专利名称：由增强聚丙烯制成的纺织纤维的制作方法 纺织纤维包括能制成各种织物的多种纤维。例如，纺织纤维可包括纺粘纤维和短纤维，并可集合成多纤维纱线、针织品、织造布和非织造布等。小的纤维尺寸和高的拉伸强度是纺织纤维的可心性能。在制造典型的聚丙烯纺织纤维过程中产生的普遍问题是通常称为“roping”的现象。roping发生在共聚物/聚丙烯共混物的共混工艺过程中，其中该共混物具有熔体弹性。更具体地说，roping是指在纺丝组件下面纺出的丝弹回组件而造成的纤维断裂，从而缠结额外的纤维。聚丙烯纺织纤维不仅难以制造，而且这种纤维本身也难以加工。因此通常在聚丙烯中加入抗冲击改性剂以提供增加的韧性和抗冲击强度。但是，这种抗冲击改性剂通常会使纤维的拉伸强度降低。纺织纤维工业中需要或希望有具有高拉伸强度的纤维。也需要或希望有容易制造的纺织纤维。
本发明涉及由增强的聚丙烯制成的纺织纤维。聚丙烯是用一种抗冲击改性剂增强的。适用的抗冲击改性剂的例子包括乙烯-丙烯-二烯-单体(EPDM)、苯乙烯/乙烯-共聚-丁二烯/苯乙烯(SEBS)和苯乙烯-聚(乙烯-丙烯)-苯乙烯-聚(乙烯-丙烯)(SEPSEP)。当这些改性剂的存在量占组合物的约1-10wt％时，这些改性剂是有效的。这样制得的纤维与单独由聚丙烯制得的纤维相比具有较高的强度和断裂伸长。与其它聚丙烯/抗冲击改性剂共混物相比，本发明的纤维没有熔体弹性，从而避免了制造过程中产生的任何“roping”。本发明中使用的抗冲击改性剂产生一种增塑效果，使聚丙烯链更容易滑动。本发明纤维的另一个贡献是由于另入抗冲击改性剂而产生的织物柔软性提高。牢记上述内容，本发明的一个特点和优点是提供具有高拉伸强度的纺织纤维。
本发明的另一个特点和优点是提供容易制造的纺织纤维。


图1是制造包含聚丙烯和抗冲击改性剂的纺织纤维的机械拉伸工艺的说明。
图2是制造包含聚丙烯和抗冲击改性剂的纺织纤维的气流拉伸工艺的说明。
图3是本发明工艺的空气骤冷、直接拉丝结构的说明。
图4是本发明工艺的空气骤冷、拉丝卷绕结构的说明。
图5是本发明工艺的水骤冷、直接拉丝结构的说明。
图6是本发明工艺的水骤冷、拉丝卷绕结构的说明。
定义在本说明书的上下文中，各术语或短语包含下述含义。
“弹性体”是指能被拉伸其松弛长度的至少50％，且在所施加的力释放时能回复其伸长的至少40％的材料或复合材料。通常优选的是，该弹性材料或复合材料必须能被拉伸其松弛长度的至少100％，更优选至少300％，且在所施加的力释放时能回复其伸长的至少50％。
“熔喷纤维”是指通过下述方法形成的纤维即，将熔融热塑性材料通过许多细小的，通常是圆形的模头毛细孔挤出成熔融的线长或丝进入到会聚高速热气(例如空气)流中，该热气流会使熔融热塑性材料的丝变细，以减小其直径，使之可达到微纤维直径。然后，该熔喷纤维由高速气流载带并沉积在收集表面上形成无规分散的熔喷纤维网。这种工艺可参见例如Butin等人的美国专利3,849,241。熔喷纤维是微纤维，可以是连续的或不连续的，通常小于约0.6旦，且当沉积在收集表面上时通常能自粘结。本发明中所用的熔喷纤维优选基本上在长度方向上是连续的。
“聚合物”包括，但不限于均聚物，共聚物，例如嵌段、接枝、无规及交替共聚物，三元共聚物等，及其共混物和改性物。此外，除非另有具体限制，否则术语“聚合物”将包括这些材料的所有可能几何构型。这些构型包括，但不限于全同立构、间同立构和无规立构对称。
“纺粘纤维”是指由下述方法形成的小直径纤维即，将熔融热塑性材料以长丝形式从喷丝板的具有圆形或其它构型许多细毛细孔挤同，然后挤出的长丝的直径通过例如下列专利所述的方法迅速减小Appel等人的US专利4,340,563、Dorschner等人的US专利3,692,618、Matsuki等人的US专利3,802,817、Kinney的US专利3,338,992和3,341,394、Hartmann的US专利3,502,763、Petersen的US专利3,502,538和Dobo的US专利3,542,615，所有这些专利都全文并入本文作为参考。纺粘纤维经骤冷后当沉积在收集表面上时通常不发粘。纺粘纤维通常是连续的，其平均旦数通常大于约0.3，更具体说，在0.6～10之间。
“热塑性材料”是指当曝露于热时会软化，而当冷却到室温时则基本上会回到不软化状态的材料。
在本说明书的其余部分中这些术语可用附加的语言定义。

