TWI390092B - 多孔性纖維的製作方法 - Google Patents

Description

多孔性纖維的製作方法

本發明是有關於一種纖維的製作方法，且特別是有關於一種多孔性纖維的製作方法。

隨著科技的演進，纖維的種類也越來越多。由於纖維可製成衣服、棉被等保暖織物或是建築用的板材等建材，因此，纖維可應用的層面相當廣泛。相較於傳統實心的纖維，現今的科技已研發出一種多孔性纖維。由於多孔性纖維具有多個位於纖維內的泡孔，因此，多孔性纖維可製作成救生衣，並可使救生衣輕量化。此外，多孔性纖維中的泡孔可使以多孔性纖維製成的產品具有隔熱與保溫的效果。另外，多孔性纖維中的泡孔亦可使以多孔性纖維製成的板材具有吸音的功能並可使板材輕量化。

本發明提供一種多孔性纖維的製作方法，其可縮短製程時間。

本發明提出一種多孔性纖維的製作方法如下所述。首先，提供多個細條，各細條包括相互混合的一高分子材料與一成核劑。接著，將細條置於一飽和槽中。然後，將一超臨界流體發泡劑通入飽和槽中，以使細條含浸於超臨界流體發泡劑中，並使細條吸附部分超臨界流體發泡劑。之後，自飽和槽中取出細條。接著，加熱細條，以使細條軟化並發泡。然後，於加熱細條的同時，對細條進行一拉伸製程。之後，在加熱與拉伸細條之後，冷卻細條，以形成多個多孔性纖維。

在本發明之一實施例中，超臨界流體發泡劑的材質包括二氧化碳、氮氣、氟氯碳化物(chlorofluorocarbon，CFC)、氫氟氯碳化物(hydrochlorofluorocarbon，HCFC)、氫氟碳化物(hydrofluorocarbon，HFC)或碳氫化合物(hydrocarbon，HC)。

在本發明之一實施例中，成核劑的材質包括碳酸鈣或滑石粉(Talc powder)，或其他可降低氣泡表面張力的固體粒子。

在本發明之一實施例中，多孔性纖維的製作方法更包括在將超臨界流體發泡劑通入飽和槽之前，將一輔助發泡劑通入飽和槽中，以使細條含浸於輔助發泡劑中，以及在將超臨界流體發泡劑通入飽和槽之後，超臨界流體發泡劑與輔助發泡劑相互混合，且各細條吸附部分超臨界流體發泡劑以及部分輔助發泡劑，其中輔助發泡劑的飽和蒸氣壓小於超臨界流體發泡劑的飽和蒸氣壓。

在本發明之一實施例中，輔助發泡劑的材質包括乙醇、己烷或正丁醇。

在本發明之一實施例中，多孔性纖維的直徑約為50微米至100微米。

在本發明之一實施例中，成核劑與高分子材料的重量比約為0.03～0.3。

在本發明之一實施例中，成核劑與高分子材料的重量比約為0.1～0.3。

在本發明之一實施例中，冷卻細條的方法包括以空氣或水冷卻細條。

在本發明之一實施例中，當細條含浸於超臨界流體發泡劑中時，飽和槽中的含浸壓力約為60~680巴(bar)。

在本發明之一實施例中，高分子材料包括聚丙烯(polypropylene，PP)、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)。

在本發明之一實施例中，多孔性纖維的製作方法更包括在將超臨界流體發泡劑通入飽和槽之後，升高飽和槽中的溫度至一設定溫度。

在本發明之一實施例中，設定溫度約為高分子材料玻璃(T_g )點以下之溫度，較佳為玻璃點以下10℃之溫度。。

基於上述，由於本發明在加熱細條的同時還對細條進行拉伸製程，因此，本發明可同時進行發泡製程與拉伸製程。如此一來，本發明可縮短發泡製程與拉伸製程所需耗費的總時間，且毋須為發泡製程與拉伸製程而分二次加熱軟化細條，故可減少製作成本。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明所提出的多孔性纖維的製做方法是先提供多個細條，這些細條是由高分子材料與成核劑混合而成，然後，將這些細條含浸於由超臨界流體所構成的發泡劑中，以使這些細條吸收部分超臨界流體，之後，以加熱(溫度誘引，temperature-induced phase separation，TIPS)的方式來進行發泡製程，且本發明在加熱這些細條的同時，還對這些細條進行拉伸製程，故發泡製程與拉伸製程係同時進行。

