阻液性能极高的织物的制作方法

专利名称：阻液性能极高的织物的制作方法
技术领域：
本发明涉及非织造纤维构造，更具体地说，涉及由不经机织或针织结合在一起的纤维形成的透气性织物和片状构造。
背景技术：
非织造纤维构造已存在多年并且目前有许多不同的非织造技术在工业上应用着。作为说明非织造技术之广度的例子，纸可能是最早开发的非织造纤维构造之一。非织造技术正在由那些不断寻求新用途和竞争优势的人们继续开发着。一个已证明由于其数量大和经济性好而非常理想的宽广市场领域是防护服市场。这一市场包括例如在化学遗撒物的清理中防止有害化学品、防止医疗领域中的液体如血液以及防止干颗粒物或其它有害物，如漆或石棉的去除。
已知，要使衣服舒服，它必须适应身体对于热调节的生理需要。在温暖环境中，热能必须从身体中排出。这主要是由热量从身体透过织物和皮肤表面空气层的直接热传导、通过空气流动从身体将热对流出去，以及通过皮肤表面汗液蒸发的冷却效应组合完成的。明显抑制传热的衣服会导致热和湿的积累，而这又会由于暖、粘、潮闷和/或出汗的感觉而导致不舒服。在极端情况下，例如，当在温暖和潮湿环境中活动期间防护服阻碍适当的热调节时，此种衣服的限制不仅造成不舒服，而且可导致危及生命的热应激(heat stress)。由于这样的原因，为避免热应激的后果，衣服的限制经常构成对活动的限制。
研究表明，在温暖、潮湿环境中对体力活动限制最小的最舒适的衣服是那些最能通过与环境之间空气交换机理透气的衣服。(Bernard，T.E.，N.W.Gonzales，N.L.Carroll，M.A.Bryner和J.P.Zeigler，“五套衣服的持续工作速率及其与透气性和湿蒸汽传递速率的关系”，美洲工业卫生会议，多伦多，1999年6月；N.W.Gonzales，“五套防护服的最高可持续工作强度以及湿蒸汽传递速率和透气性的影响”，硕士学位论文，公共卫生学院，南佛罗里达大学，1998年12月)。
体力活动使织物和衣服挠曲。如果织物对空气流动的阻力足够低，这又会产生将空气透过织物往返推拉的抽吸作用。借助这一机理，衣服内温暖含湿汽的空气与环境空气之间的交换提供明显的冷却效应。剪裁制作相同但具有在暖湿条件(32℃，60％RH)下巨大空气流动阻力差异的防护服的试验表明，由空气流动阻力最小的织物制成的衣服允许试验对象反复达到较高活动水平而不致发生热应激。反之，空气流动阻力最高的织物制成的衣服则将同一对象的体力活动限制在最低水平才能避免热应激。由中等空气流动阻力的织物制成的衣服允许对象达到中等活动水平，才不致出现热应激。中等活动水平与织物的空气流动阻力密切相关。
显然，在身体必须传递热和湿气以保持舒适或避免热应激的情况下，理想的是用空气流动阻力低的织物制作衣服。
衣服提供防止环境中有害物侵害的保护。衣服提供的保护程度取决于衣服的阻挡特性的效力。在阻挡功能是要阻止环境颗粒或流体透过衣服达到穿戴者的情况下，阻挡作用很容易与织物的孔隙尺寸关联。阻挡效力最高的一般其孔隙尺寸最小。
遗憾的是，较小的孔隙尺寸一般也造成较高的空气流动阻力。在上面提到的研究中，阻挡性能最高的衣服具有最低的透气性，反之亦然。于是，同一套衣服提供有效阻挡保护的能力和提供低空气流动阻力的能力，即高透气性，呈相反关系。
静水头或“水头”(AATCC TM 127-194)是织物阻止透水能力的方便度量尺度。它表示为迫使液态水透过疏水织物所要求的压力，以厘米水柱(cmwc)表示。已知，水头与孔隙尺寸呈相反关系。较小孔隙尺寸产生较高水头，而较大孔隙尺寸则产生较低水头。
织物空气流动透过率一般采用弗雷泽(Frazier)测定法(ASTMD737)测定。在这一测定中，124.5N/m2(0.5英寸水柱)的压差施加在被适当夹持的织物样品上，测定所产生的空气流动速率作为弗雷泽透气性或简称作“弗雷泽”。这里，弗雷泽透气性以m3/m2-min为单位给出。高弗雷泽对应于高空气流动透过率和低空气流动阻力，而低弗雷泽对应于低空气流动透过率和高空气流动阻力。
