聚噁二唑和变性聚丙烯腈纤维的纱线和由其制成的织物和服装以及用于制备它们的方法

摘要

本发明涉及包含60至85重量份的聚噁二唑短纤维和15至40重量份的变性聚丙烯腈短纤维的共混物的阻燃短纤纱、织造织物、以及防护服；所述重量份基于纱线中100总份数的聚噁二唑短纤维和变性聚丙烯腈短纤维计。本发明还涉及制备所述纱线的方法。

说明书

背景技术

技术领域

本发明涉及阻燃短纤纱和包含这些纱线的织物和服装以及它们的制备 方法。该纱线具有60至85重量份的聚噁二唑短纤维和15至40重量份的变 性聚丙烯腈短纤维；所述重量份基于纱线中聚噁二唑短纤维和变性聚丙烯腈 短纤维的总量计。

背景技术

暴露于火焰、高温和/或电弧等的产业工人和其他人需要穿着由耐热织 物制成的防护服和制品。这些防护制品效果的任何增大或这些制品在保持防 护性能的同时舒适性或耐久性的任何增加均是受欢迎的。

由100％聚噁二唑纤维制成的织物通常被视为具有良好的耐热性，因为 此类织物在测试时具有超过21的极限氧指数，意味着它们将不会维持火焰 在空气中燃烧。另外，当根据ASTM D-6413-99“纺织品阻燃性标准试验方 法(垂直法)”(也称为“垂直火焰试验”)测定时，刚制成的100％聚噁 二唑纤维织物可具有合格的炭化长度，其为4英寸或更小。此类织物用于重 复暴露于穿着和洗涤循环的衣服，并且已发现，在多次洗涤之后，在一些织 物中垂直火焰性能减弱，但是足够使得其未能通过垂直火焰试验；即，织物 具有超过4英寸的炭化长度。据推测，这可能是因为在多次洗涤之后织物变 得更“蓬松”。因此，需要的是提供包含聚噁二唑纤维的织物的热性能的改 善空间，从而弥补洗涤后垂直火焰性能的任何这种减弱。

发明内容

在一些实施例中，本发明涉及包含60至85重量份的聚噁二唑短纤维 和15至40重量份的变性聚丙烯腈短纤维的共混物的阻燃短纤纱、织造织 物、以及防护服；所述重量份基于纱线中100总份数的聚噁二唑短纤维和变 性聚丙烯腈短纤维计。本发明还涉及阻燃性服装和衣着，如由包含阻燃纱线 的织物制成的产业工人穿着、连身工作服、衬衣和/或裤子。

在一些其它的实施例中，本发明涉及制备阻燃短纤纱的方法，所述方 法包括以下步骤：形成60至85重量份的聚噁二唑短纤维和15至40重量份 的变性聚丙烯腈短纤维的纤维混合物，所述重量份基于混合物中100总份数 的聚噁二唑短纤维和变性聚丙烯腈短纤维计；然后将所述纤维混合物纺成短 纤纱。

具体实施方式

本发明涉及由聚噁二唑纤维和变性聚丙烯腈纤维制成的阻燃短纤纱。 所谓“阻燃”是指短纤纱或由该纱线制得的织物将不会维持火焰在空气中燃 烧。在优选的实施例中，所述织物具有26和更高的极限氧指数(LOI)。

就本文目的而言，术语“纤维”被定义为相对柔韧、宏观上均匀的实 体，所述实体具有高比率的长度与垂直于该长度的横截面积宽度比。所述纤 维横截面可为任何形状，但通常为圆形。此类纤维还优选具有大致实心的横 截面，用于纺织物使用中的足够强度；即，纤维优选没有空隙或没有大量讨 厌的空隙。

当与长丝比较时，如本文所用，术语“短纤维”是指切成所需长度或 被拉断的纤维，或制得的具有低比率的长度与垂直于该长度的横截面积宽度 比的纤维。将人工制得的短纤维切割成或制成适于在棉、羊毛或精纺毛纱纺 丝设备上加工处理的长度。所述短纤维可具有(a)大体上均匀的长度， (b)变化的或无规的长度，或(c)一部分短纤维具有大体上均匀的长度， 而其它部分中的短纤维具有不同的长度，将所述部分中的短纤维混合在一起 形成大体上均匀的分布。

