專利名稱：含硅氧烷和/或共聚物的截面形狀保持率提高的非圓形聚酯纖維及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說涉及非圓形截面合成纖維，具體而言，本發(fā)明涉及用于高聚物流體的添加劑，這些添加劑通過降低高聚物流體的表面張力來保持纖維的截面形狀。
背景技術(shù)：
截面形狀為非圓形的合成纖維帶來某些好處。流體運動、高膨松性、保溫效果、手感、美觀等是許多優(yōu)點中的幾項。這類非圓形截面纖維是由聚合物流體經(jīng)熔體紡絲和溶液紡絲制成的。通過設(shè)計噴絲孔的形狀可使纖維具有所要求的截面形狀。
在非圓形截面纖維的紡絲過程中，紡絲流體的表面張力使得按噴絲孔設(shè)計所形成的纖維截面形狀發(fā)生變形，即變成圓形。但是，高聚物流體的熔體粘度與表面張力抗衡。因此，原截面形狀的變形程度取決于熔體粘度與表面張力之比的起始值以及凝固速度。
旨在提高纖維非圓形截面形狀保持率的先有技術(shù)，包括提高熔體粘度或降低表面張力。提高熔體粘度已實現(xiàn)，方法包括降低熔體紡絲溫度、加快急冷速率、提高分子量或改變化學結(jié)構(gòu)。
對于三葉狀截面尼龍纖維，降低聚合物流體中的表面張力已實現(xiàn)，方法是在熔體紡絲工藝中加入表面活性添加劑。特別如下面的對比實例所示，脂肪酸和乙氧基化脂肪酸的脂族伯酰胺，大大提高了尼龍纖維截面形狀的保持率。
Nohr等人在美國專利4923914中公開，用一種含部分A和B的添加劑使熱塑性塑料組合物具有所希望的特性。兩部分在一起，與熱塑性組合物在其熔體擠出溫度下是相容的，而作為獨立的化合物，則與熱塑性組合物是不相容的。正是部分B賦予了所希望的特性。在Nohr專利中公開的特性是提高的濕潤性、提高的疏水性、緩沖能力、紫外線吸收和光穩(wěn)定性。專利中沒有公開提高形狀保持率這一所希望的特性。
因此，現(xiàn)有技術(shù)認為，表面張力的作用是把非圓形截面變?yōu)閳A形截面，特定類型的表面活性劑已證明對保持尼龍纖維的截面形狀是有效的。但是，尚無現(xiàn)有技術(shù)公開哪些添加劑，如果有的話，對保持聚酯纖維的截面形狀是有效的。因此，提高非圓截面聚酯纖維的形狀保持率正是本發(fā)明的主旨。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種熔體擠出組合物，它是由約99.9～約98.5重量％的至少一種聚酯和約0.1～約1.5重量％的添加劑組合而成的。由該熔體擠出組合物制成的聚酯或共聚酯非圓截面纖維，較之于由另一種含有至少一種聚酯但不含添加劑的熔體擠出組合物制成的相同非圓形截面纖維，其形狀保持率至少提高4％。在熔體紡絲過程中，添加劑集中在空氣-聚合物界面上。
本發(fā)明也提供一種提高非圓形截面纖維形狀保持率的方法。該方法的第一步要求把約99.9～約98.5重量％的至少一種聚酯和約0.1～約1.5重量％的添加劑組合成一種熔體擠出組合物。然后讓該熔體組合物通過非圓形截面形噴絲孔擠出，形成纖維，這種纖維較之于由另一種含有至少一種聚酯但不含添加劑的熔體擠出組合物通過該噴絲孔擠出而制成的纖維，形狀保持率至少提高4％。纖維經(jīng)急冷然后卷繞收絲。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明實例中用于成型H形截面纖維的噴絲孔。
圖2顯示實例1-8中添加劑PDMS的含量對聚酯纖維形狀因子的影響。
圖3顯示實例1-8中添加劑PDMS的含量對ESCA％的影響。
圖4顯示實例1-8中ESCA％對含PDMS添加劑的聚酯纖維形狀因子的影響。
圖5顯示實例9-15中添加劑SILWET(商標)的含量對聚酯纖維形狀因子的影響。
圖6顯示實例9-15中添加劑SILWET的含量對ESCA％的影響。
圖7顯示實例16-17中添加劑TEGOPREN(商標)的含量對聚酯纖維形狀因子的影響。
圖8顯示實例18-19中添加劑MASIL(商標)的含量對聚酯纖維形狀因子的影響。
圖9顯示實例20中添加劑氟代脂肪族聚合物酯的含量對聚酯纖維形狀因子的影響。
圖10顯示實例21-22中添加劑TWEEN(商標)的含量對尼龍66纖維形狀因子的影響。
