CN1051532C - 使无机材料和有机材料一起纤维化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种使无机材料(18)与有机材料(38)一起纤维化的方法，包括用绕轴(12)旋转的第一个纺丝器(10)从熔融的无机材料离心出无机纤维(20)，改变所说的无机纤维(20)的方向形成向下移动的无机纤维(20)的帘(26)，在位于所说的帘(26)中的第一个导管(36)中建立向下移动的熔融的有机材料(38)的液流，使熔融有机材料液流(38)流向纺丝器(10)之下的位置上，把熔融有机材料(38)的液流分成多个液流，通过单个的导管(28)使多个液流的每一个从第一个导管(36)沿径向向外流出，绕所说的轴(12)旋转单个的导管(28)，通过在单个导管(28)的径向向外的末端的喷嘴(46)从所说的熔融有机材料(38)离心出有机纤维(56)，使有机纤维(56)与无机纤维(20)的帘(26)接触。
Description
本发明涉及无机纤维制品的生产，具体地，涉及向所说的无机纤维上涂敷有机或聚合物材料的无机纤维制品的生产。更具体地，本发明涉及从熔融的无机材料和熔融的有机材料同时离心出纤维的方法。
无机纤维，如玻璃纤维，用于隔热材料和结构制品。用于这样的制品的玻璃纤维一般通过把熔融的玻璃喂入纺丝器，通过使纺丝器旋转离心出纤维形成向下移动的圆筒形玻璃纤维帘。涂敷到纤维上的是各种有机涂层，特别是使所说的无机纤维相互结合形成隔热或结构制品的粘合剂。玻璃纤维隔热材料一般用脲酚/甲醛粘合剂结合在一起形成弹性基体，这种基体在所说的制品的包装过程中在压缩后可以恢复。典型的脲酚/甲醛粘合剂的分子量在未固化状态时约为600，这些粘合剂通常在含水介质中通过在形成纤维之后立即喷涂到所说的玻璃纤维上来涂敷。
向圆筒形无机纤维帘涂敷含水的有机粘合剂的以前技术的问题之一是一部分粘合剂在液体粘合剂料滴与帘中的无机纤维接触之前蒸发。蒸发的粘合剂物料在该方法的废气流中成为污染物，为了避免污染问题必须清除。同时，无机纤维上的粘合剂物料趋于是粘性的，需要彻底清洗纤维收集设备以防止玻璃纤维块的形成，这种块可能滴落到制品上引起制品的缺陷。
最近开发的一种向玻璃纤维涂敷高分子量粘合剂的方法使用第一个纺丝器产生向下移动的玻璃纤维帘，第二个纺丝器，位于所说的帘内，形成聚合物纤维，并使其分散与帘中的玻璃纤维接触。这种方法产生有聚合物纤维和一些有聚合物涂层的玻璃纤维的混合隔热部件。在U.S.专利申请No.08/079,413中提出了这种共同纤维化方法，这里作为参考，该专利是在1993年6月23日申请的，Bakhshi，等人作为发明者，并被转让给本发明的受让人。
把聚合物或有机材料与玻璃纤维混合的这种共同纤维化方法的问题之一是聚合物暴露在恶劣的环境中。为了使所说的聚合物以足够高的水平与玻璃纤维帘相交以保证有效的混合，所说的聚合物纺丝器必须直接位于所说的玻璃纺丝器之下。所说的玻璃纺丝器在接近2000°F(1093℃)的温度下操作，大量的热通过辐射、传导和对流向聚合物纺丝器和在纺丝器内的聚合物传递。聚合物材料的过热导致聚合物的性能降低。更麻烦的是着火的问题。如果聚合物暴露在空气和较高的温度下，一部分聚合物会挥发并开始燃烧。燃烧的聚合物是该方法不可接受的副作用。共同纤维化方法能够以使聚合物的热劣化最小的方式向所说的纺丝器送入聚合物是有利的，这可以减少熔融的聚合物暴露在空气中以防止燃烧。
现在已经开发了改进共同纤维化法的一种方法和设备，即通过屏蔽在所说的聚合物纺丝器中的熔融聚合物，使其不会暴露在玻璃纺丝器的一些热量中，并使其不与空气接触以防止燃烧。
