Thermoplastic polyurethane (TPU) staple fiber, a process for producing the same, and the use of TPU staple fiber

Abstract

The present invention relates to a novel thermoplastic polyurethane (TPU) staple fiber and a process for producing the same, and to the use of the TPU staple fiber in producing yarns for fabrics used in shoes upper, pants, T-shirt, chair mesh, watch band and hair band, or stuffing materials for down jacket, quilt and cushion, or nonwoven fabric for synthetic leather, apparel and shoe, or organo sheet.

Description

Thermoplastic polyurethane (TPU) staple fiber, a process for producing the same, and the use of TPU staple fiberTECHNICAL FIELD

[0001] The present invention relates to a novel thermoplastic polyurethane (TPU) staple fiber and a process for producing the same, and to the use of the TPU staple fiber in producing yarns for fabrics used in shoes upper, pants, T-shirt, chair mesh, watch band and hair band, or stuffing materials for down jacket, quilt and cushion, or nonwoven fabric for synthetic leather, apparel and shoe, or organo sheet with combination of carbon staple fiber or aramid staple fiber.BACKGROUND

[0002] Thermoplastic polyurethane (TPU) materials are being massively used in manufacturing fibers, fabrics, and garments. Up to now, there is no disclosure involving staple fiber made from thermoplastic polyurethane.

[0003] EP 3081109B1 discloses thermoplastic polyurethane as base material for manufacturing shoes, without mentioning TPU staple fiber.

[0004] Generally, polyester and cellulose acetate are used for preparing staple fiber. Some patents disclose hybrid yarns such as polyester / spandex. However, traditional staple fibers such as PA staple fiber and PET staple fiber have limitations including: 1) no extensibility and flexibility, especially at low temperature, and no elasticity in both long and wrap directions; 2) not recyclable with other PU or TPU components.

[0005] Therefore, there is a continuous need to provide a novel staple fiber that has good extensibility and flexibility, and can also be recycled in a simple way.SUMMARY OF THE INVENTION

[0006] An object of this invention is to overcome the problem of the prior art discussed above.

[0007] Surprisingly, it has been found by the inventors that the above object can be achieved by a process for producing thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers, comprising:

[0008] (a) a pre-spinning stage, comprising the following steps:

[0009] (a1) melt-spinning a thermoplastic polyurethane to obtain continuous TPU filaments;

[0010] (a2) quenching the TPU filaments; and

[0011] (a3) guiding the TPU filaments by at least one group of rollers to collect the pre-orientated continuous TPU filaments;

[0012] and

[0013] (b) a post-spinning stage, comprising the following steps:

[0014] (b1) drawing the pre-orientated continuous TPU filaments by at least two groups of rollers;

[0015] (b2) passing the drawn TPU filaments into a crimping machine;

[0016] (b3) heat-setting the crimped TPU filaments; and

[0017] (b4) passing the heat-set crimped TPU filaments into a staple cutter to obtain TPU staple fibers;

[0018] wherein the thermoplastic polyurethane has a Shore hardness of higher than 65D measured according to DIN ISO 7619-1, preferably in the range from 68D to 90D, more preferably in the range from 70D to 80D.

[0019] In a further aspect, the invention relates to a process for producing thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers, comprising:

[0020] (c1) melt-spinning a thermoplastic polyurethane to obtain continuous TPU filaments;

[0021] (c2) quenching the TPU filaments;

[0022] (c3) drawing the TPU filaments by at least two groups of rollers;

[0023] (c4) passing the drawn TPU filaments into a crimping machine;

[0024] (c5) heat-setting the crimped TPU filaments; and

[0025] (c6) passing the heat-set crimped TPU filaments into a staple cutter to obtain TPU staple fibers;

[0026] wherein the thermoplastic polyurethane has a Shore hardness of higher than 65D measured according to DIN ISO 7619-1, preferably in the range from 68D to 90D, more preferably in the range from 70D to 80D.

[0027] In a further aspect, the invention relates to a thermoplastic polyurethane (TPU) staple fiber obtainable by the process according to the present invention.

[0028] In a still further aspect, the invention relates to the use of the TPU staple fiber of the present invention in producing yarns for fabrics used in shoes upper, pants, T-shirt, chair mesh, watch band and hair band, or stuffing materials for down jacket, quilt and cushion, or nonwoven fabric for synthetic leather, apparel and shoe, or organo sheet with combination of carbon staple fiber or aramid staple fiber.

[0029] It has been surprisingly found in this application that, the process as mentioned above makes it possible to produce a staple fiber showing good properties such as extensibility and flexibility, and also desirable crimps.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0030] FIG. 1 illustrates a Pre-spinning production of pre-orientated continuous filaments in a two-stage process according to the present invention.

[0031] FIG. 2 illustrates a Post-spinning production of staple fibers in a two-stage process according to the present invention.

[0032] FIG. 3 illustrates a one-stage process for producing thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers according to the present invention.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0033] Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the meaning commonly understood by a person skilled in the art to which the invention belongs. As used herein, the following terms have the meanings ascribed to them below, unless specified otherwise.

[0034] As used herein, the articles “a” and “an” refer to one or to more than one (i.e., to at least one) of the grammatical object of the article. By way of example, “an element” means one element or more than one element.

[0035] As used herein, the expression “comprising” also encompasses the expression “consisting of” .

[0036] Unless otherwise identified, all percentages (%) are “percent by weight” .

[0037] In the context of the present disclosure, any specific values mentioned for a feature (comprising the specific values mentioned in a range as the end point) can be recombined to form a new range. Further embodiments of the present invention are discernible from the claims, the description, and the examples. It will be understood that the aforementioned and hereinbelow still to be elucidated features of the subject matter of the present disclosure are utilizable not only in the particular combination indicated, but also in other combinations without leaving the realm of the present disclosure.

