低摩擦系数的纤维 【发明领域】
本发明涉及具有低摩擦系数表面的纤维及制备这类纤维的方法。该纤维可以结合到织物中而生产成衣,使成衣与穿着者身体表面、或目标物的外表面、或流体介质之间的摩擦系数下降。
现有技术描述
有许多熟知的制造纤维的方法。纤维的典型结构是,其长度比它们的任何其它尺寸都要大得多,通常,其长度至少是其直径的100倍。纤维可以是天然的、合成的、有机的或无机的。用于制备合成纤维的本体聚合物,常常可以用作塑料或薄膜,这取决于分子取向的类型和程度以及最终结构的相对尺寸。
纤维通常是由本体材料经纺丝拉伸、牵伸制备,如此其分子主要沿纺丝和牵伸方向排列。随后,在熔融温度以下拉伸纤维,这样显著地改变了纤维的机械性能。
纤维也可以通过切割取向薄膜或片材进行制备。如果由取向片材制备纤维,那么切割后的片材需要接着进行牵伸,以便得到所要求的纤维性能。
大多数合成纤维可以制造成连续长丝或者短纤维。短纤维是通过将连续长丝切成短的长度制成的。大多数天然纤维制造成短纤维,而蚕丝则是一个明显的例外。
连续长丝和短丝经常要经过后处理,以改变它们地表面特性。所谓的表面处理可以包括:采用表面活性剂进行洗涤以除去表面杂质;采用表面涂料进行上浆,以便在织造过程中保护纤维;染色后改变纤维的颜色;采用精制石油产品上油,以降低静电和摩擦系数。
显然,在现有技术中,涂覆短丝或长丝通常可提供表面完全被涂料涂覆盖的纤维。在要求低摩擦系数的情况下,这样做往往是不理想的。对于要求在纤维的上和/或下表面具有低摩擦系数的应用来说,均匀涂覆的纤维,在织造成用于制造服装的织物之后,难以提供最佳的性能。
大多数服装由天然和许多人造材料制成。这些材料包括棉、毛、丝、亚麻、皮革、乙烯基系纤维、尼龙-聚酰胺和聚酰胺共聚物、不同长丝构成的莱卡弹性纤维(SPANDEXTM)、奥纶聚偏氟乙烯如KYNARTM、和聚酯如聚对苯二甲酸乙二酯、乙二醇改性聚酯、例如PETG、KODURATM、人造纤维素纤维、奥纶纤维素纤维混纺纱等,以及上述材料的混纺纱。
当然,衣服或者直接或者间接总与穿着者的体表相接触。穿着者的运动产生穿着者体表和衣服的摩擦接触。这种摩擦接触能够产生刺激、起泡、起茧、尤其在运动服中这是一个问题,其中刺激、起泡和起茧的形成通过与具体活动有关的快速和/或重复的身体运动而加剧。另外,应当指出大多数服装具有高的身体表/服装接触比面积,这种接触引起大部分的刺激、起泡和起茧。
克服由成衣和穿着者之间摩擦接触引起的问题的一个途径是用低摩擦织物制作衣服。这种织物可以由具有低摩擦外表面的纤维来制造。然而,当将低摩擦纤维织造在一起生产织物时,纤维与纤维之间的低摩擦系数,使纤维在其中容易滑动,这可能降低织物稳定性。Hogenboom等的美国专利5,035,111考虑到了这个问题。Hogenboom力图通过将具有低摩擦系数的纱或纤维与具有高摩擦系数的纱或纤维一起纺纱来克服这个问题。但是,Hogenboom没有公开对纤维本身进行改性。此外,Hogenboom的纤维不是经薄膜、片材或纤维的共挤出、层合和/或涂覆而制造的,因此仅仅部分纤维表面具有低摩擦系数。
本发明的目的和概述
已经考虑到,现有技术未能提供制造下述纤维的方法,该纤维至少一个表面具有低摩擦系数特性且仍保持着纤维织造成织物所需要的性能(如结构稳定性和高拉伸强度)。
所以,本发明的目的是提供一种制造具有低摩擦系数表面或具有光滑表面的、用于结合到织物之中同时保持纤维织造成织物所需性能的纤维的方法。
具体地说,本发明的目的是提供一种具有低摩擦系数表面的、在织造成织物之后仍保持织物稳定性的纤维。
更具体地说,本发明的目的是通过共挤出、层合和/或涂覆制造至少具有一个低摩擦系数表面的纤维。
本发明还有的另一个目的是提供一种耐用的、高拉伸强度的、具有至少一个低摩擦系数表面的、以及适用于织造具有至少一个低摩擦系数表面的织物的纤维。
