适合用于抗磨、高强度尼龙混纺纱和织物的尼龙短纤维

摘要

包含的是高强度尼龙短纤维的制备，所述尼龙短纤维的单丝旦数为约1.0-3.0，断裂强度T为至少约6.0，并且承载能力，T7，大于约2.5，包含大于3.2。该尼龙短纤维由以下方式生产：制备相对高分子量的尼龙长丝的丝束(RV为65-100)，通过两阶段拉伸和退火操作拉伸和退火该丝束，然后切断或者用其它方式将所述拉伸的和退火的丝束转化为需要的高强度尼龙短纤维。这样制备的尼龙短纤维可与伴随纤维如棉短纤维混纺，以制备尼龙/棉(NYCO)纱。

说明书

发明领域

本发明涉及适用于抗磨和合格的高强度混纺纱和织物(如尼龙/棉 (NYCO)纱和织物)的尼龙短纤维的制备。这种尼龙短纤维通过以下方 式生产：制备相对高分子量的骤冷的尼龙长丝束，拉伸并退火这些丝 束，然后通过剪切或其它方法将经拉伸并退火的丝束转变为所需要的 尼龙短纤维。

这种方法制备的尼龙短纤维可与其它纤维(如棉短纤维)混纺，以 生产尼龙/棉NYCO纱。这些纱接着能被编织成NYCO织物，这些织 物可有利地有抗磨、高强度、任选轻便、舒适、低成本和耐用等优点， 因此特别适合用于或作为，例如军用服装如军用制服或其它恶劣环境 下使用的服装。

相关技术背景

尼龙被制造及商业上应用已经许多年，第一种尼龙纤维是尼龙 6，6，聚(己二酰己二胺)，且尼龙6，6纤维作为主要的尼龙纤维仍在生 产和商业中应用。大量其它尼龙纤维，特别是由己内酰胺制备的尼龙 6纤维也同样在生产和商业中应用。尼龙纤维被用于生产织物和出于 其它目的的纱。对于织物，基本上有两种主要的纱种类，即连续的长 丝纱和短纤维(即剪切纤维)制造的纱。

尼龙短纤维常规地由以下方法制造：将尼龙聚合物熔纺为长丝， 收集非常大量的这种长丝成为丝束，对该丝束进行拉伸操作，然后将 该丝束转化为短纤维，例如在短纤维切断机中。这种丝束通常包含成 千上万的长丝，并且以总旦尼尔计一般约为几十万。该拉伸操作包括 在一套喂料辊和一套拉伸辊(运行速度大于喂料辊)之间运送这种丝束 以增加尼龙聚合物在该长丝中的取向。拉伸通常与退火操作组合以便 在丝束转化成短纤维之前增加丝束长丝中的尼龙结晶性。

尼龙短纤维的优势之一是它们容易混纺，特别是与天然纤维，例 如棉(通常被认为短纤维)和/或与其它合成纤维，以获得这样混纺可产 生的优势。特别理想的尼龙短纤维形式已经被使用很多年，其用于与 棉混纺，特别是用于改善包含棉和尼龙混合物的纱制备的织物的耐久 性和经济性。这是因为这种尼龙短纤维有相对高的承载强度，如 Hebeler在美国专利第3,044,520号、第3,188,790号、第3,321,448号 和第3,459,845号中所公开，这些专利的公开内容通过引用全文结合 到本文中。如Hebeler解释，尼龙短纤维的承载能力方便以7％伸长率 的强度(T₇)测定，并且T₇参数作为标准度量已长期被接受并容易在 Instron(英斯特朗)机器上读取。

制备尼龙短纤维的Hebeler方法包含上文中描述的尼龙纺制、丝 束形成、拉伸和转化操作。后来通过以下方式对制备尼龙短纤维的 Hebeler方法进行改良：改变丝束拉伸操作的性质，和在整个方法中增 加特定类型的退火(或高温处理)和随后的冷却步骤。例如，Thompson 在美国专利第5,093,195号和第5,011,645号中公开尼龙短纤维制备， 其中尼龙6，6聚合物(具有例如55的甲酸相对黏度(RV))被纺制成长 丝，所述长丝然后被拉伸、退火、冷却并剪切成短纤维，这种短纤维 断裂强度(T)约为6.8-6.9，单丝旦数为约2.44，且承载能力(T₇)为约 2.4-3.2。这种尼龙短纤维在Thompson专利中被进一步公开，其与棉 混纺并形成具有改善的纱强度的纱。(这些Thompson专利都通过全文 引用结合到本文中。)

依照Thompson工艺制备的尼龙短纤维已经被混纺成NYCO纱(一 般尼龙/棉的比例为50∶50)，这些纱被用于制备NYCO织物。发现这 种NYCO织物，例如机织物，应用于军队战斗制服和服装。虽然这种 织物被广泛证明适合军事或其它恶劣条件服装使用，但军队当局，例 如，在不断寻求改良的织物，该织物可为抗磨、高强度、质量更轻、 成本更低、并且/或者更舒适，但仍然高度耐用，甚至有改善的耐久性。

一种用于这种具有改善的抗磨、耐久性、舒适性和任选较轻重量 的织物的方法可包含NYCO纱的制备，及由其制备的织物，其中用于 制备纱的该尼龙短纤维有适当高的承载能力并且也能给予由其制备 的纱和织物抗磨特性。与目前使用的织物相比，用这些尼龙短纤维制 成的纱制备的织物能有利地产生改善的抗磨和耐久性。该尼龙短纤维 也可通过结合到较轻重量、和/或较低成本的织物中，提供这些理想的 抗磨和耐久性能，所述织物可能比目前这类织物使用更少的尼龙短纤 维。

