專利名稱：非織造織物網(wǎng)模頭和用其制造的非織造織物網(wǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造非織造織物網(wǎng)的裝置和方法，以及熔噴或紡粘纖維狀非織造織物網(wǎng)。
背景技術(shù)：
非織造織物網(wǎng)通常采用熔噴法形成，所述熔噴過(guò)程中絲條從一系列小噴絲孔中擠出，并利用熱空氣或其它細(xì)化流體使其拉伸變細(xì)成纖維。細(xì)化纖維在遠(yuǎn)程定位收集器或其它適宜的表面成網(wǎng)。紡粘法也可用于形成非織造織物網(wǎng)。紡粘非織造織物網(wǎng)的成形是，熔融絲條從一系列小噴絲孔中擠出，經(jīng)淬冷空氣處理至少使絲條表面固化，用空氣或其它流體拉伸至少部分固化的絲條細(xì)化成纖維，收集纖維并有選擇地壓延成網(wǎng)。與熔噴非織造織物網(wǎng)相比，紡粘非織造織物網(wǎng)通常柔軟性較小、更硬，用于紡粘的絲條擠出溫度通常比熔噴絲條的擠出溫度低。
提高非織造織物網(wǎng)均一性的工作一直在努力進(jìn)行。通常評(píng)價(jià)非織造織物網(wǎng)的均一性基于如單位重量、平均纖維直徑、布的厚度或孔隙率等因素。通過(guò)改變或控制加工變量，如材料的流量、空氣流速、?？诘绞占鞯木嚯x等，可以提高非織造織物網(wǎng)的均一性。另外，在熔噴或紡粘設(shè)備的設(shè)計(jì)中做改動(dòng)。上述方法參考的資料包括美國(guó)專利Nos.4,889,476；5,236,641；5,248,247；5,260,003；5,582,907；5,728,407；5,891,482和5,993,943。
盡管許多研究者經(jīng)過(guò)了多年的努力，生產(chǎn)商業(yè)上適宜的非織造織物網(wǎng)，仍然需要細(xì)致地調(diào)整加工變量和設(shè)備參數(shù)，需要不斷實(shí)驗(yàn)、獲取誤差以便得到更滿意的結(jié)果。生產(chǎn)均一的非織造織物網(wǎng)織物和超細(xì)纖維布特別困難。
附圖的簡(jiǎn)要描述說(shuō)明

圖1是常規(guī)T字型?？p熔噴模頭的俯視剖面示意圖。
圖2是常規(guī)熔噴模頭(coathanger熔噴模頭)的俯視剖面示意圖。
圖3是本發(fā)明的熔噴模頭的俯視剖面示意圖。
圖4是圖3中模頭沿直線4-4切割后的剖面圖。
圖5是圖3中模頭的主視剖面示意圖。
圖6是本發(fā)明中模頭腔體以并列方式排列的主視剖面示意圖。
圖7是本發(fā)明中模頭腔體以垂直層疊方式排列的主視剖面示意圖(部分剖視)。
圖8是本發(fā)明中另一個(gè)熔噴模頭的分解圖。
圖9是本發(fā)明中紡粘模頭的剖面示意圖。

發(fā)明內(nèi)容
雖然實(shí)用的、宏觀的非織造織物網(wǎng)的特性如單位重量、平均纖維直徑、布的厚度及孔隙率，總是無(wú)法提供評(píng)價(jià)非織造織物網(wǎng)的質(zhì)量或均一性的足夠依據(jù)，非織造織物網(wǎng)宏觀特性的確定，通常是從布的不同區(qū)域剪取小樣或采用傳感器監(jiān)測(cè)移動(dòng)的布的不同區(qū)域。上述方法容易受到取樣和測(cè)試誤差的影響而歪曲結(jié)果，尤其是測(cè)定低單位重量或高孔隙率的網(wǎng)。另外，盡管通過(guò)測(cè)定非織造織物網(wǎng)的單位重量、纖維直徑、布的厚度或孔隙率表現(xiàn)出均一性，然而，由于個(gè)例纖維固有特性的不同，仍然使非織造織物網(wǎng)表現(xiàn)出不均一的性能特征。熔噴和紡粘法使成纖材料的粘度明顯降低(有時(shí)會(huì)引起相當(dāng)大的熱降解)，特別是成纖材料在通過(guò)模頭和接下來(lái)的細(xì)化步驟中。如果每一根絲條出模頭時(shí)具有相同或基本相同的物理或化學(xué)性能，就能得到更均一的非織造織物網(wǎng)。為獲得上述均一的物理或化學(xué)性能，必須使成纖材料通過(guò)模頭時(shí)具有相同或基本相同的停留時(shí)間，從而使成纖材料通過(guò)模頭的不同區(qū)域時(shí)獲得更均一的熱歷史。所得到的各絲條的物理化學(xué)性能的更均一，在經(jīng)過(guò)細(xì)化和收集后就可以形成更高質(zhì)量和更均一的非織造織物網(wǎng)。
所期望的絲條的物理化學(xué)特性的均一性優(yōu)選的評(píng)價(jià)方法，是通過(guò)測(cè)定收集到的絲條的一種或多種固有物理或化學(xué)性能，例如它們的重均或數(shù)均分子量，并優(yōu)選分子量分布。分子量分布可以用術(shù)語(yǔ)多分散指數(shù)很好方便地表征出來(lái)。通過(guò)測(cè)試?yán)w維性能，而不是小布樣，樣品誤差減少，可以獲得非織造織物網(wǎng)質(zhì)量和均一性的更精確的測(cè)試。
本發(fā)明的一方面提供了一種纖維網(wǎng)的成形方法，包括纖維成形材料以基本相同的停留時(shí)間流過(guò)模頭腔體，然后通過(guò)許多噴絲孔形成絲條，采用空氣或其它流體使絲條細(xì)化成纖維，收集細(xì)化纖維為非織造織物網(wǎng)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述方法中采用了多個(gè)模頭腔體排列以得到較寬或較厚的織物，而不是只用單一模頭腔體。