微孔薄膜被用于阻挡材料中以达到极高的静水头阻液性能，但却是以牺牲透气性为代价的，以致它们的弗雷泽透气性不可接受地低，使得含此种薄膜的织物穿在身上不舒服。
目前，大多数熔纺纤维的直径在几十个微米的数量级，而熔喷纤维已知具有约1～10μm数量级的纤维直径。最近，许多研究者做出努力以减少纤维尺寸以便与传统纤维相比获得不同的好处。
迄今，在同一织物中同时提供高水头性能和高弗雷泽性能方面已取得进展。例如，美国专利5,885,909公开了低或不足一旦的非织造纤维构造，表现出高弗雷泽透气性和高静水头阻液性能之间不寻常的组合。
近来，焦点已指向直径在“纳米纤维”范围的纤维的制取，即直径为小于约0.5μm(500nm)的数量级。然而，如此细纤维的生产却带来许多问题，包括产量低、纺丝效率低和纤维收集困难。
传统上，纳米纤维是采用电纺丝技术生产的，如同在“腈纶微纤维的静电纺丝”，P.K.Baumagarten，《胶体和界面科学杂志》卷36，第1期，1971年5月中描述的。按照该电纺丝方法，一定的电位被施加在从金属管，例如注射器针悬挂下来的聚合物溶液液滴上，从而导致溶液液滴的拉长而形成非常细的纤维，并被引导到地面收集器。据报道，纤维的直径可达0.05～1.1μm(50～1100nm)的范围。用于形成本发明含纳米纤维织物的合适的电纺丝设备的例子公开在美国专利4,127,706中，在此收入本文作为参考.
现有技术文献中报道的大量有关纳米纤维生产的研究一直针对基本上亲水的聚合物纳米纤维的形成，例如聚酰胺、聚氨酯等。虽然某些研究者指出，纳米纤维可以由疏水聚合物生产，但文献中很少公开此类疏水纳米纤维的实际例子。美国专利4,127,706公开多孔含氟聚合物纤维片材的生产，建议生产直径介于0.1～10μm的PTFE纤维，但给出的例子却只是直径等于或大于0.5μm的纤维。
发明概述本发明一种实施方案是一种包含支撑网和纤维阻挡网的非织造织物，其水头至少为约145cm，弗雷泽透气性至少为约0.3m3/m2-min。
本发明另一种实施方案是一种疏水非织造织物，包含至少一种支撑网和一种阻挡网，其中纤维直径小于2.0μm，水头至少为约145cm且弗雷泽透气性至少为约0.3m3/m2-min。
本发明另一种实施方案是一种非织造织物，包含纤维阻挡网，所述织物的水头至少为约145cm且弗雷泽透气性至少为约0.3m3/m2-min，并且在阻挡网基重与织物水头和弗雷泽透气性之间存在由下式描述的关系 其中ρf是阻挡纤维的密度，kg/m3；c是阻挡网的固体体积分数，k(c)＝3.58·c2-1.32·c+1.77；弗雷泽以m3/m2-min为单位，并且水头以厘米水柱为单位。
附图简述

图1是各种不同现有技术织物阻挡性能的log/log图。
图2是图1的再现，并将式10的直线图加在其中。
图3是图1的再现，并将式14的数据图加在其中，其中基重保持为常数，且纤维尺寸缩小。
图4是在恒定透气性(弗雷泽)下基重对液体阻挡性能的图。
图5是图3的再现，并将式14的数据图加在其中，其中透气性(弗雷泽)保持为常数，且纤维尺寸缩小。
图6是本发明非织造织物结构的图示，展示了一种对液面推进的阻挡作用。
图7是表示式16的关系的图形表达，其中可达到的水头作为潜在水头水头的分数取决于DfS/DfL和GPD×Bwt。
发明详述除非另行规定，本文中每当提到纤维直径时是指该纤维的数均纤维直径。
图1画出三组数据的透气性与水头之间的反向关系。第一组取自美国专利5,585,909，第二组代表从熔喷非织造织物样品测定的数据，第三组代表从三种市售非织造产品测定的数据K-C Ultra未增强的手术罩衫，由Kimberly Clark Health Care，(Roswell，GA供应；Trimax未增强的手术罩衫，和DuPont SontaraOptima未增强的手术罩衫，二者均由Allegiance Health Care，Mc Gaw Park，IL供应。
在图1中值得注意的是，市售非织造产品的透气性在机织织物的范围。作为参考，在上面描述的试验中采用的紧密机织聚酯织物(基重95g/m2)的弗雷泽值为约0.5m3/m2-min，而ASTM D737-96列出几种机织织物采样的弗雷泽数值介于2.5～66m3/m2-min。