发明概述

考虑到前述事项，一些实施方案涉及尼龙短纤维的制备方法，所 述尼龙短纤维能与伴随纤维混纺形成纱并编织成织物来改良织物强 度和抗磨，同样包含的是制备该短纤维本身的方法，及由这些尼龙短 纤维与伴随的纤维(如棉短纤维)混纺制造的纱。由此产生的混纺纱能 随后编织成抗磨、耐用的和任选轻便的机织物，该机织物特别适合军 事或其它恶劣条件服装使用。

在一些实施方案的方法方面为制备尼龙短纤维的方法。该方法包 含以下步骤：尼龙聚合物熔纺为长丝，骤冷该长丝并用大量的这些骤 冷长丝形成丝束，对这丝束进行拉伸和退火，然后将产生的经拉伸和 退火的丝束转化为适合用于形成例如短纤纱的短纤维。

依照一些实施方案的方法方面，被熔纺为长丝的尼龙聚合物的甲 酸相对黏度(RV)为65-100。另外，该丝束的拉伸和退火以总有效拉伸 比为2.3-4.0(包含3.0-4.0)下实施的两阶段的连续操作进行。在该拉伸 操作的第一拉伸阶段，发生85％-97.5％的丝束拉伸。在该操作的第二 退火和拉伸阶段，该丝束经受145℃-约205℃的退火温度。在一个实 施方案中，丝束在该退火和拉伸阶段的温度可通过以下步骤达到：将 丝束与在第一阶段拉伸和第二阶段拉伸及退火操作之间放置的蒸汽 加热金属板接触。该拉伸和退火操作之后进行的是冷却步骤，其中经 拉伸和退火的丝束被冷却到80℃以下的温度。在这两个阶段的拉伸和 退火操作过程中，该丝束被保持在可控的张力之下。

另一个方面涉及所述类型尼龙短纤维，该尼龙短纤维可依照前述 的方法制备。因此，本发明的尼龙短纤维是那些单丝旦数为约1.0-3.0、 强度至少约6.0克每旦尼尔、且以7％伸长率强度(T₇)测定的承载能力 大于2.5(如大于3.2)克每旦尼尔的尼龙短纤维。这些短纤维用相对黏 度65-100的尼龙聚合物成型。

在另一个方面，本发明涉及纺织纱，该纺织纱可通过本文的尼龙 短纤维和棉短纤维混纺制备。由此产生的尼龙/棉(即NYCO)纱，因此 同时包含棉短纤维和尼龙短纤维，棉与尼龙纤维的重量比为 20∶80-80∶20。基本上所有该NYCO纱中尼龙短纤维是包含甲酸RV为 65-100的尼龙聚合物，单丝旦数为1.0-3.0，强度为至少6.0克每旦尼 尔，及以7％伸长率的强度(T₇)测定的承载能力大于2.5，且更优选大 于3.2克每旦尼尔的尼龙短纤维。

在另一个方面，本发明涉及轻便和理想耐用的NYCO织物，该织 物由上文描述的NYCO纺织纱编织。该织物由纺织纱在经向和纬向(纬 纱)方向编织。至少这些方向之一编织的纱将是包含混纺的本文尼龙短 纤维和棉短纤维的纱，其中棉纤维与尼龙纤维重量比为约 20∶80-80∶20。此外，基本上所有用于编织本文的NYCO织物的纺织纱 中的尼龙短纤维是包含甲酸RV为65-100的尼龙聚合物，具有单丝旦 数为约1.0-3.0，强度为至少约6.0克每旦尼尔，及以7％伸长率的强度 (T₇)测定的承载能力大于约2.5克每旦尼尔，如大于3.2克每旦尼尔的 尼龙短纤维。在另一个实施方案中，所述尼龙短纤维可以是包含强度 至少约6.0克每旦尼尔和以(T₇)测定的承载能力大于约3.2克每旦尼尔 的尼龙短纤维。

在还另一个方面为包含混纺纱的织物(如NYCO织物)，由纺织纱 在经向和纬向(纬纱)方向编织的NYCO织物，其中这些在两个方向编 织的纺织纱包含混纺的棉短纤维和尼龙短纤维，其中棉短纤维与尼龙 短纤维的重量比为20∶80-80∶20。此外，在该织物中，纬向(纬纱)方向 编织的NYCO纱包含具有单丝旦数为1.3-2.0(包含1.55-1.8，1.6-1.8和 1.55-1.75)的尼龙短纤维，并且经向编织的NYCO纱包含具有单丝旦 数为2.1-3.0(包含2.3-2.7)的尼龙短纤维。在还另一个实施方案中，在 经向和纬向使用的纱，可分别以其它物理特性或性能规格来区别。例 如，织物可由经向纱构成，对比以纬向使用的纱，经向的纱有相对较 高抗磨性，但是张力强度较低。

发明详述

本文所用的术语“耐用的”和“耐久性”指织物的习性，特征为对于 该织物的预期终端使用，具有合适的高抓样强度和撕裂强度以及抗磨 性，和织物开始使用后合适长度的时间内保持这些需要的性质。本文 所用的术语混纺或混纺的，在涉及短纤纱时，表示至少两种类型纤维 的混合物，其中该混合物由以下方式形成：每一种类型纤维的单个纤 维与其它类型的单个纤维基本上完全混合，以提供一个基本上均匀的 纤维混合物，这种混合物在将来的加工和使用中有足够的缠结维持它 的完整性。

