使有机纤维和无机纤维结合为整体的方法和装置的制作方法

专利名称：使有机纤维和无机纤维结合为整体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域和工业应用性本发明涉及纤维产品的制造，该纤维产品用作绝热和隔声材料及结构模制介质。尤其是，本发明涉及含有无机纤维和有机纤维，如聚合物纤维的纤维产品的制造工艺，为了获得有益的产品性能而使不同的纤维相互成为整体。
将有机材料涂在无机纤维上可采用几种形式。连续的无机纤维可穿过一液槽或一涂敷装置，比如在使连续纤维定型的过程中，将一涂层涂到纤维上。另外，有机材料可喷射到无机纤维上。这种方法在隔离产品制造中普遍使用，在该方法中包括一旋转工艺，其中无机纤维的圆柱形幕与苯酚／甲醛粘结剂射流相遇。
将已有技术中的含水有机粘结剂涂覆到无机纤维圆柱形幕时存在的一个问题是，在液体粘结剂液滴与幕中的无机纤维接触之前，往往会有一部分粘结剂挥发掉。这个问题在需要将粘结剂相对靠近纤化器进行涂覆时会更加严重，在此热的环境尤其会使一些粘结剂液滴在与玻璃纤维接触前就已挥发。挥发的粘结剂材料成为工艺排出的废气流中的污染物，为了避免污染必须加以清除。另外，无机纤维上的粘结剂材料往往会变得粘稠，需要不断对纤维收集装置进行清理，以避免产生的玻璃纤维绝缘材料凝块落入产品中并导致产品缺陷。另外，粘结剂材料必须在炉中固化，需要大量的能量，不仅用于固化粘结剂自身，而且用于去除粘结剂中的水分，及用于环保地清理加热和固化工艺中的气态副产品。
过去曾经尝试通过一旋转工艺使有机粘结剂材料与无机纤维成为整体，而不仅仅是向纤维幕喷射粘结剂溶液。例如，Thiessen的美国专利No．5，123，949就公开了一种旋转纤化工艺，其中通过旋转器的中空套管轴或中空轴供给添加剂微粒。微粒从幕中的一个位置直接喷向无机纤维幕。添加剂微粒在本质上可以是纤维状的，如纤维素纤维，也可以是微粒状的树脂材料。
另一种使有机材料与旋转的无机纤维成为整体的方法在Bakhshi等人的美国专利No．5，614，132中公开。操作一玻璃旋转纤化器以生产一向下移动的中空玻璃纤维幕，在中空幕中操作一聚合物纤化器以生产位于幕中但径向向外指向玻璃纤维的聚合物纤维。该聚合物纤维与玻璃纤维混合，制备一具有玻璃纤维和聚合物纤维的增强树脂产品。虽然Bakhshi等人专利中的工艺在制造某些产品时很有效，但是在一些情况下可能希望将聚合物纤维成形环境远离无机纤维成形中的高温环境。
例如，作为同轴旋转混合工艺的替换，Loftus等人的美国专利No．5，595，584号公开了一种替换的混合工艺，其中离心玻璃纤维的玻璃旋转纤化器，和离心聚合物纤维的聚合物旋转纤化器，彼此交替地沿收集表面设置。聚合物纤化器可设置成与竖直方向成一角度，这样聚合物纤维流以该角度被引导与玻璃纤维幕接触。在为了将聚合物纤维成形环境从玻璃纤维成形区域中分离出来而替换混合工艺的同时，可以看出将旋转成形的聚合物纤维均一地混合到玻璃纤维幕中是非常困难的。旋转聚合物工艺的不一致性加上玻璃纤维成形区域涡动而混乱的环境将明显阻碍聚合物纤维穿透玻璃纤维，潜在地将会产生不可预测的薄片状产品，一些产品将达不到所期望的性质。
如果能够开发出下述的这种改进工艺将是十分有益的，即该工艺用于将聚合物或其它有机纤维结合到玻璃纤维的流动流中，以产生一个玻璃纤维与聚合物纤维大致均一的混合物，最好是纤维分布均一和重量均一。这种工艺应该为纤维状聚合物材料提供保护，使得这种纤维不会遭遇到热环境，因为这种热环境可能使聚合物材料发生不期望的挥发或者降解，或者使得聚合物纤维软化或熔入非纤维微粒中。