發(fā)明詳述本發(fā)明用表面活性添加劑使熔體紡絲過程中熔融聚酯或共聚酯樹脂的紡絲流體的表面張力降低。優(yōu)選地，該添加劑是一種硅氧烷、硅氧烷共聚物或氟代脂肪族聚合物酯，并存在于熔體擠出組合物中。該熔體擠出組合物是由約99.9～約98.5重量％的至少一種聚酯和約0.1～約1.5重量％的添加劑組合而成。優(yōu)選地，是約99.6～約99.0重量％的至少一種聚酯和約0.4～約1.0重量％的添加劑。由該熔體擠出組合物紡成的聚酯纖維，較之于周不含添加劑的熔體擠出組合物制成并有相同形狀的纖維，其形狀保持率至少提高4％，優(yōu)選地，提高40％。
純凈熔融聚酯和共聚酯在270～300℃的表面張力約為28～26達因/厘米。在熔體紡絲過程中，熔融纖維受表面張力作用，表面張力能使單絲變形。因此，為有效地保持單絲在其熔融態(tài)的形狀，必須降低熔融聚酯的表面張力而對高聚物的表面張力-粘度之比無不利影響。使用本發(fā)明的添加劑，就能達到這種所希望的結(jié)果。該類添加劑在熔體紡絲過程中在單分子空氣-高聚物界面上影響單絲表面，以達到所希望的形狀保持率。
為測定形狀保持提高程度，把含添加劑時制備的單絲的形狀因子與不含添加劑時制備的相同單絲的形狀因子相比。形狀因子定義如下

其中，周長和面積是指纖維截面的周長與面積。對于由特定噴絲頭制成的單絲，形狀因子越高，表示其形狀保持越好。形狀保持提高百分率定義如下

本發(fā)明纖維的制備方法如下將約99.9～約98.5重量％的至少一種聚酯和約0.1～約1.5重量％的添加劑組合起來形成一種熔體擠出組合物；將該熔體擠出組合物從非圓截面形噴絲孔中擠出，形成纖維；纖維經(jīng)急冷，然后卷繞收絲。這種纖維與另一種用同樣方法但熔體擠出組合物中不含添加劑時制成的纖維相比，其形狀保持率至少提高4％，優(yōu)選地，提高40％。實例1-8實例1-8中的添加劑是重均分子量不同的聚二甲基硅氧烷(PDMS)流體，如下表所示。
表1添加劑PDMS的分子量和粘度PDMS分子量粘度實例號(厘沲)1 3800 502 6000 1003 9400 2004 13700 3505 17300 5006 28000 10007 49300 50008 62700 10000用計量泵將PDMS流體按0.1～2.0重量％的含量加入到1英寸(2.54厘米)擠出機的進料喉中，擠出機的長徑比為24/1。擠出機在熔體出口溫度為285℃的條件下操作，同時擠出在65％/35％的苯酚/四氯乙烷中測得比濃對數(shù)粘度為0.61的聚對苯二甲酸乙二醇酯，進料的聚酯料預(yù)先在帕廷森真空轉(zhuǎn)鼓式干燥機內(nèi)于115℃下干燥8小時。纖維從如圖1所示的H型非圓形截面噴絲孔中紡出，以速度為31英尺/分的室溫橫向流動空氣急冷之，并以1000米/分的速度卷繞收絲。紡成的纖維每根單絲為30旦。
每根紡成單絲的形狀因子用一臺基于圖象分析技術(shù)的計算機測量。圖象分析系統(tǒng)由一臺顯微鏡、一臺攝象機、一臺基于圖象處理工作站的個人計算機、一臺視頻監(jiān)控儀和一臺視頻打印機組成。
實例1～8中添加劑含量對形狀因子的影響示于圖2。把不含添加劑的對比纖維與PDMS流體含量不同的實例進行比較。在所有實例中都可看到形狀因子有明顯提高。粘度為200厘沲(分子量=9400)或更高的PDMS流體使形狀因子提高較多。把PDMS流體含量增加到約0.5重量％以上，形狀保持率無明顯提高。在這些實例中，觀察到由于PDMS流體的加入，形狀因子提高40％。
纖維表面的PDMS添加劑含量用電子能譜化學分析法(ESCA)測量。纖維表面的PDMS含量與纖維內(nèi)PDMS總含量的關(guān)系示于圖3。表面含量從測量表面的硅元素量獲得并轉(zhuǎn)換為添加劑的量，因為硅在添加劑中的百分含量是已知的。
由ESCA測得的單絲表面的添加劑PDMS含量對形狀因子的影響示于圖4。對于粘度為200厘沲或更高的PDMS流體，室溫下單絲表面約15％的添加劑導(dǎo)致約3.5和更大的形狀因子。而不含添加劑的對比纖維的平均形狀因子為2.7。測得形狀因子高達4.0的單絲其表面添加劑含量最高達60％左右。實例9-15能提高形狀保持率的硅氧烷共聚物是SILWET7002,7600,722,7602,7230,7500和7622，可從CT.Danbury的Osi特制品公司購得。該類共聚物是聚氧化烯烴改性的聚二甲基硅氧烷。實例9-15是用這類硅氧烷共聚物并以與實例1-8中相同的紡絲條件獲得的。測得的添加劑含量對形狀因子的影響數(shù)據(jù)示于圖5。單絲表面的添加劑含量(用ESCA測得)與計量進聚酯高聚物中的添加劑總含量之間的關(guān)系示于圖6。
