制备亚微米纤维和无纺织物的方法和设备以及包含它们的制品的制作方法

专利名称：制备亚微米纤维和无纺织物的方法和设备以及包含它们的制品的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及制备亚微米纤维，且更确切地涉及通过聚合物膜 的原纤维化形成亚微米纤维的方法和设备，以及引入它们的无纺材料和
制品。
背景技术：
连续和不连续丝纺丝技术是已知的技术，并通常被称作熔融纺丝技 术。熔融纺丝技术均包括熔喷方法或纺粘方法。纺粘方法涉及提供熔融 聚合物，其然后在压力下通过被称作喷丝板或模头的板中的大量的喷丝 孔被挤出。所得到的连续丝被骤冷并通过许多方法中的任何方法来牵
引，如槽式牵引系统、衰减枪(attenuator guns)或牵伸辊。连续丝在移 动的有小孔的表面如丝网传送带上被收集为松散的纤维网。当为了制备 多层织物而串连使用 一 个以上的喷丝板时，后面的纤维网在前述制备的 纤维网的最上层表面被收集到。
熔喷方法涉及制备无纺织物层的纺粘过程装置，其中熔融的聚合物 在压力下通过喷丝板或模头的喷丝孔被挤出。高速气体在丝线离开模头 时撞击丝线和使丝线变细。这个步骤的能量是使得形成的丝线的直径非 常大地减小并断裂从而产生具有不确定长度的微纤维。这个方法不同在 于丝线的连续性得以保留的纺粘方法。
丈容融纺丝i殳备制造7^司，如Reifenhauser、 Ason Neumag、 Nordson 和Accurate Product已设计了大量的提供多种的所期望特性的熔喷和/ 或纺粘制造模型，所述所期望特性举例而言如提高的聚合物产量、更好 的工艺空气流或聚合物分布的控制和提高的对丝线偏离的控制。US专 利4708619、 4813864、 4820142、 4838774、 5087186、 6427745和6565344 公开了处理纺粘或熔喷材料的制造设备的实例，所有上述专利都作为参 考文献引入本文。
对于由包含亚微米纤维的无纺织物制备的制品存在着正在增长的 需求。亚微米纤维的直径通常理解为小于约1000纳米(即1微米)。
亚微米纤维网由于其高表面积、低的孔径尺寸和其他特性而是需要的。
亚微米纤维可以通过多种方法和多种材料制备。虽然已经使用了几种方 法，但每种方法都存在缺点并且生产成本效果合算的亚微米纤维是困难 的。常规的熔融纺丝设备布置不能提供高主要是具有窄纤维尺寸分布的 微细(包括亚微米直径)纤维的高质量、低缺陷纤维和纤维网。
制造亚微米纤维的方法包括 一 类用熔融原纤维化(melt fibrillation)描述的方法。非限制性的熔融原纤维化方法的实例包括喷 熔、熔融纤维破裂(melt fiber bursting)和熔膜原纤维化。不从熔体制 造亚微米纤维的方法是膜原纤维化、静电纺丝和溶液纺丝。制造亚微米 纤维的其他方法包括纺制较大直径的海岛、拼合盘(segmented pie )或 其它构型的双组分纤维，该纤维然后进行进一步处理以得到亚微米纤 维。
熔融原纤维化是一类广义纤维制造方法，定义为一种或多种聚合物 被熔融并被挤出为许多可能的构造(如共挤出、均相或双组分膜或长 丝)然后原纤維化或纤维化成长丝。
熔膜原纤维化是制造纤维的另 一个方法。从熔体制备熔膜且然后用 流体从该熔膜制造纤维。这个方法的两个实例包括Torobin的美国专利 6315806、 5183670和4536361以及转让给Akron大学的Reneker的美国 专利6382526、 6520425和6695992。
静电纺丝是常用的制备亚微米纤维的方法。在这个方法的一个形式 中，聚合物被溶解在溶剂中且放置在一端密封在另一端的颈缩部分有小 开口的腔室中。然后在聚合物溶液和靠近该腔室的开口端的收集器之间 施加高电压。这个方法的生产速率很低且典型地生产很小数量的纤维。丝。
熔膜原纤维化方法获得高熔体剪切力的 一个方法是通过高速气体 (即接近音速或者超音速气体速度)。为了获得超音速或近音速(接近 音速)的速度，典型地流体需要收敛到喉部(喷嘴中最窄的部分，其中 的速度到达音速水平)并然后在扩张部分膨胀。符合这些一般标准的绝 热喷嘴(通过喷嘴系统的边界没有热量的获得和损失)是现有技术中已 知的，并包括所谓的Laval喷嘴。在纤维制备中使用Laval型喷嘴被公 开在例如美国专利申请7>开2004/0099981 Al和美国专利5075161和 5260003中。这些方法利用Laval喷嘴加速气体速率至音速和/或超音
速的范围。当聚合物熔体暴露在如此高的气体速率下，它爆裂为许多精 细纤维。在排放喷嘴中他们通常使用气体和聚合物熔体同心的输入和传 输，这从设备设置复杂性和设备维护等的观点来看并非是最佳的。但 是，其他喷嘴构造，如非同心的(非环形的)的喷嘴设置也面临着他们 自己的挑战。例如，在聚合物熔体和气体通过独立的并行单元引入的纤 维或长丝喷嘴系统中，当纤维化气体在具有被加热到高温(例如，由于 聚合物熔体从那一侧流动引入)的表面或壁的一侧和与聚合物熔体侧相 比处于低温的相对侧(例如，气体引入侧)的表面或壁之间流动时会趋
向于出现问题。在这样的情形下，在现有喷嘴构造例如Laval喷嘴构造 中的扩张部分中气体流趋向于变的不稳定。这会导致聚合物剪切力的缺 少、聚合物回流或在气体通道的气体侧聚集等问题，且随后导致不平稳 变化的过多的和减少的聚合物流动和纤维化。在出现足够的熔体聚集入 上游气体侧之后，聚合物熔体分离并且典型地作为"丸粒"("shot") 喷出，因为熔体被局部地冷却并由于不充分的聚合物剪切而不能再产生 纤维。当作为这些变化的另一极端聚合物流供料不足时，剪切力会过高 而导致不需要的尘粒(dust)。需要取得新的进步以允许在商业意义上 的产量水平以更有效的方式为一次性制品生产一贯高质量的亚微米纤 维。

发明内容
本发明涉及以独特的单个步骤、熔膜原纤维化高产量方法制备的高 质量、低缺陷亚微米纤维和引入该亚微米纤维的无纺织物，以及用于该 目的的喷嘴装置。在商业规模的产量下可以得到包含高质量的微纤维含 量的无纺织物产品，其在一方面具有超过99%的亚微米纤维含量。增加 的聚合物剪切力和聚合物回流或聚集问题的降低也可以通过本发明而 实现，反之则会导致不期望的纤维缺陷如喷嘴系统内丸粒的发展。通过 本发明，提供适用于多种工业和消费者护理纤维产品的具有提高的阻挡 性、柔软度、吸收性、不透明性和/或高表面积的高质量微纤维无纺织物
产品o
已经发现制备无纺纤维网(nonwoven web )的方法制备高质量高产 量的亚微米纤维产品，该方法以如下方式实施提供在被限制在第一和 第二相对壁之间的气体通道内流动的加压气体流，所述相对壁分别限定
上游收敛和下游扩张壁表面，在该下游扩张壁表面中引入聚合物熔体以 在加热的壁表面上提供挤出的聚合物膜，该加热的壁表面被在气体通道
内流动的气体流撞击，有效地将聚合物膜原纤维化为亚微米直径纤维。 "收敛"是指在气体流动方向上横截面积减小，且"扩张"是指在气体 流动方向上横截面积增加。在一个实施方案中，气体通道包括气体从入
口端进入其中的第一上游部分，过渡区，和在其中气体流到出口端的第
