CN100347349C - 熔体熔喷装置和采用此装置制造纤维网的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于把熔化的纤维形成材料从模具熔喷成无纺纤维网的装置。把纤维形成材料供给到一个有多个出口(22a-d)的行星齿轮计量泵(21)，流动的纤维形成材料被从泵的出口供给到一个或多个模具腔(25)的进口(24a-d)，纤维形成材料被从模具熔喷长丝并受到促细气流的吹拉而变成纤维。各模具腔收到热历程相近的纤维形成材料流。制成的无纺纤维网的物理或化学性质诸如平均分子量和多分散性更均匀。把多个这样的模具腔并列地排成一行，可以制成宽幅的无纺纤维网。把多个这样的模具腔垂向叠置，可以制成较厚的或多层的无纺纤维网。

Description

熔体熔喷装置和采用此装置制造纤维网的方法

技术领域

本发明涉及熔体熔喷装置和采用此装置制造纤维网的方法。

背景技术

无纺纤维网典型地是用一种熔体熔喷过程制成的，在这种过程中，一边从模具的许许多多的小孔熔喷许许多多的长丝，一边用热空气或其它能促使变细的流体使长丝细化成纤维。使被细化的纤维在一个布置在远处的聚集板或其它适当的表面上形成无纺纤维网。也可以用一种纺粘过程来形成无纺纤维网。纺粘的无纺纤维网典型地是这样制成的，首先从许许多多的小孔熔喷熔体长丝并将长丝进行暴露于冷空气的急冷处理而使长丝的至少表面部分硬化，再用空气或其它流体把至少部分地硬化了的长丝细化成纤维，以及再把纤维聚集起来并选择性地把纤维压延成无纺纤维网。与熔体熔喷法制成的无纺纤维网相比，典型地，纺粘法制成的无纺纤维网的松软性较差而硬性较大。并且与熔体熔喷成的无纺纤维网的长丝相比，纺粘而成的无纺纤维网的长丝的熔喷温度较低。

迄今一直在不断地努力改善无纺纤维网的均匀性。一般地说，是根据诸如基本重量、平均纤维直径、织物厚度或孔隙率孔隙率等因素来评价无纺纤维网的均匀性。为改善无纺纤维网的均匀性，可以改变或控制诸如材料熔喷量、空气流量、多孔模具到聚集板的距离等过程变量。此外，也可以改变熔体熔喷装置或纺粘装置的设计结构。美国专利Nos.4,889,476；5,236,641；5,248,247；5,260,033；5,582,907；5,728,407；5,891,482以及5,993,943中描述了这类改进措施。

一般是用一个熔喷机和一个或多个计量齿轮泵把能够形成纤维的材料(纤维形成材料)供给到熔体熔喷模头。齿轮泵典型地有两个对转啮合的齿轮。宽幅的熔体熔喷成形无纺纤维网是通过并列地布置多个熔体熔喷模头以及用相应数量的齿轮泵把熔化的聚合物供给到并列地多个模具来制造的，见美国专利Nos.5,236,641和6,182,732。‘641号专利应用传感器和反馈系统测量无纺纤维网的条子的物理性质(例如厚度或基本重量)，随后改变齿轮泵的转速以保持所选择的性质在无纺纤维网的条子内或沿着无纺纤维网的整个宽度的均匀性。

尽管各方面的许多研究者已经做了许多年的努力，但是工商业上适用的无纺纤维网的制造仍然要求仔细调整过程变量和装置参数，以及经常需要进行试错运行，以便得到令人满意的结果。性质均匀的宽幅熔体熔喷成形无纺纤维网可能是尤其难以制造的。

发明内容

熔体熔喷需要特别高的温度。这样的高温对于熔体熔喷模头和包括上述齿轮泵的相关设备可能是有害的。有时泵可能因此而发生故障。所以不管怎样都要对泵进行定期的维护。在采用一组齿轮泵时，很难将它们维护到都有相同的允差和工作状态。由于这些和其他的原因，以生产厂的设定值很难生产出均匀的无纺纤维网，在用多个计量泵系统生产宽幅熔体熔喷无纺纤维网时，不管是否采用泵工作状态反馈系统，情况尤其如此。

虽然无纺纤维网的宏观性质，诸如基本重量、平均纤维直径、织物厚度或孔隙率等是有用的，但是这些性质不能始终给出用以评价无纺纤维网的质量和均匀性的足够依据。无纺纤维网的这些宏观性质典型地是通过从无纺纤维网的各部分切下小的样块或者用传感器监测运动着的无纺纤维网的各个部分来测定。这些方法对可能歪曲测定结果的取样和测量误差是很敏感的，用于评价基本重量低或称孔隙率高的无纺纤维网时，情况尤其如此。此外，虽然无纺纤维网可以表现出有均匀的基本重量、纤维直径、厚度或孔隙率的测量值，可是无纺纤维网却可能由于个别无纺纤维网纤维的内在性质的差别表现出不均匀的性能特性。熔体熔喷过程使纤维形成材料承受明显的粘度降低(以及有时承受相当大的热量损失)，在把纤维形成材料泵送到熔体熔喷模头的过程中以及在使纤维形成材料通过模具的过程中尤其如此。如果能使每一个纤维形成材料流在其进入熔体熔喷模头腔或熔体熔喷模头腔组时能够有基本上相同的物理或化学性质，则可以制造出更均匀的无纺纤维网。通过使纤维形成材料流承受相同的或基本上相同的泵送状态，从而使纤维形成材料流在到达模具或模具组之前暴露于更均匀的热历程，可以容易地达到这种物理或化学性质的均匀性。随后从模具或模具组熔喷出的长丝互相间可以有更均一的物理或化学性质，并且在被拉细和聚集之后，可以形成质量更高或更均匀的熔体熔喷无纺纤维网。