本文所用的棉纱支数指基于840码长度的纱编号系统，并且其中 纱的支数等同于1磅重所需的840码绞纱的数量。

本文陈述的所有数值应当被理解为用术语“约”修饰。

一些实施方案是基于有确定的具体特征的改善的尼龙短纤维制 备和随后的纱与该纱编织的织物的制备，其中这些改善的尼龙短纤维 与至少一种其它纤维混纺，也指作为伴随纤维。所述其它纤维可以包 含纤维素制品(如棉)、改性的纤维素制品(如FR处理的纤维素)、聚酯、 人造丝、动物纤维(如羊毛)、耐火(FR)聚酯、FR尼龙、FR人造丝、 FR处理的纤维素、间芳族聚酰胺、对芳族聚酰胺、变性聚丙烯腈、 酚醛纤维(novoloid)、三聚氰胺、聚氯乙烯、抗静电纤维、PBO(1，4-苯 二甲酸，二盐酸4，6-二氨基-1，3苯二酚的聚合物)、PBI(聚苯并咪唑) 和其组合。一些实施方案的尼龙短纤维可使纱和织物在强度和/或抗磨 性方面增强。与相对较弱的纤维(如棉和羊毛)组合时这是特别真实的。

本文制备和使用的尼龙短纤维具体特征包含用于制备纤维的尼 龙的甲酸RV、纤维旦尼尔、纤维强度和根据7％伸长率的纤维强度定 义的纤维承载能力。

本文需要的尼龙短纤维材料的实现也基于有确定选择特性的尼 龙聚合物材料在短纤维制造中的使用。用于尼龙长丝纺制的尼龙聚合 物自身能用常规的方式生产。适合用于本发明的方法和长丝中的尼龙 聚合物由合成的可熔纺或熔纺聚合物组成。该尼龙聚合物可包含聚酰 胺均聚物、共聚物和其混合物，该混合物主要为脂肪族的，即聚合物 的少于85％的酰胺连结为连接到两个芳族环。依照一些实施方案，广 泛使用的聚酰胺聚合物如聚(己二酰己二胺)(尼龙6，6)和聚(ε-己内酰 胺)(尼龙6)及它们的共聚物和混合物可被使用。可以有利地使用的其 它聚酰胺聚合物是尼龙12、尼龙4，6、尼龙6，10、尼龙6，12、尼龙12，12 和它们的共聚物和混合物。能在本发明的方法、纤维、纱和织物中使 用的聚酰胺和共聚酰胺的例证，在美国专利第5,077,124号、第 5,106,946号和第5,139,729号(各授予Cofer等)中被描述，聚酰胺聚合物 的混合物由Gutmann公开于Chemical Fibers International(国际化学纤 维)，418-420页，第46卷，1996年12月。这些出版物都通过引用结合到 本文中。

用于制备尼龙短纤维的尼龙聚合物常规通过使适当的单体、催化 剂、抗氧化剂和其它添加剂(例如增塑剂、除光剂、色素、染料、光稳 定剂、热稳定剂、减少静电的抗静电剂、用于改变染料能力的添加剂、 用于改变表面张力的试剂等)反应来制备。聚合通常在连续的聚合器或 间歇高压釜中执行。由此生产的熔融聚合物接着通常被引进至纺丝喷 丝头，其中它受推力通过合适的喷丝板以形成长丝，所述长丝被骤冷 接着形成用于最终处理为尼龙短纤维的丝束。如本文使用的纺丝喷丝 头由在喷丝头顶部的喷丝头盖子，在喷丝头底部的喷丝板和夹在前述 两部件中间的聚合物过滤支持物组成。该过滤支持物中有一个中央凹 座。盖子和过滤支持物的凹座配合限定一个密闭的袋，在其中聚合物 过滤介质(如沙子)被接收。向喷丝头内部提供通道以允许熔融聚合物 流通，所述熔融聚合物由泵或挤压机供应并穿过该喷丝头并最终通过 喷丝板。该喷丝板有在其中延伸的一系列小的、精确的孔，所述孔运 送聚合物至喷丝头的下表面。在该喷丝板的下表面，这些孔的口形成 一系列洞口，该表面确定骤冷区域的顶部。聚合物以长丝的形式离开 这些洞口，所述长丝然后指引向下通过骤冷区域。

在连续聚合器或间歇高压釜中，进行聚合的程度大体能以称为相 对黏度或RV的参数的方法量度。RV是指尼龙聚合物在甲酸溶剂中 的溶液的黏度与甲酸溶剂本身黏度的比。RV的测定在下文的测试方 法部分中有更详细的描述。RV被认为是尼龙聚合物分子量的间接指 示。出于本文目的，增加尼龙聚合物RV被认为是与增加尼龙聚合物 分子量是相同的。

当尼龙分子量增加时，由于尼龙聚合物增加的黏度它的处理变得 更加困难。因此，通常操作连续的聚合器或者间歇高压釜以提供用于 最终加工为短纤维的尼龙聚合物，其中所述尼龙聚合物RV值为约60 或更少。

已知出于某些目的，提供较大分子量的尼龙聚合物，即RV值大 于70-75和高达140或甚至190及更高的尼龙聚合物可为有利的。已 知，例如，这种类型的高RV尼龙聚合物具有改善的对挠曲磨损和化 学降解的抗性。因此，这些高RV尼龙聚合物特别适合纺制为尼龙短 纤维，所述尼龙短纤维能有利地用于制备造纸毡。用于制备高RV尼 龙聚合物和由其制备的短纤维的程序和仪器公开于Kidder的美国专 利第5,236,652号及Schwinn和West的美国专利第6,235,390号、第 6,605,694号、第6,627,129号和第6,814,939号中。所有这些专利通 过引用全文结合到本文。

依照本发明，已发现RV值高于通常通过在连续聚合器或间歇高 压釜中聚合得到的尼龙聚合物的尼龙聚合物制备的短纤维，依照本文 描述的纺制、骤冷、拉伸和退火步骤加工，可显示出合适的高的承载 能力(该承载能力以7％伸长率值时T₇强度量度)，甚至在较低的拉伸 比时。当该合适的高承载能力的相对高RV尼龙短纤维与棉短纤维混 纺时，合适的高强度的织物纱能被实现。用该纱编织的NYCO织物显 示出前面描述的关于抗磨、强度、耐久性、任选较轻的重量、舒适和 /或低成本的优点。

