專利名稱::尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網的制作方法
技術領域:
:本發(fā)明涉及粘合非織造纖維網。
背景技術:
:典型的熔體紡絲聚合物(例如聚烯烴)往往在熔噴纖維擠出后為半結晶狀態(tài)(如由差示掃描量熱法(DSC)測量的)。對于聚烯烴而言,這種有序狀態(tài)部分歸因于相對高的結晶速率以及在擠出物中取向的外延聚合物鏈。在熔噴擠出中,在拉伸區(qū)域中使用高速、受熱的空氣完成外延取向。從優(yōu)選的無規(guī)盤繞構造和晶體形態(tài)延伸聚合物鏈會向聚合物賦予內部應力。假設聚合物在其玻璃化轉變溫度(Tg)之上,這些應力將耗散。對于熔噴聚烯烴而言,因為聚合物的Tg遠在室溫之下,因此在網形成的幾天之內應力耗散自發(fā)地發(fā)生。熔噴聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)—般呈現出與在處理期間賦予的應變程度以及在冷卻期間聚合物鏈的可用弛豫時間相稱的結晶取向程度。PET具有相對慢的弛豫速率、相對低的結晶速率、相對高的熔融溫度(Tm)、以及在室溫之上的玻璃化轉變溫度(Tg)。拉伸區(qū)域內的無定形取向所引起的內部應力由于熔體的快速冷卻而在適當的位置凍結,從而延遲弛豫。當接近并且超過Tg時,鏈開始弛豫。通過在Tg和Tm之間退火足夠長的時間,能允許聚合物消散由拉伸取向所引起的內部應力,并且允許鏈結晶。應力消散以網擠出尺寸的收縮形式表現出來,同時聚合物鏈的結晶會增加脆性。為提供更穩(wěn)定和可用的熔噴PET纖維所作的努力,例如在保持于拉幅結構上的同時將網退火己在美國專利No.5,958,322(Thompson等人)中描述,或如在美國專利No.6,667,254(Thompson,Jr.等人)和曰4本特開平No.3-45768中描述的在纖維抽長期間形成應變誘導的晶體。用于在受熱溶劑中提取抽拉結晶聚合物的可溶級分并且施加拉伸應力從而得到穩(wěn)定的聚酯非織造纖維網的其他技術已在美國專利No.3,823,210(HikaruShii等人)中描述,以及如在美國專利No.5,010,165(Pruett等人)中描述的通過在溶劑中處理網。
發(fā)明內容本公開的熔噴纖維基本上不含應變誘導的結晶,并且在粘合非織造纖維網中基本上非取向。在一個方面,本公開提供用于制備粘合非織造纖維網的方法,包括擠出聚合物材料的熔噴纖維物料,收集熔噴纖維物料作為初始非織造纖維網(其中纖維基本上不含應變誘導的結晶),使用受控的加熱和冷卻操作將初始的非織造纖維網退火,并且收集尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網。受控的加熱和冷卻操作包括用溫度在聚合物材料的Tee(冷結晶溫度)之上的第一流體穿過非織造纖維網進行加熱,以降低形成粘合非織造纖維網的熔噴纖維的無定形區(qū)域的取向,并且用溫度在聚合物材料的Tg之下的第二流體穿過粘合非織造纖維網進行冷卻,以保持熔噴纖維的無定形區(qū)域。在一個實施例中,相對于初始的非織造纖維網,尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網收縮小于4%。在一個實施例中,初始的非織造纖維網、受熱的非織造纖維網、粘合非織造纖維網、冷卻的粘合非織造纖維網以及尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網不受限制。在另一個方面,描述了粘合非織造纖維網。所述網包括直徑在1至20微米范圍內的熔噴纖維。這種纖維基本上不含應變誘導的結晶。通常為非晶態(tài)的非織造纖維網(例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET))在熔噴纖維擠出后往往是幾乎非晶態(tài)的狀態(tài)。拉伸區(qū)域內的無5定形取向所引起的內部應力由于熔體的快速冷卻而凍結,因此抑制弛豫,直到后續(xù)在Tg之上退火時才釋放。通過在Tg和Tm之間退火足夠的時間段,既允許聚合物結晶又允許聚合物消散由拉伸取向引起的內部應力。這種應力消散以收縮的形式表現出來,所述收縮可以達到超過50%的網擠出尺寸的值。本公開的纖維基本上不含應變誘導的結晶,并且在粘合非織造纖維網中基本上非取向。從擠出機沖模出來的纖維通常不含鏈伸出部,并且因此當收集這些纖維時在聚合物鏈中呈現出降低的無定形取向。網纖維在受控加熱步驟中軟化,以在纖維之間提供粘合,并且降低纖維的無定形區(qū)域的取向。使纖維在高于聚合物材料的Tee之上的溫度下弛豫一段時間。緊接著加熱步驟之后,將纖維冷卻至聚合物材料的Tg之下的溫度,以保持或鎖定通過上述加熱步驟而得到的降低的無定形取向。受控的加熱和冷卻操作提供尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網。圖1為用于形成非織造纖維網的熔噴纖維裝置的示意圖。圖2為圖1所示裝置的熱處理部分的放大惻視圖的示意圖。圖3是圖1所示裝置的示意圖(透視圖)。圖4是通過對來自聚對苯二甲酸乙二醇酯非織造纖維網的纖維應用差示掃描量熱法(DSC)所獲得的圖線。