CN1052518C - 熔喷非织造布及其用途 - Google Patents

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Abstract

熔喷非织造布是由狭窄直径分布及充填度低的纤维所组成的，这种非织造布具有柔软及弹性性能，并且又具有极好的过滤性能。

Description

熔喷非织造布及其用途
本发明属于熔喷非织造布及其应用领域。更具体地说，本发明涉及由无序缠结的热塑性聚合物的纤维组成的熔喷非织造布，及其在气体过滤器中的用途，用于过滤象空气这样的气体。
熔喷非织造布是用熔喷法制造的，此法包括挤压热塑性树脂，使之通过一排相互间距小的喷丝孔，这样便生成了许多聚合物单纤维(或纤维)，而后经过会聚板的高速热空气对单纤维施以拉伸力并把它们位伸变为微细的直径，然后把这些微细的纤维吹到收集网或传送带上，这些纤维在此缠结和聚积，形成一整体的无纺纤维网片，在这种纤维网中的纤维平均直径大约为5-20微米。纤维网片的整体性或强度与纤维间的机械缠结及粘合程度有关。
熔喷非织造布具有微细纤维的结构，所以它们可很好地适于多种用途。纤维网片在这些用途中的重要性能包括有：
(a)纤维网片的顶破强力；(b)充填度；
(c)纤维网片的韧度；
(d)纤维网片的断裂伸长。
除此之外，在适当的透气率条件下，用于制造过滤器的熔喷非织造布应具有高过滤效率。
某些参考文献给出了把某种介质用于熔喷法收集装置上游的空气/纤维流中，这些参考文献也包括了美国专利3,806,289、3,957,421、4,594,202及4,622,259，但这些参考文献均未给出本发明所具有的这些性能的熔喷非织造布。
本发明的目的是提供具有独特的性能的熔喷非织造布，这可使它很好地适于多种用途，特别是适合于用作滤材及一些吸附材料。与普通熔喷非织造布相比较，本发明的非织造布由微细的纤维所组成，这些纤维具有比较狭窄的纤维径分布及非常低的充填度(在此所用术语“纤维”和“纤维尺寸”分别表示纤维和/或单纤维和纤维直径)。本发明也打算把这种新型的非织造布用作气体过滤器，这种过滤器具有很高的透气率。
因此，一方面本发明涉及一种熔喷非织造布，它由无序缠结的热塑性聚合物的纤维组成，并具有下述的性能：
(a)纤维平均直径为3.0-10微米；
(b)纤维网片中纤维直径变异系数为15％-40％；
(c)充填度为5％-15％；及
(d)充填度与平均纤维直径的比值为1.3-1.75。
另一方面，本发明还涉及上述熔喷非织造布在气体过滤器中的用途，其中在定量为≥34克/米2的条件下，过滤器的透气率为15-92立方米每分钟每平方米，其中透气率在非织造布的压差为12.7mm水柱时测定。
下面将要详细介绍本发明的熔喷非织造布，这具有上述的一些性能。本发明的非织造布可用各种方法制造，而较好的方法是使用美国专利5,075,068所介绍的一种横向气流法。
在优选的实施方案中，本发明的纤维网片具有约50千帕以上的顶破强度，最好是约60千帕以上。这种网片也具有优良的韧度及断裂伸长。所有这些特性综合起来便增加了熔喷非织造布的实用性。
在具体的实施方案中，本发明涉及气体过滤器，它在良好的空气透气率下，有较高的过滤效率。
图1是熔喷设备的透视图，这种设备可用制造本发明的纤维网片。
图2是图1熔喷设备的放大侧视图。
图3是普通熔喷纤维网与本发明熔喷纤维网片在纤维直径分布上相比较的曲线图。
图4、5及6是本发明纤维网片与普通纤维网片在充填度上相比较的曲线图。
图7、8及9是本发明纤维网片与普通纤维网片在透气率上相比较的曲线图。
图10表示纤维网片过滤效率与熔喷纤维网片中纤维直径关系的曲线图。
图11表示顶破强力与纤维平均直径之间关系的曲线图。
用美国专利5,075,068中所介绍方法和设备可制造本发明的熔喷纤维网片，其公开内容在此并入本文作为参考。
如在图1及图2中所示，这种熔喷生产线包括有一台挤压机10，它把一种熔融的树脂输送到熔喷模具11中，经过这模具，再把熔融聚合物单纤维压向会聚板的热空气流中。单纤维/空气流流向收集装置或接收辊15，这些单纤维在此处以无序状态缠结，形成非织造布16，从收集装置15上取下网片16，为了便于运输或储存，也可把它打成卷状物，这种熔喷设备包含有安装在模具上的加热元件14，还有一个通过装有阀门的进气管13与模具11相连接的空气源。在图中未表示出空气的加热方法。
特别是如在图2中所示，熔喷模具11包括有模体构件20及21，固接在模体元件20上的一细长形喷咀22，以及空气隔板23及24。这喷咀具有一个会聚模具顶端区域25，它的横断面呈三角形，并在顶端26终止。在喷咀22上加工制成一个中心细长通道27，在顶端26上钻出很多并列的细孔28。这些细孔的直径一般为100-1200微米，它们之间具有较小的间距。
