CN101184872B - 利用来自辅助歧管的流体流进行聚合材料熔喷的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于熔喷的方法和设备，其利用辅助歧管在模具的喷丝孔与导管的出口之间分配流体，所述模具的喷丝孔排出聚合纤维，所述导管的出口将二次气体流分配到所述纤维上。从所述辅助歧管分配的流体减小了在所述出口与所述喷丝孔之间的二次流的再循环区，该再循环区在没有来自所述歧管的流体的情况下，产生飘散的纤维，该飘散的纤维被所述再循环的二次流吹回到所述模具的面处。

Description

利用来自辅助歧管的流体流进行聚合材料熔喷的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年5月23日提交的美国临时专利申请No.60/683,643的权益。

技术领域

本发明涉及生产非织造聚合材料的熔喷方法。更具体地，本发明涉及熔喷过程，在该熔喷过程的同时，利用来自与导管相结合的辅助歧管的流体流，所述导管将二次流分配到从所述熔喷模具排出的纤维中。

背景技术

具有有用性能的非织造幅材(nonwoven web)能够利用熔喷方法形成，在该方法中将长丝从一系列小的喷丝孔挤出，同时将其利用热空气或其它细化流体(attenuating fluid)细化成纤维。该细化的纤维在位于远处的收集器或其它合适的表面上形成为幅材。

近来，本领域的文献已描述了在纤维已从喷丝孔排出并被细化之后，但在它们碰到收集器上之前，流体的二次流如何能够被引导到所述纤维上。通过操控所述二次流的速度和温度，能够以有用的方式改变所述纤维的性能以及因此它们形成在所述收集器上的非织造织物的性能。

但是，以此方式对二次流的使用存在限制。当织物形成速度提高时，在某一点处已知的技术变得无效。当生产率提高时，细化流体的流和二次流体的流开始以不希望的方式相互作用。开始出现的一个特定失效模式是喷丝孔下游的涡旋再循环区的出现。一些排出的纤维被扫入到所述再循环区中并以不希望的方向被扫掉，这引起浪费、减少产量并弄脏设备。一直以来都致力于改善非织造幅材的均匀性。本领域需要一种机构，通过该机构，用于所述纤维性能的二次流的优点能够被扩展到降低生产成本的高生产率。

发明内容

本发明的实施方案通过提供如下的方法和设备来解决这些和其它问题，其中所述方法和设备减小了所述再循环区，以从而减少弄脏所述模具面的飘散纤维的量。辅助歧管在急冷气流和所述模具的喷丝孔之间分配流体。来自所述歧管的流体减小了低压区域，从而减少了急冷气的再循环。结果，也减少了在所述模具面处的飘散纤维的量。

一个实施方案是具有模具的熔喷设备，所述模具具有多个用于排出聚合材料的长丝喷丝孔。至少一个导管被定位，以引导气流朝向所述排出的聚合材料。该实施方案具有相对于所述模具和所述至少一个导管定位的至少一个辅助歧管，使得流体从辅助歧管被分配到所述流与所述长丝喷丝孔之间，以从而将所述聚合材料与再循环区基本隔离。在实际实践中常常提供两根导管，在排出的聚合物的幕(curtain)的任一侧都有一根。在这种情况下，优选的是具有两个辅助歧管，每个都被定位以将所述聚合材料与其对应的再循环区基本隔离。

在优选实施方案中，所述辅助歧管如下分配流体，沿着所述长丝喷丝孔位置的长度在单位长度上具有基本均匀的质量流。在以下的详细描述中，将提供指导以说明如何方便地制备歧管，该歧管分配基本均匀的质量流，即使当所述流体是可压缩的流体时也是如此。

