TWI622679B - 高摩擦性纖維及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種高摩擦性纖維，包含支撐體纖維以及改質纖維素纖維。改質纖維素纖維與所述支撐體纖維之間的撚數介於60~200TPM，且改質纖維素纖維具有下列式(I)的結構：

在式(I)中，n為大於1的整數，而R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆係獨立選自氫、乙醯基、丙醯基或丁醯基，且R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆不全為氫。

Description

高摩擦性纖維及其製造方法

本發明係有關於一種高摩擦性纖維及其製造方法。

隨著紡織品日新月異的蓬勃發展，使機能織品具有各種不同功能性成為業界的主要發展方向。其中，防滑紡織品在居家安全、運動以及生活上均扮演著重要的角色。舉例來說，防滑紡織品能作為纏繞球拍握把的布料，使運動員在手部大量出汗的情況下，仍能握緊球拍而不脫手。在滑鼠墊的製作上也大量依賴著防滑紡織品的使用，以使其背面能緊貼桌面而不滑動。

為使紡織品達到防滑的效果，其表面需具有較大的摩擦係數，不易因受力而滑動。目前習知的防滑紡織品是在織物製備完成後，再對其紡織品表面進行後加工處理而形成多處的凹陷與突起。此些凹陷與突起使織物的表面粗糙度增加，從而增加摩擦係數。然而，習知的方式繁複且耗時，更需進行額外的製程步驟而增加了成本。據此，業界亟需開發一種改良的高摩擦性纖維與其製備方法。

本發明之一實施態樣提供一種高摩擦性纖維，包含支撐體纖維以及改質纖維素纖維。改質纖維素纖維與所述支撐體纖維之間的撚數介於60~200TPM，且改質纖維素纖維具有下列式(I)的結構： 在式(I)中，n為大於1的整數，而R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆係獨立選自氫、乙醯基、丙醯基或丁醯基，且R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆不全為氫。

根據本發明之一或多個實施方式，R₁至R₆中的4至5者係獨立選自乙醯基、丙醯基或丁醯基。

根據本發明之一或多個實施方式，改質纖維素纖維的分子量介於70000至120000之間。

根據本發明之一或多個實施方式，改質纖維素纖維的截面寬度介於0.4微米至1.0微米之間。

本發明之另一實施態樣提供一種高摩擦性纖維的製造方法，包含下列步驟。對纖維素進行改質，以將纖維素的羥基中的氫取代為乙醯基、丙醯基或丁醯基。將 改質後的纖維素混練造粒以形成改質纖維素酯粒，並將改質纖維素酯粒與海成份共同熔融紡絲，以形成具有改質纖維素纖維於海成分中的海島型複合纖維。對海島型複合纖維進行紗線加工，使海島型複合纖維與支撐體纖維互相纏繞，以及移除海島型複合纖維中的海成份。

根據本發明之一或多個實施方式，將改質後的纖維素混練造粒成改質纖維素酯粒的步驟中，更包含加入可塑劑以增加改質後的纖維素的流動性，其中可塑劑包含多元酸、多元醇、環氧化物、矽烷化合物或其組合。

根據本發明之一或多個實施方式，纖維素酯粒與海成分之間的重量比例介於20：80至80：20之間。

根據本發明之一或多個實施方式，移除海島型複合纖維中的海成份的步驟包含以熱水溶解海成份，熱水的溫度介於80至120℃之間，或以氫氧化鈉溶液去除海島型複合纖維中的海成份，氫氧化鈉溶液的重量百分濃度介於0.5至2%之間。

