專利名稱：防電弧和防火的變性聚丙烯腈/芳族聚酰胺纖維共混物的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及適用于生產(chǎn)具有防電弧性能和防火性能的織物的共混紗線。本發(fā)明還涉及由該織物生產(chǎn)的衣服。
2.相關(guān)技術(shù)描述靠近激勵電氣設(shè)備的工作人員和應(yīng)對激勵設(shè)備附近突發(fā)事件的救災(zāi)人員要冒電弧和可能由電弧事件造成的火災(zāi)的危險。電弧是涉及數(shù)千伏特和數(shù)千安培電流的極其兇險的事件。電弧是當(dāng)空氣中兩個電極之間的電位差(即電壓)使空氣中的原子離子化并變成能導(dǎo)電時形成的。
授予Ichibori等的美國專利5,208,105公開了包含內(nèi)有大量銻化合物的含鹵纖維和至少一種纖維選自天然纖維和化學(xué)纖維的阻燃復(fù)合材料纖維共混物。把纖維共混物織造成織物并試驗其極限氧指數(shù)，作為其阻燃性的量度。
目前需要具有高度防電弧性能和防火性能的紗線、織物和衣服。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及適用于防電弧和防火織物和衣服的紗線，它包含(a)40～70重量％變性聚丙烯腈纖維，(b)5～20重量％對位-芳族聚酰胺纖維和(c)10～40重量％間位-芳族聚酰胺纖維，所述百分數(shù)都以組分(a)、(b)和(c)之和為基準(zhǔn)計算。
此外，這種織物和衣服能提供抗開裂性和耐磨性。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及提供可用來生產(chǎn)提供防電弧性和阻燃性的織物和衣服的紗線。包含低拉伸強度阻燃纖維的織物和衣服在暴露于電弧的強熱應(yīng)力中時會開裂，從而使穿戴者因入射能而受到額外傷害。電弧一般涉及數(shù)千伏特和數(shù)千安培電流。電弧比來自驟燃的入射能強得多。為了對穿戴者提供防護，衣服或織物必須阻止能量穿透、轉(zhuǎn)移到穿戴者身上。相信這一點要靠織物吸收一部分入射能和織物抗開裂。在開裂期間，織物上形成的孔洞會把穿戴者的表面直接暴露于入射能。
本發(fā)明的紗線、織物和衣服在暴露于電弧的強熱應(yīng)力中時阻止能量轉(zhuǎn)移。相信本發(fā)明減少能量轉(zhuǎn)移的機制是吸收一部分入射能并通過炭化減少透射能。
本發(fā)明的紗線包含變性聚丙烯腈纖維、間位-芳族聚酰胺纖維和對位-芳族聚酰胺纖維的共混物。本發(fā)明的紗線一般包含40～70重量％變性聚丙烯腈纖維、5～20重量％對位-芳族聚酰胺纖維和10～40重量％間位-芳族聚酰胺纖維。優(yōu)選本發(fā)明的紗包含55～65重量％變性聚丙烯腈纖維、5～15重量％對位-芳族聚酰胺纖維和20～30重量％間位-芳族聚酰胺纖維。上述百分數(shù)均以這3種命名組分之和為基準(zhǔn)計算。此外，紗線中還可加入耐磨纖維，以通過提高耐磨性來提高耐久性。
所謂“紗線”是指紡絲或加捻在一起形成連續(xù)股的纖維的集合，它們能用來織造、針織、編結(jié)或添紗，或制成紡織材料或織物。
所謂變性聚丙烯腈纖維是指由主要包含聚丙烯腈的聚合物制成的丙烯酸合成纖維。優(yōu)選該聚合物是包含30～70重量％聚丙烯腈和70～30重量％含鹵乙烯基單體的共聚物。含鹵乙烯基單體是至少一種選自如下一組的單體氯乙烯、偏氯乙烯、溴乙烯、偏溴乙烯等?？晒簿垡蚁┗鶈误w的實例是丙烯酸、甲基丙烯酸、這類酸的鹽或酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、醋酸乙烯酯等。