根据本发明，提供一种使无机材料与有机材料一起纤维化的方法，包括用绕一个轴旋转的第一个纺丝器从熔融的无机材料离心出无机纤维，改变所说的无机纤维的方向形成向下移动的无机纤维帘，建立在位于所说的帘中的第一个导管中的熔融有机材料的向下移动的流，使熔融有机材料流向所说的纺丝器之下的位置，把熔融有机材料流分成多个流，通过单个的导管使多个流的每一个从第一个导管沿径向向外流出，绕所说的轴旋转每个导管，通过在每个导管的径向向外的末端从熔融的有机材料离心出有机材料纤维，使有机材料纤维与无机纤维帘接触。通过使所说的有机材料与热量屏蔽，所说的有机材料可以经受较少的热劣化，所说的熔融的有机材料可维持在较低的温度直至最后的时刻，即恰好到通过喷嘴的周边之前。通过屏蔽有机材料使其不接触空气，可以有较少的着火机会。
在本发明的一个特定实施方案中，所说的导管以与第二个旋转纺丝器相同的速度或旋转速率旋转。
在本发明的另一个特定的实施方案中，限制通过所说的喷嘴的熔融物料流使得没有空气进入各个导管。所说的导管可以隔热使所说的熔融有机材料与第一个旋转纺丝器的热量屏蔽。
在本发明的另一个特定的实施方案中，所说的喷嘴由位于单个导管的径向向外的末端处的室构成，喷嘴周边的面积对单个导管的截面积之比在约10～100范围内，优选的是在20～50范围内。
所说的喷嘴室的喷嘴周边有至少50个喷嘴，更优选的是有至少100个喷嘴。
在本发明的另一个实施方案中，以至少50psi(345kPa)的表压建立熔融的有机材料流。优选的是，所说的压力至少为100psi(690kPa)。
优选的是所说的喷嘴的周边的喷嘴面积在总的周边面积的约5～50％范围内，更优选的是喷嘴面积在喷嘴周边总面积的15～35％范围内。
在本发明的另一个实施方案中，所说的喷嘴连在一起构成周边带有至少400个喷嘴的环形集流腔。其中所述周边的喷口面积在所述周边的总面积的15-70％范围内。
根据本发明，还提供使无机纤维与有机材料共同纤维化的设备，包括绕一个轴旋转的用于形成无机纤维的第一个纺丝器，改变无机纤维的方向形成向下移动的无机纤维帘的装置，使有机材料流向位于所说的纺丝器之下的第一个导管，把熔融的有机材料流分成多个流的装置，使所说的多个流从第一个导管沿径向向外流动的单个导管，在所说的单个导管的径向向外的末端的喷嘴，绕所说的轴旋转所说的各个导管从所说的熔融的有机材料离心出有机纤维并使所说的有机纤维与无机纤维帘接触的设备。
图1是根据本发明共同纤维化玻璃纤维和聚合物材料纤维的设备的纵剖面的示意剖面图。
图2是图1的聚合物单个导管和喷嘴的纵剖面的示意剖面图。
图3是图2的导管和喷嘴沿图2的3-3线的示意图，没有表示出熔融的聚合物。
图4是图2的喷嘴沿4-4线的纵剖面的示意剖面图。
图5是本发明的实施方案的透视图的示意图，其中所说的喷嘴腔相连形成集流腔。
本发明将以玻璃纤维形成操作的形式描述，虽然可以理解的是本发明可以用其它可加热软化的无机材料进行，如岩石、熔渣和玄武岩等。
可以理解的是可以把任何能够纤维化的有机材料供给到本发明所用的设备中。聚合物的特别有用的实例包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯或聚苯硫(PPS)等较高分子量的聚合物。其它可能适用于纤维化的有机材料包括尼龙、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰胺、树脂、各种聚烯烃、沥青、和其它热塑性和热固性材料。
如图1所示，玻璃纺丝器10绕旋转轴12旋转，由离心玻璃纤维的主轴14的旋转驱动。如在该技术中已知的那样，所说的玻璃纺丝器可以用镍/钴/铬合金铸成。所说的纺丝器的周边有许多喷嘴16用于玻璃纤维的离心，优选的是有约2,000-50,000个喷嘴。
