具有高表面积纤维的改进的复合过滤介质的制作方法

专利名称：具有高表面积纤维的改进的复合过滤介质的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及显示出增加的耐久性、吸收度和其他所需性能 的复合材料。更具体地，本发明涉及含具有高表面积性能以供增加吸 收的翼形纤维(winged-fiber)层的复合介质。
背景技术：
本领域公知熔喷复合材料适合与过滤技术一起使用和多种应用。 熔喷是使用高速空气或其他合适的力使长丝变细，由聚合物或树脂直 接生产纤维网或层的方法。熔喷纤维最常见地由聚丙烯构造，所述聚 丙烯容易地由熔喷工艺形成且容易地荷静电，形成荷电介质。熔喷产 生直径范围通常为2微米-5微米的微纤维，尽管通过改变工艺参数， 例如熔喷机的聚合物通过量和通过使用较高的熔体流动聚合物，这种 微纤维的直径可以小至0. 5微米。生产具有极小直径的熔喷纤维的能 力尤其可用于精细过滤应用。尽管熔喷纤维证明有效地用于过滤，但 它们具有数个缺点。大多数熔喷纤维弱且容易撕裂，从而要求需要层 叠和层铺许多熔喷纤维层或结合载体或稀松布(scrim)使用熔喷纤维 层，以最大化其强度和过滤性能。结果是比较重且比较昂贵的熔喷复 合材料。
熔喷纤维的替代品是玻璃微纤维，它因在过滤应用中使用也是本 领域公知的。玻璃微纤维依赖于其微细的直径以增加过滤性能。此外， 玻璃微纤维长度较短且是已知的皮肤刺激剂，因此在加工成非织造织
物的过程中它产生问题并具有局限性。
熔喷纤维的另一替代品是电纺纱(electrospun)纤维。电纺纱纤维因其在过滤应用中使用也是公知的。电纺纱纤维常常在0.1-1.0
微米范围内且依赖于它们微细的直径来增加过滤性能。电纺纱是非常 緩慢的工艺，因此现实中仅仅可小量地使用。由于这些纤维还相当脆
和弱，因此它们常常与提供强度和褶裥率(pleatability)的其他非织 造织物层结合使用。
通过挤出热塑性树脂，并形成将制成各种非织造复合介质或层压 体，例如纺粘-熔喷-纺粘(SMS)复合材料或纺粘-熔喷-褶裥复合材料等 的纤维网或层，从而制备常规的复合材料。在这种结构中，熔喷层充 当芯过滤元件，和纺粘层增强整个组合物。然而，尽管具有这些复合 材料，但仍然需要具有高效纤维层的改进的复合介质，它不要求额外 的栽体且可充当独立的过滤器。另外，需要结合高效纤维层与熔喷层 或另一非翼形纤维层。此外，需要采用具有高表面积性能的新型翼形 纤维层形成的具有增加的耐久性、强度、吸收和过滤能力的改进的复 合介质。
能吸收并过滤液体或颗粒的纤维是本领域已知的。纤维表面常常 通过化学或物理方法处理，以提高其保持液体或颗粒的能力。例如， 为了增加纤维的表面积，糙化表面产生沟槽和通道。用影响流体流动 的疏水或亲水化学物处理本领域已知的一些吸收剂纤维。
用于吸收的一种这样的纤维是最初由Eastman Chemical Company
开发且商购于Fiber Innovation Technologies的4DG纤维。参考附
图1，它是4DG纤维(也称为表面毛细纤维)的截面视图。图1中的现
有技术纤维公开了从其脊柱(sp ine)的 一侧向外突出以确定第 一组沟
槽的至少三条臂的一组，和从其脊柱的第二侧向外突出以确定第二组
沟槽的至少三条臂的第二组。现有技术纤维中的臂和沟槽具有不规则
的几何形状，以便产生足够深且窄以便流体借助毛细作用沿着纤维长
度输送的沟槽。另外，图1的现有技术的纤维具有较大的旦数，这限 制了其在要求纳米纤维的一些应用中的使用。
4DG纤维通过提供具有特定截面几何形状的纤维来寻求增加沟槽 的深度。然而，4DG纤维和具有较小结构的其他纤维存在数个缺点。许多这样的纤维不可能纺丝成直径小于约50 - 60微米的纤维，从而限 制其潜在的应用。采用4DG纤维可实现的最小旦数为约3。此外，由 于在纤维臂之间具有大的沟槽，因此在纺丝工艺过程中臂常常断裂。 这种纤维具有有限数量的臂和沟槽，从而导致相对低的表面与体积比， 这将限制可吸收的液体量。最后，由于4DG纤维的尺寸和几何形状导 致在织物形成过程中臂可容易地联锁，从而导致致密和压缩的材料， 这将降低其过滤和吸收性能。