依照本文短纤维制备方法，经过一个或多个纺丝喷丝头喷丝板熔 纺成形成丝束的长丝并骤冷的尼龙聚合物，将有约65-100的RV值。 在一个实施方案中，本文熔纺成形成丝束的长丝的尼龙聚合物RV将 为约68-95或甚至70-85的RV。有该RV特征的尼龙聚合物可被通过， 例如，使用上述Kidder’652专利的聚酰胺浓缩物的熔融混纺步骤制 备。Kidder公开了确定的实施方案，其中加入到聚酰胺浓缩物中的添 加剂是用于增加甲酸相对黏度(RV)的催化剂。能用于熔融和纺制的较 高RV尼龙聚合物，也可依照固相聚合(SPP)步骤来提供，其中尼龙聚 合物薄片或粒料被调节成可增加RV到需要的程度。该固相聚合(SPP) 步骤在前面提到的Schwinn/West‘390，’694，’129和’939专利中有更 详细的公开。

如本文前面描述那样制备并有如本文规定的必要RV特征的尼龙 聚合物材料，被填至纺丝喷丝头，例如通过双螺杆熔融器装置。在 该纺丝喷丝头中尼龙聚合物被挤压通过一个或多个喷丝板纺制成大 量的长丝。出于本文目的，术语“长丝”被定义为一个相对柔性的、有 高的长宽比的宏观均质体，所述的宽指穿过其横截面积垂直于其长度 的宽度。该长丝横截面可为任何形状，但通常是圆形。本文中术语“纤 维”也可与术语“长丝”交换使用。

每个单独的喷丝板位点可在小至9英寸乘7英寸(22.9cm×17.8cm) 的面积包含100-1950条长丝。纺丝喷丝头仪器可以包含1-96个位点， 每个所述位点提供成束的长丝，所述长丝最终组合为单一丝束带，与 其它丝束带一起用于拉伸/下游处理。

离开该纺丝喷丝头的喷丝板后，被挤压通过每一个喷丝板的熔融 长丝通常通过骤冷区域，其中多种骤冷条件和构型可用于固化该熔融 聚合物长丝，并使它们适合收集一起成为丝束。骤冷最普通的执行方 式是通过冷却气体，例如，空气，朝向、处于、伴随、围绕和通过从 纺丝喷丝头的每个喷丝板位点正被挤压进骤冷区域的长丝束。

一个合适的骤冷构型是交叉流骤冷，其中冷却气体(如空气)沿基 本垂直于挤压的长丝穿过骤冷区域的方向的方向被推动进入骤冷区 域。交错流骤冷排列，连同骤冷构造，描述于美国专利第3,022,539 号、第3,070,839号、第3,336,634号、第5,824,248号、第6,090,485 号、第6,881,047号和第6,926,854号中，所有这些专利都通过引用结 合到本文中。

本文短纤维制备方法一个重要的方面是用于最终形成需要的尼 龙短纤维的挤压的尼龙长丝应该在方位均匀性和骤冷条件均匀性情 况纺制、骤冷及形成丝束，这足以允许使用提供需要的最终的短纤维 T₇强度(例如，T₇大于2.5克每旦尼尔，或者在另一个实施方案中，大 于3.2克每旦尼尔)的拉伸比。方位均匀性包含方位内均匀性和方位间 均匀性。

两种类型的方位均匀性可通过小心地控制填料至纺丝喷丝头的 尼龙聚合物温度来改善，这与简单地监视用于加热聚合物供应管线和 喷丝头套管(well)的热交换介质温度相反。美国专利第5,866,050号(通 过引用结合到本文)，公开了一种更好控制尼龙聚合物温度的方法并涉 及有均匀聚合物温度的重要性。为了达到这个目的公开的该具体方法 包含用于加热纺丝喷丝头至高于预设的聚合物入口温度的第一预设 参考温度的第一温度控制设备，使得纺丝喷丝头中横跨聚合物过滤支 持物和喷丝板的温度基本均匀。其中有至少一个聚合物流通道的板组 件被布置在泵的出口和纺丝喷丝头的进口之间。提供了用于独立控制 该板组件的温度至第二预设参考温度的第二温度控制设备。依照此处 公开的本发明中使用的温度控制策略和方法与随后将要描述的十分 不同。

聚合物的重新熔融，例如在双螺杆熔融器中，而不是从连续的聚 合(CP)操作提供聚合物，也可帮助在均匀控制的温度提供聚合物到纺 丝喷丝头和骤冷烟囱。相对于仅在喷丝板/喷丝头之前一个相似的位置 测定热交换介质温度的连续聚合单元，双螺杆熔融器有能力在运送至 喷丝板前各种位置测定和控制聚合物温度。联系本文公开的方法的进 展，观察到当连续聚合器的操作被双螺杆熔融器取代时，连续操作运 行延长的时间段时，聚合器和纺丝喷丝头间运输管线中聚合物温度的 变动由+/-2.5℃减少为+/-0.6℃。从连续的聚合器制备的聚合物也已知 包含为降解的或交联的聚合物的凝胶。凝胶可引起下游的在断裂的长 丝方面的拉伸问题。众所周知相对于来自CP单元的聚合物供应，已 发现使用双螺杆熔融器能减少凝胶的数量。这是能使挤压的长丝制造 得更均匀和以更高比拉伸的聚合物供应特征的一个实例。

纺制中心位点间长丝束均匀性也可影响下游拉伸处理。位点间长 丝束均匀性问题源头在于仪器和骤冷介质的设计。使用较少的纺制位 点可促进位点间均匀性的改善。关于维持沿着纺制仪器管道作业的长 度的恒定骤冷介质压力，相对于例如40甚至96个位点，有20或更 少喷丝板位点的纺制仪器更容易控制。与常规实践相比骤冷介质管道 系统长度减少约50％，与此关联的较少位点允许提供至纺制中心的更 均匀、非紊流的骤冷介质供应。

