无纺弹性纤维幅材及其制造方法

专利名称：无纺弹性纤维幅材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种包括弹性纤维的无纺纤维幅材，由此该幅材作为整体能够具有弹性性质。
背景技术：
重要的商业机遇期待着能够适于拉伸、有弹性并且坚固的无纺纤维幅材。这种幅材可以有用于制造合身的服装、或制造袖口、领口或弹性地保持其形状的服装其它部分。或者，这种幅才能够提供透气、柔软、重量轻、类似布一样的纤维。而且，这种幅材往往具有较高摩擦力，可以在许多应用中有用。
认识到这种机遇，许多现有的生产者已经想到了生产弹性无纺纤维幅材。他们的现有的工作体现在专利文献中，包括美国专利3,686,385；4,707,398；4,820,572；4,891,957；5,322,728；5,366,793；5,470,639以及5,997,989号中。
虽然现有资料能够满足一些需求，但是许多机遇仍然不令人满意。总的来说，现有的努力尚未产生出具有足够综合性质的纤维幅材以满足许多可见的机遇，这种综合性质包括可拉伸性、弹性、结合能力和强度。

发明内容
本发明提供了一种纤维弹性无纺幅材，其包括直接聚集的取向的弹性纤维，从而提供了具有有利的和出众强度性质的纤维和幅材。
“直接形成的纤维”是指基本上在一次操作中形成并聚集为纤维无纺幅材的纤维，例如，通过从纤维形成液体中挤出细丝，在这些挤出的细丝行进到聚集器时，将这些挤出的细丝处理成固化的纤维形式，并且在纤维离开液体形式之后，在数秒钟内将这些处理过的纤维聚集为幅材。这种方法与一些方法相反，例如，在挤出的纤维被聚集成织物之前，将它们切成切断纤维。熔吹纤维和熔纺纤维(包括纺粘纤维和以在美国专利6,607,624号中描述的方式制备并聚集在幅材中的纤维)是有用于本发明的直接形成纤维的例子。
“取向”是指纤维内的聚合物分子的部分沿该纤维的纵向对齐，并且锁住该对齐，即被热固定或圈闭该对齐。换句话说，为了使分子移动出它们取向的对齐，将需要把分子加热到它们的松弛温度之上足够长的时间，使分子自由移动并重新排列它们自己，足以失去它们的取向[“松弛温度”在这里被定义为玻璃转变温度正负5℃范围之内的温度(对于无定形非结晶材料)]。对齐的分子能够提高纤维的强度性质。
分子在纤维内是否取向通常能够通过测量纤维是否表现出双折射来指示。如果通过这里描述的测试，纤维表现出至少1×10-5的双折射率，则它们是对齐取向的。双折射率越高，则取向程度越高，且优选的是本发明的无纺幅材中的纤维表现出至少1×10-4或至少为1×10-3的双折射率，并且在某聚合物下，我们已经成功地制备了双折射率为1×10-2或更高的纤维。不同聚合物类的纤维可以表现出不同的取向程度和不同水平的双折射率。
直接形成取向的纤维能够具有变化的弹性度，但是优选的是它们是“弹性体”纤维。术语“弹性体纤维”在这里被认为是指这样的纤维，这种纤维能够被拉伸至少其两倍的原长度，并且当它们从其两倍原长度的拉伸状态释放时，将迅速缩回到不大于其一又四分之一原长度。对于某些用途，特别需要弹性体纤维，并且取向的弹性体纤维能够做出与较小拉伸性或较小弹性恢复性的弹性纤维不同的贡献。术语“弹性纤维”在这里被认为是描述较大范围的纤维，包括具有较小可拉伸性、但是从其拉伸尺寸至少部分地弹性恢复的纤维。弹性纤维在这里通常被认为是这样的纤维，该纤维在其断裂之前能够至少被拉伸到其原长度的125％，并且当其从这种拉伸程度的张拉状态释放时，将缩回伸长量的至少50％。
虽然具有取向纤维，但是本发明的幅材能够是、并且优选的是尺寸稳定的幅材。“尺寸稳定”是指当幅材被加热到70℃的温度时，其在宽度方向(横交于加工方向，即横交于幅材在其上被聚集的收集器移动的方向)上收缩不超过10％。我们已经发现，幅才能够被韧化(anneal)，以释放应力，否则在加热时该应力会引起幅材收缩，且不管韧化，纤维都能够具有提供提高性能的保持取向。
本发明还提供了一种用于制造弹性纤维和幅材的新方法，该方法简要地概括为包括以下步骤a)挤出弹性纤维形成材料的细丝；b)引导这些细丝通过处理室，在该处理室中，向这些细丝施加纵向应力，使它们变细，并拉伸它们；c)在这些细丝在变细和拉应力作用下的同时，将这些细丝在其取向温度下保持足够长的一段时间，使这些细丝内的分子变成取向的并且沿着其长度对齐；d)在这些细丝在变细和拉应力作用下的同时，将它们冷却到其取向锁定温度；以及e)聚集这些处理过的细丝。
“取向温度”是指这样的温度，在该温度下，在变细和拉应力作用下，挤出的细丝内的分子能够移动成沿着该细丝纵向对齐；这种温度通常至少大约是或大于细丝的玻璃转变温度(Tg)或熔点(Tm)。“取向锁定温度”是指这样的温度，在该温度下，细丝内的分子变成被热固定或圈闭成它们可以在细丝内所获得的取向。这种温度通常比细丝的松弛温度低至少约30℃。
在本发明的另一方面中，所述的方法还包括通过将纤维暴露于其收缩温度或比该收缩温度高的温度、但是比纤维的松弛温度低至少10℃的温度下，韧化制备的细丝的步骤。(收缩温度在这里指这样的温度，在该温度下，通过收缩超过10％，纤维释放应力，但是该温度低于纤维的熔化或软化温度)。我们已经发现在这样的步骤中，根据本发明制备的优选的纤维能够经受收缩，同时保持一些有用的分子取向。且纤维和幅材的弹性性质、尤其是它们的可拉伸量能够通过韧化和通过在韧化时发生的收缩而增加。


图1是用于形成本发明的无纺纤维幅材的设备的示意性总图；图2是用于形成本发明的无纺纤维幅材的处理室的放大侧视图，其中未示出用于该处理室的安装装置；图3是图2所示的处理室与安装和其它相关设备一起的局部示意俯视图；图4a、4b和4c是说明本发明的幅材中的纤维结合的示意图；图5是本发明幅材的部分示意图，示出了彼此交叠并相互结合的纤维；图6和图7是示意图，示出了从挤压头延伸到收集器的说明性挤出的细丝，伴有说明性的设备和描述性的信息。
具体实施例方式
图1示出能够用于制备本发明的无纺纤维幅材的说明性的设备。通过下述步骤，将纤维形成材料送到这个特定的说明性设备中的挤压头10中，即将纤维形成材料引进进料器11中；在挤压机12中熔化该材料；并且通过泵13将该熔化的材料泵送到挤压头10中。虽然呈丸状或其它具体形状的固态聚合物材料是最常用的并且熔化成可泵送状态的液体，但是也可以使用诸如聚合物溶液的其它纤维形成材料。
