專利名稱：阻液性能極高的織物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非織造纖維構(gòu)造，更具體地說，涉及由不經(jīng)機(jī)織或針織結(jié)合在一起的纖維形成的透氣性織物和片狀構(gòu)造。
背景技術(shù)：
非織造纖維構(gòu)造已存在多年并且目前有許多不同的非織造技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用著。作為說明非織造技術(shù)之廣度的例子，紙可能是最早開發(fā)的非織造纖維構(gòu)造之一。非織造技術(shù)正在由那些不斷尋求新用途和競爭優(yōu)勢的人們繼續(xù)開發(fā)著。一個已證明由于其數(shù)量大和經(jīng)濟(jì)性好而非常理想的寬廣市場領(lǐng)域是防護(hù)服市場。這一市場包括例如在化學(xué)遺撒物的清理中防止有害化學(xué)品、防止醫(yī)療領(lǐng)域中的液體如血液以及防止干顆粒物或其它有害物，如漆或石棉的去除。
已知，要使衣服舒服，它必須適應(yīng)身體對于熱調(diào)節(jié)的生理需要。在溫暖環(huán)境中，熱能必須從身體中排出。這主要是由熱量從身體透過織物和皮膚表面空氣層的直接熱傳導(dǎo)、通過空氣流動從身體將熱對流出去，以及通過皮膚表面汗液蒸發(fā)的冷卻效應(yīng)組合完成的。明顯抑制傳熱的衣服會導(dǎo)致熱和濕的積累，而這又會由于暖、粘、潮悶和/或出汗的感覺而導(dǎo)致不舒服。在極端情況下，例如，當(dāng)在溫暖和潮濕環(huán)境中活動期間防護(hù)服阻礙適當(dāng)?shù)臒嵴{(diào)節(jié)時，此種衣服的限制不僅造成不舒服，而且可導(dǎo)致危及生命的熱應(yīng)激(heat stress)。由于這樣的原因，為避免熱應(yīng)激的后果，衣服的限制經(jīng)常構(gòu)成對活動的限制。
研究表明，在溫暖、潮濕環(huán)境中對體力活動限制最小的最舒適的衣服是那些最能通過與環(huán)境之間空氣交換機(jī)理透氣的衣服。(Bernard，T.E.，N.W.Gonzales，N.L.Carroll，M.A.Bryner和J.P.Zeigler，“五套衣服的持續(xù)工作速率及其與透氣性和濕蒸汽傳遞速率的關(guān)系”，美洲工業(yè)衛(wèi)生會議，多倫多，1999年6月；N.W.Gonzales，“五套防護(hù)服的最高可持續(xù)工作強(qiáng)度以及濕蒸汽傳遞速率和透氣性的影響”，碩士學(xué)位論文，公共衛(wèi)生學(xué)院，南佛羅里達(dá)大學(xué)，1998年12月)。
體力活動使織物和衣服撓曲。如果織物對空氣流動的阻力足夠低，這又會產(chǎn)生將空氣透過織物往返推拉的抽吸作用。借助這一機(jī)理，衣服內(nèi)溫暖含濕汽的空氣與環(huán)境空氣之間的交換提供明顯的冷卻效應(yīng)。剪裁制作相同但具有在暖濕條件(32℃，60％RH)下巨大空氣流動阻力差異的防護(hù)服的試驗表明，由空氣流動阻力最小的織物制成的衣服允許試驗對象反復(fù)達(dá)到較高活動水平而不致發(fā)生熱應(yīng)激。反之，空氣流動阻力最高的織物制成的衣服則將同一對象的體力活動限制在最低水平才能避免熱應(yīng)激。由中等空氣流動阻力的織物制成的衣服允許對象達(dá)到中等活動水平，才不致出現(xiàn)熱應(yīng)激。中等活動水平與織物的空氣流動阻力密切相關(guān)。
顯然，在身體必須傳遞熱和濕氣以保持舒適或避免熱應(yīng)激的情況下，理想的是用空氣流動阻力低的織物制作衣服。
衣服提供防止環(huán)境中有害物侵害的保護(hù)。衣服提供的保護(hù)程度取決于衣服的阻擋特性的效力。在阻擋功能是要阻止環(huán)境顆?；蛄黧w透過衣服達(dá)到穿戴者的情況下，阻擋作用很容易與織物的孔隙尺寸關(guān)聯(lián)。阻擋效力最高的一般其孔隙尺寸最小。
遺憾的是，較小的孔隙尺寸一般也造成較高的空氣流動阻力。在上面提到的研究中，阻擋性能最高的衣服具有最低的透氣性，反之亦然。于是，同一套衣服提供有效阻擋保護(hù)的能力和提供低空氣流動阻力的能力，即高透氣性，呈相反關(guān)系。
靜水頭或“水頭”(AATCC TM 127-194)是織物阻止透水能力的方便度量尺度。它表示為迫使液態(tài)水透過疏水織物所要求的壓力，以厘米水柱(cmwc)表示。已知，水頭與孔隙尺寸呈相反關(guān)系。較小孔隙尺寸產(chǎn)生較高水頭，而較大孔隙尺寸則產(chǎn)生較低水頭。
織物空氣流動透過率一般采用弗雷澤(Frazier)測定法(ASTMD737)測定。在這一測定中，124.5N/m2(0.5英寸水柱)的壓差施加在被適當(dāng)夾持的織物樣品上，測定所產(chǎn)生的空氣流動速率作為弗雷澤透氣性或簡稱作“弗雷澤”。這里，弗雷澤透氣性以m3/m2-min為單位給出。高弗雷澤對應(yīng)于高空氣流動透過率和低空氣流動阻力，而低弗雷澤對應(yīng)于低空氣流動透過率和高空氣流動阻力。