为所说的玻璃纺丝器提供熔融玻璃液流18，以玻璃纤维20的形式通过所说的纺丝器壁离心出来。通过环形燃烧器22的加热使刚出纺丝器的玻璃纤维保持在软的、可以细化的状态，虽然在某些玻璃纤维操作中，不需要外部的燃烧器。通过环形鼓风机24把径向向外移动的玻璃纤维转向，形成圆筒形的纤维帘26，所说的纤维帘向下移动，即沿纺丝器的轴的方向向下移动。产生向下移动的圆筒形玻璃纤维帘的方法在该技术中是众所周知的。
位于所说的玻璃纺丝器之下的是分配熔融的有机材料从处于所说的帘中与所说的帘接触的供料系统。所说的供料系统包括多个单独的导管或管子28，用于把多个熔融的有机材料流朝着所说的玻璃纤维帘径向向外移动。优选的是安装所说的管子以圆筒形聚合物主轴30的形式旋转，所说的管子可以安装在所说的玻璃纺丝器10的底部。优选的是，以使与所说的玻璃纺丝器的物理接触最小的形式安装所说的聚合物主轴以减小通过向聚合物材料和聚合物分配设备的传导产生的热传导。为此，如图2所示，优选的是把所说的聚合物主轴安装带有有空隙的小块34的托架32，以减小来自玻璃纺丝器的热传导。所说的主轴的长度足以使聚合物纤维的引入在所说的帘中要求的高度上。如果所说的聚合物分配得太高，所说的聚合物纤维的性能降低，可能渗透并流出所说的帘。
除了单个的管子以外，所说的供料系统还包括第一个导管，如供料导管36，用于建立在所说的帘中的向下移动的熔融有机材料流，并使所说的熔融有机材料流朝着所说的单个管子流动。所说的供料导管可以是任何用于通过离心玻璃纤维的主轴14和离心聚合物纤维的主轴30向下送入所说的熔融有机材料的合适的导管。一种可以接受的供料导管可以用不锈钢，或任何其它合适的材料制成。所说的熔融聚合物可以用挤出设备(未表示出)产生或供给到所说的供料导管，这对于聚合物(如PET)技术中是已知的。供给的熔融聚合物的温度取决于聚合物的性质。聚丙烯从挤出机出来的温度一般为500°F(260℃)。沥青的温度较低约为400°F(204℃)，而PPS的温度较高，约为600°F(316℃)。作为使用供料导管的一种替换方法，所说的熔融的有机材料可以通过所说的离心玻璃玻璃纤维的主轴和离心聚合物纤维的主轴通过重力滴落，在这种情况下，第一个导管是所说的离心玻璃纤维的主轴和离心聚合物纤维的主轴结合在一起。
如图2和3更清楚地表示的那样，熔融的有机材料，如聚合物38，可以卸入在所说的离心聚合物纤维的主轴底部的供料室或池40中。所说的熔融聚合物通过主轴的开口42流出所说的主轴，所说的开口把熔融聚合物流分成多个液流。每个液流朝着所说的帘通过所说的管子之一从所说的离心聚合物纤维的主轴沿径向向外流出。
所说的管子可以是任何适用于所说的有机材料供料的导管。成功地用于与PET混合的管子是1/4英寸(6.35mm)内径的不锈钢管。优选的是至少有4个管子，最优选的是8个管子，虽然可以使用更多的或更少的管子。可以以与所说的玻璃纺丝器相同的转速或不同的转速安装所说的管子。任选的是，所说的管子可以是隔热的，用陶瓷材料或其它任何合适的材料，进一步使来自玻璃纤维化过程的辐射热和热气体的影响最小。
在每个管子的径向向外的或末端的端部44是喷嘴46。所说的喷嘴可以是任何合适的形状或尺寸用于接收熔融的聚合物并使其离心成聚合物纤维。所说的喷嘴作为单个的卸料部件或组件。所说的喷嘴有一个盛有熔融聚合物的腔48，和一个有孔的卸料板或周边50，所说的熔融聚合物通过所说的卸料板形成聚合物纤维。
适用于本发明的喷嘴可以用不锈钢制成。如图4所示，所说的喷嘴的截面可以是圆形的。优选的是，所说的喷嘴周边50的面积与单个管子的截面积之比在约10～100范围内，更优选的是在约20～50范围内。
