CN1543520A - 功能纤维和纤维材料 - Google Patents

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L·姚
G·毛
X·李
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Abstract

公开了包含功能纤维和粘合纤维的纤维和纤维材料。功能纤维能够是连续纤维或短纤维，而粘合纤维是双组分短纤维。还公开了纤维和纤维材料的应用。

Description

功能纤维和纤维材料
1.发明领域
本发明涉及纤维和纤维材料以及其制造和应用方法。
2.发明背景
纤维和从纤维制造的材料(本文称作“纤维材料”)具有各种用途。许多纤维材料是复合物。例如，美国专利No 4,270,962公开了一种制造熔凝纤维束的方法。在该方法中，低熔点纤维和高熔点纤维的纤维束在压力和使低熔点纤维熔融的温度下受热，然后冷却，从而提供条状材料，参见，例如，第一栏第26～61行。
美国专利No 4,795,668公开了双组分纤维的制造。这些纤维不同于熔凝纤维束，因为前者每根纤维均由一般沿纤维连续延伸的两种组分组成，参见第三栏第38～41行。双组分纤维的例子含有芯和皮，皮包围着芯，其中，所述芯由可结晶材料如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)构成，而皮由热软化材料如结晶聚丙烯或无定形聚苯乙烯构成，参见，例如，第三栏第30～36行，第四栏第55～60行。据说双组分纤维能够与其它纤维结合成纤维网，参见，例如，第三栏第52行～第四栏第7行。
美国专利No 4,830,094公开一种由许多纤维构成的多孔非织造织物，据说，这些纤维在一起加热时形成了均匀的纤维网，参见，第一栏第42～48行。据报道，所述织物制造方法包括：梳理双组分纤维形成纤维网，然后加热纤维网使纤维彼此粘合。参见，第2栏第17～24行。所述双组分纤维由晶体熔点相差至少30℃的组分构成，据说这些组分能够以各种配置排列。参见，第2栏第65～67行，第3栏第29～33行。
美国专利No 5,284,704也公开了将市售皮芯型双组分纤维熔凝提供非织造织物。据说，这种织物能够用作传动带和密封材料、用于标记笔的笔尖毡，用于板式和框式过滤器的滤布，过滤芯、印台墨水储器以及蓄电池隔板，参见，第二栏第20～24行。
美国专利No 5,509,430、5,607,766、5,620,641和5,633,032公开采用双组分纤维提供据说用作烟草香烟过滤嘴的材料。在上述每份专利中，均采用本领域已知的方法，熔喷出皮芯型双组分纤维并成形为多孔滤芯。参见，美国专利No 5,509,430第9栏，第38～58行。
美国专利No 5,948,529提供了复合纤维材料的最后一个例子，该专利公开具有由PET和官能化乙烯共聚物构成的芯及由聚乙烯构成的皮的双组分纤维，参见，第一栏第64行至第二栏第1行。据说官能化共聚物有助于使皮粘合到芯上，参见第2栏第1～3行。
至今，纤维和纤维材料的物理性能和化学性能均不能准确地与特定应用相匹配。其原因有一部分是，制造商希望生产具有恒定性能(如密度)的材料，还因为所述材料是自原材料挤出的，连续纤维保持着所希望的一致性。但是，采用已知方法制造由一种以上的连续纤维组成的纤维是很困难的并且是昂贵的。因此，在许多用途中所用的纤维和纤维材料对成本、市售供应能力和这些用途的要求进行了综合平衡。所以，需要为应用于各种用途而专门制造的纤维和纤维材料。
发明概述
本发明旨在能够应用于各种用途的纤维和由其制造的材料，这些用途例如，但不限于，在医药和其它用途方面用来收集、保持、传递或输送液体的芯吸及其它构件(例如记录笔笔尖、用于化学样品收集、贮存或分析的芯)，侧向流动设备，自封设备(例如，自封过滤器和自封移液吸管过滤器)，选择吸收设备(例如，生物液体过滤、空气和液体分离/过滤过滤器、离子交换过滤器)、热和湿气交换器以及其它种种纤维状基体，如绝缘、包装材料和蓄电池(阳极/阴极)隔板。
本发明部分地基于下述发现，即，能应用短纤维来提供具有特定的和精确调整的化学和物理性质的纤维和纤维材料。
本发明的第一实施方案包括包含粘合到功能纤维上的粘合纤维的纤维材料，其中粘合纤维是双组分短纤维，它在基本上与功能纤维相同的方向上取向。所述功能纤维能够是短纤维或连续纤维。