过去存在许多尝试生产在表面上具有深的沟槽或通道的特殊纤 维，以提高表面的毛细性能。这种纤维利用多条腿(leg)，典型地8 条，在表面上形成深的通道。可用合适的处理剂处理这些纤维的表面， 所述处理剂适合并更加容易地加速流体的流动，并因此可用于流体移 动。许多这些纤维具有较高程度的堆积密度，因此适合于绝缘应用。 由于臂可收集并捕获颗粒，因此它们进一步可用于过滤应用或用于表 面处理以活化表面。
使用特殊的纺丝板，生产具有表面沟槽的纤维作为单组分纤维。 挤出并熔融纤维，通过纺丝经轴(spin beam)和纺丝板毛细作用，传输 熔融聚合物，形成所需形状。然后当从纺丝板中流出随后拉伸，形成 较坚固和较细的纤维时，骤冷纤维。然而，由于纤维具有深的沟槽或 臂，因此纤维不可能制成优选且工业上使用的标准的纤维尺寸。当今 工业上使用的大多数纤维为l-3旦/根长丝，然而以上所述的具有增 加表面积的大多数纤维目前以大于或等于6旦获得。具有大于或等于 6旦的纤维极其粗糙，更加难以加工，且其应用受到限制。
本领域中常常使用常规的单组分圆纤维。单组分圓纤维的截面设 计典型地为圆形。采用单组分圆纤维的一个问题是为了增加纤维的表 面积，截面积也增加，从而导致旦数大的纤维。
需要具有增加的表面积，其表面积为本领域已知的典型纤维的至 少2 - 3倍，且在表面上具有深的沟槽或通道以加速表面毛细性能同时 维持工业上使用的标称纤维尺寸的纤维。本发明公开了具有增加的表 面积和多个表面通道的纤维，同时维持小的旦数尺寸和在改进的复合介质中使用这种纤维。
本发明提供以上所述问题和其他问题的解决方式，并提供这类现 有技术的纤维和复合材料没有提供的优点和方面。本发明的特征和优 点的充分讨论延迟到下述详细说明中，所述详细说明通过参考附图来 进行。

发明内容
本发明的第一方面是提供改进的复合介质。该复合介质具有带第 一侧和第二侧的第一纤维层。该复合介质具有粘结到第一纤维层的第
一侧上的翼形纤维层。翼形纤维层具有高表面积纤维的纤维网。高表 面积的纤维具有含截面的内部纤维，所述截面具有中间区域。该中间 区域具有多个从中间区域并沿着中间区域周边延伸的多个突出物。所 述多个突出物确定多个通道。在一个实施方案中，可溶解的外部鞘包 围高表面积的纤维。在一个实施方案中，纤维层包括熔喷纤维或电纺 纱纤维。
在另一实施方案中，复合材料具有粘结到第一纤维层的第二侧上 的第三层。第三层具有翼形纤维层，稀松布层，玻璃微纤维层，电纺 纱纤维网或熔喷介质的其他层。
翼形纤维层包括高表面积纤维的纤维网。高表面积的纤维具有含 截面的内部纤维。所述截面具有中间区域。中间区域具有从该中间区 域并沿着中间区域周边延伸的多个突出物。所述多个突出物确定多个 通道。纤维还具有可溶解的外部鞘。外部鞘包围内部纤维。
本发明的第二方面是提供改进的复合介质。该复合介质具有带第 一侧和第二侧的第 一熔喷或电纺纱纤维层。该复合介质具有粘结到第
一熔喷或电纺纱纤维层的第一侧上的翼形纤维层。翼形纤维层具有高 表面积纤维的纤维网。高表面积的纤维具有内部纤维，其中该内部纤
维是热塑性聚合物。内部纤维具有含纵轴的截面，所述截面具有从纵 轴延伸的多个突出物。沿着纵轴的周边，多个突出物确定多个通道。
通道的宽度为约200纳米-约1000纳米。内部纤维具有约l微米-约 IOO微米的截面长度，和约1微米-约100微米的截面宽度。内部纤维的截面的表面积为约100，000cm2/g-约1， 000， 000cm7g。
本发明进一步涉及制备改进的复合介质的方法，其步骤包括提供 具有第一侧和第二侧的第一纤维层。提供通过共挤出内部纤维和外部 鞘形成的具有高表面积纤维的纤维网的翼形纤维层。内部纤维是热塑 性聚合物，和外部鞘是可溶解的聚合物。内部纤维具有带中间区域的 截面。中间区域具有从中间区域并沿着中间区域周边延伸的多个突出 物。多个突出物确定多个通道。熔体纺丝内部纤维和外部鞘，形成双 组分纤维。采用溶剂除去外部鞘，得到高表面积纤维或翼形纤维。翼 形纤维将形成为纤维网或层。翼形纤维层粘结到第一纤维层的第一侧 上，形成复合介质。
在本发明的另一方面中，提供纺织品产品。该纺织品产品具有复 合介质。该复合介质包括具有第一侧和第二侧的第一纤维层。该复合 介质具有粘结到纤维层的第一侧上的翼形纤维层。翼形纤维层包括高 表面积纤维的纤维网。
