专利名称：温度适应性纺织纤维及其制备方法发明领域本发明涉及一种纤维组合物，所述纤维组合物含有与相变材料混合并且包封在聚合物皮内的芯聚合物，从而使纤维在周围环境中温度变化过程中贮存或释放热量。相关技术描述应用贮存或释放热能的相变材料早已是已知的了。相变材料可以在固相和液相之间重复转换或热循环，从而在这种相转变过程中应用其熔融潜热吸收、贮存及释放热量。相变材料的熔融潜热大于其显热热容。例如在相变材料中，熔融吸收的能量或凝固释放的能量均要比使材料的温度升高或降低10℃时所吸收或释放的能量大得多。当熔融和凝固时，单位重量相变材料吸收和释放的能量明显要比在相同温度范围内加热或冷却显热贮存材料吸收和释放的能量更多。与在很宽温度范围内基本均匀吸收和释放能量的显热贮存材料相比，相变材料在其熔点/凝固点附近吸收和释放大量能量。其它具有高的热贮存和释放性能的有用材料通常称为塑性晶体材料。这些材料具有不经相变如固体至液体即可获得的热能。尽管为什么这种塑性晶体材料在相态改变之前具有这种热行为的准确原因还不清楚，但确信这种材料的热效果是由这些物质中构造和/或旋转无序造成的。不管怎样，已经发现塑性晶体材料如多元醇可以有效为纺织纤维提供热绝缘，正如可由美国专利US4,781,615中知道的(在这里全文作为参考引入)。相变材料和塑性晶体材料已经被用于多种用途中，包括为了使衣服保持在舒适温度下而将其结合到纺织纤维中。在这种纺织应用中，已经尝试将这种材料涂覆到纤维上；但这种方法不允许使用足够量的这种材料以在由纤维形成的衣服或其它制品中提供有效的热性能。其它人还尝试过将微胶囊化的相变材料用作纤维内的共混物的一部分。但微胶囊不具有结构整体性，不能耐受在纤维挤出过程中施加到胶囊化相变材料上的力。在Salyer的美国专利US5,885,475中公开了相变材料在纺织纤维上的一种具体应用。其中公开的内容作为参考全文引入本发明。在Salyer专利中，公开了一种包括纤维形成聚合物的纤维材料，所述纤维形成聚合物具有整体性引入整个聚合物中的相变材料。为了将相变材料结合到稳定凝胶中，还将二氧化硅引入到Salyer的纤维中，从而防止其在其熔点/凝固点进行相变时会渗出。但二氧化硅的加入并不能绝对确保相变材料熔融时纤维的整体性。相应地，现在仍然需要提供一种结合一定量相变材料或塑性晶体材料的纺织纤维，从而使该纤维具有有效的热绝缘性能，所述纤维可以很容易地通过挤出过程而生产，并且确保所述材料牢固地保持在所述纤维内部。发明概述因此，由于上述原因以及当完全描述本发明时变得很明显的其它原因，本发明的一个目的是提供一种在整个纤维内结合有足够量相变材料或塑性晶体材料的纺织纤维，所述纤维可以很容易地通过挤出方法而生产。本发明的另一目的是提供一种纤维，所述纤维将相变材料或塑性晶体材料固定在纤维内部，从而防止相变材料在熔点相变时渗出。本发明的进一步目的是提供一种纤维，所述纤维使相变材料或塑性晶体材料在纤维内的量达到最大，同时保持总的纤维强度，及通过挤出方法生产的能力。
本发明的另一目的是提供一种方法，所述方法用于生产含有一种或多种相变材料或塑性晶体材料的皮芯型和“天星状”纤维，从而进一步增强所述纤维的热绝缘性能。
本发明另一个目的是提供一种织物，所述织物是由本发明的含有一种或多种相变材料或塑性晶体材料的纤维制造的。
