水力缠结的无纺复合材料的制作方法

专利名称：水力缠结的无纺复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及缠结的纤维无纺织物。更具体而言，本发明涉及一个表面上是吸收性纤维例如木浆纤维，而在其另一个表面上是基质型纤维，例如聚烯烃短纤维的水力缠结结构。最终的复合材料有多种用途，例如在个人护理用吸收性物品，如尿布、训练服、失禁服、妇女卫生用品、绷带，擦布等中作流体处理成份，但不限于此。
背景技术：
纤维无纺结构有多种用途，包括用作吸收结构，但不限于此。这种吸收结构的例子包括个人护理用吸收物品，其用于吸收体液，如尿和月经。随着个人护理用吸收物品在设计上的进步，它们在其所包含的成份的数量及其所起的特殊的作用方面都变得越来越复杂。最初大多数这种产品，但不是所有的产品在设计上都非常简单，一般，这些产品包括某些形式的体侧层，一简单的由木浆膨松物组成的吸收性芯层，和一衣物侧背层或阻挡层，例如一层塑料膜。由于现在认为是其不适当的结构设计，这些产品相当膨松。仅仅通过增大产品，例如增加更多的吸收制品来弥补其较差的功能性。而对各种组份，其优点，限制性，及彼此如何相互作用知道的很少。
今天，人们已很注意减少这种产品的尺寸。尿布和妇女卫生用品，如卫生巾，厚度的减小是设计标准的主要因素。在相对意义上讲，妇女卫生用品例如卫生巾是整体尺寸能够减少的新产品。为此在设计这种产品时，最大程度地利用每种和各个组份变得很重要。本发明致力于此。
根据个人护理吸收物品对于吸收和贮存流体的能力，低密度流体吸收材料，例如通过空气粘结的粗梳织物展示出良好的吸收和暂时贮存功能。但它们缺乏一种有效的保留和贮存机构，例如可由纤维素或纤维素组分如木浆纤维，也称作膨松物赋予。也可以例如在吸收材料中添加贮留组分或在产品结构中，层置吸收材料与贮留材料来克服这种缺陷。
在结构中添加贮留成份会产生一种具有吸收和保留功能特性的混合物，这时它可有一种有效的结构，在某种情况下要求分离多功能，以将其在个人护理用品中的功效最大化。例如，如果用膨松结构用作体侧衬里，那么添加纤维素会增加从衬里到使用者皮肤的回流量。很显然这点不是人们希望有的功能，因此应予以避免。
另一种方法是将贮留材料与流体吸收层层叠。这可去除复合材料体侧部分的纤维素，但在复合材料的吸收和贮留部分之间的界面会产生困难。界面处的问题会在系统中产生一些问题，包括缺乏物理结构的耐用性，以及由于两层之间没有足够的连通而使流体通道出现问题。层与层可以通过任何连接装置包括粘接剂粘接和热粘接而固定在一起。热粘接要求每层中都有热塑性组份。由纤维素制成的基质不能热粘接。粘结剂粘接法能够用来连接各层，但粘结剂会在吸收表面和贮留表面之间阻碍流体通道的产生。机械式连接，如水力缠结或针刺可被用来在各层之间产生所需的连接特性以及流体通道的结构。已发现各种连接方法会赋予最终结构不同的特性。本发明致力于使用缠结技术来产生一种有特定的所需特性的组合物，通过以下的说明，附图和权利要求书可进一步理解本发明。
发明概述本发明涉及一种纤维无纺复合物，其由至少两种纤维源形成的，所述的纤维源彼此缠结在一起，例如通过水力缠结而缠结在一起的。用于本发明复合材料中的一种纤维源是吸收性纤维，例如木浆纤维其能吸收流体，例如尿和月经。在本发明的范围内也可考虑其它的吸收性纤维。另一种纤维源是那些统称为基质型纤维的纤维。就其吸收流体，暂时保留流体以及将流体转至吸收性纤维的功能而言，其吸收性小于木浆纤维。基质型纤维的例子包括亲水性纤维以及如需要经处理后亲水的疏水性纤维，但不限于此。基质型纤维一般是由可挤压且可纺的聚合物，例如人造纤维，聚烯烃和聚酯制成的短纤维或连续纤维。此外，基质型纤维可以包括诸如聚烯烃纤维和聚酯纤维混合物的纤维。
为形成缠结复合材料，分别形成吸收性纤维层和基质型纤维层，将其放在一起，然后彼此缠结。控制缠结的程度以防止两层的纤维完全的一体化。因此在复合材料的一侧基本是吸收性纤维，而另一侧基本是基质型纤维。选择基质型纤维以允许流体，如尿和月经快速吸收，而吸收性纤维用于吸收和贮留由基质型纤维吸收的流体。通过避免两种纤维源完全成为一体，基质型纤维产生复合材料的面向体侧的流体吸收外表面，其适合于朝向或接触使用者的身体放置。由于在该表面基本没有吸收性纤维，故会产生一种很干感觉的表面。
相反，由于复合材料的另一个表面，即流体保留外表面基本为吸收性纤维，通过产品的这一侧提供最大限度的吸收和保留。在两外表面之间形成一交界面，在该处吸收性纤维与基质型纤维混合，而产生流体传输区，由于两种纤维的相互缠结使流体从基质型纤维最大程度地传输至吸收性纤维。此外由于未使用粘结剂，因此相信在界面处有较小的影响。
由此形成的复合材料有特殊的用途，用作个人护理吸收物品的吸收机构，这种个人护理吸收物品如尿布，训练服，失禁装置，妇女卫生用品，擦布，绷带等。在妇女卫生用品领域，本发明的材料特别适合于作贴身材料。根据用作复合材料的基质部分的纤维和层，研制出一种材料，其具有适合贴着皮肤的较软的外侧，和容易保留液体的对侧表面。或者，这种复合材料能用在普通体侧衬里材料的底部，以形成另一种形式的成品。
根据本发明的缠结的无纺复合材料包括占复合材料总重复约20％～约75％的吸收性纤维，和约25％～约80％的基质型纤维。在更具体的实施例中包括占总重量约50％～约60％的吸收性纤维和约40％～约50％的基质型纤维。流体吸收外表面主要包括基质型纤维。内部应包含彼此缠结在一起的吸收性纤维和基质里纤维的混合物，流体保留外表面应主要包含吸收性纤维。如果需要，吸收性纤维可以包含与之相混合的增湿剂和/或超吸收剂。最终的复合材料具有约2cm3/分的流体吸收率或更大，内聚力值约为1.5千克或更长，杯挤压值(cup crushvalue)约为1000克或更小，所需吸收率为1g/分或更大。
