Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к получению улучшенного найлонового штапельного волокна желательной высокой прочности, которая количественно выражается с помощью несущей способности. Такое найлоновое штапельное волокно производится путем получения жгутов из относительно равномерно отформованных и закаленных найлоновых филаментных нитей, вытяжки и отжига таких жгутов и последующего штапелирования или иного превращения вытянутых и отожженных жгутов в требуемое высокопрочное найлоновое штапельное волокно.
Полученное таким образом найлоновое штапельное волокно можно смешивать с другими волокнами, такими как хлопчатобумажное штапельное волокно, для производства пряж, которые также являются желательно высокопрочными. Такие пряжи затем можно ткать с получением материалов, которые могут быть преимущественно легкими, комфортными, дешевыми и с длительным сроком службы и, следовательно, особенно подходящими для применения, например, в военной одежде, такой как боевое обмундирование, или другой одежды, применяемой в условиях повышенного износа.
Уровень техники
Найлон производится и применяется в промышленных масштабах в течение ряда лет. Первые найлоновые волокна представляли собой найлон-66, поли(гексаметиленадипамид), и волокно из найлона-66 до сих пор производится и применяется в промышленных масштабах как основное найлоновое волокно. Также производятся и применяются в промышленных масштабах большие количества других найлоновых волокон, в частности волокна из найлона-6, получаемого из капролактама. Найлоновое волокно применяется в пряжах для текстильных материалов и для других целей. В области текстильных материалов фактически существует две основные категории пряж, а именно пряжи из непрерывных филаментных нитей и пряжи, изготавливаемые из штапельного волокна, то есть волокна в резаном виде.
Найлоновое штапельное волокно обычно изготавливают путем формования филаментных нитей из расплава найлонового полимера, соединения очень большого числа таких филаментных нитей в жгут, проведения операции вытяжки жгута и последующего превращения жгута в штапельное волокно, например, в штапелирующем устройстве. Как правило, жгут содержит много тысяч филаментных нитей и при итоговом денье обычно содержит порядка нескольких сотен тысяч (или более). Операция вытяжки включает в себя пропускание жгута между набором подающих валков и набором вытяжных валков (работающих с более высокой скоростью, чем подающие валки) для повышения степени ориентации найлонового полимера в филаментных нитях. Вытяжку часто объединяют с операцией отжига для повышения степени кристалличности найлона в филаментных нитях жгута перед тем, как превратить жгут в штапельное волокно.
Одно из преимуществ найлоновых штапельных волокон заключается в том, что они легко смешиваются, особенно с натуральными волокнами, такими как хлопок (часто упоминаемый как коротковолокнистый штапель) и/или с другими синтетическими волокнами, обеспечивая при этом преимущества, получаемые от такого смешивания. Особенно желательную форму найлонового штапельного волокна применяли в течение многих лет для смешивания с хлопком, в частности, для повышения срока службы и экономических характеристик материалов, изготовляемых из пряж, содержащих смеси хлопка с найлоном. Ведь такое найлоновое штапельное волокно обладает относительно высокой прочностью под нагрузкой, как описано в патентах США № 3044250; 3188790; 3321448 и 3459845 (автор Hebeler), описания которых в полном объеме включены в настоящий документ путем ссылки. Как объясняет Гебелер (Hebeler), несущую способность найлонового штапельного волокна удобно измерять в виде прочности (T7) при 7% удлинении, и параметр T7 в течение длительного времени принимается в качестве стандартного измерения и легко определяется на разрывной машине марки "Инстрон".
Способ получения найлонового штапельного волокна согласно публикациям Гебелера (Hebeler) включает в себя формование найлона, образование жгута, вытяжку и операции преобразования, описанные выше. В дальнейшем были сделаны улучшения способа получения найлонового штапельного волокна согласно Гебелеру (Hebeler) путем изменения характера операции вытяжки жгута и добавления специфических типов отжига (или высокотемпературной обработки) и последующих стадий охлаждения к общему способу. Например, в патентах США №№ 5093195 и 5011645 (автор Thompson) описано получение найлонового штапельного волокна, в котором полимер найлон-66, например, с относительной вязкостью (RV) 55, измеренной в муравьиной кислоте, формуют с получением филаментных нитей, которые затем вытягивают, отжигают, охлаждают и нарезают на штапельное волокно с прочностью (T) на разрыв приблизительно 6,8-6,9, значением денье на филамент приблизительно 2,44 и несущей способностью T7 приблизительно от 2,4 до 3,2. Такие найлоновые штапельные волокна дополнительно описаны в патентах Томпсона (Thompson) в виде смешанных с хлопком и превращенных в пряжи с повышенной прочностью пряжи. (Оба упомянутых патента Томпсона включены в настоящий документ путем ссылки в их полном объеме.)
Найлоновые штапельные волокна, получаемые в соответствии с технологией Томпсона (Thompson), в NYCO-пряжах смешаны (обычно в отношении найлон/хлопок, равном 50:50) с такими пряжами, применяемыми для получения NYCO-материалов. Такие NYCO-материалы, например, тканые материалы, находят применение в военном боевом обмундировании и одежде. Несмотря на то, что такие материалы в общем случае хорошо зарекомендовали себя, как подходящие для военной одежды или другой одежды, применяемой в условиях повышенного износа, военные ведомства, например, постоянно находятся в поиске улучшенных материалов, которые могут быть более легкими по весу, более дешевыми и/или более комфортными, но еще и с очень длительным сроком службы или даже с повышенным сроком службы.
Один из путей получения таких материалов с повышенным сроком службы и комфортностью и более легких по весу мог бы включать в себя получение NYCO-пряж и изготовленных из них материалов, в которых найлоновые штапельные волокна, применяемые при получении пряжи, имеют повышенную несущую способность по сравнению с существующими найлоновыми штапельными волокнами. Материалы, получаемые из пряж с применением таких найлоновых штапельных волокон с повышенной несущей способностью, преимущественно можно было бы изготавливать с равным по величине или даже повышенным сроком службы по сравнению с применяемыми в настоящее время материалами. Найлоновые штапельные волокна с повышенной несущей способностью могли бы обеспечить такие желательные эксплуатационные качества, как срок службы, путем встраивания в более легкий по весу и/или более дешевый материал, в котором теоретически применяется меньшее количество найлонового штапельного волокна, которое в настоящее время используется в таких материалах.
Сущность изобретения
С учетом вышеприведенных соображений некоторые варианты осуществления изобретения направлены на способ получения найлонового штапельного волокна с требуемой высокой несущей способностью, на получение таких штапельных волокон самих по себе и на пряжи, получаемые путем смешивания таких найлоновых штапельных волокон, по меньшей мере, с одним сопутствующим штапельным волокном, таким как хлопчатобумажные штапельные волокна. Полученные пряжи могут представлять собой найлоновые/хлопчатобумажные (NYCO) пряжи, которые затем можно ткать с получением необязательно легких тканых NYCO-материалов с длительным сроком службы, которые могут быть особенно подходящими для военной одежды или другой одежды, применяемой в условиях повышенного износа.
Аспектами способа в некоторых вариантах осуществления изобретения является способ получения найлоновых штапельных волокон с несущей способностью более 3,2 граммов на денье, измеряемой в виде прочности (T7) при 7% удлинении. Такой способ включает в себя стадии: формования филаментных нитей из расплава найлонового полимера, равномерного закаливания филаментных нитей и образования жгута из множества полученных закаленных филаментных нитей, проведения вытяжки и отжига жгута, и последующего превращения полученного вытянутого с отжигом жгута в штапельные волокна, подходящие, например, для образования крученой пряжи.
Согласно аспектам способа в некоторых вариантах осуществления изобретения найлоновый полимер, который формуется из расплава с получением филаментных нитей, будет иметь относительную вязкость (RV), измеренную в муравьиной кислоте, в диапазоне от 45 до 100, включая диапазоны от 55 до 100, от 46 до 65; от 50 до 60; и от 65 до 100. Такие филаментные нити из найлонового полимера формуют, закаливают и превращают в жгуты с соблюдением, как однородности расположения, так и однородности условий закаливания, которые являются достаточными, чтобы позволить применять степени вытяжки, которые обеспечивают требуемую прочность T7 конечного штапельного волокна более 3,2 граммов на денье.
