专利名称：均匀的熔吹纤维质基料及其制造方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及多层熔吹纤维质基料、制造这种基料的方法以及制造多层熔吹纤维质基料的装置。
背景熔吹纤维质基料的制造已经在许多文献中讨论过，这些文献包括48工业工程和化学1342-46(1956)中Wente，Van A的“超细热塑纤维”；1954年5月25日出版的海军研究实验室第4364号报告中Wente，V.A.、Boone C.D.和Fluharty，E.L.的名为“超细有机纤维的制造”；以及授予Braun的美国专利3,971,373。
在制造熔吹纤维质基料的过程中，通常通过一行并排设置的小孔将热塑性聚合物或树脂挤压入一高速气流，该高速气流将压出的材料削细成纤维。气流产生紊流，使纤维任意缠结而在一收集器上形成一粘连在一起的非织造基料。收集器可以是一移动的平带，也可以是旋转的圆柱形筛网或滚筒。所得到的非织造基料从收集器传送到一临时储存卷筒。
现有的方法有几个缺点，即，它们会以工艺副产品的形式产生大量的废料，并且可能在基料上产生不均匀性。
废料(也称作杂料)一般在制造熔吹纤维质基料时产生于基料边缘处。废料或杂料的产生是因为基料边缘通常是“起毛的”，即指边缘稀而薄，其重量和密度与基料的中央部分不同。起毛是因纤维在基料边缘处的疏散而产生的。为消除重量和密度的这种变化，通常将基料边缘修整掉并作为废料处理掉，而保留基料的中央部分用于进一步加工。浪费掉的材料增加了加工成本，尤其是在需要进行一列式基料加工时。
现有的熔吹纤维质基料通常是单层基料，顾名思义，它仅有一单个的层。单层熔吹纤维质基料通常在它们的横向基料尺寸上会有不均匀性，这例如是因为小孔直径的变化。小孔直径的变化会造成不均匀的纤维涂敷，进而造成横向基料尺寸的基本重量的变化。基本重量是单层基料的单位面积的重量，它通常通过改变聚合物挤出速率和/或收集器速度来调节。例如，如果需要更高的基本重量的基料，可以降低收集器速度和/或提高挤出速率。相反，如果需要更低基本重量的基料，可以提高收集器速度和/或较低挤出速率。
消除基本重量变化的一种方法是，使用诸如粘合剂或树脂之类的质剂和/或通过诸如熔接之类的物理处理来将多片基料层压于一起。这样，多片基料中的变化可有利地使不均匀性平均化，因而在整个层压基料上可实现最小可接受的基本重量。这种方法的一个缺点在于，基料的某些区域会有过度的基本重量，因而会有不必要量的基料材料。这种不必要的材料以及将基料层压形成多基料产品所需的层压质剂和/或加工增加了生产成本，并增加了复杂性。而且，用于层压诸层的质剂和/或接缝可能不利地影响所得到的物品的顺应性和柔韧性。
试图采用管状纤维基料工艺来得到平坦的基料，这通常需要形成管状的熔吹纤维质基料，并压缩该基料管而获得一没有毛边的平坦基料。或者，可将该管状基料沿纵向切开而使基料管打开，从而产生一带有链条机械切割边的平坦基料。这两种方法描述于美国专利No.3,909,174(Blair等人)和4,032,688(Pall)中。这些工艺的一个缺点在于，基料厚度的变化往往是螺旋形的。因此，沿纵向切开基料通常会造成基料密度的条纹状变化，这些变化相对于基料中心线成一个通常称作“偏角”的角度。
发明概要本发明旨在克服制造熔吹纤维质基料的现有方法中存在的上述问题。在一个方面，本发明提供了一种制造熔吹纤维质基料的新装置。该装置包括(i)一具有基本为圆柱形的成形表面的收集器；以及(ii)一能够将熔吹纤维导向该成形表面的源。该基本为圆柱形的成形表面可绕一纵轴线旋转，并可同时平行于该纵轴线移动，使得该成形表面上的一选定的点可围绕和沿着该纵轴线以一螺旋形图案从收集器的一第一端移动到收集器的一第二端。该螺旋形图案相对于纵轴线而限定一螺旋角。该装置还包括(iii)一分离器，它可使形成于成形表面上的管状熔吹纤维质基料沿一个基本平行于该螺旋角的方向分离。这样，该分离器将管状熔吹纤维质基料转化成一非管状的或平的熔吹纤维质基料。
在第二个方面，本发明提供了一种使用一具有基本为圆柱形的表面的收集器来制造熔吹纤维质基料的方法。使该成形表面绕一纵轴线旋转，同时沿该纵轴线方向纵向移动，使得成形表面上的一选定的点围绕和沿着该纵轴线以一螺旋形图案从收集器的一第一端移动到收集器的一第二端。该螺旋形图案相对于该纵轴线而限定一螺旋角。在成形表面旋转和纵向移动时，将熔吹纤维导向成形表面，使得在成形表面上形成一管状熔吹纤维质基料。然后，使该管状熔吹纤维质基料沿一基本平行于该螺旋角的方向分离，从而将管状熔吹纤维质基料转化成一非管状的或平的熔吹纤维质基料。
在第三个方面，本发明提供了一种多层熔吹纤维质基料，它具有多个含熔吹纤维的互连层。至少一个含纤维层具有一毛边。该基料还具有两个分离的边。该毛边位于这两个分离的边之间，分离的边与毛边基本上彼此平行。该多层熔吹纤维质基料可用于许多物品中，诸如面罩或呼吸器的过滤器。
本发明的多层熔吹纤维质基料产生于具有一基本为圆柱形的成形表面的一收集器上，该成形表面围绕该圆柱形的纵轴线而旋转。在成形表面这样旋转的同时，它同步地平行于和沿着该纵轴线前进。因此，在基料制造过程中，成形表面上的任何一个点沿一螺旋形路线移动。