可以对复合材料进行各种变换，例如对复合材料加添一层附加层，例如与顶层的流体吸收外表面相邻并相接触放置的第二顶层。第二顶层可以包括一纤维无纺织物，其本身可以包括多数量的基质型纤维。
本发明的复合材料有着广泛的用途，包括个人护理用吸收物品，如短裤垫片，但不限于此。这种物品的设计至少包括一背层和一吸收性芯层。本发明的复合材料可用作吸收芯层，在此情况下复合材料的流体保留外表面朝向背层放置。因此，流体吸收外表面邻接于使用者的皮肤放置。或者，复合材料包括第二顶层，第二顶层贴着使用者的皮肤放置。
附图简介

图1是根据本发明的相互缠结的吸收性纤维和基质型纤维复合材料的截面侧视图；图2是根据本发明的另一种相互缠结的吸收性纤维和基质型纤维的截面侧视图，在该实施例中，复合材料的顶部是一种能提供双重功效的两层材料；图3是根据本发明形成缠结的吸收性纤维和基质纤维复合材料的工艺的示意性侧视图，图中的设备包括水力缠结装置；图4是测量吸收性结构吸收流体速率的检测装置的顶视图；图5是测量吸收性结构吸收流体速率的检测装置的截面图；图6是测量吸收性结构所需流体吸收性的检测装置的侧视图；图7是如实例2a所述的根据本发明的材料的显微照像；图8是如实例3a所述的根据本发明的材料的显微照像；图9是根据本发明的材料的显微照像；图10是个人护理吸收性物品的局部剖开透视图，在本例中是短裤垫片，其利用了根据本发明的复合材料。
发明详述参照图1，示出根据本发明的相互缠结的吸收性纤维和基质型纤维复合材料的截面图。复合材料100由两层材料形成，包括顶层102和底层104。顶层102由纤维无纺织物制成，底层104由一层吸收性纤维制成，纤维无纺织物由基质型纤维制成或包括基质型纤维。此处“吸收性纤维”包括天然和合成纤维素以及纤维素衍生物纤维。这些纤维的例子包括，木浆纤维，人造纤维，亚麻纤维，桉树植物纤维，棉纤维等，但不限于此。对于本发明，“吸收性纤维”和“木浆纤维”能交换使用，其具有同样的意义和范围。这两层是一层置于另一层之上，然后通过图3所示和下文所描述的工艺缠结在一起。在此工艺中，通过利用水力喷射使吸收性纤维结合到基质型纤维上。由于吸收性纤维与基质型纤维在两层界面处的缠结，复合材料有如图1所示的三个不同的区域106、108和110。第一外侧区域106包括流体吸收外侧表面107，其与第一外侧区域作为一个整体主要包括基质层或顶层102的纤维。“主要”一词意思是基质型纤维占区域106纤维总重量的重量百分比大于或等于约90％。在内侧区域108，其由层102/104之间的界面以及顶层102中的一根假想的线112形成，此外是顶层102的纤维与底层104的纤维的混合物。第二外侧区域110包括一流体保留外表面111，其与第二外侧区域110作为一整体主要由吸收层104的吸收性纤维构成。此处“主要”意思是吸收性纤维占区域110中纤维总重量的重量百分比大于或等于约90％。区域106、108和110的尺寸取决于水力缠结的程度。随着水力缠结程度的增强，区域108增大，而区域106和110会减小。缠结的结果是复合材料包括占复合材料100的总重量约20％～约75％的吸收性纤维以及占总重量约25％～约80％的基质型纤维。当然在更具体的实施例中，复合材料100包括占复合材料总重量约50％～约60％的吸收性纤维以及占总重量约40％～约50％的基质型纤维。
第一外侧区域106用作流体吸收区域，而内侧区域108用作流体传输区域，第二外侧区域110用作流体保留区域。当本发明的材料用作，例如个人护理用吸收制品，如卫生巾时，体液如血和月经将通过流体吸收外表面107进入流体吸收区域106。此表面和区域包括亲水性小于吸收性纤维的基质型纤维。因此流体将快速通过进入材料中的另一个区域，在该例中它是流体传输区域108。在此区域是基质型纤维和吸收性纤维的混合物。因此该区域有较高的对吸收液体的亲合力，但低于吸收剂多的流体保留区域110的亲合力。这又会产生流体的驱动力。流体由吸收性纤维引入到该区域，但基质型纤维保持与吸收性纤维分开，这使得该区域的结构更开放。一旦流体进入流体传输区域，在流体保留区域110中的高浓度吸收性纤维将牵制流体，使流体能被贮存与使用者分开。
复合材料的另一个实施例在附图2中示出。在此结构中，复合材料100由三层材料制成，包括与图1相同的顶层102和底层104以及在顶层102一侧107上与底层104相对的第二顶层105。如前所述，顶层102由一层基质型纤维制成，底层104由一层吸收性纤维制成，第二顶层105由包括基质型纤维的纤维无纺织物形成。一优选的实施例是顶层102和第二顶层105包含双组份基质型纤维，这样可对它们进行热处理以将两层粘接在一起。顶层102的纤维和底层104的纤维以与上述相同的方式缠结在一起。如在图1中所示的实施例和如上述所述，由于底层104的纤维缠入顶层102，区域106主要包括基质型纤维。区域108是吸收性纤维和无纺基质型纤维的混合物。区域110主要包含吸收性纤维。此外维。这些基质型纤维可以相同于或不同于区域106中的基质型纤维，它们也可是基质型纤维的混和物。
第二顶层105能设计成从美学上讲接触更为满意，从而使使用者感觉更加舒适。通过由直径和/或纤度小于顶层102的纤维的相应值的纤维制成第二顶层105而实现这点。