该挤压头10可以是常规的喷丝头或喷丝组合，通常包括布置成规则图案的多个管口，例如布置成直线列。纤维形成液体的细丝15从该挤压头挤出，并被输送到处理室或变细器16中。通常的，一些空气或其它气体冷却流通过常规的方法和设备而提供给挤出的细丝，以降低挤出细丝15的温度。有时，该冷却流可以被加热，以获得所希望的挤出细丝的温度和/或便于拉伸该细丝。可以有一个或多股空气(或其它流体)流，例如，横向吹送到细丝流的第一股流18a，其可除去不想要的气态物质或者挤压时所产生的烟气；和实现所主要希望的温度降低的第二股冷却流18b。根据所用的工艺或所希望的最终产品的形式，在细丝15到达变细器16之前，该冷却流可以足以固化一些挤出的细丝。但是一般而言，在本发明的方法中，当挤出的细丝进入变细器时，挤出的细丝状组分仍然处于软化或熔融状态。或者，不使用冷却流；在这种情况下，挤压头10和变细器16之间的周围空气或其它流体可以是在细丝到达变细器之前用于该挤出的细丝状组分的任何温度变化的介质。
正如在下面详细讨论的，细丝15通过变细器16，然后离开该变细器。最常见的是，如图1所示，细丝离开并进入聚集器19，其中它们被聚集成纤维块20，该纤维块20可以是或可以不是粘结性的，并且可以呈可处理的幅材形式。该聚集器19通常是多孔的，并且在该聚集器下面可以定位有抽气装置14，以便有助于纤维沉积在该聚集器上。
根据细丝的化学成分，在纤维中可以获得不同的组织(morphology)。正如在下面所讨论的，纤维内可能的组织形式包括非晶的、有序的或硬的非晶的，取向非晶的、结晶的、取向的或成型结晶的、以及伸展链结晶(有时称之为应变引起的结晶)。本发明幅材中的纤维可以表现出多于一种的这些不同种类的组织。而且，在一些实施例中，不同种类的组织可以存在于相同的纤维内，例如，可以沿着单个纤维的长度存在，或者可以以不同的量存在、或者以不同的有序或取向程度存在。并且这些差别能够存在到这样的程度，即使得沿着纤维长度的纵向段在结合操作中的软化特征不同。
在通过处理室之后、但是在聚集之前，挤出的细丝或纤维可以进行图1未示出的多个附加的处理步骤，例如，进一步拉伸、喷射等。聚集后，整块聚集纤维20可以被输送到另一个设备中，例如结合炉、通气结合器、砑光机、水力缠结机械式结合机、滚花台、层压机、切割机等，或者可以通过驱动辊22而缠绕在储藏辊23上。
在本发明的一个优选实践中，聚集的纤维被暴露于热量下，例如通过炉子或“通气”炉，或热气刀(hot-air knife)，以韧化纤维。也就是说，减小或者消除了该纤维内的张力或其它应力，因而纤维具有了在某些环境条件下的提高的稳定性。正如在上面所讨论的，业已发现，当根据本发明取向的弹性纤维被加热到高于收缩温度、但低于松弛温度时，该纤维经受收缩并且失去一些取向，但不是所有的取向。本发明优选的纤维通常在韧化之后保留一些取向，这提高了纤维的物理性能。通过热暴露的长度和纤维暴露的温度，通常可以至少部分地控制保留的取向的量。
如果在聚集过程中未实现结合，则所述的韧化步骤在制备聚集的纤维的结合时能够是有利的。如果本发明的一些聚集的纤维块在没有进行第一次韧化的情况下被热结合，则聚集的纤维块在结合操作中可能以非受控方式收缩收，形成扭曲的幅材。但是，业已发现，在优选的实施例中，在如上所述的受控制的韧化之后，可以实现结合，同时使织物处于不扭曲的状态下，并且纤维保留有益的纤维增强取向。
当使用韧化和结合时，可以紧随韧化之后进行结合。例如，可以在与进行韧化的同一个炉中进行结合，或者在相邻的炉中进行，加热到比韧化操作高的温度下进行结合。或者，结合可以通过将幅材输送到通气炉、或者砑光或点结合设备中进行。结合不必在韧化之后立即进行，并且在纤维韧化之后等待36-48小时可能会是理想的，在这期间纤维可以进一步松弛。优选地是，热结合是自生结合，意味着在不需要诸如通过砑光或点结合机施加的压力的情况下形成。结合还可以通过结合的纤维的内含物或幅材中的树脂实现，或者通过向幅材或幅材的某些点或某些部分涂敷溶剂实现。
图1所示的设备对于实施本发明是有利的，这是因为它能够控制通过变细器的细丝的温度，使长丝以较快的速率通过该处理室，并且能够对细丝施加应力，使细丝产生所希望的取向程度(如2003年8月19日授权的美国专利6,607,624号的附图中所示的设备)。正如使细丝暴露的条件能够被调节一样，作为该工艺所希望控制的一部分，挤出的细丝在到达该变细器16之前所走过的距离17可以被调节。例如，该处理室能够移动更接近挤压头，从而当细丝进入该处理室时，使挤出的细丝的温度比它们以其它方式的高。当这种较高温度的细丝在处理室中受到拉伸时，它们比较容易伸展，并且细丝中的分子可以变成对齐的或者取向的。
一般来说，选择进入处理室的细丝的温度以及在处理室中对细丝施加的张力，从而当挤出的细丝行进通过该处理室时，在挤出的细丝中实现了所希望的且有效的拉伸(即，非断裂的)程度。与一般的现有技术的纺丝粘合工艺和设备不同，本发明提供了新方法，该方法可以包括在该挤出的细丝的温度仍然足够高到这里所定义的取向温度时，施加拉伸/变细应力；施加拉伸/变细应力相对较长的时间(即，较大的丝条的时间比例)；以及施加拉伸/变细应力，直到挤出的细丝已被冷却到其取向锁定温度以下。在本发明中，与通常所用的纺粘工艺相比，丝条应力可以保持在较低的水平上，从而即便细丝处于高于玻璃转变温度或熔点温度以上的温度下，也避免了细丝断裂。实际上，在细丝处于高于玻璃转变温度或熔点温度的温度下时，有意施加变细应力有助于使用低应力的能力。并且，细丝能够以较快的速率移动通过处理室，这样在细丝被冷却到取向锁定温度之前，使细丝内取向的分子返回到无取向状态(即，未沿着细丝的长度对齐)的机会最小化。
如上所述，在细丝处于纵向应力的情况下，至少在部分时间内细丝一般应当处在其取向温度之上。这种有用的取向温度随着聚合物族而变化，但是通常处于高于细丝的松弛温度至少20℃、并且优选至少40℃的温度下。
当细丝行进通过处理室、并且到聚集器时，它们变冷，并且最终达到取向锁定温度。此外，对于不同的聚合物族，这个温度将变化，但是通常它比松弛温度至少低30℃、且优选至少低80℃。当细丝达到取向锁定温度时，它们处于纵向应力的作用下，该纵向应力一般已经施加足够长的时间，使细丝内的分子变成沿该细丝的长度对齐。比施加给已经冷却并且进行冷拉伸的细丝的应力小的应力可以施加给本发明方法的仍然热的细丝上，并且与一般的现有技术的通常的时间相比，这些应力可以施加更长的时间。作为必然结果，在细丝达到取向锁定温度之前，在该细丝中能够产生较大范围的取向。
由于细丝具有取向，并且当冷却到取向锁定温度时处于纵向张力作用下，因而该取向在聚集的纤维中至少保持一部分。即便在后面的韧化可能会导致损失一些取向，但是仍然存在足够的这种保持的取向，在韧化之后能够保持取向，以增强纤维的强度和稳定性。
该工艺的其它有用的控制可以通过控制处理室/变细器的长度、当长丝移动通过变细器时细丝的速度和温度、以及从该变细器到聚集器19的距离来实现。通过在张力作用并且处于拉伸状态下的同时使一些细丝或全部细丝或其若干段冷却到固体状态，该细的取向和随后的纤维的组织能够变成稳定的，即细丝或纤维中的分子或其一部分能够被热固定或圈闭在如上所述的它们对齐的位置上。
