CN110753610B - 用于形成纤维材料管的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种由纤维材料束形成管状杆的设备，所述设备包括心轴，所述心轴被构造成在纤维束内形成空间；所述心轴包括用于递送处理流体的通道以便在所述束穿过所述心轴时促进所述纤维形成管状结构。

Description

用于形成纤维材料管的方法和设备

技术领域

本专利说明书涉及用于形成纤维材料管，特别是用于香烟的管状过滤杆的方法和设备。

背景技术

可以通过以下方式来形成纤维材料的管状杆：将纤维聚集成细长束，以管状配置围绕心轴形成束的纤维，以及将所得纤维与心轴分离作为具有中心轴向通道的管状杆。然而，在连续过程中围绕心轴形成纤维束的情况下，由于束内的密度纤维的变化，束可能会不时地与心轴未对准，其结果是中心通道的轴线与管的中心轴线未对准，使得管的壁厚不均匀，或者管状配置完全塌陷。然后必须停止并重新启动过程和设备，从而导致生产中的延迟和附加成本。如果从低密度的纤维原料中聚集纤维束，或者如果以较高的速度形成管，则尤其会发生这种情况。

发明内容

本专利说明书公开了一种形成纤维材料的管状杆的方法，包括：将纤维聚集成细长束，闭合以管状配置围绕心轴的所述束的纤维，以及将所述纤维与所述心轴分离作为管状杆，其中通过所述心轴将处理流体引入所述束中。

通过心轴将处理流体引入到束，例如以使管状结构塑化、固化或以其他方式调节管状结构可以有助于围绕心轴形成管并且减少管结构的未对准或塌陷的风险。

如果处理流体的引入方向与束在心轴上的移动方向不相反，则可以进一步有助于纤维形成到围绕心轴的杆或管中。例如，心轴中的通道可以被布置成沿大致径向的方向，或大体与纤维在心轴上的移动方向成直角，或与其成锐角，例如，相对于纤维束的移动方向成不显著大于90°的角度，可能相对于移动方向成10度、20度、30度、40度、50度、60度、70度或80度，而排出流体。在这些配置中，流体大体沿移动的下游方向被引导到纤维束中。即使以略大于90°（例如，相对于移动方向最大为95°）的角度进行引导，流体流可能不会显著地阻止纤维束在心轴上的移动，并且流体流的动能仍然可以帮助使纤维束在心轴周围和上方进行压缩和成形。在显著大于90°（例如从100到180°）的方向下，由流体施加在纤维上的力的分量将变得与纤维束在心轴上的移动显著相反并且将对纤维束的压缩和成形不利。

管状结构的形成可包括通过以下方式进一步处理束：使所述束前进通过收缩部，所述收缩部为所述纤维束限定期望的圆周轮廓，并且当所述纤维进入所述收缩部时，将用于固化所述纤维的处理流体引入到所述束中。

本说明书还公开了一种用于形成纤维材料的管状杆的设备，所述设备包括心轴，所述心轴被构造成当所述纤维束在所述心轴上方前进时在所述纤维束内形成空间，其中心轴包括用于在束经过心轴上时将处理流体递送到纤维束的通道。

所述心轴中的通道可以任何合适的方式布置。例如，它可以连接用于引入处理流体的入口和与心轴表面连通的出口。所述通道可以被配置成将处理流体递送到所述心轴的所述表面上的一个或多个选定点。通道还可以被布置成将处理流体大体上沿纤维束的移动方向排放到纤维束中，由此帮助而不是阻止纤维的运动。例如，通道的出口可以相对于通道的轴线以锐角定向。

在一个实施例中，所述心轴具有上游端部分和下游端部分，所述下游端部分的截面积小于所述上游端部分，并且所述通道被构造和布置成将处理流体递送到所述上游端和所述下游端之间的所述纤维束。具体地，所述上游端部分和所述下游端部分之间的接合部可以由所述心轴的朝向所述心轴的下游端渐缩的中间区域形成。

杆形成设备可以包括聚集设备，所述聚集设备被构造成接收连续纤维供应并且在纤维前进通过设备时将纤维聚集成束。

纤维围绕心轴的形成可以通过以下方式来促进：分开纤维以沿束的长度形成裂缝，将心轴引入裂缝中，闭合以管状配置围绕心轴的所述束的纤维，以及将所述纤维与所述心轴分离作为管状杆。因此，在一个实施例中，设备可以包括分隔件，所述分隔件布置在所述纤维的路径中，并且被构造为在所述纤维通过所述设备前进时沿所述束的长度形成裂缝。心轴可以与分隔件对准地定位在纤维束的路径中，并且被构造成当纤维束在心轴上前进时，形成裂缝到通过纤维束的通道中。