如此一來，本發明可縮短發泡製程與拉伸製程所需耗費的總時間，且毋須為發泡製程與拉伸製程而分二次加熱軟化細條，故可減少製作成本。

此外，本發明是採用超臨界流體發泡製程來進行發泡，超臨界流體發泡製程具有節省物料(物料可節省5～95%)、環保與安全(可替代傳統的氟氯碳化物、丁烷、戊烷等破壞臭氧層或易燃的發泡劑)、能源耗損低(超臨界流體可有效降低高分子的黏度，進而可大幅降低操作溫度與成型壓力)以及物性佳(泡孔尺寸小、泡孔密度高、耐衝擊性佳、高韌性、高耐疲勞特性、產品使用壽命長、熱穩定性高、低熱傳導及低介電常數)等優點。

圖1A～圖1C繪示本發明一實施例之多孔性纖維的製程示意圖。

首先，請參照圖1A，提供多個細條110，各細條110包括相互混合的一高分子材料112與一成核劑114。在本實施例中，成核劑114的材質包括碳酸鈣或滑石粉(Talc powder)，或其他可降低氣泡表面張力的固體粒子。在本實施例中，成核劑114與高分子材料112的重量比約為0.03～0.3，舉例來說，成核劑114與高分子材料112的重量比約為0.1～0.3。在本實施例中，高分子材料112包括聚丙烯(polypropylene，PP)、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)、或是其他適合的高分子材料。

圖2繪示本發明一實施例之浸置裝置，圖1B繪示圖2之浸置裝置中的飽和槽的槽體內部。請參照圖2，在本實施例中，浸置裝置200包括一超臨界流體發泡劑供應源(supercritical fluid foaming agent supply source)210、一冷卻器(chiller)220、一高壓液泵(pump)230、一背壓閥(back pressure regulator)240、一緩衝槽(buffer tank)250與一飽和槽(saturation tank)260。超臨界流體發泡劑供應源210為一裝有超臨界流體發泡劑140的鋼瓶，超臨界流體發泡劑140可由鋼瓶流出之後經過冷卻器220而預冷成過冷液體，之後，經高壓液泵230加壓至所需之壓力，其壓力是利用背壓閥240加以調節。然後，將高壓的超臨界流體發泡劑140暫存於緩衝槽250內，以待需使用時再將超臨界流體發泡劑140通入飽和槽260中。

請同時參照圖1B與圖2，將細條110置於飽和槽260中，且可將一輔助發泡劑120通入飽和槽260中，以使細條110含浸於輔助發泡劑120中，其中輔助發泡劑120為液態。輔助發泡劑120的材質例如為乙醇、己烷或脂肪醇(例如正丁醇)。