图1显示，非织造阻挡织物的典型水头低于约100cm水柱。织物两面的强制压力差可利用Washburn方程与水能透过的最大孔隙的等效毛细管半径R进行关联ΔP=-2σRCosθ]]>(式1)这里，σ是水的表面张力(0.072N/m)，θ是润湿角，即流体表面与固体表面的交角。ΔP以厘米水柱为单位，R以微米为单位，并假设一种理想的未润湿表面(θ＝180°)的情况，ΔP(cmwc)=1468R(μm)]]>(式2)由此得出结论，在图1中低于约100cmwc的水头对应于半径R≥15μm的最大孔隙。
该Washburn关系表明，要产生能耐受更高流体压力的更好阻液层，织物的孔隙尺寸必须缩小。较好阻液性能的织物在包括防护服在内的许多领域都是有好处的。例如，为应对由血液携带病原体引起污染的担忧，ASTM F1670规定，可接受的织物必须阻止13800N/m2(141cmwc)压力下合成血液(σ＝0.042N/m，而水则是0.072N/m)的渗透。根据式1，一种织物要通过这一试验(润湿角θ＝180°)，最大织物孔隙半径必须小于约6μm。
典型孔隙半径小于1μm的微孔薄膜满足这一标准。此种薄膜可以是有效的阻液层，但是它们对空气流动的不透性也非常大。典型微孔薄膜的透气性例如在弗雷泽＜0.008m3/m2-min的范围，太低以致无法在防护服中提供有效空气交换。这常常导致热的积累和不舒服。在极端情况下，它甚至会妨碍或限制工作的完成。
纤维孔隙介质本质上比微孔薄膜的通透性高并且是防护织物的好选择，但是图1的关系显示，一般而言，由缩小孔隙尺寸产生的阻挡功能的显著增加也将大大降低透气性。
为理解非织造纤维织物必须既具有高阻液性能又具有高透气性的要求，构造一种织物结构的分析模型是有用的。作为阻液性能量度的水头按如上所述与孔隙尺寸进行关联，而孔隙尺寸取决于织物的结构特性，包括纤维尺寸和空隙分数。织物透气性也取决于基本结构特征，包括纤维尺寸、空隙分数和基重。
孔隙尺寸无规纤维网中纤维之间孔隙空间的大小正比于纤维直径Df，是占据某一空间的大量纤维的决定因素。它反比于固体体积分数c，该分数是纤维所占据的网体积与整个网体积的比值(即，(1-空隙分数))。对于金属纤维滤材，Goeminne等人(“金属纤维滤材的几何及过滤特性-一项对比研究”，《过滤与分离》，卷11，第4期，pp.350～355(1974))报道，最大孔隙直径Dp由下式描述Dp=Dfc]]>(式3)本文的工作对理想无规纤维网的随机结构所做的独立分析如下Dp=3·π·Df8·c]]>(式4)式4预测最大孔隙尺寸比式3的稍大。将式4与式2合并就得到一种以纤维尺寸和固体分数表示的无规网水头的保守估计ΔP(cmwc)=2493·cDf(μm)]]>(式5)利用式5获得下面的结果。
透气性Davies发表了一个关于由各种各样纤维材料制成的垫的流率、压力降、纤维尺寸和固体分数之间仔细和充分证明的关联。(Davies，C.N.，“空气浮尘和颗粒的分离”，The Institution of MechamicalEngineers Proceedings(B)第1～12期，卷1B，p 185，1952～53)。利用上面的规定，这一关联给出单位流动面积A的体积流率QQA=ΔP·Df2h·η·f(c)]]>(式6)其中，f(c)＝64·c1.5·(1+56·c3) (式7)这里，ΔP是厚度h的纤维垫两面之间的压力降，η是流动流体的粘度。Davies关联式的有效条件是0.006＜c＜0.3，此时在介质中围绕纤维的流动为层流。
纤维介质的厚度与介质的基重(Bwt)、纤维密度ρf和固体分数之间按下式关联h=Bwtρf·c]]>(式8)合并式6和8给出QA=ρf·ΔP·Df2·cBwt·η·f(c)]]>(式9)取水头等于式5的强制压力ΔP，则式5的水头与纤维尺寸之间的关系可与上面Q/A与纤维尺寸之间的关系合并从而给出 (式10)如果式10的流动强制压力差ΔP，被设定等于124.5N/m2，并采用一致的单位，则Q/A可作为弗雷泽直接算出，单位是立方米每平方米每分钟(m3/m2-min)。图2显示，对于典型聚丙烯织物，Bwt＝34g/m2，c＝0.1，并且ρf＝920kg/m3，则式10的模型合理地符合图1的表达一般趋势的数据。
