彈性緊固件的制作方法

專利名稱：彈性緊固件的制作方法
發明的領域本發明涉及在一個表面上具有許多用于緊固或連接的嚙合元件的卷材，如聚合物卷材。所述嚙合元件可以是桿、圈或其它能與對置表面上的嚙合元件(如纖維或突起)機械互鎖的其它表面嚙合元件。
發明的背景圈-鉤緊固件(如目前美國3M公司在市場上出售的商標為ScotchmateTM的緊固件)是已知類型的機械緊固件。鉤扣的一種變化是蘑菇狀突起或桿，它也可通過與其它非圈突起或表面元件嚙合而用作單一型緊固件。
美國專利4.056,593和4,959,265公開了一種擠出含豎桿的聚合物卷材的方法。美國專利5,077,870的鉤扣結構是將單組分熱塑性樹脂擠出至具有空腔陣列的模具中，再從該模具中分離樹脂，從而形成桿陣列。隨后對這些桿進行壓延，在桿的頂部形成較闊的頭部(頂蓋或蘑菇頭)。美國專利5,393,475公開了一種使用兩種不同的材料制備在兩個表面上均具有桿的含桿卷材的方法。
盡管本領域目前取得了進步，但是仍需要含桿卷材(如機械緊固件)具有各種性能以滿足不同的用途。
發明的概述出于描述的目的，術語“桿”是指表面(如卷材)上的突起，與其外形、長度、長-寬比、或其它特征無關，只要該桿能與其配合的具有其它嚙合元件(如桿、鉤扣或纖維)的表面機械互鎖或嚙合即可。含桿卷材是指在其至少一個表面上具有細小結構或嚙合元件(如鉤扣和桿)的卷材。
本發明涉及在其至少一個表面上有許多突出的桿的卷材。所述卷材包括至少一層具有第一表面和第二表面的第一材料層和第二材料層。該第二材料層的第一表面朝第一材料層的第一表面，其第二表面有許多突出的桿。在第一材料層和第二材料層中的一層或兩層均處于熔融狀態時并且在熔融的一層材料或兩層材料冷卻前，可以(但不是必需的)將這兩層材料復合在一起。
第一層材料由彈性材料制成，第二層材料由熱塑性材料或可熔融加工的聚合物材料制成。第一層材料與第二層材料不同，在一個實例中，形成第一層的材料突入并構成在第二層上形成的桿的至少一部分。
在另一個實例中，卷材的兩個表面均具有桿，這些桿中的一個或多個可具有頂蓋。還可以形成附加的材料層并將其與第一和第二材料層復合在一起。
本發明還包括具有許多桿的卷材的制造方法。該方法包括選擇第一彈性材料作為第一材料層，選擇第二材料作為第二材料層。第一材料層和第二材料層是熔融成形的。第一材料層和第二材料層復合在一起形成兩層片材。隨后，至少在第二層材料上形成許多桿。
所述桿可如下形成用至少一個含有孔陣列的溫度受控表面壓制所述多層片材，形成桿陣列。隨后所述頂蓋可通過用加熱表面壓制桿的頂端，在桿的頂端上形成頂蓋而得到。
或者，可如下形成桿用定型模頭擠出多層熱塑性或可熔融加工的材料，在至少一個表面上形成具有許多隆起的多層片材，使許多銳利刀刃垂直地通過該隆起，拉伸所述多層片材，將各條隆起分開，形成許多桿。形成的這些桿可具有鉤扣狀，或者隨后用加熱表面壓制，形成鉤扣或帶頂蓋的桿。
熔融成形步驟可包括同時熔融成形第一材料層和第二材料層。復合步驟可包括(a)在任何一層材料層冷卻前將第一層和第二層復合在一起(b)將第一層和第二層層壓在一起；和/或(c)在第一層和第二層中間加入一層或多層反應粘結層。可通過共擠出第一材料層和第二材料層來進行熔融成形。
可拉伸本發明卷材使之圍繞要緊固、保護或包裹的物體或人體，松開后形成恒定的張力使之貼合該人體或物體。在該卷材的整個長度方向上它還表現出基本上連續的緊固能力。用這種連續的緊固結構代替僅在彈性卷材末端具有緊固手段的彈性材料形成的結構，可以使卷材沿彈性卷材的整個長度和寬度方向具有緊固手段。這種結構至少在兩方面具有優點(1)可將這種功能連續的卷材切割成各種有用的大小和形狀來顯示其功能，尤其適用于帶狀包裝；和(2)這種功能連續的卷材的單位面積的緊固能力更強。
附圖簡述所有的附圖均是本發明卷材的部分剖面圖，表示桿和第一和第二材料層復合方式的各種實例。


圖1是第一彈性材料層通過第二層而突出形成桿的結構圖；圖2是一個與圖1相似的實例，但是桿具有由第二層材料制成的冠或頂層；
圖3表示一個實例，其中的桿包括第一彈性材料層內芯和第二材料層外層或表面；圖4表示一個實例，其中的桿包括大部分上層即第二層材料，僅有少量第一層彈性材料突入桿的底部；圖5表示一個實例，其中的桿全部由第二層材料制成；圖6表示一個與圖5相似的實例，不同之處在于第二層包括許多層；圖7表示拉伸活化前帶有許多桿的本發明卷材的一個實例；圖8表示拉伸并且各個桿相互脫開后處于伸長狀態的與圖7相同的結構。