将一熔吹纤维源沿收集器的至少一部分纵向长度导向成形表面，从而在成形表面上形成一层熔吹纤维。在使成形表面沿该段长度的熔吹纤维源前进所需的时间内，成形表面通常围绕纵轴线完成至少一圈旋转。在使成形表面沿该段长度的收集器前进所需的时间内，若成形表面完成两圈或更多圈旋转，则在成形表面上形成一多层管状基料。
由于成形表面在平行于纵轴线前进的同时围绕纵轴线旋转，因而每层熔吹纤维中的毛边以一螺旋形图案形成于圆柱形的成形表面上。
使用一分离器来使管状熔吹纤维质基料沿一相对于圆柱形成形表面的纵轴线成一倾斜角的方向分离。该倾斜角等于在熔吹纤维质基料制造过程中由毛边形成的螺旋角。在使管状多层熔吹纤维质基料沿该螺旋角分离后所形成的平熔吹纤维质基料包括两个分离的边，它们的厚度基本与基料其余部分的厚度相同，在基料用于其它加工之前不需要修整或进一步处理。
使管状多层熔吹纤维质基料沿一基本平行于螺旋角的方向分离而产生一平的多层熔吹纤维质基料，因而由毛边造成的熔吹纤维质基料的密度或重量变化平行于所形成的平基料的边。这与现有的管状熔吹纤维质基料截然相反，该现有的基料是沿纵向切开，因而使毛边相对于平基料中心线以一偏角与基料相交。
本发明的熔吹纤维质基料不同于现有基料之处就在于它们的多层构成，其中毛边结合于基料中，并基本平行于基料的分离边而设置。由于熔吹纤维质物品通常由多个熔吹纤维层形成，因而可显著减小由毛边所造成的基本重量变化。终止于毛边的基料层总的来说仅形成基料总基本重量的一小部分。另外，由于物品的多层特性，还可以减小因形成物品所用的模具的不均匀性而造成的基本重量变化。该方法的螺旋形特性自然地会在基料的宽度上转移那些变化，使得它们通常不会排列在整个基料厚度上。由于该方法使毛边包含在所得到的基料中，因而本发明的有利点就在于，它可避免因象以前那样需要从产品上去除毛边而造成的浪费。
下面详细讨论熔吹纤维质基料及其制造装置和制造方法的上述和其它特点和优点。
术语表关于本发明，以下术语限定如下“收集器”是指能够收集熔吹纤维的装置；“毛边”是指熔吹纤维质基料层的基料密度和基本重量因纤维疏散而变小的部分；“成形表面”是指收集器的一部分，熔吹纤维在排出熔吹纤维源后涂敷于该部分上；“螺旋形图案”是指形成螺旋形的图案，换句话说，类似于螺钉的螺纹所遵循的路线；“螺旋角”是指螺旋形图案相对于一垂直于纵轴线的平面所形成的角；“互连层”是指例如通过不同层中纤维之间的纤维缠结、为连接诸层所导入的质剂(例如树脂、粘合剂等)和/或工艺(例如针结(pin)、熔接等)而彼此连接的熔吹纤维层；“中间层”是指位于多层熔吹纤维质基料的第一和第二层之间的熔化纤维层；“纵轴线”是指圆柱形成形表面围绕着旋转的中心轴线；“机器方向”是指在形成管状熔吹纤维质基料过程中成形表面的运动方向；“熔吹纤维层”及其变化是指含有熔吹纤维和在一次通过熔吹纤维源的过程中可能形成于收集器或其它表面上的其它成分的非织造纤维结构；“熔吹纤维质基料”是指含有熔吹纤维和其它可能成分并且其本身具有足够的完整性可作为一垫料供处理的非织造纤维结构；“分离边”是指多层熔吹纤维质基料的一个边，它通过任何合适的方法、例如切开和撕裂等而与基料的另一个边物理地分开。
附图简述
图1是本发明的一多层熔吹纤维质基料10的一部分的立体图，该基料具有两个分离边12和14。
图2是图1的多层熔吹纤维质基料10沿2-2线剖开的分解的放大剖视图。
图3是本发明的另一多层熔吹纤维质基料110的分解的放大剖视图。
图4表示用本发明的多层熔吹纤维质基料作为过滤器的一呼吸器面罩16。
图5是本发明的可用于织造多层熔吹纤维质基料的、具有一收集器30的一个装置的立体图。
图6是图5装置的收集器30中所使用的一个较佳的成形表面沿图5的6-6线剖开的剖视图。
图6A是用于使图5和6装置中的带子40a和40b旋转的动力传递系统的放大的局部剖视图。
图6B是用于给使带子40a和40b沿纵轴线32旋转并使整个收集器30绕纵轴线32旋转的轴42提供动力的动力传递系统的端视示意图。
图6C是图5收集器30中嵌套的带子40a和40b沿6C-6C线剖开的放大的局部剖视图。
图7是本发明的一管状多层熔吹纤维质基料280和本发明的一用于形成这种基料的装置230的示意图。
图8A一8C是本发明的另一多层熔吹纤维质基料210、210’和200″的分解的放大剖视图。
图9是本发明的另一管状多层熔吹纤维质基料380的示意图。
图10是本发明的另一管状多层熔吹纤维质基料480的示意图。
图11是本发明的使用多层熔吹纤维质基料510的一个一列式制造方法的示意图。
较佳实施例的详细描述本发明提供了多层熔吹纤维质物品，其中熔吹纤维层可终止于一基本平行于物品中的熔吹纤维层的机器方向的毛边。每个熔吹纤维层的毛边不需要修整掉，而可结合于物品中。在许多场合下，多层熔吹纤维质物品的提供成基料的形式，它具有一与机器方向对齐并位于两个分离边之间的中心线。对于基料形式，毛边基本平行于基料中心线。
本发明中所使用的熔吹纤维实质上可以是任何尺寸或直径，只要这些纤维可以熔吹而产生文中所讨论的基料和物品。根据应用场合，较佳的熔吹纤维可以是微纤维。“微纤维”是平均直径约为10微米(μm)或更小的纤维，这通常是横过最长尺寸的纤维来测量。微纤维可提高过滤效率，并在用于不同物品中时可提供其它有益的特性。