另一方面，本發(fā)明提供了一種非織造織物網(wǎng)成形的裝置，包括一個(gè)模頭腔體，該模頭腔體對(duì)于流經(jīng)它的成纖材料有基本均一的停留時(shí)間；許多噴絲孔，它們位于模頭腔體出口處；一個(gè)管道，它能提供空氣流或其它流體將絲條細(xì)化成纖維；一個(gè)收集器和一個(gè)任選的壓延裝置，在它上面細(xì)化的纖維層能夠形成非織造織物網(wǎng)。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施中，所述裝置包括將多個(gè)模頭腔體排列，以得到較寬或較厚的織物，而不是只用單一模頭腔體。
上述方法和裝置中特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，模頭腔體是熔噴模頭的一部分，細(xì)化流體是加熱的。
另一方面，本發(fā)明提供了一種非織造織物網(wǎng)，寬度至少約0.5m，至少有一層基本均一的多分散性的熔噴或紡粘纖維組成。
另一方面，本發(fā)明提供了一種非織造織物網(wǎng)，至少有一層平均直徑約小于5μm、多分散性基本均一的熔噴超細(xì)纖維組成。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明 本發(fā)明中的短語(yǔ)“非織造織物網(wǎng)”是指一種纖維網(wǎng)，特征為纖維通過(guò)纏結(jié)或點(diǎn)粘合而成，特別是有足夠的結(jié)合力和強(qiáng)度而可以自支撐。
術(shù)語(yǔ)“熔噴”是指一種形成非織造織物網(wǎng)的方法，成纖材料通過(guò)大量噴絲孔擠出形成絲條，同時(shí)絲條與空氣或其它流體接觸細(xì)化形成纖維，然后收集細(xì)化后的纖維成層。
短語(yǔ)“熔噴溫度”是指通常熔噴時(shí)熔噴模頭溫度。根據(jù)用途，熔噴溫度可超過(guò)315℃，325℃或甚至335℃。
短語(yǔ)“紡粘法”是指一種形成非織造織物網(wǎng)的方法，低粘度熔體通過(guò)大量噴絲孔擠出形成絲條，經(jīng)空氣或其它流體淬冷至少使絲條表面固化，至少表面固化的絲條與空氣或其它流體接觸細(xì)化形成纖維，收集并選擇性地將細(xì)化后的纖維壓延成層。
短語(yǔ)“非織造織物網(wǎng)模頭”是指一種用于熔噴或紡粘方法的模頭。
短語(yǔ)“將絲條細(xì)化成纖維”是指把絲條的一段轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)直徑更小的一段。
短語(yǔ)“熔噴纖維”是指用熔噴方法制得的纖維。盡管報(bào)道指出熔噴纖維是不連續(xù)的，但熔噴纖維的長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度和直徑的比)確實(shí)是無(wú)窮大的(一般至少約10,000或更大)。纖維很長(zhǎng)而且充分纏結(jié)，通常不可能把一根完整的熔噴纖維從一團(tuán)纖維中取出來(lái)，或者很難從頭到尾追蹤一根熔噴纖維。
短語(yǔ)“紡粘纖維”是指用紡粘方法制得的纖維。這種纖維一般是連續(xù)的，充分纏結(jié)或點(diǎn)粘合，通常不可能從一團(tuán)纖維中取出一根完整的紡粘纖維。
術(shù)語(yǔ)“多分散性”是指聚合物的重均分子量與數(shù)均分子量之比，它的重均分子量和數(shù)均分子量是用凝膠滲透色譜法測(cè)定的，標(biāo)準(zhǔn)樣品為聚苯乙烯。
短語(yǔ)“具有基本均一的多分散性的纖維”是指熔噴或紡粘纖維的多分散性與平均纖維多分散性的偏差小與±5％。
短語(yǔ)“剪切速率”指非紊流流體在垂直于流動(dòng)方向上的速度的變化率。當(dāng)非紊流流體流過(guò)一個(gè)平坦的邊界時(shí)，剪切速率是垂直于邊界的梯度矢量，用它來(lái)表示速度隨邊界距離的變化率。
短語(yǔ)“停留時(shí)間”是指成纖材料流體通過(guò)模頭腔體的距離與平均流速之比。
短語(yǔ)“基本相同的停留時(shí)間”指通過(guò)計(jì)算、模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)得的纖維形成材料流體的任何部分流過(guò)模頭腔體的停留時(shí)間都不超過(guò)計(jì)算、模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)得的整個(gè)流體平均停留時(shí)間的兩倍。
根據(jù)圖1和圖2，熔噴通常采用如圖1所示的T型模頭10或如圖2所示的常規(guī)熔噴模頭(“coathanger”熔噴模頭)20。成纖材料從入口11或21進(jìn)入，流經(jīng)導(dǎo)孔12或22，經(jīng)過(guò)模縫13或23，至模頭口區(qū)14或24。成纖材料(通過(guò)模頭腔體時(shí)受熱，變稀，有時(shí)有熱降解，分子量變化)經(jīng)過(guò)一排鉆孔或切削在模頭末端17或27的噴絲孔18或28，從模頭10或20的模頭尖部17或27擠出，產(chǎn)生一系列絲條40。高速細(xì)化流體(如空氣)加壓施加到與模頭尖部17或27相鄰的噴絲孔(在圖1和圖2中不可見(jiàn))。流體通過(guò)向上撞擊、向下拉伸以及可能的撕裂或分離作用使絲條40細(xì)化，成為拉伸的細(xì)流和直徑減小的纖維42。纖維42被隨機(jī)收集在遠(yuǎn)程定位的收集器上如移動(dòng)的篩網(wǎng)44或其它適宜的表面，形成相互纏結(jié)的網(wǎng)46。網(wǎng)的均一性通常通過(guò)調(diào)節(jié)模頭入口和出口壓力的相對(duì)平衡以及模頭的溫度程序來(lái)控制，以得到大致均一的纖維直徑。溫度程序的調(diào)節(jié)通常借助于埋在模頭不同位置的電加熱裝置。這些方法對(duì)于網(wǎng)均一性的控制是有限的，部分原因是剪切速率歷史、溫度以及成纖材料在模頭中不同區(qū)域的停留時(shí)間不同。
