图4表示根据下面实施例的本发明纱线的旦尼尔分布与每根长丝的旦尼尔，以及具有相似旦尼尔和长丝数量的现有纱线。
本发明的纱线的汽化收缩量(BOS)(boil off shrinkage)至少为25％。汽化收缩量对纱线的类型进行量化，并按照现有技术中记载的常规方法测定。
将在下面的实施例中对本发明作进一步说明。在所述实施例中有关的大部分纤维特性为常规拉伸和收缩特性，按常规方法测定和/或按在所引用的文献中所披露的方法测定。相对粘度在本文中通常被称作“LRV”，它是在10毫升溶剂中含有80毫克聚合物的溶液的粘度与溶剂本身粘度的比例，本发明用于测定LRV的溶剂是含有100ppm的硫酸的六氟异丙醇，测定是按照在Broaddus的US5104725和在Duncan的US SIR H1275中所披露的方法在25℃下进行的。
本发明的旦尼尔分布(DS)是按如下方法定义并测定的，使纱线通过一个电容器槽，该电容器槽能对槽中的瞬时质量作出反应。将实验样品通过电子方法分成8个30米长的小段，每0.5米进行一次测定。将以上8个小段中每一个小段的最大和最小质量测定值之间的差加以平均。本发明的旦尼尔分布(DS)被记录为上述平均差除以沿整个240米长的纱线的平均质量的百分比。测定可以用从LenzingTechnik，Lenzing，奥地利，A-4860购买的ACW400/DVA(自动切割和重量/旦尼尔波动存储器)进行。
以克为单位的拉伸张力是在180℃的加热器温度下以1.7×的拉伸比测定的。拉伸张力被用作方向指标，并且尤其对花纹输入纱线来说是非常重要的条件。拉伸张力也可以用同样从Lenzing Technik购买的DTI400拉伸张力仪测定。通常，退绕速度的提高伴随着拉伸张力的增加和拉伸量的降低，而这可能是不希望的，然而，本发明业已实现了提高退绕速度而又不增加拉伸张力或降低拉伸量，如下面的实施例所述。
这些实施例对不按照本发明以类似方式进行的对照实验进行了比较。据信，在根据本发明的下列实施例的每一个实施例中，空气速度总是明显低于离开所述管时的长丝的速度，然而，所述空气速度总是显著高于在相应的对照实验中的空气速度，正如在每一个表中可以看到的。
例1
在297℃下用上文所述的并且在图2中示出的冷却系统由21.5LRV的聚(对苯二甲酸乙二醇酯)聚合物纺制127旦尼尔-34长丝、圆形截面的聚酯纱线(参见表1)，相关的加工参数在表1中示出，在表1中还给出了纱线的参数。冷却滤网55的内径为3英寸(7.5厘米)，在它下面是高度为C2的锥形部分72，在表1中被称为“连接30度锥体高度”，并且与具有有限的1英寸(2.5厘米)内径且高度为C3的管73连接。“30度锥体”是指在其锥体部分包括30度角，即锥体表面以15度角从垂直方向倾斜。这种结构使得管73的入口距离纺丝头表面17为13.6英寸(34.5厘米)。
为了比较，在295℃下用上文所述的并且在图1中示出的冷却系统纺制一种对照纱线‘A’，为了比较，将相关的加工参数和所得到的纱线的参数同样表示在表1中。对于对照纱线‘A’来说，冷却滤网55的内径为3英寸(7.6厘米)，紧接着是直径为2.75英寸(7.0厘米)的排气出口66，因此离开所述管的空气的速度远远低于本发明空气的离开速度。
在例1中使用34.9cfm(16.5升/秒)的冷却空气，而对于对照‘A’来说为43.5cfm(20.5升/秒)。最初的空气处于室温下。
在289℃下用横向流动的冷却系统由聚合物纺制成第二种对照纱线‘B’，该冷却系统通过一个47.2英寸(119.9厘米)长和32.7英寸(83.1厘米)宽、截面积为1543英寸2(9955厘米2)的扩散滤网来每6条线输送1278cfm(603升/秒)气体。
                                 表1
加工参数                      对照‘A’                对照‘B’                      例1
冷却尺寸，英寸(cm)
横向流动冷却滤网宽度                              32.7(83.1)
横向流动冷却滤网高度                              47.2(119.9)
冷却延迟高度A                  3.9(9.9)           3.7(9.5)            3.9(9.9)
冷却滤网高度B                  6.0(15.2)                              6.0(15.2)
连接管高度(C1)                0                                      0
连接30°锥体高度(C2)                                                 3.7(9.4)
管高度(C和C3)                 7.5(19.0)                              12.0(30.5)
纺丝头至管入口(A+B+C1+C2)                                           13.6(34.5)
