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CN1520472A - 高强度薄皮纤维 - Google Patents

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CN1520472A
CN1520472A CNA018234011A CN01823401A CN1520472A CN 1520472 A CN1520472 A CN 1520472A CN A018234011 A CNA018234011 A CN A018234011A CN 01823401 A CN01823401 A CN 01823401A CN 1520472 A CN1520472 A CN 1520472A
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CN
China
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fiber
skin
core
additive
absorbent
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CNA018234011A
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English (en)
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H・拉尼夫
H·拉尼夫
鹚
J·珀金斯
C·托梅
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Honeywell International Inc
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Abstract

一种纤维包含一个芯、一个皮、和一种决定该纤维的所希望物理化学参数的添加剂，其中，该纤维纺制得无需提高该添加剂的浓度就能在该皮的体积减少时提高所希望的参数。特别好的添加剂包括生色团(例如一种紫外线吸收剂)、阻燃剂、和粘合促进剂。

Description

高强度薄皮纤维
技术领域
本发明的领域是薄皮纤维。
背景技术
合成纤维常用于制造各种消费品。因特定用途而异，这样的纤维可以用一种或多种类型的添加剂改性，以赋予所希望的物理化学特征。例如，在希望彩色纤维的情况下，可以向该纤维中添加染料。替而代之，可以向该纤维中添加紫外线吸收剂或阻燃剂以使这样的纤维更能耐受环境条件。
有业内已知的各种向纤维中添加添加剂的工艺。例如，可以使用一种一次或多次浸涂工艺将该添加剂施用到一种预制纤维上。浸涂是特别有利的，因为该涂布工艺往往与该纤维的类型和构型无关。然而，浸涂倾向于产生若干问题。除其它问题外，添加剂的粘合可能不太令人满意，尤其当该纤维用一种机织、针织、或其它机械挑战性工艺进一步加工时更是如此。进而，浸涂可能改变一种或多种表面品质(例如润滑性)，且往往是环境上有问题的。为了克服与纤维涂布相联系的问题的至少一部分，可以将该添加剂与该纤维材料混合。虽然将该添加剂混入该纤维材料中往往缓解或解决了添加剂粘合的问题，但可能引起其它困难。例如，在使添加剂分布到整个纤维上的情况下，典型地需要大量添加剂才能达到该添加剂所提供的所希望效果。进而，相对大量的添加剂倾向于负面地冲击该纤维的理想的物理化学性能(例如纤维强度)。
尽管业内已知有各种方法可通过向纤维提供添加剂来改善理想的物理化学性能，但它们全部或几乎全部困扰于一种或多种问题。因此，目前仍需要提供有改善物理-化学参数的纤维生产用的组合物和方法。
发明内容
本发明涉及一种纤维的组成和方法，该纤维包含一种芯、一种皮、和一种决定该纤维的所希望物理-化学参数的添加剂。所期待的纤维纺制得无需增加该添加剂的量就能在该皮的体积减少时提高所希望的物理-化学参数。
在本发明主题的一个方面，某一给定量添加剂时的物理-化学参数当该皮的体积减少10％时提高至少10％，更好当该皮的体积减少20％时提高至少20％。