根据本发明，还提供了一种用于将有机纤维与无机纤维结合成为整体的装置，该装置包括一旋转的有机纤维旋转器，用于从熔融的有机材料中离心出有机纤维，一环形聚合物纤维吹风机，用于将有机纤维引导形成一向下移动的有机纤维和气体幕，当幕向下移动时具有一向内会聚的形状，一旋转的无机纤维旋转器，该旋转器同心设置在向下移动的有机纤维幕中，用来从熔融的无机材料中离心出无机纤维，一环形玻璃纤维吹风机，用于将无机纤维引导形成一位于有机纤维幕中向下移动的无机纤维和气体幕，在此无机纤维幕与有机纤维幕交叉，以使无机纤维与有机纤维成为整体，以及一收集表面，用于将成为整体的无机纤维和有机纤维收集成一纤维物料坯。
图2是

图1中装置的剖视图，示出了图1中纤化器轴承部件的更多细节。
图3是图1中所示装置的旋转器的平面示意图。
图4是图3中旋转器的透视示意图。
本发明的详细说明本发明将利用玻璃纤维作为本发明中无机纤维／矿物纤维的一个例子来进行描述。应该理解，本发明也可利用其它可热软化的无机材料，如岩石、矿渣或玄武岩的无机纤维来实现。同样，尽管本发明利用聚合物纤维作为被引导与玻璃纤维接触的纤维，应该理解，任何有机材料纤维，如沥青材料，都可以在本发明中使用，特别是适于增强产品性能的长的或基本上连续的纤维。
如图1所示，玻璃纤化装置／器总体用10表示，包括一旋转器12和一环形吹风机16。旋转器在主轴或空心轴18上旋转。熔融玻璃流20从一未示出的玻璃熔炉中排出，熔融流20落入旋转器12内部。旋转器的离心力迫使熔融玻璃以细微玻璃流的形式从旋转器中发射出来，该细玻璃流通过吹风机16及由吹风机产生的气体作用转变为向下的玻璃纤维22。吹风机气体和产生的气体使玻璃纤维变细达到最终的细直径，一般在约3－8微米范围内。一未示出的气体燃烧器也可用来向旋转器和纤维成形环境提供热量。
玻璃纤维在向下移动的幕24中运动，该幕基本呈圆柱形，其中不仅包含玻璃纤维，还包含从吹风机中出来的快速运动的气体。幕24最初具有一略大于旋转器直径的直径。在幕向下运动过程中，幕的尺寸或直径，幕中气体和纤维的旋转速度都在改变。这些改变是由于幕中气体原始能量的消散，及影响幕的外力。
未示出的喷嘴被任意设置，以便将液体射流引导到幕中。这种射流可包括水或其它挥发性液体，以冷却幕中的纤维和气体。喷嘴还可以向纤维上喷射润滑剂，以减少最终隔离产品中纤维与纤维之间的摩擦，从而可以防止纤维损伤。如果需要，喷嘴还可以用来向玻璃纤维添加一任意树脂粘结剂，虽然本发明方法生产的产品具有足够好的整体性和回复性，以至于不需要粘结剂。树脂粘结剂，如脲／酚醛(Ureaphenol formaldehyde)粘结剂，在已有技术中是公知的。另外，可使用未示出的气体成网机(air lapper)来排出气体，从成形罩34的一侧向另一侧对幕24进行吹刮和引导，这样在移动的收集表面或成形链板38聚集的收集物料坯36，从一个罩板壁40到另一个罩板壁40具有一在成形链板的宽度方向上均匀的分布。成形链板38安装成能够像输送机一样运动，且带有小孔，这样位于成形链板下面的抽气箱42就可以从成形罩34和物料坯36中抽出气体。
在玻璃纤维纤化装置10周边外侧环绕设置的是一个旋转聚合物纤化装置，一般用50表示。旋转聚合物纤化装置50可以是适于从有机材料，包括如聚合物材料和沥青这样的材料中制造纤维的任何适当的旋转设备。聚合物纤化器50一般包括一轴承部件52，一聚合物旋转器55，和一环形吹风机58。安装聚合物旋转器55来通过轴承部件52而旋转。聚合物旋转器接收熔化的聚合物材料，并将它离心成聚合物纤维60。环形吹风机提供流动空气，使聚合物纤维在由离心力而造成的变细基础上进一步变细。环形吹风机还将聚合物纤维60导引形成一聚合物纤维60的向下移动幕62。
