专利名称：制造开孔纤维网的方法
技术领域：
本发明涉及用于制造开孔纤维网的方法。具体地讲，所述方法可用来制造三维开孔薄膜、非织造材料、和它们的层压体，其中孔具有最小的纵横比。
背景技术：
开孔纤维网广泛地用于多种工业产品和消费品。例如，已知开孔薄膜或开孔非织造材料被用于一次性吸收制品诸如一次性尿布和妇女卫生制品诸如卫生巾等。此类制品通常具有流体可透过的顶片、流体不可透过的可透气底片、和设置在顶片和底片之间的吸收芯。开孔薄膜可被制造成形成流体可透过的顶片和/或流体不可透过的可透气底片。2006年4月27日公布的美国专利申请2006/0087053公开了一种用于通过使纤维网材料移动穿过反转的相互啮合辊的辊隙而在前体纤维网中制造孔的方法，其中第一辊包括周向延伸的脊和凹槽，并且第二辊包括从基座至尖端逐渐变细的齿，所述齿在基座处接合到第二辊。齿的基座具有大于横截面宽度尺寸的横截面长度尺寸。当所述辊中的一个上的齿与所述辊中的另一个上的凹槽相互啮合时，就在前体纤维网材料中形成孔。该方法提供高效且高性价比的在纤维网中形成孔的方法。然而，孔的尺寸和形状受限于第二辊中的齿的形状和取向以及形成薄膜的长链分子的取向。例如，挤出的薄膜具有分子取向，其中大部分长链分子具有纵向取向，所述纵向对于挤出的薄膜来讲是薄膜在挤出过程中所遵循的路径。所述反转辊中的第二辊上的齿的横截面长度也在纵向上对齐。因此，当在挤出的薄膜中形成孔时，该方法趋于产生类似于狭缝的孔。虽然就某些应用而言狭缝是可接受的，但类似于椭圆形洞的孔通常是优选的。因此，需要一种用于在薄膜或薄膜-非织造材料层压体中产生孔的方法，所述方法可克服薄膜分子取向的影响并产生类似于椭圆形洞而非狭缝的孔。发明概述本发明公开了一种用于在纤维网中制造孔的方法，其中在纤维网中产生的孔更加高度类似于椭圆形洞而非狭缝。所得纤维网表现出改善的流体采集能力、抗压性能和美观性。所述方法包括提供具有纵向和横向的前体纤维网材料。前体纤维网具有相对于纵向和横向的分子取向。随后使纤维网移动穿过一对相互啮合构件，在那里将其开孔。所述一对相互啮合构件包括具有脊和凹槽的第一构件、以及具有多个从基座逐渐变细的齿和尖端的第二构件。齿在基座处接合到第二构件。齿的基座具有大于横截面宽度尺寸的横截面长度尺寸。齿取向成使得齿的横截面长度尺寸相对于纤维网的主要分子取向设置成大于零的角度。当第二构件上的齿与第一构件上的凹槽相互啮合时，就在前体纤维网材料中形成孔。孔具有小于4. 0，优选小于3. 0的纵横比。在一个实施方案中，所述一对相互啮合构件包括一对反转的相互啮合辊。所述一对相互啮合辊包括具有周向延伸的脊和凹槽的第一辊、以及具有齿的第二辊，所述齿与第一辊的凹槽啮合。齿为从基座至尖端逐渐变细的，并且在基座处接合到第二辊，所述基座具有大于横截面宽度尺寸的横截面长度尺寸。使纤维网材料移动穿过反转的相互啮合辊的辊隙，其中当所述辊中的一个上的齿与所述辊中的另一个上的凹槽相互啮合时，就在前体纤维网材料中形成孔。一种可供选择的方法包括提供在纵向上具有主要分子取向的前体纤维网材料、以及在横向上塑性地变形前体纤维网，以产生具有改进的分子取向的塑性变形的纤维网，其中分子在横向上对齐。使塑性变形的纤维网移动穿过在反转的相互啮合辊之间形成的辊隙以在其中形成孔。所述辊中的一个上的齿具有纵向取向。所述方法也可用于通过如下方式制造在纤维网的选定位置中具有增加的开口面积的孔在使纤维网材料移动穿过反转的相互啮合辊的辊隙之前，将纤维网的塑性变形限制于选定位置。附图概述
图1为本发明的方法的示意图。图2为本发明的设备的透视图。图3为图2所示设备的一部分的横截面图。图4为本发明的方法和设备的另一个实施方案的示意图。图5为图2或图8所示设备的一部分的透视图。图6为图9所示设备的一部分的放大透视图。图7为图2所示设备上的齿的一种供选择的构型的透视图。图8为图2所示设备的一部分的透视图。图9为图12所示设备的所述部分的顶视图。图10为图12所示设备的一部分的平面图。图11为通过本发明的方法制造的开孔纤维网的高度放大的一部分的照片。图12为图12的开孔纤维网的横截面图。图13为通过本发明的方法制造的开孔纤维网的高度放大的一部分的照片。图14为图14的开孔纤维网的横截面图。图1 和15b分别为在实施例1中的样本1和2中所形成的孔的显微照片。图16a至16e分别为在实施例2中的样本3至7中所形成的孔的显微照片。图17为递增拉伸设备的一部分的横截面图。图18a至18d分别为在实施例4的样本8至11中所成形的孔的显微照片。图19a和19b分别为在实施例5中的样本12和13中所形成的孔的显微照片。图20A至20C为各种供选择的层压纤维网构型的示意图。发明详述^X 如本文和权利要求中所用，术语“包括”为包含性或开放式用语，并且不排除其它未列举的元件、组成的组件、或方法步骤。“纵向”或“MD”为平行于纤维网的在其移动穿过制造过程时的行进方向的方向。 在纵向的士45度以内的方向被认为是“纵向”。“横向”或“⑶”为基本上垂直于纵向并在大致由纤维网限定的平面内的方向。在横向45度内的方向被认为是横向。如本文所用，术语“活化”是指使得通过相互啮合合的齿和凹槽产生的拉伸应变促使中间纤维网部分拉伸或延伸的任何方法。此类方法已被发现可用于生产许多制品，包括可透气薄膜、拉伸复合材料、开孔材料和变形材料。就非织造纤维网而言，拉伸可使得纤维重新取向、基重减小、和/或中间纤维网部分内的纤维破坏受控。例如，通用活化方法为本领域称为环轧制的方法。如本文所用，术语“活化构件”是指用于执行活化的包括齿和凹槽的装置。如本文所用，术语“变形区”是指其中相对的活化构件的齿和凹槽相互啮合合以实现活化的区域。如本文所用，术语“路径长度”是指通过相对的活化构件的相互啮合合的齿和凹槽形成的变形区长度。