专利名称：高度吸音的湿法成形基底的制作方法
高度吸音的湿法成形基底相关申请的交叉参考根据35U. S. C. § 119(e)，本申请要求2007年8月29日提交的美国临时申请序列 号60/966607的权益。发明背景
本发明主要涉及吸音和/或孤立(insular)建筑材料领域，更具体地涉及通过湿 法技术制备的这种建筑材料。常规的纤维基吸音基底，例如吸音天花板、墙壁和管道板面板可以湿法或干法成 形。通过湿法成形技术形成的吸音基底通常在配方内掺入短的微细直径的纤维。这些纤维 在脱水的重力下被压实。本领域公知，压实或包装纤维对吸音性能具有反面影响。另外，常规的湿法成形的吸音基底配方要求显著大量的纤维素纤维，例如纸纤维 掺入到基底配方内，以便实现充足的湿法成网(wet-web)强度供材料常规地流经湿法成形 的制备工艺。由于其化学、对水的亲和力以及与水和本身的氢键键合的倾向，纤维素纤维 对湿法成形的纤维组合物具有致密化的影响，这反过来会限制可通过该材料实现的吸音水 平。至少由于上述原因，常规明智看法是，湿法成形的纤维基基底典型地受限于吸音能力。克服对吸音性能的这一反面影响的一种常规的尝试是添加低密度发泡材料到该 配方中。尽管这些低密度发泡材料提供产品松密度和厚度，这将有助于其吸音性能，但它 们占据了材料的孔隙，这反过来会限制可通过该材料能够实现的吸音水平。目前大多数吸 音的湿法成形的材料具有约90%的孔隙率，这一孔隙率反过来又提供约0. 75的降噪系数 (NRC)值。一种广泛使用的低密度发泡材料是珍珠岩。除了前面提及的对吸音的局限性以 夕卜，珍珠岩由于其微细的泡孔结构和亲水毛细管性能，因此也难以并缓慢地干燥。另外，目前的湿法成形的纤维基吸音结构基本上由轮转纺丝纤维，例如矿物纤维 组成(如果不是完全由其组成的话)，这些纤维会导致通常不具有挠性的不舒适且密度高， 即12-161b/ft3的基底。厚度典型地为1/2英寸到1英寸的这些基底发脆且容易断裂。此 夕卜，湿法成形的基底不吸收冲击能且在处理和/或安装过程中容易弯曲和变形。这是采用 纤维基吸音基底的特殊问题，因为它们具有足够低的密度来实现以上所述的有限的吸音特 征。与此同时，常规的干法成形的吸音纤维基基底不那么致密和高度吸音且能实现范 围典型地为0. 80-1. 00的NRC值。遗憾的是，与干法成形的方法相容的粘合剂类型，其中包 括低成本的酚醛热固性树脂和其他比较昂贵的反应性热固性树脂当树脂固化时，释放出致 癌的甲醛。另外，这些干法成形的产品常常不均勻且差地成形。此外，这些树脂具有有关的 工艺与环境问题。例如，树脂沉积在加工设备上，从而要求频繁停工和清洁设备。当固化的 粘合剂置于热或蒸汽下，没有软化和流动时，粘结这种基底所使用的酚醛和其他热固性树 脂也不允许模塑和压花基底。因此，需要具有迄今为止仅仅在干法成形的材料中实现了的高吸音性能且不具有 常规干法成形的材料的前述缺点的产品。发明概述
本发明是纤维基吸音基底的新的表现形式。更具体地，本发明是吸音的纤维基基 底，它包括旋转纺丝纤维和轮转(wheel)纺丝纤维的共混物，其中旋转纺丝纤维与轮转纺 丝纤维之比在约0.13 1到约3 1的范围内。基底还包括不含释放甲醛的反应性树脂 的粘合剂。厚度为1/2英寸到1英寸的基底显示出至少0. 80的NRC值，这一 NRC值是在借 助湿法成形的工艺成形的这一厚度的基底中迄今为止没有实现过的。
