CN1053717C - 关于纤维球制作的改进方法 - Google Patents

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Abstract

将切断纤维转化为纤维球的方法，包括将上述切断纤维送入到湍流气流滚磨机中，滚磨机有一个圆柱形的带内壁的定子(1)和与之相配合使用的转子(2)，转子相对于定子(1)作转动，并有很多带工作面的工作板(7)，工作面面向于定子的内壁，还包括具有供气体和纤维使用的中央输出口(16)和径向设置的输出口(25)的气体输送装置，其中工作板(7)的工作面和定子(1)内壁之间的间隙是4到10mm。

Description

关于纤维球制作的改进方法
本发明的领域
本发明是关系到纤维球的制作和改进方法，尤其是以短的合成纤维形式作为合成纤维原料来制作纤维球的一种新的方法，这些短的合成纤维如切断的聚酯纤维作为填充纤维例如以模压的方法来制作粘合在一起的制品，及得到最终产品和器具。
本发明的背景
聚酯填充纤维(有时称为纤维填充材料)作为填充材料大量地应用于许多的填充制品中，包括枕头和其它的装饰织物及如盖被，被褥和睡袋的床上用品以及如防寒服等的填充类服装。
Marcus在美国专利4,618,531和4,783,364以及欧洲专利EP 203,469中所公开的用这样的聚酯填充材料不规则地缠结在一起成为能再蓬松的纤维球，而且Marcus在其中用了滚动气流的方法将螺旋卷曲纤维原料(或更为确切地称为螺旋状的)制作成这样的纤维球，螺旋卷曲纤维可以用空气喷射骤冷或是由双组分聚合体纺制的纤维来加工制成。Marcus所述的滚动气流方法能获得非常好的结果，但它有一些局限性，例如要用这一类纤维原料而且在生产率方面用的是比较慢的间歇加工方法和受到所用装有转动搅拌器刀片的转动滚筒容量的限制。其它曾经用过和开发过的方法有改进过的梳理机所生产的蓬松不规则缠结的纤维球以取代平行纤维(经梳理后)的纤维网。Snyder等人在美国专利5,218,740中公开的这种改进后的梳理机可以包括改进过的罗拉式梳理机，经改进的盖板式梳理机和其它的经改进的梳理机在内的例子，以及Halm等人在美国专利5,112,684，5,238,612和允许申请号08/073,294中所公开的怎样对成螺旋卷曲或经机械卷曲的纤维原料进行加工的例子。这些加工方法克服了Marcus的滚动气流法的一些局限性，但仍然需要对生产率进行提高。
除了能再蓬松的纤维球(还有其它不同的称呼，例如一般有“丝团”和“小块”)以外，Marcus还说明了制作不规则缠结纤维球的方法，还包括粘合纤维及加工方法，例如在美国专利4,794,038，4,940,502，5,169,580和允许申请号08/010,215中该加工方法用这样的纤维球制作模压产品如垫子和褥垫芯的半成品。为了简化起见，在考虑由粘合纤维和其它纤维(粘合纤维之外的纤维)混合物制成纤维球时，其它纤维为区别于粘合材料有时称为“承载纤维”。实际上，优选粘合纤维常常是双组分纤维，它仅有一部分是会熔融或软化的粘合材料而其余的部分在粘合材料起作用后将承受起载荷。Synder等人和Halm等人还在他们先前提出的专利中公开了如纤维球，加工方法和模压的产品。
美国专利4,783,364(Marcus，关系到以上部分)公开的装置和方法现在已经作了更为详细的论述，这一专利已被认为与本发明的技术关系最为密切。Marcus说明的是分批加工的方法，其中空气和纤维是从水平方向的固定的圆柱形滚筒(1)中抽取，滚筒(1)的长度约为1.3米和直径约为1米，空气和纤维通过滚筒(1)每一端面(15和17)的出口(16和18)并在经过圆柱形壁的中点(12)且滞留几分钟(举例)后返回，(第6栏，第29-37行及48-55行)而空气由半径方向的弹簧钢做的搅拌器刀片(4)进行搅动，刀片没有延伸到滚筒的内壁(第6栏，第41-42行和50-51行，及第7栏，第7行以后)。