[0038] In the present invention, the following terms have their respective definitions given below.

[0039] “Staple fiber” has an art-recognized meaning, and in an embodiment, refers to the short yarns cut down from man-made chemical filaments, as defined according to the standard GB / T 4146.2-2017. Generally, staple fiber has a length of from 30 to 110 mm, preferably from 40 to 80 mm.

[0040] “Hardness” refers to the quality of being difficult to bend, measured according to the standard DIN ISO 7619-1.

[0041] “Spinning speed” refers to the length of filament produced by melt-spinning per unit time.

[0042] “Linear speed” of a rotating object refers to a distance of a point on the rotating object that travels within a unit time.

[0043] “Total draw ratio” refers to the value of speed of the final group of rollers divided by speed of the first group of roller.

[0044] “Fineness” of a filament refers to the mass per unit of length of the filament. In practice, the linear density of a filament is often calculated or denoted in the unit “denier” (shortened as “DPF (denier per filament” ) , measured according to the standard ISO 2060: 1994.

[0045] “Tenacity” of a filament refers to the breaking force of the filament (in gram force units) divided by the linear density, expressed in centi Newton per dtex (cN / dtex) , measured according to the standard ISO2062: 2009.

[0046] “Elongation at break” refers to the ratio between changed length and initial length after breakage of a test specimen, measured according to the standard ISO2062: 2009.

[0047] “CV of Elongation at break” refers to the coefficient of variation of elongation at break, measured according to the standard ISO2062: 2009.

[0048] “Crimp” refers to small regular folds or curves, measured according to the standard GB / T14338 -2022.

[0049] “OPU” refers to oil content in fiber, measured according to the standard GB / T14340.

[0050] FIG. 1 and FIG. 2 illustrate a Pre-and Post-spinning production of staple fibers in the two-stage process for producing thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers according to the present invention.

[0051] Particularly, FIG. 1 illustrates a Pre-spinning production of pre-orientated continuous filaments. As shown in Figure 1, the apparatus for pre-spinning includes an extruder, a spinning pack, a quench air channel, guiding rollers and tow collectors.

[0052] Dried TPU pellets are melted in extruder 100 and then sent into spinning pack 110 to form TPU filaments. After quenching, four guiding rollers 120, 130, 140 and 150 pull the filaments out of the quench air channel, and the pre-orientated TPU filaments are collected in tow collector 160.

[0053] After pre-spinning, the pre-orientated continuous TPU filaments are sent to stage (b) to be drawn by at least two groups of rollers.

[0054] FIG. 2 illustrates a Post-spinning production of drawn crimped fibers.

[0055] Five groups of rollers 242, 244, 246, 248 and 250 are set with different linear speeds R1, R2, R3, R4 and R5 respectively. The following requirement is preferably satisfied: R2 is equal to R1, R3 is larger than R2, R4 is larger than R3, and R5 is equal to or smaller than R4. Any of the groups of rollers 242, 244, 246, 248 and 250 may include more than one roller, and preferably four rollers.

[0056] After the filaments move past the group of rollers 250, they are coated with finish oil in a finish oil tank and then sent into a crimping machine 260 to obtain a designed crimp level. The crimped filaments then enter a hot air oven 270 for heat-setting and are finally cut in a staple cutter 280 to form staple fibers.

[0057] FIG. 3 illustrates a one-stage spinning process for producing thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers according to the present invention.

[0058] Dried TPU pellets are melted in extruder 300 and then sent into spinning pack 310 to form TPU filaments. After quenching, the continuous TPU filaments are directly drawn by five groups of heat rollers. Five groups of rollers 342, 344, 346, 348 and 350 are set with different linear speeds R11, R21, R31, R41 and R51 respectively. The following requirement is preferably satisfied: R21 is larger than R11, R31 is larger than R21, R41 is larger than R31, and R51 is equal to or smaller than R41. Any of the groups of rollers 342, 344, 346, 348 and 350 may include more than one roller, and preferably four rollers. After the filaments move through the group of rollers 350, they are coated with finish oil in a finish oil tank and then sent into a crimping machine 360 to obtain a designed crimp level. The crimped filaments then enter a hot air oven 370 for heat-setting and are finally cut in a staple cutter 380 to form staple fibers.

[0059] Thermoplastic polyurethane (TPU)

[0060] The thermoplastic polyurethane of the present invention comprises a reaction product of (A) a polyol; (B) a diisocyanate; (C) a chain extender; and (D) optionally a catalyst and / or an auxiliary agent.

[0061] The thermoplastic polyurethane of the present invention may be obtained by allowing the polyol, the diisocyanate and the chain extender as the essential components to react with each other, optionally in the presence of a catalyst and / or an auxiliary agent. The reaction can be a one-stage reaction allowing the whole of the essential components to react with each other in one stage, preferably in the presence of optional components such as a catalyst and / or an aid (auxiliary agent) , or can be a reaction having a plurality of stages allowing some of the polyol and the diisocyanate to react with each other to form a prepolymer and then allowing the prepolymer and the rest of the essential components to react with each other, preferably in the presence of a catalyst and / or an aid (auxiliary agent) .

[0062] Examples of the catalyst in the reaction, if used, may be selected from iron compounds such as iron (III) acetylacetonate; tin compounds such as tin diacetate, tin dioctoate and tin dilaurate; and tin dialkyl salts of aliphatic carboxylic acids such as dibutyltin diacetate and dibutyltin dilaurate. The amount of the catalyst can be determined by a skilled person according to practical application.