促进均匀长丝生产的纺制中心的另一个设计特征涉及到骤冷介 质过滤系统。一个改良的骤冷空气过滤系统，在纺制中心的上游，持 续监视穿过该滤器的压降来控制后过滤的气流和压力。气流和压力是 与纺制的产物纺制相关的因素。

能提供改良的位点间长丝的均匀性的纺制中心的其它设计特征， 是使喷丝头/喷丝板精确地位于骤冷烟囱的中心。所有这些设计特征改 善了在仪器上待纺制的产物位点间的均匀性，并有助于由长丝形成的 丝束的下游拉伸性能的改善，所述长丝被纺制并骤冷。

位点内长丝的均匀性对丝束的下游处理和获得需要的所得的短 纤维性质有最大的影响。大量先有技术文献讨论以较高处理量制备并 使用高长丝密度熔纺方法得到均匀性质的长丝中遇到的问题。美国专 利第4,248,581号提到用均匀的方式骤冷长丝和交叉流骤冷相关的困 难。本文前面引用的‘539、‘839、‘634、‘248；‘485、‘047和‘854专利 对这些问题同样有讨论。该位点内问题与骤冷区域内的骤冷条件均匀 性关联，克服该位点内问题是允许使用一般较高拉伸比方面的一个重 要因素，所述较高拉伸比用于本文方法的随后的拉伸/退火阶段。

在一些交叉流骤冷操作中，骤冷空气从矩形的长丝阵列的一侧被 推动通过熔融的聚合物长丝束。可由这种类型的长丝骤冷引起的问 题，是离气流最近的长丝列首先或较快骤冷，而离气流较远的长丝列 在较晚的时间骤冷。同样在很多专利中显示的是随着长丝的向下运动 骤冷空气受到牵引，及当它移动穿过长丝阵列或束的时候被加热。这 引起熔融长丝的不平均骤冷。这种不平均、非均匀骤冷可在前、中和 后长丝间产生结晶化差异。如果该结晶化差异足够大，它能引起长丝 束中纤维或多或少的拉伸。换句话说，那些骤冷烟囱中早期完全骤冷 的长丝相对于较晚骤冷的可能不会拉伸至同样的比。此种情况，反过 来，当由这种非均匀长丝形成的丝束在较高的拉伸比拉伸时，能导致 过度的长丝断裂；或可限制拉伸比，由于拉伸机器的不可操作性所述 拉伸比可被使用。

如Ziabicki出版物“Fundamentals of Fibre Formation”(“纤维形成原 理”)(J Wiley & Sons)，1976，p196ff和p 241所述，喷嘴设备正下方冷 却条件对丝线的质量是决定性的。另外，丝束对骤冷介质流施加了显 著的阻力，所述阻力可能基于以下事实：吹出的空气在丝束周围流动， 而不是流动通过该相同丝束区域。Ziabicki也公开在温度分布上甚至 观察到更明显的影响。丝束前、丝束之外，还有丝束中测定的空气温 度差异可为真实的。他引用了另一个研究，其中取自丝束不同部分的 长丝的构造和力学性质与丝束独立部分中空气温度的范围是有关的。 Ziabicki认为，通常，非均匀结构的结果是屈服应力和应力-应变特征 的变化。这个影响的结果是，如果经受拉伸的材料由不同结构组成， 则不同部分的有效拉伸比也将会不同。

湍流骤冷介质流(例如涡流)可引起熔融长丝相互间产生接触并粘 贴。这些粘贴的纤维也可导致下游长丝破损问题。

为最小化前述类型的问题，本发明的方法中使用的骤冷区域或小 室应该被设计和安装，以使得所有的长丝束在相同的时限基本都处于 相同的骤冷条件。在骤冷区域中创造这样的均匀骤冷条件时，一个重 要因素涉及到当冷却气流进入、流过及离开该骤冷区域或小室时，提 供可控的和均匀的冷却气流(如空气)。

多种特征可用于改善骤冷气流的均匀性。挡板可位于烟囱里用于 阻止空气流经丝束周围而不通过丝束。这些挡板可被调整至也阻止烟 囱中涡流或湍流空气，所述空气一般导致粘贴的、熔融的长丝。烟囱 门或管道中的穿孔也可用于较好的控制骤冷介质的湍流。通过引用结 合到本文的美国专利第3,108,322号、第3,936,253号和第4,045,534 号公开挡板和穿孔在烟囱骤冷系统中用于改善骤冷和减少粘贴的长 丝的用途。

可用于改善方位均匀性的另一个修改是使用单体收集装置，所述 装置允许位点调整和横跨机器牵拉的全部真空方面的调节。合适的单 体收集装置还可有较大的矩形开口，该开口在需要时可用于牵引另外 的空气通过丝束，但对其控制以防止长丝离开丝束。

大体上，使用一些或者全部前述的纺制和骤冷特征的组合以保证 纺制提供均匀性(即在单丝旦数、结晶度等方面较多均匀)的未拉伸的 纤维，这些纤维在下文描述的拉伸/退火步骤中，可相应地被拉伸更多 而不会出现不适当频率的长丝断裂。这相应地允许制备在7％伸长率 和断裂时较高强度的尼龙短纤维。

已使用上述的均匀性加强技术形成的骤冷的纺制长丝，可组合成 一个或多个丝束。由来自一个或多个喷丝板的长丝形成的此丝束，接 着经受两阶段的连续操作，其中该丝束被拉伸和退火。

丝束的拉伸通常是主要在最初或第一拉伸阶段或区域中执行，其 中丝束带在一套喂料辊和一套拉伸辊(以较高的速度运行)间通过，以 增加丝束中长丝的结晶取向。丝束的拉伸程度能被指定的拉伸比量 度，所述拉伸比是指该拉伸辊较高的外围速度与喂料辊较低的外围速 度的比。

