用于形成三维无纺结构的方法
【专利说明】用于形成三维无纺结构的方法
[0001]发明背景
1.
技术领域
[0002]本发明总体涉及一种用于形成三维无纺结构的方法，且更具体地涉及一种用于形成三维过滤器元件的方法。
2.
【背景技术】
[0003]许多涉及过滤的方法使用纸作为过滤介质。纸提供了许多优点。造纸方法具有悠久的历史，并且确定纸的机械性能的参数是众所周知的。纸过滤器广泛用在诸如空气过滤过程和食品制备过程(尤其是冲泡饮料诸如咖啡或茶)中。
[0004]纸作为过滤介质的使用具有许多缺点。纸不适于通过拉伸纤维来模塑成三维形状。如果需要三维形状，则必须凭借折叠或打褶，例如，有时结合创造一个或多个胶层(glueline)来保留期望的形状。
[0005]纸过滤器的另一个缺点是当水润湿纸纤维时纸网状物(web)的强度显著变弱。对于许多应用，这创造了用刚性结构(诸如，漏斗)支撑纸过滤器的需求。这些刚性结构不利地影响了液体流经过滤器，并且增加了成本。
[0006]小的纸过滤器可与水性液体一起使用而不需要提供刚性支撑结构，例如，在某些单份供应(single-serve)咖啡胶囊和茶胶囊中。然而，当湿润时这些过滤器易于下垂抵靠胶囊的侧壁，这限制了水性液体流经过滤器。已经提出在这样的过滤器的侧壁中提供褶状物，以便限制与胶囊的侧壁的接触面积。打褶步骤为制造过程添加了复杂度。此外，已经发现在使用中活褶不足够三维稳定，尤其是当采用较大量的烘磨咖啡和/或延长冲泡次数时。
[0007]本发明人最近已经发现纸过滤器的另一个显著缺点在于，纸纤维从冲泡的饮料吸收有价值的香料组分。此外，当纸纤维变得湿润时，它们膨胀，这在冲泡期间减小了纸过滤器的气孔尺寸并且减少了香料组分到顾客的饮料的递送。无纺网状物通常以扁平片材的形式用作多种应用中的过滤元件。这样的片材缺少足够的结构完整性，并且需要框架支撑。玻璃纤维通常用在过滤器元件中；还使用合成聚合物纤维。这样的过滤器元件通常通过如下技术制造:其中纤维被随机地沉积到有小孔的支架上，例如，湿法成网或气流成网。过滤器材料的气孔尺寸分布很大程度上由纤维直径且由过滤器元件的基本质量确定。
[0008]现有技术的无纺过滤器不适用于形成具有充足过滤和形状保持性能的三维结构。一般而言，这样的过滤器缺乏允许深拉(de印draw)的伸长性能和保持期望的三维形状的机械强度。此外，这样的无纺过滤器缺乏允许在成形过程期间控制气孔尺寸分布的机械完整性。
[0009]因此，特别需要一种用于由无纺网状物形成三维过滤器结构的方法，该方法导致保持期望的形状的结构，且该方法允许控制作为结果的结构的气孔尺寸分布。
【发明内容】
[0010]本发明通过提供一种用于由无纺合成聚合物细丝网状物形成三维结构的方法解决了这些问题，所述合成聚合物具有玻璃化温度Tg和熔融温度T ?，所述方法包括步骤:
[0011]提供合成聚合物细丝的无纺网状物，其具有网状物面积和粘合面积，使得粘合面积是网状物面积的2%到50%，并且网状物抗拉强度在5N/cm到120N/cm的范围内；
[0012]使得WTni，在温度Td下使该无纺网状物受到模塑力，以形成三维结构；
[0013]将所述三维结构冷却到环境温度。
[0014]本发明的另一方面包括用于在本发明的方法中使用的无纺网状物。
[0015]本发明的另一方面包括通过本发明的方法形成的三维结构。
【附图说明】
[0016]参照下面的附图将理解本发明的特征和优点，其中:
[0017]图1A-图1D是模塑过程的示意性例示；以及
[0018]图2A-图2F示出粘合图案的一些实施例。
【具体实施方式】
[0019]下面是本发明的详细描述。
[0020]定义
[0021]本文所使用的术语“熔融指数”指的是用于表征热塑性聚合物的常见度量。它本质上是聚合物熔融时对聚合物的粘度的间接、反比测量。测量在限定的温度条件、压力条件和几何结构条件下在给定量的时间内将流经一个孔口的聚合物熔体的质量。熔融指数值越大，其粘度越低，并且因此，聚合物的平均分子量越低(尽管其它因素诸如处理和添加剂也起作用)。较高分子量的聚合物一般是更粘性的并且在相同条件下较少会流动，因此熔融指数将是较小数量。通常以10分钟期间内流出的聚合物的克数(因此g/ΙΟ分钟或dg/分钟)表达熔融指数。
[0022]不同的聚合物类型常常报告不同条件下的熔融指数。例如，聚乙烯通常报告在190°C下的熔融指数，而聚丙烯通常报告在230°C下的熔融指数，部分由于它们的不同的熔点。因此，熔融指数值在聚合物类型之间不总是直接可比的。
[0023]在ASTM和ISO下有用于熔融指数的标准化方法，例如，ASTM D1238。这样的标准化方法指定了关于所使用的设备的几何结构和其它约束以及条件组合。该设备本质上是装配有一个活塞和一个在底部处的可移除(用于清洁)的孔口的竖直的、窄圆柱形桶。该桶是温度控制的并且在该活塞上放置限定的重量以提供规定的力并且因此提供对该活塞的压力，该压力驱动聚合物熔体通过该孔口。通常，聚合物颗粒被加载到该桶内并且被允许达到远高于聚合物熔点的测量温度。然后向活塞施加重量，迫使聚合物通过该孔口。通过称重或通过使用已知的熔体密度的体积方法(活塞行程)测量挤出物。
[0024]对于不同聚合物类型或对于给定类型的产品内的不同分子量范围，可在活塞上使用不同重量。例如，由于这样级别的高粘度，HDPE的吹塑等级可使用21.6kg重量报告熔融指数，而LLDPE或LDPE的吹膜挤出等级通常使用2.16kg重量。
[0025]术语还在聚合物类型之间变化并且可能是混淆的来源。熔融指数、熔体流动指数和熔体流动速度通常是同义的，但常常意味着不同的测量条件并且经常与不同的聚合物类型相关联。使用两种不同重量载荷测量的熔体流动比率还有时被用来表征聚合物的剪切稀化行为(shear-thinning behav1r)的程度。当力增加时，表观粘度减小并且流动比预期的高，因此当熔体流动比率被表达为对于每种聚合物在高载荷下测量的熔融指数与在低载荷下测量的熔融指数的比率时，熔体流动比率在两种聚合物之间可不同。熔体流动比率的改变通常反映聚合物等级之间分子重分布和/或长链分支化水平的差异。
[0026]本文所使用的术语“低收缩”指的是当合成聚合物细丝受到升高的温度时在长度上收缩的倾向。如下文将更详细地解释的，本发明的方法包括使无纺网状物在升高的温度下受到模塑力。尽管在此模塑步骤期间网状物中的细丝的一些收缩是可接受的，并且通常是不可避免的，但应避免过多的收缩。如果模塑过程引起小于20%的收缩，优选地小于10%,更优选地小于5%的收缩，则该无纺网状物被认为是低收缩。
[0027]如本文所使用的术语“欠抽拉的细丝(underdrawn filament) ”指的是在纺丝过程期间拉伸或“抽拉”聚合物细丝的实践。拉伸新近纺成的细丝随后淬火导致该细丝内的聚合物分子的对齐，并且根据聚合物的性质，导致一定程度的结晶化。这是聚合物细丝的大多数常见使用所期望的，这通常不涉及使细丝受到升高的温度。然而，对于本发明的方法，其中在模塑步骤期间使细丝受到升高的温度，高度的对齐和/或结晶化是不期望的，因为它们降低了细丝在模塑步骤期间伸长的能力。