该设备的一些有利的特性进一步示于图2，图2是代表性的处理装置或变细器的放大的侧视图，而图3是图2所示的处理设备与安装装置和其它相关设备一起的局部示意性俯视图。所示的变细器16包括两个分开的活动的一半或一侧16a和16b，在它们之间限定出一处理室24该两侧的面对的表面形成了该处理室的壁。从图3的俯视图可以看到，该处理室或变细室24通常是细长的槽，其具有横向长度(横交于细丝进行通过该变细器的路径)25，其能够随着被处理的细丝的数目而变化。
虽然作为两半或两侧的形式存在，但是变细器作为一个整体装置起作用，并且将首先讨论其组合形式。(图2和图3所示的结构仅仅是代表性的，并且可以采用各种不同的结构。)。该代表性的变细器16包括倾斜的进入壁27，该进入壁27限定了该变细室24的进入空间或入口24a。该进入壁27优选地在进入边缘或表面27a处弯曲，以使载有挤出的细丝15的空气流平稳进入。壁27被联接在主体部分28上，并且可以具有凹进区域29，从而在该主体部分28和壁27之间形成间隙30。空气可通过导管31进入该间隙30中，形成空气刀(用箭头32表示)，该空气刀增加行进通过该变细器的细丝的速度，并且还具有对细丝冷却的效果。该变细器的主体28优选地在28a处弯曲，从而使从空气刀32到通道24的空气平稳通过。该变细器主体的表面28b的角度(α)可以被选择成以确定空气刀撞击通过该变细器的细丝流所处的希望的角度。除了靠近该处理室的入口，空气刀还可以被设置在该处理室内。
该变细室24可以在通过其(沿着纵轴26通过该变细室的尺寸在这里被称作轴向长度)的整个纵向长度上具有均匀的间隙宽度(在图2的页面上位于两个变细室侧之间的水平距离33在这里被称作间隙宽度)。或者，如图2所示，该间隙宽度可以沿着该变细室的长度变化。当变细室由直壁或扁平壁形成时，壁之间的空间可以在其长度上是恒定的，或者可选地是，壁在该变细室的轴向长度上可以稍稍分叉或者会聚。在所有情况下，形成变细室的壁在这里都被认为是平行的，这是因为与确切平行之间的偏离比较轻微。如图2所示，限定出该通道24的纵向长度的主要部分的壁可以呈与主体部分28分离开、并被连接于该主体部分28上的板36的形式。
变细室24的长度可以变化，以达到不同的效果。空气刀32和出口34之间的部分的变化是尤其有用的，在这里有时称作斜道(chute)长度35。处理室的壁和轴线26之间的角度在出口34附近可以较大，以改变纤维在该聚集器上的分布，并改变在变细器出口处的气流场的涡流和图案。还可以在出口处采用这样的构造，诸如偏转器表面，柯恩达效应(Coanda)弯曲表面和非均匀壁长，以实现希望的气流力场以及纤维的散布或其它分布。一般来说，间隙宽度、斜道长度、变细室的形状等与被处理的材料和所想要的处理模式一起选择，以达到所希望的效果。例如，较长的斜道可以有用于增加所制备纤维的结晶性。条件可以选择并且能够在很大的范围内变化，以将挤出的细丝处理成所希望的纤维形式。
如图3所示，代表性的变细器16的两侧16a和16b通过连接于在杆39上滑动的直线轴承36的安装块37而相互支撑。轴承38通过诸如径向地设置在杆周围的轴向延伸的滚珠轴承列而在该杆上低摩擦移动，由此两侧16a和16b能够容易地彼此朝着对方或远离对方运动。安装块37被连接于变细器的主体28和壳体40上，来自供给管道41的空气通过该壳体40而被分配到导管31和空气刀32。
在所示实施例中，气缸43a和43b通过连接杆44而分别连接于变细器侧16a和16b，并施加一个夹紧力，将变细器侧16a和16b相互压在一起。该夹紧力与其它操作参数一起选择，以便平衡存在于该变细室24中的压力。换句话说，在优选的操作条件下，该夹紧力与在内作用在该变细室内、以使变细器的两侧分开的力(例如由变细器内的气压所产生的力)平衡或均衡。细丝状材料可以被挤压通过该变细室并聚集成加工好的纤维，同时该变细部件保持处于其建立的均衡或稳态位置，并且变细室或通道24保持处于其形成的均衡或稳态间隙宽度。
在图1-图3所示的代表性的设备的操作过程中，只有当系统存在干扰时，通常才发生变细器侧或变细室壁的运动。当被处理的细丝断裂或与其它细丝或纤维缠绕时，可能发生这种干扰。这种断裂或缠绕经常伴随着变细室24内的压力增加，例如，由于来自挤压头的细丝的前端或缠绕变大并且造成室24局部堵塞。该增大的压力可足以迫使变细器侧或室壁16a和16b相互离开移动。当室壁运动时，进来的细丝端部或缠绕能够通过该变细器，于是该变细室24内的压力在干扰之前恢复到其稳态值，且由气缸43施加的夹紧力使变细器侧恢复到其稳态位置处。使变细室中的压力增加的其它干扰包括“滴流”，即当挤出的细丝断开、或者挤出的细丝状材料聚集，纤维形成材料的球状液块从挤压头的出口处落下，挤出的细丝材料可以接合或粘在变细室壁上或事先沉积的纤维形成材料上。
实际上，变细器侧16a和16b的其中之一或两者“浮动”，即不借助于任何结构保持到位，而是被安装成沿着图1中箭头50所示的方向自由和容易地横向运动。在一个优选实施例中，作用在变细器侧上的仅有的力除了摩擦力和重力是由气缸施加的偏置力和在该变细室24内产生的内压力。可以使用除气缸之外的其它夹紧装置，例如弹簧、弹性材料的变形或凸轮，但是气缸提供了想要的控制和可变性。
有许多替代性的方案可用，使处理室壁的想要运动发生或能够发生。例如，不是依靠流体压力压迫处理室部件的壁，而是可以使用处理室内的传感器(例如检测壁上的聚集或处理室的堵塞的激光器或热传感器)，用以起动使壁分离开然后使其恢复到稳态位置的伺服机构。在本发明的另一种有用的设备中，该变细器侧或室壁的其中之一或两者以振荡图形被驱动，例如借助于伺服机构的、振动的或超声的驱动装置。振荡速率可以在较宽的范围内变化，例如从每分钟至少5000周到每秒钟60000周。
在又一个变型中，用于使壁分开并使其恢复到稳态位置的运动装置呈处理室内的流体压力和作用在该室壁外部的周围压力之间的压力差的简单形式。更具体地说，在稳态运行中，该处理室内的压力(例如由该处理室的内部形状、空气刀的存在、位置和结构、进入该室的流体流的速度等所产生的作用在该处理室内的各种力之和)与作用在该室壁外部的周围压力平衡。如果由于纤维形成过程的干扰而造成该处理室内的压力增大，则室壁的其中之一或两者相互远离移动，直到干扰结束为止，于是该处理室内的压力减小到小于其稳态压力(由于该室壁之间的间隙宽度大于稳态位置的宽度)。因而，作用在该室壁外部的周围压力迫使该室壁返回，直到内部压力与周围压力平衡为止，并且发生稳态运行。缺少对设备和处理参数的控制可以使仅仅依靠压力差成为一种不太希望的选择。
