来奥赛纤维 优先权
本申请是1998年3月16日递交的系列号09/039,737申请的部分继续申请，而09/039,737又是1997年8月22日递交的系列号08/916,652申请的部分继续申请，该申请要求1996年8月23日递交的临时保护申请60/023,909和60/024,462的优先权。
【发明领域】
本发明涉及具有新颖特性的来奥赛(Lyocell)纤维和其制备方法。具体地，这些新颖特性包括，表面形态如沿着纤维长度方向上的直径变异。本发明还涉及由这些纤维制造的纱线和含有这些纤维的织造物和非织造物。具体地，本方法涉及，首先将纤维素溶解在氧化胺中形成纺丝原液，然后将原液从小喷丝孔中直接挤出到空气流中形成准纤维或通过小孔将该原液离心排出形成准纤维。然后在液态非水溶剂中通过将这些准纤维(latent fibers)再生而形成纤维。两种方法中的任何一种方法要能用于生产自粘合非织造织物。本发明的特殊方法给予来奥赛纤维与常规连续纺丝纤维相区别的独特的表面特性。
【发明背景】
近一个世纪以来，已通过粘胶法和铜氨法制备出了再生纤维素的强力纤维，后一种方法在1890年首先获得专利，两年后粘胶法获得专利。在粘胶法中纤维素首先浸渍在丝光性的苛性钠溶液中形成碱纤维素。它与二硫化碳反应形成后来溶解在稀苛性钠溶液中的纤维素黄原酸酯。通过过滤和脱气后，该纤维素黄原酸酯溶液从浸没的喷丝板挤出到再生浴中形成连续长丝，该再生浴包括硫酸、硫酸钠、硫酸锌和葡萄糖。生成的所谓粘胶长丝目前用于纺织品中，而且以前被广泛用于橡胶制品如轮胎和传动皮带的增强材料。
纤维素也能溶解在氧化铜氨溶液中，此性能是制备铜氨人造丝地基础。该纤维素溶液从浸没在浴液里的喷丝板中强制挤出到5％苛性钠溶液或稀硫酸中形成纤维。去铜和水洗后，所得到的纤维湿强度高。铜氨长丝的纤维纤度可以很低，而且几乎专用于纺织品中。
最近也研究了其它的纤维素溶剂。其中之一是基于四氧化二氮在二甲基甲酰胺中形成的溶液。尽管进行了许多的研究，但没有开发出使用该溶剂制备再生纤维素纤维的商业化方法。
使用叔胺N-氧化物作为纤维素溶剂已经在相当长的时间内广为人知。Graenacher在美国专利US2,179,181中公开了一组适于作溶剂的氧化胺材料，然而，该发明人仅仅能形成低纤维素浓度的溶液，而且溶剂回收是一个大问题。Johnson在美国专利US3,447,939中描述了使用无水N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)和其它胺N-氧化物作为纤维素及许多其它天然和合成聚合物的溶剂。在这些溶液中固含量仍然较低。在他后来的美国专利US3,508,941中，Johnson提出将多种天然和合成聚合物混合在溶液中形成与纤维素紧密混合的混合物。加入纤维素的非溶剂例如二甲亚砜来降低原液的粘度。该聚合物溶液直接纺丝到冷甲醇中，但所生成的长丝的强度较低。
然而，从1979年开始，对使用各种氧化胺作溶剂制备再生纤维素纤维的方法颁发了一系列专利。特别是存在约12％水的N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)被证明是特别有用的溶剂。纤维素在加热条件下，通常在90℃-130℃时溶解在该溶剂中，然后从多个开细喷丝孔的喷丝板或塑模中挤出到空气中或其它非沉淀性流体如氮气中。根据范围为约3-10的纺丝牵伸比连续机械牵伸该纤维素原液的长丝以使分子取向。然后，将其导入到非溶剂流体中，通常为水，从而再生该纤维素。也已提出使用其它的再生溶剂，如低级脂肪醇。该方法的实例详见McCorsley和McCorsley等人的美国专利4,142,913；4,144,080；4,211,574；4,246,221，和4,416,698及其它专利。Jurkovic等人在美国专利5,252,284中及Michels等人在美国专利5,417,909中特别研究了用来把溶解在NMMO中的纤维素纺丝的喷嘴的几何形状。以Brandner等人的美国专利4,426,228为例的大量专利公开了在加热NMMO溶液过程中，为避免纤维素和/或溶剂降解而使用各种化合物作为稳定剂。Franks等人的美国专利4,145,532和4,196,282研究了在氧化胺溶剂中溶解纤维素的难度以及获得更高纤维素浓度的困难。
从NMMO溶液中纺制的纤维素纺织纤维被称作来奥赛纤维。来奥赛是为人接受的通称，指有机溶液中沉淀出的纤维素组成的纤维，该溶液中不发生羟基取代而且也不生成任何化学中间体。现在可以买到由Courtaulds，Ltd(考脱尔兹有限公司)制造的一种名为Tencel纤维的来奥赛产品。可以购得0.9-2.7旦尼尔重及更重的这类纤维。旦尼尔是以9000米长纤维克数表示的重量。由于它们的细度，由其制造的纱线生产出了手感极佳的织物。
目前所制造的来奥赛纤维其局限之一源于它们的几何形状。它们被连续机械牵伸并且通常具有相当均匀一致且通常为圆形或椭圆形的横截面，缺少如短纤维那样的卷曲，而且表面较光滑、有光泽。这使得它们做为短纤维不够理想，因为其在梳理工艺中难于均匀分离，而且能导致不均匀混合和不匀的纱线。为了部分改善直纤维的问题，人造短纤维在切断前几乎都要在次级加工中进行卷曲加工。卷曲的例子见Sellars等人的美国专利5,591,388或5,601,765，其中将纤维丝束压入填塞箱中，并用干蒸汽加热。还需注意的是，具有连续均匀横截面和光亮表面的纤维制造的纱线倾向于有一种“塑料”外观。用热塑性聚合物制备的纱线通常要在纺丝前加消光剂，如二氧化钛。Wilkes等人在美国专利5,458,835中教导了具有十字断面和其它断面结构的粘胶人造纤维的制造方法。Michels等人的美国专利5,417,909公开了使用异型喷丝板制备具有非圆形横截面来奥赛纤维的方法，但本发明人还不知道该方法的任何商业应用。