發明的詳細描述機械緊固件的鉤扣結構是含桿卷材的一種形式。這些機械緊固件在形成于卷材上的桿上帶有能與圈材料嚙合的某些類型的鉤扣。在某些用途中，鉤扣結構和其底部支承物由多種材料組成。在本發明中，將多種材料一起成形(如通過熔融成形(例如擠出))以提高機械緊固件的使用性能。這些性能(包括鉤扣強度、鉤扣和桿的撓性、耐久性、耐磨性、圈保持性、圈嚙合性、柔軟性、外觀、剝離性和剪切強度)的提高取決于材料的選擇。可選擇材料和結構以改變機械緊固件的性能，從而用于不同用途。
另一種類型的含桿卷材具有無頂蓋的桿結構。當桿表面自粘附時(如通過在含桿卷材的一個或多個表面上施涂粘合劑)，該桿表面可自嚙合。
影響性能的某些因素包括材料層的厚度，桿結構(桿是否由一種或多種材料組成，當桿由多于一種材料構成時材料的相對位置)、是使用單層材料還是使用多層材料、桿的密度(單位面積桿的數量)、桿的幾何形狀(桿基本是直的、傾斜的還是具有形狀的鉤扣)以及結構的第二表面的特性。
多層緊固件至少具有兩層，在至少一個表面上形成桿陣列。這種緊固件的第一層包括一種彈性材料，使總體結構具有彈性性能，即受到應力(如拉伸應力)時它可在至少一個方向由其初始狀態伸長(至少伸長5％，較好伸長10％，更好伸長20％)，該應力消除后它能基本回復至所述初始狀態。當存在拉伸殘余形變或應力松弛(它可高達50％，較好小于30％，更好小于25％)時，認為本發明卷材基本回復至其初始狀態或條件。第一層可包括各種已知的彈性材料，包括例如彈性體，如天然或合成橡膠、含異戊二烯、丁二烯或乙烯(丁烯)嵌段的苯乙烯嵌段共聚物、茂金屬催化的聚烯烴、聚氨酯或聚二有機硅氧烷。還可使用下列彈性體聚酯類、聚酰胺類、聚烯烴類、嵌段和星型聚合物。
含桿卷材結構的第二層可以起初(initially)是連續的。它和其它附加層(如果有的話)可相同或不同，并與構成第一彈性層的材料不同。例如，這種第二層或附加層可具有與第一層相同或不同的彈性材料，或者這些層可以是非彈性的。還可以一層這種層是可塑的，而另一層是硬的。適用于第二層和/或任選的附加層的材料種類的一些例子有聚烯烴，如聚丙烯或聚乙烯；其它熱塑性塑料，如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、丙烯酸酯改性的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和乙烯-丙烯酸共聚物；壓敏粘合劑，如丙烯酸類、天然或合成橡膠、增粘的苯乙烯嵌段共聚物、增粘的聚二有機硅氧烷脲共聚物和無定形聚(1-烯烴)；熱熔粘合劑，如乙烯-乙酸乙烯酯；可塑的熱塑性塑料，如尼龍或聚氯乙烯；非粘性粘合劑；或它們的共混物。
多層材料(如多于三層，并通常高達一百層)還可使帶桿表面卷材結構的新復合物的性能不同于單層材料的性能。第一層、第二層和任何附加層中的一層或兩層也可由至少兩種不同材料的兩層或多層組成，形成具有各種復合特性的多層結構。
還可利用各種材料使卷材的一個表面或兩個表面具有所需的性能。這些材料的一些例子包括粘合劑表面、具有研磨性或高摩擦力的表面、能提供低摩擦力表面的剝離表面和能接受材料(如粘合劑、涂料或用于形成耐久圖象的著色劑)的活性表面。著色劑包括各種材料，如溶解在水中的墨水、溶解在有機溶劑中的油墨、或由100％活性材料組成的印墨。這些墨水、油墨、印墨可通過例如紫外光照射或靜電成象進行固化。涂料可包括各種材料，可以是100％的固體材料或者是溶解或分散在任何水和有機溶劑混合物中的涂料。涂料的一個例子是一種能使材料層可用噴墨打印機進行打印的涂料。
通過將一種或多種活性物質加入各層，在界面上形成反應粘結層，或者加入對兩層主要層均具有親和力的結構獨立的層，可增強第一層和第二層(主要層)之間或者任何附加層(如有的話)之間的層間粘合。這種活性物質通過在各層的界面上進行反應而增強層間的粘合。此時，大多數活性物質可在材料層中而非在表面上，從而可提高粘性。一些從市場上購得的聚合物含有少量接枝活性部分。當適當匹配時，這種材料能有效地提高層間的粘合。適用的材料對包括，例如羧酸/胺、馬來酸酐/胺、羧酸和馬來酸酐/羥基、馬來酸酯和馬來酸酐/雙鍵、碳二亞胺/羧酸、異氰酸酯/羥基、胺/羥基鹵化物、酯/胺、酯/酯、酯/羥基酚、酰胺/酯、環氧化物/羥基或胺或羧酸或馬來酸酐、噁唑啉/羧酸或酚或馬來酸酐和內酰胺/胺或酸離聚物。
反應粘結層可以是連續的或不連續的，可以是彈性的或非彈性的。合適的粘結層的選擇取決于粘結層所需的官能度，這種選擇在本領域普通技術人員的常識范圍內。一般來說，反應粘結層包括多鏈段的接枝聚合物或嵌段共聚物，其分子鏈段優先親和第一層材料或第二層材料。合適的粘結層材料包括，例如乙烯-丙烯酸嵌段共聚物，用于增強聚乙烯層與聚丙烯酸層之間的粘合；乙烯-乙烯醇嵌段共聚物，用于增強聚乙烯層與聚乙烯醇層之間的粘合；乙烯-乙酸乙烯酯嵌段共聚物，用于增強聚乙烯層與聚乙酸乙烯酯層的粘合；乙烯-丙烯酸甲酯嵌段共聚物，用于增強聚乙烯層與聚丙烯酸甲酯層之間的粘合；以及帶有接枝的環氧基或馬來酸酐基團的聚丙烯，用于增強聚丙烯層與聚氨酯層之間的粘合。材料層的相對厚度會影響本發明彈性緊固件結構的性能。由薄的粘合劑層構成的桿外層和由硬性聚合物形成的粗桿內芯的桿陣列比厚的粘合劑層包裹細的硬性內芯上形成的桿陣列更硬。但是，重要的是彈性層的總厚度(即連續的彈性第一層和其它彈性層)要使總結構具有彈性性能。