二下游部分，其中过渡区域流体地(fluidly)将第一部分连接到第二部 分，并且气体通道结束于第二部分的出口端。在特定的实施方案中，气 体通道的第 一部分具有从入口端到过渡区单调减小的横截面积，且气体 通道的第二部分具有从过渡区到第二部分的出口端单调增加的横截面 积。至少一个流动的聚合物流体通过至少一个有界限的(bounded)结 束于所述至少一个相对的加热壁中的至少一个开口的聚合物通道传 送。聚合物在传送中被充分加热以使其可流动并保持其可流动直至被引 入到气体通道中。每一个聚合物流体流从每一个开口以膜的形式挤出。 每一个挤出的聚合物熔膜与气体流结合且聚合物膜被原纤维化以形成 包含亚微米纤维的纤维，从气体通道的第二部分的出口端离开。对于本 申请目的，"单调减少的横截面积"指从上游喷嘴部分的上(入口 )端 到下端"严格地减少的横截面积"，且"单调增加的横截面积"指从喷 嘴的下游部分的上端到出口端"严格地增加的横截面积"。
虽然不希望被任何理论所限制，但是据信如本文所述将加热的聚合 物作为膜引入到部分限定了喷嘴内气体通道的加热的支撑壁上，使得可 以以增强的方式维持并控制气体流动均匀性以使得原纤维化的纤维产
寸分布。 口 ^ 、 、 ' 、 、 口 、
在特定的实施方案中，每一个挤出的聚合物膜都在气体通道的第二 部分中与气体流结合。在喷嘴系统的第二部分中将聚合物熔体引入到加 热的扩张支撑壁上被发现尤其有利于在商业产量下制备高质量、高含量 亚微米纤维和并得到纤维网。在进一步的实施方案中，为了制备最佳质 量的纤维和纤维网，挤出的聚合物膜在第二下游部分与气体结合的位置 取决于气体的类型、包括角度和过渡段的喷嘴的几何形状和气体的压 力，且优选如对低气体压力情况而言位于第二部分的上半部分，并优选 如对高气体压力情况而言位于第二部分的下面的下游半部分。在特殊的
实施方案中，只有一种聚合物膜在至少一个相对的加热壁上生成，气体 压力超过约10psi,且聚合物膜从其中挤出的每一个聚合物通道开口都 位于在过渡区域和第二部分的出口端之间的第二部分的第二下游半部 分。已经发现下游第二部分的第二半部分可以提供最佳的气体速率区 域，其处熔膜原纤维化可以很有效地完成，得到更高质量的微纤维产
口口 O
作为本发明的另 一个优点，增加的亚微米纤维产率可以在更低的气 体需求下得到。更低的气体需求使得减少能量消耗和/或使用较'J、规模 的单元操作而仍旧提供商业意义的亚微米纤维产量水平成为可能。在一
个实施方案中，气体流和聚合物流体流以气体流/聚合物流体流质量流
动速率比小于约40:1，特别是小于约30:1，更特别是小于约15:1被引入 到第二部分中。气体流和聚合物流体流的质量流动比通过用通过气体通 道的每小时每米的气体流公斤数除以通过气体通道的第二部分中所有 聚合物开口的每米每小时的聚合物流体流的公斤数来计算。
在更具体的实施方案中，每一个聚合物通道开口可以是具有定义为 四倍聚合物通道开口的横截面积除以聚合物通道开口内周长的水力直 径的狹缝，所述每一个聚合物通道开口的水力直径的范围在约0.001英 寸到约0.100英寸之间。聚合物膜通常具有不超过聚合物通道开口的水 力直径的聚合物膜厚度。 一旦离开聚合物通道开口聚合物流体可能膨 胀，例如，不囿于理论是由于离模膨胀现象。但是，聚合物流体膜厚度 几乎瞬间地变为小于或等于聚合物通道开口水力直径。
在本发明喷嘴的所述壁限定的气体通道几何形状的表征中，定义为 第 一部分中在第 一和第二壁之间的角的角平分线的第 一平分面，几何地 将第一部分分为体积大约相等的两个半部分，且定义为第二部分中在第 一和第二壁之间的角的角平分线的第二平分面，几何地将第二部分分为 体积大约相等的两个半部分。取决于本发明的实施方案，所述平分面可 以是平面或曲面，其可以通过本文的详细描述而变得清晰。在通常的实 施方案中，在第一部分中相对于第一平分面第一和第二壁的平分角在约 15度到约40度的范围内，且在气体通道的第二部分中相对于第二平分 面第 一和第二壁的平分角在约2度到约20度的范围内。
喷嘴的相对壁，在该位置聚合物被引入到气体通道中，可以进行控 制以致于它们在热性质上相似或不同。在一个实施方案中，气体通道的
第一和第二壁被加热到几乎相同的温度以相对于第一和第二平分面提 供对称的热状态。在可替代的实施方案中，相对壁的一个可以是热壁而 另一个壁则是冷壁，其中热壁的温度至少比冷壁的温度高例如5(TC,且 只有热壁具有至少一个聚合物流体通道开口。在这个构造中，微纤维可 以在降低生产过程复杂性和成本的热熔体/ "冷"气体(例如未加热的 空气)的原纤维化环境中制备。在这个实施方案中，第二部分中的热壁 以约1度~ 20度的角度扩张偏离第 一平分面，且第二部分中的冷壁以约
0.1度~约15度的角度向第一平分面收敛。热壁相对于第一平分面的扩 张角和冷壁相对于第一平分面的收敛角的比率可以为约1:1到约 500:1 。每一个聚合物通道的中心线和包含相应的聚合物通道开口的壁之 间的角度可以为约IO度到约100度。从每一个聚合物通道开口挤出的 聚合物膜可以与气体流一起沿着聚合物纤维化表面流动，其相对于第一 平分面具有从沿顺时针方向测量约90度到沿逆时针方向测量约45度的 方向角。相对于每一个聚合物通道开口聚合物纤维化表面的长度可以小 于相应的聚合物通道开口水力直径的约1000倍。
在另一个实施方案中，气体通道的第一和第二壁光滑地弯曲以使得 第 一部分的相对壁的曲率在气体通道的最小横截面积区域中以没有任 何尖锐边缘的方式光滑地过渡到第二部分中相对壁的曲率。气体通道第 二部分中的相对壁可以弯曲以使得从气体通道的第二部分内来看热壁 具有远离第二平分面弯曲的凸起形状而冷壁则具有朝向第二平分面弯 曲的凹下形状。在气体通道第二部分中热壁的曲率半径和冷壁的曲率半 径的比率范围为约1:10000 约100:1。气体流以约150千克每小时每米 约3500千克每小时每米的质量流动速率被引入到气体通道中。
在本文所描述的制备包含亚微米纤维的无纺纤维网的方法中使用 的喷嘴代表了本发明的另 一个实施方案。本发明的喷嘴装置不限定于任
乂i各种不同的聚:;勿材料之;独立地选择聚合物。具体而言:、原纤维化
气体是气态材料如空气、氮气、蒸汽等。所述气体可以使用其中的单个 类型的气体或使用不同气体的混合物。此外合适的气体可以包括反应性 气体或具有反应性组份的气体，或其混合物。在实施方案中，对喷嘴壁 材料气体通常可以是惰性的。对于本文目的，术语"喷嘴系统"和"喷 嘴，，是可以互换使用的。
本发明所提供的高质量微纤维以具有最小纤维缺陷的窄纤维尺寸 分布进行提供。从本发明的方法直接收集的粗无纺纤维网产品材料通常
可包括超过35%，特别是超过75%,且更更特别是超过99%的亚微米 纤维。纤维直径分布的标准偏差通常小于约0.5微米，特别是小于约0.3 微米。本发明也可以用于熔喷纤维范围内的微纤维的生产。本发明可应 用于各种聚合物材料。所述纤维可包含聚合物，例如选自聚烯烃、聚酉旨、 聚酰胺、可生物降解聚合物、聚氨酯、聚苯乙烯、醇酸树脂、聚羟基链 烷酸、粘合剂和可以制造纤维的其他化合物，及它们的组合。所述无纺 纤维网本身或与其他材料组合可以应用于各种制品中。所述无纺纤维网
可以用于，例如，过滤器、医用服装、医用清洁布、防潮建筑材料、绷 带、防护衣、电池隔膜、催化剂载体、尿布、训练短裤(trainingpants)、 成人用失禁垫、女性用品如女性护理垫和卫生垫、棉塞、个人清洁制品、 个人护理制品以及个人护理用毛巾如婴儿毛巾、脸部毛巾、身体毛巾和 女性毛巾及它们的组合中。
本发明的其他特点和优点通过下列的详细描述、附图和后附的权利 要求书可以变得非常清晰。
附图简述


图1是用于制造亚微米纤维的本发明的喷嘴系统的放大的普遍代表 性的截面图。
图2是根据用于制造亚微米纤维的本发明的实施方案，取自图12
所示具有单个聚合物熔体引入通道的喷嘴系统的说明性的实施方案的 120部分的截面图。