Marcus的水平方向滚筒(1)是封闭系统的主体，它还包括管道(10)和鼓风机(9)，而滚筒(1)里面的东西是在这一封闭系统内作反复循环(第6栏，第48-55行)。Marcus从第7栏第11行起开始介绍搅拌器刀片的最重要作用被认为是对空气的搅动以产生湍流，并使纤维的球体重复转动，因此它们不断以不同面撞击容器的内壁，由此生产出圆的球而不是滚磨圆筒(末端)生产出来。没有介绍由切断纤维连续生产纤维球的方法。其它的与Marcus专利所公开的区别将在本发明后面的说明中进行论述。
在此摘取所有上述专利作为参考。
本发明的目的在于提供一种关于纤维球制作的改进方法，以比现有技术更高的生产率制造用于填充和用作模压产品半成品的纤维球。其它已有技术
Bair在美国专利4,957,794公开了芳族聚酰胺纤维的“绒毛”，他确认为是一种芳族聚酰胺纤维制品并具有小于0.08g/cc的密度而且每一毫克的绒毛至少含有一个绒毛球。Bair将切短的芳族聚酰胺纤维放在湍流空气磨碎滚磨机中尤其是德国Jackering公司出售的III型Ultra-Rotor滚磨机而得到他的芳族聚酰胺“绒毛”。Bair认为他的芳族聚酰胺纤维是受磨碎机中的刀片打击而在接触点处产生卷曲；该纤维经多次打击后围绕纤维轴心在随机的角度上产生卷曲，芳族聚酰胺纤维开始成为三维体并迅速地和邻近的卷曲纤维相缠结。绒毛球的产生有助于绒毛的气体输送，并确保多数的芳族聚酰胺纤维具有非平面的卷曲。考虑弹性应用时，Bair优先选用的是“高度成球的绒毛”如用作防火垫，该绒毛在用于绝缘和吸收方面使用时的密度接近于最小。
Bair提出的美国专利4,747,550(Jackering)给出了与Jackering公司的III型Ultra-Rotor滚磨机相似的滚磨机的详细说明。其中举例所用的改进后的Jackering III A型Ultra-Rotor滚磨机(改进以避免磨碎)来制作纤维球是按照我的发明方法，这将在后面说明。因此在这里提到Jackering的美国专利4,747,550作为参考。在此用作参考的还有两个标题为“ULTRA-ROTOR”和“ULTRA-ROTOR III A”的小册子。它们由德国Altenburger Maschinen-Jackering GmbH and Co.KG公司所提供地址及传真为D-4700 Hamm 1，P.O.Box 1733，Vorsterhauerweg 46，Germany，Tele+49-23814220，fax+49-2381422136，Telex 828845)。
本发明的概括
本发明提供了一个将合成聚酯或类似的合成熔融纺丝聚合物的切断纤维转化成由纤维不规则缠绕的纤维球的连续的方法，切断长度为12到80mm，纤度为2到20旦(或是同样范围的2到22分特)，并具有三维的“卷曲”或类似的形状，这一方法包括将上述切断纤维送入湍流气流滚磨机(turbulent air mill)，机器带有一个有内壁并与一个转子(2)配合的圆柱形定子(1)，转子相对于定子进行转动并有很多工作面面向定子内壁的工作板(7)，并有带有供气体和纤维使用的中央输入口(16)和径向设置的输出口(25)的气体输送装置，工作板(7)的工作面与定子(1)内壁之间的间隙是4到10mm。
优选的方法特点如将切断纤维的混合物送入到滚磨机中以及按本发明所得到的产品和装置的特征将在这里详细说明。
附图的简要说明
图1是一个优选装置部分剖开的代表性示意正视图，包括有一台使用本发明加工方法的湍流气流滚磨机。
图2是图1所示滚磨机部分剖开的放大正视图。
                   优选实施例的详细说明