来奥赛织物的两个公认问题源于湿磨条件下，例如在洗烫中可能产生的条件下的纤维原纤化。原纤化倾向于引起“起球”，即原纤缠绕形成小而较密的球。原纤化也造成织物染色后表面起“霜”。据信，原纤化是纤维内部高度取向和明显横向内聚力不良的结果。有大量技术和专利文献讨论了此问题并提出了解决方案。例如，可参考Mortimer，S.A.和A.A.Péguy发表于《应用聚合物科学杂志》(Joumal of AppliedPolymer Science)60：305-316(1996)的文章，以及Nicholai M.，A.Nechwatal和K.P.Mieck发表于《纺织研究期刊》(Textile ResearchJournal)，66(9)：575-580(1996)中的文章。首先提到的作者试图通过改变温度、相对湿度、狭缝长度以及在挤压和溶解之间的空气隙区中的停留时间解决该问题。Nicholai等人建议交联纤维，但指出“…此时，(不同提议的)技术设备看起来不大可能”。以相关的美国专利为例，可包括授予Taylor的那些美国专利5,403,530、5,520,869、5,580,354和5,580,356；授予Urben的5,562,739；和Weigel等人的5,618,483。这些专利大部分涉及用反应性材料处理纤维，以便引入表面改性或交联。纱线或织物的酶处理目前是减少原纤化所致问题的优选方法。然而，提到的所有处理都有缺点并且增加成本。抗原纤化的纤维将会有重要的优势。
Kaneko等人在美国专利3,833,438中教导了用铜氨人造长丝工艺制备纤维素自粘合非织造材料的方法。就本发明人所知，自粘合来奥赛非织造纤维网还没有被公开。
已能用多种挤出工艺方法制备合成聚合物的低纤度纤维。其中有3种与本发明有关。一种通常称为“熔喷法”，将熔融的聚合物经一系列小直径喷丝孔挤出进入一般与挤出纤维平行流动的空气流中，这使纤维在其冷却过程中得到牵伸。该牵伸有两个目的。其使纤维分子在长度方向取向并降低最终纤维直径。一种部分类似的工艺方法被称做“纺粘法”，其中将纤维挤出到管中，并由流经此管的空气流进行牵伸，该空气流是管远末端形成的真空所造成的。通常纺粘纤维比熔喷纤维更长，熔喷纤维常常具有离散的更短的长度。另一种工艺被称做“离心纺丝法”，其不同之处在于熔融聚合物从快速旋转的纺丝鼓的侧壁小孔中甩出。随着转鼓的转动，纤维受到空气阻力的一定牵伸。然而，该空气流通常不如熔喷工艺的强。这三种工艺均可用来制备非织造织物材料而且所有这三种工艺都不采用连续机械牵伸纤维的方法。由于它们已经在商业上被重视了很多年，所以关于这些工艺方法已经有大量的专利和一般技术文献。关于熔喷法的示例专利是Weber等人的美国专利3,959,421和Milligan等人的美国专利5,075,068。Weber等人的专利是在空气流中加水喷淋以快速冷却纤维。有一定相关性的方法在PCT公布的WO91/18682中进行了描述，该专利文献涉及用改良熔喷工艺涂覆纸的方法。所建议的涂覆材料是含水液体，例如：“淀粉、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、胶乳的水溶液，细菌纤维素的悬浮液，或任何含水材料、溶液或乳液”。然而，该方法实际上将挤出的材料雾化(atomizes)，而不是将其形成准纤维。Zikeli等人在美国专利5,589,125和5,607,639中指出，当挤出的来奥赛原液的丝束离开喷丝板时，空气流横向吹过这些丝束。此空气流仅仅起冷却作用，而不起牵伸作用。
离心纺丝的例子见于Rook等人的美国专利5,242,633和5,326,241中。Okada等人的美国专利4,440,700描述了热塑性材料的离心纺丝方法。当喷出材料时，纤维被环绕喷丝头的环形物捕捉到，并由冷却液体流的帘幕向下带动。在所列适于本方法的聚合物中包括聚乙烯醇和聚丙烯腈。在这两类材料的情况下，对它们进行“湿”纺，即，在溶液中和在“凝固浴”中被冷却液的幕帘所取代。
除了上述Kaneko等人的专利之外，由于纤维素本身基本上不熔融，所以从来没有在纤维素材料上使用过类似熔喷、纺粘、离心的纺丝方法。
非常细的、称为“微旦纤维”的纤维通常被认为是那些1.0旦尼尔或更细的纤维。用不同的合成聚合物例如用聚丙烯、尼龙或聚酯制备的熔喷纤维，可以制成直径低至0.4μm(约0.001旦尼尔)的纤维。然而这些纤维中大多数的强度或“韧度(tenacity)”将降低、而且它们一般吸水性差，这些是把它们用在衣服用织物中时的不利因素。在本发明之前，仅通过粘胶工艺制备了低达0.5旦尼尔的微旦纤维素纤维。
本发明方法制造了新来奥赛纤维，其克服了用合成聚合物、尼龙制造的纤维以及目前可得的来奥赛纤维的许多局限。其允许形成低旦和具有纤度分布的纤维。同时，每根纤维的表面如在高放大倍数下所看到的那样，倾向于呈小卵石纹状，而且纤维具有沿着纤维长度方向变化的横截面形状和直径，有明显的自然卷曲，并且在湿磨情况下可抗原纤化。所有这些都是所需要的特征，其是大多数天然纤维拥有而使用连续机械牵伸装置制备的来奥赛纤维失去了的特征。