所说的喷嘴安有许多喷口52，用于离心出聚合物纤维。喷口直径一般在约0.01(0.254mm)-0.05英寸(1.27mm)范围内，虽然可以使用更大或更小的直径，这取决于聚合物粘度、转速和其它因素。优选的是在每个喷嘴上有至少50个喷口，更优选的是至少有100个喷口。所说的周边的气孔率可以变化，有喷口的周边的面积在周边总面积的约5～50％范围内。更优选的是，喷口面积在喷嘴周边总面积的约15～35％范围内。如图2～4所示，为了稳定所说的喷嘴，可以用环形部件，如支持棒54，把它们连在一起。
在操作中，熔融聚合物向下流过供料导管，进入离心聚合物纤维的主轴底部的池。然后，所说的熔融聚合物沿径向向外流动，通过旋转的导管，进入喷嘴。离心出聚合物纤维56，并使其与所说的帘中的玻璃纤维接触。用任何收集装置，如传送带58，收集混合的聚合物和玻璃纤维成为混合的块或毡60。
虽然完全可以用重力喂料向所说的设备提供熔融的聚合物，在本发明的一个特定实施方案中，所说的聚合物是通过加压系统喂料的。为了完成喂料，所说的聚合物供料系统是一个封闭系统，用挤出机对所说的熔融聚合物施加压力。一种方便的、可以重复的测量该系统中压力的方法是在供料管中的压力点62上使用压力传感器，所说的压力点在所说的玻璃纺丝器的顶部上方约18英寸(457mm)处。优选的是，在压力点62处，所说的熔融聚合物的表压至少为50psi(345kPa)，更优选的是，表压至少为100psi(690kPa)。通过对该系统加压，所说的纤维实际上可以从喷嘴中挤出而不是仅仅通过离心出来。这是有利的，因为可以有更高的纤维产量。
由于所说的玻璃纤维和玻璃纺丝器在接近2000°F(1093℃)的温度下操作，所说的聚合物纤维迅速进入高温区，引起所说的聚合物纤维软化。已经发现某些聚合物纤维熔化，形成粘附在一些无机纤维上的液滴或其它颗粒。其它的聚合物纤维保持其纤维形状，导致在最终的无机纤维制品中存在聚合物纤维。一些聚合物保持其纤维形状，而其它部分材料形成粘附在无机纤维上的聚合物颗粒的原因还不清楚。可能是一些聚合物纤维没有软化到使其失去纤维形状变成更圆一些的形状的程度。另外，可能是，虽然所有的聚合物纤维软化，但只有一部分在软化状态下与无机纤维接触。
如图5所示，所说的喷嘴可以连在一起形成连续的环形喷嘴64。所说的环形喷嘴是封闭聚合物供料系统的一部分，它可以有效地防止在熔融聚合物与空气或氧气之间的接触。优选的是，所说的环形喷嘴的周边有至少400个喷口，并且所述的周边的喷口面积在所说周边的总面积的15-70％范围内。
从上述内容可以明显看出，可以对本发明作各种改进，但是这样的改进应该看作在本发明的范围内。
本发明可以用于混合的玻璃和聚合物纤维的纤维制品的生产，这种制品用于结构或隔热制品。
Claims (20)
1、使无机材料(18)与有机材料(38)一起纤维化的方法，包括：
a、用绕轴(12)旋转的第一个纺丝器(10)从熔融的无机材料(18)离心出无机纤维(20)；
b、改变无机纤维(20)的方向形成向下移动的无机纤维(20)的帘(26)；
c、在位于所说的帘(26)中的第一个导管(36)中建立向下移动的熔融的有机材料(38)的液流，并使熔融的有机材料(38)流向所说的纺丝器(10)之下的位置；
d、把熔融有机材料(38)的液流分成多个液流；
e、通过单个的导管(28)使多个液流的每一个从第一个导管(36)沿径向向外流动；
f、使单个的导管(28)绕所说的轴(12)旋转；
g、通过在单个导管(28)的径向向外的末端的喷嘴(46)从所说的熔融的有机材料(38)离心出有机纤维(56)；
h、使所说的的有机材料纤维(56)与无机纤维(20)的帘(26)接触。
2、根据权利要求1的方法，包括通过所说的喷嘴(46)限制熔融有机材料(38)的液流，使得没有空气进入所说的单个的导管(28)。