在本发明主题的另一个方面，该添加剂是以约0.1wt％～10wt％的数量存在于该纤维中的。特别好的添加剂包含一种生色团，较好一种紫外线吸收剂或一种染料。进一步期待的添加剂包括一种阻燃剂、和粘合促进剂。因此，所期待的所希望物理-化学参数包括紫外线照后纤维强度的保留率、颜色强度、阻燃作用、和改善的粘合。特别期待的纤维包括约1.5wt％数量的紫外线吸收剂、有50∶50的芯/皮体积比、并显示出不低于45％的紫外线照射后纤维强度保留率。进一步特别期待的纤维包括约1.5wt％数量的一种紫外线吸收剂、有60∶40的芯/皮体积比、并显示出不低于50％的紫外线照射后纤维强度保留率，更进一步特别期待的纤维包括约1.5wt％数量的一种紫外线吸收剂、有70∶30的芯/皮体积比、并显示出不低于54％的紫外线照后纤维强度保留率。所期待的纤维可以有各种形状的横截面，其中包括三叶形状、同心形状、和偏心形状。
在本发明主题的一个进一步方面，纤维制造方法有一个提供一种芯材料、一种皮材料、和一种添加剂的步骤，其中，该添加剂至少部分地决定了该纤维的所希望的物理-化学参数。在一个进一步的步骤，从该芯材料形成一个芯，并从该皮材料形成一个有某一体积的皮，使得该皮至少部分地围绕该芯，其中，该添加剂配置于该芯和该皮的至少一种中。所期待的纤维纺制得在该皮的体积减少时无需增加该添加剂的量就能提高物理-化学参数。
本发明的各种目的、特色、方面和优点，从随后本发明较好实施方案的详细描述连同附图一起，将变得更加显而易见。
附图说明
图1是多根例示性薄皮纤维的横截面照片。
图2A～2C是各种例示性薄皮纤维的示意图。
图3是所期待薄皮纤维纺丝用喷丝头组件的一根例示性皮材料导管的部分示意图。
具体实施方式
本发明者等已经发现，一种有防护性添加剂的薄皮纤维的理想物理-化学参数，通过将该纤维纺制得在保持该纤维中添加剂的总量的同时使皮厚度减少，就能加以改善。
在本发明主题的一个较好方面，如图1所示的所期待纤维是有一个芯和一个围绕该芯的皮(其芯/皮体积比为85％∶15％)的同心双组分纤维。芯和皮的材料较好是聚对苯二甲酸乙二醇酯，其中，该皮材料进一步包含一种紫外线(UV)吸收剂(例如一种苯并三唑、或一种环状亚氨酸酯)，其数量为约1.5wt％。进一步更好的是，这样的纤维的芯/皮体积比为至少50∶50、更好为至少60∶40、甚至更好为至少70∶30、最好为至少80∶20。较好的纤维的紫外线照射后纤维强度保留率不低于45％、更好不低于50％、甚至更好不低于54％(例如，见实施例)。
在替代方面，所期待的纤维不一定需要限定于有一个芯和一个围绕该芯的皮的同心双组分纤维，且替代纤维包括有3个或更多个组分的多组分纤维。进而，应当知道的是，适用纤维的构型可以有颇大差异，且替代构型具体地包括三叶构型和偏心构型。例如，在特别理想的是所期待的纤维有一种多组分结构的情况下，多种皮围绕一个芯可能是适当的。另一方面，在希望有非圆横截面的纤维的情况下，适用的纤维可以有一种细圆齿状的两叶或三叶构型。进而，期待的是，芯/皮体积比可以有差异，而且可以认为许多体积比是适用的，包括约50％∶50％(芯体积/皮体积)～大约95％∶5％(芯体积/皮体积)的体积比。
进而，芯和皮两者的材料可以有颇大差异，而且可以认为纤维生产用的所有已知聚合物材料、尤其可熔融挤出材料都适合于与本文中公开的内容配合使用。特别期待的材料包括有机聚合物，具体地包括聚酯(例如，聚对苯二甲酸丁二醇酯、或聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚酰胺(例如，尼龙6、或尼龙66)、聚乙烯、聚丙烯、及其它聚烯烃材料、和这些的所有合理组合。因此，适用聚合物的特性粘度(IV)可以有颇大差异。然而，一般来说较好的是，所期待聚合物的IV大于0.5、更好大于0.75、最好大于0.9。
在本发明主题的进一步替代方面，可以包括除紫外线吸收剂外的添加剂，且特别好的替代添加剂包括染料(包含单一或多种生色团)、阻燃剂(例如，溴代化合物或其它市售阻燃剂)、固体材料(例如，钛或其它金属小片状物)、或粘合促进剂(例如，含环氧基试剂)以赋予特别理想的物理-化学参数。因此，所期待的替代物理-化学参数包括颜色强度、阻燃作用、耐切割性能、和改善的该纤维对一种材料(例如橡胶、或其它有机聚合物)的粘合。也应当知道的是，所期待的纤维可以包含不止一种添加剂来达到一种或多种所希望的物理-化学效果。例如，一种纤维可以包括一种UV吸收剂和一种阻燃剂以实现一种耐UV和耐火焰的纤维。
