TWI803790B - 鞘芯型熱黏合纖維及不織布 - Google Patents

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Abstract

一種鞘芯型熱黏合纖維，包含一芯部及一包圍該芯部的鞘部。該芯部是由一選自於聚酯、聚烯烴、聚醯胺或其組合的聚合物材料所製得。該鞘部是由一共聚酯所製得，該共聚酯的熔流指數(melt flow index, MI)，在120℃中測量時，MI不小於11.5 g/10 min。本發明亦提供一種不織布，包含經熱黏合的多個基材纖維及多個熱黏合纖維，該等基材纖維是由一選自於聚烯烴、聚酯、棉或其組合的聚合物材料所製得，該等熱黏合纖維是如上所述的鞘芯型熱黏合纖維。本發明鞘芯型熱黏合纖維具有優良的加工操作性與尺寸穩定性，且其所製得的不織布具有高斷裂強力。

Description

鞘芯型熱黏合纖維及不織布
本發明是有關於一種複合纖維，特別是指一種鞘芯型熱黏合纖維及包含該鞘芯型熱黏合纖維的不織布。
不織布(Nonwoven fabric)是由一主體基材纖維(matrix fiber)所製得，且纖維需透過化學、機械、高溫或溶劑處理而黏合在一起，才得以使不織布具有足夠的斷裂強力，而可廣泛應用在不織布的產品中。一般常見的手法為添加一種熱黏合聚酯纖維(heat-bondable polyester fiber)與主體基材纖維黏結在一起。常見的主體基材纖維為聚烯烴、聚酯或棉，但由於這些主體基材纖維的熔點普遍低於熱黏合聚酯纖維，因此需要設法降低熱黏合聚酯纖維的熔點才能夠進行熱黏合，例如在熱黏合聚酯纖維的製程中添加改質劑進行共聚合，以製得熔點較低的熱黏合聚酯纖維。
現有的改質劑皆有助於降低熱黏合聚酯纖維的熔點。例如US 4418116公開的二乙二醇(diethylene glycol, DEG)，雖然其製得的熱黏合聚酯纖維的熔點較低而可順利與主體基材纖維黏合，但其在不織布的製備過程中的尺寸變化偏大，所製得的不織布的斷裂強力亦顯不足；例如US 6139954公開的新戊二醇(neopentyl glycol，NPG)，其製得的熱黏合聚酯纖維的縮率偏大，所製得的不織布尺寸安定性不佳；又例如TW I650343公開的2-甲基-1,3-丙二醇(2-methyl-1,3-propanediol, MPDO)，其製得的不織布的斷裂強力仍略顯不足。所以目前仍無能夠同時兼顧優良的加工操作性與尺寸穩定性的熱黏合聚酯纖維，且其所製得的不織布具有高斷裂強力。
因此，本發明之目的，即在提供一種鞘芯型熱黏合纖維(sheath-core heat-bondable fiber)，可以克服上述先前技術的缺點。
於是，本發明鞘芯型熱黏合纖維包含一芯部及一包圍該芯部的鞘部。該芯部是由一選自於聚酯、聚烯烴、聚醯胺或其組合的聚合物材料所製得。該鞘部是由一共聚酯所製得，該共聚酯的熔流指數(melt flow index, MI)在120℃中測量不小於11.5 g/10 min。
因此，本發明之另一目的，即在提供一種不織布，包含經熱黏合的多個基材纖維(matrix fiber)及多個熱黏合纖維，該等基材纖維是由一選自於聚烯烴、聚酯、棉或其組合的聚合物材料所製得，該等熱黏合纖維是如上所述的鞘芯型熱黏合纖維。
本發明之功效在於：該鞘芯型熱黏合纖維具有優良的加工操作性與尺寸穩定性，且其所製得的不織布具有高斷裂強力。
以下將就本發明內容進行詳細說明：
本發明鞘芯型熱黏合纖維包含一芯部及一包圍該芯部的鞘部。該芯部是由一選自於聚酯、聚烯烴、聚醯胺或其組合的聚合物材料所製得。該鞘部是由一共聚酯所製得，該共聚酯的熔流指數在120℃中測量不小於11.5 g/10 min。更佳地，該共聚酯的熔流指數在120℃中測量為11.5~20 g/10 min。在本發明的具體實施例中，該芯部是由一聚酯所製得。
較佳地，該共聚酯的熔流指數在140℃中測量不小於19.0 g/10 min。更佳地，該共聚酯的熔流指數在140℃中測量為19.0~25.0 g/10 min。
較佳地，該共聚酯的熔流指數在110℃中測量不小於10.0 g/10 min。更佳地，該共聚酯的熔流指數在110℃中測量為10.0~15.0 g/10 min