总高度                         17.4(44.2)                             25.6(65.0)
(纺丝头-管出口)
速度
管出口空气速度，mpm            321                                    1952
退绕速度，mpm                  3265                  3025             3886
纱线参数(3.75dpf，4.2分特/长丝)
孔数/长丝                      34                    34               34
旦尼尔(分特)                   127.4(141.4)          127.3(141.4)     127.8(141.9)
旦尼尔分布，％                 1.06                  1.45             1.09
拉伸张力，克                   62.5                  62.3             63.0
韧性，gpd(克/分特)             2.5(2.3)              2.4(2.2)         2.4(2.2)
断裂拉伸量，％                 135                   131              128
应当指出的是，例1的纱线具有惊人的、并且明显好于(低于)常规径向或横向流动冷却对照纱线‘A’或‘B’的旦尼尔分布，1.09％对1.60％和1.45％(分别比对照‘A’和对照‘B’低32％和25％)。这是一种显著改进了的纱线制品，而旦尼尔分布被证实具有如上文所述的公式(1)的值，并根据图4的信息推导而来。
采用本发明，实施例的纱线获得了与以上两种对照纱线相当的其他特性(即拉伸张力、粘度、断裂拉伸量)。尽管例1的纱线是以分别超过对照‘A’和对照‘B’(3886对3265和3025mpm)的速度19％和28％的退绕速度纺成的，仍然获得了旦尼尔分布的改进。不过，如果用例1的退绕速度(3886mpm)，用常规径向或横向流动对照冷却系统纺出其他对照纱线，所述其他对照纱线的拉伸张力将会提高到超过100克，从而限制了该纱线的可拉伸性。
根据本发明，通过使用例1中的具有有限直径(直径仅为1英寸)的管，可将冷却空气的速度提高大约6倍，从321mpm(对照‘A’)提高到本发明的1952mpm。不过上述较高的空气速度仅为长丝退绕速度的大约50％。
例2
用与例1相同的冷却系统纺出相似的115-34圆形截面的轻旦尼尔聚酯纱线，参数如表2所示。另外用在US4529368(Makansi)中披露的管状延迟装置，以比较方式纺出常规径向和改进横向流动冷却系统的对照纱线，其参数同样示于表2中。
在例2中使用34.9cfm(16.5升/秒)的冷却空气，对照‘A’的为41.1cfm(19.4升/秒)，而对对照‘B’来说为52.5cfm(24.8升/秒)每条线。用于对照‘B’的横向流动冷却系统是由8个分配单元组成，它具有大小为2.75英寸(7.0厘米)宽和30英寸(76.2厘米)长的扩散滤网。
                                 表2
加工参数                       对照‘A’               对照‘B’                 例2
冷却尺寸，英寸(cm)
横向流动冷却滤网宽度                               2.75(7.0)
横向流动冷却滤网高度                               30.0(76.2)
冷却延迟高度A                   3.9(9.9)           3.1(7.9)          3.9(9.9)
冷却滤网高度B                   6.0(15.2)                            6.0(15.2)
连接管高度(C1)                 0                                    0
连接30°锥体高度(C2)                                                3.7(9.4)
管高度(C和C3)                  7.5(19.0)                            12.0(30.5)
纺丝头至管入口(A+B+C1+C2)                                          13.6(34.5)
总高度                          17.4(44.2)                           25.6(65.0)
(纺丝头-管出口)
速度
管出口空气速度，mpm             303                                  1952
退绕速度，mpm                   3155                3110             3730
