纺线中表面不平度的在线检测方法和设备.pdf

本发明涉及监测移动纺线中的表面不平度的水平的方法和设备，所述方法和设备包括：(a)通过光源照射所述纺线以产生光谱反射能和漫反射能，所述光源被布置为以与所述纺线成大于0度且小于90度的入射角入射到所述纺线上；(b)使用第一接收器测量来自所述纺线的光谱反射能的量，所述第一接收器被布置为以基本上等于所述入射角的出射角入射到所述纺线上；(c)使用第二接收器测量来自所述纺线的漫反射能的量，所述第二接收器以不同于所述入射角和所述出射角的角度布置，(d)测定所述漫反射能的量与所述光谱反射能的量的比值；以及(e)将所述比值与所述表面不平度的水平相关联。

1.  用于监测移动纺线中的表面不平度的水平的方法，所述方法包括：
通过光源照射所述纺线以产生光谱反射能和漫反射能，所述光源被布置为以与所述纺线成大于0度且小于90度的入射角入射到所述纺线上；
使用第一接收器测量来自所述纺线的光谱反射能的量，所述第一接收器被布置为以基本上等于所述入射角的出射角入射到所述纺线上；
使用第二接收器测量来自所述纺线的漫反射能的量，所述第二接收器以不同于所述入射角和所述出射角的角度布置，
测定所述漫反射能的量与所述光谱反射能的量的比值；并且
将所述比值与所述表面不平度的水平相关联。

2.  权利要求1的方法，其中所述第二接收器被布置为与所述纺线成60度至120度的角度。

3.  权利要求1的方法，其中所述第二接收器被布置为与所述纺线成基本上90度的角度。

4.  权利要求1的方法，其中所述入射角与所述纺线成30度至60度的角度。

5.  权利要求1的方法，其中所述入射角与所述纺线成基本上45度的角度。

6.  权利要求1的方法，其中所述纺线包含刚性棒聚合物长丝。

7.  权利要求6的方法，其中所述纺线包含对位芳族聚酰胺聚合物。

8.  权利要求7的方法，其中所述对位芳族聚酰胺是聚对苯二甲酰对苯二胺。

9.  权利要求6的方法，其中所述纺线包含选自聚苯并唑、聚吡啶并唑、以及它们的混合物的刚性棒聚合物长丝。

10.  权利要求9的方法，其中所述纺线包含聚[2，6-二咪唑并[4，5-b：4，5-e]-吡啶亚基-1，4(2，5-二羟基)亚苯基]。

11.  权利要求1的方法，其中所述纺线为复丝纺线。

12.  权利要求1的方法，其中所述纺线为单丝纺线。

13.  用于监测移动纺线中的表面不平度的水平的设备，所述设备包括：
光源，所述光源被布置为以与所述纺线成大于0度且小于90度的入射角入射到所述纺线上，所述光源产生光谱反射能和漫反射能；
第一接收器，所述第一接收器用于接收来自所述纺线的所述光源的光谱反射能，所述第一接收器被布置为以基本上等于所述入射角的出射角入射到所述纺线上；
第二接收器，所述第二接收器用于接收来自所述纺线的所述光源的漫反射能，所述第二接收器被布置为以不同于所述入射角和所述出射角的角度入射到所述纺线上；和
比较器，所述比较器用于确定所述漫反射能的量与所述光谱反射能的量的比值。

14.  权利要求13的设备，其中所述第二接收器被布置为与所述纺线成60度至120度的角度。

15.  权利要求13的设备，其中所述第二接收器被布置为与所述纺线成基本上90度的角度。

16.  权利要求13的设备，其中所述入射角与所述纺线成30度至60度的角度。

17.  权利要求13的设备，其中所述入射角与所述纺线成基本上45度的角度。

18.  权利要求13的设备，其中所述第一和第二接收器被布置在通道的末端，使得光穿过所述通道后接触所述检测器。

19.  权利要求13的设备，其中所述光源被布置在通道的末端，使得所述光穿过所述通道后接触所述纺线。

20.  权利要求13的设备，其中：
所述第一和第二接收器被布置在通道的末端，使得光穿过所述通道后接触所述检测器；
所述光源被布置在通道的末端，使得所述光穿过所述通道后接触所述纺线；并且
所述通道与吹扫气流连通。

