CN101175881A - 带有屏障外皮的无纺材料 - Google Patents
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Abstract
一种无纺材料，其包括第一效应纤维、第一粘合纤维、第二粘合纤维和填充纤维。该无纺材料具有带有外皮的第一平面区、以及疏松区。第一平面区包括较高浓度的第一效应纤维和第一粘合纤维。疏松区包括较高浓度的填充纤维和第二粘合纤维。第一效应纤维可以是耐火纤维。
Description
技术领域
本发明大体上涉及带有大量z向组分的无纺材料，该z向组分具有添加在该无纺材料一侧或两侧上的表面外皮。
背景技术
在许多工业包括汽车、办公室和家用家具、建筑物和其他产业中有许多产品需要具有z-向厚度的材料来提供绝热、隔音、美感和其他性能特征。在许多这些应用中，还需要材料是可以被热成形为特殊形状和刚性的。在汽车工业中，这些产品经常用于屏蔽应用，如汽车车顶内衬中的吸声板和热障以及绝热板屏障。这些汽车材料可以在部件中加入或不加入具有美感的遮盖材料，该遮盖材料也可保护内芯部分免受磨损等。在家用和办公室家具和建筑物应用中，这些材料经常用作结构元件，在其外面可添加装饰材料。
另外，这些和其他工业需要材料以成本有效的方式来提供这些特性。通常，使用特种纤维和/或产生高水平性能的材料可以最佳地实现屏障性能，但是这也显著地提高了衬底的成本。尤其是在厚度大的衬底中，甚至向屏蔽材料中加入很小百分比的这些材料都会使整个衬底的成本显著增加。由于此原因，经常使用具有特种表面层的复合物提供这些屏障特性。一个例子是将一薄层成本高但非常有效的特种材料层压至大体积的成本较低的内芯材料上。尽管得到的复合物的成本比更均匀的复合物低，但是存在一些缺点如需要额外的加工步骤和外皮层可能会脱层。
本发明是现有技术的一种替代方法。其是具有不同功能区的无纺材料，当需要时这些功能区将提供具有各种所需性能的位于垂直取向的各区上的材料。可以用于在无纺材料的一侧上构成“外皮(skin)”的低熔点纤维可以特别地定位在材料的各侧上。这层外皮的形成能够在大气和无纺材料内部之间提供屏障，能够提供更光滑且更具美感的表面，并且能够改善其他性能特征如磨损和声音吸收。在头部防护物的情况中，该材料由于材料外皮的透气性较低而可以变为缺氧的，并且提高了其耐火性。本发明具有优异的模制性能，因为低熔点纤维不仅可以在数量上进行优化以达到优异性能，而且可以进行定位以便对特定模型设计来优化性能。通过在透气性低于内芯的无纺材料上形成不同的外皮实现了优异的声音吸收作用。通过使用与大体积内芯具有相同化学性质的低熔点纤维，可以形成基本上单一的可循环材料。实现所有这些有益效果的成本和重量与现有产品相比都是具有竞争力的。
附图说明
参照下面的描述、附加的权利要求和附图将能够更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优势，其中：
图1显示了本发明的无纺材料的一个实施方式的放大横截面；和
图2显示了实施形成本发明的无纺材料的方法的机器的示意图。
具体实施方式
现在参照附图，尤其是参照图1，显示了说明本发明一个实施方式的无纺材料100的放大横截面视图。如图所示，无纺材料100通常包括第一粘合纤维121、第一效应纤维122、第二粘合纤维131和填充纤维133。
这里所使用的粘合纤维是与其他纤维形成粘附或粘合的纤维。粘合纤维可以包括热活化的纤维。热活化粘合纤维的例子是可以在较低温度下熔化的纤维，例如低熔点纤维、外壳熔化温度较低的皮-芯纤维(core and sheath fiber)和类似物。在一个实施方式中，粘合纤维是外壳熔化温度较低的聚酯皮-芯纤维。使用热活化粘合纤维作为无纺材料100中的第二粘合纤维131的益处是该材料随后可以被模制为在汽车车顶内衬、发动机工作室罩、吊顶板材和办公室屏风等中使用的部件形状。
