制备亚微米纤维和无纺织物的方法和设备以及包含它们的制品技术

本发明专利技术涉及制备亚微米纤维的方法和设备，更确切地是通过聚合物膜的原纤维化形成亚微米纤维的方法和设备，包括至少一个以膜的形式挤出的聚合物流体流，该聚合物流体流流过至少一个有界限的聚合物通道，并与加压气体流结合，该加压气体流在限定在第一和第二相对壁之间的气体通道内流动以随后将聚合物膜原纤维化成亚微米纤维，以及涉及引入它们的无纺材料和制品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及制备亚微米纤维，且更确切地涉及通过聚合物膜的原纤维化形成亚微米纤维的方法和设备，以及引入它们的无纺材料和制品。
技术介绍
连续和不连续丝纺丝技术是已知的技术，并通常被称作熔融纺丝技术。熔融纺丝技术均包括熔喷方法或纺粘方法。纺粘方法涉及提供熔融聚合物，其然后在压力下通过被称作喷丝板或模头的板中的大量的喷丝孔被挤出。所得到的连续丝被骤冷并通过许多方法中的任何方法来牵引，如槽式牵引系统、衰减枪(attenuator guns)或牵伸辊。连续丝在移动的有小孔的表面如丝网传送带上被收集为松散的纤维网。当为了制备多层织物而串连使用一个以上的喷丝板时，后面的纤维网在前述制备的纤维网的最上层表面被收集到。熔喷方法涉及制备无纺织物层的纺粘过程装置，其中熔融的聚合物在压力下通过喷丝板或模头的喷丝孔被挤出。高速气体在丝线离开模头时撞击丝线和使丝线变细。这个步骤的能量是使得形成的丝线的直径非常大地减小并断裂从而产生具有不确定长度的微纤维。这个方法不同在于丝线的连续性得以保留的纺粘方法。溶融坊丝设备制造公司,如 Reifenhauser、Ason Neumag> Nordson 禾口 Accurate Product已设计了大量的提供多种的所期望特性的熔喷和/或纺粘制造模型，所述所期望特性举例而言如提高的聚合物产量、更好的工艺空气流或聚合物分布的控制和提高的对丝线偏离的控制。US 专利 4708619、4813864、4820142、4838774、5087186、6427745 和 6565344 公开了处理纺粘或熔喷材料的制造设备的实例，所有上述专利都作为参考文献引入本文。对于由包含亚微米纤维的无纺织物制备的制品存在着正在增长的需求。亚微米纤维的直径通常理解为小于约1000纳米(即1微米)。亚微米纤维网由于其高表面积、低的孔径尺寸和其他特性而是需要的。亚微米纤维可以通过多种方法和多种材料制备。虽然已经使用了几种方法，但每种方法都存在缺点并且生产成本效果合算的亚微米纤维是困难的。常规的熔融纺丝设备布置不能提供高主要是具有窄纤维尺寸分布的微细(包括亚微米直径)纤维的高质量、低缺陷纤维和纤维网。制造亚微米纤维的方法包括一类用熔融原纤维化(melt fibrillation)描述的方法。非限制性的熔融原纤维化方法的实例包括喷熔、熔融纤维破裂(melt fiber bursting) 和熔膜原纤维化。不从熔体制造亚微米纤维的方法是膜原纤维化、静电纺丝和溶液纺丝。制造亚微米纤维的其他方法包括纺制较大直径的海岛、拼合盘(segmented pie)或其它构型的双组分纤维，该纤维然后进行进一步处理以得到亚微米纤维。熔融原纤维化是一类广义纤维制造方法，定义为一种或多种聚合物被熔融并被挤出为许多可能的构造(如共挤出、均相或双组分膜或长丝)然后原纤维化或纤维化成长丝。熔膜原纤维化是制造纤维的另一个方法。从熔体制备熔膜且然后用流体从该熔膜制造纤维。这个方法的两个实例包括iTorobin的美国专利6315806、5183670和4536361以及转让给Akron大学的Reneker的美国专利63825洸、6520425和6695992。静电纺丝是常用的制备亚微米纤维的方法。在这个方法的一个形式中，聚合物被溶解在溶剂中且放置在一端密封在另一端的颈缩部分有小开口的腔室中。然后在聚合物溶液和靠近该腔室的开口端的收集器之间施加高电压。这个方法的生产速率很低且典型地生产很小数量的纤维。另一类制备亚微米纤维的纺丝技术是使用溶剂的溶液纺丝或闪蒸纺丝。熔膜原纤维化方法获得高熔体剪切力的一个方法是通过高速气体(即接近音速或者超音速气体速度)。为了获得超音速或近音速(接近音速)的速度，典型地流体需要收敛到喉部(喷嘴中最窄的部分，其中的速度到达音速水平)并然后在扩张部分膨胀。