通過控制厚度、粘度和加工條件，可制成各種不同的結構。這些結構與選擇的材料一起決定最終機械緊固件鉤扣的性能。圖1是含桿12的第一種片材或卷材10的結構。這種結構使用兩層(上層(第二層)14和連續的彈性下層(第一層)16)共擠出的材料。在這種結構中，使用較厚的下層材料。連續的彈性下層材料16構成片材的基底、內芯和桿12的上部。上層材料14構成在片材基底上和圍繞桿下部的表面層。在另一個實例中，可使用多種材料和多層次層分別構成上層14和下層16。
圖2所示的結構中，上層14所具有的材料多于圖1結構的上層所具有的材料。連續的彈性下層16同樣構成片材10的基底和桿12的內芯。此時，在由下層16構成的桿上上層14形成冠。上層14還在片材的基底上形成表面層，包括圍繞桿底部的材料包層。
在圖3中，連續的彈性下層16構成片材10的基底和桿12的內芯材料圓柱。上層14構成基底上和桿上的表面層。
在圖4中，彈性下層16同樣構成片材10的連續基底并構成一小部分桿12。上層14構成彈性基底的表面層并構成大部分桿材料。下層在桿中的比例可達到這樣的程度，即上層構成桿基底和桿而下層是連續光滑的片材，不形成任何桿部分。
圖5顯示一個與圖4相似的實例。在圖5中，連續的彈性下層16構成片材10的基底，而上層14構成在基底上的表面層并構成整個桿材料。
圖6顯示使用許多上材料層18和一層連續的彈性下層19形成的含桿片材結構。上層18可少至二層或多至數十層不同的材料層。這些材料層可包括兩種或多種不同的材料(這材料可在不同的層中任意地重復)，一層或多層材料層可包括連續或不連續的反應粘結層，以增強任何兩層相鄰層之間的層間粘合。片材的彈性基底和桿均是由多層材料層形成的。這種結構可使得到的產物僅用一種材料(最外層材料)構成在基底上的表面層并構成桿的外表面。或者，如圖所示，沿桿的底部至頂部的長度方向桿可露出許多層。
在形成桿以前，含桿片材的各層可同時形成或依次形成，可在一層或多層熔融層冷卻前，在其處于熔融狀態時將其復合在一起。還可以將各層層壓在一起，并使各層同時冷卻來將它們復合在一起。根據卷材預定的用途，有時也可向卷材施加其它材料(如粘合劑)和進行打印。
可通過例如先擠出一層，隨后擠出另一層的依次擠出來進行依次成形。這可采用一個或多個模頭來實現。或者，可在模具中或用其它已知的方法(如流延或壓延)形成材料層。可通過例如共擠出進行同時成形。可使用一個多料道式模頭，或使用一個分成多個模腔以形成多層的供料頭。
可將來自不同擠出機的不同熔體料流導入(1)一個多狹縫的供料頭，接著導入一個單層薄膜模頭，或者(2)多料道式模頭中進行共擠出。在多狹縫供料頭技術中，至少有兩種來自不同擠出機的不同材料被導入供料頭中的不同狹縫(通常是2個狹縫至超過200個狹縫)。各股料流在供料頭中合并，并以層狀堆疊物的形式進入模頭，在材料離開模頭時它流出成層狀片材。多料道式模頭在模唇將來自不同擠出機的不同熔融料流合并在一起。這種方法通常限于2-3層薄膜，因為當層數增加時，復雜程度隨之增加。在這兩種情況下，離開模頭的層狀片材通過兩個壓輥形成的輥隙。所述兩個壓輥中至少有一個具有模具加工過(tooled)的表面以形成桿。
還可使用本領域已知的技術，在足以得到所需的粘結強度的溫度和壓力條件下，將緊固件結構的各層相互層壓在一起。一般來說，將各層加熱至軟化狀態并在壓力下將其壓制在一起。可使用接近各聚合物熔點的溫度和高達20KPa或更高的壓力，以得到令人滿意的層間粘合。或者，可使用反應粘結層、熱熔粘合劑和壓敏粘合劑，此時不再需要高溫和壓力。
桿的密度取決于產品的用途。最適用的密度范圍為12-465個桿/cm2(81-3000個桿/英寸2)。可使用各種不同形狀的桿。桿可以是直的、傾斜的或帶頭部(頂蓋)的。帶頂蓋的桿可具有蘑菇狀、高爾夫球座狀、錨狀或釘尾狀的形狀。它們可具有擠出的外形。直的桿可自嚙合、可具有壓敏粘合劑(PSA)外層或者可隨后涂覆PSA。桿可具有各種形狀，包括柱狀、棱柱、球狀、平行六面體、不規則角度的形狀和不規則曲線的形狀。
帶桿卷材還可具有一個光滑的表面(與含桿表面相反的表面)，共擠出層在卷材光滑表面上，從而在含桿表面的機械緊固功能上再復合其它功能。