在引入心轴之前，在纤维束中形成裂缝会促进管的形成，并且可以减少由于心轴与纤维束未对准而导致的故障的风险。

裂缝可将束分成单独部分，例如两个不同束，或者可替代地，裂缝可以是部分通过束延伸的凹陷部的形式，例如从束的外围朝向束的中心径向地延伸，例如通过束厚度的20%、30%、40%、50%、60%、70%或80%。

在一个实施例中，聚集站或用于聚集纤维的设备可以具有通常在该领域的设备中使用的构造并且被称为成形锥。成形锥可以例如包括结构，所述结构在用于接收纤维的入口和可将纤维网成束地从中抽出的出口之间限定渐缩配置的纵向延伸通道。

分隔件可以包括壁、销、刀片、犁、或在心轴上游安装在通过设备的纤维路径中的其他构造。分隔件可以在其上游端成形以促进在束纤维中形成裂缝。例如，分隔件可以对纤维束呈现弯曲的或V形的面或边缘。在一个实施例中，分隔件位于成形锥中。例如，在一个实施例中，分隔件包括在成形锥的通道中的在入口和出口之间延伸的壁。

在一个实施例中，心轴可以被定位成与成形锥的出口对准以从成形锥的出口接收纤维束，并且围绕其可以在纤维束中形成中心通道。

在另一个实施例中，心轴可以安装在围绕通过设备的纤维束路径定位的管状外壳中。心轴可以例如包括杆，该杆在纤维束的移动方向上伸长并且沿着与管状外壳的轴线重合或平行的轴线安装在管中。在具有这种构造的实施例中，分隔件可以包括将心轴连接到管状外壳的支撑件。

本文所公开的杆成形设备可包括模具，该模具被构造成与心轴协作以便围绕心轴以管状配置形成纤维。在一个实施例中，模具具有穿过其的中心通道，并且心轴包括安装在中心通道内以在模具和心轴之间限定环形空间的杆。

设备还可以包括被构造和布置成将纤维固化或固定为管状配置的处理设备。处理设备的构造将根据纤维材料的性质和用于固定纤维束最终形式的技术而变化。例如，纤维可以由热塑性材料形成，该热塑性材料可以通过施加热量而软化，从而使纤维在其接触点处融合在一起。利用这种纤维，处理站被构造成在被支撑在心轴上的同时向纤维施加热量。为此目的，处理站可以包括蒸汽室，该蒸汽室被构造成容纳通过其的纤维通道。

在一个实施例中，处理站包括限定可将处理流体引入其中的腔室的壳体，并且模具定位在壳体内并设置有用于将处理流体从腔室传送到纤维的一个或多个导管。

本文公开的方法和设备可用于处理来自纤维材料原料的纤维，例如，一捆纤维丝束，或直接由连续制造过程或设备供应的纤维，例如，通过熔喷、熔纺、电纺丝过程和设备，或通过本领域技术人员已知的用于生产纤维的其他过程或设备。然后可以使用本文公开的方法或设备将以任何这些方式或通过另一种过程生产的缠结纤维网聚集成细长束。

纤维丝束由卷曲纤维、例如乙酸纤维素形成。纤维的卷曲增加了由此产生的纤维束的弹性（即，纤维可被拉伸而不破裂的程度）。这又影响由其形成的管或杆的弹性。在一捆丝束中，纤维是高度卷曲的。在使用前，通常将丝束“沾满（bloomed）”，或进行处理以减少卷曲并使纤维彼此释放。卷曲没有完全从纤维中消除。纤维的一定程度的卷曲为丝束材料提供了弹性，这有助于将纤维束形成为期望的形状，诸如杆或管。

本文公开的方法和设备以通过熔喷生产纤维为例。在典型的熔喷过程中，将形成纤维聚合物从一个或多个孔挤出到会聚的热气体（例如空气或可能地惰性气体）流中。气流将从孔中出来的聚合物吹成熔融聚合物的细流，并且然后其固化以形成小直径的长丝纤维。纤维被夹带在气体流中并且可以被收集，例如通过将气流和纤维引导到收集表面上。与丝束纤维相反，熔喷纤维基本上是线性的且未卷曲。因此，熔喷纤维束具有较低的弹性并且各个纤维更易于断裂。熔喷纤维束中的弹性主要来自束的缠结网状结构，该缠结网状结构是通过将纤维积累到网、垫或束中而产生的。

