生产细旦纤维及其织物的方法.pdf

发明概述

本发明提供一种原位生产破裂长丝的方法。该方法包括如下步
骤：采用诸如纺粘法，熔融纺制多组分共轭长丝，其中包含沿长丝长
度的许多不同的断面区(cross-sectional segment)，其中至少某
些相邻区由彼此不相容的组合物构成，其中之一是亲水的；然后，在
热的含水分裂诱导介质存在下对长丝进行拉伸，致使各个区离解为可
成形为非织布的细旦纤维。本发明还提供由此种多个区构成的可裂膜
纤维，以及包含所得裂膜纤维的非织造布。

本文所使用的术语“蒸汽”，除另行指明外，既指蒸汽，也指蒸
汽与空气的混合物。本文所使用的术语“含水介质”是指包含水或蒸
汽的液态或气态介质。本文所使用的术语“纤维”，除另行指明外，
既指短纤维长度纤维，也指连续纤维。本文所使用的术语“纺粘纤维
非织(造)布”是指，通过将熔融热塑性聚合物经纺丝板的许多毛细孔
挤出为丝束，所形成的细直径长丝构成的非织造纤维布。挤出的丝束
一边被冷却，一边借助喷射或其他熟知的牵伸手段进行牵伸。牵伸后
的丝束散乱、各向同性地沉积或铺絮在成型表面上，形成松散缠结的
纤网，然后，铺好的纤网经历粘合过程，以赋予其物理整体性和尺寸
稳定性。纺粘非织布的生产可见诸于例如，授予Appel等人的美国专
利4,340,563、授予Matsuki等人的3,802,817、授予Dorschner等
人的3,692,618。就典型而言，纺粘纤维的单位长度重量为2～约6
旦或更高，虽然更细的纺粘纤维也可生产出来。术语“短纤维”是指
平均直径近似或略小于纺粘纤维的不连续纤维。短纤维是采用传统纤
维纺丝方法成形，然后切断成短纤维长度而生产出来的，该长度小于
约8英寸。随后，此种短纤维经梳理或气流成网，继而经过热或粘合
剂粘合，就制成非织造布。

发明详述

本发明提供一种原位生成分裂长丝的方法。该方法包括，纺制一
种可分裂长丝以及将该长丝分裂的步骤，该分裂后的长丝随后可进一
步加工为例如非织造纤网、纺织长丝或短纤维。本文所使用的术语“长
丝纺丝方法”是指，使用纺丝板和丝束牵伸手段生产长丝的诸如纺粘
法之类传统长丝纺丝方法。该方法包括如下步骤：让熔融处理的聚合
物组合物通过纺丝板形成丝束，将丝束冷却以使之基本固化，继而让
冷却后的丝束通过牵伸装置将其拉细，从而使丝束中的聚合物具有分
子取向。拉伸力可借助机械方式，例如象在长丝连续生产过程中那样
通过导丝辊施加，然而优选的是利用气力，例如象在纺粘长丝生产过
程中那样通过气力纤维牵伸装置实现。本文所使用的术语“基本固
化”是指长丝中至少50％的组分聚合物已固化，且丝的表面温度低于
最低熔点组分的熔点(T_m)。按照本发明，每一根可分裂长丝包含至少
两种不相容的聚合物组分组合物，且组分聚合物中的至少一种为亲水
的。另外，沿长丝的长度，这些组分组合物各自占据长丝断面上界限
鲜明的区，纤维断面的至少一个区形成不咬合构型，使得该区自长丝
中分离时不受物理阻碍。按照本发明，对传统共轭纺丝方法做了修
改，用以分裂本发明的共轭长丝。该修改包括，在长丝基本固化之后，
将热的诱导分裂含水介质施加到丝束上。理想地，丝束接受热的诱导
分裂含水介质处理之前已完全固化。该诱导分裂含水介质是在长丝刚
要接受牵伸之前或牵伸期间施加上去的。

适合本发明使用的诱导分裂含水介质包括热水，希望该热水温度
至少约60℃。更希望该水温为约65℃～100℃。另外的合适介质是温
度高于60℃但低于该共轭纤维最低熔点组分的熔点的蒸汽及蒸汽与
空气的混合物。当采用空气与蒸汽混合介质时，可通过调节与蒸汽混
合的空气的温度来改变该诱导原纤化介质的温度。例如，可提高空气
温度，进而提高蒸汽空气混合物的温度。就温度和停留时间方面，控
制纤维在诱导含水介质中的暴露情况，以避免纤维温度升高到超过熔
点最低组分的熔点。