两个进一步改进的效应必须予以考虑。第一，粘合点处的热粘合(这在非织造织物的生产中几乎总是必须的)将使Q/A缩小一个系数(1-fba)，所述粘合点包含粘合面积分数fba，因此，QA=ρf·ΔP·Df2·cBwt·η·f(c)·(1-fba)]]>(式11)第二，对于纤维尺寸小于约5μm的织物来说，空气流已知是滑过纤维的，而不会遇到完全的粘性拖曳效应。滑动效应随着纤维尺寸的缩小而增加。该效应预计使给定压力降下的流率增加到超过式10所预测的水平。Chmielewski和Goren(“带有滑动流的气溶胶过滤”，《环境科学与技术》，卷6，第13期，p.1101，1972)提出针对穿过纤维织物滑动流情况的校正系数。这里定义为S(c，Nkn)的校正系数随着固体体积分数c和Knudsen数Nkn而变化，后者的定义为
Nkn=2.48·λDf]]>(式12)其中λ是空气分子之间碰撞平均自由程。这里，λ取作0.065μm。在本工作中，Chmielewski和Goren的图形表达可很好地与下列经验函数符合S(c,Nkn)=1+(1.662+19.66·c-47.027·c2)Nkn1+.9489·Nkn]]>(式13)将滑动校正结合到流动模型中，于是模型变为QA=ρf·ΔP·Df2·cBwt·η·f(c)·(1-fba)·S(c,Nkn)]]>(式14)如上所述，如果织物两面之间的强制压力降ΔP是124.5N/m2(12.7mm水柱)，且η是室温空气的粘度，并且如果采用一致单位，则Q/A是弗雷泽透气性，这里以m3/m2-min为单位表示。
本发明人已确定，水头模型式5，和流动模型式14，可一起用来规定要达到功能上超卓的阻液织物的要求。如果织物是多层织物，则模型可用于每一层以确定每一层的性质，随后各个层的性质可结合在一起来确定复合片材的性质。例如，在分层织物中，水头取作织物中任意一层的最大水头。透气性可由以下关系获得 (式15)模型模型1恒定基重，同时缩小纤维尺寸以增加阻液性能。
在聚丙烯织物的情况下，其中Bwt＝33.9g/m2，fba＝0，c＝0.1，且ρf＝920kg/m3，该模型提供表1和图3的结果。
表1

模型1的结果显示，单单通过缩小纤维尺寸而不降低基重来提高阻液性能时，织物透过率有害地下降。
模型2恒定透气性(弗雷泽)同时缩小纤维尺寸以提高阻液性能。
在聚丙烯织物的情况下，其中弗雷泽＝10m3/m2-min，fba＝0，c＝0.1，且ρf＝920kg/m3，该模型提供表2及图4和5的结果。
表2

从图4和5清楚地看出，随着以水头表示的阻液性能的提高，阻挡层基重必须大大降低才能维持透气性。
高阻挡和薄阻挡网的问题在高透过性或高阻液性或二者的极端情况下，阻挡层的机械强度可能构成对达到的阻挡水平的实际限制。图6显示一种抵住纤维阻挡层推进的液体界面。阻挡层由一层具有特征性小孔的小纤维组成，小纤维层由具有特征性较大孔的大纤维层支撑。迫使非润湿性流体透过阻挡层小孔所要求的压力由式5给出。这一压力沿着阻挡层所有小纤维分布。因此，代表性小纤维，例如纤维AB的载荷易于作为单位长度的力而获得。小纤维必须承担压力载荷的跨度取决于支撑层的孔隙尺寸，由式4给出。如果该跨度过大，则小纤维的张力会超过该纤维的强度，导致它们的断裂。
在这种情况下，水头受阻挡纤维的强度与决定阻挡层强度的阻挡纤维层基重，和决定作用在阻挡纤维上的力载荷的支撑层孔隙尺寸之间关系的限制。在阻挡纤维临断裂前能承受的最大力载荷与阻挡纤维为达到最大水头将必须承受的力载荷之间可推导出一种关系。如果假设，阻挡层纤维载荷和几何参数是在两个支撑之间一段均匀加载的宏观绳索的微观等价物，并且如果假设小阻挡纤维在它断裂之前挠曲一段等价于一个大支撑层纤维直径的距离，则对这一关系的分析可以作为绳索问题给出 (式16)(Higdon，A.，Stiles，W.B.，《工程力学、静力学和动力学》Vector版，Prentice-Hall，1962)。