适宜的粘合纤维的例子包括，但不限于，由下述成对聚合物构成的双组分纤维：聚丙烯/聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯/PET、聚丙烯/尼龙-6、尼龙-6/PET、共聚酯/PET、共聚酯/尼龙-6、共聚酯/尼龙-6，6、聚-4-甲基-1-戊烯/PET、聚-4-甲基-1-戊烯/尼龙-6、聚-4-甲基-1-戊烯/尼龙-6，6、PET/聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、尼龙-6，6/聚-1，4-环己烷二甲基(PCT)、聚丙烯/聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、尼龙-6/共聚酰胺、聚乳酸/聚苯乙烯、聚氨酯/缩醛和可溶性共聚酯/聚乙烯。
功能纤维的例子包括，但不限于，尼龙、纤维素基材料、聚乙烯醇(例如，磷酰化聚乙烯醇)、高吸收性纤维、碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维和丙烯酸类纤维。
优选纤维材料的密度为约0.15g/cm3～约0.8g/cm3，更优选约0.2g/cm3～约0.65g/cm3，最优选约0.25g/cm3～约0.5g/cm3。
本发明的第二实施方案是功能芯吸材料，其包含粘合到亲水性功能纤维的粘合纤维，其中，粘合纤维是在与亲水性纤维基本相同的方向上取向的双组分或单组分短纤维。适宜的双组分粘合纤维的例子包括，但不限于，表1所列的成对粘合材料。单组分粘合纤维的例子包括，但不限于，PE、PP、PS、尼龙-6、尼龙-6，6、尼龙-12、共聚酰胺、PET、PBT和CoPET。优选的双组分粘合纤维是由聚乙烯/PET、聚丙烯/PET或或CoPET/PET构成者。优选的单组分粘合纤维是PE、PP或PET。适宜的亲水性功能纤维的例子包括，但不限于，高吸收性人造纤维素纤维、Lyocel或Tencel、亲水性尼龙、亲水性丙烯酸系纤维和以纤维素为基础的高吸收性纤维。
优选的芯吸收材料芯吸水速度为，在1英寸芯吸长度下，约0.05～约1.0英寸/秒，优选为约0.1～约0.6英寸/秒，最优选约0.2～约0.4英寸/秒。
其它优选功能芯吸材料包含约1～约98wt％、更优选约5～约95wt％、最优选约5～约50wt％粘合纤维。还有另一种优选的芯吸材料包含约5～约70wt％、更优选约5～约55wt％、最优选约10～约40wt％功能纤维。
本发明的第三实施方案是功能自封材料，其包含粘合到高吸收性纤维上的粘合纤维，其中，粘合纤维是在与高吸收性纤维基本相同方向上取向的双组分或单组分短纤维。适宜的双组分粘合纤维的例子包括，但不限于，表1中所列的对子。单组分粘合纤维的例子包括，但不限于，PE、PP、PS、尼龙-6、尼龙-6，6、尼龙-12、共聚酰胺、PET、PBT和CoPET或其混合物。优选的双组分粘合纤维是PE/PP、PE/PET、PP/PET和CoPET/PET。优选的单组分粘合纤维是PE、PP和PET。适宜的超吸收性纤维的例子包括，但不限于，以纤维素为基础的纤维、水解淀粉丙烯腈接枝共聚物、中性淀粉-丙烯酸接枝共聚物、皂化的丙烯酸酯-乙酸乙烯酯共聚物、水解的丙烯腈共聚物、丙烯酰胺共聚物、改性的交联聚乙烯醇、中和的自交联聚丙烯酸、交联的聚丙烯酸盐、中和的交联异丁烯-马来酸酐共聚物，或者其盐或其混合物。
优选的功能自封材料包含约30～约95wt％、更优选约45～约95wt％、最优选约60～约90wt％粘合纤维。另外的优选功能自封材料包含约5～约70wt％、更优选约5～约55wt％、最优选约10约～40wt％高吸收性纤维。
本发明的第四实施方案是功能生物吸收材料，包含粘合到生物吸收纤维上的粘合纤维，其中，粘合纤维是在与生物吸收纤维基本相同方向上取向的双组分或单组分短纤维。适宜的双组分粘合纤维的例子包括，但不限于，表1中所列的对子。单组分粘合纤维的例子包括，但不限于，PE、PP、PS、尼龙-6、尼龙-6，6、尼龙-12、共聚酰胺、PET、PBT、CoPET或其混合物。优选的双组分粘合纤维是PE/PP、PE/PET、PP/PET或CoPET/PET。优选的单组分粘合纤维是PE、PP或PET。适宜的生物吸收纤维的例子包括，但不限于，纤维素醋酸酯、纤维素基的纤维、磷酰化聚乙烯醇、玻璃纤维、陶瓷纤维、亲水尼龙、烷基化尼龙、CNBr改性的纤维素纤维、离子交换纤维，或其混合物。
优选的生物吸收材料包含约30～约95wt％、更优选约45～约95wt％、最优选约60～约90wt％粘合纤维。另外优选的生物吸收材料包含约5～约70wt％、更优选约5～约55wt％、最优选约10～约40wt％生物吸收纤维。