现在来看图1，其中表示一种机械牵伸连续长丝生产方法，该方
法包括诱导分裂热含水介质的施加步骤。分裂长丝生产设备10包括
纺丝板12，其上带有纺丝细孔，至少两种经过熔融处理的聚合物组合
物穿过细孔喷出，形成共轭长丝14。每一根长丝14中，熔融处理的
聚合物组合物沿长丝的长度，在其断面上呈一定排列，各自占据断面
的不同的区。随着丝束离开纺丝板12，组合物受到骤冷，进而固化。
通常，侧吹的冷却气流16加速了丝束14的冷却，以致当丝束达到集
束导丝辊18时，便基本上固化了。随后，丝束被送到导丝辊或卷绕-
牵伸组件20上。尽管不优选，导丝辊组件20可被用来对丝束施加向
下的牵伸力，以便对丝束牵伸并使其中的组分聚合物产生分子取向。
在导丝辊组件20以下，靠近牵伸丝束的部位装有含水介质注射装置
22。注射装置22将诱导分裂含水介质施加到丝束上，使丝束在受到
牵伸力作用的同时，与该介质充分接触，于是长丝的各个区便分裂为
分裂长丝。随后，分裂长丝被进一步加工成纱线、短纤维、纤维束等。
由注射装置22供应的诱导分裂介质可以是例如蒸汽、蒸汽与空气的
混合物或热水。

图2表示出一种由诱导分裂热含水介质施加步骤改进的气力牵伸
长丝生产方法。更具体地说，图2画出了一种纺粘非织造纤网生产过
程，其中在施加牵伸力的同时施以诱导分裂介质。该方法采用一种类
似于以上所述连续长丝生产设备的纺丝板长丝生产设备42。然而，该
纺粘设备采用气力牵伸装置30，而不是导丝辊。大体上说，气力牵伸
装置30包括一个供丝束通过的狭长垂直甬道。在该垂直甬道中，牵
伸力是通过牵伸流体32的高速流动施加到丝束上的，例如，该流体
从甬道的侧面进入，然后向下流经整个甬道。适合纺粘设备的气力牵
伸装置，公开在授予Dorschner等人的美国专利3,692,618、授予
Appel等人的4,340,563以及授予Matsuki等人的3,802,817中。按
照本发明的这一实施方案，丝束牵伸空气和诱导分裂介质通过气力牵
伸装置30施加，从而使共轭长丝同时发生牵伸和分裂。牵伸空气与
诱导分裂介质可以混合物的形式加入，或者诱导分裂介质同时起到牵
伸空气和诱导分裂介质的作用。

离开气力装置30的经牵伸并分裂的长丝可直接以散乱的方式沉
积在成形表面34上，形成非织造纤网36。然后，该非织造纤网可借
助诸如热轧辊粘合法、点粘合法及超声粘合法之类的传统的适于纺粘
纤网的粘合方法进行粘合，从而使纤网获得强度和整体性。另外，穿
透空气粘合法(through-air bonding)也可使用。图2还表示出另
外一种粘合法的例子—花纹粘合法。花纹粘合法采用至少两个彼此靠
得很近的花纹粘合辊筒38、40，通过让纤网穿过由粘合辊筒38与40
形成的辊隙，在纤网中形成粘合点或有限面积的粘合区。配对辊筒之
一或二者，可在表面上带有由水平承压区与凹陷区组成的花纹，并可
被加热到适当的温度。

应选择粘合辊温度及辊隙压力，以便在获得粘合区的同时不出现
不希望的伴随副效应，如过度收缩和纤网降解。尽管适当的辊筒温度
和辊隙压力通常受到诸如纤网速度、纤网织物单位重量、纤维特性、
组分聚合物等参数的影响，但是希望辊筒温度介于最低熔点组分聚合
物的软化点与晶体熔点之间。例如，粘合包含分裂聚丙烯纤维的纤网
如由聚丙烯-聚酰胺裂膜纤维组成的纤网时，希望的设定参数为：辊
筒温度在约125℃～约160℃范围，对非织布表面刺入点压力在约350
千克/平方厘米～约3,500千克/平方厘米范围。其他适用于本发明裂
膜纤维纤网的粘合方法的例子，当共轭长丝由不同熔点的组分组合物
制成时，可为穿透空气粘合法。典型的穿透空气粘合法向裂膜纤维纤
网吹拂加热空气流，使纤网的温度升高到超过纤网最低熔点聚合物的
熔点，然而低于纤网最高熔点聚合物熔点的温度水平。采用穿透空气
粘合法的目的是为了避免施加任何显著的压实压力，因而特别适合用
于生产蓬松的粘合非织布，尤其是纤维为卷曲的情况。