本發(fā)明的優(yōu)選變性聚丙烯腈纖維是聚丙烯腈與偏氯乙烯組合的共聚物，為了提高阻燃性，該共聚物還含有一種或多種氧化銻。這類適用的變性聚丙烯腈纖維包括，但不限于，美國專利3,193,602所公開的含2重量％三氧化銻的纖維、美國專利3,748,302所公開的用存在量至少2重量％且優(yōu)選不超過8重量％的多種氧化銻制成的纖維，以及美國專利5,208,105和5,506,042所公開的含8～40重量％銻化合物的纖維。
在本發(fā)明的紗線內(nèi)，變性聚丙烯腈纖維提供阻燃的焦炭形成纖維，其LOI一般至少為28，隨銻衍生物摻入量而變。變性聚丙烯腈纖維也阻止因暴露于火煙中所引起的纖維損傷的擴展。變性聚丙烯腈纖維雖然非常阻燃，但其本身提供的拉伸強度不足以為紗線或由這種紗線制成的織物提供暴露于電弧中時所需的抗開裂能力。
如本文所用，“芳族聚酰胺”是指下述聚酰胺至少85％的酰胺鍵(-CONH-)直接連接在2個芳環(huán)上。芳族聚酰胺可以與添加劑一起使用，實際上已發(fā)現(xiàn)，可以把多達10重量％的其它聚合物與芳族聚酰胺進行共混，也可以用多達10％的其它二胺取代芳族聚酰胺中的二胺或多達10％的其它二?；热〈甲寰埘０分械亩；?。適用的芳族聚酰胺纖維已描述在Interscience出版社1968年出版的W.Black等所著的Man-Made Fibers-Science and Technology，Volume 2，page297(人造纖維—科學(xué)與技術(shù)，第二卷，297頁)題為Fiber-FormingAromatic Polyamides(成纖芳族聚酰胺)的部分中。芳族聚酰胺纖維也公開在美國專利4,172,938；3,869,429；3,819,587；3,673,143；3,354,127和3,094,511中。間位-芳族聚酰胺是酰胺鍵在間位上彼此相對的芳族聚酰胺，而對位-芳族聚酰胺是酰胺鍵在對位上彼此相對的芳族聚酰胺。在實踐本發(fā)明時，最常用的芳族聚酰胺是聚對苯二甲酰對苯二胺和聚間苯二甲酰間苯二胺。
在本發(fā)明的紗線內(nèi)，間位-芳族聚酰胺纖維可提供LOI約26的阻燃的焦炭形成纖維。間位-芳族聚酰胺也阻止因暴露于火煙中所引起的纖維損傷的擴展。間位-芳族聚酰胺還可以使由包含本發(fā)明紗線的纖維所形成的織物更舒適。
間位-芳族聚酰胺為紗線和由紗線制成的織物提供更高的拉伸強度。變性聚丙烯腈纖維和間位-芳族聚酰胺纖維的組合是非常阻燃的，但為紗線和由該紗線制成的織物提供的拉伸強度不足以使它們在暴露于電弧中時具有所需的抗開裂性。
在本發(fā)明的紗線中，對位-芳族聚酰胺纖維提供高拉伸強度纖維，當(dāng)加入量足夠多時，能提高由該紗線制成織物的抗開裂性。紗線中大量對位-芳族聚酰胺纖維會使包含該紗線的衣服的穿戴者不舒服。
術(shù)語拉伸強度是指材料在斷裂或失效前所能承受的最大應(yīng)力。撕裂強度是撕裂織物所需的力?？椢锏睦鞆姸纫话闩c織物多么容易撕裂有關(guān)。拉伸強度也可與織物避免變成永久伸長或變形的能力有關(guān)?？椢锢旌退毫褟姸葢?yīng)高到足以使衣服防撕裂或防止以明顯降低衣服防護性的方法發(fā)生永久變形。
此外，在紗線中可加入耐磨纖維以通過提高耐磨性而提高耐久性。所謂耐磨性是指纖維或織物承受表面磨擦的能力。優(yōu)選耐磨纖維是尼龍。所謂尼龍是指由脂肪族聚酰胺聚合物制成的纖維；以及聚六亞甲基己二酰胺(尼龍66)是優(yōu)選的尼龍聚合物。其它尼龍如聚己內(nèi)酰胺(尼龍6)、聚丁內(nèi)酰胺(尼龍4)、聚(9-氨基壬二酸)(尼龍9)、聚庚內(nèi)酰胺(尼龍7)、聚辛內(nèi)酰胺(尼龍8)、聚六亞甲基癸二酰胺(尼龍6，10)等也適用。