如图2中更清楚地所示，玻璃旋转器具有一包括多个排出孔68的圆周壁66，熔融的玻璃通过该喷嘴68被离心力排出，形成玻璃纤维22。轴承部件52可包括一内座圈70，一中间座圈72和一外座圈74，及在相邻座圈之间，即内和中间座圈之间，中间和外座圈之间的一组球轴承76。通过在内和中间座圈之间使用第一组轴承，和在中间和外座圈之间使用第二组轴承延长了轴承76的寿命，因为在相邻座圈之间相对速度的差别减小了。可在轴承部件52的侧壁上安装隔热材料，如陶瓷纤维隔热层78，以保护轴承及其润滑剂不受从玻璃旋转器12中辐射出来的辐射热量的影响。也可以使用其它轴承部件设计，来安装聚合物旋转器55以进行旋转。
如图2和4中更清楚地表示的，聚合物旋转器55包括一外部环形腔80，该外部环形腔80具有一圆周壁82，该圆周壁82包括排出孔84，熔融的聚合物材料流过该排出孔84而形成聚合物纤维60。通过聚合物送料管道86，从熔融聚合物材料源，如未示出的挤压机中向外部环形腔80提供熔融的聚合物材料流。聚合物纤化器可在适于制造聚合物纤维的条件下操作，聚合物纤维的直径大于约5微米，优选在约4至25微米范围内，最优选为约6微米。在Ault等人的美国专利No．5，523，031中就可以找到在对制造聚合物纤维的旋转纤化器进行正确操作时，对于所期望的工艺设置，如温度、压力和排出孔直径的一般描述，该专利在此引入并整体进行参考。
聚合物材料可以是任何可形成具有合适长度、强度、耐久性和隔离特性纤维的聚合物材料。聚合物纤化器50可在适于生产短或长纤维的条件下，但优选是生产基本连续长度纤维的条件下进行操作。适于制造聚合物纤维的聚合物材料包括，但不局限于，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，聚丙烯，和聚苯硫醚(PPS)。其它适合于制造纤维的聚合物材料包括尼龙，聚碳酸酯，聚苯乙烯和聚酰胺。尽管本发明是用聚合物纤维作为例子来描述的，但应该理解，其它材料，包括树脂，沥青，和其它热塑和热固性材料也可以用作纤维而在本发明中使用。聚丙烯和PET是形成聚合物纤维的优选材料。
如图2－4所示，本发明的一个可选择的特征是在聚合物旋转器55中提供一个内部环形腔90，两单独的功能或优点可独立使用也可一起使用。首先，内部腔90可用作热空气增压室，沿横穿聚合物旋转器55顶部的一路径，及向下沿聚合物旋转器圆周壁82外侧，对进入的热空气进行输送。一热空气供应管路92向内部环形腔90提供加热的空气或其它气体，热气体由一罩94引导，向下沿外部环形腔80的圆周壁82流动。热空气由一未示出的空气加热器提供，最好处于大于200℃的温度。该罩可以是任何适于引导空气使聚合物旋转器壁和新生的纤维保持在加热状态的形状和材料。优选地，热气体以至少200℃的温度供给旋转器55，更优选的是至少250℃。为清楚起见，在图3中没有表示出该罩。该罩有利地设有一开口，允许聚合物输送管86和热空气供应管路92穿过该罩。
内部环形腔90的第二个功能是为空气叶片96提供一安装位置，该空气叶片可用于驱动或旋转聚合物旋转器55。叶片96以类似于涡轮机驱动动作的方式驱动聚合物旋转器55，即聚合物输送管86，热空气供应管路92和罩94保持静止，而从管路92中出来的热空气与叶片96接触，使旋转器55旋转。叶片96和热空气供应管路92的数量可以改变，热空气供应管路相对于叶片的定位角度也可以改变，以通过驱动气体获得最佳结果。