发明概述
本发明涉及由再生纤维素制备的沿着纤维长度方向直径变异的纤维。这里的“纤维素”和“再生纤维素”应当做充分扩展的解释，以便包括在纺丝溶剂中互溶的纤维素与其它天然和合成聚合物的混合物，其中纤维素在重量上为主要成分。本发明具体涉及通过类似熔喷或离心纺丝法由纤维素的胺N-氧化物溶液制备低旦尼尔的纤维。当使用术语“熔喷”、“纺粘”和“离心”时，应当将其理解为类似热塑性纤维的制备工艺，尽管将纤维素做成了溶液，而且纺丝温度也仅仅被适度提高。术语“连续牵伸”和“连续机械牵伸”这里指制备来奥赛纤维的现有工艺方法，其中纤维受到机械拉伸，先是通过气隙的拉伸使纤维延伸且分子取向，然后是经再生浴的拉伸。
本发明方法首先将纤维素原料溶解在氧化胺中，优选溶解在有一定量水存在的N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)中。该原液或纤维素在NMMO中的溶液可以通过已有技术，例如在前述McCorsley或Franks等人的任一专利中所讨论的方法制备。在本发明中，这时在提高一定温度下，将该原液通过泵或挤出机在90-130℃转移到纺丝设备中，最后引导该原液通过多个小喷丝孔进入空气中。在熔喷法情形中，所挤出的纤维素原液细流被一般与丝束方向平行的湍气流加速。当纤维素溶液经喷丝孔射出时，液体细流或准单丝在它们离开喷丝孔后的连续抛物轨迹上受到牵伸(或明显的直径降低和长度增加)。湍流导致每根纤维自然卷曲和沿着最终纤维长度方向上的直径变异。沿着纤维长度上的变异可以用显微镜观察单个纤维的方式定量分析。该变异的一个有用度量称做“变异系数”或CV。CV是用所获得的平均直径计算得来的。CV是每根纤维与平均直径之间的标准偏差除以平均直径。所得的值乘以100变为百分数。按照本发明制备的长丝的CV值比连续牵伸纤维的CV值大。例如本发明长丝具有大于约6.5％的CV值，优选大于约7％，而且最优选10％。显著不同的是，当沿着纤维长度方向测量并与本发明的纤维比较时，那些直径均匀且卷曲不足或在后纺工序中导入的连续牵伸丝的纤维直径未表现出高的变异性。本发明的纤维会有无规的卷曲，而且峰到峰的振幅(amplitude)会大于约一个纤维直径而且一个周期(period)会大于约5个纤维直径。
可把纺粘法看作一种熔喷法，因为纤维在气流中被拾起并牵伸而无需机械地牵引。在本发明的上下文中，熔喷和纺粘应当看作功能上等同。
在以离心式纺丝制造纤维的场合，经过小孔将原液细流排出到空气中，并由纺丝头赋予的惯量作出牵伸。然后，将单纤维(或称长丝)导入再生溶液中，或者将再生溶液喷洒到单纤维上。再生溶液是一些非溶剂，例如水、低级脂肪醇或它们的混合物。然后作为溶剂使用的NMMO能从再生浴中回收以备再利用。
据信，当用熔喷或离心式纺丝法制造时，准纤维细流周围的湍流和震荡将是它们独特几何形状的原因。
能容易地形成平均尺寸小至0.1旦尼尔或甚至更小的单纤维。许多因素能控制纤度(Denier)，这些因素非限定地包括：孔径、气流速度、纺丝头速度和纺丝液粘度。反过来，纺丝原液粘度更多地受纤维素聚合度和浓度影响。能类似地通过挤出孔周围气流的设计和速度控制纤维长度。依据纺丝条件能容易地制造连续纤维或较短的短纤维。能方便地改良设备以便形成单纤维或将它们落丝制成非织造纤维素织物的垫子。在后一情形中，该垫子可在纤维素再生前形成并变成自粘结的。然后，从再生介质中再生这些纤维，进而对其进行洗涤、必要时的漂白、干燥以及从该方法角度来看简便的处理。
按照本发明制造的纤维，其光泽比缺少消光剂的连续牵伸的来奥赛纤维的光泽低相当多，因此它们没有“塑料”外观。未局限于任何一个具体理论，发明人相信，这是由于高倍放大显微照片中纤维独特的“小卵石纹”表面外观造成的。
通过适当地控制纺丝条件，按照本发明制造的纤维可以被制造成各种横截面形状，并且纤维直径分布较窄。和用连续牵伸方法制造的来奥赛纤维相比，直径和横截面构型一般会沿单个纤维长度方向出现一些变化，赋予纤维更高的CV值。本发明的纤维是再生纤维素纤维中沿纤维长度方向直径变异性高的独特纤维。按照本发明制造的纤维形态学上和许多天然纤维类似。
按照本发明用熔喷法或离心式纺丝法中任一种方法制造的纤维具有与填塞箱法所赋予的卷曲十分不同的自然卷曲。填塞箱法赋予的卷曲较规则，其卷曲振幅较低，通常少于一个纤维直径，而且峰到峰的周期短，一般不大于两个或三个纤维直径。按照本发明制造的纤维具有大于一个纤维直径的无规振幅和超过约5个纤维直径的无规周期，这是具有卷曲或波状外观的纤维的特征。
十分意外的是，本发明的纤维表现出湿磨条件下很高的抗原纤化特性。这是一种主要优点，因为不需要后纺加工，例如交联或酶处理。
本发明纤维的性能非常适合在常规的纺织品制造加工中进行梳理和纺纱。这些纤维有许多天然纤维的属性，同时能够制造成自然界中无法获得的微旦直径。按照本发明进行的这些方法已经获得了小至0.1旦的纤维直径。还可由本发明的纤维直接制造出自粘结的纤维网或紧密缠绕的多股纱线。
