CN107429432B - 制造高强度合成纤维的方法和由其制造的高强度合成纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备高强度合成纤维的方法、和由此制备的高强度合成纤维。本方法优化了当在熔融纺丝工艺期间纺丝喷嘴竖直地下降时的局部加热方法，其中在纺丝喷嘴下方直接地纺丝的所有纤维通过向其均匀地传递高温热而被间接地加热，和特别地，热传递方法通过如下优化：在纺丝喷嘴的孔的附近和直接地在纺丝喷嘴下方双重地加热纤维，由此通过经由瞬时局部高温加热控制熔融聚合物中的分子链的缠结结构来改善拉伸性，和由于经纺丝的纤维的拉伸性增加，因此得到的纤维的机械性质例如强度和伸长率得到改善。另外，本发明的制备方法在利用将被实际上商业化的纺丝喷射的设计以及熔融纺丝步骤和拉伸步骤的常规步骤的同时改善机械性质，由此使得能够以低成本大规模制造高性能纤维。

Description

制造高强度合成纤维的方法和由其制造的高强度合成纤维
技术领域
本发明公开了制造高强度合成纤维的方法、和使用其制造的高强度合成纤维，该制备方法涉及通过如下的这样的局部加热过程：将熔融纤维的温度通过紧邻纺丝喷嘴(纺丝头)的加热区在没有降解的短时期期间加热至比组件壳体(包装体)的温度高的温度，以有效地控制熔融聚合物材料中的分子缠结结构而不降低分子量并且因此以提升初纺纤维(初生纤维，这样纺丝的纤维)的可拉伸性(例如，拉伸比)，从而改善纤维的机械性质例如强度、伸长率，其使用现有的熔融纺丝和拉伸工艺且因此使得能够以低成本大规模制造高性能纤维。
背景技术
对于可商购获得的PET纤维，迄今为止的最高强度为约1.1GPa并且经验最高强度不大于理论最高强度的3-4％，其为其它高强度纤维(例如，具有约2.9GPa的强度的极限性能对位芳纶(Kevlar)纤维)的强度的三分之一。因此，PET纤维作为纤维材料的使用在除了通常的服装或者家居或者有限的工业(轮胎帘布)应用之外的需要极限性能的工业应用领域中受到限制。
非LC热塑性纤维例如PET和尼龙显示出比LCP(液晶聚合物)纤维例如PBO(Zylon)或者对位芳纶(Kevlar)纤维低的强度，并且相对于理论强度而言，它们的经验强度不可能显著提高。原因在于当将树脂加工成纤维时结构形成行为的差异。
由于其在溶液(溶解)状态下的液晶结构，LCP纤维在合适剪切应力下的纺丝过程之前和之后的纤维结构方面具有小的熵差异，并且形成具有相当高的取向程度和结晶度的纤维结构，因此其可被制成高强度、高性能纤维。
相比之下，在熔融状态下的非LC热塑性聚合物例如PET或尼龙具有其中聚合物链以无定形的无规线团的形式缠结的复杂结构，因此，即使它们在纺丝喷嘴中处于高的剪切应力下并且从纺丝喷嘴以一定伸长率(牵伸和伸长率等)伸长，由于它们以无规线团的形式的缠结结构，它们也相对地难以形成为具有完全的取向和结晶化(即，高强度)。由于该原因，存在在纺丝过程之前和之后的纤维结构的大的熵差异。
尽管通用热塑性聚合物有结构缺点，但是相对于现有纤维具有相对高强度的PET纤维被预期将拓展其应用市场和通过工业而开启巨大的连锁效应。近年来，日本纺织工业已经进行了多种研究以将现有的通用PET纤维的性质最大化和提高该纤维的关键性能。
涉及高强度PET纤维的近来研究的主题包括，例如，超高分子PET树脂的使用[Ziabicki,A.,“Effect of Molecular weight on Melt Spinng and MechicalProperties of High-Performance Poly(ethylene terephthalate)Fibers”,Test.Res.J.,1996,66,705-712；Sugimoto,M.等,“Melt Rheology of PolypropyleneContaining Small Amounts of High-Molecular-Weight Chain.2.Uniaxial andBiaxial Extensional Flow”,Macromol.,2001,34,6045-6063]和凝固浴(凝结浴)技术在熔融纺丝过程中的使用以将取向最大化[Ito M.等，“Effect of Sample Geometry andDraw Conditions on the Mechanical Properties of Drawn Poly(ethyleneterephthalate)”,Polymer,1990,31,58-63]。
以上研究是在小规模实验室中开发高强度PET纤维，因此由于相对于物理性质的改善效果而言在可加工性和生产能力方面的限制，不允许商业化。
近来已经报道了，日本科学家正在进行使用通用热塑性聚合物例如PET、尼龙等的研究和开发以在就熔融纺丝过程而言未将制造成本提高到超过两倍的范围内将现有纤维的强度从1.1GPa提高到2GPa。
此外，正在进行的为了尽可能快地将它们作为工业纤维应用于在消费最多的轮胎帘布中的实际使用而进行的研究和开发技术聚焦于以下技术：熔融结构控制、分子量控制、拉伸/加热、和评价/分析。
与通过经由凝固纤维的分子取向和结晶化而控制纤维结构形成行为来实现具有高强度的纤维的常规技术不同，熔融结构控制技术特别地涉及熔融聚合物中的分子缠结结构的控制的途径并且聚焦于通过研究非取向的无定形纤维中的结构和行为的控制的具有高强度的PET纤维。
已经报道了通过作为在熔融纺丝过程中控制分子结构的手段的纺丝喷嘴、激光加热、超临界气体、凝固浴等的设计而开发高强度PET纤维。
特别地，设计在熔融纺丝过程中使用的纺丝喷嘴的常规方法用于通过在纺丝喷嘴附近的局部加热过程制造高强度PET纤维。例如，图7显示在纺丝喷嘴正下方进行的局部加热过程的实施方式，和图8为沿着图7的线III-III所取的该局部加热过程的实施方式的横截面图。
更具体地，在熔融纺丝过程中，纺丝喷嘴100被固定至通过具有100-350℃的热源的组件壳体加热器300保持的组件壳体200。在纺丝过程之后，复丝(多纤维丝)穿过具有20-200mm厚度的退火加热器400与具有范围为室温到400℃的高温的温度的电加热器保持恒定距离，从而在较低的成本下以高的效率实现热传递。
用退火加热器400对纤维局部加热不是为了加热纤维，而是为了将纤维保温以保持纺丝喷嘴的底部中的孔的均匀温度。由于孔的温度变化的最小化，因此可同时改善纺丝可加工性和产品品质。但是纤维和加热器之间的距离太长，并且未向纤维施加均匀的加热。