微孔薄膜被用于阻擋材料中以達(dá)到極高的靜水頭阻液性能，但卻是以犧牲透氣性為代價的，以致它們的弗雷澤透氣性不可接受地低，使得含此種薄膜的織物穿在身上不舒服。
目前，大多數(shù)熔紡纖維的直徑在幾十個微米的數(shù)量級，而熔噴纖維已知具有約1～10μm數(shù)量級的纖維直徑。最近，許多研究者做出努力以減少纖維尺寸以便與傳統(tǒng)纖維相比獲得不同的好處。
迄今，在同一織物中同時提供高水頭性能和高弗雷澤性能方面已取得進(jìn)展。例如，美國專利5,885,909公開了低或不足一旦的非織造纖維構(gòu)造，表現(xiàn)出高弗雷澤透氣性和高靜水頭阻液性能之間不尋常的組合。
近來，焦點(diǎn)已指向直徑在“納米纖維”范圍的纖維的制取，即直徑為小于約0.5μm(500nm)的數(shù)量級。然而，如此細(xì)纖維的生產(chǎn)卻帶來許多問題，包括產(chǎn)量低、紡絲效率低和纖維收集困難。
傳統(tǒng)上，納米纖維是采用電紡絲技術(shù)生產(chǎn)的，如同在“腈綸微纖維的靜電紡絲”，P.K.Baumagarten，《膠體和界面科學(xué)雜志》卷36，第1期，1971年5月中描述的。按照該電紡絲方法，一定的電位被施加在從金屬管，例如注射器針懸掛下來的聚合物溶液液滴上，從而導(dǎo)致溶液液滴的拉長而形成非常細(xì)的纖維，并被引導(dǎo)到地面收集器。據(jù)報道，纖維的直徑可達(dá)0.05～1.1μm(50～1100nm)的范圍。用于形成本發(fā)明含納米纖維織物的合適的電紡絲設(shè)備的例子公開在美國專利4,127,706中，在此收入本文作為參考.
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中報道的大量有關(guān)納米纖維生產(chǎn)的研究一直針對基本上親水的聚合物納米纖維的形成，例如聚酰胺、聚氨酯等。雖然某些研究者指出，納米纖維可以由疏水聚合物生產(chǎn)，但文獻(xiàn)中很少公開此類疏水納米纖維的實際例子。美國專利4,127,706公開多孔含氟聚合物纖維片材的生產(chǎn)，建議生產(chǎn)直徑介于0.1～10μm的PTFE纖維，但給出的例子卻只是直徑等于或大于0.5μm的纖維。
發(fā)明概述本發(fā)明一種實施方案是一種包含支撐網(wǎng)和纖維阻擋網(wǎng)的非織造織物，其水頭至少為約145cm，弗雷澤透氣性至少為約0.3m3/m2-min。
本發(fā)明另一種實施方案是一種疏水非織造織物，包含至少一種支撐網(wǎng)和一種阻擋網(wǎng)，其中纖維直徑小于2.0μm，水頭至少為約145cm且弗雷澤透氣性至少為約0.3m3/m2-min。
本發(fā)明另一種實施方案是一種非織造織物，包含纖維阻擋網(wǎng)，所述織物的水頭至少為約145cm且弗雷澤透氣性至少為約0.3m3/m2-min，并且在阻擋網(wǎng)基重與織物水頭和弗雷澤透氣性之間存在由下式描述的關(guān)系 其中ρf是阻擋纖維的密度，kg/m3；c是阻擋網(wǎng)的固體體積分?jǐn)?shù)，k(c)＝3.58·c2-1.32·c+1.77；弗雷澤以m3/m2-min為單位，并且水頭以厘米水柱為單位。
附圖簡述

圖1是各種不同現(xiàn)有技術(shù)織物阻擋性能的log/log圖。
圖2是圖1的再現(xiàn)，并將式10的直線圖加在其中。
圖3是圖1的再現(xiàn)，并將式14的數(shù)據(jù)圖加在其中，其中基重保持為常數(shù)，且纖維尺寸縮小。
圖4是在恒定透氣性(弗雷澤)下基重對液體阻擋性能的圖。
圖5是圖3的再現(xiàn)，并將式14的數(shù)據(jù)圖加在其中，其中透氣性(弗雷澤)保持為常數(shù)，且纖維尺寸縮小。
圖6是本發(fā)明非織造織物結(jié)構(gòu)的圖示，展示了一種對液面推進(jìn)的阻擋作用。
圖7是表示式16的關(guān)系的圖形表達(dá)，其中可達(dá)到的水頭作為潛在水頭水頭的分?jǐn)?shù)取決于DfS/DfL和GPD×Bwt。
發(fā)明詳述除非另行規(guī)定，本文中每當(dāng)提到纖維直徑時是指該纖維的數(shù)均纖維直徑。
圖1畫出三組數(shù)據(jù)的透氣性與水頭之間的反向關(guān)系。第一組取自美國專利5,585,909，第二組代表從熔噴非織造織物樣品測定的數(shù)據(jù)，第三組代表從三種市售非織造產(chǎn)品測定的數(shù)據(jù)K-C Ultra未增強(qiáng)的手術(shù)罩衫，由Kimberly Clark Health Care，(Roswell，GA供應(yīng)；Trimax未增強(qiáng)的手術(shù)罩衫，和DuPont SontaraOptima未增強(qiáng)的手術(shù)罩衫，二者均由Allegiance Health Care，Mc Gaw Park，IL供應(yīng)。