图3是根据用于制造亚微米纤维的本发明的另 一个实施方案的具有 多个聚合物熔体引入通道的喷嘴系统的说明性的实施方案的截面图。
图4是根据用于制造亚微米纤维的本发明的另一个实施方案，在下 游喷嘴部分包括在聚合物引入侧具有扩张壁和相对的收敛壁的喷嘴系 统:说明性实施方案的截面图。
图5是根据用于制造亚微米纤维的本发明的另一个实施方案的具有 弯曲壁表面的喷嘴系统的说明性实施方案的截面图。
图6是根据用于制造亚微米纤维的本发明的另 一个实施方案的包括 限定的冲击表面的喷嘴系统的说明性实施方案的截面图。
图7是根据图6的喷嘴系统的下游部分的放大的截面图。
图8是根据用于制造亚微米纤维的本发明的另一个实施方案，在上
方案的截面图。
图9是图8的喷嘴系统的可选择实施方案的截面图。
图10是用于制造亚微米纤维的本发明的另一个实施方案的喷嘴系
统的说明性实施方案的截面图。
图11是图10的喷嘴系统的可选择实施方案的截面图。
图12是图1的喷嘴系统的立体视图。
图13是图12的喷嘴顶面的俯视图。
图14是图12的喷嘴底面的俯视图。
图15是具有丸粒的微纤维的SEM显微照片(500 x )。
图16是具有很少或没有丸粒的微纤维的SEM显微照片(500 x )。
图中所示的特征并不必要按照比例绘制。除非另有说明，在不同图
中编号相同的要素代表相同的组件。
具体实施例方式
虽然本发明允许以各种形式的实施方案存在，但在图中所示的和稍 后描述的是本发明当下优选的实施方案，并应理解所作的公开应看作是 本发明的范例，而不应把本发明限定于特定的实施方案。
参见图1，描述了用于制造纤维的一般喷嘴系统800,并且作为例 子，图示了环形的轴对称的系统。气体在单元700被加压，气体流3从 此处被供应且进入具有通常收敛的几何形状的第一喷嘴部分8并流向和 通过过渡区域9，且然后在通过出口平面101离开喷嘴系统进入大气环 境900之前，气体流进入并在具有通常扩张的几何形状的第二喷嘴部分 10中膨胀。过渡区域9表示其中上游收敛部分过渡到下游扩张部分的喷 嘴的变狭窄的喉部分。过渡区域或喉部分包括喷嘴最小的横截面积。聚 合物熔体从聚合物挤出体(extrusion body) 801或其他的熔融聚合物源 进料给气体通道802或喷嘴800的内部。如标于图中的非限制性虚线804 -805所示，聚合物熔体可以被引入喷嘴800中的任何位置，只要满足 在喷嘴800的内加热壁表面803上提供聚合物膜，其被在气体通道802 中流动的气体流3沖击，有效将聚合物膜原纤维化为亚微米直径的纤维。
参见图2，根据本发明的实施方案图示了用于制造微纤维，且尤其 是以纤维网或垫形式包含亚微米直径纤维的无纺织物产品的喷嘴系统
1。示于图2的喷嘴系统1作为例子图示了对称的气体通道4。聚合物 流体流2沿着弯曲的、直的或其他合适几何形状的聚合物通道200被f I 入到喷嘴系统1中。假想的平分轴或平面7几何地平分第一部分8中的 相对壁51和61之间的空间，并也平分第二部分10中的相对壁5和6 之间的空间。可以理解，如果相对壁是直线型(即通常的平面)斜面， 那么平分线7是平面，而当相对壁弯曲以提供连续的同心表面时，那么 平分线7是纵轴。如果他们是相对倾斜的通常的平面壁，那么也提供连 接所述相对的倾斜壁(5、 6和51、 61)的空间分隔的直立的在前面和 在后面的侧壁，以有效的以流体密封方式完成对气体通道4的包围。例 如，在图2中示出了后侧壁43。相应的前侧壁是类似的，但为简化该 示例而没有示于图2中。
进一步参考图12，以显示后侧壁43和前侧壁44的方式图示了相 同的喷嘴系统1。壁43和44各自以流体密封的形式连接到模头组件121 和122的相对末端1210/1211和1221 / 1222,组件121和122包括上 述限定延伸通过喷嘴第一和第二部分的气体通道的相对壁。模头和末端 壁组件可以由例如聚合物、金属、陶资等材料制成，其可以通过例如模 制、铸造、机械加工等成型为合适的形状，且它们是可以耐受例如本文 所述的微纤维生产工艺条件的组件。在图12中，被相对壁所限定的堆 叠的(stacked)双漏斗形的位置和形状由在末端壁43和44的虛线来表 示以有助于图示，虽然可以理解末端壁43和44封闭了气体通道4和喷 嘴前和后相对末端。如图12所示，上喷嘴入口 41是分别限定在模头 121和122的上边缘510和610之间的空间。喷嘴出口 42是分别限定 在模头121和122的下边缘500和600之间的空间。
图13和14分别示出了被模头组件121和122限定的喷嘴入口开口 41和喷嘴出口开口 42的喷嘴入口横截面1001 (由图13中被限定在边 缘610和510之间的剖面区域表示)和喷嘴出口横截面1002 (由图14 中被限定在边缘500和600之间的剖面区域表示)。图13也示出了限 定在位于喷嘴入口 41和过渡区域9之间的相对壁位置1004和1005(由 点划线表示)之间的中间横截面1003。图14也示出了限定在位于喷嘴
过渡区域9和喷嘴出口 42之间的相对壁位置1007和1008 (由点划线 表示)之间的中间横截面1006。在图13和14中，在给定的图中不可
见的限定气体通道的模头边缘的位置通常以虚线标示。
如图所示，在入口 41并穿过中间面1003并进一步直到到达过渡区 域9之间在下游方向第 一 部分8的横截面积在减少，优选至少基本连续 地减少。在过渡区域9并穿过中间面1006并进一步直到到达喷嘴的出 口开口 42之间在下游方向第二部分10的横截面积在增加，优选至少基 本连续地增加。在具体的实施方案中，气体通道4的第一部分8从供应 端41到第一部分8的较低的排出端410 (即过渡区域9的起始处)具 有单调减少的横截面积1001，且气体通道4的第二部分IO从入口 420 或第二部分10的起始处(即过渡区域9较低的一端)到第二部分10 的出口端42具有单调增加的横截面积1002。这些标准也被用于本发明 下述的另外的实施方案中。
现在参考图3，多个聚合物流体流2也可以同时从给料到其它通道 4的多个对应的聚合物引入通道200a-d引入。聚合物流体流的数量不被 限定，除非受到给定的喷嘴结构的实际限制。加压气体流3被引入到气 体通道4中并沿方向30从上游喷嘴部分8通过过渡区域9流动到下游 喷嘴部分IO。第一和第二相对壁5、 6包含第一部分8和第二部分10。 在第一部分8中第一和第二相对壁5、 6向着过渡区域或喉部9收敛， 在喷嘴入口 41和喷嘴出口 42之间过渡区域或喉部9沿着假想平分面7 的法线方向测量为气体通道4最狭窄的横截面。这样喉部9连接第 一部 分8和第二部分IO并将气体从一个部分引导向另一个部分。在第二部 分10中，至少一个相对壁5或6扩张偏离平面7。在这个图例中，第 一部分8从入口 41到喉部9在气体流动方向30上在相对壁51和61 之间测量具有连续地逐渐减少的横截面积65。第二部分10从喉部9到 出口 42在气体流动方向30上在相对的5和6之间测量具有连续地逐渐 增加的横截面积66。这些横截面积65和66垂直于相对壁(即51、 61 或5、 6,视实际情况)之间的平面7在气体流动方向3测量。聚合物 流体流2在聚合物通道开口 20离开聚合物引入通道200或通道200a-d 并流到相对壁5和6上，且与高流速气体流3相混合，优选在气体通道 4的第二部分10中，生成膜ll，即聚合物熔体离开聚合物通道开口扩 展为膜形式的流体或均匀地展开的聚合物流体。所述一个膜或多个膜被
