采用力模型控制织物灌封的工艺配置的系统和方法

专利名称：采用力模型控制织物灌封的工艺配置的系统和方法
技术领域：
本发明涉及引入充分的能量以可控且可选择地将聚合物复合物置于多孔织物中 的方法和设备。本发明更具体地涉及将可固化的、具有剪切稀化性质的聚合物复合物受控 地布置于织物中的方法和设备。用受控方式，经由聚合物的能量受控制的、粘性和流变能力 改善的布置，所述受控的布置通过1)在织物表面施加聚合物复合物，2)使复合物剪切稀 化并将其置入织物中以及3)使聚合物复合物固化而优选地进行。这种方法和设备生产出 的织物，其部分纤维或结构单元被聚合物复合物灌封，同时至少织物的部分空隙空间是开 放的；或者其含有一内层，该内层在一个与其至少一个主表面大体间隔开的方向上在织物 内伸展；或者其既有被灌封的结构单元又有聚合物复合物的内层。
背景技术：
人们总在持续地努力改善织品的性能特性。所关心的特性的范围从可定量的特 征，例如耐水性/拒水性、耐火性和附着性表现到主观特性，例如舒适性。从历史上来看，沿 着两种不同的途径来改善性能新纤维的开发和现有纤维的表面改性。开发新型纤维耗资 巨大并且通常需要重新学习如何制造产品或为不同材料更新设备。表面改性是试图达到期 望的性能而同时使对现有工艺的改变和成本增加最小化的尝试。有很多理由去研究材料的表面改性，其中毫无疑问包括为了具有由基础纤维贡 献的本体机械特性，以及由少量的材料赋予的不同的表面特性，所述少量的材料不会使所 述纤维的机械特性退化。从经济立场，即，考虑到基础纤维没有改性剂那样昂贵，可得到同 样的观点。表面改性所遇到的困难包括耐用性、经济上的可行性和工艺处理是否环保。从本质上讲，有三种不同物理类型的表面改性。第一种类型是改性剂通过共价键 与基底材料的表面以化学方式结合。这可通过许多方式达到，例如通过浓缩或高能加成反 应化学接合到基底的表面中，或者通过氧化掉基底的同时留下共价结合的改性表面。共价 结合的改性剂通常是最耐久的表面改性，不过，为获得在基底上的接合所要经过的时间期 是极长的。表面改性的第二种类型是改性分子(或分子的一部分)与基底材料的关联或 由基底材料捕捉。改性分子与基底的这种混合利用了分子吸引力，例如范德华(Van der Waals)力、偶极/偶极相互作用、氢键结合等等，以及位阻因素，以在基底表面的内部或上 面保持改性剂。影响这类反应的因素与那些影响热熔染色或光泽整理的因素相同。改性的 第三种类型包括基底仅仅分别通过改性剂与基底间，或改性剂自身间的粘性和粘着力保持 改性剂。在纺织界这是最普通的表面改性类型。在纺织技术中，传统的精修，或者大致地说通过浸泡、涂布或层压实施的改性，有 着固有的限制。对100%固体、溶剂溶解的固体或水乳浊液应用的浸泡可通过使织品从浴槽中经 过，然后使其干燥来进行。100%固体应用通常使用低分子量材料(具有对处理来说足够低 的粘性)，其倾向于产生具有低劣机械特性的改性；或者使用高分子量材料，其一般不能给 出对基底最佳的渗透性。溶剂处理有环境和经济方面的问题，例如溶剂的去除、挥发性有机
5化合物(VOC)的去向以及许可证，若能继承，许可证也有费用，若不能继承，获取许可证也 变得更加困难。如果改性剂的表面张力(Y)低于基底(例如，耐久排水体-DWR)，那么溶剂 和乳化处理均被热动力驱动以产生因为基底浸湿困难造成的低表面覆盖率，(大于零接触 角_ θ )。假使基底的表面被改性剂浸湿了，这些技术仍然需要去除溶剂或含水介质，因为它 们易于导致聚合物网络的缺陷，其表现为改性剂/基底结合物的机械特性降低。涂布应用可以是蓄意的或通过对基底的渗透不良的浸泡来形成。涂布可以是一面 的或两面的，但是涂布易于导致在织品Z方向上的阶梯梯度，这与均质材料或连续梯度的 情况相反。阶梯梯度有特定的固有缺陷。附着主要来源于表面力，其小于在最佳的机械互 锁，并且有时来源于改性材料的内聚强度对其有小到可忽略的贡献。其次，由于完全不同的 材料堆积在一起，复合物的合成触觉特性(也就是手感、下垂感等等)通常明显区别于基础
幺口品 /ΝΡΠ O层压利用粘接涂层来保持薄膜与织品表面接触。这种工艺的局限在于与粘合剂有 关的环境方面的问题(以及薄膜制备工艺中和任何其它部分相关的问题)，以及与涂覆同 样的，织品Z方向上阶梯梯度所导致的问题。在保证基底、粘合剂和薄膜之间的机械性能差 异的平衡时还会遇到额外的困难。例如，如果三种材料中的任一种的收缩超过了任一其它 两种材料的初始屈服应力，就会出现变形，如果其超过了极限拉伸拉就会出现复合材料的 分层。最后，最终材料的涂覆性能和层压性能都取决于附加的层，因此如果织品在实施涂覆 或层压之前易于吸水，那么该织品在涂覆或层压后仍然易于吸水。织品的水分吸收产生了 一种材料，当水分蒸发时，该材料使得穿着者感到不适。感到不适的机制在于通过蒸发热损 耗而丧失体内热量(“冰箱效应”)。

发明内容
根据一实施例，此处描述的一个灌封工艺有多达40个不同的变量，所述变量可被 改变以影响最终产品的性能。从历史上看，这一变量数目需要经验的，或者试错式的途径以 通过这种技术来开发产品。最近，采用更复杂的统计方法例如实验设计(DOE)来开发产品。 在进行DOE时，人们选择可通过可控的方式改变的“因素”(变量)，并测量“响应”(最终材 料的特性)。通过利用DOE的统计方法，人们可以仅仅运行所有可能实验条件中的一部分， 并且收集具有高置信度的产品性能相关信息。不过，尽管利用DOE技术，但针对此工艺的产 品开发仍需要进行极大量的实验，其占用大量的时间并耗用可观数量的资金。这又对于可 被开发的产品数量和这些产品到达最终消费者时的实际成本有负面的影响。通过其中实现变量减少的方法或工艺，灌封工艺的复杂本质可变得容易些。已经 考察了灌封工艺的大约40个变量。