CN1196820C - 由基于聚酯的聚合物共混物制造合成丝条的方法 - Google Patents
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Abstract
将第一聚酯熔体物流分成第二聚酯物流和第三聚酯物流，而第一聚酯物流的流速为100与2000千克/小时之间，第二聚酯物流的流速为5-300千克/小时。使添加聚合物熔体以0.2-100千克/小时的流速导入第二聚酯物流，并通过第一混合管道(6)。得到的第一聚合物混合物中的添加聚合物含量为3-50(重量)%。将第一聚合物混合物导入第三聚酯物流中，使所述第一聚合物混合物与第三聚酯物流通过第二混合管道(11)以形成第二聚合物混合物。将第二聚合物混合物纺成单纤维(14)，然后，单纤维经冷却、合并成丝条(16)。丝条再经至少为1000米/分钟的拉伸速度拉伸后，可进一步加工成连续长丝或短切纤维。
Description
本发明涉及由基于聚酯的聚合物混合物制造合成丝条的方法。该丝条既可用作连续长丝，也可加工成短切纤维。
改性聚合物的纺丝是众所周知的，在EP-A-0860524中已有介绍。使聚合物熔体与液态或气态添加剂相混合的混合设备可从EP-A-0766996中获知。WO99/07927已对将聚合物混合物加工成长丝的方法作了介绍。
通常，使体系混合的方案不是很重要的。然而，对于为适应高速纺丝而具有高伸长率和同时具有热稳定的加工性能的聚合物混合物来说，为了获得均匀而又细分散的混合物，需要某些措施提高混合效率。
当在大规模挤出机纺丝车间或直接纺丝车间中制备聚合物混合物，其中基体聚合物熔体被推进到至少一条纺丝管路中并经历长的停留时间时，为获得高质量的最终产品，必须基本上排除混合缺陷，丝条缺陷和加工故障。特别在添加某些添加剂的情况下，这类车间中的高的热负荷会导致聚合物链断裂，聚合物链断裂又会产生干扰量的低分子量断裂产物，同时会使最终产物出现明显的变色。WO99/57348指出，聚合物混合物中的添加剂会使纺织丝条泛黄。甚至当添加含磷稳定剂时，虽然起初在中试车间获得了完美的筒子丝，但在随后的生产车间中因熔体经历较长的停留时间而导致纱线显浅黄色。
制得的丝条既可加工成短切纤维，也可加工成直丝，或者再由直丝加工成膨松纱。当需要纺织丝条时，目前采用的卷绕速度在2500与3600米/分钟之间，随制得的丝条的纤度而定。这类预取向丝(POY)的断裂伸长率为85％-165％，其优点在于能以拉伸工艺或拉伸卷曲工艺进行进一步的加工。当卷绕速度增加时，丝条的断裂伸长率会随之降低，因而就不能保证加工所要求的最低断裂伸长率。只有通过聚合物改性，尤其是通过特定的聚合物混合物才能将断裂伸长率调整到符合高速卷绕的要求。然而，业已发现，添加剂的添加量必须随卷绕速度的提高或者在会导致低断裂伸长率的纺丝条件下而大大地增加。
本发明的目的是以最优化的经济的方式提高高产量纺丝车间中纺制的聚酯基丝条的断裂伸长率。同时，在高的纺丝速度下进行拉伸工艺或拉伸卷曲工艺加工时所要求的断裂伸长值也应是可调整的。此外，还要改进络丝性能和减少络筒丝的缺陷，从而当该纺织丝条进行染色加工时能达到例如高度的均匀性。
根据本发明，达到该目的的方法在于：
a)将第一聚酯熔体物流分成第二和第三聚酯物流，第一聚酯物流的流速为100-2000千克/小时，第二聚酯物流的流速为5-300千克/小时，
b)将流速为0.2-100千克/小时的熔融添加聚合物经计量加入到第二聚酯物流中，使添加聚合物与聚酯一起通过管道内设置有流动障碍物的第一混合管道，并形成第一聚合物混合物，其中添加聚合物的含量为3-50(重量)％，优选高于5-30(重量)％，添加聚合物的熔体粘度与第一物流的聚酯的熔体粘度之比为0.8∶1-10∶1。