向纤维施加热量，例如通过加热的处理流体（诸如空气中的蒸汽或水蒸气或惰性气体），润滑纤维并促进纤维的解缠和形成更有序的纤维网以形成期望的线性结构，诸如杆或管。

当束纤维通过模具时，施加热量致使纤维束拉伸。纤维保留在模具的成形部分中的时间越长，纤维束的拉伸就越多。纤维束在模具中拉伸的程度会影响成品的最终密度、形状、尺寸和结构。

通过在纤维的接触点处粘合在一起，可以使用增塑剂来促进将纤维束固化成成形的形状。增塑剂可以例如通过喷涂来施加到纤维束。此技术通常用于卷曲的纤维丝束上。对于熔喷纤维，增塑剂通常并入形成纤维的聚合物材料中并且在对纤维施加热量时从其中释放出来，该热量足以使聚合物软化或熔化。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式描述设备和方法的实施例，其中：

图1是用于形成纤维材料的管状杆的设备的实施例的示意性侧视图，其部分为竖直截面并被切割以减小宽度；

图2是图l的设备的示意图；

图3是可以在图1和2的设备中使用的成形锥的实施例的分解图；

图3A是图3的成形锥的一个部件的放大比例透视图；

图4A是图3的成形锥的上部的从一端的正视图；

图4B是图4A所示部分的从下方看的平面图；

图4C是图4A所示部分的从相对端的正视图；

图5A是可用于图1和图2的设备的心轴组件和处理组件的实施例的从上方和一端的放大比例透视图；

图5B是图5A的组件的纵向竖直截面图；

图5C是图5A和图5B所示的设备的侧视图，其中组件彼此分开；

图5D是与图1的设备的图5B的纵截面相似的纵截面图，该设备承载心轴组件的另一个实施例；

图5E是从上游观察的安装在设备上的图5D的心轴组件的端正视图；

图6A是与心轴组件分开的图5A的处理组件的从上方和一端的分解透视图；

图6B是沿箭头6B-6B的方向通过图6A的组件的竖直截面图；

图7A至图7G以截面图和透视图示出了在如箭头所示的上游方向和下游方向上沿图1的线7A、7B、7C、7D、7E和7G截取的纤维材料束的包络，作为它在前进通过图1至图6B的设备时的连续阶段，图7A和图7B以比图4A至图4C更大的比例示出了纤维束和成形锥，图7C至图7G以彼此大致相同的比例示出了束，但相对于图7A和图7B而言减小。

具体实施方式

参照图1和图2，所示的设备具有模块化结构并且包括：可连续操作的纤维供应模块1；纤维聚集模块2，其中纤维以连续网的形式聚集成束；以及成形模块3，其中纤维束连续地形成为中空管5的形式的杆。在该示例中，所生产的纤维管适用于制造香烟的过滤器。

纤维供应模块

纤维供应模块1包括熔喷头10，其构造和操作对于本领域技术人员将是熟悉的，并且未详细示出。在其他实施例中，纤维供应模块可以例如包括熔融纺丝或电纺丝单元，或用于从一捆过滤器丝束材料供应膨胀纤维网的进料系统。

在所示的熔喷设备中，熔融的聚合物材料通过聚合物入口歧管12送到熔喷头10中，并且在喷嘴13的阵列处从头出来。通常为空气的热加压气体可以通过聚合物入口歧管12的任一侧上的空气入口歧管14、14来引入熔喷头10中，并且以两个会聚高速气流从喷嘴阵列出现。热气流将从喷嘴13的阵列出现的聚合物吹成熔融聚合物细流，这些细流在喷嘴的几厘米内固化以形成多个连续小直径纤维15。由此形成夹杂在快速流动气流内的缠结纤维的复杂图案。

聚集模块2垂直地布置在熔喷头10的下方以接收来自头的空气流中夹带的纤维15。为了清楚起见，在图1中夸大了熔喷头与纤维聚集模块之间的竖直距离。

纤维聚集模块

纤维聚集模块2包括刚性框架20，该刚性框架支撑由金属板形成的中空外壳22，这些金属板通过焊接或螺栓连接在一起并固定到支撑框架22。外壳22在平面上通常是矩形的，其中其主轴在纵向上从图1右侧的上游端水平地延伸到图1的左侧的下游端。

安装在外壳22上的传送器24提供运输系统，该运输系统用于将纤维15从熔喷头10的部分沿着路径25（其包络在图1中用虚线指示并在图2中部分指示）通过纤维聚集模块2移动到杆形成模块3。传送器24包括直径相对较大的张紧辊26，该张紧辊安装在固定于外壳22的上游端的轴承中以用于绕横向于外壳延伸的水平轴线旋转。在外壳22的下游端处，各自的直径小于张紧辊的惰辊27和驱动辊28安装在固定到外壳22的轴承中以用于绕与张紧辊26的水平轴线平行的水平轴线旋转，惰辊27安装在驱动辊28的上方和上游。如图1中所示，在外壳22的下游端中安装有电驱动马达（未示出）以使驱动辊28绕其轴线沿逆时针方向旋转。