在圖1中值得注意的是，市售非織造產(chǎn)品的透氣性在機(jī)織織物的范圍。作為參考，在上面描述的試驗中采用的緊密機(jī)織聚酯織物(基重95g/m2)的弗雷澤值為約0.5m3/m2-min，而ASTM D737-96列出幾種機(jī)織織物采樣的弗雷澤數(shù)值介于2.5～66m3/m2-min。
圖1顯示，非織造阻擋織物的典型水頭低于約100cm水柱?？椢飪擅娴膹?qiáng)制壓力差可利用Washburn方程與水能透過的最大孔隙的等效毛細(xì)管半徑R進(jìn)行關(guān)聯(lián)ΔP=-2σRCosθ]]>(式1)這里，σ是水的表面張力(0.072N/m)，θ是潤濕角，即流體表面與固體表面的交角。ΔP以厘米水柱為單位，R以微米為單位，并假設(shè)一種理想的未潤濕表面(θ＝180°)的情況，ΔP(cmwc)=1468R(μm)]]>(式2)由此得出結(jié)論，在圖1中低于約100cmwc的水頭對應(yīng)于半徑R≥15μm的最大孔隙。
該Washburn關(guān)系表明，要產(chǎn)生能耐受更高流體壓力的更好阻液層，織物的孔隙尺寸必須縮小。較好阻液性能的織物在包括防護(hù)服在內(nèi)的許多領(lǐng)域都是有好處的。例如，為應(yīng)對由血液攜帶病原體引起污染的擔(dān)憂，ASTM F1670規(guī)定，可接受的織物必須阻止13800N/m2(141cmwc)壓力下合成血液(σ＝0.042N/m，而水則是0.072N/m)的滲透。根據(jù)式1，一種織物要通過這一試驗(潤濕角θ＝180°)，最大織物孔隙半徑必須小于約6μm。
典型孔隙半徑小于1μm的微孔薄膜滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。此種薄膜可以是有效的阻液層，但是它們對空氣流動的不透性也非常大。典型微孔薄膜的透氣性例如在弗雷澤＜0.008m3/m2-min的范圍，太低以致無法在防護(hù)服中提供有效空氣交換。這常常導(dǎo)致熱的積累和不舒服。在極端情況下，它甚至?xí)恋K或限制工作的完成。
纖維孔隙介質(zhì)本質(zhì)上比微孔薄膜的通透性高并且是防護(hù)織物的好選擇，但是圖1的關(guān)系顯示，一般而言，由縮小孔隙尺寸產(chǎn)生的阻擋功能的顯著增加也將大大降低透氣性。
為理解非織造纖維織物必須既具有高阻液性能又具有高透氣性的要求，構(gòu)造一種織物結(jié)構(gòu)的分析模型是有用的。作為阻液性能量度的水頭按如上所述與孔隙尺寸進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而孔隙尺寸取決于織物的結(jié)構(gòu)特性，包括纖維尺寸和空隙分?jǐn)?shù)?？椢锿笟庑砸踩Q于基本結(jié)構(gòu)特征，包括纖維尺寸、空隙分?jǐn)?shù)和基重。
孔隙尺寸無規(guī)纖維網(wǎng)中纖維之間孔隙空間的大小正比于纖維直徑Df，是占據(jù)某一空間的大量纖維的決定因素。它反比于固體體積分?jǐn)?shù)c，該分?jǐn)?shù)是纖維所占據(jù)的網(wǎng)體積與整個網(wǎng)體積的比值(即，(1-空隙分?jǐn)?shù)))。對于金屬纖維濾材，Goeminne等人(“金屬纖維濾材的幾何及過濾特性-一項對比研究”，《過濾與分離》，卷11，第4期，pp.350～355(1974))報道，最大孔隙直徑Dp由下式描述Dp=Dfc]]>(式3)本文的工作對理想無規(guī)纖維網(wǎng)的隨機(jī)結(jié)構(gòu)所做的獨(dú)立分析如下Dp=3·π·Df8·c]]>(式4)式4預(yù)測最大孔隙尺寸比式3的稍大。將式4與式2合并就得到一種以纖維尺寸和固體分?jǐn)?shù)表示的無規(guī)網(wǎng)水頭的保守估計ΔP(cmwc)=2493·cDf(μm)]]>(式5)利用式5獲得下面的結(jié)果。
透氣性Davies發(fā)表了一個關(guān)于由各種各樣纖維材料制成的墊的流率、壓力降、纖維尺寸和固體分?jǐn)?shù)之間仔細(xì)和充分證明的關(guān)聯(lián)。(Davies，C.N.，“空氣浮塵和顆粒的分離”，The Institution of MechamicalEngineers Proceedings(B)第1～12期，卷1B，p 185，1952～53)。利用上面的規(guī)定，這一關(guān)聯(lián)給出單位流動面積A的體積流率QQA=ΔP·Df2h·η·f(c)]]>(式6)其中，f(c)＝64·c1.5·(1+56·c3) (式7)這里，ΔP是厚度h的纖維墊兩面之間的壓力降，η是流動流體的粘度。Davies關(guān)聯(lián)式的有效條件是0.006＜c＜0.3，此時在介質(zhì)中圍繞纖維的流動為層流。