在熔融纺丝过程期间在喷嘴附近进行局部加热的另一常规方法涉及在具有拥有微米级直径的孔的纺丝喷嘴的正下方照射CO2激光束以制备具有在拉伸之后的9.1％的伸长率和1.68Gpa(13.7g/den)的强度的高性能PET纤维[Masuda,M.,“Effect of theControl of Polymer Flow in the Vicinity of Spinning Nozzle on MechanicalProperties of Poly(ethylene terephthalate)fibers”,Intern.Polymer Processing,2010,25,159-169]。
在这点上，图9为在纺丝喷嘴正下方通过激光束局部加热的实施方式，和图10为沿着图9的线IV-IV所取的实施方式的横截面图。
更具体地，在纺丝过程之后将复丝112用来自激光源410的CO2激光束直接加热，其中纺丝喷嘴100的底部向组件壳体200的底部突出1-3mm的长度，并且CO2激光束是从紧跟在纺丝过程之后的1-10mm的距离照射的。
在纺丝喷嘴正下方的激光加热过程使得纤维的特定部分被加热至高温，但是其难以用于具有几十到几万个孔的常用纺丝喷嘴。
在解决高强度合成纤维的常规制备方法的问题的尝试中，本发明的发明人已经发现如下事实：使用在常用纺丝喷嘴的毛细管的附近和在纺丝喷嘴正下方的双重加热方法优化热传递可在不发生降解的短的时期内将熔融纤维的温度升高至高于组件壳体的温度，以有效地控制聚合物中的分子缠结结构而不降低分子量并且改善合成纤维的机械性质例如强度、伸长率等；由此完成本发明。
发明内容
本发明的一个目的是提供通过优化在熔融纺丝过程中的纺丝步骤期间纺丝喷嘴的瞬时局部加热方法而制造高强度合成纤维的方法。
本发明的另一目的是提供根据所述制备方法的具有改善的强度和伸长率的高强度合成纤维。
为了实现本发明的目的，提供制造高强度合成纤维的方法，其包括：将热塑性聚合物材料通过包含至少一个毛细管的纺丝喷嘴熔融纺丝以形成熔融纤维；使所述熔融纤维穿过紧邻纺丝喷嘴10或50安置的加热区40或80以加热所述纤维；将经加热的纤维冷却；将经冷却的纤维拉伸，然后将经拉伸的纤维卷绕，其中所述纤维通过穿过加热区40或80而被局部加热，加热区40或80包括具有形成于所述纺丝喷嘴的毛细管的周围(外周)上的孔型加热通道41a或81a或者带型加热通道41b或81b的高温加热器(即，喷嘴-加热套)41或81。
如在本发明中使用的所述热塑性聚合物材料的优选实例可包括选自如下的任一种：基于聚酯的聚合物，其选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸1,3-丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯(PCT)、和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；基于聚酰胺的聚合物，其选自尼龙6、尼龙6,6、尼龙4、和尼龙4,6；或者基于聚烯烃的聚合物，其选自聚乙烯和聚丙烯。
在所述制备方法中，所述熔融纤维穿过被保持在加热条件下的高温加热器41或81而至分别比组件壳体20或60的温度高的温度。高温加热器41或81与组件壳体20或60具有0-1,500℃的温差。此外，组件壳体20或60被保持在50-400℃的温度下。
所述纤维穿过以多个孔型加热通道41a或81a的形式提供的高温加热器41或81，孔型加热通道41a或81a具有与所述纺丝喷嘴的各毛细管的中心相距1-300mm的距离的孔。在这点上，孔型加热通道41a或81a可在离所述纺丝喷嘴的各毛细管的中心的相同距离处在360度方向上保持均匀的温度。
当多个毛细管以距离所述纺丝喷嘴的中心相同的半径布置时，所述纤维穿过以形成于设置在相邻毛细管之间的布置中的多个带型加热通道41b或81b的形式提供的高温加热器41或81。在带型加热通道41b或81b中，加热器彼此对向(180度镜像)并且以距离所述纺丝喷嘴的毛细管的中央1-300mm的距离以对称方式布置。
在根据本发明的第一优选实施方式的加热区40中，紧邻所述纺丝喷嘴中的毛细管，绝热体43具有1-30mm的厚度，并且高温加热器41从所述绝热体延伸达1-500mm的长度。用于所述纤维的该加热区被定义为包括所述绝热体的厚度和所述高温加热器的延伸长度。因此，紧跟在纺丝过程之后的尚未凝固的熔融热塑性聚合物材料10或50被间接地加热(例如，辐射)。
在根据本发明的第二优选实施方式的加热区80中，高温加热器81与纺丝喷嘴50的底部接触或者部分地***到纺丝喷嘴50的底部中，并且纺丝喷嘴50的底部位于距离所述组件壳体的底部的-50mm(在所述组件壳体内)到300mm(在所述组件壳体外)的距离处。更特别地，高温加热器81***到纺丝喷嘴50的底部中达0-50mm的***长度并且从纺丝喷嘴50的底部延伸达0-500mm的延伸长度。因此，用于所述纤维的加热区80被定义为包括所述高温加热器进入到所述纺丝喷嘴的底部中的***长度和所述高温加热器从所述纺丝喷嘴起的延伸长度。
通过第二实施方式的加热区80，以直接方式(例如热传递)向被纺丝之前的在所述纺丝喷嘴的毛细管中的熔融聚合物施加第一加热过程。然后，通过延伸的高温加热器以间接方式(例如，辐射)向纺丝过程之后的从所述喷嘴挤出的尚未凝固的熔融聚合物施加第二加热过程。
在第二实施方式中，所述加热区被设计成具有从所述组件壳体的底部突出达-50mm(***到所述组件壳体中)到300mm(从所述组件壳体出来)的长度的结构，以防止在所述纺丝喷嘴的底部上的毛细管附近的直接/间接加热过程期间由高温热向所述喷嘴的传递导致的在纺丝喷嘴10或50的毛细管11或51中的熔融聚合物的恶化。
在这点上，穿过所述纺丝喷嘴的各毛细管的所述热塑性聚合物具有3秒或更少的停留时间和至少0.01cc/min的通过速率，其中所述纺丝喷嘴的毛细管的壁表面上的剪切速率被优化为500-500,000/秒。
纺丝喷嘴10或50的毛细管11或51具有拥有如下的结构：0.01-5mm的直径(D)、L/D为1或更大的长度(L)、1mm或更大的间距(孔距)和取圆形形状或者非圆形形状的横截面。
高强度合成纤维的制备方法中使用的纺丝喷嘴为用于选自如下的至少一种单一或共轭(结合)纺丝方法的喷嘴：皮-芯型、并列型(并排型)、和海岛型。
本发明进一步提供根据用于合成纤维的新型制备方法的具有提升的机械性质例如拉伸强度和伸长率的高强度合成纤维。
