制备高耐热聚合物纤维的方法技术

本申请公开了包含高耐热聚合物的纤维的制造方法的多种实施方案。制 造聚合物纤维的方法包括：挤出熔融温度在约180～500℃范围内的熔融聚合 物，使熔融聚合物穿过喷丝头的多个孔道来产生纤维束，以及使该纤维束与 冷却介质接触，所述冷却介质在横穿纤维束的宽度上具有基本上均匀流动分 布，并且所述冷却介质温度为约0～80℃。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总的涉及由高耐热聚合物制备纤维的方法。更具体地，本专利技术涉及由具有约180 50(TC的熔融温度的聚合物纺成纤维。
技术介绍
已发现高熔融温度的聚合物(例如具有可在范围约180 450。C的玻璃化 转变温度的聚酰亚胺聚合物)在多种应用中的效用，这是因为其在耐热性之 外还具有通常极端的物理性质。例如，聚醚酰亚胺(可以商标ULTEM得自 General Electric Company)具有高玻璃化转变温度，是延性的、阻燃的且产生 低量的烟，同时又具有优良的耐化学品性。已发现这些聚合物在用于挑战性 的物理环境如航空应用中的成形制品、片材和涂层的广泛用途。尽管高性能聚合物如聚醚酰亚胺的加工温度高，但是它们可制成纤维。 然而，它们要求较高的加工温度，所述较高的加工温度通常不用于加工其它 聚合物纤维。这些加工条件常常在制品的商业制造中产生预料不到和困难的 力口工问题。在制备聚合物纤维的常规体系中，将聚合物树脂在挤出机中挤出，并通 过含有多个孔道的喷丝头形成纤维束，使该纤维束冷却并牵引至绕丝轴或盘 管上。高性能聚合物如聚醚酰亚胺，要求较高的加工温度，所述较高的加工 温度通常不用于加工其它聚合物纤维。这些加工条件常常在制品和纤维的商 业制造中产生预料不到和困难的加工问题。此外，由具有高熔融温度或高玻 璃化转变温度的材料形成纤维通常生产输出速度低，这限制了这些材料在多 种产品应用中的成本效率。因此在本领域中持续需要发展用高耐热材料制备 纤维的方法。
技术实现思路
在一实施方案中， 一种制备聚合物纤维的方法包括熔融具有熔融温度 约180 45(TC的聚合物来制备熔融聚合物，使该熔融聚合物通过含有多个孔道的喷丝头形成纤维束，在纤维束从喷丝头出来时使该纤维束与冷却介质接 触，所述冷却介质在横穿纤维束的束宽上具有基本均匀的流动分布，其中该冷却介质的温度在约0 80。C范围内。在另一实施方案中，制备聚合物纤维的方法包括使冷却介质朝向纤维 束，流经冷却区，其与纤维束接触而冷却该纤维束，其中该冷却区的宽度大 于该纤维束的宽度至多约10%。在又一实施方案中，制备聚合物纤维的方法包括熔融具有熔融温度约 180 45(TC的聚合物来制备熔融聚合物，使该熔融聚合物通过含有多个孔道 的喷丝头形成纤维束，所述纤维束包含截面第一区和截面第二区，所述截面 第二区的纤维密度小于所述截面第一区的纤维密度。附图说明本专利技术的各种实施方案可参考下面附图进行理解。附图中的各组件不一 定是按比例的。在附图中，用同样的数字标号表示几个视图中的相应部分。图1为根据本专利技术的实施方案的纺丝装置的示意图。图2为根据本专利技术的实施方案，沿图1中纺丝装置的线2-2穿过喷丝头 下的纤维束所截取的截面视图。具体实施例方式根据本专利技术，术语旦尼尔是指丝和一些人造纤维如尼龙的细度单位，其等于1克每9000米纱线。对于本专利技术，术语聚合物意指包括低聚物、均聚物和共聚物。 对于本专利技术，术语聚醚酰亚胺是指含有包括醚和酰亚胺基团的单体单元的聚合物。醚基是本领域众所周知的，其由单键连于两个不同碳原子的氧原子组 成。二酰亚胺基团为具有两个双键的含氮酸。术语去除、除去的和进行除去均指从由纤维制成的聚合物除去外来颗粒物质。滤网是指用作过滤器的每单位面积具有特定孔数的金属编织网或纱 网。也可使用烧结的金属粉末或纤维。该滤网可包含方形织紋或者具有平行 斜紋(diagnol)的织紋(有时称为荷兰斜紋(Dutch Twill))。这些滤网通常按其8目数和开孔面积进行分类。过滤组合件(filter pack)或过滤网组合(screen pack)是用于过滤聚合 物的两层或更多层纱网或纱罗织物的组合。