在本发明中通过提供一种纤维组合物来实现上述目的，其中所述纤维组合物含有芯聚合物和包封在聚合物皮中的相变材料或塑性晶体材料的共混物或混合物。本发明的芯和皮的聚合物可以是任何种类的聚合物，包括聚烯烃、聚酰胺、聚酯等，以及共聚物、三聚物及其共混物，但不局限于此。所述芯和皮的聚合物也可以是弹性体聚合物如聚氨酯。对于芯和皮两者来说，优选材料为聚乙烯、聚丙烯或其组合。任何相变材料或塑性晶体材料都可以应用，只要其熔点或热贮存/释放点在所希望温度，并且在与芯聚合物混合时仍保持所述熔点或热贮存/释放点即可，所希望温度优选在约-5℃至约121℃范围内。有用的且容易与本发明的芯聚合物混合的典型相变材料为长链链烷烃、聚氧化乙烯和聚乙二醇。可用于本发明的塑性晶体材料为多元醇。
本发明的纤维组合物能够通过熔融纺丝方法来生产，其中通过挤出熔融的聚合物材料形成纤维，从而从挤出机出来后芯聚合物和相变材料被包在外皮聚合物中。所述纤维组合物还可以应用溶液纺丝过程来生产。在本发明中形成的纤维可以是皮芯型或“天星状”类型，并且可以结合到各种形式的纺织品中。每种纤维均可以含有相变材料或塑性晶体材料的共混物以增强纤维的热性能。另外可以生产包含具有不同相变材料或塑性晶体材料的本发明纤维的织物。
本发明的纤维组合物可以重复进行热循环、贮存和释放足够量的热量，从而使由这种纤维形成的织物在很长时期内具有增强了的热性能。按照本发明所形成的纤维还保持内部材料的完整包封，从而当其热循环时，防止相变材料或塑性晶体材料的渗出或泄露。
附图的简要描述

图1是用于形成本发明的一种典型的纺丝粘合网形成设备的示意性侧视图。
图2是本发明的皮芯型纤维的包括横截面视图的剖视图。
图3是本发明的天星状纤维的包括横截面视图的剖视图。
优选实施方案的详细描述本发明涉及一种具有内部聚合物组分的聚合物纤维，所述内部聚合物组分包括与热稳定性材料混合的第一聚合物纤维组合物，以及包围该混合物并且形成纤维外部或皮的第二聚合物纤维组合物。术语“热稳定性材料”在这里定义为包括本发明中应用的相变材料以及塑性晶体材料。纤维可以是皮芯型结构，其中与热稳定性材料混合的第一聚合物形成芯，而第二聚合物形成纤维的皮。另外纤维也可以是“天星状”结构，其中多种第一聚合物与热稳定性材料的混合物充分延伸纤维的长度，并且相互之间分离且被第二聚合物包围，从而在第二聚合物的“天”中形成“星”。
第一和第二聚合物每一种均可以是用于生产纺织纤维的任何常规材料。这种纤维材料的例子为聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯、聚酰胺如尼龙、聚酯等，以及共聚物、三聚物及其共混物。第一和第二聚合物也可以是弹性体聚合物如聚氨酯。优选地，第一和第二聚合物为聚乙烯、聚丙烯或其混合物。
可用于本发明的相变材料包括在所希望的温度范围内进行相变并且其熔融潜热大于其显热热容的任何材料。任何在所希望的温度范围内具有热量贮存或释放性能的塑性晶体材料也可以用于本发明。优选地，热稳定性材料与第二或皮聚合物是兼容的或不反应的。所述热稳定性材料可以与第一聚合物反应或不反应。在任何一种情况下，这种材料优选在与第一聚合物混合后在所希望的温度下保持其相变或热量贮存/释放性能。用于本发明的相变材料的相变温度范围为约-5℃至约125℃。类似地，本发明的塑性晶体材料将在相同的温度范围内贮存或释放热量。在许多服装用途中，优选的相变材料或塑性晶体材料将在约22℃至约28℃进行相变或具有热量贮存/释放性能。