圖5是通過對來自聚對苯二甲酸乙二醇酯非織造纖維網的纖維應用X射線衍射(反射測定法)所獲得的方位角圖線。具體實施例方式對于以下所定義的術語,以這些定義為準,除非在權利要求書或本說明書中的其他地方另外給出了不同的定義。術語"退火"是指加熱和/或冷卻聚合物材料至一定溫度以影響一組或一個所需特性的過程。例如,材料可以在能夠弛豫聚合物鏈的溫度下退火,隨后在較低溫度下冷卻以保持在較高溫度下獲得的特性。術語"冷結晶溫度(Tee)"是指使聚合物鏈的無定形區(qū)域在高于聚合物的Tg的溫度下進行組織和取向的溫度,如在DSC(差示掃描量熱法)圖線中所示出的。術語"立即冷卻"是指在加熱操作后沒有居間時間間隔的情況下快速冷卻或驟冷熔噴纖維,以保持它們的無定形取向。在一個實施例中,抽氣設備自受熱的氣體流沿網縱向布置,以便在該網經加熱之后迅速使冷卻氣體或其他流體(例如周圍空氣)抽過該網,從而快速地驟冷纖維。加熱長度例如由以下因素控制沿網行進路徑上的受熱區(qū)的長度以及網移動穿過受熱區(qū)到達冷卻區(qū)域的速度,以使得纖維的無定形區(qū)域發(fā)生預期的軟化和弛豫。術語"尺寸上穩(wěn)定的"是指當提升溫度到非織造纖維網的退火溫度之上時,沿著其主表面呈現出優(yōu)選地小于4%收縮,更優(yōu)選地小于2%收縮,并且最優(yōu)選地小于1%收縮的非織造纖維網。根據ASTMD3776-96制備網并且根據ASTMD1204-84測試收縮。表2示出了網收縮測試的結果。術語"強制穿過"是指除施加到流體的正常室壓外還以額外的力使液體或氣體流穿過網,以推動該流體穿過網。該方法的退火步驟包括使傳輸機上的網穿過提供聚焦的或刀狀(knife-like)的受熱氣體流的設備(例如,穿過通風粘合器),聚焦的或刀狀的受熱氣體流由加熱器在壓力下產生并且接合網的一側,在網另一側上的抽氣裝置幫助將受熱的氣體抽過該網。通常,該受熱的流在該網的整個寬度上延伸。受熱的流可以經受用于調節(jié)流量的特殊控制,使得受熱氣體均勻分布,并且在受控的速率下穿過網的寬度以完全地、均勻地和快速地加熱網纖維至可用的高溫。7術語"玻璃化轉變溫度(Tg)"是指聚合物從玻璃態(tài)轉變?yōu)檎吵砘蛳鹉z狀態(tài)的溫度。術語"加熱"是指通風粘合器裝置的精確控制的受熱空氣(控制的體積、速度和溫度)。術語"熔點或熔融轉變溫度(Tm)"是指聚合物從固相轉變到液相的溫度。術語"微纖維"是指有效纖維直徑小于20微米的纖維。術語"非織造纖維網"是指通過對聚合物纖維進行機械、化學、和/或熱粘合或聯鎖而制備的紡織物結構。術語"一段時間"是指用于執(zhí)行所需功能的預定量的時間。例如,將本公開的非織造網加熱"一段時間"以弛豫聚合物鏈的無定形取向和/或允許網纖維的粘合。術語"聚合物的"是指不是無機的并且包含重復單元并且還包括聚合物、共聚物和低聚物的材料。術語"基本上不含"是指材料、數量或項目為零或幾乎檢測不到的量。例如,材料、數量或項目的量可以為小于2%,小于0.5%,或小于0.1%。術語"基本上非取向"是指材料、數量或項目為零或幾乎檢測不到的量。例如,材料、數量或項目的量可以為小于2%,小于0.5%,或小于0.1%。術語"熱塑性"是指當暴露于熱時可逆地發(fā)生軟化的聚合物材料。術語"是不受限制的"是指這樣一種狀態(tài)其中網或纖維沒有受到裝置(例如拉幅結構)的保持或限制以實現纖維取向和結晶。由端點表述的數值范圍包括包含在該范圍內的所有數值(例如,1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4禾Q5)。本說明書以及所附權利要求書中包括的單數形式"一個"和"所述"包括多個指代物,除非該內容另外明確指出。因此,例如,包含"化合物"的組合物這一表達方式包括兩種或更多種化合物的混合物。除非所述內容另外明確指出,本說明書和所附權利要求書中使用的術語"或"的含義通常包括"和/或"。除非另外說明,否則在所有的情況下,說明書以及權利要求中所用的表示數量或成分、性質的量度等等的所有數字都應理解為受詞語"約"來修飾。因此,除非有相反的說明,否則上述說明書以及所附權利要求中給出的數字參數是近似值,其可利用本發(fā)明的教導,隨本領域的技術人員想要達到的理想性能而變化。在最低程度上,每個數字參數并不旨在將等同原則的應用限制于權利要求保護的范圍,至少應該根據所報告數字的有效數位和通過慣常的四舍五入法來解釋每一個數字參數。雖然,闡述本公開廣義范圍的數值范圍和參數是近似值,但是在具體實例中所列出的數值則盡可能精確地報告。然而,任何數值必然包括誤差,這些誤差必定會由于它們各自測試測量中所存在的標準偏差而引起。可用于制備本發(fā)明的熔噴纖維或熔噴纖維網的代表性設備如圖1所示。所述設備的用于形成吹塑纖維的部分可以為如Wente,VanA.在1956年"工業(yè)工程化學"第48巻第1342-1346頁的"超細熱塑性纖維"(Wente,VanA.,"SuperfineThermoplasticFibers",IndustrialEngineeringChemistry,Vol.48,page1342-1346(1956))、和海軍石開究9實驗室于1954年5月25日公布的Wente,V.A.