空气隔板23及24与模体构件一起限定形成了空气通道29及30。空气隔板23及24的内侧具有锥形的表面，它与喷咀22的锥形表面一起限定形成了会聚空气的通道31及32。如图所示，每个空气通道31及32的流通面积是可调节的。通过模具通道(图中未示出)，把熔融聚合物由挤压机10输送至通道27，最后通过小孔28使其挤压成形为微细并列型单纤维。经进气管13并通过空气通道，由空气源送入初始空气，随着会聚成热空气平面束，空气排向熔融单纤维的对面。热空气会聚平面束给单纤维以拉伸力，沿由小孔28排出的单纤维方向对单纤维进行拉伸或使它们变细。这些小孔的定向(即它们的轴向)决定单纤维的排出方向，并且也决定了初始空气与单纤维之间的接触角。其接触角大约为22.5°-45°，喷咀22的坡口角度为45°-90°。特别要指出的是上述熔喷生产线只是用图示的方法来介绍的，还有与下面要介绍的横向气流装置结合起来使用的一些其它方法。
上述的熔喷模具可装有空气管道17，它可向挤出的单纤维输送横向空气流，这样可制造出一种独特的熔喷非织造布，它具有低的充填度(高弹性)，高的顶破强力，狭窄的纤维直径分布，以及在一定的纤维平均直径条件下，具有高的透气率。在熔喷非织造布多种用途中，这些性能很重要。
虽还不完全了解本发明溶喷非织造布具有极好性能的原因，但可大致地确信是由横向气流对纤维增加了拉伸力，这样就增加纤维网处中纤维的拉伸度，以致降低了纤维直径及其纤维直径分布。在美国专利5,075,068中，介绍了挤出的纤维与横向空气流相接触的机理。
虽然可用横向气流的熔喷法制造本发明的非织造布，但要特别指出的是本发明的非织造造布不限于用这种特殊的方法来制造，可使用或开发出一些其它的方法来制造本发明中具有极好性能的非织造布。本发明的新颖性就在于纤维网片的结构及性能。因此，本发明的非织造布的特征在于具有小的纤维直径分布，低的充填度(即较好的弹性)，以及在一定的透气率条件下，具有高的过滤效率，以下将讨论每一种性能。
狭窄的纤维直径分布：图3是普通非织造布与本发明的熔喷非织造布在纤维直径上进行比较的曲线图。由图可看出A′、B′及C′表示的包迹线要比由A、B及C表示的包迹线窄得多，其前者是本发明的纤维网片，纤维直径范围大约0.9-4.2微米，后者为普通的纤维网片，纤维直径范围约为1.5-6.9微米。本发明纤维网片的纤维直径狭窄分布导致纤维网片具有很好的均匀性。
图3中的纤维直径数据是用光学方法测定的。图4-11中的平均纤维直径数据不是经测定，而是按一篇文献中由Benjamin Y.H.Liu和Kenneth L.Rubow提出的方程式计算得到的 ΔP = aCuVqh D 2 K
C为充填度(纤维网片重/纤维网片体积/聚丙烯密度)
D为有效的平均纤维直径
U为空气的粘度
V为通过纤维网片的空气速度
h是纤维网片的厚度
ΔP是压力降(125帕)
K是流体动力因子(-0.5LnC-0.75+C-0.25C2)
a是常数，是从已知直径的样品得到的。在此情况下，摄取两张原始样品的扫描电镜片，测定平均纤维直径。
C是由称重及计算法得到的，其具体方法是称取干样(DW)和湿样(WW)，湿样是经异丙醇浸泡的，在称重之前，先滤干30秒钟，然后用下面的方程式计算：
C＝〔(WW/DW)×1.147-0.147〕-1
h是用以下方程式计算
h＝纤维网片的定量/C/聚丙烯密度
聚丙烯密度＝0.9012(克/厘米3)
异丙醇密度＝0.7848(克/厘米3)
用光学方法测定或用上述方法计算的纤维平均直径数值具有很好地相关性。而图4-11及在权利要求书中所列举的平均纤维直径值都是用上述方法计算出来的。
一种特殊纤维网片的纤维直径分布可用变异系数(CV)定量地表示，它是用光学法对单个直径进行测定的。
CV值是经测定纤维直径所得到标准差与样品平均纤维直径的比值。在各种条件下所制造的普通非织造布(例如聚合物流量)，其CV值为46.5-60.4％，而在相应条件下所制造的本发明非织造布，其CV值侧为33.9-38％。
要引起注意的是如图3所示，本发明与普通熔喷非织造布的特性曲线将与所用聚合物及工艺条件有关，沿横座标轴上数值的变化，这两种曲线大体上具有相同的形状。
充填度：因为充填度是纤维网片弹性或柔软性的量度，所以它是熔喷非织造布的一个重要性能。下面讨论的实验数据也提出充填度与纤维直径的均匀性对透气率都有影响。
充填度在此是用百分数来表示的，它定义为纤维网片的密度与在挤压机中所用热塑性材料密度的比值。
在各种熔喷条件下(在以下的实验中介绍)，对普通及本发明的非织造布，图4、5及6给出了充填度与平均纤维直径之间关系的曲线图。在相应的平均纤维直径条件下，平均纤维直径在3微米以上时，本发明非织造布的充填度毫无例外的都低于普通非织造布的充填度，随着平均纤维直径的增加，其二者充填度的差别越大。考虑到二者充填度的差别，一般选用平均纤维直径为3-12微米，最好选用3-10微米的平均纤维直径。
由图4、5及6的曲线图可得知充填度随着熔喷条件而变。本发明和普通非织造布的充填度在数值上有重叠。而用一种定义为充填度与平均直径比值的性能参数时，就没有这种重叠了，这样本发明的非织造布便显出有很大不同，这可从表1的数据发现这种特点。