三个辊26、27、28支撑具有上段的环形构造的传送带29，该上段在外壳24的纵向方向上从张紧辊26沿着外壳22的上表面延伸到惰辊27，向下并围绕驱动辊28延伸，并且然后以平行于上段的下段返回张紧辊26。惰辊和张紧辊可以调整其轴承，以使上段与外壳22的上表面准确地对准并在传送带中提供足够的张力。

传送带29被构造成允许气体通过带，同时与气体一起夹带的纤维材料被沉积并作为缠结纤维网保留在其表面上。例如，传送带29或其至少一部分（特别是沿带的长度延伸的中心区域）可以被设置有穿孔、狭缝或孔，或以其他方式被制成多孔的以允许气体通过，同时将纤维15支撑在其表面上。为此目的，传送带可以例如是编织为足以允许期望气体流在压力下通过其中的密度的织物材料。

外壳22的上表面被设置有位于传送带29的上段下方的孔或狭缝，从而允许气体通过传送带进入外壳22的内部中，可以通过真空泵（未显示）从中排出空气并将空气从设备中排出。紧密围绕孔或狭缝的外壳上表面部分为传送带29的上段提供支撑。

纤维成形模块

成形模块3包括刚性框架40和其控制面板42，该刚性框架支撑杆形成设备的许多部件以用于将纤维15的束转变成中空管5。杆成形设备包括成形锥50、心轴组件60和处理组件80。成形锥50与聚集模块2的传送器24对准地固定到框架40上。心轴组件60和处理组件80可调整地安装在向上打开通道形式的导轨43上，其与通过纤维聚集模块2的纤维的线性路径对准地固定到框架40。心轴和处理组件60、80沿着导轨的纵向位置可以根据需要相对于彼此调整，并且成形锥可以根据需要调整以匹配设备的主要操作状况。

成形锥

参照图3、图3A、图4A、图4B和图4C，成形锥50包括上半壳51和下半壳52，其各自在平面上大致为三角形并具有平坦的外表面和凹陷的内表面。半壳通过螺栓53固定在一起。半壳的内表面一起限定平滑渐缩的中心通道55，该中心通道从大致矩形的上游入口56延伸到下游出口57，该下游出口为具有圆形截面的圆柱形管的形式。管状出口延伸件58（图3和图3A）与出口57轴向对准地螺栓连接到半壳51、52。

入口56被布置成直接从纤维聚集模块的传送器24接收以扁平垫或网形式的聚集纤维15。渐缩的中心通道被设置形状和进行布置以便压缩纤维，并在纤维通过成形锥向出口57前进时将网成形为圆柱形。

上半壳51的内表面被设置有肋59形式的分隔件，该肋沿径向向内朝向中心通道55的轴线突出到通过成形锥的纤维路径中，并且从入口56纵向延伸并通过出口57的圆柱形管。与成形锥出口的直径相比，分隔肋59是较窄的，使得当纤维束穿过成形锥时，分隔件沿纤维束的长度形成间隙或裂缝。为了促进纤维束在分隔件上方的流动，肋的上游端59a是弯曲的，使得肋59朝着通道的轴线径向突出的程度沿着肋平滑和逐渐地增加到位于入口56内的点A，其距离为分隔件总长的约10%到20%。从该点A及其下游开始，肋略微延伸超越通过成形锥的通道的中心。肋可以例如具有径向突出部，该径向突出部略大于出口的直径的50%，例如高达出口的直径的55%、60%或65%，这取决于由纤维形成的成品管的期望内径。

出口延伸件58还形成有轴向内部肋59a，该轴向内部肋具有相同的径向长度并且在与肋59相同的平面内位于上半壳内，由此在上半壳51中形成分隔件连续。

心轴组件

参照图5A至图5E，心轴组件60包括滑架61，该滑架被安装用于沿导轨43的上游部分滑动移动并且由附接到导轨43的每一侧的平行引导件48、48支撑。滑架包括齿条62，该齿条接收在由导轨43形成的通道内并且与安装在导轨43上的小齿轮63接合以用于通过手轮64绕横向轴线旋转，从而使得心轴组件能够沿导轨43来回纵向移动到相对于处理组件80和成形锥50的期望位置。