按照本发明在熔融纺丝聚合物中优选的用于转化成纤维球的纤维原料是合成聚酯，正如Marcus，Snyder等人或Halm等人在上述专利中所公开的。由它公开的称为“螺旋形卷曲”的三维螺旋形是最好的。机械卷曲的纤维如有足够的三维性也是可以用的，例如其中所公开的充分的第二卷曲。双组分纤维一般有非常好的三维形状。通常双组分纤维由一种以上的合成聚合物组成。虽然聚酯纤维，特别是聚(对苯二甲酸乙二酯)，已普遍地优选用作为填充纤维并将在后面经常涉及到，但要知道其它的合成熔融纺丝聚合物的纤维也是可以用作为替代的或是附加的承载纤维。粘合纤维在后面将被单独提到，但也可能不是聚酯类的。芳族聚酰胺纤维具有不寻常的性能，诸如不一般的高强度和韧性，并为非熔融纺丝，因此它在本发明中是不能用作主要的承载纤维；但有少量的芳族聚酰胺存在是有好处的。它可以提高阻燃性，正如Cooper等人在美国专利4,040,371和4,199,642中所建议的。
很多后加工应用中光滑的填充纤维被优先选用，如Marcus，Snyder等人和Halm等人在上述专利和其中涉及到的专利举例中所公开的；光滑的纤维容易形成为纤维球。但是干的纤维(未涂上一层平滑剂)也能送入到滚磨机(mill)中进行加工。中空的填充纤维在很多后加工应用中也被优先选用，但是任何截面(实心的或中空的)都能进行加工。
如已指明(承载)纤维的切断长度应为12到80mm，最好是25(或甚至是32)到50mm，通常是要根据旦数而定，旦数应为2到20旦，通常最好是3到13旦。应该知道公制的分特和旦数几乎是相当的(1分特＝0.9旦)，因此相同的分特范围(2到22，而最好是3到15)是几乎相等的。对切断纤维的长度测量应该是伸直长度，但实际的纤维长度要短一些，因为它成卷曲状，而且在纤维球中纤维是不规则缠结。
我将纤维原料送入滚磨机中进行滚磨，滚磨机有一个圆柱形的定子1和与之相配合的许多工作板7，工作板的工作面面向定子的内壁并由转子2使它相对于定子作转动，并有带有一个中央输入口16和径向设置的输出口25的气体输送装置，供气体和纤维用，这基本上如上面提到的Jackering美国专利4,747,550和由Altenburger Maschinen提供的两本小册子标题为“ULTRA-ROTOR”和“ULTRA-ROTORIII A”(La 70679/87/2)中的图所公开和说明的，除了如本文中所修改公开的那部分以外。
首先，不像Jackering所说明(和标题)的，也不像Bair所说明的，我并不是用我的滚磨机去研磨纤维，而我是代之以增加定子1和板7之间的间隙。我的意图并不是用机器使纤维卷曲，但我是用了合适的“卷曲”纤维来作原料，正如同Marcus，Snyder等人和/或Halm等人在此以前所公开的专利中所说，并且我是用辅助气流滚磨的方法来形成纤维球，这或多或少和Marcus所公开的原理相同，但和Marcus分批加工方法不同的是用了连续的一次加工法，在产量方面要大得多。Jackering的美国专利表示有5个滚磨区5，并说明每一区包含有很多(例如50左右)滚磨板7。小册子中表明为4个滚磨区并指出(没有说明数量)也许多至24片板可以装在每个滚磨区中。在小册子中强调要磨碎(到几个微米)而且一本小册子开头的标题就是“微粉化”(MICRONISATION)。我的目的不同，我增加板(的工作面)与圆柱形定子(内壁)之间的间隙至少达4mm，并最好是加大板的间距例如在每一区中只用12片来取代24片，但最好是用更多的滚磨区，如在举例中用的是7个区。由此可以清楚我的滚磨机的运作是和Jackering(磨成微粒)或Bair(以不规则的角度使芳族聚酰胺纤维卷曲并由此加工出密度小于0.08g/cc每一毫克绒毛中至少含有一个绒毛球的芳族聚酰胺绒毛，这有助于绒毛的气流输送并保证多数纤维为非平面卷曲纤维)所公开的是有很大的差异。
