《一種三維捲曲纖維》是中國紡織科學研究院於2007年1月22日申請的專利，該專利的公布號為CN101230498，申請公布日為2008年7月30日，發明人是李傑、黃慶、崔寧、史賢寧、盛平厚、李澤民、李成偉。該發明屬於複合纖維技術領域。
《一種三維捲曲纖維》該纖維包括第一聚合物組分和第二聚合物組分，在纖維橫截面上，所述第二聚合物為至少兩個不連續的區域，該第二聚合物的至少兩個不連續的區域分布在第一組分之內或至少部分與第一組分相連線從而形成至少三個獨立區域，第一聚合物組分和第二聚合物組分所分別構成的區域呈力學不對稱結構。該技術方案的提出，緩解了三維捲曲複合纖維在製備過程中對兩組份熔體粘度的嚴格限定，以及彎頭角問題，並且大大地拓寬了紡制其它截面對兩組份熔體表觀粘度差異和可紡性的限制，同時其捲曲特性也等同或好於偏芯型皮芯纖維。
2015年11月27日，《一種三維捲曲纖維》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種三維捲曲纖維》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種三維捲曲纖維
- 申請人：中國紡織科學研究院
- 申請日：2007年1月22日
- 申請號：2007100629386
- 公布號：CN101230498
- 公布日：2008年7月30日
- 發明人：李傑、黃慶、崔寧、史賢寧、盛平厚、李澤民、李成偉
- 地址：北京市朝陽區延靜里中街3號
- 分類號：D01D5/28(2006.01)、D02G1/18(2006.01)、D01F1/00(2006.01)、D01F2/00(2006.01)等
- 代理機構：北京元中智慧財產權代理有限責任公司
- 代理人：王明霞
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
具有三度空間的立體捲曲結構的單組份纖維和複合纖維（同心式皮芯型纖維例外）的製造方法有多種，但歸納起來可分為兩類：一類是紡絲後用高溫高壓熱氣流送入變形噴嘴或捲曲器內定型，得到三維捲曲效果，這類方法是纖維成型後強加給纖維的捲曲方法。另一類方法是通過不同組份或其它不對稱因素或條件，在纖維擠出成型過程中，造就存在不對稱因素的內部結構，並在後加工過程中使不對稱因素顯現出作用，從而形成三維捲曲纖維。通常套用較多的是後面一種方法，其中又以雙組份複合纖維為多。雙組份複合纖維由兩種不同組份的聚合物組份構成，在整個纖維長度上，分為兩個不同的明顯區域，或為並列型，或為皮芯型，其中，要得到捲曲纖維，皮芯型應排除同心式的皮芯結構。
並列型複合纖維有良好的捲曲性能，但是在實際生產套用中，由於並列流動的兩相存在熔融指數和熔體或溶液的表觀粘度等因素的差異，往往在紡絲過程中複合的紡絲細流在噴絲板表面會產生彎頭角，而彎頭角在紡絲過程中會造成纖維截面結構和性能的不均勻性，甚至會產生絲條沾污在噴絲板板面，使紡絲無法進行的情況，因而，在實際生產中要求儘量避免或減少該種情況的出現。在同等條件下減小兩組份的表觀粘度差可以減小彎頭角造成的不利影響，彎頭角總是彎向表觀粘度高的組份一側，低粘度組份其界面形狀總是圍繞高粘度組份，技術人員在實際生產中會根據彎頭角方向及纖維截面形狀，調節工藝溫度來減小彎頭角，但是，這樣做的效果往往不理想。當兩組份的熔體表觀粘度差異太大或其中一組份可紡性太差時，特別是在紡制添加較多的粉體的功能性組份時因表觀粘度太大或可紡性太差有可能致使紡絲無法進行。