c)使第一聚合物混合物通过管道并导入第三聚酯物流中，然后使第一聚合物混合物与第三聚酯物流一起通过管道内设置有流动障碍物的第二混合管道，并形成第二聚合物混合物，以及
d)第二聚合物混合物挤出成单纤维然后使单纤维冷却、并合成丝条，并使丝条以至少1000米/分钟的速度卷绕。
优选的是，添加聚合物是无定形的，不溶于聚酯基体中的。通常，添加聚合物的玻璃化转变温度为90-200℃。玻璃化转变温度是按已知方法通过示差扫描量热法(参看WO99/07927)测定的。无定形聚合物适合于热塑性加工。有利的是，在添加聚合物离开挤塑机而与第二聚酯物流接触前，应在熔融状态下停留0.1-5分钟。在这一停留时间内，利用计量泵将添加聚合物从挤塑机供到进入第二聚酯物流的导入点。此外，还应确保当添加聚合物离开挤塑机，而与第三聚酯物流接触前，在熔融状态下停留0.2-7分钟。有利的是，使第二聚合物混合物进入纺丝板组合件前的停留时间少于15分钟。停留时间可按已知方法通过对产物管道尺寸和熔体流动速率的选择而作相应的调整，并确定为平均停留时间。
添加聚合物的选择要使添加聚合物的熔体粘度与第一物流的聚酯的熔体粘度之比为0.8∶1-10∶1，优选为1.5∶1-8∶1。熔体粘度是按已知方法通过振荡式流变仪，在振荡频率为2.4赫和聚酯熔融温度加34℃的温度下测定的。对于聚对苯二甲酸乙二醇酯来说，测定熔体粘度的温度为约290℃。测定的详细步骤可参看WO99/07927。添加聚合物的熔体粘度优选高于聚酯的粘度，并已发现，添加聚合物的比粘度范围的选择和粘度比的选择会对所制的丝条性能的最优化产生影响。随着粘度比的最优化，添加聚合物的添加量可降至最低，从而提高了方法的经济性。待纺丝的聚合物混合物通常包含0.05-5.0(重量)％的添加聚合物。
通过对与本发明的熔体物流分流有关的满意的粘度比的选择，可使具有丝条所要求的添加聚合物原纤结构的聚酯基体中的添加聚合物的粒度达到窄分布。与聚酯相比，添加聚合物较高的玻璃化转变温度可保证长丝中的原纤结构迅速稳定。添加聚合物离开纺丝板时的最大粒度为约1000纳米，而平均粒度为400纳米或以下。当丝条拉伸时可获得最佳的原纤结构，此时丝条中至少有60(重量)％的添加聚合物形成长度为0.5-20微米，直径为0.01-0.5微米的原纤维。当采用拉伸比为50-200或优选70-160时，对络丝特别有利。
可从下述各组聚合物中选取一种作为添加聚合物：
第一组
含下列单体单元的共聚物：
A＝丙烯酸、甲基丙烯酸或CH2＝CR-COOR’，其中R为H原子或CH3基团，R’为C1-15烷基或C5-12环烷基或C6-14芳基，
B＝苯乙烯或C1-3烷基取代苯乙烯，该共聚物由60-98(重量)％A和2-40(重量)％B，优选由83-98(重量)％A和2-17(重量)％B，而特别优选为90-98(重量)％A和2-10(重量)％B(总计＝100(重量)％)所组成。
第二组
含下列单体单元的共聚物：
C＝苯乙烯或C1-3烷基取代苯乙烯，
D＝式I、II或III中的一种或多种单体
式中R1、R2和R3各自为H原子或C1-15烷基或C6-14芳基或C5-12环烷基，
该共聚物由15-95(重量)％C和2-80(重量)％D，优选50-90(重量)％C和10-50(重量)％D，而特别优选为70-85(重量)％C和15-30(重量)％D(C与D总量为100(重量)％)所组成。
第三组
合下列单体单元的共聚物：
E＝丙烯酸、甲基丙烯酸或CH2＝CR-COOR’，其中R为氢原子或CH3基团，R’为C1-15烷基或C5-12环烷基或C6-14芳基，
F＝苯乙烯或C1-3烷基取代苯乙烯，
G＝式I、II或III中的一种或多种单体
式中R1、R2和R3各自为H原子或C1-15烷基或C5-12环烷基或C6-14芳基，
H＝可与E和/或与F和/或G共聚合的一种或多种烯属不饱和单体，包括α-甲基苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯(不同于E的)，氯乙烯、偏二氯乙烯、卤素取代的苯乙烯、乙烯基醚、异丙烯基醚及二烯，
