集成無紡織層壓材料的制作方法

專利名稱：集成無紡織層壓材料的制作方法
背景技術：
具有大纖維間孔并因而具有高滲透性的過濾介質通常包含稀疏排列的較粗纖維。這種過濾介質僅需要相對較低的驅動壓力就能提供足夠過濾通過量和使用期。然而，由于介質的大纖維間孔結構不具有適于截留細沾染物粒子的填隙結構，高滲透過濾介質比如住宅用玻璃纖維供暖、通風及空調(HVAC)過濾器的過濾效率很低。因而，在細粒子過濾中已經不使用粗纖維、高滲透的過濾介質。
相反，微纖維無紡織網(如融噴纖維網)已經作為細粒子過濾介質使用。這些網的緊密排列細纖維具有小纖維間孔結構，所述小纖維間孔結構極適于機械式截留或者篩濾細小粒子。但是，緊密排列細纖維的融噴纖維網和其它類似微纖維網的小孔結構致使網的滲透性降低和通過網的壓降升高。因此，細纖維過濾介質的低滲透性要求高驅動壓力來確保充分的過濾通過量。而且，當沾染物堆積在過濾介質的表面時，沾染物就會迅速的阻塞小纖維間孔并因而降低介質的滲透性，因此致使通過介質的壓降升高并使其使用期大大的縮短。
此外，微纖維網過濾介質往往不具有充分到足以自支持的物理均勻完整性。盡管通過提高所述網的基重或厚度可改善微纖維過濾介質的物理均勻完整性，但是基重或厚度提高加大了通過過濾介質的壓降。基于此，通常將微纖維網過濾介質層壓成支撐層或填充在剛性框架里。然而，傳統的支撐層或剛性框架通常無助于過濾過程且增加了過濾介質的生產成本。
需要一種合成的過濾介質，所述過濾介質結合了所需的包括高過濾效率和粒子保持、高滲透性、低壓降、高通過量和長使用期的過濾特性。
發明概述針對現有技術存在的已述困難和問題，發明了一種適于用作過濾的集成無紡織層壓材料。所述集成無紡織層壓材料包括微纖維層，在微纖維層一邊上的低膨松多組分紡粘層和在微纖維層另一邊上的高膨松多組分紡粘層。所述低膨松多組分紡粘層具有支持、加強集成無紡織層壓材料的功能并提高了其過濾效率。可取的是所述低膨松多組分紡粘層具有約33克每平方米至170克每平方米的基重，更可取的是基重約67克每平方米至102克每平方米。可取的是低膨松多組分紡粘層具有至少0.05克/厘米3的密度，更可取的是密度約0.08克/厘米3至約0.14克/厘米3，最好是密度約0.10克/厘米3至約0.13克/厘米3。
當空氣穿過高膨松多組分紡粘層進入集成無紡織層壓材料時，所述高膨松多組分紡粘層用作為預過濾層和灰塵截留層。所述高膨松多組分紡粘層具有用于粒子積聚的結構，因而提高了過濾器的容塵量和使用壽命。作為高膨松材料的一個實施例，相對于低膨松雙組分紡粘層，卷曲雙組分紡粘纖維具有較高的膨松。可取的是所述高膨松多組分紡粘層具有約33克每平方米至170克每平方米的基重，更好的是基重約67克每平方米至102克每平方米。可取的是高膨松多組分紡粘層具有少于0.05克/厘米3的容重，更可取的是容重約0.015克/厘米3至約0.035克/厘米3，最好是容重約0.02克/厘米3至約0.03克/厘米3。
根據本發明的一個實施例，所述低膨松多組分紡粘層的多組分紡粘纖維與所述高膨松多組分紡粘層的多組分紡粘纖維是具有低熔點聚合物組分和高熔點聚合物組分的雙組分紡粘纖維，所述低熔點聚合物組分和高熔點聚合物組分最好以并列或皮/芯的結構放置。所述高膨松雙組分紡粘層可具有膨體形纖維以增強容塵量。
所述微纖維層包含分布相對緊密的微纖維。可取的是，所述微纖維的基重是約10克每平方米至34克每平方米，最好是約13克每平方米至21克每平方米。可取的是所述微纖維層具有少于0.05克/厘米3的容重，更可取的是容重約0.08克/厘米3至約0.14克/厘米3，最好是容重約0.10克/厘米3至約0.13克/厘米3。所述微纖維層可包括具有阻擋層與膨體層的雙層纖維網，所述阻擋層與膨體層造成了微纖維層的密度梯度。
為了制造本發明集成無紡織層壓材料，首先形成低膨松多組分層，然后將微纖維層放置在低膨松多組分紡粘層上并且將高膨松多組分紡粘層放置在微纖維層上。
根據本發明的一個實施例，然后，將含雙組分紡粘纖維的層狀無紡織材料穿過通氣粘結裝置，其中，加熱所述層狀無紡織材料使其溫度高于所述低熔點聚合物組分的熔點而低于所述高熔點聚合物組分的熔點，因而致使相鄰層的雙組分纖維形成纖維間粘合。結果形成了這些雙組分纖維、單一、粘結的集成無紡織層壓材料的自生粘合，這就適于用作過濾介質。為了增大過濾粒子與過濾器纖維之間吸附力，在集成無紡織層壓材料形成之前或之后，可電介體處理(電極化)集成無紡織層壓材料的任一層或所有層。例如，在將微纖維層放置到低膨松多組分紡粘層上之前，可先電介體處理它。
根據前述思想，本發明的特點和優點是提供一種用于過濾的集成無紡織層壓材料，所述集成無紡織層壓材料包括放置在低膨松多組分紡粘層和高膨松多組分紡粘層之間的微纖維層。
本發明另一特點和優點是提供一種包括集成無紡織層壓材料的過濾介質。
附圖簡要說明

圖1示出了本發明一個實施例集成無紡織層壓材料的側視簡圖；圖2示出了本發明一個實施例按并列結構排列的雙組分紡粘纖維橫截面形狀；圖3示出了本發明一個實施例按皮/芯結構排列的雙組分紡粘纖維橫截面形狀；圖4-9示出了本發明一個實施例幾種適合的高膨松雙組分紡粘纖維的橫截面形狀；和圖10示出了本發明一個實施例生產集成無紡織層壓材料的方法。