优选地，处于316℃温度的每分钟接近200标准立方英尺(5．66立方米)的空气将以约500英尺每秒(152．4米每秒)的注射速度注入聚合物旋转器中。较高或较低注射速度或体积的热空气也可能是必要的。热空气的体积，速度或温度可以调整，以优化旋转速度和纤维成形环境。聚合物旋转器可以改变。对于一直径为30英寸(76．2厘米)的旋转器来讲，优选的旋转速度是100转每分钟。
尽管用于加热旋转器的热气体在上面描述成与旋转旋转器的驱动气体相同，应该理解，热气体和驱动气体可以是分别供应的不同气体。另外，应该理解，聚合物旋转器可通过上述的空气／叶片系统之外的不同装置来旋转。另外，聚合物纤维旋转器55可以与玻璃纤维旋转器12的角速度和方向不同的角速度和方向来旋转。
在聚合物纤维幕62中的聚合物纤维60由聚合物吹风机58引导来与玻璃纤维22接触，使聚合物纤维与玻璃纤维成为整体。混合的聚合物纤维60和玻璃纤维22以隔离物料坯36的形式收集在一起。应该理解，本发明的方法可以用未示出的直接成形纤维收集系统，如在PCT申请No．WO95／30787号中所公开的系统来完成，该专利申请在此处引入并整体进行参考。优选地将聚合物纤化器50的产量设置成使聚合物含量，以重量计，占玻璃纤维和聚合物纤维预期生产总量的约1－10％。例如，如果玻璃纤维的产量是1000磅每小时(454千克／小时)，所期望的聚合物纤维的烧失量(LOI)为2．5％，那么聚合物纤化器将配置成具有约25．6磅每小时(11．7千克／小时)的生产量。LOI是当受热时会燃烧掉的全部有机材料的百分比。
如图2所示，聚合物旋转器55的直径D比玻璃纤维旋转器12的直径d大得多。优选地，聚合物旋转器的直径D为玻璃纤维旋转器12直径的约1．3到2．2倍。另外，轴承部件52的直径dd至少是聚合物旋转器55直径D的90％。如图2所示，轴承部件的直径dd从轴承部件的径向中心测量。这些直径对于在允许有效混合的同时限制从玻璃纤维成形环境向聚合物纤维成形环境传送的热量多少是非常重要的。吹风机58以一向内会聚的角度调整其变细气体的射流，使聚合物纤维在成形链板上部的某位置与幕交叉，这样在玻璃纤维收集之前聚合物纤维60将成功地与玻璃纤维22混合。否则聚合物纤维和玻璃纤维将不会聚集在一起，全部或基本全部的聚合物材料将在收集的纤维产品外侧或顶侧聚集。必须保持一种平衡，以确保在聚合物纤维还没有遇到足够的热量而熔化太多的纤维时，聚合物纤维足够高地对准玻璃纤维幕24，以更好地穿入。将大多数有机材料保持在纤维状态是很重要的。
可使定向物料坯36通过一未示出的产品定形炉，在那里热气体吹过物料坯，略微软化聚合物纤维60，使它们粘结到玻璃纤维上以形成一具有良好物料坯整体性的隔离产品。优选地，在产品成形过程中物料坯承受垂直压力，这样产品的厚度被确定。必须注意，不要将聚合物纤维加热到使聚合物纤维的很大部分熔化或者失去它们的纤维状态的程度。将大多数有机材料保持在纤维状态是很重要的。随后，纤维产品在受到垂直压力的同时进行冷却。
通过上述讨论可以看出，将相对较长和强度较高的聚合物纤维加入到相对较短的玻璃纤维中，可以用来在根据本发明方法生产的隔离制品中实现不同的产品特性。本发明方法的能力和适应性能够制备具有更好重量分布和更好纤维分布的改良产品，而无需使用辅助的聚合物纤维分布或研磨装置。另外，改善了对聚合物纤维／玻璃纤维界面的性能，包括聚合物纤维与玻璃纤维之间的缠绕度的控制。纤维物料坯可置于热定形炉上，将聚合物纤维软化到足能够将聚合物纤维粘结到玻璃纤维上，而聚合物纤维又不会失去其纤维特性的程度。另外，可对纤维产品上的聚合物纤维表层进行热处理，将聚合物纤维层转换成粘结的聚合物网状层，以获得有益的产品质量。这样的表层将使制得的隔离产品更坚固，更易于抓取而不会损伤。