用于拉伸聚烯烃纤维的加热设备和方法.pdf

一种加热设备和方法，用于拉伸超高分子量聚烯烃纤维如聚乙烯纤维。加热设备包括第一辊组和多个对齐的炉。该设备包括位于炉出口处的第二辊组，该第二辊组的辊适于提供所需的对聚烯烃纤维的拉伸。该设备和方法通过利用优选为四个或六个水平的炉而提供了在已加热环境中的单一拉伸步骤。

1.  一种用于拉伸超高分子量聚烯烃纤维的加热设备，所述加热设备包括：
第一辊组；
多个对齐的炉，所述多个炉具有邻近所述第一辊组的一端以及相反端；和
邻近所述多个炉的所述相反端的第二辊组，所述第一辊组和所述第二辊组适于提供所需的对所述聚烯烃纤维的拉伸。

2.  根据权利要求1所述的加热设备，其特征在于，所述纤维包括超高分子量聚乙烯纤维。

3.  根据权利要求1所述的加热设备，其特征在于，仅所述第一辊组的一部分被加热。

4.  根据权利要求1所述的加热设备，其特征在于，所述炉为热空气循环炉。

5.  根据权利要求1所述的加热设备，其特征在于，所述加热设备包括至少四个水平对齐的炉。

6.  根据权利要求1所述的加热设备，其特征在于，所述加热设备包括至少六个水平对齐的炉。

7.  根据权利要求1所述的加热设备，其特征在于，所述纤维在所述加热设备中在一个级中被拉伸。

8.  根据权利要求2所述的加热设备，其特征在于，所述第一辊组和所述第二辊组的每个辊组均包括7个辊。

9.  根据权利要求2所述的加热设备，其特征在于，所述第一辊组和所述第二辊组的每个辊组均包括9个辊。

10.  根据权利要求1所述的加热设备，其特征在于，所述加热设备包括用于穿过所述炉以近似的直线输送所述纤维的机构。

11.  根据权利要求1所述的加热设备，其特征在于，所述第一辊组和所述第二辊组包括在所述加热设备中仅有的辊。

12.  一种用于拉伸超高分子量聚烯烃纤维的方法，所述方法包括使所述纤维穿过加热设备，所述加热设备包括：
多个对齐的炉，所述多个炉具有邻近所述第一辊组的一端以及相反端；和
邻近所述多个炉的所述相反端的第二辊组，所述第一辊组和所述第二辊组在一定条件下运行，以提供所需的对所述聚烯烃纤维的拉伸，以及
在所述第一辊组和所述第二辊组之间将所述纤维拉伸至预定的拉伸比。

13.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述纤维包括聚乙烯纤维。

14.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，仅所述第一辊组的一部分被加热。

15.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述炉为热空气循环炉。

16.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述设备包括至少四个水平对齐的炉。

17.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述设备包括至少六个水平对齐的炉。

18.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述加热设备中在一个级中拉伸所述纤维。

19.  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一辊组和所述第二辊组的每个辊组均包括7个辊。

20.  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一辊组和所述第二辊组的每个辊组均包括9个辊。

21.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，穿过所述炉以近似的直线输送所述纤维。

22.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述纤维在所述炉中未被任何结构支承。

23.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述纤维拉伸到大约1.1∶1至大约15∶1的拉伸比。

24.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述纤维拉伸到大约1.2∶1至大约10∶1的拉伸比。

25.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法以大约20米/分钟至大约100米/分钟的线速度运行。

26.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述炉中的温度为大约125℃至大约160℃。

27.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述炉中的温度为大约130℃至大约150℃。

28.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一辊组和所述第二辊组包括在所述加热设备中仅有的辊。

29.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，由所述方法形成的所述纤维具有至少大约30克/但尼尔的韧度。

30.  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，由所述方法形成的所述纤维具有至少大约35克/但尼尔的韧度和至少大约1200克/但尼尔的初始抗张模量。