如本文所用，“啮合深度”是指相对的活化构件的相互啮合合的齿和凹槽相互伸入到其中的程度。如本文所用，术语“非织造纤维网”是指具有夹层的单根纤维或纺线结构但不呈如织造或针织织物中的重复图案的纤维网，所述织造或针织织物通常不具有无规取向的纤维。非织造纤维网或织物已由多种方法形成，例如熔喷法、纺粘法、水缠绕、以及包括梳理成网热粘结的粘结梳理成网法。非织造织物的基重通常用克/平方米(gsm)来表示。层压纤维网的基重是组成层与任何其它添加组件的组合基重。纤维直径通常表示为微米；纤维尺寸也可表示为旦尼尔，其为每纤维长度的重量单位。取决于纤维网的最终用途，适用于本发明的层压纤维网的基重可在6gsm至400gsm的范围内。就用作例如手巾而言，第一纤维网和第二纤维网均可为具有介于ISgsm和500gsm之间的基重的非织造纤维网。非织造纤维网的成分纤维可为聚合物纤维，并且可为单组分、双组分、和/或双成分、非圆形(例如，毛细管道纤维)，并且可具有0. 1至500微米范围内的主横截面尺寸(例如，圆形纤维的直径)。非织造纤维网的组分纤维也可为不同纤维类型的混合物，所述纤维类型在如下特征上不相同化学性质(例如PE和PP)、组分(单组分和双组分)、旦尼尔(微旦尼尔和> 20旦尼尔)、形状(即毛细管和圆形)等。成分纤维可在约0. 1旦尼尔至约100 旦尼尔的范围内。如本文所用，术语“纺粘纤维”是指通过将熔融热塑性材料由喷丝头的多个细的、 通常圆形的毛细管挤出为长丝，随后迅速减小挤出长丝的直径而形成的较小直径的纤维。 纺粘纤维沉积在收集面上时一般不发粘。纺粘纤维一般连续并具有大于7微米，更具体地讲介于约10和40微米之间的平均直径(得自至少10个样本)。如本文所用，术语“熔喷法”是指其中如下形成纤维的方法挤压熔融热塑性材料通过多个细小的、通常圆形的冲模毛细管，作为熔融线或长丝进入会聚的高速且通常受热的气体(例如，空气)流中，以拉细熔融热塑性材料的长丝以减小其直径，该直径可达微纤维直径。之后，该熔喷纤维由高速气流载送并沉积在收集面上(经常同时仍发粘)以形成随机分散的熔喷纤维的纤维网。熔喷纤维为可连续或不连续的且平均直径一般小于10微米的微纤维。如本文所用，术语“聚合物”一般包括但不限于均聚物、共聚物，例如嵌段、接枝、无规和间规共聚物、三元共聚物等，以及它们的共混物和修饰物。此外，除非另外具体限制，术语“聚合物”包括材料的所有可能的几何构型。所述构型包括但不限于全同立构、无规立构、 间同立构、和随机对称。如本文所用，术语“单组分”纤维是指仅仅利用一种聚合物由一个或多个挤出机形成的纤维。这不旨在排除由一种聚合物形成的纤维。为了着色、抗静电特性、润滑、亲水性等原因，向该聚合物中加入了少量的添加剂。这些添加剂例如用于着色的二氧化钛一般以小于约5%重量且更典型地约2%重量的量存在。如本文所用，术语“双组分纤维”是指已由至少两种不同的聚合物形成的纤维，所述聚合物由单独的挤出机挤出但纺粘在一起以形成一根纤维。双组分纤维有时也称作共轭纤维或多组分纤维。聚合物沿着双组分纤维的横截面排列在基本上恒定定位的明显不同的区域中并沿着双组分纤维的长度连续延伸。此类双组分纤维的构型可为例如其中一种聚合物被另一种围绕的皮/芯型排列，或者可为并列排列、馅饼排列、或“海岛型”排列。如本文所用，术语“双成分纤维”是指作为共混物由同一个挤出机挤出的至少两种聚合物形成的纤维。双成分纤维不含有沿着纤维的横截面积在相对恒定定位的明显不同的区域中排列的多种聚合物组分并且所述多种聚合物通常沿着纤维的整个长度不连续，而是通常形成随机开始和结束的纤维。双成分纤维有时也称作多成分纤维。如本文所用，术语“非圆形纤维”描述具有非圆形横截面的纤维并且包括“异形纤维”和“毛细管道纤维”。此类纤维可为实心的或中空的，并且它们可为三叶形、δ形，并且可为在它们的外表面上具有毛细管道的纤维。毛细管道可以具有多种横截面形状，如“U形”、 “H形”、“C形”和“V形”。一种优选的毛细管道纤维为Τ-401，命名为4DG纤维，得自Fiber Innovation Technologies (Johnson City，TN)。T-401 纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET 聚酯)。如本文所用，术语“分子取向”描述聚合物链或晶体沿特定方向分布的程度。如本文所用，术语“主要分子取向，，描述大部分聚合物链沿特定方向分布的程度。如本文所用，术语“塑性变形”为如下变形在移除了导致变形的负载之后，所述变形保留在材料中。塑性变形为超出材料的弹性限度之外的变形的永久部分。关于本文所公开的所有数值范围，应该理解，在整个说明书中给出的每一最大数值限度包括每一较低数值限度，就像这样的较低数值限度在本文中是明确地写出的一样。 此外，在整个说明书中给出的每一最小数值限度包括每一较高数值限度，就像这样的较高数值限度在本文中是明确地写出的一样。此外，在整个说明书中给出的每一数值范围包括落在该较宽数值范围内的每一较窄数值范围，并且也包括该数值范围内的每个单独的值， 就像这样的较窄数值范围和单独的数值在本文中是明确地写出的一样。将参照用于制造开孔纤维网的方法和设备来描述本发明。开孔纤维网可为开孔薄膜或包括薄膜和非织造材料的开孔层压体。孔可包括微观孔和宏观孔，前者对于无仪器辅助的观察者的肉眼来讲在普通的室内光照下从大约1米之外是基本上不可见的，而后者在此类条件下是可见的。在用本发明的设备进行加工之前，可形成微观孔和/或其他压花或质构化。开孔纤维网可用于一次性吸收制品诸如绷带、包裹物、失禁用具、尿布、卫生巾、 短裤护垫、棉塞、和痔疮处理垫、以及其他消费品诸如地板清洁片、身体擦拭物、和衣物洗涤片。