本发明的纺织纤维包括增强的聚丙烯。“聚丙烯”是指丙烯均聚物以及含最多10wt％乙烯或C4-C20α-烯烃共聚单体的共聚物。聚丙烯是用一种抗冲击改性剂增强的。抗冲击改性剂占复合纤维的约1-25wt％，优选约2-15wt％，更优选约3-10wt％。
如这里所使用的，术语“抗冲击改性剂”是指具有弹性体性能的合成材料。抗冲击改性剂与聚丙烯部分相容。更具体地说，抗冲击改性剂在丙烯中分散得极好，不会溶解。适用的抗冲击改性剂的例子包括乙烯-丙烯-二烯-单体(EPDM)、苯乙烯/乙烯-共聚-丁二烯/苯乙烯(SEBS)和苯乙烯-聚(乙烯-丙烯)-苯乙烯-聚(乙烯-丙烯)(SEPSEP)。其它例子包括二嵌段、三嵌段、四嵌段或其它多嵌段弹性体共聚物如烯烃共聚物，包括苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯或苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯，这些材料可从壳牌化学公司得到，商品名为KRATON?弹性体树脂；聚氨酯，包括可从杜邦公司以商品名LYCRA?聚氨酯得到的产物；聚酰胺，包括聚醚嵌段酰胺，可从阿托化学公司得到，其商品名为PEBAX?聚醚嵌段酰胺；聚酯，如可从杜邦公司以商品名HYTREL?聚酯；用单位点或金属茂催化剂制备的密度小于约0.89g/cc的聚烯烃，可从道化学公司以商品名AFFINITY?购得；和乙烯/苯乙烯，也可从道化学公司得到。
许多嵌段共聚物可用来制备可用于本发明的抗冲击改性剂。这种嵌段共聚物通常包含一种弹性中间嵌段B和一种热塑性端部嵌段部分A。从这种嵌段共聚物可以熔融、成形并重新固化若干次，而其物理性能变化极小或根本没有变化(假设氧化降解最小)的意义上看，它也可以是热塑性的。
端部嵌段部分A可以包含聚乙烯基芳烃，如聚苯乙烯。中间嵌段部分B可以包含实质上无定形的聚烯烃，如聚异戊二烯、乙烯/丙烯聚合物、乙烯/丁烯聚合物、聚丁二烯等，或其混合物。
适用于本发明的嵌段共聚物包括至少2种基本上是聚苯乙烯的端部嵌段部分和至少一种基本上是乙烯/丁烯的中间嵌段部分。这种线型嵌段共聚物的可市购的例子包括可从壳牌化学公司得到的SEBS嵌段共聚物，其商品名为KRATON?G1657、G1652和G2760弹性体树脂。据报告，KRATON?G1657弹性体树脂的典型性能包括拉伸强度为3400磅/平方英寸(2×106kg/m2)、300％模量为350磅/平方英寸(1.4×105kg/m2)和断裂伸长为750％，肖氏硬度为65，以及在室温下25wt％浓度的甲苯溶液的布氏粘度为4200厘泊。另一种合适的弹性体KRATON?G2746是与增粘剂和低密度聚乙烯共混的苯乙烯丁二烯嵌段共聚物。
可采用任何合适的工艺，包括目前用于形成聚丙烯纤维的各种工艺将聚丙烯与抗冲击改性剂共混。例如，Everhard等人的US专利5,534,335描述了一种从热塑性聚合物如聚丙烯制造纤维的工艺，该专利的公开内容并入本文作为参考。在该工艺中，纤维是用本技术中众所周知的熔喷或纺粘工艺生产的。这些工艺通常用一台挤出机将熔融聚合物供给喷丝板或熔喷模头，在此聚合物被制成纤维。然后将该纤维进行拉伸，通常是气流拉伸，并使其沉积在有许多小孔的毡或带上以形成例如非织造布。用纺粘和熔喷工艺生产的纤维其直径通常在约1～约50微米范围内，取决于工艺条件和要由这种纤维生产的织物所要求的最终用途。
参见图1和2，由增强聚丙烯生产纺织纤维的一个例示性设备通常用参考号数10表示。在本发明纤维的成形过程中，纤维既可以机械拉伸(图1)，也可以气流拉伸(图2)。气流拉伸法解释如下。
