CN87103149A - 用超高速纺制备的低结晶度聚酯长丝 - Google Patents

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Abstract

聚对苯二甲酸乙二醇酯在超过5000米/分的速度下纺丝，同时在丝条周围采用气体控制技术，以便控制温度及丝条外形变细，提供了一种生产具有相对高断裂伸长率、低结晶度聚酯长丝的方法。

Description

本发明涉及在受控卷取速度下用高速熔融纺丝方法制备低结晶度聚酯长丝纱。
早已众所周知，聚合物长丝，如聚酯和聚酰胺长丝，能以5千米/分或更高的高速纺丝方法，直接（即在初纺条件下）制备，而无需任何拉伸。Hebeler和Bowling分别首先公开了用此种方法制备聚酯长丝（美国专利2，604，667）和聚酰胺长丝（美国专利2，957，747）。近十年来对此兴趣已大增，许多专利说明书公开了这种熔融高速纺丝的方法。
在美国专利4，134，882和4，195，051中，Frankfort等人公开了通过在5千米/分或更高的卷取速度下纺丝和直接卷绕，制备了一种新的均匀的聚酯长丝和加有少量捻度的长丝，它们具有可染性好、低精练收缩率及高热稳定性。所例举的最高纺丝速度为8000码/分。卷取速度即是被长丝缠绕的（至少部分缠绕）第一从动辊（喂丝辊）的速度。当需要对于纺制加有少量捻度的长丝也是适用的均匀聚合物长丝时，必须使用以恒定受控速度驱动的辊或者等效强制设备来卷取长丝，与用空气喷射器不同。空气喷射器对于某些使用（例如非织造产品）是满意的，但不能制得足够均匀的长丝以制成用途广泛的加有少量捻度的长丝。
Vassilatos在美国专利4，425，293中，公开一种用于假捻变形工艺的取向非晶态的聚对苯二甲酸乙二醇酯的喂入丝。其制备方法是在至少5000米/分速度下把聚对苯二甲酸乙二醇酯纺丝，并在液体浴中骤冷，提供了一种精练收缩率（BOS）至少为45%并用常规的X射线衍射法检测不出其结晶度的长丝。按照美国专利4，425，493生产的液体骤冷长丝显示了极低的断裂伸长率，这可能是由于迅速冷却导致了大量的皮芯效应。所谓皮芯效应是指在外部或纤维表皮比在纤维内核有较大的分子取向。当使用如水这样有效的冷却介质而不是用空气作冷却介质时，这种效应更为明显。当加重时，有较大皮芯效应的纤维将经受大的径向应力差，这就导致了纤维过早的断裂。用5000米/分以上超高速纺生产的低结晶度的，具有更高断裂伸长率的长丝将是十分吸引人的。
本发明提供了一种用纺丝速度至少为5千米/分的熔融纺丝方法制备的聚酯加捻长丝。这种长丝的精练收缩率大于10%，断裂伸长为30-120%左右，密度为1.348-1.370克/毫升。其制备方法是在由一个卷取装置控制的速度下纺丝，使丝从喷丝头组合件纺进一通道，把一种气体导入封闭上述通道的区域，这个封闭区域要从上述喷丝头组合件开始延伸到喷丝头组合件和卷取装置之间的一定位置，并使该区域的压力维持在低于1公斤/厘米2（表压）下。当气体离开该区域时，其流速增加到大于长丝移动速度的水平。
图1是本发明所用设备的一个实施方案的部分纵剖面简图。
图2是本发明所用设备的另一个实施方案的部分纵剖面简图。
参照图1，本设备包括箱体50，它形成了小室52，即一个充满了压缩气体QR的封闭区域，气体QR由导管54进入，导管54位于箱体侧壁51上。一个圆筒形的网屏55处于室52之内，以便均匀地分布流入室内的气体。喷丝头组合件16正好位于靠近喷丝头组合件表面16a的箱体正上方。喷丝板（未画出）贴在喷丝头组合件的底表面上，以便把来自喷丝头组合件的熔融聚合物挤成长丝20进入通道。管56连在箱体50的出口端并和长丝的通道成一直线。该管上方稍成漏斗状。一个连续的壁或另一管道58套在管56外围，因此围绕着管56形成一个环形空间60。壁58和箱体50的出口处相接。管62是气体入口，和壁58相接，把压缩气体QJ导入空间60。操作时，将熔融聚合物计量导入喷丝头组合件16，并挤成长丝20。该长丝被卷取滚筒34从喷丝板拉出进入通道。通过直管56的气流作用帮助卷取长丝。选择管56，58的直径和气体QR，QJ的流速，以便使两个管道中的平均气流速度相等。这样可以减少长丝在管56出口进入管58时的扰动。而且，管56应正好位于中心，使气流QJ分布均匀，以便使在两管之间的环形空间60中的气体流速在环的任何位置处都相同。同时，在环形空间内的气体流速应比两管内其他部位中的流速大约2倍，但不能过大。