在本發明一個實例中，將緊固件結構設計成其中的第二層上的桿由稍脆性的熱塑性材料制成。在該實例中，熱塑性材料可構成連續的彈性基底上的薄表層并可構成桿的主要部分。這種結構形成較硬的桿，同時保持總體結構的彈性性能，該結構在厚的彈性層上具有帶桿的薄的連續表層。可通過拉伸活化該彈性結構。向該結構施加足夠的初始拉伸力，以便使相鄰桿之間的表層斷裂或破裂，從而使硬性桿之間的卷材伸長，并在釋放拉伸力后它可基本回復至其初始狀態。每次伸長所需的應力取決于彈性內芯的性能，例如模量、厚度和伸長率。拉伸殘余形變還取決于彈性體的化學結構，它可由接近零至50％，在大多數情況下為3-10％。共擠出的含桿卷材的拉伸性能取決于各層的厚度比。適合作為帶桿的第二層的相對非彈性的硬性聚合物包括，例如聚碳酸酯和聚苯乙烯。
在另一個實例中，帶桿的第二層是由可熔融加工的聚合物材料的不溶混的共混物制成。當該不溶混的共混物通過成形裝置(如模頭和壓延機)拉成材料層時，一種聚合物在另一種聚合物連續相中形成不連續相。所述不連續相聚合物應可以熔融加工并與連續相聚合物充分混合，使得擠出產物中的不溶混區位于第二層的層體中間。該不連續區構成(例如通過擠出加工)顯微級或分子級的沿第二層方向(即縱向或卷材縱向)伸展的細長區(微區、線條或鏈條)。一般來說，在成形層中聚合物不連續區或微區的剖面直徑應小于250微米，較好小于100微米，更好小于50微米。這種結構對伸長是各向異性的。
在分離區中熱塑性層以多條線條形式分開(利用卷材橫向拉伸形成許多嚙合元件)。也就是說，當沿卷材的橫向或與縱向垂直的方向拉伸結構時，熱塑性(第二)層的不連續區被分開。結果，在完整的表面層的區域之間，表面或桿層斷裂成許多窄的平行(斷裂)線條。相反，當沿卷材縱向拉伸這種類型的結構時，熱塑性(第二)層會以更大(gross)的方式分開。表面(熱塑性)層會斷裂成較大較無規的間隔區。當表面層斷裂成線條時，可將該結構拉伸至較大的程度，而不會在斷裂處附近觀察到表面層的脫層。但是，當表面層沿卷材縱向的斷裂被限制在被大得多距離隔開的較少裂縫時，該結構不能再進一步拉伸，并脫層較為明顯。
在本發明另一個實例中，熱塑性(第二)層是稍許可塑的。因此，在“拉伸活化”過程中薄的表層永久拉長，并在松開過程中在顯微級上折疊或褶皺。合適的稍許可塑的聚合物包括，例如聚乙烯和聚丙烯。
桿之間的表層(第二層)的最大厚度是重要的。表層不應太厚以免阻礙拉伸活化該結構。表層的實際厚度取決于所需的桿尺寸和活化該結構所施加的力。一般來說，較薄的表層較好。通常，桿形成前卷材表層的厚度應小于500微米，較好小于250微米，更好小于125微米。
通常，桿形成前表層的最小厚度是重要的。桿形成前表層應的厚度應足以能形成所需大小和硬度的桿，以用于給定的用途。如果彈性層的材料提供足夠的支承，并且表層的材料具有足夠的硬度，則桿形成前表層可十分薄，因為桿無需完全由表層材料制成。相反，如果桿必須完全由表層材料制成，則必須使用較厚的表層。桿形成前表層的實際最小厚度取決于兩層主要層所使用的材料類型和用途。
這些實例示于圖7和圖8。圖7是活化前帶有主要由第二層材料制成的桿部分12的彈性卷材緊固件10。除了形成桿以外，第二層12作為桿之間的薄涂層位于連續的彈性第一層16的上面。圖8說明經拉伸活化后處于伸長狀態的同樣結構。此時卷材10受到拉伸，使薄的第二層14破裂，在桿之間脫開，使彈性層16能自由地伸長。松開拉力后，這種結構會基本回復至其原來的取向，但是會保持脫開，使得該結構能再次被拉伸至如圖8所示的狀態。
還可將各種添加劑加入一層或多層結構層中，如加入填料(以改變材料的牢度和流動性)或抗微生物劑或抗氧劑(用于改變老化性能)。還可使用微球、阻燃劑、內脫模劑、著色劑、導熱顆粒和導電顆粒。
如美國專利5,077,870所述，可將桿的頂蓋制成蘑菇頭來制成鉤扣。也可通過型材擠出在卷材上形成長的隆起，隨后橫向切割該隆起并拉伸形成許多桿，從而制得鉤扣。可在切割前或在切割后在桿上形成頂蓋。這可參見美國專利4,894,060。
還可對桿成形，以具有方向性鉤扣能力。通過在一個挑選的方向上具有緊固性，而在相反方向上具有分離性，這種方向性鉤扣可使圈-鉤緊固結構具有方向穩定性。可將熔融的表層壓制在具有許多同向傾斜的孔的模具上而制得方向性的桿。模具中的所述孔可用激光制得，并且可鉆成與帶表面呈不同的夾角，如45°和60°。熱固性模具的激光鉆孔法公開在美國專利5,792,411中。這些桿不具有與圈表面嚙合的頂蓋。形成的緊固件表面允許本發明的圈-鉤結構緊固件為較牢的松緊帶式，即通過拉伸使機械嚙合脫開，松開形成機械嚙合。
一方面，如果圈層帶有沿一個方向排列的彈性纖維，則其具有彈性。當結構受到拉伸活化，帶桿的硬層(或非彈性的第二層)出現裂縫或隙縫，從而可滲透空氣和水汽。由于彈性層已經可滲透空氣和水汽，因此活化后整個結構是透氣性的(即能滲透空氣和水汽)。