在一些实施例中，合适的短纤维具有1至30cm(0.39至12英寸)的切 割长度。在一些实施例中，合适的短纤维具有2.5至20cm(1至8in)的长 度。在一些优选实施例中，由短纤维工艺制得的短纤维具有6cm(2.4in)或 更小的切割长度。在一些优选的实施例中，通过短纤维工艺制成的短纤维具 有1.9至5.7cm(0.75至2.25in)的短纤维长度，其中3.8至5.1cm(1.5至 2.0in)的纤维长度是尤其优选的。对于长纤维纺纱、精纺、或毛纺系统纺 丝，具有至多16.5cm(6.5in)长度的纤维是优选的。

所述短纤维可由任何方法制得。例如，短纤维可采用转刀或剪断机由 连续直纤维切割而得，获得直的(即不卷曲的)短纤维，或还可沿着短纤维 长度由具有锯齿形卷曲的卷曲连续纤维切割而得，卷曲(或重复弯曲)频率 优选不超过8个卷曲/厘米。

短纤维还可通过将连续纤维拉断而形成，从而获得具有变形部分的短 纤维，所述变形部分用作卷曲。拉断式短纤维可通过在拉断操作期间使一扎 或一束连续长丝断裂来制得，所述拉断操作具有一个或多个指定距离的断裂 区，从而形成无规变化的纤维团，所述纤维团具有可经由断裂区调节来控制 的平均切断长度。

可使用本领域熟知的常规长纤维和短纤维环锭纺纱工艺由短纤维制得 短纤纱。然而，这不旨在限于环锭纺纱，因为还可采用气流喷射纺纱、自由 端纺纱以及将短纤维转变成可用纱线的许多其它类型的纺制方法来纺制所述 纱线。还可采用拉断丝束直接成条方法通过拉断直接制得短纤纱。由传统拉 断方法形成的纱线中的短纤维通常具有至多18cm(7in)长的长度。然而通 过例如PCT专利申请WO0077283中所述的方法，由拉断方法制得的短纤 纱还可具有最大长度为至多约50cm(20m)的短纤维。拉断式短纤维通常 不需要卷曲，因为拉断方法向所述纤维赋予了一定程度的卷曲。

术语连续长丝是指具有较小直径并且其长度比短纤维所指定的那些长 度长的柔韧纤维。连续长丝纤维和连续长丝的复丝可通过本领域的技术人员 熟知的方法制得。

所述短纤纱包括极限氧指数(LOI)为21或更高的聚噁二唑短纤维， 这是指聚噁二唑纤维或仅由聚噁二唑纤维制得的织物将不会维持火焰在空气 中燃烧。聚二唑纤维是指包含含有噁二唑单元的聚合物的纤维。用于制备 聚噁二唑聚合物和纤维的工艺是本领域已知的；参见例如授予Bach的美国 专利4,202,962和聚合物科学和工程的百科全书(Encyclopedia of Polymer  Science and Engineering)，第12卷，第322至339页(John Wiley&Sons， New York，1988)。在一些实施例中，聚噁二唑纤维包含聚亚芳基-1，3，4-噁二 唑聚合物、聚亚芳基-1，2，4-噁二唑聚合物，或它们的混合物。在一些优选的 实施例中，聚噁二唑纤维包含聚对亚苯基-1，3，4-噁二唑聚合物。合适的聚噁 二唑纤维在商业上以各种商品名为人所知，如纤维。

所述短纤纱还包括变性聚丙烯腈短纤维。所谓变性聚丙烯腈纤维是指 由主要包含丙烯腈的聚合物制成的丙烯酸类合成纤维。所述聚合物优选为包 含30至70重量％的丙烯腈和70至30重量％的含卤素的乙烯基单体的共聚 物。含卤素的乙烯基单体为至少一种选自例如氯乙烯、偏二氯乙烯、溴乙 烯、偏二溴乙烯等的单体。共聚乙烯基单体的例子为丙烯酸、甲基丙烯酸、 此类酸的盐或酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙酸乙烯酯等。用于本发明的 优选变性聚丙烯腈纤维为丙烯腈结合偏二氯乙烯的共聚物。