原纤维化以形成包含亚微米直径纤维的纤维12，在喷嘴系统1下面作
为纤维网或垫材料13收集。来自聚合物流体流2的原纤维化膜11的数 量可依赖于气体通道4中通道200a-d的位置而不同。在非限制性的实 施方案中，连续或离散的熔体丝或者熔体颗粒(例如由于来自通道200b 和200c的膜11的过多剪切作用)形式的原纤维化的聚合物熔体，可以 分别与来自通道200a和200d的原纤维化的聚合物熔体膜11合并。在 这样的实施方案中，如果聚合物流体流200b和200c分别与聚合物流体 流200a和200d是不同的聚合物类型，那么纤维网材料可以包含多组分 纤维，或更具体而言双组分纤维。在喷嘴系统的第二部分中在加热的扩 张支撑壁上引入聚合物熔体已被发现特别有利于在商业产量下生产高 质量、高含量亚微米纤维和相应的纤维网。进入气体通道4的聚合物通 道开口20可以具有椭圆、圆形、矩形或其他几何形状的截面。在每一 个相对表面/壁上，可以存在单个或多个的进入气体通道的聚合物通道 开口。在优选的实施方案中单个或多个开口在较热的一侧，聚合物熔体 侧(例如，见稍后十分详尽描述的图6)。
还是参见图3,发现制造高质量纤维的聚合物通道开口 20的位置 取决于使用的气体类型、喷嘴部分的几何形状和气体的压力。在一个优 选的实施方案中，进入气体的压力相对低，小于约10psi,挤出的聚合 物膜在第二下游部分10的上半部分(50%),表示为部分101，与气体结 合，其中聚合物熔体从气体通道200c挤出。发现在这种情况下下游第 二部分10的上半部分可以提供最佳的气体速度区域，其中熔膜原纤维 化十分有效地得以完成，得到高质量的微纤维产品。因此，在优选的实 施方案中在进入气体的压力超过约10 15psi时，挤出的聚合物膜在第 二下游部分10的较低的下游半部分(50%),表示为部分101以后所剩 的部分，与气体结合，其中聚合物熔体从气体通道200a挤出。随着气 体压力的增加，结合气体和聚合物流的优选位置向下游移动，即从通道 200c到通道200b到通道200d到为最高气体压力范围使用的200a。
取决于工艺条件如温度、收集器距离IOO等等，纤维网13,如图2~ 3所示，可以包括松散的纤维堆或纤维的自支撑的整体纤维网。纤维也 可以沉积在移动的基网上以形成附加层。收集从喷嘴系统1中喷出的纤 维可以以如下方式完成例如在带或基材下面的真空或其它手段的帮助 下收集到带或基材300上以保持纤维沉积在带或基材上直至进行进一
步加工。纤维收集结构可以是，例如网或带，穿过该网或带的真空可以 将纤维拉到该结构上。它还可以包括预先形成的纤维网。对本领域的专 业技术人员来说显而易见的是喷嘴系统能够通过极小的改动而基本上
成为狭槽设计或环形设计。虽然图2和3示出了具有基本上扁平和对称
的几何形状的喷嘴，但是这仅是为了简单的非限制性的图例目的而示出。
图4示出了喷嘴系统1更多的细节，且在这个图例中示出了具有被 较冷的第一相对壁5限定的较冷设备侧，和被较热的第二相对壁6限定 的包含聚合物熔体组件的较热的设备侧的系统。在第 一部分8中轴或平 面7几何地平分相对壁5和6之间的空间，这样也限定了收敛平分线或 半角cc。优选地，平分角oc在0.5到89.5度之间，更优选地在1到45 度之间，且最优选在15到40度之间。在一个实施方案中平分角oc是约 30度。在第二部分10中相对壁6扩张偏离轴或平面7,而第二部分IO 中气体通道4的沿着垂直气体流动方向30的方向测量的总横截面积 66,实际上仍在增长，以允许气体在通过喉部9后膨胀。相对较冷壁5 通常相对于轴或平面7以角度6收敛。角P从较热相对壁6到平分轴或 平面7测量得到，而角6则从轴或平面7到较冷的相对壁5测量得到。 因此，如果相对壁5与平分轴或平面7平行则角6为0，如果其收敛则 为负值，而如果其扩张则为正值。相对壁6具有扩张角P,其相对于轴 或平面7通常应该在从约l度到小于约90度之间，或优选为约2度到 小于约20度。在一个实施方案中这个扩张角是约15度。相对壁5具有 相对于轴或平面7应该小于约+45度的扩张角，但优选具有从约-45 度到约O度的收敛角。|3和6的和优选应为约0.1度到约30度。聚合 物被引导通过聚合物引入通道200并通过一个或多个聚合物通道开口 20进入气体通道4,并以膜、流束(rivulets)或中空管且优选膜的形式流 到聚合物纤维化表面63(也称作沖击表面)上。聚合物熔体通道200相对 于较热的相对壁6可以是不同的角度y ,可以是从垂直(90度)到几 乎平行(同向流动)于较热相对壁表面6(约5度)或以约170度逆流的 任何角度，但优选是10到100度。聚合物纤维化表面63存在于每一个 聚合物通道开口 20之下(气体流动的方向)且从聚合物熔体2引入之 前具有第二相对壁6的光滑的延续，且聚合物熔体在被气体流4纤维化 之前和期间流出于其上。如果聚合物纤维化表面不是第二相对较热壁6
的光滑的延续，那么其可以具有在聚合物流动方向上每一个聚合物通道 开口之下的聚合物纤维化表面和各自的聚合物通道2之间测量的角
(}),且小于约180度。在相对于聚合物通道具有(90 - y )度或更小的 角4)时(在Y小于90度的实施方案中)，聚合物纤维化面63将基本上 变为0。可替代的，聚合物纤维化表面63的方向可以相对于平分面或 轴7测量。当相对于平分面或轴7测量时，聚合物纤维化表面方向角在 从沿顺时针方向测量约90度到沿逆时针方向测量约45度的范围之内。 聚合物纤维化表面63的长度"5"对于具有很少的纤维缺陷如丸粒等 的良好纤维化过程是关键的，且应小于各聚合物通道开口 20的水力直 径的约1000倍，但优选小于各聚合物通道开口 20的水力直径的100 倍。这种构造实例的原因是相对壁6被加热以保持加压聚合物流2熔融 和流动。气体通道4的第二部分10中的加热壁6具有偏离中心的平分 轴7的小于45度的扩张角p,优选为约l到20度。气体通道4的第二 部分10中的与加热壁6相对的较冷的未加热壁5可具有从中心轴7计 算小于30度的收敛角6，特别是为约0.1到15度。气体通道4的第二
部分io中的相对壁6和5各自的扩张角p和收敛角e的比值p / e的
范围在1:1到500:1之间。喉部9的横截面内部几何形状可以是，例如 矩形(若相对壁是斜面)(例如见图2),或可替代地可以是圆形的(若
一个实施方案中，气体通道4包括位于壁5和6之间的环形横截面空 间。图4中的壁显示威是倾斜的、平的和平面的，但是在不同部分中所 述壁可以是弯曲的。这对于壁5和6可以在第一或第二或喉部部分或它 们的组合中实现。具体的非限制性的实施方案将在下面的描述中提出。 参见图5，在喷嘴系统1的另一个实施方案中，气体通道4的第二 部分10中的相对壁6和5是弯曲的。弯曲的部分可以具有约0.004英 寸到约2英寸的垂直尺寸，且熔体通道200可以具有约0.001英寸到 0.100英寸的水力直径。气体通道4的第二部分10中的较热壁6的曲率 半径n和较冷壁的曲率半径r2的比r!/r2可以在1:10000到约100:1的范 围之内。
参见图6，在喷嘴系统1的另一个实施方案中，加热壁6的几何形 状与上面图5中所描述的类似。但是，在这个实施方案中，气体通道4 的喉部9具有与图2~4中的实施方案相比更长的长度。与加热壁6相