如表2所示，硅氧烷共聚物的親水/親油比(HLB)范圍很寬，取決于分子設(shè)計。HLB范圍低的(5-8)、中等的(9～12)和高的(13～17)硅氧烷共聚物，不論HLB值如何，全都有利于形狀保持。
表2有利于形狀保持的硅氧烷共聚物Silwet實例號 添加劑分子量HLB估計值9 SILWET L-7002 8000 9-1210SILWET L-7600 4000 13-1711SILWET L-722 3000 5-812SILWET L-7602 3000 5-813SILWET L-7230 30000 9-1214SILWET L 7500 3000 5-815SILWET L-7622 10000 5-816TEGOPREN 5863 1544417TEGOPREN 583018MASIL 1066C635919MASIL 1066D7677實例16-17實例16和17(表2)是有利于形狀保持的硅氧烷共聚物TEGOPREN。該類共聚物是聚醚-聚二甲基硅氧烷，可從VA.Hopeqwell的Goldschmidt化學公司購得。它們在聚酯纖維中的應(yīng)用如實例1-8所述。圖7給出了形狀保持率與添加劑重量％的比較。實例18-19實例18和19(表2)是硅氧烷共聚物MASIL，當把它們按實例1-8的方法使用時，聚酯單絲的形狀保持率提高了。這類共聚物是聚氧化烯烴改性的硅氧烷。形狀數(shù)據(jù)示于圖8。這類共聚物可以從Mazer化學公司購得，該公司是IL.Gurnee PPG工業(yè)公司的一個分部。實例20實例20是一種氟代脂肪族聚合物酯添加劑，它在聚酯聚合物中賦予有效的形狀保持率。它在熔融單絲中的用法與實例1-8相同。添加劑含量對形狀因子的影響示于圖9。實例21-25(對比性的)實例21和22說明先有技術(shù)公開的對尼龍的形狀保持具有重復(fù)性，如1974年24/76期Chemiefasern/紡織工業(yè)雜志上發(fā)表的一篇文章中公開的先有技術(shù)，作者是Gerhard Nachtrab和Heinz Gilch，題目為《熔體紡絲過程中利用表面活性添加劑改進非圓形單絲截面》。實例23-25說明這類添加劑對于本發(fā)明的聚酯是無效的。
表3實例號商品號 聚合物21TWEEN 80尼龍22TWEEN 81尼龍23TWEEN 80聚酯24TWEEN 81聚酯25KENAMIDE S 聚酯Tween 80和Tween 81是乙氧基脂肪酸，可以從Delaware,WilmingtonICI特制品化學公司購得。Tween 80是一種聚氧乙烯(20)脫水山梨糖醇一油酸酯，Tween 81是一種聚氧乙烯(5)脫水山梨糖醇一油酸酯。用于ZYTE1尼龍66101時，兩者都以最高為2重量％注射進擠出機，該尼龍可從Delaware,Wilmington的杜邦公司購得。高聚物先在80℃干燥箱內(nèi)干燥過夜。擠出機的操作溫度為275℃。其它紡絲條件與實例1-8類似。添加劑在尼龍中的效果可從圖10中形狀因子的提高看出。
當以與實例1-8相同的條件把實例23中的Tween 80和實例24中的Tween 81加進聚酯中時，發(fā)現(xiàn)它們不是有效的形狀保持劑。在例25中，把一種脂肪酸的脂族伯酰胺加入到聚酯中，發(fā)現(xiàn)從田納西州孟菲斯Witco公司Humko化學品部購得的Kenamide S對聚酯纖維不是有效的形狀保持劑。Kenamide S是一種硬脂酸的飽和脂族伯酰胺。
分子量不同的一系列聚二甲基硅氧烷在實施本發(fā)明中可能是有用的。許多硅氧烷共聚物或硅氧烷共聚物的共混物在本發(fā)明中可能也是有用的。這類共聚物或共混物可能具有不同的分子量、不同的環(huán)氧乙烷/1.2-環(huán)氧丙烷比和不同的親水/親油比。例如，它們可能是一種線型聚二甲基硅氧烷，其中通過氫硅化反應(yīng)接枝了一種聚醚之類的高聚物，也可能是一種支化聚二甲基硅氧烷，其中通過縮聚化學連接了一種聚醚之類的高聚物。