滑架61还包括用于第一滑块65a的水平引导件65，该第一滑块安装在该引导件中以用于相对于滑架61横向移动。第一滑块在水平引导件内的横向位置可以借助于锁定螺栓66来调整和固定。第一滑块65a支撑用于第二滑块67a的竖直引导件67，该第二滑块安装在该竖直引导件中以相对于滑架61进行竖直移动。第二滑块67a在竖直引导件67内的竖直位置可以借助于锁定螺栓68来调整和固定。第二滑块67a带有支架69，该支架又支撑在每端处开口的轴向定向的管状外壳71。外壳容纳大体以73指示的心轴，该心轴以沿着外壳71的中心轴线延伸的细长杆的形式。因此，通过滑架沿轨道纵向移动以及通过调整第一滑块65a和第二滑块65b，可以相对于成形锥和处理组件80精确地设置心轴的纵向、竖直和水平位置。

用于心轴73的管状外壳71的外部截面大体为正方形，具有沿其长度倾斜的边缘，并且该管状外壳的内部截面大体为圆柱形，在内径比外壳下游端更大的上游端具有沉孔75。外壳71通过两个螺栓固定到支架69并在纵向方向上对准，即其中心轴线布置在纤维束通过设备的行进方向上。

管状心轴支撑件72安装在外壳71的沉孔75内。心轴支撑件的外径与沉孔75的内径一致，并且在内部设置有用于心轴73的支架或托架。在该实施例中，支架是以分隔板78的形式，该分隔板从心轴支撑件72的内表面径向向内突出并在支撑件内从其上游端轴向延伸。调整心轴支撑件72在外壳71内的旋转位置，使得板78处于期望的径向取向，在这种情况下是竖直的。分隔板78的径向末端连接到心轴73并且例如可以与心轴一体地形成为模制件。

心轴73包括细长的圆柱形杆，为了便于组装将其制成同轴布置的两个部分，即上心轴杆73a和下心轴杆73b。上杆73a具有均匀的径向截面，其直径大于与其连接的分隔板的厚度，并且通过板沿着心轴支撑件72的中心轴线定位以向下游突出到支撑件72中。上心轴杆的上游端终止于圆顶部分或凸台76，该圆顶部分或凸台向上游突出，超出心轴支撑件进入纤维束的行进路径。上心轴杆73a的下游端设置有平行于杆的中心轴线延伸的内螺纹孔。

下心轴杆72b在其上游端处具有直径对应于上心轴杆73a的圆柱形段，并且在其下游端处具有减小的直径的圆柱形段73c，该减小的直径对应于成品管状过滤杆5的期望内径。如所示，下心轴杆的两个圆柱段通过锥形中间段彼此平滑连接。下心轴杆73b的上游端带有螺纹轴向螺栓，该螺纹轴向螺栓接收在上心轴杆73a的下游端的螺纹孔中，由此将心轴的两个部分同轴对准地固定在心轴支撑件72和外壳71内。根据成品管状杆5的期望尺寸，下心轴杆73b可以被移除并由具有不同直径的下游端的类似部件代替。

心轴组件60被配置为接收从成形锥50的出口出现的纤维束。心轴支撑件72的分隔板78与成形锥50和出口延伸件58中的分隔肋59、59a径向对准，使得当纤维束穿过外壳时，分隔板78沿束的长度保持裂缝的形成，因为心轴73板的上游末端上的圆顶部分76插入到纤维束中心处的裂缝中。因此，分隔板78具有承载心轴的支架和用于使在其上游形成的纤维中的裂缝保持打开的分隔件的双重功能。

如图5D和图5E中所示，心轴73被构造为使得能够在束在心轴上方通过时将气态或液态处理流体（例如，蒸汽或水蒸气）递送送到纤维束。为此，外壳71的上游端在其上表面上设置有用于蒸汽管线的入口（未示出）。入口包括具有中心通道的气密连接件90，该中心通道与分隔板78中的径向孔92连通。孔92径向向下延伸至心轴的中心线，其中该孔与上心轴杆73a中的中心轴向通道94连通。轴向通道94延伸到上心轴杆的下游端中的螺纹孔。下心轴杆73b同样设有中心轴向通道95，该中心轴向通道与上心轴杆73a中的通道94对准。轴向通道95延伸通过下心轴杆的上游端上的螺栓77，并终止于心轴的渐缩中间段74的中心。中间段74被设置有四个出口通风孔79，该出口通风孔将通道95连接到下心轴杆的外表面以便将处理流体排放到支撑在心轴73上的纤维中。通风孔围绕心轴轴线以等角间隔（90°）设置，并且在纤维束在心轴上方的移动方向上相对于心轴的中心轴线以20-70°的角度沿下游方向倾斜。

