CN101688330A - 用于制造亚微米直径的纤维和由此类纤维构成的纤维网的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于生产直径小于一微米的聚合物长丝的方法和装置。将多种聚合物组分通过纺丝组合件挤出，然后使用气体流使它们变细，所述气体流通过渐缩放喷嘴加速以获得高速度。多种聚合物组分可以海岛型或橘瓣型构型挤出。由于高速气体流的缘故，多组分被分裂成它们的各个组分，从而生成直径小于一微米的或小尺度的长丝和纤维。

Description

用于制造亚微米直径的纤维和由此类纤维构成的纤维网的方法及设备
发明领域
本发明涉及聚合物纤维的挤出，具体地讲涉及直径小于一微米的纤维的挤出。
发明背景
纤维和长丝采用熟知的熔喷法和纺丝纤维纺丝法已被生产了许多年。熔喷法通常与有限长度的纤维相关，而纺丝方法通常与连续长丝相关。在这些技术中，均有许多个人作出了持续的努力来减小所生产的纤维的直径。现在这些技术所生产出的典型的最小纤维直径和长丝直径为大约3微米至5微米。一种用于生产更细纤维的方法称为双组分纺丝。在此方法中，该方法公开于例如授予Hills的U.S.5,162,074中并且该专利以引用方式并入本文)中，将两种或更多种聚合物通过特别设计的纺丝组合件挤出，所述组合件将长丝配置成称如下排列：并列型、皮/芯型、海岛型或橘瓣(segmentedpie)型。在这些排列中，海岛型和橘瓣型的那些为如下的排列：虽然组合组分的长丝在直径上超过了1微米，但各个组分可通过后加工而彼此分离以生成直径小于1微米的长丝。该后加工通常包括机械作用以在橘瓣型界面处断裂各组分，或以化学方式溶解海型聚合物而仅留下岛型聚合物。
但这些后加工步骤成本高昂且效率低下。Schilde、Erth、Heye和Blechschmidt的文章“Spunbonded nonwovens made from splittablebicomponent filaments”(Chemical Fibers International，第57卷第1期，2007年3月)描述了多种方法和在机械分裂这些纤维的过程中所遇到的困难。海型长丝中的岛可由熔融聚合物提供最小的已知纤维直径，参见Hills Inc网站hillsinc.net上的Hagewood的“Spinning of Submicrondiameter Fibers”和“Production of Sub-Micron Fibers in NonwovenFabrics”，其中单一双组分长丝内可存在多至数千个岛型纤维。然而，海型聚合物的完全移除是该技术的已知问题，如公开的旨在促进该方法的技术所表明的那样。见例如U.S.6,861,142“Controlling the dissolutionof dissolvable polymer components in plural component fibers”。
由于存在这些困难，减小纤维直径的最新尝试主要集中在减小喷丝孔的尺寸和间距方面，如例如Allen的美国专利申请US2005/0087900关于纺粘法所公开的内容以及Berger的U.S.7,192,550关于熔喷法所公开的内容。
近来，一种用于制造细纤维的可供选择的方法已介绍于授予Gerking的U.S.6,800,226中，该方法不减小喷丝孔的尺寸，而是在相当常规的熔喷法纺丝组合件的下面添加了高速气体喷嘴。Gerking公开到，高速气体可导致单一聚合物长丝自发地破裂成多个更细的长丝。然而，Gerking的方法不能够一贯地达到由双组分方法所获得的细纤维尺寸。
这些方法中的每一种均具有缺点。使用海岛型或橘瓣型纤维的双组分纺丝方法需要进行后加工。减小纺丝孔径的方法的弊端在于生产能力降低。Gerking的纤维破裂方法的弊端在于纤维尺寸分布宽，具有显著量的较粗纤维。此外，Gerking的方法和新的小孔方法均依赖于减小聚合物的熔融粘度，这会导致纤维特性的某些损失。因此，仍然需要以如下方式从熔融聚合物来生产细纤维：所述方式具有高生产能力和窄纤维尺寸分布。
发明概述
在本方法的一个优选实施方案中，将多种聚合物通过被设计成能生产海岛型或橘瓣型双组分长丝的纺丝组合件来进行纺制，然后使它们通过渐缩放气体喷嘴。将纺丝组合件设计成使得双组分长丝通过单排孔挤出。纺丝组合件的尖端为锥形以将气体流导向挤出的长丝。气体喷嘴被设计成具有渐缩放横截面以便气体速度可达到声速或超声速。
附图描述
图1显示“海岛型”构型的一个实例。
图2显示橘瓣型构型的一个实例。
图3显示并列型构型的一个实例。
图4显示本发明的纺丝设备的一个实例。
图5显示气体喷嘴构型的一个实例。
图6显示气体喷嘴构型的第二实例。
发明详述
所谓“多个/多种”是指一种/一个以上。
在聚合物共挤出的情形中，所谓“多组分构型”是指多种聚合物形成不同的挤出物相，所述相沿纤维的整个长度的横截面存在。每个相均与至少一个其它相共边界，并且相的数目不必等于该多种体中的聚合物的数目。换句话讲，相中的一些为多组分。