第一拉伸阶段或区域可以包含几套喂料辊和拉伸辊，以及其它丝 束引导辊和张力辊(例如拉伸点固定销)。拉伸辊表面可以由金属(如铬) 或陶瓷制造。

已发现陶瓷拉伸辊表面在允许使用相对较高的拉伸比时有特别 的优势，所述拉伸比指定用于与本文的短纤维制备方法关联。陶瓷辊 改善辊的寿命并提供倾向于较少缠绕的表面。International Fiber  Journal(国际纤维期刊)出版的一篇文章((International Fiber Journal， 17，1，2002年2月：“Textile and Bearing Technology for Separator Rolls， Zeitz和el.)，以及美国专利第4,494,608号(两者都通过引用结合到本 文)，同样公开陶瓷辊用于改善辊的寿命和减少纤维粘在辊表面的用 途。

影响丝束拉伸的仪器元件的特定排列描述于本文前面提到的 Hebeler美国专利第3,044,520号、第3,188,790号、第3,321,448号及 第3,459,845号，和Thompson美国专利第5,093,195号和第5,011,645 号中，所有这些专利通过引用结合到本文。优选的陶瓷辊可被例如， 像Thompson美国专利第5,093,195号的图2中标记为元件12、13和 22的一些或全部的辊一样安装。

本文长丝束的最大程度拉伸发生在最初或第一拉伸阶段或区域， 而一些附加的丝束拉伸一般也将发生在本文后面描述的第二或退火 和拉伸阶段或区域。本文的长丝束经受的拉伸总数可通过指定总有效 拉伸比来量度，所述总有效拉伸比考虑到发生在第一最初的拉伸阶段 或区域和在第二退火和拉伸阶段或区域。

在本发明的方法中，尼龙长丝束经受2.3-4.0或者3.0-4.0的总有 效拉伸比。在一个其中丝束的单丝旦数通常较小的实施方案中，总有 效拉伸比可为2.5-3.40、2.5-3.0和3.12-3.40。在另一实施方案中，其 中丝束的单丝旦数通常较大，总有效拉伸比可为3.25-4.0(如3.5-4.0， 和3.25-3.75)。

在一些实施方案的方法中，如本文前面提到，丝束的大部分拉伸 发生在第一或最初的拉伸阶段或区域。尤其，给予丝束的拉伸的总量 的85％-97.5％，或更优选的92％-97％将发生在第一或最初的拉伸阶段 或区域。当长丝已穿过熔纺操作的骤冷区域时，无论温度如何，第一 或最初阶段的拉伸操作一般会被执行。通常，该第一阶段拉伸温度为 80℃-125℃。

从第一或最初拉伸阶段或区域，部分拉伸的丝束被传递到第二退 火和拉伸阶段或区域，其中该丝束被同时加热和进一步拉伸。丝束的 加热影响退火旨在增加长丝尼龙聚合物的结晶度。在该第二退火和拉 伸阶段或区域，该丝束的长丝经受了145℃-205℃的退火温度，更优 选，使用165℃-205℃的退火温度。在一个实施方案中，该退火和拉 伸阶段中丝束的温度可以通过将丝束与蒸汽加热的金属板接触来达 到，所述金属板在第一阶段拉伸和第二阶段拉伸和退火操作之间放 置。

在本文方法的退火和拉伸阶段之后，经过拉伸和退火的丝束冷却 到80℃以下的温度，更优选低于75℃。贯穿本文描述的拉伸、退火 和冷却操作，该丝束维持在可控的张力下并相应地不允许松弛。

拉伸、退火和冷却之后，该多长丝束以常规的方式(例如使用纤维 切断机)转化为短纤维。由该丝束形成的短纤维长度一般为 2-13cm(0.79-5.12英寸)。更优选，2-12cm(0.79-4.72英寸)或 2-12.7cm(0.79-5.0英寸)或甚至5-10cm的短纤维可被形成。本文短纤 维可为卷曲，但更优选将为不卷曲的。

依照一些实施方案形成的尼龙短纤维一般将以纤维的集合(如纤 维包)被提供，其中单纤维旦数为1.0-3.0。将要制备单纤维旦数为 1.6-1.8的短纤维时，2.5-3.0的总有效的拉伸比可用于本文方法中，以 提供有需要的承载能力的短纤维。将要制备单纤维旦数为2.1-3.0，或 2.5-3.0的纤维时，约3.25-3.75的总有效的拉伸比应用于本文方法中， 以提供有需要的承载能力的短纤维。

本文的尼龙短纤维将有7％伸长率的强度(T₇)测定大于2.5克每旦 尼尔(如大于3.2克每旦尼尔)的承载能力。本文尼龙短纤维的T₇值将 为2.5-5.0克每旦尼尔，包含3.0-5.0、3.3-4.0克每旦尼尔、和3.4-3.7 克每旦尼尔。本文尼龙短纤维也可具有至少约6.0克每旦尼尔的断裂 强度T。一些实施方案的短纤维可具有大于6.5克每旦尼尔(包含 7.0-8.0克每旦尼尔)的断裂强度T。

本文提供的尼龙短纤维特别用于与其它纤维混纺，用于多种类型 的纺织品应用。混纺产品可被，例如，用一些实施方案的尼龙短纤维 与其它合成纤维(如人造丝或聚酯)组合制备。本文尼龙短纤维的混纺 产品也可以用天然纤维素纤维(如棉、亚麻、大麻、黄麻和/或苎麻)制 备。精密混纺这些纤维的合适方法可以包含：膨化(bulk)，在梳理前机 械混纺该短纤维；在梳理前和梳理期间膨化机械混纺该短纤维；或在 梳理后和纱纺制前至少两架拉伸机混纺该短纤维。