在某些场合，可能需要定向的熔吹纤维以提高基料强度。可用于形成定向熔吹纤维的方法的例子可以在美国专利4,988,560(Meyer等人)和5,141,699(Meyer等人)中找到。纤维可以由单一的同类聚合材料制成，也可以包括一或多种聚合物，例如是双组分的形式，如美国专利4,547,420(Krueger等人)或美国专利4,729,371(Krueger等人)中所描述的。
可以使用例如在2美国专利5,496,507(Angadjivand等人)、美国专利5,057,710(Nishiura等人)、美国专利4,592,815(Nakao)和美国专利4,215,682(Kubic等人)中所描述的技术给非织造熔吹纤维质基料赋予电荷，以改善它们的过滤性能。包括聚丙烯的纤维可适合于接纳和保持持久性的电荷。可适合于制造驻极体熔吹纤维的另一种聚合物是单一的或与聚丙烯相组合的聚(4-甲基-1-戊烯)。
纤维材料可含有添加剂以增强过滤性能，诸如在美国专利5,025,052和5,099,026(Crater等人)以及美国专利申请08/514,866(Rousseau等人)中所描述的添加剂，还可具有低水平的可提取烃以改善性能，例如参见美国专利申请08/941,945(Rousseau等人)。纤维质基料还可制成具有抗油雾性能，如美国专利5,411,576和5,472,481(Jones等人)以及美国专利申请08/941,270和08/941,864(Rousseau等人)中所描述的，或者可以制成与其它层相结合以阻止液体通过，如美国专利5,706,804(Baumann等人)中所描述的。如在本段所引用的许多专利中描述的，纤维可含有某些可熔化处理的碳氟化合物，例如含氟的恶唑烷酮(oxazolidinone)和哌嗪以及含全氟代半部的化合物或低聚物。使用此类添加剂对于作为过滤器的带电荷基料的性能尤为有利。
以下的讨论假定基料的制造方法和该方法中所使用的装置是在一稳态的连续工艺中工作，在该工艺中，收集器以恒定速率作旋转和纵向移动。然而，在工艺变化过程中，一些空间关系不可能保持。例如，如果螺旋角因收集器转速或管状基料沿收集器前进的速率的变化而改变，则毛边可不平行于分离边，直到工艺返回稳定状态并且空间关系重新建立为止。然而，即使在这种工艺变化过程中，毛边也仍可基本平行于分离边。
图1示出了一示例性的多层熔吹纤维质基料10的一部分。在制造过程中，基料10可以沿机器方向以分段的长度来提供，也可以考虑沿机器方向具有环形的长度。
基料10最好包括一中心线11以及在平基料10制造过程中由一管状基料形成的两个分离边12和14，如下面所讨论的。分离边12和14最好基本平行于基料中心线11和彼此平行。而且，由用于制造基料10的收集器的成形表面上的一选定点的运动所限定的机器方向最好也平行于中心线11以及分离边12和14。
基料在两个分离边之间的厚度和基本重量最好基本恒定。本发明的熔吹纤维质基料的这一特点与由传统工艺形成的基料截然相反，传统基料的厚度或基本重量通常在基料边附近变小。
分离边12和14在图1中表示为直线，但边12和14也可提供成其它形状，诸如正弦曲线或其它波形。然而，在任何情况下，基料边12和14基本沿平行于基料中心线11的方向延伸。
用于形成分离边12和14的技术可以有许多种。在某些情况下，分离边可以用包括(但并不局限于)刀具切割、激光切割、水射流切割、超声波切割、热线切割、火焰切割等在内的各种技术来切出。除了用切割，基料边12和14还可以用旋转模具切割工艺形成，也可以通过受控制的基料撕断工艺沿预定图案形成。例如，在撕断之前进行冲孔、折痕或用其它方式改变管状基料，可有助于控制撕断方向。
图2表示多层熔吹纤维质基料10中的各个层。为表示得更清楚，图2中所示的有关尺寸和特点被夸大。基料10最好包括多个互连的熔吹纤维层，每个层连续地涂敷，如下面将更详细描述的。
基料10中的各层是一第一层20、中间层22和24以及一第二层26。第一层20和第二层26分别包括毛边21和27。毛边21和27是因熔吹纤维涂敷工艺而造成，其中基本重量在由熔吹纤维源所提供的熔吹纤维层的边缘处逐渐减小到零。
在现有的平基料熔吹纤维工艺中，毛边将位于所形成的基料的外侧边处，它们通常作为废料从基料上修整并处理掉。然而，在本发明中，毛边21和27以这样一种方式结合入多层熔吹纤维质基料10中，它可产生一具有两个分离边12和14以及至少一对互连的熔吹纤维层的基料10，至少一个毛边位于两个分离边12和14之间并平行于这些分离边12和14。
在一较佳的多层熔吹纤维质基料中，每个层最好通过纤维缠结互连于至少直接相邻的层。在所示的基料10中，第一层20的熔吹纤维最好与中间层22的熔吹纤维相缠结，中间层22的熔吹纤维进而与中间层24的熔吹纤维相缠结，后者又与第二层26中的熔吹纤维相缠结。另外，不直接彼此相邻的层也可根据层厚度、所涂敷的纤维和用来涂敷纤维的工艺而互相连接。例如，在某些情况下，例如如果各个层足够薄而允许发生缠结，则第一层20中的熔吹纤维可以同时与中间层22和中间层24相缠结。