有關(guān)常規(guī)熔噴更詳細(xì)的資料可以在以下文獻(xiàn)中查到，例如Wente，Van A.發(fā)表于Industrial Engineering Chemistry的“特級(jí)熱塑性纖維”，第48卷，自1342頁(yè)起，(1956年)，或Wente，V.A.、Boone，C，D.和Fluharty，E.L.的名為“特級(jí)有機(jī)纖維的制造”，Naval研究實(shí)驗(yàn)室的“報(bào)導(dǎo)”№4364，1954年5月25日出版。
本發(fā)明中用于熔噴的非織造織物網(wǎng)模頭48如圖3的府視剖面示意圖所示。成纖材料通過(guò)入口51進(jìn)入模頭腔體50，沿導(dǎo)孔臂52a或52b流經(jīng)導(dǎo)孔52。導(dǎo)孔臂52a和52b最好有一定的寬度和可變的深度。一些成纖材料通過(guò)導(dǎo)孔臂52a或52b，通過(guò)切削或鉆孔在模頭尖部57上的噴絲孔58a或58b從模頭50擠出。其余成纖材料流經(jīng)導(dǎo)孔臂52a或52b至?？p53，再經(jīng)模頭尖部57上的噴絲孔58從模頭50擠出。擠出的成纖材料產(chǎn)生一系列絲條40。由模頭尖部57附近的噴絲孔(圖3中看不到)提供加壓的大量高速細(xì)化流體使絲條40細(xì)化成纖維42。纖維42被隨機(jī)收集在遠(yuǎn)程定位的收集器上如移動(dòng)的篩網(wǎng)44或其它適宜的表面，形成相互纏結(jié)的網(wǎng)46。
圖4是圖3中模頭48沿直線4-4切割的橫截面圖。導(dǎo)孔臂52a有一個(gè)可變的深度H，它的范圍是最大值接近入口51，最小值接近導(dǎo)孔臂52a和52b的末端。?？p53有固定的深度h。成纖材料經(jīng)過(guò)導(dǎo)孔臂52a進(jìn)入?？p53，經(jīng)模頭末端57上的噴絲孔58流出模頭50形成絲條40。氣刀54焊在模頭尖部57。模頭尖部57可移動(dòng)，最好分成對(duì)稱的兩半57a和57b，允許噴絲孔58的大小、排列和位置可以變化。加壓的細(xì)化流體從模頭48的出口面上的增壓室59a和59b經(jīng)過(guò)氣刀54上的噴絲孔59c和59d，使擠出的絲條40細(xì)化成纖維。
圖5是熔噴模頭48的主視剖面圖。為清楚起見(jiàn)，圖5中只表示出模頭尖部57的下半部分57b，省略了氣刀54。圖5的其它元件見(jiàn)圖3與圖4。
模頭腔體50的設(shè)計(jì)借助于后面將詳細(xì)討論的方程。所述方程將提供完善的非織造織物網(wǎng)模頭腔體設(shè)計(jì)，使通過(guò)模頭腔體的成纖材料有均一的停留時(shí)間。優(yōu)選的設(shè)計(jì)是當(dāng)成纖材料細(xì)流通過(guò)模頭腔體時(shí)有相同或相近的剪切速率歷史。從模頭腔體擠出的絲條在細(xì)化、收集，冷卻形成非織造織物網(wǎng)后最好具有相同的物理和化學(xué)性質(zhì)。
與圖1和圖2所示的模頭相比，熔噴模頭48在模頭腔體寬度一定時(shí)，從成纖材料入口到絲條出口的深度更大。模頭腔體50可以有不同的尺寸，以形成各種所希望網(wǎng)寬的非織造織物網(wǎng)。然而，從一個(gè)單一的熔噴模頭形成寬網(wǎng)(如，寬度約為1.5米或以上)，需要很深的模頭腔體以承受過(guò)多的壓降。本發(fā)明的寬網(wǎng)寬度最好為0.5米、1米、1.5米，甚至2米或2米以上，最好采用多個(gè)模頭腔體陣列來(lái)形成更寬的網(wǎng)，而不是采用單一的模頭腔體。例如，本發(fā)明所采用的無(wú)紡模頭基本上是平的，多個(gè)模頭腔體最好并列排列在模頭內(nèi)用來(lái)形成寬網(wǎng)。
圖6說(shuō)明了本發(fā)明的熔噴模頭60，由相鄰的模頭腔體61到66并列排列而成，正象圖3所示的模頭腔體。模頭60可以形成的網(wǎng)的寬度是一個(gè)模頭腔體所形成的網(wǎng)寬的6倍。為清楚起見(jiàn)，圖6中僅表示了模頭尖部的下半部分67b，圖6中省略了使加壓細(xì)化流體從噴絲孔69中導(dǎo)出的氣刀。模頭尖部67b最好是機(jī)械加工成為下半部分的多個(gè)噴絲孔，如孔68。如圖6所示的模頭能使多個(gè)窄的模頭腔體(如，寬度小于0.5、0.33、0.25或小于0.1米)并列排列，可以形成均一或基本均一的非織造織物網(wǎng)，寬度達(dá)到1米或一米以上。與采用單一的較寬較深的模頭腔體相比，采用多個(gè)并列排列的模頭腔體可減少整個(gè)模頭的前后深度，并減少?gòu)哪ｎ^入口到出口的壓力降。