[0063] Examples of the auxiliary agent may be selected from, without being particularly limited to, an antioxidant, a hydrolysis stabilizer, an ultraviolet absorber, a flame retardant, a plasticizer, a reinforcing agent or a flowability improver; one or more selected from these can be used. The amount of the auxiliary agent can be determined by a skilled person according to practical application.

[0064] The thermoplastic polyurethane of the present invention has a Shore hardness of higher than 65D measured according to DIN ISO 7619-1. Preferably, the thermoplastic polyurethane has a Shore hardness of 68D to 90D, more preferably a Shore hardness of 70D to 80D, measured according to DIN ISO 7619-1.

[0065] The thermoplastic polyurethane of the present invention may have a weight-average molecular weight in a range of 50,000 to 400,000 g / mol, preferably 60,000 to 300,000 g / mol, more preferably 80,000 to 160,000 g / mol.

[0066] Polyol

[0067] Polyols (A) useful for preparing the TPU described herein comprise all polyols known for this purpose. Suitable examples include polyester polyols, polyether polyols, polycarbonate polyol, polycaprolactone polyol and any mixture thereof.

[0068] Preferably, the functionality of the polyol used in the present invention is in the range from 1.9 to 2.1, for example 2.

[0069] The polyether polyols may be obtained by known methods, for example by polymerization of alkylene oxides with addition of at least one starter molecule which comprises from 2 to 8, preferably from 2 to 6, reactive hydrogen atoms in the presence of a catalyst. As the catalyst, it is possible to use alkali metal hydroxides such as sodium or potassium hydroxide, or alkali metal alkoxides such as sodium methoxide, sodium or potassium ethoxide or potassium isopropoxide or, in the case of cationic polymerization, Lewis acids such as antimony pentachloride, boron trifluoride etherate or bleaching earth as the catalyst. Furthermore, double metal cyanide compounds, known as DMC catalysts, can also be used as the catalyst.

[0070] As the alkylene oxide, preference is given to using one or more compounds having from 2 to 4 carbon atoms in the alkylene radical, e.g., ethylene oxide, 1, 2-propylene oxide, tetrahydrofuran, 1, 2-or 2, 3-butylene oxide, in each case either alone or in the form of mixtures, preferably ethylene oxide, 1, 2-propylene oxide and / or tetrahydrofuran, most preferably tetrahydrofuran.

[0071] Possible starter molecules are, for example, ethylene glycol, diethylene glycol, and other dihydric alcohols.

[0072] Examples of polyether polyols can also include a ring-opening polymer of tetrahydrofuran (polytetramethylene glycol, PTMEG) .

[0073] The polyester polyol may be prepared by condensation of bifunctional alcohols having from 2 to 12 carbon atoms with bifunctional carboxylic acids having from 2 to 12 carbon atoms. The examples of the bifunctional alcohols may be ethylene glycol, diethylene glycol, butanediol, or a combination thereof. The examples of the bifunctional carboxylic acids may be succinic acid, glutaric acid, adipic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, decanedicarboxylic acid, maleic acid, fumaric acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, the isomers of naphthalenedicarboxylic acids, or the ester or anhydrides of the acids mentioned.

[0074] Diisocyanate

[0075] Diisocyanates (B) useful for preparing the TPU described herein comprise all diisocyanates known for this purpose. Suitable examples include an aliphatic diisocyanate, araliphatic diisocyanate, cycloaliphatic diisocyanate, and / or aromatic diisocyanate.

[0076] For example, the diisocyanate may contain from 3 to 40 carbon atoms, preferably from 4 to 20, more preferably from 5 to 24, most preferably from 6 to 18, carbon atoms. In certain embodiments, the diisocyanate is a symmetrical aliphatic or cycloaliphatic diisocyanate.

[0077] Examples of suitable diisocyanates include isomers of diphenylmethane diisocyanates, 1, 5-naphthylene diisocyanate, isomers of tolylene diisocyanates, 3, 3’-dimethyldiphenyl diisocyanate, 1, 2-diphenylethane diisocyanate, phenylene diisocyanate, trimethylene diisocyanate, tetramethylene diisocyanate, pentamethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, heptamethylene diisocyanate, octamethylene diisocyanate, 2-methylpentamethylene-1, 5-diisocyanate, 2-ethylbutylene-1, 4-diisocyanate, isophorone diisocyanate, isomers of bis (isocyanatomethyl) cyclohexanes, 1-methyl-2, 4-cyclohexane diisocyanate, 1-methyl-2, 6-cyclohexane diisocyanate, 4, 4’-dicyclohexylmethane diisocyanate, 2, 4’ -dicyclohexylmethane diisocyanate, 2, 2’-dicyclohexylmethane diisocyanate, and any mixture thereof; more preferably the diisocyanate is selected from the group consisting of isomers of diphenylmethane diisocyanates, 1, 5-naphthylene diisocyanate, isomers of tolylene diisocyanates, hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, and any mixture thereof; in particular, the diisocyanate is selected from the group consisting of diphenylmethane diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, and any mixture thereof, especially 4, 4’-diphenylmethane diisocyanate.

[0078] In an embodiment of the present invention, only one diisocyanate is used.

[0079] Chain extender

[0080] Chain extenders useful for preparing the TPU described herein comprise all chain extenders known for this purpose. Suitable examples include aliphatic, araliphatic, aromatic, and / or cycloaliphatic compounds having two functional groups. For example, the chain extender suitable for the present invention may be selected from bifunctional alcohols, in particular diols, such as alkanediols having from 2 to 10 carbon atoms in the alkylene radical.

