对含有高性能纤维的物品进行回收利用的方法 技术领域
本发明涉及将含有高性能纤维的物品回收制成纱线的方法以及由此制成的物品。
背景技术
含有高性能纤维(例如芳族聚酰胺)的织物在本领域是已知的。可以将这些织物用于各种各样的物品中以增加这些物品的防弹性或耐剪切和耐磨损性。所述物品的例子是防弹背心、手套、护腿套裤等。
美国专利6,103,646公开了防穿透的防弹物品，其含有由许多紧密编织的芳族聚酰胺纱线层所制成的外表面和许多防弹纤维材料(例如芳族聚酰胺)纱线层所制成的内表面。
美国专利5,876,834公开了由芳族聚酰胺纱线的织物制成的防护链护腿套裤。
含有高性能纤维或纱线的织物还被用于制备许多其它物品，例如耐剪切的手套等。
由含有高性能纤维的织物制成的物品中存在的问题是如何回收所述的物品。所述物品(例如防弹背心)的使用寿命通常是5至10年，在所述时间之后必须替换所述的背心，这样就出现了如何处理旧背心地问题。因此需要通过回收来减少浪费。回收利用废织物的一般概念是已知的。参见例如美国专利5,369,861，其公开了对粗斜纹棉布废料进行回收利用的方法。对新的、改进的回收利用方法的需求是持续的。
发明概述
本发明涉及对织物进行回收利用的方法，所述织物含有其韧度至少10克/分特并且拉伸模量至少为150克/分特的高性能纤维，从而由织物制成纱线。在该方法中，所提供的织物含有韧度至少为10克/分特并且拉伸模量至少为150克/分特的纤维，将所述织物切割成尺寸不大于15厘米的碎片。将30至99重量％的短纤维(以短纤维和高性能纤维的总量为基础)加入到织物碎片中以制得混合物，然后分离混合物中的纤维并校直以形成纱条，然后将所述纱条形成加捻纱。可以将该加捻纱用于制备织物或任何其它有用物品。纱线中还可以添加其它的纤维。
发明详述
本发明涉及对含有高性能纤维的物品进行回收利用以制得可用于制备其它物品的纱线的方法。
含有高性能纤维或高性能纱线(所述纱线通常以连续复丝的形式存在)的物品具有许多应用，所述的应用包括防弹背心、耐剪切的手套、护腿套裤等。在本发明的方法中，将带有含有高性能纤维的织物的物品拆开或者是分开以提供没有任何覆盖、缝合等的织物。例如，防弹背心通常包括许多缝制在一起的织物层，其通常被外壳或其它覆盖织物所覆盖。将外壳或覆盖织物除去以露出所述织物层，然后将织物层的缝缀除去，从而只留下含有高性能纤维的织物片。某些缝缀可能留在织物内，但通常是不希望的，因为缝缀会导致纱线的质量降低。
本发明的物品和织物全部或部分地由含有高性能纤维的纱线所构成。正如在本文中所使用的那样，术语“高性能纤维”是指其韧度至少为10克/分特并且拉伸模量至少为150克/分特的纤维。所述纱线可以由纤维(例如芳族聚酰胺、聚烯烃、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑等)制成，并且可以由所述纱线的混合物制成。
织物可含有至多100％的芳族聚酰胺纤维。“芳族聚酰胺”是指其中的至少85％的酰胺键(-CO-NH-)直接连接到两个芳环上的聚酰胺。芳族聚酰胺纤维的例子记载于Man-Made Fibers-Science andTechnology，Volume 2，“形成纤维的芳族聚酰胺”部分，第297页，W.Black等，Interscience Publishers，1968。芳族聚酰胺纤维还公开于美国专利4,172,938、3,869,429、3,819,587、3,673,143、3,354,127和3,094,511中。