與采用單一模頭腔體，如圖3中所示的模頭腔體的排列還可以制造較厚的非織造織物網(wǎng)。例如，當(dāng)采用本發(fā)明的基本上是平面的模腔時(shí)，可采取層疊多個(gè)模頭腔體的方法制造較厚的非織造織物網(wǎng)。圖7說(shuō)明了本發(fā)明的熔噴模頭70，由模頭腔體71、72和73垂直層疊而成。為清楚起見(jiàn)，所示的模頭尖部74，75和76省略了空氣刀，所述空氣刀可使細(xì)化流體從噴絲孔79導(dǎo)出到絲條出口在模頭尖部74上的噴絲孔78。模頭70可用于形成三層相鄰的非織造織物網(wǎng)層，每一層包括纏結(jié)和細(xì)化的熔噴纖維。
對(duì)于本發(fā)明的無(wú)紡模頭，采用了多個(gè)、特別是陣列的模頭腔體，通常最佳之處在于為每個(gè)模頭腔體提供相同體積的成纖材料。在這種情況下，纖維成形時(shí)采用行星齒輪計(jì)量泵，如待審的申請(qǐng)No.10/177,419，名稱為“采用行星齒輪計(jì)量泵的熔噴設(shè)備”，2002年6月20日提出。例如，行星齒輪計(jì)量泵可提供成纖材料給一個(gè)如圖6中模頭60的模頭腔體61到66，或者兩個(gè)或兩個(gè)以上的如圖7中模頭70的模頭腔體71，72和73。
對(duì)于熔噴的應(yīng)用，同樣最好對(duì)每一根擠出絲條提供相同的細(xì)化流體。在這種情況下，提供細(xì)化流體最好采用可調(diào)整的細(xì)化流體集合管(manifold)，如待審的申請(qǐng)No.10/177,814，名稱為“熔噴模頭的細(xì)化流體集合管”，2002年6月20日提出。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，模頭腔體出口以一定的傾斜角度離開(kāi)模頭?？p。圖8表示本發(fā)明熔噴模頭80的這一構(gòu)造的主視剖面圖。模頭80包括垂直的基體81，基部與模體82用螺釘通過(guò)螺孔84a連接起來(lái)(圖8中未表示出來(lái))。模體82和基部81用螺釘通過(guò)螺孔84b和84c與空氣管連接起來(lái)(同樣未在圖8中表示出來(lái))。模體82包括八個(gè)模頭腔體如圖3中所示的模頭腔體85a到85h相鄰排列，每個(gè)模頭腔體最好加工成垂直方向。模頭腔體85a到85h共用一個(gè)模頭基板89。模頭腔體85a包括空氣集合管86a、模縫87a和入口88a。在模頭腔體85b到85h中可找到相似的組件。模頭尖部90通過(guò)夾子91a和91b裝在空氣集合管83上。空氣刀92用螺釘通過(guò)螺孔93a與空氣集合管83連接起來(lái)(未在圖8中表示出來(lái))?？諝饧瞎?3包括入口94a和94b，通過(guò)這兩個(gè)入口，空氣可以從里面被引導(dǎo)到增壓箱95a和95b直到空氣刀92。絕緣墊96a和96b使部件80保持均一溫度。在模頭80操作過(guò)程中，兩個(gè)4-port行星齒輪計(jì)量泵97a和97b使成纖材料能通過(guò)分配板98提供成纖材料。使用這兩個(gè)泵，使部件80更易于轉(zhuǎn)換成其它形式，例如模頭用于多層擠出或雙組分?jǐn)D出。成纖材料由基部81內(nèi)導(dǎo)入出口99a再到出口88a，然后進(jìn)入模頭腔體85a到85h。在經(jīng)過(guò)空氣集合管86a和模頭?？p87a后，成纖材料經(jīng)過(guò)模頭基板89達(dá)到適合的角度轉(zhuǎn)入空氣集合管83中的?？p(未在圖8中表示)。由于組件和分型管線在模頭80中的排列，模頭腔體85a到85h由機(jī)械加工的足夠?qū)挾鹊慕饘倜姘鼑c基體81和空氣集合管83緊密相連。通常，設(shè)計(jì)時(shí)很難在模頭某些區(qū)域中放置熱輸入裝置，如圖8所示。盡管如此，下面為更詳細(xì)地說(shuō)明原因，本發(fā)明優(yōu)選的無(wú)紡模頭可以在減少對(duì)熱輸入裝置的依賴的情況下操作。整個(gè)模頭的設(shè)計(jì)，有更大的靈活性，模頭中主要的組件、機(jī)械加工面和分型線可有多種排列形式，在減少類似由磨損導(dǎo)致的泄漏的情況下，可以反復(fù)拆洗和安裝。
成纖材料由空氣集合管83中的?？p導(dǎo)出到經(jīng)鉆孔或機(jī)械加工在尖部90的噴絲孔，在此成纖材料從模頭80擠出成一系列小小直徑的絲條。同時(shí)，空氣從入口94a和94b進(jìn)入空氣集合管83作用絲條，把絲條細(xì)化成纖維，或者絲條很快通過(guò)在空氣刀92中的模縫100。
本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)模頭用于紡粘方法，在成纖材料經(jīng)過(guò)模頭腔體時(shí)也有基本均一的停留時(shí)間?？偟膩?lái)說(shuō)，如圖3到圖8所示，紡粘非織造織物網(wǎng)模頭的制備比熔噴非織造織物網(wǎng)模頭的制備更簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谀ｓw中的加壓細(xì)化流體通道可以省略。圖9顯示了本發(fā)明優(yōu)選的紡粘系統(tǒng)106。成纖材料通過(guò)入口111進(jìn)入通常垂直的模頭110，經(jīng)過(guò)空氣集合管112和模頭腔體114的?？p113向下流動(dòng)(都在圖中顯示)，通過(guò)模頭尖部117的噴絲孔118從模頭腔體114擠出，成為一系列向下延伸的絲條140。一種淬冷流體(通常是空氣)通過(guò)輸送管130和132與絲條140作用使其至少達(dá)到表面固化。至少部分固化的絲條140被向下拉伸到收集器142同時(shí)被通常是反向的細(xì)化流體(通常是空氣)細(xì)化成纖維，所述細(xì)化流體由輸送管134和136加壓提供。收集器142裝在羅拉143和144上。壓延輥148與羅拉144相向擠壓，使網(wǎng)146中纖維點(diǎn)粘合生產(chǎn)壓延網(wǎng)150。使用本裝置所涉及到的與本紡粘法相關(guān)的更詳細(xì)細(xì)節(jié)是熟練技術(shù)人員所熟知的。
