專利名稱：一種用于紡絲機的蒸汽分配環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明要求具有2000年6月23日提出美國臨時專利申請60/213,523的優(yōu)先權(quán)。并引用參考其全部內(nèi)容。
在這種熔融紡絲操作過程中，某些聚合物會圍繞每個噴絲孔積聚在紡絲機的噴絲板表面上并氧化成堅硬的沉積物，最終使紡絲過程中斷。硬的聚合物沉積往往導(dǎo)致新紡成的纖維絲朝這些噴絲板表面的沉積物彎曲。這一現(xiàn)象在本技術(shù)領(lǐng)域中被稱作“斜噴(kneeing)”細(xì)絲斜噴或彎曲是有害的并最終會引起纖維絲斷裂。纖維絲斷裂破壞了紡紗性能并造成生產(chǎn)率降低。一種用來解決這一問題的方法是周期性地擦拭噴絲板表面，通過除去硬沉積物來更新表面。兩次擦拭之間的時間被稱作“擦拭周期”。希望能夠使噴絲板表面擦拭的需求減到最小或等同地延長擦拭周期的時間。
已經(jīng)提出各種設(shè)備用來引導(dǎo)惰性氣體經(jīng)過噴絲板表面以隔絕氧氣，從而防止聚合物沉積的形成。例如，愛克斯II等人的美國專利No.3,814,559中披露了一種用惰性氣體保護的傳統(tǒng)細(xì)絲噴絲板，所使用的方法是在噴絲板和噴絲板固定環(huán)之間布置一個限流環(huán)。限流環(huán)必須足夠堅固以支承由噴絲頭固定環(huán)施加給噴絲板的向上力。噴絲板支承噴絲組件的重量，并克服聚合物和惰性氣體的各自壓力而將它們密封在各自的供應(yīng)源中。由于有了固定環(huán)，噴絲板便不容易接觸到，因而當(dāng)噴絲板表面積聚起聚合物沉積時，必須將紡絲工位關(guān)閉，不是擦拭噴絲板表面，而是要安裝一個新的包括噴絲頭的噴絲頭組合件，這是十分昂貴的并會降低生產(chǎn)率。
在費里埃等人的美國專利No.3,229,330中披露了不同的用蒸汽來保護噴絲板表面的方法，包括一種使用蒸汽分配環(huán)或蒸汽分配屏的方法。帶有鋸齒狀頂部邊緣的“瓶蓋”結(jié)構(gòu)圍繞噴絲頭組合件的下半部使噴絲頭、屏、以及噴絲頭組合件的外殼結(jié)合在一起。最后用若干平頭螺絲將噴絲頭組合件緊固到墊圈上，其中平頭螺絲是固定在金屬支承環(huán)上的。這種結(jié)構(gòu)使得難以擦拭噴絲板的表面，而實際上也是不可能的。實際上，費里埃等人試圖完全避免擦拭噴絲頭的表面，因為認(rèn)識到擦拭會使生產(chǎn)中斷。于是，試圖通過使用蒸汽保護來防止聚合物沉積和聚積。然而，這種蒸汽保護并不是完全有效的，整個噴絲頭組合件必須周期性地拆除以保持噴絲板表面上沒有沉積物。如上所述，這是十分昂貴的并會降低生產(chǎn)率。


圖1中示出了一種傳統(tǒng)的紡絲機10，設(shè)置了帶有噴絲頭或紡絲梁12的噴絲頭組合件8。加熱金屬板21固定在噴絲頭的底部。噴絲頭組合體包含帶有許多毛細(xì)孔的噴絲板14，聚合物通過毛細(xì)孔噴出。熔融聚合物通過噴絲板噴出成多個熔體流，然后在急冷區(qū)中用任何已知的方法進行冷卻以形成纖維絲22。蒸汽從外部源(未示出)通過設(shè)在紡絲梁中的管道16供應(yīng)到在噴絲頭組合體8和噴絲頭12內(nèi)部之間的環(huán)形空間5中。蒸氣圍繞環(huán)形空間5中的噴絲頭組合體流動，在靠近露出的纖維絲22處離開噴絲頭并經(jīng)過噴絲頭組合件的下側(cè)至噴絲板表面。蒸汽流總的來說是向下包圍纖維絲22的。然而，由于流經(jīng)噴絲板表面的蒸汽不充分，所以并不是所有纖維絲22都暴露在相同數(shù)量的蒸汽下。