另外，可对纤维物料坯进行一模制处理，其中整个纤维物料坯或物料坯的表面将在热量和压力下被模制，形成各种隔离或构件制品。另外，将相对较长和强度较大的聚合物纤维加入到主要是玻璃纤维的物料坯中带来几个显著的优点。首先，它使物料坯更适于针刺处理，这将不需要传统的粘结剂就能生产出隔离产品。第二，它有利地提供了大大增强的机械和拉伸强度，从而使隔离产品呈现出更高的可抓取性。例如，使用本发明的方法，可以制造出能够通过抓住一端就拾起和抓持的无粘结剂墙体腔隔离产品。最后，聚合物纤维轻于玻璃，在一定重量基础上相对于玻璃纤维提供了一个增大的表面积，从而改善了隔热和隔声特性。
本发明操作的原理和方式已经在其优选实施例中进行了描述。但是，应该知道，在不脱离本发明范围的前提下，不用如特别表示和描述的那样也可以实现本发明。
权利要求
1．一种使有机纤维和无机纤维结合成为整体的方法，包括用一旋转的有机纤维旋转器，从熔融的有机材料中离心出有机纤维；将有机纤维引导形成一向下移动的有机纤维和气体幕，当该幕向下移动时具有一向内会聚的形状；用一旋转的无机纤维旋转器，从熔融的无机材料中离心出无机纤维，该旋转的无机纤维旋转器同心设置在向下移动的有机纤维幕中；将无机纤维引导形成一个位于有机纤维幕中向下移动的无机纤维和气体幕，其中无机纤维幕与有机纤维幕交叉，以使无机纤维与有机纤维成为整体；及将成为整体的无机纤维和有机纤维收集成一纤维物料坯。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，有机纤维的平均直径在约4至25微米范围内。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于，有机纤维旋转器的直径在无机纤维旋转器直径的约1．3至2．2倍范围内。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，安装有机纤维旋转器使之能够在轴承部件的轴承上旋转，轴承部件的直径至少是有机纤维旋转器直径的90％。
5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，安装有机纤维旋转器使之能够在轴承部件的轴承上旋转，轴承部件是绝热的，以阻止来自无机纤维旋转器的热量。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于，安装有机纤维旋转器使之能够在轴承部件的轴承上旋转，轴承部件具有一内座圈，一中间座圈，和一外座圈。
7．如权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转的有机纤维旋转器具有一外部环形腔，该外部环形腔具有带排出孔的圆周壁，旋转的有机纤维旋转器是一旋转有机纤维纤化器的部件，该旋转有机纤维纤化器具有一位于旋转器上部的罩，还包括下列步骤向外部环形腔供给熔融的有机材料，用于穿过圆周壁而纤化，以高于200℃的温度向纤化器提供加热气体，以对旋转器进行加热，其中所述气体由所述罩引导，沿外部环形腔的圆周壁向下流动。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，旋转有机纤维旋转器具有外部环形腔和内部环形腔，该外部环形腔具有一带排出孔的圆周壁，该内部环形腔具有多个叶片，还包括下列步骤导引位于内部环形腔中叶片处的驱动气体，以使得有机纤维旋转器旋转。
9．如权利要求8所述的方法，其特征在于，加热气体和驱动气体是同一种气体。