耐磨纖維一般占紗線的2～15重量％。耐磨纖維含量少于2重量％的紗線在耐磨性上不表現(xiàn)出明顯的改進。耐磨纖維含量超過15重量％的紗線會降低紗線和由該紗線制成的織物的阻燃性和防電弧性。
此外，在本發(fā)明的紗線、織物和衣服中可加入抗靜電組分。典型的實例是鋼纖維、碳纖維或已有纖維上的碳涂層。碳或金屬如鋼，在加入本發(fā)明的紗線、織物或衣服時，它們的導(dǎo)電性為有助于耗散靜電的積聚提供電導(dǎo)。靜電放電對使用敏感電氣設(shè)備或接近可燃蒸氣的工人可能是非常危險的?？轨o電組分的存在量可以是紗線總量的1～5重量％。
本發(fā)明的紗線可以用本領(lǐng)域熟知的任何紡紗技術(shù)來生產(chǎn)，例如，但不限于環(huán)綻紡紗、包芯紡紗和氣流噴射紡紗或更高的氣流噴射紡紗，如用空氣把短纖維加捻成紗線的Murata氣流噴射紡紗。然后，一般要在把由任何普通技術(shù)生產(chǎn)的單股紗線合股在一起以形成包含至少兩種單股紗線的合股-加捻紗之后轉(zhuǎn)化為織物。
為提供對電弧引起的強熱應(yīng)力的防護性，希望防電弧織物和由該織物制成的衣服具有如下特點高于空氣中氧濃度的LOI，以阻燃；短焦炭長度，說明織物損傷慢擴展；和良好的抗開裂性，以防止入射能直接沖擊保護層以下的表面。
熱防護衣服，如消防員的消防服，一般都能抵制明火產(chǎn)生的對流熱。這類防護服在暴露于由電弧所產(chǎn)生的強能量中時能開裂(即織物中形成開口)，使能量穿透衣服并使穿戴者嚴重受傷。本發(fā)明的織物優(yōu)選提供雙重防護防明火的對流熱并在暴露于電弧中時提供更高的抗開裂和能量轉(zhuǎn)移能力。
術(shù)語織物，如本說明書和所附權(quán)利要求所用，是指用本發(fā)明的一種或多種不同類型的紗線以織造、針織或其它集合法制成的所需保護層。優(yōu)選本發(fā)明的織物是織造織物。非常優(yōu)選本發(fā)明的織物是斜紋組織。
基礎(chǔ)重量是單位面積重量的量度。典型的單位包括盎司/碼2的或g/cm2。本說明書中報告的基礎(chǔ)重量以盎司/碼2(OPSY)報告。隨單位面積織物量的增加，潛在危險與受保護者之間的材料量增加。材料基礎(chǔ)重量的增加意味著將觀察到防護性的相應(yīng)增加。本發(fā)明織物基礎(chǔ)重量的增加導(dǎo)致更高的抗開裂性、更高的防熱因子和更好的防電弧性。本發(fā)明織物的基礎(chǔ)重量一般都大于約8.0opsy，優(yōu)選大于約8.7opsy，非常優(yōu)選大于約9.5opsy。相信基礎(chǔ)重量大于約12opsy的本發(fā)明織物會表現(xiàn)出更高的剛度并因此而降低由這種織物制成衣服的舒適性。
焦炭長度是紡織物阻燃性的量度。焦炭定義為因熱解或不完全燃燒所形成的炭素殘渣。在ASTM 6413-99試驗條件下織物的焦炭長度，如本說明書所報告，定義為受特定撕力后自直接暴露于火煙中的織物邊緣至最遠可見織物損傷點的距離。優(yōu)選本發(fā)明織物的焦炭長度小于6英寸。
本發(fā)明的織物可作為單層使用或作為多層防護服的一部分使用。在本說明書中，織物的防護值是針對單層織物報告的。本發(fā)明還包括由本發(fā)明的織物制成的衣服。
本發(fā)明的紗線可存在于織物的經(jīng)紗或緯紗中。優(yōu)選本發(fā)明的紗線同時存在于所得織物的經(jīng)紗和緯紗中。非常優(yōu)選本發(fā)明的紗線專門存在于織物的經(jīng)紗和緯紗中。
試驗方法磨耗試驗本發(fā)明織物的磨耗性按ASTM D-3884-01“紡織品耐磨性標(biāo)準(zhǔn)指南(旋轉(zhuǎn)平臺，雙頭法)”。