该共聚物由30-99(重量)％E、0-50(重量)％F、＞0-50(重量)％G和0-50(重量)％H，优选45-97(重量)％E，0-30(重量)％F、3-40(重量)％G和0-30(重量)％H，而特别优选为60-94(重量)％E、0-20(重量)％F、6-30(重量)％G和0-20(重量)％H(E、F、G和H总量为100(重量)％)所组成。
第四组
由下列单体单元组成的聚合物：
式中R1和R2为含任选的C、H、O、S、P原子和卤原子的取代基，R1和R2的分子量总和为至少40(如聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯)。
WO99/07927已对这些聚合物的制备方法作了详细说明。
下面参照附图对本发明方法的具体实施方案进行说明。
图1所示的是方法的流程，和
图2所示的是使第二聚酯物流与添加聚合物相连接的泵组件实例。
如图1所示，作为原料聚合物的聚酯熔体来自贮槽(1)，该贮槽可以是挤塑机或缩聚反应器。聚酯物流(这里称为“第一物流”)的温度为230-330℃，该温度明显高于聚酯的熔点，聚酯物流先在挤塑机压力下流过管道(2)，或在第一泵(3)作用下流到管道(4)的分支点。熔体可任选地流过过滤器，增压泵或热交换器，分支点优选设置在热交换器之后，热交换器将聚合物物流冷却约2-15℃。部分聚酯(这里称为“第二聚酯物流”)在第二泵(5)的作用下流入作为静态混合器的第一混合管道(6)。
来自挤塑机(8)的添加聚合物熔体在出口的温度低于第一聚酯物流温度5-70℃，优选至少10℃。有利的是保证离开挤塑机的添加聚合物中的单体含量不高于约0.6(重量)％。这可通过选择相应的原材料或者通过在挤塑机中进行脱气来实现。在第三计量泵(9)的作用下，添加聚合物被供到计量点(10)，由此点添加聚合物进入第二聚合物物流中。
借助流动障碍物(如SMX型混合元件，购自Sulzer)在第一混合管道(6)中实施混合。混合管道(6)的中部的空管内径为(D)。第一聚合物混合物离开混合管道(6)并流过无混合元件的管道(4a)而进入通过管道(2a)的第三聚酯物流中。第一聚合物混合物沿着长度为(L)的管道流动与第三聚酯物流相接触，直至到达第二混合管道(11)中的流动障碍物。有利的是保证L≥2D和/或L长度内的直径具有锥度的横截面，以提高聚合物的流动速度。来自管道(4a)的第一聚合物混合物与第三聚酯物流一起通过构成静态混合器的第二混合管道(11)。在第二混合管道(11)的末端形成第二聚合物混合物，该混合物离开混合区，并通过管道(2b)以已知方式在各纺丝点前将混合物划分开。优选的是，第一混合管道(6)的长度和第二混合管道(11)的长度是混合管道内径的6-15倍。
在附图中，第二聚合物混合物通过以虚线代表的管道(12)供向图示的纺丝点。聚合物混合物经挤压通过纺丝组合件(13)，从而形成多根单纤维(14)，单纤维经冷却、汇集及上纺丝油(15)。当希望生产纺织丝条时，可使汇集成的丝条(16)绕过第一导丝盘(17)，然后通过交络装置(18)导致第二导丝盘(19)。由导丝盘(17)圆周速度确定的丝条卷绕速度在此情况下为至少3500米/分钟，优选为4000-9000米/分钟。丝条运行至本身已知的络丝装置(20)，由该装置进行络丝。拉伸比即卷绕速度与喷丝头出口的挤出速度之比率，对于如POY的丝条来说，为50-200有利于获得例如良好的络丝性能。
为了获得纺织用丝，可用已知方法对丝条作进一步加工，但附图中未表示。该加工步骤可包括丝条的拉伸或拉伸卷曲步骤，在此加工中丝条的断裂伸长率由最初85-180％降低至约15-45％。对生产短切纤维来说，丝条通过导丝盘以至少1000米/分钟的速度退卷并先盘在条筒中，然后在纤维生产线中用已知方法进行进一步的加工。