[0081] As the chain extender suitable for the present invention, it may be mentioned ethylene glycol, 1, 2-propanediol, 1, 3-propanediol, 1, 4-butanediol, 1, 2-pentanediol, 1, 3-pentanediol, 1, 10-decanediol, 1, 2-dihydroxycyclohexane, 1, 3-dihydroxycyclohexane, 1, 4-dihydroxycyclohexane, diethylene glycol and triethylene glycol, dipropylene glycol and tripropylene glycol, 1, 6-hexanediol and bis(2-hydroxyethyl) hydroquinone. A particularly preferable chain extender includes 1, 3-propanediol, 1, 4-butanediol, or 1, 6-hexanediol. In certain cases, it is possible to use the mixture of two chain extenders.

[0082] Preferably, in order to form the thermoplastic polyurethane of the present invention, the polyol, the diisocyanate, and the chain extender are used with the molar ratio of isocyanate groups from the diisocyanate to the isocyanate-reactive groups from both the polyol and the chain extender, in the range from 0.9: 1.0 to 1.1: 1.0, preferably from 0.95: 1.0 to 1.05: 1.0, and more preferably from 0.97: 1.0 to 1.03: 1.0.

[0083] Process of producing a thermoplastic polyurethane (TPU) staple fiber

[0084] Two-stage spinning process

[0085] In an aspect, the present invention provides a process for producing thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers, comprising:

[0086] (a) a pre-spinning stage, comprising the following steps:

[0087] (a1) melt-spinning a thermoplastic polyurethane to obtain continuous TPU filaments;

[0088] (a2) quenching the TPU filaments; and

[0089] (a3) guiding the TPU filaments by at least one group of rollers to collect the pre-orientated continuous TPU filaments;

[0090] and

[0091] (b) a post-spinning stage, comprising the following steps:

[0092] (b1) drawing the pre-orientated continuous TPU filaments by at least two groups of rollers;

[0093] (b2) passing the drawn TPU filaments into a crimping machine;

[0094] (b3) heat-setting the crimped TPU filaments; and

[0095] (b4) passing the heat-set crimped TPU filaments into a staple cutter to obtain TPU staple fibers;

[0096] wherein the thermoplastic polyurethane has a Shore hardness of higher than 65D measured according to DIN ISO 7619-1, preferably in the range from 68D to 90D, more preferably in the range from 70D to 80D.

[0097] Stage (a) of the process of the present invention is not particularly limited and can be carried out by a skilled person. Melt-spinning is a technique in which a raw material composition in a molten state obtained by heating the raw material composition to a temperature equal to or higher than the melting point by using an extruder or the like is discharged from a spinneret into a quench air channel. The positioning of the spinneret is not limited. However, it is preferable to direct the spinneret downward so that the molten composition is discharged downward (drawn down) . The discharged multifilament is cooled and solidified in the quench air channel while being made fine, and then is taken up at a certain speed. There may be a multiplicity of spinnerets set in any group or pattern. When multiple spinnerets are used, the composition exiting the spinnerets may be guided to form an extruded filament. The number of the spinnerets is not limited.

[0098] The apparatus for producing a multi-filament by melt-spinning is not particularly limited and is known by a skilled person. An example of such apparatus is illustrated in figure 1. Generally, the apparatus for melt-spinning includes an extruder, a spinning pack, a quench air channel, guiding rollers and a tow collector. The spinning pack is known in the art, and primarily consists of melt reservoir and spinneret.

[0099] Preferably, in step (a1) , the thermoplastic polyurethane is melt-spun at a spinning speed of less than 500 m / min. In a preferable embodiment, in step (a1) , the thermoplastic polyurethane is passed through a spinneret operating under a spinning temperature, wherein the spinning temperature is more than 180℃, such as 190℃, 200℃, 210℃, 220℃, 225℃, 230℃ or 240℃, preferably in a range of 200℃ to 240℃, more preferably in a range of 220℃ to 230℃.

[0100] Preferably, in step (a2) , the multi-filaments are cooled in a quench air channel under a temperature of 0℃ to 40℃.

[0101] In step (a3) , the linear speeds of rollers are not particularly limited and can be selected by a skilled person. For example, the speeds can be about 200 m / min.

[0102] In step (b1) , the pre-orientated continuous TPU filaments are drawn by at least two groups of rollers, preferably 2-6 groups of rollers, more preferably 3-5 groups of rollers. Each group of rollers comprises at least two rollers, such as three, four or five rollers.

[0103] The groups of rollers may rotate with different linear speeds. The difference of linear speeds at which the first and final groups of rollers rotate causes the filament to stretch.

[0104] In a preferable embodiment, the at least two groups of rollers in step (b1) comprises a first group of rollers rotating at a first linear speed R1, a second group of rollers rotating at a second linear speed R2, a third group of rollers rotating at a third linear speed R3, a fourth group of rollers rotating at a fourth linear speed R4, and a fifth group of rollers rotating at a fifth linear speed R5 in sequence. Preferably, the groups of rollers operate at speeds as follows, respectively:

[0105] R1: 50-100 m / min;

[0106] R2: 50-100 m / min;

[0107] R3: 100-300 m / min;

[0108] R4: 100-300 m / min; and

[0109] R5: 100-300 m / min.

[0110] In an embodiment, the linear speeds of rollers are set according to the designed total draw ratio of between 2 and 5, preferably between 3 and 4.

[0111] In a preferable embodiment, R2 is equal to R1, R3 is larger than R2, R4 is larger than R3, and R5 is equal to or smaller than R4.

[0112] The water temperature at which the rollers operates in step (b1) of the present invention can be chosen by a skilled person. In an embodiment, the groups of rollers in step (b1) comprise a first group of rollers, a second group of rollers, a third group of rollers , a fourth group of rollers and a fifth group of rollers positioned in series, wherein the first group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 50-90℃, the second group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 50-90℃, the third group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 90-100℃, the fourth group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 90-100℃ and the fifth group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 90-100℃.