作为本发明的另一个实施方案，当选择具有不同热收缩特性的聚
合物构成共轭长丝的组分聚合物时，纺粘法的气力牵伸装置，除了牵
伸并分裂长丝之外，还可用来使长丝发生卷曲。当共轭长丝由不同收
缩特性的聚合物制成时，在共轭纤维中形成一种潜在的卷曲。该潜在
的卷曲可借助在气力牵伸装置中的加热牵伸空气或蒸汽的作用展现
出来。牵伸空气的合适温度依所选择的组分聚合物之不同而不同。一
般地，温度越高，产生的卷曲度也越大，条件是流体温度不高到使组
分聚合物融化的程度。授予Pike等人的美国专利5,382,400公开了
一种适合生产共轭纤维的方法及用该方法生产的纤网，将该专利的全
部内容收入本文作为参考。

按照本发明，可分裂共轭长丝的特征在于，该共轭长丝的组分聚
合物组合物中至少一种是优选亲水的。适用于本发明共轭长丝组分组
合物的亲水聚合物既包括亲水聚合物，也包括亲水改性的聚合物。当
使用疏水或亲水性不足的聚合物时，则聚合物中至少一种需要进行亲
水改性。希望的是，该亲水聚合物组分的初始接触角等于或小于约
80°，更希望等于或小于约75°，进一步希望等于或小于约60°，最希
望等于或小于约50°。亲水组分聚合物的亲水性，可按照ASTM D724-89
接触角试验程序，在通过处于生产该共轭长丝用纺丝组件温度的聚合
物按熔体浇铸制成的薄膜上测定得到。本文所使用的术语“初始接触
角”是指将水滴到测试薄膜样品上约5秒钟之内所测定的接触角。

适用于本发明的本质亲水性的聚合物包括具有上面规定的亲水
性的热塑性聚合物。此类聚合物包括己内酰胺与氧化烯二胺的共聚
物，如由联合信号公司供应的商品名Hydrofil尼龙；聚(氧乙烯)
与聚氨酯、聚酰胺、聚酯或聚脲等的共聚物，如授予Pazos等人的美
国专利4,767,825公开的吸收性热塑性聚合物；乙烯-乙烯醇共聚物
等。将美国专利4,767,825的全部内容收作本文的参考。

适用于本发明的亲水改性聚合物包括聚烯烃、聚酯、聚酰胺、聚
碳酸酯及其共聚物及共混物。合适的聚烯烃包括：聚乙烯，如高密度
聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯及线型低密度聚乙烯；聚丙烯，
如全同立构聚丙烯、间同立构聚丙烯、全同立构聚丙烯与无规立构聚
丙烯的共混物，以及这些聚丙烯类共混物；聚丁烯，如聚(1-丁烯)和
聚(2-丁烯)；聚戊烯，如聚(1-戊烯)和聚(2-戊烯)；聚(3-甲基-1-
戊烯)；聚(4-甲基-1-戊烯)；以及上述这些物质的共聚物及共混物。
合适的共聚物包括由两种或更多种不同的不饱和烯烃单体制备的无
规及嵌段共聚物，如乙烯/丙烯及乙烯/丁烯共聚物等。合适的聚酰胺
包括尼龙6、尼龙6/6、尼龙4/6、尼龙11、尼龙12、尼龙6/10、尼
龙6/12、尼龙12/12、己内酰胺与氧化烯二胺的共聚物等，以及上述
这些聚酰胺的共聚物及共混物。合适的聚酯包括聚对苯二甲酸乙二醇
酯、聚对苯二甲酸1,2-丁二醇酯、聚对苯二甲酸亚丁基酯、聚对苯二
甲酸环己烷-1,4-二甲基酯及其与间苯二甲酸的共聚物，以及它们共
混物。