本发明的方法涉及用于通过如下方式生产亚微米纤维的方法：以多组分构型通过喷丝模头来熔体纺丝多种聚合物，并且通过高速气体喷嘴将该多组分分裂成它们的各个部分。
由任何可熔融加工的聚合物构成的纤维均可用此方法生产，诸如聚酯、聚酰胺、聚烯烃以及许多其它聚合物，但可优选地选择有利于长丝沿着组分的限定界面而破裂的聚合物。例如，可纺制聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚乙烯(PE)，其中聚酯为岛型聚合物，并且聚乙烯为海型聚合物。选择高熔融流的聚乙烯与标准粘度的聚酯将会增强长丝沿弱边界的破裂，而不会因过度加热或聚合物的劣化而损失聚酯纤维的特性。
当使用海岛型构型时，优选岛型纤维包括大于50％，或更优选大于75％的双组分长丝，因而最终产品中的海型聚合物的量会减少。一旦长丝被高速气体流破裂成了它们的各个组分，就不难将岛型聚合物与海型聚合物分离。破裂会导致岛型聚合物保持它们的形状而成为轮廓分明的长丝，而海型聚合物则破碎成颗粒和纤维。如果选择海型聚合物使得其为易溶解的聚合物诸如聚乙烯醇，则常规双组分纤维中的移除问题将不复存在。作为一个可供选择的替代方案，可选择海型聚合物以为最终产品添加功能性。例如，在上述的PET/PE组合中，PE可用作粘合剂。后热处理或压延操作将导致PE破碎因而纤维粘结PET长丝以产生牢固的非织造材料片。
不论使用海岛型构型还是橘瓣型构型，该非织造材料产品中的最终纤维尺寸分布均将比常规熔喷法所生产的更精密。通过本发明的方法生产的纤维不必为圆形的横截面。应当指出，由于岛型聚合物的百分比增大至约50％以上，因此岛型长丝会趋于六角型密排，从而产生扁平侧面的长丝而非圆形横截面的长丝。此外，对于橘瓣型长丝或中空橘瓣型长丝来讲，各个组分为楔形的。在这些情形的任一种中，各个组分的直径或小尺度均受到控制使得它们小于1微米。
另一个优选实施方案包括上述方法加上长丝的静电充电。用于充电长丝的众多方法将是本领域的技术人员已知的，诸如Kubik的U.S.4,215,682、Deeds的U.S.5.122.048、和Moosmayer的U.S.4,904,174中所公开，所有这些专利均以引用方式并入本文。这些方法中的任一种均适用于本发明，以便各个长丝一旦破裂就将保持独立且不会重新凝聚。用于在纤维中感应电荷的优选方法为电晕放电。不受机理的限制，加入静电电荷可在各个长丝之间诱导排斥力，从而改善总体的纤维松弛状况。
本方法的喷丝头的设计可参照各图而得到最佳了解。在图1-3中，显示了用于两聚合物体系的纤维构型。图1显示了“海岛型”构型。图2显示了“橘瓣型”构型，并且图3显示了并列型构型。所有这三种构型均可用于本发明的方法，但本发明并不限于这些构型，并且可使用其中有多个相共存于纤维的横截面中且沿纤维的长度共存的任何构型。
在图4中，示意性地显示了设备的各种主要组件。在图4所示的实施例中，将两种聚合物通过入口41和42喂送到设备中。本发明不限于两种聚合物并且可使用多个入口。
聚合物然后流过一组分配盘(43)，所述分配盘将聚合物喂送到锥形模头的尖端(44)中。进入尖端的聚合物基本上呈熔体分裂之前所要求的所需构型，例如呈图1-3的构型。
将气体通过入口(48)喂送到设备中并且进入喷嘴(45)中。喷嘴能够将气体加速到0.7倍至1.4倍的声速范围内。然后纤维和气体一起排出设备，并且任选地经过施加了静电电荷的针(46)。针(46)安装在静电绝缘板(47)中以防止对纺丝组合件的底部电弧放电。
可将气体喷嘴作为一排单个圆形喷嘴排列在底板中，以一对一方式对应于聚合物模头孔，如图5所示。作为另外一种选择，可将气体喷嘴成形为狭槽喷嘴，如图6所示。
虽然本文已以特定构型描述了本发明，但应当理解，本领域的技术人员将能够对本文所述的处在本发明和下文的权利要求书范围内的方法和设备作出改变。

Claims (7)

1.用于通过如下方式生产亚微米纤维的方法：以多组分构型通过喷丝模头来熔体纺丝多种聚合物以生产多组分纤维，并且通过高速气体流将所述多组分分裂成它们的各个组分，当所述纤维离开所述模头时，将所述高速气体流施加到所述纤维上，使得多根纤维由所述各个组分中的至少一个来形成。
2.权利要求1的方法，其中所述气体流具有介于0.7倍和1.4倍的声速之间的速度。
3.权利要求1的方法，其中所述多组分构型为“海岛型”或“橘瓣型”。
4.权利要求1的方法，所述方法还包括将静电电荷施加到所述长丝上的步骤。
5.包括纺丝组合件的设备，所述组合件具有分配通道和孔口、以及渐缩放气体喷嘴，所述孔口被排列成使得多种聚合物能够以多组分构型共挤出。
6.权利要求5的设备，所述设备还包括静电电晕放电针或棒。
7.用于分离多组分纤维的各个组分的方法，所述方法包括通过喷丝模头共挤出所述长丝，并且在完成所述组分的固化之前通过高速气体喷嘴将所述多组分分裂成它们的各个部分。
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