使多层熔吹纤维质基料10的各个层相互连接的一较佳的机理最好与各层的形成方式相同。换句话说，该工艺需要将一个熔吹纤维源朝向至少一个已经形成的熔吹纤维层。多层熔吹纤维质基料10的不同层20、22、24和26的熔吹纤维最好通过用来使形成各个层的纤维缠结于一起的同一种工艺来缠结。因此，通常不需要任何额外的材料或工艺来将不同的层连接于一起而形成一完整的多层熔吹纤维质基料10。例如，可以不需要另外的粘合剂、树脂等或诸如针结之类的任何工艺来将不同的层20、22、24和26固定于一起。
在某些情况下，有时可以使用另外的质剂或工艺步骤来合乎需要地帮助熔吹纤维层相互连接于一起，从而形成完整的基料10。例如，可以在各层中或相邻层之间导入树脂、粘合剂或其它质剂，以帮助层的互相连接。
图2的剖视图是沿穿过基料10(沿着边12和14)的剖切线2-2的方向横向剖开的，因此，图2中所见到的剖视方向基本也就是机器方向。当沿机器方向观察时，图2中的多层熔吹纤维质基料10的剖视图示出了本发明的另一特点，也就是毛边21和27相对于分离边12和14的空间关系。在多层熔吹纤维质基料10中，毛边21和27平行于熔吹纤维质基料10的分离边12和14(也可参见图1)。这与沿纵向切开而形成平的熔吹纤维质基料的其它管状成形基料截然相反。在那些基料中，在管状基料制造过程中所形成的毛边以一个角度横穿基料延伸，因而相对于平基料的中心线形成一个偏角。这是将管状基料沿纵向切开的结果。然而，在本发明中，管状多层熔吹纤维质基料是沿螺旋形切开，所得到的平多层熔吹纤维质基料10结合有平行于分离边12和14延伸的毛边。
熔吹纤维质基料10的另一特点在于成品基料10的多层结构。虽然图2中仅示出两个中间层22和24，但每个中间层22、24本身可由多个单独的层形成，使得该多层熔吹纤维质基料10可由3、4、5、6、7或更多个连续形成的熔吹纤维层形成，因而包括第一和第二层以及至少一个中间层。通过提供一多层熔吹纤维质基料10，可显著降低因毛边21和27引起的密度或基本重量的百分比变化。
对于两个具有相同总基本重量的基料来说，可以有利地使用更多量的层，这是因为增加层的数量可降低横穿基料的基料基本重量变化。在这种结构中，通常减小各单独层的基本重量，以与增加的层数量相平衡。例如，多层熔吹纤维质基料10在第一和第二层20和26之间最好包括至少一个中间层。更具体地说，多层熔吹纤维质基料10在第一和第二层20和26之间包括约四个或更多个中间层。然而，这些优选方案可根据多层熔吹纤维质基料10的用途和其它诸如所需的总基本重量、各层的最小基本重量等之类的各种因素而变化。
回到图1，可以从基料10模切、冲压或用其它方式分离出一部分多层熔吹纤维质基料10，以提供一多层熔吹纤维质物品18。这种物品18可具有不同于由多层熔吹纤维质基料10制造出的多层熔吹纤维质物品18的特性。这些特性中的一个是，物品18包括多个如上所述的层。另外，无论多层熔吹纤维质基料18的形状如何，每个层中的熔吹纤维通常显示出一可检测的机器方向，它可表示上面形成基料10的收集器的螺旋运动。而且，多层熔吹纤维质物品18的各个层中的熔吹纤维所显示的机器方向通常彼此平行，这是因为这些层形成于相同的收集器上。
在一个方法中，上面形成熔吹纤维质基料10的收集器的机器方向可根据基料的抗拉强度确定。基料10在横穿基料方向上的抗拉强度通常高于基料长度方向上(相当于如上所述的基料中心线)的抗拉强度。因此，多层熔吹物品18中的任何毛边基本横穿最大抗拉强度的轴线而取向。
机器方向还可以根据熔吹纤维层中的纤维索或束的形状来确定。当熔吹纤维质基料形成时，一些纤维一般粘附于一起而形成纤维束或索。纤维束通常成弧形沉积于基料中，其弧形的顶点朝向基料长度方向。在一光台上检查熔吹纤维质基料10可以看到纤维束的取向。
根据多层熔吹纤维质物品是取自基料10的哪一部分，多层熔吹纤维质物品18还可包括一或多个如上所述结合于基料10中的毛边21和27。这些毛边21和27基本可以看出是平行于构成多层熔吹纤维质物品18的各层中的熔吹纤维所限定的机器方向。
图3表示另一多层熔吹纤维质基料110的剖视图。与图2一样，该图也是一个示意图，其中为表示得更为清楚，各个比例被夸大。基料110包括一熔吹纤维的第一部分120和一熔吹纤维的第二部分122。第一和第二部分120和122最好各在多层熔吹纤维质基料110的这些部分中于最外层上包括一熔吹纤维的毛边，如以上针对多层熔吹纤维质基料10所描述的一样。这些毛边最好平行于多层熔吹纤维质基料110的分离边112和114而延伸，也正如以上针对多层熔吹纤维质基料10所讨论的一样。第一和第二部分120和122各可包括一或多个顺序涂敷的熔吹纤维层。
位于第一和第二熔吹纤维质基料部分之间的是多层熔吹纤维质基料110的一中间部分124。该中间部分124还可包括一或多种除熔吹纤维以外的材料。其它的材料可以具有薄膜、颗粒、纤维、液体及它们的组合的性质。例如，中间部分124可包括活性炭，以有助于去除气态和/或气相的杂质(例如参见授予Braun的美国专利3,971,373)。在另一变型中，中间部分124可包括一隔膜，它具有所需要的特性，诸如限制透过性等。多层熔吹纤维质基料110的中间部分124可包括或主要由这些其它材料构成，或者，中间部分124除了一或多个熔吹纤维层之外还可包括那些额外的材料/层。