这里，水头实际是实际达到的水头。水头max是阻挡层能达到的最大水头，由式5给出。DfS和DfL分别是阻挡层小纤维和支撑层大纤维的直径。GPD是阻挡层纤维的拉伸强度，以克每旦为单位。Bwt是阻挡层的基重。固体体积分数是c。
模型3说明当降低阻挡层基重以维持透气性时低阻挡层强度的问题如果由直径DfS＝0.6μm的聚丙烯(ρf＝920kg/m3)纤维组成的模型2的阻挡层(弗雷泽＝10m3/m2-min，c＝0.1，GPD＝1g/旦，Bwt＝1g/m2)层压到直径DfL＝12μm的纤维的支撑层上，则式16给出 (式17)由式5得到阻挡层的最大潜在水头是415cmwc，但凭借1g/m2的基重，该层足以结实到耐受仅有断裂前压力的大约一半的压力。最大水头可通过将阻挡层的基重加倍来实现，但将基重加倍会使复合织物透气性降低一半。由于基重提高，势必带来经济上的代价。
替代的解决方案是通过减少支撑层纤维尺寸来降低支撑层的孔隙尺寸。根据图7，GPD×Bwt＝1情况的水头实际/水头最大曲线当DfS/DfL＝0.075时达到1。因此，可能的最大的水头在支撑层纤维直径降低至大约8μm时便可实现。如果此种支撑层的基重小于约9g/m2，按照式7，弗雷泽透气性仍然为约10m3/m2-min。
这里给出的模型关系允许合理地设计织物以适应各种不同阻挡性能和透气性的平衡。显然，深层次的物理学仅允许某些性能的平衡存在。一旦规定了可达到的平衡，便可就如何创造给定的平衡做出选择。
例如，鉴于透气性依赖于纤维直径的平方，故选择与达到要求阻挡性能一致的最大纤维尺寸可能被优选作为达到最高透气性的措施。水头可通过对织物轧光以增加固体分数(式5)来提高。水头和弗雷泽对固体分数的依赖性使得为提高固体分数而进行的阻挡层轧光将提高阻挡性能而不是降低弗雷泽。如果对于阻挡层选较小纤维尺寸作为产品的基础，则可在一定范围内调节基重以达到所要求的透气性。其它此类权衡可根据经济和织物加工的可行性来评估。
所给出的模型基于由刚性、直线、连续纤维制成的无规纤维网的几何学，其中玻璃纤维毡便是一个很好的例子。这可能是最简单、最公开和理想的网几何模型。当然，实际上存在着许多与该理想之间的偏差。一种普遍的偏差是由于与纤维成束或成团相联系的非无规纤维沉积所致。正如Davies(前面援引的)所讨论的，所得构造的行为就仿佛它是由一种比实际纤维尺寸大一些的有效纤维尺寸的纤维构成的。
影响纤维在三维空间中敛集的纤维性质，例如形状、刚度、卷曲等的改变，将导致与理想情况的结构偏离。还有，反映在表面张力σ和润湿角θ上的流体-纤维润湿特性也可以变化。在大多数情况下，这将减少按照式4和5得出的最大可达到水头。因此，可能存在其它特殊的性能平衡，而这些都被隐含在图1和2中的数据以及下面表4和5中给出的数据的离散现象中。原则上，该模型可针对具体情况进一步完善。但是，此种理想结构的分析仍可起到标准检验和指南的作用。
本发明是一种包含支撑网和阻挡网的非织造织物，其水头至少为约145cm，弗雷泽透气性至少为约0.3m3/m2-min。该非织造织物阻挡片材可以是疏水的，所述疏水性通过以疏水涂料如碳氟化合物-或硅酮-为基础的涂料涂布亲水片材衍生而来，或者通过由下列聚合物形成片材而来疏水聚合物或共聚物，如聚烯烃，包括但不限于具有由乙烯、丙烯、丁烯、己烯、辛烯、苯乙烯、4-甲基戊烯-1及其组合衍生的重复单元的那些，特别是氟化或全氟化聚合物或共聚物，包括但不限于乙烯/四氟乙烯(E/TFE)、乙烯/三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、氟化乙烯/丙烯(FEP)、四氟乙烯和全氟(烷基乙烯基醚)(PFA)的共聚物以及诸如此类的。
阻挡网纤维的直径一般小于约2μm，更通常小于约1μm，且甚至可在直径小于约0.5μm的“纳米纤维”范围内，其中直径是数均纤维尺寸。