本发明还包括高度吸音的湿法成形的基底的生产方法。该方法包括下述步骤在 含水淤浆内分散旋转纺丝纤维，该淤浆的分散稠度为最多3. 5wt%，和优选小于或等于2%; 混合该含水淤浆，实现均勻的含水混合物；在形成网眼的筛网输送器上分配该均勻的含水 混合物；使均勻的含水混合物脱水，形成湿垫；和干燥该湿垫，形成吸音基底。利用旋转纺丝纤维的尺寸、形貌和取向，可由非常稀的，即低稠度的含水分散体形 成基底。稀的含水分散体对于提供可加工的含水混合物来说是根本的。这反过来可借助湿 法成形工艺提供高度吸音、很好地成形且均勻的吸音纤维基基底。与常规的湿法成形的纤维基基底相比，本发明的基底密度低得多，且更加高度多 孔，因为旋转纺丝纤维提供蓬松的体积和结构完整性，阻碍了在成形工艺中，尤其在前面提 及的脱水步骤中的压实和致密化。更具体地，在湿法成形的矿物纤维瓷砖(tile)内迄今为止可实现的最高孔隙度 为89%，从而得到约0. 75的NRC值。相反，本发明的玻璃纤维吸音面板的孔隙度值范围为 约93% -约97%，且能实现范围为约0. 80-1. 00的NRC值。此外，旋转纺丝纤维显著增加结 构体制备湿法成网网状物的强度和蓬松度，这是迄今为止没有掺入低密度分配材料到配方 内实现不了的。而且，本发明提供迄今为止不可能实现的湿法成形的结构体，其重量较轻， 更加具有弹性，可压实和在处理与安装时所产生的力。另外，相对于酚醛或丙烯酸类粘结、干燥成网的高孔隙度的矿物纤维或玻璃纤维 产品，本发明的纤维状湿法成形的基底在吸音性能方面相当，但成形质量显著更好，密度、 均勻度和强度更加均勻。此外，本发明克服了常规的干法成形的基底的缺点，因为该基底可 采用热或者采用热和蒸汽，容易模塑和压花。附图简述
图1是阐述矿渣氧化铝_硅酸盐矿物纤维的纤维直径分布的图表。图2是阐述C型纤维玻璃的纤维直径分布的图表。图3是旋转纺丝纤维的SEM显微照片。图4是阐述增加的纺丝纤维取代对吸音影响的图表。图5是阐述增加的纺丝纤维取代对孔隙度影响的图表。图6是阐述孔隙度和吸音之间的线性关系的图表。图7是阐述纺丝纤维取代和分散体的稠度对孔隙度影响的图表。图8是阐述纺丝纤维取代和分散体稠度对孔隙度影响的另一图表。图9是阐述纺丝纤维取代和分散体稠度对断裂强度(MOR)的影响的图表。图10是阐述纺丝纤维取代和分散体稠度对刚度(MOE)影响的图表。发明详述术语“湿法成形的基底”此处是指通过湿法成形技术形成的基底。另外，术语“旋 转纺丝纤维”此处是指通过孔隙挤出的纤维。
常规的湿法成形技术包括在混合腔内在3. 5%固体稠度以上的含水淤浆中分散纤 维。使用较大的推进器，保持纤维分散并赋予含水淤浆均勻的含水混合。典型的含水淤浆配 方包括约60%轮转纺丝纤维，10%纤维素纤维，25%珍珠岩，和5%粘合剂(胶乳或淀粉)。 随后泵送含水淤浆到Fourdrinier的流料箱内，或者Oliver型成形机中和形成网眼的筛网 输送器上。然后例如通过自由排放，使含水淤浆脱水。在自由排放之后，可采用真空和/或 压缩，进一步除去水。然后用高压水射流，切割湿的材料成单独的垫子，并将垫子负载在输 送器的对流干燥机内，在此加热它们直到干燥。调整干燥的垫子，并上漆和整理成装饰性吸 音基底。
