具有粘土或二氧化硅添加剂的 锥形刷鬃丝及用它制造的刷子 【发明领域】
本发明涉及变形锥形长丝。具体地说，本发明涉及热塑性聚合物的锥形长丝，其具有粘土或二氧化硅添加剂以增加长丝表面并改善当用于刷子应用时涂料的沾取(pickup)和释放(release)性能。发明背景
由热塑性聚合物生产的合成长丝长期以来在漆刷制造中被用作诸如猪鬃之类天然鬃丝的代用品。这些热塑性聚合物与天然鬃丝相比具有在成本、质量均一和性能方面的优点，尤其在现代漆刷中，随着油漆从溶剂型向水性的转变，情况更是如此。热塑性长丝常常做成锥形的，从而提供一个大直径端(粗端)，它被夹裹在刷子的套圈内，同时提供一个位于漆刷顶端的较小直径端(尖端)。
合成长丝可由各种各样热塑性聚合物生产，包括聚酰胺、聚酯(美国专利3,706,111)以及聚烯烃，做成各种各样构型，包括实心和空心，以及各种各样断面，包括圆形、椭圆、三腔、四腔、叶状(美国专利4,279,053和4,376,746，加拿大专利1,007,032)，或者可含有大量孔隙。通过对不同的聚合物种类、构型和断面的组合进行实验，该领域已做了大量工作以期改善漆刷的沾取和释放性能。然而，尽管有过去在本行业中引入的所有有关这方面的发明，但是目前质量最高、性能最好的专业刷子依然要算由尼龙6，12的锥形实心圆形长丝(特别是由杜邦公司按商品名TYNEX长丝销售的长丝)与聚对苯二甲酸丁二醇酯锥形实心圆形长丝(特别是由杜邦公司按商品名OREL长丝销售的长丝)共混所生产地。
美国专利5,032,456公开一种微孔长丝，旨在更好地模拟涂漆用天然猪鬃的表面。该长丝具有多孔表面，以改善沾漆和蘸漆性能，但是未显示任何在释漆性能方面的改善。正是由于表面上有这些孔隙，用这种长丝制造的刷子难以清理，致使这样的长丝未能在当前上等专业刷子中获得应用。在美国专利5,128,208中，利用一种容易分劈(flagged)的长丝来改善在油性漆中的沾漆性能。然而，这样的长丝是不受青睐的，因为很难做到成尖(tip)而不分劈，而且不能提供在释漆性能上的改善，特别是对水性漆的释漆性能。美国专利4,279,053公开一种三腔和四腔长丝，以提供改善的分劈并降低长丝的密度。虽然这些长丝改善了分劈问题，从而可以改善刷子的沾漆性能，但是三腔长丝不具备用于上等专业刷子所要求的硬挺度和弯曲回复。
过去，在将各种不同粒度、各种不同量的粘土或二氧化硅加入到尼龙和聚酯长丝和纤维中以改善诸如强度、断裂韧性或磨耗性之类的物理性能方面做了有意义的工作。杜邦公司销售一种磨蚀长丝，商品名为TYNEXA，它含有硅酸铝，但它不是制成锥形，而且未用于或建议用于漆刷。美国专利5,727,106公开了，将粘土作为抛光剂加入到尼龙和聚酯均匀(非锥形)长丝中，以制造牙刷。但是，该公开物并未考虑沾取和释放性能或粘土添加剂在涂布用锥形长丝中的应用。粘土或二氧化硅也曾被加入到长丝和纤维中以更好地模拟天然鬃丝的表面外观和感觉，然而尚未见到有关将粘土加入到漆刷用的或其他涂布用途用的锥形长丝中的工作。再有，尚没有任何一种锥形长丝显示过在沾漆和释放和漆条长度方面有像本发明这样程度的改进。发明概述
本发明提供一种采用按组合物总重量计0.1％～10wt％粘土或二氧化硅添加剂生产的改进的聚合物锥形刷鬃丝。粘土添加剂改变了长丝表面，并改善当用于例如漆刷、睫毛刷、指甲抛光刷或化妆刷等的涂布领域时涂料在鬃丝上的沾取和释放性能。附图简述
图1是一根现有技术的刷鬃丝。
图2是一根本发明的刷鬃丝。发明详述