所希望的长丝物理性质均匀性可以较佳地通过测定聚集的纤维的一个或多个内在的物理或化学性质来评价，例如测定它们的基本重量平均值或算数平均分子量，以及更佳的是测定它们的分子量分布。可以用多分散性方便地表征分子量分布。通过测量纤维而不是无纺纤维网样块的性质，可以降低取样误差，并且可以较精确地测量无纺纤维网的质量或均匀性。

本发明的一个方面提供一种用于制造纤维性无纺纤维网的方法，其包括把纤维形成材料供给到一个有多个出口的行星齿轮计量泵，使纤维形成材料从该泵的各出口流出流到一个或多个模具腔的多个出口，以及熔喷熔化状态的纤维形成材料而使其形成无纺纤维网。在一个较佳实施例中，这种方法采用多个这样的模具腔，其布置成能够生产出比只用一单个这样的模具腔所能制成的更宽或更厚的无纺纤维网。

在另一方面，本发明提供一种熔喷装置，它包括一个有多个纤维形成材料出口的行星齿轮计量泵，这些出口连接于一个或多个熔体熔喷模头的一个或多个模具腔的多个纤维形成材料进口。在一个较佳实施例中，熔体熔喷模头包括多个模具腔，这些模具腔布置成能够生产出比只用一单个这样的模具腔所能制成的更宽或更厚的无纺纤维网。

附图说明

图1是一个行星齿轮计量泵的顶视示意图。

图2是一个行星齿轮计量泵的侧视示意图。

图3是采用一个行星齿轮计量泵和一个多进口T形槽模具腔的一个熔体熔喷模头的一段的示意立体图。

图3a是沿着图3中的线3a-3a剖取的熔体熔喷模头的出口区域的示意侧视图。

图4是采用一个行星齿轮计量泵和并列地布置的一组鱼尾形模具腔的一个熔体熔喷模头的一段的示意立体图。

图5是采用一个行星齿轮计量泵和并列地布置的一组衣架形模具腔的一个熔体熔喷模头的一段的示意立体图。

图6是采用一个行星齿轮计量泵和并列地布置的一组滞留时间大致均匀的模具腔的一个熔体熔喷模头的一段的示意立体图。

图7a是图6的模具腔的顶视剖视图。

图7b是沿着图7a中的线7b-7b剖取的侧视剖视图。

图7c是图7a的模具的一段的立体图。

图8是采用行星齿轮计量泵的另一个熔体熔喷模头的分解立体图。

图9是采用一个行星齿轮计量泵的熔体熔喷模头的示意立体图，图中某些部分用虚线绘出，其中行星齿轮计量泵连接于垂向叠置的一组熔体熔喷模头腔。

熔体熔喷熔体熔喷模头无纺纤维网熔体熔喷无纺纤维网无纺纤维网孔隙率孔隙率无纺纤维网无纺纤维网无纺纤维网无纺纤维网孔隙率孔隙率无纺纤维网无纺纤维网孔隙率孔隙率无纺纤维网无纺纤维网熔体熔喷熔体熔喷模头熔体熔喷模头熔体熔喷模头无纺纤维网长丝熔体熔喷无纺纤维网长丝无纺纤维网无纺纤维网无纺纤维网无纺纤维网无纺纤维网熔喷熔体熔喷模头熔体熔喷模头无纺纤维网

具体实施方式

就这一说明书中的用法而论，术语“无纺纤维网”是指具有牵连特征的纤维质网状物，而且其较佳地具有足够的内聚力和自身支承强度。

术语“熔体熔喷”是指一种用于制造无纺纤维网的方法，这种方法是：一边把熔化的纤维形成材料通过许多小孔熔喷而形成长丝，一边使形成的长丝接触空气或其它能够促使长丝细化的流体，以将长丝细化成纤维，随后把细化了的纤维聚集成一个纤维层。

短语“熔体熔喷温度”是指在进行典型的熔体熔喷时熔体熔喷模头的温度。根据应用场合，这个温度可能高达315℃，325℃，甚至340℃或更高。

短语“熔体熔喷模头”是指用于进行熔体熔喷过程的模具。

术语“熔体吹成纤维”是指用熔体熔喷过程制成的纤维。熔体吹成纤维的形状比(长度对直径之比)基本上是无穷大(一般至少是约10,000或更高)，当然，也有报告称熔体吹成纤维是不连续的。这些纤维很长且充分地牵连在一起，以至于通常不可能从大量的这种纤维中抽出一根完整的熔体吹成纤维，也不可能从头到尾找出一根纤维。

短语“把长丝细化成纤维”是指把一根长丝转变成长度更长直径更小的长丝。

术语“多分散性”是指一种聚合物的加权平均分子量除以这种聚合物的算数平均分子量，加权平均分子量和算数平均分子量都是用胶体渗透色谱法和聚苯乙烯的标准来评价。

短语“有基本上均匀的多分散性的纤维”是指其多分散性与纤维的平均多分散性的差异不超过±5％的熔体吹成纤维。

术语“剪切率”是指在垂直于速度的方向上非紊流流体的速度变化率。对于非紊流流体流过一个二维边界层，剪切率是垂直于这个边界层的梯度向量，代表着相对于至这个边界层的距离的速度变化率。