添加劑與高聚物可通過多種途徑組合。例如，可以在注入擠出機前，把高濃度添加劑與本體高聚物混合。另外，也可以從不同的部位，如進料喉、過渡段或計量段、混合段或紡絲段，把添加劑計量或注射進裝有聚合物的擠出機中。
截面形狀保持率提高了的新型纖維在吸水產(chǎn)品中很有用，如包扎傷口的繃帶、尿布、衛(wèi)生巾、成人失禁用品等。纖維在吸水產(chǎn)品中的這類用途，已在1994年8月24日授權(quán)的歐州專利466,778和1994年2月2日授權(quán)的EP536308中有所描述。它們作為填充纖維和在其它諸如服裝、鞋襪、手套和運動衣等保溫產(chǎn)品中也有用。這類保溫產(chǎn)品已在1996年4月4日出版的PCT公開96/10108中有所描述。
本發(fā)明已參照具體優(yōu)選實施方案作了詳細描述。但應(yīng)該理解的是，在本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)可以作一些變更和修改。
權(quán)利要求
1．一種聚酯或共聚酯的熔體擠出組合物，該組合物特別適合于成型形狀保持率提高的非圓形截面纖維，所述組合物由99.9～98.5重量％的至少一種聚酯與0.1～1.5重量％的添加劑組合而成，其中所說的添加劑在熔體紡絲過程中存在于空氣-聚合物界面上，并使由該種熔體組合物制成的非圓形截面纖維的形狀保持率，較之于由另一種含有至少一種所說的聚酯但不含所說添加劑的熔體擠出組合物制成的相同非圓形截面纖維，至少提高4％。
2．權(quán)利要求1的熔體擠出組合物，其中所說的聚酯含量為99.6～99.0重量％，所說的添加劑含量為0.4～1.0重量％。
3．權(quán)利要求1的熔體擠出組合物，其中所說的添加劑選自硅氧烷、硅氧烷共聚物或氟代脂肪族聚合物酯。
4．權(quán)利要求3的熔體擠出組合物，其中所說的添加劑是聚二甲基硅氧烷。
5權(quán)利要求4的熔體擠出組合物，其中所說的聚二甲基硅氧烷的粘度高于200厘沲，分子量高于9400。
6．權(quán)利要求3的熔體擠出組合物，其中所說的添加劑是一種聚氧化烯烴改性的聚二甲基硅氧烷。
7．權(quán)利要求3的熔體擠出組合物，其中所說的添加劑是一種聚醚一聚甲基硅氧烷共聚物。
8．一種聚酯或共聚酯非圓形截面纖維，所述纖維由權(quán)利要求1的熔體擠出組合物制成，其形狀保持率至少提高了4％。
9．權(quán)利要求8的纖維，其形狀保持率至少提高了40％。
10．一種提高非圓形截面纖維形狀保持率的方法，該方法包括下列步驟a)把99.9～98.5重量％的至少一種聚酯與0.1～1.5重量％的添加劑組合成一種熔體擠出組合物，b)使該熔體擠出組合物通過非圓截面形噴絲孔中擠出，形成纖維，其形狀保持率較之于由另一種含至少一種聚酯但不含添加劑的熔體擠出組合物通過所說的噴絲孔擠出而形成的纖維，至少提高4％。c)將所說的纖維急冷，d)將所說的纖維卷繞收絲。
11．權(quán)利要求10的方法，其中把所說的聚酯以99.6～99.0的重量％與0.4～1.0重量％的添加劑組合。
12．權(quán)利要求10的方法，其中所說的添加劑選自硅氧烷、硅氧烷共聚物或氟代脂族聚合物酯。
13．按權(quán)利要求10的方法制成的非圓形截面纖維。
14．按權(quán)利要求10-13的方法制成的非圓形截面纖維，該纖維是用一種由99.9～98.5重量％的至少一種聚酯和0.1～1.5重量％的添加劑組合而成的熔體擠出組合物制成的，所述纖維較之于由另一種含至少一種所說的聚酯但不含所說的添加劑的熔體擠出組合物制成的纖維，其形狀保持率至少提高4％。
全文摘要
一種由約99.9～約98.5重量%的至少一種聚酯和約0.1～約1.5重量%的添加劑組合而成的熔體擠出組合物,使非圓形截面聚酯或共聚酯纖維具有的形狀保持率,較之用不含添加劑的熔體擠出組合物制成的相同纖維,至少提高4%。在熔體紡絲過程中,添加劑存在于空氣—聚合物界面上。同時還公開了一種制造該纖維的方法。
文檔編號D01F1/10GK1223697SQ97195914
公開日1999年7月21日 申請日期1997年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月29日
發(fā)明者J·S·N·達爾頓, B·M·菲利普斯 申請人:伊斯曼化學公司