事實上本發明含桿卷材能如任何其它含桿卷材那樣用于任何用途，發現其尤其適用于矯形外科用的緊繃包扎制品或繃帶。例如，彈性緊固件可作為彈性包扎物用于固定電纜、矯形外科制品或運動保護手段。可制得具有具體應用所需的強度、彈性和緊固性能，而無與粘性和粘合劑醫用包扎物和繃帶有關的缺點的醫用包扎物或繃帶。
下面通過實施例進一步說明本發明，這些實施例不對本發明范圍構成限制。在這些實施例中，除非另有說明，否則所有的份、比例和百分數均是以重量計的。下列試驗方法用于表征實施例中的制品。
試驗方法層間粘合性在用平板式壓機制桿以前，在試樣上測定熱塑性材料層和彈性材料層之間的層間粘合性。對于每個試樣，采用購自Instron Corporation，Canton，MA的1122型Instron設備施加拉力進行T-剝離試驗。試樣的寬度為25mm，十字頭速度為100mm/min。
層厚度使用裝有ST-022型測量架的EG-233型Ono Sokki Digital Linear Gauge(購自Ono Sokki Company，Ltd.，Japan)測量試樣中各層的厚度。使用購自LeedsPrecision Instruments，Minneapolis，MN的帶照相功能的光學顯微鏡拍攝表面上帶有桿的薄膜試樣的剖面光學顯微照片。
使用的材料
實施例1將DOWLEXTM3445聚丙烯加入直徑約32mm、L/D為24/1、螺桿速度為15rpm、溫度分布升至約215℃的單螺桿擠出機中。使熱塑性材料通過擠出機，并通過一個加熱的頸管在至少0.7MPa的壓力下連續地出料，并使之進入安裝在一個25.4cm寬的薄膜模頭(CloerenTMEBR Ⅲ 96-151，購自Cloeren Co.)上的三層可調式葉片供料頭(CloerenTM86-120-398型，也購自Cloeren Co.，并設定用于兩層)的一個入口。將彈性材料(Vector 4111)加入直徑約64mm，L/D為24/1，螺桿速度為5rpm并且溫度分布穩定地增至約215℃的第二個單螺桿擠出機中。隨后通過一個加熱頸管在至少約1.4MPa的壓力下使彈性材料連續地出料并進入所述三層供料頭的第二個入口。供料頭和模頭設定在約215℃。模頭間隙設定在約0.5mm。將兩層熔融結構從模頭中出料并以約1.5m/min的下落速率加入由輥隙壓力約0.2KPa的兩個壓輥形成的輥隙中。第一個輥具有保持在55℃的模具加工過的表面，它所含的空腔直徑約為280微米，深度超過約2.5mm，間距約為813微米，使形成的桿陣列的桿密度約為140個桿/cm2。第二個輥具有光滑的鍍鉻表面，也保持在55℃。使聚丙烯層朝模具加工過的的表面，彈性層朝鉻表面。從模具加工過的表面取出形成的平擠薄膜，形成具有柱狀桿突起的帶桿表面的薄膜，各桿的直徑約為300微米，高度約為700微米，從薄膜表面上伸出。將帶桿表面置于加熱至138℃的輥上，在部分薄膜的桿上形成頂蓋。在具有帶頂蓋的桿表面的薄膜的彈性一面施涂購自3M的LSE 300丙烯酸基轉移壓敏粘合劑，并層壓在圈材料A的片材上。
對膜和用相同材料壓制的層壓物進行測量。將膜拉伸至不同的長度并觀察之。在用相同材料壓制的層壓物上測定層間粘合性來模擬硬性層和彈性層之間的粘合性，該層壓物是用加熱至204℃的WabashaTM壓機壓制而成的。這些材料層壓物的層間粘合性為270N/m。用光學顯微鏡觀察到彈性材料構成桿的中心部分。硬性層厚度和彈性層厚度分別約為20和100微米。將三個薄膜試樣分別(1)一次性拉伸超過試樣原來長度達400％，(2)每次拉伸100％，直至400％，或者(3)每次拉伸50％，直至400％。拉伸高達400％后，在三種情況下桿之間的熱塑性層均永久變形。松開薄膜后，帶桿表面的薄膜回縮其伸長的約80％，約20％的伸長成為永久伸長，并觀察到桿之間形成許多褶皺或波紋。隨后數次拉伸和松開循環僅使永久伸長稍有增加。當將膜拉伸并將其纏卷在一起時，帶頂蓋的桿表面和圈表面之間接觸而形成機械粘合。材料層間未觀察到脫層。
實施例2和比較例1這些實施例說明增加熱塑性(第二)層的厚度對本發明卷材性能的影響。
在實施例2和比較例1中，用與實施例1相同的方法制得表面上具有許多無頂蓋的桿并且不帶圈材料的薄膜，但是提高硬性(熱塑性)材料的流量，使第二層的厚度分別增至50微米和80微米。實施例2的卷材如圖3所示，比較例1的卷材如圖5所示。
對于各個實施例，在拉伸過程中觀察具有含桿表面的薄膜的情況。在熱塑性薄膜斷裂前實施例2可拉伸高達約20％。在伸長過程中，硬性層發生變形直至在20％伸長處發生斷裂。硬性層未顯示出與彈性層脫層。在比較例1，稍許拉伸薄膜就發生斷裂。硬性層和彈性層出現某些脫層，用這種材料制成的硬性層的厚度太厚，難以使彈性材料流入桿并形成粘合。