更特别地，根据本发明的合成纤维的制备方法包括：通过在熔融纺丝过程期间紧邻喷嘴的在高温下的瞬时局部加热过程将热塑性聚合物加热至比组件壳体的温度高的温度，然后进行冷却和拉伸过程以制造具有保持的特性粘度(固有粘度)以及改善的强度和伸长率的高强度PET、尼龙、或PP纤维，而没有导致聚合物的降解，即使是在高温局部加热条件下。
发明的效果
根据本发明的制造高强度合成纤维的方法是优化在熔融纺丝过程中在纺丝期间在紧邻纺丝喷嘴安置的位置处对聚合物的加热方法。更特别地，其包括紧邻常用的纺丝喷嘴对尚未凝固的熔融热塑性聚合物的加热过程以优化热传递，从而将熔融的纺丝纤维在没有降解的短时期期间局部加热至比组件壳体的温度高的温度并且通过在没有分子量的降低情况下所述聚合物中的分子缠结结构的有效控制而提升纤维的可拉伸性以改善纤维的机械性质例如强度、伸长率等。
因此，根据本发明的制造高强度合成纤维的方法使用现有的熔融纺丝和拉伸过程并且改善机械性质以降低初始投资成本和以使得能够以低成本大规模制造高性能纤维。
在由于大规模制造和低成本而引起的有竞争力的价格和纤维的多种性质的控制的情况下，本发明可用于多种应用，包括运输工具例如轮胎帘布、汽车、火车、飞机、轮船等的内部材料，土木工程和建筑材料，电子材料，以及海洋和军事应用例如绳索、网等，以及此外服装和家居应用例如轻质运动服、工作服、军装等，和家具、内部设施(室内)和体育用品，从而保证广阔的市场。
本发明还可适用于织物(纺织)应用例如长纤维、短纤维、无纺布等并且可能能扩展至使用那些织物材料的膜、片材、模塑产品、容器等的制造。
附图说明
图1为具有根据本发明的第一实施方式的加热区的纺丝喷嘴的放大图。
图2为沿着图1的线I-I所取的横截面图。
图3(a)和3(b)为沿着图1的线I-I所取的横截面图，其显示第一实施方式的变型。
图4为具有根据本发明第二实施方式的加热区的纺丝喷嘴的放大图。
图5为沿着图4的线II-II所取的横截面图。
图6(a)和6(b)为沿着图4的线II-II所取的横截面图，其显示第二实施方式的变型。
图7为装备有根据一种常规实例的纺丝喷嘴的纺丝单元的放大图。
图8为沿着图7的线III-III所取的横截面图。
图9为装备有根据另一常规实例的纺丝喷嘴的纺丝单元的放大图。
图10为沿着图9的线IV-IV所取的横截面图。
具体实施方式
下文中，将如下进一步详细地描述本发明。
本发明提供制造高强度合成纤维的方法，其包括：将热塑性聚合物通过包括至少一个毛细管的纺丝喷嘴熔融纺丝以形成熔融纤维；在纺丝步骤期间使所述熔融纤维穿过紧邻纺丝喷嘴10或50安置的加热区40或80以加热所述纤维；将经加热的纤维冷却；和将经冷却的凝固纤维拉伸，然后将经拉伸的纤维卷绕，其中所述纤维通过穿过加热区40或80而被局部加热，加热区40或80包括具有形成于所述纺丝喷嘴的毛细管的周围上的孔型加热通道41a或81a或者带型加热通道的高温加热器(即，喷嘴-加热套)41或81。
在本发明的制备方法中，如本文中使用的聚合物材料可为通用热塑性聚合物的任一种，而没有限制。优选地，所述聚合物材料可为选自如下的任一种：基于聚酯的聚合物，其选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸1,3-丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯(PCT)、和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；基于聚酰胺的聚合物，其选自尼龙6、尼龙6,6、尼龙4、和尼龙4,6；或者基于聚烯烃的聚合物，其选自聚乙烯和聚丙烯。
在本发明的实施方式中，所述热塑性聚合物的优选实例可包括，但不特别地限于，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙6、和聚丙烯。
在纺丝步骤期间，纤维F穿过紧邻纺丝喷嘴10或50布置的加热区40或80。为了避免与(对)纺丝喷嘴的直接热接触(热传递)，纤维F穿过以在毛细管的周围上的孔型加热通道41a或81a或带型加热通道41b或81b的形式提供的高温加热器41或81。
下文中，将参照附图描述本发明。图1为具有根据本发明的第一实施方式的加热区的纺丝喷嘴的放大图，和图2为沿着图1的线I-I所取的横截面图，其中纺丝喷嘴10安装在纺丝设备的组件壳体20中，其中组件壳体加热器30安装在组件壳体20的外侧上。纺丝喷嘴10具有用于将热塑性树脂熔融纺丝以形成纤维F的多个毛细管11；和提供在纺丝喷嘴10的毛细管11下方以对在纺丝步骤之后的纤维F进行加热的加热单元。
纺丝喷嘴10将熔融热塑性树脂挤出通过毛细管11以形成纤维F。纤维F通过在纺丝步骤之后穿过所述加热单元而被加热，然后被冷却。经冷却的纤维F通过在线(联机)拉伸机被拉伸，然后被卷绕成热塑性聚合物纤维。
在这点上，紧邻纺丝喷嘴10提供的所述加热单元由高温加热器41构成，高温加热器41具有孔型加热通道41a，孔型加热通道41a的结构和数量与纺丝喷嘴10的毛细管11的那些相同。纤维F将在纺丝步骤之后穿过各加热通道41a，但是在穿过加热通道41a时不与加热单元41a直接接触(例如，热传递)。
为此，从加热通道41a的内周到纤维F的芯的距离“a1”优选为1-300mm、更优选为1-100mm。孔型加热通道41a可在距离其中心相同的距离处在360度方向上保持均匀的温度。
在其中纺丝喷嘴如图3(a)中所示具有以同心圆方式布置的多个毛细管11的加热通道41a的一种改型中，加热通道41b可以环行带的形式提供，使得从以同心圆布置的多个毛细管11纺丝的纤维F可同时穿过加热通道41b。在其中纺丝喷嘴如图3(b)中所示具有以线型方式布置的多个毛细管11的加热通道41a的另一改型中，加热通道41b可以线型带的形式提供，使得从线型地布置的多个毛细管11纺丝的纤维F可穿过加热通道41b。另外，如果未示出，所述加热通道可根据纺丝喷嘴12a的毛细管11的布置而以包含环的多种形式、或者以多种孔形式的组合设计。
像孔型加热通道41a一样，带型加热通道41b设计成使得从加热通道41b的内周到纤维F的芯的距离“a1”优选为1-300mm、更优选1-100mm。
再次参照图1，合乎需要的是，在纺丝喷嘴10和高温加热器41之间没有热传递。为此，在纺丝喷嘴10和高温加热器41之间提供绝热体43。