3、根据权利要求1的方法，其中，所说的导管(28)是隔热的。
4、根据权利要求1的方法，其中，所说的导管(28)使所说的熔融有机材料与来自第一个旋转纺丝器(10)的热量屏蔽。
5、根据权利要求1的方法，其中，所说的有机纤维(56)通过喷嘴(46)的周边(50)离心出来，所说的喷嘴(46)周边(50)的面积与单个导管(28)的截面积之比在10～100范围内。
6、根据权利要求5的方法，其中，所说的喷嘴(46)周边(50)的面积与单个导管(28)的截面积之比在20～50范围内。
7、根据权利要求1的方法，其中，所说的喷嘴(46)的带喷口的周边(50)上有至少50个喷口(52)。
8、根据权利要求7的方法，其中，所说的喷嘴(46)的带喷口的周边(50)有至少100个喷口(52)。
9、根据权利要求1的方法，包括以至少50psi(345kPa)的表压建立熔融的有机材料(38)的液流。
10、根据权利要求1的方法，包括以至少100psi(690kPa)的表压建立熔融的有机材料(38)的液流。
11、根据权利要求1的方法，其中，所说的喷嘴(46)的带喷口的周边(50)的喷口面积在所说的周边(50)的总面积的5～50％范围内。
12、根据权利要求11的方法，其中，所说的带喷口的周边(50)的喷口面积在所说的周边(50)的总面积的15～35％范围内。
13、根据权利要求1的方法，其中，所说的喷嘴包括周边有至少400个喷口(52)的环形喷嘴(64)。
14、根据权利要求13的方法，其中，所说的周边的喷口面积在所说的周边的总面积的15～70％范围内。
15、根据权利要求13的方法，包括以至少50psi(345kPa)的表压建立熔融有机材料(38)的液流。
16、使无机材料(18)与有机材料(38)一起纤维化的方法，包括：
a、用绕轴(12)旋转的第一个纺丝器(10)从熔融的无机材料(18)离心出无机纤维(20)；
b、改变所说的无机纤维(20)的方向形成向下移动的无机纤维(20)的帘(26)；
c、在位于所说的帘(26)中的第一个导管(36)中建立向下移动的熔融的有机材料(38)的液流，并使熔融的有机材料(38)流向所说的纺丝器(10)之下的位置；
d、把熔融有机材料(38)的液流分成多个液流；
e、通过单个的导管(28)使多个液流的每一个从第一个导管(36)沿径向向外流动使所说的熔融有机材料(38)与来自第一个旋转纺丝器(10)的热量屏蔽；
f、使单个的导管(28)绕所说的轴(12)旋转；
g、通过在单个导管(28)的径向向外的末端的喷嘴(46)从所说的熔融的有机材料(38)离心出有机纤维(56)，所说的喷嘴(46)包括位于单个导管(28)的径向向外的末端的腔，所说的喷嘴(46)的带喷口的周边(50)有至少50个喷口(52)，喷口的面积在所说的周边(50)的总面积的15～70％范围内；
h、使所说的的有机材料纤维(56)与无机纤维(20)的帘(26)接触。
17、根据权利要求16的方法，包括以至少50psi(345kPa)的表压建立熔融的有机材料(38)的液流。
18、根据权利要求17的方法，包括以至少100psi(690kPa)的表压建立熔融的有机材料(38)的液流，这里，所说的喷嘴(46)的有喷口的周边(50)上有至少100个喷口(52)，其中，所说的喷嘴周边(50)的面积与所说的单个导管(28)的截面积之比在20～50范围内。
19、根据权利要求16的方法，其中，所说的喷嘴包括周边上至少有400个喷口(52)的环形喷嘴(64)。
20、根据权利要求19的方法，包括以至少50psi(345kPa)的表压建立熔融有机材料(38)的液流。
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