总之，除了瞬时运动和在一些情况下“浮动”之外，该处理室的壁通常还受使它们以希望的方式运动的装置的支配。壁可以一般地看作，例如物理地或可操作地连接于用于使壁所希望地运动的装置。该运动装置可以是该处理室或相关设备、或运行状态、或其组合的任何特征，该特征使活动壁产生意图的运动——分开运动，例如用以在纤维形成过程中防止或减轻干扰；和一起运动，用以使该室形成或返回到稳态运行。
在图1-图3所示的实施例中，变细室24的间隙宽度33与存在于该室内的压力、或者与流体流过该室的速率和流体温度相互相关。夹紧力与变细室内的压力相匹配，并随着变细室的间隙宽度而变化对于给定的流体流速，间隙宽度越窄，该变细室内的压力越高，并且该夹紧力必定越高。较低的夹紧力允许较宽的间隙宽度。可以采用机械止动器，例如，变细器侧16a和16b其中之一或两者上的抵靠结构，用以确保保持最小或最大的间隙宽度。
在一种有用的设置中，气缸43a施加夹紧力比气缸43b施加的大，例如通过采用比在气缸43b中使用的活塞直径大的直径的活塞的气缸43a。当运行中发生干扰时，力之差形成在作为最容易移动的一侧——变细器侧16b上。该力之差大约等于并抵消阻止杆39上的轴承38运动的摩擦力。限制装置可以连接于较大的气缸43a上，以限制变细器侧16a朝着变细侧16b运动。如图3所示，一种说明性的限制装置将气缸43a用作双杆气缸，其中第二杆46是带螺纹的，其延伸通过安装板47并且装有螺母48，该螺母48可以调节，以调节气缸的位置。例如，通过旋转该螺母48，限制装置的调节将变细室24定位成与挤压头10对齐。
由于变细器侧16a和16b的瞬时分开和重新闭合，纤维形成操作的操作参数扩大。预先使该方法不能运行的一些条件——例如，由于它们导致细丝断裂，为了重新穿进，需要关闭——变成可以接受的；当细丝断裂时，进来的细丝端的重新穿进通常自动地发生。例如，可以使用导致细丝断裂的较高速度。类似的，可以使用使空气刀更加集中并对通过变细器的细丝施加更大的力和更快的速度的较窄的间隙宽度。或者细丝可以被以更加熔融的状态引入该变细室中，从而能够对纤维性质进行更好的控制，这是因为减小了堵塞变细室的危险。该变细器可以移动更加靠近或更加远离挤压头，从而当细丝进入变细室时，格外控制细丝的温度。
虽然变细器16的室壁被示作大致的整体结构，但是它们也可以呈若干单独零件的装配体的形式，每个零件被安装成用于所述的瞬时运动或浮动运动。这些单独的零件包括通过密封装置一个壁接合另一个壁，以便保持变细室24内的内部压力。在不同的设置中，诸如橡胶或塑料的柔性片材形成该处理室24的壁，从而当压力局部地增大(例如，由于单个的细丝或一组细丝的断裂所引起的堵塞)时，该处理室能够局部地变形。偏置装置组或网(grid)可以接合分段的或柔性的壁；利用足够的偏置装置对应于局部的变形，并使壁的变形部分偏置回到其未变形的位置上。或者，振荡装置组或网可以接合该柔性壁，并使该壁的局部区域振荡。或者，以上述方式，可以利用该处理室内的流体压力和作用在该壁外面或该壁的局部的周围压力之间的压力差，使该壁的一部分打开，例如在处理干扰期间，并使壁返回到未变形的位置或稳态位置上，例如当干扰结束时。还可以控制流体压力，以使柔性或分段壁产生连续的振荡状态。
正如将会看到的，在图2和图3所示的优选实施例中，在该室的横向长度的端部处没有侧壁。结果是通过该室的纤维能够当它们到达出口时向外蔓延到该室的外面。这种蔓延是加宽聚集在聚集器上的纤维块所想要的。在其它实施例中，处理室包括侧壁，尽管在该处理室的一个横向端处单侧壁并没有连接于该室的两侧16a和16b，这是因为连接于该室两侧将会阻止如上所述的侧面分开。而是，侧壁可以连接于一个室侧，而且，当并且如果该侧响应通道内的压力变化而移动时，与该侧一起运动。在其它实施例中，该侧壁被分开，一部分连接于一个室侧，而另一部分连接于另一个室侧，且如果希望限制在该处理室内的被处理纤维的纤维流，则侧壁部分优选重叠。
虽然所示的装置是相当优选的，其中壁可以瞬时运动，但是本发明还可以用诸如除了限定出处理室的壁被固定在位的之外的装置实施，通常这种装置的方便性和效果均较差。
可以用各种弹性纤维形成材料、优选地用弹性体纤维形成材料形成本发明的纤维幅材。在至少一些形式(例如在至少分子结构或分子量上、或具有适当的共聚单体或其它添加剂)中能够满足上述弹性和弹性体纤维定义的有机聚合物材料包括尿烷基的聚合物、乙烯基的聚合物以及丙稀基的聚合物、乙烯-苯乙烯共聚物、超低密度聚乙烯或超低密度聚丙烯、乙烯-丙稀共聚物以及乙烯-丙稀嵌段共聚物、苯乙烯嵌段共聚物、脂肪族聚酯以及脂肪族聚酰胺。可以使用借助于纺粘或熔喷技术难以形成纤维的一些材料或聚合物。
在半结晶聚合物材料的情况下，本发明的优选实施例提供了无纺纤维幅材，其包括在该纤维中的链扩展结晶结构(也称作应力诱导结晶)，从而增加了幅材的强度和稳定性(链扩展结晶和其它类型的结晶，通常能够借助于X射线分析检测出)。具有自生结合、有时称作周边穿透结合的结构的组合是另一个优点。该幅材的纤维几乎在其大部分长度的直径上可以相当均匀，并且独立于其它纤维，以具有希望的蓬松性质。可以获得90％或90％以上的蓬松度(与密实性相反，并且包括幅材中的空气体积与该幅材总的体积的百分比)，并在诸如过滤或隔离的许多应用中有用。即使较少取向的纤维段优选地经受一些沿着纤维的整个长度增强纤维强度的取向。非结晶的其它纤维形成材料、例如苯乙烯嵌段共聚物仍然能够从取向中获得益处。
虽然本发明与呈熔融形式的纤维形成材料一起使用特别有用，但是还可以使用诸如溶液或悬浮液的其它纤维形成液体。上面所列的具体聚合物仅仅是例子，并且较宽范围内的多种其它聚合物的或纤维形成材料是有用的。令人感兴趣的是，利用熔融聚合物的本发明的纤维形成方法与传统的直接挤压方法相比可以经常在较低温下进行，这种方法具有许多优点。
纤维还可以由材料的混合物形成，包括已经混合诸如颜料或染料的某些添加剂的材料。这里所用的术语“纤维”指单组分纤维；双组分或结合纤维(为了方便，“双组分”通常用来指由两种组分构成的纤维以及由两种以上的组分构成的纤维)；以及双组分纤维的纤维部分，即具有该双组分纤维的截面并且延伸过该双组分纤维的长度的部分。可以制备芯鞘或并排型双组分纤维。在本发明的双组分纤维中，至少一种组分满足上述弹性或弹性体纤维的说明，优选的是该纤维的所有组分都满足这些说明。
此外，不同的纤维形成材料可以挤压通过挤压头的不同的管口，以便制备出包括纤维混合物的幅材。在本发明的其它实施例中，在纤维被收集之前或者在纤维被收集时，其它材料被引入了根据本发明制备的纤维流中。例如，可以以在美国专利4,118,531号中公开的方式混合其它切段纤维；或者可以以在美国专利3,971,373号中公开的方式将微粒材料引入该幅材内，并被该幅材捕获；或者如在美国专利4,813,948号中公开的微幅材可以混合在该幅材中。或者，根据本发明制备的纤维可以被引入其它纤维流中，以制备纤维的混合物。