定義“無紡織物或網”意思是具有單纖維或線結構的網，所述單纖維或線放置在網中間，但不是以如在編織物中規則的或可辨認的方式放置。無紡織物或網可用很多工藝生產，如熔噴工藝，紡粘工藝，氣流成網工藝和粘結梳理纖維網工藝。所述無紡織物的基重通常用材料盎司每平方碼(osy)或克每平方米(gsm)來表示，并且纖維直徑通常用微米來表示。(注克每平方米(gsm)＝33.91×盎司每平方碼(osy))“微纖維”意思是含平均直徑不大于約30微米的小直徑纖維，如平均直徑從約1微米至約20微米，或特別的，微纖維可以具有平均直徑約0.5微米至約10微米。纖維直徑的另一常用表述是旦尼爾，它定義為克每9000米纖維。對于圓形橫截面的纖維，旦尼爾可用纖維直徑(平方微米)乘以密度(克/厘米3)乘以0.00707計算出來。較低的旦尼爾指的是較細纖維，較高的旦尼爾指的是較厚或較重纖維。例如，假如直徑15微米的聚丙烯纖維可通過平方，所得結果乘以0.89克/厘米3，再乘以0.00707轉換成旦尼爾。因而，15微米的聚丙烯纖維約有1.42(152×0.89×0.00707＝1.415)旦尼爾。除美國之外，更常用的測量單位是“特”，它被定義為纖維每一千米的克數。特可通過旦尼爾/9計算出來。
“紡粘纖維”指的是通過從眾多圓形或其它結構噴絲頭纖細毛細管中將熔融熱塑性材料擠壓成單絲而形成的小直徑纖維，同時通過Appel等人美國專利4340563，Dorschner等人的美國專利3692618，Matsuki等人的美國專利3802817，Kinney的美國專利3338992和3341394，Hartman的美國專利3502763，Petersen的美國專利3502538和Dobo等人的美國專利中的方法迅速減小擠壓出的單絲直徑，這里通過參考并結合了它的全部。當將紡粘纖維放置在凝聚面上時，驟冷紡粘纖維并且通常不粘結。紡粘纖維通常是連續的，并且平均直徑通常大于約7微米，特別的是在約10微米至30微米之間。
“熔噴纖維”意思是通過擠壓熔融熱塑性材料使其作為熔融線或單絲通過眾多纖細的，通常圓形的，壓出板毛細管進入匯聚高速氣體(即空氣)流而形成的纖維，所述高速氣流使熔融熱塑性材料的單纖維變細以減小它們的直徑，這可形成微纖維直徑。此后，通過高速氣流運送熔噴纖維并把它放置在凝聚面上以形成無規分布熔噴纖維網。Butin的美國專利3849241和Haynes等人的美國專利6001303中公開了這些工藝。熔噴纖維可以是連續或不連續的、通常直徑小于10微米且放置在凝聚面上時通常自身粘結的微纖維。本發明所用的熔噴纖維最好長度上是基本連續的。
“單組分纖維”指的是從一個或多個僅使用一種聚合物的擠壓機中擠壓出來而形成的纖維。這不意味著排除一種為改變纖維顏色、抗靜電性、潤滑、親水性等而添加少量添加劑的聚合物形成的纖維。這些添加劑，即用于染色的二氧化鈦，通常重量上占有量少于5％并且更普遍的是占約2％。
術語“多組分單絲或纖維”指的是由至少兩種聚合物中形成的纖維，所述至少兩種聚合物是從分離的擠壓機中擠壓出來但捻在一起以形成一個纖維。作為多組分單絲或纖維的一個實施例，“雙組分單絲或纖維”包括兩種聚合物，所述兩種聚合物通常基本上排列在雙組分纖維橫截面的不同區域上且沿著雙組分纖維長度連續延伸。例如，所述雙組分纖維結構可以是一種聚合物包圍另一聚合物的皮/芯結構，或是并列結構或是天星狀結構。Kaneko等人的美國專利5108820，Strack等人的美國專利5336552，Pike等人的美國專利5382400和Cook的美國專利5989004中教導了該雙組分纖維。這里通過參考并結合了它的全部。對于雙組分纖維，可提供聚合物的比率是75/25，50/50，25/75或任何其它所需的比率。傳統的添加劑(例如顏料與表面活性劑)可合并到一種或兩種聚合物流中，或是涂布到單絲表面。該術語也包括含有兩種組分以上的類似纖維或單絲。
術語“聚合物”包括但不限于均聚物、共聚物(如嵌段共聚物、接枝共聚物、無規共聚物、交替共聚物)、三元共聚物等和它們的混合物與變性物。而且，除非其它特別限定，術語”聚合物“將包括材料的所有可能幾何結構。這些結構包括但不限于全同立構對稱、間同立構對稱和無規立構對稱。
術語“電介體處理”或“電介體化”指的是在介質材料(如聚烯烴)里和/或上放置電荷的任何方法。電荷通常包括聚集在聚合物表面或者其附近的正電荷層或負電荷層，或者貯存在許多聚合物中的電荷云。電荷也可包括凍結成直線排列的分子偶極子的極化電荷。使材料遭受電介體化的方法已為現有技術人員所熟知。所述方法包括熱放電、液體接觸放電、電子束放電與電暈放電方法。一個示范性的用于在介質材料上放置電荷的過程包括給材料應用直流電電暈放電。該類型的典型傳統方法詳細的記載在1995年3月28日公開的Tsai等人的名稱為“用于網或膜的靜電充電的方法和裝置”美國專利5401446中，這里通過參考結合了該專利的全部。該技術涉及使材料遭受一對電場，其中電場具有相反的極性。
術語“通氣粘結”或“TAB”意思是粘結無紡織雙組分纖維網的工藝，在所述工藝里迫使溫度高于至少一個網聚合物組分熔點的空氣穿過網。空氣速度可以在每分鐘100英尺至500英尺之間并且停留時間可以長達6秒。聚合物的熔化與再固化提供了粘結過程。熱空氣熔化了較低熔點聚合物組分并因而在單絲間形成粘結以合成網。