圖1中現(xiàn)有技術(shù)的噴絲頭組合件和蒸汽保護系統(tǒng)在噴絲板表面13的空氣隔絕效果并不好。在這一區(qū)域中，剛噴出的聚合物纖維絲極易被大氣中氧降解?？焖僖苿拥募?xì)絲周圍的混入空氣流將保護蒸汽帶離噴絲板而限制了蒸汽隔絕氧氣的有效性。如上所述，就費里埃等人來說，如果蒸汽保護不是完全有效的，那么整個噴絲頭組合件必須周期性地拆除以保持噴絲板表面上沒有沉積物，而這是十分昂貴的并會降低生產(chǎn)率。
因此，在本技術(shù)領(lǐng)域中需要有一種用惰性氣體來保護紡絲機的設(shè)備，其可以，(1)提供惰性氣體保護控制，可有效隔絕噴絲板表面的氧氣；(2)不需要對市場上買到的噴絲頭組合體進行更換或任何修改；(3)很容易拆除以便進行噴絲板表面清理；(4)不需要用堅固和沉重的材料來制作；和(5)十分便宜且易于制造。
本發(fā)明的設(shè)備顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，因為不需要通過更換噴絲頭組合件來保持噴絲板表面上沒有硬化的聚合物沉積，而是能夠容易地接觸到噴絲板表面，因此很容易清潔噴絲板表面。雖然擦拭噴絲板表面也需要有停機時間，但是更換噴絲頭組合件需要更長的停機時間。因此，當(dāng)使用本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)時，就不必更換紡絲系統(tǒng)中的噴絲頭組合件，所以與市場上可買到的設(shè)備相比，本發(fā)明通過縮短停機時間改進了紡絲系統(tǒng)。
另外，本發(fā)明的裝置不需要對現(xiàn)有設(shè)備進行重大修改。而且，本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)易于制造且十分便宜。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用氣體來保護噴絲板表面的蒸汽保護裝置，包括帶有噴絲板的噴絲頭組合體，纖維絲通過噴絲板底面的噴絲孔陣列噴出；圍繞噴絲頭組合體的噴絲頭；和圍繞所述噴絲孔陣列的蒸汽分配環(huán)，其特征在于，所述蒸汽分配環(huán)緊靠噴絲頭。蒸汽分配環(huán)是可拆卸地安裝在噴絲頭上的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種保持噴絲板表面上沒有聚合物沉積的方法，包括以下步驟將可拆卸地安裝在噴絲頭上的蒸汽分配環(huán)拆去，然后將聚合物沉積從噴絲板表面上清除干凈。
圖2是噴絲頭組合件的局部剖視示意圖，噴絲頭中所包括的用于噴絲板表面的蒸汽保護系統(tǒng)帶有根據(jù)本發(fā)明一個實施例的蒸汽分配環(huán)。
圖2A是沿圖2中2A-2A剖面的蒸汽分配環(huán)平面圖。
圖2B是沿圖2A中2B-2B剖面的蒸汽分配環(huán)橫斷面視圖。
圖3是噴絲頭組合件的局部剖視示意圖，噴絲頭中所包括的用于噴絲板表面的蒸汽保護系統(tǒng)帶有根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的蒸汽分配環(huán)。
圖3A是沿圖3中3A-3A剖面的蒸汽分配環(huán)平面圖。
圖4是比較彎曲細(xì)絲占總數(shù)的％與噴絲頭擦拭后時間的關(guān)系曲線的曲線圖，。
圖5是比較蒸汽流量與細(xì)絲韌性的關(guān)系曲線的曲線圖。
圖6是比較蒸汽流量與細(xì)絲斷裂延伸率的關(guān)系曲線的曲線圖。