例如，过滤网组合件可由20目、 60目、100目、60目和20目的各纱网的组装制成(称为20/60/100/60/20)。外来颗粒物是指可负面影响本专利技术的纤维和/或制造纤维工艺的最佳 性能的外来物质(金属、纸、木材、灰尘等)、非聚合材料在挤出熔体流中的 污染。例如，在多种高Tg聚合物中，制备和/或使用这些聚合物所需的有机 材料暴露于高的反应或加工温度，这些有机材料可变成碳化聚合物的各种尺 寸的黑斑。这些黑斑可导致喷丝头中的一个或多个孔的堵塞，并导致喷丝头 的内表面上的压力变化。上述压力变化负面影响纤维的速度、体积和品质。 而且，如果这些黑斑穿过喷丝头，它们可内含在纤维中，并引起纤维具有较 差性能的区域，如脆弱点。其它外来物质可来源于反应容器、导管、运输包 装、未反应的反应物、凝胶、预聚物、加工副产品等。术语整流器是指用于将冷却介质扩散至从喷丝头出来的纤维束周围 的装置。术语冷却区是指沿其冷却介质指向从喷丝头出来的纤维束的截面区域。术语基本均匀的流动分布是指冷却介质横穿指定区域的体积流速。 术语基本均匀冷却速度是指在纤维束内各单独纤维相互之间基本均 匀冷却。术语纤维密度是指当纤维束从喷丝头出来时，相对于纤维束的面积， 纤维束的给定区域的这些纤维的直径所占用的面积。纤维束的截面区域的纤 维密度是该区域中的纤维的截面积的总和除以所述区域的截面积。本专利技术涉及以改善的输出速度将高熔融温度的聚酰亚胺聚合物转变为 具有期望的物理性质和力学性质的纤维的方法。已发现根据本文所述的各种 实施方案通过采用热控制技术可改善高熔融温度聚合物的生成。在一实施方案中，产生聚合物纤维的方法包括熔融具有熔融温度约 180 约450。C的聚合物来制备熔融聚合物，使该熔融聚合物通过含有多个孔 道的喷丝头形成纤维束，当纤维束从喷丝头出来时^f吏该纤维束与冷却介质接 触，所述冷却介质在横穿纤维束的束宽上具有基本均匀的流动分布，其中该 冷却介质的温度在约0~约8(TC范围内。所述聚合物的熔融温度可以是约中约180 约470°C,在另一实施方案中约 200-450°C,在又一实施方案中约300~约425 °C。图1为根据本专利技术的实施方案通常用于制造纤维的方法的纺丝装置10 的示意图。熔融聚合物从挤出机12流出，进入计量泵14再流经纺丝头组合 件的上部(packtop)16,该组合件的上部16具有至少一个通向过滤器18的通 道(未示出)，从而在材料流经含有孔22的喷丝头20之前除去外来颗粒物质， 进而形成由多个单独聚合物纤维或单纤维(filament)构成的纤维束30。纤维束 30中的单独纤维的数量可取决于与喷丝头20的设计有关的几个因素，例如 孔的模式，孔22的数目和孔22的尺寸，以及用于容纳孔的喷丝头的尺寸和 几何形状。例如，在通常的喷丝头20中可有二十到几千个孔，取决于制造 的是纺织用单纤维(filament)、工业用单纤维(filament)、还是纺织用短纤维 (staple)。通过骤冷系统32来使纤维束30骤冷，该骤冷系统32包括气态冷却介 质33、产生该冷却介质的源34(例如电风扇)及整流器36，经过该整流器36, 所述冷却介质在其通道上流向纤维束30。整流器36通常由带孔的网状物如 金属、耐高温塑料或者渗透性泡沫材料制成，以在自喷丝头20中挤出的纤 维束30的路径的横向提供均匀的速度分布。整流器36具有预定长度L，其 定义冷却区的长度。冷却介质以箭头37所代表的方向流动，以及例如图中 所示的与纤维束30行进的路径(箭头38所示M黄向的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造聚合物纤维的方法，其包括：　熔融具有约１５０℃至约５００℃的熔融温度的聚合物，形成熔融聚合物；　使该熔融聚合物经过包含多个孔道的喷丝头，产生包括多个纤维的纤维束；及　使该纤维束从喷丝头出来时与冷却介质接触，所述冷却 介质在纤维束的束宽方向具有基本均匀的流动分布，该冷却介质的温度为约０℃至约８０℃。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.7.14 US 11/457,6581.