這里使用的術語“低膨松多組分紡粘層”指的是含有相對于“高膨松多組分紡粘層”膨松較低的紡粘材料層。可取的是低膨松層容重至少是0.05克/厘米3，更可取的容重是約0.08克/厘米3至約0.14克/厘米3，最好容重是約0.10克/厘米3至約0.13克/厘米3。
這里使用的術語“高膨松多組分紡粘層”指的是含有相對于“低膨松多組分紡粘層”膨松較高的紡粘材料層。可取的是高膨松層容重至少是0.05克/厘米3，更可取的容重是約0.015克/厘米3至約0.035克/厘米3，最好容重是約0.02克/厘米3至約0.03克/厘米3。
這里使用的術語“集成層壓材料”指的是具有至少將一種多組分紡粘層粘結到至少一種微纖維層上以形成粘合層狀材料的層狀材料。可取的是多組分纖維或雙組分纖維的熔噴層放置在低膨松雙組分紡粘層與高膨松雙組分紡粘層之間，并且經受通氣粘結工藝以形成單一粘合層狀材料。
這里使用的術語“卷曲”指的是三維卷曲或者如螺旋形的卷曲且不包括纖維中的無規二維波紋形與波浪形。
這里使用的術語“自生粘合”與“自體的粘結”指的是在與外部添加劑無關的分離部分和/或表面之間粘結，所述外部添加劑如粘合劑，固化劑，機械加固劑和類似的物質。例如，可通過在纖維接觸點利用纖維間粘合來自體地粘結許多多組分纖維，而且基本上不降解網或者纖維的結構。
在本說明書的剩余部分可用其它詞語限定上述術語。
優選實施例的詳細描述參照圖1，集成無紡織層壓材料10包括低膨松(loft)多組分紡粘層12，高膨松(loft)多組分紡粘層14，和放置在所述低膨松多組分紡粘層12與所述高膨松多組分紡粘層14之間的微纖維層16。可取的是，所述低膨松多組分紡粘層12與所述高膨松多組分紡粘層14包括雙組分紡粘纖維。所述集成無紡織層壓材料10將具有約0.015克/厘米3至約0.049克/厘米3的整體容重，更好整體容重為約0.025克/厘米3至0.030克/厘米3。可取的是，所述集成無紡織層壓材料10的整體基重在約75克每平方米至374克每平方米(gsm)之間，更可取的是在100-225克每平方米之間。改變層12，14，16每一層基重和制造層12，14，16每一層所用的纖維纖度可生產出各種具有所需過濾特性的集成無紡織層壓材料10。
根據本發明生產的集成無紡織層壓材料10尤其用作為過濾介質，例如作為小型口袋過濾器，它具有約40％至約95％的ASHRAE(美國采暖、制冷和空氣調節工程師學會)標準52.1-1992塵斑(dust spot)效率與12至16的ASHRAE(美國采暖、制冷和空氣調節工程師學會)標準52.2-1992MERV(最小效率報告值)。
所述低膨松多組分紡粘層12具有支持、加強集成無紡織層壓材料10的功能并提高了其過濾效率。所述低膨松多組分紡粘層12具有不卷曲的多組分纖維。因而，相對于高膨松多組分紡粘層14，所述低膨松多組分紡粘層12具有較低的膨松。可取的是，所述低膨松多組分紡粘層12基重約為33-170克每平方米，更可取的是基重約67-102克每平方米。還可取的是所述低膨松多組分紡粘層12具有至少0.05克/厘米3的容重，更可取的是容重約0.08克/厘米3至約0.14克/厘米3，最好容重約0.10克/厘米3至約0.13克/厘米3。根據本發明的一個實施例，所述低膨松多組分紡粘層12的基重為集成無紡織層壓材料10整體基重的約15％至約60％，最好是集成無紡織層壓材料10整體基重的約20％至約50％。可取的是所述多組分紡粘纖維直徑約10微米至約30微米，最好其直徑約15微米至約20微米。
根據本發明的一個實施例，使大量的多組分紡粘纖維穿過冷空氣拉伸裝置可制造出所述低膨松多組分紡粘層12，在這個過程中，不卷曲所述多組分紡粘纖維，并因而制造出膨松相對低的紡粘材料。
在過濾的過程中，所述高膨松多組分紡粘層14最好具有高膨松和低壓降。其目的在于卷曲所述高膨松多組分紡粘層14的多組分紡粘纖維以利于其具有更高的膨松與更好的截留粒子，并以此來提供粒子承載量和延長其使用壽命。根據本發明的一個實施例，當空氣穿過所述高膨松多組分紡粘層14進入集成無紡織層壓材料10時，所述高膨松多組分紡粘層14用作預過濾層與灰塵截留層。
根據本發明的一個實施例，可通過熱空氣拉伸工藝制造出所述卷曲多組分紡粘纖維。Pike等人的并讓與Kimberly-Clark公司的美國專利5382400教導了所述熱空氣拉伸工藝，這里通過參考結合了該發明的公開內容。所述熱空氣拉伸工藝僅僅是一種制造高膨松多組分紡粘層14的方法。可使用現有技術中熟知的其它方法制造卷曲多組分紡粘纖維，例如，Kimberly-Clark Worldwide有限責任公司的PCT公布WO 00/28123教導的制造卷曲多組分紡粘纖維方法，這里通過參考結合了該發明的公開內容。用所述卷曲多組分紡粘纖維來生產相對于低膨松多組分紡粘層12有較高膨松的所述高膨松多組分紡粘層14。
可取的是，所述高膨松多組分紡粘層14基重約為33-170克每平方米，更可取的是基重約67-102克每平方米。可取的是所述高膨松多組分紡粘層14具有少于0.05克/厘米3的容重，更可取的是容重約0.015克/厘米3至約0.035克/厘米3，最好容重約0.02克/厘米3至約0.03克/厘米3。根據本發明的一個實施例，所述高膨松多組分紡粘層14的基重為集成無紡織層壓材料10整體基重的約15％至約80％，最好是集成無紡織層壓材料10整體基重的約20％至約70％。可取的是所述卷曲多組分紡粘纖維直徑約10微米至約30微米，最好其直徑約17微米至約25微米。根據本發明的一個實施例，所述低膨松多組分紡粘層12的容重至少是所述高膨松多組分紡粘層14的約300％，適合的是至少約500％。
