НЕЙЛОНОВОЕ ШТАПЕЛЬНОЕ ВОЛОКНО, ПОДХОДЯЩЕЕ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В УСТОЙЧИВЫХ К АБРАЗИВНОМУ ИСТИРАНИЮ, ВЫСОКОПРОЧНЫХ НАЙЛОНОВЫХ СМЕШАННЫХ ПРЯЖАХ И МАТЕРИАЛАХ
NYLON STAPLE FIBRES SUITABLE FOR USE IN ABRASION-RESISTANT HIGH STRENGTH NYLON MIXED YARNS AND MATERIALS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к получению найлонового штапельного волокна, подходящего для применения в устойчивых к абразивному истиранию и удовлетворительно высокопрочных смешанных пряжах и материалах, таких как найлоновые/хлопчатобумажные (NYCO) пряжи и материалы. Такое найлоновое штапельное волокно производят путем получения жгутов из закаленных найлоновых филаментных нитей с относительно высокой молекулярной массой, вытяжки и отжига таких жгутов и последующего штапелирования или иного превращения протянутых с отжигом жгутов в требуемое найлоновое штапельное волокно.
Полученное таким образом найлоновое штапельное волокно можно смешивать с другими волокнами, такими как хлопчатобумажное штапельное волокно, для производства найлоновых/хлопчатобумажных NYCO-пряж. Такие пряжи затем можно ткать с получением NYCO-материалов, которые могут быть преимущественно устойчивыми к абразивному истиранию, высокопрочными, необязательно легкими, комфортными, дешевыми и с длительным сроком службы и, следовательно, особенно подходящими для применения, например, в военной одежде или в качестве военной одежды, 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. 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 найлонного 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.
7
7
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 №№ 3044520; 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 как прочность при 7% удлинении (T), и параметр T в течение длительного времени принимается в качестве стандартного измерения и легко определяется на разрывной машине марки "Инстрон".
7
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 (T) 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 или другой одежды, применяемой в условиях повышенного износа, военные ведомства, например, постоянно находятся в поиске улучшенных материалов, которые могут быть устойчивыми к абразивному истиранию, высокопрочными, 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 повышенной устойчивостью к абразивному истиранию, длительным сроком службы и улучшенной комфортностью и необязательно 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 соответствующую высокую несущую способность и также могут придавать пряжам и изготовленным из них материалам свойства устойчивости к абразивному истиранию. Материалы, получаемые из пряж с применением таких найлоновых штапельных волокон, преимущественно могли бы иметь повышенную устойчивость к абразивному истиранию и повышенный срок службы по сравнению с материалами, применяемыми в настоящее время. Такие найлоновые штапельные волокна также могли бы обеспечить такие желательные эксплуатационные качества, как устойчивость к абразивному истиранию и 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 найлоновых штапельных волокон, которые можно смешивать с сопутствующим волокном для образования пряжи и ткани с получением материалов с повышенной прочностью и устойчивостью к абразивному истиранию. Также включены способы получения штапельных волокон самих по себе и пряж, получаемых путем смешивания упомянутых найлоновых штапельных волокон с сопутствующим волокном, таким как хлопчатобумажные штапельные волокна. Полученные смешанные пряжи затем можно ткать с получением устойчивых к абразивному истиранию, с длительным сроком службы и необязательно легких тканых материалов, которые особенно подходят для военной одежды или одежды, применяемой в условиях повышенного износа.
Аспектами способа в некоторых вариантах осуществления изобретения является способ получения найлоновых штапельных волокон. Такой способ включает в себя стадии: формования филаментных нитей из расплава найлонового полимера, 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 для образования, например, 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 65 до 100. Кроме того, вытяжку жгута с отжигом осуществляют с помощью двухстадийной непрерывной операции, проводимой при общей оптимальной степени вытяжки в диапазоне от 2,3 до 4,0, 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 (стадия вытяжки с отжигом) жгут подвергают отжигу при температуре от 145°C до приблизительно 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.