耐電弧試驗本發(fā)明織物的耐電弧性按ASTM F-1959-99“測定服裝材料電弧熱性能值的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法”測定。優(yōu)選本發(fā)明織物的耐電弧性至少為0.8卡/cm2·opsy，更優(yōu)選至少1.2卡/cm2·opsy。
抓樣強力試驗本發(fā)明織物的耐抓性按ASTM D-5034-95“織物斷裂強度和伸長率的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法(抓樣強力試驗)”測定。
極限氧指數(shù)試驗本發(fā)明織物的極限氧指數(shù)(LOI)按ASTM G-125-00“測定液體和固體材料在氣態(tài)氧化劑中著火極限的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法”測定。
撕裂試驗本發(fā)明織物的抗撕裂性按ASTM D-5587-03“Trapezoid法織物撕裂的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法”。
防熱性試驗本發(fā)明織物的防熱性按NFPA 2112“保護工人免遭驟燃的阻燃服的標(biāo)準(zhǔn)”測定。
垂直燃燒試驗本發(fā)明織物的焦炭長度按ASTM D-6413-99“紡織品阻燃性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法(垂直法)”測定。
術(shù)語防熱性(TPP)涉及在織物暴露于直接火煙或輻射熱中時，織物對織物下穿戴者皮膚持續(xù)和可靠的防護能力。
極限氧指數(shù)(LOI)按ASTM G125/D2863在ASTM D2863的條件下氧氮混合物剛好支持一開始在室溫下的材料燃燒的最低氧濃度，以體積百分數(shù)表示。
為說明本發(fā)明提供下列實施例。所有份數(shù)和百分數(shù)都以重量計，溫度是攝氏度，除非另有說明。
實施例變性聚丙烯腈/芳族聚酰胺/尼龍織物實施例1制備經(jīng)紗和緯紗中都有Nomex450型、Kevlar29、變性聚丙烯腈和尼龍的均勻共混物的環(huán)綻紡紗的防熱且耐久的織物。Nomex450型是聚間苯二甲酰間苯二胺(MPD-1)、變性聚丙烯腈是含6.8％銻的ACN/聚偏氯乙烯共聚物(商品名為ProtexC)，Kevlar29是聚對苯二甲酰對苯二胺(PPD-T)，以及尼龍是聚六亞甲基己二酰胺。
制備含30重量％Nomex450型、5重量％Kevlar29、50重量％變性聚丙烯腈和15重量％尼龍的清棉混條，并用環(huán)錠細紗機以傳統(tǒng)的棉體系加工成捻度為3.7的紡紗。由此制成的紗線是24.6特(24棉紗支數(shù))單紗。然后在合股機上把兩股單紗進行合股以制成雙股紗。用類似的方法以及相同的捻度和共混比制成28.1特(21棉紗支數(shù))紗，作緯紗用。然后把這兩種紗線合股成合股紗。
在梭織機上用Nomex/Kevlar/變性聚丙烯腈/尼龍紗線作為3×1斜紋結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗和緯紗。該本色斜紋織物的結(jié)構(gòu)是26經(jīng)紗×17緯紗/cm(66經(jīng)紗×42緯紗/英寸)，基礎(chǔ)重量為240.7g/m2(7.1盎司/碼2)。把如上所述制成的本色斜紋織物浸在熱水中煮煉并在低張力下干燥之。然后用堿性染料噴染該煮煉過的織物。然后對311.9g/m2(9.2盎司/碼2)成品織物試驗其熱和機械性能。