如图2所示，采用泵组件(25)，添加聚合物通过管道(9a)供给泵组件，第二聚酯物流通过支管(4a、4b、4c)供入。图中所示的泵组件包括各自独立的计量泵(9)以及(5a)、(5b)和(5c)。可将这些计量泵设计成如在DE19841376A1中介绍的行星式齿轮泵的联合驱动箱。该泵组件将添加聚合物和聚酯物流合并供入第一混合管道(6)中。
实施例1
如图1所示，制造合成丝条的步骤如下：
使特性粘度为0.64分升/克、(相当于290℃的熔体粘度为250帕·秒)熔体温度为282℃的聚对苯二甲酸乙二醇酯熔体从反应器排出，并借助压力为205巴的增压泵使熔体通过管道。使熔体流过20微米细孔的过滤器并通过热交换器，热交换器使熔体温度从292℃冷却至288℃。流速为423.0千克/小时的第一物流被分成流速为21.18千克/小时的第二物流(相当于第一物流的5.0(重量)％)和流动速率为401.82千克/小时的第三物流。
采用含91(重量)％甲基丙烯酸甲酯和9(重量)％的苯乙烯的第一组共聚物作为添加聚合物，共聚物在290℃的熔体粘度为1100帕·秒。已预干燥至残留水分＜0.1(重量)％的添加聚合物在挤塑机中经熔融、脱气以255℃的熔体温度经计量泵(9)后供入到管道(4)的流动速率为2.115千克/小时的第二物流中。接着在内径为26.5毫米，长为160毫米的Sulzer/CH公司的SMX型第一混合器中进行混合(混合管道6)。添加聚合物熔体从挤出机出口直到与第二物流相接触的停留时间为2.9分钟。第一聚合物混合物中添加聚合物的含量为9(重量)％。
将第一混合物导入第三聚酯物流中，在流过长L＝910毫米管道后被供入内径为65毫米、长度为910毫米的第二混合器(11)中，并在混合器中进行均化和分散。添加聚合物从挤出机出口直到与第三聚酯物流相接触的停留时间为3.5分钟。
借助产物管道，第二聚合物混合物分配在20个纺丝位，每一纺丝位包括6个纺丝板组合件。第二聚合物混合物进入纺丝组件的停留时间为5分钟。每一纺丝板组合件包含一个拥有34个直径为0.25毫米、长度为直径两倍的喷丝孔的圆形喷丝头。此外，纺丝板组合件还包括位于喷丝板上方的纺丝过滤组件，该过滤组件包括高为30毫米、粒度为0.35-0.50毫米的钢砂单元以及孔径为40微米的微孔金属滤布和孔径为20微米的钢制纤维网过滤器。纺丝过滤组件的截面积为40平方厘米。熔体在过滤组件中的停留时间为约1.8分钟。当熔体混合物通过喷丝孔时可达到145巴的压力，该压力稍低于不加添加聚合物时的PET熔体压力。纺丝板组件的工作温度调整到288℃。
从喷丝孔挤出的熔融单纤维借助温度为19℃、流速为0.5米/秒的空气流沿长丝运行的路径，以水平方向吹风而得以冷却，在距喷丝板1400毫米处的油石(15)中集束并涂以纺丝油剂。
以S形排列的一对导丝盘按丝条4320米/分钟的卷绕速度运行，丝条的拉伸比调整至149。两导丝盘之间设置有交络喷嘴(18)，该喷嘴在丝条通常运行情况下是关闭的，交络喷嘴以压力为4.0巴的空气吹喷丝条，从而将丝条上成形为12个/米交络点的交络丝。在交络喷嘴入口处的丝条张力调整至0.15克/旦。
用络丝机使一个纺丝位的六束丝条中的每一丝条进行络丝以形成络筒丝，络丝速度选为4290米/分钟，以使丝条在络丝前的张力为0.10克/旦。
得到的预取向丝(POY)特征在于纤度为128旦，撕裂强度为2.5克/旦，断裂伸长率为117％。使POY络丝在BarmagFK6型卷曲变形机中以900米/分钟的速度进行拉伸——卷曲加工。拉伸比选为1.70。第一加热器的温度为210℃，第二加热器温度为170℃。
卷曲纱的纤度为76旦，撕裂强度为4.6克/旦，断裂伸长率为22％，该卷曲纱的特征是具有良好染色均匀性。根据本发明方法的特征还在于当进行纺丝和卷曲加工时只产生少量断丝条。