主变量和更高阶变量(相对于它们对产品性能的影响) 已经被识别出来。通过改变主变量，产品开发、改进和故障查找得以进行。此外，统计方法 (例如，实验设计(DOE))的使用与简化为主变量相结合，在使这项技术可重复、稳健和经济 上可行的道路上前进了一大步。主导量的识别已经通过实验观察并且“接受”这样的事实正确的变量已经被选 中。一些主变量没有被识别出来并且一些更高阶(少于主变量的)变量被选中的可能性是 存在的。第二点是，在DOE中实验数据点和重复数据点越多，结果的置信度就越高，而这要 求更多的时间和投资。而且，甚至已经选择了正确的变量，并且在高置信度上结果正确时，DOE也仅仅允许通过“内插”对行为的预测，即，在设计所确立的边界内。换句话说，人们不 应“外推”结果以在限定的设计空间外进行预测。为移动到下一水平的复杂性和高效性，需 要一种工具以解决这些固有的弱点。使产品开发、改进和故障查找更容易的新工具应该识别有限数量的工艺变量或变 量组合，所述变量或变量组合能够被控制、测量并用于预测产品性能。这些变量应该被确认 为是针对灌封工艺的主变量(有主要影响的)。需要某个最终的感兴趣的特性(性能)和 被识别出的变量间的相关关系的证明。最后，必须表明这些变量的变化与期望的最终特性 的响应之间的因果关系。根据一实施例，本发明给出一系统及方法，以采用基于经典牛顿力学的力模型来 控制灌封的过程。利用经典牛顿力学，灌封工艺可通过数学及几何术语加以描述。该描述 基于灌封工艺的力向量分析。由工艺参数间的交互作用产生的力可被计算出来，所述工艺 参数包括，但不限于织品结构、织品张力、聚合物粘性(η)、织品和刮刀间的进入角、织品和 刮刀间的脱离角、刮刀锋利度和线速度。根据本发明的另一个实施例，给出一种用灌封材料对织物进行灌封的方法。所述 方法包括确定要被灌封的材料的初始材料特性(例如重量、强度、孔隙度、织法等等)；利 用灌封系统的力模型确定工艺配置，所述灌封系统带有两个涂布刮刀的，每个刮刀均被配 置成当织物通过每个刮刀时，促使灌封材料对织物进行灌封，并且其中基于要被灌封的材 料的初始材料特性应用力模型；以及采用确定的工艺条件对织物进行灌封。在一实施例中， 两个涂布刮刀中的第一刮刀位于两个刮刀中第二刮刀的下游。在另一实施例中，所述方法还包括确定被灌封的织物的最后(最终)性能特性 (例如，透气性、静压头、附加重量(WAO)等等，并且其中基于织物的最终性能特性应用力模型。在另一实施例中，所述方法还包括限定灌封材料(聚合物)的特性(例如粘性、摩 擦系数等等)，并且其中基于灌封材料(聚合物)的限定特性应用力模型。在另一个实施例中，工艺配置包括第一刮刀的第一进入角、第一刮刀的第一脱离 角、第一刮刀的第一半径、第二刮刀的第二进入角、第二刮刀的第二脱离角、第二刮刀的第 二半径以及织物张力中的一个或多于一个。在另一个实施例中，力模型包括
_9]發二二 ;(1_一)，其中‘是在第二刮刀上垂直于织物的力，
Fni是在第一刮刀上垂直于织物的力，Θ n是第一进入角，Θ el是第一脱离角，ei2是第二进 入角，θ 是第二脱离角，μ是织物与刮刀间的摩擦系数。在另一实施例中，工艺配置被选择为使得Fn3大于Fni，其中根据被灌封织物的期望 特性选择Fni和Fn2。在另一个实施例中，第一和第二进入角与第一和第二脱离角的范围是25-85度。 第一和第二半径的范围是0. 00002-0. 00100英寸，且织物张力的范围是125-750磅。在另一实施例中，第一材料特性包括重量、强度、孔隙度或者织法配置，并且第二 材料特性包括灌封材料的粘性。在另一实施例中，灌封材料的粘性范围是100，000-1, 500, 000厘泊。
根据本发明另一实施例，一种灌封系统包括第一刮刀和第二刮刀，它们配置成使 灌封材料灌封织物，第二刮刀位于第一刮刀下游；用于支撑和促使织物通过第一和第二刮 刀的多个辊；力模型建模模块，其被配置成接收织物和灌封材料的特征；其中力模型建模 模块被配置成根据接收到的特征来生成运行参数，用于控制第一和第二刮刀中的一个或多 于一个以及多个辊中的一个或多于一个；控制模块，其被配置成实施生成的运行参数，使得 由第一刮刀施加第一力于织物上以及由第二刮刀施加第二力于织物上。本发明的方法和设备许可通过各种手段在织物的表面上施加聚合物复合物。当聚 合物被施加在织物表面时，聚合物复合物优选地立即被剪切稀化，以可控地和显著地减小 其粘性，并将其置入在织物内选定的位置。为帮助这一过程，优选地通常通过在发生剪切稀 化的地点拉伸织物使织物变形。通过创造双倍或者双重剪切稀化，这一变形使得聚合物复 合物进入织物变得容易。以织物为例，这可由以下因素的组合而产生刮刀的刀刃条件、工 程设计的可剪切稀化聚合物、织物的速度以及在纤维和细丝经过刮刀刀刃后立即随之而来 的，纤维和细丝的重定位。在织物内的聚合物复合物的受控放置可通过依照本发明的机器的基本实施例来 进行，即一个简单的涂胶器，以将粘性聚合物涂在织物表面，一对在织物的一段上施加张力 的工具以及压到受到张力的这一段上织物上的一刮刀。在张力下，织物被拉过刮刀，或者作 为替代，刮刀相对织物移动，并且刮刀产生的力导致聚合物复合物流入织物的三维基体，并 可控地被挤压出织物，同时留下灌封所选纤维的聚合物薄膜或聚合物内层，或者两者兼而 有之。在此之后织物上的张力被优选地释放，并且织物被固化。本发明包含新颖的方法和设备以制造织物、纤维和织品，这些产品带有特定的期 望物理品质，例如耐水性、增强的耐久性以及增强的阻挡品质，这是通过组合应用被灌封的 纤维和细丝以及伴随着表面化学改性或类似情况的透气的或孔径大小受控的内涂布而实 现的。这类织物、纤维和织品可被用来制备多种不同的产品，包括但不限于，地毯、特种衣 物、职业服装、用于诊断用途的生物工程表面以及室内装潢用品。通过采用本发明，可制造 出带有多种不同期望物理特性的织物、纤维和织品。本发明的方法和设备可处理那些有高内部精确性的、通常是平坦的或平面的织物 或织品。根据下面的详细描述，参考以示例的方式结合本发明实施例说明特征的附图，本 发明其它特征和其它方面将变得显而易见。本发明内容无意限制本发明的范围，该范围唯 一地被随后所附权利要求限定。