关于适用添加剂在该纤维中的浓度，较好的是，该浓度在约0.1wt％～10wt％之间。然而，尤其在特别低的浓度是适当的情况下，0.1wt％～0.005wt％及其以下的浓度也是适用的。例如，在该添加剂是一种量子产率高的荧光团的情况下，该荧光团可以有0.01wt％的浓度。另一方面，在相对高浓度的该添加剂是一种特定功能所需要的或理想的情况下，10wt％～25wt％及其以上的浓度是所期待的。例如，在特别希望高耐切割性能的情况下，可以以20wt％甚至更高的数量包括金属粉末。然而，一般来说，较好的是，该纤维是如此纺制的，以致与使用一种先有技术工艺纺制的纤维相比通过向该纤维中添加较低数量的该添加剂就能达到理想的效果。
关于该添加剂的位置，应当认识到的是，可以将一种或多种添加剂配置在该芯和/或该皮中。然而，特别好的是，将该添加剂的一个占主导部分(即，该添加剂总量的至少70％)或全部配置在该皮内。因此，应当认识到的是，当相对于该芯的体积而言该皮的体积减少时，该添加剂在该皮中的局部浓度将会提高。因此，所期待纤维的(至少部分地由该添加剂决定的)物理-化学参数，在该皮的体积减少时无需增加该添加剂的数量就会提高，在图2中示意性地说明了这一点。例如，期待的是，此类纤维的物理-化学参数当该皮的体积减少10％时将提高至少10％，较好此类纤维的物理化学参数当该皮的体积减少20％时将提高至少20％(见以下实施例)。
在本发明主题的一个进一步特别期待的方面，所期待的纤维是从一种喷丝头组件纺丝的，该组件包含一种有一个皮材料导管、一个芯材料导管、和一个至少部分地配置在该皮材料导管内的过滤器的分配/过滤元件，其中该皮材料导管构建得具有以下所指出的开放体积与皮材料质量流量之比：
wt％皮                    10      20      30      40     50
皮开放体积(cm3)          47.03   47.03   47.03   47.03  47.03
质量流量率(cm3/min)      20.16   40.32   60.48   80.64  100.80
开放体积与质量流量之比    2.33    1.17    0.78    0.58   0.47在一种图示表述中，特别好的皮材料导管构建得具有处在下图中所示曲线(由方程y＝23.209x-0.998表示)以下的[开放体积/皮材料质量流量比值]/[皮的wt％]的商：
Figure A0182340100081
更进一步较好的是，所期待皮材料导管的至少一部分有一个在该分配/过滤元件内实质上中心的位置。所期待纤维生产用的特别好喷丝头组件详见2001年7月3日提交的、Qiang Zhou、Alex Lobovsky、Jim Matrunich、Conor Twomey、和Barbara McGrath等题为“High-Strength Chemically Resistant Thin Sheath Fibers andMethods of Manufacture”的审查中美国专利申请，该文列为本文参考文献。图3中显示了一种喷丝头组件中一种例示性的较好皮材料导管。
然而，也期待的是，替代喷丝头组件是适用于所期待纤维的生产的，只要这样的喷丝头组件能形成一种包含一个芯、一个至少部分地围绕该芯的皮、和一种配置在该芯和该皮的至少一种中并决定所希望的物理-化学参数的添加剂的纤维，而且只要该纤维用该喷丝头组件纺制得当该皮的体积减少时无需增加该添加剂在该纤维中的数量该物理-化学参数就能提高即可。因此，一种纤维形成方法包含一个提供一种芯材料、一种皮材料、和一种添加剂的步骤，其中，该添加剂至少部分地决定该纤维的一种所希望物理化学参数。在一个进一步的步骤中，该添加剂配置在该芯材料和该皮材料的至少一种中，而且在一个又进一步的步骤中，该纤维纺制得在该皮的体积减少时无需增加该添加剂在该纤维中的数量该物理-化学参数就能提高。关于该芯材料、皮材料、添加剂、和所希望的物理-化学参数，适用以上所述的相同考虑。