圖7是比較蒸汽流量與細(xì)絲質(zhì)量的關(guān)系曲線的曲線圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種將噴出的熔融聚合物紡成纖維絲的設(shè)備。這種設(shè)備通常如圖2中的100所示。該系統(tǒng)包括帶有噴絲板114的噴絲頭組合體108，聚合物通過噴絲板114底面113的噴出毛細(xì)孔陣列(未示出)噴出。熔融聚合物通過噴絲板噴出成多個熔體流，然后在急冷區(qū)120中用任何已知的方法進行冷卻以形成纖維絲122。
本發(fā)明的設(shè)備還包括圍繞噴絲頭組合體的噴絲頭。噴絲頭在圖2中用112表示。在噴絲頭組合件兩側(cè)的金屬板121位于噴絲頭的底部。金屬板最好用任何已知的方法加熱，包括與熱的噴絲頭熱接觸。
本發(fā)明還包括圍繞噴絲孔陣列的蒸汽分配環(huán)。蒸汽分配環(huán)在圖2中用109表示。蒸汽分配環(huán)位于噴絲頭組合件的下面并靠近噴絲頭的表面。本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)緊靠在噴絲頭上。該蒸汽分配環(huán)是可拆卸地安裝在噴絲頭上的。本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)可以用任何適當(dāng)?shù)姆椒▉砜刹鹦兜匕惭b，只要能夠引導(dǎo)經(jīng)過噴絲板表面的蒸氣流。蒸汽分配環(huán)最好通過干涉配合可拆卸地安裝到設(shè)在平板121中并位于噴絲板表面的具有直徑123的沉孔內(nèi)。露出來的細(xì)絲122穿過蒸汽分配環(huán)109中與金屬板沉孔同心的開口。
圖2中實施例的蒸汽分配環(huán)包括裙部109′，如圖2A和2B所示。裙部通常垂直于分配環(huán)，而且當(dāng)安裝在噴絲頭組合件中時垂直于噴絲板表面。通過選擇圖2B中所示分配環(huán)109的外徑109″，可以使圓環(huán)只利用摩擦力(干涉)保持在板121的沉孔中。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚怎樣在板121中沉孔直徑固定的情況下選擇直徑109″。圖2中實施例的分配環(huán)最好是用軟鋁制成的，而且本領(lǐng)域的技術(shù)人員還知道怎樣根據(jù)分配環(huán)與熱板121接觸時經(jīng)受的快速熱膨脹作出這一選擇。在本實施例中，可以用擴口工具將蒸汽分配環(huán)鎖定在沉孔中。
在圖3和圖3A中示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的噴絲頭以及噴絲頭組合件，其中與圖2中類似的元件用相同的標(biāo)號來表示。圖3A中以平面圖示出的蒸汽分配環(huán)106帶有一個或多個磁鐵107，可通過磁力固定到靠近噴絲板114表面113的噴絲頭上。除了使用獨立的蒸汽分配環(huán)和磁鐵外，也可以將全部磁化的材料用作蒸汽分配環(huán)，從而形成一個連續(xù)的磁鐵。
除了上述結(jié)構(gòu)以外，本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)還可以用其它適當(dāng)?shù)臋C械裝置如機器螺釘固定到噴絲頭的底部。
上述所有實施例的共同特征是，蒸汽分配環(huán)是可拆卸地安裝在噴絲頭上的，因此很容易接近噴絲板表面，所以可以將噴絲板表面擦干凈，避免了必須更換昂貴的噴絲頭組合件。因此，根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種保持噴絲板表面上沒有聚合物沉積的方法。這一方法包括的步驟是，將可拆卸地安裝在噴絲頭上的蒸汽分配環(huán)拆去，然后將聚合物沉積從噴絲板表面上擦干凈。通過拆卸蒸汽分配環(huán)可不必更換噴絲頭組合件。