Кроме того, вытяжку жгута с отжигом осуществляют с помощью двухстадийной непрерывной операции, проводимой при общей оптимальной степени вытяжки в диапазоне приблизительно от 2,3 до 5,0, включая диапазон от 3,0 до 4,0. На первой стадии упомянутой операции вытяжки осуществляется от 85% до 97,5% вытяжки жгута. На второй стадии упомянутой операции (стадии вытяжки с отжигом) жгут подвергают отжигу при температуре от 145°C до 205°C. В одном из вариантов осуществления изобретения температуру жгута на упомянутой стадии вытяжки с отжигом можно обеспечивать путем контактирования жгута с металлической плитой с паровым обогревом, которая расположена между вытяжкой на первой стадии и операцией вытяжки с отжигом на второй стадии. Упомянутая операция вытяжки с отжигом затем сопровождается стадией охлаждения, на которой вытянутый с отжигом жгут охлаждается до температуры менее 80°C. На всем протяжении двухстадийной операции вытяжки и отжига жгут удерживается под регулируемым натяжением.
Согласно еще одному аспекту некоторые варианты осуществления изобретения относятся к такому типу найлоновых штапельных волокон, который может быть получен в соответствии с вышеупомянутым способом. Таким образом, найлоновые штапельные волокна согласно некоторым вариантам осуществления изобретения представляют собой волокна со значением денье на филамент в диапазоне от 1,0 до 3,0, прочностью, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье и несущей способностью более 3,2 граммов на денье, измеренной в виде прочности (T7) при 7% удлинении. Такие штапельные волокна можно формовать из найлонового полимера с относительной вязкостью в диапазоне от 45 до 100.
Согласно еще одному аспекту некоторые варианты осуществления изобретения относятся к текстильной пряже, которая может быть изготовлена путем смешивания описанных здесь найлоновых штапельных волокон, по меньшей мере, с одним сопутствующим волокном, таким как хлопчатобумажные штапельные волокна. Полученная пряжа может представлять собой найлоновую/хлопчатобумажную пряжу, то есть NYCO-пряжу, которая содержит, как хлопчатобумажные штапельные волокна, так и найлоновые штапельные волокна при весовом отношении хлопчатобумажных волокон к найлоновым волокнам в диапазоне от 20:80 до 80:20. Найлоновые штапельные волокна в NYCO-пряже представляют собой волокна, которые имеют значение денье на филамент от 1,0 до 3,0, прочность, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье и несущую способность более 3,2 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
Согласно еще одному аспекту некоторые варианты осуществления изобретения относятся к легким и желательно с длительным сроком службы NYCO-материалам, которые ткутся из описанных выше текстильных NYCO-пряж. Такие материалы ткутся из текстильных пряж как в направлении основы, так и в направлении утка (заполнение по ширине). Пряжи, используемые при ткачестве, по меньшей мере, в одном из указанных направлений, будут представлять собой пряжу, содержащую описанные здесь смешанные найлоновые штапельные волокна и хлопчатобумажные штапельные волокна при весовом отношении хлопчатобумажного волокна к найлоновому волокну в диапазоне от 20:80 до 80:20. Опять же найлоновые штапельные волокна в текстильных пряжах, применяемых для ткачества описанных здесь NYCO-материалов, представляют собой волокна, которые имеют значение денье на филамент в диапазоне от 1,0 до 3,0, прочность, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье и несущую способность более 3,2 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
Согласно еще одному аспекту некоторые варианты осуществления изобретения относятся к NYCO-материалам, вытканным из текстильных пряж как в направлении основы, так и в направлении утка (заполнение по ширине), в которых упомянутые текстильные пряжи, которые ткутся в обоих направлениях, содержат смешанные хлопчатобумажные штапельные волокна и найлоновые штапельные волокна при весовом отношении хлопчатобумажных штапельных волокон к найлоновым штапельным волокнам в диапазоне от 20:80 до 80:20. Кроме того, в таких материалах NYCO-пряжи, которые ткутся в направлении утка (заполнение по ширине), содержат найлоновые штапельные волокна со значениями денье на филамент от 1,3 до 2,0, включая диапазоны значений от 1,6 до 1,8 и от 1,55 до 1,75, и NYCO-пряжи, которые ткутся в направлении основы, содержат найлоновые штапельные волокна со значениями денье на филамент от 2,1 до 3,0, такими как диапазон значений от 2,3 до 2,7.
Подробное описание изобретения
Применяемые здесь термины "с длительным сроком службы" и "срок службы" относятся к свойству материала, которое характеризуется способностью иметь подходящую высокую прочность при растяжении и прочность на раздир, а также устойчивостью к абразивному истиранию в случае предполагаемого конечного применения такого материала, и способностью сохранять такие желательные свойства в течение соответствующего отрезка времени после того, как начнется применение материала.
Применяемый здесь термин "смесь" или "смешанная" в отношении крученой пряжи означает смесь волокон, по меньшей мере, двух типов, где смесь образуется таким образом, что отдельные волокна каждого типа по существу полностью перемешиваются с отдельными волокнами других типов, обеспечивая при этом по существу однородную смесь волокон, имеющую достаточное переплетение, чтобы сохранять свою целостность при дополнительной переработке и применении.
Применяемый здесь термин "номер хлопка" относится к системе нумерации пряжи, основанной на длине 840 ярдов, в которой номер пряжи равен количеству мотков пряжи длиной 840 ярдов, необходимых для получения 1 фунта веса.
Подразумевается, что все перечисленные здесь числовые значения следует определять с помощью термина "приблизительно".
Некоторые варианты осуществления изобретения основаны на получении улучшенных найлоновых штапельных волокон с некоторыми конкретными характеристиками и на последующем получении пряж, и тканых материалов из таких пряж, в которых упомянутые улучшенные найлоновые штапельные волокна смешаны, по меньшей мере, с одним другим волокном. Другие волокна могут включать в себя целлюлозные волокна, такие как хлопок, модифицированные целлюлозные волокна, такие как целлюлозные волокна с FR-обработкой, полиэфирные, вискозные волокна, животные волокна, такие как шерсть, огнестойкие (FR) полиэфирные волокна, FR-найлоновые волокна, FR-вискозные волокна, целлюлозные волокна с FR-обработкой, м-арамидные, п-арамидные, модакриловые, новолоидные, меламиновые, поливинилхлоридные волокна, антистатическое волокно, PBO (полимер 1,4-бензолдикарбоновой кислоты с дигидрохлоридом 4,6-диамино-1,3-бензолдиола), PBI (полибензимидазол) и их комбинации. Найлоновые штапельные волокна согласно некоторым вариантам осуществления изобретения могут обеспечивать пряжам и материалам повышение прочности и/или устойчивости к абразивному истиранию. Это особенно справедливо для комбинации с относительно слабыми волокнами, такими как хлопок и шерсть.
Конкретные характеристики получаемых и применяемых здесь найлоновых штапельных волокон включают в себя значение денье волокна, прочность волокна и несущую способность волокна, определяемую в терминах прочности волокна при 7% удлинении.
Реализация описанного здесь требуемого материала из найлонового штапельного волокна также основана на применении в производстве штапельного волокна найлоновых полимерных филаментных нитей и жгутов, обладающих определенными, специально подобранными свойствами, и перерабатываемых с применением определенных, специально подобранных операций и условий переработки. Сам найлоновый полимер, который применяется для формования найлоновых филаментных нитей, можно производить традиционным способом. Найлоновый полимер, подходящий для применения в способе и филаментных нитях согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, состоит из синтетического полимера, который поддается прядению из расплава, формованию из расплава. Такие найлоновые полимеры могут включать в себя полиамидные гомополимеры, сополимеры и их смеси, которые преимущественно являются алифатическими, то есть к двум ароматическим циклам присоединено менее 85% амидных связей полимера. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения можно применять широко распространенные полиамидные полимеры, такие как поли(гексаметиленадипамид), который представляет собой найлон 66, и поли(ε-капроамид), который представляет собой найлон 6, и их сополимеры и смеси. Другие полиамидные полимеры, которые могут преимущественно применяться, представляют собой найлон-12, найлон-46, найлон-610, найлон-612, найлон-1212 и их сополимеры и смеси. Иллюстративные полиамиды и сополиамиды, которые можно использовать в способе, волокнах, пряжах и материалах согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, представляют собой полиамиды и сополиамиды, описанные в патентах США № 5077124, 5106946 и 5139729 (автор Cofer и др. в каждом), и полиамидные полимерные смеси, описанные в публикации "Chemical Fibers International" (автор Gutmann), стр. 418-420, том 46, декабрь 1996. Все указанные публикации включены в настоящий документ путем ссылки.