除了上面所讨论的保留的弹性纤维取向之外，本发明的幅材和纤维可以具有独特的特性。作为一个例子，本发明的新幅材优选包括组织在其长度中变化的纤维，以便在所选的结合操作中提供在软化特性上相互不同的若干纵向段(这种特性也公开在较早申请的相关申请中美国序列号10/151,782和10/151,780，这两个申请都提交于2002年5月20，公开于2003年11月20日，其公开号为US-2003-0216096-A1和US-2003-0216099-A1)。这些纵向段中的一些在结合操作状态下软化，即在选择的结合操作期间是主动的，并且变得与该幅材的其它纤维结合；而其它纵向段在结合操作期间是被动的。优选的是，主动的纵向段在有用的结合状态下充分软化，例如在幅材能够自生结合的足够低的温度下。而且，优选的是，相邻的纵向段在直径上的不同不超过10％。因此，纤维能够具有“均匀的直径”，在这里这意味着纤维在相当大的长度上(即5厘米或5厘米以上)具有基本上同样的直径(变化在10％或10％以下)。
对于嵌段聚合物，应当注意共聚物的单个嵌段在组织上可以变化，如当一个嵌段是结晶的或半结晶的，而另一个嵌段是非晶的；由本发明的纤维经常具有的组织的变化不是这样的变化，而是更加宏观性质的变化，其中若干分子参与形成纤维的通常物理上可识别的部分。
虽然在本发明的幅材中的相邻的纵向段在直径上可能不会明显不同，但是纤维与纤维之间在直径上可能会明显地变化。
作为本发明的纤维和幅材的另一个独特的特性，在一些聚集的幅材中发现纤维是切断的(interrupted)，即断裂的，或与自身缠结或与其它纤维缠结，或者由于与处理室的壁接合而以其它方式变形。在切断部位的纤维段——即在纤维断裂点处的纤维段和发生缠结或变形的纤维段——在这里都称之为切断的纤维段，或者更通常地为了简化起见，通常被简单称为“纤维端”这些切断的纤维段形成了不受影响长度的纤维的终点或端部，即使在缠结或变形的情况下，也经常有不是真正的纤维断裂或割断。这种切断的纤维段被详细地描述在美国专利6,607,624号中。
纤维端具有纤维形状(与在熔喷或其它前述方法中有时获得的球形相对)，但是与纤维的中央或中间部分相比通常直径变大；通常它们的直径小于300微米。经常的是，纤维端部、尤其是断裂的端部具有卷曲的或螺旋的形状，这使得端部与其自身或其它纤维缠结在一起。并且该纤维端部可以与其它纤维并排结合在一起，例如，通过纤维端部材料与相邻纤维材料的自生聚结。
在聚集时，本发明的幅材可以粘结，或在聚集之后，可以采取步骤使幅材粘接或增加它们的粘接。这样的步骤包括纤维之间的结合，包括热结合、通过添加的粘结剂或结合纤维的粘性结合、或通过诸如水力缠结的缠结实现的机械结合。水力缠结的基本操作方法被描述在例如1995年2月14日授予Everhart等人的美国专利5,389,202号中(见例子第8和第9行)。
考虑到本发明的结合方面，本发明可以理解为一种用于制备纤维幅材的方法，包括以下步骤1)从弹性纤维形成液体中制备出挤出的细丝；2)处理并使该挤出的细丝变细，从而固化成具有分子取向的可聚集的纤维；3)将纤维聚集成无纺幅材；4)通过将聚集的纤维暴露在高于它们的收缩温度、但是低于松弛温度的温度下，对它们进行韧化处理，以使幅材尺寸稳定，同时保留足够的分子取向，以使纤维具有至少1×10-5的双折射率；以及5)结合这些纤维(热、机械或其它方式结合)，以增加幅材的粘结性。这些步骤不必是所列的顺序，例如步骤(4)可以在步骤(5)的后面。
在热结合中，当纤维的结合部分充分地流动以形成图4a和4b所示的周边穿透型结合时，得到了最好的结合。这种结合在结合纤维之间形成更大范围的接触，并且增大的接触面积增加了结合的强度。图4a示出一种结合，其中一根纤维或纤维段52变形，而另一根纤维或纤维段53基本上保持其截面形状。图4b示出一种结合，其中两根纤维55和56被结合，并且每根的截面形状变形。在图4a和图4b中，示出了周边穿透型结合图4a中的虚线54示出纤维52若无纤维53的穿透所引起的变形所具有的形状，而图4b中的虚线57和58分别示出了纤维55和56若无结合所具有的形状。图4c以可以不同于周边穿透结合的形式示意地示出结合在一起的两个纤维，其中来自一个或多个纤维外部的材料(例如同心部分)已经聚结，从而结合了该两个纤维，而没有实际穿透该纤维中任何一个的周边。
图4a-图4c所示的结合可以是自生结合，例如通过加热本发明的幅材而无需施加砑光压力。这种结合使幅材具有较柔软的手感，并且在压力下保持较大的蓬松性。但是，如点结合或大面积的砑光结合的压力结合也是有用的。通过施加红外、激光、超声或热激活或以其它方式激活纤维之间的结合的其它能量形式，也能够形成结合。还可以利用施加溶剂。由于当幅材仅仅经受仅在一些结合中起作用的有限的压力时，幅材可以具有自生结合和压力形成的结合两种结合。即便还存在有限数量的其它类型的压力形成的结合，具有自生结合的幅材在这里也被认为是自生结合的。一般而言，在实践本发明中，希望结合操作选择成允许一些纵向段软化，并且在结合到相邻的纤维或纤维部分中是活性的，而其它纵向段在实现结合中保持被动或非活性。
本发明尤其有用于直接幅材形成工艺，其中形成纤维的聚合物材料在一个主要的直接操作(包括细丝挤压、处理和固化细丝、聚集该处理过的细丝、以及如果需要的话则进一步处理以将聚集的纤维片转换为幅材)中转变为幅材。本发明的无纺纤维幅材优选包括直接聚集的纤维或直接聚集的纤维块，意味着当纤维离开纤维形成设备时，纤维被聚集为类似幅材的块。诸如切段纤维或微粒或直接形成纤维的其它组分可以与本发明的直接形成的纤维块一聚集在一起。
根据本发明制备的纤维的平均直径的范围可以较宽。可以获得微纤维尺寸(直径为10微米或更小)，并且微纤维可以具有许多优点；但是也能够制备较大直径的纤维，并且大直径纤维在某些应用中有用；通常纤维直径为20微米或更小。最经常制备的是圆形截面的纤维，但是还可以用其它截面形状的纤维。根据所选择的操作参数，聚集的纤维可以是相当连续的或基本上不连续的。
如上所述，根据本发明，细丝以较快的速度处理。例如，并不知道以每分钟8000米的明显的细丝速度通过处理室处理聚丙烯，但是用图1-图3所示的设备，这种明显的细丝速度是可能的(使用了术语明显的细丝速度，因为该速度是从例如聚合物的流速、聚合物密度和平均纤维直径中计算出的)。已经发现每分钟2800米或更高的细丝速度在本发明中具有优点，通常，我们优选以每分钟4000或5000米的细丝速度操作。在如图1-图3所示的设备上已经实现了甚至更快的明显的细丝速度，例如每分钟10000米，或者甚至每分钟14000或18000米，并且这些速度能够在较宽范围内的聚合物的情况下获得。