这里所使用的效应纤维(effect fiber)是任何集中在表面附近的有益的其它纤维。这些效应纤维可以用于为表面赋予颜色或功能。
填充纤维是在无纺材料的z向中提供体积的纤维，其从无纺材料100的平面尺寸垂直延伸。填充纤维的类型包括每单丝具有高旦尼尔的纤维(每单丝5旦尼尔或更高)、高卷曲纤维、中空-填充纤维和类似物。这些纤维能为材料提供质量和体积。用作填充纤维133的纤维的例子包括聚酯、聚丙烯和棉花、以及其它低成本纤维。
无纺材料100包括第一平面区120和疏松平面区130，第一平面区120和疏松平面区130。第一平面区120具有位于无纺材料100外表面的第一边界面101和位于比第一边界面101更靠近疏松平面区130处的内边界面111a。疏松平面区130具有位于无纺材料100外表面的第二边界面104和位于比第二边界面104更靠近耐火平面区120处的内边界面111b。无纺材料100是单一材料，两区的边界并不代表各层的轮廓，而是单一材料内的多个区域。因为无纺材料100是单一材料，且第一平面区120和疏松平面区130不是连接在一起的各自分离的层，因此在第一平面区120和疏松平面区130内将出现多根单独的纤维。尽管图1图示的是第一平面区120在z向上的厚度小于疏松平面区130，但两区的相对厚度可与图示不同。
第一平面区120含有第一粘合纤维121、第一效应纤维122、第二粘合纤维131和填充纤维133。但是，第一平面区120主要含有第一粘合纤维121和第一效应纤维122。同样，第一平面区120可以具有比疏松平面区130高的第一粘合纤维121浓度，且第一平面区120可以具有比疏松平面区130高的第一效应纤维122浓度。另外，第一平面区120的纤维分布是这样的：第一平面区120的第一边界面101处的第一粘合纤维121和第一效应纤维122的浓度高于该区的内边界面111a。而且，优选第一效应纤维122和第一粘合纤维121的浓度沿z-轴从该区的第一边界面101至该区的内边界面111a逐渐下降。
疏松平面区130也含有第二粘合纤维121、第一效应纤维122、第二粘合纤维131和填充纤维133。但是疏松平面区130主要含有第二粘合纤维131和填充纤维133。同样，疏松平面区130中第二粘合纤维131的浓度高于第一平面区120，且疏松平面区130中填充纤维132的浓度高于第一平面区120。而且，疏松平面区130中的纤维分布是这样的：第二边界面104处的填充纤维133的浓度高于该区的内边界面111b。另外，优选填充纤维133的浓度沿z-轴从该区的第二边界面104至该区的内边界面111b逐渐下降。
仍然参照图1，本发明的一个实施方式包括沿第一边界面101的第一外皮110。第一外皮110含有第一粘合纤维121，其中第一粘合纤维121熔合在半刚性外皮中。第一外皮110也可含有第一效应纤维122、第二粘合纤维131和填充纤维133。但是，第一外皮110含有的第二粘合纤维131或填充纤维133的量比第一效应纤维122或第一粘合纤维121要少。
现在参照图2，显示了说明图1的无纺材料100的形成方法的框图。如图2所示，气流成网装置(air lay equipment)400利用纤维的差异将纤维铺在收集传送带430上，每种类型纤维在z-向上的浓度不同，当其铺在收集传送带430上时与无纺材料100的平面相垂直。已经发现在该方法中能令人满意地形成本发明要求保护的材料的市售装置是奥地利林茨的FehrerAG公司的“K-12 HIGH-LOFT RANDOM CARD”。
仍然参照图2，在一个实施方式中，可通过具有不同旦尼尔的各种类型纤维来形成无纺材料中不同浓度的纤维，使纤维主要在收集传送带430上不同位置上进行收集。这些纤维沿收集传送带430以与收集传送带430的运动方向相同的方向向外突出(projected)。在落到收集传送带430上之前具有较高旦尼尔的纤维往往会比较低旦尼尔的纤维运行得更远。同样，距收集传送带430较近的具有较低旦尼尔的纤维的浓度往往会比具有较高旦尼尔的纤维高。而且，距收集传送带430较远的具有较高旦尼尔的纤维的浓度往往会比具有较低旦尼尔的纤维高。在该实施方式中，第一粘合纤维121和第一效应纤维122的每单丝的旦尼尔比第二粘合纤维131和填充纤维132的更小。
