熔噴織物的制作方法

專利名稱：熔噴織物的制作方法
技術領域：
本發明涉及對性能進行改進的新型熔噴非織造布。一方面，本發明涉及熔噴過濾器，它可用于過濾象空氣這樣的氣體。
熔噴非織造布是用熔噴法制造的，此法包括擠壓熱塑性樹脂，使之通過一排相互間距小的噴絲孔，這樣便生成了許多聚合物單纖維(或纖維)，而后經過會聚板的高速熱空氣對單纖維施以拉伸力并把它們位伸變為微細的直徑，然后把這些微細的纖維吹到收集網或傳送帶上，這些纖維在此纏結和聚積，形成一整體的無紡纖維網片，在這種纖維網中的纖維平均直徑大約為5-20微米。纖維網片的整體性或強度與纖維間的機械纏結及粘合程度有關。
熔噴非織造布具有微細纖維的結構，所以它們可很好地適于多種用途。纖維網片在這些用途中的重要性能包括有(a)纖維網片的頂破強力;
(b)充填度;
(c)纖維網片的韌度;
(d)纖維網片的斷裂伸長。
除此之外，在適當的透氣率條件下，用于制造過濾器的熔噴非織造布應具有高過濾效率。
下面將要詳細介紹本發明的熔噴非織造布，它具有上述的一些性能。本發明的非織造布可用各種方法制造，而較好的方法是使用美國專利5，075，068所介紹的一種橫向氣流法。
某些參考文獻給出了把某種介質用于熔噴法收集裝置上游的空氣/纖維流中，這些參考文獻也包括了美國專利3，806，289、3，957，421、4，594，202及4，622，259，但這些參考文獻均未給出本發明所具有的這些性能的熔噴非織造布。
本發明的熔噴非織造布具有獨特的性能，這可使它很好地適于多種用途，特別是適合于用作濾材及一些吸附材料。與普通熔噴非織造布相比較，本發明的非織造布由微細的纖維所組成，這些纖維具有比較狹窄的纖維徑分布及非常低的充填度(在此所用術語“纖維”和“纖維尺寸”分別表示纖維和/或單纖維和纖維直徑)。本發明也打算把這種新型的非織造布用作氣體過濾器，這種過濾器具有很高的透氣率。
根據本發明所體現的一個概括性實施方案，這種非織造布是由熱塑性纖維構成的，這些纖維的有效平均纖維直徑大約為3-15微米，纖維直徑分布(CV)小于40。它還具有低的充填度，其數值小于20%，較好的是小于15%或更低些。
在優選的實施方案中，本發明的纖維網片具有約50千帕以上的頂破強力，最好是約60千帕以上。這種網片也具有優良的韌度及斷裂伸長。所有這些特綜合起來便增加了熔噴非織造布的實用性。
在具體的實施方案中，本發明涉及氣體過濾器，它在良好的空氣透氣率下，有較高的過濾效率。


圖1是熔噴設備的透視圖，這種設備可用制造本發明的纖維網片。
圖2是圖1熔噴設備的放大側視圖。
圖3是普通熔噴纖維網與本發明熔噴纖維網片在纖維直徑分布上相比較的曲線圖。
圖4、5及6是本發明纖維網片與普通纖維網片在充填度上相比較的曲線圖。
圖7、8及9是本發明纖維網片與普通纖維網片在透氣率上相比較的曲線圖。
圖10表示纖維網片過濾效率與熔噴纖維網片中纖維直徑關系的曲線圖。
圖11表示頂破強力與纖維平均直徑之間關系的曲線圖。
用美國專利5，075，068中所介紹方法和設備可制造本發明的熔噴纖維網片，其公開內容在此并入本文作為參考。
如在圖1及圖2中所示，這種熔噴生產線包括有一臺擠壓機10，它把一種熔融的樹脂輸送到熔噴模具11中，經過這模具，再把熔融聚合物單纖維壓向會聚板的熱空氣流中。單纖維/空氣流流向收集裝置或接收滾15，這些單纖維在此處以無序狀態纏結，形成非織造布16，從收集裝置15上取下網片16，為了便于運輸或儲存，也可把它打成卷狀物，這種熔噴設備包含有安裝在模具上的加熱元件14，還有一個通過裝有閥門的進氣管13與模具11相連接的空氣源。在圖中未表示出空氣的加熱方法。