本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)可以用任何適當(dāng)?shù)牟牧希缃饘黉X、鋼、鈦，或熔融石英、陶瓷、藍寶石、石英制成。如上所述，蒸汽分配環(huán)最好是用具有高熱膨脹系數(shù)的鋁制成，因此能夠膨脹裝配在沉孔中。
本發(fā)明的裝置還可以包括在蒸汽保護供應(yīng)管線上的閥門，因此可關(guān)閉在正在擦拭的位置的蒸汽。關(guān)閉閥最好是連接到電子開關(guān)上的電磁閥，其中電子開關(guān)布置在噴絲頭附近。電子開關(guān)的這一優(yōu)選位置使操作人員能夠在擦拭噴絲板表面之前即時關(guān)閉蒸氣流。電子開關(guān)最好具有內(nèi)部定時功能，能夠在預(yù)定長時間之后使蒸氣流重新開始。這樣可以防止蒸氣流被關(guān)閉太長時間而導(dǎo)致供應(yīng)管線中形成冷凝物。
任何氣體都可以用來保護噴絲頭的表面。最好用蒸汽來保護剛噴出的聚合物細(xì)絲。只要氧含量非常低，惰性氣體如氮、氬、氦及其混合物也可具有與蒸汽類似的優(yōu)點。本發(fā)明對于蒸汽保護流量大于0.289千克/小時/噴絲板的情況尤其有用，且蒸汽保護流量最好大于0.400千克/小時/噴絲板。
適合在本發(fā)明中使用的聚酰胺包括人造可熔紡聚酰胺材料，帶有作為聚合物鏈組成部分的重復(fù)出現(xiàn)的酰胺基(-CO-NH-)。術(shù)語聚酰胺指的是聚酰胺均聚物、共聚物及其混合物。根據(jù)本發(fā)明可使用的適當(dāng)?shù)木埘０钒ň?己二酰己二胺)(即尼龍6，6)均聚物、聚(己內(nèi)酰胺)(即尼龍6)均聚物、聚十二內(nèi)酰胺(即尼龍12)均聚物、聚(己二酰丁二胺)(即尼龍4，6)均聚物、聚(己二酰癸二胺)(即尼龍6，10)均聚物、氮-十二烷二酸和己二胺的聚酰胺(即尼龍6，12)均聚物、環(huán)十二亞甲基二胺和氮-十二烷二酸的聚酰胺(即尼龍12，12)均聚物、及其共聚物和混合物。
用作說明的聚酰胺包括由二羧酸成分如對苯二酸、間苯二酸、己二酸或癸二酸以及二胺成分如己二胺、2-環(huán)戊亞甲基二胺或1，4-雙(氨甲基)環(huán)己烷制成的共聚物。
上述聚酰胺可以單獨使用或混入任意所需數(shù)量的其它聚合物合成纖維如彈力纖維、聚酯纖維，以及天然纖維如棉花、絲、羊毛，或其它典型的可與尼龍相伴的纖維。
本發(fā)明并不限于聚酰胺細(xì)絲，而是可以應(yīng)用于其它可熔紡聚合物，包括聚酯、聚烯烴類如聚丙烯和聚乙烯。聚合物包括共聚物、混合聚合物、摻合物以及只作為少數(shù)實例的鏈分支聚合物。而且術(shù)語纖維絲是通用的用語，并不一定要排除切斷的纖維(通常稱作短纖維)，盡管人造聚合物由于是熔紡(噴出)的，而通常首先制備成連續(xù)聚合物纖維絲的形式。實例現(xiàn)在將通過以下非限制性的實例來說明本發(fā)明。蒸汽分配環(huán)安裝在傳統(tǒng)紡絲機上，如史提爾等人的美國專利No.5,750,215中所介紹的。
韌性(Ten)是按每股線丹尼爾具有的克(力)計量的，而延伸率(E)是按百分?jǐn)?shù)計量的。
每克力等于每牛頓力除以102(克每牛頓)。
丹尼爾等于以分特表示的線密度乘以9/10(丹尼爾每分特)。
線的韌性和延伸率用來表示通過使用蒸汽保護分配環(huán)使產(chǎn)品具有的優(yōu)越性能。根據(jù)美國材料實驗協(xié)會ASTM D2256標(biāo)準(zhǔn)，用計量長度為10英寸(25.4厘米)的試樣在65％相對濕度、70華氏溫度下以每分鐘60％的伸長率進行測量的。斷裂延伸率是按照美國材料實驗協(xié)會ASTM D955標(biāo)準(zhǔn)測量的。