具体相变材料的选择将取决于所希望的相变温度和纤维的具体用途。例如对于其中相关纤维被结合到织物例如衣服的应用中，其中所述衣服的设计是为了在气候轻微变化过程中为使用者保持舒适的温度，此时熔点接近室温的相变材料是人们所希望的。在本领域中早就公知的特别有用的相变材料为长的直链链烷烃，通常在C10-C44个碳原子的范围内。碳链的长度与材料的熔点有关。例如每个分子含有二十八个直链碳原子的n-二十八碳烷，其熔点为61.4℃。与之相比，每个分子含有十三个直链碳原子的n-十三烷，其熔点为-5.5℃。每个分子含有十八个直链碳原子的n-十八烷在大多数服装用途中是特别希望的，因为它的熔点为28.2℃。
其它有用的相变材料为聚乙二醇，其中其熔点可以通过改变二醇的分子量而变化。分子量范围为570-630(Carbowax 600)的聚乙二醇的熔点为20-25℃，这使得它可以用于大多数服装用途中。可以用于其它温度范围的其它聚乙二醇为Carbowax 400(熔点为4-8℃)、Carbowax1500(熔点为44-48℃)以及Carbowax 6000(熔点为56-63℃)。可以用于本发明的其它相变材料为聚氧化乙烯(熔点范围为60-65℃)。
用于本发明的有效的塑性晶体材料为多元醇。优选的多元醇为季戊四醇、2，2-二甲基-1，3-丙二醇、2-羟基甲基-2-甲基-1，3-丙二醇，或氨基醇如2-氨基-2-甲基-1，3丙二醇。
热稳定性材料可以在本发明的单一或多种纤维中单独或组合应用。一种或多种热稳定性材料的选择将取决于包含这种材料的纤维所形成的织物的打算用途，以及所选择材料在重复的热循环后保持其热量贮存和释放性能的能力。整个范围的皮芯型和“天星状”纤维对本发明来说均是可能的。例如一种皮芯型纤维的实施方案可以由包含在聚合物皮内的单一热稳定性材料和芯聚合物的芯混合物组成。在另一种实施方案中，芯聚合物可以包含与芯材料混合的两种或多种不同的热稳定性材料。根据所选择的热稳定性材料及它们相互之间的反应性，在纤维芯内组合两种或多种热稳定性材料将会使纤维和由此纤维制成的织物具有增强了的热能贮存和释放性能。例如如果相变材料相互之间是不反应的，则在纤维芯内两种不同相变材料的混合物可能会造成纤维具有两个不同的相变温度点。另外如果相变材料反应，则造成改性的相变过程，而该相变过程可以用于一定的用途中。
含有不同热稳定性材料共混物的纤维可以用于多种用途中，其中可能希望织物在两个或多个不同的温度范围内具有增强了的热绝缘性能。例如用于生产手套的织物可能由本发明的含有相变材料A和B的纤维组成，其中相变材料A的熔点为约5℃，而相变材料B的熔点为约75℃。这些相变材料在形成手套的皮芯型纤维的芯中组合会使手套在冷的环境中(例如冬季条件下的室外应用中)以及温暖环境中(例如当处理加热物体如烤箱盘时)具有增强了的热绝缘性能。
另外织物可以由多种皮芯型纤维来制造，其中两种或多种纤维在它们的芯中包含不同的热稳定性材料。例如织物可以由一定百分比的含第一热稳定性材料的皮芯型纤维及剩余百分比的含第二热稳定性材料的皮芯型纤维组成。另外，本发明的“天星状”纤维可以在同一纤维内部包括一个或多个与其它“星”相比包含一种或多种不同热稳定性材料的“星”。应用一种或多种热稳定性材料的大量不同纤维的组合按照本发明可能使织物具有宽范围的增强的热绝缘性能。