作为阻挡网的支撑网中的纤维一般小于20倍，更常见小于15倍，最常见小于10倍的对应阻挡网纤维的直径。例如，支撑网纤维的直径可大于约13μm，大致对应于传统纺粘纤维的直径，约12μm或更小，这大致对应于微米-旦的纺粘纤维的直径，或者约5μm或更小，这大致对应于熔喷纤维的直径。
支撑网可以是任何被构造为适合用来给非常细的纤维网提供支撑的织物。在合适的支撑网当中有传统纺粘和熔喷网、微米-旦纺粘网如公开在美国专利5,885,909中的，以及此类不同传统非织造网与一种或多种非常细纤维网的各种不同组合。
也可以提供一种包含本发明纳米纤维的疏水非织造片材，其制法为在收集/支撑网上沉积传统亲水聚合物纳米纤维的非织造网，并以疏水涂料，例如碳氟化合物涂料涂布该网的纳米纤维。当该涂料施涂成极薄层时，对下层网的透气性所引起的改变即便有也很少，例如描述在共同未决美国临时申请60/391,864，2002-06-26提交。
为了使本发明非织造织物的空气流动阻力尽可能低、挠曲性尽可能高，支撑层的基重可小于17g/m2，或小于14g/m2，或小于11g/m2，或小于7g/m2，或小于3g/m2，或甚至小于1g/m2。
本发明非织造织物的水头至少为约145cmwc，弗雷泽至少为约0.3m3/m2-min或至少约1m3/m2-min，或者至少约3m3/m2-min，或者至少约5m3/m2-min，或甚至至少约10m3/m2-min。本发明织物的水头可大于或等于150cmwc，大于或等于200cmwc，大于或等于300cmwc，或甚至大于或等于400cmwc。
本发明非织造织物的纤维之间最大孔隙尺寸，按照泡点(ASTM E128)测定，小于约23μm，或小于约20μm，或小于约15μm，或甚至小于约12μm。
实施例样品织物按以下步骤制备将各种不同聚合物溶解在合适的溶剂中，随后喂入到电纺丝设备中，例如美国专利4,127,706中描述的那种，在此引入该专利作为参考。形成的细纤维沉积在熔喷织物支撑层上形成细纤维的阻挡层，并通过将该细纤维/熔喷层夹在两个纺粘聚酯纤维层之间来赋予样品机械强度，从而形成纺粘/熔喷/细纤维/纺粘构型的四层层压材料。
细纤维是由2种不同疏水聚合物纺制的KratonTMD1134x，一种苯乙烯-丁二烯共聚物(比重＝0.94)，由KratonTM聚合物公司(休士敦，德克萨斯)供应；和KynarTM761，一种聚偏二氟乙烯聚合物(比重1.76)，由Atofina化学公司(费城，宾夕法尼亚)供应。KratonTM细纤维由9wt％聚合物在88/12wt％四氢呋喃/二甲基乙酰胺(THF/DMAC)混合溶剂中的溶液纺制；KynarTM细纤维由14～15wt％聚合物在丙酮中的溶液纺制。
由Orion供应的SageTM型号362的针筒泵被用来将溶液压过带有钝的27号量针的标准针筒。通过将针刺穿一绝缘的连接在SpellmanSL300负高电压电源上的铝箔条，从而在针上加上高电压。为保证针筒泵在高电压环境中的可靠运转，必须对泵实施电气绝缘，然后将电源参照引线、金属箱和针筒泵的支撑底座接地。
沉积靶是直径为89mm厚64mm的边缘完全为圆弧状的黄铜圆盘。圆盘安装在电气绝缘的台上，例如由Lexan制成，使它悬在台的前方约4mm并通过贯穿台的螺栓连接到地。一种纺粘屏蔽(18g/m2Remay聚酯)覆盖着圆盘和台子表面以避免纤维累积在圆盘的背面。在圆盘正面挖去76mm直径的圆形屏蔽，以露出靶区。在靶区上安装一个圆形熔喷基材部分。在KratonTM纺丝的情况下，通过用聚合物薄膜绝缘靶区来促进纤维的均匀沉积。
在一种KynarTM的情况(实例12)中，通过直接将纤维沉积到直径48mm长148mm的不锈钢圆筒上而制成15×15cm的织物。熔喷层包裹着圆筒，切割并剥离掉两层来构成芯层合物。
织物的性质是在每种织物的25mm直径的圆形区域上测定的。
透气性和泡点在Porous Media公司的毛细管流动孔隙仪上，分别根据ASTM F778和ASTM F316-03的原理进行测定并分别作为弗雷泽透气性，以m3/m2-min为单位，和孔隙尺寸，以微米为单位报告结果。