此外，挤压头中的每个孔能够处理大量聚合物，并且在以高速移动挤出的细丝的同时能够处理这些大量聚合物。这种结合得到了高生产率指数——聚合物产出率(例如，以克/孔/分钟为单位)乘以挤出细丝的明显速度(例如以米/分钟为单位)。本发明的方法可以容易实践，生产率指数为9000或更高，甚至同时生产出直径为20微米或更小的细丝。
图6和图7示出本发明所涉及的一些术语和概念。图6是典型的用熔融的纤维形成材料制备的挤出细丝80并加工成根据本发明的纤维的示意图；该图示出被处理并改变尺寸时的细丝，但是没有示出真正通过变细设备或其它设备的细丝。在示意图中的尺寸被极大地放大，并且不意图精确地表示真实的尺寸。
如图6所示，细丝从挤压头81挤出并且行进到聚集器82。该细丝通过处理室，但是为了说明，该处理室83与细丝相比以特别小的比例画出，并放在丝条的旁边(而不是该丝条的正常位置中)。
当熔融的细丝80离开挤压头81时，由于它从挤压管口的约束中释放，因而它的尺寸通常膨胀。然后，由于对其施加的拉力，例如吹过该处理室的空气的拉力，其直径变小。当挤出的细丝进一步移动远离挤压头时，它的直径继续变小，在这期间，细丝冷却，例如，因为通常在细丝周围的诸如周围的较冷的空气，或冷却的空气或其它气体流。直径继续变细，基本上直到该细丝达到该细丝状材料的凝固/熔化温度(对于结晶的或半结晶的材料)或玻璃转变温度(对于非晶材料)为止，该细丝达到凝固/熔化温度或玻璃转变温度时所在的位置在丝条上被标记为区域85，并且用标记为Tm/Tg的线条标记，以表示这个区域不必是精确点，但是一般沿着丝条延伸一定距离。从区域85向前到聚集器，细丝可以基本上保持其直径；如果施加于细丝的拉力足够大，一些变细将继续。
根据本发明，区域85和处理室83的相对位置可以变化。处理室的一个说明性的位置用实线示出，但是该处理室也可以占据由虚线示出的范围内不同的位置；该虚线并不是想要完全描述或举尽该处理室的其它可能的位置。换句话说，挤出的细丝80可以在其到达该处理室之前、当它在该处理室内时、或它离开该处理室后达到对应于Tm/Tg的温度。
在挤出的细丝离开该处理室之后，它通常行进通过涡流区。当通过该处理室的流动(current)到达位于该室的端部处的未限制的空间时，发生涡流，在这里存在于该室内的压力被释放。当离开该处理室时，该流动流(current stream)变宽，并且在该变宽的流内产生漩涡。这些漩涡——沿着与主流不同方向流动的涡流——使细丝受到与在处理室内和到达处理室之前所受到的直线力不同的力。例如，细丝能够受到在87所示的来回摆动，并且受到具有横交于细丝长度的矢量分量的力。通过处理室之后在涡流场施加的力可能是该挤出的细丝在从挤压头到聚集器的行进中所受到的最大的力。
图6还示意地示出沿着丝条的典型位置的范围，其中假定Tm或Tg在所示的位置上，细丝可以处于其取向温度或取向锁定温度。如图6所示，当Tm或Tg在所示位置时，细丝在线88所示的位置的范围内一般处于取向温度。而当Tm或Tg在所示位置时，细丝在线89所示的位置的范围内通常处于取向锁定温度。
图7是另一个示意图，示出细丝80，而没有指明细丝达到Tm或Tg的具体区域。这个图的意图是示出挤出的细丝能够在离挤压机的各种距离上处于取向温度或取向锁定温度。如图7所示，由线88’所示的细丝保持在取向温度的位置的范围能够从挤压头81(在那里细丝状材料的温度为通常高于Tm或Tg30-40℃的温度(TE))延伸到接近聚集器的位置上。而且相反地，用线89’表示的细丝达到取向保持温度的位置的范围能够从接近聚集器82的位置延伸到该处理室83之前(上游)的位置上。
当细丝进入或离开变细器时，通常用作纤维形成工艺辅助的各种工艺可以与细丝结合使用，例如在该细丝上喷涂饰剂、向细丝施加静电电荷、施加水雾等。此外，各种材料可以添加于聚集的幅材上，包括结合剂、粘结剂、涂饰剂以及其它幅材或薄膜。
虽然通常没有理由这样做，但是细丝可以借助于主气体流以常规熔喷操作方式从挤压头中吹出。这种主气体流导致细丝的初始变细和拉伸。
例子1-4图1-图3所示的设备被用于制备四种不同的幅材。其中例1和例2中的两种幅材由聚氨酯树脂(美国犹他州盐湖城的HuntsmanPolyurethane提供的PS440-200，其熔融流速为25g/10分钟)制成。在挤压机中将聚氨酯加热到221℃(在挤压机12中靠近泵13的出口处测量的温度)，并且将模具加热到下面表1中所列的温度。
例3和例4中的另外两种幅材由超低密度聚乙烯树脂(可从美国特拉华州威尔明顿市的Dupont-Dow Elastomers得到的Engage8411，其包括作为共聚单体的33％的辛烷(除非另有说明，百分比是重量百分比)，且其熔融指数为18g/10分钟)制成。在挤压机中将该聚乙烯加热到271℃(在挤压机12中靠近泵13的出口处测量的温度)，并且将模具加热到下面表1中所列的温度。
在所有的四个例子中，挤压头或模具有16行管口，在例1和例2中每行有32个管口，总共512个管口；在例3和例4中，每行16个管口，总共256个管口。模只的横向长度为7.875英寸(200毫米)。孔的直径为0.040英寸(0.889毫米)，而L/D(长/径)的比例为6。在例3和例4中聚合物的流速为0.89克/孔/分钟和0.98克/孔/分钟。
模具和变细器之间的距离(图1中的尺寸17)为37英寸(约94厘米)，而从变细器到聚集器之间的距离(图1中的尺寸21)为26.75英寸(68厘米)。空气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.030英寸(0.76毫米)；变细器主体角度(图2中的α)为30°；室温空气通过该变细器；变细器斜道的长度(图2中的尺寸35)为6英寸(152毫米)。空气刀的横向长度(图3中的槽的长度25的方向)约251毫米；且其中形成有用于空气刀的凹槽的变细器主体28的横向长度约330毫米。连接于该变细器主体的壁36的横向长度为14英寸(406毫米)。
其它的变细器参数如表1所示(下面在例子的末尾处)，包括在该变细器顶部和底部处的间隙(分别为图2中的尺寸33和34)；通过该变细器的空气总体积(以每分钟的实际的立方米或ACMM给出，所列体积的大约一半通过每个空气刀32)；以及细丝速度(明显速度)。变细器的壁上的夹紧压力在例1和例2中为约500千帕；在例3和例4中为约550千帕，这两个压力在处理期间趋于防止壁运动。
用下述方式对例1和例2中的幅材进行韧化，即，使幅材在处于95℃的热空气刀组下通过，以每秒钟21米的表面速度暴露0.11秒钟，槽的宽度(加工方向尺寸)为1.5英寸(3.8厘米)。
用下述方式对例3和例4中的幅材进行韧化，即，使幅材在处于90℃的热空气刀组下通过，以每秒钟19米的表面速度暴露0.19秒钟，槽的宽度(加工方向尺寸)为1.5英寸(3.8厘米)。