此外，本发明的纤维网还可用作机动车应用、农业应用、电气应用、或工业应用中的穿孔纤维网。本发明的一种设备示意性地示于图1中。前体纤维网20在纵向(MD)上移动到成形设备150，在所述设备处形成孔6从而产生开孔纤维网1。前体纤维网20可由进给辊 152 (或数个进给辊，如多个纤维网层压体所需的那样)或任何其他进给装置诸如花彩纤维网来提供，如本领域已知的那样。在一个实施方案中，前体纤维网20可直接由纤维网制造设备诸如聚合物薄膜挤出机来提供。形成之后，可将开孔纤维网1收集在进给辊160上以便贮存并进一步加工为其他产品中的组件。作为另外一种选择，可将开孔纤维网1直接传送至进一步的后加工，包括转换加工操作以便结合到成品诸如一次性吸收产品中。如图1所示，开孔纤维网1可由大致平面的二维前体纤维网20形成，所述前体纤维网具有第一表面12和第二表面14。前体纤维网20可为聚合物薄膜或聚合物薄膜和非织造纤维网的层压体。第一表面12对应于前体纤维网20的第一侧面、以及开孔纤维网1的第一侧面。第二表面14对应于前体纤维网20的第二侧面、以及开孔纤维网1的第二侧面。 一般来讲，术语“侧面”按该术语的通常用法在本文中用来描述大致二维的纤维网诸如薄膜的所述两个主表面。当然，在复合结构或层压结构中，开孔纤维网1的第一表面12为最外层或层片中的一个的第一侧面，并且第二表面14为另一个最外层或层片的第二侧面。前体纤维网20可为聚合物薄膜纤维网。在一个实施方案中，前体纤维网20可为适于用作一次性吸收产品中的顶片的聚合物纤维网，如本领域已知的那样。聚合物薄膜纤维网可为可变形的。如本文所用，可变形的材料描述的是如下材料当被拉伸超过其弹性限度时，所述材料将基本上保留其新形成的构象。此类可变形的材料可为化学同性的或异质的， 例如均聚物和共混聚合物，可为结构均勻的或异质的，例如光片或层压体，或可为此类材料的任何组合。本发明的方法用来形成包括聚合物薄膜的材料。此类材料包括单独的聚合物薄膜或包括层压体，所述层压体包括聚合物薄膜和其他材料诸如非织造材料。本发明的方法中所用的可变形的聚合物薄膜纤维网可具有转变温度范围，在所述范围内材料的固态分子结构会发生变化，诸如结晶结构发生变化或从固态变化至熔融状态。因此，在转变温度范围以上，材料的某些物理特性将基本上改变。就热塑性半结晶薄膜而言，转变温度范围可为薄膜的玻璃化转变温度范围或薄膜的熔融温度范围。超过所述玻璃化转变温度范围，聚合物将变成橡胶状并且能够弹性或塑性地变形而不会开裂；超过所述熔融温度范围，薄膜将呈熔融状态并且基本上失去所有先前的热机历史。聚合物薄膜纤维网可包括热塑性聚合物，所述聚合物具有取决于它们的组成和温度的特有的流变特性。在它们的玻璃化转变温度以下，此类热塑性聚合物可相当坚硬且僵硬，并且常常为脆性的。在该玻璃化转变温度以下，分子处于刚性的固定位置。在玻璃化转变温度以上但在熔融温度范围以下，热塑性聚合物表现出粘弹性。在此温度范围中，热塑性材料大致具有一定程度的结晶度并且为大致挠性的，因而可在力的作用下变形至某种程度。这种热塑性的可变形性取决于变形速率、变形量(维量)、被变形的时长和其温度。在一个实施方案中，本发明的方法可用来形成包括热塑性聚合物尤其是热塑性薄膜的材料， 所述材料处在该粘弹性温度范围内。聚合物薄膜纤维网可包括一定量的延展性。如本文所用，延展性为永久性的、不可恢复的塑性应变的量，所述应变当材料被变形时在材料的损坏(破裂、破损或分离)之前发生。延展性取决于对所述材料所施加的应变速率。用本发明的方法形成的材料可具有至少约10%，或至少约50%，或至少约100%，或至少约200%或至少约500%的最小延展性。本发明中所用的聚合物薄膜纤维网可包括通常被挤出的或流延为薄膜的材料诸如聚烯烃、尼龙、聚酯等。此类薄膜可为热塑性材料例如聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚丙烯和包含基本分数的这些材料的共聚物和共混物。此类薄膜可用表面改性剂处理以赋予亲水性或疏水性特性，例如赋予荷叶效应。聚合物薄膜纤维网可为单层的或多层的平坦薄膜。如下所述，聚合物薄膜纤维网可质构化、压花，或换句话讲从严格平坦的平面构型发生改变。聚合物薄膜的物理特性(具体地讲模量)取决于聚合物分子取向，所述分子取向在前文中被定义为聚合物链沿特定方向分布的程度。薄膜的分子取向可根据ASTM方法 D2732-03来确定。该测试方法涵盖了如何确定0. 030in(0. 76mm)的厚度或更小厚度的塑性薄膜和薄片在给定样品温度下的未受约束的线性热缩程度。具有主要分子取向的薄膜样品将主要在主要分子取向的方向上收缩，并且以较低的程度在与其垂直的方向上收缩。双轴向取向的聚合物薄膜相对于MD和CD具有基本上无规的取向。所谓“基本上无规的分子取向”是指由于薄膜加工期间的条件的缘故，与取向在CD上的情况相比，不存在显著地更高数量的长链分子取向在MD上。换句话讲，MD和CD上的长链分子的数目是大约相同的。因此，具有无规分子取向的薄膜在MD和CD上可表现出类似的特性，诸如模量。吹塑薄膜可为双轴向取向的聚合物薄膜的一个实例。相比之下，具有主要分子取向的薄膜具有取向在特定方向上的更高数量的长链分子。例如，与取向在CD上的情况相比，挤出的薄膜可具有更高数量的长链分子取向在MD上。流延薄膜为薄膜的一个实例，其在MD上具有主要的分子取向。聚合物薄膜的分子取向可通过对薄膜进行加热和/或塑性变形来改进。 例如，在MD上具有主要分子取向的薄膜可在CD上受到应变和塑性变形，从而改变长链聚合物的取向而变成双轴或CD取向的聚合物薄膜。前体纤维网20可为两个或更多个前体纤维网的复合体或层压体，并且可包括例如聚合物薄膜和非织造纤维网的组合。非织造纤维网或织物可由许多已知的方法成形，例如，气流成网法、熔喷法、纺粘法、水缠绕法、水刺法、以及粘合梳理成网法。