本发明，依照一个或多于一个不同实施例，参考下列附图加以详细描述。附图仅为 说明而给出并仅描述了本发明的典型或示例性实施例。给出这些附图以便于读者理解本发 明，并且，不应该将它们考虑为对本发明的宽度、范围或者适用性的限制。应注意到为了阐 述清晰和便利，这些附图没有必要遵照比例绘制。图IA-C是说明本发明可在其中实施的环境/设备的图示。图2-3是说明根据本发明若干实施例的力模型的图示。注意这两幅图，包括图 例，需要被换成两幅附加的图。
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图4是说明由图2-3中的力模型所生成的结果的图示。图5是说明根据本发明一个实施例的力模型的图示。注意这幅图，包括图例，需 要被换成一附加的图。图6是说明上面列出的、根据本发明实施例的一个或多于一个力模型所生成的结 果的图示。图7是说明根据本发明一实施例的剪切刮刀/剪切刀的压强模型的图示。图8-50是说明上面列出的根据本发明若干实施例的一个或多于一个力模型所生 成的结果的图示。图51是说明根据本发明的实施例对织物进行灌封的方法的图示。图52-53是说明根据本发明的若干实施例的织品灌封模型的图示。图54是说明上面列出的根据本发明若干实施例的一个或多于一个力模型所生成 的结果的图示。图示的目的不是穷举或将本发明限制于所公开的精确内容。应理解本发明在实践 中可以加以修正或改变，并且本发明仅被权利要求和其等同内容限定。
具体实施例方式下列描述是目前最佳的实现本发明的预期模式。本描述的目的在于说明本发明的 一般原理并且不应被认为是限制。在详细描述本发明之前，首先描述本发明在其中得以实施的若干示例环境是有用 的。给出根据这个示例性环境的描述是为了能够在一个示例性应用的背景中阐述本发明的 不同特征和实施例。读完本描述之后，本领域人士将明白如何将本发明实施于不同的和替 代的环境中。—个这样的示例是涂布或灌封系统，其用于涂布一卷材料，所述材料为，例如，织 品。图IA是说明一设备或环境100的示意图，在其中根据本发明的实施例实施本发明。参 考图1A，设备100包括连续的织物74，其沿着织物路径从供给辊76移动到卷紧辊77。设备 100还包括织物张紧装置75a-c、涂布或灌封工作站78、剪切刀或剪切刮刀101和102、拉幅 机118、烘箱119、检查模块123、力模型建模模块124和控制模块125。涂布工作站78被配置为利用聚合物涂料器，例如传统的逆转辊式涂布机81，将聚 合物复合物施加在织物74的上表面79上。在逆转辊式涂布机81中，聚合物复合物被涂 在(相对于织物74的行进方向)反向旋转的涂布辊82的表面上，聚合物复合物来自于形 成在涂布辊82和递送辊84之间的挤合区贮藏槽83 (其中递送辊84向着织物74的行进方 向转动，但是其表面不接触织物74)。在其通过工作站78时，织物74被横向压缩在涂布辊 82和主动辊86之间。因而，在一实施例中，在相对于面79的正压强下，聚合物复合物被涂 布辊82涂布，涂布辊82的作用是迫使复合物进入织物74。在一实施例中，涂布辊82有光 滑、度铬的表面。可替代地，聚合物复合物可在没有任何力的情况下被涂于织物74的上表 面79，而将受控放置和剪切稀化工作留给后续步骤或后续一系列步骤完成，例如，借助如下 所述剪切刮刀101和102的力完成。很大程度上为了控制将织物74对准辊82和86这个目的，织物74被张力调整装 置或张紧装置75预先张紧。在一实施例中，张紧装置75a是传统的织物离合机构(未给出细节)的部件，所述织物离合机构在限定于辊82和辊86之间的挤合区92之前为织物提供 选择性的张紧，其中介入旋转辊93用来导向织物74。张紧装置75a的另一个作用是，在织 物74进入涂布工作站78之前，使织物74平滑和伸展。通过挤合区92之后，织物74被可控地沿从挤合区92延伸到张紧装置75b的织物 路径纵向地张紧。在一实施例中，张紧装置75b是传统的织物张力调整和调节机构(未给 出细节)的部件，所述织物张力调整和调节机构为现场流水线操作员提供受控的调整，所 述调整许可尤其在从挤合区92到张紧装置75b的织物路径区域上的织物74的紧绷度的有 选择的控制。沿张紧的织物路径区域，织物74连续通过一系列处理区域98、99和121中的一个 或多于一个区域。虽然显示了三个加工工作站，但根据本发明，也可使用更多的或更少的工 作站。在工作站98和99的每一个上，大体上非挠性的剪切刮刀101和102分别横向伸展 穿过织物74，而织物74在正对着其上表面79和剪切刮刀101和102的各自刀刃的下表面 上完全没有受到支撑。为了控制刮刀101和102中每一个所独立施加的剪切力的大小和种类，织物74越 过每一刮刀边缘时和三个刮刀辊105、106和107接触。辊105-107的位置可相对于刮刀 101和102加以调整。刮刀101和102也可上下和有角度地调整。通过调整每一刮刀相对 于织物路径的竖直高度或者织物路径相对于每一刮刀的位置，可以控制每一刮刀对织物的 力。通过调整刮刀辊的竖直高度，可以控制剪切力和织物接触刮刀的角度。在一实施例中，刮刀辊105和106可以定位成使得辊105在刮刀101的引导侧，而 辊106在刮刀101的跟随侧，同时，刮刀辊106和107可以定位成使得辊106在刮刀102的 引导侧，而辊107在刮刀102的跟随侧。