首先，在图1说明的机械拉伸法中，精确称取聚合物切片，并将其进行干混，从而确保喂入拉出机14的物料是均匀混合物。挤出机14被加热至180℃，当挤出机14中各区的温度都达到180℃时，让其浸润10分钟，以确保前次试验的挤出机14和喷丝头16内所含的全部聚合物完全熔融。挤出机14用聚丙烯清洗，转速为约32RPM，以清除前次试余留下的任何聚合物。在加入干混共混物之前，往挤出机14中加入示踪切片。在示踪切片加入后立即将干混聚合物进行配混。当示踪切片的颜色出现并从挤出物20中退色时，再加入额外的示踪切片。当第二次加入的示踪切片退色时就可以假定挤出物20是所需的组合物。在配混过程中，挤出机的RPM维持在约32RPM。在采用重进料的场合，进料漏斗要保持足量的聚合物，以便保持恒定的进料速率，如由进料物料的尺寸所决定的。
一旦聚合物切片共混后，就可生产纤维。首先，将马达速度调至约5RPM。使挤出物20骤冷，并按所需构型成丝，然后连在卷绕辊22上。此时，关掉挤出机14，并从喷丝头16连续拉出纤维。为了生产所需尺寸的纤维，从卷绕辊22将纤维切断，并用配备有目镜刻度线的显微镜测量。根据经验调整卷取速度以便生产出所需尺寸的纤维。一旦确定了正确的速度，就可按2分钟的间隔生产纤维。在各个间隔之间，挤出机14以约32RPM的转速运行约2分钟，以确保生产出的纤维随收集时间没有明显的相分离。有4个工艺条件可用来赋予纤维的改变性能，包括2种骤冷方式和2种拉丝条件的组合。图3-6中给出了这4种加工条件的示意图。
在该研究工作中采用了2种类型的骤冷方法，即空气骤冷(图3和4)和水骤冷(图5和6)。空气骤冷是纤维30在空气中不借助任何流体物流而进行骤冷的一种工艺。纤维30是在常温空气中骤冷的。水骤冷是通过使纤维30通过水浴24进行拉丝而达到的。水骤冷工艺的骤冷速度比空气骤冷要快得多，这是由于水中所存在的热能流量较大之故。
在该研究工作中采用了2种类型的拉丝条件，即直接拉丝系统26(图3和5)和拉丝卷绕系统28(图4和6)。在直接拉丝系统26中，纤维30从挤出机喷丝头32被拉出，通过所使用的任何一种骤冷介质，直接卷绕在绕丝辊34上，该辊提供了保持所需纤维直径所需转速RPM。在拉丝卷绕系统28中，纤维30再次从挤出机喷丝头32拉出，通过骤冷介质。此时纤维30在卷取装置中绕着若干个支持辊36进行拉丝，然后再卷绕在绕丝辊34上。
在图2说明的气流拉伸方法中，要共混的物料38按所需求的比例进行干混。物料38被加入到维持在约20磅/小时的具有可变进料速率控制的料斗40中。可以使用的合适的挤出机42的一个例子是长径比为40∶1、转速为200RPM的27mm同向旋转双螺杆挤出机，在210℃时具有平衡的温度分布。通气孔44可用来除去挥发性气体。
配混之后，熔融共混的物料46被输送到具有多孔50的板48上，通过该板孔拉出纤维52。板48或“纺丝组件”及周围物料维持在约210-250℃之间的所需温度范围。适用的纺丝组件的一个例子包括具有310个孔、孔密度为50孔/平方英寸的纺丝组件。孔的直径优选为0.6英寸，且长径比为约6∶1。纤维52可用一台纤维拉伸机(FDU)54用压力为2-20psi的高速空气进行拉伸。纺丝组件48与FDU54之间的长度可为约48英寸。在纺丝长度的上部可用骤冷箱56以0-280英尺/分钟的速率使聚合物更快地冷却下来。
如下面实施例所示，由于抗冲击改性剂和聚丙烯组合的结果，所得到纺织纤维与聚丙烯均聚物纤维相比，在同样的生产率水平条件下具有改善的织物柔软性、提高的强度和/或断裂伸长。
实施例从Escorene 3155聚丙烯(得自埃克森公司)制备稳定化的纺织纤维。第二组稳定化纺织纤维从3％Buna 2070 EPDM(得自拜尔公司)与97％Escorene 3155聚丙烯的共混物制备。将EPDM与聚丙烯共混，并用上述图1所示的优选工艺进行拉伸。尽管对本发明纤维的生产率或温度没有明显的限制，但是这2组纤维在230-250℃的温度范围内在0.4克/孔/分钟-0.6克/孔/分钟之间成功地被拉伸。在该纤维拉伸机中所用的拉伸压力允许纤维以高达15psi及以上的压力被拉伸。其它具体规定包括使用孔密度为128孔/英寸、孔径为0.6mm的310孔纺丝组件。这2组纤维都在改变温度拉伸压力和骤冷条件下进行了拉伸强度、断裂伸长和直径的测试。这些实验的数据列于下表1中。
表1聚丙烯纤维与共混了EPDM的聚丙烯纤维的比较