纱线参数(3.4dpf，3.8分特/长丝)
孔数/长丝                       34                  34               34
旦尼尔(分特)                    115.5(128.2)        115.3(128.1)     115.(128.2)
旦尼尔分布，％                  1.44                1.43             1.05
拉伸张力，克                    55.0                54.6             55.8
韧性，gpd(克/分特)              2.4(2.2)            2.5(2.3)         2.4(2.2)
断裂拉伸量，％                  131                 128              126
同样，在例2中，获得了沿末端的旦尼尔均匀性的显著改进，具有1.05％对1.44％和1.43％的较低的旦尼尔分布(分别比对照‘A’和对照‘B’低27％)，该实施例的旦尼尔分布值低于由该旦尼尔分布与图4的dpf表达之比所得到的值。例2是用相当的拉伸张力、粘度、断裂拉伸量以明显较高的退绕速度3730mpm纺丝，该速度比对照例中高18-20％。通过让冷却空气通过一个有限直径的管，其直径为冷却滤网直径的1/3，在例2中可将冷却空气的速度提高大约6倍达到1952mpm(而对照‘A’管的空气速度为303mpm)。所得到的空气速度依然大约为退绕速度的52％。
例3
用上文所述的并且在图2中所示出的冷却系统纺制110-34三叶形截面轻旦尼尔聚酯纤维(参见表3)，例3的参数示于表3中，同时示出了一种径向冷却对照纱线。在例3中，长丝是用297℃的聚合物纺成，而对照纱线是用296℃的聚合物纺成。
用32.0cfm(15.1升/秒)冷却该实施例的纱线，而对照纱线用30.0cfm(14.2升/秒)冷却。在以上两种情况，冷却空气大致在室温下(70°F，21℃)。
                                 表3
加工参数                         对照                 例3
冷却尺寸，英寸(cm)
冷却延迟高度A                    3.9(9.9)             3.9(9.9)
冷却滤网高度B                    6.0(15.2)            6.0(15.2)
连接管高度(C1)                  0                    0
连接30°锥体高度(C2)                                 3.7(9.4)
管高度(C和C3)                   7.5(19.0)            12.0(30.5)
纺丝头至管入口(A+B+C1+C2)                           13.6(32.0)
总高度                           17.4(44.2)           25.6(65.0)
(纺丝头-管出口)
速度
管出口空气速度，mpm              223                  1787
退绕速度，mpm                    3342                 3731
纱线参数(3.24dpf，3.60分特/长丝)
孔数/长丝                        34                   34
旦尼尔(分特)                     110.0(122.2)         110.0(122.2)
旦尼尔分布，％                   1.49                 0.91
拉伸张力，克                     75.0                 75.7
韧性，gpd(克/分特)               2.6(2.3)             2.4(2.2)
断裂拉伸量，％                   121                  122
在例3中，在沿末端的旦尼尔均匀性方面获得了显著改进，其旦尼尔分布为0.91％，而对照纱线为1.49％，这样就比对照纱线低39％。该实施例的旦尼尔分布低于用图4中的公式计算的值。例3是用与对照相当的拉伸张力、韧性、和断裂伸长量以及以高出11.6％的退绕速度(3731mpm与3342mpm)纺成的。通过让空气和长丝经过具有有限直径的管将冷却空气的速度提高到对照例的8倍，该实施例的空气速度为退绕速度的48％。
例4
用类似于上述实施例的冷却系统纺制细的dpf115-100的圆形聚酯纱线，为了进行比较在表4中示出了一种对照。
例4使用23.5cfm(11.1升/秒)的冷却空气，而对照例使用27.2cfm(12.8升/秒)的空气。最初所述空气处于室温下(70°F，21℃)。