因此，本发明提供具有增加的耐久性和吸收度的由翼形纤维层和 熔喷或电纺纱纤维层制成的复合介质。
当与附图一起考虑时，在阅读了优选实施方案的下述说明之后， 本发明的这些和其他方面对本领域的技术人员来说是显而易见的，因 为它们支持所要求保护的发明。


图l是现有技术纤维的截面剖视图。
图2是根据本发明的一个实施方案，具有外部鞘的纤维的截面视图。
图3是根据本发明的一个实施方案，单一纤维的截面视图。
图4是根据本发明的一个实施方案不具有外部鞘的纤维的截面视图。
图5是根据本发明的一个实施方案，具有圓形构型的纤维的截面 视图。
图6是根据本发明的一个实施方案，非织造织物的截面视图。图7是现有技术的非织造织物的截面视图。
图8是对于圆纤维、4DG纤维和本发明的纤维来说，比较旦数/根 长丝对比表面积所作的图表。
图9是根据本发明的一个实施方案的复合介质的剖视图。
图10是根据本发明的一个实施方案制备复合介质的方法的示意图。
图ll是根据本发明的一个实施方案的复合介质的剖视图。
具体实施例方式
在下述说明中，相同的参考标记在数个视图中表征相同或相应的 部件。此外，在下述说明中，要理解，这些术语例如，"前面"、"后 面"、"正面"、"背面"、"右面"、"左面"、"向上，，、"向 下"和类似术语是方便的措辞且不解释为限制术语。现一般地参考附 图，为了描述本发明优选实施方案的目的，阐述本发明且不打算限制 本发明至此。
参考附图，图9示出了一般地用参考标记30表示的本发明的复合 介质的剖视图。如图9所示，复合材料30通常包括纤维层32和翼形 纤维层34。第一纤维层32具有第一侧36和第二侧38。在本发明的优 选实施方案中，纤维层32是熔喷纤维层。熔喷层包括通过挤出熔融热 塑性聚合物通过多个处理通道(throughput)形成长丝而形成的熔喷纤 维。降低熔喷纤维直径的一种方法是使用高速气体物流使长丝变细。 取决于所需的应用，优选由聚合物形成熔喷纤维且更优选由聚烯烃、 聚酯、聚酰胺或热塑性弹性体，其中包括，但不限于，热塑性聚氨酯 弹性体(TPU)，例如聚醚、聚醚酯和PBAX和弹性体烯烃形成熔喷纤维。 在一个实施方案中，弹性体和更具体地，优选TPU提供复合介质拉伸 性和恢复性能，以及提高的强度。
使用熔喷TPU纤维的一个优点是纤维具有"粘性"或"发粘"的 性能，在空气流到达复合介质的随后层之前，该性能将辅助熔喷纤维 层充当预滤器捕获颗粒。通过减少或消除对以下所述的层压步骤的需 求，粘性或发粘还辅助制备多层过滤器总的工艺。在本发明的另一实施方案中，第一层32可包括其他纤维，例如， 但不限于，电纺纱纤维、玻璃微纤维、4DG纤维(以上所述)或其他非 织造材料。例如，第一层32也可以是由短纤维，例如，但不限于，纤 维素、羊毛、聚丙烯、聚乙烯或其他微纤维制造的非织造织物。此外， 可由湿法成网工艺制造非织造织物。若纤维不是固有地如TPU中一样 具有粘性或发粘，则可用粘性喷洒剂或粘合剂，例如，但不限于，玻 璃化转变温度低的丙烯酸类树脂、胶乳、聚氨酯胶料(compound)或玻 璃化转变温度低的其他自交联材料处理它们。
再参考图9，复合介质30中的翼形纤维层34包括多个高表面积 的纤维。图2-4公开了通常用参考标记IO表示的本发明的高表面积 纤维的截面。如图2所示，纤维10通常包括内部纤维12和外部鞘14。 纤维IO通常由两种不同的聚合物组合物构造，其中可以椭圆形截面挤 出允许高加工性的所述聚合物组合物。或者，截面可以视需要为圆形 或其他形状。以下将更详细地描述挤出工艺和制备本发明纤维10的方 法。
进一步如图2-4所示，内部纤维12的截面通常具有翼状或变形 虫状形状。内部纤维12具有中间区域16,所述中间区域是沿着内部 纤维12的中心向下延伸的纵轴17。纵轴17具有从纵轴17延伸的多 个突出物18，如图2-4所示。在优选的实施方案中，多个突出物沿 着纵轴17的周边延伸。替代的截面形状，例如，但不限于圆形或类似 形状，具有以套筒(hub)形式形成的中间区域16，其中突出物从套筒 延伸。多个突出物18增加单一纤维的表面积和表面毛细作用。在优选 的实施方案中，多个突出物18确定多个通道20，如图4所示。在一 个实施方案中，多个通道20均匀地间隔布置。通道20沿着纤维10 的长度方向产生表面毛细作用部分，所述毛细作用加速液体在纤维10 内吸收。另外，通道20允许颗粒，例如碎片和脏物收集并保留在纤维 10内。因此，本发明的纤维具有沿着纤维长度方向延伸的多个纵向毛 细通道21,如图3所示。本发明还急剧增加内部纤维12的截面的表 面积，这是由于多个突出物18导致的。由内部纤维12产生的增加的表面积取决于在制造纤维10的过程中所使用的片段数量，正如以下详