         表   I
     本发明的非织造布                        普通非织造布
 充填度  平均纤维   比值           充填度  平均纤维   比值
  (a)     直径(b)  (a)/(b)          (a)    直径(b)   (a)/(b)图4   15        11      1.36            17        7       2.43数据  11        7       1.57            10.5      5       2.10
  6         4       1.50            7         3.5     2.00图5   15        11      1.36            17        7       2.43数据  11        7       1.57            11        4.5     2.44
  8         5       1.60             -         -       -图6   9         5.8     1.55            12        5       2.40数据  8         5.2     1.54            7         3.4     2.10
  6         4       1.50            -         -       -
如表I数据所示，在大于3微米的平均纤维直径范围内，本发明纤维网片的这个比值小于2，而在相应的直径范围内，普通非织造布的该比值则为2或更大些。比较好的比值小于1.9，而最好小于1.75，低取值为1.0，比较好的是1.2，最好为1.3。
在相同的纤维网处定量条件下，本发明纤维网片的较低密度可使这纤维网片具有比较致密而柔软的性能。
透气率：它是本发明纤维网片的一个极重要的性能，而过滤效率(在下面的实验中作出定义)与纤维直径有关。由图10可知，在一定平均纤维直径的条件下，这两种纤维网片的过滤效率(F.E)大致相同。而从图7、8及9所示数据表明在给定平均纤维直径的条件下，并在通用的大于3-15微米纤维直径范围内，本发明的纤维网片具有很高的透气率，较好的纤维直径范围是3-12微米，最好是＞3-10微米。当然在给定的过滤效率条件下，比较高的透气率显示出纤维网片具有较大的空气流量或有较低的压力降。
与充填度性能一样，这两种纤维网片之间的透气率数据也有重叠。通过对透气率与平均纤维直径比值的对比，发现这两种纤维网片的透气率具有很明显的差别(见表II)。
         表      II
         本发明的非织造布                   普通非织造布
   透气率  平均纤维直径  比值     透气率 平均纤维直径  比值
    (a)        (b)     (a)/(b)     (a)       (b)     (a)/(b)图7     260        10.5      24.8      260        15       17.3数据    240        11        21.8      160        9.5      16.8
    110        5         22.0      -          -        -
    90         4         22.5      105        7        15.0图8     260        11        23.5      160        16       10.0数据    160        7         22.9      105        7        15.0
    105        5         21.0      80         5        16.0
    140        5.6       25.0      130        7.5      17.3图9数据    122        5.4       22.6      85         5        17.0
    90         4         22.5      60         3.4      17.6
    70         3.4       20.6      -          -        -
由表II中的数据可知，本发明的非织造布的上述这种比值比普通非织造布高得多。
下面将两种非织造布的性能加以对比。