纺线中表面不平度的在线检测方法和设备
发明领域
本发明涉及纺线中表面不平度的在线检测方法。
发明背景
纺线中易于出现表面不平度，而表面不平度会对纺线质量产生不利影响。在某些情况下，纺线的长丝易受制造和加工期间原纤化的影响。原纤化通常在刚性棒聚合物中更为严重。美国专利公开5,030,841、4,948,260和4,563,095涉及使用光源对材料的各种属性进行检测。然而，本领域需要改善的方法和设备来监测诸如由原纤化引起的表面不平度。
发明概述
在一些实施方案中，本发明涉及用于监测移动纺线中的表面不平度的水平的方法，该方法包括：
通过光源照射纺线以产生光谱反射能和漫反射能，该光源被布置为以与纺线形成大于0度且小于90度的入射角入射到纺线上；
使用第一接收器测量来自纺线的光谱反射能的量，该第一接收器被布置为以基本上等于入射角的出射角入射到纺线上；
使用第二接收器测量来自纺线的漫反射能的量，该第二接收器以不同于入射角和出射角的角度布置，
测定漫反射能的量与光谱反射能的量的比值；并且
将所述比值与表面不平度的水平相关联。
在某些实施方案中，本发明涉及通过本文所述的方法和设备来监测移动纺线中长丝原纤化水平的方法和设备。
在一些实施方案中，纺线为单丝纺线。在其他实施方案中，纺线为复丝纺线。
第二接收器可设置在能检测到漫射光的任何位置。在一些实施方案中，第二接收器设置在光源与第一接收器之间。在一些实施方案中，第二接收器被布置为与纺线成60度至120度的角度。在某些实施方案中，第二接收器被布置为与纺线成基本上90度的角度。
在一些实施方案中，与纺线形成的入射角为30至60度。在某些实施方案中，与纺线形成的入射角基本上为45度。
一些优选的纺线包含刚性棒长丝。适合的刚性棒长丝包括那些含芳族聚酰胺聚合物的长丝。一些芳族聚酰胺聚合物为对位芳族聚酰胺，例如聚对苯二甲酰对苯二胺。
其他适合的聚合物包括聚[2，6-二咪唑并[4，5-b：4，5-e]-吡啶亚基-1，4-(2，5-二羟基)亚苯基]、聚苯并噁唑和聚苯并噻唑。
在一些纺线中，表面因长丝原纤化而不规则。在某些实施方案中，长丝原纤化为1-3微米的直径。一些长丝原纤化为最多4mm的长度。
在一些实施方案中，对生产过程中的纺线执行该方法。在其他实施方案中，在纺线的后期生产过程中执行该方法。
在一些实施方案中，本发明涉及检测移动纺线中表面不平度的水平的设备，该设备包括：
光源，该光源被布置为以与纺线形成大于0度且小于90度的入射角入射到纺线，该光源产生光谱反射能和漫反射能；
第一接收器，该第一接收器用于接收来自纺线的光源的光谱反射能，该第一接收器被布置为以基本上等于入射角的出射角入射到纺线上；
第二接收器，该第二接收器用于接收来自纺线的光源的漫反射能，该第二接收器被布置为以不同于入射角和出射角的角度入射到纺线上；和
比较器，该比较器用于测定漫反射能的量与光谱反射能的量的比值。
在一些实施方案中，第一和第二接收器被布置在第一和第二通道的末端，使得光穿过通道后接触检测器。
在一些实施方案中，光源被布置在通道的末端，使得光穿过通道后接触纺线。
在某些实施方案中，一些或所有通道与吹扫气流连通。在一些实施方案中，气体为空气。在其他实施方案中，气体为氮气或其他惰性气体。气流可被布置成使光源、检测器、和/或光圈免受灰尘及碎屑的影响。
附图说明
图1示出使用检测设备的一个实施方案的检测方法。
图2示出损坏的纱线和较好的纱线在黑暗房间和明亮房间中的漫反射。此外，还示出损坏的纱线和较好的纱线在黑暗房间中的光谱反射。
示例性实施方案的详述
参考以下对示例和优选的实施方案的详细说明可更容易地理解本发明，所述详细说明构成了本公开的一部分。应当理解，权利要求的范围并不限于本文所述和/或示出的具体装置、方法、条件或参数，并且本文所用术语的目的仅在于以举例的方式描述具体实施方案，并非旨在限制受权利要求书保护的本发明。而且，如包括所附权利要求的说明书中所用，单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数指代，并且提及的具体数值至少包括该具体值，除非上下文清楚地另有指明。当表述数值的范围时，另一个实施方案包括从所述的一个具体值和/或到另一个具体值。类似地，当采用先行词“约”将数值表述为近似值时，应当理解，该具体值也构成了另一个实施方案。所有范围均具有包含性和组合性。
照射在光滑或未损坏长丝的光滑表面上的光主要发生类镜面“光谱”反射，该反射以与入射角相等的出射角离开表面。此光线可由传感器捕集，该传感器被设置在与以入射角反射的光线成一直线的适当位置。当照射光射到粗糙表面(即表面不平度，例如由原纤化损坏引起的表面不平度)上时，较高百分比的光以“随机角度”被散射。该“漫”反射可由以不同于“光谱”角度的另一角度布置的传感器捕集。通过测量漫反射的量，可推断出表面不平度的量。通过测量漫反射与光谱反射的比值，可不受源强度约束作出该推断。这对于在线传感器可以尤其有利。
在一个实施方案中，检测器可设置在远离长丝的通道末端。图1示出该方案的一种可能布局。光源和两个检测器各自位于单独的小通道末端，并且具有光源或检测器的通道的末端在本文中称为通道的电子器件末端。各个通道的“闭塞空气”对可能的污染提供一些防护。通道的长度和直径可提供一些附加的光聚焦，在通道面吸光时尤为如此。
为了进一步聚焦光束，并为了进一步保护元件和关键路径不受污染以免不均匀地阻挡光，可以采用以下方法之一或两种方法均采用：
·在靠近通道的电子器件末端设置光圈，和/或
·使纯净吹扫气流(例如仪表气)进入电子器件附近，保持使用连续不断的干净气流对通道和光圈(如果有)进行吹扫。
采用这些措施后，通道开口端处的污染需要非常显著才能阻挡原本在正常情况下将到达光圈的光的路径。气流使光圈保持洁净，还阻止开口端处的主要污染。此类措施可大大降低监测区域内存在的污染的影响。
该方法可使用白色光，不使用入射或接收滤光器。然而，在一些实施方案中，可以使用滤色器。光不必局限于可见光；可使用光谱中的其他特定波长。此外，可以使用偏振光和偏振检测器。
本发明中使用的接收器包含用于检测接触该检测器的光的强度的装置。
如本文所用，比较器为用于比较两个信号的电路装置。此类装置为本领域的技术人员所熟知。在一些实施方案中，该比较器用于测定漫反射能的量与光谱反射能的量的比值。该比值可通过由第一和第二接收器响应于接收器所检测到的反射光的量(或强度)而产生的信号来测定。在某些实施方案中，该比较器可以任选地将从两个接收器的比较所获得的值与标准值(例如得自已知样本的值)相关联，并产生对纱线质量或表面不平度的指示。
合适的纤维的实例包括那些具有可原纤化长丝的纤维。此类纤维包括那些由刚性棒聚合物制成的纤维，并且包括多种类型的聚苯并唑；芳族聚酰胺，例如由E.I.du Pont de Nemours and Company(Dupont)，Wilmington，DE以商品名销售的聚对苯二甲酰对苯二胺；和聚吡啶并唑，例如商品名为的聚吡啶并二咪唑。在一些实施方案中，根据ASTM D-885，纤维的韧度应为至少约900MPa，以提供优异的抗弹道侵彻性。在一些实施方案中，纤维还优选地具有至少约10GPa的模量。
在一个实施方案中，当聚合物为聚酰胺时，优选芳族聚酰胺。所谓“芳族聚酰胺”是指其中至少85％的酰胺(-CO-NH-)键直接连接到两个芳族环上的聚酰胺。合适的芳族聚酰胺纤维在Man-Made Fibers-Science andTechnology，第2卷标题为“Fiber-Forming Aromatic Polyamides”部分的第297页(W.Black等人，Interscience Publishers，1968年)中有所描述。芳族聚酰胺纤维也在美国专利4,172,938、3,869,429、3,819,587、3,673,143、3,354,127和3,094,511中有所公开。添加剂可以与芳族聚酰胺一起使用，并且已发现，可将高达10重量％的其他聚合物材料与芳族聚酰胺共混，或者可使用具有多达10％的其他二胺(其取代了芳族聚酰胺的二胺)或多达10％的其他二甲酰氯(其取代了芳族聚酰胺的二甲酰氯)的共聚物。
一种优选的芳族聚酰胺为对位芳族聚酰胺，而优选的对位芳族聚酰胺为聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T)。所谓PPD-T是指由对苯二胺和对苯二甲酰氯以大约等摩尔比进行聚合反应(mole-for-mole polymerization)所得的均聚物，以及少量其他二胺与对苯二胺结合和少量其他二甲酰氯与对苯二甲酰氯结合所得的共聚物。作为一般原则，其他二胺和其他二甲酰氯的使用量最多可为对苯二胺或对苯二甲酰氯的约10摩尔％，或者可能略高，唯一的前提条件是其他二胺和二甲酰氯不含干扰聚合反应的活性基团。PPD-T也指由其他芳族二胺和其他芳族二甲酰氯结合所得的共聚物，所述二酰氯为例如2，6-萘二甲酰氯或者氯代或二氯对苯二甲酰氯或3，4′-二氨基二苯醚。
聚芳烃吡咯聚合物(例如聚苯并唑和聚吡啶并唑)可通过使干燥成分的混合物与多磷酸(PPA)溶液进行反应来制得。干燥成分可包含形成唑的单体和金属粉末。准确称重批次的这些干燥成分可以通过采用本发明的至少一些优选实施方案获得。
示例性的形成唑的单体包括2，5-二巯基-对苯二胺、对苯二甲酸、双-(4-苯甲酸)、氧基-双-(4-苯甲酸)、2，5-二羟基对苯二甲酸、间苯二甲酸、2，5-吡啶二甲酸、2，6-萘二甲酸、2，6-喹啉二甲酸、2，6-双(4-羧基苯基)吡啶并二咪唑、2，3，5，6-四氨基吡啶、4，6-二氨基间苯二酚、2，5-二氨基对苯二酚、1，4-二氨基-2，5-二巯基苯、或它们的任何组合。优选地，形成唑的单体包括2，3，5，6-四氨基吡啶和2，5-二羟基对苯二甲酸。在某些实施方案中，优选的是形成唑的单体为磷酸化的。优选地，磷酸化的形成唑的单体在存在多磷酸和金属催化剂的情况下聚合。
可使用金属粉末来帮助堆积最终聚合物的分子量。金属粉末通常包括铁粉、锡粉、钒粉、铬粉、以及它们的任何组合。
使形成唑的单体和金属粉末混合，然后使混合物与多磷酸反应以形成聚芳烃吡咯聚合物溶液。如果需要，可将另外的多磷酸加入到聚合物溶液中。通常将聚合物溶液通过模具或喷丝头挤出或纺丝来制备或纺成长丝。
聚苯并噁唑(PBO)和聚苯并噻唑(PBZ)为两种合适的聚苯并唑聚合物。这些聚合物在PCT专利申请WO 93/20400中有所描述。聚苯并噁唑和聚苯并噻唑优选由下列结构的重复单元构成：