等人的名稱為"超細有機纖維的制造"的No.4364報告(ReportNo.4364oftheNavalResearchLaboratories,publishedMay25,1954,entitled"ManufactureofSuperfineOrganicFibers"byWente,V.A.etal.)中所述。所示設備的該部分包括具有一組并排對齊的平行沖??卓?1的沖模10,其中一個沖??卓诳梢栽诖┻^沖模的剖視圖中看到??卓?1從中心模腔12開口。成纖材料從擠出機13引入到模腔12中。設置在該行孔口11的任一側上的細長(垂直于紙面)開口或狹槽15以非常高的速度傳輸受熱的空氣。外部沖模唇緣23為狹槽15的尺寸提供結構限制或特征,并且內部沖模唇緣24提供結構限制或特征以幫助當流16退出11時控制其直徑。狹槽15的空氣(稱為主空氣)沖擊到擠出的成纖材料上,并且快速地將擠出材料摻混入纖維物料中。纖維在流16中從熔噴沖模10行進到收集器18。纖維在高于熔融轉變溫度Tm的溫度下退出模腔12的孔口11。在孔口11的0.5至5cm范圍內,流16的纖維開始減速,并且一般冷卻到Tm之下,其中纖維基本上不含應變誘導的結晶。當流16的熔噴纖維接近收集器18時,它們繼續(xù)減速,并且一般在沒有顯著纖維收縮的情況下接近低于Tg(玻璃化轉變溫度)的溫度。在處理中不存在纖維取向或抽長可能有助于在材料中不含應變誘導的結晶。纖維在移動收集器18上被收集為熔噴纖維網或物料19。收集器18可以采用微細打孔的圓柱篩網或筒、或移動帶的形式。抽氣設備可以設置在收集器后面以幫助纖維的沉積和氣體(例如,空氣,其中纖維在流16中運載)的移除。圖l的熔噴設備的進一步細節(jié)在美國專利No.6,667,254(Thompson等人)中進行了描述。本公開的纖維在它們移動到收集器18上之前沒有被抽拉或抽長。主空氣有利于纖維的移動和固結。在流16中的纖維沉積到收集器18之后,纖維物料19一般通過受控的加熱和冷卻操作被退火為網。在一個方面,熔噴纖維物料19在收集器18上傳送并且通過如圖2和圖3所示的加熱和冷卻操作退火。圖2和圖3中的設備稱為驟冷流加熱器、驟冷加熱器或通風粘合器。收集的纖維物料19首先從安裝在收集器18上方的受控加熱裝置100下通過。示例性的加熱裝置100包括殼體101,其該殼體被分成上充氣室102和下充氣室103。上充氣室和下充氣室(分別為102和103)由板104隔開,板104被穿孔有一系列通常在尺寸和間距上均勻的孔105。氣體(通常為空氣)從導管107經由開口106被送入上充氣室102,而板被用作流量分配裝置,以使送入到上充氣室中的空氣在通過該板進入下充氣室103時能夠非常均勻地分布。其他可用的流量分配裝置包括翅片、導流板、歧管、空氣抑制器、篩網或燒結板,S卩,使空氣分布均勻的裝置。在圖2和圖3的裝置100中,下充氣室103的底壁108形成有細長的狹槽109,來自下充氣室的細長或刀狀的受熱空氣流IIO通過該狹槽被吹到纖維物料19上,該纖維物料19在加熱裝置100下方的收集器18上行進(圖3中示出的物料19和收集器18被部分地分離)。圖2禾口圖3在美國專利申請No.ll/457,899(Berrigan等人)中進一步描述。抽氣裝置14優(yōu)選地充分延伸以便處在加熱裝置100的狹槽109下面(以及沿網縱向延伸超出受熱的流110—定距離118并穿過標記為120的區(qū)域)。充氣室中的受熱的空氣因此處于充氣室103中的內部壓力下,并且在狹槽109處,它進一步處于抽氣裝置14的抽氣真空下。為進一步控制抽氣力,可以將穿孔板111設置在收集器18下方,以賦予一種支持壓力或限流裝置,此有助于受熱的空氣流110以所需的均勻度散布在所收集的物料19的整個寬度或受熱區(qū)上。其他可用的限流裝置包括篩網或燒結板。收集器18的板111中的開口的數量、尺寸和密度可以在不同的區(qū)域中變化以實現期望的控制。大量空氣穿過該成纖設備,且必須在纖維到達收集器時在區(qū)域115中被處理掉。充足的空氣在區(qū)域116中穿過網和收集器,以使得網在各種處理空氣流下保持在正確的位置上。熱處理區(qū)域117和冷卻區(qū)域118下面的板中需要有足夠的開口,以使得處理空氣穿過網,同時保持足夠的阻力以確??諝飧鶆虻胤植肌_x擇穿過纖維物料19的受熱空氣的量和溫度,以便使纖維的形態(tài)得到適合的修改。特別是,選擇量和溫度以使得通過快速加熱纖維而達到指定的溫度,這將使得纖維軟化并且粘合,以及使得纖維在Tec之上弛豫它們的鏈,以降低無定形區(qū)域的取向。在加熱操作之后,在纖維的Tg之下立即冷卻或驟冷纖維。為了在整個所收集物料19上實現預期的纖維形態(tài)變化,應該在物料19的整個受熱區(qū)上對溫度-時間條件進行控制。當穿過網的受熱空氣流110的溫度在所處理的物料的整個寬度上處于5t:范圍以內,優(yōu)選在2r或甚至rc以內時,一般獲得最佳結果(為了便于控制操作,通常在受熱空氣進入殼體101的進入點處測量受熱空氣的溫度,但也可以用熱電偶在收集的網的附近測量該溫度)。此外,對加熱裝置進行操作以使得流的溫度隨時間保持穩(wěn)定,例如,通過快速循環(huán)開啟和關閉該加熱器來避免過熱或欠熱。