31.  一种由根据权利要求12所述的方法形成的产品。

用于拉伸聚烯烃纤维的加热设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2005年12月20日提交的序列号60/751895的美国临时申请的权益。
发明背景
发明领域
本发明涉及用于拉伸聚烯烃纤维的加热设备和用于拉伸这类纤维的方法。
相关技术的说明
高韧度聚烯烃纤维如凝胶纺(gel-spun)聚乙烯纤维在本领域是公知的。超高分子量聚烯烃包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁-1-烯、聚4-甲基-戊-1-烯、它们的共聚物、混合物以及加合物。它们由超高分子量的聚烯烃制备，且就聚乙烯来说，由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制备。这类纤维的制备和拉伸已在各种专利公布中进行了描述，这些公布包括美国专利4413110；4430383；4436689；4536536；4545950；4551296；4612148；4617233；4663101；5032338；5246657；5286435；5342567；5578374；5736244；5741451；5958582；5972498；6448359；6969553以及美国专利申请公布2005/0093200，上述公布的公开内容通过同此非不相容程度的引用而清楚地结合在本文中。在美国专利申请公布2004/0040176中还公开了一种用于拉伸纤维的炉。
UHMWPE纱线在许多应用如耐冲击性和防弹产品中使用。这些产品包括防弹衣、头盔、航空器防护物以及复合材料运动装备。它们还可用于钓丝、帆、绳索、缝合线以及织物。
在典型的拉伸构造中，通过将超高分子量聚乙烯的溶液纺丝、将溶液细丝冷却至凝胶状态且随后除去纺丝溶液来制备凝胶纺纤维。然后将纺丝纤维拉伸至高度定向状态。在拉伸操作中，典型地首先将纺丝纤维进给到第一堆已加热辊上，随后穿过一个或多个炉(典型地为四个)，然后进给到第二堆已加热辊上，之后又进给到一个或多个另外的炉中(典型地为两个)，且在卷绕纤维或纱线之前最终进给到第三堆已加热辊上。按照炉中的温度和温度曲线调节辊的速度和温度，以获得纤维或纱线的所需的拉伸比和产品特性。根据此构造，纤维经受两级拉伸操作。
尽管这样的构造已产生了优良品质的纤维和纱线，但总体运行由于多个加热区和辊组而昂贵，并且限制了生产量。值得期望的将是提供一种用于聚乙烯纤维的炉构造，该种炉构造运行较为低廉并且能以更高的速率提供拉伸的纤维或纱线。
发明概述
根据本发明，提供了一种用于拉伸超高分子量聚烯烃纤维的加热设备，所述加热设备包括：
第一辊组；
多个对齐的炉，该多个炉具有邻近第一辊组的一端以及相反端；和
邻近该多个炉的相反端的第二辊组，该第一辊组和第二辊组适于提供所需的对聚烯烃纤维的拉伸。
此外根据本发明，提供了一种用于拉伸超高分子量聚烯烃纤维的方法，该方法包括使纤维经过加热设备，该加热设备包括：
多个对齐的炉，该多个炉具有邻近第一辊组的一端以及相反端；和
邻近该多个炉的相反端的第二辊组，该第一辊组和第二辊组在一定条件下运行，以提供所需的对聚烯烃纤维的拉伸以及
在第一辊组和第二辊组之间将该纤维拉伸至预定的拉伸比。
已经发现，通过除去第二辊组并提供一系列水平的炉来改变先前的拉伸构造，可以以较低的资本费用、较低的运行费用以及较高的生产量获得具有合乎需要的属性的聚烯烃纤维如聚乙烯纤维。这类纤维还具有改善的属性。