較佳地，該鞘芯型熱黏合纖維經85℃加熱15 min的熱風縮率不大於6.8%。
較佳地，該共聚酯是由一組成物所聚合而得，該組成物包含：對苯二甲酸及二醇組分，該二醇組分包括C 2~C 4直鏈烷二醇(straight-chain alkanediol)、C 4~C 6醚類二醇(ether diol)及C 5~C 7經二烷基取代的烷二醇，且以該二醇組分的總莫耳數為基礎，該醚類二醇的含量比例範圍為12~22 mol%，該經二烷基取代的烷二醇的含量比例範圍為13~33 mol%，該醚類二醇與該經二烷基取代的烷二醇的莫耳比值不小於0.60。更具體地，以該二醇組分的總莫耳數為基礎，該醚類二醇的含量比例範圍為14~22 mol%，該經二烷基取代的烷二醇的含量比例範圍為20~30 mol%。又更具體地，以該二醇組分的總莫耳數為基礎，該經二烷基取代的烷二醇的含量比例範圍為22~25 mol%。
更佳地，該組成物不含經單烷基取代的烷二醇。具體來說，該經單烷基取代的烷二醇是2-甲基-1,3-丙二醇(2-methyl-1,3-propanediol, MPDO, CAS No. 2163-42-0)。
更佳地，在該二醇組分中，該醚類二醇與該經二烷基取代的烷二醇的莫耳比值範圍為0.60~1.00。較佳地，該醚類二醇與該經二烷基取代的烷二醇的莫耳比值範圍為0.65~1.00。
可選擇地，該直鏈烷二醇是選自於乙二醇(ethylene glycol, EG)、1,3-丙二醇(1,3-propanediol)、1,4-丁二醇(1,4-butanediol)或其組合。
可選擇地，該醚類二醇是選自於二乙二醇(diethylene glycol, DEG)、三乙二醇(triethylene glycol, TEG)或其組合。
可選擇地，該經二烷基取代的烷二醇是選自於新戊二醇(neopentyl glycol, NPG, CAS No. 126-30-7)、2-甲基-1,3-戊二醇(2-methyl-1,3-pentanediol, CAS No. 149-31-5)或其組合。
較佳地，該共聚酯的玻璃轉移溫度(glass transition temperature)範圍為59.0~64.0℃。
較佳地，該共聚酯的軟化點(softening point)範圍為105.0~116.0℃。
本發明不織布包含經熱黏合的多個基材纖維及多個熱黏合纖維，該等基材纖維是由一選自於聚烯烴、聚酯、棉或其組合的聚合物材料所製得，該等熱黏合纖維是如上所述的鞘芯型熱黏合纖維。在本發明的具體實施例中，該等基材纖維是由一聚酯所製得。
較佳地，經在25℃中測量所得該不織布的不織布斷裂強力(nonwoven breaking strength)大於20.0 kgf。更佳地，經在25℃中測量所得該不織布的不織布斷裂強力為20.5~26.5 kgf。
較佳地，該等基材纖維及該等熱黏合纖維經145℃黏合5 min的不織布收縮率(nonwoven shrinkage rate)不大於30.0%。更佳地，該等基材纖維及該等熱黏合纖維經145℃黏合5 min的不織布收縮率為25.0%~30.0%。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
〔製備預聚物〕
＜實施例 1 (E1) ＞
在1 ton的高壓批式反應器(autoclave batch reactor)中，將對苯二甲酸(TPA)、乙二醇(EG)、二乙二醇(DEG)、新戊二醇(NPG)以100：60：18：22的莫耳比混合，其中DEG與NPG的莫耳比值為0.82 (如表1所示)，在250℃及加壓3 kg/cm 2下進行酯化反應5~6 h，以得到實施例1的預聚物。
＜實施例 2 (E2) ＞
實施例2的預聚物的製備步驟與實施例1類似，差異處在於將TPA、EG、DEG、NPG的用量的莫耳比改變為100：64：14：22，其中DEG與NPG的莫耳比值為0.64 (如表1所示)，以得到實施例2的預聚物。
＜實施例 3 (E3) ＞
實施例3的預聚物的製備步驟與實施例1類似，差異處在於將TPA、EG、DEG、NPG的用量的莫耳比改變為100：58：18：24，其中DEG與NPG的莫耳比值為0.75 (如表1所示)，以得到實施例3的預聚物。