已经发现，使用旦尼尔范围在大约1到大约4旦尼尔的第一粘合纤维121、旦尼尔范围在大约1至大约4旦尼尔的第一效应纤维122、具有大于大约4旦尼尔的第二粘合纤维131、以及具有大于大约4旦尼尔的填充纤维133，可以使纤维在无纺材料中实现良好的分布。各种纤维旦尼尔的选择必须是这样的，即，主要在第一区120内的纤维(第一粘合纤维121和第一效应纤维122)与主要在疏松区130内的纤维(第二粘合纤维131和填充纤维133)之间的旦尼尔差异足以在无纺材料100内使纤维形成所需的分布和梯度。在一个实施方式中，主要在疏松区130内的纤维的旦尼尔的差异为主要在第一区120内的纤维的旦尼尔的至少大约两倍(2X)或更高。
现在参照图1和图2，将第一粘合纤维121、第一效应纤维122、第二粘合纤维131和填充纤维133散开，并以合适的比例混合，并输送至圆筒420。圆筒420旋转并将混合的纤维抛至收集传送带430上，从而使这些纤维从抛出曲线落下时就被收集起来。圆筒420是这样旋转的：即，在停留在收集传送带430上之前，较高旦尼尔的纤维往往与较低旦尼尔的纤维相比往往行进的更远。因此，在收集传送带430上收集的纤维网中，在z-向上靠近收集传送带430处较低旦尼尔的纤维的浓度较高，且在z-向上远离收集传送带430处较高旦尼尔的纤维的浓度较高。
仍然参照图1和图2，在无纺材料100中，第一粘合纤维121和第一效应纤维122在无纺网的下部或第一边界面101处或者其附近往往具有最高浓度点，其浓度从最高浓度到无纺网的上部或第二边界面104逐渐下降。填充纤维133一般在无纺网的上部或第二边界面104处或者其附近具有高于上述最高浓度的最高浓度点，其浓度从最高浓度到无纺网的下部或第一边界面101逐渐下降。装置400产生的这种分布能形成无纺材料100的第一平面区120和疏松平面区130。
仍然参照图1和图2，在无纺网形成后，其被加热以便使第一粘合纤维121至少部分地与第一效应纤维122的至少一部分熔合，第二粘合纤维131至少部分地与填充纤维133的至少一部分熔合。
在图1中图示的无纺材料100的实施方式中，在进行加热处理之后，无纺网的第一边界面101接受热处理，如压延(calendar)或加热传送带，这种处理使第一粘合纤维121在无纺网的第一边界面101处熔合在一起并与第一效应纤维122形成外皮表面。在第一边界面101上形成的外皮表面是第一外皮110。要注意的是，第一外皮110也可以不使用无纺材料100中的第一效应纤维122而形成，即第一外皮110主要由第一粘合纤维121形成。在第一边界面101处材料熔合形成外皮110，生成了与没有熔合外皮相比透气性较小、声音吸收较好和耐磨性较高的材料。
现在参照图1，有大量不同类型的纤维可以用于第一效应纤维122。这些纤维包括为无纺材料100赋予所需美学外观的有色纤维。这些效应纤维122也可以包括性能纤维如耐化学性纤维(如聚苯硫醚和聚四氟乙烯)、防潮纤维(如聚四氟乙烯和局部处理的材料如聚酯)、耐火纤维或其他纤维。
这里所使用的耐火纤维应该是指通过ISO 4589-1测定的极限氧指数(LOI)值为20.95或更高的纤维。耐火纤维的类型包括但不限于灭火纤维(fire suppressant fiber)和阻燃纤维(combustion resistant fiber)。灭火纤维是以通过抑制热源的方式消耗而满足LOI的纤维。在一种灭火方法中，灭火纤维在消耗过程中释放出气态产物如卤化气体。灭火纤维的例子包括改性晴纶(modacrylic)、PVC、局部卤化处理的纤维和类似物。阻燃纤维是当与热接触时通过阻止消耗而满足LOI的纤维。阻燃纤维的例子包括硅酸盐浸渍人造丝(rayon)如以商标VISIL销售的人造丝、部分氧化的聚丙烯腈、聚芳酰胺(polyaramid)、对芳酰胺(para-aramid)、石墨、间芳酰胺、三聚氰胺和类似物。