术语“滞留时间”是指纤维形成材料流流经模具腔的流动路径长度除以平均流速。

短语“基本上均匀的滞留时间”是指对于一个流经一个模具腔的纤维形成材料流的任一部分计算的、模拟的或实验测量的滞留时间，其不超过整个纤维形成材料流的计算的、模拟的或实验测量的滞留时间的平均值的两倍。

现在参照图1，其中一个行星齿轮计量泵1的内部采用所谓行星的或称周转的齿轮组。主动齿轮或称太阳轮2被几个从动齿轮或称行星轮3到6围绕并啮合着。纤维形成材料(例如用一个熔喷机供给的)经由入口7进入主动轮轮齿和从动轮轮齿之间的空间，并且主动齿轮2和与之啮合的各从动齿轮3到6转动时，纤维形成材料就被经由出口8泵送出去。

图2是图1的泵1的侧视图。驱动轴9穿过密封件10伸入泵1内部。纤维形成材料经由进口11进入泵1，并经由诸如出口12的各出口流出泵1。为便于泵1的清洗和磨损零件的更换，泵1的本体由几块机械加工的板诸如板13到15拼合而成。与普通的齿轮泵相比，行星齿轮计量泵的一个重要的优点是各个输出流有很相近的流量并经历非常相近的热历程。

本发明中可以用各种行星齿轮计量泵。这种泵应能较佳地承受暴露于温度为熔体熔喷温度的纤维形成材料。对于某些熔体熔喷应用，这要求行星齿轮计量泵必须是相当结实耐用的，应能在高达350℃的温度下工作，并且可能要求用特殊的泵用材料和淬火处理的零部件。适用的行星齿轮计量泵可以有各种结构配置，例如每个泵有2、3、4、6、8或更多个出口，并且在泵的一侧或两侧有各种入口和出口布置。如果愿意，各泵可以在其入口和出口两者之一或两者处采用静止的混合元件。采用静止的混合元件有利于纤维形成材料的混合和分布。例如，下列几个文件中介绍了几种较佳的行星齿轮计量泵：“Feinpruef Spinning Pumps”(Mahr GmBH公司的一个小册子；其中F16合金Feinpruef泵特别可取)；“Planetary Polymer Metering Pumps(行星聚合物计量泵)”(Slack & Parr，Ltd公司的网页，网址http://www.slack-parr.com/meter_pumos/polymer.htm)；“ZenithPumps Planetary GearPumps”(Parker Hannifin Corporation公司Zenith Pumps Division分部的一个小册子)。在美国专利Nos.3,498,230；5,354,529；5,637,331和5,902,531；以及英国专利No.870,019中可以找到关于行星齿轮计量泵的更一般的介绍。如以上几个小册子和专利中所述，行星齿轮计量泵已经在熔体离心纤维制造过程中用于把熔化的聚合物输送给歧管供料喷丝头。与制造无纺纤维网用的温度，特别是制造熔体熔喷而成的无纺纤维网用的温度相比，一般来说，熔体离心纤维制造过程的温度较低。例如，与流出熔体熔融纺丝模具的熔化材料相比，在熔体熔喷过程中，离开模具出口的纤维形成材料的温度典型地高得多，其分子量低得多，以及粘度更是低得多。在熔体熔喷过程中，由于高速空气流的作用，熔喷的纤维被细化(因而在熔喷方向上的长度拉长)。在熔体熔融纺丝过程中，典型地不采用能使纤维形成材料细化的空气流。在熔体熔喷过程中，由于让纤维形成材料通过泵，通过熔喷模头，由于要达到所希望的熔体粘度所要求的高温，或利用空气流或其它能使纤维细化的流体，纤维形成材料可能变得非常稀薄，甚至热降解。在熔体熔融纺丝过程中，可以认为，纤维形成材料的稀薄和热降解程度极低。因此，与熔体熔喷过程相关的温度和力有可能加重最终无纺纤维网产品中的不均匀性，在熔体熔喷过程的各个阶段纤维形成材料的热历程有差别时情况尤其如此。可以认为，用熔体熔融纺丝过程生产的纤维产品的均匀性高得多。

用行星齿轮计量泵给一个或多个熔体熔喷模头供料有助于降低聚集成的产品的差异，因为这种泵可把流量相近和热历程相近的纤维形成材料流供给到一个模具或一组模具的每一个纤维形成材料进口。由于熔体熔喷过程的性质可能加重纤维形成材料供给流中可能存在的任何差别，所以用行星齿轮计量泵可以提供产品均匀性的优点，这些优点在熔体熔融纺丝纤维制造中是不存在的或是不明显的。

图3表示出本发明的熔体熔喷装置20，它包括一个行星齿轮计量泵21，泵21的四个出口22a-22d把纤维形成材料通过导管23a-23d供给到模具本体26内的T形槽模具腔25的进口24a-24d。模具腔25包括歧管27和槽28。