对制备的织物进行的光学检查(在韧化之后)，包括利用偏振显微镜的双折射研究，以检查该幅材纤维内的取向程度，结果列于表2中(在例子的末尾处)。纤维的双折射用美国纽约州梅尔维尔市Walt Whitman路1300号的尼康仪器公司制造的Nikon Ecipse E600偏振显微镜测量。由BerekCompensator Instruction，Nikon公司，日本，2001年10月8日的修订版概述的Berek补偿技术用来进行测量。用于测量的规程如下将显微镜仔细对准中心物镜、光学系统、聚光器和光源。将要被测量的纤维放置在视场中心。旋转载物台到最接近该视场中南北对齐的消光的位置。将样品逆时针旋转45度。利用Berek补偿器顺时针转动卷筒，直到在该纤维的中心出现黑带为止。注意读数的度数。利用Berek补偿器，逆顺时针转动卷筒，直到在该纤维的中心出现黑带为止。注意该读数的度数。倾斜度是这两个读数之间的差除2。
借助于制造商提供的表、或者借助于已知的机器常数的计算，可以得到延迟值；对于例子1-4，计算公式是R＝10000F( )×C/10000，其中F( )从制造商提供的表中得到，而C/10000是1.009。然后，在测量双折射的点处测量纤维的直径，并且双折射由延迟除以直径而计算出。值作为最少10个代表性的单个纤维读数的平均值被列出。
在随后的结合步骤中，例3和例4的幅材用两辊砑光机热密封。砑光机的设置如下顶辊具有20％的结合面积的点结合菱形图案点具有1mm×1mm的连接面积22英寸(56厘米)宽(沿卷筒的轴线)，且外径为10英寸(25.4厘米)辊子中的油温＝155(68℃)幅材速度每分钟5英尺(每分钟1.52米)底辊平滑的钢辊22英寸(56厘米)宽(沿卷筒的轴线)，且外径为10英寸(25.4厘米)辊子中的油温＝155(68℃)幅材速度每分钟5英尺(每分钟1.52米)辊隙压力100psi(689千帕)用Instron Model 5544拉伸测试机对幅材的样品进行拉伸测试。用如下测试条件对三个加工方向样品(从幅材上沿纤维形成的相同方向切割的样品)和三个横向样品进行测试横梁速度为每分钟10英寸(25.4厘米)，夹爪间隙为2英寸(5.08厘米)，且样品条切割成1×4英寸(2.54×5.08厘米)大小。当类似的样品被拉伸到其原长度的200％并松开时，它们很快(在数秒钟内)恢复到小于其原长度的125％。


例子5和6图1-图3所示的设备被用于制备由双嵌段聚合物和其它组分的混合物做的两种不同的纤维幅材。例5用60％的苯乙烯嵌段共聚物(美国德克萨斯州休斯顿市的Kraton Polymer提供的Kraton D1119P，其包括约34％的SIS共聚物，和约66％的SI双嵌段共聚物，该双嵌段共聚物含有约22％的苯乙烯含量)和40％的矿物油(从美国德克萨斯州米德兰市的Chevron Texaco公司得到的Chevron Superla White Oil 31)的混合物。在挤压机中将该混合物加热到253℃(在挤压机12中靠近泵13的出口处测量的温度)，并且将模具加热到下面表1中所列的温度。
例6用了一种包含90％的不同的苯乙烯嵌段共聚物(美国德克萨斯州休斯顿市的Kraton Polymer提供的Kraton RP6936)和10％的石蜡油(可从美国新泽西州菲利普博格市的J.T.Baker得到的“PareffinPrills Purified”)的混合物。在挤压机中将该混合物加热到241℃(在挤压机12中靠近泵13的出口处测量的温度)，并且将模具加热到下面表1中所列的温度。
挤压头或模具有两行管口，每行有16个管口，总共32个管口。该模具的横向长度为4.125英寸(104.8毫米)。孔的直径为0.040英寸(0.889毫米)，而L/D的比为6。对于这两个例子，聚合物的流速为0.87克/孔/分钟。
模具和变细器之间的距离(图1中的尺寸17)为2.7英寸(约6.8厘米)，而从变细器到聚集器之间的距离(图1中的尺寸21)为22英寸(59厘米)。空气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.050英寸(0.13毫米)；变细器主体角度(图2中的α)为30°；室温空气通过该变细器；且变细器斜道的长度(图2中的尺寸35)为3英寸(76毫米)。空气刀的横向长度(图3中的槽的长度25的方向)为约121毫米，且其中形成有用于空气刀的凹槽的变细器主体28的横向长度为约156毫米。连接于该变细器主体上的壁36的横向长度为10英寸(254毫米)。
其它的变细器参数也是变化的，如表1所示，包括在该变细器顶部和底部的间隙(分别为图2中的尺寸33和34)；和通过该变细器的空气总体积(以每分钟的实际的立方米或ACMM给出，所列体积的大约一半通过每个空气刀32)。在变细器的壁上没有施加夹紧力，所以该壁在气压的作用下自由运动。
对于例5和例6，样品在70℃下在恒温炉内保持5分钟，并在进行测量之前返回到室温。
对制备的幅材进行的光学检查(在韧化之后)，包括利用偏振显微镜的双折射研究，以检查该幅材纤维内的取向程度，结果列于表2(在例子的末尾处)中。
例子7图1-图3所示的设备被用于制备由聚乙烯基的弹性体树脂(可从美国特拉华州威尔明顿市的Dupont-Dow Elastomers得到的Engage 8402(22％的辛烷共聚用单体量))做的幅材。在挤压机中将该树脂加热到240℃(在挤压机12中靠近泵13的出口处测量的温度)，并且将模具加热到下面表1中所列的温度。挤压头或模具有16行管口，每行有32个管口，总共有512个管口。该模具的横向长度为8.0英寸(20.3厘米)。孔的直径为0.040英寸(0.889毫米)，而L/D的比为6。聚合物的流速为0.5克/孔/分钟。
模具和变细器之间的距离(图1中的尺寸17)为44英寸(约122厘米)，而从变细器到聚集器之间的距离(图1中的尺寸21)为37.5英寸(92厘米)。空气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.050英寸(0.127毫米)；变细器主体角度(图2中的α)为30°；室温空气通过该变细器；且变细器斜道的长度(图2中的尺寸35)为6英寸(152毫米)。空气刀的横向长度(图3中的槽的长度25的方向)为约251毫米，而其中形成有用于空气刀的凹槽的变细器主体28的横向长度为约330毫米。连接于该变细器主体上的壁36的横向长度为14英寸(406毫米)。该处理室的壁上的夹紧压力为900千帕，该压力防止了壁在处理期间运动。
其它变细器的参数也是变化的，如表1所示，包括在该变细器顶部和底部的间隙(分别为图2中的尺寸33和34)；通过该变细器的空气总体积(以每分钟的实际的立方米或ACMM给出，所列体积的大约一半通过每个空气刀32)。