本发明的第五实施方案是功能选择性吸收/过滤材料，包含粘合到功能纤维上的粘合纤维，其中，粘合纤维是在与生物吸收纤维基本相同方向上取向的双组分或单组分短纤维。适宜双组分粘合纤维的例子包括，但不限于，表1中所列的对子。单组分粘合纤维的例子包括，但不限于，PE、PP、PS、尼龙-6、尼龙-6，6、尼龙-12、共聚聚酰胺、PET、PBT和CoPET。优选的双组分粘合纤维是PE/PP、PE/PET、PP/PET和CoPET/PET。优选的单组分粘合纤维是PE、PP和PET。适宜的功能纤维的例子包括，但不限于，磷酰化聚乙烯醇、玻璃纤维、亲水尼龙、烷基化尼龙、离子交换纤维和活化碳纤维。
优选的功能选择性吸收/过滤介质包含约30～约95wt％、更优选约45～约95wt％、最优选约60～约90wt％粘合纤维。另外的优选的功能选择性吸收/过滤介质包含约5～约70wt％、更优选约5～约55wt％、最优选约10～约40wt％生物吸收纤维。
3.1.定义
在本文中所用的术语“纤维”，除非另有规定，意指具有高长宽比的并具有加工成纤维材料的适宜特征的任何类似线状物的物体或结构。纤维能够由包括，但不限于，合成材料或天然材料的材料构成。
在本文中所用的术语“短纤维”，除非另有规定，意指切断成特定长度的纤维。
在本文中所用的术语“双组分纤维”，除非另有规定，意指由两种不同组成的部分合并成的纤维，一般为并列的或一部分在另一部分内部(皮芯的)。
在本文中所用的术语“功能纤维”，除非另有规定，意指具有所要求功能的纤维。
在本文中所用的术语“在基本相同的方向上取向”，除非另有规定，意指约35％以下、更优选约15％以下、最优选约10％以下的纤维的长轴偏离所有纤维的平均长轴约45度以下，更优选约30度以下，最优选约15度以下。
4.附图简述
本发明的各个方面能够参照以下附图来了解。然而，当然本发明的范围和其方方面面并不受这些图的限制，这些图仅仅代表本发明的几个
实施方案。
图1示出皮芯型粘合短纤维及其横截面图的例子。
图2示出并列型粘合短纤维及其横截面图的例子。
图3示出本发明包含粘合到皮芯型粘合短纤维的单一组分功能连续纤维的纤维及其横截面图的例子。
图4示出本发明包含粘合到皮芯型粘合短纤维的单一组分功能短纤维的纤维及其横截面图的例子。
图5示出本发明包含粘合到并列型粘合短纤维的单一组分功能连续纤维的纤维及其横截面图的例子；
图6示出本发明包含粘合到并列型粘合短纤维的单一组分功能短纤维的纤维及其横截面图的例子；
图7示出堆积密度对吸水性的影响；
图8示出在芯吸材料中功能纤维成分的重量百分比对吸水性的影响；
图9示出功能纤维成分的重量百分比对芯吸水速度的影响；和
图10比较了几种具有毡笔尖的标记笔尖的墨水流动速度。
5.发明详述
本发明部分地基于如下发现：某些短纤维(本文称作“粘合纤维”)能够与功能纤维熔结在一起，提供具有种种希望性能的材料。在本发明中所使用的其它纤维材料包括，但不限于，功能短纤维或功能连续纤维。短纤维是切断成特定长度的纤维。粘合纤维能够是具有低熔点皮和高熔点芯的双组分纤维，或者能够是具有较其它基质纤维熔点低的单组分纤维，或者是经加热活化的纤维网。优选，本发明应用双组分粘合纤维。
功能纤维能够具有任何要求的功能。例如，材料的功能纤维成分能够用于芯吸水基溶液，是一种亲水材料的纤维。功能纤维也能是粘合纤维，而第二或第三单组分或双组分短纤维能够用作结构纤维，以增强基体或者控制基体的孔径大小和孔隙率。其它功能纤维包括，但不限于：高吸收性纤维，能够用来提供自封材料；生物吸收纤维，能够用来提供用于生物医药用途的材料(例如样品收集和检验)；生物活性纤维，能够用来提供用于生物医药用途的生命分子吸附/束缚功能(例如样品收集和检验)；以及低吸附纤维，能够用于降低生命分子在纤维表面的特性吸附。功能纤维能够是单组分或多组分(如双组分)的，以及能够是短纤维或连续纤维。
因为本发明的特定纤维或纤维材料履行给定功能的能力，主要或完全由其中的功能纤维决定，所以本发明能够首先设计对于特定任务最佳化的纤维和纤维材料。
例如，本发明材料的芯吸速度能够通过其中的亲水/芯吸功能纤维的类型和相对数量来控制。同样，如果作为生物传感器所用的材料必须含有特定数量或浓度的酶，那么它能够通过改变其中亲水或化学活化功能纤维的类型和相对数量来控制。应用本发明材料的其它例子包括，但不限于，自封吸移管尖(即，空气能够通过而在与水溶液接触时就封闭的吸移管尖)。这类吸移管尖在与水接触时封闭的速度能够通过调节在其中使用的功能纤维(例如超吸收性功能纤维)的类型和数量来改变。本领域技术人员显而易见本方法的其它变种。