＜實施例 4 (E4) ＞
實施例4的預聚物的製備步驟與實施例1類似，差異處在於將TPA、EG、DEG、NPG的用量的莫耳比改變為100：56：22：22，其中DEG與NPG的莫耳比值為1.00 (如表1所示)，以得到實施例4的預聚物。
＜比較例 1 (CE1) ＞
比較例1的預聚物的製備步驟與實施例1類似，差異處在於將TPA、EG、DEG、NPG的用量的莫耳比改變為100：70：10：20，其中DEG與NPG的莫耳比值為0.50 (如表1所示)，以得到比較例1的預聚物。
＜比較例 2 (CE2) ＞
比較例2的預聚物的製備步驟與實施例1類似，差異處在於將TPA、EG、DEG的用量的莫耳比改變為61.5：90：10，不添加NPG，並添加間苯二甲酸(IPA) (TPA與IPA的用量的莫耳比為61.5：38.5) (如表1所示)，以得到比較例2的預聚物。
＜比較例 3 (CE3) ＞
比較例3的預聚物的製備步驟與實施例1類似，差異處在於將TPA、EG、NPG的用量的莫耳比改變為100：74：26，不添加DEG (如表1所示)，以得到比較例3的預聚物。
＜比較例 4 (CE4) ＞
比較例4的預聚物的製備步驟與實施例1類似，差異處在於將TPA、EG的用量的莫耳比改變為100：55，不添加DEG及NPG，並添加2-甲基-1,3-丙二醇(MPDO) (TPA與MPDO的用量的莫耳比為100：45) (如表1所示)，以得到比較例4的預聚物。
＜比較例 5 (CE5) ＞
比較例5的預聚物的製備步驟與實施例1類似，差異處在於將TPA、EG、DEG、NPG的用量的莫耳比改變為100：62：18：10，並添加MPDO (TPA與MPDO的用量的莫耳比為100：10) (如表1所示)，以得到比較例5的預聚物。
＜比較例 6 (CE6) ＞
比較例6的預聚物的製備步驟與比較例5類似，差異處在於將TPA、EG、DEG、MPDO的用量的莫耳比改變為100：63：25：12，不添加NPG (如表1所示)，以得到比較例6的預聚物。 【表1】
  TPA (mol%) EG (mol%) DEG (mol%) NPG (mol%) 其他改質劑 (mol%) DEG/NPG (莫耳比值)
E1 100 60 18 22 -- 0.82
E2 100 64 14 22 -- 0.64
E3 100 58 18 24 -- 0.75
E4 100 56 22 22 -- 1.00
CE1 100 70 10 20 -- 0.50
CE2 61.5 90 10 -- IPA 38.5 NA
CE3 100 74 -- 26 -- 0
CE4 100 55 -- -- MPDO 45 NA
CE5 100 62 18 10 MPDO 10 1.80
CE6 100 63 25 -- MPDO 12 NA
「--」表示未添加，「NA」表示無法獲得。
〔製備共聚酯樹脂〕
分別在上述實施例1~4及比較例1~6的預聚物中加入0.03重量份三氧化二銻(作為催化劑)及0.008重量份磷酸三甲酯(作為熱穩定劑) (皆以預聚物的總重為100重量份)，在280℃及1 torr以下的真空環境下進行縮聚反應4.5~6.0 h，以分別得到實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂。
[ 黏度測量 ]
分別取上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂0.5 g溶於49.5 g間甲酚(溶劑)中，在100~110℃下以鄔氏黏度計(Ubbelohde viscometer)測量其相對黏度(relative viscosity, RV, η r)，結果分別如下表2所示，結果顯示所有實施例及比較例的RV值皆介於1.559~1.576。
[ 熱分析 ]
利用TA Instruments公司的示差掃描卡計(differential scanning calorimeter, DSC，型號為Q2000)分別測得上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂皆為非晶質的(amorphous)，並分別測量上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂的玻璃轉移溫度(T g)及軟化點(T s)，結果分別如下表2所示。 【表2】