本发明的特别优点是，其有能力与那些其它情况下可能被认为与其不相容的聚合物材料形成纤维素共混物。氧化胺是极强的溶剂并且不仅能溶解纤维素而且能溶解许多其它聚合物。因此，能形成纤维素与例如木质素、尼龙、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚(丙烯腈)、聚(乙烯吡咯烷酮)、聚(丙烯酸)、淀粉、聚(乙烯醇)、聚酯、聚酮、酪蛋白、纤维素醋酸酯、直链淀粉、支链淀粉、阳离子淀粉及许多其它物质的共混物。这些材料的每一种与纤维素形成的均匀共混物能制造出具有新的和独特性能的纤维。
本发明的目的之一是，提供一种方法，该方法由氧化胺-水介质中的溶液通过作为非连续牵伸方法的类似熔喷、纺粘或离心式纺丝的方法，形成再生纤维素低纤度纤维或纤维素共混纤维。
本发明进一步的目的是，提供低纤度的纤维素纤维，这些纤维具有有利于形成纱线的几何形状和表面特性。这些纤维与使用连续牵伸设备的方法制造的来奥赛纤维相比，优选呈现较高的CV值。
本发明更进一步的目的是，提供自然卷曲和低光泽的纤维。
本发明的又一项目的是，提供湿磨条件下抗原纤化的来奥赛纤维。
还有一个目的是，提供再生纤维素纤维，其具有许多类似或优于天然纤维的性能。
再有另一个目的是，提供以上各类纤维的制造方法，其中该方法中的所有生产化学品能容易地回收和再利用。
另一个目的是，提供自粘合的非织造来奥赛织物。
附图简述
通过参考以下详细描述，同时结合附图，人们会更好地理解本发明的前述方面和许多附带的优点，其中：
图1是本发明方法实施中所用各步骤的框图；
图2是用于本发明的典型离心纺丝设备的部分剖面透视图；
图3是用于本发明的典型熔喷设备的部分剖面透视图；
图4是上述熔喷设备可使用的典型挤出头的横截面图；
图5和6分别是可购得的商品来奥赛纤维在100倍和10000倍放大倍率下的扫描电子显微镜图；
图7和8分别是采用离心纺丝法制备的来奥赛纤维在200倍和10000倍放大倍率下的扫描电子显微镜图；
图9和10分别是显示离心纺丝法的单根纤维在2000倍放大倍率下的横截面扫描电子显微镜图；
图11和12分别是熔喷纺丝得到的来奥赛纤维在100倍和10000倍放大倍率下的扫描电子显微镜图；
图13图示说明使用熔喷纺丝法制造自粘合来奥赛纤维非织造织物；
图14类似地图示说明使用离心纺丝法制造自粘合来奥赛纤维非织造织物；
图15和16是两种商品化纤维各自在放大倍率为1000倍时的扫描电子显微镜图，显示湿磨试验引起的原纤化；和
图17和18是两种用本发明方法制备的纤维样品在放大倍率为1000倍时的扫描电子显微镜图，对它们类似地进行了湿磨试验。
图19、20和21是采用熔喷纺丝法制备的来奥赛纤维在放大倍率分别为100倍、1000倍和10000倍时的扫描电子显微镜图；
优选实施方案详述
本发明所用的纤维素原材料的类型不是关键性的。它可以是能用不同方法制造的漂白或非漂白的木浆粕，这些木浆粕的实例例如为，牛皮纸、预水解的牛皮纸或亚硫酸盐浆。许多其它纤维素材料如精制的棉短绒也同样适合使用。在溶解到氧化胺溶剂中之前，如果纤维素是片材，一般要粉碎为细绒，以便更快形成溶液。
可以用已知方法制备纤维素的溶液，例如McCorsley的美国专利4,246,221所述的方法。例如，可以用约40％NMMO和60％水的非溶剂混合物将纤维素润湿。纤维素和湿NMMO的重量比可为约1∶5.1。该混合物在约120℃的真空条件下在双臂西格马型叶片搅拌机中混合约1.3小时，直到足够的水被蒸馏掉，只剩下基于NMMO约12-14％的水，从而形成纤维素的溶液。所生成的纤维素原液中含有约30％的纤维素。另外的替代性方式是，为了不需要真空蒸馏，最初就使用含适量水的NMMO。实验室中有以下制备纺丝原液的便利方式，其中可将约40-60％浓度的商品NMMO与仅含约3％水的实验室试剂NMMO混合，制备含有7-15％水的纤维素溶剂。应当将纤维素中通常含有的水分计算在内，用于校准该溶剂中必需存在的水量。可以参考《聚合物科学杂志》，聚合物物理版18：1137-1144(1980)[Journal of PolymerScience，Polymer Physics Ed.，18：1137-1144(1980)]中Chanzy，H.和A.Péguy的文章以及《英国聚合物杂志》(British Polymer Journal)1980年12月，第174页上Navard，P.和J.M.Haudin的文章，用于实验室制备NMMO-水溶剂中的纤维素原液。
参看图1，其显示根据本发明方法的框图。正如所说，制备含水NMMO中纤维素原液的方法是常规的。与常规不同的是这些原液的纺丝方法。在本发明方法中，将纤维素溶液从喷丝孔挤压进入湍气流中，而不是象粘胶纤维或铜氨纤维一样直接进入再生浴。仅是稍后才使准单丝再生。然而，本发明方法也不同于制备来奥赛纤维的常规方法，因为不是将该原液经气隙向下连续线形牵伸成不断裂的线并进入再生浴。
图2表示离心纺丝法。将热的纤维素原液1导入加热的通常中空的圆筒或带有封闭基座的转鼓2中，该转鼓在侧壁6上有许多小孔4。当圆筒转动时，使原液在水平的方向穿过小孔形成细线8。当这些细线遇到周围空气的阻力时，会受到较大倍数的牵伸或拉伸。该牵伸的量取决于可容易控制的因素，如圆筒转动速率、喷丝孔尺寸和原液粘度。该原液细流可以因为重力作用落下或被空气流强迫向下进入装在盘12的非溶剂10中，它们在此凝固成单个的取向纤维。替代的选择是，通过一圈喷嘴16喷淋水，可以部分或全部地再生该原液细流8，其中向所述喷嘴中通入再生溶液18。另外，如下述，可将原液细流在再生时或在再生前形成非织造织物。尽管也可以使用乙醇和水-乙醇的混合物，但水是优选的凝固非溶剂。从此处收集纤维，而且可洗涤除去任何残留的NMMO，必要时可以漂白，然后干燥。随后的实施例2将给出实验室离心法短纤维制备的具体细节。