10．如权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转有机纤维旋转器具有外部环形腔和内部环形腔，该外部环形腔具有一带排出孔的圆周壁，该内部环形腔具有多个叶片，还包括下列步骤向外部环形腔提供熔融的有机材料，用于穿过圆周壁而纤化，引导位于内部环形腔中叶片处的驱动气体，以使得有机纤维旋转器旋转。
11．一种使有机纤维与无机纤维结合成为整体的装置，包括一旋转的有机纤维旋转器，用于从熔融的有机材料中离心出有机纤维；一环形聚合物纤维吹风机，用于将有机纤维引导成形为一个向下运动的有机纤维和气体幕，当该幕向下移动时具有一向内会聚的形状；一旋转的无机纤维旋转器，该旋转器同心地设置在向下移动的有机纤维幕中，用于从熔融的无机材料中离心出无机纤维；一环形玻璃纤维吹风机，用于将无机纤维引导形成一个位于有机纤维幕中向下移动的无机纤维和气体幕，其中无机纤维幕与有机纤维幕交叉，以使无机纤维与有机纤维成为整体；及一收集表面，用于将成整体的无机纤维和有机纤维收集成一纤维物料坯。
12．如权利要求11所述的装置，其特征在于，有机纤维旋转器的直径在无机纤维旋转器直径的1．3至2．2倍范国内。
13．如权利要求12所述的装置，其特征在于，安装有机纤维旋转器使之能够在轴承部件的轴承上旋转，轴承部件的直径至少是有机纤维旋转器直径的90％。
14．如权利要求11所述的装置，其特征在于，安装有机纤维旋转器使之能够在轴承部件的轴承上旋转，轴承部件的直径至少是有机纤维旋转器直径的90％。
15．如权利要求11所述的装置，其特征在于，安装有机纤维旋转器使之能够在轴承部件的轴承上旋转，轴承部件是绝热的，以阻止来自无机纤维旋转器的热量。
16．如权利要求11所述的装置，其特征在于，安装有机纤维旋转器使之能够在轴承部件的轴承上旋转，轴承部件具有一内座圈，一中间座圈，和一外座圈。
17．如权利要求11所述的装置，其特征在于，旋转的有机纤维旋转器具有一外部环形腔，该外部环形腔具有带排出孔的圆周壁，旋转的有机纤维旋转器是一旋转有机纤维纤化器的部件，该旋转有机纤维纤化器具有一位于旋转器上部的罩，用于引导加热气体沿外部环形腔的圆周壁向下流动。
18．如权利要求17所述的装置，其特征在于，旋转的有机纤维旋转器具有外部环形腔和内部环形腔，该外部环形腔具有一带排出孔的圆周壁，该内部环形腔具有多个叶片，该叶片适合当指向叶片的驱动气体碰撞叶片时使有机纤维旋转器进行旋转。
19．如权利要求11所述的装置，其特征在于，旋转的有机纤维旋转器具有外部环形腔和内部环形腔，该外部环形腔具有一带排出孔的圆周壁，该内部环形腔具有多个叶片，该叶片适合当指向叶片的驱动气体碰撞叶片时使有机纤维旋转器进行旋转。
全文摘要
一种使有机纤维和无机纤维结合成为整体的方法,包括:用一旋转的有机纤维旋转器,从熔融的有机材料中离心出有机纤维;将有机纤维引导形成一向下移动的有机纤维和气体幕(24,62),当幕(24,62)向下移动时具有一向内会聚的形状;用一旋转的无机纤维旋转器从熔融的无机材料中离心出无机纤维,该旋转的无机纤维旋转器同心设置在向下移动的有机纤维幕(24,62)中;将无机纤维引导形成一个位于有机纤维幕中向下移动的无机纤维和气体幕(24,62),其中无机纤维幕(24,62)与有机纤维幕(24,62)交叉,以使无机纤维与有机纤维成为整体;及将成整体的无机纤维和有机纤维收集成一纤维物料坯。还公开了一种用于执行该方法的装置。
文档编号D01D5/00GK1279656SQ98811486
公开日2001年1月10日 申请日期1998年11月23日 优先权日1997年11月24日
发明者迈克尔·T·佩尔格兰, 丹尼斯·C·索尔斯, 詹姆斯·E·洛夫特斯 申请人:欧文斯科尔宁格公司