管56起始处的位置，应在假若无此管时沿着纺丝路线上出现结晶的位置上方。曾报导（《高速纺纤维》（High-Speed    Fiber    Spinning）    Edited    by    A.Ziabicki和H.Kawai，John    Wiley和Sons，New    York    1985）结晶聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯或尼龙66，在高卷取速度下（如超过4500米/分）被纺成纤维，其沿纺丝路线上出现结晶十分突然。实际上，结晶出现的位置可以用形成“颈状物”来检知，在形成结晶处，移动的长丝直径非常突然地减小即形成“颈状物”。因为其直径减小，长丝必须加速以保持在喷丝板毛细管处提供的物料流速恒定。很明显，结晶出现的位置也能用另一方法检知，即沿着纺丝路线找出速度几乎是以梯度函数突然增加的位置。测定纺丝路线的速度可用多普勒式激光速度计（Laser-doppler    Velocimeter）。
气体（最好是室温下的空气）在管56和58中的流速至少可以是长丝移动速度的约1.5-100倍，以便使空气对长丝发挥拉伸（牵引）效果，这一效果随这些管的长度增加而增大。同时，当气体流速增大时，拉伸效果也增加，当QR及QJ（量）增大或在恒定流量下管直径减小时，都出现这种情况。除拉伸长丝外，管中较高的气流速度还促进了长丝在管道内甚至管道出口以外更快的冷却，这是因为出口气流断裂点产生轻微湍流强化了冷却的结果。管56起始处的理想位置是在当没有该管时，出现“颈状物”的位置上方5～250厘米处，最好是10～90厘米。这样做则可抑制结晶，维持高的卷取速度，可得到本发明的低结晶度长丝。
除管58被拆除外，图2是类似于图1的另一具体设备。操作方法如在实例1中叙述。
试验：
强度/伸长率/初始模量-强度和初始模量的单位为克/旦，伸长率为%，使用10英寸（25.4厘米）夹持长度的样品，在相对湿度65%和70°F，伸长速度为每分钟60%条件下，按ASTM    D2256进行测定。
密度-用密度梯度管试验方法按ASTM    D15056-68测定。
精练收缩率-按美国专利4，156，071第6栏第51行中所述方法测定。
实施例Ⅰ
把特性粘度为0.63的聚对苯二甲酸乙二醇酯从喷丝板挤出，特性粘度是在体积比为1∶2的苯酚-四氯乙烷混合溶液中测定的，喷丝板有直径为0.25毫米的4个小孔，小孔之间距离为0.25厘米并排列成直线，纺丝温度为290℃，速度为3.1克/分·孔。挤出的长丝通过紧靠喷丝板下方的直径为7.6厘米、长度为43厘米的充气室。提供约20℃的空气流以30标准立方英尺/分的速度通过一金属丝网的圆筒。箱体底部用一个在中心有开口的板复盖，开口连一个内径1.25厘米、长5.0厘米的管道、管口如图2所示呈微漏斗形。
供气室在喷丝头组件底部是密封的，以使充入室内的空气仅能从其底部的管道离开。调节空气流速，计算喷丝板下室内保持的压力应为大气压以上约0.01公斤/厘米2。离开管道后，长丝在被滚筒卷绕前在空气中经过约280厘米的行程。当卷绕速度为5948米/分时，在管道出口处的纺丝速度是1280米/分或约为管中空气流速的19%。而且，纺丝速度分布平稳增加最后达到卷绕速度，无任何突然的速度改变或形成“颈状物”。这说明沿纺制的长丝无明显结晶发生。这不同于使用在充气室底部没有管道的设备中纺丝时速度分布的情况。在后一种情况中，在从喷丝板出口开始的约118厘米的距离中，纺丝速度从1647米/分最终增加到5948米/分，其中速度分布显出有突然的急骤增加（形成“颈状物”）。在相应于管道出口位置处，纺制的丝条的速度约229米/分。纤维的卷绕速度及其性质列于表Ⅰ。长丝到达辊前，进行了上油和轻微的交缠。
（表Ⅰ见下页）
表Ⅰ
纺丝或    精练    密度    强度    断裂    模量
卷取速度    收缩率    伸长率
米/分    %    克/毫升    克/旦    %    克/旦
6405    45    1.3578    2.3    79    47
7320    32    1.3563    2.5    38    70
8235    15    1.3668    3.0    31    75
实施例Ⅱ
把特性粘度0.63的聚对苯二甲酸乙二醇酯从喷丝板挤出，特性粘度是在体积比为1∶2的苯酚-四氯乙烷混合溶液中测定的，喷丝板有17个直径0.25毫米的小孔，其中7个孔等距离地分布在直径3.8厘米的圆周上，10个孔等距离地分布在直径5.4厘米的圆周上，纺丝温度290℃，速度为2.5克/分·孔。