每一刮刀101和102相对于竖直方向的倾斜或者 翘起角度均可在一宽范围内调整，但目前优选的是，在织物74处于水平状态时，将每一刮 刀的倾斜角在相对于竖直方向的正负45度之间调整。在一实施例中，每一相应刮刀都分别 与刮刀后撑或保持器108和109从功能上关联在一起。每一支撑108和109都允许其关联 的刮刀101和102相对于支架(未显示)竖直地和成角度地定位。如图IA中所示，另一可调整的变量是织物下陷的角度，所述角度是织物在其越过 相对于刮刀101的相邻辊105和106的圆周边缘的路径上及在其越过相对于刮刀102的相 邻辊106和107的圆周边缘的路径上达到的。考虑到刮刀101或者刮刀102接触织物的位 置是假想点，刮刀101或者刮刀102相对于织物的角度在大约30度到大约140度之间。在一实施例中，剪切刮刀101和102能够有直的边缘以使得聚合物复合物剪切稀 化；但是，应意识到剪切刀或刮刀可以有其它形状，例如，弯曲的或环形的边缘(或刀刃)。 例如，当响应于在横向上施加的均勻经纱张力而处理横向通过的表现出差异化纵向伸展特 性的织物时，就有可能通过采用适当的弯曲剪切刮刀均衡施加于织物的剪切力，这种弯曲 剪切刮刀补偿了此类差异化的伸展特性。在一实施例中，剪切刮刀101和102可以有尖锐的、钝的或圆形的刀刃。优选的， 刀101和102具有的刀刃经过表面光洁处理以得到以均方根(RMS)计算来衡量的期望的均 勻性。在一实施例中，剪切刮刀101和102可由钢或者其它材料，例如，金属合金、非金属 复合物和诸如此类的材料形成。剪切刀优选地经过硬化处理或者其它的处理以减小磨损。
本领域技术人员应理解一个或多于一个剪切刮刀101和102对织物74所横向施 加的剪切力的量值是很多变量的函数，其中最重要的或首要的变量或许是聚合物粘性、纵 向织物张力和在运行期间剪切刀101和102相对于织物74的位置。在一实施例中，保持刮刀的低温度以防止聚合物复合物过早地固化。这可以通过 使冷却剂流经或者环绕并流过刮刀，或者通过本领域已知的其它手段达到。可替代的，如果 为了要求的实现特定的产品所必需的聚合物变化，而期望改善或者改变粘性或流变能力， 那么可以通过使加热的流体流经或者环绕流过刮刀的方法来加热刮刀。刮刀光洁度是重要的。在一实施例中，期望刮刀面和刀刃(或边缘)有着硬而光 滑的表面，以使聚合物发生剪切稀化并使摩擦最大化，或者选择性地在织物、聚合物和(多 个)刮刀间生成剪切力。在一些应用中，刮刀应该优选地在所有维度上保持刚性和具有最 小振动以获得一致的织物处理。在一实施例中，每个刮刀的角度都可以从竖直的位置转动士90°。为改变刮刀在 织物、聚合物和附加物上的剪切力和放置力(placement force)，提供调整设备以竖直上 下地和水平前后地移动刮刀。所有三个轴对于产生期望的控制都是重要的，所述控制促成 灌封的纤维和/或细丝、纤维和/或细丝上的附加放置和取向、可选的内层和灌封薄膜或 者内层的受控厚度。每一刮刀相对另一刮刀的横向放置也是很重要的，并且提供了设备以 允许每一刮刀向着或者背离彼此的横向运动。每一刮刀的横向放置控制着在前面的辊和 刮刀间织物的微小伸张和弹性摆动，因而在织物离开刮刀后立即控制织物，并控制柯安达 (Coanda)效应(也被称为“边界层吸附”，是指流体流附着留在凸起表面，而不是沿其原方 向直线运动的倾向)。在一实施例中，改变织物的张力可导致对织物内部的改变，例如，举例来说，织物 内层的位置、纤维灌封度以及灌封独立的纤维或细丝的薄膜的厚度。在刮刀的引导边缘上，织物被纵向地伸展并且聚合物同时地且动态地被剪切稀 化、被注入织物并部分地从织物中被抽出，因而留下了灌封的纤维和细丝或者内层。当织物 通过刮刀的引导边缘时，织物的弹性恢复力与纤维和细丝的松弛或者弹性恢复结合导致纤 维灌封和表面化学改性(或者涂覆)。这被认为是因为使独立的纤维和细丝散开而发生的。 或者纤维和细丝将聚合物从空隙空间中拉出，或者聚合物的流变力将其吸引到纤维和细丝 上，或者是两者的某个结合。最终结果是，当纤维和细丝移动或者断裂时，在空隙空间中的 聚合物移动到纤维和细丝处，因而产生了灌封的纤维和细丝。内层的厚度、深度和受控放置 是在刮刀的底表面处被决定的。较宽的刮刀导致了聚合物的较厚内层。进而，纤维伸展和 松弛的动力学(过程)提供了覆盖在纤维上的聚合物复合物薄膜灌封所必须的平均能量。当已经实现合适且优选的施加的剪切力水平和织物张紧用以生产有灌封或包封 的纤维和/或者内部涂层，或者具有这两者的产品时，人们通常可以在剪切刮刀101和剪切 刮刀102的区域听到一种独特的声音。当剪切刮刀被用于此处所描述的其它工艺的操作 时，这种声音也可在邻近剪切刮刀之处被听见。事实上，这种声音被操作者用来作为粗略的 指导，判断操作者是否正在以受控的聚合物放置成功地生产出包括包封的纤维和/或者内 涂层，或者这两者的产品。刮刀辊105也可起到补偿辊的作用，以在剪切稀化开始前机械地调整和控制织物 张力。而且，方便地且优选地，可用电子手段感测织物张力，并且然后辊105会被自动地提升或降下以完成织物张紧调整，从而保持织物74中预设的预定张力。设备100还包括挠性的所谓“挠性刮刀”或者安置“西班牙刮刀” 100。优选地，该 挠性刮刀10100的刀刃相对于通过这里的织物74倾斜一个角度，使得刮刀10100对织物74 的面79施加一个压力，同时织物74的反面103是完全没有支撑的。相对于(假想的)垂 直线的角度的范围是从大约30°到大约140°以用于挠性刮刀倾斜角度的调整，该(假想 的)垂直线延伸到从辊107的圆周边缘延伸到辊111的圆周边缘的(假想)直线中。为了 向挠性刮刀101提供可调整性，刮刀101在功能上关联安装支架或者后撑113，后两者相对 于方法和设备框架(未显示)也是可调的。在一实施例中，在离开张紧装置75b后，织物74处于减小的或者优选最小的张力 之中，并且，通过拉幅机118被导入烘箱119。