水头测定是在根据AATC TM 127的Aspull MkIII水头试验仪上实施的，并做了采用铝板和O形密封环固定该小织物样品的改装。水头在第一次透水时记录下来并以厘米水柱(cmwc)为单位写入报告。
细纤维负载量采用称重法根据样品在细纤维沉积前后的质量差测定，并沿样品表面面积取平均值(总沉积细纤维克数/样品面积)报告。
对照例制作了3种纺粘/熔喷/纺粘构造的对照例，其中纺粘层是18g/m2聚酯(聚对苯二甲酸乙二酯)，熔喷层是18g/m2双组分65wt％聚酯/35％聚乙烯纤维，按照WO 01/09425 A1(在此引入作为参考)的描述制造的。对照织物的制造方法与实例织物一样，只是不沉积细纤维层。
表3

进行了若干电纺丝试验，以便确定最有效的聚合物、溶剂和浓度的组合，以及均匀沉积和操作技术，以制成本发明细纤维阻挡层。从所确定的电纺丝参数和收集技术的最佳组合取得的数据在下面给出。
实施例1～9KratonTMD1133x共聚物以9wt％的聚合物浓度溶解在88wt％四氢呋喃/12wt％二甲基乙酰胺混合溶剂中，并在-18KV下以0.5ml/h的速率进行电纺丝。细纤维以大约22cm的收集距离沉积到对照例中描述的18g/m2双组分熔喷织物的样品上。随后，在细纤维上覆盖从样品靶取下的纺粘聚酯层。在熔喷收集织物层上也覆盖一层纺粘聚酯，然后所有四层压实成为层压材料。诸实施例的阻挡性能经测定，报告于下表4中。
该收集的细纤维用扫描电镜测定并发现具有介于约0.1～1.8μm一般范围的直径，平均纤维直径据信小于约1μm。
(表1)

纬向编结织物比经向编结织物和编织织物更可拉伸、下陷严重并且当放上肢体时感到侧压和不稳定。
因此，在制造作为纬向编结织物的弹性织物(10)的情况中，(i)非弹性纱条(13)应用到底部编结织物，并且弹性纱条(11)在底部编结织物内以如下方式进行编结在至少一部分的线圈横行中的至少一部分多个线圈纵行上，弹性纱条(11)在线圈横行方向(Γ)上连续成为一条直线地编入，(ii)使得在线圈纵行方向(∑)上在伸长10％时的应力(F)(N/5cm)能够满足使得25≤F(N/5cm)地对纬向编结织物进行设计。在这种情况下，弹性纱条(11)的体积密度(J)(dtex/cm)计算为弹性纱条(11)11的平均纤度(T)(dtex/支)和属板上以估计为约2～4kg/cm的线压力做了轧光处理。
总起来看，含有KynarTM细纤维的阻挡织物表现出比对照例样品或实施例1～9的那些大得多的水头值。据信，实施例10～19中聚偏二氟乙烯聚合物相对于实施例1～9的苯乙烯-丁二烯聚合物而言疏水性更强的特性是其水头值改善的主要原因。然而，本领域技术人员会认识到，实施例1～9的苯乙烯-丁二烯聚合物织物的水头可通过拒水化学整理，例如氟化学整理的处理来提高，而不会对织物的弗雷泽透气性产生显著负面影响。
再者，重要的是要注意，几乎所有情况中，含细纤维的本发明范例织物的水头测定值都超过基本为纺粘/熔喷/纺粘织物结构的对照例。这证明，细纤维层的存在，尤其在细纤维包含小于约2μm直径，或甚至小于约1μm直径的纤维的情况下，可大大提高织物的阻液性能。
该层压织物构型、细纤维阻挡层/纺粘支撑层(FF/SB)和纺粘支撑层/细纤维阻挡层/纺粘支撑层(SB/FF/SB)，是达到较高阻挡性能，同时透气性低于约弗雷泽＝1m3/m2-min的可行构型。典型的纺粘纤维直径尺寸为10μm及更大。
合适的支撑层必须具有满足阻挡层机械强度的孔隙尺寸。阻挡层越弱，支撑层孔隙尺寸必须越小才能达到足够支撑作用。较小的孔隙尺寸，又要求较小的纤维直径尺寸。因此，随着阻挡层基重的减少，以促进透气性的提高，合适的支撑层必须具有小于典型纺粘纤维尺寸的纤维直径尺寸。
此种较小纤维可以是微旦纺粘(mSB)，正如美国专利5,885,909中讨论的，例如6＜Df＜10μm，这将结实到足以满足整个织物的机械强度要求。微旦纺粘支撑将能给生出2种织物构型FF/mSB和mSB/FF/mSB。
纤维直径在1＜Df＜10范围内的非自支撑的支撑层可由熔喷方法制造。典型的此类纤维不结实(0.3＜GPD＜0.6)。它们被用来提供阻挡性能，而由纺粘纤维支撑层提供强度。如果用该熔喷纤维来支撑细纤维阻挡层，则熔喷纤维仍旧要求支撑层来维持整个织物的机械强度。纺粘纤维层很适合作为支撑层。