在紡制偏芯式的皮芯型纖維彎頭角影響雖然較小，但由於纖維截面的不對稱程度通常小於並列型的複合纖維，所以，在同等情況下，得到的複合纖維的捲曲性能 往往不如並列型複合纖維。而且皮芯型纖維要求皮層組份的表觀粘度小於或等於芯層組份表觀粘度，當皮層組份表觀粘度遠遠大於芯層表觀粘度時，皮芯截面有可能無法形成。因此，在複合纖維的生產中，控制兩組份熔體表觀粘度，如何減小彎頭角的影響，並且保持良好的纖維捲曲性能，是一個需要解決的問題。
發明內容
專利目的
該發明的目的在於提供一種新穎的三維捲曲纖維，可以根據需要設計成不同的力學不對稱結構，從而使複合纖維形成特定的三維捲曲結構。該纖維不僅具有良好的捲曲特性，而且在生產中可以很好的緩解彎頭角問題，該技術方案的提出，解決了並列型複合纖維存在的彎頭角問題，同時其捲曲特性也等於或好於偏芯式的皮芯型纖維。
技術方案
《一種三維捲曲纖維》該纖維包括第一聚合物組分和第二聚合物組分，在纖維橫截面上，所述第二聚合物組分為至少兩個不連續的區域，該第二聚合物組分為的至少兩個不連續區域分布在第一組分之內或至少部分與第一組分相連線從而形成至少三個獨立區域，第一聚合物組分和第二組分聚合物所分別構成的區域呈力學不對稱結構。該發明中，當兩個組份聚合物的熱收縮率不同時，更容易形成上述力學不對稱結構。
該發明所述的力學不對稱結構是指在所述的複合纖維截面中兩個組份所構成的不同區域的重心不重合，且兩個組份聚合物的熱收縮率不同。具體地說，纖維中，第二聚合物組分各個不連續區域的總和與第一聚合物組分形成的區域呈力學不對稱結構，也就是，第二聚合物組分各個不連續區域的總和與第一聚合物組分形成的區域的重心不重合。
這裡，該發明中的第一聚合物組分和第二聚合物組分，並不限於兩種組成不同的聚合物組分，其可以是同種聚合物但不同分子量，也可以是不同類聚合物。無論各組份是否為同類聚合物，都應滿足以下條件：優選所述的兩組份聚合物滿足表觀粘度的比值大於1.0，優選兩組份聚合物表觀粘度的比值大於1小於2.5，更優選範圍在1.2-1.5之間。
該發明中最優選同種或同系列的聚合物分別作為第一和第二聚合物組分，因為此時兩組分的相容性最好。例如，優選第一和第二聚合物組分分別選自聚酯系PET、PBT、 PTT種的一種，或者分別選自己內醯胺系尼龍6、尼龍66等的一種。
在該發明優選的實施方式中，在纖維橫截面上，所述第二聚合物組分呈現為三個不連續的區域，該第二聚合物組分的三個不連續的區域分布在第一組分之內或至少部分第一組分相連線從而形成四個獨立區域，第一組分的各個不連續區域的和與第二組分的區域呈力學不對稱結構。
更為優選地，當第二聚合物組分的三個不連續的區域分布在第一組分之內或至少與第一組分部分相連線形成四個獨立區域時，該第二聚合物組分的三個不連續的區域的重心的連線構成一等邊三角形。該申請發明人研究發現，在該種情況下，纖維的捲曲性能與彎頭角狀況以及可紡性都處於一個令人滿意的範圍；當然也可以根據需要設計成不同的力學不對稱結構，從而使複合纖維形成特定的三維捲曲結構。
複合纖維的捲曲特性與各組份熔體粘度、熔體彈性、熔體表面張力、熔體溫度、剪下速率等因素有關，複合纖維採用該發明所述的結構，其捲曲特性可以得到很好的實現。
雖然同為雙組份三維捲曲纖維，該發明的三維捲曲纖維與並列型雙組份複合纖維不同之處在於：並列型複合纖維的截面存在兩個獨立的部分，兩種組份占據纖維的一半，由於在紡絲的過程中兩組份的熔體複合時存在表觀粘度的差異，其成為彎頭角產生的一個重要的原因；該發明三維捲曲纖維截面存在三個或三個以上的獨立區域，其中一種組份構成單獨一區，該區域與其它相連，其它區域由第二種組份構成。
該發明的三維捲曲纖維截面通常應該為圓形，其中第一聚合物組分構成單獨一區域，該區域與其它相連，另外區域由第二聚合物組分構成。第二聚合物組分中可以含有功能組份，這些功能組份可以是導電物質、抗菌物質、抗紫外線物質、負氧離子物質、遠紅外物質等。