附图简述
当参考本发明优选实施例的下列详细说明以及附图时，将更充分地理解本发明并且另外的优点将变得显而易见，附图中：
图1为在聚乙烯纤维的拉伸中采用的典型的炉构造的示意图。
图2为本发明的炉构造的示意图，该炉构造可用于超高分子量聚乙烯纤维的拉伸。
发明详述
本发明包括一种用于拉伸超高分子量聚烯烃纤维的加热设备和一种用于拉伸这类纤维的方法。
对本发明而言，纤维为其长度尺寸远大于宽度和厚度的横向尺寸的伸长体。因此，用语“纤维”包括具有规则或不规则截面的一个或多个单丝、复丝、丝带、条带、毛束(staple)及其它形式的切短、切断或不连续的纤维等。用语“纤维”包括上述任一项中的多个或其组合。纱线为包括许多纤维或细丝的连续线束。
文中可用的纤维的截面可极大地变化。这些纤维在截面上可以是圆的、扁的或拉长的。它们还可以具有不规则或规则的多突起的截面，该截面具有从纤维的线性或纵向轴线伸出的一个或多个规则或不规则的突起部。纤维优选具有大致圆的、扁的或拉长的截面，最优选为大致圆的截面。
在本发明中可用的超高分子量聚烯烃包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁-1-烯、聚4-甲基-戊-1-烯、它们的共聚物、混合物以及加合物。这些聚合物典型地具有当在135℃的萘烷中测量时的从大约5dl/g(分升/克)至大约45dl/g的固有粘度。
优选地，待拉伸的喂入丝包括在萘烷中具有从大约8dl/g至40dl/g的固有粘度的聚乙烯，更优选为从大约10dl/g至30dl/g，且最优选为从大约12dl/g至30dl/g。优选的是，待拉伸的纱线包括具有少于大约每一千个碳原子一个甲基的聚乙烯，更优选为少于每一千个碳原子0.5个甲基的聚乙烯，并且聚乙烯少于其它成分的大约1％的重量。超高分子量聚烯烃可包含少量的、通常小于大约5％重量的且优选为小于大约3％重量的添加剂，例如抗氧化剂、热稳定剂、着色剂、流动助剂、溶剂等。
待拉伸的凝胶纺聚乙烯纤维在本发明的方法中可预先地拉伸，或者它们可以处于实质未拉伸的状态。用于形成凝胶纺聚乙烯喂入丝的方法可以是例如由以下美国专利号的专利所述方法中的任何方法，这些美国专利号为4551296，4663101，5741451和6448659。
就聚乙烯来说，适当的纤维是那些具有至少大约150000的加权平均分子量的纤维，优选为至少大约一百万，且更优选为在大约两百万至大约五百万之间。就高分子量聚丙烯纤维来说，这些纤维可具有至少大约200000的加权平均分子量，优选为至少大约一百万且更优选为至少大约两百万。
当通过ASTM D2256-97以10英寸(25.4cm)的测量长度和100％/分钟的应变率测量时，喂入丝的韧度可以从大约2g/d(克/但尼尔)到76g/d变动，优选为从大约5g/d到66g/d，更优选为从大约7g/d到51g/d。
在下列说明中典型地参照聚乙烯纤维，但应理解这样的公开内容也适用于其它的聚烯烃纤维。
参看图1，在示意图中示出了用于超高分子量聚乙烯纱线的典型的拉伸操作10。纱线12从源(未示出)进给并从辊16的第一组14上经过。这些辊典型地被加热到所需的温度。离开辊的纱线18被进给到四个相邻的水平炉中，仅示出了其中的两个炉20，22。这些炉可以是热空气循环炉。离开第一组炉的纱线24然后从辊28的第二组26上经过并被拉伸为纱线30。纱线30然后被进给到另两个相邻的炉32，34中，这些炉也是热空气循环炉，离开炉34的纱线36然后进给到辊40的第三组38上并被再次拉伸至所需量。然后将成品纱线42进给到卷绕工位(未示出)。通过采用三个辊组，纤维经受两级拉伸操作。
参看图2，在示意图中示出了本发明的加热设备110。超高分子量聚乙烯纱线112从源(未示出)进给并从从动辊116的第一组114上穿过。这些辊不需要加热，尽管优选地最初几个辊不被加热而余下的辊被加热以在拉伸之前对纤维预热。虽然图2中示出了总共7个辊，但根据所需的构造，辊数可更高或更低。纱线118进给到六个相邻的水平炉120，122，124，126，128，130中，所有的这些炉优选为热空气循环炉。纱线在炉中优选未被支承。离开末尾炉130的纱线132然后从从动辊136的第二组134上穿过，并被拉伸成成品纱线138。辊136的第二组134应是冷的，以便将成品纱线在张力下冷却到至少低于大约90℃以保持其定向和形态。第二组134中的辊数可高于或低于图2中所示的7个辊的数目，并且可以与第一辊组114中的辊数相同或不同。离开第二辊组134的纱线138然后进给到卷绕工位(未示出)。通过采用仅两个辊组，纤维经受单级拉伸操作。在第一辊组114和第二辊组134之间拉伸纤维。调节张力以使纤维不需要在炉中进行支承。因而，在各炉中不需要空转辊或其它的支承装置。