尽管所显示的接合到氮原子上的芳族基团可以为杂环，它们优选地为碳环；而且尽管它们可以为稠合或未稠合的多环体系，它们优选地为单一的六元环。尽管双唑主链中所示的基团为优选的对亚苯基，该基团也可用不干扰聚合物制备的任何二价有机基团取代，或根本不存在基团。例如，该基团可为最多十二个碳原子的脂族、甲苯基、亚联苯基、双亚苯基醚等等。
用于制备本发明的纤维的聚苯并噁唑和聚苯并噻唑应具有至少25个并且优选至少100个重复单元。该聚合物的制备和那些聚合物的纺丝在前述PCT专利申请WO 93/20400中有所公开。
由聚(吡啶并唑)聚合物制成的纤维适用于本发明。这些聚合物包括聚(吡啶并咪唑)、聚(吡啶并噻唑)、聚(吡啶并噁唑)、聚(吡啶并双咪唑)、聚(吡啶并二噻唑)和聚(吡啶并二噁唑)。
聚(吡啶并双咪唑)是具有高强度的刚性棒聚合物。聚(吡啶并双咪唑)纤维可以具有至少20dl/g或至少25dl/g或至少28dl/g的特性粘度。此类纤维包括PIPD纤维(也称为纤维和由聚[2，6-二咪唑并[4，5-b：4，5-e]-吡啶亚基-1，4-(2，5-二羟基)亚苯基]制成的纤维)。PIPD纤维基于下列结构：