按照本发明，当选择疏水性或亲水性不足的聚合物作为可分裂共
轭纤维的亲水组分时，该聚合物必须进行亲水或可湿改性。对该聚合
物改性的一种有用方法是加入能使聚合物变为亲水性的亲水改性的
介质或亲水改性剂。合适的亲水改性剂包括各种表面活性剂。依裂膜
纤维材料的最终用途之不同，这些表面活性剂可以是短效的或非短效
的。短效表面活性剂，即可从纤维表面被洗掉的表面活性剂，适用于
那些裂膜纤维应用于仅一次性暴露(于水)的场合或希望获得不可湿
或疏水性能的用途；而非短效表面活性剂，即永久性或半永久地附着
在纤维表面的表面活性剂，适用于那些希望纤维用在获得较为耐久的
可湿性或亲水性的场合。另外，特别合适的内添加表面活性剂选自那
些与纤维的亲水组分聚合物相容性低的表面活性剂，由于这样的表面
活性剂在纤维纺丝过程中很容易迁移到纤维表面。当所选表面活性剂
的迁移慢时，可能需要对纤维进行热处理或退火，以加速表面活性剂
向表面的迁移。此种热处理在技术上被称之为“泛霜”过程。合适的
表面活性剂的范例包括硅基表面活性剂，如聚氧化烯改性的聚二甲基
硅氧烷；氟代脂族表面活性剂，如全氟烷基聚氧化烯；以及其他表面
活性剂，如乙酰基-苯氧基聚乙氧基乙醇非离子表面活性剂、烷芳基
聚醚醇及聚环氧乙烷。适用于本发明的商品表面活性剂包括各种以聚
(环氧乙烷)为基础的表面活性剂，可按商品名Triton，如牌号X-
102，由Rohm and Haas公司获得；各种以聚乙二醇为基础的表面活
性剂，可按商品名Emerest，如牌号2620和2650，由Emery工业
公司获得；以聚氧化烯改性的聚二甲基硅氧烷为基础的表面活性剂，
按商品名Masil，如SF-19，由Mazer公司获得；聚氧化烯脂肪酸
衍生物，按商品名PEG，如PEG 400，由ICI公司获得；脱水山梨
醇单油酸酯，如Span 80，由ICI公司获得；乙氧基化水解蓖麻油，
如G1292，由ICI公司供应；脱水山梨醇单油酸酯与乙氧基化水解蓖
麻油的混合物，如AhcovelBase N62，由ICI公司供应；聚氧化烯
改性的氟代脂族表面活性剂，如由明尼苏达矿业及制造公司供应；以
及上述的混合物。

每种用途对表面活性剂的需要量和相应的改性长丝的亲水性将
随所使用的表面活性剂类型及聚合物类型之不同而不同。一般地，长
丝包含的亲水或亲水改性的聚合物组分越多，它自发分裂的倾向就越
大。因此，只要表面活性剂用量不过大，不致对聚合物组合物的加工
性产生负面影响，就可以在共轭纤维的聚合物组合物中加入高用量的
表面活性剂。适合本发明纤维组合物的典型表面活性剂用量为聚合物
组合物重量的约0.1～约5％，优选约0.3～约4％(重量)。将表面活
性剂在聚合物组合物被加工成长丝之前与该组合物充分掺混。例如，
当采用熔体挤出工艺来生产长丝时，将表面活性剂与聚合物组合物一
起置于挤出机中掺混并熔融挤出，纺制成长丝。

按照本发明，构成共轭长丝的另外的组分聚合物选自那些与该共
轭纤维的亲水组分聚合物不相容的亲水及疏水热塑性聚合物。合适的
聚合物包括上述的那些适合所选亲水组分的亲水聚合物及疏水聚合
物，条件是它们与选定的亲水组分聚合物不相容。

本文所使用的术语“不相容聚合物”是指当熔融掺混时不形成或
不保持为可溶混的共混物的聚合物，即彼此不溶混。作为本发明的优
选实施方案，采用聚合物溶解度参数(δ)之差来选择合适的不相容聚
合物。不同聚合物的聚合物溶解度参数(δ)在技术上是众所周知的。
有关溶解度参数的讨论例如可参见JMG Cowie的《聚合物：现代材料
的化学及物理》，第142-145页，国际教科书公司，1973。希望地，
本发明共轭纤维中相邻配置的聚合物组分之间所具有的溶解度参数
差值至少约0.5(卡/立方厘米)^1/2，更希望至少约1(卡/立方厘米)^1/2，
最希望至少约2(卡/立方厘米)^1/2。本发明对溶解度参数差值的上限不
做严格规定，因为该差值越大，长丝自发分裂的倾向越大。

对本发明而言，特别合意的不相容聚合物的配对范例包括聚烯烃
-聚酰胺，如聚乙烯-尼龙6、聚乙烯-尼龙6/6、聚丙烯-尼龙6、聚丙
烯-尼龙6/6、聚乙烯-己内酰胺与氧化烯二胺共聚物以及聚丙烯-己内
酰胺与氧化烯二胺共聚物；聚烯烃-聚酯，如聚乙烯-聚对苯二甲酸乙
二醇酯、聚丙烯-聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯-聚对苯二甲酸1,2-
丁二醇酯、聚丙烯-聚对苯二甲酸1,2-丁二醇酯；以及聚酰胺-聚酯，
如尼龙6-聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙6/6-聚对苯二甲酸乙二醇酯、
尼龙6-聚对苯二甲酸1,2-丁二醇酯、尼龙6/6-聚对苯二甲酸1,2-
丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-己内酰胺与氧化烯二胺共聚物以
及聚对苯二甲酸1,2-丁二醇酯-已内酰胺与氧化烯二胺共聚物。