基料110还可结合一个或多个元件，诸如一基本平行于基料110的分离边112和114而延伸的纤维或丝线128。合适的元件128例如包括单丝线、纺线、带子等。该附加的元件128可设置用来提高基料110的强度或提供一根可让基料110沿着它撕断、折叠等的线。
如果中间部分124中除熔吹纤维以外的材料和/或元件128本身不能与多层熔吹纤维质基料110的其余部分中的熔吹纤维相互连接或粘结，则可能需要提供一或多种质剂或进行其它的工艺步骤(诸如熔接)以有助于将熔吹纤维粘结于这些材料。例如，可能需要提供粘合剂、树脂等以有助于将熔吹纤维层120和122充分连接于中间部分124和/或128中除熔吹纤维以外的材料和/或元件128。代替这些质剂或是除此以外，多层熔吹纤维质基料110的中间部分124可包括至少一些熔吹纤维，以有助于抓持、粘结或缠结多层熔吹纤维质基料110中除熔吹纤维之外的材料。
本发明的多层熔吹纤维质物品，诸如延伸示于图1中的物品18，可结合于多种不同的产品中，在这些产品中可以利用本发明的物品的特性。其中可以结合多层熔吹纤维质物品的一种产品是佩戴于人的呼吸通道上的面罩，它用于防止杂质进入佩戴者的呼吸道和/或避免其它人或东西暴露于佩戴者在呼吸过程中排出的病菌或其它杂质。正如与本发明一起所使用的那样，术语“面罩”是指适于同时起到这两个作用并包括呼吸器和过滤面罩的装置。
图4表示面罩16的一个实施例，它包括一多孔的面罩本体17和保持带19。面罩本体17可包括本发明的多层熔吹纤维质物品，作为用于过滤微粒的过滤介质。面罩本体通常包括一支承结构，诸如支承过滤介质的定形层。在其它的呼吸器中，面罩本体的大部分可由基本不透空气的材料构成(例如参见授予Burns等人的美国专利5,062,421，该专利描述了一弹性橡胶面罩，或参见授予Brostrom等人的美国专利Re 35,062)。在这些面罩中，可使用本发明的多层熔吹物品作为支承于过滤器芯子中的微粒过滤器。图4中所示具有杯形结构的面罩例如描述于授予Kronzer等人的美国专利5,307,796、授予Dyrud等人的美国专利4,807,619和授予Berg的美国专利4,536,440。本发明的面罩可采取其它的结构，诸如平面罩、其它的杯形面罩以及包括过滤组件的面罩。例如，可参见美国专利Re 28,102(Mayhew)、3,971,373(Braun)、4,215,682(Kubic等人)、4,419,993(Peterson)、4,547,420(Krueger等人)、4,729,371(Krueger 等人)、4,795,668(Krueger 等人)以及4,827,924(Japtunich)。
图5示出用于形成多层熔吹纤维质基料的一个装置的一部分。图5所示的该部分装置包括一收集器30，它提供一沿方向34围绕纵轴线32旋转的基本为圆柱形的表面。除了绕纵轴线32旋转外，收集器30的成形表面最好还沿纵轴线的长度朝箭头36方向纵向移动。因此，收集器30的成形表面上的任何选定点围绕和沿着纵轴线32沿一基本为螺旋形的图案从一第一收集器端42移动到第二收集器端44。
所示的该装置还包括一个熔吹纤维源38，它朝向收集器30的成形表面。该源38最好沿收集器30的至少一部分纵向长度而延伸，源38的一端靠近第一收集器端31，源38的另一端沿收集器30的长度而靠近第二收集器端33。
较佳的熔吹纤维源38是模具，但实质上也可使用任何其它的熔吹纤维源，包括毛细管、喷丝板等，但不局限于这些。较佳的模具将熔吹纤维沿大致平行于纵轴线32的一基本上直的线导向收集器30的成形表面。可以使用现有的技术将纤维引导至收集器30上，诸如在工业工程和化学第48卷1342-1346(1956)中Wente，Van A的“超细热塑纤维”、1954年5月25日出版的海军研究实验室第4364号报告中Wente，V.A.、Boone C.D.和Fluharty，E.L.的名为“超细有机纤维的制造”以及美国专利3,971,373(Braun)中所描述的技术。通常，纤维是通过一高速气流(一般为空气)而引导至收集器30的，该气流将挤出的材料细化为纤维。
一个较佳的收集器30包括一成形表面，该成形表面包括多个旋转的带子。带子旋转而使收集器30上所形成的基料朝第二收集器端33移动。
图6表示图5收集器30从图5中的6-6线的方向的一个视图。收集器30的成形表面包括许多旋转的带子40a和40b，它们在收集器30的外表面上沿箭头36所指方向旋转。换句话说，带子40a和40b从一第一收集器端31旋转到一第二收集器端33。
如图6A中所示，收集器30的成形表面由一系列交替的长带子40a和短带子40b构成，以给对驱动辊41a和41b传递动力所需的动力传递构件留出空间，这些驱动辊分别支承长带子40a和40b的端部。为更清楚地表示动力传递构件，带子40a和40b以相邻的平面关系表示，换句话说，就好象是圆柱体已展开。
如图所示，每个动力输入轴42包括一外驱动链轮43，它用于给一第一直角齿轮箱44输送动力，该齿轮箱包括一给驱动辊41a输送动力的输出轴45。齿轮箱44还包括一第二输出轴46，它给一同步皮带49输送动力，该同步皮带将动力传递至一传递轴48。传递轴48给一第二直角齿轮箱50输送动力，该齿轮箱包括一输出轴51，该输出轴转动驱动辊41b，从而驱动短带子40b。因此，在较佳的收集器装置30中，每个动力输入轴42驱动一条长带子40a和一相邻的短带子40b。