可使用以上所述的相同或类似的湿法成形技术来形成本发明。然而，本发明使用 在湿法成形工艺中迄今为止没有使用过的稠度分散体和配方。更具体地，显著较低的分散 体稠度和旋转纺丝纤维的取代对于提供可加工的含水混合物和最终具有所需参数的湿法 成形的基底来说是根本的。旋转纺丝纤维的常规实例是玻璃纤维，其非常规的旋转纺丝纤 维的实例是 Bio-Mineral 矿物棉，其获自于 OWA (OdenwaldFaserplattenwerk GmbH)。图1和2以及下表1阐述了旋转纺丝纤维和轮转纺丝纤维的显著的尺寸差异。为 了阐述的目的，展示了轮转纺丝的矿物棉和旋转纺丝的玻璃纤维的数据。表 1 图1的图表阐述了对于矿渣氧化铝-硅酸盐矿物纤维(它是一种轮转纺丝型纤 维)来说，典型的纤维直径分布。图2的图表阐述了对于C型玻璃纤维(它是旋转纺丝型 纤维)的典型的纤维直径分布。如图2所示，大多数旋转纺丝纤维的直径大于5微米。与旋转纺丝纤维的尺寸特征一起，来自于纺丝工艺的形貌和取向同样对纤维可赋 予基底的巨大的蓬松度和体积来说是根本的。图3的SEM显微照片清楚地表明，存在显著 大量的弯曲和卷曲纤维和纵向多纤维束。这些特征有助于非织造结构的ζ方向结构，和结 构完整性，以抵抗成形工艺，尤其湿法成形工艺中脱水步骤中的压实和致密化。因此，低密 度的高度多孔的吸音结构。若在湿法成形的产品中掺入来自孤立、导管板或其他产品的再 生的后工业或后消费的旋转纺丝纤维，则粘结区域或回收材料的纤维束还提供蓬松的体积 和抗压实性。有利的是避免这些区域在新产品的纺丝和成形工艺中断裂。下表2提供关于旋转纺丝纤维取代轮转纺丝纤维的进一步的数据。测量各自的密度，和测量各自的吸音在125-5000Hz范围内。计算每一材料的％孔隙度，4个频率下的平均 吸收(4FAvg)和降噪系数(NRC)。4FAvg是在250-500-1000和2000Hz下测量的吸收平均 值且是吸音纤维基基底领域中众所周知的。表 2 所有测量采用6%淀粉/5%浆化新闻纸粘结。图4-6包含的图表阐述了增加的玻璃纤维比例对吸音和％孔隙度以及孔隙度与 吸音之间的明显线性关系的影响。更具体地，图4含有阐述增加的纺丝纤维取代对吸音影 响的图表。图5含有阐述了增加的纺丝纤维取代对孔隙度的影响的图表。图6含有阐述孔 隙度和吸音之间的线性关系的图表。以下进一步阐述了分散体稠度的重要性。对吸音基底的湿法成形工艺进行了数个 调节或改变，以便制备本发明。旋转纺丝纤维的低稠度的分散体对于形成最佳强度和刚度 的满意的高度多孔的产品来说是重要的。尽管许多湿法成形的产品由稀分散体(例如，纸 张、玻璃纤维稀松布和垫片(gasket))形成，但吸音的纤维基基底最常见地由稠度范围为 3. 5-5%的含水淤浆形成。这是为了在经济的线速度下传输板厚所要求的基重。对于本发 明来说，要求较低的稠度，确保长的旋转纺丝纤维的充分分散并避免在自身上折叠的纤维， 即打结(nodulate)，而打结会削弱材料的强度、完整度和吸音性能。正如以下实施例所示， 可使用小于或等于2%的分散体稠度。进行旋转纺丝纤维取代和形成稠度及其对孔隙度、强度和刚度影响的手抄纸 (hand-sheet)研究。手抄纸研究所使用的旋转纺丝纤维的类型是玻璃纤维。