Найлоновый полимер, применяемый для получения найлоновых штапельных волокон, обычно получают путем взаимодействия соответствующих мономеров в присутствии катализаторов, антиоксидантов и других добавок, таких как пластификаторы, матирующие вещества, пигменты, красители, светостабилизаторы, термостабилизаторы, антистатики для уменьшения статического заряда, добавки для модификации красящей способности, средства для модификации поверхностного натяжения и т.д. Полимеризацию обычно осуществляют в полимеризационном аппарате непрерывного действия или автоклаве периодического действия. Полученный при этом расплавленный полимер затем обычно вводится в фильерный комплект, в котором он продавливается через подходящую фильеру с образованием филаментных нитей, которые закаливаются и затем превращаются в жгуты для конечной переработки в найлоновое штапельное волокно. Применяемый здесь фильерный комплект состоит из крышки комплекта, находящейся в верхней части комплекта, фильерной пластины в нижней части комплекта и держателя фильтра для полимера, помещенного в промежутке между вышеупомянутыми двумя компонентами. Держатель фильтра имеет расположенное в его центре углубление. Крышка и углубление в держателе фильтра объединяются, чтобы ограничить замкнутую полость, в которую помещается фильтрующий материал для полимера, такой как песок. Внутри комплекта существуют каналы, позволяющие потоку расплавленного полимера, подаваемого насосом или экструдером, проходить через комплект и в конечном итоге через фильерную пластину. Фильерная пластина имеет множество проходящих через нее маленьких, прецизионных каналов, через которые полимер подается на нижнюю поверхность комплекта. Устья каналов образуют множество выходных отверстий на нижней поверхности фильерной пластины, поверхность которой определяет верхнюю часть зоны закаливания. Из упомянутых выходных отверстий полимер выходит в форме филаментных нитей, которые затем направляются сверху вниз через зону закаливания.
Степень полимеризации, осуществляемую в полимеризационном аппарате непрерывного действия или автоклаве периодического действия, обычно можно выразить количественно с помощью параметра, известного как относительная вязкость или RV. RV представляет собой отношение вязкости раствора найлонового полимера в растворителе, таком как муравьиная кислота, к вязкости самого растворителя, такого как муравьиная кислота. Определение RV более подробно описано далее в разделе "Способы испытаний". RV принимается за косвенный показатель молекулярной массы найлонового полимера. Для заявленных здесь целей увеличение RV найлонового полимера считается синонимом увеличения молекулярной массы найлонового полимера.
Когда молекулярная масса найлона увеличивается, его переработка становится более трудной из-за увеличения вязкости найлонового полимера. Соответственно, при эксплуатации полимеризационных аппаратов непрерывного действия или автоклавов периодического действия для окончательной переработки в штапельное волокно обычно обеспечивают такой найлоновый полимер, у которого значение RV найлонового полимера равно приблизительно 60 или менее.
Известно, что для некоторых целей предпочтительным может быть обеспечение найлонового полимера с более высокой молекулярной массой, то есть найлонового полимера со значениями RV более 70-75 и вплоть до 140 или даже 190 и более высокой. Например, известно, что найлоновый полимер такого типа с высокой RV обладает повышенной устойчивостью к истиранию (ткани) с изгибом и химической деструкции. Соответственно, такой найлоновый полимер с высокой RV особенно подходит для формования найлонового штапельного волокна, которое можно применять преимущественно для получения сукна для бумажного производства. Операции и оборудование для изготовления найлонового полимера с высокой RV и штапельного волокна из него описаны в патенте США № 5236652 (автор Kidder) и в патентах США № 6235390; 6605694; 6627129 и 6814939 (авторы Schwinn и West). Все упомянутые патенты включены в настоящий документ в их полном объеме путем ссылки.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения было обнаружено, что штапельные волокна, получаемые из найлонового полимера со значением RV, которое обычно сопоставимо или в некоторых случаях выше, чем значение, которое обычно получают при полимеризации в полимеризационном аппарате непрерывного действия или автоклаве периодического действия, когда перерабатывают в соответствии с описанными здесь операциями формования, закаливания, вытяжки и отжига, неожиданно проявляют повышенную несущую способность, количественно выражаемую в виде значений ее прочности T7 при 7% удлинении, даже при более низких степенях вытяжки. Когда такие найлоновые штапельные волокна с улучшенной несущей способностью смешивают с одним или несколькими типами других волокон, таких как хлопчатобумажные волокна, можно получать текстильные пряжи улучшенной прочности. Материалы, такие как тканые NYCO-материалы из таких пряж, обладают описанными выше преимуществами в отношении срока службы, необязательно легкости, улучшенной комфортности и/или, возможно, более низкой стоимости.
Согласно описанному здесь способу получения штапельного волокна найлоновый полимер, который формуется из расплава через одну или несколько фильер фильерного комплекта с получением филаментных нитей, образующих жгут, и закаливается, будет иметь значение RV в диапазоне от 45 до 100, включая диапазоны от 55 до 100, от 46 до 65; от 50 до 60; и от 65 до 100. Найлоновый полимер с такими характеристиками RV можно получать, например, с применением процедуры смешивания в расплаве полиамидного концентрата, такой как способ, описанный в вышеупомянутом патенте '652 (автор Kidder). Kidder описывает некоторые варианты осуществления изобретения, в которых добавка, включаемая в полиамидный концентрат, представляет собой катализатор, добавляемый с целью увеличения относительной вязкости (RV), измеряемой в муравьиной кислоте. Найлоновый полимер с более высокой RV, пригодный для формования из расплава, такой как найлон с RV в диапазоне от 65 до 100, также можно обеспечивать с помощью стадии твердофазной полимеризации (SPP), на которой хлопья или гранулы найлонового полимера подвергают обработке для увеличения RV до требуемой степени. Такие процедуры твердофазной полимеризации (SPP) хорошо известны и описаны более подробно в вышеупомянутых патентах '390, '694, '129 и '939 (авторы Schwinn/West).
Найлоновый полимерный материал, полученный, как описано выше, и обладающий необходимыми характеристиками RV, которые здесь указаны, подается в фильерный комплект, например, с помощью двухшнекового расплавителя. В фильерном комплекте найлоновый полимер формуется путем экструзии через одну или несколько фильер с получением множества филаментных нитей. Для описанных здесь целей термин "филаментная нить" определяется как относительно гибкое, макроскопически однородное тело с высоким отношением длины к ширине, определяемой по его площади поперечного сечения, перпендикулярной его длине. Поперечное сечение филаментной нити может быть любой формы, но обычно является круглым. Также взаимозаменяемо с термином "филаментная нить" может применяться используемый здесь термин "волокно".
Каждый выход отдельной фильеры может содержать от 100 до 1950 филаментных нитей на площади в пределах 9 дюймов на 7 дюймов (22,9 см × 17,8 см). Устройства фильерного комплекта могут содержать от одного до 96 выходов, каждый из которых обеспечивает пучки филаментных нитей, которые в конечном итоге получаются объединенными в отдельный жгут из параллельных волокон для вытяжки/дальнейшей переработки с другими жгутами из параллельных волокон.
После выхода из фильеры (фильер) фильерного комплекта расплавленные филаментные нити, которые были экструдированы через каждую фильеру, обычно пропускают через зону закаливания, в которой могут применяться различные условия и схемы закаливания, чтобы подвергнуть расплавленные полимерные филаментные нити отверждению и сделать их пригодными для превращения в жгуты. Чаще всего закаливание осуществляют путем пропускания охлаждающего газа, например воздуха, навстречу пучкам филаментных нитей, на них, вместе с ними, вокруг и через пучки филаментных нитей, экструдируемых в зону закаливания из каждого выхода фильеры в фильерном комплекте.
Одной из подходящих схем закаливания является закаливание в поперечном потоке, при котором охлаждающий газ, такой как воздух, вводится под давлением в зону закаливания в направлении, которое по существу перпендикулярно направлению, в котором экструдируемые филаментные нити проходят через зону закаливания. Устройства для закаливания в поперечном потоке описаны, среди других схем закаливания, в патентах США № 3022539; 3070839; 3336634; 5824248; 6090485, 6881047 и 6926854, все из которых включены в настоящий документ путем ссылки.
Важным аспектом описанного здесь способа получения штапельного волокна является то, что экструдируемые найлоновые филаментные нити, применяемые для конечного образования требуемых найлоновых штапельных волокон, должны формоваться, закаливаться и превращаться в жгуты как при однородности расположения, так и при однородности условий закаливания, которые достаточны, чтобы можно было применять степени вытяжки, которые обеспечат требуемую в итоге прочность T7 штапельного волокна более 3,2 граммов на денье. Однородность в расположении включает в себя как однородность по глубине, так и однородность "от положения к положению".
Оба типа однородности в расположении можно повышать путем осторожного регулирования температуры найлонового полимера, подаваемого в фильерный комплект, в отличие от простого мониторинга температуры теплообменной среды, применяемой для нагревания подводящих трубопроводов с полимером и углублений в фильерном комплекте. В патенте США № 5866050, включенном в настоящий документ путем ссылки, описан способ лучшего регулирования температуры найлонового полимера и упоминается важность поддержания постоянной температуры полимера. Конкретный способ, описанный для достижения такого результата, включает в себя устройство управления первой температурой для нагревания фильерного комплекта до первой заданной стандартной температуры, более значительной, чем заданная температура полимера на входе, так что температура по всему держателю фильтра для полимера и по всей фильерной пластине в фильерном комплекте по существу является постоянной. Между выпускным отверстием насоса и входом в фильерный комплект расположена плита в сборе, по меньшей мере, с одним проходящим через нее потоком полимера. Для автономного регулирования температуры плиты в сборе до второй заданной стандартной температуры имеется устройство управления второй температурой. Стратегия регулирования температуры и способы, применяемые в соответствии с описанным здесь изобретением, являются совершенно другими, как будет описано далее.