符合这些一般标准的绝热喷嘴(通过喷嘴系统的边界没有热量的获得和损失)是现有技术中已知的，并包括所谓的Laval喷嘴。在纤维制备中使用Laval型喷嘴被公开在例如美国专利申请公开2004/0099981A1和美国专利5075161和5260003中。这些方法利用Laval喷嘴加速气体速率至音速和/或超音速的范围。当聚合物熔体暴露在如此高的气体速率下，它爆裂为许多精细纤维。在排放喷嘴中他们通常使用气体和聚合物熔体同心的输入和传输， 这从设备设置复杂性和设备维护等的观点来看并非是最佳的。但是，其他喷嘴构造，如非同心的(非环形的)的喷嘴设置也面临着他们自己的挑战。例如，在聚合物熔体和气体通过独立的并行单元引入的纤维或长丝喷嘴系统中，当纤维化气体在具有被加热到高温(例如，由于聚合物熔体从那一侧流动引入)的表面或壁的一侧和与聚合物熔体侧相比处于低温的相对侧(例如，气体引入侧)的表面或壁之间流动时会趋向于出现问题。在这样的情形下，在现有喷嘴构造例如Laval喷嘴构造中的扩张部分中气体流趋向于变的不稳定。这会导致聚合物剪切力的缺少、聚合物回流或在气体通道的气体侧聚集等问题，且随后导致不平稳变化的过多的和减少的聚合物流动和纤维化。在出现足够的熔体聚集入上游气体侧之后，聚合物熔体分离并且典型地作为“丸粒”(“shot”)喷出，因为熔体被局部地冷却并由于不充分的聚合物剪切而不能再产生纤维。当作为这些变化的另一极端聚合物流供料不足时，剪切力会过高而导致不需要的尘粒(dust)。需要取得新的进步以允许在商业意义上的产量水平以更有效的方式为一次性制品生产一贯高质量的亚微米纤维。
技术实现思路
本专利技术涉及以独特的单个步骤、熔膜原纤维化高产量方法制备的高质量、低缺陷亚微米纤维和引入该亚微米纤维的无纺织物，以及用于该目的的喷嘴装置。在商业规模的产量下可以得到包含高质量的微纤维含量的无纺织物产品，其在一方面具有超过99%的亚微米纤维含量。增加的聚合物剪切力和聚合物回流或聚集问题的降低也可以通过本专利技术而实现，反之则会导致不期望的纤维缺陷如喷嘴系统内丸粒的发展。通过本专利技术，提供适用于多种工业和消费者护理纤维产品的具有提高的阻挡性、柔软度、吸收性、不透明性和/或高表面积的高质量微纤维无纺织物产品。已经发现制备无纺纤维网(nonwoven web)的方法制备高质量高产量的亚微米纤维产品，该方法以如下方式实施提供在被限制在第一和第二相对壁之间的气体通道内流动的加压气体流，所述相对壁分别限定上游收敛和下游扩张壁表面，在该下游扩张壁表面中引入聚合物熔体以在加热的壁表面上提供挤出的聚合物膜，该加热的壁表面被在气体通道内流动的气体流撞击，有效地将聚合物膜原纤维化为亚微米直径纤维。“收敛”是指在气体流动方向上横截面积减小，且“扩张”是指在气体流动方向上横截面积增加。在一个实施方案中，气体通道包括气体从入口端进入其中的第一上游部分，过渡区，和在其中气体流到出口端的第二下游部分，其中过渡区域流体地(fluidly)将第一部分连接到第二部分，并且气体通道结束于第二部分的出口端。在特定的实施方案中，气体通道的第一部分具有从入口端到过渡区单调减小的横截面积，且气体通道的第二部分具有从过渡区到第二部分的出口端单调增加的横截面积。至少一个流动的聚合物流体通过至少一个有界限的 (bounded)结束于所述至少一个相对的加热壁中的至少一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．无纺纤维网产品，其包含至少一个含有亚微米纤维的纤维网，其中所述亚微米纤维包含以约１０ｋｇ／ｈｒ／ｍ至约２００ｋｇ／ｈｒ／ｍ的聚合物产量得到的原纤维化的聚合物熔体膜产物并且具有小于约０．５微米的纤维直径分布标准偏差，所述纤维网具有低于平均每平方毫米１０个丸粒颗粒的丸粒量，其中所述丸粒包括球形、椭球形或其混合形状的离散聚合物块，最大尺度为１０到５００微米，并且所述纤维网具有小于约１５微米的平均孔径。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：M·H·约翰逊，T·克劳塞，M·W·哈耶斯，R·奇哈布拉，S·艾多雷，O·E·A·伊塞勒，徐晗，
申请(专利权)人：聚合物集团公司，
类型：发明
国别省市：US