在工艺中的这个点，织物中可能存在扭曲变形 或者其它缺陷。这些扭曲变形可被测量和观察到，并且，随后可调整拉幅机118以使得织物 在纵向上或在横向上拉直或整形，如对单独织物所期望的那样或对其认为必需的那样。如 果希望，那么拉幅机118可被自动操作以根据预先确定的程序，或者以类似的方式对织物 施加张紧力。但是，应理解，拉幅机不总是必需的或者说是期望的。可以根据本发明的原理 处理许多织物而不需要利用拉幅机或者其它横向张紧装置。在这种情况下，织物将从张紧 装置75b直接进入固化烘箱。拉幅机118还提供一个有限的纵向和横向张紧的新区域的起始，该区域从拉幅机 118沿着织物路径通过烘箱119向前延伸到一张力补偿器，此处所示为采用作为传统机械 张力补偿器配件的一部分的三个张紧装置75c，其在结构上和功能上类似于并入了前述张 紧装置75b的补偿器配件。在织物74通过烘箱119时织物74的纵向张紧可被用来控制织 物74，因为织物74依照织物尺寸限制通过烘箱119。选择这个张紧的程度，该程度不会在织 物中导致明显的织物扭曲变形，然而又避免了诸如来自热膨胀和延伸的织物下垂。辊(未 显示)可用于烘箱119中，以避免下垂和保持均勻受热。已发现，对很多应用来说，期望在 基本没有张力时使被处理的织物固化。优选的是，织物在松弛的状态下被固化，从而保留其 原始结构或者其原始结构的物理性质。这有助于保持正确的手感和最小化收缩。烘箱119起到固化选择性地置于织物74中的聚合物复合物的作用。烘箱119可 使用汽油或者其它能源来运转。此外，烘箱可利用辐射热、传导热、对流、微波能量或现有技 术已知的影响固化的其它合适的手段。烘箱119可从大约12码延长至大约20码固化温度的范围从大约华氏320°到大约华氏500°，期望的固化实施时间(根据 温度和聚合物复合物)从大约2分钟到大约30秒。如果在聚合物中存在固化促进剂，则固 化温度可降至华氏265°或者更低(而时间保持在所指示的范围内)。如果需要，替代烘箱，或者与烘箱结合，可采用辐射源(电子束、紫外光或类似物) 来完成固化。如果需要，可以不使用烘箱119的全部加热能力。例如，比起顶部和底部的组合加 热，仅仅使用与织物相关的顶部加热或者底部加热。卷紧辊77以与供给辊76大约相同的速度运转。当卷紧辊的旋转速度与供给辊的 旋转速度不同步时，辊121、122和123的张紧辊组合可用于卷紧织物或者减小织物下垂，根 据具体情况而定。织物传送速度可大范围变化，例如，从约每分钟2码到大约每分钟90码。当前的
12速度范围是从约每分钟35码到大约每分钟50码。如图IA所示，设备或环境100还包括一个或多于一个检查模块123、力模型建模模 块124以及控制模块125。检查模块可设置在环境100的各种位置，以测量或者获取织物和 其它材料，例如，举例来说，用于灌封织物74的材料的特征。例如，检查模块123可以被配 置成测量或估计织物74的各种特征，比如厚度、孔隙度、强度、温度和重量。检查模块123 还可以被配置成测量或估计灌封材料的各种特征，例如粘性和温度。这些测得的特征可被 送入力模型建模模块124中。力模型建模模块124被配置成根据织物、灌封材料的一个或多于一个特征或者被 灌封织物的期望特征，生成用于控制设备100的一个或多于一个部件的操作参数，部件诸 如为，举例来说，位于区域151内的部件，如图IA所示，这些特征可手工输入模块124中。所 生成的操作参数可用于下列工作中的一个或多于一个改变刮刀101或刮刀102相对于参 考点的高度、改变辊105、106和107中一个或多于一个的竖直位置、改变相对于竖直参考面 的刮刀101或刮刀102的角度、改变辊82、84、86、105、106和107的速度以及改变任一辊的 温度。模块124被配置成生成推荐的操作参数，使得在第一和第二刮刀的每一个上生成垂 直于织物的力的预定的(大致)量值。被模块124选择的力是基于检查模块123所收集的 测量到的特征。用这种方法，所产生的灌封的织物可以有期望的特征。为在每一刮刀得到特定的垂直力，模块124可以控制环境100中下列变量的一个 或多于一个1)织物张力、2)织品进入刮刀的进入角、3)刮刀相对水平位置的角度、4)刮刀 高度、5)织品脱离刮刀的脱离角、6)织物速度、7)聚合物粘性、8)挤合压强、9)进口挤合压 强、10)烘箱固化温度、11)烘箱固化保持时间、12)周围聚合物温度、13)湿度以及14)在侧 向张力下织物变形的程度。控制模块125被配置成当力模型建模模块124生成操作参数和 变量时，执行工艺变化。模块123、124和125能够被配置为完全自动，这意味着材料特征和工艺条件被持 续地监控并且，操作参数可被自动改变以响应对工艺的监控。上述设备和工艺应用在各种形式或者实施例中。参考图IB和1C，其说明根据本发 明的实施例的两个替代配置。在图IB和IC中，类似的部件被类似编号，但是图IB中的标 号加上了单撇号，而图IC中的标号加上了双撇号。在图IB中，一级织物加压在挠性刀112'之后和拉幅机118’之前被引入。在此实 施例中，织物74通过挤合区126，该挤合区存在于浸轧辊111’和关联的输送辊127之间， 在此织物74’受到辊127和111’之间的挤压。用这种方式，可以实现聚合物复合物在织物 74上更好的分布。在离开挤合区126之后，依靠保持棒或者辊用于类似目的，可以保持辊127对织物 74的一些挤压。如同参考图IA所讨论的那样，织物74可不使用拉幅机118'而直接进入 烘箱119’。当张力在挤合区126中被释放后，期望织物固化立刻开始，因此挤合区126优选 地位于非常靠近烘箱119’的入口之处。如果需要，辊128可被挠性刀(未显示)替换，以便织物74’离开辊127后越过该 挠性刀的刀刃。该挠性刀能够完成在织物74中实质的进一步聚合物分配。参考图1C，织物74经过辊111”和127”的挤合区。在这一实施例中，不使用机械 张紧装置75b (如图IA中所示)。此外，辊111”和127”为通过固化工作站119〃的织物通