参照图3，其示出根据本发明形成缠结无纺复合材料的工艺和设备10的示意图。根据本发明，吸收性纤维的稀释悬浮液，在本例中为木浆纤维，由流料箱12供给，通过闸门14均匀分布在一普通造纸机的成形表面16上。木浆纤维的悬浮液可以稀释至任何浓度，其一般用于普通造纸工艺。例如悬浮液可以包含悬浮在水中以形成稀液、占总重量的0.05％～约0.5％的木浆纤维。此外，可以在稀液中加入化学松解剂以进一步使加工过程容易进行。稀液放在成型表面16上，利用一真空辅助装置17将水从纤维中脱出，从而产生一浆粕层18。
木浆纤维可以是任何高平均纤维长度的浆粕，低平均纤维长度的浆粕或这两种纤维的混合物。所述高平均纤维长度木浆纤维一般平均纤维长度为约1.5mm至约6mm。例如高平均纤维长度木浆纤维包括那些kimberly-clark公司，商标为Longlac19，Coosa River54和CoosaRiver56的产品。
低平均纤维长度木浆纤维可以是，例如某种天然硬木浆纤维或由诸如白报板，回收的纸板和办公室废纸制成的再生木浆纤维。低平均纤维长度木浆纤维一般平均长度小于约1.2mm，更普通的是在约0.7mm至约1.2mm之间。低平均纤维长度纤维的例子是kimberly-clark公司商标为Coosa River57的产品。
高平均和低平均纤维长度木浆纤维的混和物可以包含这两种纤维的不同比例。一般可以包含占所有纤维总重量的百分比为约20％～约100％的高平均长度纤维和占所有纤维总重量约0％～约80％的低平均长度纤维。也可能利用一种纤维，虽然这会使加工困难，例如100％低平均长度纤维。
本发明所用的木浆纤维可以是未经细化的，也可以打击以改变细化程度。可加入少量增温树脂和/或树脂粘结剂以增强强度和抗磨性。可用的粘结剂和增湿树能包括Hercules化学公司的kymene557H树脂和美国Cyanamid公司的Parez631树脂，但不限于此。如需要一种开放或松的无纺木浆纤维，也可在木浆混和物中加入交联剂和/或水化剂，以减小水力粘结的程度。一种举例性舒解剂是Quaker Chemical Company ofConshohocken Pennsylvania商标为Quaker 2008的产品。另一种舒解剂可从Witco/sherex Chemical Company Inc，of Dublin Ohio获得，商标名为Arosurf PA727。以例如占浆粕层总重量约1％至约4％的某种舒解剂的添加量可以减小所测得的静态和动态摩擦系数，并改进复合材料织物无浆粕侧的抗磨性。舒解剂是用作润滑剂或摩擦还原剂。
参照图3所示的工艺，纤维无纺织物基质20从供应卷22上退绕，并沿箭头所示的方向传送。无纺基质20可选择地通过S辊装置26的钳口24，装置26由叠置的辊28和30构成。
无纺基质20可以由已知的连续和非连续长丝或纤维无纺挤出工艺制成。连续纤维无纺挤出工艺的例子包括，但不限于已知的溶液纺丝工艺或熔融纺丝工艺，例如纺粘工艺。如授予Dorschner等人的美国专利号3692618，和授予Appel的美国专利4340563，授予Strack等人的美国专利5382400，此处全部引作参考。已知的非连续纤维无纺挤出工艺的例子包括那些使用预制的短长度纤维，例如粘合粗梳织物形成工艺。本发明所用的是已知的形成通气粘结粗梳织物。这些工艺可以连机使用，或基质20单独形成，然后如图3所示以供应辊22的形式引入本发明。
粘结的粗梳织物由通常成包购买的短纤维制成。纤维包放在分离纤维的清棉机上。然后将纤维送过精梳或粗梳装置，进一步分离纤维使短纤维沿机器方向对准以形成沿机器方向定向的无纺织物。一旦织物已经形成，然后就用一种或多种粘结方法将其粘结。一种粘结方法是粉末粘结，其中粉末状粘结剂遍布织物的分布，然后通过加热织物使其活化，与热空气粘附。另一种粘结方法是图案粘结，其中利用热的砑光辊或超声粘结设备将纤维粘结在一起，一般在通过织物的局部粘结图案，如需要可沿其整个表面粘结。当使用双组分短纤维时，最好的方法是利用通气粘结剂，如上参照双组分纺粘织的形成工艺所述。为保持根据本发明的最终纤维无纺织物的膨松可开放特性，用于将纤维无纺织物的纤维粘结在一起的粘结工艺，应当是诸如通气粘结工艺，在成形工艺中其不会有不适宜地挤压或折叠结构。在通气粘结过程中，热空气被迫通过织物以使得纤维在交接点熔融并将其粘结。一般未粘结的织物支撑在成形金属丝或滚筒上，此外，如需要可通过织物抽真空，在粘结工艺中进一步保持纤维织物。这种通气粘结工艺是众所周知，因此此处无需详细描述。
气流成网法是另一种已知的工艺，由该工艺可制成根据本发明的纤维无纺织物。在气流成网工艺中，具有长度在约6mm至约9mm之间的小纤维束被分离并随气流携带，分布在成形网上，有时有辅助的真空供应。利用热空气或喷洒粘结剂将随机分布的纤维粘结在一起。
诸如利用平滑的和/或图案粘结辊的点粘结或图案粘结的粘结工艺可以产生最终的纤维无纺织物，其太密或没有本发明所必需的空隙度。不管选择哪种工艺，粘结的程度取决于所选择的纤维/聚合物，但任何情况下，要求在加热阶段压缩应尽可能小。
木浆纤维层18和无纺基质20一起放在有小孔的缠结表面32上，该表面通过包括水力缠结集合管35的普通水力缠结机34。要求浆粕层18放在无纺基质20和水力缠结集合管35之间。随着浆粕层18和无纺基质20通过缠结机34，它们受到流体喷射的处理，迫使浆粕纤维进入无纺基质20的基质型纤维，因此使木浆纤维与无纺基质型纤维相互缠结形成本发明的缠结的木浆和无纺复合材料36。
利用普通的水力缠结设备可以实现水力缠结，例如授予Evans的美国专利NO.3485706和授予Everhart等人的美国专利5284703，此处将其全部引作参考。水力缠结可以用任何适当的工作流体，例如水来进行。工作流体流过一个或多个集合管35，其将流体均匀分布给一系列孔。孔的直径约为0.003英寸至约0.015英寸(0.076至0.38mm)。例如本发明利用Honeycomb Systerms，Inc of Biddeford Maine的集合管来进行，其包含一排成直线的孔(30个孔/每英寸，12个孔/每cm)每个孔的直径为0.007英寸(0.18mm)。在用于形成本发明例子的工艺中，上述的3至4个集合管沿传送层18和20依次对准。