一种制造聚合物纤维的方法，其包括熔融具有约150℃至约500℃的熔融温度的聚合物，形成熔融聚合物；使该熔融聚合物经过包含多个孔道的喷丝头，产生包括多个纤维的纤维束；及使该纤维束从喷丝头出来时与冷却介质接触，所述冷却介质在纤维束的束宽方向具有基本均匀的流动分布，该冷却介质的温度为约0℃至约80℃。2. 权利要求1的方法，其中所述聚合物为无定形的。3. 权利要求l的方法，其中所述聚合物包括聚醚酰亚胺。4. 权利要求1的方法，其中所述纤维束的多个纤维以基本均匀的冷却 速度冷却。5. 权利要求1的方法，还包括当所述冷却介质接触纤维束时，使该冷 却介质朝向经过冷却区的纤维束，其中该冷却区的宽度比该纤维束的宽度大 至多约20%。6. 权利要求5的方法，其中所述冷却区宽度的尺寸基本等于所述束宽 的尺寸。7. 权利要求5的方法，其中所述冷却介质指向第一导流板与第二导流 板之间，所述第一导流板和第二导流板相隔的距离界定冷却区的宽度，而且 第 一导流板和第二导流板位于冷却介质源与纤维束之间。8. 权利要求7的方法，其中界定冷却区宽度的第一导流板和第二导流 板基本上沿着纤维束的前缘定位。9. 斥又利要求7的方法，其中所述冷却介质流经整流器，并在第一侧壁和第二侧壁之间流动，所述第 一侧壁和第二侧壁与纤维束并排自整流器中伸出；及所述第 一导流板和所述第二导流板分别从对立的第 一侧壁和对立的第 二侧壁突出。10. 权利要求1的方法，其中所述冷却介质为气体。11. 权利要求IO的方法，其中所述气体为空气。12. 权利要求10的方法，其中使所述纤维束与速度为约0.01 10米/秒 的气体冷却介质接触。13. 权利要求1的方法，其中所述纤维的输出速度为约100-5000米/分钟。14. 权利要求l的方法，其中所述聚合物包括聚醚酰亚胺，根据ASTM D 1238，所述聚醚酰亚胺的熔体指数为约1~8。15. 权利要求1的方法，还包括在所述聚合物经过喷丝头之前过滤该聚 合物。16. 权利要求15的方法，其中使所述聚合物通过至少一个具有滤网孔 道的筛网过滤，且该至少一个筛网的孔道尺寸为至少约15微米。17. 权利要求l的方法，还包括从纤维束中抽出冷却介质，以加速冷却 介质流经纤维束。18.<image>image see original document page 0</image>19. 权利要求1的方法，其中所述纤维束包括截面第一区和截面第二区， 所述第二区的纤维密度小于第一区的纤维密度。20. 权利要求18的方法，其中所述截面第二区被截面第一区包围。21. 权利要求18的方法，其中所述截面第二区的面积小于截面第一区的面积。22. 权利要求18的方法，其中所述截面第二区的纤维密度为截面第一 区的纤维密度的至少约5%。23. 权利要求18的方法，其中所述第二区的纤维密度为0。24. 权利要求18的方法，其中所述纤维束包括截面第三区，该第三区的纤维密度小于截面第一区的纤维密度。25. 权利要求18的方法，其中根据ASTM 2256-97，所述纤维的韧度为 至少约0.5克/旦尼尔或更高。26. 权利要求18的方法，其中根据ASTM-02256-97，所述纤维的断裂 伸长率为至少10%。27. —种制造聚合物纤维的方法，该方法包括熔融具有约150。C至约50(TC的熔融温度的聚合物，形成熔融聚合物； 使该熔融聚合物经过包含多个孔道的喷丝头，产生包含多个纤维的纤维 束；及其中所述纤维束包括截面第一区和截面第二区，所述截面第二区的纤维 密度小于截面第一区的纤维密度。28. 权利要求27的方法，其中所述聚合物为无定形的。29. 权利要求27的方法，其中所述聚合物包括聚醚酰亚胺。30. 权利要求27的方法，其中所述纤维束的多个纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰德尔·T·迈尔斯，安·M·莱克，克雷格·沃杰西基，
申请(专利权)人：沙伯基础创新塑料知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：NL