  RV值 T g(℃) T s(℃)
E1 1.568 61.7 109.0
E2 1.566 63.5 115.8
E3 1.561 61.3 106.0
E4 1.559 60.9 107.0
CE1 1.560 72.0 126.2
CE2 1.568 68.0 110.0
CE3 1.576 73.5 135.9
CE4 1.566 61.5 109.0
CE5 1.563 61.7 111.0
CE6 1.565 58.3 112.1
由表2可以看出，所有實施例及比較例的共聚酯樹脂的玻璃轉移溫度皆介於58.3~73.5℃。實施例1~4、比較例2、比較例4~6的共聚酯樹脂的軟化點介於106.0~115.8℃；而比較例1及比較例3的共聚酯樹脂的軟化點分別高達126.2℃及135.9℃，顯示若將比較例1及比較例3的共聚酯樹脂作為熱黏合纖維時需要較高的加工溫度才得以產生足夠的黏合力，且較高的加工溫度也容易導致基材纖維被破壞。
[ 熔流指數測量 ]
利用高鐵科技股份有限公司(GOTECH Testing Machines Inc.)的塑膠熔流指數測定機(melt flow indexer，型號為GT-7100-MIB)以ASTM D1238-2010測試方法在2.16 kg的負重下分別測量上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂在110℃、120℃、140℃中的熔流指數(n=10)，平均結果分別如下表3所示。 【表3】
  110℃ (g/10 min) 120℃ (g/10 min) 140℃ (g/10 min)
E1 10.3 12.1 19.2
E2 10.0 11.9 19.1
E3 11.9 13.8 20.5
E4 12.3 14.0 22.1
CE1 8.9 11.1 15.9
CE2 9.1 10.8 15.8
CE3 7.6 9.1 11.1
CE4 9.8 11.0 18.2
CE5 9.9 11.1 18.1
CE6 9.0 11.2 18.2
熔流指數代表共聚酯樹脂在該溫度中的分子運動程度，數值越大，分子運動程度越大，也代表聚合物鏈段的流動性越好。若纖維鞘部的聚合物鏈段流動性越好，在後續黏合的過程中可增加黏結點，有助於進一步提升不織布黏合後的強力。
由表3可以看出，實施例1~4的共聚酯樹脂的熔流指數在110℃中測量介於10.0~12.3 g/10 min，在120℃中測量介於11.9~14.0 g/10 min，在140℃中測量介於19.1~22.1 g/10 min；而比較例1~6的共聚酯樹脂的熔流指數在110℃中測量皆為9.9 g/10 min以下(其中比較例1~3及比較例6僅介於7.6~9.1 g/10 min)，在120℃中測量皆為11.2 g/10 min以下(9.1~11.2 g/10 min)，在140℃中測量皆為18.2 g/10 min以下(11.1~18.2 g/10 min)，顯示比較例1~6的共聚酯樹脂的加工流動性不足。
〔製備鞘芯型熱黏合纖維〕
分別將上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂在230℃的溫度下熔融，並將聚對苯二甲酸乙二酯(PET，遠東新世紀股份有限公司生產，型號為CS-515)在280℃的溫度下熔融，利用單螺桿擠壓機(single screw extruder，購自於Barmag公司，型號為6E4，紡絲噴絲孔為鞘芯型雙組分1080微孔，噴嘴孔徑為0.45 mm)以50：50的重量比(鞘部為共聚酯樹脂，芯部為PET)及900 m/min的紡絲速率形成熔體細流，再以冷風(進口風溫為14℃、進口風壓為210 bar、出口風溫為51℃、出口風壓為−65 bar)使其固化成型，隨後分別與紡絲油劑(spin finish oil)接觸以集束形成原絲(filament)。分別將原絲在50~60℃的溫度下多道拉伸(multi-stage drawing)為3.5倍，再以折縐器(crimper)在25~30℃的溫度下裁切成長度為51 mm的鞘芯型短纖(spun)。