在本发明的一个实施例中，由四种纤维的混合物形成无纺材料，其包括：
1)大约10wt％的第一粘合纤维，其是1至2旦尼尔的低熔点聚酯；
2)大约60wt％的阻燃纤维形式的第一效应纤维，其包括大约20％的耐火纤维(其为2旦尼尔的改性晴纶)和大约40％的阻燃纤维(其包括3.5旦尼尔的玻璃浸渍的人造丝和2旦尼尔的部分氧化的聚丙烯腈)；
3)大约10wt％的第二粘合纤维，其是4旦尼尔和10旦尼尔的低熔点聚酯；和
4)大约15wt％至大约20wt％的填充纤维，其是15旦尼尔的聚酯。
将纤维散开、混合并使用Fehrer AG公司的“K-12 HIGH-LOFTRANDOM CARD”形成无纺材料100。具体来说，纤维堆放在K-12的收集传送带上。收集纤维后，无纺网被加热至大约160℃。在将粘合的无纺网冷却后，然后该网被压延在含有较大量第一粘合纤维和阻燃性第一效应纤维的网的侧面上。压延工艺在无纺网的第一边界面101处将第一粘合纤维熔合在半刚性外皮中，使其成为阻燃外皮。生成的无纺材料的重量为每平方码大约7至大约10盎司。在生成的无纺材料中，阻燃性第一效应纤维占无纺材料的至少40％，且与填充纤维和第二粘合纤维相比，存在至多两倍的第一粘合纤维和阻燃性第一效应纤维。
在本发明的第二实施例中，无纺材料由四种纤维的混合物形成，其包括：
1)大约25wt％的第一粘合纤维，其是1旦尼尔的低熔点聚酯纤维；
2)大约20wt％的第二粘合纤维，其大约在4旦尼尔的低熔点聚酯纤维和10旦尼尔的低熔点聚酯纤维之间大约是等分的；和
3)大约55wt％的填充纤维，其是15旦尼尔的聚酯填充纤维。
将纤维散开、混合并使用Fehrer AG公司的“K-12 HIGH-LOFTRANDOM CARD”形成无纺材料100。具体来说，纤维堆放在K-12的收集传送带上。收集纤维后，无纺网被加热至大约160℃。在将粘合的无纺网冷却后，然后该网被压延在含有较大量第一粘合纤维的网的侧面上。压延工艺在无纺网的第一边界面处将第一粘合纤维熔合在半刚性外皮中，使其成为第一外皮。生成的无纺材料的重量为每平方码大约7至大约10盎司。
对本发明的第二实施例检测透气性、声音吸收和耐磨性，并与具有相同材料但没有外皮层的无纺材料相比较。声音吸收根据ASTM E1050(ISO 10534-2)进行检测，透气性根据ASTM D-737进行检测，且Martindale磨损根据ASTM D-4966进行检测。检测结果显示在下表中，其中物品A是没有外皮的无纺材料，且物品B是带有外皮的无纺材料：
表1
| 样品 | 声音吸收@ | 透气性 | Martindale磨损 | ||
| 500Hz | 1000Hz | 1500Hz | |||
| 物品A | 15％ | 29％ | 44％ | 198.5 | 5 |
| 物品B | 19％ | 42％ | 64％ | 147.0 | 8 |
如表1中的结果可见，外皮能改善声音吸收、降低透气性、并提高耐磨性。
尽管前面的实施例描述了具有每平方码大约7至10盎司的重量的无纺材料，但该重量可根据无纺材料的最终用途而进行变化。例如，如果无纺材料被用于天花板瓷砖工业中，则无纺材料的重量可以是每平方码大约7至大约15盎司。还有，如果该材料被用于汽车工业中，则无纺材料的重量可以是每平方码大约15至大约35盎司。重量为每平方码大约7至大约10盎司的无纺材料更适合用于床垫工业。
尽管本发明参照其优选形式进行了详细地描述，但有可能采取其他形式。因此，附加的权利要求的精神和保护范围不应限于本文中所包含的对优选形式的描述。
Claims (12)
1.一种无纺材料，其包括：
第一粘合纤维，