被挤出的长丝通过如实施例Ⅰ所述的充气室。连接于该室底部的内径为1.27厘米，长度为15.3厘米的管道。此管可将气体泄入内径1.9厘米，长度17.8厘米的另一管道，如图1所示。把另一股流速为25标准立方英尺/分的冷却气流QJ计量送入该管道。被计量送入充气室的气流QR的流速为20标准立方英尺/分。两股气流均约为20℃。调节空气流速并计算喷丝板下充气室内维持的压力约为0.02公斤/厘米2（表压）。从小管挤出的丝是直的、拉紧的和彼此分离的。甚至当移动到较大的外管道时仍是如此，这可以通过管子的透明塑料壁观察到。此装置的改进是增加了一个外管道，这样可以使长丝充分变冷，以便减少它们在大管道出口处（此处由于出口气流的断裂可导致湍流）长丝之间的潜在的粘合，因此维持了长丝直线移动并彼此分开。而且采用两股受控气流QR和QJ提供了更好的工艺控制。这可以控制纺丝速度分布及也可控制纺丝温度分布。例如，由于增加了第二股气流QJ，气体流量更大了，温度不再会明显升高，所以热量散失变得对于长丝的冷却是合适的。纤维的卷绕速度及其性能列于表Ⅱ，长丝达到辊前，进行了上油和轻度的交缠。
表Ⅱ
纺丝或    精练    密度    强度    断裂    模量
卷取速度    收缩率    伸长率
米/分    %    克/毫升    克/旦    %    克/旦
7000    63    1.3570    2.4    65    41
8000    50    1.3582    3.0    53    51
9000    21    1.3688    3.4    37    55
实施例Ⅲ
如实施例Ⅱ所述，把聚对苯二甲酸乙二醇酯从喷丝板挤出，但有以下不同点：
喷丝板有5个孔，通过量为4.45克/分·孔。连接于充气室底部的管道内径为1.17厘米，长15.3厘米，外管内径1.90厘米，长49.8厘米。气流QR和QJ的流速分别是7.5及20标准立方英尺/分。
所得到样品的性能列于表Ⅲ。
表Ⅲ
纺丝或    精练    密度    强度    断裂    模量
卷取速度    收缩率    伸长率    （初始）
米/分    %    克/毫升    克/旦    %    克/旦
5500    57.1    1.3554    1.6    117    26.9
7000    55.5    1.3549    2.0    58    63.4
8000    52.8    1.3563    3.2    48    76.5
实施例Ⅳ
如实施例Ⅱ所述，把聚对苯二甲酸乙二醇酯从喷丝板挤出，但QR和QJ的流速分别是25和31.2标准立方英尺/分。所得样品性能见表Ⅳ。
表Ⅳ
纺丝或    精练    密度    强度    断裂    模量
卷取速度    收缩率    伸长率    （初始）
米/分    %    克/毫升    克/旦    %    克/旦
6000    62.8    1.3550    1.4    88.2    29.5
7000    65.8    1.3540    1.7    68.5    34.5
8000    66.6    1.3548    2.2    43.5    53.3
9000    62.2    1.3550    2.4    31.2    67.7
实施例Ⅴ
如实施例Ⅱ所述，把聚对苯二甲酸乙二醇酯从喷丝板挤出，但聚合物通过量为2.5克/分·孔，QR和QJ流速分别为40和30标准立方英尺/分，所得样品性能见表Ⅴ。
表Ⅴ
纺丝或    精练    密度    强度    断裂    模量
卷取速度    收缩率    伸长率    （初始）
米/分    %    克/毫升    克/旦    %    克/旦
6000    62.3    1.3488    1.6    35.9    33.6
8000    61.6    1.3516    2.2    40.8    40.9
10000    57.7    1.3524    2.5    42.7    42.8
10500    59.3    1.3530    2.8    48.7    33.9
勘误表

Claims (2)

1、熔融纺制的聚酯长丝，它的纺制方法是受卷取装置控制的纺丝速度至少是5千米/分，从喷丝头组合件开始长丝进入一通道，把气体顺流导入封闭上述通道的一个区域内，这个封闭区从上述喷丝头组合件开始一直延伸到喷丝头组合件和卷取装置之间的一定位置，维持上述封闭区内压力小于1公斤/厘米2(表压)，当气体离开该区域时其流速增加到大于丝的移动速度，上述长丝密度约为1.348-1.370克/毫升，断裂伸长率30-120%，精练收缩率至少10%。
2、权利要求1的长丝，其密度为1.350-1.360克/毫升。
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