所述的導電物質可以是碳黑、金屬氧化物；所述的抗菌物質可以是銀系抗菌粉體或其它抗菌粉體；所述的抗紫外線物質可以是抗紫外線粉體；；所述的負氧離子物質可以是電氣石等礦物質的粉體；所述的遠紅外物質可以是遠紅外粉體。上述功能組份的加入，使該發明所述纖維不僅具有良好的捲曲特性，而且增加了豐富的功能特性，滿足了各種不同環境、不同需求下的特殊套用。
該發明所述的聚合物組分為能夠用於生產粘膠纖維和合成纖維的各種聚合物，包括但不限於：生產粘膠纖維的纖維素、聚醯胺、聚酯或聚丙烯及它們的改性聚合物， 如聚己內醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯、、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚己內醯己二胺（尼龍66）、PBT、PTT及其改性聚合物所述的聚合物優選。該發明中，第一聚合物組分和第二聚合物組分的重量比為5/95-45/55，優選6/94-40/60。
該發明兩組分三維捲曲纖維的製備方法為：取同種而分子量（粘度）不同的聚合物或者兩種不同種聚合物，控制粘度的比值大於1，將第二組份採用同向雙螺桿擠出機混合後製成共混切片，然後與第一組份使用雙組分紡絲機紡絲；第一組份、第二組份原料分別加入螺桿擠出機，經過紡絲、牽伸、定型、卷繞等工序後，製成具有特殊功能的帶有三維捲曲的複合纖維。
上述製備方法中，具體工藝參數為：紡絲箱體溫度為200-300℃；紡絲速度為200-4500米/分；牽伸溫度為40-160℃；定型溫度為60-230℃；纖維牽伸定型後具有三維捲曲性能，其捲曲率在3-40％之間，並且在紡絲過程中熔體細流沒有明顯彎頭角出現。也可以在第二組分中加入功能組份，如導電物質、抗菌物質、抗紫外線物質、負氧離子物質、遠紅外物質等。
滿足該種情況下的雙組份複合纖維，在同等條件下，與並列型和偏心皮芯型等複合纖維相比較，既能夠很好的改善彎頭角問題，並且拓寬了複合纖維對兩組份熔體表觀粘度差異的限制和對兩組份對可紡性的限制，同時其捲曲特性也等於或好於偏芯式的皮芯型纖維。
改善效果
《一種三維捲曲纖維》提供了一種不同於並列型和皮芯型的雙組份複合纖維，可以根據需要設計成不同的力學不對稱結構，從而使複合纖維形成特定的三維捲曲結構。該纖維具有良好的捲曲性能和可紡性，並且其生產過程中不存在嚴重的彎頭角現象，使得在生產過程比較順利並且得到的纖維結構和性能具有很好的均勻性。
附圖說明
圖1為《一種三維捲曲纖維》所述纖維的截面示意圖，其中，1為第1組份，2為第二組份；
圖2為該發明所述纖維的另一種截面示意圖；
圖3為該發明最佳實施例。
附圖說明
權利要求
1.《一種三維捲曲纖維》該纖維包括第一聚合物組分和第二聚合物組分，在纖維橫截面上，所述第二聚合物組分為至少兩個不連續的區域，該第二聚合物組分的至少兩個不連續區域分布在第一組分之內或至少部分與第一組分相連線從而形成至少三個獨立區域，第一聚合物組分和第二組分聚合物所分別構成的區域呈力學不對稱結構。
2.根據權利要求1所述的捲曲纖維，其特徵在於第一聚合物組分和第二聚合物組分熱收縮率不同。
3.根據權利要求1所述的捲曲纖維，其特徵在於所述的力學不對稱結構是指在所述的複合纖維截面中兩個組份所構成的不同區域的重心不重合。
4.根據權利要求1-3任何一項所述的捲曲纖維，其特徵在於所述第一聚合物組分和第二聚合物組分為同種或不同種聚合物組分，兩種聚合物的表觀粘度的比值大於1.0，優選兩組份聚合物表觀粘度的比值大於1小於2.5，更優選範圍在1.2-1.5之間。