本发明长丝是采用在实心锥形热塑性鬃丝的制造中通常用于长丝的挤出、拉伸和成锥形的设备制备的。为生产锥形长丝，长丝的拉伸可按照，例如美国专利2,418,492中所描述的方法实施，在此引入作为参考。
热塑性聚合物树脂粒料与粘土或二氧化硅添加剂进行共混。共混的树脂随后进料到挤出机中，它将热塑性树脂熔融并传送熔融的聚合物。粘土按照组合物总重量的0.1％～10wt％的装填比例加入。装填比例若低于组合物总重量的0.1wt％，则达不到所要求的性能特征。装填比例超过10％，可能导致挤出过程偏离最佳状态，例如出现断丝或长丝拉伸困难。本发明长丝的尤其优选实施方案含有占组合物总重量的约5wt％粘土或二氧化硅添加剂。
熔融聚合物经由喷丝板挤出成形为多条长丝单丝。单丝在通常注满水的冷却浴中受到骤冷而凝固。随后，长丝按照由多个线速度组成的周期性预定程序进行拉伸，该线速度包括加速和减速阶段以及匀速卷绕阶段。一般而言，此类丝被做成锥形，从而产生相当于粗端直径的约0.5～0.75倍的尖端直径。随后，每根长丝通过在两个辊组之间接受拉伸而取向，其中第二辊组比第一辊组运转得快，从而改善长丝的纵向强度。随后，该取向长丝可接受加热以诱导部分结晶，从而获得良好的弯曲回复。热定形通常是在气体中进行的，例如长丝接受约30～90s的热空气吹拂，或者在液体浴中进行，例如让长丝穿过油浴，历时约2～10s。
随后，在每个最小直径点处将长丝切断，并收集成为产品丝束。每个丝束在中点处再次切断并修整端头，于是生产出适合用于进一步加工为刷子的两束丝束。单根鬃丝可按照传统方式进行成尖和分劈(flagged)处理，例如参见美国专利2,697,009和2,911,761，在此引入作为参考。随后，采用现有技术熟知的方法将鬃丝制成刷子。
本发明长丝可由多种多样热塑性聚合物制备，包括聚酰胺、聚酯和聚烯烃、苯乙烯类物质、氟聚合物、聚氯乙烯、聚氨酯、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，以及它们的任何组合。制造毛刷优选的聚酰胺包括尼龙6、尼龙11、尼龙6，6、尼龙6，10、尼龙10，10和尼龙6，12。尼龙6，12尤其优选用作漆刷、睫毛刷、指甲抛光刷和化妆刷。本发明长丝当用尼龙6，12生产时具有弯曲模量430～630ksi，拉伸强度37～80ksi，断裂负荷0.80～12磅，伸长20～50％，弯曲回复90～100％。
已发现特别适合制造鬃丝的聚酯包括聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯及其共混物。可用于鬃丝制造的多种聚烯烃当中，优选聚丙烯。长丝也可通过一种或多种聚合物的共挤出以形成同轴结构、同心结构或其他构型的方式来制备。
本发明的优选粘土和二氧化硅添加剂的粒度介于0.01μm～100μm。有许多类型添加剂均可使用，包括但不限于，漆颗粒、橡胶颗粒、文石粘土、碳酸钙、斜方粘土、方解石粘土、菱形粘土、高岭粘土、膨润土、磷酸二钙、磷酸三钙、焦磷酸钙、不溶性(isoluble)偏磷酸钠、沉淀碳酸钙、正磷酸镁、磷酸三镁、氧化铝、水合二氧化硅干凝胶、金属硅铝酸盐络合物、硅酸铝钠、硅酸锆、二氧化硅、碳化硅。粘土可以是水合的或无水的，并且可具有或不具有表面改性剂。例子包括但不限于，超细微高岭土UF、超细微高岭土121-S和超细微高岭土Flat D，由Dry Branch，佐治亚的Dry Branch Kaolin公司制造；以及Burgess 2211，由Sandersville，佐治亚的Burgess颜料公司制造。