已报道PIPD纤维具有拥有约310GPa(2100克/旦尼尔)的平均模量和最多约5.8GPa(39.6克/旦尼尔)的平均韧度的潜力。这些纤维已在下列文献中有所描述：Brew等人的“Composites Science and Technology”1999，59，1109；Van der Jagt和Beukers的“Polymer”1999，40，1035；Sikkema“Polymer”1998，39，5981；Klop和Lammers的“Polymer”，1998，39，5987；Hageman等人的“Polymer”1999，40，1313。
为了本文的目的，术语“纤维”被定义为相对柔韧、宏观上均匀并且在沿其长度方向竖直的横截面上具有高的长宽比的主体。纤维横截面可为任何形状，但通常为圆形。本文中，术语“长丝”或“连续长丝”与术语“纤维”可互换使用。
如本文所用，“纺线”包括单丝和复丝纺线。
术语“复丝纺线”是指互相联结的多根长丝。此类纺线为本领域的技术人员所熟知。长丝在没有加捻的情况下可能合股或以其他方式互相联结。
实施例
本发明通过以下实施例而示出但并非旨在限于以下实施例。
使用本发明的设备和方法，在黑暗和明亮房间条件下观测损坏的纱线和较好的纱线的漫反射和光谱反射。图2示出损坏的纱线和较好的纱线在黑暗房间中的漫反射，以及损坏的纱线和较好的纱线在明亮房间中的漫反射。此外，图2示出损坏的纱线和较好的纱线在黑暗房间中的光谱反射。