本發(fā)明的無(wú)紡模頭的優(yōu)選實(shí)施方式，根據(jù)符合冪律流體行為的流體流動(dòng)力方程進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(1)η＝η0γn-1其中 η＝粘度η0＝剪切速率γ0下的零切粘度n＝冪律指數(shù)
γ＝剪切速率 再參照?qǐng)D3，在模頭腔體50上建立x-y直角坐標(biāo)系，X軸對(duì)應(yīng)模頭腔體的出口邊(換句話說(shuō)，模頭末端的進(jìn)口邊57)，y軸對(duì)應(yīng)模頭腔體50的中心線。模頭腔體50的半寬為b，總寬為2b。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，假定集合管中x處的流體流速Q(mào)m(x)等于在b和x之間流出的材料的流速，也可以假定等于集合管中流體的平均速度與集合管交叉處面積的乘積。
(2)Qm(x)＝9(b-x)hVS＝WH(x)Vm其中 Qm(x)是流體在集合管中x處的流速Vm是流體在集合管臂的平均流動(dòng)速度B是模腔的半寬VS上?？p中的平均流體速度H是?？p深度H(x)是在集合管臂x處深度W上分集合管臂的寬度。
假設(shè)集合管臂的寬度是某一精確的尺寸，例如寬1cm、1.5cm、2cm等，可以根據(jù)成纖材料流經(jīng)模頭腔體流變學(xué)范圍和通過(guò)模頭的目標(biāo)壓力降選擇模縫深度h的數(shù)值。假設(shè)在模頭腔體中和各個(gè)方向上的集合管臂中流體是非紊流流動(dòng)。在?？p中和沿-y方向上的流體流動(dòng)類型是層流。圖3中虛線A和B代表恒壓線，垂直于流體流動(dòng)的方向。?？p中的壓力梯度與集合管臂的壓力梯度的關(guān)系如方程 式中Δζ是圖3中以Δx，Δy為直角邊的直角三角形的一條斜邊，其中曲線A，B貫穿了右邊的集合管臂52b和?？p53間的輪廓C。利用Pythagorean法可以得到方程(4)---Δζ=Δy[1+(dydx)2]1/2]]>用該式推得的dx/dy等于輪廓C的斜率的倒數(shù)。將(3)式和(4)式合并后得到
模頭腔體壁上的流體流動(dòng)的壓力梯度Δp和剪切速率γw可以通過(guò)假設(shè)流經(jīng)模頭腔體和?？p中的流體為穩(wěn)流來(lái)計(jì)算，忽略任何流體交換的影響。假設(shè)流體符合粘度冪律模型(6)---n=n0|γγ0|n-1]]>則?？p壁處的壓力梯度和剪切速率可以由下式計(jì)算(7)---Δp=(-2n0γ0)n(-γwγ0)n]]>(8)---γw=-(1n+2)2V‾h]]>另外一個(gè)邊界條件是通過(guò)假設(shè)模縫壁處的剪切速率和集合管臂壁處的剪切速率相等來(lái)建立的(9) γs＝γm(壁處)這就使設(shè)計(jì)與熔體的粘度無(wú)關(guān)，并要求模頭腔體中流體的粘度處處相等或至少在腔壁處的粘度相等。要求在集合管臂壁處和?？p壁處的流體具有相同的剪切速率，流經(jīng)的流體的質(zhì)量要守恒，有方程(10)---H=h(b-xW)1/2]]>同時(shí)有集合管臂輪廓C的斜率公式(11)---dydx=-(b-xW-1)1/2]]>積分得(12)---y(x)=2w(b-xW-1)1/2]]>公式(12)可以用來(lái)設(shè)計(jì)集合管臂的輪廓。
集合管臂深度H(x)由方程計(jì)算
(13)---H(x)=(b-xW)1/2]]> 利用以上方程計(jì)算設(shè)計(jì)的模頭腔體中流經(jīng)的流體具有相同的停留時(shí)間，正如將式(3)的分子分母與Δt相比得到(14)---dpdy=dpdζ(ΔζΔt)(ΔyΔt)]]>式(14)可化為(15)---dpdy=-1[(Vm‾Vs‾)2-1]1/2]]>式(15)又可以進(jìn)一步化為(16)---Δt=ΔyVs‾=ΔζVm‾]]>因此，成纖材料流體在集合管臂中的停留時(shí)間與在?？p中的停留時(shí)間一樣。所以沿任何路徑，流體均不僅具有相同的剪切速率而且有相同的停留時(shí)間。這就使成纖流體在模頭腔體寬度方向上有均一的熱和剪切歷史。
熟練技術(shù)人員希望上所的方程能提供模頭腔體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。一種優(yōu)化的模頭腔體設(shè)計(jì)，如果是理想的，并不要求得到本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)方程，有意的或無(wú)意的改變優(yōu)化模頭設(shè)計(jì)中的參數(shù)仍然能設(shè)計(jì)出有用的具有相同停留時(shí)間的模頭腔體。例如，方程(12)中算得的y(x)值可以根據(jù)模頭腔體變動(dòng)，如約±50％，更好是約±25％，最好是約±10％。換種略微不同的表達(dá)方式，集合管臂和模頭?？p能與方程(17)所確定的曲線相交(17)---y(x)=(1±0.5)2W(b-xW-1)1/2]]>更好是由方程(18)所確定的曲線(18)---y(x)=(1±0.5)2W(b-xW-1)1/2]]>最好是由方程(19)所確定的曲線