之後，可將超臨界流體發泡劑140由緩衝槽250通入飽和槽260中，以使超臨界流體發泡劑140與輔助發泡劑120相互混合，且各細條110吸附部分超臨界流體發泡劑140以及部分輔助發泡劑120。超臨界流體發泡劑140的材質例如為二氧化碳、氮氣、氟氯碳化物(chlorofluorocarbon，CFC)、氫氟氯碳化物(hydrochlorofluorocarbon，HCFC)、氫氟碳化物(hydrofluorocarbon，HFC)或碳氫化合物(hydrocarbon，HC)。氟氯碳化物(chlorofluorocarbon，CFC)包括三氯一氟甲烷(CCl₃ F)、二氟二氯甲烷(CCl₂ F₂ )、二氟一氯甲烷二氟一氯(CClF₂ ClF₂ )、氯仿(CH₃ Cl)、二氯甲烷(CH₂ Cl₂ )。氫氟氯碳化物(hydrochlorofluorocarbon，HCFC)包括一氟二氯乙烷(CH₃ CCl₂ F)、一氯二氟甲烷(CHClF₂ )、一氯二氟乙烷(CH₃ CClF₂ )或四氟一氯乙烷(CHFClCF₃ )。氫氟碳化物(hydrofluorocarbon，HFC)包括四氟乙烷(CH2FCF₃ )、五氟丙烷(CF₃ CH₂ CHF₂ )、1,1,1,3,3-五氟丁烷(CF₃ CH₂ CF₂ CH₃ )或二氟乙烷(CHF₂ CH₃ )。碳氫化合物(hydrocarbon，HC)環戊烷(cyclopentane)、戊烷(n-pentane)、異戊烷(iso-pentane)、丁烷(n-butane)、異丁烷(iso-butane)或丙烷(propane)。

在本實施例中，飽和槽260中的含浸壓力例如為60~680巴(bar)，較佳為60~408巴，更佳為60~204巴。之後，可升高飽和槽260中的溫度至一設定溫度，其中設定溫度約為高分子材料玻璃點以下之溫度，較佳為玻璃點以下10℃之溫度。然後，將細條110浸置於超臨界流體發泡劑140與輔助發泡劑120之中一浸置時間，以使發泡劑與輔助發泡劑可完整被高分子材料吸附，其中浸置時間可視浸置溫度與高分子材料的玻璃點而有所不同，舉例來說，浸置時間可為1~120分鐘，較佳為10~60分鐘，更佳為10~30分鐘。之後，待高分子材料吸附足量之發泡劑與輔助發泡劑後，將飽和槽260洩壓。接著，取出細條110。

值得注意的是，在本實施例中，輔助發泡劑120的飽和蒸氣壓小於超臨界流體發泡劑140的飽和蒸氣壓，故輔助發泡劑120可降低細條110於後續的發泡製程中所產生的泡孔尺寸，進而可增加泡孔數量以及泡孔均勻性並可避免因泡孔尺寸過大而導致細條110在拉伸成纖維的過程中斷裂。

此外，雖然本實施例是以圖2的浸置裝置200來使細條110含浸於輔助發泡劑120與超臨界流體發泡劑140中，但並非用以限定本發明，舉例來說，在其他實施例中，亦可採用其他的浸置裝置來含浸細條110。

接著，請參照圖1C，加熱細條110，以使細條110軟化並發泡，以於細條110中產生多個泡孔B，並且，在加熱細條110的同時，對細條110進行一拉伸製程。

圖3繪示本發明一實施例之拉伸裝置的示意圖。請參照圖3，在本實施例中，拉伸裝置P包括一第一減速馬達310、一第二減速馬達320與一烘箱330，其中烘箱330配置於第一減速馬達310與第二減速馬達320之間。

請同時參照圖1C與圖3，詳細而言，在本實施例中，可將吸附部分超臨界流體發泡劑140以及部分輔助發泡劑120的細條110的一第一部分116捲負載於第一減速馬達310上，且使細條110的一第二部分118順著方向V穿過烘箱330的中心加熱區332而受熱軟化並發泡，並且，於此同時可對細條110施加一適當的拉力，以拉伸細條110。

換言之，當細條110經過烘箱330的中心加熱區332而到達軟化點時，會因受熱而發泡以及因受到拉力而被拉伸。如此一來，本實施例可縮短發泡製程與拉伸製程所需耗費的總時間，且毋須為發泡製程與拉伸製程而分二次加熱軟化細條110，故可減少製作成本。