100‧‧‧高摩擦性纖維

110‧‧‧支撐體纖維

120‧‧‧改質纖維素纖維

120S‧‧‧斷面

120A、120B‧‧‧段落

310、320、330、340、350‧‧‧步驟

400‧‧‧海島型複合纖維

410‧‧‧海成分

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖繪示本發明部分實施方式中一種高摩擦性纖維的示意圖；第2A、2B、2C、2D與2E圖為改質纖維素纖維的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖； 第3圖為第1圖的高摩擦性纖維的製造方法流程圖；第4A圖繪示本發明部分實施方式中海島型複合纖維的剖面示意圖；第4B圖繪示海島型複合纖維與支撐體纖維互相纏繞的示意圖；以及第4C圖繪示移除海島型複合纖維中海成分後形成的結構示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

參閱第1圖，其繪示本發明部分實施方式中一種高摩擦性纖維的示意圖。如第1圖所示，高摩擦性纖維100包含支撐體纖維110與改質纖維素纖維120。支撐體纖維110主要為支撐高摩擦性纖維100之強度的骨幹，而改質纖維素纖維120配置於支撐體纖維110上，且改質纖維素纖維120與支撐體纖維110之間的撚數介於60~200TPM(Twist Per Meter)。此處所述的撚數意指改質纖維素纖維120纏繞於支撐體纖維110上的數量，並以每公尺轉數(Twist Per Meter,TPM)加以衡量。適當的TPM可以提供良好支撐性 能。小於60TPM時，無法提供支撐之效果，而大於200TPM時，則可能造成改質纖維素纖維的斷裂。因此，當上述撚數介於60~200TPM時即可具有支撐性，而在撚數為80~120TPM時，除能夠提供足夠之支撐行為外，還可以保持溶除後改質纖維素纖維之完整性，進而提升高摩擦性纖維100的摩擦係數。

前述的改質纖維素纖維120具有下列式(I)的結構：

在式(I)中，n為大於1的整數，而R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆係獨立選自氫、乙醯基(CH₃C(O)-)、丙醯基(C₂H₅C(O)-)或丁醯基(C₃H₇C(O)-)，且R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆不全為氫。具體而言，未經改質的纖維素中R₁至R₆均為氫而具有6個羥基(-OH)。此些羥基間會形成分子內(intra-molecular)氫鍵，或與鄰近的羥基間形成分子間(inter-molecular)氫鍵，因此具有結晶性結構無熱塑流動性，進而不利於熔融紡絲。本發明將纖維素加以改質，以將羥基上的氫原子取代為乙醯基、丙醯基或丁醯基，藉此降低氫鍵的數量而使纖維素具有較低的熔點，以利於紡絲。另一 方面，式(I)的結構更需具有足夠的鏈長才具有紡絲的可能性，因此改質纖維素纖維120的分子量至少需大於70000g/mol。在本發明之部分實施方式中，改質纖維素纖維120的分子量介於70000至120000g/mol之間。

在本發明之部分實施方式中，改質纖維素纖維120的平均取代度介於2至2.5之間。此處所述的平均取代度是指纖維素分子鏈中每個葡萄糖單元上被取代之羥基的平均數目。具體而言，式(I)的表示方式是指其中具有n個纖維素單體，每個纖維素單體具有兩個葡萄糖單元(6個羥基)，而平均每個纖維素單體中有4至5個羥基中的氫被取代。也就是說，各個纖維素單體中的R₁至R₆平均有4至5者係獨立選自乙醯基、丙醯基或丁醯基。需說明的是，各個纖維素單體中，R₁至R₆中不為氫的數量也可互不相同。

在第1圖中，改質纖維素纖維120的截面寬度介於0.4微米至1.0微米之間，此截面寬度已達到超細纖維的定義，因此其得以大量纏繞於支撐體纖維110上而使撚數達到60~200TPM。需注意的是，改質纖維素纖維120並非連續結構，其會斷開並形成多個斷面120S。此些斷面120S藉由提高纖維的總表面積而使得纖維具有高的摩擦性。請同時參閱第2A、2B、2C、2D與2E圖，其為改質纖維素纖維120的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖。在第2A至2E圖中可觀察得多條纖維素纖維120，其均會斷裂而分別形成斷面，而此些鄰近的斷面更會共同組成一表面。在此需特別說明，各條纖維素纖維120斷裂的方向與位置均不相同，因此組成的表面 具有奈米(nano-meter)級的突起與凹陷，並呈不規則性的輪廓而具有較大的粗糙度。在與其他物體接觸的情況下，較大的粗糙度相對的增加了兩者間的摩擦係數，而使高摩擦性纖維110能貼附於其上而不易滑動。