                               表4
加工参数                         对照                  例4
冷却尺寸，英寸(cm)
冷却延迟高度A                    3.9(9.9)              3.9(9.9)
冷却滤网高度B                    6.0(15.2)             5.0(12.7)
连接管高度(C1)                  0                     0
连接30°锥体高度(C2)                                  3.7(9.4)
管高度(C和C3)                   7.5(19.0)             12.0(30.5)
纺丝头至管入口(A+B+C1+C2)                            12.6(32.0)
总高度                           17.4(44.2)            24.6(62.5)
(纺丝头-管出口)
速度
管出口空气速度，mpm              201                   1316
退绕速度，mpm                    2743                  3283
纱线参数(1.15dpf，1.28分特/长丝)
孔数/长丝                        100                   100
旦尼尔(分特)                     115.6(128.4)          117.3(129.0)
旦尼尔分布，％                   1.08                  0.87
拉伸张力，克                     69.0                  70.1
韧性，gpd(克/分特)               2.8(2.5)              2.8(2.6)
断裂拉伸量，％                   131                   131
例4表现出沿末端旦尼尔均匀性的显著改进，获得了0.78％对1.08％的较低的旦尼尔分布(例4比对照低19％)。该实施例的旦尼尔分布值低于用图4中的公式得到的值。例4的拉伸张力、韧性、和断裂伸长量与对照相当；不过，例4是以高出20％的退绕速度(3283mpm与2743mpm)纺成的。在该实施例中冷却空气的速度比对照例的速度高6倍(1316mpm与201mpm)，但仍然为该实施例退绕速度的40％(1316mpm与3283mpm)。
例5
用上文所述的并且在图2中所示出的冷却系统纺制170旦尼尔(189分特)、136长丝聚酯纱线。例5的参数示于表5中，并且为了比较，用图1所示的径向冷却系统纺出一种对照纱线。在例5中，在298℃下由21.5的额定LRV聚合物纺出长丝，而对照纱线是在296.5℃下用类似的聚合物纺出的。尽管聚合物的温度较高，但我们使用更少的冷却空气(70°F，即21℃)，在例5中每根纱线仅用19.1CFM(9.0升/秒)，即仅为用于该对照纱线的每根纱线26.2CFM(12.4升/秒)的73％。
                              表5
加工参数                          对照                 例5
冷却尺寸，英寸(cm)
冷却延迟高度A                     2.6(6.6)             2.6(6.6)
冷却滤网高度B                     6.0(15.2)            4.0(10.2)
连接管高度(C1)                   0                    0
连接30°锥体高度(C2)                                  3.7(9.4)
管高度(C或C3)                    7.5(19.0)            12.0(30.5)
纺丝头至管入口(A+B+C1+C2)                            10.3(26.2)
总高度                            16.1(40.9)           22.3(56.6)
(纺丝头-管出口)
速度
管出口空气速度，mpm               194                  1065
退绕速度，mpm                     2542                 2990
纱线参数
孔数(长丝)                        136                  136
旦尼尔(分特)                      170.8(189.6)         170.2(189.0)
旦尼尔分布，％                    1.12                 0.85