在一些实施例中，共聚物可以另外含有一种氧化锑或几种氧化锑用于 改善阻燃性，并且此类添加剂优选不大于纤维的25重量％。此类可用的变 性聚丙烯腈纤维包括但不限于美国专利3,193,602中所公开的具有2重量％ 三氧化锑的纤维、美国专利3,748,302中所公开的由含量为至少2重量％并 且优选不大于8重量％的各种氧化锑制得的纤维，以及如美国专利 5,208,105&5,506,042中所公开的具有8至40重量％锑化合物的纤维。优选 的变性聚丙烯腈纤维可以多种形式从Kaneka Corporation(Japan)商购获 得，某些不含氧化锑，并且其它如据称包含10至15重量％的那些 化合物。

在一些实施例中，共聚物另外含有小于1.5重量％的氧化锑或几种锑氧 化物，或共聚物完全不含锑。此类变性聚丙烯腈纤维能通过如下方法制备： 该方法包括但不限于类似于公开的在制造过程中添加较高百分比的锑化合物 那些方法的纤维制造方法。在此类情况下，能通过在制造期间限制锑化合物 的量或完全除去添加到共聚物中的任何锑化合物来制备锑含量非常低和不含 锑的纤维。

在一些实施例中，变性聚丙烯腈短纤维为通常具有至少28的LOI的阻 燃炭化纤维。在一个实施例中，变性聚丙烯腈纤维具有至少28的LOI，同 时也不含锑。

在一些实施例中，本发明涉及包含60至85重量份的聚二唑短纤维和 15至40重量份的变性聚丙烯腈短纤维的共混物的阻燃短纤纱、织造织物、 以及防护服；所述重量份基于纱线中100总份数的聚二唑短纤维和变性聚 丙烯腈短纤维计。在一些优选的实施例中，聚二唑短纤维以70至85重量 份的量存在，并且变性聚丙烯腈纤维以15至30重量份的量存在，所述重量 份基于纱线中100总份数的聚二唑短纤维和变性聚丙烯腈纤维计。据信， 超过40重量份的变性聚丙烯腈短纤维对纱线以及由纱线制成的织物的热性 能实际具有有害效果。据信，在纱线中使用变性聚丙烯腈纤维向织物提供了 增大的电弧性能。变性聚丙烯腈纤维还阻止由于暴露于火焰而对纱线以及织 物的损害扩散。然而，虽然变性聚丙烯腈纤维高度耐燃和炭化，但是据信具 有太多变性聚丙烯腈纤维的织物在炭化织物中实际具有小于期望的残余强 度。

在一些优选的实施例中，多种类型的短纤维可作为短纤维共混物存 在。所谓纤维共混物是指两种或更多种短纤维类型以任何方式的组合。短纤 维共混物优选为“紧密共混物”，这是指共混物中的各种短纤维形成相对均 匀的纤维混合物。在一些实施例中，两种或更多种类型的短纤维在纺制纱线 之前或之时被共混，使得各种短纤维均匀地分布在短纱束中。在一些实施例 中，纱线由基本上由聚二唑和变性聚丙烯腈短纤维组成的紧密共混物制 成。在一些优选的实施例中，纱线由仅仅由聚二唑和变性聚丙烯腈短纤维 组成的紧密共混物制成。

织物可由短纤纱制得，并且可包括但不限于织造织物或针织织物。一 般的织物设计和构造是本领域的技术人员熟知的。所谓“织造”织物是指， 通常在织机上形成的通过彼此交织经纱或纵向纱线与纬纱或横向纱线而产生 任何织物编织(如平织、四经破缎纹织、方平织、缎纹编织、斜纹组织等 等)的织物。据信，平织和斜纹织是商业中最常使用的编织物，并且是许多 实施例中优选的。

所谓“针织”织物是指通常通过使用针将纱线圈互连而形成的织物。 在许多情况下，为制得针织织物，将短纤纱送入到将纱线转变成织物的针织 机中。如果需要，可向针织机中提供合股或未合股的多条经纱或纱线；即， 使用常规技术将一束纱线或一束合股纱线同时送入针织机中并且针织成织 物，或直接针织成衣着制品如手套。在一些实施例中，希望通过将一种或多 种其它短纱或连续长丝纱线与具有纤维紧密共混物的一种或多种短纤纱同时 送入，从而将功能性添加到针织织物中。可调节针织紧密度以满足任何具体 的需要。已在例如单面针织物和毛圈针织物花纹中发现了防护服装的性能的 非常有效的组合。