之後，可冷卻細條110，以形成多孔性纖維150，並可以第二減速馬達320捲取多孔性纖維150，其中多孔性纖維150的直徑例如為50微米至100微米。在本實施例中，可藉由使第一減速馬達310的細條引取速度不同於第二減速馬達320的細條引取速度，來對細條110施予適當的拉力。

冷卻細條110的方法例如為空氣冷卻(例如在烘箱330與第二減速馬達320之間配置一風扇340)或水冷卻(例如在烘箱330與第二減速馬達320之間配置一灑水裝置)。此外，引取多孔性纖維150的方式可以設計為編織式的捲取，如此一來，可在捲取多孔性纖維150的同時，將其編織成布。

此外，雖然本實施例是以圖3的拉伸裝置P來加熱並拉伸細條110，但並非用以限定本發明，舉例來說，在其他實施例中，亦可採用其他的拉伸裝置來加熱並拉伸細條110。

以下將介紹以本實施例之多孔性纖維的製做方法所製作出的三組多孔性纖維，這三組多孔性纖維是以不同的加工條件及不同的配方製備(下表1與下表2是以第一組、第二組與第三組來代表這三組多孔性纖維)。

第一組、第二組與第三組的成核劑為碳酸鈣，高分子材料為聚丙烯(北歐化工，型號：HMS WB 260 PP)，超臨界流體發泡劑為二氧化碳，輔助發泡劑為正丁醇(濃度4%)。二氧化碳的飽和蒸氣壓為122*10³ 毫米汞柱(mmHg)，而正丁醇的飽和蒸氣壓為59.3毫米汞柱。

表1列出第一組、第二組與第三組的多孔性纖維的加工條件及配方，其中成核劑份數的表示方式是相對於100份的高分子材料所混合的成核劑份數，在此，一份代表一單位重量(例如1公斤)。舉例來說，第一組的配方為100份的高分子材料混合10份的成核劑。

表二列出第一組、第二組與第三組的多孔性纖維的實驗結果以及二對照組(下表2是以對照組1與對照組2來代表這二組對照組)的實驗結果，其中對照組並未進行含浸(二氧化碳)以及拉伸製程，且此二對照組的配方不同，其中對照組1的配方為100份的高分子材料混合10份的成核劑，對照組2的配方為100份的高分子材料混合30份的成核劑。

由表1與表2可知，當成核劑的添加比例增加時，纖維密度降低且吸水率提高(請參考第一組與第二組的實驗結果)。換言之，成核劑可增加細條於含浸時所吸收的超臨界流體發泡劑的量，進而增加之後形成的纖維的氣體含量。

此外，由表1與表2可知，當含浸壓力增加時，纖維密度降低且吸水率提高(請參考第二組與第三組的實驗結果)。換言之，含浸壓力可增加細條於含浸時所吸收的超臨界流體發泡劑的量，進而增加之後形成的纖維的氣體含量。

由前述可知，本實施例可藉由控制成核劑的添加比例以及含浸壓力來調整纖維的氣體含量，以符合實際的需求。

表三列出本實施例之多孔性纖維與習知的非多孔性纖維(亦即實心的纖維)的物理特性。

由表三可知，本實施例之多孔性纖維具有較佳的吸水率以及抗靜電特性。

綜上所述，由於本發明在加熱細條的同時還對細條進行拉伸製程，因此，可同時進行發泡製程與拉伸製程。如此一來，本發明可縮短發泡製程與拉伸製程所需耗費的總時間，且毋須為發泡製程與拉伸製程而分二次加熱軟化細條，故可減少製作成本。此外，本發明藉由在飽和槽中加入飽和蒸氣壓較小的輔助發泡劑來降低細條於後續的發泡製程中所產生的泡孔尺寸，進而增加泡孔數量以及泡孔均勻性，並可避免因泡孔尺寸過大而導致細條在拉伸成纖維的過程中斷裂。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110．．．細條