拉伸张力，克                      70.0                 101.5
韧性，gpd(克/分特)                2.7(2.4)             2.7(2.4)
断裂拉伸量，％                    152                  145
在例5中，冷却延迟高度A被降低到2.6英寸(6.6厘米)，而在前面的实施例中所用的高度为3.9英寸(9.9厘米)。
在例5中，在均匀性方面获得了显著改进，和0.85％对1.12％的较低的旦尼尔，同时，该纱线能保留145％的断裂拉伸量，因此170旦尼尔、136长丝纱线能够拉伸到额定的100旦尼尔，即拉成每根长丝的细度小于1旦尼尔的长丝(即拉成“亚旦尼尔”)。这种细旦尼尔-每-长丝纱线的均匀性方面获得了改进，同时，能以明显较高的退绕速度纺丝，即2990ypm，比2542ypm高大约17.6％。通过让冷却空气和长丝经过具有有限直径的管可以将空气速度提高到标准径向工艺的5-6倍，但空气速度仍然仅为长丝退绕速度的大约36％。例5纱线的尼尔分布低于用图4所示公式得到的值，并且在图4上与用现有径向冷却结构纺成的170旦尼尔、136长丝对照纱线的旦尼尔分布一起示出。获得上述均匀性的改进仅需要大约73％的体积的冷却空气。
例6
用上文所述以及图2所示的冷却系统纺出115旦尼尔(128分特)、136长丝聚酯纱线(参见表6)，即由亚旦尼尔长丝组成的纱线，例6的参数示于表6中。为了比较，用图1所示的现有径向冷却结构纺出115旦尼尔、136长丝对照纱线。在例6中，长丝是用304℃的聚合物温度和具有21.5额定LRV的聚合物纺成，而对照纱线是用295.5℃的类似的LRV聚合物纺成的。
                     表6
加工参数                          对照                例6
冷却尺寸，英寸(cm)
冷却延迟高度A                    2.6(6.6)             2.6(6.6)
冷却滤网高度B                    6.0(15.2)            4.0(10.2)
连接管高度(C1)                  0                    N/A
连接30°锥体高度(C2)                                 3.7(9.4)
管高度(C或C3)                   7.5(19.0)            12.0(30.5)
纺丝头至管入口(A+B+C1+C2)                           10.3(26.2)
总高度                           16.1(40.9)           22.3(56.6)
(纺丝头-管出口)
速度
管出口空气速度，mpm              194                  1065
退绕速度，mpm                    2606                 2903
纱线参数
孔数(长丝)                       136                  136
旦尼尔(分特)                     115.8(128.6)         116.1(128.9)
旦尼尔分布，％                   1.02                 0.79
拉伸张力，克                     75.0                 74.0
韧性，gpd(克/分特)               2.8(2.5)             2.8(2.5)
断裂拉伸量，％                   130                  135
尽管例6的纱线是以高出11％的退绕速度和生产量生产的，并且还具有较高的纺丝温度，但在例6中仍使用较少的冷却空气(70°F，21℃)体积，即每根纱线仅用19.1CFM(9.0升/秒)，与此形成对比的是，对照例为每根纱线用26.2CFM(12.4升/秒)。例6的亚旦尼尔纱线相对这种细旦尼尔/每-长丝纱线而言具有非常好的均匀性，其旦尼尔分布仅为0.79％，而对照纱线的旦尼尔分布为1.02％。例6纱线的旦尼尔分布低于由图4中的公式得到的值，并且与用现有的径向冷却结构纺出的115旦尼尔、136长丝对照纱线一起示于图4中。这种亚旦尼尔纱线的均匀性提高了23％，同时提高了生产速度，而仅使用73％体积的冷却空气。
例7
在292℃下，用上文所述并且如图2所示的冷却系统由21.9LRV的聚(对苯二甲酸乙二醇酯)聚合物纺制125-34轻旦尼尔聚酯纱线(参见表7)，相关的加工参数示于表7中，所得到的纱线的参数也在表7中示出。冷却滤网55的内径为3英寸(7.5厘米)，在它下面是具有相同内径的连接管71，其高度为C1，它下面是一个高度为C2的锥形部分72，在表7中被称作“连接60度锥体高度”，并连接于高度为C3的具有1英寸(2.5厘米)的有限内径的管73上。所说的“60度锥体”是所述锥体部分所包括的60度角，即锥体表面以偏离于垂直方向30度的角倾斜。