特別是如在圖2中所示，熔噴模具11包括有模體構件20及21，固接在模體元件20上的一細長形噴咀22，以及空氣隔板23及24。這噴咀具有一個會聚模具頂端區域25，它的橫斷面呈三角形，并在頂端26終止。在噴咀22上加工制成一個中心細長通道27，在頂端26上鉆出很多并列的細孔28。這些細孔的直徑一般為100-1200微米，它們之間具有較小的間距。
空氣隔板23及24與模體構件一起限定形成了空氣通道29及30。空氣隔板23及24的內側具有錐形的表面，它與噴咀22的錐形表面一起限定形成了會聚空氣的通道31及32。如圖所示，每個空氣通道31及32的流通面積是可調節的。通過模具通道(圖中未示出)，把熔融聚合物由擠壓機10輸送至通道27，最后通過小孔28使其擠壓成形為微細并列型單纖維。經進氣管13并通過空氣通道，由空氣源送入初始空氣，隨著會聚成熱空氣平面束，空氣排向熔融單纖維的對面。熱空氣會聚平面束給單纖維以拉伸力，沿由小孔28排出的單纖維方向對單纖維進行拉伸或使它們變細。這些小孔的定向(即它們的軸向)決定單纖維的排出方向，并且也決定了初始空氣與單纖維之間的接觸角。其接觸角大約為22.5°-45°，噴咀22的坡口角度為45°-90°。特別要指出的是上述熔噴生產線只是用圖示的方法來介紹的，還有與下面要介紹的橫向氣流裝置結合起來使用的一些其它方法。
上述的熔噴模具可裝有空氣管道17，它可向擠出的單纖維輸送橫向空氣流，這樣可制造出一種獨特的熔噴非織造布，它具有低的充填度(高彈性)，高的頂破強力，狹窄的纖維直徑分布，以及在一定的纖維平均直徑條件下，具有高的透氣率。在熔噴非織造布多種用途中，這些性能很重要。
雖還不完全了解本發明溶噴非織造布具有極好性能的原因，但可大致地確信是由橫向氣流對纖維增加了拉伸力，這樣就增加纖維網處中纖維的拉伸度，以致降低了纖維直徑及其纖維直徑分布。在美國專利5，075，068中，介紹了擠出的纖維與橫向空氣流相接觸的機理。
雖然可用橫向氣流的熔噴法制造本發明的非織造布，但要特別指出的是本發明的非織造造布不限于用這種特殊的方法來制造，可使用或開發出一些其它的方法來制造本發明中具有極好性能的非織造布。本發明的新穎性就在于纖維網片的結構及性能。因此，本發明的非織造布的特征在于具有小的纖維直徑分布，低的充填度(即較好的彈性)，以及在一定的透氣率條件下，具有高的過濾效率，以下將討論每一種性能。
狹窄的纖維直徑分布圖3是普通非織造布與本發明的熔噴非織造布在纖維直徑上進行比較的曲線圖。由圖可看出A′、B′及C′表示的包跡線要比由A、B及C表示的包跡線窄得多，其前者是本發明的纖維網片，纖維直徑范圍大約0.9-4.2微米，后者為普通的纖維網片，纖維直徑范圍約為1.5-6.9微米。本發明纖維網片的纖維直徑狹窄分布導致纖維網片具有很好的均勻性。
圖3中的纖維直徑數據是用光學方法測定的。圖4-11中的平均纖維直徑數據不是經測定，而是按一篇文獻中由Benjamin Y.H.Liu和Kenneth L.Rubow提出的方程式計算得到的△P= (a c u v q h)/(D2K)C為充填度(纖維網片重/纖維網片體積/聚丙烯密度)D為有效的平均纖維直徑U為空氣的粘度V為通過纖維網片的空氣速度h是纖維網片的厚度△P是壓力降(125帕)K是流體動力因子(-0.5LnC-0.75+C-0.25C2)a是常數，是從已知直徑的樣品得到的。在此情況下，攝取兩張原始樣品的掃描電鏡片，測定平均纖維直徑。
C是由稱重及計算法得到的，其具體方法是稱取干樣(DW)和濕樣(WW)，濕樣是經異丙醇浸泡的，在稱重之前，先濾干30秒鐘，然后用下面的方程式計算C＝[(WW/DW)×1.147-0.147]-1h是用以下方程式計算h＝纖維網片的定量/C/聚丙烯密度聚丙烯密度＝0.9012(克/厘米3)異丙醇密度＝0.7848(克/厘米3)用光學方法測定或用上述方法計算的纖維平均直徑數值具有很好地相關性。而圖4-11及在權利要求書中所列舉的平均纖維直徑值都是用上述方法計算出來的。