7
Еще один аспект относится к такому типу найлоновых штапельных волокон, который может быть получен в соответствии с вышеупомянутым способом. Таким образом, найлоновые штапельные волокна согласно настоящему изобретению представляют собой волокна со значением денье на филамент в диапазоне приблизительно от 1,0 до 3,0, прочностью на разрыв, по меньшей мере, приблизительно 6,0 граммов на денье и несущей способностью более 2,5, такой как более 3,2 граммов на денье, измеренной как прочность (T) при 7% удлинении. Такие штапельные волокна формуются из найлонового полимера с относительной вязкостью в диапазоне от 65 до 100.
7
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к текстильной пряже, которая может быть изготовлена путем смешивания описанных здесь найлоновых штапельных волокон с хлопчатобумажными штапельными волокнами. Таким образом, полученная найлоновая/хлопчатобумажная пряжа, то есть NYCO-пряжа, 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. По существу все найлоновые штапельные волокна в NYCO-пряже представляют собой волокна, которые содержат найлоновый полимер с диапазоном RV, измеренной в муравьиной кислоте, от 65 до 100, и которые обладают 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 2,5 и более предпочтительно более 3,2 граммов на денье, измеренной в виде прочности (T) при 7% удлинении.
7
7
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится 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 приблизительно от 20:80 до 80:20. Опять же по существу все найлоновые штапельные волокна в текстильных пряжах, применяемых для ткачества описанных здесь тканых NYCO-материалов, представляют собой волокна, которые содержат найлоновый полимер с диапазоном RV, измеренной в муравьиной кислоте, от 65 до 100, со значением денье на филамент приблизительно от 1,0 до 3,0, прочностью, по меньшей мере, приблизительно 6,0 граммов на денье и несущей способностью приблизительно более 2,5 граммов на денье, такой как более 3,2 граммов на денье, измеренной в виде прочности (T) при 7% удлинении. В еще одном варианте осуществления изобретения найлоновые штапельные волокна могут представлять собой волокна, которые имеют прочность, по меньшей мере, приблизительно 6,0 граммов на денье и несущую способность, измеренную как (T), приблизительно более 3,2 граммов на денье.
Согласно еще одному аспекту изобретение относится к материалам, включающим в себя смешанную пряжу, таким как NYCO-материалы, которые ткут 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 волокон к найлоновым 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 значением денье на филамент от 1,3 до 2,0, включая диапазоны от 1,55 до 1,8, 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 значением денье на филамент от 2,1 до 3,0, включая диапазон значений от 2,3 до 2,7. В еще одном варианте осуществления изобретения пряжи, применяемые в направлении основы и в направлении утка, соответственно, могут различаться другими физическими свойствами или эксплуатационными характеристиками. Например, материал в направлении основы может быть образован из пряж, которые обладают относительно более высокой устойчивостью к абразивному истиранию, но более низким пределом прочности на разрыв по сравнению с пряжами, применяемыми в направлении утка.
Подробное описание изобретения
Применяемые здесь термины "с длительным сроком службы" и "срок службы" относятся к свойству материала, которое характеризуется подходящей высокой прочностью при растяжении и прочностью 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, также упоминаемым как сопутствующее волокно. 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 в себя измеренную в муравьиной кислоте RV найлона, применяемого для изготовления волокна, 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 найлонового полимерного материала, обладающего определенными, специально подобранными свойствами. 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 настоящему изобретению, состоит из синтетического полимера, который поддается прядению из расплава или 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 настоящему изобретению, 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 обычно обеспечивают такой найлоновый полимер для окончательной переработки в штапельное волокно, 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 с изгибом (ткани) 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. Процедуры и оборудование для изготовления найлонового полимера с высокой RV и штапельного волокна из него описаны в патенте США № 5236652 (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.
