专利名称：对吸音天花板贴砖产品有用的低密度非织造材料的制作方法
技术领域：
本领域涉及一种非织造材料，并且具体地是一种低密度非织造材料，它对提供热和声绝缘是有效的，适合用作吸音天花板贴砖。
背景技术：
常规的吸音天花板 贴砖是一种非织造结构，包括一个由基础纤维组成的内芯以及相结合的填充剂和粘合剂，以便形成天花板贴砖结构。这些基础纤维通常是矿棉或玻璃纤维。这些填充剂可以是珍珠岩、粘土、碳酸钙、纤维素纤维，以及类似物。这些粘合剂典型地是纤维素纤维、淀粉、胶乳、以及类似物。在干燥时，粘合剂与基础纤维和填充剂形成粘合以形成一个纤维网络，这个纤维网络为贴砖提供了结构刚性并形成了吸收声音的多孔结构。为了用作一种典型的天花板贴砖，该非织造结构或基础毡片应该是基本扁平的并且是自支持的以便被悬吊在一种典型的天花板贴砖格栅或类似的结构中。为了使非织造结构适合于吸音天花板贴砖应用，这些非织造结构还需要符合与噪声减低和防火等级相关的不同的行业标准以及建筑法规。例如，行业标准要求天花板贴砖具有根据ASTM E84的A级防火等级，该等级总体上要求火焰蔓延指数小于25并且烟雾发展指数小于50。关于噪声减低，行业标准典型地要求吸音天花板贴砖具有的、根据ASTM C423的噪声减低系数(NRC)为至少约O. 55。吸音天花板贴砖通常由使用水性介质来输送这些贴砖组分并将其形成为所希望的结构的湿法成网法来成形。这种基本的过程涉及首先将不同的贴砖成分共混成一种水性浆料，将该浆料输送到一个流浆箱成形站，并且将浆料分布在一个移动的、多孔的线网上成为一种具有所希望的大小和厚度的、均匀的毡片。去除水并将该毡片干燥。可以通过切开、穿孔、向该贴砖涂覆和/或层压一个面层来将该所干燥的毡片最终处理成这个天花板贴砖结构。在该湿法成网法中，水充当了这些不同的贴砖成分的输送介质。然而，在对高的生产速度和使用低成本原材料(例如再利用的新闻用纸纤维、再利用的皱纸、零碎的聚酯纤维、棉短绒、废织物、以及类似物)的能力方便的同时，用水来制造吸音天花板贴砖显现了多个缺点，这些缺点使这种工艺及所形成的产品不甚理想。该湿法成网法使用了大量的水来输送这些组分并使其形成该天花板贴砖结构。该大量的水必须在最后从产品中去除。因此，大多数湿式法通过一个或多个步骤的自由或重力排水、高或低真空、压缩、以及蒸发来调节水的去除。不幸的是，这些方法步骤必然引起大的能量需求来输送并去除这些水。照这样，运用大体积的水来形成贴砖、连同随后对这些水的去除和蒸发致使这种典型的湿法成网法因为高的设备及运行成本而是相对昂贵的。使用一种湿法成网法也难以形成一种具有高的吸声特性的吸音天花板贴砖。在一种湿法成网法中，所形成的天花板贴砖由于该湿法成网配方中的这些成分的性质而倾向于具有一个密封的表面。具有一个密封表面的天花板贴砖一般会具有效率较低的隔音层，因为该贴砖是孔隙较少的，这致使该贴砖比较不能够吸收声音。该密封的贴砖表面实际上可能反射声音，这在吸音天花板贴砖中是一个不希望的特征。
相信这些不希望的吸声特征会由于该湿法成网法中典型地使用的这些贴砖成分的亲水性质而发生。纤维素纤维(例如，再利用的新闻用纸)，在天花板贴砖中常用作低成本的粘合剂和填充剂，是高度亲水性的并且吸引了大量的水。一部分是由于此类亲水性组分，湿法成网的贴砖典型地具有约65百分比至约75百分比的高的入口湿度含量(tipplemoisture content)(即，该板直接在进入干燥烘箱或烘干炉之前的湿度水平),这增大了在干燥过程中蒸发的需要。其结果是，在干燥过程中因为水从这些亲水性组分中被去除，在这些贴砖成分上产生了高的表面张力。水，一种极性分子，赋予了其他组分表面张力。这种表面张力一般会造成该贴砖表面由一种较少的有孔隙的结构来密封。据信这种表面张力会将贴砖中的要素彼此拉近在一起，从而在该方法中使其结构致密化并封闭这些贴砖孔隙。