这就产生一种层压织物构型FF/MB/SB、SB/MB/FF/MB/SB、FF/MB/mSB和mSB/MB/FF/MB/mSB。
还有这些类型层的不对称组合，例如SB/FF/MB/SB，这可具有不对称阻挡性能，可能赋予此种构造的织物不寻常但却有用的功能。例如，如果液体的侵袭来自SB/FF侧，则其阻挡性能是高的并且等于其FF层的最大阻挡能力。如果液体侵袭来自SB/MB侧，则纺粘层将不能提供对FF层的足够支撑，后者将在低于FF层能力的某种水头下破裂。
权利要求
1.一种非织造织物，包含支撑网和纤维阻挡网，其水头至少为约145cm，且弗雷泽透气性至少为约0.3m3/m2-min。
2.一种非织造织物，包含至少一种支撑网和一种纤维直径小于2.0μm、水头至少为约145cm且弗雷泽透气性至少为约0.3m3/m2-min的疏水阻挡网。
3.权利要求1或2的非织造织物，其中所述阻挡网的纤维直径小于1.0μm。
4.权利要求1或2的非织造织物，其中所述阻挡网的纤维直径小于0.5μm。
5.权利要求3的非织造织物，其中阻挡层基重不大于15g/m2。
6.权利要求4的非织造织物，其中阻挡层的基重不大于3g/m2。
7.权利要求1或2的非织造织物，其中所述阻挡网包含疏水聚合物或共聚物的纳米纤维。
8.权利要求7的非织造织物，其中所述疏水聚合物或共聚物是聚烯烃、部分氟化的聚合物或全氟化聚合物。
9.权利要求8的非织造织物，其中所述疏水聚合物或共聚物的重复单元衍生自乙烯、丙烯、丁烯、己烯、辛烯、苯乙烯、4-甲基戊烯-1及其组合。
10.权利要求1或2的非织造织物，其中所述阻挡纤网通过涂布疏水涂层而变得疏水。
11.权利要求10的非织造织物，其中所述疏水涂层是碳氟化合物涂覆材料。
12.权利要求1或2的非织造织物，其中阻挡网的纤维间最大孔隙尺寸不大于约23μm。
13.权利要求1或2的非织造织物，其中阻挡网的固体分数不小于约0.03。
14.一种包含纤维阻挡网的非织造阻挡织物，所述织物的水头至少为约145cm，且弗雷泽透气性至少为约0.3m3/m2-min并且其阻挡网基重与织物水头和弗雷泽透气性之间的关系由下式描述 其中ρf是阻挡纤维的密度，单位为kg/m3，c是阻挡网的固体体积分数，k(c)＝3.58·c2-1.32·c+1.77，弗雷泽的单位是m3/m2-min，以及水头的单位是厘米水柱。
15.权利要求1、2或14之一的非织造织物，包含FF/mSB结构，其中FF是阻挡网。
16.权利要求1、2或14之一的非织造织物，包含FF/SB结构，其中FF是阻挡网。
17.权利要求1、2或14之一的非织造织物，包含mSB/FF/mSB结构，其中FF是阻挡网。
18.权利要求1、2或14之一的非织造织物，包含FF/MB/SB结构，其中FF是阻挡网。
19.权利要求1、2或14之一的非织造织物，包含SB/MB/FF/MB/SB结构，其中FF是阻挡网。
20.权利要求1、2或14之一的非织造织物，包含FF/MB/mSB结构，其中FF是阻挡网。
21.权利要求1、2或14之一的非织造织物，包含mSB/MB/FF/MB/mSB结构，其中FF是阻挡网。
22.权利要求1、2或14之一的非织造织物，包含SB/MB/FF/SB结构，其中FF是阻挡网。
23.权利要求1或2的非织造织物，其中所述支撑网包含直径小于阻挡网纤维直径约20倍的纤维。
24.权利要求23的非织造织物，其中所述支撑网纤维的直径小于约13μm。
全文摘要
本发明的一种实施方案是一种非织造织物，其包含支撑网和纤维阻挡网，其水头至少为约145cm，弗雷泽透气性至少为约0.3m
文档编号B32B5/26GK1681988SQ03822010
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月17日 优先权日2002年9月17日
发明者M·A·布赖纳 申请人:纳幕尔杜邦公司