为了进行比较，同样用上文所述并且如图1所示的冷却系统，用292℃的类似的聚合物纺制一种对照纱线，相关的工艺参数和所得到的纱线的参数同样示于表7中以供比较。对于该对照纱线来说，冷却滤网55和该滤网下面的管66的内径均为3英寸(7.5厘米)，即在冷却滤网下面不使用有限直径的管，因此离开该管的空气速度远远低于本实施例中的空气离开速度。
在例7和对照例中使用相同数量的冷却空气(30CFM，14升/秒)。空气最初是处于室温下。
                               表7
加工参数                              对照            例7
冷却尺寸，英寸(cm)
冷却延迟高度A                         1(2.5)          1(2.5)
冷却滤网高度B                         8(20)           8(20)
连接管高度(C1)                                       3(7.5)
连接30°锥体高度(C2)                                 2(5)
管高度(C和C3)                        8(20)           18(46)
总高度(纺丝头-管出口)                 17(43)          32(84)
速度
管出口空气速度，mpm                   187             1680
退绕速度，mpm                         3290            4015
纱线参数(3.7dpf，4.1分特/长丝)
孔数/长丝                             34              34
旦尼尔(分特)                          127(141)        126(140)
旦尼尔分布，％                        1.43            1.15
拉伸张力，克                          60              59
韧性，gpd(克/分特)                    2.6(2.3)        2.4(2.2)
EB，％                               127             123
BOS，％                                61             66
应当指出的是，例7的纱线具有另人吃惊的并且好于(低于)对照例的旦尼尔分布，分别为1.15％与1.43％(后者比1.15％高20％)。这是采用本发明所获得的显著优点。我们还在这两种纱线上获得了其他相当的特征。尽管例7的纱线是以高出20％(4015对3290mpm)的退绕速度纺成的，仍然获得了旦尼尔分布的改进。不过，在用相同的对照冷却系统，用例7所使用的退绕速度(4015mpm)纺制另一种对照纱线时，所述另一种对照纱线的拉伸张力提高到超过150克。
根据本发明，通过在例7中将相同数量的冷却空气用于具有有限直径(直径仅为1英寸)的管，冷却空气的速度可以加速大约9倍，从低于200mpm(在对照中)提高到本发明的将近1700mpm。不过，上述较高的空气速度仅为长丝退绕速度的大约40％。
例8
用大体上类似于例7的冷却系统纺出具有较重旦尼尔(260-34)的类似聚酯纱线，例8的参数示于表8中，并与一种对照纱线进行比较。在例8中，长丝是由296℃的相似聚合物纺成的，而对照纱线是用293℃的聚合物纺成的。对每一种纱线都使用35CFM(16升/秒)的冷却空气。
                             表8
加工参数                        对照              例8
冷却尺寸，英寸(cm)
冷却延迟高度A                   1(2.5)            1(2.5)
冷却滤网高度B                   15(37.5)          15(37.5)
连接管高度(C1)                                   7.5(19)
连接30°锥体高度(C2)                             2(5)
管高度(C和C3)                  1(2.5)            12(30)
总高度(纺丝头-管出口)           17(43)            37.5(94)
速度
管出口空气速度，mpm             218               1960
退绕速度，mpm                   3570              4530
纱线参数(7.6dpf，8.5分特/长丝)
孔数/长丝                       34                34
旦尼尔(分特)                    254(282)          259(287)