[ 抗拉強度 (Tensile strength) 及 伸長度 (elongation) 測量 ]
利用奧地利蘭精儀器公司(Lenzing Instruments GmbH & Co. KG)的單纖維抗拉測試儀(tensile tester，型號為Vibrodyn 400)以JIS L1015(2010)測試方法在20 mm的夾持距離下以36 mm/min的拉伸速度分別測量上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂製得的短纖的抗拉強度及伸長度(n=30)，平均結果分別如下表4所示。
[ 熱風縮率測量 ]
分別取上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂製得的短纖置於烘箱中，在85℃下加熱15 min，分別測量加熱前後的長度變化，並根據下式計算熱風縮率(n=6)，平均結果分別如下表4所示。 熱風縮率(%)=[加熱後的長度減少量/加熱前的長度]×100% 【表4】
  抗拉強度 (g/d) 伸長度 熱風縮率
E1 3.2 68% 6.6%
E2 3.3 67% 6.5%
E3 3.2 69% 6.8%
E4 3.3 67% 6.5%
CE1 3.1 57% 8.0%
CE2 3.3 66% 7.0%
CE3 3.0 73% 8.2%
CE4 3.4 68% 6.8%
CE5 3.4 70% 7.0%
CE6 3.3 69% 6.9%
由表4可以看出，所有實施例及比較例的共聚酯樹脂製得的短纖的抗拉強度皆介於3.0~3.4 g/d。所有實施例及比較例的共聚酯樹脂製得的短纖的伸長度皆介於57%~73%。實施例1~4及比較例2、比較例4~6的共聚酯樹脂製得的短纖的熱風縮率皆為7.0%以下；而比較例1及比較例3的共聚酯樹脂製得的短纖的熱風縮率分別高達8.0%及8.2%，顯示比較例1及比較例3的共聚酯樹脂製得的短纖的熱風縮率過大，也就是纖維受熱後的尺寸會明顯縮小，後續其與基材纖維的黏結點會跟著變少，且後續將其製備不織布的過程中，織物的尺寸穩定性也會跟著變差。
〔製備不織布織物〕
分別混合12.5 g上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂製得的短纖與37.5 g 6D中空纖維棉(聚酯纖維)，以梳棉機(carding machine)製成布片(厚度約為1.5 cm)，並裁切成尺寸為25 cm × 5 cm，置於烘箱中以145±3℃加熱5 min，使短纖與中空纖維棉進行熱熔黏合(thermal bonding)，冷卻至室溫後，分別得到實施例1~4及比較例1~6的不織布織物。
[ 不織布 收縮率 (Nonwoven shrinkage rate) 測量 ]
分別將上述實施例1~4及比較例1~6的共聚酯樹脂製得的短纖與中空纖維棉製成的布片裁切成2片布塊(皆為25 cm × 36 cm)，再置於烘箱中以145±3℃加熱5 min，使短纖與中空纖維棉進行熱熔黏合，分別測量每片布塊的上側、中間、下側在加熱前後的長度變化，並根據下式計算不織布收縮率(製備過程中，n=5)，平均結果分別如下表5所示。 不織布收縮率(%)=[2片布塊的上側、中間、下側在加熱前後的長度總和減少量]÷[2片布塊的上側、中間、下側在加熱前的長度總和]×100%
[ 不織布斷裂強力 (Nonwoven breaking strength) 測量 ]
利用廣錸儀器股份有限公司(Cometech Testing Machines Co., Ltd.)的微電腦萬能試驗機(universal testing machine，型號為QC-508M2F)以ISO 9073-3:1989測試方法分別在25℃中測量上述實施例1~4及比較例1~6的不織布織物的不織布斷裂強力(黏合後，n=6)，平均結果分別如下表5所示。 【表5】
  不織布收縮率 不織布斷裂強力 (kgf)
E1 29.9% 23.2
E2 25.0% 20.6
E3 26.5% 23.2
E4 29.2% 26.2
CE1 39.0% 11.1
CE2 35.0% 17.5