13道提供了所需的减小的张力，该工作站可以用也可以不用介入拉幅机118”。通常，并且优选 地，本发明的织物具有范围从大约0. 01到大约50微米的纤维包封层的这一特征。尽管未显示，但图IB和IC中的设备或环境也可包括分别与模块123、124和125 类似的检查模块、建模模块以及控制模块。通过带有一定数量的剪切稀化刮刀，可产生多重剪切稀化效应，该效应改变聚合 物的最终结构和(a)单独的纤维和细丝的薄膜灌封、(b)内涂层的受控放置和(c)在(a) 和(b)中的添加剂的受控放置。要理解第一剪切稀化导致聚合物复合物的粘弹性变形，由 于聚合物复合物的记忆效应，其倾向于回复到一定程度。由于每一多重剪切稀化，聚合物在 该剪切点开始并回复的程度改变了。这被称为触变循环或者触变稳定。通过使用本发明的方法和设备，可实现将聚合物复合物受控置入多孔的基底或织 物中，以得到所需的经处理的织物。诸如在本发明的实践中采用的可固化聚合物用剪切力在压力下施加在织物或者 基底上并进入织物或者基底。剪切力导致可固化的硅聚合物流入织物内。通过控制前面所 讨论的因素，以及控制含氟化合物的选择和使用量(如果有的话)、所用的可固化聚合物和 在给定温度下采用的所施加的压缩和剪切力，可以认为纤维包封和单元或孔壁加衬的程度 是可调整的，因此实现纤维包封，虽然织物的间隙和/或者开放单元没有被在内层区域中 的这种聚合物完全填充，并且织物的外相对表面实质上完全没有聚合物涂布或者残留。经 过这样的程序，可固化聚合物然后被固化了。可固化聚合物被施加在织物的表面上。然后，当织物被张紧时，其倚靠并越过剪切 机构或通过压缩区域，例如辊之间的压缩区域或者倚靠剪切刮刀的压缩区域。因此，横向施 加的剪切力和压缩压力被施加于织物上。张力、剪切力和织物速度的组合足以导致聚合物 移动进入织物内并从围绕着织物纤维的间隙或者开放单元、单元或被包封的孔中移出。结 果是至少部分间隙和/或者开放单元在位于内涂层或者内层所占据的区域外侧的织物区 域中未被填充，并且这些间隙和/或者开放单元优选基本上没有聚合物。多余的聚合物被 剪切机构的表面擦除动作去除了。之后包封纤维的可固化聚合物被固化。可认为通过施加在织物表面上的局部化压强实现了在织物内期望的聚合物渗透、 分布和放置，该压强足够高以导致聚合物复合物的粘性被局部降低，因而允许这种聚合物 在所述压强下流动并可控地被放置在织物中，并包封其纤维或者给其单元或者孔壁加衬。 为协助这一过程，优选地通过张紧或者伸展织物同时略微地在受控放置的位置使其受到横 向压缩而使织物至少稍微扭曲变形。这一扭曲变形被认为使得聚合物复合物进入织物变得 容易。当压缩和张力被释放时，可认为聚合物复合物在被处理织物的间隙空间或者开放单 元空间内被挤榨和压缩并且通过被处理织物的间隙空间或者开放单元空间。如果，例如在完成的产品中出现了过多的聚合物，那么可以增大张力或者剪切力 或者同时增大两者，对于聚合物过少的情况，则与之相反。如果在纤维上的流动不充分，产 生不完全的纤维包封，那么可以通过提高用于受控放置的压强和温度来降低聚合物复合物 的粘性。可替代地，如果粘性过低，那么可降低压强和/或者温度。如果，在不同的粘性和/ 或者压强下，聚合物复合物对按照所需的量被放置或者安置于给定织物内所需的位置表现 出抗拒，那么可提高织物的含氟化合物预处理的水平，或者，根据情况降低该水平。在本发明的一实施例中，聚合物在两个辊间被强迫进入织物。一个此类辊承载聚
14合物浸渍剂，后者通常且优选地均勻分布于并覆盖环形伸展的有纹理或者凹陷的表面。这 类辊在(i)与对面辊相同的方向和(ii)与连续移动的织物的运动方向相反的方向旋转，所 述织物移动经过在此类辊和这种移动织物之间形成的局部受压区域。可认为两辊的单向旋 转在织物上产生扭曲和伸展力或者效应。可认为所述的力促进聚合物渗透进入所述织物。 为方便起见，这种形式的加压施加或者涂布可被称为“反向辊涂布”。优选地，当移动的织物 大体水平移动时，反向涂布辊有一个大体水平的轴。通过倚靠测量杆(metering bars)、杆 形刀(bar knives)和诸如此类的紧压着织物的物体拉伸，织物进一步地同时被纵向张紧和 扭曲。这样一个初始的加压步骤优选跟随着一系列进一步的加压的织物处理步骤，可认 为这些步骤完成了聚合物的再次引入、聚合物分布、聚合物刮擦以及多余聚合物的去除和 恢复。这种步骤的整体结果是逐步地生产出织物，其中聚合物将纤维包封至所需的程度，或 者将包括织物的单元或者孔壁加衬，并且聚合物在织物中期望的内部区域或地带内聚集， 从而在这种区域填充或堵塞织物的内部空间或者开放单元或孔，但没有用聚合物填充被处 理织物的内部结构超过期望的程度。特别地，并且例如，在织品中，可使得聚合物复合物基 本上完全地包封其在这内部区域内的纤维或者给其单元或者孔加衬，并且在此内部区域内 填充孔隙空间。上述任一设备配置(例如，在图1A-C)都可用于生产经过含氟化合物和硅聚合物 处理的织物。结果得到的灌封/涂布织物是透气、防水并可重洗的，并且其特征在于它是 在纵向可张紧的多孔挠性的纤维性织物，这种织物有相对的、基本上平行的表面，这些表面 由带有纤维间孔隙的相关联的纤维组成，或者它是其中有单元或者孔的基体。织物被含氟 化合物基本上均勻地浸渍，并在此之后用硅聚合物复合物加以处理，以形成这样的织物，其 带有在织物中的内层，其中织物的外表面基本上没有硅聚合物，并且织物是透气的、抗水的 或者防水的。至少部分纤维或者单元壁被灌封或者包封。织物的至少一个表面有如下特征 其具有与开始的多孔织物的一个表面的可视外观基本上相同的可视外观。