5.根據權利要求1-4任何一項所述的捲曲纖維，其特徵在於在纖維橫截面上，所述第二聚合物組分呈現為三個不連續的區域，該第二聚合物組分的三個不連續的區域分布在第一組分之內或至少部分第一組分相連線從而形成四個獨立區域。
6.根據權利要求5所述的捲曲纖維，其特徵在於所述四個獨立區域中，該第二聚合物組分的三個不連續的區域的重心的連線構成一等邊三角形。
7.根據權利要求1-6任一項所述的捲曲纖維，其特徵在於第二聚合物組分中含有功能組份，所述功能組份為選自導電物質、抗菌物質、抗紫外線物質、負氧離子物質或遠紅外物質的一種或其組合。
8.根據權利要求1-7任一項所述的捲曲纖維，其特徵在於所述的聚合物組分為能夠用於生產粘膠纖維和合成纖維的各種聚合物，優選生產粘膠纖維的纖維素、聚醯胺、聚酯或聚丙烯及它們的改性聚合物，如聚己內醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯、、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚己內醯己二胺（尼龍66）、PBT、PTT或者改性聚合物，優選第一聚合物組分和第二聚合物組分的重量比為5/95-45/55，更優選6/94-40/60。
9.權利要求1-8任何一項所述三維捲曲纖維的製備方法，其特徵在於取同種而分子量不同的聚合物或者兩種不同種聚合物，控制粘度的比值大於1，將第二組份采 用同向雙螺桿擠出機混合後製成共混切片，然後與第一組份使用雙組分紡絲機紡絲；第一組份、第二組份原料分別加入螺桿擠出機，經過紡絲、牽伸、定型、卷繞等工序後，製成具有特殊功能的帶有三維捲曲的複合纖維。
10.根據權利要求9所述的製備方法，其特徵在於紡絲箱體溫度為200-300℃；紡絲速度為200-4500米/分；牽伸溫度為40-160℃；定型溫度為60-230℃；纖維牽伸定型後具有三維捲曲性能，其捲曲率在3——40％之間，並且在紡絲過程中熔體細流沒有明顯彎頭角出現。
實施方式
實施例1
原料組成：第一組份為聚己內醯胺；第二組份為聚己內醯胺/碳黑；二者粘度η比值為1.2。
製備過程：將第二組份採用同向雙螺桿擠出機混合後製成共混切片，然後與第一組份使用雙組分紡絲機紡絲；第一組份、第二組份原料分別加入螺桿擠出機，兩組分在分配板的孔道複合後，由噴絲板導孔噴出成型，經過紡絲、牽伸、定型、卷繞等工序後，製成具有特殊功能的帶有三維捲曲的複合纖維，纖維的截面形狀如圖3所示。
附圖3中1代表第一聚合物組分形成的區域，2、21、22代表第二聚合物組分形成的獨立區域，區域，其中2代表的第二聚合物組分的區域與第一組分區域相連線，其它部分為纖維的邊緣，21和22代表的第二聚合物組分的區域在第一聚合物組分的區域之內，2、21、22的中心點組成的三角形為等腰三角形，2、21和22形成的區域的和與第一聚合物組分形成的區域力學不對稱，也就是，2、21和22形成的區域的和與第一聚合物組分形成的區域的中心補重合。
工藝參數：複合比（第一組份/第二組份）為8/92；第二組份組分比（聚己內醯胺/碳黑）為85/15；紡絲箱體溫度為282℃；紡絲速度為2500米/分；牽伸溫度為8℃；定型溫度為℃；纖維牽伸定型後具有三維捲曲性能，捲曲率可達到32％，並且在紡絲過程中熔體細流沒有明顯彎頭角出現，可紡性良好。
實施例2
原料組成：第一組份為聚對苯二甲酸乙二酯；第二組份為聚對苯二甲酸乙二酯/三氧化二鋁，二者粘度η比值為1.5。