图3和4显示典型熔喷纺丝的细节。如图3所示，原液源(没有显示)被导向挤出机32，挤出机迫使纤维素溶液从具有多个喷丝孔36的开孔模头34出来。空气或其它气体沿着管道38供入，并围绕和输送挤出的溶液细流40。浴或槽42中盛有再生溶液44，其中，这些细流在该溶剂中由溶液再生成纤维素纤维。替代选择是，可用水喷淋使这些准纤维再生或部分再生。非机械牵伸或拉伸的量可取决于易控制的因素：如喷丝孔尺寸、原液粘度、原液中纤维素的浓度以及空气的速度、温度和喷嘴的构型。
图4显示典型的挤出喷丝孔。喷丝板20钻有多个喷丝孔36。该喷丝板由多个有头螺钉18固定在挤压头22的本体上。内套件24中形成纤维素溶液的挤出口26。其被空气通道28包围，该空气通道围绕挤出溶液丝40，使丝牵伸，并带其进入再生介质中。以下实施例3将详细叙述利用熔喷法的实验室规模的纤维制备。
图5-6为常规连续牵伸法制备的来奥赛纤维的扫描电子显微镜图。值得注意的是，每根纤维在沿着纤维长度方向上纤维的横截面几乎是圆形。纤维在长度方向上直径近似均匀的，因此相应的CV值低。CV直接度量纤维直径的变异。对于一些连续牵伸的来奥赛纤维(没有显示)，观察到CV值不高于约6.1％。图6显示放大倍率为10000倍时，其表面相当光滑。
图7-10是用本发明离心纺丝法制备的纤维。图7中的纤维直径有一定范围，而且倾向于有些弯曲，使它们天然卷曲。该天然卷曲十分不同于常规填塞箱中所获得的规则弯曲。振幅和周期不规律，而且在高度和长度上是至少几个纤维直径。大部分纤维有些扁平，而且有些纤维显出可观量的捻度。纤维直径在约1.5-20微米的范围(＜0.1-3.1旦)变化。大多数纤维平均直径在12微米(约1旦)。在显微镜照片中已显而易见，和天然卷曲一起的其它性能。例如，与图5和6连续牵伸纤维不同的是，离心纺丝法制备的纤维在沿着纤维长度方向上，横截面面积变化大，因此，有CV值更高的优点。在一些离心纺丝纤维中这些变异性比其它纤维的更普遍。然而，总的来说，当与连续牵伸纤维相比时，离心纺丝工艺制备的纤维沿着纤维长度方向直径的变异更大。有些离心纺丝纤维(未显示)，所获得的纤维CV值范围在至少约10.9％到约25.4％的范围中。
然而，用本发明方法制备的来奥赛纤维通常能获得约6.5％到约25.4％且甚至更大的变异系数。下面的实施例将进一步描述用来获得这些纤维的方法。本发明者相信，通过改变所述加工条件，能够获得变异系数在该范围内的来奥赛纤维。
图8显示了在10000倍放大倍率下的图7纤维。在表面有均匀的小卵石纹外观，与商品化的纤维十分不同。这导致低光泽性并改善了纺丝性能。
图9和10是单根离心纺纤维上切5mm部分的横截面扫描电子显微镜照片。其生动地显示了沿着纤维的横截面和直径的变化。该变异是离心纺和熔喷纺纤维均有的特征。
图11和12是熔喷纤维在低和高放大倍率下的扫描电子显微镜照片。与离心纺丝纤维相比，这些样品的卷曲看上去要更大。图12是在10000倍放大倍率下的显微镜照片，其显示出类似离心纺丝纤维的明显的卵石纹表面。与连续牵伸法制造的纤维相比，用熔喷法制备的纤维比离心纺丝法制备的纤维，在沿着纤维长度方向上的直径变异性更高。有些熔喷纤维(没有显示)中，由CV度量的纤维直径的变异性为约12.6％-14.8％或更高。
用不同的仪器和条件进行试验获得的所有结果强烈表明，用本发明方法制造的纤维可得到变异系数范围在约6.5％-约25.4％且甚至更大的纤维。这些值超出了由连续牵伸纤维如TITK制备的纤维或商品名为Tencel的纤维获得的值。
不过，这两种方法制备的纤维，其全部形态非常有利于形成细而紧密的纱线，因为其许多特征与天然纤维类似。据信，这正是本发明来奥赛纤维的独特之处。
图13显示用改良熔喷法制备自粘合来奥赛非织造材料的方法。将纤维素原液50通入到挤出机52中，再到挤出模头54。空气源56在挤出孔附近起着在原液细流58从挤出模头下来时将原液细流58牵伸的作用。优选选择工艺参数以生成连续的而不是无规的短纤维。纤维落到环形移动的皮带60上，该皮带由辊62，64支撑并驱动。这里它们形成准非织造织物垫66。顶部辊(没有显示)可以用来将纤维压紧，以确保在交叉点上粘合。当该垫66在皮带60的支撑下沿着其路径前进时，再生溶液68通过喷嘴70直接喷淋在其上。然后从该皮带的端头移去再生产品72；在此可以进行进一步加工，例如进一步水洗、漂白、和干燥。
图14是一种替代方法，用于以离心纺丝法形成自粘合非织造纤维网。将纤维素原液80通入到快速转动的转鼓82中，其侧壁上有许多喷丝孔84。准纤维86从喷丝孔84中排出并被空气阻力和转鼓转动所施加的惯性力牵伸或拉长。它们撞击到接受器表面88的内壁上，该接受器表面与转鼓同心地围绕该转鼓设置。该接受器可选择性地具有截头圆锥体状的下部90。再生溶液92的帘膜或喷雾从围绕接受器88四壁的环94向下流动，以便部分凝结撞击到接受器侧壁上的纤维素垫(mat)。可将环94定位在如图所示的位置，或者如果准纤维自粘合成非织造纤维网需要更多时间的话，将该环移向更低位置。部分凝固的非织造纤维网96从接受器的下部90连续机械拉出，进入容器100中的凝固浴98中。当纤维网沿着其路径移动时，该纤维网由圆筒结构坍缩成两层平面形式的非织造结构。当网在辊102，104下移动时，纤维网处于浴中。现在接收辊106将完全凝固的两层非织造纤维网108从浴中移出。任何或所有的辊100、102或104可是驱动的。这时，该网108被连续引导进行洗涤和/或漂白操作(没有显示)，接着干燥以便贮存。可按要求将其剖开并打开成单层非织造物或保持为双层非织造物。