在该实施例中，蒸汽或其他处理流体可以通过连接器90供给到心轴73中。蒸汽然后可以传递到出口通风孔79，其中在蒸汽前进通过设备并在心轴表面上方通过时与纤维束接触。在该阶段用蒸汽处理纤维增加了纤维的柔性和柔韧性，由此预处理纤维以用于处理单元80中的进一步处理。

处理单元

定位在心轴组件60下游的处理单元80以本领域技术人员公知的形式作为蒸汽块，在图6A和图6B中更详细地示出。处理单元是包括模具84和结构部件的模具组件，在该模具中将纤维束形成为其最终配置，并且所述结构部件用于加热模具并用蒸汽处理纤维以固化成形纤维束。

该组件包括限定中空长方体腔室的壳体81并设有安装支架82，壳体可以通过该支架安装以沿导轨43的下游部分来回滑动。可以沿着由一排螺栓孔44限定的导轨将处理单元锁定在若干不连续位置中的任何一个中。安装支架82上的锁定销可以与螺栓孔接合以将处理单元固定在导轨43上的选定位置。

壳体81的侧面各自设有用于接收蒸汽连接器（未示出）的孔83a，蒸汽可通过这些蒸汽连接器引入壳体中。壳体的上游面和下游面均设置有用于支撑圆柱形模具84的孔83b。模具84是管状的，其中心轴向通道的直径足以接收心轴73的下游段73c，并且在心轴73和通道的圆柱形壁之间限定环形间隙，该间隙等于纤维管的期望环形厚度。

模具84的圆柱形壁设置有通道89，该通道使模具的中心轴向通道放置成与外部环境连通。模具的上游端带有插槽85，该插槽的内表面为锥形式，该锥沿下游方从等于或小于心轴支撑件72的下游出口的直径（例如，小于70%、60%、50%或40%）渐缩到等于成品管状过滤杆的期望外径的直径。模具84可以安装在壳体81中，使得其下游端86从壳体的下游面的孔突出，并且插槽85密封地接合在壳体的上游面中的孔83中。具有用于接收模具下游端的中心孔88的密封板87可以螺栓连接到壳体并通过O形环密封至其。

处理单元被构造和布置成使得过热蒸汽可以借助于从控制面板42控制的阀（未示出）从供应管线经由孔83穿过壳体81的腔室。蒸汽可从腔室穿过模具84中的通道89并与支撑在心轴75下游端上的纤维接触，从而将纤维加热到在其接触点处它们融合在一起的温度，由此将纤维固定在其管状配置中。

纤维束由位于处理单元下游的常规配置的拿掉（take-off）辊（未示出）牵引通过设备。纤维通过设备的移动也可以借助于填塞射流（未示出）来辅助，该填塞射流例如位于成形锥50和心轴组件60之间。

设备的使用和操作以及制造过程

现在将描述该设备在连续制造过程中用于生产纤维材料的管状杆的使用。广泛描述的过程包括：将纤维聚集成束，沿着束长度分开纤维以形成径向裂隙，使束在位于凹陷部中的心轴上方前进，闭合围绕心轴的束纤维，处理束以将束固定为管状配置，以及从心轴移除束。

在纤维供应模块1中，向熔喷头10供应熔融聚合物和热气体。熔融聚合物作为液体通过喷嘴13的阵列出现，并被热空气吹成细流，所述细流固化形成小直径的纤维15并夹带在气流中。

熔喷头可以被配置成由单一聚合物材料生产单组分纤维，或生产具有由第一聚合物形成的芯的双组分纤维，所述第一聚合物被包在由不同聚合物形成的护套中。为了生产管状过滤杆，单组分纤维可以例如由以下形成：聚酯、聚酰胺、乙基醋酸乙烯酯、聚乙烯醇或乙酸纤维素，其可选地并入其他用于改变聚合物性能的材料，例如增塑剂（诸如三醋精）。双组分纤维可以由相容聚合物的任意组合形成，所述相容聚合物具有例如聚丙烯的芯和乙酸纤维素的护套，任选地并入三醋精增塑剂。

使用空气作为吹塑气体，模具头通常位于传送带29的上段的上方25-65厘米处，并且在250-350℃的空气温度（例如300-320℃）、500-600立方英尺或钟14,000-17,000升/分的空气流速、以及每喷嘴孔每分钟0.3-0.5克的聚合物通量下操作。所得的纤维通常具有5-10微米的直径（例如约7微米）并且可以聚集以形成管状过滤杆5，该管状过滤杆的外径为5-10mm，例如7至9mm，例如约8mm（尤其是7.7mm），内径为1至6mm，例如2至5mm，并且杆的每毫米长度的重量为从5mg，典型地为8至12mg/mm，例如约10mg/mm。