在水力缠结工艺中，工作流体在约200至约2000磅/每平方英寸(约1379千帕至约13790千帕)的压力下流过孔。本发明一个重要的特点在于木浆纤维没有完全结合到无纺层或基质20的基质型纤维内。因此有必要调整工艺的压力和线速度以获得所要求的限定的结合程度。同时集合管35的数目以及每个集合管内的压力，和木浆纤维进入其无纺基质的基重都会影响结合程度。
流体冲击木浆纤维层18和无纺基质20，这两种物质都由有孔表面32支撑，该有孔表面可以例如是单面筛网，其网格规格为约40×40股/每英寸(15.7×15.7股/每厘米)至100×100股/每英寸(39.4×39.4股/厘米)。有孔表面32有一多股网格，其网格规格为约50×50至约200×200股/每英寸(19.7×19.7至78.7×78.7股/每厘米)。在很多水力注射处理工艺中，在水力针刺集合管35下方直接设置或在集合管35下游在有孔缠结表面32下方设置一真空狭槽38，从而使多余的水分能从缠结的复合材料36上吸出。
流体喷射处理之后，复合材料或织物36可送至非压缩干燥操作，或压缩干燥操作，例如蒸汽罐(未示出)。可以用不同速度的卷取辊40将材料从水力针刺带传送至非压缩干燥操作。或者可以使用真空型卷取和传送织物。如果需要，复合材料织物在传送至干燥操作之前可弄湿起绉。利用普通的旋转滚筒通气干燥机42可实现织物的非压缩干燥。通气干燥机42可以是外旋转的滚筒44，其具有孔46以及接受通过孔46吹出的热气的外护罩48。通气干燥机的带50携带复合材料织物36通过通气干燥机外滚筒44的上部。通过通气干燥机42的外滚筒44上的孔46的热空气将水份从复合材料织物36上除去。由通气干燥机42迫使通过复合材料织物36的空气的温度从约93°至约260℃(200°F至约500°F)。另一种通过气体干燥的方法和设备可以例如在美国专利Nos.2666369和3821068中得知，这两个专利此处都全部引作参考。
也可按需要使用整理步骤和/或后处理工艺使复合材料织物36具有选定的特性。例如织物可以用砑光辊轻微挤压，起绉或卷曲以提供均匀的外部特性和/或一定的触觉特性。或者附加的化学后处理剂，如表面活性剂粘结剂或染料也可以加入到织物中。
本发明一方面，织物可以包含各种材料，例如活性碳，粘土、淀粉和超吸收性材料。例如这些材料可以加入形成木浆纤维层的木浆纤维的悬浮液中。这些材料在流体喷射处理以前放在木浆纤维层上，这样通过流体喷射作用使其进入复合材料织物36内。或者和/或另外这些材料可在流体注射处理之后加入复合材料织物。如果在水力喷射处理之前，在木浆纤维层的木浆纤维悬浮液中加入超吸收性材料，优选超吸收剂里那些能在温法成形和/或水力注射处理步序期间保持惰性和随后被活化的。在水力喷射处理之后在复合材料织物中可以加入普通超吸收剂。例如见授予McCormack等人的美国专利No.5328 759，此处全部引为参考。可用的超吸收剂包括从Hoechst Celanese Corporation获得的，商标名为Sanwet Im5000P的聚丙烯酸钠超吸收剂。超吸收剂可以每100克木浆纤维加入最高约为50克的比例加入。其可以各种形式使用包括，如颗粒，薄片和纤维。
上面已对本发明的材料和工艺进行了详细的描述，下面将用一些例子来说明本发明。在下面介绍这些例子以及检测他们的实验程序。检测程序流体吸收时间检测本发明的复合材料结构以确定其以多快的速度吸收2立方厘米的月经。合成的月经流体的组合是占其重量百分比约82.5％的水，15.8％的聚乙烯吡咯烷酮和1.7％的盐，染色剂和表面活性剂。其粘度为17厘泊，表面张力为53.5达因每厘米。本实验利用了一种包括1)Lucite试块和2)平的水平测试表面的试验设备。
图4是Lucite试块的平面视图。图5是Lucite试块的剖开侧视图。试块200有一从试块底部凸出的基座202。基座202有一平面204，其近似2.875英寸长(7.3厘米)，1.5英寸(3.8厘米)宽，这一平面形成试块200的底部。一长椭圆形开口206(约1.5英寸长(3.8cm)0.25英寸宽(0.64cm))位于试块的中心，并从试块的顶部延伸至试块底座202的表面204。当开口206的底部受到阻碍时，开口206能保持约10立方厘米的流体。试块顶部的通道208通入通道210，通道210又与长椭圆形开口206相连。流体倒入通道208，通过通道210进入长椭圆形开口206，流出到试块下方的试验样品上。
将样品(7.6cm×17.8cm)放在平的、丙烯酸水平测试面上测试，然后把试块的平的凸出底座放在样品(无纺侧在上/木浆纤维侧在下)的顶部，这样长椭圆形开口206的纵向平行于样品的纵向，并在样品的端部和侧部之间对中心。试块的重量约为163克，这样试块以每平方厘米约7克的压力放在样品之上。从Repipet(No 13-687-20；FischerScientific Company)分散约4立方厘米的模拟月经流体进入通道。当流体的最前端通过标志207时，停表开始启动，流体填充试块的长椭圆形开口，当液体的尾端流过标志207时表被停止，以表示2立方厘米的流体已被吸收。从而记录下吸收2立方厘米月经所用的时间。这个值转换成立方厘米/每分。对每一样品进行重复试验并算出平均值。