因此，湿法成网生产的天花板贴砖要求进一步的处理来将贴砖穿孔，以实现可接受的噪声减低。因此，尽管由于提高的生产速度以及使用低成本材料的能力，湿法成网法是可接受的，但是当产品要求声学特性时，使用水作为一种输送介质致使该方法以及所得到的产品是成本效益较小的。在某些情况下，在吸音天花板贴砖中还可以使用一种胶乳粘合剂，并且它在使用矿棉作为基础纤维的湿法成网法中经常是优选的。然而，胶乳一般是天花板贴砖配方中所 采用的最昂贵的成分，因此，所希望的是限制这种相对高成本成分的使用。在天花板贴砖中常用的其他粘合剂是淀粉以及如以上描述的纤维素纤维。然而，淀粉和纤维素是亲水性的并且趋向于在处理过程中吸引水并且产生以上描述的高表面张力的问题。用湿法成网法制造的吸音天花板贴砖的一个常见缺点是通过上述机理这样形成的贴砖总体上导致了更高的密度。高密度通常是与高气流阻力相关联的，这损害了吸音作用。典型地，取决于组成，用常规的配方制造的贴砖具有约121bs/ft3至201bs/ft3的密度。取决于具体的组成，它们还具有约O. 55到约O. 80的噪声减低系数(NRC)。对于具有类似组成的基础毡片，更低的密度常常造成更低的气流阻力或更高的孔隙率，因此改进了吸音作用。然而，如果组成不同，那么密度与孔隙率的相关性就不一定如以上所陈述的。已经开发出了替代性的粘合纤维，但是此类替代性的纤维仍然是用亲水组分制成的，并且因此可能展现出与现有的天花板贴砖成分中发现的相同的缺点。例如，美国专利号6，818，295和6，946，506以及美国公开号2005/0026529描述了具有多个微纤维的、精细地被拉细的纤维。这些参考文献的发明人提出，这些微纤维机械地加固了一种非织造材料，从而提供了改进的拉伸强度。然而，参考文献中的这些纤维仍然是使用淀粉基体来构造的，这提供了一种将这些组分粘合到一起的天然聚合物。在这些情况下淀粉是重要的，因为它允许所形成的任何材料是可生物降解的。然而，如果在这些参考文献中描述的淀粉被用于形成天花板贴砖，因为淀粉的亲水性质，所形成的贴砖将展现出与在湿法成网的贴砖中发现的相同的缺点。也就是说，如上所述，预期淀粉基体将在除水过程中产生高的表面张力，并且倾向于形成一个密封的表面，从而降低了贴砖吸声的能力。这些参考文献进一步提出，可以将淀粉基体从该纤维结构中除去而只使用微纤维。然而，在这样的情况下，如果在天花板贴砖中只使用单独的微纤维而没有基础纤维结构的帮助的话，它们将不会提供一种充分结合的基体和强度以便作为天花板贴砖结构中的一种有效的粘合剂而起作用。因此，对于具有极少亲水组分的、扁平的、自支持的、并且适合在吸音天花板贴砖的行业标准(即，热特性和声学特性两者)下使用的、满足用户手工可切性期望的低密度非织造的结构有一种需要。
发明内容
总体而言，提供了一种低密度非织造材料，它包括一种无机基础纤维和一种合成的热粘合性纤维。通过一种途径，该低密度非织造材料能够形成一个内芯或基础毡片，该内心或基础毡片具有一个预先确定的基础重量和低的密度足以提供一种基本扁平的、刚性的并且自支持的材料，该材料能够提供的热和声音特性足以被用作一种吸音天花板贴砖。在此使用的术语扁平的或扁平是指，当将一个2英尺长的板放置在一个格栅上时，中间部分的挠曲量。例如，一个基本扁平的板可以具有约O. 25英寸或更小的挠曲量。如在本披露中所使用的，“低密度”总体上是指约101b s/ft3 (pcf)或更小，并且总体上在约7pcf到约13pcf的范围内。另外，如在本披露中所讨论的，“孔隙率”是由气流阻力而表示的量，并且可以根据ASTM C423和C386来测试。此外，本披露考虑了，使用在此描述的方法制成的贴砖的优选厚度总体上处在约O. 5英寸到约I. O英寸的范围内。