在某些尤其可用的实施例中，所述短纤纱可用于制备阻燃性服装。在 一些实施例中，所述服装基本上具有一层由短纤纱制成的防护织物。这种类 型的服装包括连身衣裤、连身工作服、裤子、衬衣、手套、套袖等可以在诸 如化学加工工业或工业公司或电器事业等其中可能发生极端热事件的场合穿 着。

在一些优选的实施例中，在根据垂直火焰试验测试时织物具有4英寸 或更小的炭化长度，据信是由测量的LOI增大所提供，通过添加变性聚丙 烯腈纤维提供给聚二唑纤维。在一些实施例中，添加变性聚丙烯腈纤维使 所测量的LOI增大了至少2个百分比点。在一些优选的实施例中，添加变性 聚丙烯腈纤维使所测量的LOI增大了至少4个百分比点。在一些优选的实施 例中，织物和由织物制成的服装以6盎司/平方码的基重具有大于8卡路里/ 平方厘米的电弧性能。

在另一个实施例中，本发明涉及制备阻燃短纤纱的方法，所述方法包 括以下步骤：形成60至85重量份的聚二唑短纤维和15至40重量份的变 性聚丙烯腈短纤维的纤维混合物，所述重量份基于混合物中100总份数的聚 二唑短纤维和变性聚丙烯腈短纤维计；然后将纤维混合物纺成短纤纱。

在一些优选的实施例中，聚二唑短纤维以70至85重量份的量存在于 混合物中，并且变性聚丙烯腈短纤维以15至30重量份的量存在于混合物 中，所述重量份基于混合物中100总份数的聚二唑短纤维和变性聚丙烯腈 短纤维计。

在一个实施例中，通过制得聚二唑纤维和变性聚丙烯腈短纤维的紧 密共混物来形成所述纤维的纤维混合物。如果需要，可将其它短纤维混入这 一相对均匀的短纤维混合物中；然而，在一些优选的实施例中只存在两种类 型的短纤维。共混可通过本领域已知的许多方法来实现，包括将许多连续长 丝线筒放在线轴架上，并且同时切割两种或更多种类型的长丝以形成切割短 纤维共混物的方法；或涉及开松不同短纤维捆，然后在开棉机、共混机和梳 理机中开松和共混各种纤维的方法；或形成各种短纤维条，然后将其进一步 加工以形成混合物，如在梳理机中形成纤维混合物条的方法。制备紧密纤维 共混物的其它方法也是可以的，只要各种类型的不同纤维相对均匀地分布在 整个共混物中。如果由共混物形成纱线，那么纱线具有相对均匀的短纤维混 合物。一般来讲，在最优选的实施例中，将单独的短纤维开松或分离至在纤 维加工中制得可用织物的正常程度，使得由于短纤维不良开松造成的纤维结 或纤维节以及其它主要缺陷以不会损害最终织物品质的量存在。

在优选的方法中，如下制得人造短纤维紧密共混物：首先将得自开捆 的短纤维与任何其它短纤维(如果期望获得附加功用的话)混合在一起。然 后使用梳理机将纤维共混物成型为长条。通常在纤维产业中使用梳理机来分 离纤维，调整纤维，并且将纤维递送到松散组合纤维的连续股线中而无显著 缠绕，其通常被称为生条。通常通过但不限于两步拉伸法，将生条加工成熟 条。

然后采用技术由熟条形成短纤纱，所述技术包括常规的棉纺系统或诸 如自由端纺纱和环锭纺纱的短纤纺纱工艺；或诸如Murata气流喷射纺纱的 高速气纺技术，其中使用空气来将短纤维捻合成纱线。还可通过使用常规的 毛纺系统，或诸如精梳或半精梳环锭纺的长纤维工艺，或拉断纺纱工艺来实 现短纤纱的形成。无论采用何种加工系统，环锭纺纱一般是制备短纤纱的优 选方法。

测试方法

根据FTMS191A；5041来获得基重值。

仪器化暖体假人试验。根据ASTM F1930方法(1999)，使用穿着由 测试织物制得的标准花纹连衣工作服的仪器化暖体假人，采用“在指定强度 的仿暴燃中对于穿着指定服装或系统的人员的预测烧伤(Predicted Bum  Injuries for a Person Wearing a Specific Garment or System in a Simulated Flash  Fire of Specific Intensity)”来测定防烧伤性能。