本发明的另一实施方案是具有模具的熔喷设备，所述模具具有多个用于排出聚合材料的长丝喷丝孔，所述模具排出被夹带在空气流中的聚合材料流，所述空气流来自所述模具内的多个气刀。至少一根导管被定位以引导二次气体流朝向所述排出的聚合材料并处于远离所述模具的方向。此外，至少一个辅助歧管相对于所述模具和所述至少一根导管被定位，使得流体从辅助歧管被分配到在所述二次流与聚合材料流之间的位置中，并朝向气体的再循环区的区域，该区域紧邻所述模具，并具有比所述二次流的质量流率低的质量流率，从而将在所述导管与所述多个喷丝孔之间的再循环区基本隔离。

本发明的另一方面是一种熔喷方法，包括：

从模具的多个长丝喷丝孔排出聚合材料；

引导气流朝向所述排出的聚合材料；和

从辅助歧管分配流体，其中所述流体在所述流与所述长丝喷丝孔之间被分配，以将所述聚合材料与再循环区基本隔离。

附图说明

图1示出了可形成巨大的再循环区的现有技术常规熔喷设备的横截面图。

图2示出了在设计辅助歧管中利用的熔喷设备的横截面的二维几何表示。

图3示出了在已被网格化成(meshed into)有限元之后图2的几何表示，该有限元允许在设计辅助歧管中待利用的流线的建模。

图4示出了在增加辅助歧管之后图2的几何表示。

图5示出了在已被网格化成有限元之后图4的几何表示，该有限元允许由所述辅助歧管的引入产生的流线的建模。

图6示出了所述辅助歧管的三维几何表示，该辅助歧管具有由图5所示网状元件的二维几何表示所限定的状态。

图7示出了在图6的几何表示内，在设计的初始尝试之后、在所述辅助歧管的第三维上的质量流分布和方向，这导致流动的非均匀分布和非垂直方向。

图8示出了在图6的几何表示内，在设计的随后尝试之后、在所述辅助歧管的第三维上的质量流分布和方向，这导致流动的基本均匀分布和基本垂直的方向。

图9A至9D示出了流程图，说明了设计歧管的方法的示例性实施方案。

发明详述

本发明的实施方案提供熔喷设备，其可用受控的二次流处理从所述模具排出的聚合纤维，以便使得到的非织造织物的性能最优化，并且这甚至能够以高的生产率完成。还将讨论用于设计合适的辅助歧管的制作的技术。

现在参考图1，示出了能够形成巨大再循环区的现有技术常规熔喷设备的横截面图。在代表性的横截面中示出包括熔喷模具22的熔喷设备20。熔喷模具22用于排出延伸聚合长丝的流24，其朝向收集带26以方向“D”运动，如所示那样。根据常规实践，熔喷模具22配备有空腔28和30，用于正好在流24已经从挤出孔32的线被挤出之后引导热气体的两股流紧靠着流24。所述热气体从空腔28和30排出喷射，以延伸和细化从挤出孔32排出的长丝，使得它们具有合适的尺寸和分布，以在收集带26上形成期望的织物34。尽管结合该实例描绘了带，但熟悉该熔喷技术的人将理解，为了取下作为织物的长丝可以使用旋转鼓。

熔喷设备20还包括一对导管40和42，与所述方向“D”相比较，一个在流线24的上游，一个在流线24的下游。二次流从导管40和42紧靠着长丝流24排出，因此当所述长丝碰到再收集带26上时，它们具有织物34中所期望的性能。

前文描述大体上遵从Breister等人的美国专利6,861,025的公开内容，并且适用于在收集带26的低速和适中速度下的熔喷织物的生产。但是，当该过程运转更猛烈且更快时，例如在织物的生产超过大约35g/小时/孔之后，出现以赋予给一些排出的长丝的漂移运动的形式的困难。在较高的挤出速度时，长丝在收集带26上的有序积累变得混乱，并且一些长丝开始收集在模具22的表面上和导管40与42上。该观察提出呈直立蜗旋形式的成对再循环区大致地形成在标记为A和B的位置。

由于期望能够在保持织物34理想的特性的同时增加生产线速度，并且由于破坏所形成的再循环区A和B看起来受通过气体分配歧管的解决方案的影响，因此所述气体分配歧管沿垂直于图1的二维表示的方向延伸。