杯形挤压试验通过测量直径为4.5厘米的半球形底座将一块9.0英寸长9.0英寸宽(22.9cm×22.9cm)的织物挤压成直径约为6.5厘米，高约为6.5厘米的倒杯所需的最大负荷而计算织物的刚度，杯形织物由约6.5cm直径的圆筒环绕以保持杯形织物的均匀变形。底座和杯形件相互对准以避免杯壁与底座的接触，这会影响最大负载。利用MTS Systems Corporationof Cary North Carolina的3108-128型10磅的测力计测量最大负载，而底座以约0.25英寸每秒(0.64厘米每秒)[等于15英寸每分(38.1厘米每分)]的速度下降。对每块材料重复7至10次试验，然后平均给出测定值。基重根据Federal Test Method 191A/5041测定样品的基重。样品规格为9英寸×9英寸(22.9厘米×22.9厘米)，对7至10块试样称重，然后平均。内聚力测试通过测量复合材料的两层之间的内聚力测量复合材料的内聚强度。将两层分开所需的最小的力以每平方英寸千克力的形式给出。
对每块试样，利用John Chatillon和Sons，Inc.of Greensboro，North Carolina的Chatillon Digital Force Gange Moel DF1 50测量一块1平方英寸的样品的内聚力。该设备有一气动操作的2英寸×4英寸(5.1cm×10.2cm)的底盘和一块1英寸×1英寸(2.54cm×2.54cm)的顶盘，该顶盘连到数字测力计12。在底盘和顶盘上都放置双面胶粘片，一块2英寸×4英寸(5.1cm×10.2cm)的材料样品放在2英寸×4英寸的底盘的顶面。用Scotch牌双面涂覆的压力敏感型贴片号为406的贴片去覆盖底盘和顶盘的表面，其宽度为1英寸(2.54cm)和2英寸(5.1cm)。两英寸宽的贴片用于底盘，1英寸宽的贴片用于顶盘。一旦样品已放到底盘的顶部上(相邻于底盘的木浆侧)在每平方英寸60磅的压力下(414千帕)压缩底盘和样品3秒。三秒钟后，释放压力。启动数字测力计，在底盘和顶盘之间在每平方英寸60磅的压力之下压缩样品一段时间10秒。然后将底盘从顶盘抽离。测得的分离力以每平方英寸千克力表示。然后记录所需的将复合材料分离的力。对每个试样重复10次测试，然后取平均值。最大吸收性测试最大吸收性实验测量在零静水压头(压力)下吸收性材料以每分钟克数表示的吸收率。根据Bernard M.Lichstein of Johnson and JohnsonCompany of New Brunswick，New Jersey 08903所著的题目为“DEMAND WETTABILITY，A NEW METHOD FORMEASURING ABSORBENCY CHARACTERISTICS OF FABRICS(最大可湿性，一种测量织物吸收特性的新方法)的试验来进行，其在1974 INDA Technical Symposium上公布(129～142页)。INDA(无纺织物工业联合会)在1001 Winstead Drive Suite 460，Cary NorthCarolina办工。在本例中所用的试验设备不同于上述试验中描述的。实际的实验设备在图6中示出。
对试验程序中的设备进行了一些改变。参照图6，试验设备300包括一个有侧向出口312的400毫升的瓶310。瓶310中装满如前所述的同种合成月经流体314，并将其放在型号为1413mp8-1的Sartorius计量计316的顶部，以便当试验样品从瓶中吸收流体，从而瓶中流体重量减小时计录下单位时间的吸收流体克数。瓶310的顶部用一单孔橡胶塞318塞住。通过塞子的孔放置一根0.6cm(OD)的玻璃管320。玻璃管320在瓶内足够深以确保其开口的底端在整个试验过程中保持浸没在合成月经流体之中。橡胶塞/玻璃管组合体替代在测试程序所述的空气血流系统。
试样材料322以其无纺纤维多的一侧朝下放在12.7cm×22.9cm的丙烯酸板324的顶部，在该板的顶部的中间有一个1.59cm直径的孔326。孔下沉0.5cm然后有直径减至1.0cm深0.8cm的孔。然后向右在孔330处离开板侧。利用内径为0.635cm，壁厚为0.159cm的Tygon塑料管328将瓶310连至板324。管328固定到板324一侧的0.95cm直径的孔330内，该孔330与板孔326流体相通。尺寸为17.6cm×7.6cm的样品放在板324的顶部，这样每个样品在板孔326的顶部对中心，样品的纵向相应于板的纵向。在测试程序中无顶板放在样品之上。因此试验样品在吸收流体的过程中处在无压力状态之下。
为进行实验，操作者应保证玻璃管320的浸没端与板324的顶面在同一高度。当样品放在板324的孔326的上方并与合成月经流体相接触时，启动停表或其它适当的定时装置。当试验样品吸收流体，流体从瓶中引出并由通过玻璃管的空气替代以产生气泡穿过瓶310中的其余流体314。瓶310的流体的减少在计量计316上表示为质量的减少，以秒计的时间去除以克表示的计量计上的重量记录为克每秒。该值乘以一个转换系数60秒/分以产生由克每分表示的吸收率。进行5至7次试验以产生最终的下述结果。例子如下述准备一系列五个试验材料。参照例1至例4，测试三个不同的实施例。“a”试样品是根据本发明的水力缠结的样品。“b”样品是一种组分材料放在另一种组分材料之上，但不与另一种组分材料接触。“c”样品是两种材料彼此粘结在一起。所用的粘结剂是3MCorporation of St.Paul，Minnesota生产的3M Super 77-N Spray粘结剂。粘结剂的添加量在约10和约25克/每平方米之间。实例1，2和4中的样品利用一层无纺层与一层木浆层以形成复合材料，而例3利用两层无纺层和一层木浆层以形成复合材料。例5只有一层浆粕层。因此在例5中没有样品a，b和c。仅仅计算样品1a，2a，3a，4a和5的吸收率。例1在例1a中利用粘结粗梳织物和一浆粕层形成一种两层复合材料。粘结的粗梳织物是一通气粘结粗梳织物或TABCW。织物以其总重量的百分比计算包括40％的纤度为6.0旦尼尔的长为38mm的聚酯短纤维和60％的30旦尼尔的长38mm的聚烯烃外层/聚酯芯部的双组份纤维。聚酯纤维可从Hoechst Celanese Corporation of Spantanbury，SouthCarolina获得。双组份纤维从BASF Wyandotte Corporation ofParsippany，New Jersey获得并表示为混和物1-1039。