Переплавка полимера, например, в двухшнековом расплавителе, вместо подачи полимера со стадии непрерывной полимеризация (CP), также может способствовать подаче полимера в фильерный комплект и закалочную шахту (шахты) при постоянно регулируемой температуре. В двухшнековом расплавителе существует возможность измерять и регулировать температуру полимера в различных местах "от положения к положению" перед подачей в фильеру в противоположность полимеризационному аппарату непрерывного действия, в котором измеряется только температура теплообменной среды в соответствующих местах перед фильерой/фильерным комплектом. В связи с разработкой описанного здесь изобретения было обнаружено, что, когда полимеризационный аппарат непрерывного действия заменяли двухшнековым расплавителем, изменение температуры полимера в транзитном трубопроводе между полимеризационным аппаратом и фильерным комплектом при непрерывной работе в течение продолжительного периода времени уменьшалось в диапазоне от ±2,5°C до ±0,6°C. Также известно, что полимер, полученный в полимеризационном аппарате непрерывного действия, содержит гель, который представляет собой полимер с укороченной цепью или сшитый полимер. Гель может вызывать проблемы при последующей вытяжке, с точки зрения обрыва филаментных нитей. Хорошо известно, что применение двухшнекового расплавителя, как было установлено, уменьшает количество геля по сравнению с полимером, подаваемым из полимеризационного CP-аппарата. Существует пример конструктивных особенностей, применяемых при подаче полимера, которые дают возможность делать экструдируемые филаментные нити более однородными и вытягивать их с более высокими степенями вытяжки.
Однородность пучка филаментных нитей "от нити к нити" ("от положения к положению") в прядильном узле также может влиять на последующую переработку при вытяжке. Причины проблем однородности пучка филаментных нитей "от нити к нити" ("от положения к положению") начинаются с конструкции машины и закаливающей среды. Применение меньшего количества формующих положений может способствовать улучшению однородности "от нити к нити" ("от положения к положению"). Формовочные (прядильные) машины, содержащие 20 или меньшее число фильерных положений, проще регулировать в отношении обеспечения постоянного давления закаливающей среды по всей длине воздуховода формовочной машины, по сравнению, например, с 40 или даже 96 положениями. Меньшее число положений в сочетании с наличием воздуховода с закаливающей средой, уменьшенного по длине приблизительно на 50% по сравнению с традиционной практикой, создает возможность для обеспечения более однородной, нетурбулентной закаливающей среды, подаваемой в прядильный узел.
Еще одна конструктивная особенность прядильного узла, которая способствует производству однородных филаментных нитей, относится к системе фильтрования закаливающей среды. Улучшенная система фильтрования закаливающего воздуха на входе прядильного узла постоянно регулирует перепад давления на фильтрах, чтобы регулировать поток и давление воздуха после фильтра. Поток и давление воздуха зависит от формования продукта.
Другие конструктивные особенности прядильного узла, которые могут обеспечивать улучшенную однородность филаментных нитей "от нити к нити" ("от положения к положению") относятся к фильерному комплекту/фильере, расположенным точно по центру закалочной шахты. Все указанные конструктивные особенности улучшают однородность "от нити к нити" ("от положения к положению") формуемого на машине продукта и вносят вклад в улучшения эксплуатационных качеств жгутов, образованных из филаментных нитей, которые получены формованием и закалкой, при последующей вытяжке.
Однородность филаментной нити по глубине имеет наибольшее влияние на последующую переработку жгутов и на получение требуемых в результате свойств штапельных волокон. В многочисленных ссылках "уровня техники" обсуждаются проблемы, встречающиеся при получении филаментных нитей с однородными свойствами, которые получают при более высоких объемах производства и с применением способов формования из расплава филаментных нитей высокой плотности. В патенте США № 4248581 упоминается закаливание филаментных нитей равномерным образом и трудности, связанные с закаливанием в поперечном потоке. Похожие проблемы также обсуждаются в упомянутых выше патентах '539, '839, '634, '248; '485, '047 и '854. Преодоление указанных проблем однородности по глубине, связанных с созданием равномерных условий закаливания внутри зоны закаливания, является важным фактором возможности повсеместного использования более высоких степеней вытяжки на последующей стадии вытяжки/отжига описанного здесь способа.
При некоторых операциях закаливания в поперечном потоке закаливающий воздух подается под давлением через пучки филаментных нитей расплавленного полимера с одной стороны прямоугольного расположения филаментных нитей. Проблемы, которые могут возникать в результате такого типа закаливания филаментных нитей, заключаются в том, что ряды филаментных нитей, расположенные ближе к потоку воздуха, закаливаются первыми или быстрее, в то время как ряды филаментных нитей, более отдаленные от потока воздуха, закаливаются позже. Также хорошо известно, что закаливающий воздух втягивается при перемещении филаментных нитей сверху вниз и нагревается по мере его движения через ряды филаментных нитей или пучок филаментных нитей. Это вносит вклад в неравномерное закаливание расплавленных филаментных нитей. Такое неравномерное, неоднородное закаливание может служить причиной отличий в кристаллизации филаментных нитей переднего, среднего и заднего ряда. Если такое отличие в кристаллизации достаточно большое, оно может заставлять волокна в пучках филаментных нитей вытягиваться больше или меньше. Другими словами, такие филаментные нити, полностью закаленные в закалочной шахте раньше, по сравнению с филаментными нитями, закаленными позже, могут не вытягиваться в той же самой степени. Это, в свою очередь, может приводить к излишним разрывам филаментных нитей, когда жгуты, образованные из таких неоднородных филаментных нитей, протягиваются с более высокими степенями вытяжки, или может ограничивать степень вытяжки, которую можно применять, в связи с неработоспособностью машины для вытягивания.
Как отмечено в публикации Ziabicki "Fundamentals of Fibre Formation" (J. Wiley &Sons, 1976, стр. 196 и следующие страницы и стр. 241), на качество нитей решающее влияние оказывают условия охлаждения непосредственно ниже сопельного блока. Ziabicki дополнительно подчеркивает, что в случае закаливания в поперечном потоке измерения скорости указывают на то, что пучок нитей оказывает значительное сопротивление потоку закаливающего воздуха. При этом скорость воздуха после пучка значительно уменьшается. Такой эффект может объясняться тем фактом, что продуваемый воздух обтекает вокруг пучка вместо того, чтобы протекать через него. В публикации Ziabicki также обсуждается, что в распределении температуры наблюдаются еще более сильные эффекты. Различия в температуре воздуха, измеренной до и после пучка, а также внутри пучка могут быть существенными. Автор цитирует еще одно исследование, в котором структура и механические свойства филаментных нитей, взятых из различных частей пучка, сопоставляются с диапазоном температуры воздуха в отдельных частях пучка. Ziabicki приходит к заключению, что следствием неоднородной структуры, как правило, является изменение предела текучести и динамометрических характеристик. Следствием такого влияния является то, что если материал, подвергаемый вытяжке, имеет различную структуру, оптимальная степень вытяжки на различных участках также будет различной.
Турбулентный поток закаливающей среды, такой как вихревое движение воздуха, может повлечь за собой контактирование и слипание расплавленных филаментных нитей друг с другом. Такие слипшиеся волокна также могут приводить в дальнейшем к проблемам, связанным с разрывом филаментных нитей.
Для того чтобы свести к минимуму проблемы вышеупомянутого типа, зону закаливания или камеру закаливания, применяемую в способе согласно настоящему изобретению, следует проектировать и конфигурировать таким образом, чтобы все пучки филаментных нитей подвергались по существу одинаковым условиям закаливания в течение одного и того же периода времени. Важным фактором создания таких однородных условий закаливания внутри зоны закаливания является обеспечение регулируемого и равномерного потока охлаждающего газа, например воздуха, во время его введения в зону закаливания или камеру закаливания, пропускания через зону закаливания или камеру закаливания и выхода из зоны закаливания или камеры закаливания.