7
Согласно настоящему изобретению было обнаружено, что штапельные волокна, получаемые из найлонового полимера с более высоким значением RV, чем значение, обычно получаемое путем полимеризации в полимеризационном аппарате непрерывного действия или автоклаве периодического действия, и перерабатываемые в соответствии с описанными здесь операциями формования, закаливания, вытяжки и отжига, могут проявлять подходяще высокую несущую способность, количественно выражаемую в виде значений их прочности T при 7% удлинении, даже при более низких степенях вытяжки. Когда такие найлоновые штапельные волокна с относительно высокой RV и подходяще высокой несущей способностью смешивают с хлопчатобумажными штапельными волокнами, можно получать текстильные пряжи подходящей высокой прочности. Тканые NYCO-материалы из таких пряж обладают описанными выше преимуществами в отношении устойчивости к абразивному истиранию, прочности, срока службы и необязательно являются более легкими по весу, комфортными и/или дешевыми.
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, который подвергается закаливанию, будет иметь значение RV в диапазоне приблизительно от 65 до 100. В одном из вариантов осуществления изобретения RV описанного здесь найлонового полимера, подвергаемого формованию из расплава с получением филаментных нитей, образующих жгут, будет составлять приблизительно от 68 до 95 или даже от 70 до 85. Найлоновый полимер с такими характеристиками RV можно получать, например, с применением процедуры смешивания в расплаве полиамидного концентрата согласно вышеупомянутому '652 патенту (Kidder). Kidder описывает некоторые варианты осуществления изобретения, в которых добавка, включаемая в полиамидный концентрат, представляет собой катализатор, добавляемый с целью увеличения относительной вязкости (RV), измеренной в муравьиной кислоте. Найлоновый полимер с более высокой RV, пригодный для формования из расплава, 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) 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 от 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 пучки филаментных нитей, вместе с филаментными нитями, вокруг пучков филаментных нитей 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.
7
7
Важным аспектом описанного здесь способа получения штапельного волокна является то, что экструдируемые найлоновые филаментные нити, применяемые для окончательного формирования требуемых найлоновых штапельных волокон, должны формоваться, закаливаться и превращаться в жгуты, как при однородности в расположении, так и при однородности условий закаливания, которые достаточны для того, чтобы можно было применять степени вытяжки, обеспечивающие требуемую в итоге прочность штапельного волокна T, например T более 2,5 граммов на денье или в еще одном варианте осуществления изобретения - более 3,2 граммов на денье. Однородность в расположении включает в себя как однородность по глубине, так и однородность "от нити к нити" ("от положения к положению").
Оба типа однородности расположения филаментных нитей 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 однородной 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 полимеризации (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 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 описанных здесь способов 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 положения к положению" ("от нити к нити") в прядильном узле также может влиять на последующую переработку при вытяжке. Причины проблем однородности пучка филаментных нитей "от нити к нити" начинаются с конструкции машины и закаливающей среды. Применение меньшего количества формующих положений может способствовать улучшению однородности "от нити к нити". 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 контролирует 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", 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, которые предпочтительны для применения 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. В многочисленных патентах также было показано, 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. Кроме того, пучок нитей оказывает значительное сопротивление потоку закаливающей среды, что 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 равномерных 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 корреляции расположения, а также регулировки с точки зрения общей вакуумной дегазации всей машины. 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 протягивание для предотвращения выхода филаментных нитей из пучка.
В целом, путем применения комбинации 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.
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 волокна. 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. Предпочтительные 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 указания общей оптимальной степени вытяжки, которая учитывает вытяжку, которая осуществляется как на первой начальной стадии вытяжки или в первой зоне, так и на второй стадии вытяжки с отжигом или во второй зоне.
В способе согласно изобретению жгуты найлоновых филаментных нитей подвергают вытяжке с общей оптимальной степенью вытяжки от 2,3 до 4,0, или альтернативно 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 2,5 до 3,40, от 2,5 до 3,0 и 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 3,25 до 4,0, таком как от 3,5 до 4,0, и от 3,25 до 3,75.
В способе согласно некоторым вариантам осуществления изобретения 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% или более предпочтительно 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. Более предпочтительно применяют температуру отжига 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, более предпочтительно - до температуры менее 75°C. Во время всех описанных здесь операций вытяжки, отжига и охлаждения жгуты удерживаются при регулируемом натяжении, 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). Более предпочтительно можно образовывать штапельные волокна длиной от 2 до 12 см (от 0,79 до 4,72 дюймов) или от 2 до 12,7 см (от 0,79 до 5,0 дюймов) или даже от 5 до 10 см. Описанное здесь штапельное волокно может быть извитым, но более предпочтительно, чтобы оно не было извитым.