根據本發明的一個實施例，所述低膨松多組分紡粘層12與所述高膨松多組分紡粘纖維層14的多組分紡粘纖維包括含較低熔點聚合物組分與較高熔點聚合物組分的雙組分紡粘纖維，所述較低熔點聚合物組分與所述較高熔點聚合物組分最好以并列結構排列(如圖2所示)，或以皮/芯結構排列(如圖3所示)。所述高膨松多組分紡粘層14可包括以偏心的皮/芯結構排列的雙組分紡粘纖維。在偏心皮/芯纖維中，一種組分完全封閉或包圍另一種組分但不對稱的設置在纖維中以允許纖維卷曲。所述低膨松雙組分紡粘層12與所述高膨松雙組分紡粘層14可由相同或類似的聚合物組分所組成。已熟知現有技術中用于制造并列結構或皮/芯結構的雙組分纖維的常用技術。
雙組分纖維中較高熔點聚合物與較低熔點聚合物的比例可在較高熔點聚合物重約占10-90％和較低熔點聚合物重約占10-90％之間。實際上，僅需要如此多的較低熔點聚合物照樣有利于纖維粘結。因此，合適的纖維組分可包含重約占40-80％的較高熔點聚合物和重約占20-60％的較低熔點聚合物，最好是較高熔點聚合物重約占50-75％和較低熔點聚合物重約占25-50％。
許多聚合物均適于作所述雙組分纖維的較高熔點聚合物組分與較低熔點聚合物組分。最適合的聚合物將取決于過濾器最終用途、將纖維粘結在一起所用方法、纖維形狀與大小的精度及其它因素而改變。通常，所述較低熔點聚合物組分可以是聚烯烴均聚物或共聚物。實施例包括聚乙烯(即低密度聚乙烯或線性低密度聚乙烯)、含重約10％或更多乙烯的丙烯-乙烯共聚物、共聚(用)單體含量足以增加其稠度的的它丙烯-α烯烴共聚物、間同立構聚丙烯、無規立構聚丙烯與全同立構聚丙烯的混合物、聚丁烯、聚戊烯及類似物質。
所述較高熔點聚合物組分可以是較高熔點聚烯烴均聚物或共聚物，實施例包括高密度聚乙烯、全同立構聚丙烯、烯烴含量少于10％的丙烯-乙烯共聚物及共聚(用)單體含量足夠少以不降低其熔點的其它丙烯-α烯烴共聚物。高熔點聚合物組分的其它實施例包括聚酰胺、聚酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯及類似物質。
在所述較高熔點聚合物組分使纖維獲得完整結構的情況下且在所述較低熔點聚合物組分具有適合的纖維間粘結特性的情況下，所述較高熔點聚合物組分與所述較低熔點聚合物組分也可以是適合的混合物。所述較高熔點聚合物組分與所述較低熔點聚合物組分的熔點至少應相差5℃，更可取的是相差至少10℃，最好是相差至少30℃。
根據本發明的一個實施例，如圖4-9所示，所述高膨松多組分紡粘層14包括用于增強其容塵量的膨體形纖維。例如，如圖4截面圖所示，所述高膨松多組分紡粘層14可包括兩葉形雙組分紡粘纖維20。所述兩葉形雙組分紡粘纖維20具有兩個葉瓣22和24和在葉瓣之間纖維20的兩邊上的凹陷區域26和28。分界線29示出了較高熔點聚合物組分與較低熔點聚合物組分之間的界面，所述較高熔點聚合物組分構成葉瓣22和24中的一個，所述較低熔點聚合物組分構成另一葉瓣。所述較高熔點聚合物組分與所述較低熔點聚合物組分以并列結構排列。
所述高膨松多組分紡粘層14可包括具有三個葉瓣32，34，36的三葉形雙組分無紡織纖維30，所述三個葉瓣32，34，36以相互成直角布置(截面圖如圖5所示)。凹陷區域33位于葉瓣32與葉瓣34之間，凹陷區域35位于葉瓣32與葉瓣36之間。例如，從圖5中可明顯的看出，術語“凹陷區域”指的是相對于正切于兩相鄰葉瓣畫出的直線而凹陷的區域。如圖5所示，正切于相鄰葉瓣32與34畫出直線37，在該直線下方的凹陷部分33即是所說的“凹陷區域”。正切于相鄰葉瓣32與36可畫出類似的直線。但是相對于正切于相鄰葉瓣34與36畫出的直線則不存在凹陷區域。在圖5中，分界線39表示構成一半纖維的較低熔點聚合物組分與構成另一半纖維的較高熔點聚合物組分之間的界面。再者，所述較高熔點聚合物組分與所述較低熔點聚合物組分以并列結構排列。
如圖6示出的截面，所述高膨松多組分紡粘層14可包括具有三個葉瓣42，44，46的三葉形雙組分無紡織纖維40，其中三個葉瓣42，44，46之間相互成60度。凹陷區域43位于葉瓣42和葉瓣44之間。凹陷區域45位于葉瓣42和葉瓣46之間。凹陷區域47位于葉瓣44和葉瓣46之間，分界線49表示構成一半纖維40的較低熔點聚合物組分與構成另一半纖維的較高熔點聚合物組分之間的界面。所述纖維40具有并列結構。
圖7示出具有四個葉瓣52，54，56與58的四葉形雙組分纖維50的截面，其中其四個葉瓣52，54，56與58以星形結構排列。在每一對相鄰葉瓣之間形成凹陷區域51，53，55和57。圓形分界線59表示較低熔點聚合物組分和較高熔點聚合物組分之間的界面。在這種情況下，所述雙組分纖維具有皮/芯結構，所述較高熔點聚合物組分構成芯，同時所述較低熔點聚合物組分構成皮。
圖8示出具有四個葉瓣62，64，66與68的四葉形雙組分纖維60的截面，其中其四個葉瓣62，64，66與68以十字形結構排列。在每一對相鄰葉瓣之間形成凹陷區域61，63，65和67。圓形分界線69表示較高熔點聚合物組分和較低熔點聚合物組分之間的界面，所述較高熔點聚合物組分和所述較低熔點聚合物組分以并列結構排列。