Jackering的专利(和小册子)表明有筛指件22(图1、3、4和5)并对它们作了说明(第2栏第54-55行，第3栏第8-9行，第12-14行及从第3栏第49行到第4栏第27行的段落中)。在小册子中提到了“机内筛”。与此相反，我将Ultra-Rotor III A型滚磨机中的筛去掉以使填充纤维转变成为纤维球。筛指件在磨碎加工中也许会有优势，在这种加工方法中筛指件能使尺寸过大的粒子反回重新进行磨碎加工，而我发现在制作纤维球时通常是不希望要磨碎过程，因为这会破坏纤维球的结构。也可理解筛指件对Bair来说不会产生问题，因为他主要是要得到不规则卷曲的芳族聚酰胺纤维绒毛。
Jackering的专利没有表示出从他的输送气流中分离出所得到的微粉粒子的旋风分离器，但是在两本小册子中表示出有一个(比较小的直径)分离器，从分离器的顶部送入气体流(带有微粒)，当然带有一个鼓风机将气流(及微粒)提升并从磨碎滚磨机中抽出来。与此相反，我提出(对制作纤维球)用一个直径比较大的特殊结构的过滤旋风分离器并将气流从它的顶部下面引入。我还提出要在一些背压(正压力)下的操作。
现参照所附的图，我将在下面介绍一个优先选用的实现本发明加工过程的装置。为了简化起见，我的说明将采用Jackering在说明优选的湍流气流滚磨机的美国专利4,707,550中所表明的图中所用的相同参考号数(但被Jackering称作磨碎滚磨机)，这主要是指这里的图2，在这里的图1表明在左面有一个旋风分离器，在右面是滚磨机，在此，我将不重复Jackering所作的全部说明。
滚磨机包括一个定子或定子壳体1和一个带有转动轴8而一般标示为2的转子。纤维原料在计量后进入到空气流中并由气流吸入到输入口18，之后进入到轴向设置的靠近滚磨机底部且在滚磨区5下面的空间17中并经过轴向设置的输入口16而进入到滚磨机的内底部，正好在第一(最下面)滚磨区5的下面。
滚磨机装有几个垂直重叠的滚磨区5。图中表示出7个这样的滚磨区5并将按照我的发明普遍地用在例子中。每一个滚磨区5包括有许多装在圆盘6外周边上的滚磨板7，圆盘装在转子轴11上。滚磨板7相对于转子2的转动轴8作径向及轴向的延伸。与Jackering的说法(以原料磨碎和粉化为目标)相反，我提出用数量相对少些的板7，最好是12片，沿转子2的圆周装在角度为30度处。我的气流滚磨机的运作是在滚磨板7的转动作用下使填充纤维在定子1的内壁上进行滚磨，因为我为了产生这样的滚动而对滚磨机作了改进，使定子1的内壁和滚磨板7之间有充分的间隙。在本文的后面能看到我的Ultra-Rotor III A型滚磨机用的间隙是在4到10mm之间。Bair提出定子内侧的壁面用细沟面(即波纹形)。我用的是光滑表面和带有波纹(3mm深，顶峰间距为3mm)面这两种，我的间隙是从峰尖进行测量。
Jackering提出使用带有分开传动和速度控制(他的图3)带筛指件的筛(在他的图1、3、6和7中的22)的重要性，以帮助控制他的颗粒大小及通过使粒子重复返回到他的滚磨机中来调整他的粉化过程。如已提到的，我发现筛指件有缺点，所以我对Ultra-Rotor III A型滚磨机作了改进将它们去掉，因此在我的图中没有表示出筛或指件。对于Ultra-Rotor III型Bair没有提供图，可能是因为已可购到的关系，而且Bair仅提到Jackering的专利。Bair并没有提出要去掉筛。Bair的确讨论到反复循环的优点而在他的举例1和5中使他的芳族聚酰胺纤维反复循环达9次，所以很清楚Bair是赞成用反复循环来增加对于他的芳族聚酰胺纤维的磨碎作用。