實施例3這些實施例說明提高不同硬性層的厚度對含桿表面的薄膜性能的影響。
在實施例3，用與實施例1相同的方法制得表面上具有無頂蓋的桿并且另一個表面上不帶圈材料的薄膜，但是第二層材料是Styron 615聚苯乙烯，提高硬性材料的流量，將第二層的厚度增至20微米。擠出溫度保持在與實施例1相同的溫度。
對于各個實施例，在拉伸過程中觀察含桿表面薄膜的情況。在聚苯乙烯薄膜斷裂前實施例3伸長高達約50％。在伸長過程中，桿之間的聚苯乙烯層形成微裂縫，這些裂縫隨伸長的增加而分開。
實施例4和5這些實施例說明使用反應粘結層和增加單位面積的桿數目對含桿表面的薄膜性能的影響。
在實施例4和實施例5中，用與實施例1相同的方法制得表面上具有無頂蓋的桿并且不帶圈材料的薄膜，但是有反應粘結層，并且使用不同的材料和不同的模具加工過的表面中的孔數量密度。在實施例4和實施例5中，硬性材料和彈性材料分別是BynelTMXB602聚丙烯和KratonTMFG-1901X共聚物。粘結層是硬性層中的環氧官能團和彈性層中的琥珀酸酐的反應產物。在實施例4和實施例5中，改變模具加工過的表面，以產生約208和480個桿/cm2的桿密度。
對于各個實施例，測定這些材料層之間的粘合性并在拉伸過程中觀察本發明卷材的情況。層間粘合性為1090N/m。即使硬性層的厚度為20微米，也觀察到桿僅由硬性材料組成，因為彈性材料的熔體粘度遠高于熱塑性材料的熔體粘度，因此不會流入模具加工過的表面的孔中。但是，即使硬性層和彈性層之間無機械嚙合，當將實施例4和實施例5的含桿表面的薄膜如實施例1那樣進行拉伸時，也未觀察到硬性層和彈性層的脫層。增加桿的數量密度(預計會產生更強的機械粘合)不會對拉伸性能產生不利影響。
實施例6-10這些實施例說明使用反應粘結層和輻照交聯對帶桿表面的薄膜性能的影響。
在實施例6-10中，用裝有購自Wabash MPI，Wabash，IN的平板的030H-15-LP型Wabash熱壓機制得雙層熱塑性和彈性層薄膜。在實施例6，熱塑性層和彈性層分別由熱塑性材料LotaderTMAX8840和彈性材料KratonTMG1657制成。LotaderAX8840聚合物層是將物料在包覆有聚四氟乙烯涂層片的壓板之間在204℃和276KPa的壓力下放置1.5分鐘后制得的。KratonTMG1657層是將物料放置在包覆有聚酰亞胺基襯里的壓板之間在204℃和827KPa的壓力下放置1.5分鐘后制得的。隨后將這兩層在180℃的溫度下，在輕微的接觸壓力下壓制30秒而壓制在一起。加熱后，立即用2磅的壓輥對該雙層結構碾壓兩次。如實施例6那樣制得實施例7的試樣，但是彈性材料是KratonTMG1901。如實施例7那樣制得實施例8的試樣，但是雙層薄膜(1)在烘箱中放置30秒，預熱至180℃，(2)在輸送的卷材生產線上受到紫外光照射。紫外光固化系統包括F600V型固化系統和EPIQ6000輻照源，兩者均購自Fusion UV Curing Systems，Gaithersburg，MD。薄膜表面照射2J/cm2的能量(用購自EIT，Sterling，VA的UV Power PuckTM測得)。如實施例8那樣制得實施例9的試樣，但是彈性層含有0.5重量％Ph3SSbF6催化劑。如實施例9那樣制得實施例10的試樣，但是催化劑的量為1.0重量％，并且在UV輻照前將兩層薄膜預熱3分鐘。
對于各個實施例，測得這些材料層之間的粘合性，結果列于下表。
表1
由表1可見，加入光敏催化劑對層間粘合性有很大的影響。提高層間粘合性可降低通過兩個主要層機械纏結的層間粘合的要求，從而能制成不含彈性材料的硬性桿。
實施例11和12這些實施例說明使用兩種主要是硬度不同的材料對含桿表面的薄膜的性能的影響。
在實施例11和12中，用與實施例1相同的方法制得表面上具有桿并且不帶圈材料的薄膜，但是使用不同的材料和部分不同的加工條件。在兩個實施例中的第二層材料和彈性材料均分別為TECOFLEXTMCLC-60D聚氨酯和ESTANETM58661聚氨酯。其流量使實施例11和12的硬性層和彈性層的厚度分別為20和100微米及10和100微米。
在第二層薄膜斷裂前實施例11的樣品可伸長20％。首次松開后其永久伸長為10％。實施例12可伸長30％，Tecoflex CLC-60D聚氨酯不出現斷裂或兩層間發生脫層。
實施例13和14制造本發明彈性含桿表面的緊固件的另一種方法是用與實施例1相似的方法制得實施例13和14的試樣，但是用不同的方法施加含圈的材料層。在實施例13中，使圈材料B與熔融的雙層薄膜一起通過模具加工過的表面和光滑表面之間的輥隙，兩種物料的速度均約為1.5m/min。由于熔融的薄膜充分嵌入圈材料B結構的一個織造纖維表面，因此不需要粘合劑粘結層。如實施例13那樣制得實施例14的試樣，但是在加工中不使用Vector 4111彈性共聚物，并且使用圈材料C代替材料B。