圖9示出具有五個葉瓣72，74，76與78的五葉形雙組分纖維70的截面，其中其五個葉瓣72，74，76與78以相互約成72度角的結構排列。在每一對相鄰葉瓣之間形成凹陷區域71，73，75，77和79。分界線81表示較高熔點聚合物組分和較低熔點聚合物組分之間的界面，所述較高熔點聚合物組分和所述較低熔點聚合物組分以并列結構排列。
根據本發明的一個實施例，所述集成無紡織層壓材料10至少具有一個微纖維層16。所述集成無紡織層壓材料10最好具有一個設置在所述低膨松多組分紡粘層12與所述高膨松多組分紡粘層14之間的微纖維層16，所述微纖維層16通過截留相對較小的粒子使所述集成無紡織層壓材料10具有更高過濾效率。所述微纖維層16的特征在于它含有分布相對較近的微纖維。尤其可取的是用于微纖維層16的無紡織網是單一組分纖維(如聚丙烯)或雙組分纖維(如聚丙烯與聚乙烯)的熔噴纖維網。一些雙組分纖維傾向于分裂以產生許多更小的纖維，尤其是產生含有相互之間有很強親和力的聚合物組分的雙組分纖維。例如，直徑約2.0微米的雙組分纖維可分裂成兩個直徑約1.0微米的雙組分纖維。由此增加了纖維數目，使所述微纖維層16能捕獲或截留相對較小粒子，因而進一步提高了過濾效率。
可取的是，所述微纖維層16基重約10-34克每平方米，最好是基重約13.5-20.5克每平方米。可取的是所述微纖維層16容重至少是0.05克/厘米3，更好容重是約0.08克/厘米3至約0.14克/厘米3，最好容重是約0.10克/厘米3至約0.13克/厘米3。根據本發明的一個實施例，所述微纖維層16的基重為集成無紡織層壓材料10整體基重的約5％至約70％，最好是集成無紡織層壓材料10整體基重的約5％至約60％。可取的是所述微纖維層16有直徑與0.5微米至約10微米的單一組分纖維和/或雙組分纖維組成。
所述集成無紡織層壓材料10的微纖維層16由多種可極化熱塑性聚合物制造出來，并且因而形成高度耐用電介體。尤其適合的可極化電介體聚合物包括但不限于如上述的聚烯烴類。可取的是，所述微纖維層是聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯并噻唑或者玻璃纖維。
根據本發明的一個實施例，如圖1所示，所述微纖維層16包括含阻擋層17與膨體層19的雙層纖維網。所述雙層纖維網造成了微纖維層16的密度梯度。所述阻擋層17的基重最好是微纖維層16整體基重的約5％至約100％。所述阻擋層17最好是由直徑約0.5微米至約5.0微米的單組分纖維或雙組分纖維組成。所述膨體層19的基重最好高達微纖維層16整體基重的約95％。所述膨體層19做好是由直徑約3.0微米至約10微米的單組分纖維或雙組分纖維組成。
根據本發明的一個實施例，所述微纖維層16含有微玻璃纖維材料。可取的是，所述微玻璃纖維材料包括直徑約0.5微米至約3.0微米的玻璃纖維，最好包括直徑約0.5微米至約1.0微米的玻璃纖維。
參照圖10，根據本發明的一個實施例生產集成無紡織層壓材料10，先形成低膨松多組分紡粘層，最好是低膨松雙組分紡粘層120。從第一擠壓機110中擠壓出較低熔點聚合物組分(如聚乙烯)，并從第二擠壓機112中擠壓出較高熔點聚合物組分(如聚丙烯)。穿過分別與擠壓機110和112連通的不同通道111和113，所述較低熔點聚合物組分與所述較高熔點聚合物組分進入紡絲筒114。已熟知現有技術中用于將兩種聚合物組分流轉變成以并列結構或皮/芯結構排列雙組分纖維的常用技術，這里不再作詳細描述。
驟冷(快速冷卻)116所述雙組分紡粘纖維并在輸送面119上通過冷纖維拉伸裝置118拉伸所述雙組分紡粘纖維以制造所述低膨松雙組分紡粘層120。所述冷纖維拉伸裝置118具有約60°F至約150°F的拉伸空氣溫度。
在各個位置用熱空氣拉刀122將所述單個的雙組分紡粘纖維粘結在一起，以至于所述低膨松多組分紡粘層120具有提高的強度、更好的結構均勻完整性和硬挺度以便于接下來的處理(如穿過通氣粘結裝置144)。傳統熱空氣拉刀包括使一股熱空氣吹在所述低膨松雙組分紡粘層120上的帶槽心軸。例如，Arnold等人的美國專利5707468教導了該熱空氣拉刀，這里通過參考并結合了該專利。
從第三擠壓機124中擠壓出微纖維層126并放置在所述低膨松雙組分紡粘層120上。所述微纖維層126最好是在低膨松雙組分層120上作為在線工藝(in-line process)直接形成的熔噴網。作為可選擇的方案，所述微纖維層126(如微玻璃纖維材料)可以從供料輥(未示出)上退卷在低膨松雙組分紡粘層120上。
在所述微纖維層126上放置或形成高膨松多組分紡粘層，最好是高膨松雙組分紡粘層140，以便將所述微纖維層126放置在所述低膨松雙組分紡粘層120與所述高膨松雙組分紡粘層140之間。
通過分別與擠壓機130和132連通的不同通道131和133，從第四擠壓機130中擠壓出的較低熔點聚合物組分(如聚乙烯)和從第五擠壓機132中擠壓出的較高熔點聚合物組分(如聚丙烯)進入第二紡絲筒134。在第二紡絲筒134里，所述較低熔點聚合物組分與所述較高熔點聚合物組分轉變成許多雙組分紡粘纖維，所述雙組分紡粘纖維是從第二紡絲筒134壓出板里的吐絲管開口中擠壓出來的。