(19)---y(x)=(1±0.1)2W(b-xW-1)1/2]]>其中x，y，b，W如上所定義。
熟練技術(shù)人員也希望通過(guò)模頭腔體的停留時(shí)間不必完全均一。例如，如上所述，成纖材料流體在模頭腔體中的停留時(shí)間只要基本均一。更好的是，細(xì)流的停留時(shí)間是流體平均停留時(shí)間約±50％之內(nèi)，最好是流體平均停留時(shí)間的約±10％之內(nèi)。T型?？p或coathanger模縫通常表現(xiàn)出通過(guò)模頭的停留時(shí)間變化更大些。對(duì)于T型?？p，停留時(shí)間的變化大到平均值的200％甚至更大，對(duì)于coathanger?？p，停留時(shí)間的變化是平均值的1000％或更大。
熟練技術(shù)人員還希望上述方程基于一種模頭腔體設(shè)計(jì)，所述模頭腔體有矩形橫截面、固定寬度和有規(guī)律變化的深度的集合管臂。適當(dāng)變換的集合管臂有其它截面形狀、可變的寬度或其它深度，可以取代如圖3所示的設(shè)計(jì)，仍然能提供通過(guò)模頭腔體的基本均一的停留時(shí)間。同樣的，熟練技術(shù)人員希望上述方程基于一種有固定?？p的模頭腔體設(shè)計(jì)。適當(dāng)變換的有不同深度的?？p的模頭腔體設(shè)計(jì)，可以取代如圖3所示的設(shè)計(jì)仍然能提供通過(guò)模頭腔體的基本均一的停留時(shí)間。每一種情況的方程將更復(fù)雜，但是上述的原理仍然適用。
基于相似方程的膜擠出模頭是由Massachusetts大學(xué)化學(xué)工程技術(shù)專業(yè)的H.Henning Winter教授和Stuttgart大學(xué)的Institit furKunststoffechnologie的H.G.Fritz教授描述的，具體參照Winter，H.H.和Fritz，H.G.的“擠出片材和環(huán)形玻璃半成品的模頭的設(shè)計(jì)分散性問(wèn)題，《聚合物工程科學(xué)》26543-553(1986年)，和在德國(guó)申請(qǐng)的專利No.DE 29 33 025A1(1981).部分由于Winter模頭的前后寬度太大，在膜制造上沒(méi)有被廣泛使用。本發(fā)明的模頭，有一個(gè)流變性能相似的模頭腔體，模頭腔體的出口有大量噴絲孔。纖維形成材料通過(guò)噴絲孔通常要被加熱到很高的溫度，通常具有較低的粘度，便于可擠出纖維形成材料通過(guò)膜模頭。與傳統(tǒng)的膜擠出相比，熔噴和紡粘方法使成纖材料基本上更稀甚至發(fā)生熱降解，擠出絲條停留時(shí)間不同的效應(yīng)趨于放大。使用具有基本相同停留時(shí)間的模頭腔體對(duì)于非織造織物網(wǎng)的均勻性有顯著提高。均勻性的提高比成膜時(shí)使用Winter膜模頭更實(shí)際。本發(fā)明優(yōu)選的模頭所形成的非織造織物網(wǎng)中，其特征是沿模頭腔體出口收集的所有纖維基本上是均一的，因?yàn)槊恳粋€(gè)噴絲孔接收到的纖維形成材料細(xì)流有相似的熱歷史。另外，由于本發(fā)可以利用大量窄的模頭腔體排列形成寬的非織造織物網(wǎng)，用Winter膜模頭時(shí)有關(guān)的模頭深度的缺點(diǎn)不再是限制因素了。
本發(fā)明的模頭，成纖材料在模頭腔體壁處的剪切速率和剪切應(yīng)力在模頭腔體壁的濕表面上任何一點(diǎn)相同或基本相同。這就使本發(fā)明的模頭對(duì)成纖材料的粘度和質(zhì)量流速的變化不敏感，使這種模頭適用于很多種類的成纖材料和很多種操作條件。這也使本發(fā)明的模頭能適應(yīng)模頭操作過(guò)程中的條件變化。本發(fā)明優(yōu)選的模頭可用于粘彈性、剪切敏感的、冪律流體。本發(fā)明優(yōu)選的模頭也適用于反應(yīng)活性成纖材料或由單體混合物制成的成纖材料，并可以為這些材料或單體經(jīng)過(guò)模頭腔體時(shí)提供均一的反應(yīng)條件。當(dāng)采用凈化物清洗時(shí)，由本發(fā)明的模頭提供固定的壁剪切應(yīng)力，可以為整個(gè)模頭腔體提供均一的洗滌過(guò)程，因此具有完全、均勻的清洗過(guò)程。
本發(fā)明優(yōu)選的模頭的操作，可以采用穩(wěn)定的溫度控制模式，減少對(duì)可調(diào)熱輸入裝置(例如腔體內(nèi)的電熱器)或別的補(bǔ)償方法來(lái)保持穩(wěn)定的熱輸出的依賴性。這可以降低模頭體內(nèi)的熱應(yīng)力，減少模頭腔體的偏差導(dǎo)致的基重不均一性。如果需要，本發(fā)明的模頭可以增加熱輸入裝置。也可以增加絕熱設(shè)施來(lái)輔助控制模頭操作過(guò)程中的熱行為。
本發(fā)明優(yōu)選的模頭可以生產(chǎn)高度均一的非織造織物網(wǎng)。如果從末端和中間處(要遠(yuǎn)離邊緣處以防止邊緣效應(yīng))剪取一系列(例如3到10個(gè))0.01m2的樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)，本發(fā)明優(yōu)選的模頭所得的非織造織物網(wǎng)的基重均一性偏差±2％或更好，或甚至±1％或更好。用相似方法收集的樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)，用本發(fā)明的優(yōu)選的模頭所得的非織造織物網(wǎng)包括至少一層熔噴纖維，所述纖維的多分散性是平均纖維多分散性的±5％以下，或更好在±3％以下。