此外，还可利用多层纤维网，例如通过多束纺粘工艺制成的纺粘-熔喷-纺粘(SMS)纤维网等(例如，SMMS、 SSMS)。每个组分(即，纺粘或熔喷组分)没有必要均为相同的聚合物。因此，在SMS纤维网中，纺粘和熔喷层没有必要包括相同的聚合物。非织造纤维网的组分纤维可为聚合物纤维，并且可为单组分、双组分和/或双成分纤维、中空纤维、非圆形纤维(例如，异形(例如，三叶形)纤维或毛细管道纤维)，并且可具有以1微米的递增在0. 1-500微米的范围内变化的主横截面尺寸(例如，圆形纤维的直径、椭圆形异形纤维的长轴、不规则形状的最长直线尺寸)。前体纤维网20可通过本领域已知的方法预加热，例如通过辐射加热、强制空气加热、对流加热、或在油热辊上加热。前体纤维网20可预印刷上标记、图案、徽标、或其他可见或不可见的印刷图案。例如，设计和颜色可通过本领域已知的方法诸如喷墨印刷、照相凹版印刷、柔性版印刷、或胶版印刷来印刷以改变前体纤维网20的至少部分的颜色。除了印刷以外，前体纤维网20还可用涂层来处理，诸如用表面活性剂、洗剂、粘合剂等来处理。处理前体纤维网20可通过本领域已知的方法来实现，例如通过喷涂、槽式涂布、挤出，或换句话讲将涂层施加到一个或两个表面上来实现。当前体纤维网20通过本领域已知的装置在纵向上移动(包括在任一各种惰辊、张力控制辊等(所有这些均未示出)上或周围移动)至由一对反转的相互啮合辊102和104 所形成的辊隙116时，供给辊152在图1中的箭头所指的方向上旋转。所述一对相互啮合辊102和104运转以在纤维网20中形成孔从而形成开孔纤维网1。相互啮合辊102和104
9更清楚地示出于图2中。参见图2，其更详细地示出了用于制造开孔纤维网1中的孔的成形设备150的部分。设备150的该部分在图2中被示出为成形设备100，并且包括一对钢质相互啮合辊102 和104，所述辊各自围绕轴线A旋转，轴线A为平行的且处在相同的平面中。成形设备100 可被设计成使得前体纤维网20在某个旋转角度内保留在辊104上，如下文参照图8所详细地示出的那样，但图2原则上示出了当前体纤维网20直线穿过成形设备100上的辊隙116 并作为开孔纤维网1退出时所发生的情况。因此，尽管图2所示出的是开孔纤维网1直线进入并退出辊隙116的情形，但开孔纤维网1的前体纤维网20可在辊隙116之前(就前体纤维网20而言)或在所述辊隙之后(就开孔纤维网1而言)，在预定旋转角度内部分地包裹在辊102或104中的任何一个上。例如，在退出辊隙116之后，开孔纤维网1可被引导而包裹在辊104上并经过预定旋转角度，使得孔保持停留在并“适配”到辊104的齿110上， 如图8所示。辊102和104可由钢或铝制成。在一个实施方案中，辊可由不锈钢制成。一般来讲，辊102和104可由耐腐蚀且耐磨的钢制成。辊102可包括多个脊106和对应的凹槽108，它们可不间断地围绕辊102的整个圆周延伸。在一些实施方案中，取决于在开孔纤维网1中期望具有什么样的图案，辊102可包括脊106，其中已移除了一些部分，诸如通过蚀刻、铣削或其他机加工工艺来移除，使得脊 106中的一些或全部不是周向连续的，而是具有中断或间隙。可布置所述中断或间隙以形成图案，包括简单的几何形状图案诸如圆形图案或菱形图案，但也包括复杂图案诸如徽标和商标。在一个实施方案中，辊102可具有类似于辊104上的齿110的齿，如下文更充分所述。以该方式，就有可能具有三维的孔，所述孔的一些部分在开孔纤维网1的双侧面上向外延伸。除了孔以外，还可制造出纤维网1的孔的各种平面外宏观区域，包括描绘徽标和/或设计的压花纹理宏观图案。在一个可供选择的实施方案中，辊102的外表面可包括刷子或弹性材料诸如橡胶，它们允许配合辊104上的齿在形成于所述两个辊之间的辊隙处刺入。作为另外一种选择，辊102还可用刷式传送机来替代，所述刷式传送机如公开于 1998年9月8日授予Jourde等人的美国专利5，802，682中。就该实施方案而言，可将刷式传送机布置成与配合辊104上的齿对接使得齿在成形于辊104和刷式传送机之间的辊隙处刺入刷子。辊104类似于辊102，但取代具有可不间断地围绕整个圆周延伸的脊，辊104包括已被改进成多排周向间隔开的齿110的多排周向延伸的脊，所述齿以间隔开的关系围绕辊 104的至少一部分延伸。辊104的各排齿110被对应的凹槽112隔开。在操作中，辊102 和104相互啮合使得辊102的脊106伸入到辊104的凹槽112中并且辊104的齿110伸入到辊102的凹槽108中。所述相互啮合更详细地示出于下文所述的图7的横截面图中。辊 102和104两者或其中任一个可通过本领域已知的方法加热，例如通过引入热油填充辊或电加热辊来加热。作为另外一种选择，这两个辊或其中任一个均可通过表面对流或通过表面辐射来加热。齿110可接合到辊104。所谓“接合”是指齿可被连结到，诸如通过焊接、压缩配合，或以其他方式接合。然而，“接合”也包括整体连结，如通过从辊104上移除多余的材料来机加工齿的情况。齿110所接合到辊104的位置为基座。在平行于基座的任何横截面位置，每个齿可具有非圆形横截面区域。在周向上，横截面区域的横截面长度(对应于齿长， 如下所述)为至少两倍的横截面宽度，所述宽度垂直于所述长度尺寸在横截面区域的中心测量。在一个可供选择的实施方案中，齿可包括销轴；取决于所期望的对应的孔形状，所述销轴为圆柱形、矩形或其他形状。图3以横截面示出了相互啮合辊102和104的一部分，包括脊106和代表性齿110。 如图所示，齿110具有齿高TH(注意TH也可适用于脊106高；在一个优选的实施方案中， 齿高和脊高相等)、和被称为节距P的齿对齿间距(或脊对脊间距)。