防电弧等级测试。根据ASTM F-1959-99“测定衣服材料电弧热性能值 的标准试验方法(Standard Test Method for Determining the Arc Thermal  Performance Value of Materials for Clothing)”来测定织物的防电弧性。

抓样试验。根据ASTM D-5034-95“对于织物的断裂强度和伸长的标准 测试方法(抓样试验)(Standard Test Method for Breaking Strength and  Elongation of Fabrics(Grab Test))”来测定织物的抗抓取性(断裂拉伸强 度)。

夹住撕裂试验。根据ASTM D-5587-03“通过梯形工序进行的织物撕裂 的标准测试方法(Standard Test Method for Tearing of Fabrics by Trapezoid  Procedure)”来测定织物的抗撕裂性。

垂直火焰试验。根据ASTM D-6413-99“纺织品阻燃性标准试验方法 (Standard Test Method for Flame Resistance of Textiles)(垂直法)”来测定 织物的炭化长度。

极限氧指数(LOI)是以体积百分比表示的氧和氮混合物中的最低氧浓 度，所述混合物在ASTM G125/D2863条件下刚好可维持初始室温下材料 的有焰燃烧。

实例

本发明可由以下实例进行示例，但并非意图受限于以下实例：

实例1

该实例显示了聚二唑(POD)短纤维与变性聚丙烯腈(MOD)短纤维的紧 密共混物的阻燃短纤纱和织物。

由常规棉纺系统设备制备和加工85重量％的POD短纤维和15重量％ 的变性聚丙烯腈短纤维的清棉混纺条，然后使用环锭细纱机纺成具有约4.0 的捻系数和约19.6特(30棉纱支数)单股纱尺寸的阻燃短纤纱。然后在合 股机上将两条此类单纱合股，制得阻燃性双股纱线以用作织物经纱和纬纱。

将环纺的经纱和纬纱线在有梭织机上织造成织物，制成具有2×1斜纹 组织和25经×15纬/厘米(70经×42纬/英寸)的构造以及约186g/m²(5.5oz/yd²)基重的本色织物。然后在热水中擦洗该本色斜纹织物，并且在 低张力下干燥。然后使用碱性染料将擦洗过的织物喷射染色。所得织物具有 约203g/m²(6oz/yd²)的基重和超过25的LOI。

将织物的一部分切割成各种形状，并且将所述形状缝到一起以将织物 转变成单层防护服用于暴露于火和电弧危险源的那些场合。以类似的方式， 由100％POD短纤维制成环纺纱线以及相关的织物和服装作为对照物。表1 示出了所得织物和服装的特性。“+”等级表示比对照物的特性优异的特 性，符号“0”表示对照物的性能或等于对照物的性能，并且符号“-”表示 对照物的性能更好。实例1的织物具有改善的垂直火焰性能和改善的防电弧 等级，同时在仪器化暖体假人试验中保持足够性能。

实例2

重复实例1，其中纤维的共混物为70重量％的POD纤维和30重量％的 变性聚丙烯腈纤维。表1示出了所得织物和服装的性能。据信，由于纱线中 较高含量的变性聚丙烯腈纤维，实例2的织物具有改善的垂直火焰性能并且 也具有优异的防电弧等级，二者补偿了仪器化暖体假人试验中织物的性能。

比较例A

重复实例1，其中纤维的共混物为55重量％的POD纤维和45重量％的 变性聚丙烯腈纤维。表1示出了所得织物和服装的性能。虽然该共混物具有 能与对照织物相比的垂直火焰性能和优异的防电弧等级，但是其被认为含有 太多的变性聚丙烯腈纤维足够用于仪器化暖体假人试验中的性能。

比较例B

重复实例1，其中纤维的共混物为45重量％的POD纤维和55重量％的 变性聚丙烯腈纤维。表1示出了所得织物和服装的性能。虽然该共混物具有 能与对照织物相比的垂直火焰性能和优异的防电弧等级，但是其被认为含有 太多的变性聚丙烯腈纤维足够用于仪器化暖体假人试验中的性能。

表1