優(yōu)選的是,當以1秒時間間隔測量時,溫度保持在預期溫度的rc范圍內。加熱操作的流iio的溫度通常為80°C至400。C,更優(yōu)選地為卯。C至300。C,并且最優(yōu)選地為IOCTC至275°C,足夠弛豫聚合物鏈并且基本上移除或降低任何應變誘導的結晶或無定形取向。在一個實施例中,因為流110的作用,網(例如,非織造纖維網)的纖維物料19的溫度范圍為70"C至30(TC,更優(yōu)選地為8(TC至300°C,并且最優(yōu)選地為9(TC至285。C。纖維的溫度足夠軟化纖維以進行粘合,并且足夠弛豫聚合物鏈的無定形區(qū)域的取向。為了進一步控制加熱并且為了實現所收集物料19的纖維的期望12形態(tài)的形成,在應用受熱空氣的流110之后立即使物料經受冷卻以將纖維驟冷成基本上非取向的形態(tài)。這種冷卻通??梢匀缦芦@得在物料19離開受控熱空氣流110時,抽動物料19上方的空氣并穿過物料19。圖2的數字120表示其中周圍空氣通過抽氣裝置抽動穿過網的區(qū)域。抽氣裝置14沿收集器18延伸超出加熱裝置一段距離118,以確保徹底冷卻和冷卻區(qū)域120中的整個物料19。可以抽取殼體101基部下方的空氣,例如,圖2上所標記的區(qū)域120a內的空氣,以使其在網離開熱空氣流IIO后直接到達網。冷卻的目的是迅速從網和纖維上除去熱量,從而基本上限制了隨后會在纖維中產生的結晶程度和結晶性質或分子的有序化。通常,用加熱和冷卻操作進行退火網,同時使網在輸送機上移動經過該操作,其中在所述操作結束后網巻繞成存儲輥之前進行冷卻。處理次數取決于網移動經過該操作時的速度,但通常退火操作(加熱和冷卻)在一分鐘或更短時間內進行,并且優(yōu)選在小于15秒的時間內進行。退火操作更優(yōu)選地在小于5秒,甚至更優(yōu)選地小于0.5秒,并且最優(yōu)選地小于0.001秒的時間內進行。在一個實施例中,通過加熱一段時間并且從熔融/軟化狀態(tài)立即冷卻至硬化狀態(tài),纖維基本上非取向并且基本上不含應變誘導的結晶。有利地,纖維物料19在通過DSC測定的小于Tg至少IO(TC的溫度下被流體冷卻。在一個方面,冷卻溫度范圍為-8(TC至65°C,更優(yōu)選地-70r至6(TC,并且最優(yōu)選地-50。C至50°C。另外,有利地施加冷卻流體0.001秒至15秒的時間。所選的冷卻流體具有足夠的熱容量以快速硬化纖維。在一個實施例中,網纖維的溫度范圍為-7(TC至55"C。更優(yōu)選地,纖維溫度范圍為-60。C至50°C,并且最優(yōu)選地為-50。C至40°C。纖維溫度足夠保持來自上述加熱步驟的降低的無定形取向。第一流體可以用于加熱非織造纖維網,第二流體可以用于冷卻非織造纖維網。第一流體和第二流體可以為氣體、液體或它們的組合。第一流體和第二流體可以為用于加熱和冷卻網的相同流體或不同流體??墒褂玫钠渌黧w包括噴灑到纖維上的水,例如,用熱水或蒸汽來加熱纖維,以及用相對冷的水來使纖維冷卻或驟冷。在一個方面,退火步驟包括加熱和冷卻網步驟中的至少一個??梢赃M行另外的退火步驟以影響網的性能和特性。重復加熱和冷卻的退火步驟將逐漸降低Tee,如在非織造網的纖維的DSC圖線中示出的。在一個實施例中,立即退火熔噴纖維物料。立即處理(用受控的加熱和冷卻來退火網)網抑制了在網樣本中發(fā)生的物理老化。在熱老化之后網仍保持柔性和強度就可以證實沒有老化。在另一個實施例中,可以將熔噴纖維物料老化一段時間,然后處理或退火(受控的加熱和冷卻)。在這種情況下,老化之后由于物理老化現象網可能變脆。通過由DSC分析在聚合物材料的Tee和/或Tm下示出吸熱作用,可以發(fā)現物理老化的證據。然而,一般保持了粘合非織造纖維網的尺寸穩(wěn)定性。在一個方面,尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網在退火步驟期間是不受限制的。網可以為連續(xù)的以巻繞到輥上或以片的形式收集。在美國專利No.5,958,322(Thompson等人)中描述了一種用于制備尺寸上穩(wěn)定的非織造纖維網的方法。Thompson描述了結晶度作為非織造纖維網的尺寸穩(wěn)定性指標,其中使用拉幅(例如,在拉幅結構上限制網)以提供尺寸上穩(wěn)定的網。另外在Thompson的描述中,當纖維為高度結晶的時,網纖維呈現最大的尺寸穩(wěn)定性,并且當網完全為無定形的時,具有最大的尺寸改變。Thompson的網包括在拉幅結構上退火網的同時形成的應變誘導晶體。14緊接加熱和冷卻操作之后,網通常具有對該網來說足以經受處理(例如,從收集篩網取下并巻繞成存儲輥)的粘結程度。在一個方面,可以在2米/分鐘至800米/分鐘,更優(yōu)選地50米/分鐘至600米/分鐘,并且最優(yōu)選地100米/分鐘至300米/分鐘下將網收集到輥上。在一個方面,對網纖維進行另外的粘合或成形可以包括為其提供非平面形狀或平滑其表面。網可以構造為持久的新構造,即網在使用期間將通常保持的自持性構造。在一些情況下,成形是指平滑網的一個或兩個表面,并且在一些情況下使網緊湊。在其他情況下,成形涉及將網構造為非平面形狀,例如形成用作面罩的成形制品的杯形狀。