多種合成或天然成纖材料都可以使用本發(fā)明的模頭制成非織造織物網(wǎng)。優(yōu)選的合成材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、線性聚酰胺如尼龍6或尼龍11、聚氨酯、聚(4-甲基苯酚-1)和它們的混合物或它們的組合物。優(yōu)選的天然纖維材料包括瀝青(例如，制造碳纖維)。成纖材料可以是熔融狀態(tài)或溶在合適的溶劑中。本發(fā)明也可以采用反應(yīng)性單體，在通過(guò)模頭時(shí)相互反應(yīng)。本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)可以是一層中多種纖維的混合物(例如制造時(shí)用兩個(gè)相近的模頭腔體共用一個(gè)模頭尖部)，多層(例如用如圖7所示的模頭所制造的)，多組份纖維的單層或多層(例如U.S.專利№6,057,256中所描述的)。
本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)中纖維可以有多種直徑。例如，熔噴非織造織物網(wǎng)中的纖維是超細(xì)纖維，平均直徑小于5微米或甚至小于1微米；微纖的平均直徑小于約10微米；或粗的纖維平均直徑25微米或更大。紡粘法非織造織物網(wǎng)中的纖維直徑約為10到100微米，最好是15到50微米。
本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)包括添加纖維或粒子的材料，如U.S.專利Nos.3,016,599、3,971,373和4,111,531所描述。其它助劑如染料、顏料、充填物、研磨劑、光穩(wěn)定劑、阻燃劑、吸收劑、藥劑等也可以添加到本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)中。所添加助劑可以加入到成纖材料細(xì)流中，噴灑到成形后的纖維上，或通過(guò)填充到收集后非織造織物網(wǎng)中，也可以采用熟練技術(shù)人員所熟知的其它技術(shù)。例如，纖維油劑可以噴灑到非織造織物網(wǎng)是以提高非織造織物網(wǎng)的手感。
本發(fā)明的整個(gè)非織造織物網(wǎng)在厚度上可以有很多種。使用最多的是，最取是非織造織物網(wǎng)的厚度在0.05到15厘米之間。有些應(yīng)用，把兩張或更多的獨(dú)立的或并行的非織造織物網(wǎng)裝配成一個(gè)更厚的非織造織物網(wǎng)產(chǎn)品。例如，將紡粘層、熔噴、紡粘和紡粘纖維層(如U.S.專利No.6,182,732中所述的層)依次壓延裝配成一種SMS構(gòu)造。本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)的制備也可以通過(guò)將成纖材料沉積在另一層材料上，如作為整個(gè)網(wǎng)的一部分的一種孔狀非織造織物網(wǎng)。其它結(jié)構(gòu)，如不滲透性膜，可以通過(guò)機(jī)械接合、熱壓或膠粘的方法壓延成本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)。
本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)收集后可以進(jìn)一步加工，例如，通過(guò)熱和壓力作用使紡粘纖維發(fā)生點(diǎn)粘合，控制紙的厚度，形成非織造織物網(wǎng)圖案或增加填充粒子材料的保持力。本發(fā)明的網(wǎng)在成形時(shí)可以通過(guò)電荷處理來(lái)增加其過(guò)濾性能，如US專利No.4,215,682所述方式，或如U.S.專利No.3,571,679所述在非織造織物網(wǎng)成形后進(jìn)行電荷處理。
本發(fā)明的非織造織物網(wǎng)應(yīng)用十分廣泛，包括過(guò)濾介質(zhì)、過(guò)濾裝置、纖維醫(yī)用領(lǐng)域、衛(wèi)生產(chǎn)品、油煙吸附裝置、面料、隔熱或隔音、電池隔離器和阻隔電容器。
任何不偏離本發(fā)明范圍內(nèi)的各種變化和改進(jìn)對(duì)于熟練技術(shù)人員都是顯而易見(jiàn)的。本發(fā)明不僅僅限于這里所描述的條文而只起說(shuō)明的作用。
權(quán)利要求
1.一種非織造織物網(wǎng)成型裝置，它包括一個(gè)模頭腔體，它對(duì)于流經(jīng)它的纖維形成材料具有基本均一的停留時(shí)間；許多形成絲條的噴絲孔，位于模頭腔體的出口處；一個(gè)管道，它能提供空氣流或其它流體將絲條細(xì)化成纖維；一個(gè)收集器和任選的壓延設(shè)備，細(xì)化后的纖維層在該壓延設(shè)備上面能夠形成非織造織物網(wǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中模頭腔體是熔噴模頭的一部分，且實(shí)施細(xì)化的流體是加熱的。