粘土或二氧化硅添加剂改变鬃丝的表面，从而降低鬃丝与鬃丝之间的表面摩擦，因而改善用于刷子应用时的涂布性能。涂料沾取、释漆和漆条长度性能均可显著提高。图2说明本发明鬃丝的改性表面，这与图1中所示现有技术鬃丝表面形成对照。
本发明的刷鬃丝的尖端直径介于0.003英寸～0.015英寸；粗端直径介于0.005英寸～0.020英寸。该刷鬃丝可具有任何长度，仅仅受具体用途的限制。作为漆刷使用时，鬃丝的优选长度介于2.00英寸～5.00英寸，粗端直径优选介于0.007英寸～0.015英寸，尖端直径优选介于0.004英寸～0.010英寸。在睫毛刷的一个尤其优选实施方案中，鬃丝的优选长度介于0.50英寸～2.00英寸，优选的粗端直径介于0.005～0.010英寸，而尖端直径介于0.003～0.005英寸。至于其他用途，选择鬃丝的优选直径以为各个用途提供功能。
本发明鬃丝可具有不同断面形状，这是通过从喷丝板板片内的不同的毛细管形状挤出而形成的。依所要求的鬃丝用途而定，采用现有技术已知的传统方法，生产的每根长丝可以是挺直、弯曲、成圈或弧形的。本发明鬃丝可通过将聚合物与不同着色剂共混或者通过现有技术已知的其他着色技术制成任何颜色。鬃丝也可容易地成尖、分劈或按照与标准实心圆形锥形长丝相同的方式进行加工。
本发明将通过下面的具体实施例和对比实施例得到进一步说明。实施例1
尼龙6，12聚合物树脂(商品名ZYTEL，由Wilmington，特拉华的杜邦公司市售供应)与按组合物总重量计10wt％粘土浓缩物(McHenry，伊利诺斯的Chroma公司市售供应)进行共混。该粘土浓缩物由在ZYTEL6，12尼龙树脂中的50wt％Burgess 2211粘土构成，(它是由Sandersville，佐治亚的Burgess颜料公司制造的)。尼龙与粘土精矿的共混物重力进料到挤出机中。
120孔的喷丝板板片，带有0.031英寸直径圆形毛细管，安装在喷丝板中，并且聚合物在240℃下挤出，并在喷丝板板片下面距离约1.0英寸的25℃水中骤冷。形成的长丝含有5wt％Burgess 2211粘土。所形成的长丝利用橡胶摩擦辊变成锥形，摩擦辊按照美国专利2,418,492所述，以周期性改变的表面速度运转，从而产生从0.016至0.024英寸之间相应改变的单丝直径。锥形长丝接受3.75∶1的拉伸比的取向，从而获得从0.008变化至0.012英寸的单丝直径。长丝从170℃～180℃的烘箱穿过而达到热定形。纺丝、拉伸和热定形以后，长丝在每个最小直径点处切断并收集成产品丝束。在丝束上放上橡胶带，并沿中点将直径为每束2.0英寸的产品丝束再次切断并修整端部，于是就生产出两束适合进一步加工为漆刷的丝束。生产出的这两个鬃丝束具有实心圆形直径，测定长度分别为3.50英寸和3.75英寸。
随后，采用工业制造技术将鬃丝束制成两个3英寸墙漆刷。刷子1由100％本发明尼龙长丝构成。刷子2由本发明尼龙长丝与市售实心圆形聚酯长丝的混合物构成。刷子1和刷子2被用于涂布性能评估试验，并对比三种最好的市售专业刷子，刷子3、刷子4和刷子5，它们全都由不同尺寸和长度的市售实心圆形尼龙与聚酯长丝的混合物构成。
刷子按照杜邦长丝市场应用“漆刷评估试验”中所述的步骤进行评估。该“漆刷评估试验”测定刷子沾漆和释漆(将漆落定在表面上)的能力，并用肉眼评定这方面的效果如何。该试验的关键结果是用“沾漆量”、“释漆量”和“漆条长度”测定值衡量的。漆条长度试验模拟油漆工在垂直墙壁上涂布一水平漆条。采用特殊黑漆纸来做该漆条试验。漆条长度是从漆条起点到刷子开始出现漏涂那一点的漆条的实际测量值。虽然该漏涂点带有一定程度主观性，但只要所有漆条都根据同一标准判断，比较的结果将是一致的。测定这三种试验标准的程序包括下列步骤：