对芳族聚酰胺是芳族聚酰胺纱线中的常用聚合物，聚(对苯二甲酸对苯二酰胺)(PPD-T)是常用的对芳族聚酰胺。PPD-T是指由对苯二胺与对苯二酰氯等摩尔聚合生成的均聚物以及引入对苯二胺中的少量其它二胺和少量其它二酰氯与对苯二酰氯所形成的共聚物。作为一般规律，其它二胺和其它二酰氯的用量最多是对苯二胺或对苯二酰氯的10摩尔％，或者可能稍微高些，只要所述其它二胺和二酰氯不含有可干扰聚合反应的反应性基团。PPD-T还可以指引入其它芳香族二胺和其它芳香族二酰氯(例如2，6-萘酰氯或氯-或二氯对苯二酰氯或3，4′-二氨基二苯基醚)所形成的共聚物。对于本发明的目的，对芳族聚酰胺还包括高度修饰的完全芳香族的共聚聚酰胺，例如共聚(对苯二甲酸对苯二酰胺/对苯二甲酸3，4′-二苯基醚二酰胺)。
“聚烯烃”是指聚乙烯或聚丙烯。聚乙烯主要是指其分子量优选大于一百万的线性聚乙烯材料，它可能含有少量的链分支或共聚单体，每100个主链碳原子中有不超过5个修饰单元，它还可能含有混在其中的不大于50重量％的一种或多种聚合添加剂例如烯烃-1-聚合物，尤其是低密度聚乙烯、丙烯等，或者是通常引入的低分子量添加剂例如抗氧化剂、润滑剂、紫外线掩蔽剂、着色剂等。其作为长链聚乙烯(ECPE)通常是已知的。类似地，聚丙烯主要是其分子量优选大于一百万的线性聚丙烯物质。高分子量的线性聚烯烃纤维是可购买的。
聚苯并噁唑和聚苯并噻唑优选由如下结构的聚合物构成：
虽然所示的与氮原子连接的芳基可以是杂环，但它们优选为碳环；虽然它们可以是稠合的或非稠合的多元环体系，但是它们优选为单一的六元环。虽然二唑系的主链中所表示的基团是优选的对亚苯基，但该基团可以被任何的不会干扰聚合物的制备的二价有机基团所取代，或者根本不带任何基团。例如，该基团可以是最多为12个碳原子的脂肪族基团、甲代亚苯基、亚联苯基、二亚苯基醚等。
然后将织物切割成相对小的碎片，优选其最大尺寸不大于15厘米(6英寸)，更优选不大于5厘米(2英寸)。通常将大于15厘米(6英寸)的切断织物的碎片除去，因为当将切断的织物制成纱线时，这些较长的碎片可能会引起问题。对于短纤维的加工处理，通常将最大尺寸大于5厘米(2英寸)的切断织物的碎片除去。应该理解的是，在本发明中，切断织物的最大尺寸将取决于随后的制备纱线的加工步骤。与用于长纤维(毛纺或精纺系统)的形成纱线的其它已知技术相比，在短纤维(棉纺)系统的生产过程中将使用更小的织物碎片。
切断织物的优选方法是利用可切割出许多不同角度的截切机。常用的截切机将剪出六种不同的角度。虽然优选截切机，但切断设备的选择对于本发明来说不是至关重要的，只要将织物切割成适当尺寸的碎片即可。
将切断织物的碎片与30至99重量％的短纤维、优选50至95重量％的短纤维(以短纤维和织物碎片中的高性能纤维的总量为基础)相混合。在此“短纤维”是指任何长度不大于15厘米的天然或合成纤维，条件是短纤维不同于高性能纤维的组成。因此，对于所述公开的目的，短纤维也可以是高性能纤维，只要其组成不同于切断织物碎片的高性能纤维。
另外，可以理解的是，在本发明中在纱线的生产过程中还可以加入额外的未使用过的、也就是非回收的高性能纤维。可以存在未使用过的高性能纤维以便于加工处理。例如，可以使用等量的切断织物中的循环的高性能纤维和未使用过的高性能纤维。
适宜短纤维的例子包括棉花、羊毛、聚酯、聚酰胺、人造纤维及其混合物以及以上列出的高性能纤维。另外还可以包括其它纤维例如用于抗静电性能的纤维。适宜的抗静电性能记载于例如USP3,803,453和USP 4,612,150中。
然后将该混合物形成纱条。将该混合物形成纱条的优选方法是利用梳理机，通常将梳理机用于纤维工业以分离、排列然后将纤维形成未经加捻的松散集合的纤维的连续长线，通常将其称作纱条。