纺丝喷嘴10的温度等于组件壳体加热器30的温度。绝热体43起到如下作用：防止来自紧邻纺丝喷嘴10安置的高温加热器41的高温热向纺丝喷嘴10传递，并且由此防止由热塑性树脂例如基于聚酯的聚合物树脂构成的材料的恶化、和因此纤维性质的恶化。如本文中使用的用于绝热体43的材料可为具有热绝缘效果的已知的绝热材料、优选在高温下具有耐火性的无机材料，包括玻璃和陶瓷化合物。
定义绝热体43的厚度“a2”，使得纺丝喷嘴10和高温加热器41之间的距离为1-30mm。当厚度“a2”大于30mm时，例如，在从纺丝喷嘴10纺丝之后形成的纤维F在用高温加热器41加热之前变得冷却下来，使得难以有效控制熔体结构。
高温加热器41的延伸长度“a3”定义为从其与绝热体43的接合点起在1-500mm的范围内。包括绝热体43的厚度“a2”和高温加热器41的延伸长度“a3”的范围(覆盖范围)形成加热区40。
即，本发明的第一实施方式的加热区40定义成在纤维F穿过具有包括紧邻纺丝喷嘴10安置的被定义为1-30mm的绝热体43的厚度“a2”和从绝热体43起的1-500mm的延伸长度“a3”的范围的高温加热器41时对在纺丝步骤之后的纤维F实现间接加热(例如，辐射)。
在这点上，从纺丝喷嘴10的底部到组件壳体20的底部侧的距离“a4”在1-30mm的范围内，因此加热区40中的整个绝热体43和部分的高温加热器41位于组件壳体20中。这容许对紧跟在纺丝步骤之后的整个纤维的间接(例如，辐射)加热以提升生产能力。
如本发明的第一实施方式中所示的所设计的包括高温加热器41和绝热体43的加热区40直接可应用于常用的纺丝喷嘴10而无需改变设计，因此降低初始投资成本和在低成本下提高纤维的生产能力。
此外，第一实施方式的加热区40容许对在纺丝步骤之后挤出的整个纤维F在从恒定的距离的均匀的高温条件下瞬时加热，因此可控制熔融聚合物中的分子缠结结构和通过绝热体43防止高温热向纺丝喷嘴10的毛细管11传递，从而避免由熔融聚合物的降解导致的差的性质。因此，用于形成纤维F的第一实施方式的加热区40可优选地适用于任何典型的热塑性树脂而没有限制，更优选地适用于对热敏感的聚合物树脂。
图4为具有根据本发明的第二优选实施方式的加热区的纺丝喷嘴的放大图，和图5为沿着图4的线II-II所取的横截面图，其中根据第二实施方式的纺丝喷嘴50安装在纺丝设备的组件壳体60中，其中组件壳体加热器70安装在组件壳体60的外侧上。
纺丝喷嘴50包括用于将热塑性树脂熔融纺丝以形成纤维F的多个毛细管51；和提供在纺丝喷嘴50的毛细管51下方以加热在纺丝步骤之后的纤维F的加热单元。
根据第二实施方式的加热单元由高温加热器81构成，高温加热器81具有其结构和数量与纺丝喷嘴50的毛细管51那些相同的孔型加热通道81a，或者具有如图6的(a)和(b)中所示的带型加热通道81b。纤维F将在纺丝步骤之后穿过各加热通道81a或81b，但是在穿过加热通道81a或81b时不与加热通道81a或81b直接接触(例如，热传递)。
加热通道81a或81b与第一实施方式中描述的加热通道41a或41b完全相同，并且将省略具体构造的详细描述。
再次参照图4，根据第二实施方式的加热单元由高温加热器81构成，高温加热器81与纺丝喷嘴50的底部表面接触或者***到纺丝喷嘴50的底部中深达0-50mm的***长度“b2”并且从纺丝喷嘴50的底部表面延伸达0-500mm的延伸长度“b3”，其中纺丝喷嘴50的底部位于距离组件壳体60的底部的-50mm(在所述组件内)到300mm(在所述组件外)的距离(长度)“b1”处，而没有紧邻纺丝喷嘴50的绝热体。此处，加热区80定义成包括高温加热器81的进入到纺丝喷嘴50中的***长度“b2”和高温加热器81的从纺丝喷嘴50的底部表面延伸的延伸长度“b3”。
如在图4的局部放大图中所示，在高温加热器81的***到纺丝喷嘴50中的顶部和对向的纺丝喷嘴50底部表面之间形成0-10mm的间隙“b4”。以此方式，高温加热器81与纺丝喷嘴50的表面直接接触(当b4为0mm时)或者与纺丝喷嘴50的表面分开(当b4为至多10mm时)以在纺丝喷嘴50上引起直接或者间接加热(例如，热传递或者辐射)，因此首先对在纺丝喷嘴50中的毛细管51中的熔融热塑性树脂施加直接加热(例如，热传递)。
因此，加热区80设计成通过间隙“b4”和高温加热器81***到纺丝喷嘴50的底部中的***长度“b2”为在纺丝步骤之前的在纺丝喷嘴50中的毛细管51附近的熔融热塑性树脂提供第一加热(直接/间接)(例如，热传递或辐射)，和然后通过高温加热器81的延伸长达0-500mm的延伸长度“b3”为在纺丝步骤之后的从纺丝喷嘴50挤出的尚未凝固的熔融纤维F提供第二加热(间接)(例如，辐射)。
由于常用的纺丝喷嘴50的底部的结构改变，第二实施方式的加热区80将热传递优化为双重加热方法，其中所述双重加热方法涉及将高温热直接传递至纺丝喷嘴50的毛细管51附近和用紧邻纺丝喷嘴50形成的高温加热器81间接地加热纤维F。使用该双重加热方法，可通过瞬时高温加热控制熔融聚合物中的分子缠结结构以提升所获得的热塑性聚合物纤维的可拉伸性和降低冷却速率，导致提高纺丝速率和拉伸速率且因此改善生产能力。
因此，第二实施方式是通过改变常用的纺丝喷嘴50的底部结构而直接可应用的，以降低初始投资成本和在低成本下提升合成纤维的生产能力。
为了实现相同目的，必须优化分别穿过喷嘴体12和52的毛细管11和51的熔融聚合物在第一和第二实施方式的加热单元中的停留时间、通过速率和剪切速率。
优选地，每个毛细管的熔融聚合物的停留时间为3秒或更少，和通过速率为至少0.01cc/min。当在聚酯聚合物的情况下停留时间超过3秒时，熔融聚合物长时间暴露于过量的热以引起降解。当对于聚酯聚合物而言通过速率小于0.01cc/min时，其导致相同的问题，即，让熔融聚合物暴露于过量的热以导致降解。
在第一和第二实施方式的喷嘴体12和52中，在毛细管11或51的壁表面上的剪切速率优选为500-500,000/秒。当剪切速率小于500/秒时，由于低的剪切应力，熔融聚合物的分子取向和结构控制的效果降低。当剪切速率大于500,000/秒时，熔融聚合物的粘弹性导致熔体破裂以形成纤维的不均匀横截面。
换而言之，本发明的结构特性，即，高温加热器41或81的加热通道41a、41b、81a、和81b，分别与喷嘴体12和52的毛细管11和51在结构和数量方面相同，使得在纺丝步骤之后挤出的纤维F可在穿过高温加热器41或81时被局部地加热。特别地，孔型加热通道41a和81a分别保持纺丝喷嘴10和50的毛细管11和51的结构，其中它们的内周是分别与喷嘴体12和52的毛细管11和51的中心相隔1-300mm的距离形成的。这有助于在距离纺丝喷嘴10或50的毛细管11或51的中心的相同距离上在360度方向上保持均匀的温度[参照图2和5]。