实施例
有UV吸收剂的薄皮纤维的组成和物理-化学性能
下列纤维是从表1中所指出的组成纺制的，该表也包括体积比和所选择的物理-化学性能(这里是紫外线暴露400小时后纤维强度的保留率)。纺丝条件是以下所指出的：
表1 纤维1 纤维2 纤维3 纤维4
芯材料 0.95IV的PET 0.95IV的PET 0.95IV的PET 0.95IV的PET
皮材料 1.02IV的PET+UV吸收化合物 1.02IV的PET+UV吸收化合物 1.02IV的PET+UV吸收化合物 1.02IV的PET+UV吸收化合物
芯体积 50 60 70 70
皮体积 50 40 30 30
UV吸收剂的总wt％ 1.5 1.5 1.5 0.0
皮中UV吸收剂的wt％ 3.0 3.75 5.0 0.0
芯中UV吸收剂的wt％ 0.0 0.0 0.0 0.0
400小时UV照射后的％纤维强度保留率 45.0 50.2 54.0 25.8
UV吸收剂是一种环状亚氨酸酯。将该UV吸收剂与1.02IV的PET配混，产生以上所指出浓度的UV吸收性皮材料。在一组替代的纤维中，使该纤维中UV吸收剂的总浓度降低50％，虽然该皮/芯体积比是恒定的，但400小时UV照射后百分纤维强度保留率只降低了不到20％。该UV吸收剂是一种苯并三唑。这里，(见例如以下纤维6)一种纤维有一种以约0.5wt％的数量存在的UV吸收剂，其中该芯和该皮的体积比为90∶10，且其中UV照射后的纤维强度保留率不低于41％。
表2 纤维5 纤维6
芯材料 0.95IV的PET 0.95IV的PET
皮材料 1.02IV的PET+UV吸收化合物 1.02IV的PET+UV吸收化合物
芯体积 90 90
皮体积 10 10
UV吸收剂的总wt％ 1.0 0.5
皮中UV吸收剂的wt％ 10.0 5.0
芯中UV吸收剂的wt％ 0.0 0.0
400小时UV照射后的％纤维强度保留率 48.7 41.5
因此，应当知道的是，虽然UV吸收剂的总量可以减少66％以上，但由于皮厚度变薄，％纤维强度保留率只降低了不到10％(见例如表2的纤维6和表1的纤维1)。
纤维强度保留率是使用ASTM-D4355(美国试验与材料学会(1999年)，West Conshohocken，PA)中所述的、暴露于紫外线和水所引起的geotextiles拉伸强度恶化的标准测定程序测定的。该纤维是使用如下实验方案纺丝的：
这些薄皮纤维是使用各种聚合物和聚合物配混物作为皮材料、使用PET切片作为芯材料生产的。对于表1～3中所列的样品来说，皮的挤出温度设定为240℃～295℃，芯的挤出温度设定为260℃～295℃。喷丝头组件温度设定在295℃。除非另有说明，否则主要工艺条件如下：每块喷丝板的总物料通过量为32磅/小时，单丝数目为136，卷取速度为450m/min，第一拉伸辊温度为90℃，第二拉伸辊温度为190℃，总拉伸比为4.8，目标旦值为1000。
如同从表1可以清楚地看到的，虽然该添加剂在该纤维中的总量保持恒定，但所希望的物理-化学性能(这里是紫外线照射后纤维强度的保留率)随皮厚度减少而提高。类似地，如表2中所示，虽然皮体积保持恒定，但所希望的物理-化学性能(这里是紫外线照射后纤维强度的保留率)随该添加剂在该皮中的数量增加而提高。
从另一种观点来看，应当认识到的是，按照本发明主题的纤维显示出JZ系数CJZ(即一种改进的耐紫外线性能系数)为至少1.0、较好至少1.3、更好至少1.6、甚至更好至少2.9、最好至少4.9。
                   CJZ＝R/{[B]×[S]×(ε×10-3)}
式中，R是如上所述的400小时紫外线照射后纤维强度保留百分率，[B]是该皮中以wt％表示的添加剂浓度，[S]是皮/芯比值，ε是该添加剂在230nm～280nm范围内的吸收最大值时的摩尔消光系数。例如，按照表1的纤维1～3显示出CJZ分别为1.0、1.34、1.68。在一个进一步的实例中，表2中的纤维5～6显示出CJZ分别为2.92和4.98(表2中的环状亚氨酸酯和表1中的苯并三唑均以15.0001/mol*cm的近似ε计算)。
有染料的薄皮纤维的组成和物理-化学性能