如表3所示，在含水淤浆配方1-3内，分别在10%、17. 5%和25%的水平下，玻璃纤维取代轮转纺丝的矿 物棉。表3 手抄纸基重保持恒定在0. 801b/ft2下。在三种分散体稠度，亦即1%、2%和3% 下形成每一配方的材料。图7-10阐述了结果。图7是在10、17. 5和25%玻璃纤维(旋转纺丝纤维)取代 下，孔隙度对分散体稠度的分布图表。图8是在1、2和3%的分散体稠度下，孔隙度对玻璃 纤维(旋转纺丝纤维)取代的分布图表。图9是在10、17.5和25%玻璃纤维(旋转纺丝 纤维)取代下，断裂模量(MOR)，即断裂强度对分散体稠度的分布图表。图10是在10、17. 5 和25%玻璃纤维(旋转纺丝纤维)取代下，弹性模量(MOE)，即刚度对分散体稠度的分布图 表。图7阐述了随着玻璃纤维取代增加，孔隙度增加。图8阐述了分散体稠度对孔隙度 的影响稍微有点微妙且在一定程度上取决于配方内的玻璃纤维含量。更具体地，在17. 5% 和25%的玻璃纤维取代轮转纺丝的矿物棉时，2%的分散体稠度是最佳的。而在10%玻璃 纤维取代下，的分散体稠度得到具有较高孔隙度的产品。图9和10示出了当分散体稠 度下降和玻璃纤维的取代百分数增加时，实现纤维基基底的最佳强度和刚度。应当注意为了比较目的，掺入太高含量的旋转纺丝纤维，即在高的分散体稠度下， 高的旋转纺丝纤维取代轮转纺丝纤维将得到太粘稠的高度粘稠的悬浮液，以致于无法得到 很好地成形的产品。更具体地，难以泵送和传输这种悬浮液到成形流料箱中，且悬浮液材料 堵塞管道和泵。可采用高扭矩的推进器，在悬浮液内混合固体，直到纤维成球，即打结，然后 泵送到线材上，然而所得基底的密度较高和孔隙度较低，于是不满足0.80的NRC阈值。另 夕卜，湿垫在很小的完整度下很差地毡制，从而导致相对弱的容易损坏的产品。通过本发明组合物形成的湿垫因其高的孔隙度和疏水性质导致更加快速地且采 用比常规的湿法成形的矿物纤维配方较少的能量干燥。如前所述，具有高的矿物纤维含量 的常规湿法成形的天花板面板要求大量的纤维素纸张纤维和/或珍珠岩含量提供充足的 湿法成网强度和刚度以供产品流经造纸工艺。珍珠岩是在常规的湿法成形的矿物纤维的天 花板面板内赋予蓬松度的最常见的载体。湿的珍珠岩因微细的完整泡孔结构和通常的亲水 性导致非常困难且缓慢地干燥。相反，在生产工艺过程中，本发明不要求珍珠岩或纤维素纤维维持蓬松度和防止 湿垫折叠。旋转纺丝纤维借助其长度、直径和卷曲的形状提供大的蓬松度和充足的湿法成 网强度和刚度。另外，由于通过在混合物内使用旋转纺丝纤维实现的显著大的蓬松度，因此 要求较低的材料基重产生给定的厚度。因此，对于给定的含湿量百分数来说，较小的水负载传输到干燥机中，反过来，产品将更加快速地干燥，从而有效地降低制造成本。
尽管参考优选的实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员要理解，可在没有 脱离本发明范围的情况下，作出各种变化，和可用等价物替代其元素。另外，可在没有脱 离本发明的基本范围的情况下，根据本发明的教导，作出许多改性，以适应特定的情形或材 料。因此，本发明不限于所隔开的特定实施方案作为认为实施本发明最好的模式，相反本发 明包括落在所附权利要求范围内的所有实施方案。
权利要求