图6B中示出用于给动力输入轴42和相应的链轮43传递动力的构件，其中用一端视图来表示收集器30中的动力输入轴42和驱动链轮43的配置。驱动链轮43绕收集器30的纵轴线32而设置，如图6B中所示。带驱动链轮54绕纵轴线32转动，并通过两根与带驱动链轮54一起转动的链条55和56将动力传递给各驱动链轮43。带驱动链轮54最好在操作上连接于一驱动链轮57，该驱动链轮用一单独的链条59由一带驱动电动机58驱动。随着电动机58驱动链条59，驱动链轮57转动，进而转动带驱动链轮54。带驱动链轮54驱动链条55和56，这些链条通过驱动链轮43驱动动力输入轴42。
形成圆柱形连接器30的这组带子40a和40b利用主驱动链轮60而绕纵轴线32转动，该主驱动链轮通过驱动链条61从主驱动电动机62接收动力。主驱动链轮61在操作上连接于中心轴52，该中心轴的中心与纵轴线32一起延伸。带驱动链轮54和驱动链轮57最好安装于中心轴52，但它们利用设置在中心轴52与带驱动链轮54/驱动链轮57之间的轴承而独立于中心轴而旋转。
由于收集器30包括单独的用于沿纵轴线32驱动带子40a和40b并同时绕纵轴线32转动收集器30的驱动系统，因而可以控制由收集器30的成形表面上一选定点的运动所形成的螺线的螺旋角。或者，可使用一单个的驱动系统来驱动带子40a和40b以及收集器30绕纵轴线32的旋转，运动的相对速率之间的变化通过调节传动比来实现。然而，使用两个分离的驱动系统能够快速地改变该关系，而不会有停机时间。
最好在带子40a和40b的相邻边之间设置有一相对较小的间隙，使得当熔吹纤维从源38引导至收集器30的成形表面时，它们能够形成一熔吹纤维的自支承层。相邻带子40a和40b的边缘之间的最大间隙最好约为3毫米或更小。取决于形成熔吹纤维的材料、熔吹纤维的尺寸、在成形表面上的涂敷速率、熔吹纤维源与成形表面之间的距离、成形表面的温度等，也可以采用较大的间隙。
为了在相邻的带子40a和40b之间实现该较小的间隙，带子最好彼此嵌套。如图6C中所示，它是沿图5中的6C-6C线剖开的收集器30的局部放大剖视图，短带子40b在带子所形成的圆柱形的内表面上部分地设置在长带子40a内。
在仅包括一个熔吹纤维源38的装置中，多层熔吹纤维质基料中的层的数量是收集器30绕轴线32的相对转速、收集器30的成形表面沿方向36的平移速率以及源38沿轴线32在收集器30的成形表面上涂敷熔吹纤维的距离的函数。例如，如果需要具有约六个熔吹纤维层的多层熔吹纤维质基料，则与平移速率36相比，收集器30绕轴线32的相对转速最好为使得收集器30表面上的任一具体点在绕着和沿着收集器30螺旋运动的过程中通过源38与收集器30的成形表面之间约六次。改变上述任何一个或多个因素都可影响用本发明的装置和方法生产的任何多层熔吹纤维质基料中的熔吹纤维层的数量。
图7示意性地表示一管状多层熔吹纤维质基料280和上面形成基料的圆柱形收集器230。图7除了管状基料280外还示出了一熔吹纤维源238和一分离器270。管状基料280最好形成于一类似于上述收集器30的收集器230上。管状基料280在形成于收集器上的过程中沿纵轴线232朝方向236前进，同时绕轴线232旋转。收集器230在熔吹纤维源238下方同时的转动和纵向移动在管状熔吹纤维质基料280上形成毛边221和227，如图7中所示。第一毛边221的螺旋性质表示于图7中，其中在源238的上方，第一毛边221从源238最外侧或最左侧部分延伸出来，同时，在绕收集器转动后，该第一毛边221穿过源238的长度(沿轴线232)而位于一定距离处。同样，可以看到，在熔吹纤维源238的最右侧或相对端，与平的多层熔吹纤维质基料210相关的第二毛边227是从源238朝管状基料280的顶部延伸出来。
图7还示出一分离器270，它使管状熔吹纤维质基料280分离成一具有两个分离边212和214的平的或平面的基料210。分离器270在管状熔吹纤维质基料280上工作的角度θ基本等于由收集器230和所得到的管状基料280绕纵轴线232的旋转结合沿纵轴线232的平移236的关系所提供的螺旋角。该螺旋角也是毛边221和227相对于轴线232所走的角度。
虽然分离器270在图7中表示为靠近收集器230的一端，但按照本发明，分离器270也可以远离于收集器230。然而，即使远离于收集器230，分离器270最好也是如以上所讨论的使管状多层熔吹纤维质基料280沿一个基本平行于螺旋角的方向分离。
因此，平的多层熔吹纤维质基料210在分离边212和214之间具有基本恒定的宽度。另外，多层熔吹纤维质基料210还结合有由源238产生的毛边，该毛边本来应从基料上修整并处理掉。在图7的视图中可看到第二毛边227，而第一毛边则位于多层熔吹纤维质基料210的相对表面上。
在分离器270进行分离操作后，平的多层熔吹纤维质基料210既可缠绕成卷以便用于其它加工，也可直接输送入一使用多层熔吹纤维质基料的制造程序。由于基料210具有两个分离边212和214，因而无须如上述那样进一步修整边缘或处理废料，从而便于将其用于这种一列式制造过程中。