具体实施例方式以举例的方式而言，该非织造材料能够形成一种基本扁平或平面的、自支持的、防松弛的内芯，该内芯展示出根据ASTM C423至少约O. 55的噪声减低系数、具有根据ASTME84约25或更低的火焰蔓延指数以及约50或更低的烟雾发展指数的A级防火等级。即便密度较低，该内芯也优选展示出高的抗弯强度，但仍然可以被手工切割，如以轻的或极小的压力来使用普通的实用刀。在不同的实施方案中，无机基础纤维优选是矿棉、渣棉、石棉、或它们的混合物，它们优选具有按重量计最高约60百分比的、最优选按重量计在约10百分比到45百分比之间的渣球含量。如在此所使用的，矿棉渣球一般是指矿棉制造过程的一种副产品，它包括非纤维的、具有从约50微米到约500微米范围的直径的矿物微粒。适合的无机基础纤维是Thermafiber FRF牌的纤维(美国伊利诺州芝加哥市的USG Interiors, Inc.);然而,还可以使用其他无机基础纤维，例如玻璃纤维以及类似物。这些无机纤维优选具有从约O. Imm到约4_的平均长度，以及约I到约15微米的平均直径。通过一种途径，非织造材料的内芯包括基于重量约30百分比到约95百分比的石棉或渣棉。在不同的实施方案中，合成的热粘合纤维优选是一种单组分或双组分的合成纤维，当被加热到适当的温度时，这种纤维熔化或与周围的材料粘合。优选地，该非织造的合成材料包括基于重量约O. I百分比到约50百分比、并且最优选地约I百分比到约25百分比的合成单组分或双组分纤维。如在此所使用的，“合成的”是指一种用非天然来源的组分制造的纤维。例如，这些合成的热粘合纤维优选地由一种聚丙烯酸、乙烯乙酸乙烯酯、聚酯、聚烯烃、聚酰胺、酚醛树脂、聚乙烯醇、聚氯乙烯、或它们的混合物组成。这些材料一般具有从约100°C到约250°C的熔点。某些可以使用的合成的热粘合纤维由聚烯烃树脂组成，并且展示出至少一个组分的熔点为从约125°C到约136°C。也可以使用由聚烯烃树脂之外的材料组成的纤维，并且这些纤维可能提供更好的特性(如强度)但是它们有可能更昂贵。通过一种途径，优选的合成的热粘合纤维总体上是不可生物降解的并且基本上不含淀粉、蛋白质、以及其他天然出现的聚合物，这些聚合物在很大程度上是亲水的并且将造成在现有技术的纤维中发现的、不希望的表面张力特性。如在下面进一步讨论的，在此的这些合成热粘合纤维总体上是保持疏水性的，即便它被处理为具有亲水表面以便改进分散稳定性。相对于纤维的长度和直径而言，优选的合成的热粘合纤维具有高的表面积，以便提供高的粘合表面积。例如，优选的合成的粘合纤维具有小于3mm的平均长度(优选约O. I到约3mm)、小于50微米的平均直径(优选约5到约30微米)，但是具有大于约O. 5m2/克的、并且优选在约I与约12m2/克之间的大的表面积。这样的表面积约比可商购的单组分或双组分的热粘合纤维(I到6旦尼尔的纤维，它们通常具有在约O. I到约O. 4m2/克之间的表面积)大出一到两个量级。下面的表I示出了基于旦尼尔和密度的、标准的、可商购的、无原纤维组织的纤维的表面积清单。例如，如在图表中示出的，如果一根纤维具有3旦尼尔的单纤维以及O. 95g/cm3的密度，那么标准的、无原纤维组织的合成纤维的表面积将是O. 199m2/g。表I
权利要求
1.一种吸音天花板贴砖，包括 一个基本平面的、自支持的非织造内芯，该非织造内芯包括一种无机基础纤维和一种合成的热粘合纤维； 该合成的热粘合纤维具有约3mm或更小的平均纤维长度、约30微米或更小的平均纤维直径，以及约0. 5m2/克到约15m2/克或更大的粘合表面积；并且该内芯的密度为约7pcf到约13pcf或更小； 其中该吸音天花板贴砖展现出至少约0. 55的噪声减低系数。
2.如权利要求I所述的吸音天花板贴砖，其中该合成的热粘合纤维具有一个主体部分和多个从该主体部分延伸出的微纤维，并且其中该主体部分与该多个微纤维的一种组合提供了该粘合表面积。
3.如权利要求2所述的吸音天花板贴砖，其中这些微纤维具有在从约0.I微米到约10微米范围的微纤维直径。