根据图2设置初始几何表示。尽管认识到的复杂情况是，收集带(在图1中26)处于运动中，并且不会通过非滑动状态产生某些流体运动，但作出的简化假定是，该问题是对称的。空腔(图1中28)、导管(图1中42)和收集带(图1中26)的现有几何形状实际上分别表示为几何表示28v、42v和26v。将边界条件设置为已知气压，所述已知气压，当收集带26以高的线速度运转时，提供虽然不适当、但最好的运转条件。在几何表示中，将这些压力假定为沿着路线50、52和54均匀地存在。

将该二维几何形状和这些边界条件提供到市场上可买到的流动分析组合件，以确定再循环区的存在，为增加辅助歧管和确定什么样的期望的质量分布状况可充分地隔离所述再循环区作准备。尽管认为许多商品是合适的，但可使用市场上可从Fluent，Inc.ofLebanon，NH买到的FLUENT解算器。可为该问题选择k-epsilon(k-ε)两方程模型，并且使用重正化群(renormalized group)是可行的。带走所述气体的粘性发热的功能物也是可行的。一旦所描述的几何形状和边界条件适当，并且在图2中限定的空间已经被网格化成有限元，所述解算器在平衡状态本身已建立之后以一定方式运转，以便使表示气流的流线可视。这些流线在图3中示出。在该附图中，再循环区在A和B处形成的假设通过围绕这些位置的封闭流线的表现强化。

在该实例中，认为所述再循环区如在图4中所示那样被在新歧管62中从开口60排出的附加气流破坏。如对于其他几何形状正确的是，将气体分配歧管62安置成在垂直于图1二维表示的方向中延伸，并且任何给定的横截面是在沿着垂线截取的任何其它横截面处的流动的典型表示。为了简化，在歧管62内建立边界条件线64，暂时假定沿着线64在每个可能的横截面处能够均匀地保持均匀的压力。稍后在设计过程中，该简化假定可根据需要被检验和提出。

作为对于该特定实例的起点，假定从歧管62排出以破坏所述再循环区的质量流应为从导管42已知需要的质量流的50％，以在期望生产率下(寻求超过35g/小时/孔)实现所述长丝的所需处理。作为另一起点，仅仅因为作为可容易用到的压缩机的静压力容量的合理分数，将沿着边界条件线64的压力可任意设定在某一合理值，例如总共20psig。通过简单的喷丝孔方程，根据在歧管62内的假定压力下歧管62所需的假定质量流，得到开口60的起始尺寸。

采用这些适当的假定，再次采用解算器以分析新的几何形状和边界条件。对于该实例，可以进行许多试验以改变围绕歧管62的周围的开口60的位置。由所述试验产生的流线的分析提出，为了建立将所述排出长丝与所述再循环区隔离的移动气体的幕墙，不通过使来自歧管62的流出物对准再循环区B的中心、而是在其前面可实现最好的结果。该状态在图5中示出，并且在这一点上可以说已经为歧管62确定了分配方向，以与为给定输入压力先前假定的质量流率相配。还为该实例假定在歧管的延伸长度上沿所述第三维的流的分布应该是均匀的，以适当地隔离所述再循环区。

一旦为该特定实例确定用于使歧管62的流出物对准的最好方向，就通过解算器执行附加组试验，以便确定在仍然维持所述再循环区的隔离的同时，是否能够减少来自歧管62的假定质量流，以节省在提供该所述流中的能量消耗。在用于该特定实例的这些实验中，已发现在来自所述歧管的流不能再将长丝24的流与所述再循环区隔离之前，所述质量流能够减少到从所述导管排出的质量流的30％。