纤维送过开松机，在粗梳成织物前均匀混合在一起。一旦织物已经形成，其送过具有空气温度为135℃的通气粘合机。在粘合机中的停留时间为4秒。最终的织物有按上述方法计算的48.8g/m2的基重。在粘结过程中在689达因/cm2的压力下压缩样品使其从约200mils(0.518cm)变至最终的约100mils(0.259cm)的厚度。织物卷绕到辊上，随后送到类似于图1所示的设备上。
利用普通的浆粕层形成设备可以形成浆粕层。在再调浆器中以不含水的重量百分比为基包括49.5％的可从kimberly-clark公司买到的Longlac南软木纤维，49.5％的也可从kimberly-clark公司买的CoosaRiver54南软木纤维以及1.0％的Witco/sherex Chemical Company Inc.of Dublin Ohio的PA727 Arosurf化学舒解剂。木浆纤维和舒解剂混和近似15分钟成为稀液。由稀液形成湿法成形的浆粕层基重近似为75g/m2。无纺织物带入成形工艺，位于湿法成形的浆粕层下方，并且组合物通过一包括四个集合管的水力缠结设备。浆粕层和无纺层支承于100网格的不锈钢成形网上，无纺层相邻于网放置。通过水力缠结设备的线速度是6.1米/分(20英尺/分)。每个集合管配有一排水喷嘴，孔的密度为11.8个孔/cm(30个孔/英寸)，垂直机器方向的总宽度近似为46cm。每个水喷嘴的孔的孔径为0.01778cm(0.007英寸)。可以对每个集合管调节使其有自己的压力。上游集合管调节成有250磅/英寸2(1724kpa)，其它三个集合管都调节成400磅/英寸2的压力。当缠结的复合材料从水力缠结设备出去之后，对复合材料的无纺侧喷涂表面活性剂溶液，其包括80升脱离子水，240克n-乙醛和688克y-12488有机硅氧烷表面活性剂，其可从Union Carbide Chemical和PlasticsCompany of Danbury Connecticut获得。混合物在室温上一个容器中搅拌约10分钟，然后喷到复合材料的无纺织物侧，从而使织物有一占复合材料织物总重量1％的覆层。然后复合材料织物送过干燥温度为149℃(300°F)的干燥机。在干燥机中的处理时间近似为23秒。最终的材料基重近似为125g/m2。
样品1b有同样的无纺层和浆粕层。唯一的区别在于浆粕层的水力缠结，在样品1a中是浆粕层水力缠结进入无纺层。使得纤维在浆粕层重新对准，为模拟样品1b、2b、3b和4b中的效果，在相应的样品1a，2a，3a和4a中的同样的浆粕层仅仅利用三个每个设定为250psig(1724千帕)压力的集合管送过水力缠结工艺。由于已发现在与“a”样品使用相同的压力下，浆粕层中的木浆纤维嵌入成形网中。一旦浆粕层经水力缠结并干燥后，其放在相应例子中的无纺织物的顶部，并进行检测。
样品1c用与样品1b相同的材料，唯一的区别在于两层材料用粘结剂彼此连接在一起。所用的粘结剂近似为25gsm。
测试复合材料的基重，流体吸收率，杯挤压负荷，内聚力和最大吸收率，并在表1和表2记录下来。
以这种方式生产的复合材料(样品1a)有各种良好的流体结合特性。复合材料的膨松无纺侧具有吸收/浸渍功能，当材料用作个人护理用吸收用品如卫生巾的吸收部分中，这点很重要。在此意义上，无纺层很容易地吸收人体排出的流体，保留该流体，并将它们传送至复合材料的浆粕部分。复合材料的木浆部分具有保留能力和直接将流体沿材料的机械方向分布的能力，这是由于在水力缠结过程中木浆纤维的纤维间相互对准。对流体分布的另一个重要因素是木浆纤维与无纺纤维缠结的区域。直接接触/交界的区域使流体从无纺浸没/分布层传输至木浆分布/吸收层。表1例1-5的吸收率吸收率(cc/min)例1a 6.28例2a 2.04例3a 3.74例4a 2.07例5 1.34表2例1a，1b和1c的数据例1a例1b 例1c基重(g/m2) 127.38 118.70143.59内聚力 (kg/in2) 1.880.00 0.70杯形挤压力 (kg) 646 422 859最大吸收性 (g/min) 3.170.29 0.25用“b”样品的例子是材料叠放没有缠结用“c”样品的例子是用粘结剂粘接例2在例2a中用粘结粗梳织物和浆粕层形成一种两层复合材料，粘结粗梳织物是一通气粘结粗梳织物，其以织物总重量的百分比计包括，25％的1.5旦尼尔39.7mm的人造短纤维，35％的3.0旦尼尔聚烯烃外层/聚酯芯层双组分纤维，其长度为38mm，和40％的6.0旦尼尔38mm的聚酯短纤维。人造短纤维可从Courtaulds North America，Inc of NewYork获得，表示为18543。双组份纤维从BASF WyandotteCorporation of Parsippany New Jersey获得，表示为1-1039。聚酯短纤维可从Hoechst Celanese Corporation of Spartanbury，South Carolina中获得，表示为T-295。