下列纤维是从表3中所指出的组成纺丝的，该表也包括体积比和所选择的物理化学性能(这里是以ΔE量度的正颜色强度差)。
表3 纤维7 纤维8
芯材料 0.87IV的PET 0.87IV的PET
皮材料 0.95IV的PET+享特绿色母粒 0.95IV的PET+享特绿色母粒
芯体积 70 85
皮体积 30 15
染料的总wt％ 0.5 0.5
皮中染料的wt％ 1.6 3.3
芯中染料的wt％ 0.0 0.0
平均染料吸收 0.45 0.43
颜色试验L 57.47 58.33
颜色试验ΔE -/- 2.5
如同从表3可以清楚地看到的，虽然该纤维中(用平均染料吸收量量度的)染料总量保持恒定，但所希望的物理-化学性能(这里是以ΔE量度的颜色强度)随着皮厚度减少而显著提高。纺丝条件实质上与以上所述的那些相同。
因此，一般地说，期待的是按照本发明主题的纤维在希望纤维中一种特定物理-化学性能的情况下是特别有用的，此时只需向该纤维中添加相对少量的添加剂。例如，在该添加剂包含一种生色团的情况下，所期待的纤维可以用于所有偏爱彩色纤维或耐紫外线纤维的用途。特别期待的用途包括彩色的或耐紫外线的纱、织物、和帘子线，以及含有此类纱、织物、和帘子线的产品(例如，服装或室内装璜用纺织品)。在一个又进一步的实例中，所期待的纤维和纤维产品可以掺入天然的(例如橡胶)和/或合成的聚合物(例如有机树脂)中作为增强材料或结构材料。
因此，已经公开了高强度薄皮纤维的具体实施方案的应用。然而，对于业内人士来说，应当显而易见的是，在不背离本文中的本发明概念的情况下，除已经描述的那些外，还可以有多得多的改变。因此，除所附权利要求书的精神外，本发明主题是不会受限制的。进而，在解读本说明书和权利要求书时，所有术语均应以与上下文一致的尽可能广义的方式予以解读。具体地说，“包含”(comprises和comprising)这一术语应当解读为以一种非排他性方式提到元件、组分、或步骤，表明所提到的元件、组分、或步骤可以是存在的、或利用的、或与其它没有明确提到的元件、组分、或步骤组合。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种纤维，包含
一个芯，和一个有某一体积的皮，其中该皮至少部分地围绕该芯；
一种添加剂，配置于该芯和该皮的至少一种中，并决定一种所希望的物理-化学参数；和
其中，该纤维纺制得当该皮的体积减少时无需增加该添加剂在该纤维中的含量就能提高所希望的物理-化学参数。
2.权利要求1的纤维，其中当该皮的体积减少10％时该物理-化学参数提高至少10％。
3.权利要求1的纤维，其中当该皮的体积减少20％时该物理-化学参数提高至少20％。
4.权利要求2的纤维，其中该添加剂的含量是0.1wt％～10wt％之间。
5.权利要求4的纤维，其中该添加剂包含一种生色团。
6.权利要求5的纤维，其中该生色团包含一种紫外线(UV)吸收剂，且其中所希望的物理-化学参数包含紫外线照射后纤维强度保留率。
7.权利要求6的纤维，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯和该皮的体积比为50∶50，且其中UV照射后纤维强度保留率不低于45％。
8.权利要求6的纤维，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯和该皮的体积比为60∶40，且其中UV照射后纤维强度保留率不低于50％。
9.权利要求6的纤维，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯和该皮的体积比为70∶30，且其中UV照射后纤维强度保留率不低于54％。
10.权利要求6的纤维，其中该UV吸收剂是以约0.5wt％的含量存在的，其中该芯和该皮的体积比为90∶10，且其中UV照射后纤维强度保留率不低于41％。
11.权利要求5的纤维，其中，该生色团包含一种染料，且其中所希望的物理-化学参数包含颜色强度。
12.权利要求4的纤维，其中该添加剂包含一种阻燃剂，且其中所希望的物理-化学参数包括阻燃作用。
13.权利要求4的纤维，其中该添加剂包含一种粘合促进剂，且其中所希望的物理-化学参数包含对一种材料的粘合力。
14.一种纤维制造方法，包含：