原纤化定义为，单根纤维表面部分劈裂成微纤或原纤。作为湿磨的一种结果发生这种劈裂，湿磨中纤维对纤维磨损或纤维对硬表面摩擦。依据磨耗条件，大部分或许多原纤仍会保持一端与母体纤维连接。这些原纤如此细小以至于它们变得几乎透明，在最终织物表面产生白色、霜状外观。在更极度原纤化情形下，微原纤之间开始互相缠结，导致起球的外观和手感。
尽管还没有测定抗原纤化性能的标准工业试验方法，但以下程序是所用过各种方法中的典型方法。称取0.003克的个体化纤维，放入有10mL水的加盖的25mL试管(13×110mm)中。接着将样品在频率为200转/分钟的低振幅的混合器中进行混合操作。试验持续时间可以在4-80小时变化。图15-18所示的样品振荡4小时。
图15和16显示对从两个不同供应商处购得的纱线进行上述试验，在纤维中引起的相当程度的原纤化。将它们与本发明“熔喷”纤维的两个样品的图17和18比较。
图19、20和21是新制的熔喷纤维，其显示这些熔喷纤维的原纤化非常小。其原因还不完全清楚。然而，以下理解不是要限制在任何一种具体的理论上，据信，和现有商业化方法制备的纤维相比，本发明的纤维结晶度和取向度低一些。除了能降低原纤化倾向以外，还发现本发明的纤维具有更大和更均匀的染料吸取性。使用后因原纤化而出现的“霜状”外观的倾向在本发明的来奥赛纤维中几乎完全消失。图19显示本发明方法制造的纤维的形态结构。特别是，可明显地看出纤维直径在沿着纤维长度方向上的变化。图21显示本发明方法所制造纤维上的小卵石纹表面。
实施例1 纤维素原液的制备
用于本实施例和以下实施例中的纤维素浆粕，除非有不同说明，均是南方软木市场所获得的标准漂白牛皮纸浆粕Grade NB416，其得自卡罗来纳州，新伯尔尼的Weyerhaeuser Company(New Bern，NorthCarolina)。其α纤维素的含量为约88-89％，而D.P.约为1200。在使用前，该木浆粕片通过一台疏解机粉碎成基本上单的纤维和小的纤维束。在250mL的三颈玻璃烧瓶中加入5.3g绒毛状纤维素，66.2g 97％NMMO，24.5g 50％ NMMO和0.05g没食子酸丙酯。将该烧瓶浸入120℃的油浴中。插入搅拌器，连续搅拌约0.5小时。制备出来的可流动的原液直接适合纺丝。
实施例2离心纺丝法制备纤维
所用的纺丝设备是改良的“棉花糖”型，与Fuisz等人的美国专利5,447,423所描绘的类似。预热到120℃的转子的直径为89mm并以2800rpm的速度转动。通过遮挡一些喷丝孔，可使喷丝孔的数目在1-84之间调整。8个直径为700微米的喷丝孔用于以下的试验。将温度也在120℃的纤维素原液倒入纺丝转子的中心。使涌出的原液细流受重力作用落入装在围绕该转子的盆中的温度为室温的水中。纤维素在这里再生。尽管偶尔有些纤维会彼此粘在一起，但大多数纤维保持彼此独立，并且长度为数厘米。
除了刚刚描述的方法以外，还可以成功地由漂白和未漂白的牛皮纸浆粕、亚硫酸盐浆粕、微晶纤维素及纤维素与高达30％的玉米淀粉或聚丙烯酸形成的混合物制备类似的微旦纤维。
纤维的直径(或纤度)可以采用数种方法可靠地控制。原液粘度越高，则倾向于形成越粗的纤维，反过来，原液粘度可通过包括纤维素固含量或纤维素聚合度的手段来控制。更小的纺丝孔尺寸或更高的转鼓转动速度可制备更小直径的纤维。可重复生产地制备直径约为5-20微米(0.2-3.1旦)的纤维。直径为20-50微米(3.1-19.5旦)的粗纤维很容易制备。纤维的长度根据系统的操作参数和几何形状而有相当大的变化。
实施例3熔喷法的纤维制备
将如实施例1所制备的原液保持在120℃，并将它进料到最初为生产熔喷聚合物而开发的设备中。所有孔的长度均约50mm且直径为635微米，其锥形到出口处直径为400微米。通过20厘米湍流的空气后，纤维落入水浴中再生。再生纤维的长度不同。形成一些短纤维，但大多数是数厘米到数十厘米长。改变挤出参数可以形成连续的纤维。相当令人惊奇的是，沿纤维长度方向许多纤维的横截面是不一致的。该特征被认为是使用本发明微旦纤维制备紧密纱线特别有利之处，因为这些纤维在总体形态上更类似天然纤维。
上述方法的一个变种是，在将纤维导入再生浴之前，使其撞击到行进的不锈钢织网运输带上。形成良好自粘合的非织造毡。
应当理解来奥赛非织造织物不必是自粘合的，它们可以是部分自粘合的或一点也不具有自粘合性。在这些情况下，可用任一众所周知的方法将它们粘合，这些方法非限定地包括：水刺、使用粘合剂如淀粉或各种聚合物乳液，或这些方法的某些组合。
实施例4
使用微晶纤维素配料制备熔喷来奥赛纤维
为了提高原液中的固含量，使用微晶配料而不是使用木浆粕重复实施例1中的工艺。该产品使用从FMC Corp，Newark Delaware获得的AvicelType pH-101微晶纤维素。使用15g和28.5g微晶纤维素(干重)和66.2g 97％NMMO，24.5g 50％NMMO和0.05g没食子酸丙酯来制备原液。该过程另外的如在实施例1中所作的描述。所生成的原液中分别含有约14％和24％的纤维素。对它们进行如实施例3中所述的熔喷纺丝。所生成的纤维在形态上基本上与实施例2和3的一样。