Для улучшения однородности потока закаливающего воздуха можно применять ряд конструктивных особенностей. В шахте могут быть расположены разделительные перегородки, чтобы воспрепятствовать течению потока воздуха вокруг пучка, а не через пучок. Такие разделительные перегородки можно приспособить также для предотвращения вихревого движения воздуха или турбулентности воздуха в шахте, которая в условиях обычной эксплуатации могла бы привести к слипанию расплавленных филаментных нитей. Для лучшего регулирования турбулентности закаливающей среды также можно применять перфорационные отверстия в дверцах или трубах шахты. В патентах США №№ 3108322; 3936253 и 4045534, включенных в настоящий документ путем ссылки, описано применение разделительных перегородок и перфорационных отверстий в шахтных системах закаливания для улучшения закаливания и уменьшения слипания филаментных нитей.
Еще одной модификацией, которую можно применять для улучшения однородности в расположении, является применение устройства для сбора мономера, которое создает возможность корректировки в расположении, а также регулировки с точки зрения общей вакуумной дегазации всей машины. Такое устройство описано в патенте США № 5219585. Подходящее устройство для сбора мономера также может иметь большое прямоугольное отверстие, которое, в случае необходимости, можно использовать для протягивания через пучок дополнительного воздуха, однако регулируя при этом протягивание для предотвращения выхода филаментных нитей из пучка.
В способах согласно некоторым вариантам осуществления изобретения использована комбинация некоторых или всех вышеупомянутых особенностей формования и закаливания для гарантированного обеспечения однородности формования, то есть обеспечения более однородных невытянутых волокон с точки зрения денье на филамент, степени кристалличности и т.д. Такие волокна, соответственно, во время описанной далее стадии вытяжки/отжига можно вытягивать в большей степени без чрезмерной распространенности разрывов филаментных нитей. Это, в свою очередь, позволяет получать найлоновые штапельные волокна более высокой прочности при 7% удлинении и более высокой прочности на разрыв.
Полученные формованием закаленные филаментные нити, которые были образованы с применением вышеупомянутой технологии улучшения однородности, можно объединять в один или несколько жгутов. Такие жгуты, образованные из филаментных нитей, полученных из одной или нескольких фильер, затем подвергают двухстадийной непрерывной операции, при которой жгуты вытягивают и отжигают.
Обычно вытяжку жгутов сначала осуществляют на начальной или первой стадии вытяжки или в первой зоне, в которой пучки жгутов пропускают между набором подающих валков и набором вытяжных валков (работающих с более высокой скоростью) для повышения степени кристаллической ориентации филаментных нитей в жгуте. Степень, до которой вытягиваются жгуты, можно выразить количественно путем определения степени вытяжки, которая представляет собой отношение более высокой линейной скорости вытяжных валков к более низкой линейной скорости подающих валков. Оптимальную степень вытяжки рассчитывают путем умножения 1-й степени вытяжки и 2-й степени вытяжки.
Первая стадия вытяжки или первая зона может включать в себя несколько наборов подающих и вытяжных валков, а также других валков, направляющих и натягивающих жгут, таких как тормозные палочки. Поверхности вытяжных валков могут быть изготовлены из металла, например хрома, или керамики.
Было установлено, что керамические поверхности вытяжных валков являются особенно предпочтительными, поскольку разрешают применение относительно более высоких степеней вытяжки, указанных для применения в связи с описанным здесь способом получения штапельного волокна. Керамические валки повышают срок службы валков, а также обеспечивают поверхность, которая меньше склонна к навиванию волокон. Применение керамических валков для повышения срока службы валков и уменьшения адгезии волокон на поверхности валков также описано в статье, опубликованной в Международном журнале волокон (International Fiber Journal, 17, 1, Feb 2002: "Textile and Bearing Technology for Separator Rolls, Zeitz и др.), а также в патенте США № 4494608 (оба включены в настоящий документ путем ссылки).
Конкретный порядок размещения элементов оборудования для осуществления вытяжки жгутов описан в упомянутых выше патентах США №№ 3044520; 3188790; 3321448 и 3459845 (автор Hebeler) и в патентах США №№ 5093195 и 5011645 (автор Thompson), все из которых включены в настоящий документ путем ссылки. Керамические валки, например, могут быть установлены в качестве некоторых или всех валков, промаркированных как элементы 12, 13 и 22 на фигуре 2 патента США № 5093195 (автор Thompson).
Несмотря на то, что описанная здесь степень вытяжки жгутов филаментных нитей на начальной или первой стадии вытяжки или в первой зоне является наиболее значительной, обычно также осуществляют некоторую дополнительную вытяжку жгутов на второй стадии или на стадии вытяжки с отжигом или во второй зоне, описанной далее. Общее количество вытяжек, которому подвергаются описанные здесь жгуты филаментных нитей, можно выразить количественно путем определения общей оптимальной степени вытяжки, которая учитывает вытяжку, которая осуществляется как на первой начальной стадии вытяжки или в первой зоне, так и во второй зоне или на стадии, где одновременно проводят отжиг и некоторую дополнительную вытяжку.
В способе согласно некоторым вариантам осуществления изобретения жгуты найлоновых филаментных нитей подвергают вытяжке с общей оптимальной степенью вытяжки от 2,3 до 5,0, включая диапазон от 3,0 до 4,0. В одном из вариантов осуществления изобретения, в котором значение денье на филамент жгутов обычно небольшое, общая оптимальная степень вытяжки может находиться в диапазоне от 3,12 до 3,40. В еще одном варианте осуществления изобретения, в котором значение денье на филамент жгутов обычно более значительное, общая оптимальная степень вытяжки может находиться в диапазоне от 3,5 до 4,0.
В описанном здесь способе наибольшая вытяжка жгутов, как отмечено выше, осуществляется на первой или начальной стадии вытяжки или в первой зоне. В частности, на первой или начальной стадии вытяжки или в первой зоне будет осуществляться от 85% до 97,5%, включая диапазон от 92% до 97%, общей вытяжки, придаваемой жгутам. Операцию вытяжки на первой или начальной стадии обычно осуществляют при любой температуре, которую имеют филаментные нити, когда пропускаются из зоны закаливания после операции формования из расплава. Часто такая температура на первой стадии вытяжки будет находиться в диапазоне от 80°C до 125°C.
После первой или начальной стадии вытяжки или после первой зоны частично вытянутые жгуты пропускаются на вторую стадию вытяжки с отжигом или во вторую зону, в которой жгуты одновременно нагреваются и дополнительно вытягиваются. Нагревание жгутов с целью эффективного отжига служит для повышения степени кристалличности найлонового полимера в филаментных нитях. На указанной второй стадии вытяжки с отжигом или во второй зоне филаментные нити в жгутах подвергают отжигу при температуре от 145°C до 205°C, такой как от 165°C до 205°C. В одном из вариантов осуществления изобретения температуру жгута на такой стадии вытяжки с отжигом можно обеспечивать путем контактирования жгута с металлической плитой с паровым обогревом, которая расположена между вытяжкой на первой стадии и операцией вытяжки с отжигом на второй стадии.
После стадии вытяжки с отжигом согласно описанному здесь способу вытянутые и отожженные жгуты охлаждают до температуры менее 80°C, такой как менее 75°C. Во время всех описанных здесь операций вытяжки, отжига и охлаждения жгуты удерживаются под регулируемым натяжением, и соответственно не допускается их релаксация.
После вытяжки, отжига и охлаждения многофиламентные жгуты превращают в штапельное волокно традиционным способом, например с применением штапелирующего устройства. Штапельное волокно, образуемое из жгутов, часто будет иметь длину в диапазоне от 2 до 13 см (от 0,79 до 5,12 дюймов). Например, можно образовывать штапельные волокна с длиной в диапазоне от 2 до 12 см (от 0,79 до 4,72 дюймов), от 2 до 12,7 см (от 0,79 до 5,0 дюймов) или от 5 до 10 см. Описанное здесь штапельное волокно необязательно может быть извитым.
Найлоновые штапельные волокна, образованные согласно описанному здесь способу, обычно будут поставляться в виде скопления волокон, например в виде тюков волокон, со значением денье на волокно от 1,0 до 3,0. Когда нужно получить штапельные волокна со значением денье на волокно от 1,6 до 1,8, в описанном здесь способе можно применять общую оптимальную степень вытяжки от 3,12 до 3,40, такую как от 3,15 до 3,30, чтобы обеспечить штапельные волокна с необходимой несущей способностью. Когда нужно получить штапельные волокна со значением денье на волокно от 2,5 до 3,0 или от 2,3 до 2,7, в описанном здесь способе следует применять общую оптимальную степень вытяжки от 3,5 до 4,0 или от 3,74 до 3,90, чтобы обеспечить штапельные волокна с необходимой несущей способностью.
Описанные здесь найлоновые штапельные волокна будут иметь несущую способность более 3,2 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении. Значения T7 описанных здесь найлоновых штапельных волокон будут находиться в диапазоне от 3,3 до 5,0 граммов на денье, включая диапазон от 3,3 до 4,0, от 3,4 до 3,7 и от 3,3 до 4,5 граммов на денье. Найлоновые штапельные волокна согласно некоторым вариантам осуществления изобретения могут иметь прочность T на разрыв, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье, включая прочность на разрыв более 6,2, 6,4, 6,8 или от 7,0 до 8,0 граммов на денье.