图3a是图3的模具腔25的出口区域的剖面图。如图3a所示，纤维形成材料(其经历了热引起的速度降低甚至热降解并且由于通过模具腔而有分子量变化)通过诸如在模具端头27处钻出或机械加工出的小孔29的一排并列小孔从模具腔25熔喷而形成许多长丝31。从邻近模具端头27的高压气室33a和33b通过诸如小孔32a和32b的许多小孔以高压吹出高速的促细流体(例如空气)。促细气流通过对长丝31的冲撞、拉扯以及可能的撕开或分离作用使长丝31细化成拉长的直径减小的纤维34。纤维34被随机地聚集在设置在远处的一个运动着的诸如筛网36或其它适当表面的聚集板上而形成固有牵连的无纺纤维网38。被供给到模具腔25的进口24a-24d的纤维形成材料流都有相近的热历程，这样就促使形成具有基本上均匀的纤维物理或化学性质的纤维34。关于用这一装置能够进行的熔体熔喷的方式的更详细的说明可以参见例如《工业工程化学(Industrial Engineering Chemistry)》中的Wente，VanA“特级热塑性塑料纤维(Superfine Thermoplastics Fibers)”，第48卷，第1342页et seq.(1956)，或Report No4364 of the Naval ResearchLaboratories(海军研究实验室)，May 25，1954出版，题目为“特级有机纤维的制造(Manufacture of Superfine Organic Fibers)”，作者Wente，V.A；Boone，C.D.；和Fluharty，E.L.。

图4表示出本发明的熔体熔喷装置40，它包括一个行星齿轮计量泵41，泵41的三个出口42b、42d和42e位于泵41的顶部，还有另外三个出口在泵41的底部(图4中未示)，这些出口把纤维形成材料通过导管43a-43f供给到并列地布置在模具本体46里的一组六个鱼尾形模具腔45a-45f的进口44a-44f。每一鱼尾形模具腔包括一个诸如歧管47a的歧管。各模具共用公共槽48。被供给到熔体熔喷模头腔45a-45f的进口44a-44f的纤维形成材料流都有相近的热历程，这样就使得可在一块运动着的聚集板(图4中未示)上形成具有基本上均匀的纤维物理或化学性质的牵连纤维无纺纤维网。

图5表示出本发明的熔体熔喷装置50，它包括一个行星齿轮计量泵51，泵51的三个出口位于其底部(图5中未示)，这些出口把纤维形成材料通过导管53a-53c供给到并列地布置在模具本体56内的三个衣架形模具腔55a-55c的进口54a-54c。每一模具腔包括一个诸如歧管57a的歧管。各模具共用公共槽58。被供给到熔体熔喷模头腔55a-55c的纤维形成材料流都有相近的热历程，这样就使得在一块运动着的聚集板(图5中未示)上形成具有基本上均匀的纤维物理或化学性质的牵连纤维无纺纤维网。

图6是滞留时间基本上均匀的熔体熔喷装置60的顶视立体图，它有用在本发明的熔体熔喷系统中的特殊功用。装置60包括行星齿轮计量泵61，泵61的四个出口62a-62d位于其顶部，这些出口把纤维形成材料通过导管63a-63d供给到并列地布置在模具本体66里的四个模具腔66a-66d的进口64a-64d。纤维形成材料从泵61的各出口流到模具本体的进口，并像下面将详述的那样流过每一模具腔。

图7a是图6的模具腔66a的示意顶视图。纤维形成材料经由进口64a进入模具本体66并沿着歧管臂72a或72b流经歧管72。歧管臂72a和72b较佳地有恒定的宽度和变化的深度。某些纤维形成材料流经歧管臂72a或72b以及流过在模具端头77处机械加工或钻出的诸如小孔78a或78b的许多小孔从模具腔66a流出。其余的纤维形成材料流经歧管臂72a或72b流进槽73并流经模具端头77处的诸如小孔78的许多小孔从模具腔66a流出。流出的纤维形成材料形成许许多多的长丝67。从靠近模具端头77的许多小孔(图7中不可见)以高压喷出的许多高速促细气流将长丝67细化成纤维68。纤维68被随机地聚集在设置在远处的一个运动着的诸如筛网69或其它适当表面的聚集板上而形成固有牵连的无纺纤维网69a。

图7b是沿着图7a中的线7b-7b剖取的图4的模具48的剖面图。歧管臂72a有变化的深度H，深度在接近进口64a处为最大而在接近歧管臂72A和72b的端部处为最小。槽73有固定的深度h。纤维形成材料从歧管臂72a流进槽73并经由模具端头77处的小孔78流出模具腔66a而成为长丝67。空气刀74覆盖模具端头77。模具端头77是可拆装的并可较佳地分开成互相匹配的两半77a和77b，这允许方便地改变小孔78的尺寸、布置和间距。可以从在模具腔66a的出口面的高压气室79a和79b通过在空气刀74里的小孔79c和79d吹出高压促细气流，而把熔喷的长丝细化成纤维。

图7c是熔体熔喷模头48的剖开立体图。为了清楚，只表示出模具端头77的下半部分77b，并且该图中省略了空气刀74。图7c的其余结构要素与图7a和7b的相同。

诸如模具腔66a的各模具腔可以借助于下面将要详细讨论的各方程来设计，这些方程列在2002.06.20提交的题目为“无纺织物以及所形成的无纺布(NONWOVEN WEB DIE AND NONWOVEN WEBS MADE THEREWITH)”的共同待审的申请Serial No.10/177.446中。利用这些方程可以设计出优化的无纺纤维网制造模具腔，其可使流经模具腔的纤维形成材料有均匀的滞留时间。从这样的模具腔熔喷的长丝在其被细化、聚集和冷却成无纺纤维网之后有均匀的物理或化学性质。