4.如权利要求2所述的吸音天花板贴砖，其中多个合成的热粘合纤维组成了按该内芯重量计的约0. I百分比到约50百分比。
5.如权利要求I所述的吸音天花板贴砖，其中该合成的热粘合纤维是由选自下组的一种材料形成的，该组由以下各项组成聚丙烯酸、乙烯乙酸乙烯酯、聚酯、聚烯烃、聚酰胺、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛、脲甲醛、聚乙烯醇、聚氯乙烯、及它们的混合物。
6.如权利要求I所述的吸音天花板贴砖，其中该合成的热粘合纤维具有在从约100°C到约250°C的范围内的熔点。
7.如权利要求I所述的吸音天花板贴砖，其中该合成的热粘合纤维是一种双组分纤维。
8.如权利要求7所述的吸音天花板贴砖，其中该双组分纤维的一种组分的熔点是实质上高于其另一个组分的熔点的。
9.如权利要求I所述的吸音天花板贴砖，其中该内芯具有根据ASTME84的、和小于约25的火焰蔓延指数以及小于约50的烟雾发展指数的A级防火等级。
10.一种吸音天花板贴砖，包括 一个基本平面的且自支持的非织造内芯，该非织造内芯为多个无机基础纤维和多个合成的热粘合纤维； 从这些合成的热粘合纤维的外表面延伸出的多个微分支，如果与一种尺寸类似的未分支的纤维相比，这些微分支提供了相对于其长度和直径而言增大的粘合表面积；并且该内芯的密度为约7pcf到约13pcf ； 其中该吸音天花板贴砖展现出至少约0. 55的噪声减低系数。
11.如权利要求10所述的吸音天花板贴砖，其中这些合成的热粘合纤维具有约3mm或更小的平均纤维长度、约30微米或更小的平均纤维直径，以及约0. 5m2/克到约15m2/克或更大的粘合表面积。
12.如权利要求11所述的吸音天花板贴砖，其中这些合成的热粘合纤维组成了按该内芯重量计的约0. I百分比到约50百分比。
13.如权利要求11所述的吸音天花板贴砖，其中这些合成的热粘合纤维是基本上疏水的。
14.一种形成吸音天花板贴砖的方法，该方法包括 制备一种包括多个合成的热粘合纤维以及多个无机基础纤维的水性浆料，这些合成的热粘合纤维具有从其外表面延伸出的多个微分支以便提供一个粘合表面积； 将该水性浆料形成为一种非织造材料，该非织造材料具有基本平面的且自支持的、高达约7pcf到约13pcf的内芯；并且 将该内芯形成为该吸音天花板贴砖，从而展现出至少约0. 55的噪声减低系数。
15.如权利要求14所述的方法，其中该水性浆料具有按重量计从约I百分比到约15百分比的内芯固体含量。
16.如权利要求14所述的方法，其中将该水性浆料在约30°C到约70°C的温度下进行掺混。
17.如权利要求14所述的方法，其中这些合成的热粘合纤维具有约3mm或更小的平均纤维长度、约30微米或更小的平均纤维直径，并且其粘合表面积是至少约0. 5m2/克到约12m2/ 克。
18.如权利要求14所述的方法，其中这些合成的热粘合纤维包括基本上疏水的热粘合纤维。
19.如权利要求18所述的方法，其中这些基本上疏水的热粘合纤维具有足以允许在该水性浆料中分散的亲水表面。
20.如权利要求17所述的方法，其中这些合成的热粘合纤维包括基本上疏水的热粘合纤维。
全文摘要
在此提供了一种非织造材料，该非织造材料可以形成为一种吸音天花板贴砖。该材料包括一个基本平面的且自支持的内芯，该内芯为一种无机基础纤维和一种合成的热粘合纤维。该合成的热粘合纤维优选具有增大的粘合表面积，这改进了粘附性和孔隙度，以便提供一种具有低密度的基础毡片或内芯，从而提供吸音天花板贴砖所要求的声音吸收作用。
文档编号E04B1/86GK102713100SQ201080026873
公开日2012年10月3日 申请日期2010年7月2日 优先权日2009年6月18日
发明者B·曹, D·S·米勒, W·D·宋, 俞清 申请人:Usg室内建材公司