(1)称重夹具和刷子，包括刷柄在内，并记录“夹具-刷子”重量。
(2)将刷子浸没在漆中至鬃丝的规定长度并保持30s，然后让油漆滴淌30s。
(3)称取夹具和刷子连同漆的重量，并记录“涂前”重量。
(4)用浸漆后的刷子涂一条从左至右的漆条，刷子不再回涂一条。
(5)迅速再次称取夹具和刷子的重量，并记录“涂后”重量。
(6)通过从“涂前”重量中减去“夹具-刷子”重量计算沾漆量。
(7)通过从“涂前”重量中减去“涂后”重量计算释漆量。
(8)等漆变干以后，立即测量从涂刷起点到刷子开始漏涂处漆条的长度。该测量值就是“漆条长度”。
试验结果示于表1。该结果表明，本发明刷子(刷子1和2)的涂漆性能与目前有的最好刷子(刷子3、4和5)相比有显著改善。
表1：涂漆性能 刷子 沾漆量 (g) 释漆量 (g) 漆条长度 (英寸) 刷子1 刷子2 刷子3 刷子4 刷子5 刷子6 刷子7 37 32 21 25.3 25.4 32.9 32.4 4.3 5.2 3.3 3.2 3.5 6.1 4.6 18.00 23.50 14.75 14.25 14.00 20.00 13.75
因为刷子5在这些沾漆量和释漆量试验中达到最佳结果，故将刷子1和刷子2在沾漆量和释漆量方面的性能结果与刷子5的结果做比较。因为刷子3在漆条长度试验中达到最佳结果，故将试样的漆条长度性能测试结果与刷子3的结果做比较。刷子1显示46％沾漆量上的改善，23％释漆量上的改善，以及22％漆条长度上的改善。刷子2显示26％沾漆量上的改善，49％释漆量上的改善，以及60％漆条长度上的改善。这些结果表明，本发明长丝，尤其当与聚酯长丝在一把刷子中共混时，达到了比标准尼龙和聚酯长丝显著好的涂布性能。实施例2
实施例2的长丝采用与上面实施例1中所述相同方法生产。生产出的丝的长度分别为3.00英寸、3.25英寸、3.50英寸和3.75英寸。第二组长丝采用毛细管直径为0.026英寸的180孔喷丝板板片来生产。获得的挤出长丝具有从0.010变化至0.018英寸的直径。将它们按3.75∶1的比例拉伸，并热定形，结果制成直径从0.005变化至0.009英寸的长丝。所获长丝被切断到3.25英寸和3.50英寸的长度。采用工业制造方法将六个这样的产品组装成一个3英寸墙漆刷，刷子6。
采用实施例1中所述杜邦长丝“漆刷评估试验”对刷子6进行评估。如同实施例1中一样，因为刷子5在沾漆量和释漆量试验中达到最佳结果，故将刷子6在沾漆量和释漆量方面的性能结果与刷子5的结果做比较。因为刷子3在漆条长度试验中达到最佳结果，故将刷子6的漆条长度方面的性能结果与刷子3的结果做比较。刷子6的结果载于表1。同样，采用本发明长丝显示出明显改善，在沾漆量上达到30％的改善，释漆量上32％的改善，漆条长度上36％的改善。实施例3
采用与实施例1所述相同的方法，由ZYTEL6，12尼龙与2.5％粘土浓缩物的共混物制备长丝，所获得的鬃丝含有1.25wt％粘土添加剂。该长丝切断成3.75英寸的长度并采用工业制造方法组装成一把3英寸墙漆刷，刷子7。采用杜邦长丝“漆刷评估试验”评估该刷子，并与实施例1中所述刷子5和刷子3的结果进行比较。刷子7的结果载于表1。尽管仅采用一种尺寸的本发明长丝制成，但刷子7仍然表现出28％沾漆量的提高，31％释漆量的改善和几近相等的漆条长度(刷子3漆条长度的93％)。
尽管本发明是结合若干特定实施方案描述的，但本领域技术人员可以看出，在所附权利要求精神和范围之内，本发明还可衍生出各种各样替代方案。