分离器270可以为许多不同的形式，实质上本发明可采用任何能够分离基料的装置。切断器形式的合适分离器270例如包括刀具、激光、水射流、超声波触头、热线、火焰等，但并不局限于这些。其它可以使用的分离器包括转模、激光、水或流体射流以及设计成使一管状多层熔吹纤维质基料沿一螺旋形路线分离的其它装置或操作。
图7还示出一真空源290，它连接于一位于收集器230一端的歧管292。歧管292通过管线294连接于真空源290。歧管292最好设置在收集器230的基本为圆柱形的成形表面的一端处。基料280最好在真空源290所提供的略微的空气负压下形成于收集器230上，以有助于去除通常用于将熔吹纤维导向收集器230的成形表面的空气和其它气体。成形表面最好是透气的，因此，成形表面所形成的容积内的负压条件可通过成形表面与外面相通。
收集器230上所产生的平的多层熔吹纤维质基料210包括多个熔吹纤维层，其中毛边221和227在分离边212和214之间结合于基料210中。然而，毛边221和227的实际位置可根据许多因素而变化。
图8A-8C示出了由收集器装置230的运作所形成的平的多层熔吹纤维质基料210内的多种可能的关系。由熔吹纤维源238所形成的各个层的宽度(沿纵轴线232测量)至少应与成形表面上的一个点在成形表面转动完整一圈过程中所走过的距离一样长。换句话说，成形表面上的一个点在成形表面转动完整一圈过程中所走过的距离有时称作旋进速率。如果各熔吹纤维层的宽度小于该旋进速率，则诸层之间在纵向方向上会产生间隙。为简化起见，在以下的讨论中，熔吹纤维层的宽度假定等于熔吹纤维源238的长度。然而，成形表面上的熔吹纤维层的实际宽度会因不同的制造技术而不同于熔吹纤维源238的长度，这些技术涉及到气流方向等。
毛边之间的空间关系以及毛边在分离边之间的位置会根据熔吹纤维源238沿纵轴线232的长度与平的多层熔吹纤维质基料210在分离边之间的最大宽度w相比的关系而变化，其中基料210的最大宽度根据收集器的旋进速率而确定。基料210的最大宽度是在基料210可分离成两个或更多个较窄基料的条件下才涉及的，只要较窄基料的累积宽度不会超过最大宽度w，该最大宽度是稳态运作条件下旋进速率的一个函数。
图8A中所示的基料210包括通过基料210的厚度而彼此直接位于另一个上方的毛边221和227。在该结构中，源238(图7)的纵向长度l(见图7)与基料210的宽度w的比是一整数关系，换句话说，l∶w约为1∶1、2∶1、3∶1等。
图8B表示毛边221’和227’的对齐可发生在基料210’宽度上的任何点，它仅由分离器270进行管状基料280分离的最初位置确定。基料210’也由一种熔吹纤维源纵向长度与基料210’宽度w’之比为整数关系的体系来形成，也就是说，该比为1∶1、2∶1、3∶1等。
在熔吹纤维源纵向长度小于分离出的基料宽度的情况下，毛边之间可获得不同的关系。如图8C中所示，多层熔吹纤维基料210″包括穿过基料210″分离的毛边221″和227″。为获得具有分离毛边221″/227″的基料210″，基料宽度w″小于熔吹纤维源纵向长度。毛边221″/227″不通过基料210″的厚度而竖直对齐，这是因为熔吹纤维源238(图7)的纵向长度与基料210″的宽度w″之比不是整数关系。也就是说，该比例如为1.6∶1、2.2∶1、3.1∶1等。
虽然示出了例如使用一个熔吹纤维源的各种不同的装置和方法，但本发明也可使用一个以上熔吹纤维源来实施。另外，可通过增加其它材料源而将其它不同的材料结合于本发明的多层熔吹纤维质基料中。
在图9中示出了一个这样的变型，其中用一熔吹纤维源338在一旋转平移收集器330上涂敷熔吹纤维。还示出一辅助源390，它在收集器330的一部分成形表面上涂敷一不同的层392。由于在收集器表面330上已涂敷有一部分管状多层熔吹纤维质基料，因而由辅助源390提供的附加材料392有利地位于至少一个熔吹纤维层的顶部。另外，由于辅助源390不到主熔吹纤维源338的右端就终止了，因而层392在再至少一次通过熔吹纤维源338下方时，其顶部上便涂敷一熔吹纤维外层，然后到达分离器370，在那里管状基料380沿螺旋角而分离，从而形成一具有分离边312和314的平的多层熔吹纤维质基料310。
图9中所示的装置和工艺可用于生产类似于图3所示基料110的基料。在这种状况下，由辅助源390所提供的材料可以不同于由主源338所提供的熔吹纤维。例如，辅助源可涂敷活性炭、在管状基料380内形成一隔膜所需的材料等。或者，辅助源390也可仅提供熔吹纤维，以有助于在纵向长度较短的收集器中提供层数增加的多层熔吹纤维质基料。用一或多个熔吹纤维源制造的多层熔吹纤维质基料中可引入的其它变化包括基料颜色的变化、纤维成分的变化、纤维尺寸和/或在基料厚度上的分配的变化以及其它。
图10中示出了一种用于提供分级密度多层熔吹纤维质基料410的方法，其中用一收集器430与三个熔吹纤维源438a、438b和438c(统称为源438)相结合。每个源438朝向收集器430的一不同的部分，并在管状多层熔吹纤维质基料480上形成一不同的层。虽然所有的源438可提供具有相同特性的熔吹纤维，但使每个源438提供具有不同特性的熔吹纤维是有利的。在这种状况下，由每个源438所形成的层可具有不同的密度、不同的纤维成分或其它特性。如果每个熔吹纤维层具有与相邻层不同的密度，则可使用装置430来制造分级密度多层熔吹纤维质基料410，其中由各熔吹纤维源438产生的毛边结合于基料410本身中，正如以上所讨论的。