如图所示，啮合深度 (DOE)E是辊102和104相互啮合水平的量度，并且是从脊106的尖端测量至齿110的尖端。 啮合深度E、齿高TH和节距P可取决于本发明的前体纤维网20的特性和开孔纤维网1的期望特征而根据需要变化。例如，一般来讲，为了获得纤维网1的更高密度的火山形结构8或孔6，节距应当更小，并且齿横截面长度TL和齿间距TD应当更小，如下所述。也设想齿110的尺寸、形状、取向和间距可围绕辊104的圆周和宽度来改变，以提供变化的开孔纤维网1的特性和特征。此外，还可在进入辊隙116之前或之后，将诸如洗剂、墨、表面活性剂等之类的物质喷涂、涂覆、槽式涂布、挤出、或以其他方式施用到开孔纤维网1上。可利用本领域已知的用于此类处理剂施用的任何工艺。在一个实施方案中，开孔纤维网1可通过用如图4所示的设备200加工前体纤维网20来形成。设备200的多辊式排列被设计成提供预定保压时间，其中开孔纤维网1在预定旋转角度内保持接触有齿辊104。尽管旋转角度可取决于薄膜的类型、辊的温度、和纤维网行进的速度来最优化，但一般来讲，包裹角度可为至少10度且高达约270度或更大，这至少部分地取决于配合辊的相对尺寸。如图所示，前体纤维网20可被导向在各种导向辊和张紧构件(未示出)周围从而被导向至导向辊105并且被导向到辊102A上，所述辊可具有如上文参照图1中的设备150的辊102所示的脊和凹槽。辊102A可为加热的以有助于形成火山形结构8和孔6。在一个实施方案中，可将辊102加热至约200 0F。如图4所示，前体纤维网20进入到由啮合的辊104和102A的相互啮合所形成的辊隙116A中。设备200的辊104可为如上文参照图1中的设备150所述的有齿辊。当前体纤维网20穿过辊隙116A时，辊104上的齿110挤进和/或挤穿并可刺穿前体纤维网20 以形成火山形结构8和孔6。然后开孔纤维网1继续静止地接触旋转的辊104直到到达由辊104与辊102B的相互啮合所形成的辊隙116B。辊102B可具有如上文参照图1中的设备 150的辊102所述的脊和凹槽。当开孔纤维网1退出辊隙116B时，其被引导离开辊104并被引导到辊102B上并且根据需要经过各种导向辊105，然后被卷绕以便进行进一步的加工、装运、或放置以便结合在所制造的产品中。在一个实施方案中，开孔纤维网1被引导到卫生巾的制造过程中，其中开孔纤维网1作为顶片被喂送到所述过程中并且接合到其他组件诸如底片纤维网、被切割成成品形状、包装、并且装运至零售点。在另一个实施方案中，所述纤维网被引导到尿布产品的制造过程中，其中开孔纤维网1作为底片被喂送到所述过程中并且接合到其他组件诸如顶片。如果开孔纤维网1在被拉脱辊104时趋于粘住齿110，则可根据需要加入各种加工助剂。例如，可加入不粘处理剂，诸如硅氧烷或碳氟化合物处理剂。可将各种润滑剂、表面活性剂或其他加工助剂加入到前体纤维网20或辊104中。用于帮助从辊上移除纤维网的其他方法包括气刀或刷涂。在一个实施方案中，辊104可具有内部室和装置以在纤维网移除点向辊102B上提供正气压。一般来讲，对从辊104至辊102B的过渡的控制受到以下因素的影响纤维网速度、相对的辊速度(即，辊104和辊102B的切向速度)、纤维网张力、和相对摩擦系数。如本领域的技术人员已知的那样，可改变这些参数中的每个以确保将开孔纤维网1如期望的那样转移到辊102B上。具有如图4所示设备的有益效果是开孔纤维网1经历延长的接触并“嵌套”在辊 104的齿110上的时间量。以该方式，火山形结构8和孔6具有附加定形时间和更高的在从辊104上移除之后保留三维构型的可能性。不受理论的约束，据信通过调整辊104的圆周、辊102A，104和/或102B的温度、以及辊的摩擦系数，这种更长的保压时间可用来增加线速度，在所述线速度下开孔纤维网1可被加工以制造永久的三维火山形结构8。辊102A， 104和/或102B的温度可全部为相同的温度或作为另外一种选择为不同的温度。例如，辊 102A和104可为加热的，而辊102B为室温或低于室温的。此外，还可将所述各种辊的速度保持为相同的速度；或作为另外一种选择，可在各辊之间建立速度差异。如果要加热如上所述设备150或200的任一辊，则必须当心解决热膨胀问题。在一个实施方案中，脊、凹槽和/或齿的尺寸被机加工以解决热膨胀，使得图3所示的尺寸和本文所述的尺寸为操作温度下的尺寸。图5示出了辊104的一个实施方案的一部分，所述辊具有多个适用于制造开孔纤维网1的齿110。图5所示齿110的放大视图示出于图6中。如图6所示，每个齿110均具有基座111、齿尖端112、前沿LE和后沿TE。齿尖端112可为大致尖锐的、钝头的或以其他方式成型的以便拉伸和/或穿刺前体纤维网20。齿110可具有大致平坦的刀片状形状。 换句话讲，与横截面大致圆形的圆的销轴状形状相反，齿110可在一个尺寸上细长，具有大致非圆的、细长的横截面构型。例如，在它们的基座111处，齿110的横截面可具有表现出至少2，或至少约3，或至少约5，或至少约7，或至少约10或更大的TL/TW的齿纵横比AR的齿长TL和齿宽TW。在一个实施方案中，横截面尺寸的纵横比AR保持随齿高基本上恒定。在辊104的一个实施方案中，齿110可具有一般在齿110的基座111处从前沿LE 测量至后沿TE的约1. 25mm的均勻的横截面长度尺寸TL、和一般在基座处垂直于周向长度尺寸测量的约0. 3mm的齿横截面宽度TW。齿可以约1. 5mm的距离TD在环向彼此均勻地间隔开。为了由具有在约5gsm至约200gsm范围内的基重的前体纤维网20制造柔软的三维开孔纤维网1，辊104的齿110可具有在约0. 5mm至约3mm范围内的长度TL、约0. 3mm至约 Imm的齿宽TW、和约0. 5mm至约3mm的间距TD、在约0. 