与图1和2所示的模具腔相比，对于一个给定的模具腔宽度，图7a的模具腔66a从纤维形成材料进口到长丝出口都深得多。诸如模具腔66a的各模具腔可以按比例放大/缩小成各种尺寸而用于制成各种所需宽度的无纺纤维网。但是，要想从一单个这样的熔体熔喷模头制成宽幅的无纺纤维网(例如宽度约为半米或更宽)，则需要用很深的模具腔，这样的模具腔将表现出极大的压力降。较佳的是，本发明的宽幅无纺纤维网的宽度可为0.5，1，1.5或2米甚至更宽，并且是用布置成能形成较宽的无纺纤维网的多个模具腔来制成，因而能制成比用一单个模具腔可制成的宽得多的无纺纤维网。例如，在用本发明的基本上为平面的熔体熔喷模头时，把多个模具腔如图6所示那样做较佳的并列布置。诸如图6所示的模具使得可把许多窄的模具腔(例如其宽度小于0.50，小于0.33，小于0.25，或小于0.1米)并列地排成一排，它们就可以生产出宽度为一米或更宽的均匀的或基本上均匀的无纺纤维网。与采用一单个较宽且较深的模具腔相比，用多个并列的模具腔可以降低模具的从前到后的总深度，可以降低从模具进口到模具出口的压力降，以及可以降低模具端头沿着模具的宽度的变形。

在本发明的一个较佳实施例中，模具腔出口对模具槽的平面有一个角度。图8表示出一个用于熔体熔喷模头80的一个这样的结构的分解立体图。模具80包括竖立的基板81，其由穿过诸如孔84a的几个螺栓孔的螺栓(图8中未示)紧固于模具本体82。模具本体82和基板81用穿过诸如孔84b和84c的各螺栓孔的螺栓固定于空气歧管83。模具本体82包括一组八个相邻的像图3中所示的模具腔85a-85h，每一个模具腔较佳地机械加工成完全相同的尺寸。模具腔85a-85h共用一个公共的模具座面89。模具腔85a包括歧管86a、槽87a和进口88a。模具腔85b-85h里也有类似的结构要素。模具端头90由压板91a和91b保持在空气歧管83上就位。空气刀92由穿过诸如孔93a的几个螺栓孔的几个螺栓(图8中未示)固定于空气歧管83。空气歧管83包括进口94a和94b，空气从这些进口进入，流经内部通路(图8中未示)到达高压气室95a和95b，再从这里到达空气刀92。隔热垫板96a和96b有助于把装置80保持在一个均匀的温度。在模具80的使用过程中，用两台各有四个出口的行星齿轮计量泵97a和97b把纤维形成材料供给到分配室98。用两个泵便于把装置80转换成其它的结构配置，例如，作为一个用于熔喷多层无纺纤维网的模具或用于熔喷双组分纤维的模具。纤维形成材料被通过基板81里的内部通路(图8中未示)输送到诸如口99a的许多口，而后经过诸如口88a的许多口进入模具腔85a-85h。纤维形成材料在流经诸如歧管86a的许多歧管和诸如槽87a的许多模具槽之后流过模具座面89并拐一个直角弯进入空气歧管83内的一个狭缝(图8中未示)。由于模具80中各结构要素和分模线的布置，模具腔85a-85h被宽度足够大的机械加工的金属表面包围，以至于它们可被牢固地压紧于基板81和空气歧管83。通常，很难把热输入器件装在像图8所示的模具设计结构的某些区域内。但是由于下面将更详细地解释的原因，这样一种模具设计结构能够较佳地工作而可以几乎不依赖热输入器件。这可给整个模具的设计提供更大的灵活性，并使得可将模具中的各主要构成部分、机械加工表面和分模线布置成一种可以重复进行装配和拆卸的结构，以便于清洗，同时又可降低磨损引起的漏泄的可能性。

空气歧管83里的狭缝把纤维形成材料引导到在端头90上钻出或机械加工出的许多小孔，纤维形成材料从模具80经这些小孔熔喷而成为直径很小的长丝。同时，经由进口94a和94b进入空气歧管的空气冲撞这些长丝，使它们在通过空气刀92中的狭缝100时和稍后时刻细化成纤维。

以上表示和说明的有T形槽形状的模具腔、衣架形的和鱼尾形的模具腔或诸如图7a的模具腔66a那样的模具腔也都可以布置成能生产出比仅用一单个这样的模具腔可生产的无纺纤维网厚的无纺纤维网。例如，在用基本上是平面的无纺纤维网模具时，可把多个这样的模具腔较佳地垂向叠置起来，用以生产厚的无纺纤维网。图9表示出本发明的一个熔体熔喷系统110，其采用垂向叠置的模具腔111、112和113。系统110包括一个行星齿轮计量泵51，泵51的位于其底部的三个出口(图9中未示)把纤维形成材料经导管53a-53c供给到模具腔111、112和113的进口。为了清楚，表示出的模具端头114、115和116去掉了覆盖的空气刀，空气刀能使促细气流从诸如小孔119的许多小孔吹向从模具端头114上的诸如小孔118的许多小孔熔喷的长丝。模具110可用于形成三层相邻的无纺纤维网，每一层都包含牵连的细化的熔体吹成纤维。