依照一个实施方案，本文高承载能力尼龙短纤维可以与棉短纤维 混纺，并纺制为纺织纱。该纱可以用常规的方式纺制，使用通常已知 的短的和长的短纤维纺制方法(含环锭纺纱、喷气或涡流纺纱、自由端 纺纱或摩擦纺纱)。这样产生的纺织纱的棉纤维∶尼龙纤维重量比一般 将为20∶80-80∶20，更优选为40∶60-60∶40，并且通常棉∶尼龙重量比为 50∶50。在本领域纤维含量标称变动是公知的，如52∶48同样被认为是 50∶50混纺纱。本文高承载能力尼龙短纤维制备的纺织纱通常会显示 至少2800的棉纱品质指标值，更包含在50∶50NYCO含量中至少为 3000。或者，该纱可以有至少17.5或18cN/特的断裂强度，包含在50∶50 NYCO含量时至少19cN/特。

在一个实施方案中，本文的纺织纱将被用单丝旦数为1.6-1.8或者 为1.55-1.75的尼龙短纤维制备。另一个实施方案中，本文的纺织纱将 用单丝旦数为2.1-3.0(例如2.5-3.0，或者2.3-2.7)的尼龙短纤维制备。

一些实施方案中的尼龙/棉(NYCO)纱能以常规的方式用于制备 NYCO机织物，所述机织物有特别需要的特性能用于军事或其它恶劣 条件使用的服装的性质。因此该纱可以被织成2×1或3×1的斜纹 NYCO织物。纺制NYCO纱及包含该纱的3×1的斜纹机织物大体 上描述并例证于Green的美国专利第4,920,000号中。该’000专利通 过引用结合到本文。

当然，NYCO机织物包含经向和纬向(纬的)方向纱。本发明的机 织物为在这些方向中至少一个方向，并且优选两个方向有NYCO纺织 纱的机织物。在一个特别优选的实施方案中，有特别需要的耐久性和 舒适性的本文织物将有在纬向(纬的)方向编织的纱和在经向方向编织 的纱，所述纬向的纱包含单丝旦数为1.6-1.8或1.55-1.75的本文尼龙 短纤维，所述经向的纱包含单丝旦数为2.1-3.0或2.5-3.0的本文尼龙 短纤维。

本文使用包含本文抗磨和/或高承载能力的尼龙短纤维的纱制备 的机织物，可比常规NYCO织物使用更少的尼龙短纤维，同时保留许 多需要的该常规NYCO织物的性质。因此，该织物可被制备成相对轻 便和低成本的产品而仍然理想地抗磨、高强度和/或耐用。或者，该织 物可使用相对常规NYCO织物的尼龙纤维含量等量或甚至更大量的 本文尼龙短纤维制备，同时本文所述织物提供更好耐久性的性质。

一些实施方案中轻便织物(如NYCO织物)的织物质量可以少于 220g/m²(6.5oz/yd²)，包含少于200g/m²(6.0oz/yd²)或少于175g/m2 (5.25oz/yd²)。一些实施方案中耐用NYCO织物(如NYCO织物)在经 向方向抓样强度可以为190lb或者更大，及在纬向(纬的)方向抓样强 度为80lb或者更大。本文其它耐用织物将为在“被认可的”织物中的撕 裂强度为：经向方向为11.0lbf(磅·英尺)或者更大，及纬向方向为9.0 lbf或者更大的织物。

本文其它耐用织物将为那些有至少600个循环至失效，更优选， 至少1000个循环至失效的Taber(泰伯)抗磨度。本文其它耐用织物在 经向和纬向方向会有50,000(循环)或者更大的挠曲磨损。优选的织物 混纺比为标称50/50，如50/50尼龙棉。本领域的技术人员会意识到抗 磨性能将取决于织物重量，较高织物质量有助于改良性能。当制备的 织物质量为5.6-6.5oz/yd²时，本文公开的织物显示挠曲磨损值在经向 为60,000循环至高达70,000循环，及纬向为68,000-80,000。这些值 将被在“被认可的”条件比较。在“被认可的”或未洗涤状态，同样 上述的织物构造的Taber磨损值可为600循环至1900循环。

测试方法

当本文的聚合物、纤维、纱和织物的各种参数、性质和特征被详 细说明时，应当理解该参数、性质和特征可使用以下类型的测试程序 和仪器来测定：

尼龙聚合物相对黏度

本文使用的尼龙材料的甲酸RV，指在25℃毛细管黏度计测定的 溶液和溶剂黏度比。该溶剂是含10％重量的水的甲酸。该溶液为溶解 于该溶剂中的8.4％重量的尼龙聚合物。该测试基于ASTM标准测试 方法D789。优选甲酸RV用拉伸前或者拉伸后的纺制的长丝测定，并 可被认为是纺制纤维甲酸RV。

短纤维的Instron(英斯特朗)测量

本文的短纤维的所有Instron测量都是用单一短纤维进行，适当小 心地夹紧该短纤维，并进行至少10根纤维的测量取平均值。一般地， 至少3组测量(每组10根纤维)在一起取平均值以提供测定的参数的 值。

长丝旦尼尔

旦尼尔是长丝的线密度，以9000m长丝的克数的重量表示。旦尼 尔可用来自德国慕尼黑的Textechno的Vibroscope(示振仪)测定。旦尼 尔乘以(10/9)等于分特(dtex)。单丝旦数可依照ASTM标准测试方法 D1577进行重力测试。

断裂强度

断裂强度(T)是长丝的最大力或者断裂力，表示为每单位横截面的 力。该强度可用得自Instron of Canton，Mass.的1130型Instron测定， 并报告为克每旦尼尔(克每分特)。长丝断裂强度(和断裂伸长率)可依 照ASTM D885测定。