旦尼尔分布，％                  4.72              2.85
拉伸张力，克                    122               121
在例8中，在均匀性方面同样获得显著改进，具有2.85％对4.72％的较低旦尼尔分布(比前者高大约65％)，具有相当的拉伸张力，并且具有明显较高的退绕速度4530mpm，比3570mpm的速度高25％。通过让长丝和冷却空气通过一个具有有限直径的管同样可将冷却空气的速度加速大约9倍，从对照例的218mpm提高到例8的960mpm，所述管的直径为冷却滤网直径的1/3(在对照例中所使用的下部管的直径与冷却滤网的直径相同)。
例9
根据本发明纺制170-200聚酯纱线(参见表9)，即亚旦尼尔长丝，为了进行比较，在表9中示出了一种大体上与例7相同的对照例。在例9中，管73的顶部位于冷却滤网系统底部，即没有使用任何连接扩口部分(我们认为使用该部分可以改进其结果)。
                                     表9
加工参数                        对照                例9
冷却尺寸，英寸(cm)
冷却延迟高度A                   1(2.5)              1(2.5)
冷却滤网高度B                   8(20)               8(20)
管高度(C和C3)                  8(20)               18(46)
总高度(纺丝头-管出口)           17(43)              27(69)
速度
管出口空气速度，mpm             187                 1680
退绕速度，mpm                   2560                3130
纱线参数(0.85dpf，0.94分特/长丝)
孔数/长丝                       200                 200
旦尼尔(分特)                    170(189)            170(189)
旦尼尔分布，％                  5.26                1.13
拉伸张力，克                    101                 98
在例9中，在均匀性方面同样获得非常显著的改进，具有1.13％比5.26％的较低旦尼尔分布(后者比1.13％高4倍)。并且具有稍好一些的拉伸张力，例9的退绕速度为3130mpm，比2560mpm的对照纱线的退绕速度高20％。当使用相同的对照冷却系统而使用例9的退绕速度(3130mpm)纺制另一种对照纱线时，所述另一种对照纱线的拉伸张力提高到超过170克。
除了上述实施例外，在其他实验中还用所标明的冷却系统及其他参数纺出了聚合物长丝。在一定范围内发现了以下结果：
1.增加有限尺寸的管73的长度可用于降低长丝的拉伸张力；这种降低可能是显著的，不过其效果取决于其他条件，如每根长丝的旦尼尔数，退绕速度，管的直径，以及下文所提到的其他因素。
2.减少从纺丝头表面17到具有有限尺寸的管73顶部的距离可以降低长丝的拉伸张力，通常能达到更低的程度，即超过微调调节，同样也取决于所提到的其他条件。
3.增加空气流量同样可从整体上降低拉伸张力，但同样能从整体上提高旦尼尔分布，特别是如果从纺丝头表面17到具有有限尺寸的管73顶部的距离减少的过多并使该管接近纺丝头的话尤其如此。
4.提高纺丝温度同样具有降低长丝拉伸张力的作用，这同样取决于所述的其他条件。
要指出的重点是，使用本发明能提供一种对冷却工艺的简单的调整，通过这种调整可以在所得到的长丝上改进所期望的特性，并且在必要时进行纠正。在退绕速度为3-5km/分钟范围内业已证实了这一点，因为以上述退绕速度纺成的长丝业已非常大量地商业化生产，同样也具有很重要的商业价值。对于不同类型的长丝和最终用途来说，通过以较低的速度和较高的速度实施本发明可以获得优点。我们的冷却系统的效率与现有的观点不同，现有的观点认为，通过将尽可能多的冷却空气吹过长丝阵列并使其从长丝的另一侧排出可以获得最有效的冷却，正如在横向流动的商业生产中所采用的。

Claims (3)

1.一种在从纺丝头中的经加热的熔融聚合物到以至少500米/分钟的表面速度传动的辊的路径中纺制连续聚合物长丝的熔纺工艺，其中将冷却气体导入位于纺丝头下方区域的刚挤出的熔融长丝中，使所述长丝和冷却气体一起经过一个管从所述区域排出，所述管具有有限的尺寸并且环绕着被冷却的长丝，并且所述管的顶部位于纺丝头表面的下方、其距离小于80厘米，并对所述管的尺寸和位置以及气体的量加以控制，以便使气体加速、但使气体离开管的速度低于长丝的速度。
2.如权利要求1的工艺，其特征在于通过将所述冷却气体径向吹入位于纺丝头下面的区域来将该气体导入刚挤出的长丝。
3.如权利要求1的工艺，其特征在于所述管的顶部位于纺丝头表面的下方、其距离小于64厘米。
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