可以看出，在如图2中所示的本发明实施例中的是较为简单的设计，在该设计中仅需要两个辊组。典型设备的中间辊组已被除去并由两个另外的热空气炉所替代。另外，不是所有的入口辊组都需要被加热，而是仅最靠近炉进口的辊可能被加热。例如，在一种带有九个辊组构造的实施例中，仅优选加热最接近炉进口的末尾三个辊。
在备选实施例中，中部炉(124，126)不包括在加热设备中，而是除去了典型构造的中间辊组且仅采用总共四个水平的炉(120，122，128，130)。
本发明的加热设备中所采用的炉的数目和尺寸可以变化。优选地有或者四个或者六个以水平方式对齐的炉。这些炉可以在长度方面变化。例如，各炉可以为大约10英尺至大约16英尺(3.05米至4.88米)长，更优选为大约11英尺至大约13英尺(3.35米至3.96米)长。它们的宽度可以为任何适当的宽度。
通过热成像测量和纱线速度测量已发现在典型的拉伸过程中，由第一辊组加热的纱线在其到达第一组炉(炉20，22)之前已经冷却下来。因此，第一炉组的一部分被用来加热纱线而非拉伸纱线。尽管第二辊组确实26再次加热纱线，但纱线在其到达第二组炉(炉32，34)之前已经开始冷却。类似地，第二炉组的一部分被用来加热纱线而非拉伸纱线。已经发现，纱线在其中经受加热、冷却、加热、冷却步骤的此方法在获得所需的高拉伸比以获得高极限抗张强度(UTS)、高韧度和高模量方面不如所期望的那样有效。另外，由于需要三个辊组，故降低了运行产量并增加了资本成本。
已经发现，通过除去中间辊组，纱线不经受典型方法的加热、冷却、加热、冷却的过程步骤。相反地，纱线维持为连续拉伸纱线而所需的热。因此，可以以较高的速度来制造纱线并且该纱线可具有改善的韧度、模量和极限抗张强度。直线的炉布置也提高了运行效率。
可以看出，加热设备允许仅利用两个辊组来连续、单级地拉伸处于受热下的纤维或纱线。另外，本发明的该设备和方法可操作来远离最大拉伸比而拉伸纤维，以降低断裂细丝的可能性。
穿过加热设备的纱线的温度和速度可以如所需地变化。例如，在炉中可存在一个或多个温度受控区，且各区具有从大约125℃至大约160℃的温度，更优选为大约130℃至大约150℃。优选地，区域内的温度控制为变化小于±2℃(合计小于4℃)，更优选地小于±1℃(合计小于2℃)。
纱线的拉伸产生热量。在纱线和炉空气之间具有有效的热传输是所期望的。优选地，炉内的空气循环处于紊流状态。在纱线附近的时均气流速度优选为大约1米/分钟至大约200米/分钟，更优选为大约2米/分钟至大约100米/分钟，且最优选为大约5米/分钟至大约100米/分钟。
如上所指出，加热设备110中的纱线通道优选地为从各炉的入口至出口的近似直线。通过调节各辊的速度或通过炉温曲线，可以调节纱线张力曲线。通过增大连续的从动辊的速度之间的差异或降低炉内的温度，可以提高纱线张力。优选地，炉内的纱线张力近似恒定或穿过炉而渐增。
典型地，将多包待拉伸的凝胶纺聚乙烯纱线放置在线轴架(creel)上。多个纱线端并行地从线轴架穿过设定进给速度的第一组辊进给到拉伸炉中，由此穿过炉并出来到第二组辊，该第二组辊设定纱线退出速度并且冷却处于张力下的纱线。纱线中的张力在冷却时被足够地维持，以将纱线保持在它的拉伸长度而忽略热收缩。
取决于所需的纤维属性，纤维的总体拉伸比可以变化。例如，拉伸比可以从大约1.1∶1到大约15∶1变动，更优选地从大约1.2∶1到大约10∶1，且最优选地从大约1.5∶1到大约10∶1。
穿过本发明的加热设备的纤维速度也可以变化。例如，如通过第二辊组的速度所测量的典型的线的速度可以为大约20米/分钟至100米/分钟，更优选为大约30米/分钟至大约50米/分钟。线速度还取决于所需的纱线纤度。
本发明的设备和方法可用于制造高韧度纤维。如文中所用，用语“高韧度纤维”指具有等于或大于大约7g/d韧度的纤维。优选地，这些纤维具有至少大约150g/d的初始抗张模量和至少大约8J/g的断裂能，如由ASTM D2256所测量。如文中所用，用语“初始抗张模量”、“抗张模量”和“模量”指对于纱线的如由ASTM 2256所测量的弹性模量。