接著在第3圖中敘述說明第1圖的高摩擦性纖維的製造方法流程圖。在此製造方法中，首先會以熔融複合紡絲技術製備海島型複合纖維，其中的島成分即為上述的改質纖維素纖維。首先進行步驟310，對纖維素進行改質，以將所述纖維素的羥基中的氫取代為乙醯基、丙醯基或丁醯基。在此步驟中，加入酸酐(例如：乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐)或其組合至纖維素，而酸中的羧酸基即會與纖維素的羥基產生酯化反應，而將原本羥基上的氫取代成醯基。改質後的纖維素具有式(I)的結構： 其中R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆係獨立選自氫、乙醯基、丙醯基或丁醯基，且R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆不全為氫。在本發明的部分實施方式中，改質後的纖維素之熔點大於200℃。

接著在步驟320中，將改質後的纖維素混練造 粒以形成改質纖維素酯粒。在此步驟中，先加入可塑劑至改質後的纖維素中以增加其熔融流動性以利於後續加工，使改質纖維素的熔融指數(Melt flow Index,MI)大於20，而具有良好熔融指數也就代表了熔體就有較佳的流動能力。接著再將改質後的纖維素置入混練押出機中進行混練製程及分散製程，而製備得改質纖維素酯粒，其中混練製程的最高溫度為190℃至250℃，且改質質纖維素在混練製程中的熱重損失小於5%。在本發明之部分實施方式中，可塑劑包含多元酸、多元醇、環氧化物、矽烷化合物或其組合。

繼續進行步驟330，將改質纖維素酯粒與海成份共同熔融紡絲，以形成具有改質纖維素纖維於海成分中的海島型複合纖維。在此步驟中，先選取合適的海成份，其組成原料以水溶性聚合物為主，例如水溶性聚對苯二甲酸乙二酯(water-soluble polyethylene terephthalate,WSPET)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)或易溶除聚對苯二甲酸乙二酯(easy soluble polyethylene terephthalate,ESPET)。其中，又以水溶性聚對苯二甲酸乙二酯(WSPET)為佳。

在選取海成份後，將其與改質纖維素酯粒分別置入熔融複合紡絲箱中不同的粒槽，再落至各自的熔壓機中，以在高溫下將海成份與改質纖維素酯粒熔融。之後將兩種熔體彙流，在流經複合紡絲箱與噴絲板後，以每分鐘約1000公尺的紡絲速度吐出每根含兩種成份的海島型複合纖維，其規格為150d/24f(150丹尼/24股纖維)。請同時參閱 第4A圖，其繪示本發明部分實施方式中海島型複合纖維的剖面示意圖。如第4A圖所示，海島型複合纖維400具有海成分410與改質纖維素纖維120分散於海成分之中，且每根纖維素纖維120的截面寬度介於0.4微米至1.0微米之間。在此需特別說明，第4A圖僅作為示意說明之用，實際上從海島型複合纖維400的剖面觀之，每根海島型複合纖維400中會含有300~600條改質纖維素纖維120。在本發明之部分實施方式中，纖維素酯粒與海成分之間的重量比例介於20：80至80：20之間。

接著在步驟340中對海島型複合纖維進行紗線加工。在此步驟中，以聚對苯二甲酸乙二酯纖維、尼龍纖維或棉纖維作為支撐體紗線。第4B圖繪示海島型複合纖維與支撐體纖維互相纏繞的示意圖，在紗線加工後，具有改質纖維素纖維120與海成分410的海島型複合纖維400將會與支撐體纖維110互相纏繞。