对的壁5以典型的约0.1度到约15度的角度6朝平分轴或平面7收敛。 加热壁6以典型的约1到约20度的角度P扩张偏离平面7。如图7清 楚所示，聚合物流体流2通过一个或多个开口 20进入气体通道4的第 二部分IO,且沿着相对于第二较热壁6可以为约IO到约170度，但典 型的为约30到约150度，特别是约60到约95度的角y方向。如图所 示，加热壁16包括直接位于聚合物引入通道2下面的尖端部分65。该 整体尖端部分65具有小于约0.050英寸，更优选小于约0.010英寸的聚 合物纤维化表面长度。弯曲部分64直接位于尖端部分65的下方，沿下 游方向30弯曲偏离中心轴7,且与加热壁相对的壁5沿其壁部分151
来与平面7成90+ 6的角度。弯曲的部分64在其上端限定尖端部分65 并且还帮助防止在气体通道4内聚合物引入通道2俯近发生气体混乱
(gas disruption)。尖端部分65增强了亚微米纤维形成。在这个图例 中，尖端部分65具有面向气体通道4的侧面63,其可以基本上平坦的 并限定聚合物纤维化长度5 。当角度y、 (3和oc不在本文所描述的范围 内时，所述方法可能受到不利的影响。例如，其可能不利地影响纤维化、 纤维尺寸并增加不希望的丸粒的形成。作为非限制的图例，尖端部分 65可以具有约0.00S0.050英寸的垂直长度或冲击击长度S,弯曲部分 64可以具有约0.040-0.100英寸或更大的垂直尺寸，且熔体通道2可以 具有约0.001-约0.010英寸优选0.002-约0.008英寸的水力直径。
参见图8-9,这些喷嘴1的可替换的结构的气体通道4的第一和 第二壁(5、 6和51、 61 )光滑地弯曲以使得在这个图例中，第一部分 8中的相对壁5、 6的曲率在气体通道4的过渡区域9中以没有任何尖 锐边缘的方式光滑地过渡到其中聚合物2被引入的第二部分10的相对 壁51、 61的曲率。气体通道4的第二部分10中的相对壁被弯曲以使得 从气体通道4第二部分10内观察，热壁6具有弯曲偏离曲线平分面7 的凸起的形状且冷壁5具有朝向曲线平分面7弯曲的凹下的形状。气体 通道4的第二部分10中热壁6的曲率半径和冷壁5的曲率半径的比的 范围在约1:10000到约100:1之间，特别是约1: 4-约l: 1，更特别是 约1: 2 -约1: 1。在第一第二部分8中第一和第二壁51、 61的曲率半 径可以是气体通道4的第二部分10中第一和第二壁5、 6长度的约1%
-约1000%。每一个聚合物引入开口 20尤其地可以位于第二部分10
中的热壁6中。每一个聚合物开口 20也可以位于在气体通道4的第二 部分10中热壁6曲线长度的约20%到约80%之间。聚合物膜可以通过 每一个聚合物开口 20被挤入第二部分10中，聚合物开口 20相对于气 体通道4的第二部分10中热壁6的切线呈约20度到约160度的角度。
参见图10-11,这些喷嘴1的可替代的结构的气体通道4的第一 和第二壁(5、 6和51、 61)是倾斜的和平面的，且在这个图例中过渡 区域9是位于上游部分8和下游部分10 (其中聚合物2被引入)之间 的不对称的弯曲构型。
用来实践本文所描述的方法的喷嘴装置可以构造为可装配在常规 模套(die bodies)上的夹头(cartridge)。常规模套可以变化。但是， 可以根据工业标准设备实践将具有本发明喷嘴的夹头安装到模套上。例 如，可采用常规螺栓设置和平整的/成型的表面把带有所述喷嘴的模头 安装到模套上。如果需要垫圈或密封装置，那么沟槽应该开于模头的上 部和/或针对每个具体模套限定位置。例如，本发明的喷嘴系统可以调 整以适应冲示〉焦丈容纺i殳备，侈'J^口由诸3口 Reinfenhauser、 Ason曙Neumag、 LurgiZimmer、 Accurate Products 、 Nordson和Impianti等供应商供应的 设备的较低的挤出体(extrusion body)。加压气体在常规或商业设备中 可以通过与挤出机体(extruder bodies)相结合4吏用的气体歧管将压缩 气体供给喷嘴系统或通过另 一个压缩气体源通过气密流体管和连接器 统送入喷嘴入口来将压缩气体供给喷嘴系统。
为使用上面说明的喷嘴系统和支持设备来完成本发明的方法，聚合 物通常被加热直到其变成液体并可以容易地流动。如图中所示，聚合物 熔体通过开口 20被引入到喷嘴系统1的气体通道4的第二部分10中， 且当其沿着位于开口 20下面的壁表面6流下时生成膜，如前面所描述 的那样。为形成聚合物熔体，聚合物要被充分加热以得到熔融的聚合物 流。举例而言并且是非限制性的，熔融的聚合物在喷嘴中的纤维化点可 以具有为小于30Pa.s,特别是小于20Pa.s的正数数值且可以在0.1到 20Pa.s,特别是0.2~ l5的粘度。这些粘度在从约100到约100000每秒 的剪切速率下给出(24(TC)。在其从聚合物模头的缝隙中被挤出并被 引入喷嘴设备的气体通道之时熔融的聚合物通常处于超过大气压力的 压力之下。
用来提供聚合物熔体的起始聚合物材料的合适的和最佳的熔体流
动性质而变化。在具有接近_ 1 8 °C的玻璃化转变温度的聚丙烯的情况
下，合适的熔体流动速率可以是例如从约35到大于2000分克每分钟， 优选不大于1800。熔体流动速率使用ASTM方法D-1238测量。如果所 使用的聚合物材料是聚丙烯，它可以具有例如从约2.0到约4.0的多分 散指数(PDI)。对于本发明的目的，PDI是对给定聚合物样品的分子 量分布的度量，其中计算的PDI等于重均分子量除以数均分子量。
在本发明的方法和设备中聚合物产量将主要取决于所使用的具体 聚合物、喷嘴的设计和聚合物的温度和压力。喷嘴系统1的总的聚合物 产量超过约1Kg/hr/m,特别是可以在从1到200Kg/hr/m的范围内，更 特别是10到200Kg/hr/m，且最特别是25到70Kg/hr/m。对每个喷丝孔 而言，聚合物产量可超过约1，特别是超过约50，且更特别是超过约 1000克每分钟每孔。几个引入缝隙或孔可以同时操作以增加总的产 量。总产量连同压力、温度和速率都在模头喷丝孔的出口进行测量。还 可以使用气帘或其他辅助性气体流来影响亚微米纤维从两个或更多的 喷嘴的喷射图案。这种气体流或气帘可以有助于保护相邻的喷嘴之间喷 撒物的形成或可以有助于压缩喷射图案。气帘或气体流可以提高纤维网 的均匀性。
本发明的喷嘴系统不被限于任何特殊类型的聚合物材料并允许为 了具体的产品应用而独立的从多种聚合物材料之中选择聚合物。用于制 造本发明的纤维网的合适的聚合物材料是那些能够使用本发明的喷嘴 被原纤维化为微纤维的聚合物。这些聚合物包括，但不限定于选自由聚 烯烃、聚酯、聚酰胺、可生物降解聚合物、聚氨酯、聚苯乙烯、醇酸树 脂、聚羟基链烷酸、粘合剂或其他可制造纤维的化合物及它们的组合所 组成的组中的聚合物。聚合物材料的具体例子是，例如聚丙烯。聚合物 可以进一步的选自均聚物、共聚物和复合物(conjugates)并可以包括 具有加入的熔融添加剂或表面活性剂或颜料的那些聚合物。通过使用图 示于图3的多个聚合物通道200a-d可以同时使用一种以上的聚合物类 型。在这样的实施方案中，如前所述，可制备包含多组分亚微米纤维的 纤维网13。
气态流体可以在低于聚合物熔体温度的温度下引入喷嘴系统，且特 别是低于100°C,更特别是低于5(TC,或在室温下(例如约3(TC或更
低)。气态流体也可以被加热，虽然对本发明的方法这并不需要。纤维 化气态流体的非限制性的实例是如空气、氮气、蒸汽等的气体。其它合 适的气体可以包括反应性气体或具有反应性组分的气体或他们的组 合。纤维化(即原纤维化)气态流体的压力是足以吹制亚微米纤维的正 压并且可以稍稍高于熔融的聚合物当它从其被引入喷嘴系统的气体通