Найлоновые штапельные волокна, образованные в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, обычно будут обеспечиваться в виде скопления волокон, например, в виде тюков волокон со значением от 1,0 до 3,0 денье на волокно. Когда следует 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 2,5 до 3,0, чтобы обеспечить штапельные волокна с необходимой несущей способностью. Когда нужно получить штапельные волокна со значением денье на волокно от 2,1 до 3,0 или от 2,5 до 3,0, в описанном здесь способе следует применять общую оптимальную степень вытяжки приблизительно от 3,25 до 3,75, чтобы обеспечить штапельные волокна с необходимой несущей способностью.
7
7
Описанные здесь найлоновые штапельные волокна будут обладать несущей способностью более 2,5 граммов на денье, такой как более 3,2 граммов на денье, измеренной в виде прочности (T) при 7% удлинении. Значения T описанных здесь найлоновых штапельных волокон будут находиться в диапазоне от 2,5 до 5,0 граммов на денье, в том числе от 3,0 до 5,0, от 3,3 до 4,0 граммов на денье и от 3,4 до 3,7 граммов на денье. Описанные здесь найлоновые штапельные волокна также могут обладать прочностью на разрыв T, по меньшей мере, приблизительно 6,0 граммов на денье. Прочность на разрыв T штапельных волокон согласно некоторым вариантам осуществления изобретения может составлять более 6,5 граммов на денье, в том числе находиться в диапазоне 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. Описанные здесь смеси с найлоновыми штапельными волокнами также можно изготавливать с натуральными целлюлозными волокнами, такими как хлопок, лен, пенька, джут и/или волокно рами. Подходящие способы 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. Весовое отношение хлопчатобумажного волокна к найлоновому волокну в полученной текстильной пряже обычно составляет от 20:80 до 80:20, более предпочтительно 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 и более, в том числе, 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 или альтернативно от 1,55 до 1,75. В еще одном варианте осуществления изобретения описанные здесь текстильные пряжи будут изготавливаться из найлоновых штапельных волокон со значением денье на филамент от 2,1 до 3,0, таким как от 2,5 до 3,0 или 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 настоящему изобретению представляют собой материалы, которые содержат описанные здесь текстильные NYCO-пряжи для ткачества, по меньшей мере, в одном направлении, и предпочтительно в обоих указанных направлениях. В одном из особенно предпочтительных 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 или от 1,55 до 1,75, и будут содержать пряжи для ткачества в направлении основы, содержащие описанные здесь найлоновые штапельные волокна со значением денье на филамент от 2,1 до 3,0 или со значением денье на филамент от 2,5 до 3,0.
В описанных здесь тканых материалах, изготовленных с применением пряж, которые содержат описанные здесь устойчивые к абразивному истиранию найлоновые штапельные волокна и/или найлоновые штапельные волокна с высокой несущей способностью, можно использовать меньше 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, хотя все же желательно устойчивыми к абразивному истиранию, высокопрочными и/или 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.
2
2
2
2
2
2
Легкие материалы, такие как NYCO-материалы согласно некоторым вариантам осуществления изобретения могут иметь поверхностную плотность менее 220 граммов/м (6,5 унций/ярд), в том числе менее 200 граммов/м (6,0 унций/ярд) или менее 175 граммов/м (5,25 унций/ярд). NYCO-материалы с длительным сроком службы согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, такие как NYCO-материалы, могут иметь предел прочности при растяжении 190 фунтов или более в направлении основы и 80 фунтов или более в направлении утка (заполнение по ширине). Другие описанные здесь материалы с длительным сроком службы будут представлять собой материалы с прочностью на раздир в направлении основы 11,0 фунтов на фут или более и в направлении утка (заполнения по ширине) 9,0 фунтов на фут или более для материала, "не подвергнутого после получения какой-либо обработке".