短纤维两次送过开松机，并在以15.25m/分(50英尺/分)的线速度粗梳成织物前均匀混合在一起。一旦织物已形成后，其在空气温度为163℃(325°F)的情况下送过通气粘结器(滚筒型)。在粘结器内处理时间约3到4秒之间。最终的织物的基重按上述计算为50g/m2。织物卷绕到辊上，然后送到类似于图1所示的设备上。
75gsm浆粕层与例1中所用的相同，浆粕层与粘结粗梳织物置在一起，并在与例1中相同的条件下缠结在一起。125gsm的复合材料与例1的复合材料有同样好的特性。
样品2b与样品2a用同样的材料，并与上述参照样品1b进行了同样的改型。样品2c由与样品2b相同的材料制成。用于样品3c的粘结剂近似为20gsm。
测试复合材料的基重，流体吸收率，杯挤压负荷，内聚力和最大吸收率，并记在表1和3中。表3例2a，2b和2c的数据例2a 例2b 例2c基重(g/m2) 121.91121.24141.66内聚力 (kg/in2) 5.61 0.00 4.17杯形挤压力 (kg) 426 423 694最大吸收性 (g/min)1.63 0.11 ＜0.1用样品“b”的例子是材料叠置，无缠结用样品“c”的例子是用粘结剂粘接在例3a中，利用一个75g/m2的浆层，其与例2有相同的纤维和舒解剂组分。在此例中与无纺织物成为一体的是总基重为50g/m2的两层粘结粗梳层。无纺织物的顶层是由1.8旦尼尔长38mm的聚烯烃外层/聚酯芯层22组份纤维制成的通气粘结粗梳织物。这些纤维可从BASFWyandotte Corporation of Parsippany New Jersey获得。
两层粘结粗梳织物的底层是30％的1.5旦尼尔的人结纤维(与例2中所用的相同)和70％的30旦尼尔的聚烯烃外层/聚酯芯层双组份纤维(也与例2中的相同)的33g/m2的均匀混合物。上述重量百分比以底层的总重量为基。
这两层用与例2中相同的设备通气粘结在一起。粘结温度为163℃，在通气粘结器中的处理时间近似为3至4.5秒。
湿的浆粕层引入水力缠结设备，置在两层粘结粗梳织物的顶部。粘结粗梳织物这样放置，使得浆粕层与底层相连。与前述实施例不同。在本例中只利用所述四个集合管之中的三个。三个集合管都调节为标准压力400psig(2758kpa)。线速度始终保持在6.1米/分。
水力缠结之后，复合材料的无纺侧喷上一层与例1和例2中相同的表面活性剂溶液，其利用率也是相同的。然后，以与前述样品相同的形式在138℃的温度下干燥复合材料织物。
样品3b和3c利用与样品“3a”相同的材料以与前述例子中相应样品同样的形式制造。浆粕层以与样品1b和2b同样的方式水力缠结。样品3c所用的粘结剂近似为18gsm。
根据本发明最终的复合材料(样品3a)由于其利用了1.8旦尼尔双组份纤维，使其具有接触起来很柔软的表面。材料的这一侧适用作个人护理吸收制品的体接触侧。层叠制品的另一个表面富含木浆纤维，因此能有良好的吸收性。在这两表面之间，两层粘结粗梳织物的“底层”能对整个复合材料提供额外的功能，用作收集层以快速解吸层叠制品的体接触表面，保留流体，直到木浆纤维能全部吸收隔离的流体。利用水力缠结工艺，使木浆纤维和无纺基质型纤维在这两种材料的交界处充分混合以进行流体传输过程。并且，层叠制品可覆盖一层相邻木浆纤维侧的流体不渗透材料，则该层叠制品可作为薄的内裤垫片。并且不同于层叠产品或各层彼此粘结在一起的产品，这种缠结的结构有增加的流体处理产品或各层彼此粘结在一起的产品，这种缠结的结构有增加的流体处理性和下降的各层分离性，如表1和4的数据所表示的。
表4例3a，3b和3c的数据例3a 例3b 例3c基重(g/m2) 130.20131.24 149.03内聚力 (kg/in2) 2.22 0.00 1.48杯形挤压力 (kg) 740 658 972最大吸收性 (g/min) 2.20 0.26 0.25用“b”样品的例子是材料叠置，但不缠结用“c”样品的例子是用粘接剂粘接例4在例4a中用纺粘结物和浆粕层生产一两层复合材料。纺粘织物是一种通气粘结的双组分织物，其如在美国专利No.5382400中所述的。约2～3旦尼尔的双组份纺粘纤维是并行放置的50％的聚丙烯和50％的聚乙烯(占重量百分比)，利用通气粘结和送到缠结工艺来生产卷曲双组份纤维的34g/m2的织物。
复合材料的浆粕部分基本如同例1一样进行生产，除了其基重，基重减至70g/m2。在该浆粕层中加入双组份纺粘织物。缠结工序如例1中所描述的，但这种复合材料用水喷嘴的三个集合管调至2758kpa压力生产。
利用与样品4a相同的材料，准备样品4b和4c。在样品4c加入的粘结剂近似为11gsm。
测试基重，流体吸收率，杯挤压负荷，内聚力和最大吸收率，并记在表1和5中。
表5用于例4a，4b和4c的数据例4a 例4b 例4c基重(g/m2) 102.93101.69112.88内聚力 (kg/in2) 4.17 0.00 2.63杯形挤压力 (kg) 665 356 535
用“b”样品的例子是材料叠置，不缠结用“c”样品的例子是用粘接剂粘接的例5例5是浆粕层，用于测量和比较纯的水力缠结的浆粕的流体吸收率(见表1)。浆粕层是75gsm，并以与其它浆粕层同样的方式制成。利用压力调至250psig(1724kpa)的三个集合管进行水力缠结。
在表1的吸收率的比较表示了在浆粕层增添基质型纤维(无纺织物)的好处。基质型纤维为复合材料提供了富无纺层侧，与例5的慢速浆粕层相比其能快速吸收流体。这种快速吸收消除了自由流体，这种流体不被吸收，使产品过早失效。