[0028]在纺丝过程期间细丝的一些拉伸是可接受的，并且甚至是期望的。然而，拉伸应该明显小于将通常用于所讨论的聚合物的，导致显著小于可通过抽拉细丝获得的最大值的一定程度的对齐和/或结晶化。作为结果的细丝在本文中被称作“欠抽拉”。
[0029]在其最广泛的方面，本发明涉及一种用于由无纺合成聚合物细丝网状物形成三维结构的方法，所述合成聚合物具有玻璃化温度Tg和熔融温度T ?，所述方法包括步骤:
[0030]提供合成聚合物细丝的无纺网状物，其具有网状物面积和粘合面积，使得粘合面积是网状物面积的2%到50%，并且网状物抗拉强度在5N/cm到120N/cm的范围内；
[0031]使得WTni，在温度Td下使该无纺网状物受到模塑力，以形成三维结构；
[0032]将所述三维结构冷却到环境温度。
[0033]该方法的主要优点是良好地控制作为结果的结构的多孔性(如由透气性测量所确定的)以及三维结构的良好的形状保持性。
[0034]用于合成聚合物细丝的树脂的选择对于该方法的成功应用是重要的。合成聚合物必须是热塑性聚合物，即，具有玻璃化温度Tg和熔融温度Tni使得(TniXTg)的聚合物。合适的树脂的实施例包括聚烯烃，尤其是聚乙烯和聚丙烯；聚酯，尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯；聚酰胺，尤其是聚合物的尼龙族，诸如，尼龙6和尼龙6，6 ;以及它们的组合。
[0035]应选择具有良好无纺制造性能并且可被转变成具有良好模塑性能的织物的树脂。在一类聚合物内，树脂的处理性能通常取决于分子量、聚合程度、水分含量以及熔体流动指数。
[0036]没有规定本发明的方法中所使用的树脂的分子量的具体范围和聚合程度的具体范围。而是，聚合程度应使得可得到可熔纺的树脂，以及足够高以用于良好的熔纺行为而不引起堵塞的熔体流动指数等。
[0037]水分含量是重要的，因为树脂中存在的水分可在纺丝过程中引起聚合物降解和分子链破坏。可接受的水分量部分地取决于期望的纺丝行为以及聚合物的物理性能，诸如，亲水性。通常水分含量按重量计应在500ppm以下，优选地按重量计在300ppm以下，更优选地按重量计在200ppm以下。
[0038]如上文所解释的，低收缩是用于在本发明的方法中使用的树脂的重要属性。聚酯(诸如，PET)其特征在于相对高的热不稳定性，S卩，当这些聚合物暴露于升高的温度时易于收缩。此性能使这些树脂不太适合用于在本发明的方法中使用，但是可通过使这些树脂受到热定型处理来使其稳定。热定型聚脂通常适于用于在本发明的方法中使用。热定型步骤通常在形成网状物之后执行，并且同时提供粘合。
[0039]聚合物细丝可以是单组分，或包括不止一种组分。后者的实施例包括皮-芯(sheath-core)细丝、海岛(islands-1n-the-sea)结构、(中空)橘辦形(segment (hollow)pie)、侧向并排等。
[0040]在纺丝过程期间，需要控制纺丝速度(被表达为每孔每分钟的克数(“GHM”))和热抽拉比率以产生欠抽拉的细丝。欠抽拉的细丝的特征在于在模塑温度Td下具有大断裂伸长，其对于织物的模塑潜力是重要的。需要控制抽拉比率以保持聚合物链定向和结晶化在可接受的极限内，以便保留细丝的伸长性能