在本发明的纤维中提供“星”或芯聚合物是必须的，因为这些聚合物在纤维形成时用作热稳定性材料的载体。没有这些“星”或芯聚合物的加入，在一个典型的纤维挤出设备中在纤维处理步骤中热稳定性材料可能不能靠其自身来保持芯的整体性。另外在不加入内部聚合物提供载体的情况下，所形成的纤维在用于生产织物时可能会弱得多并且不够有效。
相反，向本发明的纤维提供足够量的热稳定性材料是希望的，其目的是为了使这种纤维的热能贮存和释放性能达到最大，并且使由多种这类纤维形成的织物的增强的绝缘效果达到最大。根据用于形成纤维的具体材料，芯或“星”聚合物的量可以相对于皮聚合物而增加，从而增加可以载带在纤维内的热稳定性材料的量，同时保持纤维强度的阈值。本发明人已经确定在芯或“星”混合物内应用至多约50％重量比的热稳定性材料，及在在整个纤维中至多约50％重量比的芯或“星”混合物，可以为所形成的纤维提供有效的热绝缘和强度性能。应用这种重量比使纤维具有至多约25wt％的热稳定性材料。
本发明的纤维可以应用熔融纺丝方法或溶液纺丝过程(湿法或干法)来生产。在每种方法中，通过喷丝头中的多个细孔挤出形成纤维的材料以形成出现在小孔处的细丝从而形成纤维。术语“喷丝头”指挤出设备的一部分，它输送聚合物和相变材料和/或塑性晶体材料通过挤出孔进入环境中。典型的喷丝头在每米喷丝头长度上可以含有1000-5000个孔。所述喷丝头可以通过钻孔或蚀刻板或任何其它能够流出所需要的纤维物流的结构来实现。在熔融纺丝过程中，输送到孔的聚合物材料处于一种粘稠的熔融状态。所述热稳定性材料在聚合物熔融温度下通常为液体。在通过喷丝头孔之前，将热稳定性材料与第一聚合物混合从而形成皮芯型纤维的芯或者“天星状”纤维的“星”。所述混合会造成部分热稳定性材料在整个第一聚合物中分散和微胶囊化。在第一聚合物内没有完全胶囊化的部分热稳定性材料在从喷丝头处出现时仍将包含在第二聚合物内，从而有效包封在所形成的纤维内。
在溶液纺丝过程中，纤维的聚合性材料在通过喷丝头孔之前被溶解在溶剂中。在湿法纺丝过程中，将喷丝头浸没在化学浴中，从而当从喷丝头出来时，聚合物材料从溶液中沉积出来并形成固体纤维。在干法纺丝过程中，聚合物材料在空气中从喷丝头流出，并且由于溶剂(例如丙酮)溶解于空气中而固化。因为溶液纺丝过程是本领域公知的并且能够生产皮芯型及“天星状”纤维，因此这种过程也可以用于形成本发明的纤维。
从喷丝头流出后，所挤出的纤维通常用导丝盘和/或吸丝器拉伸或延伸。例如在熔融纺丝过程中从喷丝头流出的挤出纤维形成一种垂直定向的向下移动的纤维幕，所述纤维在进入位于喷丝头下方的长的槽状空气吸丝器之前至少部分被骤冷。所述吸丝器引导由一个或多个空气吸气射流的压缩空气所产生的迅速向下移动的空气流。所述空气流在纤维上产生拉伸力，使它们在喷丝头和空气射流之间被拉伸，从而将纤维拉细。在本发明纤维的这部分纺丝过程中，皮和芯或“星”聚合物进行固化。虽然在此时由于出现纤维的温度热稳定性材料可以是液体或只是部分被固化，但是因为这种材料被有效包封在聚合物皮以及在第一聚合物内所形成的微胶囊中，而基本防止了其由纤维渗出或泄露。