  以往生产的非织造布             本发明的非织造布
  通常范围   较好范围   最好范围
(a)充填度(％)   5～20   5～20   5～15   7～12
(b)纤维平均直径(μ)   3～20   3～15   ＞3～12   3～10
(c)比值((a)/(b)) 2.1～2.5* 1.2～2.0 1.25～1.9 1.3～1.75
(d)变异系数CV％   45～60   10～40   15～40   30～40
(e)透气率(CFM/FT2)   50～260   50～300   70～260  120～250
(f)比值((e)/(b))   10～17*   20～30   21～28   22～27
*指的是平均纤维直径在本发明要求的范围。其它性能：更值得提出的是本发明的非织造布还具有如下的一些性能：
                           较好            最好
顶破强力(KPa)              约50           60-100
(ASTM 3786-80)
断裂伸长(％)               10-25          14-20
(A3TM D1682)               10-20          12-16
韧度(mN/tex)
经测试表明在纤维平均直径相同的条件下，本发明的非织造布的上述三种性能(即顶破强力、断裂伸长及韧度)要优于普通非织造布。
在这些极好的性能方面，本发明与普通熔喷非织造布相比有很明显的区别，因此，在实用性及扩大应用范围方面，通常是不考虑使用普通熔喷非织造布的。
本发明熔喷纤维网片的制造
如上所述，本发明的非织造布可用美国专利5,075,068所提供的方法和设备来制造。在这种制法中，空气导管17装在模具出口的上方和/或下方，可把“a”、“b”及角度“A”调节列所要求的位置，把这种熔喷法生产线调整到稳定操作状态。利用一台具有所要求压力的普通型空气压缩机，把作为横向气流用的空气输送到空气导管17。为取得最佳效果，对这气流还要能进行某些微调。至于空气导管尺寸要求，较好使它能输送横向气流速度至少要达到200英尺/秒，最好是要达到300-1200英尺/秒。
特别要提出的是，空气导管可加到任一熔喷模具上。例如在美国专利4,818,463或3,978,185中，就提供了这样模具11，其公开内容在此并入本文作为参考。
本发明的非织造布可用各种热塑性材料来制造，其中有聚烯烃类，如乙烯和丙烯的均聚物、共聚物及三元共聚物等。其它适用的物料有聚酯类，如聚甲基丙烯酸甲酯及聚对苯二甲酸乙酯。还可使用聚酰胺如聚亚己基己二酰胺，聚ω-己酰胺及聚亚己基癸二酰胺。除此之外，也可用聚乙烯类，如聚苯乙烯，以及包括有乙烯—丙烯酸共聚物的聚乙烯—丙烯酸酯类。在这些材料之中，聚烯烃是较好的。这些聚合物包括有聚丙烯、聚乙烯及其它高级聚烯烃类中的一些均聚物和共聚物。聚乙烯类主要有低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超低密度聚乙烯及极低密度聚乙烯。上述的热塑性聚合物的共混物也可使用。用熔喷法能纺成微细纤维的热塑性聚合物都可使用。
根据所选用的热塑性材料及对非织造布/产品的性能要求，本发明非织造布制造的工艺条件可在较广的范围内选定。只要能使热塑性材料从模具中挤出并制成非织造布产品，这些材料的任何工作温度都是容许的。模具中热塑性材料的温度容许范围，也就是与这材料接触的模头近似温度范围为350-900°F，较好是400-750°F。对聚丙烯来说，最好是400-650°F。
只要能制造出适用的非织造布产品，空气的工作温度都是容许的。其容许范围大约为250-900°F。
根据所要挤压的热塑性材料、收集装置与模具间的距离(一般为6-18英寸)及工作温度，热塑性材料和初始空气流量可有较大地变化。初始空气与聚合物重量比值的容许范围大约为15-500，聚丙烯多采用15-100。一般聚合物的流量范围约为0.3-5.0克/孔/分，较好是0.3-1.5克/孔/分。
通过以下的实例，对两种非织造布进行了对比，并说明在性能方面得到改进。
实验
系列I：利用一台带有标准聚丙烯螺杆的1英寸挤压机及有下述规格的模具来进行实验。喷丝孔号                   1喷丝孔尺寸(直径)           0.015英寸喷咀坡口角度               60°喷丝孔通道长度             0.12英寸空气狭缝(空气隔            2毫米的开度及板限定而成)                2毫米向内缩进
在系列I的实验中，所使用其它设备还有半园形的空气导管，在它的平侧面上有一个加工而成的纵向狭缝。在其它的实验中，空气导管的直径为1英寸，其上也有加工成的纵向狭缝。
所用树脂及操作条件如下：