提供一种芯材料、一种皮材料、和一种至少部分地决定该纤维的一种所希望物理-化学参数的添加剂；
从该芯材料形成一个芯，并从该皮材料形成一个有某一体积的皮，使得该皮至少部分地围绕该芯；
其中该添加剂配置在该芯材料和该皮材料的至少一种中；且
其中该纤维纺制得当该皮的体积减少时无需增加该添加剂在该纤维中的含量就能提高所希望的物理-化学参数。
15.权利要求14的方法，其中该添加剂的含量在0.1wt％～10wt％之间。

Claims (20)

1.一种纤维，包含
一个芯，和一个有某一体积的皮，其中该皮至少部分地围绕该芯；
一种添加剂，配置于该芯和该皮的至少一种中，并决定一种所希望的物理-化学参数；和
其中，该纤维纺制得当该皮的体积减少时无需增加该添加剂在该纤维中的含量就能提高该物理-化学参数。
2.权利要求1的纤维，其中当该皮的体积减少10％时该物理-化学参数提高至少10％。
3.权利要求1的纤维，其中当该皮的体积减少20％时该物理-化学参数提高至少20％。
4.权利要求2的纤维，其中该添加剂的含量是0.1wt％～10wt％之间。
5.权利要求4的纤维，其中该添加剂包含一种生色团。
6.权利要求5的纤维，其中该生色团包含一种紫外线(UV)吸收剂，且其中所希望的物理-化学参数包含紫外线照射后纤维强度保留率。
7.权利要求6的纤维，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯和该皮的体积比为50∶50，且其中UV照射后纤维强度保留率不低于45％。
8.权利要求6的纤维，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯和该皮的体积比为60∶40，且其中UV照射后纤维强度保留率不低于50％。
9.权利要求6的纤维，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯和该皮的体积比为70∶30，且其中UV照射后纤维强度保留率不低于54％。
10.权利要求6的纤维，其中该UV吸收剂是以约0.5wt％的含量存在的，其中该芯和该皮的体积比为90∶10，且其中UV照射后纤维强度保留率不低于41％。
11.权利要求5的纤维，其中，该生色团包含一种染料，且其中所希望的物理-化学参数包含颜色强度。
12.权利要求4的纤维，其中该添加剂包含一种阻燃剂，且其中所希望的物理-化学参数包括阻燃作用。
13.权利要求4的纤维，其中该添加剂包含一种粘合促进剂，且其中所希望的物理-化学参数包含对一种材料的粘合力。
14.一种纤维制造方法，包含：
提供一种芯材料、一种皮材料、和一种至少部分地决定该纤维的一种所希望物理-化学参数的添加剂；
从该芯材料形成一个芯，并从该皮材料形成一个有某一体积的皮，使得该皮至少部分地围绕该芯；
其中该添加剂配置在该芯材料和该皮材料的至少一种中；且
其中该纤维纺制得当该皮的体积减少时无需增加该添加剂在该纤维中的含量就能提高该物理-化学参数。
15.权利要求14的方法，其中该添加剂的含量在0.1wt％～10wt％之间。
16.权利要求15的方法，其中该添加剂包含一种紫外线(UV)吸收剂，且其中所希望的物理-化学参数包含UV照射后纤维强度保留率。
17.权利要求16的方法，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯与该皮的体积比为50∶50，且其中在UV照射后纤维强度保留率不低于45％。
18.权利要求16的方法，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯与该皮的体积比为60∶40，且其中在UV照射后纤维强度保留率不低于50％。
19.权利要求16的方法，其中该UV吸收剂是以约1.5wt％的含量存在的，其中该芯与该皮的体积比为70∶30，且其中在UV照射后纤维强度保留率不低于54％。
20.权利要求16的方法，其中该UV吸收剂是以约0.5wt％的含量存在的，其中该芯与该皮的体积比为90∶10，且其中在UV照射后纤维强度保留率不低于41％。
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