實施例2制備經(jīng)紗和緯紗中都有Nomex450型、Kevlar29、變性聚丙烯腈和尼龍的均勻共混物的環(huán)綻紡紗的防熱且耐久的織物。Nomex450型是聚間苯二甲酰間苯二胺(MPD-1)、變性聚丙烯腈是含6.8％銻的ACN/聚偏氯乙烯共聚物(商品名為ProtexC)，Kevlar29是聚對苯二甲酰對苯二胺(PPD-T)，以及尼龍是聚六亞甲基己二酰胺。
制備含25重量％Nomex450型、5重量％Kevlar29、60重量％變性聚丙烯腈和10重量％尼龍的清棉混條，并用環(huán)錠細紗機以傳統(tǒng)的棉體系加工成捻度為3.7的紡紗。由此制成的紗線是21.1特(28棉紗支數(shù))單紗。然后在合股機上將兩股單紗進行合股以制成雙股紗。用類似的方法以及相同的捻度和共混比制成22.7特(26棉紗支數(shù))紗，作緯紗用。然后把這兩種紗合股成合股紗。
在梭織機上用Nomex/Kevlar/變性聚丙烯腈/尼龍紗線作為3×1斜紋結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗和緯紗。該本色斜紋織物的結(jié)構(gòu)是27經(jīng)紗×21緯紗/cm(68經(jīng)紗×52緯紗/英寸)，基礎(chǔ)重量為223.7g/m2(6.9盎司/碼2)。把如上所述制成的本色斜紋織物浸在熱水中煮煉并在低張力下干燥之。然后用堿性染料噴染該煮煉過的織物。然后對294.9g/m2(8.7盎司/碼2)成品織物試驗其熱和機械性能。
實施例3制備經(jīng)紗和緯紗中都有NomexN303型、Kevlar29、變性聚丙烯腈和尼龍的均勻共混物的環(huán)綻紡紗的防熱且耐久的織物。NomexN303型是92％聚間苯二甲酰間苯二胺(MPD-1)、5％Kevlar29和3％P140(為抗靜電已涂炭的尼龍)，變性聚丙烯腈是含2％銻的ACN/聚偏氯乙烯共聚物，Kevlar29是聚對苯二甲酰對苯二胺(PPD-T)，以及尼龍是聚六亞甲基己二酰胺。
制備含20重量％Nomex450型、10重量％Kevlar29、60重量％變性聚丙烯腈和10重量％尼龍的清棉混條，并用環(huán)錠細紗機以傳統(tǒng)的棉體系加工成捻度為3.7的紡紗線。由此制成的紗線是24.6特(21棉紗支數(shù))單紗。然后在合股機上將兩股單紗進行合股以制成雙股紗。用類似的方法以及相同的捻度和共混比，制成28.1特(21棉紗支數(shù))紗，作緯紗用。然后把這兩種紗合股成合股紗。
在梭織機上用Nomex/Kevlar/變性聚丙烯腈/尼龍紗線作為3×1斜紋結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗和用Nomex/變性聚丙烯腈紗線作為緯紗。該本色斜紋織物的結(jié)構(gòu)是27經(jīng)紗×17緯紗/cm(68經(jīng)紗×42緯紗/英寸)，基礎(chǔ)重量為244.1g/m2(7.2盎司/碼2)。把如上所述制成的本色斜紋織物浸在熱水中煮煉并在低張力下干燥之。然后用堿性染料噴染該煮煉過的織物。然后對325.4g/m2(9.6盎司/碼2)成品織物試驗其熱和機械性能。
實施例4制備經(jīng)紗和緯紗中都有Nomex450型、Kevlar29、變性聚丙烯腈和尼龍的均勻共混物的環(huán)綻紡紗的防熱且耐久的織物。Nomex450型是聚間苯二甲酰間苯二胺(MPD-1)、變性聚丙烯腈是含15％銻的ACN/聚偏氯乙烯共聚物(商品名為ProtexM)，Kevlar29是聚對苯二甲酰對苯二胺(PPD-T)，以及尼龍是聚六亞甲基己二酰胺。
制備含25重量％Nomex450型、10重量％Kevlar29、60重量％變性聚丙烯腈和5重量％尼龍的清棉混條，并用環(huán)錠細紗機以傳統(tǒng)的棉體系加工成捻度為3.7的紡紗。然后在合股機上將兩股單紗進行合股以制成雙股紗。