CE3 76.2% 8.1
CE4 31.1% 20.0
CE5 31.0% 18.5
CE6 30.6% 18.6
由表5可以看出，該等基材纖維及該等熱黏合纖維經145℃黏合5 min，實施例1~4的不織布收縮率皆介於25.0%~29.9%；而比較例1~3的不織布收縮率皆為30.6%以上(30.6%~76.2%)，顯示比較例1~3的不織布織物在製備過程中的尺寸較不穩定。經在25℃中測量，實施例1~4的不織布織物的不織布斷裂強力介於20.6~26.2 kgf；而比較例1~6的不織布織物的不織布斷裂強力皆為20.0 kgf以下(8.1~20.0 kgf)，顯示比較例1~6的不織布織物的斷裂強力明顯偏低。
綜上所述，本發明鞘芯型熱黏合纖維具有優良的加工操作性與尺寸穩定性，且其所製得的不織布具有高斷裂強力，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (12)

  1. 一種鞘芯型熱黏合纖維，包含：一芯部，該芯部是由一選自於聚酯、聚烯烴、聚醯胺或其組合的聚合物材料所製得；及一包圍該芯部的鞘部，該鞘部是由一非晶質的共聚酯所製得，該非晶質的共聚酯的熔流指數在120℃中測量不小於11.5g/10min，該非晶質的共聚酯是由一組成物所聚合而得，該組成物包含：對苯二甲酸及二醇組分，該二醇組分包括C2~C4直鏈烷二醇、C4~C6醚類二醇及C5~C7經二烷基取代的烷二醇，且以該二醇組分的總莫耳數為基礎，該醚類二醇的含量比例範圍為12~22mol%，該經二烷基取代的烷二醇的含量比例範圍為13~33mol%，該醚類二醇與該經二烷基取代的烷二醇的莫耳比值不小於0.60。
  2. 如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維，其中，該非晶質的共聚酯的熔流指數在140℃中測量不小於19.0g/10min。
  3. 如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維，其中，該非晶質的共聚酯的熔流指數在110℃中測量不小於10.0g/10min。
  4. 如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維，其中，該鞘芯型熱黏合纖維經85℃加熱15min的熱風縮率不大於6.8%。
  5. 如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維，其中，該組成物不含經單烷基取代的烷二醇。
  6. 如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維，其中，在該二醇組分中，該醚類二醇與該經二烷基取代的烷二醇的莫耳比值範圍為0.60~1.00。
  7. 如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維，其中，該直鏈烷二醇是選自於乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇或其組合。
  8. 如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維，其中，該醚類二醇是選自於二乙二醇、三乙二醇或其組合。
  9. 如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維，其中，該經二烷基取代的烷二醇是選自於新戊二醇、2-甲基-1,3-戊二醇或其組合。
  10. 一種不織布，包含經熱黏合的多個基材纖維及多個熱黏合纖維，該等基材纖維是由一選自於聚烯烴、聚酯、棉或其組合的聚合物材料所製得，該等熱黏合纖維是如請求項1所述的鞘芯型熱黏合纖維。
  11. 如請求項10所述的不織布，其中，經在25℃中測量所得該不織布的不織布斷裂強力大於20.0kgf。
  12. 如請求項10所述的不織布，其中，該等基材纖維及該等熱黏合纖維經145℃黏合5min的不織布收縮率不大於30.0%。
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