[0113] In an embodiment, in step (b1) of the process of the present invention, the temperatures of the hot water and linear speeds of the first group of rollers, second group of rollers, third group of rollers, fourth group of rollers and fifth group of rollers are as follows, respectively:

[0114] First group of rollers: the water temperature is 50-90℃, and independently, the linear speed R1 is 50-100 m / min,

[0115] Second group of rollers: the water temperature is 50-90℃, and independently, the linear speed R2 is 50-100 m / min,

[0116] Third group of rollers: the water temperature is 90-100℃, and independently, the linear speed R3 is 100-300 m / min,

[0117] Fourth group of rollers: the water temperature is 90-100℃, and independently, the linear speed R4 is 100-300 m / min,

[0118] Fifth group of rollers: the water temperature is 90-100℃, and independently, the linear speed R5 is 100-300 m / min.

[0119] The rollers are preferably driving rollers, which is to say, the rollers are not driven by the filament.

[0120] Optionally and preferably, after step (b1) and before step (b2) , the drawn TPU filaments need to be coated with finish oil in step (b11) . The oiling step could lubricate the filament; allow dissipation of the static charges generated. The filament may be oiled by any conventional finish oil.

[0121] In step (b2) , the drawn filaments are crimped in a crimping machine to achieve a designed crimp level, such as 2 crimps per centimeter to 10 crimps per centimeter according to GB / T14338-2022, preferably 3 crimps per centimeter to 8 crimps per centimeter, more preferably 4 crimps per centimeter to 7 crimps per centimeter.

[0122] In step (b3) , the crimped TPU filaments are heat-set at 100 to 130℃ for about 100 to 600 seconds. The heat-setting may cause the filament to retain its dimension and properties. Heat-setting may be realized by employing a hot air oven.

[0123] In step (b4) , crimped TPU filaments are cut by a staple cutter into staple fibers. The obtained staple fibers have a designed length in the range of 30-110mm. The inventors surprisingly found that by using super hard TPU with Shore harness of higher than 65 D, it is possible to obtain TPU staple fibers with desirable crimps. In the case of TPU samples with hardness of about 60～64 Shore D, it is hard to obtain TPU staple fibers with desirable crimps.

[0124] One-stage spinning process

[0125] In another aspect, the present invention provides a process for producing the thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers, comprising the following steps:

[0126] (c1) melt-spinning a thermoplastic polyurethane to obtain continuous TPU filaments;

[0127] (c2) quenching the TPU filaments;

[0128] (c3) drawing the TPU filaments by at least two groups of rollers;

[0129] (c4) passing the drawn TPU filaments into a crimping machine;

[0130] (c5) heat-setting the crimped TPU filaments; and

[0131] (c6) passing the heat-set crimped TPU filaments into a staple cutter to obtain TPU staple fibers;

[0132] wherein the thermoplastic polyurethane has a Shore hardness of higher than 65D measured according to DIN ISO 7619-1, preferably in the range from 68D to 90D, more preferably in the range from 70D to 80D.

[0133] Compared with two-stage spinning process, one-stage spinning process can prepare TPU staple fiber continuously with better fiber uniformity and in shorter processing time.

[0134] The apparatus for producing a multi-filament by melt-spinning is not particularly limited and is known by a skilled person. An example of such apparatus is illustrated in figure 3. Generally, the apparatus for melt-spinning includes an extruder, a spinning pack, and a quench air channel. The spinning pack is known in the art, and primarily consists of melt reservoir and spinneret.

[0135] Preferably, in step (c1) , the thermoplastic polyurethane is melt-spun at a spinning speed of higher than 500 m / min. In a preferable embodiment, in step (c1) , the thermoplastic polyurethane is passed through a spinneret operating under a spinning temperature, wherein the spinning temperature is more than 180℃, such as 190℃, 200℃, 210℃, 220℃, 225℃, 230℃ or 240℃, preferably in a range of 200℃ to 240℃, more preferably in a range of 220℃ to 230℃.

[0136] Preferably, in step (c2) , the multi-filaments are cooled in a quench air channel under a temperature of 0℃ to 40℃.

[0137] In step (c3) , the TPU filaments are drawn by at least two groups of rollers, preferably 2-6 groups of rollers, more preferably 3-5 groups of rollers. Each group of rollers comprises at least two rollers, such as three, four or five rollers. The groups of rollers may rotate with different linear speeds. The difference of linear speeds at which the first and final groups of rollers rotate causes the filament to stretch.

[0138] In a preferable embodiment, the at least two groups of rollers in step (c3) comprises a first group of rollers rotating at a first linear speed R11, a second group of rollers rotating at a second linear speed R21, a third group of rollers rotating at a third linear speed R31, a fourth group of rollers rotating at a fourth linear speed R41, and a fifth group of rollers rotating at a fifth linear speed R51 in sequence. Preferably, the groups of rollers operate at speeds as follows, respectively:

[0139] R11: 500-1000 m / min;

[0140] R21: 1000-2000 m / min;

[0141] R31: 1500-2200 m / min;

[0142] R41: 2200-3200 m / min; and

[0143] R51: 2000-3000 m / min.

[0144] The linear speeds of rollers are set according to the designed total draw ratio of between 2 and 5, preferably between 3 and 4.

[0145] In a preferably embodiment, R21 is larger than R11, R31 is larger than R21, R41 is larger than R31, and R51 is equal to or smaller than R41.