5mm至约IOmm范围内的齿高TH、以及介于约Imm(0. 040英寸)禾Π 2. 54mm(0. 100英寸)之间的节距P。啮合深度E可为约0. 5mm 至约5mm (直到最大值接近齿高TH)。当然，啮合深度E、节距P、齿高TH、间距TD和齿横截面长度TL可各自彼此独立地变化以获得所期望的尺寸、间距、和孔6的面密度(孔6的数目/单位面积的开孔纤维网 1)。例如，为了制造适用于卫生巾和其他吸收制品的开孔薄膜和非织造材料，基座处的齿横截面长度TL可在介于约2. 032mm至约3. 81mm之间的范围内；齿宽TW可在约.508mm至约 1.27mm的范围内；齿距TD可在约1. Omm至约1.94mm的范围内；节距P可在约1. 106mm至约2. 54mm的范围内；并且齿高TH可在约2. 032mm至约6. 858mm的范围内。啮合深度E可为约0. 5mm至约5mm。齿尖112的曲率半径R可为0. OOlmm至约0. 009mm。不受理论的约束，据信底部处的齿长TL可在约0. 254mm至约12. 7mm的范围内；齿宽TW可在约0. 254mm至约5. 08mm的范围内；齿距TD可在约0. Omm至约25. 4mm(或更多)的范围内；节距P可在约 1.106mm至约7. 62mm的范围内；齿高TH可在0. 254mm至约18mm的范围内；并且啮合深度E 可在0. 254mm至约6. 35mm的范围内。就所公开的每一范围而言，本文所公开的是，所述尺寸可在从最小尺寸以0. OOlmm递增至最大尺寸的范围内改变，使得本公开提出范围界限并且每个尺寸以0.001mm的递增介于其间(曲率半径R除外，其中递增被公开为以0. OOOlmm 的递增改变)。不受理论的束缚，并且与当前未决的工具设计一致，据信其他尺寸也可能用于本发明的方法和设备。例如，基座处的齿长TL可在约0.254mm至约12. 7mm的范围内，并且可包括4. 42mm, 4. 572mm和约5. 56mm ；齿宽TW可在约0. 254mm至约5. 08mm的范围内，并且可包括1. 78mm ；齿间距TD可在约0. Omm至约25. 4mm的范围内，并且可包括2. 032mm ；节距P 可在约1. 106mm至约7. 62mm的范围内；齿高TH可在0. 254mm至约18mm的范围内，并且可包括5. 08mm ；并且啮合深度E可在0. 254mm至约6. 35mm的范围内。曲率半径可在约0. OOmm 至约6. 35mm的范围内。就所公开的每一范围而言，本文所公开的是，所述尺寸可在从最小尺寸以0. OOlmm递增至最大尺寸的范围内改变，使得本公开提出范围界限并且每个尺寸以 0. OOlmm的递增介于其间(曲率半径R除外，其中递增被公开为以0. OOOlmm的递增改变)。在一个实施方案中，为了制造开孔纤维网1的火山形结构8和/或孔6，LE和TE 应当逐渐变细成大致棱锥或截头圆锥形形状中的点，所述形状可被描述为成型成如同鲨鱼齿。如图10所示，所述大致尖锐的棱锥形鲨鱼齿形状可具有六个侧面114，每个侧面在形状上均为大致三角形的。两个侧面的顶点构成前沿LE，并且两个侧面的顶点构成齿110的后沿TE。前沿或后沿的顶点可为相对锐利的，或可被机加工成具有圆化的曲率半径。齿尖端的曲率半径可为0. 005英寸。其他齿形状可用来制造孔。例如，如图7所示，图5所示的大致棱锥形状可被截短以便移除尖端112的尖锐性。截短可在从基座111开始的预定距离处进行使得大致平坦的区域120产生在齿110的远端。大致平坦的区域120可具有对应于齿110的横截面形状的区域形状。因此，大致平坦的区域120也可为细长的，S卩，具有大于宽度尺寸的长度尺寸和对应于齿110的纵横比的纵横比AR。在一个实施方案中，平坦区域120可在大致锐利的顶点过渡至侧面114，或所述过渡可在曲率半径处发生，从而提供平滑的、圆化的、平坦的齿尖端。在另一个实施方案中，如图8所示，齿110可具有至少一个边缘，所述边缘相对于辊104的表面大致垂直地延伸。例如，如图8中的辊104的局部透视图所示，类似于鲨鱼翅的齿可具有朝尖端齿112成角度的前沿LE、和大致垂直于基座111朝尖端齿112延伸的后沿TL。在另一个实施方案中，齿110可具有相同的形状，但前沿和后沿是逆反的使得所述大致垂直的边缘成为前沿。图9为图8所示辊104的所述部分的顶视图。各种尺寸示出于举例说明的实施方案中，包括由构成前沿和后沿的侧面114所产生的角度。同样，图10为图8所示齿的细节， 示出了代表性尺寸。一般来讲，尽管所示出的各尺寸为当前据信有益于制造适用作一次性吸收制品上的顶片的三维成形薄膜的尺寸，但所有尺寸均可根据需要来改变，这取决于所期望的孔密度、间距、尺寸、和前体纤维网20的纤维网类型。不受理论的约束，据信在齿110上具有相对锐利的尖端允许齿110 “干净地”即局部且明显地穿透前体纤维网20，以便所得开孔纤维网1可被描述成主要为“开孔的”而非主要为“压花的”。在一个实施方案中，对前体纤维网20的穿刺是干净的，纤维网20几乎不变形，使得所得纤维网为基本上二维的穿孔纤维网。开孔薄膜两个代表性三维的开孔成形薄膜纤维网1示出于图11-14的显微照片中。图11示出了由大致平面的聚乙烯薄膜前体纤维网20制成的三维开孔纤维网1的一部分，所述前体纤维网具有大约25克/平方米的基重。图11所示的孔6是通过加热的辊104上的齿110 的作用来形成的，所述齿拉伸并挤穿前体纤维网20以永久地变形前体纤维网20从而形成多个离散的、间隔开的火山状结构8，所述结构从第一侧面12向外延伸。如图12-15所示的纤维网可通过用被加热至约200 0F的辊102和104的辊隙116进行加工来制造。一般来讲，设备100的线速度和足够的加热取决于齿110的尺寸、任一辊上的包裹角度、和/或前体纤维网20的类型和基重，所有这些均可根据需要通过本领域熟知的方法来改变。