一方面,本发明提供由取向薄膜或片材制造的纤维。通过共挤出、层合和/或涂覆形成薄膜/片材,这样上表面和/或下表面具有不同于材料中心层或内层的摩擦系数。所得纤维可以以优选的工序加捻和/或取向,这样具有较高摩擦系数的中心层与织物结构的其它部分相互作用,从而使织造织物结构的稳定性增加。这种稳定性是通过共挤出、层合和/或涂覆纤维的较高摩擦系数的表面接触总织物结构的其它表面实现的。
另一方面,本发明采用低摩擦系数的材料部分地涂覆“基础纤维”,如此基础纤维的涂覆表面的摩擦系数低于未涂覆表面。与由薄膜和片材制造的纤维一样,部分涂覆的纤维可以以优选的工序加捻和/或取向,如此摩擦系数高于涂覆表面的未涂敷表面,与织物结构的其它部分相互作用,从而使织造织物结构的稳定性增加。
本发明还有的另一方面是提供共挤出、层合,和/或涂覆纤维,其中芯层/基础纤维具有吸收冲击的特性(例如:芯层是开孔泡沫或闭孔泡沫)。这种纤维除了在其处理过的表面上具有低摩擦系数之外,还能提供较高的缓冲值。
本发明的再一个方面是提供其芯层/基础纤维具有理想的热特性的纤维。例如:芯层/基础纤维可以包含限制散热的绝热材料,或者包含利于散热的辐射材料。
显然,本发明的纤维可以用来生产具有改进的织造织物稳定性、吸收冲击性能和/或热性能的织物。因此本发明提供了减少织物内部和外部摩擦系数的方法、同时增加了织物的稳定性并提高了热性能。
在共挤出、层合和/或涂覆过程中使用低摩擦系数材料,制备了一种新颖纤维,至少一部分新颖纤维的表面呈现低摩擦系数的特性,而纤维的其余表面部分呈现较高的摩擦系数特性。
新颖纤维能够结合到织物中,生产出具有光滑表面的织物,进而,光滑表面织物能够结合到布料中,生产出具有光滑表面的服装。
本发明的其它目的、特性和优点可以从如下列举的实施方案详述,并结合附图显而易见地得出。
附图简述
图1是按照本发明的具有低摩擦系数表面的纤维的断面图。其中,上表面的摩擦系数与下表面的摩擦系数相同,上下两个表面的摩擦系数均低于中心层/侧表面的摩擦系数。
图2是按照本发明的具有低摩擦系数表面的纤维的断面图。其中,上表面的摩擦系数不同于下表面的摩擦系数,上下两个表面中的一个表面或者两个表面的摩擦系数低于中心层/侧表面的摩擦系数。
图3是按照本发明的具有低摩擦系数表面和具有发泡中心层的纤维的断面图。其中,上表面的摩擦系数不同于下表面的摩擦系数,上下两个表面中的一个表面或者两个表面的摩擦系数低于中心层/侧表面的摩擦系数。
图4是基础纤维的等比例图,基础纤维中部分涂覆了本发明的低摩擦系数材料。
发明详述
本发明的纤维优选通过切割取向薄膜或片材制备,更优选通过取向和切割挤出薄膜或片材制备,其中挤出薄膜或片材是经共挤出法形成的。替代的,单层或多层薄膜或片材可以与其它材料层合,如此薄膜的上表面和/或下表面不同于芯层。另一种替代方法,单层或多层薄膜可以用一种或多种材料涂覆,因此薄膜的上表面和/或下表面不同于芯层。还有一种替代方法,可以用低摩擦系数材料部分地涂覆“基础纤维”,因此基础纤维的涂覆表面的摩擦系数低于未涂覆表面。
在薄膜/片材实施方案中,低摩擦系数材料用来形成薄膜或片材的上表面和/或下表面,因此纤维上表面和/或下表面呈现低摩擦系数特性。所以由切割薄膜/片材形成的纤维具有低摩擦系数特性的上表面和/或下表面,而侧表面则呈现较高摩擦系数特性。
低摩擦系数的材料必须呈现使摩擦系数减少的表面性能。优选低摩擦系数材料选自硅氧烷、硅氧烷共聚物、硅氧烷弹性体、聚四氟乙烯、及其均聚物和共聚物、石墨、硼、聚丙烯和聚乙烯。
在共挤出/层合/涂覆期间加入的、以后结合到制造成衣的织物中的最优选的低摩擦系数材料是聚四氟乙烯(“PTFE”),以商标Teflon而著名。PTFE或Teflon是每个聚合物链均具有低摩擦系数的线性聚合物。PTFE是氟碳聚合物,它在综合化学词典(Condensed ChemicalDictionary)第8版中所定义的是,包括聚四氟乙烯、氯三氟乙烯聚合物、氟化乙烯-丙烯聚合物、聚偏氟乙烯、六氟丙烯等。对于本发明来说,还优选的是以氯三氟乙烯为基础的聚合物和共聚物、聚氟乙烯和聚偏氟乙烯。乙烯共聚物和/或其它低摩擦系数的硅氧烷聚合物也是可以接受的。