纖維介質(zhì)的厚度與介質(zhì)的基重(Bwt)、纖維密度ρf和固體分?jǐn)?shù)之間按下式關(guān)聯(lián)h=Bwtρf·c]]>(式8)合并式6和8給出QA=ρf·ΔP·Df2·cBwt·η·f(c)]]>(式9)取水頭等于式5的強(qiáng)制壓力ΔP，則式5的水頭與纖維尺寸之間的關(guān)系可與上面Q/A與纖維尺寸之間的關(guān)系合并從而給出 (式10)如果式10的流動強(qiáng)制壓力差ΔP，被設(shè)定等于124.5N/m2，并采用一致的單位，則Q/A可作為弗雷澤直接算出，單位是立方米每平方米每分鐘(m3/m2-min)。圖2顯示，對于典型聚丙烯織物，Bwt＝34g/m2，c＝0.1，并且ρf＝920kg/m3，則式10的模型合理地符合圖1的表達(dá)一般趨勢的數(shù)據(jù)。
兩個進(jìn)一步改進(jìn)的效應(yīng)必須予以考慮。第一，粘合點(diǎn)處的熱粘合(這在非織造織物的生產(chǎn)中幾乎總是必須的)將使Q/A縮小一個系數(shù)(1-fba)，所述粘合點(diǎn)包含粘合面積分?jǐn)?shù)fba，因此，QA=ρf·ΔP·Df2·cBwt·η·f(c)·(1-fba)]]>(式11)第二，對于纖維尺寸小于約5μm的織物來說，空氣流已知是滑過纖維的，而不會遇到完全的粘性拖曳效應(yīng)?；瑒有?yīng)隨著纖維尺寸的縮小而增加。該效應(yīng)預(yù)計使給定壓力降下的流率增加到超過式10所預(yù)測的水平。Chmielewski和Goren(“帶有滑動流的氣溶膠過濾”，《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》，卷6，第13期，p.1101，1972)提出針對穿過纖維織物滑動流情況的校正系數(shù)。這里定義為S(c，Nkn)的校正系數(shù)隨著固體體積分?jǐn)?shù)c和Knudsen數(shù)Nkn而變化，后者的定義為
Nkn=2.48·λDf]]>(式12)其中λ是空氣分子之間碰撞平均自由程。這里，λ取作0.065μm。在本工作中，Chmielewski和Goren的圖形表達(dá)可很好地與下列經(jīng)驗函數(shù)符合S(c,Nkn)=1+(1.662+19.66·c-47.027·c2)Nkn1+.9489·Nkn]]>(式13)將滑動校正結(jié)合到流動模型中，于是模型變?yōu)镼A=ρf·ΔP·Df2·cBwt·η·f(c)·(1-fba)·S(c,Nkn)]]>(式14)如上所述，如果織物兩面之間的強(qiáng)制壓力降ΔP是124.5N/m2(12.7mm水柱)，且η是室溫空氣的粘度，并且如果采用一致單位，則Q/A是弗雷澤透氣性，這里以m3/m2-min為單位表示。
本發(fā)明人已確定，水頭模型式5，和流動模型式14，可一起用來規(guī)定要達(dá)到功能上超卓的阻液織物的要求。如果織物是多層織物，則模型可用于每一層以確定每一層的性質(zhì)，隨后各個層的性質(zhì)可結(jié)合在一起來確定復(fù)合片材的性質(zhì)。例如，在分層織物中，水頭取作織物中任意一層的最大水頭。透氣性可由以下關(guān)系獲得 (式15)模型模型1恒定基重，同時縮小纖維尺寸以增加阻液性能。
在聚丙烯織物的情況下，其中Bwt＝33.9g/m2，fba＝0，c＝0.1，且ρf＝920kg/m3，該模型提供表1和圖3的結(jié)果。
表1

模型1的結(jié)果顯示，單單通過縮小纖維尺寸而不降低基重來提高阻液性能時，織物透過率有害地下降。
模型2恒定透氣性(弗雷澤)同時縮小纖維尺寸以提高阻液性能。
在聚丙烯織物的情況下，其中弗雷澤＝10m3/m2-min，fba＝0，c＝0.1，且ρf＝920kg/m3，該模型提供表2及圖4和5的結(jié)果。
表2

從圖4和5清楚地看出，隨著以水頭表示的阻液性能的提高，阻擋層基重必須大大降低才能維持透氣性。
高阻擋和薄阻擋網(wǎng)的問題在高透過性或高阻液性或二者的極端情況下，阻擋層的機(jī)械強(qiáng)度可能構(gòu)成對達(dá)到的阻擋水平的實際限制。圖6顯示一種抵住纖維阻擋層推進(jìn)的液體界面。阻擋層由一層具有特征性小孔的小纖維組成，小纖維層由具有特征性較大孔的大纖維層支撐。迫使非潤濕性流體透過阻擋層小孔所要求的壓力由式5給出。這一壓力沿著阻擋層所有小纖維分布。因此，代表性小纖維，例如纖維AB的載荷易于作為單位長度的力而獲得。小纖維必須承擔(dān)壓力載荷的跨度取決于支撐層的孔隙尺寸，由式4給出。如果該跨度過大，則小纖維的張力會超過該纖維的強(qiáng)度，導(dǎo)致它們的斷裂。
在這種情況下，水頭受阻擋纖維的強(qiáng)度與決定阻擋層強(qiáng)度的阻擋纖維層基重，和決定作用在阻擋纖維上的力載荷的支撐層孔隙尺寸之間關(guān)系的限制。在阻擋纖維臨斷裂前能承受的最大力載荷與阻擋纖維為達(dá)到最大水頭將必須承受的力載荷之間可推導(dǎo)出一種關(guān)系。如果假設(shè)，阻擋層纖維載荷和幾何參數(shù)是在兩個支撐之間一段均勻加載的宏觀繩索的微觀等價物，并且如果假設(shè)小阻擋纖維在它斷裂之前撓曲一段等價于一個大支撐層纖維直徑的距離，則對這一關(guān)系的分析可以作為繩索問題給出 (式16)(Higdon，A.，Stiles，W.B.，《工程力學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)》Vector版，Prentice-Hall，1962)。