如图12的横截面所示，孔6使得开孔纤维网1的第一侧面12和第二侧面14通过火山状结构8保持流体连通。火山状结构8包括在Z方向上具有显著取向的变形薄膜的连续侧壁9，所述侧壁可为相对刚性的以在使用中阻抗Z方向上的压缩。图12和13的开孔纤维网1的未变形部分可为流体不可透过的。孔6的数目/单位面积的开孔纤维网1 (即，孔6的面密度)可从1孔6/平方厘米变化至高达60孔6/平方厘米。每平方厘米可有至少10个或至少20个孔6，这取决于最终用途。一般来讲，面密度在孔纤维网1的整个区域上无需为均勻的，但孔6可仅在开孔纤维网1的某些区域中存在，诸如在具有预定形状诸如线形、条形、带形、圆形等的区域中存在。 在一个实施方案中(例如，其中开孔纤维网1被用作卫生巾的顶片)，孔6可仅存在于对应于发生流体进入的所述衬垫中部的区域中。因此，如可参照成形设备100而理解，开孔纤维网1的孔6通过机械地变形前体纤维网20来制造，所述前体纤维网可被描述为大致平面的和二维的。所谓“平面的”和“二维的”只是简单地指纤维网相对于开孔纤维网1为平坦的，所述开孔纤维网具有由于火山形结构8的形成而赋予的明显的、平面外的、Z方向上的三维性。“平面的”和“二维的”不旨在隐含任何特定平坦度、光滑度或维数。因此，柔软的非织造纤维网在其现制的状况中可为平面的。当前体纤维网20穿过辊隙116时，辊104的齿110进入辊102的凹槽108中并且同时将材料推挤出前体纤维网20的平面外以形成永久的火山状结构8和孔6。实际上，齿 110 “挤”或“刺”穿前体纤维网20。当齿110的尖端挤穿前体纤维网20时，纤维网材料被齿110推挤出前体纤维网20的平面外并且在Z方向上被拉伸和/或塑性变形，从而形成永久的火山状结构8和孔6。前体纤维网的延展量和其他材料特性诸如玻璃化转变温度和结晶度决定了开孔纤维网1可保留多少相对永久的三维变形。图13和14示出了三维开孔纤维网1的另一个实施方案，其中前体纤维网20不是平坦薄膜而是预质构化有微观畸变2的薄膜。畸变2可为隆起、压花、洞等。在所示的实施方案中，畸变2也为通过液压成形方法所形成的火山形微观孔。一种合适的液压成形方法为1986年9月2日授予Curro等人的美国专利4，609，518中所公开的多相液压成形方法
14中的第一相。用于图14和15所示的纤维网的液压成形筛网为“100目”筛网，并且薄膜得自 Tredegar Film Products (Terre Haute, IN)。孔 6 由设备 100 中的辊 104 的齿 110 形成。如图14的横截面所示，在一个实施方案中，孔6由在背离第一侧面12的方向上延伸的辊104的齿110形成，而畸变2诸如微观孔通过背离第二侧面14延伸的液压成形形成。畸变2也可为用以提供纹理的非开孔突出、原纤、或压花，所述纹理提供柔软性触觉印象。当将纤维网1用作一次性吸收制品中的顶片时，柔软性是有益的，并且本文所公开的用于形成火山形结构8和孔6的方法有效地保存微观纹理畸变2，尤其是当火山形结构8和孔 6在一次性吸收制品生产线上制造时更是如此。以该方式，当将开孔纤维网1 (具有包括畸变2的第二侧面14)用作制品的面向身体的表面时，可获得用于一次性吸收制品的柔软且柔顺的顶片。图11-14所示的薄膜实施方案的孔6在图2所示的设备上制造，其中设备100被布置成具有一个图案辊(例如辊104)和一个非图案凹槽辊102。然而，在某些实施方案中， 可优选使用两个图案辊来形成辊隙116，这两个图案辊在相应辊的相同或不同对应区域中具有相同或不同的图案。这种设备可生产出具有从开孔纤维网1的双侧面突出的孔6的纤维网、以及压花到开孔纤维网1中的宏观纹理例如畸变、微观孔或微观图案。同样，可期望具有多个设备100使得开孔纤维网1被重新加工以具有附加结构8和/或孔6。例如，可通过用两个或更多个设备100加工前体纤维网20来在开孔纤维网1上获得更高面密度的火山形结构8。也设想到，齿110的尺寸、形状、取向和间距可围绕辊104的圆周和宽度来改变以提供变化的开孔纤维网1的特性和特征。孔6的数目、间距和尺寸可通过改变齿110的形状、数目、间距和尺寸并且根据需要对辊104和/或辊102作出对应的尺寸变化来改变。这种变型连同前体纤维网20中可能的变型和加工情况诸如线速度、辊温度中的变型和其他后加工变型允许为了很多的目的而制造出很多变化的开孔纤维网1。尽管根据本文所述的方法所生产的孔的尺寸与齿110的对应的尺寸和形状以及其他前述工艺参数相关，但已发现孔的实际形状与辊104上的齿110相对于形成前体纤维网20的长链分子的分子取向的取向相关。换句话讲，已发现相对于薄膜的分子取向设置成一角度的齿形成具有纵横比(L/W)的椭圆形孔，所述纵横比可比地小于由平行于薄膜的分子取向对齐的齿所形成的细长形孔的纵横比。实际上已发现，垂直于薄膜的分子取向对齐的齿形成具有近似1.0的纵横比(L/W)的椭圆形孔，而平行于薄膜的分子取向对齐的齿可形成具有超过5. 0的纵横比的孔。不受理论的约束，当齿穿刺薄膜纤维网时，其会切割或断裂长链分子从而导致分子拉开。如果齿为加热的，则可发生应力弛豫或熔融，从而导致长链分子在回到平衡点期间发生收缩。因此，据信MD取向的齿在穿刺MD取向的薄膜时影响较少的长链分子，从而导致狭缝；而CD取向的齿在MD取向的薄膜中影响较多的长链分子，从而导致较大且较多的圆化孔。因此，已发现可通过如下方式来形成具有极小纵横比的椭圆形孔改进齿的取向和/或薄膜的分子取向以便齿的取向和薄膜的分子取向之间的相对角度大于0°。优选地，齿的取向和薄膜的分子取向之间的相对角度在约30°至约90°范围内。更优选地，相对角度为约 90° 。