本发明的纤维可以应用于本领域已知的形成各种类型的纺织或无纺织物的任何纤维用途中。例如拉伸后的纤维可以缠绕在线轴或其它缠绕机构上，以利用任意常规编织或纺织技术形成纺织织物。另外可以将纤维随机放置在形成表面如移动的传输漏底带(例如Fourdrinier丝)上，以形成连续的无纺纤维网。然后用几种已知技术的一种粘结这种网，以形成用于生产各种纺织产品的稳定的无纺织物。常用的粘结方法包括从移动的漏底带上提起所述网并使其通过两个加热的轧光辊。通常一个辊是压花的，使所述网在多个点上粘结。空气梳理或纺丝粘合网也可以由这种聚合物纤维形成。人造短纤维也可以在实施本发明的过程中生产，其中所述纤维在形成网之前被切成短纤维。应用人造短纤维的一个潜在优点是可以形成更加均质的织物，这是因为人造短纤维在网中可以比连续纤维更随机地定向。
图1示意性描述了用于生产皮芯型或“天星状”纤维的装置10，其中所述纤维按照本发明的一种示例性实施方案结合了一种或多种热稳定性材料。所述设备进一步使纤维经过纺丝粘合过程，从而生产具有所选择的热绝缘性能的无纺织物。术语“纺丝粘合”指由薄的熔融纺丝聚合物纤维或细丝的阵列形成无纺织物或网的过程，所述细丝由喷丝头的孔挤出熔融聚合物而产生。
图1中的设备包括用于挤出和形成纤维的喷丝组件28。这里所应用的术语“喷丝组件”指处理熔融聚合物以产生挤出的聚合物物流的设备，包括最后的聚合物过滤、分配系统和喷丝头。适合于形成皮芯型、“天星状”和其它多组分纤维结构的喷丝组件在本领域中是公知的。例如在美国专利US5,162,074中公开了一种这样的喷丝组件，其公开内容全文作为参考引入本发明中。这种喷丝组件主要提供两个或多个聚合物流路，所述聚合物形成由喷丝头孔流出的细丝，而所述细丝包括被聚合物皮包围的芯或“星”聚合物。
设备10包括漏斗12和14，这些漏斗接收两种不同聚合物即皮聚合物A和芯或“星”聚合物B的小球。这两种聚合物分别由漏斗12和14加入到螺杆挤出机16和18中，并且当它们在朝着加热管20和22输送的过程中被熔融。热稳定性材料C可以在喷丝头30处遇到聚合物A之前沿设备10的任何点加入并与聚合物B混合。在图1中给出了一些例子，这些例子给出了在设备10中向聚合物B中加入材料C的不同点。例如材料C可以以固体或液体形式在位置13加入到漏斗14中，或在螺杆挤出机18中的位置19处加入。另外材料C也可以在喷丝组件28中的位置27处加入。
热稳定性材料与芯聚合物材料的混合可以按静态或动态过程来完成。动态混合可以通过任何有效混合各组分的机械装置如螺杆挤出机18来进行。例如当相变材料被加入到漏斗14或螺杆挤出机18时，随着物流在挤出机18内朝加热管22移动发生动态混合。将聚合物B和材料C加热到聚合物B的熔点温度后，两种组分可以有效混合。
与动态混合器相比，静态混合不用任何机械搅拌或混合装置。而是通过使至少两个处于熔融或液体状态的不同材料的输送物流穿过通道足够次数，使每种材料在至少一个物流中达到所希望的分散来进行混合的。在形成含有两种或多种混合聚合物的挤出纤维时所应用的静态混合器在本领域中是公知的。在美国专利US5,851,562中公开了这种静态混合器的一个例子，该专利在这里作为参考全文引用。静态混合可以在喷丝组件28内进行，或在喷丝头处与皮聚合物混合之前在设备内的任何其它点进行。例如在设备10中，热稳定性材料C可以在位置21处加入并在加热管22内在输送过程中与聚合物B静态混合。