Предлагаемые здесь найлоновые штапельные волокна особенно применимы для смешивания с другими волокнами для использования в различных областях применения текстиля. Например, можно изготавливать смеси с найлоновыми штапельными волокнами согласно некоторым вариантам осуществления изобретения в комбинации с другими синтетическими волокнами, такими как вискозные или полиэфирные волокна. Примеры смесей описанных здесь найлоновых штапельных волокон включают в себя смеси, изготовленные с натуральными целлюлозными волокнами, такими как хлопок, лен, пенька, джут и/или волокно рами. Способы, подходящие для равномерного смешивания таких волокон, могут включать в себя: механическое смешивание сухих штапельных волокон перед прочесыванием; механическое смешивание сухих штапельных волокон перед прочесыванием и во время прочесывания; или, по меньшей мере, два прохода двупольной гребенной ленточной машины, смешивающей штапельные волокна после прочесывания и перед прядением пряжи.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения описанные здесь найлоновые штапельные волокна с высокой несущей способностью можно смешивать с хлопчатобумажными штапельными волокнами и прясть с получением текстильной пряжи. Такие пряжи можно прясть традиционным способом с применением общеизвестных способов прядения короткого и длинного штапеля, включая кольцевое прядение, аэродинамический или вихревой способ прядения, пневмомеханический способ прядения или бескамерный пневмомеханический (фрикционный) способ прядения. Когда смешанная пряжа включает в себя хлопок, весовое отношение хлопчатобумажного волокна к найлоновому волокну в полученной текстильной пряже обычно составляет от 20:80 до 80:20, включая диапазон от 40:60 до 60:40, и часто весовое отношение хлопок:найлон составляет 50:50. В данной области техники хорошо известно, что незначительное изменение в содержании волокна, например весовое отношение 52:48, также следует считать соответствующим смеси 50:50. Текстильные пряжи, изготовленные с описанными здесь найлоновыми штапельными волокнами с высокой несущей способностью, часто будут обладать значениями разрывной прочности пасмо, по меньшей мере, 2800, такими как, по меньшей мере, 3000 при содержании NYCO 50:50. Альтернативно такие пряжи могут обладать удельной разрывной прочностью, по меньшей мере, 17,5 или 18 сН/текс, в том числе, по меньшей мере, 19 сН/текс при содержании NYCO 50:50.
В одном из вариантов осуществления изобретения описанные здесь текстильные пряжи будут изготавливаться из найлоновых штапельных волокон со значением денье на филамент от 1,6 до 1,8. В еще одном варианте осуществления изобретения описанные здесь текстильные пряжи будут изготавливаться из найлоновых штапельных волокон со значением денье на филамент от 2,5 до 3,0, включая диапазон от 2,3 до 2,7.
Найлоновые/хлопчатобумажные пряжи (NYCO) согласно некоторым вариантам осуществления изобретения можно применять традиционным образом для получения тканых NYCO-материалов с особенно желательными свойствами для военного применения или другого применения в условиях повышенного износа одежды. При этом такие пряжи можно ткать с получением NYCO-материалов с саржевым переплетением 2 × 1 или 3 × 1. Крученые NYCO-пряжи и тканые материалы с саржевым переплетением 3 × 1, содержащие такие пряжи в целом, описаны и подтверждены примерами в патенте США № 4920000 (автор Green). Данный патент включен в настоящий документ путем ссылки.
Конечно, тканые NYCO-материалы содержат пряжи как в направлении основы, так и в направлении утка (заполнение по ширине). Тканые материалы согласно некоторым вариантам осуществления изобретения представляют собой материалы, которые содержат описанные здесь текстильные NYCO-пряжи для ткачества, по меньшей мере, в одном направлении, и необязательно в обоих указанных направлениях. В одном из вариантов осуществления изобретения описанные здесь материалы с особенно желательным сроком службы и комфортными характеристиками будут содержать пряжи для ткачества в направлении утка (заполнение по ширине), содержащие описанные здесь найлоновые штапельные волокна со значением денье на филамент от 1,6 до 1,8, и будут содержать пряжи для ткачества в направлении основы, содержащие описанные здесь найлоновые штапельные волокна со значением денье на филамент от 2,3 до 3,0, включая диапазон значений от 2,5 до 3,0 и от 2,3 до 2,7 денье на филамент.
В тканых материалах согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, изготовленных с применением пряж, которые содержат описанные здесь найлоновые штапельные волокна с высокой несущей способностью, может применяться меньшее количество найлоновых штапельных волокон, чем в традиционных NYCO-материалах, в то же время, сохраняя многие желательные свойства таких традиционных NYCO-материалов. При этом такие материалы можно изготавливать относительно легкими и дешевыми, в то же время желательно с длительным сроком службы. Альтернативно такие материалы можно изготавливать с применением равных или даже больших количеств описанных здесь найлоновых штапельных волокон по сравнению с содержанием найлоновых волокон в традиционных NYCO-материалах, придавая таким описанным здесь материалам превосходную износоустойчивость.
Легкие материалы, такие как NYCO-материалы, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения могут иметь поверхностную плотность менее 220 граммов/м2 (6,5 унций/ярд2), в том числе менее 200 граммов/м2 (6,0 унций/ярд2), и менее 175 граммов/м2 (5,25 унций/ярд2). Подходящее NYCO-материалы с длительным сроком службы согласно некоторым вариантам осуществления изобретения будут иметь предел прочности при растяжении 190 фунтов-силы или более в направлении основы и 80 фунтов-силы или более в направлении утка (заполнение по ширине). Другие материалы с длительным сроком службы имеют прочность на раздир в направлении основы 11,0 фунтов·фут или более и в направлении утка (заполнения по ширине) 9,0 фунтов·фут или более в случае материала, "не подвергнутого после получения какой-либо обработке".
Другие материалы с длительным сроком службы согласно некоторым вариантам осуществления изобретения имеют устойчивость к абразивному истиранию по Тэйберу, по меньшей мере, 600 циклов до разрушения, в том числе, по меньшей мере, 1000 циклов до разрушения. Другие материалы с длительным сроком службы согласно некоторым вариантам осуществления изобретения будут иметь количество циклов абразивного истирания (ткани) с изгибом 50000 (циклов) или более в направлении основы и в направлении заполнения по ширине.
Способы испытаний
Когда определяются различные параметры, свойства и характеристики описанных здесь полимеров, волокон, пряж и материалов, понятно, что такие параметры, свойства и характеристики можно определять с применением следующих процедур испытаний и испытательного оборудования:
Относительная вязкость найлонового полимера
Применяемая здесь RV найлоновых материалов, измеренная в муравьиной кислоте, относится к отношению вязкостей раствора и растворителя, измеренных в капиллярном вискозиметре при 25°C. Растворителем является муравьиная кислота, содержащая 10 вес.% воды. Раствор содержит 8,4 вес.% найлонового полимера, растворенного в растворителе. Данное испытание основано на стандартном способе испытания согласно ASTM D 789. RV, измеренные в муравьиной кислоте, определяют на полученных формованием филаментных нитях до или после вытяжки, и могут относиться к RV полученного формованием волокна, измеренным в муравьиной кислоте.
Измерения штапельных волокон на разрывной машине "Инстрон"
Все описанные здесь измерения штапельных волокон на разрывной машине марки "Инстрон" проводили на отдельных штапельных волокнах, принимая соответствующие меры предосторожности, с зажимом короткого волокна и получением среднего значения на основании измерений, по меньшей мере, 10 волокон. Чтобы обеспечить значения определяемых параметров, обычно среднее значение выводят, по меньшей мере, по 3 наборам измерений (каждое для 10 волокон).
Денье филаментных нитей
Денье представляет собой линейную плотность филаментной нити, выраженную как вес в граммах 9000 метров филаментной нити. Денье можно измерять на виброскопе от компании Textechno (Мюнхен, Германия). Денье, умноженное на (10/9), равно децитексу (дтекс). Денье на филамент можно определить гравиметрически в соответствии со стандартным способом испытания согласно ASTM D 1577.
Прочность на разрыв
Прочность на разрыв (T) представляет собой максимальное или разрывное усилие, приложенное к филаментной нити, выражаемое как сила на единицу площади поперечного сечения. Прочность можно измерять на разрывной машине марки "Инстрон" (модель 1130), поставляемой компанией Instron of Canton, Mass., и выражать в виде граммов на денье (граммов на дтекс). Прочность филаментной нити на разрыв (и удлинение при разрыве) можно измерять согласно стандарту ASTM D 885.