112．．．高分子材料

114．．．成核劑

116．．．第一部分

118．．．第二部分

120．．．輔助發泡劑

130．．．飽和槽

140．．．超臨界流體發泡劑

150．．．多孔性纖維

200．．．浸置裝置

210．．．超臨界流體發泡劑供應源

220．．．冷卻器

230．．．高壓液泵

240．．．背壓閥

250．．．緩衝槽

260．．．飽和槽

310．．．第一減速馬達

320．．．第二減速馬達

330．．．烘箱

332．．．中心加熱區

340．．．風扇

B．．．泡孔

P．．．拉伸裝置

V．．．方向

圖1A～圖1C繪示本發明一實施例之多孔性纖維的製程示意圖。

圖2繪示本發明一實施例之浸置裝置，圖1B繪示圖2之浸置裝置中的飽和槽的槽體內部。

圖3繪示本發明一實施例之拉伸裝置的示意圖。

110．．．細條

116．．．第一部分

118．．．第二部分

150．．．多孔性纖維

310．．．第一減速馬達

320．．．第二減速馬達

330．．．烘箱

332．．．中心加熱區

340．．．風扇

P．．．拉伸裝置

V．．．方向

Claims (13)

1. 一種多孔性纖維的製作方法，包括：提供多個細條，各該細條包括相互混合的一高分子材料與一成核劑；將該些細條置於一飽和槽中；將一超臨界流體發泡劑通入該飽和槽中，以使該些細條含浸於該超臨界流體發泡劑中，並使該些細條吸附部分該超臨界流體發泡劑；自該飽和槽中取出該些細條；加熱該些細條，以使該些細條軟化並發泡；於加熱該些細條的同時，對該些細條進行一拉伸製程；以及在加熱與拉伸該些細條之後，冷卻該些細條，以形成多個多孔性纖維。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，其中該超臨界流體發泡劑的材質包括二氧化碳、氮氣、氟氯碳化物(chlorofluorocarbon，CFC)、氫氟氯碳化物(hydrochlorofluorocarbon，HCFC)、氫氟碳化物(hydrofluorocarbon，HFC)或碳氫化合物(hydrocarbon，HC)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，其中該成核劑的材質包括碳酸鈣或滑石粉(Talc powder)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，更包括：在將該超臨界流體發泡劑通入該飽和槽之前，將一輔助發泡劑通入該飽和槽中，以使該些細條含浸於該輔助發泡劑中；以及在將該超臨界流體發泡劑通入該飽和槽之後，該超臨界流體發泡劑與該輔助發泡劑相互混合，且各該細條吸附部分該超臨界流體發泡劑以及部分該輔助發泡劑，其中該輔助發泡劑的飽和蒸氣壓小於該超臨界流體發泡劑的飽和蒸氣壓。
5. 如申請專利範圍第4項所述之多孔性纖維的製作方法，其中該輔助發泡劑的材質包括乙醇、己烷或正丁醇。
6. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，其中該多孔性纖維的直徑約為50微米至100微米。
7. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，其中該成核劑與該高分子材料的重量比約為0.03～0.3。
8. 如申請專利範圍第7項所述之多孔性纖維的製作方法，其中該成核劑與該高分子材料的重量比約為0.1～0.3。
9. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，其中冷卻該些細條的方法包括以空氣或水冷卻該些細條。
10. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，其中當該些細條含浸於該超臨界流體發泡劑中時，該飽和槽中的含浸壓力約為60~680巴(bar)。
11. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，其中該高分子材料包括聚丙烯(polypropylene，PP)、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)。
12. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性纖維的製作方法，更包括：在將該超臨界流體發泡劑通入該飽和槽之後，升高該飽和槽中的溫度至一設定溫度。
13. 如申請專利範圍第12項所述之多孔性纖維的製作方法，其中該設定溫度約為該高分子材料之玻璃(T_g )點以下之溫度。