這里，水頭實際是實際達(dá)到的水頭。水頭max是阻擋層能達(dá)到的最大水頭，由式5給出。DfS和DfL分別是阻擋層小纖維和支撐層大纖維的直徑。GPD是阻擋層纖維的拉伸強(qiáng)度，以克每旦為單位。Bwt是阻擋層的基重。固體體積分?jǐn)?shù)是c。
模型3說明當(dāng)降低阻擋層基重以維持透氣性時低阻擋層強(qiáng)度的問題如果由直徑DfS＝0.6μm的聚丙烯(ρf＝920kg/m3)纖維組成的模型2的阻擋層(弗雷澤＝10m3/m2-min，c＝0.1，GPD＝1g/旦，Bwt＝1g/m2)層壓到直徑DfL＝12μm的纖維的支撐層上，則式16給出 (式17)由式5得到阻擋層的最大潛在水頭是415cmwc，但憑借1g/m2的基重，該層足以結(jié)實到耐受僅有斷裂前壓力的大約一半的壓力。最大水頭可通過將阻擋層的基重加倍來實現(xiàn)，但將基重加倍會使復(fù)合織物透氣性降低一半。由于基重提高，勢必帶來經(jīng)濟(jì)上的代價。
替代的解決方案是通過減少支撐層纖維尺寸來降低支撐層的孔隙尺寸。根據(jù)圖7，GPD×Bwt＝1情況的水頭實際/水頭最大曲線當(dāng)DfS/DfL＝0.075時達(dá)到1。因此，可能的最大的水頭在支撐層纖維直徑降低至大約8μm時便可實現(xiàn)。如果此種支撐層的基重小于約9g/m2，按照式7，弗雷澤透氣性仍然為約10m3/m2-min。
這里給出的模型關(guān)系允許合理地設(shè)計織物以適應(yīng)各種不同阻擋性能和透氣性的平衡。顯然，深層次的物理學(xué)僅允許某些性能的平衡存在。一旦規(guī)定了可達(dá)到的平衡，便可就如何創(chuàng)造給定的平衡做出選擇。
例如，鑒于透氣性依賴于纖維直徑的平方，故選擇與達(dá)到要求阻擋性能一致的最大纖維尺寸可能被優(yōu)選作為達(dá)到最高透氣性的措施。水頭可通過對織物軋光以增加固體分?jǐn)?shù)(式5)來提高。水頭和弗雷澤對固體分?jǐn)?shù)的依賴性使得為提高固體分?jǐn)?shù)而進(jìn)行的阻擋層軋光將提高阻擋性能而不是降低弗雷澤。如果對于阻擋層選較小纖維尺寸作為產(chǎn)品的基礎(chǔ)，則可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)基重以達(dá)到所要求的透氣性。其它此類權(quán)衡可根據(jù)經(jīng)濟(jì)和織物加工的可行性來評估。
所給出的模型基于由剛性、直線、連續(xù)纖維制成的無規(guī)纖維網(wǎng)的幾何學(xué)，其中玻璃纖維氈便是一個很好的例子。這可能是最簡單、最公開和理想的網(wǎng)幾何模型。當(dāng)然，實際上存在著許多與該理想之間的偏差。一種普遍的偏差是由于與纖維成束或成團(tuán)相聯(lián)系的非無規(guī)纖維沉積所致。正如Davies(前面援引的)所討論的，所得構(gòu)造的行為就仿佛它是由一種比實際纖維尺寸大一些的有效纖維尺寸的纖維構(gòu)成的。
影響纖維在三維空間中斂集的纖維性質(zhì)，例如形狀、剛度、卷曲等的改變，將導(dǎo)致與理想情況的結(jié)構(gòu)偏離。還有，反映在表面張力σ和潤濕角θ上的流體-纖維潤濕特性也可以變化。在大多數(shù)情況下，這將減少按照式4和5得出的最大可達(dá)到水頭。因此，可能存在其它特殊的性能平衡，而這些都被隱含在圖1和2中的數(shù)據(jù)以及下面表4和5中給出的數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象中。原則上，該模型可針對具體情況進(jìn)一步完善。但是，此種理想結(jié)構(gòu)的分析仍可起到標(biāo)準(zhǔn)檢驗和指南的作用。
本發(fā)明是一種包含支撐網(wǎng)和阻擋網(wǎng)的非織造織物，其水頭至少為約145cm，弗雷澤透氣性至少為約0.3m3/m2-min。該非織造織物阻擋片材可以是疏水的，所述疏水性通過以疏水涂料如碳氟化合物-或硅酮-為基礎(chǔ)的涂料涂布親水片材衍生而來，或者通過由下列聚合物形成片材而來疏水聚合物或共聚物，如聚烯烴，包括但不限于具有由乙烯、丙烯、丁烯、己烯、辛烯、苯乙烯、4-甲基戊烯-1及其組合衍生的重復(fù)單元的那些，特別是氟化或全氟化聚合物或共聚物，包括但不限于乙烯/四氟乙烯(E/TFE)、乙烯/三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、氟化乙烯/丙烯(FEP)、四氟乙烯和全氟(烷基乙烯基醚)(PFA)的共聚物以及諸如此類的。