道的缝隙中被挤出时的压力。纤维化气态流体通常具有低于1000psi的 压力，特别是小于訓psi,更特别是约15psi到约80psi。所使用的气体 流动速率足以以足够的原纤维化速率剪切聚合物膜。通过喷嘴系统的气 体流动速率通常在150千克每小时每米到约3500千克每小时每米，特 别是600到2000千克每小时每米，更特别是1000到1800千克每小时 每米。对于气体质量通量，以单位时间单位面积流过的气体单位质量计 算，取决于在喉部9中相对壁5和6之间的分离程度和所使用的气体流 动速率，气体流动的范围在约15Kg/s/n^到约1500Kg/s/n^之间。对于 本发明的目的，喷嘴1的过渡区域9的横截面积通常被用来计算气体质 量通量。
作为本发明的一个益处，增加的亚微米纤维产量可以在较低的气体 需求下获得，这使得降低能耗和/或使用较小规模的单元操作但仍旧提 供商业意义的亚微米纤维产量水平变得可行。在一个实施方案中，气体 流和聚合物流体流在气体流/聚合物流体流质量流动速率比通常小于 约40:1,特别是小于约30:1，更特别是小于约15:1下被引入到第二部分 中。在一个实施方案中，气体流与聚合物流体流的质量流量比可以甚至 小于10:1。气体流与聚合物流体流的质量流量比作为通过气体通道的每 小时每米的气体流千克数与通过第二部分中所有的聚合物开口的每小
时每米的聚合物流体流千克数的比来计算。等同地，气体流与聚合物流 体流质量通量比小于约20:1，更优选小于约10: 1,且最优选小于约7: 1 。气体流/聚合物流体流质量通量比作为通过气体通道的气体质量通 量Kg/s/m2和流过气体通道的第二部分的所有聚合物开口的聚合物流体 质量通量Kg/s/n^的比来计算。因此，通过在更有效的更低成本的方法 以商业上可行的产量提供高质量微纤维或亚微米纤维网，提供了改进的 性能。除其他优点之外，因为在纤维制备过程中防止了聚合物回流和/ 或聚集在气体侧，所以该方法更有效。因为纤维网甚至在亚微米纤维尺 寸都具有很好的均匀性并具有更少的纤维和纤维网缺陷，所以所制备的
产品网或垫是高质量的。
本发明提供在窄纤维尺寸分布之内具有最少的纤维缺陷的高质量 微纤维。为本发明目的，"高质量"纤维定义为以具有最少的如丸粒和 尘粒的纤维缺陷处于窄纤维直径分布下的亚微米纤维为主。"丸粒"定 义为非纤维化的离散的、大致为球形或椭球形或其混合型的聚合物块，
所述离散块的最大尺度为10到500微米。作为非限制性图例，图15
是示出用标准的纤维制造设备和工艺条件制造的具有丸粒的微纤维的
代表性图(500 x )。丸粒在由微纤维形成的纤维网中产生并留下大量 的孔和其他缺陷。图16是示出用根据本发明的实施方案操作的喷嘴系 统制造的具有很少或没有丸粒的微纤维的代表性图(500 x )。在图16 所示的纤维纤维网中提供了很好的纤维分布并得到了更有效的聚合物 -纤维和纤维网质量转化。"尘粒"是另一种纤维缺陷，其中聚合物被 不受控制地或过度地剪切为具有小于10微米最大尺寸的大致球形的或 椭球形的或其混合型的聚合物块。非期望的低质量的纤维可能具有过度 的纤维直径范围，或含有大量的尘粒或大量的丸粒。特别低质量的纤维 或纤维化作用可以包含大丸粒，典型的是直径大于40微米，其中该粒 块具有足够的动量和热能(即温度)穿透无纺纤维网的整个厚度而在其 中形成明显的"针洞"缺陷，其在纤维网放大检查时(即大于io倍或 10 x )可以被很容易的目视检出。因此，通过高质量纤维化制造的纤维 网和纤维具有很窄的纤维直径分布，没有或仅具有很小数量的平均每平 方毫米IO个以下的颗粒，没有或具有小数量的平均每平方毫米10个以 下的丸粒，和没有或具有可忽略的数量的穿透和产生针孔型的丸粒。这 些检测和评价可以使用放大倍数为10x或优选为100 x (用于丸粒)的 光学显微镜，和使用扫描电镜照片(用于尘粒和丸粒)完成。为测定平 均值，需要从生产条件或选择的生产时间取出至少10或优选超过20 个样品并以这种方式评价尘粒和丸粒。
根据本发明生产的纤维网可以包括显示出 一个或多个纤维直径的 纤维。纤维直径可以从亚微米纤维直径到微纤维直径。对于本发明目 的，"纤维直径，，通过SEM由图像分析而得到的。虽然并不限制于此， 但是平均纤维直径可以是，例如约0.1到约1微米，特别是约0.1到约 0.9微米，且更特别是约0.3到约0.6微米。直接从本发明的方法收集的 未经加工无纺纤维网产品材料通常可包含超过35%,特别是超过75
%,更特别是超过95%,最特别是超过99%的亚微米纤维。纤维直径 分布的标准偏差通常可以小于约0.5微米，特别是小于约0.3微米。进 一步的，本发明的无纺织物可以展示出从很轻到很重的基重。例如，但 不作为限制，织物可以具有小于约5克每平方米(gsm)的基重到织物 具有大于约200gsm的基重。在特定实施方案中，包含在所说明的亚微 米纤维范围内的纤维的无纺产品纤维网具有从约0.01到200gsm,特别 是从约0.1到约50gsm的基重。无纺纤维网产品的基重可以因预想的纤 维网用途而不同。对一些轻重量的应用，取决于无纺纤维网的用途，亚 微米纤维层的基重可以是，例如，小于约10gsm。形成几个重叠层的纤 维网可能是理想的。亚微米纤维层可以和一层、两层或更多层相同或不 同的层组合。复合纤维网可包括，例如粘纺层/亚微米纤维层/粘纺层 三组件结构。另一个复合纤维网的实例可包括粘纺层/1-10微米纤维 熔喷层/亚微米熔膜原纤维化纤维层/粘纺层结构。总复合纤维网的基 重的范围可以是例如从约5gsm到约200或更多gsm，但可因组合在一 起的层的数量和类型而变化。
可通过几个方法测量。除了上述的丸粒和尘粒率以外，均勻性衡量标准 的其他实例包括低孔径变化系数、基重、空气渗透性和/或不透明性。 均匀性也可以表示缺乏纤维束(bundles)或股(roping),或可见的孔 洞，或其它此类缺陷。均匀性也可以通过纤维网的压头(hydrohead) 或其他液体阻挡层测试来表征。孔径可以通过本领域技术人员已知的方 法来测定。亚微米纤维层的平均孔径可以小于约15微米。所期望的均 匀纤维网的变化系数可以小于20%。缺乏股可以通过计算在纤维网检 测面积内纤维的股或束的数目来测定；连带评估丸粒和尘粒是最佳方 式。缺乏孔洞也可以通过在纤维网的检测面积内计算具有高于某个界限 的直径的孔洞的个数来测定。可以使用具有10-100 x放大倍数的光学 显微镜，或扫描电镜或其他放大装置。例如，若通过使用灯箱(light box)孔洞在肉眼下可见，或孔洞具有大于IOO微米的直径，则可以计 数孔洞数目。
本发明可以使用许多种聚合物材料且无纺纤维网自身或与其他材 料组合可以应用于各种制品中。根据本发明制备的无纺织物可以包括一 层或多层纤维层以及织物、纤维织品(scrims)、薄膜及它们的组合，
且可以用于制造其中可以使用无纺织物的各种家庭清洁、个人卫生、医 用以及其他终端产品。所述无纺纤维网可以用于，例如气体或液体过滤
器、医用服装、医用清洁布、防潮建筑材料、尿布、训练短裤(training pants)、成人用失禁垫、女性用品如女性护理垫和卫生垫、棉塞、个 人清洁制品、个人护理制品以及个人护理用毛巾如婴儿毛巾、脸部毛 巾、身体毛巾和女用毛巾，及其组合。此外，所述织物还可以被用作医 用纱布或类似的吸收性外科材料，用于吸收伤口渗出物并辅助去除外科 手术部位的渗流物。其他的终端用途包括用于医疗、工业、汽车、家庭 护理、饮食服务和绘画艺术品市场的湿或干卫生、抗微生物或硬表面抹 布，其可以容易地采用手持进行清洁等等。