在三個不同的方向((1)卷材縱向、(2)與卷材縱向成30°夾角和(3)卷材橫向)拉伸該卷材對這兩個實施例的緊固件結構進行拉伸活化。由于使用各向異性的圈材料，在第一種情況該結構可伸長150％，在第二種情況為40％，在第三種情況僅為10％。兩種試樣可在繃緊狀態下纏繞在一個物體上，并且機械緊固。
實施例15本實施例說明在兩個表面上自嚙合的桿的效果。
用與實施例1相似的方法制得實施例15的卷材，但是將熱塑性第二層材料加入供料頭的第一和第三個狹縫，輥隙的兩個表面均帶有孔，在180℃形成頂蓋并且不使用圈材料。
在薄膜至少拉伸20％后，形成的薄膜的每一面均能與另一面嚙合，而無需使用圈纖維。
實施例16本實施例說明桿式鉤扣的方向對性能的影響。用與實施例1相同的方法制得表面上具有桿的卷材，但是使用具有不同圖案的模具加工過的表面并且桿不帶頂蓋。模具加工過的表面中的孔與該模具表面具有一個夾角而非垂直于該表面。制備兩個試樣試樣A，在模具加工過的表面的輥中的孔使得桿形成于移動卷材的垂直平面中并向模頭傾斜45°；試樣B的桿傾斜60°。將形成的含桿表面的卷材層壓在圈材料A上。形成的彈性結構可以是松緊帶式，即在拉力下拉伸時能使機械緊固元件脫離嚙合，當松開薄膜時用高的粘附壓力可使之重新嚙合。
實施例17本實施例說明各向異性的彈性對性能的影響。
使用三個擠出機在共擠出薄膜生產線上制備三層的薄膜。A層和C層(第一和第二表層或外層)是用3.8cm的單螺桿擠出機(L/D為24/1，Davis-StandardCorp.Cedar Grove，NJ制造，機筒溫度分布為177℃-204℃-218℃-246℃，螺桿速度為23rpm)擠出的。A層和C層的組成相同，含有重量比為25∶75的DYPROTM7825MZ聚丙烯和G18聚苯乙烯的共混物。B層(彈性內芯)是用6.35cm直徑的單螺桿擠出機(L/D為24/1，Davi s-Standard Corp.Cedar Grove，NJ制造，機筒溫度分布為177℃-204℃-218℃-246℃，螺桿速度為30rpm)擠出的。B層使用KRATONTMG1657共聚物。將A、B和C聚合物料流在CloerenTMABC供料頭(CloerenCo.，Orange，Texas)中合并在一起，隨后用一個常規的衣架式模頭擠出之。供料頭和模頭保持在260℃的溫度。將該三層的薄膜擠入一個鉻輥和一個溫度受控的具有模具加工過的表面輥形成的輥隙中，使C層與所述模具加工過的表面接觸。模具加工過的表面的形成桿的空腔密度為388/cm2。鉻輥保持在7℃的溫度，模具加工過的表面保持在66℃的溫度。從模具加工過的表面上取下三層薄膜并纏繞在一個輥上。形成的薄膜的基體厚度為163微米，從基體薄膜上突出的形成于C層上的桿高約550微米，直徑約226微米(距基體薄膜表面約150微米處測得)。隨后將該薄膜加入由上壓延輥(133℃)和下托膜輥(43℃)形成的406微米的輥隙中，使上輥與桿的頂端接觸，將其加熱至在機械壓力下容易變形的溫度，形成總體上同樣的直徑為330微米的圓盤頂蓋。
將形成的薄膜切割成約3cm長，2.5cm寬的試樣。試樣A的長度方向與卷材縱向相同，試樣B的長度方向與卷材橫向相同。沿兩者的長度方向進行拉伸活化。試樣A的含桿表面沿試樣橫向斷裂成單根鋸齒狀線條。進一步拉伸，第二和第三根裂縫在1-3cm長的未斷裂表面區之間沿試樣橫向斷裂。在熱塑性桿表面層和彈性層之間觀察到脫層。試樣B的表面沿試樣的橫向斷裂成數個線條區。未觀察到脫層。
權利要求
1．一種具有兩個表面的卷材，在其至少一個表面上有許多突出的桿，所述卷材包括(a)具有第一表面和第二表面的第一彈性材料層；(b)第二材料層，該材料層的第一表面朝向第一材料層的第一表面，其第二表面有許多突出的桿；當受到拉伸應力后，所述卷材至少可沿一個方向由其初始狀態伸長，除去該應力后它可基本回復至所述初始狀態。
2．如權利要求1所述的卷材，其特征在于所述彈性材料選自天然和合成橡膠、含異戊二烯、丁二烯或乙烯(丁烯)嵌段的苯乙烯嵌段共聚物、茂金屬催化的聚烯烴、聚氨酯或聚二有機硅氧烷。
3．如權利要求1所述的卷材，其特征在于所述第二材料包括熱塑性材料。
4．如權利要求3所述的卷材，其特征在于所述熱塑性材料選自聚烯烴、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、丙烯酸酯改性的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和乙烯-丙烯酸共聚物。