所述雙組分紡粘纖維至少經部分驟冷136以便所述雙組分紡粘纖維具有潛在的卷曲性能，并且將雙組分紡粘纖維通過熱纖維拉伸裝置138拉伸。所述熱纖維拉伸裝置138最好具有約200°F至約370°F的拉伸空氣溫度。由于在所述熱纖維拉伸裝置138里給所述雙組分紡粘纖維加熱，結果刺激了所述雙組分紡粘纖維的潛在卷曲性，并卷曲了所述雙組分紡粘纖維，因而制造出了高膨松雙組分紡粘纖維。將所述卷曲雙組分紡粘纖維放置在位于輸送帶119上的微纖維層126上以制造所述高膨松雙組分紡粘層140。通常，假如拉伸空氣溫度不象把所述纖維加熱到高于所述較低熔點聚合物組分熔點那樣的溫度，在熱纖維拉伸裝置138中的更高拉伸空氣溫度將產生更多數量的卷曲。
接著，在各個位置用熱空氣拉刀142將所述單個雙組分紡粘纖維粘結在一起，以至于所述高膨松多組分紡粘層140具有提高的強度、更好的結構完整性以便于接下來的處理(如穿過通氣粘結裝置144)。
放置在所述低膨松雙組分紡粘層120與所述高膨松雙組分紡粘層140之間的所述含微纖維層126的層狀無紡織材料通過通氣粘結裝置144，其中每層中纖維自體粘結層內其它纖維和相鄰層內的纖維。在通氣粘結裝置144中，將所述層狀無紡織材料加熱到溫度高于所述較低熔點聚合物組分熔點但低于所述較高熔點聚合物組分熔點，因而致使相鄰層的雙組分纖維形成纖維間粘結。通過用強制熱空氣滲透流充分而均勻地加熱所述層狀無紡織材料，所述通氣粘結裝置144實現了纖維間粘結。該自體粘結工藝可生產具有一致厚度的單個、粘結的集成無紡織層壓材料10。不像用傳統工藝(如點粘結)將相鄰層粘結在一起的傳統層狀材料，所述集成無紡織層壓材料10沒有由于粘結工藝而造成的壓實或壓縮區域。因而，沿著所述集成無紡織層壓材料10的壓降均勻并且不受粘結工藝的影響。所獲得的集成無紡織層壓材料10尤適于用于過濾介質。
為了提高過濾粒子與過濾纖維之間的吸附性能，所述集成無紡織層壓材料10可以使用傳統技術電介體處理(極化電介體)，Tsai等人的美國專利5401446，Kubik等人的美國專利4375718，Klaase等人的美國專利4588537教導了所述傳統極化電介體技術，這里通過參合并結合了它所公開的內容。可以在形成集成無紡織層壓材料10之前電介體處理一層或所有層，或者形成后電介體處理集成無紡織層壓材料10。
可向多組分紡粘纖維中添加現有技術中已知的一種或多種添加劑以改進電荷形成和/或保持。例如，通過將極性端基(調聚物、馬來酐、聚丙烯酸類及類似的物質)接枝到雙組分紡粘纖維中的聚合物上，可進一步提高電介體電荷穩固性。也可將鈦酸鋇及其它極性材料與聚合物混合。例如，Turkevich等人的PCT公布的WO 97/44509和Myers等人的PCT公布的WO 00/00267記載了適用的混合物。
根據本發明的一個實施例，在將微纖維層126放置在所述低膨松雙組分紡粘層120上之前，所述微纖維層126經電介體處理。而且，在用傳統的方式電介體處理所述集成無紡織層壓材料10之前，可主動或者被動的冷卻所述集成無紡織層壓材料10。在該在線工藝中可包括額外的后形成工藝，如包括切膜縫工藝和將集成無紡織層壓材料10卷繞在供料輥上的卷繞工藝。
測試步驟ASHRAE(美國采暖、制冷及空氣調節工程師學會)52.2-1999根據粒徑測試常用的通風空氣清潔裝置清除效率的方法該測試是過濾器工業標準測試，它具有通過參考而結合的標準步驟。簡而言之，當過濾器中裝入標準化的荷載灰塵時，該測試測定過濾介質清除特定直徑粒子的效率。間隔一定階段，添加荷載灰塵以模擬使用期間粒子的積聚。用于測試過濾效率的煙霧質是水溶液中產生的固態氯化鉀(KCl)。煙霧質發生器產生用于確定過濾效率的12個粒度范圍氯化鉀粒子。按荷載順序用每一粒度范圍觀測到的最小效率來計算三種粒度范圍的綜合平均效率值，所述三種粒度范圍是指0.3微米至1.0微米，1.0微米至3.0微米及3.0微米至10微米。
用來模擬使用中粒子積聚的荷載灰塵按重量組成如下72％的SAE(美國汽車工程師學會)標準J726測試灰塵(優)，23％的碳粉末及5％的縮絨棉籽絨。在特定標準流速下測定清潔過濾介質的效率。然后，直到達到特定的終阻力為止，通過喂入裝置將灰塵粒子流向處于各種間增壓力下的荷載過濾介質。在每一個荷載步驟之后即測定了過濾器捕集氯化鉀粒子的效率。通過測量粒徑分布和氣流中處在過濾介質上游位置和下游位置的粒子數目測定過濾介質的效率。粒徑清除效率(“PSE”)可定義為粒徑清除效率＝100×[1-(下游粒子數/上游粒子數)]可使用HIAC/ROYCO型800自動化粒子計數器和HIAC/ROYCO型1230傳感器來測量粒子數目和粒徑。
ANSI/ASHRAE(美國國家標準協會/美國采暖、制冷及空氣調節工程師學會)52.1-1992用于測定在通常通風里用來清除顆粒物的空氣清潔裝置的重量分析與塵斑的步驟該試驗是過濾器工業標準試驗，且具有通過參考而結合的詳盡步驟。簡而言之，試驗測量當過濾器充滿標準、人造灰塵時過濾介質清除大氣灰塵的效率。用以下兩種方法測定清除灰塵性能1.ASHRAE(美國采暖、制冷及空氣調節工程師學會)重量吸附率，測量過濾裝置捕集的人造灰塵重量百分比。
2.ASHRAE(美國采暖、制冷及空氣調節工程師學會)塵斑效率，當過濾裝置暴露于外界大氣灰塵時，比較過濾裝置上游和下游變黑的對象變黑情況。