一種特殊纖維網片的纖維直徑分布可用變異系數(CV)定量地表示，它是用光學法對單個直徑進行測定的。
CV值是經測定纖維直徑所得到標準差與樣品平均纖維直徑的比值。在各種條件下所制造的普通非織造布(例如聚合物流量)，其CV值為46.5-60.4%，而在相應條件下所制造的本發明非織造布，其CV值側為33.9-38%。
要引起注意的是如圖3所示，本發明與普通熔噴非織造布的特性曲線將與所用聚合物及工藝條件有關，沿橫座標軸上數值的變化，這兩種曲線大體上具有相同的形狀。
充填度因為充填度是纖維網片彈性或柔軟性的量度，所以它是熔噴非織造布的一個重要性能。下面討論的實驗數據也提出充填度與纖維直徑的均勻性對透氣率都有影響。
充填度在此是用百分數來表示的，它定義為纖維網片的密度與在擠壓機中所用熱塑性材料密度的比值。
在各種熔噴條件下(在以下的實驗中介紹)，對普通及本發明的非織造布，圖4、5及6給出了充填度與平均纖維直徑之間關系的曲線圖。在相應的平均纖維直徑條件下，平均纖維直徑在3微米以上時，本發明非織造布的充填度毫無例外的都低于普通非織造布的充填度，隨著平均纖維直徑的增加，其二者充填度的差別越大。考慮到二者充填度的差別，一般選用平均纖維直徑為3-12微米，最好選用3-10微米的平均纖維直徑。
由圖4、5及6的曲線圖可得知充填度隨著熔噴條件而變。本發明和普通非織造布的充填度在數值上有重疊。而用一種定義為充填度與平均直徑比值的性能參數時，就沒有這種重疊了，這樣本發明的非織造布便顯出有很大不同，這可從表1的數據發現這種特點。
如表Ⅰ數據所示，在大于3微米的平均纖維直徑范圍內，本發明纖維網片的這個比值小于2，而在相應的直徑范圍內，普通非織造布的該比值則為2或更大些。比較好的比值小于1.9，而最好小于1.75，低取值為1.0，比較好的是1.2，最好為1.3。
在相同的纖維網處定量條件下，本發明纖維網片的較低密度可使這纖維網片具有比較致密而柔軟的性能。
透氣率它是本發明纖維網片的一個極重要的性能，而過濾效率(在下面的實驗中作出定義)與纖維直徑有關。由圖10可知，在一定平均纖維直徑的條件下，這兩種纖維網片的過濾效率(F.E)大致相同。而從圖7、8及9所示數據表明在給定平均纖維直徑的條件下，并在通用的大于3-15微米纖維直徑范圍內，本發明的纖維網片具有很高的透氣率，較好的纖維直徑范圍是3-12微米，最好是＞3-10微米。當然在給定的過濾效率條件下，比較高的透氣率顯示出纖維網片具有較大的空氣流量或有較低的壓力降。
與充填度性能一樣，這兩種纖維網片之間的透氣率數據也有重疊。通過對透氣率與平均纖維直徑比值的對比，發現這兩種纖維網片的透氣率具有很明顯的差別(見表Ⅱ)。
由表Ⅱ中的數據可知，本發明的非織造布的上述這種比值比普通非織造布高得多。
下面將兩種非織造布的性能加以對比
＊指的是平均纖維直徑在本發明要求的范圍。
其它性能更值得提出的是本發明的非織造布還具有如下的一些性能較好 最好頂破強力(KPa) 約50 60-100(ASTM3786-80)斷裂伸長(%) 10-25 14-20(A3TMD1682) 10-20 12-16韌度(mN/tex)經測試表明在纖維平均直徑相同的條件下，本發明的非織造布的上述三種性能(即頂破強力、斷裂伸長及韌度)要優于普通非織造布。
在這些極好的性能方面，本發明與普通熔噴非織造布相比有很明顯的區別，因此，在實用性及擴大應用范圍方面，通常是不考慮使用普通熔噴非織造布的。
本發明熔噴纖維網片的制造如上所述，本發明的非織造布可用美國專利5，075，068所提供的方法和設備來制造。在這種制法中，空氣導管17裝在模具出口的上方和/或下方，可把“a”、“b”及角度“A”調節到所要求的位置，把這種熔噴法生產線調整到穩定操作狀態。利用一臺具有所要求壓力的普通型空氣壓縮機，把作為橫向氣流用的空氣輸送到空氣導管17。為取得最佳效果，對這氣流還要能進行某些微調。至于空氣導管尺寸要求，較好使它能輸送橫向氣流速度至少要達到200英尺/秒，最好是要達到300-1200英尺/秒。