5．如權利要求1所述的卷材，其特征在于所述第一層和第二層通過一層反應粘結層粘合在一起。
6．如權利要求5所述的卷材，其特征在于所述反應粘結層選自(1)在第一層和第二層中的活性官能團的反應產物，該反應是在第一層的第一表面和第二層的第一表面的接觸處進行的；和(2)聚合物材料，它所含的鏈段對第一層材料或第二層材料具有優先親和力。
7．如權利要求1所述的卷材，其特征在于一個或多個桿具有頂蓋。
8．如權利要求1所述的卷材，其特征在于一個或多個所述桿涂覆有粘合劑材料。
9．如權利要求8所述的卷材，其特征在于所述粘合劑材料包括壓敏粘合劑。
10．如權利要求1所述的卷材，其特征在于所述桿是無頂蓋的，并具有一個能自粘附的外表面。
11．如權利要求1所述的卷材，其特征在于所述一個或多個桿的形狀使之具有方向性鉤扣能力。
12．如權利要求1所述的卷材，其特征在于所述第二層包括至少兩種不溶混的可熔融加工的聚合物材料的共混物。
13．如權利要求1所述的卷材，它還包括至少一層放置在所述兩層的至少一層的外表面上的附加層。
14．如權利要求13所述的卷材，其特征在于所述附加層的一個表面上具有許多嚙合元件，它與第二層上的桿機械互鎖，起緊固或鎖合作用。
15．如權利要求1所述的卷材，其特征在于至少有一層是由至少兩種不同材料的至少兩層制成的。
16．一種至少一個表面上有許多突出的桿的卷材的制造方法，它包括下列步驟(a)由第一種彈性材料熔融成形具有第一表面和第二表面的第一材料層；(b)由第二種材料熔融成形具有第一表面和第二表面的第二材料層；(c)將所述第一材料層和第二材料層的第一表面復合在一起，形成片材，其中所述第一層是連續的；(d)至少在所述第二材料層的第二表面上形成許多桿。
17．如權利要求16所述的方法，其特征在于所述第一層包括的所述彈性材料選自天然和合成橡膠、含異戊二烯、丁二烯或乙烯(丁烯)嵌段的苯乙烯嵌段共聚物、茂金屬催化的聚烯烴、聚氨酯或聚二有機硅氧烷，所述第二材料包括熱塑性材料。
18．如權利要求17所述的方法，其特征在于所述熱塑性材料選自聚烯烴、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、丙烯酸酯改性的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和乙烯-丙烯酸共聚物。
19．如權利要求16所述的方法，它還包括在所述第一層和第二層之間添加一層反應粘結層，所述反應粘結層選自(1)在第一層和第二層中的活性官能團的反應產物，該反應是在第一層的第一表面和第二層的第一表面的接觸處進行的；和(2)聚合物材料，它所含的鏈段對第一層材料或第二層材料具有優先親和力。
20．如權利要求16所述的方法，它還包括在至少一部分所述桿上施涂粘合劑材料。
21．如權利要求16所述的方法，它還包括向多層片材的外表面施加至少一層附加層，其中所述附加層的外表面帶有許多圈。
22．如權利要求16所述的方法，其特征在于所述形成桿的步驟包括用至少一個含有孔陣列的溫度受控表面壓制步驟(C)得到的片材，形成桿陣列。
23．如權利要求22所述的方法，它還包括用加熱的表面壓制所述桿，在桿的頂端形成頂蓋，從而在一個或多個桿上形成頂蓋的步驟。
24．如權利要求16所述的方法，其特征在于形成桿的步驟包括(1)使步驟(c)得到的片材通過一個成型模頭，在多層片材的至少一個表面上形成許多隆起；(2)使許多銳利刀刃垂直地通過所述隆起；和(3)拉伸所述多層片材，將各個隆起分開成許多桿。
25．如權利要求16所述的方法，其特征在于所述熔融成形步驟(a)和(b)包括共擠出第一材料層和第二材料層。
26．如權利要求16所述的方法，其特征在于步驟(d)包括至少在第二材料層上形成許多桿，該方法還包括選擇第一材料和第二材料的相對量，使構成第一層的第一材料突入并構成在第二材料層的第二表面上形成的桿的一部分。
全文摘要
一種在其至少一個表面上有許多突出的桿的卷材。它包括帶第一表面和第二表面的第一連續彈性材料層和第二材料層。第二材料層的第一表面朝第一材料層的第一表面,其第二表面有許多突出的桿。將第一和第二材料層復合在一起。第二材料層可由熱塑性材料或可熔融加工的聚合物材料制成。第一和第二材料層是熔融成形的。它們通過共擠出或層壓而復合在一起,形成多層片材。通過加工(例如用帶圖案的輥或模具在熱卷材上壓印桿)而至少在第二層上形成許多桿。
文檔編號B29C69/02GK1281343SQ98809796
公開日2001年1月24日 申請日期1998年10月2日 優先權日1997年10月3日
發明者L·萊維特, R·D·肯普弗, M·D·德爾莫, S·E·克蘭珀, B·T·伯格, A·J·斯皮恩, M·E·內皮爾拉, V·P·塔拉克 申請人:美國3M公司