例如，图2所示的成形设备100的辊104上的齿110取向成使得齿横截面长度TL 在MD上对齐。此类MD对齐的齿可在MD上具有主要分子取向的薄膜中产生狭缝形或细长形孔。比较地讲，如果齿110取向成使得齿的横截面长度TL在CD上对齐，则齿将在MD上具有主要分子取向的薄膜中产生椭圆形孔。因此，辊上的齿的取向可被布置成在MD取向的薄膜中产生孔，所述孔具有极小的纵横比且优选地小于约4. 0的纵横比。实施例1通过使微观开孔的100目的薄膜穿过0. 050英寸节距的成形设备制备了样本。就样本1而言，齿取向在MD上。就样本2而言，齿取向在⑶上。将这两种薄膜在75°C的温度和50英尺/分钟的线速度下进行活化。样本1的图1 示出了由MD取向的齿产生的所得孔，并且样本2的图1 是将齿取向在CD上的结果。如图所示，孔长度保持不变，而宽度增加了，从而减小了纵横比。
权利要求
1.一种用于在纤维网中制造孔的方法，所述方法包括a.提供具有纵向和横向的前体纤维网材料，所述纤维网具有相对于所述纵向和所述横向的主要分子取向；b.提供包括第一构件和第二构件的成形设备，其中所述第一构件包括配合构件，并且所述第二构件包括尖端和从基座逐渐变细的齿，所述齿在所述基座处接合到所述第二构件，每个齿的基座均具有大于横截面宽度尺寸的横截面长度尺寸，其中每个齿均取向成使得所述齿的横截面长度尺寸相对于所述纤维网的主要分子取向以大于零的角度设置；以及c.使所述前体纤维网材料移动穿过所述相互啮合构件；其中当所述第二构件上的齿刺入所述配合构件时，就会在所述前体纤维网材料中形成孔。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述成形设备包括一对反转辊，其中所述第一构件包括第一辊，并且所述第二构件包括具有成排布置的齿的第二辊，每排齿至少部分地围绕所述第二辊的圆周延伸，其中所述前体纤维网移动穿过在所述反转辊之间形成的辊隙，从而在所述前体纤维网中形成孔。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一辊包括周向延伸的脊和凹槽，所述脊和凹槽在所述辊隙处与所述第二辊上的齿相互啮合。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述第一辊包括形成刷子的径向延伸的刷毛，所述刷子在所述辊隙处与所述第二辊上的齿接合。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述第二辊是加热的。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述齿为具有至少六个侧面的大致棱锥形的，所述侧面为基本上三角形的并且逐渐变细成基本上一个点。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述横截面长度尺寸和横截面宽度尺寸限定长度对宽度的纵横比，所述纵横比为至少2. 0。
8.如权利要求2所述的方法，其中所述齿为所述第二辊的整体突出。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述主要分子取向在所述纵向上，并且每个齿相对于所述纵向取向成大于约30度的角度。
10.如权利要求1所述的方法，其中在所述前体纤维网材料中形成的所述孔具有小于 4.0的纵横比。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述方法为一次性吸收制品制造过程中的单元操作，其中所述方法还包括将所述开孔前体纤维网传送至所述一次性吸收制品制造过程的步骤，其中所述前体纤维网被转换加工以形成所述一次性吸收制品的组件。
12.一种用于在纤维网中制造孔的方法，所述方法包括a.提供具有纵向和横向的体纤维网材料，所述纤维网在所述纵向上具有主要分子取向；b.在所述横向上塑性地变形所述前体纤维网；c.提供成形设备；以及d.使所述塑性变形的前体纤维网材料移动穿过所述成形设备，其中所述成形设备刺入所述纤维网，从而在所述纤维网中形成孔。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述成形设备包括在它们之间形成辊隙的一对反转的相互啮合辊，其中第一辊包括周向延伸的脊和凹槽，并且第二辊包括径向延伸的刺入构件。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述刺入构件包括尖端和从基座逐渐变细的齿， 所述齿在所述基座处接合到所述第二辊，所述齿的基座具有大于横截面宽度尺寸的横截面长度尺寸。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述方法为一次性吸收制品制造过程中的单元操作，其中所述方法还包括将所述开孔前体纤维网传送至所述一次性吸收制品制造过程的步骤，其中所述前体纤维网被转换加工以形成所述一次性吸收制品的组件。
全文摘要
本发明提供了一种用于使用成形设备在前体纤维网中制造孔的方法，其中纤维网包括具有分子取向的薄膜和包括排列的齿的成形设备。这些排列的齿的取向和薄膜的分子取向是预定且改进过的以在齿的取向和薄膜的分子取向之间提供相对角度。在前体纤维网材料中形成的孔具有表现出极小纵横比的长度和宽度。
文档编号B26F1/20GK102292195SQ201080005561
公开日2011年12月21日 申请日期2010年2月2日 优先权日2009年2月6日
发明者F·W·吉布森, H·J·奥唐奈, J·J·科若, J·L·哈蒙, J·M·奥尔, K·A·阿罗拉, K·D·麦卡弗里, N·S·布罗伊勒斯, T·I·穆拉尼 申请人:宝洁公司