[0146] The temperature of the rollers in step (c3) of the present invention can be chosen by a skilled person. In an embodiment, the groups of rollers in step (c3) comprise a first group of rollers, a second group of rollers, a third group of rollers , a fourth group of rollers and a fifth group of rollers positioned in series, wherein the first group of rollers operates with a temperature of 50-80℃, the second group of rollers operates with a temperature of 70-100℃, the third group of rollers operates with a temperature of 90-120℃, the fourth group of rollers operates with a temperature of 110-140℃ and the fifth group of rollers operates with a temperature of 60-90℃.

[0147] In an embodiment, in step (c3) of the process of the present invention, the temperatures and linear speeds of the first group of rollers, second group of rollers, third group of rollers, fourth group of rollers and fifth group of rollers are as follows, respectively: First group of rollers: the temperature is 50-80℃, and independently, the linear speed R11 is 500-1000 m / min,

[0148] Second group of rollers: the temperature is 70-100℃, and independently, the linear speed R21 is 1000-2000 m / min,

[0149] Third group of rollers: the temperature is 90-120℃, and independently, the linear speed 31 is 1500-2200 m / min,

[0150] Fourth group of rollers: the temperature is 110-140℃, and independently, the linear speed R41 is 2200-3200 m / min,

[0151] Fifth group of rollers: the temperature is 60-90℃, and independently, the linear speed R51 is 2000-3000 m / min.

[0152] The rollers are preferably driving rollers, which is to say, the rollers are not driven by the filament.

[0153] Optionally and preferably, after step (c3) and before step (c4) , the drawn TPU filaments need to be coated with finish oil in step (c31) .

[0154] In step (c4) , a crimping machine is used to achieve a designed crimp level and numbers per centimeter, such as 2 crimps per centimeter to 10 crimps per centimeter according to GB / T14338-2022, preferably 3 crimps per centimeter to 8 crimps per centimeter, more preferably 4 crimps per centimeter to 7 crimps per centimeter.

[0155] In step (c5) , the crimped TPU filaments are heat-set at 100 to 130℃ for about 100 to 600 seconds. The heat-setting may cause the filament to retain its dimension and properties. Heat-setting may be realized by employing a hot air oven.

[0156] In step (c6) , crimped TPU filaments are cut by a staple cutter into staple fibers. The obtained staple fibers have a designed length in the range of 30～110mm.

[0157] Thermoplastic polyurethane (TPU) staple fiber

[0158] In another aspect, the present invention provides TPU staple fiber which is obtainable by the process of the present invention.

[0159] In an embodiment, the staple fiber has a fineness of 2 deniers to 10 deniers according to ISO 2060: 1994; a tenacity of higher than 1.8 cN / dtex according to ISO2062: 2009; an Elongation at break of 60%to 180%according to ISO2062: 2009; crimps of 2 crimps per centimeter to 10 crimps per centimeter according to GB / T14338-2022; OPU of 0.3%to 0.4%according to GB / T14340.

[0160] In some embodiments of the invention, the TPU staple fiber obtained from the process of the present invention is of bi-component structure or micro tube structure.

[0161] Use of the TPU staple fiber

[0162] The TPU staple fiber of the present invention may find uses in various applications. For example, the TPU staple fiber, either alone or in combination with traditional staples fibers such as PET fiber, can be used as stuffing materials for down jacket, quilt, cushion and so on. Alternatively, the TPU staple fiber can be used for producing yarns for fabrics used in shoes upper, pants, T-shirt, chair mesh, watch band, hair band and so on.

[0163] The TPU staple fiber can also be used to make pure TPU staple nonwoven fabric for apparel or shoe lining parts, or matrixes for synthetic leather to make one-material (100%TPU) synthetic leather.

[0164] One application of the TPU staple fiber is to prepare complex TPU nonwoven with combination of carbon staple fiber or aramid staple fiber and make the nonwoven into organo sheet through thermal compression molding process, which is much less complicated and higher productive than traditional preparation of organo sheet which is composed by impregnating continuous carbon fiber or aramid fiber with melted plastic resin (such as PC, PA or PET etc) .

[0165] The TPU staple fiber of the present invention is recyclable with other PU or TPU components.

[0166] Example

[0167] The present invention will now be described with reference to Examples and Comparative Examples, which are not intended to limit the present invention.

[0168] The TPU materials used in the examples were as follows.

[0169] Hard TPU:

[0170] TPU 1 (obtained from BASF, with a hardness of 64D) with a weight-average molecular weight of 92,000 g / mol based on poly (tetramethylene ether) glycol (PTMEG) with a number-average molecular weight of 1,000 g / mol, methylene diphenyl diisocyanate (MDI) and 1, 4-butanediol.

[0171] Super hard TPU:

[0172] TPU 2 (obtained from BASF, with a hardness of 74D) with a weight-average molecular weight of 91,000 based on poly (tetramethylene ether) glycol (PTMEG) with a number-average molecular weight of 1,000 g / mol, methylene diphenyl diisocyanate (MDI) and 1, 4-butanediol.

[0173] TPU 3 (obtained from BASF, with a hardness of 78D) with a weight-average molecular weight of 89,000 based on poly (tetramethylene ether) glycol (PTMEG) with a number-average molecular weight of 1,000 g / mol, methylene diphenyl diisocyanate (MDI) and 1, 4-butanediol.

[0174] The table below lists the relevant testing methods.

[0175] Table 1: Measuring and test methods

[0176] In the present invention, the weight-average molecular weight of the thermoplastic polyurethane was measured by gel permeation chromatography (GPC) based on DIN 55672-1 (date: August 2007) .

[0177] I. Preparation of the TPU staple fiber

[0178] Staple fiber made by two-stage technology

[0179] Example 1

[0180] A TPU staple fiber according to the present invention was produced by the process comprising the following steps.