3.如根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中纖維形成材料流體的任何部分根據(jù)計(jì)算、模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)得的流過(guò)模頭腔體的停留時(shí)間，位于整個(gè)流體根據(jù)計(jì)算、模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)得的平均停留時(shí)間的±50％之內(nèi)。
4.如前述任何權(quán)利要求所述的裝置，其中纖維形成材料流體的任何部分根據(jù)計(jì)算、模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)得的流過(guò)模頭腔體的停留時(shí)間，位于整個(gè)流體根據(jù)計(jì)算、模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)得的平均停留時(shí)間的±10％之內(nèi)。
5.如前述任何權(quán)利要求所述的裝置，其中所述的模頭腔體中的停留時(shí)間是這樣的，它使由該裝置形成的纖維的多分散性與纖維平均多分散性的偏差小于±5％。
6.如前述任何權(quán)利要求所述的裝置，其中許多模頭腔體并列排列，這樣能夠形成均一或基本均一的寬1米或更寬的非織造織物網(wǎng)。
7.如前述任何權(quán)利要求所述的裝置，其中所述的模頭腔體可以采用平坦的溫度分布運(yùn)行。
8.如前述任何權(quán)利要求所述的裝置，其中所述的模頭腔體通常有一個(gè)平面?？p和一個(gè)出口，且模頭腔體的出口與?？p平面成角度。
9.如前述任何權(quán)利要求所述的裝置，其中所述的模頭腔體有一個(gè)有壁的集合管和一個(gè)有壁的模縫，?？p壁處的剪切速率與集合管壁處的剪切速率基本相同。
10.如前述任何權(quán)利要求所述的裝置，其中所述的模頭腔體有一個(gè)出口邊緣和中心線，還有集合管臂和模縫，它們相交于由下述方程所確定的曲線內(nèi)y(x)=(1±0.5)2W(b-xW-1)1/2.]]>其中，x和y是x-y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，x軸對(duì)應(yīng)出口邊，y軸對(duì)應(yīng)中心線，b是模頭腔體的半寬，W是集合管臂的寬度。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述的集合管臂和模縫相交于由下述方程所確定的曲線內(nèi)y(x)=(1±0.1)2W(b-xW-1)1/2]]>
12.一種形成纖維網(wǎng)的方法，它包括將纖維形成材料流過(guò)前述任何權(quán)利要求所述的裝置；使用空氣或其他流體將絲條細(xì)化為纖維；收集細(xì)化后的纖維，作為非織造織物網(wǎng)。
13.一種非織造織物網(wǎng)，它的寬度至少為0.5米，包含至少一層多分散性基本均一的熔噴或紡粘纖維。
14.如權(quán)利要求13所述的非織造織物網(wǎng)，其中所述的纖維的多分散性與纖維平均多分散性的偏差小于±3％。
15.如權(quán)利要求13或14所述的非織造織物網(wǎng)，所述纖維層的單位重量均一性為±2％或更好。
16.如權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的非織造織物網(wǎng)，它的寬度大于1米。
17.如權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)所述的非織造織物網(wǎng)，其中所述的纖維包括平均直徑小于10微米的熔噴微纖。
18.如權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)所述的非織造織物網(wǎng)，其中所述的纖維包括平均直徑小于5微米的熔噴超細(xì)纖維。
19.如權(quán)利要求13-18中任一項(xiàng)所述的非織造織物網(wǎng)，其中所述的纖維包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、線性聚酰胺如尼龍6或尼龍11、聚氨酯、聚(4-甲基戊烯-1)、或它們的混合物或它們的組合物。
20.如權(quán)利要求13-18中任一項(xiàng)所述的非織造織物網(wǎng)，其中所述的纖維包括聚丙烯或至少一層或它的混合物。
全文摘要
熔噴或紡粘非織造織物網(wǎng)的形成方式是成纖材料流經(jīng)停留時(shí)間基本均一的模腔，然后通過(guò)許多噴絲孔形成絲條，用空氣或其它流體將絲條細(xì)化成纖維，收集細(xì)化后的纖維成為非織造織物網(wǎng)。每一個(gè)模頭噴絲孔所接收的成纖材料細(xì)流具有相似的熱歷程?？梢允狗强椩炜椢锞W(wǎng)纖維的物理或化學(xué)性能平均分子量和多分散性更均一。通過(guò)將許多模頭腔體并列排列，可以形成寬非織造織物網(wǎng)。通過(guò)將大量模頭腔體層疊排列，可以形成較厚的或多層的非織造織物網(wǎng)。
文檔編號(hào)D04H3/14GK1662697SQ03814342
公開(kāi)日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月20日
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