高度吸音的湿法成形的基底的生产方法，该方法包括下述步骤(a)在含水淤浆内分散旋转纺丝纤维，该淤浆的分散体稠度为最多3.5wt％；(b)混合含水淤浆，实现均匀的含水混合物；(c)在形成网眼的筛网输送器上分配该均匀的含水混合物；(d)使均匀的含水混合物脱水，形成湿垫；和(e)干燥该湿垫，形成吸音基底。
2.权利要求1的方法，其中所得吸音基底的NRC值为至少0.80。
3.权利要求1的方法，其中所得吸音基底的孔隙度为大于或等于约93%。
4.权利要求1的方法，其中在步骤(a)中，在含水淤浆中分散粘合剂，其中粘合剂不包 括释放甲醛的反应性树脂。
5.权利要求1的方法，其中在步骤(a)中，轮转纺丝纤维分散在含水淤浆内。
6.权利要求5的方法，其中旋转纺丝纤维与轮转纺丝纤维之比在约0.13 1-约3 1 的范围内。
7.权利要求1的方法，其中在步骤(a)中，大多数旋转纺丝纤维的直径大于5微米。
8.权利要求7的方法，其中在步骤(c)-(e)中，旋转纺丝纤维提供充足的湿法成网强 度，以加工含水混合物。
9.权利要求1的方法，其中在步骤(a)中，旋转纺丝纤维的重均长度范围为 1. 2-1. 4mm。
10.权利要求1的方法，其中含水淤浆的分散体稠度为小于或等于约2.0wt%。
11.一种中间吸音纤维基产品，它包括含孤立型旋转纺丝纤维和水的组合物，该组合物 的分散体稠度为最多3. 5wt%。
12.权利要求11的方法，其中含水淤浆的分散体稠度为小于或等于约2.0wt%。
13.权利要求11的中间产品，其中所述组合物能得到NRC值为至少0.80的基底。
14.权利要求11的中间产品，其中组合物包括不释放甲醛的反应性树脂的粘合剂。
15.权利要求11的中间产品，其中组合物包括轮转纺丝纤维。
16.权利要求15的中间产品，其中孤立型旋转纺丝纤维与轮转纺丝纤维之比在约 0. 13 1-约3 1的范围内。
17.权利要求11的中间产品，其中大多数孤立型的旋转纺丝纤维的直径大于5微米。
18.一种吸音的纤维基基底，它包括旋转纺丝纤维和轮转纺丝纤维的共混物，其中旋转纺丝纤维与轮转纺丝纤维之比在约 0. 13 1-约3 1的范围内；和具有不释放甲醛的反应性树脂的粘合剂； 其中基底显示出至少0. 80的NRC值。
19.权利要求15的吸音的纤维基基底，其中基底的孔隙度大于或等于约93%。
20.权利要求15的吸音的纤维基基底，其中大多数旋转的纺丝纤维的直径大于5微米。
全文摘要
主要由孤立型纺丝纤维或这种纤维和轮转纺丝纤维的共混物组成的吸音纤维基基底。用水可分散的胶乳粘合剂，或淀粉结合纤维素纤维粘结该纤维。孤立型纺丝纤维可是第一质量来源、后工业废物物流或后消费的废物物流纤维。在形成网眼的筛子上，与在Fourdrinier造纸机上一样，由非常稀的含水分散体湿法成形基底。借助孤立型纺丝纤维的尺寸、形貌和取向，可由足够稀释的分散体形成非常低密度的湿垫。低密度和高度多孔的基底是高度吸音的，从而显示出大于或等于约0.80的降噪系数，NRC值。
文档编号B29C67/24GK101842331SQ200880113566
公开日2010年9月22日 申请日期2008年8月29日 优先权日2007年8月29日
发明者A·L·维克, R·C·加尔曼 申请人:阿姆斯特郎世界工业公司