特別要提出的是，空氣導管可加到任一熔噴模具上。例如在美國專利4，818，463或3，978，185中，就提供了這樣模具11，其公開內容在此并入本文作為參考。
本發明的非織造布可用各種熱塑性材料來制造，其中有聚烯烴類，如乙烯和丙烯的均聚物、共聚物及三元共聚物等。其它適用的物料有聚酯類，如聚甲基丙烯酸甲酯及聚對苯二甲酸乙酯。還可使用聚酰胺如聚亞己基己二酰胺，聚ω-己酰胺及聚亞己基癸二酰胺。除此之外，也可用聚乙烯類，如聚苯乙烯，以及包括有乙烯-丙烯酸共聚物的聚乙烯-丙烯酸酯類。在這些材料之中，聚烯烴是較好的。這些聚合物包括有聚丙烯、聚乙烯及其它高級聚烯烴類中的一些均聚物和共聚物。聚乙烯類主要有低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超低密度聚乙烯及極低密度聚乙烯。上述的熱塑性聚合物的共混物也可使用。用熔噴法能紡成微細纖維的熱塑性聚合物都可使用。
根據所選用的熱塑性材料及對非織造布/產品的性能要求，本發明非織造布制造的工藝條件可在較廣的范圍內選定。只要能使熱塑性材料從模具中擠出并制成非織造布產品，這些材料的任何工作溫度都是容許的。模具中熱塑性材料的溫度容許范圍，也就是與這材料接觸的模頭近似溫度范圍為350-900°F，較好是400-750°F。對聚丙烯來說，最好是400-650°F。
只要能制造出適用的非織造布產品，空氣的工作溫度都是容許的。其容許范圍大約為250-900°F。
根據所要擠壓的熱塑性材料、收集裝置與模具間的距離(一般為6-18英寸)及工作溫度，熱塑性材料和初始空氣流量可有較大地變化。初始空氣與聚合物重量比值的容許范圍大約為15-500，聚丙烯多采用15-100。一般聚合物的流量范圍約為0.3-5.0克/孔/分，較好是0.3-1.5克/孔/分。
通過以下的實例，對兩種非織造布進行了對比，并說明在性能方面得到改進。
實驗系列Ⅰ利用一臺帶有標準聚丙烯螺桿的1英寸擠壓機及有下述規格的模具來進行實驗。
噴絲孔號 1噴絲孔尺寸(直徑) 0.015英寸噴咀坡口角度 60°噴絲孔通道長度 0.12英寸空氣狹縫(空氣隔 2毫米的開度及板限定而成) 2毫米向內縮進在系列Ⅰ的實驗中，所使用其它設備還有半園形的空氣導管，在它的平側面上有一個加工而成的縱向狹縫。在其它的實驗中，空氣導管的直徑為1英寸，其上也有加工成的縱向狹縫。
所用樹脂及操作條件如下樹脂 800MFR聚丙烯(EXXON級3495G)模具溫度 430°F熔融溫度 430°F初始空氣溫度 460°F初始空氣流量 1.65SCFM，每英寸模具寬度聚合物流量 0.8克/分狹縫開度 0.030英寸纖維網片收集裝置 由模具到收集網的距離為12英寸在本系列的實驗中，“a”，“b”及角度“A”值分別為1英寸、1-1/2英寸及+30°(參見U.S.5，075，068)。在其它實驗中，使用了下述的多孔模具。
圖3中數據是從系列Ⅰ實驗中得到的。
系列Ⅱ在其它的實驗中，使用了一種多孔模具。它的寬度為28英寸，而噴絲孔的寬度為20英寸，總孔數501個。孔徑為0.38毫米，長徑比為10。空氣狹縫間隙及模具頂部內縮量為0.20厘米。值得注意的是20英寸寬的模具在外形上及孔徑上類似于工業上使用的模具，也類似于我們實驗室中單孔模具。為進行研究起見，加工制成了一種橫向氣流裝置，把外徑為0.5英寸的管子切割出長和寬分別為24英寸和0.08厘米的狹縫。
圖4、5、6、7、8、9、10及11中的數據是從本系列Ⅱ實驗中得到的。實驗方案實驗使用工業用EXXON均聚的聚丙烯800MFR樹脂。先進行研究可變的“a”、“b”及角度“A”，以及初始空氣和橫向氣流的流速，以確定橫向氣流狹縫相對于20英寸模具表面的最佳位置。然后不管有無橫向氣流，在相同的工藝條件下，加工試樣，并進行收集。