当需要以一列方式来加工基料时，文中所描述的形成多层熔吹纤维质基料的方法的连续性就尤为有利。图11示出了这样的一个系统，其中收集器530结合转化工位540和550一起使用。收集器530所产生的基料510被直接导入第一转化工位540，在那里进行一或多个附加的转化操作，以通过一列式程序生产多层熔吹纤维质物品518，诸如面罩或其它物品。
前面的具体实施例是用于说明本发明的实施。不采用本文所具体描述的任何构件或内容，也可以适当地实施本发明。所有的专利、专利申请和出版物的完整的揭示都作为参考援引于本文中，正如单独引用一样。
在不脱离本发明的范围的情况下对本发明的各种变型和修改对于本技术领域的技术人员来说是显而易见的，应当理解的是，不应将本发明不适当地局限于文中所述的那些示例性实施例。
权利要求
1.一种制造熔吹纤维质基料的装置，所述装置包括(i)一收集器，它包括一基本为圆柱形的成形表面，所述成形表面可绕一纵轴线转动，并可同时平行于所述纵轴线移动，使得所述成形表面上的一选定点可围绕和沿着所述纵轴线按一螺旋形图案从所述收集器的一第一端移动到所述收集器的一第二端，所述螺旋形图案相对于所述纵轴线限定一螺旋角；(ii)一能够将熔吹纤维导向所述成形表面的源；以及(iii)一分离器，它可使形成于所述成形表面上的管状熔吹纤维质基料沿一基本平行于所述螺旋角的方向分离，从而将所述管状熔吹纤维质基料转化成非管状熔吹纤维质基料。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还包括一可使所述收集器的所述成形表面绕所述纵轴线转动的第一驱动系统和一可使所述成形表面沿所述纵轴线移动的第二驱动系统，使得所述收集器的转速可独立于纵向移动速度而控制，从而改变所述螺旋角。
3.如权利要求1-2所述的装置，其特征在于，所述源包括一能够挤出微纤维的模具。
4.如权利要求1-3所述的装置，其特征在于，它还包括一将一第二材料导向所述收集器的所述成形表面的辅助源。
5.一种制造熔吹纤维质基料的方法，所述方法包括提供一收集器，它包括一基本为圆柱形的成形表面；使所述成形表面绕一纵轴线转动，同时使所述成形表面平行于所述纵轴线移动，使得所述成形表面上的一选定点围绕和沿着所述纵轴线按一螺旋形图案从所述收集器的一第一端移动到所述收集器的一第二端，所述螺旋形图案相对于所述纵轴线限定一螺旋角；在所述成形表面转动和纵向移动时，将熔吹纤维导向所述成形表面，其中在所述成形表面上形成一管状熔吹纤维质基料；并且使所述管状熔吹纤维质基料沿一基本平行于所述螺旋角的方向分离，从而将所述管状熔吹纤维质基料转化成非管状熔吹纤维质基料。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述选定点沿所述成形表面的整个纵向长度移动所需的时间内，所述成形表面上的所述选定点绕所述纵轴线转动至少约两次。
7.如权利要求5-6所述的方法，其特征在于，所述熔吹纤维是微纤维。
8.如权利要求5-7所述的方法，其特征在于，它还包括将永久性电荷施加到微纤维之中，以产生一带电荷的基料。
9.一种制造过滤器的方法，它包括将权利要求8的带电荷基料设置于一支承结构中。
10.一种制造面罩的方法，它包括权利要求9的方法，其中所述支承结构是一杯形多孔结构。
11.一种多层熔吹纤维质基料，它包括多个互相连接的熔吹纤维层，至少一个熔吹纤维层包括一毛边；以及两个分离边；其中，所述毛边位于所述分离边之间，并且所述分离边和所述毛边基本彼此平行。
12.如权利要求11所述的基料，其特征在于，所述各熔吹纤维层中的所述熔吹纤维限定一机器方向，并且所述各熔吹纤维层的所述机器方向彼此平行。
13.如权利要求11-12所述的基料，其特征在于，所有的所述熔吹纤维层包括一毛边，并且所述毛边平行于所述基料的所述分离边。
14.如权利要求11-13所述的基料，其特征在于，所述多个熔吹纤维层包括至少一个位于两个不同的熔吹纤维层之间的中间熔吹纤维层。
15.如权利要求11-14所述的基料，其特征在于，所述基料包括至少三个位于第一和第二层之间的中间层，所述第一和第二层各包括一毛边。
16.如权利要求11-15所述的基料，其特征在于，所述纤维层含有带电荷的微纤维。
17.一种面罩，它构制成至少配合于佩戴者的鼻子和嘴巴上，其上设置有一过滤元件，使得需要吸入的空气在被吸入之前通过所述过滤元件，所述过滤元件包括权利要求16的基料。
全文摘要
多层熔吹纤维质基料以及形成该基料的装置和方法。该基料产生于一旋转的收集器上,该收集器还平行于其纵轴线而移动。因此,基料形成于一螺旋过程中,所得到的管状基料沿一平行于一螺旋角的方向分离。通过使管状基料沿一平行于螺旋角的方向分离,可提供一平的多层熔吹纤维质基料,它可以含有在物品制造过程中形成的毛边。
文档编号D04H3/07GK1342229SQ99812694
公开日2002年3月27日 申请日期1999年2月25日 优先权日1998年10月28日
发明者M·R·贝里根, J·F·迪鲁德, S·C·埃里克森, L·E·埃里克森 申请人:美国3M公司