Прочность филаментной нити при 7% удлинении
Прочность филаментной нити при 7% удлинении (T7) представляет собой силу, прилагаемую к филаментной нити для достижения 7%-го удлинения, деленную на денье филаментной нити. T7 можно определять согласно стандарту ASTM D 3822.
Прочность пряжи
Прочность описанных здесь пряж из полученного формованием найлонового волокна/хлопка можно выразить количественно с помощью значения разрывной прочности пасмо или разрывной прочности пряжи. Значения разрывной прочности пасмо и разрывной прочности мотка являются традиционными измерениями средней прочности текстильной пряжи и могут определяться согласно стандарту ASTM D 1578. Значения разрывной прочности пасмо выражаются в единицах фунтов силы (фунтов·фут). Удельная разрывная прочность измеряется в единицах сН/текс.
Поверхностная плотность
Поверхностная плотность или вес 1 м2 описанных здесь тканых материалов можно определять путем взвешивания образцов материала известной площади и расчета веса или веса 1 м2 в единицах граммов/м2 или унций/ярд2 в соответствии с процедурами согласно стандартному способу испытания ASTM D 3776.
Предел прочности материала при растяжении
Предел прочности материала при растяжении можно измерять согласно стандарту ASTM D 5034. Измерения предела прочности при растяжении выражаются в фунтах силы как в направлении основы, так и в направлении заполнения по ширине (утка).
Прочность материала на раздир по Элмендорфу
Прочность материала на раздир можно измерять согласно стандарту ASTM D 1424, озаглавленному "Способ стандартного испытания прочности материалов на раздир с помощью маятникового прибора системы Элмендорфа". Измерения предела прочности при растяжении выражаются в фунтах-силы как в направлении основы, так и в направлении заполнения по ширине (утка).
Устойчивость материала к абразивному истиранию по Тэйберу
Устойчивость материала к абразивному истиранию можно определять как устойчивость к абразивному истиранию по Тэйберу, измеряемую согласно стандарту ASTM D3884-01, озаглавленному "Устойчивость к абразивному истиранию с применением абразивной машины со сдвоенной головкой на вращающейся платформе". Результаты выражаются в виде числа циклов до разрушения.
Устойчивость материала к абразивному истиранию с изгибом
Устойчивость материала к абразивному истиранию можно определять как устойчивость к абразивному истиранию с изгибом, измеренную согласно стандарту ASTM D3885, озаглавленному "Стандартный способ испытания устойчивости текстильных материалов к абразивному истиранию (способ испытания на изгиб и истирание)". Результаты выражаются в виде числа циклов до разрушения.
Особенности и преимущества настоящего изобретения более полно показаны с помощью следующих примеров, которые приведены с целью иллюстрации и не должны интерпретироваться как ограничивающие изобретение каким-либо образом.
ПРИМЕРЫ
В описанных здесь примерах получали различные найлоновые штапельные волокна. Применяемые процедуры включали в себя стадию SPP, стадию формования филаментной нити, стадию вытяжки с отжигом и стадию получения штапельного волокна. Из полученных таким образом штапельных волокон затем пряли NYCO-пряжу с хлопчатобумажными штапельными волокнами.
Во всех случаях полимерную крошку предшественника найлонового полимера подают в емкость для твердофазной полимеризации (SPP). Полимерная крошка предшественника представляет собой гомополимерный найлон-66 (полигексаметиленадипамид), содержащий катализатор полиамидирования (то есть гипофосфит марганца, полученный от компании Occidental Chemical Company с филиалами в Niagara Falls, N.Y.) в концентрации 16 весовых частей на миллион. Полимерная крошка предшественника, подаваемая в емкость для SPP, имеет RV, измеренную в муравьиной кислоте, приблизительно 48.
В емкости для SPP применяют кондиционирующий газ для увеличения RV полимерной крошки найлонового полимера до значения приблизительно 55, используя оборудование и процедуры, аналогичные описанным в патентах США № 6814939 и 6605694 (автор Schwinn). Такой материал из полимерной крошки с более высокой RV выводят из емкости для SPP и подают в двухшнековый расплавитель и затем в фильерный комплект для формования филаментных нитей из расплава через фильеру. Температуру полимера в транзитном трубопроводе между шнековым расплавителем и фильерным комплектом поддерживают при 287°С±0,6. Филаментные нити, экструдированные через фильеру, пропускают через зону закаливания с поперечным потоком, в которую подается закаливающий воздух, поддерживаемый при 45°-50°F (7,2-12,8°С), и затем превращают в жгут из непрерывных филаментных нитей.
Затем жгут из непрерывных филаментных нитей вытягивают с отжигом с помощью двухстадийной операции и оборудования, аналогичного оборудованию и процедурам, описанным в патенте США № 5011645. Для указанной двухстадийной процедуры применяют различные оптимальные степени вытяжки, которые приведены в таблице 1. Температуру жгутов на стадии вытяжки с отжигом обеспечивают путем контактирования жгута с металлической плитой с паровым обогревом, которая расположена между первой стадией вытяжки и второй стадией, представляющей собой операцию вытяжки с отжигом. Жгут, вытянутый с отжигом, затем охлаждают ниже 80°C и нарезают на найлоновые штапельные волокна с характеристиками, приведенными в таблице 1.
Найлоновое штапельное волокно c более высоким значением T7 путем кольцевого прядения превращают в смешанные найлоновые/хлопчатобумажные пряжи с различными отношениями найлонового волокна к хлопчатобумажному штапельному волокну. Такие пряжи сравнивают по прочности с соответствующими пряжами, полученными с применением найлоновых штапельных волокон с более традиционным значением T7. Результаты приведены в таблице 2.
Из найлонового штапельного волокна с 1,7 денье/филамент и со стандартным значением T7 2,9 с помощью кругового прядения получали смешанные пряжи 50:50 найлон/хлопок с двумя разными номерами пряжи. Для сравнения из найлонового штапельного волокна с 1,6 денье/филамент и с более высоким значением T7 3,4 с помощью кругового прядения получали аналогичные смешанные пряжи с номинальным составом найлон/хлопок 50:50. При получении всех пряж применяли одинаковый тип хлопка и оборудование для переработки пряжи. Такие пряжи сравнивали по прочности пряжи и однородности, как показано в таблице 3. Однородность пряжи измеряют в виде изменения денье или диаметра по всей длине пряжи на приборе Устер. Приводимые результаты измерений получены с помощью такого прибора Устер (модель 5) на основе оптического датчика.
Из пряж, указанных в таблице 3, ткали идентичные материалы с саржевым переплетением 2×1. Для сравнения обоих типов пряжи получали материал стандартного веса и более легкий по весу. В таких материалах для ткачества в направлении основы применяли пряжу с номером 20/1 и в направлении заполнения по ширине (утка) применяли пряжу с номером пряжи 16 или 20. Результаты сравнения и результаты, полученные для материала согласно изобретению, приведены в таблице 4. Как видно из таблицы, во всех случаях применение волокна с более высокой прочностью улучшало результаты измерений прочности при растяжении, прочности на раздир и устойчивости к абразивному истиранию (ткани) с изгибом по сравнению с волокном стандартной прочности.
Хотя описанные здесь варианты осуществления изобретения в настоящее время считаются предпочтительными, специалистам в данной области техники будет понятно, что можно осуществить их изменения и модификации, не выходя за пределы существа изобретения; подразумевается, что все такие изменения и модификации включены в настоящее изобретение, как входящие в фактический объем изобретения.
Изобретение относится к текстильной промышленности и касается найлонового штапельного волокна с высокой несущей способностью и изготовленных из него смешанных найлоновых пряж и материалов. Высокопрочные найлоновые штапельные волокна характеризуются значением денье на филамент от 1,0 до 3,0, прочностью T на разрыв, по меньшей мере, приблизительно 6,0, и несущей способностью T7 более 3,2. Производят путем получения жгутов из найлоновых филаментных нитей, относительно однородно отформованных и закаленных, вытяжки и отжига таких жгутов с помощью двухстадийной операции вытяжки с отжигом с применением относительно высоких степеней вытяжки и последующего штапелирования или иного превращения вытянутых и отожженных жгутов в требуемые высокопрочные найлоновые штапельные волокна. Полученные таким образом найлоновые штапельные волокна можно смешивать с другими волокнами, такими как хлопчатобумажные штапельные волокна, для производства найлоновых/хлопчатобумажных пряж (NYCO). Изобретение обеспечивает получение волокон для создания материалов, обладающих длительным сроком службы в условиях повышенного износа. 7 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 табл.