例7中聚集的纤维条用常规的水力缠结系统进行水力缠结，该水力缠结系统包括6个歧管/喷嘴(三个在幅材的上面，三个在幅材的下面)。其基本的操作过程公开在1995年2月14日授予Everhart等人的美国专利5,389,202号中(见第8栏和第9栏)。每个歧管具有直径为120微米的管口。管口以每歧管线性厘米16个管口的间隔并定位成单行。歧管水压连续地跳跃到10,000kPa，产生了高能量的细柱射流。水力缠结表面是由美国田纳西州波特兰市的Albany International制造的单层100不锈钢斜纹钢丝垫板。该水力缠结表面是由美国田纳西州波特兰市的Albany International制造的具有28％开口面积的单层标准编织型14×13聚合物网。将例7的材料以每分钟约5米的线速度从歧管下通过，借助于水的加压射流，冲洗它们并将它们压实。利用常规的实验室手提式烘干器在80℃的温度下将所得到的合成幅材烘干，从而烘干并韧化该样品。虽然在韧化步骤中发生收缩，但是在完成韧化之后，该幅材仍然保持为很好地一体形成的片状材料，并且是弹性的、柔软的和尺寸稳定的材料。
对制备的幅材进行的光学检查(在韧化之后)，包括利用偏振显微镜的双折射研究，以检查该幅材的纤维内的取向程度，结果列于表2(在例子的末尾处)中。
表1

表2

权利要求
1.一种粘结的无纺的尺寸稳定的纤维幅材，其包括直接形成的弹性纤维，这些纤维具有足以提供至少1×10-5的双折射率的分子取向。
2.如权利要求1所述的纤维幅材，其中所述直接形成的弹性纤维具有足以提供至少1×10-2的双折射率的分子取向。
3.如权利要求1或2所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维包括弹性体纤维，该弹性体纤维表现出至少200％的伸长断裂，并且当从其两倍的原长度的拉伸状态释放时，该弹性体纤维恢复到不大于其原长度的一又四分之一。
4.如权利要求1或3所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维包括乙烯基的聚合物，并且这些纤维具有至少1×10-2的双折射率。
5.如权利要求1或3所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维包括丙烯基的聚合物，并且这些纤维具有至少1×10-2的双折射率。
6.如权利要求1或3所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维包括尿烷基的聚合物，并且这些纤维具有至少1×10-2的双折射率。
7.如权利要求1或3所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维包括苯乙烯嵌段共聚物。
8.如权利要求1或3所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维包括脂肪族聚酯或脂肪族聚酰胺。
9.如权利要求1-8中任何一项所述的纤维幅材，该纤维幅材通过将所述弹性纤维加热到其收缩温度以上而进行韧化，同时使所述分子取向保留在足以提供至少1×10-5的双折射率下。
10.如权利要求1-9中任何一项所述的纤维幅材，当将该纤维幅材加热到70℃时，其在宽度上的收缩不大于10％。
11.如权利要求1-10中任何一项所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维已被热结合。
12.如权利要求11所述的纤维幅材，其中所述结合包括自生结合。
13.如权利要求1-10中任何一项所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维已被水力缠结，用以机械地结合这些纤维。
14.如权利要求1-13中任何一项所述的纤维幅材，其中所述弹性纤维表现出应变诱导的结晶。
15.一种纤维形成方法，包括以下步骤a)挤出弹性纤维形成材料的细丝；b)引导这些细丝通过处理室，在该处理室中，向这些细丝施加纵向应力，使这些细丝变细并拉伸这些细丝；c)当这些细丝在变细和拉应力作用的同时，将它们保持在其取向温度下足够长的一段时间，使这些细丝内的分子变成沿着它们的长度取向；d)在这些细丝在变细和拉应力作用下的同时，将它们冷却到其取向锁定温度，并且将这些细丝进一步冷却到固化的弹性纤维；以及e)将这些固化的细丝聚集为纤维无纺幅材。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述细丝被从弹性体材料挤出，该弹性体材料表现出至少200％的伸长断裂，并且当其从至少两倍于原长度的拉伸状态释放时，该弹性体材料缩回到不大于其原长度的一又四分之一。
17.如权利要求15或16所述的方法，其中所述细丝在高于其玻璃转变温度或熔点温度的温度下进入所述处理室中。
18.如权利要求15、16或17所述的方法，其中在所述细丝离开处理室之后，最大纵向应力施加于这些细丝上。
19.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，其中所述细丝以至少2800米/分钟的速度通过处理室。
20.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，其中所述细丝以至少4000米/分钟的速度通过处理室。
21.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，其中还包括通过将聚集的纤维暴露在高于其收缩温度、但是低于其松弛温度的温度下，韧化这些聚集的纤维的步骤。
22.如权利要求21所述的方法，其中还包括在韧化纤维之后的热结合步骤。
23.如权利要求22所述的方法，其中还包括在韧化之前的热结合步骤。
24.如权利要求22所述的方法，其中还包括水力缠结幅材中的纤维的步骤。
25.如权利要求15-24中任何一项所述的方法，其中所述细丝包括乙烯基的聚合物或丙稀基的聚合物。
26.如权利要求15-24中任何一项所述的方法，其中所述细丝包括尿烷基的聚合物。
27.如权利要求15-24中任何一项所述的方法，其中所述细丝包括苯乙烯嵌段共聚物。
28.如权利要求15-24中任何一项所述的方法，其中所述细丝包括脂肪族聚酯或脂肪族聚酰胺。
全文摘要
一种粘结的无纺纤维幅材，其包括直接形成的弹性纤维，这些纤维具有足以提供至少1×10
文档编号D04H3/14GK1882734SQ200480033916
公开日2006年12月20日 申请日期2004年10月20日 优先权日2003年11月17日
发明者迈克尔·R·贝里甘, 安尼·N·德罗维尔, 布雷德利·W·伊顿, 布兰迪·S·诺兰, 特洛伊·K·伊什塔, 蒂莫西·J·林德奎斯特 申请人:3M创新有限公司