熟悉本领域的人将能理解，熔体熔喷模头不必是平面的。本发明的熔体熔喷装置可以采用有一条对称中心轴线的环形模具，用以形成圆筒形的一组长丝。有多个非平面的(曲面的)模具腔的模具，它的形状如果做成平面的，就像图7a中所示的那样，也可以围绕一个圆筒的圆周布置，用以形成直径更大的圆筒形的一组长丝，这组长丝的筒径可比仅用一单个相近深度的环形模具腔可形成的筒形长丝的筒径大。也可以把本发明的多个环形无纺纤维网模具围绕一条对称中心线套装起来，做成这样的布置，可用以形成多层多组圆筒形长丝。

用在本发明中的较佳的熔体熔喷模头可以用流体流动方程来设计，这些方程是基于遵守以下方程的幂律流体的特性：

(1)η＝η⁰γ^n-1

式中：

η＝粘度

η⁰＝在一个基准剪切率γ°下的基准粘度

n＝幂律指数

γ＝剪切率

再参照图7a，x-y坐标轴已经放在模具腔66a上，x轴大致对应于模具腔的出口边缘(或换言之，是模具端头77的进口侧)，而y轴大致对应于模具腔66a的中心线。模具腔66a的一半宽度尺寸是b，整个宽度尺寸是2b。歧管内x处的流体流量Q_m(x)由于质量平衡的原因可以假定为等于从x处和b处之间的模具腔流出的材料的流量，并且也可以假定为等于歧管里流体的平均速度乘以歧管臂的截面面积：

(2)Q_m(x)＝(b-x)h V_s＝WH(x) V_m

式中

Q_m(x)是在歧管臂内x处的流体流量

V_m是歧管里流体的平均速度

b是模具腔的半个宽度

V_s是槽内流体的平均速度

h是槽的深度

H(x)是在x处歧管臂的深度

W是歧管臂的宽度

假定歧管臂的宽度是某一可观的尺寸，例如是1cm，1.5cm，2cm，等等。槽的深度h的数值可以根据将流经模具腔的纤维形成流体的流变特性的范围和跨越模具的目标压力降来选取。假定歧管里流体的流动是非紊流的并且是沿着歧管臂的方向。假定槽内流体的流动是层流并且是沿着y方向。图7a中的短划线A和B代表垂直于流体流动方向的常压线。槽(slot)里的压力梯度由下列方程与歧管臂(manifold arm)里的压力梯度关联起来：

式中Δζ是由图7a中的Δx和Δy形成的三角形的斜边，在这个三角形处短划线A和B相交于在右边的歧管臂72b和槽73之间的轮廓线C。方程：

$\left(4\right)---\mathrm{\Δ\ζ}=\mathrm{\Δy}{[1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2]}^{1/2}$

可以用勾股定理来得出。导数dx/dy是轮廓线C的斜率的倒数。把方程(3)和(4)组合起来，得到：

在模具腔壁处的流体压力梯度Δp和剪切率γw可以通过假定槽和歧管里的流动是稳定的并且忽略任何流体交换的影响来计算。假定流体遵守粘度的幂律模型：

$\left(6\right)---n=n^0{\left|\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\γ}}^0}\right|}^{n-1}$

对于槽可计算压力梯度和壁面处剪切率为：

$\left(7\right)---\mathrm{\Δp}=\frac{(-2n^0{\mathrm{\γ}}^0)}{n}{\left(\frac{-{\mathrm{\γ}}_w}{{\mathrm{\γ}}^0}\right)}^n$

$\left(8\right)={\mathrm{\γ}}_w=-(\frac{1}{n}+2)\frac{2\stackrel{\‾}{v}}{h}$

可通过假定槽的壁处的剪切率与歧管的壁处的剪切率相同来设定附加的边界条件：

(9)γs＝γm在壁处。

这使得设计与熔体的粘度无关并且要求在模具腔里至少在壁处粘度处处相同。要求在歧管和槽两者的壁处有均一的剪切率，以及要求质量守恒，则可得出方程：

$\left(10\right)---H=h{\left(\frac{b-x}{W}\right)}^{1/2}$

以及歧管臂轮廓线C的斜率的方程：

$\left(11\right)---\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=-{(\frac{b-x}{W}-1)}^{1/2}$

将上式进行积分，得到：

$\left(12\right)---y\left(x\right)=2W{(\frac{b-x}{W}-1)}^{1/2}$

方程式(12)可用于设计歧管臂的轮廓。

歧管臂的深度H(x)可用以下方程计算：

$\left(13\right)---H\left(x\right)={\left(\frac{b-x}{W}\right)}^{1/2}$

用上述各方程设计的模具腔能有均一的滞留时间，通过把(3)式的分子和分母除以Δt，得到方程：

$\left(14\right)---\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dy}}=\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{d\ζ}}\frac{\left(\frac{\mathrm{\Δ\ζ}}{\mathrm{\Δt}}\right)}{\left(\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δt}}\right)}$

可将方程(14)变换成：

$\left(15\right)---\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dy}}=\frac{-1}{{[{\left(\frac{{\stackrel{\‾}{v}}_m}{{\stackrel{\‾}{v}}_s}\right)}^2-1]}^{1/2}}$

再进一步变换，得到：

$\left(16\right)---\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Δy}}{{\stackrel{\‾}{v}}_s}=\frac{\mathrm{\Δ\ζ}}{{\stackrel{\‾}{v}}_m}$