另外，带型加热通道41b或81b具有线型结构，其中纺丝喷嘴10或50的毛细管11或51形成将其划分成两个对向部分的线。其形成于距离毛细管11或51的中线1-300mm的距离处并且是沿着毛细管11或51的中线对称的[参照图3和6]。
在这点上，加热通道41a、41b、81a、和81b设计成实现如下的间接加热方法：在纺丝步骤之后穿过它们的纤维F不与加热器直接接触。当加热通道41a、41b、81a、或者81b具有使得距纺丝喷嘴10或50的毛细管11或51的中线的距离小于1mm的尺寸时，高温加热器41或81高度可能接触纤维F。这导致高温加热器41或81的污染和纤维F的断裂以降低纤维的品质和可加工性，并且还引起在过量的热下使纤维F恶化的风险。当距离大于300mm时，由于向纤维F的不足热传递，难以控制熔融聚合物纤维中的分子缠结结构，不期望地降低使性质改善的效果。
关于如图2或5中所示的纺丝喷嘴12或52的毛细管11或51的结构，毛细管直径D为0.01-5mm，毛细管长度L为至少L/D 1，和纺丝喷嘴中的毛细管11或51的数量为至少1。
毛细管11和51之间的间距为至少1mm。在本发明的实施方式中毛细管11或51的横截面为圆形的，但是也可为变异的(不同的)形状(例如，Y、+、-、O等)。此外，包括纺丝喷嘴10和50的纺丝喷嘴单元可用于使得实现至少两种类型的共轭纺丝例如皮-芯型、并列型、和海岛型等。
由于高温加热器41或81的孔型加热通道41a和81a分别与纺丝喷嘴10和50的毛细管11和51在结构和数量方面相同，它们具有包括圆形、椭圆形、矩形、环形等的任意形状的通道结构。
此外，高温加热器41或81可使用任何典型的电热射线，其可由选自如下的任一种提供：基于Cu或Au的铸造(铸封式)加热器、电磁感应加热器、护套式加热器、法兰加热器、筒式加热器、线圈加热器、近红外加热器、碳加热器、陶瓷加热器、PTC加热器、石英管加热器、卤素加热器、镍铬丝加热器等。
在根据本发明的用于制备高强度热塑性纤维的纺丝喷嘴的第一和第二优选实施方式中，高温加热器41或81与组件壳体20和60具有0-1,500℃的温差并且因此提供其温度至少等于或高于组件壳体20和60的温度的热。
喷嘴体12和52被固定至组件壳体20和60，组件壳体20和60分别通过组件壳体加热器30和70的热源保持在50-400℃的温度下。因此，喷嘴体12和52的温度分别等于或高于组件壳体加热器30和70的温度。当组件壳体20和60的温度低于50℃时，树脂大部分无法熔融并且变得太硬而无法纺丝。当组件壳体20和60的温度超过400℃时，树脂的快速降解不期望地发生以使纤维的性质恶化。
在这点上，组件壳体20和60的温度可用电加热器或者热传递介质调节。
随后，将熔融聚酯聚合物通过包括纺丝喷嘴的纺丝喷嘴单元纺丝以形成挤出的纤维。本发明的实施方式提出聚合物材料的最优选实例，其可包括，但不特别地限于，PET、尼龙、和PP纤维。本发明的聚合物材料还可适用于织物应用例如长纤维、短纤维、无纺布等并且可能能扩展至膜、片材、模塑产品、容器等的制造。
第一和第二实施方式的纺丝喷嘴10和50可应用于使用至少一种热塑性聚合物作为原材料的熔融纺丝过程。更特别地，它们可应用于以0.1-200m/min的纺丝速率进行以制造具有0.01-3mm直径的单丝的用于单丝的单一或者共轭纺丝过程。
此外，在共轭熔融纺丝过程中紧邻纺丝喷嘴进行的局部加热方法适用于如下的用于具有100d/f或更小的直径的复丝(长纤维)的单一或者共轭纺丝过程：其使用低速纺丝方法(UDY(未拉伸的纱)，100-2,000m/min)、中速纺丝方法(POY(部分取向的纱)，2,000-4,000m/min)、高速纺丝方法(HOY(高度取向的纱)，4,000m/min或更高)、以及纺丝和在线拉伸方法(SDY)。
此外，其还适用于：制造具有100d/f或更小的直径的纤维的以100-3,000m/min的纺丝速率的用于切断纤维(短纤维)的单一或者共轭纺丝过程，或者形成具有100d/f或更小的直径的纤维的以100-6,000m/min的纺丝速率的用于无纺布(例如，纺粘(spun-bound)、熔喷(melt blown)等)的单一和共轭纺丝过程。其进一步地适用于聚合物树脂的模塑和挤出过程。
对在熔融纺丝过程期间紧邻纺丝喷嘴加热的方法进行优化的根据本发明的用于高强度合成纤维的制备方法可通过如下改善纤维的性质：利用常用的纺丝喷嘴设计和现有的熔融纺丝和拉伸过程，从而降低初始投资成本和使得能够以低成本大规模制造高性能纤维。
因此，本发明通过如下提供即使在高温热下也具有保持的特性粘度以及改善的强度和伸长率而没有分子量的降低的高强度合成纤维：使用热塑性聚合物作为原材料并且在熔融纺丝过程中通过紧邻纺丝喷嘴布置的加热区施加局部加热以在不发生熔融聚合物的降解的短时期内将熔融纤维的温度升高至比组件壳体的温度高的高温。
本发明还使得能够通过上述制备方法制造具有11g/d或更大的强度的高强度PET纤维。
特别地，本发明提供具有5％或更高的伸长率并且满足等于或大于由以下方程1计算的强度的性质的高强度PET纤维，该高强度PET纤维是通过如下制备的：在熔融纺丝步骤期间紧邻纺丝喷嘴中的毛细管施加在高温下的瞬时局部加热以加热具有0.5-3.0、更优选地0.5-1.5的特性粘度(Iv值)的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)聚合物，然后进行后续的纺丝、拉伸和冷却步骤[参照表1和2]，
[方程1]
拉伸强度(g/d)＝15.873×PET纤维的特性粘度(Iv)–3.841
根据PET纤维的特性粘度(Iv)的测量方法，将0.1g样品在通过将苯酚和1,1,2,2-四氯乙醇以6:4的混合比(重量)混合而制备的试剂中溶解90分钟至0.4g/100ml的浓度，和将所得溶液引入到厄布洛德(Ubbelohde)型粘度计中并且在温度受控的液体浴中在30℃下保持10分钟，之后使用该粘度计和抽吸器(aspirator)测定该溶液的以秒计的下落时间。还以与以上描述的相同方式测量溶剂的以秒计的下落时间以确定Rv值和根据以下方程(比尔迈耶近似方程)计算Iv值。
Rv值＝样品的下落时间/溶剂的下落时间
Iv值＝(Rv值–1)/4C+3ln(Rv值)/4C