填充纤维，和
第二粘合纤维；
其中所述无纺材料是单一材料，该材料具有：
由第一边界面和内边界面限定的第一平面区，所述第一平面区包括部分第一粘合纤维和填充纤维；
由第二边界面和所述内边界面限定的疏松平面区，所述疏松平面区包括部分第一粘合纤维、第二粘合纤维和填充纤维；
在第一边界面上的第一外皮，所述第一外皮包括第一粘合纤维；
其中所述第一平面区中所述第一粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一粘合纤维的浓度，且第一粘合纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降；并且
其中所述第二平面区中所述填充纤维的浓度高于所述疏松平面区中填充纤维的浓度，且填充纤维的浓度从第二边界面至内边界面逐渐下降。
2.一种无纺材料，其包括：
第一粘合纤维，
填充纤维，和
第二粘合纤维；
其中所述无纺材料是单一材料，其具有：
由第一边界面和内边界面限定的第一平面区，所述第一平面区包括部分第一粘合纤维和第二粘合纤维；
由第二边界面和所述内边界面限定的疏松平面区，所述疏松平面区包括部分第一粘合纤维、第二粘合纤维和填充纤维；
在第一边界面上的第一外皮，所述第一外皮包括第一粘合纤维；
其中所述第一平面区中所述第一粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一粘合纤维的浓度，且第一粘合纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降；并且
其中所述第二平面区中所述第二粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第二粘合纤维的浓度，且第二粘合纤维的浓度从第二边界面至内边界面逐渐下降。
3.根据权利要求2所述的无纺材料，其中所述第一平面区包括部分填充纤维，所述疏松平面区中所述填充纤维的浓度高于所述第一平面区中填充纤维的浓度，且填充纤维的浓度从第二边界面至内边界面逐渐下降。
4.一种无纺材料，其包括：
第一粘合纤维，
第一效应纤维，
填充纤维，和
第二粘合纤维；
其中所述无纺材料是单一材料，其具有：
由第一边界面和内边界面限定的第一平面区，所述第一平面区包括部分第一粘合纤维、第一效应纤维和填充纤维；
由第二边界面和所述内边界面限定的疏松平面区，所述疏松平面区包括部分第一粘合纤维、第二粘合纤维和填充纤维；
在第一边界面上的第一外皮，所述第一外皮包括第一粘合纤维和第一效应纤维；
其中所述第一平面区中所述第一粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一粘合纤维的浓度，且第一粘合纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降；并且
其中所述第二平面区中所述填充纤维的浓度高于所述疏松平面区中填充纤维的浓度，且填充纤维的浓度从第二边界面至内边界面逐渐下降。
5.一种无纺材料，其包括：
第一粘合纤维，
第一效应纤维，
填充纤维，和
第二粘合纤维；
其中所述无纺材料是单一材料，其具有：
由第一边界面和内边界面限定的第一平面区，所述第一平面区包括部分第一粘合纤维、第一效应纤维和第二粘合纤维；
由第二边界面和所述内边界面限定的疏松平面区，所述疏松平面区包括部分第一粘合纤维、第二粘合纤维和填充纤维；
在第一边界面上的第一外皮，所述第一外皮包括第一粘合纤维和第一效应纤维；
其中所述第一平面区中第一粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一粘合纤维的浓度，且第一粘合纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降；并且