1. Способ получения найлоновых штапельных волокон с несущей способностью более 3,2 граммов на денье, измеренной в виде прочности (T7) при 7% удлинении; упомянутый способ включает стадии формования филаментных нитей из расплава найлонового полимера, закаливания упомянутых филаментных нитей и образования одного или нескольких жгутов из множества упомянутых закаленных филаментных нитей, проведения вытяжки и отжига упомянутого жгута (жгутов) и превращения упомянутого вытянутого и отожженного жгута (жгутов) в штапельные волокна, подходящие для образования пряжи, в котором:
A) найлоновый полимер, формуемый из расплава с получением филаментных нитей, имеет относительную вязкость (RV), измеренную в муравьиной кислоте, от 45 до 100;
B) филаментные нити из упомянутого найлонового полимера формуют, закаливают и превращают в жгуты при однородности как расположения, так и условий закаливания, которые достаточны, чтобы разрешить применение степеней вытяжки, которые обеспечивают в итоге штапельное волокно с требуемой прочностью T7 более 3,2 граммов на денье;
C) вытяжку и отжиг жгута (жгутов) осуществляют с помощью двухстадийной непрерывной операции, проводимой с общей оптимальной степенью вытяжки от 2,3 до 5,0; упомянутая операция включает первую стадию вытяжки, на которой осуществляется от 85% до 97,5% вытяжки жгута (жгутов), и вторую стадию вытяжки с отжигом, на которой упомянутый жгут (жгуты) подвергают отжигу при температуре от 145°C до 205°C; упомянутая операция сопровождается стадией охлаждения, на которой упомянутый вытянутый и отожженный жгут (жгуты) охлаждают до температуры менее 80°C; и
D) жгут (жгуты) на протяжении упомянутой двухстадийной непрерывной операции поддерживают под регулируемым натяжением.
2. Способ по п.1, в котором упомянутые штапельные волокна имеют значение денье на филамент от 1,0 до 3,0 и прочность на разрыв, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье.
3. Способ по п.1, в котором относительная вязкость (RV) найлонового полимера находится в диапазоне от 45 до 65.
4. Способ по п.1, в котором упомянутые штапельные волокна имеют значение денье на филамент от 1,6 до 1,8, прочность на разрыв более 6,8 граммов на денье и несущую способность от 3,3 до 4,5 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
5. Способ по п.4, в котором упомянутую вытяжку и отжиг упомянутого многофиламентного жгута проводят при общей оптимальной степени вытяжки от 3,12 до 3,40.
6. Способ по п.1, в котором упомянутые штапельные волокна имеют значение денье на филамент от 2,3 до 2,7, прочность на разрыв более 6,8 граммов на денье и несущую способность от 3,3 до 5,0 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
7. Способ по п.6, в котором упомянутую вытяжку и отжиг упомянутого многофиламентного жгута проводят при общей оптимальной степени вытяжки от 3,5 до 4,0.
8. Способ по п.1, в котором упомянутый найлоновый полимер имеет RV от 50 до 60.
9. Способ по п.1, в котором упомянутую первую стадию вытяжки осуществляют при температуре от 80°C до 125°C, и упомянутую вторую стадию вытяжки и отжиг осуществляют при температуре от 165°C до 205°C.
10. Способ по п.1, в котором упомянутый найлоновый полимер выбран из группы, состоящей из полигексаметиленадипамида (найлон-66) и поликапроамида (найлон-6).
11. Найлоновые штапельные волокна, полученные согласно способу по п.1.
12. Изделие, содержащее найлоновые штапельные волокна со значением денье на филамент от 1,0 до 3,0, прочностью, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье и несущей способностью более 3,2 граммов на денье, измеренной в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
13. Изделие по п.12, в котором упомянутые найлоновые штапельные волокна имеют относительную вязкость (RV) от 45 до 65.
14. Изделие по п.12, в котором упомянутые найлоновые штапельные волокна имеют значение денье на филамент от 1,6 до 1,8, прочность на разрыв более 6,8 граммов на денье и несущую способность от 3,12 до 3,40 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
15. Изделие по п.12, в котором упомянутые найлоновые штапельные волокна имеют значение денье на филамент от 2,3 до 2,7, прочность на разрыв более 6,8 граммов на денье и несущую способность от 3,3 до 5,0 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
16. Изделие по п.12, в котором упомянутые найлоновые штапельные волокна содержат найлоновый полимерный материал, выбранный из группы, состоящей из полигексаметиленадипамида (найлон-66) и поликапроамида (найлон-6).
17. Изделие по п.12, в котором длина упомянутых найлоновых штапельных волокон находится в диапазоне от 2 до 13 сантиметров (от 0,79 до 5,12 дюймов).
18. Изделие по п.12, в котором упомянутое изделие содержит текстильную пряжу, содержащую хлопчатобумажные штапельные волокна и упомянутые найлоновые штапельные волокна, смешанные в весовом отношении хлопчатобумажных штапельных волокон к найлоновым штапельным волокнам в диапазоне от 20:80 до 80:20.
19. Текстильная пряжа, содержащая смешанные найлоновые штапельные волокна и, по меньшей мере, одно сопутствующее штапельное волокно, в которой по существу все упомянутые найлоновые штапельные волокна имеют значение денье на филамент от 1,0 до 3,0, прочность, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье и несущую способность более 3,2 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
20. Текстильная пряжа по п.19, в которой упомянутое сопутствующее штапельное волокно содержит хлопок, и упомянутые хлопчатобумажные штапельные волокна и найлоновые штапельные волокна находятся в весовом отношении хлопчатобумажных штапельных волокон к найлоновым штапельным волокнам в диапазоне приблизительно от 20:80 до 80:20; отличающаяся тем, что по существу все упомянутые найлоновые штапельные волокна имеют значение денье на филамент от 1,0 до 3,0, прочность, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье и несущую способность более 3,2 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
21. Текстильная пряжа по п.19, которая обладает значением разрывной прочности пасмо, по меньшей мере, 2800 или удельной разрывной прочностью, по меньшей мере, 18 сН/текс, в расчете на стандартное отношение найлон/хлопок 50:50.
22. Тканый материал найлон/хлопок (NYCO), получаемый из текстильных пряж по п.19.
23. Тканый материал найлон/хлопок (NYCO), получаемый из текстильных пряж, как в направлении основы, так и в направлении утка (заполнение по ширине), в котором упомянутые текстильные пряжи, применяемые для ткачества, по меньшей мере, в одном направлении, содержат смешанные хлопчатобумажные штапельные волокна и найлоновые штапельные волокна в весовом отношении хлопчатобумажных штапельных волокон к найлоновым штапельным волокнам в диапазоне от 20:80 до 80:20; и в котором упомянутые найлоновые штапельные волокна имеют значение денье на филамент от 1,0 до 3,0, прочность, по меньшей мере, 6,0 граммов на денье и несущую способность более 3,2 граммов на денье, измеренную в виде прочности (T7) при 7% удлинении.
24. NYCO-материал по п.23, в котором пряжи, применяемые для ткачества в направлении утка (заполнения по ширине) содержат найлоновые штапельные волокна со значением денье на филамент от 1,6 до 1,8, и пряжи, применяемые для ткачества в направлении основы содержат найлоновые штапельные волокна со значением денье на филамент от 2,3 до 2,7.
25. NYCO-материал по п.23 с поверхностной плотностью 200 граммов/м2 (6,0 унций/ярд2) или менее.
26. NYCO-материал с саржевым переплетением 2 × 1 по п.23 с пределом прочности при растяжении 190 фунтов-силы или более в направлении основы и 80 фунтов-силы или более в направлении утка (заполнения по ширине), измеренным согласно стандарту ASTM D 5034.
27. Тканый NYCO-материал, полученный из текстильных пряж, как в направлении основы, так и в направлении утка (заполнения по ширине), в котором упомянутые текстильные пряжи, применяемые для ткачества в обоих направлениях, содержат хлопчатобумажные штапельные волокна и найлоновые штапельные волокна, смешанные в весовом отношении хлопчатобумажных штапельных волокон к найлоновым штапельным волокнам в диапазоне от 20:80 до 80:20; и дополнительно отличающийся тем, что пряжи, применяемые для ткачества в направлении утка (заполнения по ширине), содержат найлоновые штапельные волокна со значением денье на филамент от 1,3 до 2,0, а пряжи, применяемые для ткачества в направлении основы, содержат найлоновые штапельные волокна со значением денье на филамент от 2,5 до 3,0.
| US 5093195 A, 03.03.1992 | |||
| US 5011645 A, 30.04.1991 | |||
| US 4920000 A, 24.04.1990 | |||
| US 6057032 A, 30.04.1991 | |||
| СМЕСЬ ШТАПЕЛЬНЫХ ВОЛОКОН И ТЕПЛОСТОЙКАЯ ПРОЧНАЯ ТКАНЬ | 1991 |
|
RU2051223C1 |
| Теплостойкая прочная ткань | 1989 |
|
SU1804508A3 |