因此，歧管里的滞留时间与槽里的滞留时间是相同的。这样，沿着任何路径，流体不仅经历相同的剪切率而且经历这一剪切率的时间长度也相同。这就使横跨模具腔宽度的纤维形成材料流经历相当均一的热历程和剪切历程。

熟悉本领域的人将能理解，上述各方程可给出优化的模具腔设计。一个优化的模具腔设计，当然是希望的，但不是为得到本发明的好处所必需的。有意地或意外地偏离这些方程可提供的优化设计参数，仍然可以得到有用的具有基本上均一的滞留时间的模具腔设计结构。例如，由方程式(12)提供的y(x)的数值可以横跨模具腔改变例如约±50％，较好地是±25％，更好地是±10％。尽管表达方式有些不同，但是模具腔歧管臂和模具槽都能满足在以下方程定义的两条曲线内：

$\left(17\right)---y\left(x\right)=(1\±0.5)2W{(\frac{b-x}{W}-1)}^{1/2}$

而且较佳地是满足在以下方程定义的两条曲线内：

$\left(18\right)---y\left(x\right)=(1\±0.25)2W{(\frac{b-x}{W}-1)}^{1/2}$

更好地是满足在以下方程定义的两条曲线内：

$\left(19\right)---y\left(x\right)=(1\±0.1)2W{(\frac{b-x}{W}-1)}^{1/2}$

以上三式中，x，y，b和W的定义如前。

熟悉本领域的人还将能理解，滞留时间不必横跨模具腔完美地均一。例如，从上述可注意到，纤维形成材料流在模具腔里的滞留时间只要基本上均一就可以了。较好的是，这样的纤维形成材料流的滞留时间在平均滞留时间的约±50％以内，更好的是在平均滞留时间的约±10％以内。在T形槽模具或衣架形模具里，横跨模具的宽度，纤维形成材料流的滞留时间的变化大得多。就T形槽模具而言，滞留时间的变化可达平均值的200％或更大，而就衣架形模具而言，滞留时间的变化可达平均值的1000％或更大。

熟悉本领域的人还将能理解，上述各方程是基于有歧管的模具腔设计结构，且歧管又有矩形的截面形状、恒定的宽度和按规律变化的深度。可以用适当构形的有其它截面形状、变化的宽度或其它深度的歧管替代图7a所示的设计结构，并且其仍能给出横跨模具腔的均一的或基本上均一的滞留时间。同样，熟悉本领域的人将能理解，上述各方程是基于有恒定深度的槽的模具腔设计结构。可以用适当构形的有变深度的槽的模具腔设计结构替代图7a所示的设计结构，并且其仍能给出横跨模具腔的均一的或基本上均一的滞留时间。在每一种情况中，各方程式将变得更加复杂，但是上述各基本原理仍将适用。

对于采用图7a所示的设计结构的模具腔的熔体熔喷系统，模具腔壁处的剪切率和流动的纤维形成材料经历的剪切应力在模具腔壁的湿表面的任一点可能是相同或基本上相同的。这使得采用行星齿轮计量泵和这样的模具腔的熔体熔喷系统对纤维形成材料的粘度或质量流量的变化相当不敏感，并且可使这样的熔体熔喷系统能够用于各种纤维形成材料和各种工作状态。这还使得这样的熔体熔喷系统能够在系统的工作过程中适应工作状态的变化。本发明的各较佳的熔体熔喷系统可用于粘弹性流体、剪切敏感流体和幂律流体。本发明的各较佳的熔体熔喷系统还可用于活性的纤维形成材料或用几种单聚物的混合物制成的纤维形成材料，并且在这些物料或单聚物通过模具腔的过程中可以提供均一的反应条件。在用冲洗剂进行清洗时，由这样较佳的熔体熔喷系统提供的恒定的壁面剪切应力可以增进遍及整个模具腔的均匀的冲刷作用，这样有助于进行彻底而均匀的清洗。

最好是对每一根熔喷的长丝供给相同的促细气流。就这样的情况而论，最好是用可调整的促细气流歧管供给促细气流，2002.06.20提交的题目为“用于熔体熔喷模头的促细流体歧管(ATTENUATING FLUID MANIFOLD FORMELTBLOWING DIE)”的共同待审申请Serial No.10/177,814中描述了可调整的促细气流歧管。

本发明的较佳的熔体熔喷系统可以用一种平的温度分布型面来工作，这降低了对可调整的热输入器件(例如安装在模具本体内的电加热器)的依赖或对用于得到均匀的输出的其它补偿措施的依赖。这可以降低模具本体内热应力因而可防止模具腔的变形，而如果发生变形，就会引起局部的无纺纤维网基本重量不均匀。如果愿意用，可以给本发明的模具添加热输入器件。还可以增加隔热层，以便在模具使用过程中控制其热特性。

本发明的较佳的熔体熔喷系统能够生产出高度均匀的无纺纤维网。如果用一连串(例如3到10个)从靠近无纺纤维网的端部中间处(距离边缘应足够远以避免边缘效应)切割下来的0.01m2的试样来评价，本发明的较佳的熔体熔喷系统生产出的无纺纤维网的基本重量的均匀性误差约为±2％，甚至低于±1％。用类似地聚集的试样进行评价，本发明的较佳的熔体熔喷系统能够生产出包括至少一层熔体吹成纤维的无纺纤维网，这层纤维的多分散性与平均纤维多分散性的差异不超过±5％，甚至较佳地不超过±3％。