实施例2
现在，采用图2中所说明的泵组件。使含水量低于35ppm和特性粘度为0.64分升/克的聚对苯二甲酸乙二醇酯切片在挤塑机中熔融，并在290℃和180巴压力下挤出，然后使该熔体以302.4千克/小时的熔体流通过熔体管道并经20微米烛形过滤器过滤。
然后，将流速为302.4千克/小时的经过滤的第一聚酯物流分成流速为13.98千克/小时(相当于流量为第一物流的4.62(重量)％)的第二聚酯物流和流速为288.42千克/小时的第三物流。
对于第二物流和添加聚合物的计量和输送，采用六重行星式齿轮泵(Mahr GmbH，Gottingen，Germany制造)。这是拥有6个以反向旋转的计量泵的纺丝泵(图1)，因此该泵流动方向能将六个入口通道的同体积流体合并于一个出口通道中。
第二聚酯物流以等量分别供向六个行星式齿轮泵入口中的五个。
添加聚合物选用熔体粘度为1440帕·秒(290℃)、含9(重量)％苯乙烯、89(重量)％甲基丙烯酸甲酯和2(重量)％N-环己基-顺丁烯二酰亚胺的第三组共聚物。
已干燥至残留水分＜0.1(重量)％的添加聚合物在挤塑机中熔融，然后以265℃的熔体温度和2.33千克/小时的流速(相当于第一聚酯物流的0.77(重量)％)供入余下的行星式齿轮泵的入口通道中。在行星式齿轮泵的出口通道，该添加聚合物物流先与五个入口通道中的一个通道中所供入的聚酯物流合并并进行预混合，然后再将其余四个入口通道供入的聚酯物流在行星式齿轮泵的出口供入预混合物中。添加聚合物熔体从挤塑机出口至行星式齿轮泵出口的停留时间为约70秒。随后，使预混合物在内径为17.8毫米和长为9倍内径的SMXS DN17型(SulzerAG，Zurich，Switzerland)第一静态混合器(6)中实施混合；混合物中的添加聚合物含量为16.7(重量)％。然后，该第一混合物被导入第三聚酯物流中并流经长度L＝72毫米后导入内径为52.5毫米、长为525毫米的SMX型(Sulzer AG)第二混合器(11)中，物料在该混合器中进行均化和分散。添加聚合物熔体从挤塑机出口直到与第三聚酯物流相接触的停留时间为100秒。
借助产物管道，将第二聚合物混合物分配在12个纺丝位上，每个纺丝位包括六个纺丝板组合件，第二聚合物混合物从离开第二混合器(11)直到进入纺丝板组合件的停留时间为5分钟。每一纺丝板组合件包含拥有34个直径为0.25毫米，长度为直径两倍的喷丝孔的圆型喷丝头。纺丝板组合件还包括位于喷丝板上方的纺丝过滤组件，该组件包括高为30毫米、粒度为0.5-0.85毫米的钢砂单元以及孔径为40微米的微孔金属滤布和孔径为20微米的钢制纤维网过滤器。纺丝过滤组件的直径为85毫米。熔体在过滤组件中的停留时间为约1.5分钟。纺丝板组合件的加热温度调整到290℃。纺丝板表面位于加热箱底面上方30毫米处。熔体混合物在通道中可获得150巴的喷丝头压力。
从喷丝孔挤出的熔融单纤维借助温度为18℃，流速为0.55米/秒的空气流沿长丝运行的路径，以水平方向吹风而得以冷却，在距喷丝板1250毫米处的油石(15)中集束并涂以纺丝油剂而形成丝条。
以S形排列的一对导丝盘按丝条5000米/分钟的卷绕速度运行，丝条的拉伸比调整至141。
两导线盘之间设置有交络喷嘴(18)，该喷嘴在丝条通常运行情况下是关闭的，交络喷嘴以压力为4巴的空气吹喷丝条，从而将丝条成形为12个/米交络点的交络丝。在交络喷嘴入口处的入口张力调整至0.15克/旦。
用络丝机使一个纺丝位的六束丝条中的每一丝条进行络丝以形成络筒丝，络丝速度选为4985米/分钟，以使丝条在络丝前的张力为0.1克/旦，得到的预取向(POY)丝条的特征在于纤度为126旦，断裂伸长率为116％和撕裂强度为2.4克/旦。使POY络丝在Barmag FK6型卷曲变形机中以900米/分钟的速度进行拉伸——卷曲加工。拉伸比选为1.77，第一加热器温度和第二加热器温度分别选为210℃和170℃。卷曲纱的纤度为74旦，撕裂强度为4.5克/旦，断裂伸长率为18.3％，该卷曲纱的特征在于有良好的染色均匀性。