细地描述的。
优选地，通道20是宽度为约200纳米的纳米尺寸。或者，通道 20可以是200纳米-1000纳米。可改性通道20的宽度以适合不同的 应用。本发明纳米尺寸的通道允许在其中需要微滤或微吸收的应用中 使用纤维IO。例如， 一些过滤装置要求约300纳米的通道尺寸。由于 每一纤维的通道尺寸可以调节，因此本发明可用于产生具有不同通道 尺寸的纤维的复合介质30。例如，复合介质，例如过滤器可包括具有 200纳米通道和500纳米通道的纤维束。在一个实施方案中，若通道 具有约200纳米的宽度，则存在从中间部分16延伸的约32个突出物 18。另外，可化学处理通道，进一步提高其过滤和吸收性能。
在本发明的优选实施方案中，内部纤维12是本领域已知的热塑性 聚合物。可使用任何数量的热塑性聚合物，例如，但不限于，聚丙烯、 聚酯、尼龙、聚乙烯、热塑性聚氨酯(TPU)、共聚酯或液晶聚合物。
在优选的实施方案中，纤维的截面是高度挠性的且具有实心内部。 或者，在一个实施方案中，内部纤维的内部或中间区域部分是中空的。 在中心内的空隙形成流体流动的附加通道。图5示出了缺少内部纤维 12的中间区域16的本发明纤维的截面。外部鞘14辅助形成翼形纤维 形状，正如以下更详细地描述的。
或者，在另一实施方案中，在挤出工艺过程中，可将内部纤维12 的中间区域16形成为圆形构型。这一空隙允许内部纤维12更加硬质 且因中心内的空隙导致具有更大的抗弯曲性。另外，中心内的空隙形 成流体流动的附加通道。具有圆形截面和空隙的纤维在自身上弯曲的 倾向较低。
图2示出了具有外部鞘14的纤维10的截面视图。在优选的实施 方案中，外部鞘14是可溶解的热塑性材料，例如，但不限于，聚丙交 酯(PLA)、共聚酯(PETG)、聚乙烯醇(PVA)或乙烯-乙烯醇共聚物 (EVOH)。认为在本发明中，本领域已知的任何数量的可溶解热塑性材 料可用作外部鞘14。在优选的实施方案中，外部鞘14包围内部纤维12，如图2所示。
本发明的一个方面是增加纤维的表面积，同时维持纤维的旦数为 l-3。在优选的实施方案中，纤维的旦数为约1. 0-约2. 0。然而，或 者，纤维的旦数范围可以是约1. 0-约20. 0。
旦数是测量纤维细度所使用的单位，它等于9000米纱线的质量 (g)。在本发明的优选实施方案中，一(l)旦纤维的比表面积为约 28，000 -约200，000cmVg。通过下述方程式测量以cmVg纤维为单位 的比表面积
比表面积-"」f 4近、
其中
a-形状因子-^ 其中
L-长度，K 9x 105 cm p-密度，K 1. 38 g/cm3 旦数-线密度 P-周长 A-截面积。
本发明的优选实施方案的比表面积比本领域已知的典型4DG纤维 大约57 - 60倍。如图8所示，本发明的纤维的比表面积显著大于具有 相同旦数的常规圆纤维或典型的4DG纤维。例如，旦数为3的圆纤维 的比表面积为1653cm7g。旦数为3的4DG纤维的比表面积为 4900cm7g。相反，旦数为3的本发明纤维的比表面积超过约 80， 000cm2/g。在本发明的一个实施方案中，内部纤维的截面具有约 140，000cm7g或更高的比表面积。本发明实现了大的比表面积，这是
因为具有多个突出物的独特几何形状和多个通道所致。尽管本发明的 优选实施方案的纤维旦数为约1.0-约2.0,但选择上述比较，因为 4DG纤维不能釆用低于3的旦数生产。
在优选的实施方案中，内部纤维12的截面长度为约20微米和截面宽度为约IO微米，这得到旦数为约1.5的纤维。旦数是指纤维的线 密度且是测量9000米纤维的重量(g)。在另一实施方案中，内部纤维 12的截面长度为约IO微米和宽度为约10微米。本发明的内部纤维12 可具有约1微米-约100微米的截面长度和约1微米-约100微米的 截面长度。或者，在本发明的另一实施方案中，纤维的旦数可以是大 于或等于3，这将提供具有显著大表面积的较大纤维。