通过这一点，已获得对于需要分解的实际问题的可行解决方案，即期望的质量流分布，只要其证明能够在垂直于所述二维表示的方向上沿歧管62的延伸长度合适地提供确定的质量流。仍然必须检验证明先前作出的简单假定是可行的。为了进行该工作，形成在歧管62内和在其直接周围中的气体的3-D数学表示。在该表示中，歧管62p的几何形状是基本倒转的，限定气体不能流过的边界。该几何表示在图6中示出。在该附图中，歧管62的一半已转变成该虚拟表示62p，因为已作出该情形是对称的简化假定。从歧管62p的虚拟表示发出的排气的求解域也包括在该表示中。尽管气体邻近歧管62p迄今围绕狭槽80p周围的外表面的体积需要包括在3-D数学表示中，这可能在直觉上不是明显的，但直觉是错误的。在3-D数学表示中不包括该表面上额外的体积常常得到无效的结果。

在认识到可能需要通过将开口60p设置成由桥82p分开的一系列狭槽80p来增加结构强度的同时，可设计歧管62p的表示。当然，用于开口60p的其它几何形状是可能的，并被认为是在本发明的范围内。在本说明书中，选择51mm外径、45mm内径和188cm长的圆柱形管(与现有技术中通常比60cm短得多的试凑(trial and error)歧管相比为相对长的歧管)作为用于歧管62的起点，因为这样的尺寸可方便定位在熔喷设备20中。作为用于该特定实例的分析的起点，假定所述管将设置有38mm长、3.2mm宽、并且一个与下一个由根据相关熔喷设备的喷丝孔的桥分开3.2mm的狭槽38。经验法则是将所述出口的总表面积维持到不大于所述歧管入口的总面积的量。

然后将在歧管62p的倒转表示的外部内的气体体积和该外部附近的气体体积网格化成有限六面体元，使得至少一些六面体元相对于分配方向定向，如附图中的“F”所示。作为边界条件，歧管62p被假定为从一端84，或者两端84与86填充。更具体地，将在所述2-D表示中提供所述再循环区的隔离的质量流，例如kg/sec/m，乘以歧管62p的长度。然后，通过端84，或端84和端86的表面进入表示的总质量流的一半(因为假设所述总质量流的另一半由所述歧管的对称的另一半所控制)设置为边界条件。

该三维几何形状和这些边界条件再次提供给FLUENT解算器，并且再次采用k-ε两方程模型。同样，重正化群的利用，和(因为在本实例中的流体为可压缩空气)考虑气体的粘性发热的功能也是可行的。然后，该解算器运行以便在各个点提供流体速度的矢量和大小。该矢量场用于形成沿所述分配方向通过各个狭槽的流体的速度的假彩色显视，以便通过推导提供质量流在歧管的延伸长度上的真实分配的指示。这如图7所示，其中气体从一端沿流向“F”进入歧管。从附图可观察到的是，该流沿所述歧管的延伸长度不均匀，使得试验几何参数不能产生所要求的质量流轮廓。

根据本发明的实施方案，如果狭槽长度、狭槽宽度、狭槽间隔、歧管直径等等的这些试验几何参数的分析未能描述所需质量流从所述歧管以与所期望充分相同的方式的输送，需要改进这些几何参数，并回到分析。如果对于特定应用需要在歧管的延伸长度上的均匀流动，已发现，减小组合出口面积与组合入口面积的比率倾向于使所述流更均匀地分布。在本实例中，当图7的显示证明来自6.4mm宽的狭槽的流动是不够均匀的，将所述3-D模型的几何参数调节到1.59mm宽，并且再次将该模型应用到解算器。该解算器再次运行以便提供所述流体沿所述分配方向通过每个这些狭窄狭槽的速度的显示。这如图8所示，并且能够从附图观察到并通过推导质量流分布，速度沿着歧管的延伸长度具有比图7的情形更均匀的流动分布。对于该特定实例，流动分布的均匀性被认为足够良好以产生气流的均匀幕墙，以将长丝与横过整个生产辐板的再循环区隔离。