在气流滚磨机顶部有一个环形开口23供气体和纤维输入到一个基本上为环形的通道24和一个径向设置的输出口25，而通过上升的导管29引入到过滤旋风分离器30。与标准结构和Jackering小册子中所示的相反，我提出用一个特殊结构带有较大直径圆柱形部分的过滤旋风分离器，如图所示，将导管29放入过滤旋风分离器并在顶部以下，最好是位于或靠近于圆柱形部分的底部进入，以容纳蓬松的纤维球。Jackering做了一个2米直径(高度约为6.5米)特殊结构的过滤旋风分离器，导管29是在过滤套筒(长度1.5m)的下面距离约为300mm处放入。Jackering的分离器接有一个鼓风机以产生真空(负压)，并带有关闭阀以使操作者能进行正/负压(达400mm水柱)两者之间的操作。
Marcus，Snyder等人和Halm等人在以前专利中说明的全部测试方法是很重要的，在此摘引以作参考。
用改进后带有7个滚磨区(层)且每个有12片板(如本文已说明和介绍的)的Ultra-Rotor III A型滚磨机作了一系列的试验。我还成功地完成了只有4个滚磨区的运作。
我发现工作板的工作面与定子内壁之间的间隙为4mm，产量达每小时1100kg(2400)磅时，经过对不同的项目和条件诸如将要说明的压力作适当调整后及用“Ultra-Rotor III A”小册子和“Ultra-RotorIII”小册子第8页后面所表示的刀片能得到蓬松度非常好的纤维球。“ULTRA-ROTOR”小册子中第4页后页中所表示的上面二排中的另一种刀片并不太有效，因此没有选用。我考虑要对诸如刀片设计等项作进一步的调整和优化。相反当间隙减少到3mm时不能生产出满意的纤维球，但有时纤维会研磨成粉末，有时则会形成密实的“小块”。然而我考虑根据我的发明优化一些条件作为改进，以生产小块和结子以取代纤维球。我还用了7mm的间隙生产出满意的纤维球，但在我所用的条件下，7mm间隙并不如我用4mm间隙好。我相信太大的间隙例如达到约10mm也将证实是有用的，尤其是在一定的情况下如用较高的dpf(单丝旦数)纤维原料和/或较大的纤维原料量(以得到较高的生产率)。我用了正压与负压，压力高达400(水柱)，但最好是用正压(也就是背压)200-400mm(水柱)，这将迫使纤维球在装置中停留更长的时间。对于定子内壁我用了光滑和波纹面，得到满意的结果。我加工了干的和光滑的纤维，dpf从4到13分特(4到12dpf)，并加工了4分特(4dpf)和13分特(12dpf)两种纤维的混合物。
本发明与Marcus美国专利4,783,364的分批加工方法和装置之间的区别现将进行论述。Marcus没有公开过带工作板(诸如最初设计用于空气磨碎或微粉化也没有提到该滚磨机的任何改进)的湍流空气滚磨机。Marcus公开的是带径向弹簧钢做的搅拌器刀片(4)的滚筒(1)。Marcus没有提出在他的弹簧钢做的搅拌器刀片(4)和滚筒(1)之间的任何准确的间隙距离。Marcus没有公开过带气体输送装置(有一个可供气体及纤维输送的中央输入口和径向设置的输出口)的连续加工的方法；在这方面Marcus的分批加工方法的使用作为一个封闭系统，其中水平式滚筒(1)是它的主体并带有管道(10)和鼓风机(9)，由此使滚筒中的东西在这一封闭系统内作反复循环运动(第6栏，第48-55行)。
如本文前面及技术方面所指出的，一种特别有用的纤维球是由填充纤维(有比较高的软化和熔化点)和一种粘合纤维的混和物制成。这样的粘合纤维可以是全部用软化点较低的粘合材料组成的单组份纤维，因而它是易于软化和/或熔化并相粘合，也就是作为能承受适当加热并随之进行冷却(如在模压时)的高熔点承载纤维的粘合剂。合适的粘合材料最好是在它的熔化或软化温度至少要比承载纤维的软化温度低5℃时熔化或软化而且最好是更低些。优先选用的粘合纤维是双组分纤维，一个组分是由能实现上述粘合功能的粘合材料组成，而另一组分在同样条件下能抵抗住软化或熔化。这种粘合纤维的合适例子是由Marcus和Snyder等人及Halm等人提出的上述专利和Marcus的美国专利4,818,599及这些专利中所提到的参考资料所介绍的。特别好的粘合纤维是那些在有效的温度范围内有明确表示的熔化点的含有晶状体的粘合材料，特别是那些从含有戊二酸酯和二甘醇残余的对苯二甲酸乙二酯聚合物的共聚体中分离出的，如EPA 20372572中所公开的(1990年6月13日公布)。粘合纤维一般有很少或没有卷曲。如果在混和的纤维中有足够的卷曲的承载纤维，这并不阻碍对纤维球的制作。