其中所述第二平面区中所述第二粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第二粘合纤维的浓度，且第二粘合纤维的浓度从第二边界面至内边界面逐渐下降。
6.根据权利要求5所述的无纺材料，根据权利要求2所述的无纺材料，其中所述第一平面区包括部分填充纤维，所述疏松平面区中所述填充纤维的浓度高于所述第一平面区中填充纤维的浓度，且填充纤维的浓度从第二边界面至内边界面逐渐下降。
7.一种无纺材料，其包括：
第一粘合纤维，
第一效应纤维，
填充纤维，和
第二粘合纤维；
其中所述无纺材料是单一材料，其具有：
由第一边界面和内边界面限定的第一平面区，所述第一平面区包括部分第一粘合纤维、第一效应纤维和填充纤维；
由第二边界面和所述内边界面限定的疏松平面区，所述疏松平面区包括部分第一效应纤维、第二粘合纤维和填充纤维；
在第一边界面上的第一外皮，所述第一外皮包括第一粘合纤维和第一效应纤维；
其中所述第一平面区中第一效应纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一效应纤维的浓度，且第一效应纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降；并且
其中所述的第二平面区中所述的填充纤维的浓度高于疏松平面区中填充纤维的浓度，且从第二边界面至内边界面填充纤维的浓度逐渐下降。
8.根据权利要求7所述的无纺材料，其中所述平面区包括部分第一粘合纤维，所述第一平面区中所述第一粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一粘合纤维的浓度，且第一粘合纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降。
9.一种无纺材料，其包括：
第一粘合纤维，
第一效应纤维，
填充纤维，和
第二粘合纤维；
其中所述无纺材料是单一材料，其具有：
由第一边界面和内边界面限定的第一平面区，所述第一平面区包括部分第一粘合纤维、第一效应纤维和第二粘合纤维；
由第二边界面和所述内边界面限定的疏松平面区，所述疏松平面区包括部分第一效应纤维、第二粘合纤维和填充纤维；
在第一边界面上的第一外皮，所述第一外皮包括第一粘合纤维和第一效应纤维；
其中所述第一平面区中第一效应纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一效应纤维的浓度，且第一效应纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降；并且
其中所述第二平面区中所述第二粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第二粘合纤维的浓度，且第二粘合纤维的浓度从第二边界面至内边界面逐渐下降。
10.根据权利要求9所述的无纺材料，其中所述平面区包括部分第一粘合纤维，所述第一平面区中所述第一粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一粘合纤维的浓度，且第一粘合纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降。
11.根据权利要求9所述的无纺材料，其中所述第一平面区包括部分填充纤维，所述疏松平面区中所述填充纤维的浓度高于所述第一平面区中填充纤维的浓度，且填充纤维的浓度从第二边界面至内边界面逐渐下降。
12.根据权利要求1所述的无纺材料，其中所述平面区包括部分第一粘合纤维，所述第一平面区中所述第一粘合纤维的浓度高于所述疏松平面区中第一粘合纤维的浓度，且第一粘合纤维的浓度从第一边界面至内边界面逐渐下降。
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