2
Другие описанные здесь материалы с длительным сроком службы будут представлять собой материалы с устойчивостью к абразивному истиранию по Тэйберу, по меньшей мере, 600 циклов до разрушения, более предпочтительно, по меньшей мере, 1000 циклов до разрушения. Другие описанные здесь материалы с длительным сроком службы будут представлять собой материалы с количеством циклов на абразивное истирание (ткани) с изгибом, по меньшей мере, 50000 или более в направлении основы и в направлении утка (заполнения по ширине). Предпочтительное номинальное соотношение материалов в смеси составляет 50/50, такое как соотношение найлон/хлопок 50/50. Специалисту в данной области техники будет понятно, что такие эксплуатационные качества, как устойчивость к абразивному истиранию, будут зависеть от поверхностной плотности, при этом более высокие поверхностные плотности способствуют повышению эксплуатационных качеств. Когда поверхностная плотность полученного материала находится в диапазоне от 5,6 до 6,5 унций/ярд, описанные здесь материалы демонстрируют количество циклов при абразивном истирании (ткани) с изгибом в диапазоне от 60000 циклов до 70000 циклов в направлении основы и от 68000 до 80000 в направлении заполнения основы по ширине (утка). Значения должны сравниваться в состоянии, "не подвергнутом после получения какой-либо обработке". Значения абразивного истирания по Тэйберу для тех же самых, упомянутых выше материалов с трикотажным переплетением может находиться в диапазоне от 600 циклов до 1900 циклов в состоянии, "не подвергнутом после получения материала какой-либо обработке" или нестиранном состоянии.
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. Предпочтительно 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
7
7
Прочность филаментной нити при 7% удлинении (T) представляет собой силу, прилагаемую к филаментной нити для достижения 7%-ного удлинения, поделенную на денье филаментной нити. T можно определить 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. Определение значений 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. Удельная разрывная прочность измеряется в единицах сН/текс.
Поверхностная плотность
2
2
2
2
Поверхностная плотность или вес 1 м описанных здесь тканых материалов можно определять путем взвешивания образцов материала известной площади и расчета веса или веса 1 м в единицах граммов/м или унций/ярдв 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
Изобретение согласно некоторым вариантам осуществления изобретения можно проиллюстрировать с помощью следующих примеров. 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 применяется кондиционирующий газ для увеличения RV полимерной крошки найлонового полимера до значения приблизительно от 75 до 85, например приблизительно до 80. 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 из расплава через фильеру с получением филаментных нитей. Филаментные нити, экструдированные через фильеру, пропускают через зону закаливания и затем соединяют в жгут из непрерывных филаментных нитей.
Затем жгут из непрерывных филаментных нитей вытягивают с отжигом с помощью двухстадийной операции с применением оборудования и процедур, описанных в патенте США № 5011645. Для указанной двухстадийной процедуры применяют различные оптимальные степени вытяжки, которые приведены в таблице 1. Жгуты вытягивают до относительно небольшого значения денье на филамент (денье/фил.), как также показано в таблице 1. Затем жгут, вытянутый с отжигом, охлаждают ниже 80°C и нарезают на найлоновые штапельные волокна с характеристиками, приведенными в таблице 1.
Таблица 1
Пример
Оптимальная степень вытяжки
денье/фил.
Прочность (Т)
Прочность при 7% удлинении (Т<sub>7</sub>)
1
2,78
1,69
6,37
3,57
2
2,81
1,77
6,48
4,28
3
2,82
1,75
6,93
3,59
4
2,82
1,71
6,38
3,74
5
2,85
1,68
6,99
3,95
6
2,86
1,69
6,77
3,91
7
2,89
1,71
7,20
4,09
8
2,90
1,68
6,75
3,70
9
2,93
1,69
6,17
3,47
10
2,98
1,62
6,70
4,11
11
3,03
1,66
7,26
4,45
Подобные найлоновые штапельные волокна формовали из того же самого найлонового полимерного материала с относительно высокой RV, применяя подачу отформованной нити с более высоким денье вместо подачи нити с небольшим денье и соответствующие более высокие оптимальные степени вытяжки, получая при этом штапельное волокно с более высокими значениями денье на филамент. Характеристики полученных волокон приведены в таблице 2.