樣品制備和特性測量在本實驗研究中，所采用的加工條件如下所示(a)溶融溫度(265℃)(b)初始空氣溫度(271℃)(c)初始空氣流速100-290米/秒(d)橫向氣流流速70-140米/秒(e)擠壓機產量0.1-2.0克/分/孔(f)DCD15-25厘米(g)纖維網片定量30-40克/米2應該指出，先在無橫向氣流下制造纖維網片，然后在有橫向氣流下，再制造纖維網片，這樣除去橫向氣流之外，這兩種非織造布具有相同的加工工藝條件。
利用一臺8110型TSI自動過濾測定儀來測定過濾效率(F·E)，每立方英寸的空氣中含有鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)為0.101毫克，氣源中的顆粒直徑為0.2微米。空氣流量為24升/分，這樣在纖維網片材料的表面上便產生了3.75厘米/秒的速度。
按照ASTM測定方法D737-75，用一臺5138型的Frazier透氣率測定儀來測定透氣率(A·P.)。在水壓降為12.7毫米的條件下，測定通過非織選布的空氣流量。
按照ASTM標準3786-80a，使用一臺Mullen破裂測定儀(隔膜型)來測定破裂強度，以垂直方向對非織造布施以應力，測定使該纖維網片破裂時所需的力。
使用一臺臺式Instron張力測定機，并按照ASTM測定法D1682中的步驟來測定韌度及斷裂伸長。
實驗結果圖3中的數據是用單孔模具實驗得到的。實驗表明在用多孔模具時，在熔噴過程中，纖維的成形機理與用單孔模具時是相似的。
圖4、5、6、7、8、9、10及11所描繪的實驗中用的非織造布試樣是用多孔模具并按下列條件制備的樹脂為聚丙烯(EXXON級3495G)模具溫度510°F初始空氣溫度520°FDCD10英寸空氣流速(米/分) 聚合物流量(克/分)圖4 100-250 0.1-1.2圖5 100-250 0.8
圖6 185 0.1-1.2圖7 100-250 0.1-1.2圖8 100-250 0.8圖9 185 0.1-1.2圖10 100-250 0.8圖11 100-250 0.1-1.權利要求
1.熔噴非織造布，它是由無序纏結的熱塑性聚合物的纖維組成，并具有下述的性能(a)纖維平均直徑≥3.0微米；(b)纖維網片中纖維直徑變異系數≤40%；(c)充填度＜20%；及(d)充填度與平均纖維直徑的比值≤2.0。
2.權利要求1中的熔噴非織造布，其中充填度為5-15%。
3.權利要求1中的熔噴非織造布，其中平均纖維直徑為3-10微米，充填度為7-12%。
4.權利要求1中的熔噴非織造布，其中纖維直徑變異系數CV為15-40%。
5.權利要求3中的熔噴非織造布，其中充填度與有效平均纖維直徑的比值為1.3-1.75。
6.權利要求1中的熔噴非織造布，其中熱塑性聚合物為聚烴類的均聚物或共聚物。
7.氣體過濾器，它由權利要求1的熔噴纖維非織造布構成，其中在定量為≥34克/米2的條件下，過濾器的透氣率為50-300CFM/FT2，其中透氣率在非織造布的壓差為12.7mm水柱時測定。
8.權利要求7的氣體過濾器，其中透氣率與平均纖維直徑的比值為20-30。
9.權利要求8的氣體過濾器，其中有效平均纖維直徑為3-10微米。
10.權利要求9的氣體過濾器，其中纖維直徑變異系數CV為30-40%。
全文摘要
熔噴非織造布是由狹窄直徑分布及充填度低的纖維所組成的。這種非織造布具有柔軟及彈性性能，并且又具有極好的過濾性能。
文檔編號D04H1/54GK1087393SQ93118479
公開日1994年6月1日 申請日期1993年10月14日 優先權日1992年10月14日
發明者R·R·邦頓, M·W·米利根, 盧福民 申請人:埃克森化學專利公司