应当理解，纤维的纤度取决于许多可控制的因素。其中包括溶液的固含量、在挤出机模头处的溶液压力和温度、喷丝孔直径、空气压力和其它在熔喷和离心法中众所周知的变量。具有平均0.5旦或者更低纤度的来奥赛纤维可连续由熔喷或离心纺丝法之一生产。0.5旦尼尔的纤维对应的平均纤维直径(相应于圆形截面进行估计)约为7-8微米。
用X射线分析研究本发明纤维，以确定其结晶度和结晶类型。在下表中与另外一些纤维素纤维进行比较。微旦纤维的数据是从实施例2的离心纺丝材料上取得的。
表1不同纤维素纤维的结晶性能纤维本发明微旦纤维素普通来奥赛纤维Tencell纤维棉结晶度指数67％65％70％85％微晶纤维素II纤维素II纤维素II纤维素I
由于测定单个纤维的抗张强度有些困难，因此下表的韧度数字是估计的。接着，将本发明的微旦纤维与若干其他纤维相比。
表2纤维物理性能的测定纤维棉So.pine人造丝1蚕丝离心纺来奥赛纤维Tencel典型长度cm40.540＞104可变可变典型直径μm20401610512韧度g/d2.5-3.0-0.7-3.22.8-5.22.14.5-5.0
注1粘胶法
离心纺丝所获得的来奥赛纤维的平均直径约5μm，相当于约0.25旦尼尔的纤维。
本发明纤维的小卵石纹表面导致所需的低光泽而且无需任何内部消光剂。尽管光泽或光彩是很难测定的性能，但是以下测试将示范出实施例2方法制造的纤维样品与商品来奥赛纤维之间的差异。用各纤维制成小的湿成型手抄纸(handsheets)，并测定它的光反射率。实施例2材料的反射率为5.4％，而其它商品纤维的是16.9％。
实施例5
用于计算沿纤维长度上的变异系数的离心纺丝纤维的制备
该纤维素原液的制备和纤维的制备与上述实施例1和2的过程一样。
实施例6
用于计算沿纤维长度上的变异系数的熔喷(1孔)纺丝纤维的制备
用下面的方法制备原液。2300克的干NB416牛皮纸浆在塑料容器中与14千克5.0％的H2SO4溶液混合。从未干燥过的NB416的平均D.P.在酸处理前为1400，半纤维素的含量为13.6％，铜值为0.5。该浆粕和酸的混合物在97℃下保温1.5小时，然后在室温下冷却约2小时，并用水冲洗直至pH值在5.0-7.0的范围。酸处理后浆粕的平均D.P.为约600，用ASTM D1795-62方法测定，半纤维素的含量约为13.8％(即实验测定的酸处理后浆粕的平均聚合度与酸处理前浆粕的平均聚合度之间的差异统计上差距不明显)。酸处理浆粕的铜值为约2.5。
酸处理的浆粕被干燥，而且一部分溶解在NMMO中。9克的干、酸处理过的浆粕溶解在含有0.025克没食子酸丙酯、61.7克97％NMMO和21.3克50％NMMO的混合物中。含有该混合物的烧瓶浸入约120℃的油浴中，插入搅拌器，连续搅拌约0.5小时，直到浆粕溶解。
所生成的原液在120℃保温，然后通入单孔实验室用的熔喷纺丝头中。该喷嘴部分的孔直径为483μm，长度约2.4mm，长径比为5。在紧靠该喷丝孔处有一根可移动的同心毛细管，其直径为685μm，长度为80mm，长径比为L/D为116。该毛细管和喷丝孔之间的过渡区夹角为约118°。空气输送部分是与喷丝孔开口平行的距离相等的狭缝。该空气狭缝的宽度为250μm，喷嘴端的总宽度为1.78mm。空气狭缝与毛细管和喷嘴中心线之间的夹角为30°。原液通过螺杆驱动正位移的活塞泵进料到挤出机模头。用热线式仪表测定空气的速度为3660m/min。空气在挤出机模头通过电加热，在出口处达到60-70℃。毛细管中如果没有原液，入口约为80℃，出口处，即刚好在喷嘴部分前处约为140℃。不可能测定操作条件下毛细管和喷丝孔有原液时的温度。当建立起平稳运行的条件时，由各原液形成连续的纤维。在试着用每种原液获得相似纤维直径的纤维时，吐出量可以有一定的变化，但都大于1g原液/min。在最优的运行条件下，纤维直径为约9-14μm。
在挤出机模头下约200mm处直接向下降的纤维上喷雾细水流，纤维以下降速度的约1/4的表面线速度卷绕在辊上。
当挤出机模头的毛细管部分移除时，不能形成棉纤度范围的连续纤维。在形成连续纤维，避免喷丝孔膨胀方面毛细管显得格外重要。
应当理解，纤维的纤度取决于许多可控制因素。这些因素包括溶液的固含量、 挤出机模头处的压力和温度、喷丝孔直径、空气压力和其它在熔喷工艺中众所周知的因素。通过熔喷工艺很容易以每个喷丝孔吐出量大于1g原液/min的速度，稳定生产棉型纤维范围的(约10-20μm)的来奥赛纤维。
实施例7
用于计算沿纤维长度上的变异系数的熔喷(20孔)纺丝纤维的制备
用下面的方法制备原液。2300克的干NB416牛皮纸浆在塑料容器中与14千克5.0％的H2SO4溶液混合。从未干燥过的NB416的平均D.P.在酸处理前为1400，半纤维素的含量为13.6％，铜值为0.5。该浆粕和酸的混合物在97℃下保温1.5小时，然后在室温下冷却2小时，用水冲洗直至pH值在5.0-7.0的范围。酸处理后浆粕的平均D.P.约为600，用ASTM D1795-62方法测定，半纤维素的含量约为13.8％(即实验测定的酸处理后浆粕的平均聚合度与酸处理前浆粕的平均聚合度之间的差异统计上差距不明显)。酸处理浆粕的铜值为约2.5。