制备本发明纤维的方法使用本领域已知的挤出技术。典型地，通 过从相同的纺丝板中共挤出，或挤出两种聚合物，形成双组分纤维， 且这两种聚合物包含在相同的长丝或纤维内。挤出工艺强制厚的粘稠 聚合物通过纺丝板，形成半固体纤维。在本发明的优选实施方案中， 通过合适地导引和开槽两种聚合物，挤出体系将形成所述的纤维，从 而导致更加均匀的形状。在板上孔穴的数量对应于在纤维内存在的片 段的数量。然后硬化这些长丝。本发明的优选实施方案使用熔体纺丝 形成纤维，然而可使用本领域已知的其他方法。例如，可使用分段的 馅饼(segmented pie )挤出体系，通过仔细选择两种聚合物并控制挤 出工艺，形成具有从纵轴延伸的突出物的纤维。
制备优选实施方案的方法始于挤出含热塑性聚合物，即内部纤维 12，和可溶解热塑性聚合物，即外部鞘14的双组分纤维。将双組分纤 维挤出通过具有任何所需数量孔穴和截面形状的纺丝板。在优选的实 施方案中，为了高加工性，纺丝板的截面为椭圆形，或者也可使用圆 形截面，或者其他所需的形状。
或者，通过从挤出工艺中形成的片段数量来决定纤维最终的截面 形状，如上所述的翼形。片段类似于馅饼片，称为"分段的馅饼 (segmented-pie)"双组分纤维。现有技术的典型纤维由16个片段形 成，然而，为了实现本发明的高表面积截面，纤维必须具有至少4个 片段。
在本发明的一个实施方案中，挤出的双组分纤维具有至少4个片 段。或者，在本发明的另一实施方案中，内部纤维的翼形截面得到极 高的表面积，这是因为它由具有64个片段的双组分纤维形成。图2-4所示的履带式形状是由64个分段馅饼挤出生成的预料不到的结果。 难以形成具有大于24个片段的双组分纤维，和现有技术的纤维受限于 它们可具有的片段数量。
控制片段形状和尺寸的一种方式是在挤出工艺过程中，改变双组 分纤维的温度、粘度或压力。熔体纺丝允许纤维从纺丝板中以不同的 截面形状，例如圆形、三叶形、五边形、八边形和其他形状挤出。本 发明一个实施方案的双组分片段类似于具有最多64个馅饼片段的分 段馅饼。在优选的实施方案中，片段在内部纤维12和可溶解的外部鞘 14之间交替。重要的是片段交替，因为一旦外部鞘14被洗涤并除去， 则剩余的片段确定形成吸收与过滤基础的多个突出物。突出物的数量 与生成的总表面积直接成正比。因此，可形成具有精确和预定表面的 纤维。
在优选的实施方案中，在挤出并熔体纺丝双组分纤维之后，可将 双组分纤维形成为翼形纤维的纤维网或层。双组分纤维可一起粘结， 形成复合介质，例如过滤器。或者，双组分纤维可形成为织造织物， 例如衣服。本发明的翼形纤维的优点之一是，外部鞘不必除去，直到 在制成纤维网之后，这将提高翼形纤维的处理并降低与制造有关的成 本。图6示出了本发明的非织造织物并阐述了翼形纤维如何组装在一 起形成纤维网34。如图6所示，当由于纤维的几何形状和通道的尺寸 导致纤维彼此相邻地放置在一起时，可紧密地一起压缩纤维，在没有 联锁的情况下，形成纤维束。另外，由于当外部鞘仍然保留时可构造 纺织品织物，因此鞘将进一步防止纤维彼此联锁。图7示出了其中纤 维联锁的现有技术的织物。由于本发明的翼形纤维没有象现有技术已 知的其他纤维一样联锁，因此本发明的通道的有效性没有牺牲，且仍 可获得用于吸收或过滤。可在形成翼形纤维层34之后除去外部组分。 因此，本发明的纤维及其突出物不可能联锁。
一旦形成翼形纤维层34，则用溶剂，例如，但不限于，氢氧化钠、 酸或者在水可分散的聚合物情况下，使用水洗涤织物，以便除去可溶 的外部鞘。或者，可视需要在形成翼形纤维层34之前洗涤双组分纤维。