本发明纤维的“暴露表面”的形成是切割取向薄膜/片材的结果,或者仅仅部分地涂覆基础纤维的结果。如上所述,这些暴露表面能够具有高于“非暴露表面”的摩擦系数,这是由于芯材料/基础纤维的暴露。更具体地,暴露表面的摩擦系数是未暴露表面摩擦系数的1.10~5.00倍或更多的倍数。暴露表面的摩擦系数取决于暴露面积、暴露面的化学组成和暴露面的表面特性。有利的是,本发明的纤维是涂覆长丝或短丝,它不易降低织物的稳定性和耐用性,因为与涂覆长丝和短丝不同,本发明的纤维具有较高摩擦系数的暴露表面。
在薄膜/片材实施方案中,典型的暴露表面由诸如粘结剂(Admer{TM}、Bynel{TM}等)等邻近主强度层的“结合层(tie layers)”组成。可以将诸如云母、碳酸钙、滑石或其它颗粒的填料加入到任何层中,以便影响粘合性、阻隔性和/或人体工程因素。填料和发泡剂的组合也可以作芯层。芯层也可以由工程树脂(如尼龙、聚酯)或天然纤维组成,这是为改善这些层的性能而进行的改性。另外,芯层/基础纤维可以经选择,以便赋予具有理想特性的本发明纤维。在一种实施方案中,芯层/基础纤维具有吸收冲击特性(如芯层是开孔或闭孔泡沫),从而使处理过的表面除了具有低摩擦系数之外,还具有增加的缓冲值。在另一种实施方案中,芯层/基础纤维,在处理过的表面上除了具有低摩擦系数外还有理想的热性能。例如,芯层/基础纤维可以包含限制散热的绝缘材料,或者利于散热的辐射材料。
在薄膜/片材的其他方法中,通过采用对薄膜/片材相应侧而言具有不同摩擦系数的材料,来控制纤维的最终摩擦系数,因此使纤维的上下表面的摩擦系数不同。进而,这些纤维可以用于制成上下表面具有不同摩擦系数的织物。例如,任何前述低摩擦材料均能用于形成织物的低摩擦表面,而高摩擦材料如橡胶、棉花、弹性体、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯和聚氨酯能够用于形成织物的较高摩擦表面。更概括地说,较高摩擦材料可以包括任何摩擦系数大于0.3的材料。在一种可行的实施方案中,能够将游泳衣设计成暴露于水中的表面具有低摩擦系数,以增加游泳速度,而与穿着者接触的表面具有高摩擦系数,以减少衣服与人体的相对运动。采用前述薄膜/片材制造的纤维织造的织物,能够容易地生产出这种游泳衣。
本发明的一种实施方案是,一个表面具有低摩擦系数特性而另一个表面具有“手感改善”特性的多层纤维。从这种多层纤维织造的织物理想地应用于袜子、服装、卷绕处理、潜水服和其它服装或装备;在这些应用中,低摩擦系数材料处于内表面时是不理想的,因为其使皮肤感到不舒适,而处于表面时是理想的,因为其利于更大的运动或滑动。
能够制造这样一种多层纤维,其中低摩擦系数表面与多孔表面相对,这样允许药物迁移到皮肤或者从皮肤吸收湿气。均匀的低摩擦系数的涂覆长丝或短丝在这些应用中都十分不理想,因为均匀的低摩擦系数长丝/短丝成本均较高。
由一种或多种低摩擦系数材料制造的本发明的纤维的成本显著低于标准低摩擦系数的长丝/短丝。这是因为仅仅部分的本发明的纤维含有低摩擦系数材料,而许多标准低摩擦系数长丝和短丝完全用低摩擦系数材料涂覆或围绕。因为低摩擦系数材料是一种优质产品,而本发明纤维含有的这类材料少于标准低摩擦系数的长丝和短丝,所以本发明纤维比标准低摩擦系数长丝和短丝便宜。
图1~4列举了本发明的典型实施方案。
虽然本发明的优选实施方案及其改进方法在本文中已作详述,应当理解,本发明不限于这些严谨的实施方案和改进方法,本领域技术人员,可以在不偏离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的条件下,进行其它改进和改变。