Таблица 2
Пример
Оптимальная степень вытяжки
денье/фил.
Прочность (Т)
Прочность при 7% удлинении (Т<sub>7</sub>)
12
3,35
2,61
6,89
3,38
13
3,45
2,61
6,12
3,43
14
3,50
2,58
7,07
3,58
15
3,55
2,57
6,64
3,44
16
3,60
2,56
6,94
3,63
2
2
Из найлоновых штапельных волокон, указанных в таблице 1, получали смешанные найлоновые/хлопчатобумажные пряжи кольцевого способа прядения с различными отношениями найлоновых штапельных волокон к хлопчатобумажным штапельным волокнам. Такие пряжи обладали очень хорошей прочностью пряжи, которую определяли путем измерения значений их удельной разрывной прочности и разрывной прочности пасмо. Когда такие пряжи применяются в виде смеси найлон/хлопок 50/50, они могут иметь значения разрывной прочности пасмо в диапазоне от 2800 до 3600, удельной разрывной прочности от 17,5 сН/текс до 22,5 сН/текс и номера пряжи в диапазоне от 16/1 до 20/1. Пряжи, полученные кольцевым способом прядения смесей найлоновых штапельных волокон, указанных в таблице 1, с хлопчатобумажным штапелем при номинальном составе смеси 50:50, ткут с получением саржевых материалов с трикотажным переплетением 2 × 1. В таких материалах в направлении основы используют для ткачества хлопчатобумажные пряжи с номером 20/1, а в направлении утка (заполнения по ширине) используют для ткачества хлопчатобумажные пряжи с номером 16/1 или 20/1 в зависимости от поверхностной плотности. Поверхностная плотность материалов, изготовленных с применением упомянутых пряж, может находиться в диапазоне от 5,6 до 6,5 унций/ярд. Применяемый здесь номер хлопка относится к системе нумерации пряжи, основанной на длине 840 ярдов, в которой номер пряжи равен числу 840-ярдовых мотков, необходимых для получения веса 1 фунт. Материалы, полученные таким образом из упомянутых пряж, содержащих штапель, обладают очень хорошей прочностью при растяжении и прочностью на раздир. Полученные материалы могут иметь предел прочности при растяжении в диапазоне от 200 фунтов на фут до 275 фунтов на фут в направлении основы и от 90 до 175 фунтов на фут в направлении заполнения по ширине (утка). Полученные материалы также могут иметь значения прочности на раздир по Элмендорфу в диапазоне от 12,0 фунтов на фут до 14,5 фунтов на фут в направлении основы и от 10,0 фунтов на фут до 12,0 фунтов на фут в направлении заполнения по ширине (утка). Специалистам в данной области техники будет понятно, что материалы с более значительными поверхностными плотностями, такими как поверхностные плотности более 6,5 унция/ярд, как ожидается, обладают еще более высокой прочностью при растяжении и прочностями на раздир. (Более важно, что упомянутые материалы обладают высокой устойчивостью к абразивному истиранию, которая определена как с помощью испытания устойчивости к абразивному истиранию по Тэйберу, так и с помощью испытания на устойчивость к абразивному истиранию (ткани) с изгибом. Количество циклов при абразивном истирании (ткани) с изгибом для вышеупомянутых материалов может находиться в диапазоне от 60000 циклов до 70000 циклов в направлении основы и от 68000 до 80000 в направлении заполнения по ширине (в направлении утка). Значения сравнивались в состоянии, "не подвергавшемся после получения какой-либо обработке". Значения устойчивости к абразивному истиранию по Тэйберу вышеупомянутых материалов с трикотажным переплетением могут находиться в диапазоне от 600 циклов до 1900 циклов в состоянии, "не подвергавшемся после получения какой-либо обработке" или нестиранном состоянии.
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.