当将织物的切断碎片通过梳理机进行加工处理时，梳理机分离出织物中的单根纤维，然后将回收的纤维与混合物中的任何其它纤维一起形成束状网，通常将其形成直径为几厘米(约1英寸)的纱条。然后将所述纱条通过常规的拉伸方法形成粗纱，然后利用制备细纱的任何常规方法，例如环锭纺纱机将其形成加捻纱。
另外，还可以利用例如自由端纺纱机(其中的一个例子是Murata喷气纺纱机)或包芯纺纱机(其中的一个例子是DREF摩擦纺纱机)将纱条直接纺成纱线。
对于根据本发明的方法可能制成的纱线的类型或尺寸没有限制。然而，该方法特别适于提供单纱支数为8.5公制支数(约为5英制棉纱支数)或更细的短纱，并且优选其单纱支数为8.5至34公制支数(约为5至20英制棉纱支数)的短纱。还可以将这些单纱进行合并以形成合股线。
按照常规方式将含有回收的高性能纤维的纱线用于制备织物。所述织物可含有任意量的回收纱线。将利用由本发明的纱线制成的织物用于其中使用含有高性能纤维的纱线的任何其它物品，例如帐篷、手套、护腿套裤、防护罩；、衣服等。
实施例
在以下实施例中，所有的份和百分数均以重量表示，除非另有说明。
通过除去覆盖材料以及将多片100％芳族聚酰胺织物层缝制在一起的缝缀而将使用过的防弹背心拆开。将分离出的100％芳族聚酰胺织物层用截切机切成各种形状的碎片。对于本实施例，对该过程进行设定以控制碎片的大小，以便最长的切断纤维的长度不超过5厘米(2英寸)。
将切断的织物碎片进行复查以保证切断纤维的长度不超过5厘米。将其中最长切断纤维的长度超过5厘米(2″)的碎片除去。据认为，在使用短纤维棉纺系统加工设备时，纤维的长度大于5.5cm(2.25英寸)有可能形成折皱。当在两个拉伸辊之间分出过长的纤维时，就会形成折皱。分出的纤维断裂、重绕并且形成粗糙不平纱线的弯曲、扭结部分。该缺陷导致下游加工处理步骤出现问题，并且纱线的均匀度差。
然而，应该理解的是，如果增大拉伸辊的间距，就可以使用更长的纤维而不会出现折皱。
对具有不同回收材料百分含量的样品进行两个小试验。
制备具有如下组成的两个11.4千克(25lb)的样品：
细纱实施例1：
a.中级梳棉-70重量％
b.回收的对芳族聚酰胺防弹织物-12.5重量％
c.1.7分特/长丝(1.5dpf)×3.8cm(1.5″)对芳族聚酰胺纤维-12.5重量％
d.4.3分特/长丝(3.9dpf)×3.8cm(1.5″)尼龙/碳皮/芯抗静电纤维-5重量％
细纱实施例2：
a.中级梳棉-55重量％
b.2.0分特/长丝(1.8dpf)×3.8cm(1.5″)尼龙纤维-15重量％
c.回收的对芳族聚酰胺防弹织物-12.5重量％
d.1.7分特/长丝(1.5dpf)×3.8cm(1.5″)对芳族聚酰胺纤维-12.5重量％
e.4.3分特/长丝(3.9dpf)×3.8cm(1.5″)尼龙/碳皮/芯抗静电纤维-5重量％
注释：在实施例1和2中，对芳族聚酰胺是聚(对苯二甲酸对苯二酰胺)。
首先将11.4千克(25lb)纤维样品手工混合，然后通过Kitson/SacoLowell Picker分两次加入以形成不同纤维的混合物。一旦混合后，将每种样品通过Double Lickerin Roll/Single Cylinder Davis Furber Rollertop Card加入，将精梳取下以制备粗梳纱条。与盖板式梳棉系统相比，优选使用罗拉盖板式梳理机系统。该方法使得分离出的100％芳族聚酰胺防弹织物碎片和其它混合的短纤维可以形成包含分离出的长丝的纱条。