树脂              800MFR聚丙烯(EXXON级3495G)
模具温度          430°F
熔融温度          430°F
初始空气温度      460°F
初始空气流量      1.65SCFM，每英寸模具宽度
聚合物流量        0.8克/分
狭缝开度          0.030英寸
纤维网片收集装置  由模具到收集网的距离为12英寸
在本系列的实验中，“a”，“b”及角度“A”值分别为1英寸、1-1/2英寸及+30°(参见U.S.5,075,068)。在其它实验中，使用了下述的多孔模具。
图3中数据是从系列I实验中得到的。
系列II：在其它的实验中，使用了一种多孔模具。它的宽度为28英寸，而喷丝孔的宽度为20英寸，总孔数501个。孔径为0.38毫米，长径比为10。空气狭缝间隙及模具顶部内缩量为0.20厘米。值得注意的是20英寸宽的模具在外形上及孔径上类似于工业上使用的模具，也类似于我们实验室中单孔模具。为进行研究起见，加工制成了一种横向气流装置，把外径为0.5英寸的管子切割出长和宽分别为24英寸和0.08厘米的狭缝。
图4、5、6、7、8、9、10及11中的数据是从本系列II实验中得到的。实验方案
实验使用工业用EXXON均聚的聚丙烯800MFR树脂。先进行研究可变的“a”、“b”及角度“A”，以及初始空气和横向气流的流速，以确定横向气流狭缝相对于20英寸模具表面的最佳位置。然后不管有无横向气流，在相同的工艺条件下，加工试样，并进行收集。
样品制备和特性测量
在本实验研究中，所采用的加工条件如下所示：
(a)溶融温度(265℃)
(b)初始空气温度(271℃)
(c)初始空气流速100-290米/秒
(d)横向气流流速70-140米/秒
(e)挤压机产量0.1-2.0克/分/孔
(f)DCD15-25厘米
(g)纤维网片定量30-40克/米2
应该指出，先在无横向气流下制造纤维网片，然后在有横向气流下，再制造纤维网片，这样除去横向气流之外，这两种非织造布具有相同的加工工艺条件。
利用一台8110型TSI自动过滤测定仪来测定过滤效率(F·E)，每立方英寸的空气中含有邻苯二甲酸二辛酯(DOP)为0.101毫克，气源中的颗粒直径为0.2微米。空气流量为24升/分，这样在纤维网片材料的表面上便产生了3.75厘米/秒的速度。
按照ASTM测定方法D737-75，用一台5138型的Frazier透气率测定仪来测定透气率(A·P)。在水压降为12.7毫米的条件下，测定通过非织选布的空气流量。
按照ASTM标准3786-80a，使用一台Mullen破裂测定仪(隔膜型)来测定破裂强度，以垂直方向对非织造布施以应力，测定使该纤维网片破裂时所需的力。
使用一台台式Instron张力测定机，并按照ASTM测定法D1682中的步骤来测定韧度及断裂伸长。
实验结果
图3中的数据是用单孔模具实验得到的。实验表明在用多孔模具时，在熔喷过程中，纤维的成形机理与用单孔模具时是相似的。
图4、5、6、7、8、9、10及11所描绘的实验中用的非织造布试样是用多孔模具并按下列条件制备的：
树脂为聚丙烯(EXXON级3495G)
模具温度510°F
初始空气温度520°F
DCD10英寸
空气流速(米/分)      聚合物流量(克/分)
图4       100-250        0.1-1.2
图5       100-250        0.8
图6       185            0.1-1.2
图7       100-250        0.1-1.2
图8       100-250        0.8
图9       185            0.1-1.2
图10      100-250        0.8
图11      100-250        0.1-1.2

Claims (7)

1.熔喷非织造布，它由无序缠结的热塑性聚合物的纤维组成，并具有下述的性能：
(a)纤维平均直径为3.0-10微米；
(b)纤维网片中纤维直径变异系数为15％-40％；
(c)充填度为5％-15％；及
(d)充填度与平均纤维直径的比值为1.3-1.75。
2.权利要求1中的熔喷非织造布，其中充填度为7-12％。
3.权利要求1中的熔喷非织造布，其中纤维直径变异系数CV为30％-40％。
4.权利要求1中的熔喷非织造布，其中热塑性聚合物为聚烯烃类的均聚物或共聚物。
5.权利要求1的熔喷非织造布在气体过滤器中的用途，其中在定量为≥34克/米2的条件下，过滤器的透气率为15-92立方米每分钟每平方米，其中透气率在非织造布的压差为12.7mm水柱时测定。
6.权利要求5的用途，其中透气率与平均纤维直径的比值为6-9。
7.权利要求6的用途，其中纤维直径变异系数CV为30％-40％。
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