取决于成形技术、拉伸比和温度以及其它条件，可以对这些纤维赋予各种属性。聚乙烯纤维的韧度为至少大约7g/d，优选地为至少大约15g/d，更优选地为至少大约20g/d，更加优选地为至少大约25g/d，且最优选地为至少大约30g/d。类似地，如由英斯特朗(Instron)张力试验机所测量，纤维的初始抗张模量优选地为至少大约300g/d，更优选地为至少大约500g/d，更加优选地为至少大约1000g/d且最优选地为至少大约1200g/d。在最优选的实施例中，纤维在拉伸后具有至少大约35g/d的韧度和至少大约1200g/d的模量。许多细丝具有比形成这些细丝的聚合物的熔点更高的熔点。因此，例如具有大约150000、大约一百万以及大约两百万分子量的高分子量聚乙烯通常具有138℃的本体(bulk)形式熔点。由这些材料制成的高度定向的聚乙烯细丝具有比其高大约7℃至大约13℃的熔点。因此，在熔点方面的细微升高反映了细丝与本体聚合物相比的结晶完整性和较高的结晶定向。
生成的纱线或许具有任何适当的纤度，例如大约50但尼尔至大约3000但尼尔，更优选地为大约75但尼尔至大约2000但尼尔。细纤度产品的实例包括那些75，100，130，150，180，215，375以及435但尼尔的产品。高纤度产品的实例包括900、1100以及1300但尼尔。根据所需的纱线纤度来选择喂入丝的纤度。例如，为了制造1300但尼尔的纱线，喂入丝可以为2400但尼尔且因此拉伸比为大约1.85∶1。为了制造375但尼尔的产品，喂入丝可以为650且拉伸比为大约1.73。
由本发明的设备和方法所制造的纱线可以在这类纱线所适用的各种应用中使用。这些纱线用在耐冲击性性和防弹的产品中，例如防弹衣(防弹背心等)、头盔、航空器防护物和座位、复合材料运动装备，以及用在钓丝、帆、绳索、缝合线和织物(例如机织的、针织的、编织的或非机织的)中。典型的非机织织物包括定向纱线的单向排列。由这类纱线形成的织物可以与基质树脂一起使用。这些纱线可以与既包括高强度的纱线又包括常规强度的纱线的其它类型的纱线相混合。
为提供对本发明更全面的了解，呈现了下列非限制性的实例。为说明本发明的原理而阐述的特定技术、条件、材料、比例以及所报告的数据是示范性的，且不应解释为限制本发明的范围。
实例
实例1(比较的)
超高分子量聚乙烯纤维在炉构造中的两级拉伸中拉伸，该炉构造包括第一组的四个炉和第二组的两个炉，以图1所描绘的方式带有第一辊组、中间的第二辊组和第三辊组。
各炉的长度为12英尺(3.66m)，因此第一组的4个炉总计48英尺(14.63m)而第二组的炉总计24英尺(7.32m)。
辊的温度如下：第一组＝125℃、第二组＝125℃而第三组＝25℃。第一组炉和第二组炉的温度为150℃。
开始的纤度为2400而最终的纤度为1100。拉伸比为2∶2∶1。第一辊组的速度为16m/min，第二辊组的速度为26m/min而第三辊组的速度为34m/min。
最后得到的纤维韧度为35g/d至37g/d，且初始抗张模量为1150g/d至1200g/d。
实例2
在此实例中，超高分子量聚乙烯纤维在炉构造中的单级拉伸中拉伸，该炉构造以图2所描绘的方式包括一组六个水平对齐的炉。仅使用了两个辊组，入口组(第一组)和出口组(第二组)。
各炉的长度为12英尺(3.66米)，因此六个炉的总长度为72英尺(21.95米)。
第一辊组具有125℃的温度，而第二辊组具有25℃的温度。各炉的温度为150℃。
开始的纤度为2400但尼尔，而最终的纤度为1100但尼尔且拉伸比为2∶1∶1。用于第一辊组的速度为20m/min而第二辊组的速度为44m/min。
最后得到的纤维韧度为37g/d至39g/d，且初始抗张模量为1250g/d至1300g/d。
可以看出，在实例2中采用的且以实例2的方式运行的加热设备提供了具有比实例1的炉构造的纤维更高韧度和模量的纤维。此外，实例2的线速度显著比实例1中要高，因此该方法的生产率方面有提高。
可以看出，本发明提供了一种设备和方法，其用于以节省成本和操作友好的方式形成拉伸的超高分子量聚烯烃纤维和纱线如聚乙烯纤维和纱线。生成的纱线具有合乎需要的属性，以用在各种高要求的应用中。
尽管已相当充分详细地描述了本发明，但将要理解的是这种细节不必严格地遵守，相反本领域技术人员可想到所有落入如由所附权利要求限定的本发明范围内的其它的变化和修改。