“品質(zhì)指數(shù)”定義為延伸百分率乘以韌性所得數(shù)的平方根。
“品質(zhì)指數(shù)”＝[％延伸率×韌性(克/丹尼爾)]1/2靠近噴絲板毛細(xì)管孔和露出來細(xì)絲處經(jīng)常有聚集的聚合物降解產(chǎn)物存在。新紡成的纖維絲遲早會朝這些噴絲板表面的沉積物彎曲。這一現(xiàn)象在本技術(shù)領(lǐng)域中被稱作“斜噴(kneeing)”或纖維絲彎曲。
“彎曲細(xì)絲”度量標(biāo)準(zhǔn)(彎曲細(xì)絲的直接數(shù)量比上每個噴絲板的細(xì)絲總數(shù)，以百分?jǐn)?shù)表示)用來評價蒸汽分配環(huán)的性能。另外，擦拭周期定義為噴絲頭兩次擦拭之間的時間(等于“擦拭前壽命”，并用小時來表示)。在經(jīng)過一段紡絲時間之后需要進行擦拭以更新噴絲板表面。用來比較傳統(tǒng)蒸汽保護系統(tǒng)與根據(jù)本發(fā)明改進系統(tǒng)擦拭周期性能的擦拭前壽命是對于本發(fā)明的另一項性能測定。實例1實例1將帶有根據(jù)本發(fā)明圖2實施例中蒸汽保護分配環(huán)的紡絲機與圖1所示不帶蒸汽保護分配環(huán)而使用現(xiàn)有技術(shù)噴絲頭蒸汽保護的傳統(tǒng)紡絲機作了比較。這實例中使用的分配環(huán)尺寸為91毫米(圖2B中的外徑109′)，而孔的尺寸為70毫米(圖2B中的直徑109)。本實例中的聚合物是初始甲酸相對粘度在53和58之間的尼龍66。該聚合物中包含按重量計算濃度為0.3％的二氧化鈦去光劑。以拉伸細(xì)度為34丹尼爾的紗紡成40根長絲紗，且總加工拉伸比為1.25。絲線以每分鐘6400米的表面速度卷繞到管芯120上。本實例中使用的工藝和裝置與美國專利No.5,750,215(史提爾等人)中實例2的類似。
測試包括擦拭噴絲頭并記錄作為時間函數(shù)的彎曲纖維絲數(shù)目。結(jié)果在表1和圖4中示出。在沒有噴絲頭蒸汽保護的情況下(試驗A和B)，只工作4小時后彎曲細(xì)絲就開始出現(xiàn)，而在工作5至6小時后就有超過10％的細(xì)絲受到影響。在有噴絲頭蒸汽保護但不使用本發(fā)明蒸汽分配環(huán)的系統(tǒng)(試驗H、I和J)中，工作5至6小時之后彎曲纖維絲開始出現(xiàn)，而在工作6至7小時后有超過10％的細(xì)絲受到影響。在有噴絲頭蒸汽保護和使用根據(jù)本發(fā)明蒸汽分配環(huán)的情況下(試驗C、D、E、F和G)，工作9至11小時之后彎曲細(xì)絲開始出現(xiàn)，而在工作13至15小時之間有超過10％的纖維絲受到影響，這要視蒸汽壓力而定。所有蒸汽壓力大于12.5磅/平方英寸的噴絲板蒸汽保護項目都表現(xiàn)出擦拭前壽命降低，這可能是因為難以進行較好的初始噴絲頭擦拭。
試驗表明傳統(tǒng)設(shè)備上的噴絲頭蒸汽保護只能少許提高噴絲板的擦拭前壽命。增加本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)可以大大提高噴絲板擦拭前壽命至單獨使用蒸汽保護時的2至3倍。
表1






實例2本實例是根據(jù)實例1進行的，并帶有本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)。本實例表明，與噴絲頭蒸汽保護時不使用蒸汽環(huán)的情況相比，在噴絲頭蒸汽保護時使用本發(fā)明的蒸汽分配環(huán)可以提高細(xì)絲的韌性和延伸率。因此通過使用蒸汽分配環(huán)可以提高質(zhì)量Q。