網的纖維特點在成形期間保留下來,但纖維可能因成形操作的壓力而獲得稍微不同的橫截面。網的模制制品可能導致在DSC圖線中不存在冷結晶峰。對所需的退火操作和所得的無定形表征相的形態(tài)的確認可以用來自處理過的網的代表性纖維的DSC(差示掃描量熱法)測試來測定,其中處理條件可以根據DSC的結果調節(jié)。DSC用于檢查在本公開的網中發(fā)生的改變。一般來講,試驗樣本(例如,一小段纖維網)在DSC設備中經受兩個加熱循環(huán)進行第一加熱,其中將所接受的樣本加熱至大于樣本熔點的溫度(如通過返回至穩(wěn)定基線的熱流信號所確定);與第一加熱相似的第二加熱在已經于第一加熱中熔融并隨后通常冷卻至低于室溫的樣本上進行。第一加熱測量本公開的非織造纖維網在完成之后、在沒有經歷另外的熱處理情況下的特性。第二加熱測量網材料的基本特性,本公開網的制造及處理期間由于基礎材料經受的加工而賦予材料的任何特征,已經通過在第一加熱期間發(fā)生的樣本熔融而消除。用如圖4所示的調制的差示掃描量熱法(MDSC)評價網,其中該方法進一步在實例部分中描述。在圖線310中分析未處理的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)網。圖線310的第一加熱掃描示出分別在80°C、115。C和258°C下的Tg(312)、Tcc(314)和Tm(316)。將未處理的PET網擠出并在不進行本公開的受控加熱和冷卻操作的情況下收集。相似地,在圖4中示出的圖線300示出使用本公開的退火方法(加熱和冷卻操作)處理過的PET網的第一加熱掃描。在圖線300中,在8(TC下的Tg(302)示出當樣本的無定形狀態(tài)下的分子從玻璃態(tài)轉變到橡膠態(tài)時的吸熱。在Tee(304)處,放熱曲線示出無定形區(qū)域的分子在115'C下結晶或對準。Tm(306)示出在258"C下的吸熱,其中網的結晶部分熔融。當與圖線310的未處理的PET樣本相比較時,用于處理過的PET網(圖線300)樣本的本公開的受控加熱和冷卻操作示出在Tcc(304)中沒有顯著的偏移或在放熱曲線大小上沒有改變。處理過的PET網的熔噴纖維保持基本的冷結晶放熱曲線。相對于圖線310的Tm(316),圖線300的Tm(306)還示出在Tm中沒有顯著的偏移以及在放熱曲線大小上沒有改變;這兩個圖線相對地保持為相同的。相對于圖線310的未處理的網,圖線300示出退火方法沒有明顯影響纖維網的晶體結構或形態(tài)。另外,相對于未處理的PET網的圖線310,圖線300示出在處理過的樣本中沒有明顯的應變誘導晶體或鏈延長晶體的形成。在一個方面,可能需要逐步退火以逐漸弛豫在聚合物纖維中存在的無定形片段的取向。已被加熱一段時間并立即冷卻的網纖維可能需要另外的逐步退火處理以降低Tee。使用如在實例部分描述的X射線衍射進一步觀察確定加熱和冷卻操作對非織造網的影響。在圖5中,示出處理過(410)和未處理過(400)的PET網的衍射數據的方位角圖線。制備單個纖維束并在90。和270°角(相對于纖維的長軸)下檢査,以確定聚合物鏈的晶序。圖線400示出未處理過的(400)PET纖維具有低程度晶序,以及分別在90。角(402)和270°角(404)下的單軸優(yōu)選的取向。相對于未處理過的(400)纖維,處理過的(410)PET網纖維具有更低程度的晶序以及在90。角(412)和270°角(414)下的單軸優(yōu)選的取向。相對于未處理過的(400)PET纖維,處理過的(410)纖維的圖線還示出在用本公開的退火處理(加熱和冷卻操作)的纖維中存在的結晶區(qū)域的降低或無定形區(qū)域取向的減少。此外,處理過的(410)PET纖維沒有表現出在晶序或無定形取向的程度上的增加。在本公開中適用作聚合物材料的聚合物包括聚酰胺(例如尼龍6、尼龍6,6、尼龍6,10);聚酯(例如,聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸亞丙基酯、聚對苯二甲酸亞環(huán)己基-二亞甲酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚乳酸和其他脂族聚酯;聚氨酯;丙烯酸類樹脂;丙烯酸類樹脂共聚物;聚苯乙烯;聚氯乙烯(PVC);聚苯乙烯聚丁二烯;聚苯乙烯嵌段共聚物;聚醚酮;聚碳酸酯;環(huán)狀聚烯烴以及它們的組合。纖維網的纖維可以由單個熱塑性材料或多個熱塑性材料的共混物(例如,上述列出的聚合物中的一種或多種的共混物或上述列出的聚合物中的任何一種和聚烯烴的共混物)形成。在一個方面,纖維被擠出成具有多層不同的聚合物材料??梢匝刂w維的長度同心地或縱向地布置各層。在一個實施例中,聚合物材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯。在一個實施例中,聚合物材料包括聚乳酸。也可以由材料共混物形成纖維,包括已經混入諸如顏料或染料等某些添加劑的材料??梢允褂秒p組分纖維,例如皮芯型雙組分纖維或并列型雙組分纖維("雙組分"在本文中包括具有兩種或多種組分的纖維,其中每種組分均占據纖維橫截面并且在整個纖維長度上延伸)。