酸处理的浆粕用NaBH4还原到铜值为0.6，然后水洗至pH值在6.0-7.0，然后干燥并将一部分溶解在NMMO中。90克的干、酸处理过的浆粕在约110℃条件下，溶解在含有0.25没食子酸丙酯和1100克NMMO单水合物的混合物中。将含有该混合物的不锈钢大口杯浸入在120℃的油浴中，插入搅拌器，连续搅拌1小时，直到浆粕溶解。
所生成的原液在120℃保温，然后进料到20孔实验室用的熔喷纺丝头中。该喷嘴部分的孔直径为400μm，长度约2.0mm，长径比为5。在紧靠该喷丝孔上方有一根可移动的同轴毛细管，其直径为626m，长度为20mm，长径比为L/D为32。该毛细管和喷丝孔之间的过渡区夹角为约118°。空气输送口是与喷丝孔开口平行的距离相等的狭缝。该空气狭缝的宽度为250μm，喷嘴端的总宽度约1.0mm。空气狭缝与毛细管和喷嘴中心线之间的夹角为30°。原液通过螺杆驱动正位移的活塞泵进料到挤出机模头。用热线式仪表测定空气的速度为3660m/min。空气在挤出机模头通过电加热，在出口处达到60-70℃。毛细管中如果没有原液，入口约为80℃，出口处，即刚好在喷嘴部分前约为130℃。不可能测定操作条件下毛细管和喷丝孔有原液时的温度。当建立起平稳运行的条件时，由各原液形成连续的纤维。在试着用每种原液获得相似纤维直径的纤维时，吐出量可以有一定的变化，但都大于每孔0.6g原液/min。在最优的运行条件下，纤维直径为9-14μm。
在挤出机模头下约200mm处直接向下降的纤维喷雾细水流，纤维以下降速度的约1/4的表面线速度卷绕在辊上。
当挤出机模头的毛细管部分移除时，不能形成棉纤度范围的连续纤维。在形成连续纤维，避免喷丝孔膨胀方面毛细管显得格外重要。
应当理解，纤维的纤度取决于许多可控制因素。这些因素中有溶液的固含量、挤出机模头处的压力和温度、喷丝孔直径、空气压力和其它在熔喷工艺中众所周知的因素。通过熔喷工艺很容易以每个喷丝孔吐出量大于0.6g原液/min的速度，稳定地生产棉纤维范围的(直径约10-20μm)的来奥赛纤维。
对比例1
用于计算沿纤维长度上变异系数的TITK来奥赛纤维的制备
TITK纤维是由Thuringisches Institut fur Textil und KunstoffForschunge V.，Breitscheidstr.97，D-07407 Rudolstadt，Germany.(TITK)研制的。将酸处理的浆粕(半纤维素含量为13.5％，纤维素平均聚合度D.P.为600)制备为原液。该处理过的浆粕溶解在95℃的NMMO中2个小时，形成纤维素浓度为13.0％(wt)的原液，然后按照美国专利5,417,909的描述通过干/喷湿纺工艺连续牵伸，该专利在此经引用并入。
对比例2
用于计算沿纤维长度上变异系数的Tencel和Tencel A-100纤维的制备
Tencel纤维通常可以购买到。然而，在本实施例中所用的样品是从Acoridis和位于Texas技术大学的国际纺织中心(ITC)获得的。Tencel A-100是从Acoridis(UK)获得的。
实施例8
计算沿纤维长度方向上的变异系数
从上述实施例5-7和对比实施例1-2的方法中所获得相关的大量纤维样品中每种随机选出一到二个样品纤维。将该纤维切为约2英寸或更短。对每组单独的切断纤维样品进行不少于200次的测定。采用光学显微镜测定单根纤维样品的直径。优选，显微镜目镜有刻度尺以便读取纤维直径。使用放大倍率为1060倍来精确确定直径。沿着纤维长度方向约每1/100英寸读取一次读数，纤维直径从纤维的一侧读到相对的另一侧。然后将所测定的所用纤维直径之和除以读数的次数，计算出平均直径。然后由每个读数计算出对平均值的标准偏差。所有标准偏差之和除以平均直径计算出变异系数(CV)，该数字乘以100为百分数。
所测定的CV结果显示在表3中。从表3中的数据可以看出，离心纺纤维平均直径约为11.5微米，其CV值最高，约为25.4％。熔喷纤维直径为约24.9微米，其CV值最高为14.8％。熔喷纤维的平均直径范围在约13-14微米，CV值为约13.6-13.7％。相对比较，无论大直径还是小直径的熔喷纤维的CV值较低。连续牵伸的TITK纤维的CV值在约5.4％-6.1％。连续牵伸的Tencel和Tencel A-100的CV值分别为约5.2％和5.9％。然而重要的是，与连续牵伸方法所获得的来奥赛纤维相比，熔喷纺和离心纺纤维具有更高的CV值。
表3沿纤维长度的直径变化 纤维 直径(微米) CV(％) 熔喷(1孔) 13.7 13.6％ 熔喷(1孔) 24.9 14.8％ 熔喷(20孔) 13.1 13.7％ 熔喷(20孔) 30.7 12.6％ 熔喷(20孔) 5.5 7.0％ 离心纺 34.2 10.9％ 离心纺 17.5 14.3％ 离心纺 11.5 24.4％ TITK来奥赛1 13.0 6.1％ TITK来奥赛1 13.5 5.4％ Tencel1 13.5 5.2％ Tencel A-1001 10.8 5.9％
注1.对比例，不是本发明的示例。
虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是应当理解不背离本发明的精神和范围，可作出各种改变。