(C为浓度(g/100ml))。
因此，本发明中的在熔融纺丝过程期间紧邻纺丝喷嘴中的毛细管施加在高温下的局部加热的瞬时局部加热方法可用于使用一组具有不同的特性粘度(Iv)值的聚酯纤维制造具有由所述特性粘度(Iv)的现有纤维无法获得的相对高的性质的高强度聚酯纤维。
此外，本发明可根据上述制备方法制备具有10.5g/d或更大的强度的高强度尼龙纤维。
特别地，本发明提供具有5％或更高的伸长率并且满足等于或大于由以下方程2计算的强度的性质的高强度尼龙纤维，该高强度尼龙纤维是通过如下制备的：在熔融纺丝步骤期间紧邻纺丝喷嘴中的毛细管施加在高温下的瞬时局部加热以加热具有2.0-5.0、更优选地2.5-3.5的相对粘度(Rv)的尼龙聚合物，然后进行后续的纺丝、拉伸和冷却步骤[参照表3]。
[方程2]
拉伸强度(g/d)＝8.6×尼龙纤维的相对粘度(Rv)–14.44
根据尼龙纤维的相对粘度(Rv)的测量方法，将0.1g样品在96％硫酸中溶解90分钟至0.4g/100ml的浓度，和将所得溶液引入到厄布洛德(Ubbelohde)型粘度计中并且在温度受控的液体浴中在30℃下保持10分钟，之后使用该粘度计和抽吸器测定该溶液的以秒计的下落时间。还以与以上描述的相同方式测量溶剂的以秒计的下落时间以根据以下方程确定Rv值。
Rv值＝样品的下落时间/溶剂的下落时间
因此，本发明中的在熔融纺丝过程期间紧邻喷嘴施加在高温下的局部加热的瞬时局部加热方法可用于使用一组具有不同的相对粘度(Rv)值的聚酰胺纤维制造具有由所述相对粘度(Rv)的现有纤维无法获得的相对高的性质的高强度聚酰胺纤维。
此外，本发明可根据上述制备方法制备具有10.0g/d或更高的强度的高强度PP纤维。
特别地，本发明提供具有5％或更高的伸长率并且满足等于或大于由以下方程3计算的强度的性质的高强度PP纤维，该高强度聚丙烯(PP)纤维是通过如下制备的：在熔融纺丝步骤期间紧邻纺丝喷嘴施加在高温下的瞬时局部加热以加热具有3-3000、更优选地3-200、最优选地10-35的熔体流动指数(MFI)的PP聚合物，然后进行后续的纺丝、拉伸和冷却步骤[参照表4]。
[方程3]
拉伸强度(g/d)＝-0.225×PP纤维的熔体流动指数(MFI)+12.925
PP树脂和纤维的熔体流动指数(MFI)是根据ASTM D 1238(MFI 230/2)测量的。更具体地，将PP树脂在230℃下熔融约6分钟，然后在2.16kg的重物下通过2mm直径喷嘴挤出10分钟，并且测量所挤出的树脂的重量(g/10min)。
因此，本发明中的在熔融纺丝过程期间紧邻喷嘴施加在高温下的局部加热的瞬时局部加热方法可用于使用一组具有不同的熔体流动指数(MFI)值的聚烯烃纤维制造具有由所述熔体流动指数(MFI)的现有纤维无法获得的相对高的性质的高强度聚烯烃纤维。
由上述制备方法提供高强度合成纤维，本发明可用于多种应用，包括运输工具例如轮胎帘布、汽车、火车、飞机、轮船等的内部材料，土木工程和建筑材料，电子材料，以及海洋和军事应用例如绳索、网等，和此外，服装和家居应用例如轻质运动服、工作服、军装等，和家具、内部设施(室内)和体育用品，从而保证广阔的市场。
下文中，将参照优选实施方式进一步详细地描述本发明。
本发明的实施方式仅是为了说明本发明而给出的并且不被解释为限制本发明的范围。
[实施例1]通过第一实施方式的加热方法制备高强度PET纤维
将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂(特性粘度1.20dl/g)引入挤出机中用于熔融挤出并且施加至在300℃下的纺丝喷嘴。在这点，所述树脂在被在来自组件壳体加热器的热下保持在纺丝喷嘴的相同温度(300℃)下的组件壳体包围的同时纺丝，以形成未拉伸的或部分地拉伸的PET纤维。紧跟在挤出之后的所挤出的纤维穿过加热区40以施加间接加热。加热区40包括位于在紧邻纺丝喷嘴中的毛细管的位置处、分别达5mm和10mm长度的绝热体43和高温加热器41，其具有与纺丝喷嘴相同的孔结构和相同的数量。高温加热器41设计成具有多个具有从纺丝喷嘴的各毛细管的中心起大于10mm的半径的加热通道，因此在纺丝步骤之后从挤出机毛细管挤出的纤维在穿过加热区40的同时在未与绝热体43和高温加热器41直接接触的情况下被加热。
(1)纺丝条件
-树脂:PET(Iv:1.20)
-纺丝温度(喷嘴温度):300℃
-毛细管的直径:Φ0.5
-每个毛细管的通过速率:3.3g/min
-在喷嘴正下方的加热器的局部加热温度:喷嘴温度加上100℃或更高
[实施例2]通过第二实施方式的加热方法制备高强度PET纤维
将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂(特性粘度1.20dl/g)引入挤出机中用于熔融挤出并且施加至在297℃下的纺丝喷嘴。在这点，所述树脂在被在来自组件壳体加热器的热下保持在纺丝喷嘴的相同温度下的组件壳体包围的同时纺丝，以形成未拉伸的或者部分地拉伸的PET纤维。紧跟在挤出之后的所挤出的纤维穿过加热区80以施加直接/间接加热。纺丝喷嘴从组件壳体突出达2mm长。具有拥有毛细管的相同结构和数量的加热通道的高温加热器81在没有绝热体的情况下在与纺丝喷嘴的底部相距5mm或更少的距离内布置成达20mm的长度，以形成加热区80。
高温加热器81设计成具有多个具有从纺丝喷嘴的各毛细管的中心起大于10mm的半径的加热通道，因此在纺丝步骤之后从毛细管挤出的纤维在未与加热器直接接触的情况下被加热。纺丝过程以与实施例1中描述的相同方式在相同的纺丝条件下进行。结果呈现于表1中。
[表1]
Figure GDA0002374564600000171
如可从表1看出的，如通过紧邻喷嘴的局部化的高温制备的实施例1和2的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维在纺丝过程期间在特性粘度方面没有变化，从而没有发生降解。
此外，实施例1和2的PET纤维具有比通过常规方法制备的纤维高的性质例如拉伸强度和伸长率。该结果显示，紧邻喷嘴的高温局部化加热可控制分子缠结结构以提升性质。
特别地，第二实施方式的纤维具有纤维性质(包括拉伸强度和伸长率)的更高提升。这明确地表明，熔融纺丝纤维的直接/间接局部化加热是更优选的。还发现，在更高的加热温度下可实现强度的额外改善。
[实施例3和4]通过第二实施方式的加热方法制备高强度PET纤维