然而,本發(fā)明對于單組分纖維(例如,其中熔噴纖維至少為單組分)是最有利的,其具有多個有益效果(在制造和組成中不太復雜),并且可以便利地被粘合并且得到附加的可粘合性和成形能力。不同的成纖材料可以通過擠出頭的不同噴絲孔口擠出,以便制備包括纖維混合物的網。短纖維的使用已經允許制備保持蓬松度的熱穩(wěn)定的網,如在美國專利No.4,118,531(Hauser等人)中描述的。在一個方面,與其他非織造聚合物網(例如聚丙烯非織造網)相比,聚酯熔噴非織造纖維網提供高強度、伸長、韌性、抓取強度(grabstrength)和抗撕強度的獨特組合。與烯烴網相比,可以制備具有高剛度或硬度的聚酯非織造網。主要由于聚酯較高的模量值,這種硬度在聚酯中是內在的。另外,與烯烴纖維網相比,更易于賦予聚酯非織造纖維網阻燃特性。由本公開的方法制備的纖維可以具有廣范圍的直徑??梢垣@得微纖維尺寸(直徑約10微米或更小)并且提供多種有益效果;但是也可以制備較大直徑的纖維并且可用于某些應用。更優(yōu)選地,本公開的纖維直徑的范圍為1微米至20微米,更優(yōu)選地為1微米至10微米,并且最優(yōu)選地為5微米至8微米。最通常制備具有圓形橫截面的纖維,但是也可以采用其他橫截面形狀。收集到的纖維可以為連續(xù)的或基本不連續(xù)的。當在非織造纖維網的Tg以上處理時,上述非織造纖維網是尺寸上穩(wěn)定的。當提升溫度至網退火的溫度之上時,沿著其主表面的網收縮通常小于4%,更優(yōu)選地小于2%,并且最優(yōu)選地小于1%。尺寸穩(wěn)定性的樣本在實例部分中有所描述。在一個實施例中,非織造纖維網在最多20(TC的溫度下是熱穩(wěn)定的,并且進一步在實例部分中有所描述。本公開的一些網可以包括顆粒物,如在美國專利No.3,971,373中描述的,以增大過濾。例如,通過在網形成期間控制處理條件或通過18后面的熱處理或模制操作,加入的顆??梢曰虿豢梢哉澈系嚼w維。加入的顆粒物還可以為超吸附材料,如在美國專利No.4,429,001中提出的。另外,添加劑(例如染料、顏料或阻燃劑)可以摻入到纖維中。本公開的網尤其可用作絕緣應用,例如隔聲或隔熱。包括巻曲纖維和取向的熔噴纖維的共混物的網尤其可用于絕緣和絕緣應用中。加入巻曲纖維使得網體積更巨大或更蓬松有彈性,這增加了絕緣特性,如在美國專利6,667,254(Thompson等人)中描述的。所公開的絕緣網優(yōu)選地為1或2厘米厚或更厚,但是厚度薄到5毫米的網已被用于絕緣目的。本文描述的基本上非取向的熔噴PET纖維具有小的直徑,由于材料的每單位體積的大的表面積,這也提高了網的絕緣質量。大體積和小直徑的組合得到好的絕緣特性。熔噴纖維和短纖維的混合物在美國專利No.4,118,531(Hauser等人)中有所描述。由于本發(fā)明的網在熱應力下的尺寸穩(wěn)定性,它們尤其適用于給室裝襯里,例如車輛引擎隔室或小和大的器具外殼,例如空調、洗碗機和冰箱。網還增加了拉伸強度、耐久性和撓曲強度。它們的耐久性提高了它們在絕緣方面的實用性,例如,提供了增加的耐磨性和耐洗滌能力。網的其他示例性的用途為消音器、過濾器和電池隔膜。將通過并非旨在限制本發(fā)明范圍的下列示例性實例進一步闡明本發(fā)明。實例本發(fā)明在以下實例中有更具體的描述,所述實例僅具說明性,因為本發(fā)明范圍內的許多修改形式和變化對本領域的技術人員將顯而易見。除非另外注明,以下實例提及的所有部件、百分比和比率均是基于重量,并且實例中所用的所有試劑均獲自或可得自如下所述的化學品供應商,或者可以用常規(guī)技術合成。差示掃描量熱法在下面描述的實例的代表性非織造纖維網上進行多種測量和測試。用調制式DSCTM系統(tǒng)(由特拉華州紐卡斯爾(NewCastle,DE)的TAInstruments公司提供的Q1000型)進行差示掃描量熱法(DSC)。用剃刀刀片從試驗網切下約2-4毫克的試驗樣本并且用如下所述條件測試對于實例1和2,以及比較例Cl和C2,樣本以4'C/分鐘的加熱速率、加減0.636"C的擾動振幅以及在60秒的時間段內從-10"C加熱到300。C。對于實例3和比較例C3,樣本以4C/分鐘的加熱速率、加減0.636'C的擾動振幅以及在60秒的時間段內從-25'C加熱到210°C。對試驗樣本采用加熱-冷卻-加熱測試循環(huán)。X-射線散射(XRD、WAXS、SAXS、GIXD、反射計、微衍射)在透射幾何構造中檢査的樣本作為單獨的纖維束進行制備。通過從非織造網中移除單個纖維的集合并且對齊纖維的長軸以形成纖維束來制備纖維束。通過使用飛利浦(馬薩諸塞州納提克的帕納科公司(Panalytical,Natick,MA))垂直衍射儀、銅Ka(阿爾法)輻射以及散射輻射的正比檢測器指示(proportionaldetectorregistry),以全面掃描的形式收集反射幾何數據。衍射儀配有可變的入射束狹縫、固定的衍射束狹縫以及石墨衍射束單色器。使用0.04度步長和8)秒保壓時間從5至55度(2e)進行全面掃描。使用Jade(7.5版本,MDI,加利福尼亞州的利維摩爾(Livermore,CA))軟件套件處理反射幾何數據。