16为了形成本发明的翼形纤维层34，可使用数种不同的技术，包括 热粘结、化学粘结或机械粘结，来粘结高表面积的纤维10。在一个实 施方案中，使用液压缠结(hydroentanglement)形成翼形纤维层34， 所述液压缠结是利用流体动力，缠结并粘结纤维所使用的机构。或者， 可通过针刺，产生翼形纤维层34，所述针刺通过机械方式取向并联锁 纺粘或梳理过的纤维网中的纤维。采用反复出入纤维网的许多钩刺针 (barbed felting needle)实现针刺。针刺和液压缠结形成致密的结 构，结果当除去外部鞘时，所述翼将原地释放，从而形成具有高渗透 率的结构。该织物最终的应用决定了应当使用哪一种粘结技术。例如， 若非织造织物用于过滤大颗粒，则可使用随机联锁纤维的纺粘纤维， 而不是织造织物，制造它。若需要非织造织物过滤较小的颗粒，则可 由熔喷纤维制造它，所述熔喷纤维利用高速空气或另一合适的力将纤 维粘结在一起。或者，可挤出长丝，和可巻曲所述长丝并切割成纤维 网可由其形成的短纤维，然后通过以上所述的一种或更多种方法粘结， 形成非织造织物。还可使用相同的短纤维或长丝纤维，形成织造、针 织或编织结构。
在本发明的另一实施方案中，可通过纺丝双组分纤维并将纤维长 度切割成短的片段并且成捆放置，从而构造短纤非织造织物。然后通 过湿法成网工艺或者梳理，以均匀的纤维网形式铺开纤维捆，随后通 过本领域已知的热机械方式粘结。
图9示出了在线生产复合介质30的通常称为70的装置，其中所 有三层在一个机器内组装。或者，可独立地生产复合介质的各层，随 后结合并粘结，形成复合介质。在优选的实施方案中，充分地加工翼 形纤维层34，之后将其形成为复合介质30，这意味着除去外部鞘14。 优选在复合材料形成之前，从翼形纤维层34中除去外部鞘14，以便 溶解外部鞘14的洗涤没有干扰其他层的组成和完整性。
图10所示的装置70包括保持翼形纤维层34的第一辊50。在图 10的优选实施方案中，翼形纤维层34通过装置喂入，再次从熔喷纤 维网生产部分52中施加熔喷纤维40并沉积在翼形纤维层34上，形成熔喷纤维层45。
若希望粘结，则使用本领域已知的方法，例如，但不限于，液压 针刺、热压延、超声和/或粘合剂粘结，将翼形纤维层34粘结到纤维 层32的第一侧36上。当形成复合介质30时各层的定位和取向取决于 复合介质30的所需的所得性能。例如，在一个实施方案中，可通过粘 结熔喷纤维层45和翼形纤维层34(MW)，形成复合介质30。对于其中 空气流首先接触翼形纤维层34以收集并保持更多的颗粒和碎片，之后 流过熔喷纤维层45的过滤应用来说，这一取向是最佳的。
现参考图11,在替代的实施方案中，可层铺第二翼形纤维层42 到纤维层32的第二侧38上，从而产生具有三层的过滤介质(顺序为 翼形纤维层、熔喷纤维层和翼形纤维层)。
图10示出了可如何添加这一第二翼形纤维层42。第二辊54保持 施加在第一熔喷纤维层45的第二侧38上的第二翼形纤维层42(这一 结构被称为"WMW"，翼形、熔喷、翼形纤维层)。若将第二翼形纤维 层添加到介质中，则如图10所示，仅仅需要第二辊54和第二翼形纤 维层42。若使用仅仅两层(例如一层翼形纤维层和一层其他纤维层， 如图9所示和以上所述)，则不需要第二辊54和第二翼形纤维层42。 在另一实施方案中，可将玻璃微纤维层粘结到第一熔喷纤维层45的第 二侧38上，同时翼形纤维层34粘结到熔喷纤维层45的第一侧36上 (WMG)。这产生深度梯度的过滤器，该过滤器可选择性地过滤不同尺寸 的颗粒。或者，可使用任何结合的层，例如，但不限于，熔喷纤维层、 翼形纤维层，然后另一熔喷纤维层(MWM);纺粘稀松布层、熔喷层和翼 形纤维层(SMW);电纺纱纤维层和翼形纤维层(EW);翼形纤维层、电纺 纱纤维层和翼形纤维层(WEW);纺粘稀松布层、电纺纱纤维层和翼形纤 维层(SEW);翼形纤维层、电纺纱纤维层和玻璃层(WEG);或电纺纱纤 维层、翼形纤维层和电纺纱纤维层(EWE)。由于可支持褶裥的翼形纤维 层的强度，因此褶裥熔喷纤维层和翼形纤维层在本发明的范围内。
优选地，很少或不要求粘结。然而，若需要粘结，则如图IO所示， 翼形纤维 一 熔喷-翼形纤维层在热粘结辊56和58之间穿过。在一个实施方案中，加热粘结辊56和58以供热粘结应用，然而，压延粘结、 超声粘结、粘合剂粘结和液压缠结是可能的替代方案。
可粘结复合介质30的各层，以便没有妨碍每一层的表面积，而是 最大化提供最佳的过滤与吸收。例如，在一个实施方案中，超声摩擦 或绗缝(quilting)是所需的，因为比较容易实施和使用少至仅仅1 - 5 %或更低待粘结的各层的表面积。在另一实施方案中，可利用热粘结， 然而，这一技术通常利用高至约8-10%各层的表面积。也可使用粘 合技术粘结，然而，粘合技术将损失约1-20%粘结的各层的表面积。 取决于复合介质所需的应用，可获得数种不同的粘结技术且是本领域 已知的。