以与实施例2中描述的相同的方式进行工序以形成高强度PET纤维，除了如下之外：根据本发明的第二实施方式的紧邻喷嘴的在高温下的局部化加热用如表2中所呈现的不同特性粘度的PET聚合物进行，以进行如下的低速纺丝和离线拉伸过程。
(1)纺丝条件
-树脂:PET(Iv:0.65和1.20)
-纺丝温度(喷嘴温度):280-300℃
-毛细管的直径:Φ0.5
-每个毛细管的通过速率:3.3g/min
-在喷嘴正下方的加热器的局部加热温度:喷嘴温度加上100℃或更高
-纺丝速率:1k/min
(2)拉伸条件
-未拉伸的纤维:在以上定义的纺丝条件下获得的PET初纺纤维
-第一导丝辊速度(温度):10m/min(85℃)
-拉伸阶段数量:至少3个阶段
-对在可用于连续拉伸而没有纤维断裂的最大拉伸比下的拉伸的纤维进行取样(热定形温度130-180℃)
[表2]
Figure GDA0002374564600000181
如可从表2看出的，在使用紧邻喷嘴的在高温下的瞬时局部化加热由分别具有0.65和1.2的特性粘度的PET树脂制备的实施例3和4的纤维以及通过实施例3和4的相同工序但是不使用紧邻喷嘴的在高温下的局部化加热而获得的对比例2和3的纤维的情况下，在纺丝过程过程期间在特性粘度方面没有变化。这表明，紧邻喷嘴的在高温下的瞬时局部化加热防止降解的发生。
此外，实施例3和4中制备的未拉伸的(初纺)和拉伸的纤维在性质例如拉伸强度和伸长率方面优于根据实施例3和4的相同工序但是不使用紧邻喷嘴的在高温下的局部化加热的对比例2和3中制备的纤维。可看出，使用紧邻喷嘴的在高温下的局部化加热，由于分子缠结结构的控制，较低和较高分子PET树脂两者在性质方面改善。
特别地，与对比例2和3的现有纤维相比，实施例3和4中的较低和较高分子PET纤维两者在相同的伸长率下具有10％或更大的强度改善。
[实施例5和6]通过第二实施方式的加热方法制备高强度尼龙纤维
将分别具有2.6和3.4dl/g的相对粘度(Rv)的尼龙6树脂引入挤出机中用于熔融挤出并且施加至在270℃下的纺丝喷嘴。在这点，所挤出的纤维在纺丝过程期间通过根据第二实施方式的紧邻喷嘴的高温局部化加热而被加热，然后进行如下的低速纺丝和离线拉伸过程以形成尼龙6纤维。在对比例4和5中，进行相同的工序；除了不使用紧邻喷嘴的局部化高温之外。结果呈现于表3中。
(1)纺丝条件
-树脂:尼龙6(Rv:2.6和3.4)
-纺丝温度(喷嘴温度):250-270℃
-毛细管的直径:Φ0.5
-每个毛细管的通过速率:3.3g/min
-在喷嘴正下方的加热器的局部加热温度:喷嘴温度加上100℃或更高
-纺丝速率:1k/min
(2)离线拉伸条件
-未拉伸的纤维:在以上定义的纺丝条件下获得的尼龙6初纺纤维
-第一导丝辊速度(温度):10m/min(85℃)
-拉伸阶段数量:至少3个阶段
-对在可用于连续拉伸而没有纤维断裂的最大拉伸比下的拉伸的纤维进行取样(热定形温度130-180℃)
[表3]
Figure GDA0002374564600000201
如可从表3看出的，与对比例4和5相比，在由分别具有2.6和3.4的相对粘度的尼龙6树脂制备的实施例5和6的纤维的情况下，在纺丝过程期间在相对粘度方面没有变化。这表明，紧邻喷嘴的瞬时高温局部化加热防止降解的发生。
此外，使用紧邻喷嘴的高温局部化加热的实施例5和6中制备的未拉伸的(初纺)和拉伸的纤维在性质例如拉伸强度和伸长率方面优于对比例4和5的纤维。可看出，具有2.6和3.4的相对粘度的较低和较高分子量的尼龙6树脂两者由于分子缠结结构的控制而在性质方面改善。
特别地，与对比例4和5的现有纤维相比，实施例5和6中的较低和较高分子的尼龙6纤维两者在相同的伸长率具有10％或更大的强度改善。
[实施例7和8]通过第二实施方式的加热方法制备高强度PP纤维
将分别具有33和12熔体流动指数(MFI)的PP树脂引入挤出机中用于熔融挤出并且施加至在270℃下的纺丝喷嘴。在这点，所述树脂在纺丝过程期间通过根据第二实施方式的紧邻喷嘴的在高温下的局部化加热而被加热，然后进行如下的纺丝和拉伸过程以形成PP纤维。在对比例6和7中，进行相同的工序；除了不使用紧邻喷嘴的高温局部化加热之外。结果呈现于表4中。
(1)纺丝条件
-树脂:PP(MFI(190/5):33和12)
-纺丝温度(喷嘴温度):210-270℃
-毛细管的直径:Φ0.5
-每个毛细管的通过速率:3.3g/min
-在喷嘴正下方的加热器的局部加热温度:喷嘴温度加上100℃或更高
-纺丝速率:1k/min
(2)离线拉伸条件
-未拉伸的纤维:在以上定义的纺丝条件下获得的PP纤维
-第一导丝辊速度(温度):10m/min(85℃)
-拉伸阶段数量:至少3个阶段
-对在可用于连续拉伸而没有纤维断裂的最大拉伸比下的拉伸的纤维进行取样(热定形温度130-180℃)
[表4]
Figure GDA0002374564600000211
如可从表4看出的，在由分别具有33和12的熔体流动指数(MFI)的PP树脂制备的实施例7和8的纤维以及通过实施例7和8的相同工序但是不使用紧邻喷嘴的在高温下的局部化加热而获得的对比例6和7的纤维的情况下，在纺丝过程期间在熔体流动指数(MFI)方面没有变化。这表明，紧邻喷嘴的瞬时高温局部化加热防止降解的发生。
此外，实施例7和8中制备的未拉伸的(初纺)和拉伸的纤维在性质例如拉伸强度和伸长率方面优于对比例6和7的纤维。可看出，通过紧邻纺丝喷嘴中的毛细管的瞬时高温局部化加热，较低和较高分子的PP树脂两者由于分子缠结结构的控制而在性质方面改善。
特别地，与对比例6和7的现有纤维相比，实施例7和8中的较低和较高分子的PP纤维两者在相同的伸长率下具有10％或更大的强度改善。
工业可用性
如上所述，本发明的制备方法是优化在熔融纺丝过程中纺丝和刚从纺丝喷嘴下落的聚合物的加热方法。更具体地，其包括紧邻常用纺丝喷嘴的毛细管向复丝施加单一或者双重加热过程以优化热传递，从而通过瞬时加热至高温而控制熔融聚合物的分子缠结结构以提升纤维的可拉伸性以及改善强度和伸长率。
根据本发明的用于高强度合成纤维的制备方法使用现有熔融纺丝和拉伸过程并且改善机械性质以降低初始投资成本和使得能够在低成本下大规模制造高性能纤维。
由热塑性聚合物提供高强度合成纤维(包括PET、尼龙和PP纤维)，本发明可用于多种应用，包括运输工具例如轮胎帘布、汽车、火车、飞机、轮船等的内部材料，土木工程和建筑材料，电子材料，以及海洋和军事应用例如绳索、网等，和此外，服装和家居应用例如轻质运动服、工作服、军装等，和家具、内部设施(室内)和体育用品，从而保证广阔的市场。