在特定流速下確定清潔過濾裝置的塵斑效率。然后，通過喂入裝置將人工灰塵粒子流向處于各種間增壓力下使過濾介質加載直到達到特定最終阻力為止。在每一個荷載階段之后即測定了吸附率和塵斑效率。當達到最終阻力時，就可計算出平均吸附率、平均塵斑和容塵量。容塵量就是灰塵增量總重乘以平均吸附率。用來模擬使用中粒子積聚的荷載灰塵按重量計組成如下72％的SAE(美國汽車工程師學會)標準J726測試灰塵(優)，23％的碳粉末及5％的縮絨棉籽絨。
測量容重的方法根據在0.05磅/平方英寸荷載與3英寸環形臺板下測得的ASTM(美國材料試驗學會)標準試驗方法D5729-95可測定織物厚度。用織物厚度和織物基重來計算織物密度。
實施例用5.0盎司每平方碼(osy)的集成無紡織層壓材料來制造八個小型口袋過濾器(24″×24″×22″)，所述集成無紡織層壓材料含位于低膨松雙組分紡粘層與高膨松雙組分紡粘層之間的熔噴微纖維層。所述集成無紡織層壓材料具有約0.034克/厘米3的容重且具有以下組分低膨松雙組分紡粘層包括平均直徑約17微米具有并列結構的聚丙烯/聚乙烯非卷曲雙組分纖維。低膨松雙組分紡粘層按重量計占集成無紡織層壓材料的36％。
微纖維層包括平均直徑約2.0微米的熔噴聚丙烯單絲纖維。微纖維層包括按重量計占集成無紡織層壓材料的8.6％。
高膨松雙組分紡粘層包括平均直徑約23微米具有并列結構的聚丙烯/聚乙烯卷曲雙組分纖維。高膨松雙組分紡粘層重量占集成無紡織層壓材料的55.4％。
當在流速為32升/分下試驗時，所述集成無紡織層壓材料具有4.9％(作為懸浮微粒NaCl@0.1微米)的TSI8110滲透，同時壓降為1.9毫米水柱。
小型口袋過濾器的美國采暖、制冷及空氣調節工程師學會(ASHRAE)特性產生以下結果
ASHRAE52.1試驗

為了試驗的目的，所述小型口袋過濾器類別是75％ASHRAE口袋過濾器。可通過改變微纖維層的量(重量)來增加或減少過濾效率。
ASHRAE52.2試驗

W.G——英寸水壓表壓差初阻力中的不一致是由于實施52.1試驗的第一實驗室與實施52.1試驗的第二實驗室造成的。0.224”水壓表值更準確。當參照具體實施例詳盡的描述本發明的同時，，本領域技術人員在理解前述說明的基礎上很容易想到對這些實施例的各種及相當改變。因此，應認為附加權利要求及任何相當發明均在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種集成無紡織層壓材料，包括低膨松多組分紡粘層，所述低膨松多組分紡粘層的容重至少為0.05克/厘米3，高膨松多組分紡粘層，所述高膨松多組分紡粘層的容重少于0.05克/厘米3，和微纖維層，所述微纖維層設置在所述低膨松多組分紡粘層與所述高膨松多組分紡粘層之間。
2.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述低膨松多組分紡粘層及所述高膨松多組分紡粘層均含有雙組分紡粘纖維。
3.根據權利要求2所述的集成無紡織層壓材料，其中所述雙組分紡粘纖維包括較低熔點聚合物組分，所述較低熔點聚合物組分是從包括聚乙烯、聚丙烯-乙烯共聚物、丙烯-α烯烴共聚物，間同立構聚丙烯、無規立構聚丙烯與全同立構聚丙烯的混合物、聚丁烯及聚戊烯的組中精選出來的。
4.根據權利要求2所述的集成無紡織層壓材料，其中所述雙組分紡粘纖維包括較高熔點聚合物組分，所述較高熔點聚合物組分是從包括高密度聚乙烯、間同立構聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物、丙烯-α烯烴共聚物、聚酰胺、聚酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯及聚氨基甲酸酯的組中精選出來的。
5.根據權利要求2所述的集成無紡織層壓材料，其中每一雙組分紡粘纖維中的較低熔點聚合物組分包含聚乙烯。
6.根據權利要求2所述的集成無紡織層壓材料，其中每一雙組分紡粘纖維中的較高熔點聚合物包含聚丙烯。
7.根據權利要求2所述的集成無紡織層壓材料，其中每一雙組分紡粘纖維具有并列結構。
8.根據權利要求2所述的集成無紡織層壓材料，其中每一雙組分紡粘纖維具有偏心皮/芯結構。
9.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述微纖維層包括熔噴無紡織網。
10.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述微纖維層包含從包括聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯并噻唑及玻璃纖維的組中精選出來的材料。
11.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述集成無紡織層壓材料具有約0.015克/厘米3至約0.049克/厘米3的整體容重。
12.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述集成無紡織層壓材料具有約0.025克/厘米3至約0.030克/厘米3的整體容重。