[0181] TPU 2 was melt-spun by a spinning machine operating at a temperature of about 225℃and TPU filaments were formed. The filaments were then cooled in a quench air channel. After being cooled, the filaments were then collected in barrels.

[0182] Then, the continuous TPU filaments were passed through a first, second, third, fourth, and fifth groups of rollers successively. The temperatures of hot water and linear speeds of the groups of rollers were as follows, respectively: First group of rollers: the water temperature was about 50℃, and the speed R1 was about 50 m / min; Second group of rollers: the water temperature was about 50℃, and the speed R2 was about 50 m / min; Third group of rollers: the water temperature was about 95℃, and the speed R3 was about 100 m / min; Fourth group of rollers: the water temperature was about 95℃, and the speed R4 was about 160 m / min; Fifth group of rollers: the water temperature was about 95℃, and the speed R5 was about 145 m / min. The filaments were then coated with finish oil and sent to a crimping machine to achieve a crimp level of about 5 crimps per centimeter. Finally, the crimped filaments were heat-set under a temperature of about 130℃ for about 300 seconds, and then cut into staple fibers having a length of about 51 mm.

[0183] Example 2

[0184] A TPU staple fiber according to the present invention was produced by the process comprising the following steps.

[0185] TPU 3 was melt-spun by a spinning machine operating at a temperature of 225℃ and TPU filaments were formed. The filaments were then cooled in a quench air channel. After being cooled, the filaments were then collected in barrels.

[0186] Then, the continuous TPU filaments were passed through a first, second, third, fourth, and fifth groups of rollers respectively. The temperatures of hot water and linear speeds of the groups of rollers were as follows, respectively: First group of rollers: the water temperature was about 50℃, and the speed R1 was about 50 m / min; Second group of rollers: the water temperature was about 50℃, and the speed R2 was about 50 m / min; Third group of rollers: the water temperature was about 95℃, and the speed R3 was about 100 m / min; Fourth group of rollers: the water temperature was about 95℃, and the speed R4 was about 160 m / min; Fifth group of rollers: the water temperature was about 95℃, and the speed R5 was about 145 m / min. The filaments were then coated with finish oil and sent to a crimping machine to achieve a crimp level of about 5 crimps per centimeter. Finally, the crimped filaments were heat-set under a temperature of about 130℃ for about 300 seconds, and then cut into staple fibers having a length of about 51 mm.

[0187] Example 3

[0188] A TPU staple fiber according to the present invention was produced by the process comprising the following steps.

[0189] TPU 2 was melt-spun by a spinning machine operating at a temperature of 225℃ and TPU filaments were formed. The filaments were then cooled in a quench air channel. After being cooled, the filaments were then collected in barrels.

[0190] Then, the continuous TPU filaments were passed through a first, second, third, fourth, and fifth groups of rollers respectively. The temperatures of hot water and linear speeds of the groups of rollers were as follows, respectively: First group of rollers: the water temperature was about 50℃, and the speed R1 was about 50 m / min; Second group of rollers: the water temperature was about 50℃, and the speed R2 was about 50 m / min; Third group of rollers: the water temperature was about 97℃, and the speed R3 was about 120 m / min; Fourth group of rollers: the water temperature was about 97℃, and the speed R4 was about 220 m / min; Fifth group of rollers: the water temperature was about 97℃, and the speed R5 was about 190 m / min. The filaments were then coated with finish oil and sent to a crimping machine to achieve a crimp level of about 5 crimps per centimeter. Finally, the crimped filaments were heat-set under a temperature of about 130℃ for about 300 seconds, and then cut into staple fibers having a length of about 51 mm.

[0191] Staple fiber made by one-stage technology

[0192] Example 4

[0193] A TPU staple fiber according to the present invention was produced by the process comprising the following steps.

[0194] TPU 2 was melt-spun by a spinning machine operating at a temperature of 225℃ and TPU filaments were formed. The filaments were then cooled in a quench air channel. After being cooled, the filaments were directly drawn by a first, second, third, fourth, and fifth groups of rollers successively. The temperatures and linear speeds of the groups of rollers were as follows, respectively: First group of rollers: the temperature was about 70℃, and the speed R11 was about 750 m / min; Second group of rollers: the temperature was about 90℃, and the speed R21 was about 1500 m / min; Third group of rollers: the temperature was about 110℃, and the speed R31 was about 2200 m / min; Fourth group of rollers: the temperature was about 140℃, and the speed R41 was about 3000 m / min; Fifth group of rollers: the temperature was about 80℃, and the speed R51 was about 2850 m / min. The filaments were then coated with finish oil and sent to a crimping machine to achieve a crimp level of about 5 crimps per centimeter. Finally, the crimped filaments were heat-set under a temperature of about 130℃ for about 300 seconds, and then cut into staple fibers having a length of about 51 mm.

[0195] Comparative Example 1

[0196] The process as described in Ex. 1 was repeated by using TPU 1, but the result showed that TPU1 failed to prepare staple fiber with desirable crimps.

[0197] Results

[0198] The table below lists the process parameters and testing data of the TPU materials and staple fibers prepared therefrom.

[0199] Table 3

[0200] From the above data, it can be seen that the hard TPU having a Shore hardness higher than 65D, after being melt-spun and processed, can result in staple fibers that have desirable crimps. The TPU staple fiber made by one-stage technology has lower CV of Elongation at break (%) , indicating better fiber uniformity.

[0201] The structures, materials, components, compositions, and methods described herein are intended to be representative examples of the invention, and it will be understood that the scope of the invention is not limited by the scope of the examples. Those skilled in the art will recognize that the invention may be practiced with variations on the disclosed structures, materials, compositions, and methods, and such variations are regarded as within the ambit of the invention. Thus, it is intended that the present invention cover such modifications and variations as come within the scope of the appended claims and their equivalents.