长丝7％伸长率强度

长丝7％伸长率强度(T₇)是为达到7％伸长率施加到长丝的力除以 长丝旦尼尔数。T₇可依照ASTM D 3822测定。

纱强度

本文纺制的尼龙/棉纱的强度可以以棉纱品质指标值或纱断裂强 度量度。棉纱品质指标和绞纱断裂强度是纺织纱的平均强度的常规量 度，并且可依照ASTM D1578测定。棉纱品质指标值用磅力单位报告。 断裂强度用cN/特单位报告。

织物重量

本文机织物织物重量或单位重量可通过以下方法测定：称重已知 面积织物样品，并依照ASTM D3776标准测试方法的程序计算按克 /m²或者oz/yd²的重量或单位重量计算。

织物抓样强度

织物抓样强度可依照ASTM D5034测定。抓样强度测量以经向和 纬向两个方向的磅-力报告。

织物撕裂强度-Elmendorf(埃尔门多夫)

织物撕裂强度可依照以下方法测定：ASTM D1424，标题为 Standard Test Method for Tearing Strength of Fabrics by  Falling-Pendulum Type(Elmendorf)Apparatus(用于织物撕裂强度的通 过落锤型(Elmendorf)测试仪进行的标准测试方法。抓样强度测量用经 向和纬向两个方向的磅-力报告。

织物抗磨性度-Taber(泰伯)

织物抗磨性度可以以ASTM D3884-O1，标题为Abrasion  Resistance Using Rotary Platform Double Head Abrader(使用旋转平台 双头磨耗机测定抗磨性度)测量的Taber抗磨性度进行测定。结果用失 效循环数报告。

织物抗磨性度-Flex(挠曲)

织物抗磨性度可以以ASTM D3885，标题为Standard Test Method  for Abrasion Resistance of Textile Fabrics(Flexing and Abrasion  Method)(纺织织物抗磨性度的标准测试方法(挠曲和磨损方法))测量 的挠曲抗磨性度进行测定。结果用失效循环数报告。

本发明的特征和优势通过以下的实施例更全面地展示，所述实施 例出于说明，而非作为以任何方式限制本发明的目的被提供。

实施例

本发明的一些实施方案能通过以下的实施例说明。本文实施例 中，制备了各种不同的尼龙短纤维。使用的处理包含SPP阶段、长丝 纺制阶段、拉伸和退火阶段及短纤维制备阶段。这样制备的短纤维然 后与棉短纤维纺制成NYCO纱。

在所有情况下，前体尼龙聚合物薄片被填料至固相聚合(SPP)罐。 该前体薄片聚合物为均聚物尼龙6，6(聚己二酰己二胺)，以16份每百 万的重量浓度含有聚酰胺化催化剂(即得自办公室在Niagara Falls， N.Y.的Occidental Chemical Company的次磷酸锰)。所述被填入SPP 罐的前体薄片的甲酸RV约为48。

在SPP罐中，调控气体被用于增加尼龙聚合物薄片的RV至75-85 的值，例如约80。该较高RV薄片材料被从SPP罐中移出，并填料至 双螺杆熔融器，接着至纺丝喷丝头用于通过喷丝板熔纺成为长丝。挤 压通过喷丝板的长丝穿过骤冷区域，然后汇成连续的长丝束。

该连续的长丝束然后在两阶段操作中被拉伸和退火，使用美国专 利第5,011,645号描述的仪器和程序。这个两阶段程序中使用的各种 有效拉伸比见表1。该丝束拉伸至同样见于表1的相对较小的单丝旦 数(dpf)。经拉伸和退火的丝束然后冷却到80℃以下，并被剪切为具有 表1显示的特征的尼龙短纤维。

表1

用相同相对高RV的尼龙聚合物材料形成相似尼龙短纤维，使用 替代的稍高的纺制旦尼尔供应和对应的较高有效拉伸比，及生产较高 的单丝旦数值的短纤维。这些纤维的特征见表2。

表2

表1中的尼龙短纤维被环锭纺为具有各种尼龙对棉短纤维比率的 尼龙/棉混纺纱。通过测定它们的断裂强度和棉纱品质指标值确定，该 纱有非常好的纱强度。当用于50/50尼龙/棉混纺且纱支数为16/1-20/1 时，这些纱棉纱品质指标值为2800-3600和断裂强度为 17.5cN/Tex-22.5cN/tex。

表1尼龙短纤维与棉短纤维以标称50∶50混纺的环锭混纺纱形成 的纱，编织成2X1斜纹织物构造。在该织物中，20/1棉支数纱在经向 编织和16/1或20/1棉支数纱在纬向编织，取决于重量。用上述的纱 制备的织物重量可为5.6-6.5oz/yd2。如本文使用，棉纱支数指基于840 码长度的纱编号系统，并且其中纱的支数等于1磅重所需的840码绞 纱的数量。以这种方式用含该尼龙短纤维的纱制备的织物显示出非常 好的抓样强度和撕裂强度特性。这些织物可有以下抓样强度：经向为 200lbf-275lbf和纬向为90-175lbf的。这些织物也可有经向为12.0 lbf-14.5lbf和纬向为10.0lbf-12.0lbf的Elmendorf撕裂强度值。本领域 技术人员会意识到较重的织物重量，如大于6.5oz/yd²的那些，会预期 显示出甚至更高的抓样强度和撕裂强度。(更重要的，Taber和挠曲磨 损测试确定这些织物有优秀的抗磨性。对于上述织物，挠曲磨损值可 为：经向为60,000循环至70,000循环高，纬向为68,000-80,000。这 些值在“被认可的”条件比较。对于上述织物构造，Taber磨损值在 “被认可的”或未洗涤状态可为600循环至1900循环。

虽然目前被认为是本发明中优选的实施方案都已经被描述，但本 领域技术人员会认识到在不违背本发明精神情况下可对其进行改变 和修改，并且预期所有这些改变和修改包含在本发明实际范围内。