当织物有由合成聚合物构成的纤维时，聚合物优选地是从聚酰胺、聚酯、聚烯烃、 再生纤维素、醋酸纤维素和它们的混合物中选取的。本发明的首选织物有如下更特定的特征其有范围在大约90°到大约160°的水 滴接触角、有至少大约三次的再洗能力、有至少约35%的未处理基底织物的透气性以及至 少约80的洗前拒水额定值。影响成品产品但不直接与本方法和设备相关的其它变量包括，但不限于，聚合物 混合情况、聚合物复合物初始粘性、添加到聚合物复合物的加速剂、添加到聚合物复合物的 添加剂、所用织物的类型、环境温度、湿度、空气传播的污染物、织物上的纤维屑、织物的预 处理、织物表面下的温度和织物含水量。1. 0力模型1. 1 概述力模型建模模块124采用基于经典牛顿力学的灌封力学模型。力模型建模模块 124在数学上将在刮刀上产生的机械力与处理变量关联起来，这些变量是比如，例如，织品 张力、织品与刮刀间的进入角、织品与刮刀间的脱离角、刮刀锋利程度以及聚合物粘性和线 速度。在一实施例中，采用为力模型导出的方程，在刮刀101和刮刀102上的沿着刮刀面的力可利用聚合物所润滑的织品的摩擦系数和聚合物的粘性的合理估计而计算出来。可以得 到建模得到的力与测量得到的力之间的极好一致性，并且通过约20个实验室灌封机(LEM) 历史数据和设计的实验的实例研究证实。采用所开发的力模型，在一组选定的工艺变量或者参数下，由刮刀101和刮刀102 产生的力可以计算出来。从力模型可确定刮刀上的力作为工艺变量的函数，其并非是毫无 变化的，即用不同的工艺变量或参数组，可得到刮刀上的相同力。基于计算出的力-变量轮 廓曲线，可识别出在刮刀上产生相等力的变量设置。从力模型中可确定，对于多数实际的灌封条件，在刮刀102上的力高于在刮刀101 上的力。这个结果暗示在大多数条件下，刮刀102是用于灌封的工作刮刀(主导刮刀)。利 用这一结果，许多历史的和新灌封的织品的性能特性可被确定为工作刮刀，例如，刮刀102 上的力的函数。已灌封的织品的性能特性和计算出的刮刀102上的力之间的良好相关性已 被找到。初步的结果指出已灌封的织品的性能被刮刀102上力的大小来支配，而与所需的 力如何实现无关。在一实施例中，力模型产生了下列观察结果当刮刀102上的力增大时，织品上硅 的附加重量(WAO)和祖特尔值(Suter value)下降，而当刮刀102上的力增大时，透气度测 定仪和弗雷泽渗透性(Frazier)的读数增大。这些结果意味着，在恒定的保持时间内，刮刀 上的力成为控制灌封的唯一独立变量(保持时间是被外部流体动压驱动的聚合物流动的 有效时间，而外部流体动压是另一个独立变量)。通过改变刮刀102上的力的大小而影响灌 封的其它变量，例如张力、进入角、脱离角、刮刀锋利度等等，不是独立的。性能特性，例如祖特尔值、透气度、弗雷泽渗透性、MVTR(湿蒸汽透射率)等等，根 据附加重量(WAO)和聚合物布置来加以解释。也调查所述模型的实用程度。1.2剪切刮刀的力学模型灌封工艺可通过图形(图2)的方式加以表示。在图2中，在每个刮刀之前和之后 存在空转辊(不被驱动或者制动，但是随着织品自由转动的辊)。通过做出合理的假定，即 少量旋转摩擦对工艺的贡献是可忽略的，工艺力分析得以简化。采用这一假设，当空转辊两侧间没有其他机械元件时，在空转辊任一侧上的力是 相等的。就是说=Fi = FpF7 = Fe并且F3 = F4 = F5。此模型中的力来自于在工艺结束处的 被驱动的挤合辊，在工艺开始处的制动辊和在每一刮刀接触处的织品/聚合物交互作用。 利用这些初步结果/假设，可更详细检查刮刀上的力。对输入(进入)刮刀1中的力矢量 分解见图3。可针对离开刮刀1做出类似的力矢量分解图，并且对于进入和离开刮刀2的力 也可这样。Fmi和Fpii表示垂直于和平行于织物的力。刮刀和织物/聚合物之间的摩擦可用 μ (摩擦系数)表示。通过假定力集中于刮刀的进入和脱离尖端上，并用代数方法整理描述 这一配置的方程，可得到方程I。
权利要求
一种用灌封材料灌封织物的方法，其包括确定要被灌封的所述材料的初始材料特性；用灌封系统的力模型确定工艺配置，所述灌封系统有两个涂布刮刀，每一刮刀被配置成当所述织物通过每一所述刮刀时，促使所述灌封材料灌封所述织物，并且其中根据要被灌封的所述材料的所述初始材料特性应用所述力模型；和采用被确定的工艺条件灌封所述织物。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定被灌封织物的最终性能特性，其中， 根据所述织物的所述最终性能特性应用所述力模型，并且其中所述最终性能特性包括透气 性、静压头和附加重量中的一个或多于一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括限定所述灌封材料的特性，其中根据限 定的所述灌封材料的特性来应用所述力模型，并且其中所述灌封材料的所述特性包括聚合 物类型、粘性和摩擦系数中的一个或多于一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个涂布刮刀中的第一刮刀位于所述两个涂 布刮刀中的第二刮刀的下游。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述工艺配置包括下列各项中的一个或多于一 个所述第一刮刀的第一进入角、所述第一刮刀的第一脱离角、所述第一刮刀的第一半径、 所述第二刮刀的第二进入角、所述第二刮刀的第二脱离角、所述第二刮刀的第二半径和所 述织物的张力。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述力模型包括Fm =_CosQa_Fm “ CosOn (1 - Cos0e^)(l - Cosei2M)其中，Fn2是在所述第二刮刀上垂直于所述织物的力，Fni是在所述第一刮刀上垂直于所 述织物的力，θ ^是所述第一进入角，θ 是所述第一脱离角，θ i2是所述第二进入角， 是所述第二脱离角，μ是所述织物与所述刮刀间的摩擦系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中根据使Fn2大于Fni的原则选择所述工艺配置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中根据对所述被灌封织物的期望特性选择Fni和FN2。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一和第二进入角和所述第一和第二脱离角 的范围是25-85度。