表2至5示出了将基质型纤维和木浆纤维连接在一起的三种方法。在每个例子中“a”样品代表根据本发明的缠结的结构，而“b”样品在材料层之间不进行粘结或缠结。“c”样品用粘结剂连接代替两层之间的缠结。内聚力测试各组分的连接，并且在缠结材料，样品“a”中最高。增加样品“c”中的粘结剂的量会增大内聚性，但如从杯挤压数值中看到的，粘结剂连接的样品刚性好于缠结样品。
从最大吸收性数值可以看出缠结的明显影响。这些结果清楚地表示出，缠结结构比其它结构以更快的速率吸收流体。确信这是由于木浆纤维延伸进复合材料的基质型纤维而形成的增强的流体通道。参见图7、8和9，这些显微照像示出条状木浆纤维如何向上伸入低密度基质型纤维。当样品层置或用粘结剂粘连在一起时，木浆纤维不伸入到基质型纤维中。在“b”样品中在木浆纤维层和基质型纤维层之间有一层气体。在“c”样品中，在木浆纤维层和基质型纤维层之间有一粘合剂层。在这两侧中，其效果是从结构的一部分到另一部分有受限的流体流动通道。这点由非缠结样品的低最大吸收数据得到证实。
较好的最大吸收性数值表示木浆纤维与基质型纤维完全成为一体会使效果最大化。然而由于必须有所有特性的平衡，所以上述特性不总是如此。通过在复合材料提供富含木浆纤维侧，可提供可与使用者分离的流体储存能力。相反，通过为复合材料提供富含基质型纤维的一侧，可提供具有艺术吸引性的表面，并使流体吸收率最大化。这一侧能单独用作产品的体接触表面，或如在例3中所示与一层直径较小的基质型纤维一起用作产品的体接触表面，使接触更为舒适。
本发明的材料能用在多种场合，不限于个人护理吸收制品。个人护理吸收物品包括，例如尿布，训练服，失禁装置，绑带，妇女卫生用品，如卫生巾和内裤垫片。参照附图10，其示出一种内裤垫片400，其是一种很薄形式的卫生巾，很多妇女在月经流量少的几天不用月经棉可用这种卫生巾。大多数个人护理吸收制品如内裤垫片400包括通常为流体不可渗透的背层402和诸如混合有超吸收剂或没有超吸收剂的木浆纤维的吸收芯部404。此外，这种物品最好包括相邻使用者皮肤放置的体侧层或顶层406。两层水力缠结的材料，如例1、2和4中所述的材料，其可用作吸收芯层404，其结合背层402形成例如内裤垫片400。复合材料的富木浆纤维侧相邻背层402放置，复合材料的富基质型纤维侧相邻使用者放置。因此，富基质型纤维一侧很容易地吸收流体，其通过水力缠结的内部传送至复合材料的富木浆纤维侧。如此流体从使用者皮肤除去，并贮存在相邻背层的木浆纤维中。
也可以利用诸如在例3中所描述的根据本发明的复合材料的多层材料作为吸收芯部404。这可起到同样的作用并带来额外的好处，即在与富木浆纤维侧相对的层中的小旦尼尔数纤维接触起来更柔软，更舒服，因此产生更令人满意的产品。由此在内裤垫片400的结构中一般没必要利用一层附加层作为体侧层或顶层406，虽然如果需要，可以使用一层附加层。
虽然已对本发明进行了详细的描述，但很明显，在不脱离所附权利要求书的实质和范围的前提下可对本发明进行各种改动和改变。
权利要求
1.一种缠结无纺复合材料，其具有流体吸收外表面和由内部与之分开的流体保留外表面，所述复合材料包括占该复合材料总重量约20％～75％的吸收性纤维和约25％～约80％的基质型纤维，所述流体吸收外表面主要包括基质型纤维，所述流体保留外表面主要包括吸收型纤维，所述内部包含彼此缠结的吸收型纤维和基质型纤维的混合物，所述复合材料有约2cm3/min或更大的流体吸收率，内聚力的值约为1.5kg/英寸2或更大，杯形挤压值约为1000g或更小，最大吸收率为1g/min或更大。
2.如权利要求1所述的复合材料，其中所述复合材料包括占所述复合材料的总重量约50％～约60％的吸收性纤维和约40％～约50％的基质型纤维。
3.如权利要求1所述的复合材料，其中所述复合材料还包括与所述流体吸收外表面相邻并接触的第二顶层。
4.如权利要求3所述的复合材料，其中所述第二顶层包括含有较多基质型纤维的纤维无纺织物。
5.如权利要求4所述的复合材料，其中所述第二顶层的纤维无纺织物包括直径小于第一顶层的基质型纤维的直径的基质型纤维。
6.如权利要求1所述的复合材料，其中所述吸收性纤维包含增湿树脂。
7.如权利要求3所述的复合材料，其中所述吸收性纤维包含增湿树脂。
8.如权利要求1所述的复合材料，其中所述吸收性纤维包含与之混和的超吸收剂。
9.如权利要求3所述的复合材料，其中所述吸收性纤维包含与之混和的超吸收剂。
10.一种个人护理吸收制品，其包括背层和吸收芯部，所述吸收芯部包括权利要求1的复合材料。
11.一种个人护理吸收制品，其包括背层和吸收芯部，所述吸收芯部包括权利要求3的复合材料。
12.如权利要求10所述的个人护理用吸收制品，其中所述物品是内裤垫片。
13.如权利要求11所述的个人护理用吸收制品，其中所述物品是内裤垫片。
全文摘要
本发明公开了一种由诸如木浆纤维的吸收性纤维和诸如聚酯短纤维的基质型纤维而构成的缠结无纺复合材料,所述吸收性纤维与基质型纤维彼此以此方式相互缠结,使得复合材料有富吸收性纤维侧,和富基质型纤维侧。在两外层之间有由吸收性和基质型纤维的混和物构成的缠结内部。复合材料特别适合于多功能处理诸如由个人护理吸收制品吸收的体液的流体。复合材料的基质型纤维部分用作流体吸收区,而吸收型纤维部分用作流体保留区,并且在两外表面之间的复合材料的中间区域用作流体吸收区。
文档编号A61F13/15GK1192250SQ96195942
公开日1998年9月2日 申请日期1996年6月3日 优先权日1995年6月7日
发明者D·N·韦尔奇埃尔, E·S·凯普纳, C·S·利奇 申请人:金伯利-克拉克环球有限公司