为了测试用于该特定熔喷情形的该估计，根据产生图8的参数由金属制作真的歧管，并且根据如图4所示在2-D分析中确定的方向和位置将该歧管安装在熔喷线中。在两端将歧管加压到总共20psig，并制造织物。观察到阻止了长丝在所述模具和所述导管的表面上不希望的累积，并且织物的性能不会被不利地影响。

如下警告是合适的：当需要获得沿歧管长度的输出物的必要均匀度时，注意涉及减小歧管的组合出口面积与组合入口面积的比率的步骤。不注意地减少多于所需的比率倾向于引起其它的困难，特别是涉及驱动所述质量流所需的压力值的困难。相对于提供合适的压缩机以供应歧管62，获得较高的压力是更昂贵的，并且较高的压力可能需要歧管62由更昂贵的材料构造成，以便经得起加压的应力。

实际上，在一些情形下，可证明难以在三维模型中重复几何参数，以便在人们希望使用的装备限制内获得目标质量流率，以及流动沿着歧管长度的目标分布。当这出现时，可执行任选的步骤。指出理想的装备能够给沿着歧管长度所需的均匀性水平提供的最大质量流率，并通过该质量流率重建二维表示。然后歧管的精确位置和分配方向的参数可以被重复并重新分析，在维持流动目标分布可足以获得先前为期望质量流分布设定的目标的同时，寻求歧管最大质量流输出的组合，例如本实例中是所述再循环区的隔离。将理解的是，有时不能为歧管几何形状和气体供应设备的某些组合获得涉及流的质量流和分布的组合的某些质量流分布。还将理解的是，在某些方法中允许的适于期望分配的构造，将不适于具有用于包含内压力或用于当安置时跨越支撑之间的距离充足的结构强度。用于排空、而不是分配流体的吸入歧管的必要状态适于通过本发明的方法的处理也在本发明的范围内。

尽管已参考本发明的各种实施例具体地示出并描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可作出在形式上和细节上的各种其它变化。

Claims (6)

1.一种熔喷设备，包括：

模具，其具有多个用于排出聚合材料的长丝喷丝孔；

至少一根导管，其被定位以引导气体流朝向所述排出的聚合材料；和

至少一个辅助歧管，其相对于所述模具和所述至少一根导管定位，使得流体从辅助歧管分配到所述流与所述长丝喷丝孔之间，从而将所述聚合材料与再循环区基本隔离，

其中所述辅助歧管分配流体，其中沿着所述长丝喷丝孔位置的长度在单位长度上具有基本均匀的质量流。

2.如权利要求1所述的熔喷设备，其中所述流体是可压缩的。

3.一种熔喷方法，包括：

从模具的多个长丝喷丝孔排出聚合材料；

引导气体流朝向所述排出的聚合材料；和

从辅助歧管分配流体，其中所述流体在所述流与所述长丝喷丝孔之间分配，以将所述聚合材料与再循环的区域基本隔离，

其中从所述辅助歧管分配流体包括：分配如下流体，其沿着所述长丝喷丝孔位置的长度在单位长度上具有基本均匀的质量流。

4.如权利要求3所述的方法，其中从所述辅助歧管分配流体包括：分配可压缩的流体。

5.一种熔喷设备，包括：

模具，其具有多个用于排出聚合材料的长丝喷丝孔，该模具排出被夹带在空气流中的聚合材料流，所述空气流来自在所述模具内的多个气刀；

至少一根导管，其被定位以引导二次气体流朝向所述排出的聚合材料并处于远离所述模具的方向；和

至少一个辅助歧管，其相对于所述模具和所述至少一根导管定位，使得流体被从所述辅助歧管分配到在所述二次气体流与所述聚合材料流之间的位置中并朝着气体再循环区的区域，所述区域紧邻所述模具，并且具有比所述二次气体流的质量流率低的质量流率，从而将在所述导管与所述多个喷丝孔之间的再循环区基本隔离，

其中所述辅助歧管分配流体，其中沿着所述长丝喷丝孔位置的长度在单位长度上具有基本均匀的质量流。

6.如权利要求5所述的熔喷设备，其中所述流体是可压缩的。

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