最後在步驟350中移除海島型複合纖維中的海成份，並請同時參閱第4C圖。第4C圖繪示移除海島型複合纖維中海成分後形成的結構示意圖。如前所述，海成份的組成原料以水溶性聚合物為主，因此在此步驟中可將第4B圖的結構置入熱水中約30~120分鐘，以溶解海島型複合纖維400中的海成份410，只主要餘留改質纖維素纖維120纏繞在支撐體纖維110上。並再以清水洗淨後將其乾燥，而完成第4C圖之高摩擦性纖維100的製備。在本發明之部分實施方式中，海成份410未被完全去除而仍有部分餘留於支撐體纖 維110上，其中海成分410的去除率介於90至100%之間。

在本發明之部分實施方式中，熱水的溫度介於80至100℃之間，或可使用氫氧化鈉溶液且重量百分濃度介於0.5至2%之間。

需注意的是，改質纖維素纖維120因氫鍵的數量減少而具有較低的強度，其在失去海成份410的支撐保護下會自然斷裂而形成多個斷面。以第4C圖中其中一條改質纖維素纖維120為例，其會斷裂成多個段落，其中段落120A的左斷面120S與段落120B的右斷面120S具有互補的形狀。此些斷面的形成不僅增加了高摩擦性纖維100的表面接觸面積，且因各條改質纖維素纖維120斷裂的方向不同，使得斷面構成的表面為不規則狀，以讓高摩擦性纖維100具有較粗糙的手感以及較高的摩擦性。

請接著參閱下列各個比較例與實施例，以理解本發明的改質纖維素纖維120對摩擦阻力的影響。

比較例1：支撐體纖維110的材質為聚對苯二甲酸乙二酯，規格為150d/24f，纖維狀態為長纖，且支撐體纖維110無任何改質纖維素纖維120，紡織加工成織布。

比較例2：支撐體纖維110的材質為棉，規格為30支，纖維狀態為短纖，且支撐體纖維110無任何改質纖維素纖維120，紡織加工成織布。

比較例3：無支撐體纖維110，只使用纖維狀態為長纖的改質纖維素纖維，規格為150d/24f，也就是說，改質纖維素纖維120並未斷開也未形成斷面，紡織加工成織 布。

實施例1：支撐體纖維110的材質為尼龍，規格為30d/24f，其上具有海島型複合纖維400。纖維互相纏繞作為緯紗，經紗為棉紗，規格為30支，紡織加工成織布後進行溶除，使其表面出現狀態為短纖的改質纖維素纖維120。

實施例2：支撐體纖維110的材質為棉，規格為30支，其上具有海島型複合纖維400。纖維互相纏繞作為緯紗，經紗為棉紗，規格為30支，紡織加工成織布後進行溶除，使其表面出現狀態為短纖的改質纖維素纖維120。

實施例3：支撐體纖維110的材質為尼龍，規格為30d/24f，其上具有海島型複合纖維400。纖維互相纏繞作為經/緯紗，紡織加工成織布後進行溶除，使其表面出現狀態為短纖的改質纖維素纖維120。

之後，對比較例1-3與實施例1-3進行摩擦阻力測試，測試方式是將此些樣品置於玻璃板與壓克力板上，在相同的正向力(比較例1-3與實施例1-3的具有相同重量)下量測需施加多少的力(摩擦阻力)才能使樣品移動，其量測結果如表一。