13.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述低膨松多組分紡粘層具有約0.08克/厘米3至約0.14克/厘米3的容重。
14.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述低膨松多組分紡粘層具有約0.10克/厘米3至約0.13克/厘米3的容重。
15.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述微纖維層具有約0.08克/厘米3至約0.14克/厘米3的容重。
16.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述微纖維層具有約0.10克/厘米3至約0.13克/厘米3的容重。
17.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述高膨松多組分紡粘層具有約0.015克/厘米3至約0.035克/厘米3的容重。
18.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述高膨松多組分紡粘層具有約0.02克/厘米3至約0.03克/厘米3的容重。
19.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述低膨松多組分紡粘層的容重至少是所述高膨松多組分紡粘層容重的約300％。
20.根據權利要求1所述的集成無紡織層壓材料，其中所述低膨松多組分紡粘層的容重至少是所述高膨松多組分紡粘層容重的約500％。
21.一種過濾器，所述過濾器含有權利要求1所述集成無紡織層壓材料。
22.根據權利要求21所述的過濾器，具有約40％至約95％的ASHRAE標準52.1-1992塵斑效率。
23.根據權利要求21所述的過濾器，具有12至16的ASHRAE標準52.1-1992最小效率報告值。
24.一種集成無紡織層壓材料，包括低膨松多組分紡粘層；高膨松多組分紡粘層；及至少一個微纖維層，與所述低膨松多組分紡粘層和所述高膨松多組分紡粘層集成，其中所述低膨松多組分紡粘層容重至少是所述高膨松多組分紡粘層容重的約300％。
25.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述集成無紡織層壓材料具有約75克每平方米至約374克每平方米的整體基重。
26.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述集成無紡織層壓材料具有約101.7克每平方米至約224.5克每平方米的整體基重。
27.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述低膨松多組分紡粘層包括集成無紡織層壓材料整體基重的約15％至約60％。
28.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述低膨松多組分紡粘層包括集成無紡織層壓材料整體基重的約20％至約50％。
29.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述微纖維層包括集成無紡織層壓材料整體基重的約5％至約70％。
30.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述微纖維層包括集成無紡織層壓材料整體基重的約5％至約60％。
31.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述高膨松多組分紡粘層包括集成無紡織層壓材料整體基重的約15％至約80％。
32.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述高膨松多組分紡粘層包括集成無紡織層壓材料整體基重的約20％至約70％。
33.根據權利要求24所述的集成無紡織層壓材料，其中所述微纖維層包括阻擋層與膨體層。
34.根據權利要求33所述的集成無紡織層壓材料，其中所述阻擋層包括所述微纖維層基重的約5％至約100％。
35.根據權利要求33所述的集成無紡織層壓材料，其中所述阻擋層包括所述微纖維層基重的約0％至約95％。
全文摘要
一種適用作過濾介質的集成無紡織層壓材料和制造集成無紡織層壓材料的方法，所述集成無紡織層壓材料具有與低膨松多組分紡粘層和高膨松多組分紡粘層結合在一起的微纖維層。在本發明的一個實施例中，層狀材料是通氣粘結的以形成集成無紡織層壓材料，然后將集成無紡織層壓材料電介體處理以提高過濾粒子與集成無紡織層壓材料的纖維之間的吸附力。在本發明的一個實施例中，集成無紡織層壓材料用作為具有約40％至約95％的ASHRAE(美國采暖、制冷及空氣調節工程師學會)標準52.1－1992塵斑效率和12至16的ASHRAE標準52.2－1999METV(最小效率報告值)。
文檔編號D04H5/00GK1471420SQ01818126
公開日2004年1月28日 申請日期2001年8月21日 優先權日2000年8月31日
發明者B·D·阿諾, M·L·格羅斯, B D 阿諾, 格羅斯 申請人:金伯利-克拉克環球有限公司