也可使用本发明的纤维10制备常规的织造织物以供在衣服和类 似物中使用。由于本发明的纤维10坚固，因而它们可在常规的针织和 编织技术中使用且没有牺牲纤维10的完整性。
尽管许多纤维是本领域已知的，但本发明公开了可使用具有小旦 数的高表面积纤维IO形成复合介质30用于织造和非织造织物二者的 应用。本发明的复合材料30具有比本领域已知的常规复合材料高的热 绝缘能力，并形成改进的过滤介质。此外，本发明的复合材料更加坚 固、更加具有挠性和可透气性更好。如上所述，由于翼形纤维是压缩 回弹的，因此没有妨碍通道且通道具有较大的毛细/芯吸能力，以及吸 收能力。另外，这些翼形纤维具有能捕获纳米尺寸的颗粒的能力。由 于本发明的翼形纤维坚固且具有抗剪切性，因此翼形纤维可耐受高压 且可在液体过滤以及要求高压的苛刻气溶胶过滤应用中使用。正因为 如此，本发明提供由织造或非织造织物构造的高效低压降过滤器。
本发明具有许多应用。在一个实例中，可在非织造织物中使用本 发明生产过滤介质过滤液体或空气用于清洁空间。在再一实例中，可 使用本发明的翼形纤维与常规的圆纤维，利用纺丝板或在制造工艺中 结合后者，得到可结合使用的多层纤维。结合或夹合本发明的翼形纤 维与常规的圆纤维允许单一产品具有多种物理性能且成本有效。
本发明也可用于改进的擦拭材料。在典型的应用，例如嬰儿擦拭布(wipe)中，在使用之前用液体底涂擦拭布。然而，本发明能产生吸 收脏物和灰尘颗粒且没有留下任何颗粒的擦拭产品，这是因为在纤维 通道内的液体保留在那儿，同时仍然溶解并辅助清洁过程。另外，本 发明可用于卫生和声学材料、热绝缘、土工布(geotextile)材料、 建筑材料和压缩性能材料，例如作为緩冲垫和床垫。
在阅读了前述说明书的基础上，本发明的 一 些改性和改进对本领 域的技术人员来说是显而易见的。提供以上提及的实例起到解释本发 明各方面的目的，且对于本领域的技术人员来说，显而易见的是它们 没有限制本发明的范围。为了简洁和可阅读性，此处删除了所有改性 和改进，但它们合适地在下述权利要求的范围内。
权利要求
1.一种复合介质，它包括具有第一侧和第二侧的纤维层；与该纤维层的第一侧相邻的翼形纤维层；和翼形纤维层包括高表面积纤维，该高表面积纤维具有含中间区域的截面，该中间区域具有从中间区域且沿着中间区域周边延伸的多个突出物，其中多个突出物确定多个通道。
2. 权利要求l的复合介质，进一步包括可溶解的外部鞘，其中可 溶解的外部鞘包围高表面积的纤维。
3. 权利要求2的复合介质，其中高表面积纤维的可溶解的外部鞘 包括聚丙交酯(PLA)、共聚酯、聚乙烯醇(PVA)或乙烯-乙烯醇共聚物 (E雨)。
4. 权利要求1的复合介质，进一步包括与所述纤维层的第二侧相 邻的第二翼形纤维层。
5. 权利要求1的复合介质，进一步包括与所述纤维层的第二侧相 邻的稀爭〉布层。
6. 权利要求1的复合介质，进一步包括与所述纤维层的第二侧相 邻的玻璃层。
7. 权利要求l的复合介质，其中纤维层包括熔喷纤维层。
8. 权利要求7的复合介质，其中熔喷纤维层包括选自聚烯烃、聚 酯、聚酰胺、弹性体、热塑性聚氨酯弹性体、聚醚、聚醚酯、聚醚酰 胺(PBAX)和弹性体烯烃中的多种熔喷纤维。
9. 权利要求l的复合介质，其中纤维层包括玻璃纤维。
10. 权利要求l的复合介质，其中纤维层包括聚烯烃熔喷纤维。
11. 权利要求l的复合介质，其中纤维层包括电纺纱纤维网。
12. 权利要求l的复合介质，其中纤维层包括非织造材料。
13. 权利要求12的复合介质，其中非织造材料包括短纤维。
14. 权利要求13的复合介质，其中短纤维选自纤维素纤维、聚丙烯纤维、羊毛纤维、丙烯酸类纤维、变性聚丙烯腈纤维、聚乙烯纤维 和微纤维。
15. 权利要求12的复合介质，其中非织造材料由湿法成网工艺制成o
16. 权利要求l的复合介质，进一步包括在纤维层上材料的化学 涂层。
17. 权利要求l的复合介质，其中所述纤维层粘结到翼形纤维层上。