气流和夹带的纤维15被引导到传送器24上，并且纤维在传送带29的上段上以缠结垫中聚集在一起。操作传送器24以使带29沿逆时针方向移动，如图2中所示，以此将纤维从气流中移出并向下游朝向成形模块3。

所得的聚集纤维网30连续地拉入并通过成形锥50。图7A示出了刚好在纤维网进入成形锥50之前的纤维网15的大体矩形的截面形状。例如，网的宽度可以是150mm，并且厚度或“高度（loft）”可以是20mm。当网行进通过成形锥时，纤维15被引导并压缩成逐渐呈圆柱形的束32。在图7B中示意性地示出了在通过锥50的约一半的点处的网的截面形状，由图1中的剖面线7B指示。此时，随着网前进通过成形锥，网的纵向边缘被压向成形锥的中心轴线，并且纤维在复杂的折叠操作中在横向地和垂直地上朝向彼此移动且在彼此上方移动，从而在它们接近圆形径向截面的管状出口57时位于分隔肋59的任一侧上和下方。

在成形锥内，束内纤维的密度沿着锥轴线从入口处的相对较低的密度逐渐增大到出口57处的较高密度。束的截面密度不均匀。在沿着束长度的每个点处，纤维密度在径向方向上从束中心处的空或低密度区域增加到束外围处的较高密度区域。

当纤维网前进通过成形锥时，分隔肋59将束的上部中的纤维分开以便沿束的长度形成裂缝35。在所示的实施例中，分隔肋形成穿透直到并略微超出束中心的裂缝，而使裂缝的深度在束直径的50%到60%之间，例如约55%。

如图7C中所示，当纤维15的束从成形锥的出口延伸件58出现时，其包络是圆柱形的，其直径为在网进入成形锥并沿其长度形成有裂缝35时的网宽度的约15-25%（例如，约20%）。

然后，束从成形锥的下游进入心轴组件60。从下游看，图7D示意性地示出了当纤维15的束进入心轴组件时的纤维束15的配置，该束的包络用虚线指示。分隔板78与通过形成锥中的分隔而在上游形成在纤维束中的裂缝35对齐，并且当纤维在分隔板的任一侧上和下方通过时，使裂缝保持打开。上心轴杆73a的尖端上的凸台76引发纤维在束中心处的打开移动，为上心轴杆73a让开，该上心轴杆被插入束的中心并使纤维膨胀以在纤维束中形成中心轴向通道36。

当束在分隔板78的下游越过上心轴杆前进并到下心轴杆73b上时，如图7E中所示，纤维束中的裂缝开始围绕心轴闭合，并且纤维在下心轴杆73b的较宽直径段周围形成连续外围层。此时，中心通道36的直径大于成品管的期望内径，例如大10%、15%、20%或30%。

当束从心轴支撑件72和外壳71出来下游朝向处理组件80前进时，它从上心轴杆的较宽直径段73b通过到下心轴杆的较小直径段73c上，该较小直径段的直径对应于成品管状杆的期望内径。当束接近并进入模具84时，模具84的锥形插槽85围绕心轴的下游段73c压缩纤维束，从而完成裂缝的闭合并围绕心轴产生管状结构，其外径对应于成品管的期望外径。

蒸汽可以进入心轴73并在它穿过心轴时施加到纤维束，由此调节纤维并在其进入模具84时促进围绕下心轴杆73b的压缩。

图7F示出了纤维束在进入模具的插槽85时的配置，并且图7G示出了在通过心轴的下游端之后紧接在模具84下游的管状杆的配置。通常，杆的外径将是图7E中所示的心轴组件下游端处的纤维束直径的10-20%，例如15%。从模具出来的管状结构具有成品的期望内径和外径。可以通过使用不同内径的模具与不同直径的心轴组合来生产不同尺寸的管以及内径和外径的不同组合。

当束在由心轴支撑的同时行进通过蒸汽块时，在压力下，例如在1-3bar（通常为约1.5bar）的压力下，束与例如通过将蒸汽加热到范围150-200℃内的温度而产生的过热蒸汽进行接触。这种处理致使纤维在其接触点处粘结在一起，由此形成管状杆5形式的粘结自支撑结构，如图7G中所示。

杆5然后可以从心轴中牵引并然后通过其他处理设备（例如空气阻塞）以从杆中移除多余的水，以及通过将杆切成期望长度的连续管状段的切割机，如图7F中所示。

在本文公开的实施例中，该过程的关键点是将纤维束形成为围绕心轴的管，心轴形成中心支撑件，围绕其可由纤维束形成管状结构。使用心轴会带来风险，尤其是在高速操作过程时，即纤维无法将自身均匀分布在心轴周围，并塌陷成非管状结构、非圆柱形结构。然而，在本文所述的实施例中，当束穿过心轴时，将蒸汽或其他处理流体从心轴内部引入束中会促进纤维移动成管状结构并形成管状结构，并且由此减小了管状结构塌陷的风险。将纤维形成为管状结构可以进一步促进在纤维束通过心轴之前在纤维束中形成裂缝。