阻擋網(wǎng)纖維的直徑一般小于約2μm，更通常小于約1μm，且甚至可在直徑小于約0.5μm的“納米纖維”范圍內(nèi)，其中直徑是數(shù)均纖維尺寸。
作為阻擋網(wǎng)的支撐網(wǎng)中的纖維一般小于20倍，更常見小于15倍，最常見小于10倍的對應(yīng)阻擋網(wǎng)纖維的直徑。例如，支撐網(wǎng)纖維的直徑可大于約13μm，大致對應(yīng)于傳統(tǒng)紡粘纖維的直徑，約12μm或更小，這大致對應(yīng)于微米-旦的紡粘纖維的直徑，或者約5μm或更小，這大致對應(yīng)于熔噴纖維的直徑。
支撐網(wǎng)可以是任何被構(gòu)造為適合用來給非常細(xì)的纖維網(wǎng)提供支撐的織物。在合適的支撐網(wǎng)當(dāng)中有傳統(tǒng)紡粘和熔噴網(wǎng)、微米-旦紡粘網(wǎng)如公開在美國專利5,885,909中的，以及此類不同傳統(tǒng)非織造網(wǎng)與一種或多種非常細(xì)纖維網(wǎng)的各種不同組合。
也可以提供一種包含本發(fā)明納米纖維的疏水非織造片材，其制法為在收集/支撐網(wǎng)上沉積傳統(tǒng)親水聚合物納米纖維的非織造網(wǎng)，并以疏水涂料，例如碳氟化合物涂料涂布該網(wǎng)的納米纖維。當(dāng)該涂料施涂成極薄層時，對下層網(wǎng)的透氣性所引起的改變即便有也很少，例如描述在共同未決美國臨時申請60/391,864，2002-06-26提交。
為了使本發(fā)明非織造織物的空氣流動阻力盡可能低、撓曲性盡可能高，支撐層的基重可小于17g/m2，或小于14g/m2，或小于11g/m2，或小于7g/m2，或小于3g/m2，或甚至小于1g/m2。
本發(fā)明非織造織物的水頭至少為約145cmwc，弗雷澤至少為約0.3m3/m2-min或至少約1m3/m2-min，或者至少約3m3/m2-min，或者至少約5m3/m2-min，或甚至至少約10m3/m2-min。本發(fā)明織物的水頭可大于或等于150cmwc，大于或等于200cmwc，大于或等于300cmwc，或甚至大于或等于400cmwc。
本發(fā)明非織造織物的纖維之間最大孔隙尺寸，按照泡點(diǎn)(ASTM E128)測定，小于約23μm，或小于約20μm，或小于約15μm，或甚至小于約12μm。
實施例樣品織物按以下步驟制備將各種不同聚合物溶解在合適的溶劑中，隨后喂入到電紡絲設(shè)備中，例如美國專利4,127,706中描述的那種，在此引入該專利作為參考。形成的細(xì)纖維沉積在熔噴織物支撐層上形成細(xì)纖維的阻擋層，并通過將該細(xì)纖維/熔噴層夾在兩個紡粘聚酯纖維層之間來賦予樣品機(jī)械強(qiáng)度，從而形成紡粘/熔噴/細(xì)纖維/紡粘構(gòu)型的四層層壓材料。
細(xì)纖維是由2種不同疏水聚合物紡制的KratonTMD1134x，一種苯乙烯-丁二烯共聚物(比重＝0.94)，由KratonTM聚合物公司(休士敦，德克薩斯)供應(yīng)；和KynarTM761，一種聚偏二氟乙烯聚合物(比重1.76)，由Atofina化學(xué)公司(費(fèi)城，賓夕法尼亞)供應(yīng)。KratonTM細(xì)纖維由9wt％聚合物在88/12wt％四氫呋喃/二甲基乙酰胺(THF/DMAC)混合溶劑中的溶液紡制；KynarTM細(xì)纖維由14～15wt％聚合物在丙酮中的溶液紡制。
由Orion供應(yīng)的SageTM型號362的針筒泵被用來將溶液壓過帶有鈍的27號量針的標(biāo)準(zhǔn)針筒。通過將針刺穿一絕緣的連接在SpellmanSL300負(fù)高電壓電源上的鋁箔條，從而在針上加上高電壓。為保證針筒泵在高電壓環(huán)境中的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對泵實施電氣絕緣，然后將電源參照引線、金屬箱和針筒泵的支撐底座接地。
沉積靶是直徑為89mm厚64mm的邊緣完全為圓弧狀的黃銅圓盤。圓盤安裝在電氣絕緣的臺上，例如由Lexan制成，使它懸在臺的前方約4mm并通過貫穿臺的螺栓連接到地。一種紡粘屏蔽(18g/m2Remay聚酯)覆蓋著圓盤和臺子表面以避免纖維累積在圓盤的背面。在圓盤正面挖去76mm直徑的圓形屏蔽，以露出靶區(qū)。在靶區(qū)上安裝一個圓形熔噴基材部分。在KratonTM紡絲的情況下，通過用聚合物薄膜絕緣靶區(qū)來促進(jìn)纖維的均勻沉積。
在一種KynarTM的情況(實例12)中，通過直接將纖維沉積到直徑48mm長148mm的不銹鋼圓筒上而制成15×15cm的織物。熔噴層包裹著圓筒，切割并剝離掉兩層來構(gòu)成芯層合物。
織物的性質(zhì)是在每種織物的25mm直徑的圓形區(qū)域上測定的。
透氣性和泡點(diǎn)在Porous Media公司的毛細(xì)管流動孔隙儀上，分別根據(jù)ASTM F778和ASTM F316-03的原理進(jìn)行測定并分別作為弗雷澤透氣性，以m3/m2-min為單位，和孔隙尺寸，以微米為單位報告結(jié)果。