Claims (9)
1.由聚酯基聚合物混合物制造合成丝条的方法，其特征在于：
a)将第一聚酯熔体物流分成第二和第三聚酯物流，第一聚酯物流的流速为100-2000千克/小时，第二聚酯物流的流速为5-300千克/小时，
b)将流速为0.2-100千克/小时的熔融添加聚合物经计量加入到第二聚酯物流中，使添加聚合物与第二聚酯物流一起通过管道内设置有流动障碍物的第一混合管道，并形成第一聚合物混合物，其中添加聚合物的含量为3-50重量％，添加聚合物的熔体粘度与第一物流的聚酯的熔体粘度之比为0.8∶1-10∶1，
c)使第一聚合物混合物通过管道并导入第三聚酯物流中，然后使第一聚合物混合物与第三聚酯物流一起通过管道内设置有流动障碍物的第二混合管道，并形成第二聚合物混合物，以及
d)第二聚合物混合物挤出成单纤维，然后使单纤维冷却、并合成丝条，并使丝条以至少1000米/分钟的速度卷绕。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于未混合的添加聚合物是在挤塑机中熔融的，在挤塑机出口的聚合物温度低于第一聚酯物流温度5-70℃。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于添加聚合物是无定形的，在聚酯熔体中是不溶的。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于添加聚合物在与第二聚酯物流接触之前，保持熔融状态的停留时间为0.1-5分钟。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于添加聚合物在与第二聚酯物流接触之前，保持熔融状态的停留时间为0.1-5分钟。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于添加聚合物离开挤塑机与第三聚酯物流接触之前，保持熔融状态的停留时间为0.2-7分钟。
7.根据权利要求1、2、5或6所述的方法，其特征在于第一聚合物混合物与第三聚酯物流相接触至达到流动障碍物的流动长度L等于或大于2D，其中D是第一混合管道的空管内径。
8.根据权利要求1、2、5或6所述的方法，其特征在于添加聚合物的熔体粘度与第一物流的聚酯的熔体粘度之比为1.5∶1-8∶1。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于添加聚合物的熔体粘度与第一物流的聚酯的熔体粘度之比为1.5∶1-8∶1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: LU JI ZIMMER HOLDINGS CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: LURGLZIMMER AG Effective date: 20071026 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20071026 Address after: Frankfurt, Germany Patentee after: Lu Ji Zimmer AG Address before: Frankfurt, Germany Patentee before: Zimmer AG. |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20050413 Termination date: 20130522 |