用于分离出100％芳族聚酰胺防弹织物碎片的以上梳棉过程优选是将100％芳族聚酰胺防弹织物碎片单独加入到梳棉机中，然后手工混合。在没有混合的情况下，梳棉机在将织物碎片分离成独立的长丝方面不是有效的。
利用常规的短纤维环锭纺纱法将粗梳纱条纺成短纱。通过两次穿经拉伸(头道梳毛机/末道清棉机)利用SacoLowell Versamatic/ShawDrafting System 4 Over 5将粗梳棉纱条加工成拉伸的棉纱条。然后在Saco Lowell1/B/F/B Roving Frame上将拉伸的棉纱条加工成粗纱。然后在Roberts Arrow Spinning Frame上用5cm(2英寸)的环锭将粗纱加工成14公制支数(8cc)的短细纱。将121捻度系数(圈/米/(nM)1/2)(或按照英制棉纱支数系统捻度系数为4.0(圈/英寸/(cc)1/2))用于细纱。
由于常用棉纤维的平均长度为2.9cm至3.5cm(1-1/8英寸至1-3/8英寸)，所以使用具有类似长度的芳族聚酰胺纤维可以得到最好的拉伸结果以及细纱重量的均匀性(也将其称作“纱线均匀度”)。
选择棉纺系统环锭纺纱以实现芳族聚酰胺与棉纱的最佳拉伸均匀性。
机织实施例1：
将细纱实施例1的14公制支数(8棉纱支数)的短细纱用作纬纱以在常规的Tsudakoma Model 209喷气织布机上织成粗斜纹棉布织物。经纱由两类接近异经(end-to-end)设计的细纱构成。第一类是16公制支数(9.5c.c.)的环锭纺纱线，其含有84重量％棉纱和16重量％长度为3.8厘米的未使用过的对芳族聚酰胺纤维。第二类是16公制支数(9.5c.c.)的环锭纺纱线，其含有84重量％棉纱和16重量％长度为3.8厘米的聚酯纤维。织物在织布机上是3×1的右向斜纹编织，结构为23.6经纱/cm和15.7纬纱/cm。按照常规方法将织物进行防缩处理，防缩织物的单位重量是354g/m2。
机织对比例1：
重复与实施例1相同的过程，所不同的是，纬纱是14公制支数(8棉纱支数)的100％环锭纺棉纱。防缩织物的单位重量是370g/m2。
机织对比例2：
重复与实施例1相同的过程，所不同的是，纬纱是14公制支数(8c.c.)的环锭纺纱线，其含有75重量％棉纱和25重量％长度为3.8厘米的黑色未使用过的对芳族聚酰胺纤维。防缩织物的单位重量是366g/m2。
测试
对织物样品进行两种至关重要的测试(尤其是在纬纱方向上)，从而确定织物的性能。织物的断裂强度通过ASTM D 5034“强度和纺织物的断裂强度和伸长率的标准测试法(抓样强力试验)”进行测定。织物的撕裂强度通过ASTM D 1424“通过下降钟摆型(Elmendorf)装置进行织物的撕裂强度的标准测试方法”进行测定。织物的静电荷消失通过Federal Standard 191A Method 5931“织物的静电荷消失的测定”来测定。在21℃及20％相对湿度下，对样品进行调理，然后进行测试。
下面给出了机织实施例1的织物相对于对比例(由100％棉和75％棉/25％对芳族聚酰胺纱制成)的试验结果。
试验结果织物样品纬纱的组成织物在纬纱方向上的断 裂强度 (牛顿)织物在纬纱方向上的撕 裂强度 (牛顿)在纬纱方向上的静电消 失时间(s)机织实施例170重量％棉，12.5重量％回收的对芳族聚酰胺纤维，12.5重量％未使用过的对芳族聚酰胺，5重量％抗静电纤维 761 134 0.01机织对比实施例1100重量％棉 560 62 0.34机织对比实施例275重量％棉，25重量％未使用过的对芳族聚酰胺 743 145 0.25