从表1可以看出，在测试的整个变量范围内观察到复合EPDM/PP纤维强度平均增加19％，尺寸减小6％。包含3％Buna的聚丙烯与聚丙烯均聚物在相同加工条件下各处理的比较显示强度增加多达63％，断裂伸长提高32％，尺寸减小35％。此外，在某些处理组合中可以同时改善所有这3个响应。
如表2所示，制备了更多的Escorene 3155聚丙烯和聚丙烯与Buna2070 EPDM组合的纤维，并在各种条件下进行了测试。表2包括了显示聚丙烯纤维与共混纤维之间的差别的数据。按照下述程度得到压杯试验(cup crush)载荷数据与压杯试验能量数据。按照ASTM D1388的试验程度得到悬垂数据。按照ASTM D1424-83的试验程度得到Elmendorf(埃尔门多夫)撕裂强度数据。旦数数据是通过测量纤维直径并计算其截面积，然后用纤维密度，计算出以克/9000码纤维表示的质量而得到的。Trap撕裂强度数据按照ASTM D1117-14所述程度测得。Grab(抓样强度)数据按照ASTM D5034-90所述程序测得。
表2聚丙烯纤维与共混了EPDM的聚丙烯纤维的比较


表2中所示四种纺织纤维中的每一种也都按照ASTM D3822的程序在横向(CD)和纵向(MD)进行了拉伸强度测试。CD方向各伸长点的拉伸强度示于表3，MD方向各种长点的拉伸强度示于表4。
表3聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的CD方向拉伸强度与伸长率的关系(磅/盎司)

表4聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的MD方向拉伸强度与伸长率的关系(磅/盎司)

除了表2所示数据以外，表5中还列出了用上述同样程序测得的在各种EPDM含量和各种熔体温度时的压杯试验能量数据。
表5聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的压杯试验能量数据

除了表2所示数据以外，表6中还列出了用上述同样程序测得的在各种EPDM含量和各种熔体温度时的压杯试验载荷数据。
表6聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的压杯试验载荷数据

除了表2所示数据以外，表7(MD)和表8(CD)还列出了用上述同样程序测得的在各种EPDM含量和各种熔体温度时的Elmendorf撕裂强度数据。
表7聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的MD Elmendorf撕裂强度数据

表8聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的CD Elmendorf撕裂强度数据

除了表2所示数据以外，表9(CD)和表10(MD)还列出了用上述同样程序测得的在各种EPDM含量和各种熔体温度时的Trap撕裂强度数据。
表9聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的CD Trap撕裂强度数据

表10聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的MD Trap撕裂强度数据

除了表2所示数据以外，表11(CD)和表12(MD)还列出了用上述同样程序测得的在各种EPDM含量和各种熔体温度时的Grap载荷数据。
表11聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的CD Grap载荷数据

表12聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的MD Grap载荷数据

除了表2所示数据以外，表13(CD)和表14(MD)还列出了用上述同样程序测得的在各种EPDM含量和各种熔体温度时的Grab应力数据。
表13聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的CD Grab应力数据

表14聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的MD Grab应力数据

除了表2所示数据以外，表15(CD)和表16(MD)还列出了用上述同样程序测得的在各种EPDM含量和各种熔体温度时的Grab能量数据。
表15聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的CD Grab能量数据

表16聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的MD Grab能量数据

除了表2所示数据以外，表17还列出了用上述同样程序测得的在各种EPDM含量和各种熔体温度时的旦数数据。
表17聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的旦数数据