当含有粘合材料(它在加热时易于软化或乃至熔化)的纤维混合物在湍流气流滚磨机中进行加工时，我发现重要的是要避免使粘合材料处于能使粘合材料过分软化或熔化到一定程度的条件，可以理解这将得到不合乎要求的粘合质体。例如，在用切断长度为32mm的双组分粘合纤维和长度也为32mm的承载纤维时，原材料将滞塞且生产不出纤维球，特别是当粘合材料的熔点是110℃，甚至是160℃时。因此我将粘合纤维切得短一些，切断长度为12mm和18mm(相当于1/2英寸和3/4英寸)，这样能得到满意的结果。所以，我提出用粘合纤维比承载纤维的长度要短(最好是不大于承载纤维长度的90％，特别是约50％时)的混和纤维。粘合纤维的长度最好不应短于约10mm。优选的是，粘合材料能在至少比上述承载纤维的软化点低5℃的温度时熔融，上述承载纤维的切断长度至少为20mm。
除了使用混合长度的纤维原料，最好使单丝旦数(dpf)不同的纤维混合在一起，但要记住包括绝缘能力在内的需要达到的美学效果，以及任何粘合材料在粘结时都会改变它的形状这个事实；要记住加工混合纤维的需要、加工中应有的客观要求和降低成本。确实，能将不同单丝旦数(dpf)的混合纤维送入到滚磨机中去是本发明方法的一个优点。在梳理型加工方法中，单丝旦数差距较大的纤维的混和物是不容易加工成为纤维球，而我能成功的将13分特(12dpf)和4分特(4dpf)的纤维的混和物制造出蓬松的纤维球。
根据本发明得到的纤维球可以用在前面所提到和说明的技术中。对纤维球的模压可以单独用电介质(微波)加热或是与烘箱，热空气或较为常用的加热方法联合使用，在这样情况下用Kerawalla在美国专利5,154,969所公开的技术和资料是有好处的。

Claims (7)

1.一种将合成熔融纺丝聚合物的切断纤维转化为纤维不规则缠结的纤维球的方法，切断的长度为12-80mm，2-20旦，切断纤维为三维卷曲或类似于三维形状，包括将上述切断纤维送入到湍流气流滚磨机中，滚磨机有一个圆柱形的带内壁的定子和与之相配合作用的转子，转子相对于定子作转动，并有很多带工作面的工作板，工作面面向于定子的内壁，还包括具有供气体和纤维使用的中央输入口和径向设置的输出口的气体输送装置，其中工作板的工作面和定子内壁之间的间隙是4到10mm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于经平滑后的切断纤维被送入到滚磨机中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于未涂平滑剂的切断纤维被送入到滚磨机中。
4.如权利要求1到3中所述的任一个方法，其特征在于切断纤维混合物被送入到滚磨机中。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于混和物由单丝旦数不同的纤维组成。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于混和物由粘合纤维和承载纤维组成，上述粘合纤维的切断长度至少为10mm，而且其粘合材料能在至少比上述承载纤维的软化点低5℃的温度时熔融，上述承载纤维的切断长度至少为20mm。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于粘合纤维的切断长度是不大于承载纤维切断长度的90％。
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