請先參閱比較例1-3，雖然比較例3的改質纖維素纖維120並無斷裂，但其摩擦阻力仍大於比較例1與2。代表改質纖維素纖維120的摩擦係數原本就高於常用於製備紡織品的聚對苯二甲酸乙二酯纖維與棉纖維。然而，比較例3在玻璃板與壓克力板上的摩擦阻力均小於實施例1-3，由此得證斷裂的改質纖維素纖維120，其上的多個斷面能更進一步提升摩擦係數，使樣品具有大的摩擦阻力。之後請再參閱比較例2與實施例2，其中的差別在於實施例2中更具有斷裂的改質纖維素纖維120。可由表一得知，改質纖維素纖維120使樣品的摩擦阻力大幅提升(玻璃板：212.5cN提升至350cN，壓克力板：225cN提升至400cN)。在實施例3中，可看出當經/緯紗均有斷裂的改質纖維素纖維120時，其摩擦阻力更大幅提升。

由上述本發明實施例可知，本發明具有下列優點。本發明藉由設置改質纖維素纖維於支撐體纖維上，而大幅提升了摩擦係數。其中，纖維素為自然界大量蘊藏的生質材料，其取得容易而具有較低的成本，並加以改質以減少其上的氫鍵。藉此，改質後的纖維素易於紡絲成纖維，且其強度較低而容易自然斷裂形成多個斷面，使高摩擦性纖維的表面變得粗 糙。此外，本發明更使用海島型複合纖維技術，因而能製備超細的改質纖維素纖維，使其在支撐體纖維具有高撚數，而進一步提升摩擦性。

雖然本發明已以實施方式及實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。體現本發明特徵與優點的典型實施方式已在以上的說明中詳細叙述。應理解的是本發明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及附圖在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。

Claims (9)

1. 一種高摩擦性纖維，包含：支撐體纖維；以及改質纖維素纖維，配置於所述支撐體纖維上，且所述改質纖維素纖維與所述支撐體纖維之間的撚數介於60~200TPM(twist per meter)，所述改質纖維素纖維具有下列式(I)的結構： 在式(I)中，n為大於1的整數，而R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆係獨立選自氫、乙醯基、丙醯基或丁醯基，且R₁、R₂、R₃、R₄、R₅與R₆不全為氫。
2. 如請求項1所述的高摩擦性纖維，其中R₁至R₆中的4至5者係獨立選自乙醯基、丙醯基或丁醯基。
3. 如請求項1所述的高摩擦性纖維，其中所述改質纖維素纖維的分子量介於70000至120000之間。
4. 如請求項1所述的高摩擦性纖維，其中所述改 質纖維素纖維的截面寬度介於0.4微米至1.0微米之間。
5. 一種高摩擦性纖維的製造方法，包含：對纖維素進行改質，以將所述纖維素的羥基中的氫取代為乙醯基、丙醯基或丁醯基；將改質後的所述纖維素混練造粒以形成改質纖維素酯粒；將所述改質纖維素酯粒與海成份共同熔融紡絲，以形成具有改質纖維素纖維於所述海成分中的海島型複合纖維；對所述海島型複合纖維進行紗線加工，使所述海島型複合纖維與支撐體纖維互相纏繞；以及移除所述海島型複合纖維中的所述海成份。
6. 如請求項5所述的高摩擦性纖維的製造方法，其中將改質後的所述纖維素混練造粒成所述改質纖維素酯粒的步驟中，更包含：加入可塑劑以增加改質後的所述纖維素的流動性，其中所述可塑劑包含多元酸、多元醇、環氧化物、矽烷化合物或其組合。
7. 如請求項5所述的高摩擦性纖維的製造方法，其中所述纖維素酯粒與所述海成分之間的重量比例介於20：80至80：20之間。
8. 如請求項5所述的高摩擦性纖維的製造方法， 其中移除所述海島型複合纖維中的所述海成份的步驟包含：以熱水溶解所述海成份，所述熱水的溫度介於80至120℃之間。
9. 如請求項5所述的高摩擦性纖維的製造方法，其中移除所述海島型複合纖維中的所述海成份的步驟包含：以氫氧化鈉溶液去除所述海島型複合纖維中所述海成份，所述氫氧化鈉溶液的重量百分濃度介於0.5至2%之間。