使用Bruker-AXS(威斯康星州麥迪遜(Madison,WI))GADDS微衍射系統(tǒng)、銅Ka(阿爾法)輻射和散射輻射的HiStar2D定位敏感檢測器注冊收集透射幾何數據。使用6cm的樣本一檢測器距離,使樣本保持居中,其中檢測器20布置在0度(29)處,沒有采用樣本傾斜。在50kV和50mA的發(fā)生器設置下采用石墨單色化300微米入射X-射線束。積累數據兩個小時。使用Bmker-AXSGADDS(4.1版本,威斯康星州麥迪遜)軟件分析透射2D(二維)數據。使用0.1度(chi)步長在1.5度(2e)寬的散射角范圍內進行2D數據的三百六十度方位描繪。實例1-3和比較例1-3本發(fā)明的非織造熔噴纖維可以通過類似于在Wente,VanA.的"SuperfineThermoplasticFibers(超細熱塑性纖維)"(IndustrialEngineeringChemistry,Vol.48,pages1342etseq(1956)),或海軍研究實驗室報告No.4364(1954年5月25日出版,名稱為"ManufactureofSuperfineOrganicFibers"(超細有機纖維的制造),作者Wente,Van.A.;Boone,C.D.;和Fluharty,E.L.)中提出的方法制備,不同的是優(yōu)選地使用鉆制的沖模。熱塑性材料通過沖模擠出進入高速的受熱空氣流中,在它們固化和收集之前該高速的受熱空氣流抽出纖維并將其細化。以無規(guī)形式,例如在打孔的篩網上收集纖維。使用圖1中所示的設備從聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚乳酸制備纖維網。從具有295。C熔融溫度(Tra)和0.61特性粘度的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)(3M聚酯樹脂65100;明尼蘇達州圣保羅市(St.Paul,MN)的3M公司)制備實例l-2和比較例1-2(Cl-C2)。從得自明尼蘇達州明尼塘卡(Minnetonka,MN.)的Natureworks有限公司的聚乳酸(PLA)Natureworks625ID制備實例3和比較例3(C3)。實例4實例4與實例1相同,在由美國專利No.4,118,531(Hauser等人)提出的工序之后將短纖維加入到網中。短纖維來自取向的聚對苯二甲酸乙二醇酯(4.7分德士(decitex)和大約5cm的長度)巻曲短纖維(KosaT224纖維;佐治亞州卡溫頓(Covington,GA)的FiberVisions有限公司)。網的組成為50%質量的實例2的纖維和50%的短纖維。非織造纖維網的形成和處理設備的某些部分和操作條件匯總于表1中。在該表中未報告的設備參數如下。圖2中的板104含有均勻間距為3/8英寸(0.95厘米)、直徑為1/4英寸(0.64厘米)的孔,例如以構成40%的板面積。收集器18是50英寸寬(1.27米)、山型圖案的40目不銹鋼織造帶,其具有0.43mmX0.60mm的開口(來自田納西州波特蘭的奧伯尼國際工程織物公司(AlbanyInternationalEngineeredFabrics,Portland,TN)白勺2055型號)。纖維在收集器傳送帶上沉積以形成寬約22英寸(55.9厘米)的物料19。板111的位于傳送帶18下面的部分115具有14.5英寸(36.8厘米)的縱向長度,并且以均勻間距含有中心間隔為2.78毫米、直徑為1.59毫米的洞,例如以構成30%的板面積;部分116具有23.5英寸(約60厘米)的長度,并且以均勻間距含有中心間隔為3.18毫米、直徑為1.59毫米的洞,例如以構成23%的板面積;并且部分117和118共同具有約9英寸(約23厘米)的長度,并且以均勻間距含有中心間隔為4.76毫米、直徑為3.97毫米的洞,使得所述洞構成了63%的板面積;部分117的縱向長度在表1中具有3.8厘米的狹槽寬度,使得驟冷或冷卻部分的長度118約為19.2厘米。圖3的抽氣管14具有22英寸(55.9厘米)的寬度(橫切于縱向一其為收集器傳送帶的移動方向)以及足夠使得圖3中的距離118約為19厘米的長度。在表1中記錄的加熱面速度是使用熱金屬絲風速計在狹槽109的中心處(如圖3所示),在物料上方約二分之一英寸(1.27厘米)的點測量;在此區(qū)域的整個寬度上取IO個測量值并進行算術平均。冷卻面速度以相同方式在圖2內區(qū)域120的中心處(沿縱向軸)測量。在表1中記錄的加熱區(qū)1-6的溫度是空氣從導管107進入盒子101的溫度。有六根導管107并且輸入空氣的溫度在盒子101的進入點處通過開結型熱電偶(叩en-junctionthermocouple)測量。在圖2中的抽氣長度120為20.3厘米,抽氣真空測量為280nm水柱,并且在區(qū)域120的中點處測量的冷卻面速度為530米/分鐘。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>網的收縮作為從初始樣本尺寸損失的尺寸百分比進行測量。將網樣本沖切為10平方厘米的樣本尺寸,記錄下根據ASTMD3776-96制備的網的縱向。根據ASTMD1204-84測試樣本。將樣本放置在鋁盤中,鋁盤用少量滑石粉處理以抑制樣本粘附到盤上。