含有本发明分裂长丝或短纤维的非织布或纤网可提供传统微纤
维非织布的吸引人的质地特性与高取向纤维非织布的吸引人的强度
特性二者的综合。特别是采用纺粘法，通过在纤网成形之前实施分裂
所获得的裂膜纤维非织布，表现出吸引人的性质，如布料的均一性、
均匀的纤维覆盖、阻隔性以及高纤维表面积这样一些类似于微纤维非
织布的特性。此外，与诸如熔喷纤网之类的微纤维非织布不同的是，
该裂膜纤维非织布还显示出高度吸引人的强度特性、吸引人的手感及
柔软，并可制成不同的蓬松度。许多用途是显而易见的，如作为过滤
介质、吸着剂制品、土工布、日用包裹布、合成纸、用于个人护理制
品的阻隔或透气性阻隔布料等等。

而且，本发明的裂膜纤维生产方法远优于先有技术的裂膜纤维生
产方法。本发明方法是一种能够用来生产各种各样蓬松度和密度的裂
膜纤维非织布的适应性强的非压实方法。与用于裂膜纤维的固有地压
实纤网半制品的先有技术针刺法不同，本发明方法在纤维分裂期间不
对分裂共轭纤维施加热压预缩力。因此，本发明方法在纤维分裂过程
中不改变纤维纤网半制品或非织布半制品的蓬松度。另外，本发明方
法不损伤纤维纤网半制品的强度。与生产细旦纤维的先有技术溶剂溶
解法不同，本发明方法在纤维分裂过程中保留共轭纤维半制品的所有
聚合物组分。因此，本发明方法至少保持了，或甚至是改善了纤网半
制品的强度性能。这是由于，本发明方法在保留纤网半制品中所有聚
合物组分的同时又增加了纤维的根数，而正如技术上所知，所生成的
具有高纤维根数，因而含有更细纤维的非织布，与相同聚合物、相同
织物单位重量以及相近分子取向度及粘合程度的粗纤维非织布相
比，强度更高。

包含分裂细旦纤维的非织布，由于具有上述种种吸引人的性能，
因而非常适合前面提到的各种各样用途。例如，包含这种分裂细旦纤
维的非织布特别适合各种额外的用途，包括诸如防护服、消毒包裹
布、揩布及吸收剂制品的外罩之类用即弃制品；而包含该分裂细旦纤
维的机织织物，则由于在柔软性和均一性方面的显著改善，特别适合
作为柔软服装、除尘布及揩布等使用。

作为本发明的另一种实施方案，这种柔软、结实的细旦纤维非织
布可用于一种层合物，它包含至少一层这种细旦纤维布料和至少一个
由其他织物或非织布或薄膜构成的附加层。用于层合物的该附加层被
选择用来提供附加的和/或补充的性能，如对液体和/或微生物的阻隔
性能。该层合物的各个层可通过技术上已知的适合层合结构使用的粘
合方法粘合成一个整体结构，如采用热、超声或粘合剂粘合等粘合方
法。

特别适合本发明的层合结构公开在授予Brock等人的美国专利
4,041,203中，在此将其全部内容收作本文的参考。在借鉴美国专利
4,041,203的公开内容的过程中，可生产一种花纹粘合层合物，由至
少一层分裂连续长丝非织造纤网如分裂纺粘共轭纤维纤网，与至少一
层微纤维非织造纤网如熔喷纤网构成；此种层合物将裂膜纤维非织布
的强度和柔软性与微纤维纤网的透气阻隔性能结合于一身。替代地，
可在该细旦纤维纤网上层合一种可透气薄膜，制成将诸如柔软的质
地、强度及阻隔性能等有用性能吸引人地集于一身的透气性阻隔层合
物。作为本发明的又一个实施方案，可将该细旦纤维织物层合到不透
气的薄膜上，制成一种具有织物般质地的结实、高阻隔层合物。这类
层合结构提供了吸引人的织物般质地、改善的强度并具有高阻隔等特
性。这样的层合结构因此对于包括各种与皮肤接触的用途在内的各种
应用场合特别合适，例如用作防护服、尿布、成人护理制品、训练裤
及卫生巾、各种围裙之类的面料。