水頭測定是在根據(jù)AATC TM 127的Aspull MkIII水頭試驗儀上實施的，并做了采用鋁板和O形密封環(huán)固定該小織物樣品的改裝。水頭在第一次透水時記錄下來并以厘米水柱(cmwc)為單位寫入報告。
細(xì)纖維負(fù)載量采用稱重法根據(jù)樣品在細(xì)纖維沉積前后的質(zhì)量差測定，并沿樣品表面面積取平均值(總沉積細(xì)纖維克數(shù)/樣品面積)報告。
對照例制作了3種紡粘/熔噴/紡粘構(gòu)造的對照例，其中紡粘層是18g/m2聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)，熔噴層是18g/m2雙組分65wt％聚酯/35％聚乙烯纖維，按照WO 01/09425 A1(在此引入作為參考)的描述制造的。對照織物的制造方法與實例織物一樣，只是不沉積細(xì)纖維層。
表3

進(jìn)行了若干電紡絲試驗，以便確定最有效的聚合物、溶劑和濃度的組合，以及均勻沉積和操作技術(shù)，以制成本發(fā)明細(xì)纖維阻擋層。從所確定的電紡絲參數(shù)和收集技術(shù)的最佳組合取得的數(shù)據(jù)在下面給出。
實施例1～9KratonTMD1133x共聚物以9wt％的聚合物濃度溶解在88wt％四氫呋喃/12wt％二甲基乙酰胺混合溶劑中，并在-18KV下以0.5ml/h的速率進(jìn)行電紡絲。細(xì)纖維以大約22cm的收集距離沉積到對照例中描述的18g/m2雙組分熔噴織物的樣品上。隨后，在細(xì)纖維上覆蓋從樣品靶取下的紡粘聚酯層。在熔噴收集織物層上也覆蓋一層紡粘聚酯，然后所有四層壓實成為層壓材料。諸實施例的阻擋性能經(jīng)測定，報告于下表4中。
該收集的細(xì)纖維用掃描電鏡測定并發(fā)現(xiàn)具有介于約0.1～1.8μm一般范圍的直徑，平均纖維直徑據(jù)信小于約1μm。
(表1)

緯向編結(jié)織物比經(jīng)向編結(jié)織物和編織織物更可拉伸、下陷嚴(yán)重并且當(dāng)放上肢體時感到側(cè)壓和不穩(wěn)定。
因此，在制造作為緯向編結(jié)織物的彈性織物(10)的情況中，(i)非彈性紗條(13)應(yīng)用到底部編結(jié)織物，并且彈性紗條(11)在底部編結(jié)織物內(nèi)以如下方式進(jìn)行編結(jié)在至少一部分的線圈橫行中的至少一部分多個線圈縱行上，彈性紗條(11)在線圈橫行方向(Γ)上連續(xù)成為一條直線地編入，(ii)使得在線圈縱行方向(∑)上在伸長10％時的應(yīng)力(F)(N/5cm)能夠滿足使得25≤F(N/5cm)地對緯向編結(jié)織物進(jìn)行設(shè)計。在這種情況下，彈性紗條(11)的體積密度(J)(dtex/cm)計算為彈性紗條(11)11的平均纖度(T)(dtex/支)和屬板上以估計為約2～4kg/cm的線壓力做了軋光處理。
總起來看，含有KynarTM細(xì)纖維的阻擋織物表現(xiàn)出比對照例樣品或?qū)嵤├?～9的那些大得多的水頭值。據(jù)信，實施例10～19中聚偏二氟乙烯聚合物相對于實施例1～9的苯乙烯-丁二烯聚合物而言疏水性更強(qiáng)的特性是其水頭值改善的主要原因。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，實施例1～9的苯乙烯-丁二烯聚合物織物的水頭可通過拒水化學(xué)整理，例如氟化學(xué)整理的處理來提高，而不會對織物的弗雷澤透氣性產(chǎn)生顯著負(fù)面影響。
再者，重要的是要注意，幾乎所有情況中，含細(xì)纖維的本發(fā)明范例織物的水頭測定值都超過基本為紡粘/熔噴/紡粘織物結(jié)構(gòu)的對照例。這證明，細(xì)纖維層的存在，尤其在細(xì)纖維包含小于約2μm直徑，或甚至小于約1μm直徑的纖維的情況下，可大大提高織物的阻液性能。
該層壓織物構(gòu)型、細(xì)纖維阻擋層/紡粘支撐層(FF/SB)和紡粘支撐層/細(xì)纖維阻擋層/紡粘支撐層(SB/FF/SB)，是達(dá)到較高阻擋性能，同時透氣性低于約弗雷澤＝1m3/m2-min的可行構(gòu)型。典型的紡粘纖維直徑尺寸為10μm及更大。
合適的支撐層必須具有滿足阻擋層機(jī)械強(qiáng)度的孔隙尺寸。阻擋層越弱，支撐層孔隙尺寸必須越小才能達(dá)到足夠支撐作用。較小的孔隙尺寸，又要求較小的纖維直徑尺寸。因此，隨著阻擋層基重的減少，以促進(jìn)透氣性的提高，合適的支撐層必須具有小于典型紡粘纖維尺寸的纖維直徑尺寸。
此種較小纖維可以是微旦紡粘(mSB)，正如美國專利5,885,909中討論的，例如6＜Df＜10μm，這將結(jié)實到足以滿足整個織物的機(jī)械強(qiáng)度要求。微旦紡粘支撐將能給生出2種織物構(gòu)型FF/mSB和mSB/FF/mSB。