根据所选择的热稳定性材料及其在混合过程中相应的熔融温度，所述热稳定性材料可以具有与芯或“星”聚合物明显不同的粘度。例如在聚合物的熔融温度下，芯或“星”聚合物可以是非常粘稠的熔融状态，而热稳定性材料可以处于弱粘性的液体状态。混合后热稳定性材料可以均匀分散在芯或“星”聚合物中或不能均匀分散在芯或“星”聚合物中。不管分散程度如何，所形成的纤维仍具有有效的热量贮存和释放性能，前提是有足够量的热稳定性材料被包封在纤维中。
熔融聚合物分别流过加热管20和22进入计量泵24和26中。所述泵将两股聚合物物流加入到喷丝组件28中，所述喷丝组件具有能够形成皮芯型或“天星状”纤维结构的适当内件。在图1的设备中，喷丝组件28包括带有孔32的喷丝头30，所述孔使通过其挤出的皮芯型纤维成形。皮芯型纤维34的一个阵列从喷丝头30流出，并通过吸丝器36被向下拉并被拉细，所述吸丝器由来自管子38的压缩空气或蒸汽进料。吸丝器可以是例如枪式或槽式，沿着纤维阵列的整个宽度延伸，即沿着与纤维形成的网的宽度对应的方向延伸。
吸丝器36将拉细纤维40输送到形成网的漏底带42上，而所述漏底带由辊44、46和50支撑并驱动。吸入箱48与一个风扇(未画出)相连从而推动环境空气通过漏底带42并使纤维40在漏底带42上形成无纺网。然后可以将所形成的无纺网进一步处理以形成所希望的织物、衣服或其它纺织产品，其中这些产品均被赋予本发明组合纤维的热性能。
图2描述了能够利用图1设备生产的本发明的典型皮芯型纤维100的横截面视图。纤维100含有在纤维1的全部芯聚合物120中分散的相变材料。皮110包围纤维100的周边，从而防止当在液相和固相之间进行热循环时相变材料部分从纤维中逸出。部分130表示位于芯聚合物120和皮聚合物110之间的这种相变材料的一个部分。芯聚合物120包围或包封一些相变材料部分，例如位于纤维100的芯内部的部分140，从而防止这些部分从纤维中逸出。
图3描述了也能利用图1设备生产的本发明的典型“天星状”纤维200的横截面视图。纤维200的皮或“天”210包围“星”220、230、240和250。四个“星”仅作为描述目的给出，并且根据纤维的具体用途，本发明的“天星状”纤维可以包含更多或更少的“星”。“星”220、230、240和250分别含有“星”聚合物222、232、242和252。热稳定性材料部分如那些结合在它们各自的“星”内或者在“星”和“天”之间的。纤维200含有两种不同类型的热稳定性材料。“星”220和250含有相同的热稳定性材料，如部分260所表示的，而“星”230和240含有相同的热稳定性材料，如部分270所表示的。包封在部分270内的热稳定性材料与包封在部分260内的热稳定性材料不同。
已经描述了本发明的新的并且改进了的纤维的优选实施方案及其制备方法，确信对本领域熟练技术人员来说，在这里所阐述的教导的基础上，将会建议其它改进、变化及改变。因此应该理解的是，所有这些变化、改进和改变均应认为落在所附权利要求所定义的本发明范围内。尽管这里采用了具体的术语，但它们仅为一般性和描述性应用而非限制性的。


提供一种具有增强的热量贮存和释放性能的纤维。所述纤维包括第一聚合物和被第二聚合物包围的热稳定性材料的混合物，其中第二聚合物形成纤维皮。热稳定性材料可以是至少一种相变和/或塑性晶体材料。在纤维形成过程中第一聚合物用作热稳定性材料的载体，第一和第二聚合物将热稳定性材料有效包封在纤维内，从而防止其泄露。所述纤维可以是皮芯型或“天星状”型，由这类纤维制造的织物在所希望的温度范围内具有增强的绝缘性能。同时公开了制备所述纤维及由各类纤维形成的织物的方法。