然后將樣本放置在對流烘箱中,保持恒溫兩小時。將網從烘箱中移除并在大約22'C和50%的相對濕度下調節(jié)24小時。測量網并通過將兩個維度的收縮量除以樣本長度來計算百分比收縮。結果記錄在表2中。網的退火處理使收縮降低至可用程度,其中在它們的處理溫度之上的溫度下網是穩(wěn)定的。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>網的模制通過使用如表3中所示的130°C模制溫度將代表性樣本模制成呼吸器形的杯狀,來檢驗實例2和4的網的模制能力。模制工序在美國專利申請No.11/461,192(Fox等人)中有所描述。實例2的兩層樣本和實例4的兩個樣本(4(#1)和4(#2))使用五秒模制循環(huán)模制。關閉模具五秒并且當打開模具時,將樣本放在室溫模具上五秒。模具高度是5.7厘米并且形成短軸11.5厘米和長軸13厘米的大致橢圓形。模具部分之間存在0.5厘米的間隙。通過將模制杯夾緊至工作臺頂部,將平葉片放置在模制杯的頂部并測量從工作臺頂部至葉片的距離,來測量該模制杯的高度。隨后將100克重量置于葉片上并再次測量高度。表3記錄了模具溫度和高度測量值。甚至當在130°C的溫度下模制時,實例2和4的網也很好地復制了模具形狀。由于網收縮,當從模具中移除時Cl和C2的模具撕裂。不同于未處理的網,在本公開中描述的退火處理提供可模制的網。<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>在不偏離本發(fā)明范圍和精神的前提下,對本發(fā)明的各種修改和更改對于本領域的技術人員來說應是顯而易見的,而且應該理解,本發(fā)明不僅限于本文所提供的示例性實施例。權利要求1.一種用于制備粘合非織造纖維網的方法,包括下列順序步驟a)擠出包含聚合物材料的熔噴纖維;b)將所述熔噴纖維作為初始非織造纖維網收集,其中所述纖維基本上不含應變誘導的結晶;c)用受控的加熱和冷卻操作退火所述初始非織造纖維網,包括i)用溫度高于步驟a)的所述聚合物材料的冷結晶溫度(Tcc)的第一流體穿過所述初始非織造纖維網進行加熱,以降低所述熔噴纖維的無定形區(qū)域的取向,從而提供粘合非織造纖維網;以及ii)用溫度低于步驟a)的所述聚合物材料的玻璃化轉變溫度(Tg)的第二流體穿過所述粘合非織造纖維網進行冷卻,以保持所述熔噴纖維的無定形區(qū)域,從而提供冷卻的粘合非織造纖維網;以及d)收集所述冷卻的粘合非織造纖維網,從而提供尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網。2.根據權利要求l所述的方法,其中所述粘合非織造纖維網的熔噴纖維基本上非取向。3.根據權利要求1所述的方法,其中所述初始非織造纖維網、所述粘合非織造纖維網、所述冷卻的粘合非織造纖維網和所述尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網是不受限制的。4.根據權利要求1所述的方法,其中相對于所述初始非織造纖維網,所述尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網的收縮小于4%。5.根據權利要求l所述的方法,其中所述熔噴纖維為至少單組分的。6.根據權利要求l所述的方法,其中所述聚合物材料選自由聚酯、聚酰胺、環(huán)狀聚烯烴以及它們的組合組成的組。7.根據權利要求l所述的方法,其中所述聚合物材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯。8.根據權利要求l所述的方法,其中所述聚合物材料包括聚乳酸。9.根據權利要求1所述的方法,其中所述熔噴纖維的直徑在1微米至20微米范圍內。10.—種粘合非織造纖維網,包括直徑在l微米至20微米范圍內的熔噴纖維,其中所述纖維基本上不含應變誘導的結晶。11.根據權利要求IO所述的粘合非織造纖維網,其中所述熔噴纖維保持基本的冷結晶放熱曲線。12.根據權利要求IO所述的粘合非織造纖維網,其中所述網在80。C至20(TC的溫度范圍內尺寸上穩(wěn)定至少2個小時。13.—種絕緣制品,包括根據權利要求IO所述的粘合非織造纖維網,并且還包括短纖維。14.一種成形制品,包括根據權利要求IO所述的粘合非織造纖維網。15.—種由根據權利要求1所述的方法制備的尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網。全文摘要本發(fā)明描述了一種用于制備粘合非織造纖維網的方法,包括擠出聚合物材料的熔噴纖維,將所述熔噴纖維作為初始非織造纖維網進行收集,用受控的加熱和冷卻操作退火所述初始非織造纖維網,并且收集所述尺寸上穩(wěn)定的粘合非織造纖維網。相對于所述初始非織造纖維網,所述粘合非織造纖維網收縮通常小于4%。文檔編號D04H3/16GK101622388SQ200780048456公開日2010年1月6日申請日期2007年12月12日優(yōu)先權日2006年12月28日發(fā)明者約翰·D·施泰爾特,西安·F·芬尼西,邁克爾·R·貝里甘,魯斯·A·埃本斯申請人:3M創(chuàng)新有限公司