製備過程：第二組份採用同向雙螺桿擠出機混合後製成共混切片，然後與第一組份使用雙組分紡絲機進行紡絲，原料第一組份、第二組份分別加入螺桿擠出機，兩組分在分配板的孔道複合後，由噴絲板導孔噴出成型，經過紡絲、牽伸、定型、卷繞等工序後，製成具有遠紅外功能的帶有三維捲曲的複合纖維；纖維的截面形狀如圖2所示。
附圖2中1代表第一聚合物組分形成的區域，2、23、24代表的第二聚合物組分形成的與第一聚合物組分區域相連線，其它部分為纖維的邊緣，2、23、24的中心點組成的三角形為等腰三角形，2、23和24形成的區域的和與第一聚合物組分形成的區域 力學不對稱，也就是，2、23和24形成的區域的和與第一聚合物組分形成的區域的中心不重合。
工藝參數為：複合比（第一組份/第二組份）為15/85；第二組份組成（聚對苯二甲酸乙二酯/三氧化二鋁）為90/10；紡絲箱體溫度為92℃；紡絲速度為2200米/分；牽伸溫度為95℃；定型溫度為60℃；纖維牽伸後三維捲曲性能可達到26％，在紡絲過程中熔體細流沒有明顯彎頭角出現，可紡性良好。
實施例3
原料組成：第一組份為聚丙烯；第二組份為聚丙烯/電氣石，二者粘度η比值為1.3。
製備過程：使用複合紡絲機紡絲，使用螺桿擠出機分別注入原料第一組份、第二組份，兩組分在分配板的孔道複合後，由噴絲板導孔噴出成型，經過紡絲、牽伸、定型、卷繞等工序後，得成品，纖維的截面形狀如圖1所示。
附圖1中1代表第一聚合物組分形成的區域，2代表的第二聚合物組分區域與第一聚合物組分區域一部分相連線，其它部分為纖維的邊緣，21代表的第二聚合物組分的區域在第一聚合物組分的區域之內，2和21形成的區域的和與第一聚合物組分形成的區域力學不對稱，也就是，2和21形成的區域的和與第一聚合物組分形成的區域的中心不重合。
工藝參數：複合比（第一組份/第二組份）為30/70；第二組份組成（聚丙烯/電氣石）為75/25；紡絲箱體溫度為264℃；紡絲速度為1800米/分；牽伸溫度為70℃；定型溫度為0℃；纖維牽伸後三維捲曲性能達到28％並能釋放負氧離子，在紡絲過程中熔體細流沒有明顯彎頭角出現。
實施例4
原料組成：第一組份為聚對苯二甲酸乙二酯；第二組份為聚對苯二甲酸丙二酯；二者粘度η比值為1.5。
製備過程：將第二組份採用同向雙螺桿擠出機混合後製成共混切片，然後與第一組份使用雙組分紡絲機紡絲；第一組份、第二組份原料分別加入螺桿擠出機，經過紡絲、牽伸、定型、卷繞等工序後，製成具有特殊功能的帶有三維捲曲的複合纖維，纖維的截面形狀如圖3所示。
工藝參數：複合比（第一組份/第二組份）為5/95；紡絲箱體溫度為295℃；紡絲速度為2500米/分；牽伸溫度為95℃；定型溫度為130℃；纖維牽伸定型後具有三維捲曲性能為23％，並且在紡絲過程中熔體細流沒有明顯彎頭角出現。
實施例5
原料組成：第一組份為聚己內醯胺；第二組份為聚己內醯二胺；二者粘度η比值為2。
製備過程：將第二組份採用同向雙螺桿擠出機混合後製成共混切片，然後與第一組份使用雙組分紡絲機紡絲；第一組份、第二組份原料分別加入螺桿擠出機，經過紡絲、牽伸、定型、卷繞等工序後，製成具有特殊功能的帶有三維捲曲的複合纖維，纖維的截面形狀如圖3所示。
工藝參數：複合比（第一組份/第二組份）為5/95；紡絲箱體溫度為288℃；紡絲速度為2400米/分；牽伸溫度為120℃；定型溫度為118℃；纖維牽伸定型後具有三維捲曲性能為36％，並且在紡絲過程中熔體細流沒有明顯彎頭角出現。
實施例6
原料組成：第一組份為聚己內醯胺；第二組份為聚己內醯二胺；二者粘度η比值為2.5，其他同實施例5。纖維牽伸定型後具有三維捲曲性能為40％。
榮譽表彰
2015年11月27日，《一種三維捲曲纖維》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