用本发明的熔体熔喷系统可将各种合成的或天然的纤维形成材料制成无纺纤维网。较佳的合成材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚丁烯对苯二甲酸酯、诸如尼龙6或尼龙11的线型聚酰胺、聚氨酯、聚(4甲基戊烯1)、以及这些物质的混合物或化合物。较佳的天然材料包括石油沥青或树脂沥青(例如用于制成碳纤维)。纤维形成材料可以是熔化状态的或加有适当的溶剂。各种活性的单聚物也可以用在本发明中，而且它们可以在通过泵或进入或通过模具的过程中互相反应。无纺纤维网可以在一个单层里含有纤维混合物(例如在制造时用两个靠近布置的模具腔共用一个公共模具端头)，也可以含有多层纤维混合物(例如在制造时用诸如图7所示的模具)，或含有一层或多层多组分的纤维(如美国专利No.6,057,256中所述)。

用本发明的熔体熔喷系统制成的无纺纤维网中的纤维可能有多种尺寸的直径。例如，纤维可能是平均直径小于5微米甚至小于1微米的超细纤维，平均直径小于约10微米的细纤维，或平均直径为25微米或更大的较粗纤维。

用本发明的熔体熔喷系统制成的无纺纤维网可以包含另外的纤维状或颗粒状材料，如美国专利Nos.3,016,599；3,971,373和4,111,531中所述。无纺纤维网里也可以添加其他的辅料，诸如染料、颜料、填料、磨粒、耐光照稳定剂、阻燃剂、吸收剂、药物、等等。这些辅料的添加可以用多种方式进行，例如，把它们引入纤维形成材料流中，或把它们在纤维聚集成无纺纤维网的过程中或之后喷涂在纤维上，或衬在无纺纤维网上，或用熟悉本领域的人已知的其它技术方法。例如，可以在无纺纤维网上喷涂纤维光饰层，以改善无纺纤维网的手感性质。

最终制成的无纺纤维网的厚度可以有宽泛的范围。对于大多数应用，厚度在约0.05和15cm之间的无纺纤维网是较佳的。对于某些应用场合，可以把两层或多层单独制成的或一并制成的无纺纤维网层叠起来作为一个较厚的片状产品。例如，可以把一个纺粘纤维层、一个熔体吹成的无纺纤维网层和再一个纺粘纤维层(诸如美国专利No.6,182,732中所述)层叠成一个SMS结构。用本发明的熔体熔喷系统也可以这样来制造无纺纤维网，就是把纤维流沉积在将构成最终制成的无纺纤维网的一部分的另一片材料上，诸如一层孔隙率孔隙率无纺纤维网上。也可以通过机械的接合、热熔合或粘结把其它的结构物，诸如不渗透的薄膜，层叠在无纺纤维网上。

还可以对聚集后形成的无纺纤维网进行进一步的处理，例如，用热和压力将其压实到引起点粘合的程度，用以控制无纺纤维网的毛细管作用，或在无纺纤维网上压出图案，或增大其上粒状材料的保持牢度。还可以通过在纤维形成的过程中给纤维充以电荷，这种做法如美国专利No.4,215,682中所述，或者在无纺纤维网形成之后给无纺纤维网充以电荷，这种做法如美国专利No.3,571,679中所述，使无纺纤维网带有静电，以增强其过滤性能。

用本发明的熔体熔喷系统制成的无纺纤维网可有广泛的用途，包括作为过滤介体和过滤器具、医用纤维制品、卫生用品、吸油毡、服装用纤维制品、隔热或隔声材料、电池隔片和电容器绝缘层。

显然，熟悉本领域的人在本发明的精神和范围内可以对本发明做出各种变型和改变。所以，不能将本发明限制于本文中仅仅为了说明的目的而阐述的内容。

Claims (10)

1.一种熔体熔喷装置，它包括一个行星齿轮计量泵，该行星齿轮计量泵有多个纤维形成材料出口，这些出口连接于一个或多个熔体熔喷模头的一个或多个模具腔的多个纤维形成材料进口。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泵的每一个出口连接于一个模具腔。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述泵的多个出口和宽度不超过0.5米的所述各模具腔并列布置成一排，这一排模具腔可生产出宽度为1米或更宽的均匀的或基本上均匀的无纺纤维网。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多个模具腔垂向地布置成一叠。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述模具腔可以用平的温度分布型面工作。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模具腔有大致平面的模具槽和出口，以及其特征还在于，所述模具腔的出口对所述模具槽的平面有一个角度。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模具腔的出口对所述模具槽的平面的角度近似为直角。

8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述纤维形成材料流流经所述泵和所述熔体熔喷模头过程中经历的滞留时间使所述装置能够生产出这样的无纺纤维网，这种无纺纤维网的纤维多分散性与平均纤维多分散性的差异不超过±5％。

9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述纤维形成材料流流经所述泵和所述熔体熔喷模头过程中经历的滞留时间可使所述装置生产出这样的无纺纤维网，这种无纺纤维网的基本重量的均一性偏差为±2％或更小。

10.一种用于生产纤维网的方法，该方法包括：把所述纤维形成材料供给到如权利要求1或2所述的装置；使所述纤维形成材料从所述泵的出口流到所述一个或多个模具腔的多个进口；以及把所述纤维形成材料熔喷成无纺纤维网。

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