本发明的无纺织物也可以包括这样的结构中，所述结构适用于医用 或工业用保护服装，如手术服、消毒盖布、衬衣、中厚面料(bottom weights)、实验服、口罩等等，和适用于保护罩，包括用于交通工具如 轿车、卡车、船舶、飞机、摩托车、自行车、高尔夫球车的保护罩，以 及用于经常留在室外的如烧烤架、院子和花园设备的设备保护罩，如割 草机和旋转耕扭机(roto - tillers )、草碎用具、地面覆盖物(floor coverings)、桌布和野餐罩。在特定实施方案中，无纺织物被用于选自 绷带、尿布、训练短裤、成人用失禁垫、女性用品如女性护理垫和卫生 塾、棉塞、个人清洁制品、个人护理制品以及个人护理毛巾如婴儿毛巾、 脸部毛巾、身体毛巾和女性毛巾，及其组合所组成的组中的制品中。无 纺织物也可以用于床上用品中，包括床垫保护罩、盖被(comforters )、 棉被、羽绒被罩和床单等。此外，声学应用，如汽车的内部和外部组件、 地毯底布、隔音和吸音用具和机器包装，和墙壁覆盖物。所述无纺织物 可进一步有利地用于不同的过滤用途，包括袋滤捕尘室、plus pool、和 温泉(spa)过滤器。所述无纺织物也可以用于其它应用，如电池隔膜，或 作为试剂/颗粒载体(如催化剂载体)。
取决于无纺织物的所期望的最终应用，特定的添加剂可纟皮直^l妻加入 聚合物熔体或在纤维网生成后施加。合适的非限制性的此类添加剂的实 例包括吸收增强或阻止剂，UV稳定剂，阻燃剂，染料和颜料，香料， 皮肤保护剂，表面活性剂，水性或非水性功能性工业溶剂如植物油、动 物油、碎类化合物、硅油、矿物油、石蜡油、石蜡族溶剂、聚丁烯、聚 异丁烯、聚oc烯烃及其混合物，曱苯类，螯合剂，防腐蚀剂，研磨剂，
石油馏出物，脱脂剂，及它们的组合。其它的添加剂包括抗微生物组合 物，包括但不限于碘类、醇类如乙醇或丙醇，生物杀灭剂，研磨剂，金 属材料如金属氧化物、金属盐、金属配合物、金属合金或其混合物，抑 菌复合物，杀菌复合物，及它们的组合。
除非另有说明否则，本文所描述的所有数量、份数、比率和百分比 均以重量计算。下列的非限制性的实施例进一 步说明本发明。
实施例
使用挤出机(直径2.5英寸，单螺杆挤出机)和常规熔喷模套(25 英寸宽)来提供1800 MFR聚丙烯源。挤出机温度是650。F。 一般地具 有图4的结构的喷嘴在喷嘴装置的上平坦表面区域使用常用的垫压螺栓 架(gasketed bolt mount)装配到常规挤出机模套上。压缩空气源通过气 密的连接和密封装置从空气供应设备通入喷嘴的入口 。喷嘴具有下述的 几何特征(使用图4作为非限制性的实例)在喉部9中相对壁5和6 之间最小距离是0.016英寸；冷壁以-1.5度的角6朝向平分面7收敛； 热壁以2度的角(3扩张偏离平分面7;聚合物通道在第二部分的第二下 游半部分进入第二部分且具有约0.008英寸的水力直径且以与热壁6成 约32度的角y取向；聚合物纤维化表面长度5几乎为0。收敛部分8具 有约0.090英寸的垂直长度和约30度的平分角oc 。喉部9具有约0.010 英寸的垂直长度，且扩张部分10具有约0.200英寸的垂直长度。加压的 空气以300scfm (标准立方英尺每分钟)的流动速率和80。F的空气温度 被引入喷嘴的入口端(收敛部分)。收集并检测无纺纤维网产品，其表 明其具有下列的产品特性17.2gsm总纺粘层/亚微米纤维层/纺粘层 结构基重；产自本发明的喷嘴设备的纤维含量估计为约15% (2.7gsm); 亚微米纤维层中纤维的平均直径0.45微米；标准偏差0.15;标准偏 差/平均亚微米纤维直径分布的比值=0.33;且纤维直径范围0.1 ~ 0.85 微米。
从前述可知，可以发现在不偏离本发明的新颖概念的真实精神和范 围的情况下可以作出大量的修改和^f奮正。可以理解不应相对于本文所i兌 明的特殊实施方案作任何限制。通过所附的权利要求书，本公开希望覆 盖落入权利要求书范围的所有此类修改。
权利要求
1.制造无纺纤维网的方法，包括加压的气体流，该加压的气体流在限定在第一和第二相对壁之间的气体通道内流动，其中至少一个所述相对壁是加热的；所述气体通道包括气体从供应端进入其中的第一上游部分、过渡区域和其中气体流到出口端的第二下游部分，其中过渡区域流体地将第一部分连接到第二部分，且气体通道结束于第二部分的出口端，且其中所述气体通道的第一部分从供应端到过渡区域具有减少的横截面积，并且所述气体通道的第二部分从过渡区域到第二部分的出口端具有增加的横截面积；至少一个聚合物流体流，该聚合物流体流流过至少一个有界限的聚合物通道，所述聚合物通道结束于所述相对加热壁的至少一个中的至少一个开口，其中每一个聚合物流体流从每一个所述开口以膜的形式挤出；和每一个挤出的聚合物膜与气体流结合并且聚合物膜被原纤维化以生成包含亚微米直径纤维的纤维，从所述气体通道的第二部分的出口端离开。
2. 权利要求1的方法，其中气体流以约150千克每小时每米到约 3500千克每小时每米的质量流动速率被引入气体通道。
3. 权利要求1的方法，其中气体流和聚合物流体流以气体流/聚 合物流体流质量流动速率比小于约40:1被引入。
4. 权利要求1的方法，其中在气体通道入口气体流温度小于50。C。
5. 权利要求l的方法，其中无纺纤维网材料包含大于35%的亚微 米直径纤维。
6. 权利要求l的无纺纤维网，其中纤维直径分布的标准偏差小于 约0.5微米。
7. 权利要求1的无纺纤维网，其中纤维直径分布的标准偏差小于 约0.3微米。
8. 权利要求1的方法，其中纤维包含选自由聚烯烃、聚酯、聚酰 胺、生物可降解聚合物、聚氨酯、聚苯乙烯、醇酸树脂、聚羟基链烷酸 及它们的组合所组成的组的聚合物。
9. 制造无纺纤维网的方法，包括加压的气体流，该加压的气体流在限定在第 一和第二相对壁之间的 气体通道内流动，其中至少一个所述相对壁是加热的；所述气体通道包括气体从供应端进入其中的第一上游部分、过渡区 域和其中气体流到出口端的第二下游部分，其中过渡区域流体地将第一部分连接到第二部分，且气体通道结束于第二部分的出口端，且其中所 述气体通道的第 一部分从供应端到过渡区域具有单调减少的横截面 积，并且所述气体通道的第二部分从过渡区域到第二部分的出口端具有 单调增加的一黄截面积；至少一个聚合物流体流，该聚合物流体流流过至少一个有界限的聚 合物通道，所述聚合物通道结束于所述相对加热壁的至少一个中的至少 一个开口 ，其中每一个聚合物流体流从每一个所述开口以膜的形式挤出；和每一个挤出的聚合物膜在气体通道的第二部分中与气体流结合，并 且聚合物膜被原纤维化以生成包含亚微米纤维的纤维，从所述气体通道 的第二部分的出口端离开。
10. 权利要求9的方法，其中每一个聚合物通道开口是具有定义为 四倍的聚合物通道开口横截面积除以聚合物通道开口内周长的水力直 径的狭缝，所述每一个聚合物通道开口的水力直径为约0.001英寸到约 0.100英寸。
11. 权利要求10的方法，其中聚合物膜具有不超过聚合物通道开 口的水力直径的聚合物膜厚度。
12. 权利要求11的方法，其中定义为第一和第二壁之间的角度的 角平分线的第一平分面几何地将第一部分分为两个体积大约相等的的 半部分，且定义为第一和第二壁之间的角度的角平分线的第二平分面几 何地将第二部分分为两个体积大约相等的半部分。
13. 权利要求12的方法，其中在第一部分中相对于第一平分面第 一和第二壁平分角的范围是约15到约40度，且其中在气体通道的第二 部分中相对于第二平分面第一和第二壁平分角的范围是约2到约20 度。 .