從實例1和2中得到的數(shù)據(jù)以三種方式在圖5、6和7中示出。首先，在圖5中，畫出了絲線韌性與至蒸汽保護系統(tǒng)中蒸汽流量的關(guān)系曲線。但凡使用了蒸汽分配環(huán)，且蒸汽是流向蒸汽保護系統(tǒng)的，其絲線韌性就優(yōu)于對照物的絲線韌性。其次，在圖6中，畫出了絲線斷裂延伸率與至蒸汽保護系統(tǒng)中蒸汽流量的關(guān)系曲線。如果使用了蒸汽分配環(huán)，且蒸汽是流向蒸汽保護系統(tǒng)的，其絲線斷裂延伸率就優(yōu)于對照物的絲線斷裂延伸率。最后，在圖7中畫出了絲線質(zhì)量(如上面的方程式所定義的)與至蒸汽保護系統(tǒng)中蒸汽流量的關(guān)系曲線。質(zhì)量是絲線重要使用性能參數(shù)的幾何平均值。圖7示出了質(zhì)量與至蒸汽保護系統(tǒng)中蒸汽流量的關(guān)系曲線。在圖7中，當(dāng)使用蒸汽分配環(huán)且有蒸汽流向蒸汽保護系統(tǒng)時，其每次測量的質(zhì)量都表現(xiàn)得比較優(yōu)越(比較高)。
雖然為了舉例說明已在上面詳細(xì)介紹了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)知道本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明精神和范圍的情況下可以作出許多變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種用氣體來保護噴絲板表面的蒸汽保護裝置，包括帶有噴絲板的噴絲頭組合體，纖維絲通過所述噴絲板底面的噴絲孔陣列噴出；圍繞所述噴絲頭組合體的噴絲頭；和圍繞所述噴絲孔陣列的蒸汽分配環(huán)，其特征在于，所述蒸汽分配環(huán)緊靠在所述噴絲頭上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述蒸汽分配環(huán)可拆卸地安裝在所述噴絲頭上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述噴絲頭帶有在所述噴絲板下面延伸的平板，且所述蒸汽分配環(huán)位于設(shè)在所述噴絲頭平板的沉孔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括固定在所述噴絲頭上的若干磁鐵，用來將所述蒸汽分配環(huán)固定到所述噴絲頭上。
5.一種保持噴絲板表面上沒有聚合物沉積的方法，包括以下步驟將可拆卸地安裝在噴絲頭上的蒸汽分配環(huán)拆去；將所述聚合物沉積從所述噴絲板表面上清潔干凈。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過拆卸所述蒸汽分配環(huán)可不必更換所述噴絲頭組合件。
全文摘要
一種用氣體來保護噴絲板表面的噴絲頭蒸汽保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)帶有圍繞噴絲孔陣列(122)的蒸汽分配環(huán)(109)，其中蒸汽分配環(huán)(109)緊靠噴絲頭(112)并可拆卸地安裝在所述噴絲頭(112)上。將蒸汽分配環(huán)(109)拆去后可以清潔干凈噴絲頭表面(113)，而不必拆卸和更換噴絲頭組合件(108)。
文檔編號D01D4/00GK1437662SQ01811656
公開日2003年8月20日 申請日期2001年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月23日
發(fā)明者B·布拉迪, E·L·戈肖恩, F·H·奧弗頓, R·E·斯特勒 申請人:納幕爾杜邦公司