Claims

1.A process for producing thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers, comprising:(a) a pre-spinning stage, comprising the following steps:(a1) melt-spinning a thermoplastic polyurethane to obtain continuous TPU filaments;(a2) quenching the TPU filaments; and(a3) guiding the TPU filaments by at least one group of rollers to collect the pre-orientated continuous TPU filaments;and(b) a post-spinning stage, comprising the following steps:(b1) drawing the pre-orientated continuous TPU filaments by at least two groups of rollers;(b2) passing the drawn TPU filaments into a crimping machine;(b3) heat-setting the crimped TPU filaments; and(b4) passing the heat-set crimped TPU filaments into a staple cutter to obtain TPU staple fibers;wherein the thermoplastic polyurethane has a Shore hardness of higher than 65D measured according to DIN ISO 7619-1, preferably in the range from 68D to 90D, more preferably in the range from 70D to 80D.2.A process for producing thermoplastic polyurethane (TPU) staple fibers, comprising:(c1) melt-spinning a thermoplastic polyurethane to obtain continuous TPU filaments;(c2) quenching the TPU filaments;(c3) drawing the TPU filaments by at least two groups of rollers;(c4) passing the drawn TPU filaments into a crimping machine;(c5) heat-setting the crimped TPU filaments; and(c6) passing the heat-set crimped TPU filaments into a staple cutter to obtain TPU staple fibers;wherein the thermoplastic polyurethane has a Shore hardness of higher than 65D measured according to DIN ISO 7619-1, preferably in the range from 68D to 90D, more preferably in the range from 70D to 80D.3.The process according to either of claims 1-2, wherein in step (a1) or step (c1) , the thermoplastic polyurethane is passed through a spinneret operating under a spinning temperature, wherein the spinning temperature is more than 180℃, preferably in a range of 200℃ to 240℃, more preferably in a range of 220℃ to 230℃.4.The process according to claim 1, wherein in step (a1) , the thermoplastic polyurethane is melt-spun at a spinning speed of less than 500 m / min.5.The process according to claim 2, wherein in step (c1) , the thermoplastic polyurethane is melt-spun at a spinning speed of higher than 500 m / min.6.The process according to any one of claims 1-2, wherein in step (b1) or step (c3) , the TPU filaments are drawn by 2-6 groups of rollers, preferably 3-5 groups of rollers.7.The process according to claim 6, wherein the total draw ratio of the filaments is in the range of 2 to 5, preferably 3 to 4.8.The process according to claim 1, wherein the groups of rollers in step (b1) comprise a first group of rollers, a second group of rollers, a third group of rollers, a fourth group of rollers and a fifth group of rollers positioned in series, whereinthe first group of rollers operates at a linear speed of 50-100 m / min;the second group of rollers operates at a linear speed of 50-100 m / min;the third group of rollers operates at a linear speed of 100-300 m / min;the fourth group of rollers operates at a linear speed of 100-300 m / min; andthe fifth group of rollers operates at a linear speed of 100-300 m / min.9.The process according to claim 8, whereinthe first group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 50-90℃;the second group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 50-90℃;the third group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 90-100℃;the fourth group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 90-100℃;the fifth group of rollers operates in a tank of hot water at a temperature of 90-100℃.10.The process according to claim 2, wherein in step (c3) , the groups of rollers are heated.11.The process according to claim 2, wherein the groups of rollers in step (c3) comprise a first group of rollers, a second group of rollers, a third group of rollers, a fourth group of rollers and a fifth group of rollers positioned in series, whereinthe first group of rollers operates at a linear speed of 500-1000 m / min;the second group of rollers operates at a linear speed of 1000-2000 m / min;the third group of rollers operates at a linear speed of 1500-2200 m / min;the fourth group of rollers operates at a linear speed of 2200-3200 m / min; andthe fifth group of rollers operates at a linear speed of 2000-3000 m / min.12.The process according to claim 11, whereinthe first group of rollers operates at a temperature of 50-80℃;the second group of rollers operates at a temperature of 70-100℃;the third group of rollers operates at a temperature of 90-120℃;the fourth group of rollers operates at a temperature of 110-140℃;the fifth group of rollers operates at a temperature of 60-90℃.13.The process according to either of claims 1-2, wherein in step (b2) or step (c4) , the TPU filament is crimped in the crimping machine to achieve a crimp level of 2 crimps per centimeter to 10 crimps per centimeter according to GB / T14338-2022, such as 5 crimps per centimeter.14.The process according to either of claims 1-2, wherein in step (b3) or step (c5) , the crimped TPU filaments are heat-set at 100 to 130℃ for 100 to 600 seconds.15.Thermoplastic polyurethane (TPU) staple fiber obtainable by the process of any one of claims 1 to 14.16.The staple fiber according to claim 15, wherein the staple fiber has a tenacity of higher than 1.8 cN / dtex according to ISO2062: 2009; and / orthe staple fiber has crimps of 2 crimps per centimeter to 10 crimps per centimeter according to GB / T14338-2022; and / orthe staple fiber has a fineness of 2 deniers to 10 deniers according to ISO 2060: 1994; and / orthe staple fiber has an Elongation at break of 60%to 180%according to ISO2062: 2009; and / orthe staple fiber has OPU of 0.3%to 0.4%according to GB / T14340.17.Use of the staple fiber produced according to the process of any one of claims 1 to 14 or the staple fiber of either of claims 15 to 16 in producing yarns for fabrics used in shoes upper, pants, T-shirt, chair mesh, watch band and hair band, or stuffing materials for down jacket, quilt and cushion, or nonwoven fabric for synthetic leather, apparel and shoe, or organo sheet.

Images