10.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一和第二半径的范围是0.00002-0. 00100 英寸，并且其中所述织物的所述张力的范围是125-750磅。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料特性包括重量、强度、孔隙率或者 织法配置。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二材料特性包括所述灌封材料的粘性。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述灌封材料的粘性的范围是 100，000-1，500，000 厘泊。
14.一种利用涂布材料涂布织物的方法，其包括确定被涂布织物的期望特征；使用涂布系统的力模型确定工艺参数，所述涂布系统有两个涂布刮刀，每一刮刀被配 置成当所述织物通过每一所述刮刀时促使所述涂布材料进入所述织物，并且其中所述力模2型是根据所述被涂布织物的期望特征确定的；以及采用所确定的工艺参数用所述涂布材料涂布所述织物，其中所述工艺参数限定所述织 物如何通过所述刮刀中的一个。
15.根据权利要求4所述的方法，其中所述工艺参数包括以下各项中的一个或多于一 个所述第一刮刀的第一进入角、所述第一刮刀的第一脱离角、所述第一刮刀的第一半径、 所述第二刮刀的第二进入角、所述第二刮刀的第二脱离角、所述第二刮刀的第二半径和所 述织物的张力。
16.根据权利要求5所述的方法，其中所述力模型包括
17. —种灌封系统，其包括第一刮刀和第二刮刀，所述第一刮刀和第二刮刀被配置成导致灌封材料灌封织物，所 述第二刮刀位于所述第一刮刀的下游；多个辊，所述辊用于支撑和促使所述织物通过所述第一和第二刮刀；力模型建模模块，其被配置成接收所述织物和所述灌封材料的特征，其中所述力模型 建模模块被配置成生成运行参数，以根据所接收到的特征控制所述第一和第二刮刀中的一 个或多于一个以及所述多个辊中的一个或多于一个；和控制模块，其被配置成应用所生成的运行参数，使得由所述第一刮刀施加第一力于所 述织物上以及由所述第二刮刀施加第二力于所述织物上。
18.根据权利要求17所述的灌封系统，其中所述运行参数包括以下各项中的一个或多 于一个所述第一刮刀的第一进入角、所述第一刮刀的第一脱离角、所述第一刮刀的第一半 径、所述第二刮刀的第二进入角、所述第二刮刀的第二脱离角、所述第二刮刀的第二半径和 所述织物的张力。
19.根据权利要求18所述的灌封系统，其中所述力模型建模模块根据下面定义的力方 程生成所述运行参数
20.根据权利要求19的灌封系统，其中所述第二力等于或者大于所述第一力。
21.根据权利要求19的灌封系统，其中所述第二力小于所述第一力。
22.根据权利要求20灌封系统，其中根据被灌封织物的期望特性选择Fni和FN2。
23.一种灌封系统，其包括第一刮刀和第二刮刀，所述第一刮刀和第二刮刀被配置成导致灌封材料灌封织物，所 述第二刮刀位于所述第一刮刀的下游；多个辊，所述辊用于支撑和促使所述织物通过所述第一和第二刮刀； 控制模块，其被配置成通过改变所述刮刀中的一个或多于一个或所述多个辊中的一个 或多于一个的运行参数，改变与所述第一和第二刮刀相关的所述织物的一个或多于一个特 征，其中，根据所述第一和第二刮刀的力比的期望量值，改变所述织物的相关特征，所述力 比定义为
24.一种带有多个被灌封纤维的织品，所述织品是通过一种工艺所制备的，所述工艺包括确定要被灌封的材料的初始材料特性；使用灌封系统的力模型确定工艺配置，所述灌封系统有两个涂布刮刀，每一刮刀被配 置成当所述织品通过每一所述刮刀时促使所述灌封材料灌封所述织品，并且在其中根据要 被灌封的所述材料的所述初始材料特性应用所述力模型，；以及 采用所确定的工艺条件灌封所述织品。
25.一种带有多个纤维和空隙的织品，其中所述多个纤维被聚合物灌封，并且其中所述 多个空隙被所述聚合物填充，所述织品是根据权利要求23所述的方法制备的。
全文摘要
本发明涉及制造经处理的织物的方法和设备。主题方法和设备包括控制大量变量，所述变量包括但不限于织物张力(既包括总织物张力也包括即将进入每一独立刮刀之前时刻的织物张力和刚刚离开每一独立刮刀之后时刻的织物张力)、织物进入每个刮刀的角度、刮刀相对于水平参考点的角度、刮刀对移动织物的压强、织物离开每个刮刀的脱离角、织物速度、刮刀数量、先导咬送辊的压强、跟随咬送辊的压强、静态控制、各刮刀厚度、各刮刀上的斜面、烘热固化温度、烘热固化保持时间、刮刀温度、刮刀表面及边缘状况以及刮刀光洁度。
文档编号B32B33/00GK101977769SQ200980109228
公开日2011年2月16日 申请日期2009年1月6日 优先权日2008年1月16日
发明者J·亨德森, M·王, R·梅洛维茨 申请人:耐克斯泰克应用公司