在梭織機上用Nomex/Kevlar/變性聚丙烯腈/尼龍紗線作為3×1斜紋結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗和緯紗。把如上所述制成的本色斜紋織物浸在熱水中煮煉并在低張力下干燥之。然后用堿性染料噴染該煮煉過的織物。然后對295g/m2(8.7盎司/碼2)成品織物試驗其熱和機械性能。
權(quán)利要求
1.適用于防電弧和防火的紗線，包含(a)40～70重量％變性聚丙烯腈纖維，(b)5～20重量％對位-芳族聚酰胺纖維和(c)10～40重量％間位-芳族聚酰胺纖維，所述百分數(shù)都以組分(a)、(b)和(c)之和為基準(zhǔn)計算。
2.權(quán)利要求1的紗線，包含(a)55～65重量％變性聚丙烯腈纖維，(b)5～15重量％對位-芳族聚酰胺纖維和(c)20～35重量％間位-芳族聚酰胺纖維。
3.權(quán)利要求1的紗線，還含有(d)耐磨纖維。
4.權(quán)利要求3的紗線，其中耐磨纖維的存在量為組分(a)、(b)、(c)和(d)之和的2～15重量％。
5.權(quán)利要求3的紗線，其中耐磨纖維是尼龍。
6.權(quán)利要求1的紗線，還含有抗靜電組分。
7.權(quán)利要求6的紗線，其中抗靜電組分的存在量是紗線總量的1～5重量％。
8.權(quán)利要求6的紗線，其中抗靜電組分包含碳和金屬纖維。
9.權(quán)利要求8的紗線，其中抗靜電組分包含碳。
10.包含適用于防電弧和防火的紗線的織物，所述紗線包含(a)40～70重量％變性聚丙烯腈纖維，(b)5～20重量％對位-芳族聚酰胺纖維和(c)10～40重量％間位-芳族聚酰胺纖維，所述百分數(shù)都以組分(a)、(b)和(c)之和為基準(zhǔn)計算。
11.權(quán)利要求10的織物，其中所述紗線包含(a)55～65重量％變性聚丙烯腈纖維，(b)5～15重量％對位-芳族聚酰胺纖維和(c)20～35重量％間位-芳族聚酰胺纖維。
12.權(quán)利要求10的織物，還包含(d)耐磨纖維。
13.權(quán)利要求12的織物，其中耐磨纖維的存在量是組分(a)、(b)、(c)和(d)之和的2～15重量％。
14.權(quán)利要求12的織物，其中耐磨纖維是尼龍。
15.權(quán)利要求10的織物，還包含抗靜電組分。
16.權(quán)利要求10的織物，按照ASTM D-6413-99測定，其焦炭長度小于6英寸。
17.權(quán)利要求10的織物，按照ASTM F-1959-99測定，其耐電弧性至少為0.8卡/cm2·opsy。
18.權(quán)利要求17的織物，其中耐電弧性至少為1.2卡/cm2·opsy。
19.適用于防電弧和防火的衣服，包含(a)40～70重量％變性聚丙烯腈纖維，(b)5～20重量％對位-芳族聚酰胺纖維和(c)10～40重量％間位-芳族聚酰胺纖維，所述百分數(shù)都以組分(a)、(b)和(c)之和為基準(zhǔn)。
20.權(quán)利要求19的衣服，包含(a)55～65重量％變性聚丙烯腈纖維，(b)5～15重量％對位-芳族聚酰胺纖維和(c)20～35重量％間位-芳族聚酰胺纖維。
21.權(quán)利要求19的衣服，還含有耐磨纖維。
22.權(quán)利要求19的衣服，還含有抗靜電組分。
全文摘要
適用于防電弧和防火的紗線、織物和衣服含有變性聚丙烯腈、對位－芳族聚酰胺和間位－芳族聚酰胺纖維。
文檔編號D02G3/04GK1930335SQ200580008105
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者R·朱, D·古克爾特, S·L·羅瓦西克 申請人:納幕爾杜邦公司