14. 权利要求13的方法，其中气体通道的第一和第二壁被加热到 大约相同的温度以提供相对于第一和第二平分面对称的热状态。
15. 权利要求14的方法，其中只有一个聚合物膜在至少一个相对 的加热壁上生成，且聚合物膜从其中挤出的每一个聚合物通道开口都位 于第二部分的上半部分，该第二部分的上半部分相对于在过渡区域和第 二部分的出口端之间延伸的包含聚合物通道的加热壁的长度确定。
16. 权利要求15的方法，其中气体通道的第一和第二壁光滑地弯 曲从而第一部分中相对壁的曲率在气体通道的过渡区域中以没有任何 尖锐边缘的方式光滑地过渡到第二部分中相对壁的曲率。
17. 权利要求ll的方法，其中相对壁中的一个是热壁且另一个壁 是冷壁，其中热壁的温度至少比冷壁的温度高5(TC,且只有热壁具有至 少一个聚合物流体通道开口 。
18. 权利要求17的方法，其中在第一部分中相对于第一平分面第 一和第二壁的平分角的范围在约15到约40度。
19. 权利要求18的方法，其中在第二部分中热壁以范围在约1度 到20度的角度扩张偏离第一平分面，且在第二部分中冷壁以范围在约 0.1度到约15度的角度朝第一平分面收敛。
20. 权利要求19的方法，其中相对于第一平分面热壁的扩张角和 相对于第一平分面冷壁的收敛角之间的比率为约1:1到约500:1。
21. 权利要求9的方法，其中每一个聚合物通道的中心线和包含相 应聚合物通道开口的壁之间的角度为约IO度到约100度。
22. 权利要求21的方法，其中从每一个聚合物通道开口挤出的聚 合物膜与气体流沿着聚合物纤维化表面流动，其相对于第 一平分面具有 从沿顺时针方向测量约90度到沿逆时针方向测量约45度的方向角。
23. 权利要求22的方法，其中对应于每一个聚合物通道开口的聚 合物纤维化表面的长度小于约1000倍的相应聚合物通道开口的水力直 径。
24. 权利要求23的方法，其中气体通道的第一和第二壁光滑地弯 曲从而第一部分中相对壁的曲率在气体通道的过渡区域中以没有任何 尖锐边缘的方式光滑地过渡到第二部分中相对壁的曲率。
25. 权利要求24的方法，其中气体通道的第二部分中相对壁如此 弯曲以使得从气体通道的第二部分内观察热壁具有远离第二平分面弯 曲的凸起形状而冷壁具有朝向第二平分面弯曲的凹下形状。
26. 权利要求19的方法，其中气体通道第二部分中热壁的曲率半径和冷壁的曲率半径之比为约1:10000到约100:1。
27. 权利要求ll的方法，其中无纺纤维网包含大于99%的直径小 于约1微米的纤维。
28. 权利要求11的方法，其中气体流以约150千克每小时每米到 约3500千克每小时每米的质量流动速率引入气体通道。
29. 权利要求ll的方法，其中气体流和聚合物流体流以气体流/ 聚合物流体流质量流动速率比小于约40:1引入第二部分。
30. 权利要求ll的方法，其中气体通道入口处气体流温度小于50。C。
31. 权利要求ll的方法，其中无纺纤维网材料包含多于35%的亚微米纤维。
32. 权利要求11的方法，进一步包括提供多种不同的聚合物材 料，作为流过独立的有界限的结束于至少一个所述相对加热壁中的开口 的聚合物通道的不同聚合物流体流，其中所述不同聚合物流体流从每一 个所述的开口以膜形式挤出，其中无纺纤维网材料包含多组分纤维。
33. 权利要求9的方法的无纺纤维网产品。
34. 权利要求9的方法的无纺纤维网产品，其中纤维直径分布的标 准偏差小于约0.5微米。
35. 权利要求9的方法的无纺纤维网产品，其中纤维直径分布的标 准偏差小于约0.3微米。
36. 权利要求9的方法的无纺纤维网产品，其中纤维包含由选自由 聚烯烃、聚酯、聚酰胺、生物可降解聚合物、聚氨酯、聚苯乙烯、醇酸 树脂、聚羟基链烷酸及其组合所组成的组的聚合物。
37. 包含权利要求33的无纺纤维网产品的制品。
38. 权利要求37的制品，其中所述制品选自由过滤器、医用服装、 医用清洁布、防潮建筑材料、绷带、防护衣、电池隔膜、催化剂载体、 尿布、训练短裤、成人用失禁垫、女性用品如女性护理垫和卫生垫、棉 塞、个人清洁制品、个人护理制品以及个人护理用毛巾如婴儿毛巾、脸 部毛巾、身体毛巾和女性毛巾及它们的组合所组成的组中。
39. 生产亚微米尺寸纤维的设备，包括限定气体通道的其中至少一个壁可加热的第 一和第二相对壁，其中 所述气体通道被用来从加压气体源接收加压的气体并将加压气体作为气体流在喷嘴内沿从上游到下游的方向传送，其中所述气体通道包括气 体从供应端进入其中的第一上游部分、过渡区域和其中气体流到出口端 的第二下游部分，其中过渡区域流体地将第一部分连接到第二部分，且 气体通道结束于第二部分的出口端，且其中所述气体通道的第一部分从 供应端到过渡区域具有减少的横截面积，并且所述气体通道的第二部分从过渡区域到第二部分的出口端具有增加的横截面积；至少一个有界限的聚合物通道，用以从聚合物挤出机接收熔融的聚 合物且将熔融的聚合物作为至少 一个可流动的聚合物流体流传送至气 体通道中的至少一个所述加热壁，其中聚合物通道结束于至少一个所述 的相对可加热壁中的至少一个开口 ，其中每一个所述开口用以以膜的形 式挤出聚合物流体流到可加热壁上，其中所述膜可与气体通道的气体流 结合以原纤维化聚合物膜以形成包含亚微米纤维的纤维，从所述气体通 道的第二部分的出口端流出。
40. 权利要求39的喷嘴，其中聚合物膜从其中挤出的所述至少一 个聚合物通道开口位于气体通道的第二部分。
41. 权利要求39的喷嘴，其中聚合物膜从其中挤出的所述至少一 个聚合物通道开口位于第二部分的较低的下游半部分，该第二部分的较 低的下游半部分相对于在过渡区域和第二部分的出口端之间延伸的包 含聚合物通道的加热壁的长度确定。
全文摘要
本发明涉及制备亚微米纤维的方法和设备，更确切地是通过聚合物膜的原纤维化形成亚微米纤维的方法和设备，包括至少一个以膜的形式挤出的聚合物流体流，该聚合物流体流流过至少一个有界限的聚合物通道，并与加压气体流结合，该加压气体流在限定在第一和第二相对壁之间的气体通道内流动以随后将聚合物膜原纤维化成亚微米纤维，以及涉及引入它们的无纺材料和制品。
文档编号D01D5/42GK101182652SQ20071018118
公开日2008年5月21日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年10月18日
发明者M·H·约翰逊, M·W·哈耶斯, O·E·A·伊塞勒, R·奇哈布拉, S·艾多雷, T·克劳塞, 晗 徐 申请人:聚合物集团公司