18. 权利要求17的复合介质，其中借助超声粘结、热粘结、化学 粘结、粘合剂粘结、针刺和液压缠结(hydroentangle)中的方法，产生 在所述纤维层和翼形纤维层之间的粘结。
19. 权利要求1的复合介质，其中高表面积纤维是热塑性聚合物。
20. 权利要求l的复合介质，其中高表面积纤维的多个通道均匀 间隔布置。
21. 权利要求l的复合介质，其中高表面积纤维的多个突出物确 定翼形构型。
22. 权利要求l的复合介质，其中高表面积纤维的多个通道具有 约200纳米-约1000纳米的通道宽度。
23. 权利要求1的复合介质，其中高表面积纤维的截面具有约1 微米 一 约100微米的截面长度。
24. 权利要求1的复合介质，其中高表面积纤维的截面具有约1 微米-约100微米的截面宽度。
25. 权利要求1的复合介质，其中高表面积纤维的旦数为约1.0 —约20. 0。
26. 权利要求l的复合介质，其中高表面积纤维的截面的比表面 积为大于或等于约140， 000cmVg。
27. 权利要求l的复合介质，其中高表面积纤维的中间区域在中 心形成具有空隙的圆形构型。
28. 权利要求l的复合介质，其中高表面积纤维的中间区域为套筒(hub)。
29. 权利要求l的复合介质，其中高表面积纤维的中间区域为纵轴。
30. —种复合介质，它包括 具有第一侧和第二侧的第一纤维层； 与第一纤维层第一侧相邻的翼形纤维层；和 翼形纤维层包括高表面积纤维的纤维网，该高表面积纤维包括热塑性聚合物，所述热塑性聚合物具有含纵轴的截面，所述截面具有从 纵轴且沿着纵轴周边延伸的多个突出物，其中多个突出物确定多个通 道，多个通道具有约200纳米-约1000纳米的宽度；其中高表面积纤维各自具有约1微米-约100微米的截面长度， 和约1微米-约100孩史米的截面宽度；和其中内部纤维的截面的表面积为约100， OOOcmVg -约 1， 000， 000cm2/g。
31. 制备复合介质的方法，该方法包括下述步骤a) 通过共挤出内部纤维和外部鞘通过至少一个板，提供翼形纤维 层，所述翼形纤维层具有高表面积纤维的纤维网，内部纤维为热塑性 聚合物，外部鞘为可溶解的聚合物，内部纤维具有含中间区域的截面， 中间区域具有从中间区域且沿着中间区域周围延伸的多个突出物，其 中多个突出物确定多个通道；熔体纺丝内部纤维和外部鞘，形成双组分纤维；使用溶剂，从双组分纤维中除去外部鞘，得到高表面积纤维；和b) 将纤维层与所述翼形纤维层相邻放置，该纤维层具有第一侧和 第二侧，以便翼形纤维层与纤维层的第一侧相邻，从而形成复合介质。
32. 权利要求31的方法，进一步包括粘结翼形纤维层到纤维层的 第一侧上的步骤。
33. 权利要求32的方法，其中粘结纤维层到翼形纤维层上的步骤 利用超声粘结、热粘结、粘合剂粘结或液压缠结。
34. 权利要求31的方法，其中双组分纤维具有至少4个片段(segment)。
35. 权利要求31的方法，其中熔体纺丝步骤使内部纤维与外部鞘 交替。
36. 权利要求31的方法，进一步包括将第二翼形纤维层与所述纤 维层的第二侧相邻布置的步骤。
37. —种纺织品产品，它包括复合介质，其中该复合介质包括具有第 一侧和第二侧的熔喷层， 与熔喷纤维层的第一侧相邻的翼形纤维层，其中翼形纤维层包括高表面积翼形纤维的纤维网。
38. 权利要求37的纺织品产品，其中复合介质是非织造过滤器。
全文摘要
本发明涉及高表面积纤维和由其制备的改进的过滤器复合介质。更具体地，复合介质优选包括具有高表面积纤维的翼形纤维层以供增加的吸收和强度，以及用于额外过滤的熔喷层。在一个优选的实施方案中，高表面积纤维具有带多个突出物的中间区域，所述多个突出物确定多个通道，所述通道增加纤维的表面积。在一个优选的实施方案中，高表面积的纤维具有大于或等于约140,000cm²/g的比表面积和约1.0-约2.0的旦数。使用双组分挤出工艺，使用热塑性聚合物和可溶解的鞘，制备本发明的高表面积纤维。
文档编号D01D5/00GK101617072SQ200780044663
公开日2009年12月30日 申请日期2007年11月2日 优先权日2006年11月3日
发明者沃尔特·恰帕斯, 贝赫纳姆·博尔蒂希米 申请人:欧拉索实业公司;北卡罗来纳州立大学;贝赫纳姆·博尔蒂希米;沃尔特·恰帕斯