特别地，通过提供高强度PET纤维，本发明还适用于织物应用例如长纤维、短纤维、无纺布等并且可能能扩展至使用那些织物材料的膜、片材。模塑产品、容器等的制造。
已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的前述描述，并且在不背离本发明的原理和本质范围的情况下，显然许多改变和变型是可能的。本发明权利要求的范围包括属于本发明原理的这样的改变和变型。
符号说明
10、50、100:纺丝喷嘴11、51、111:毛细管
12、52:纺丝喷嘴
20、60:组件壳体
30、70:组件壳体加热器
40、80:加热区
41、81:高温加热器
41a、41b、81a、81b:加热通道
43:绝热体
F：纤维

Claims (14)

1.制造高强度合成纤维的方法，其包括：
将热塑性聚合物通过包含至少一个毛细管(11)的纺丝喷嘴(10)熔融纺丝以形成熔融纤维，其中所述纺丝喷嘴(10)被固定至纺丝设备的组件壳体(20)；
使所述熔融纤维穿过紧邻纺丝喷嘴(10)安置的加热区(40)以加热所述纤维；
将经加热的纤维冷却；和
将经冷却的纤维拉伸，然后将经拉伸的纤维卷绕，
其中加热区(40)定义为包括：在所述纺丝喷嘴(10)的底部下面的具有1-30mm厚度的绝热体(43)和从所述绝热体(43)延伸达1-500mm的长度的高温加热器(41)，
其中所述熔融纤维通过穿过加热区(40)而被局部加热，加热区(40)包括以形成于所述纺丝喷嘴(10)的毛细管的周围上的孔型加热通道(41a)或者带型加热通道(41b)的形式提供的高温加热器(41)。
2.制造高强度合成纤维的方法，其包括：
将热塑性聚合物通过包含至少一个毛细管(51)的纺丝喷嘴(50)熔融纺丝以形成熔融纤维，其中所述纺丝喷嘴(50)被固定至纺丝设备的组件壳体(60)；
使所述熔融纤维穿过紧邻纺丝喷嘴(50)安置的加热区(80)以加热所述纤维；
将经加热的纤维冷却；和
将经冷却的纤维拉伸，然后将经拉伸的纤维卷绕，
其中加热区(80)定义成包括：与纺丝喷嘴(50)的底部接触或者部分地***到纺丝喷嘴(50)的底部中的高温加热器(81)，纺丝喷嘴(50)的底部位于在组件壳体(60)内的相对于组件壳体(60)的底部-50mm的距离处到在组件壳体(60)外的相对于组件壳体(60)的底部300mm的距离处，
其中高温加热器(81)***到纺丝喷嘴(50)的底部中达0-50mm的***长度(b2)并且从所述纺丝喷嘴(50)的底部延伸达1-500mm的延伸长度(b3)，
其中所述熔融纤维通过穿过加热区(80)而被局部加热，加热区(80)包括以形成于所述纺丝喷嘴(50)的毛细管的周围上的孔型加热通道(81a)或者带型加热通道(81b)的形式提供的高温加热器(81)。
3.如权利要求1或2中所述的方法，其中穿过纺丝喷嘴(10,50)的各毛细管(11,51)的热塑性聚合物具有3秒或更少的停留时间和至少0.01cc/min的通过速率。
4.如权利要求1或2中所述的方法，其中纺丝喷嘴(10,50)中的各毛细管(11,51)的壁表面上的剪切速率为500-500,000/秒。
5.如权利要求1或2中所述的方法，其中纺丝喷嘴(10,50)的毛细管(11,51)具有拥有如下的结构：0.01-5mm的直径(D)；1或更大的长度(L)/直径(D)；1mm或更大的间距，即相邻两个毛细管之间的距离；和取圆形形状或者非圆形形状的横截面。
6.如权利要求1或2中所述的方法，其中纺丝喷嘴(10,50)为用于选自如下的至少一种单一或多元纺丝方法的喷嘴：皮-芯型、并列型、和海岛型。
7.如权利要求1或2中所述的方法，其中所述热塑性聚合物包括选自如下的任一种：基于聚酯的聚合物，其选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸1,3-丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯(PCT)、和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；基于聚酰胺的聚合物，其选自尼龙6、尼龙6,6、尼龙4、和尼龙4,6；或者基于聚烯烃的聚合物，其选自聚乙烯和聚丙烯。
8.如权利要求1或2中所述的方法，其中所述熔融纤维在穿过与组件壳体(20,60)具有0-1,500℃的温差的高温加热器(41,81)时被瞬时地局部加热至高温。
9.如权利要求1或2中所述的方法，其中组件壳体(20,60)被保持在50-400℃的温度下。
10.如权利要求1或2中所述的方法，其中所述纤维穿过以多个与所述纺丝喷嘴的各毛细管的中心相隔1-300mm的距离的孔型加热通道(41a,81a)的形式提供的高温加热器(41,81)。
11.如权利要求1或2中所述的方法，其中当多个毛细管以距离所述纺丝喷嘴(10,50)的中心相同的半径布置时，所述纤维穿过以形成于设置在相邻的毛细管之间的布置中的多个带型加热通道(41b,81b)的形式提供的高温加热器(41,81)。
12.高强度PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)纤维，其具有0.5-3.0的特性粘度(I.V.)，其通过根据权利要求1或2所述的制造高强度合成纤维的方法来制造，其中所述PET纤维具有5％或更大的伸长率和等于或高于通过以下方程1计算的强度的性质，
[方程1]
拉伸强度(g/d)＝15.873×PET纤维的特性粘度(I.V.)–3.841。
13.高强度尼龙纤维，具有2.0-5.0的相对粘度(Rv)，其通过根据权利要求1或2所述的制造高强度合成纤维的方法来制造，其中所述尼龙纤维具有5％或更大的伸长率和等于或高于通过以下方程2计算的强度的性质：
[方程2]
拉伸强度(g/d)＝8.6×尼龙纤维的相对粘度(Rv)–14.44。
14.高强度聚丙烯(PP)纤维，具有3-3000的熔体流动指数(MFI)，其通过根据权利要求1或2所述的制造高强度合成纤维的方法来制造，其中所述聚丙烯纤维具有5％或更大的伸长率和等于或高于通过以下方程3计算的强度的性质：
[方程3]
拉伸强度(g/d)＝-0.225×PP纤维的熔体流动指数(MFI)+12.925。
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