相对于先前试验过其它共聚物/聚丙烯共混物而言，这种特殊的共混物的加工性非常好，因为在EPDM/PP纤维中熔体没有弹性。熔体弹性的存在会导致产生通常称为“roping”的现象，其中纺丝组件下面弹回到组件的纤维断裂，从而缠绕额外的纤维。不产生“roping”现象就可以在现有的设备上加工EPDM/PP纤维。EPDM/PP纤维达到塑化效果，使聚丙烯链更容易滑动。结果是一种更高的取向结构，这种结构阻碍了对分子水平链缠结的动力学驱动力。
从Escorene 3155聚丙烯，以及从KRATON?2760与Escorene 3155聚丙烯共混组合物制备了额外的纺织纤维。有上述图1的优选工艺将KRATON?2760与聚丙烯混合。在230-250℃的温度范围和0.4-0.6g/孔/分钟的通过量成功地对聚丙烯纤维和混纺纤维进行了拉伸，然而对于本发明的纤维而言，对通过量和温度并无严格的限制。纤维拉伸装置中所用的拉伸压力允许纤维在达到并超过15psi的压力下被拉伸。其它规定包括使用孔径为0.6mm、孔密度为128孔/英寸的310孔组件。按照上述试验程序，对各种纤维的撕裂强度、峰值载荷、能量和应力进行了测试。被试验的纤维的组合物列于表18。试验数据列于表19。
表18被试验的聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的组成

表19聚丙烯纤维与共混了KRATON?2760的聚丙烯纤维之比较

除了表19中所示数据以外，表20中还列了用上述同样程序测得的在各种KRATON?2760含量和各种粘结温度时的Elmendorf撕裂强度数据。
表20聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的Elmendorf撕裂强度数据

除了表19中所示数据以外，表21(MD)和表22(CD)中还列了用上述同样程序测得的在各种KRATON?2760含量和各种粘结温度时的Grab拉伸数据。
表21聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的MD Grab拉伸数据

表22聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的CD Grab拉伸数据

除了表19中所示数据以外，表23(MD)和表24(CD)中还列出了用ASTM D5034-95的程度测得的在各种KRATON?2760含量和各种粘结温度时的Grab拉伸数据。
表23聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的MD Grab拉伸数据

表24聚丙烯纤维和共混的聚丙烯纤维的CD Grab拉伸数据

本发明的纺织纤维可以加入到一次性吸收用品中。适合的这种用品的例子包括尿布、训练短裤、妇女卫生用品、失禁用品、其它个人护理用品或保健服装，包括医用服装等。
压杯试验方法压杯试验用来测定材料的柔软性，由恒速延伸拉伸试验机得到的峰值载荷和能量决定。峰值载荷值越低，材料就越柔软。
本试验程序在受控环境中进行，其中温度为约73°F，相对温度为约50％。试样用一台购自在Cary.N.C.的Sintech公司的SintechSystem 2 Computer Integrated Testing System和购自在威斯康星州Neenah市的Kimber-Clark公司质量保障部的压杯试验支架进行测试，该试验支架包括一个型号11的架脚、一个型号31的钢环、一块底板、一套型号41的纸标组件和一套校准设备(calibration set)。
钢环放在成形圆筒上方，9英寸×9英寸(22.9cm×22.9cm)的试样绕在成形圆筒上。成形的杯子滑过该成形圆筒，直到试样在环绕钢环时自始至终夹紧在成形圆筒和钢环之间为止。成形的杯子放在载荷池的底板上部并使其牢固地靠在底板边沿上。架脚机械地降低到成形的杯子中，其十字头速度设定在400mm/分钟，将试样压破，同时在恒速延伸拉伸试验机上测得使试样破碎所需的峰值载荷(以克表示)和能量(以g-mm表示)。
应当理解的是，上述具体实施方案的细节只是用于说明的目的，而不应认为是对本发明范围的限制。虽然上面只详细叙述了本发明的一些例示性实施方案，但是本领域技术人员很容易理解，在这些例示性实施方案中可以有许多变换形式，而不会实质上背离本发明的新启发和优点。因此，所有这样的变换形式均应包括在本发明的范围内，本发明的范围由下面的权利要求及其所有等同物限定。此外，应当认识到的是，可以想像出许多达不到某些具体实施方案，尤其优选具体实施方案的全部优点的具体实施方案，然而这些没有特殊优点的方案也不能一概认为是在本发明的范围之外。


一种包含共混了抗冲击改性剂的聚丙烯的纺织纤维。该抗冲击改性剂的含量可低于该组合物重量的10％。适用的抗冲击改性剂的例子包括乙烯－丙烯－二烯－单体(EPDM)、苯乙烯/乙烯－共聚－丁二烯/苯乙烯(SEBS)和苯乙烯－聚(乙烯－丙烯)－苯乙烯－聚(乙烯－丙烯)(SEPSEP)。该纺织纤维可用来制造纺粘纤维、短纤维、多纤纤纱、针织织物、织造织物或非织造布。