纖維直徑在1＜Df＜10范圍內(nèi)的非自支撐的支撐層可由熔噴方法制造。典型的此類纖維不結(jié)實(0.3＜GPD＜0.6)。它們被用來提供阻擋性能，而由紡粘纖維支撐層提供強(qiáng)度。如果用該熔噴纖維來支撐細(xì)纖維阻擋層，則熔噴纖維仍舊要求支撐層來維持整個織物的機(jī)械強(qiáng)度。紡粘纖維層很適合作為支撐層。
這就產(chǎn)生一種層壓織物構(gòu)型FF/MB/SB、SB/MB/FF/MB/SB、FF/MB/mSB和mSB/MB/FF/MB/mSB。
還有這些類型層的不對稱組合，例如SB/FF/MB/SB，這可具有不對稱阻擋性能，可能賦予此種構(gòu)造的織物不尋常但卻有用的功能。例如，如果液體的侵襲來自SB/FF側(cè)，則其阻擋性能是高的并且等于其FF層的最大阻擋能力。如果液體侵襲來自SB/MB側(cè)，則紡粘層將不能提供對FF層的足夠支撐，后者將在低于FF層能力的某種水頭下破裂。
權(quán)利要求
1.一種非織造織物，包含支撐網(wǎng)和纖維阻擋網(wǎng)，其水頭至少為約145cm，且弗雷澤透氣性至少為約0.3m3/m2-min。
2.一種非織造織物，包含至少一種支撐網(wǎng)和一種纖維直徑小于2.0μm、水頭至少為約145cm且弗雷澤透氣性至少為約0.3m3/m2-min的疏水阻擋網(wǎng)。
3.權(quán)利要求1或2的非織造織物，其中所述阻擋網(wǎng)的纖維直徑小于1.0μm。
4.權(quán)利要求1或2的非織造織物，其中所述阻擋網(wǎng)的纖維直徑小于0.5μm。
5.權(quán)利要求3的非織造織物，其中阻擋層基重不大于15g/m2。
6.權(quán)利要求4的非織造織物，其中阻擋層的基重不大于3g/m2。
7.權(quán)利要求1或2的非織造織物，其中所述阻擋網(wǎng)包含疏水聚合物或共聚物的納米纖維。
8.權(quán)利要求7的非織造織物，其中所述疏水聚合物或共聚物是聚烯烴、部分氟化的聚合物或全氟化聚合物。
9.權(quán)利要求8的非織造織物，其中所述疏水聚合物或共聚物的重復(fù)單元衍生自乙烯、丙烯、丁烯、己烯、辛烯、苯乙烯、4-甲基戊烯-1及其組合。
10.權(quán)利要求1或2的非織造織物，其中所述阻擋纖網(wǎng)通過涂布疏水涂層而變得疏水。
11.權(quán)利要求10的非織造織物，其中所述疏水涂層是碳氟化合物涂覆材料。
12.權(quán)利要求1或2的非織造織物，其中阻擋網(wǎng)的纖維間最大孔隙尺寸不大于約23μm。
13.權(quán)利要求1或2的非織造織物，其中阻擋網(wǎng)的固體分?jǐn)?shù)不小于約0.03。
14.一種包含纖維阻擋網(wǎng)的非織造阻擋織物，所述織物的水頭至少為約145cm，且弗雷澤透氣性至少為約0.3m3/m2-min并且其阻擋網(wǎng)基重與織物水頭和弗雷澤透氣性之間的關(guān)系由下式描述 其中ρf是阻擋纖維的密度，單位為kg/m3，c是阻擋網(wǎng)的固體體積分?jǐn)?shù)，k(c)＝3.58·c2-1.32·c+1.77，弗雷澤的單位是m3/m2-min，以及水頭的單位是厘米水柱。
15.權(quán)利要求1、2或14之一的非織造織物，包含F(xiàn)F/mSB結(jié)構(gòu)，其中FF是阻擋網(wǎng)。
16.權(quán)利要求1、2或14之一的非織造織物，包含F(xiàn)F/SB結(jié)構(gòu)，其中FF是阻擋網(wǎng)。
17.權(quán)利要求1、2或14之一的非織造織物，包含mSB/FF/mSB結(jié)構(gòu)，其中FF是阻擋網(wǎng)。
18.權(quán)利要求1、2或14之一的非織造織物，包含F(xiàn)F/MB/SB結(jié)構(gòu)，其中FF是阻擋網(wǎng)。
19.權(quán)利要求1、2或14之一的非織造織物，包含SB/MB/FF/MB/SB結(jié)構(gòu)，其中FF是阻擋網(wǎng)。
20.權(quán)利要求1、2或14之一的非織造織物，包含F(xiàn)F/MB/mSB結(jié)構(gòu)，其中FF是阻擋網(wǎng)。
21.權(quán)利要求1、2或14之一的非織造織物，包含mSB/MB/FF/MB/mSB結(jié)構(gòu)，其中FF是阻擋網(wǎng)。
22.權(quán)利要求1、2或14之一的非織造織物，包含SB/MB/FF/SB結(jié)構(gòu)，其中FF是阻擋網(wǎng)。
23.權(quán)利要求1或2的非織造織物，其中所述支撐網(wǎng)包含直徑小于阻擋網(wǎng)纖維直徑約20倍的纖維。
24.權(quán)利要求23的非織造織物，其中所述支撐網(wǎng)纖維的直徑小于約13μm。
全文摘要
本發(fā)明的一種實施方案是一種非織造織物，其包含支撐網(wǎng)和纖維阻擋網(wǎng)，其水頭至少為約145cm，弗雷澤透氣性至少為約0.3m
文檔編號B32B5/26GK1681988SQ03822010
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月17日
發(fā)明者M·A·布賴納 申請人:納幕爾杜邦公司