Claims (16)

1.一种用于由纤维材料束形成管状杆的设备，所述设备包括心轴组件和定位在所述心轴组件下游的处理单元，其中，所述心轴组件将所述纤维材料束形成为管状配置并且包括心轴，所述心轴具有上游端部分以及带有更小截面积的下游端部分，所述心轴被构造成当所述纤维束在所述心轴上方前进时在所述纤维束内形成空间，其中所述心轴包括通道，所述通道具有纵向轴线以及在所述心轴的上游端部分和下游端部分之间的出口，所述出口用于将处理流体从所述通道递送到所述心轴组件中的心轴上的纤维材料束，以增加纤维的柔性和柔韧性，所述通道被构造成使得沿与所述束在所述心轴上方的移动方向不相反的方向将所述处理流体递送到所述心轴组件中的纤维束，所述出口定向成与所述通道的纵向轴线成锐角，其中所述处理单元构造成接收通过所述心轴组件形成为管状配置的所述纤维材料束，所述处理单元包括模具组件，所述模具组件包括布置成将所述纤维固化或固定成所述管状配置的模具。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述通道被布置成将流体以相对于所述束在所述心轴上的所述移动方向为20°至70°的方向引导到所述通道中。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述上游端部分和所述下游端部分之间的接合部由所述心轴的朝向所述心轴的下游端渐缩的中间区域形成。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述模具包括限定穿过其的通道的主体，并且所述心轴可以安装在所述通道内以便在所述心轴和所述主体之间限定用于围绕所述心轴的纤维的空间。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述心轴组件被配置成将所述纤维束引导到所述心轴上并且进入所述模具组件中的所述通道中。

6.根据权利要求4或5所述的设备，其中在通过所述模具的所述通道中形成收缩部，所述收缩部被成形为在所述束穿过其时将所述束的纤维形成期望配置，并且在所述模具中形成一个或多个导管，通过所述导管可将用于固化所述纤维束的处理流体引入所述通道中。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其中所述处理单元包括限定可将处理流体引入其中的腔室的壳体，并且其中所述模具中的一个或多个所述导管在所述腔室和所述通道之间连通，由此可以将所述流体从所述腔室引入所述通道中。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的设备，还包括聚集设备，所述聚集设备被构造为接收连续的纤维供应，并且在所述纤维前进通过所述设备时将所述纤维聚集成束，以及将所述纤维束递送到所述心轴。

9.根据权利要求8所述的设备，还包括分隔件，所述分隔件布置在所述纤维束通过所述设备的路径中，并且被构造为在所述纤维束朝向所述心轴前进时沿所述束的长度形成裂缝。

10.根据权利要求9所述的设备，还包括成形锥，所述成形锥具有用于接收纤维束的入口以及可将纤维网成束地从中抽出的出口，并且在所述入口和所述出口之间限定渐缩配置的纵向延伸通道，并且所述分隔件包括在所述成形锥的通道中的在所述入口和所述出口之间延伸的突起。

11.一种形成纤维材料的管状杆的方法，包括：将纤维聚集成细长束，将纤维材料束供应至心轴组件，在所述心轴组件中，围绕心轴以管状配置闭合所述束的纤维，并且在所述心轴组件中，通过所述心轴组件中的心轴将处理流体引入到所述束中，以增加所述纤维的柔性和柔韧性，并且沿与所述束在所述心轴上方的移动方向不相反的方向递送所述处理流体，其中，所述心轴具有上游端部分以及带有更小截面积的下游端部分，以及在所述心轴的上游端部分和下游端部分之间的出口，用于将所述处理流体从所述通道通过所述出口递送并且递送到所述束中，所述出口被定向成与所述通道的纵向轴线成锐角，并且其中所述方法包括将通过所述心轴组件形成为管状配置的所述纤维材料束供应到定位在所述心轴组件下游的处理单元中，所述处理单元将所述纤维材料束固化或固定成所述管状配置。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述通道被布置成将流体以相对于所述束在所述心轴上的所述移动方向为20°至70°的角度引导到所述束中。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述束前进通过收缩部，所述收缩部为所述纤维束限定期望的圆周轮廓，并且当所述纤维进入所述收缩部时，将用于固化所述纤维的处理流体引入述束中。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述纤维由纤维材料的原料供应。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述纤维由连续制造过程供应。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述纤维是通过熔喷过程来生产的。

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