生命分子，包括蛋白质、酶、核酸和细胞能够通过或者物理吸附或者化学共价键固定到不同基质上。它们能够通过共价键合或其它相互作用包括疏水作用、氢键或静电作用固定在不同类型纤维材料上。有种种可供生命分子固定到纤维材料上的化学。这些方法中的许多方法能够用于使生命分子固定到本发明公开的功能纤维材料上。本发明的这些材料还包括用于医疗设备和诊断用途的、具有受控的生命分子吸附能力的材料。
所列附图有助于对本发明的某些纤维和材料的结构进行概括了解。图1和2示出了能够用作粘合纤维的皮芯型及并列型短纤维的例子。图3和5分别示出包含粘合到皮芯型和并列型粘合纤维的单成分功能连续纤维的材料。包含单组分功能短纤维的本发明材料示于图4和6。本发明叙述了每种这些实施方案的变种，这对本领域技术人员是显而易见的。
如图3和5所示，优选本发明纤维的粘合纤维和功能纤维组分在基本相同的方向上取向。正如本文所述，采用诸如梳理等工艺，能够使粘合纤维和功能纤维在基本相同的方向上取向。
5.1.纤维和纤维材料的组分
5.1.1.粘合纤维
本发明所用的粘合纤维包括双组分和单组分短纤维。能够用于本发明材料的粘合纤维的横截面结构优选为皮芯型和并列型，分别如图1和2所示。但是也能应用本领域已知的其它横截面结构。这些结构包括，但不限于，海岛型、基质原纤维、桔型原纤维及嵌段饼型横截面结构。
本发明所用的双组分纤维典型地有低熔点组分和高熔点组分。优选，低熔点组分在不干扰高熔点组分结晶的温度下熔融。更优选，低熔点组分在比高熔点组分的熔融温度低约30℃的温度下熔融。甚至更优选温度差为约50℃。
粘合纤维的例子包括，但不限于，美国专利No 4,795,668、4,830,094、5,284,704、5,509,430、5,607,766、5,620,641、5,633,032和5,948,529所公开的双组分纤维，将这些专利的每一篇引入本文供作参考。其它例子包括，但不限于，由如下成对聚合物构成的双组分纤维：尼龙-6/PET、聚-4-甲基-1-戊烯/PET、聚-4-甲基-1-戊烯/尼龙-6、聚-4-甲基-1-戊烯/尼龙6，6、尼龙-6/共聚酰胺、聚乳酸/聚苯乙烯以及可溶性共聚酯/聚乙烯。聚乙烯包括，但不限于，高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和线型低密度聚乙烯(LLDPE)。共聚酯包括，但不限于，聚间苯二甲酸乙二酯，PBT和顺和反聚对苯二甲酸-1，4亚环己基二亚甲基酯。
适宜粘合纤维的例子包括，但不限于，由表1中所列如下成对聚合物所构成的双组分纤维。
              表1.双组分粘合纤维材料
皮 芯
聚乙烯(PE) 聚丙烯(PP)
乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) 聚丙烯(PP)
聚乙烯(PE) 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)
聚乙烯(PE) 聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)
聚丙烯(PP) 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)
聚丙烯(PP) 聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)
聚乙烯(PE) 尼龙-6
聚乙烯(PE) 尼龙-6，6
聚丙烯(PP) 尼龙-6
聚丙烯(PP) 尼龙-6，6
尼龙-6 尼龙-6，6
尼龙-12 尼龙-6
共聚酯(CoPET) 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)
共聚酯(CoPET) 尼龙-6
共聚酯(CoPET) 尼龙-6，6
乙二醇改性PET(PETG) 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)
聚丙烯(PP) 聚-1，4-环己烷二甲基(PCT)
聚对苯二甲酸乙二酯(PET) 聚-1，4-环己烷二甲基(PCT)
聚对苯二甲酸乙二酯(PET) 聚萘二甲酸乙二酯(PEN)
尼龙-6，6 聚-1，4-环己烷二甲基(PCT)
聚乳酸(PLA) 聚苯乙烯(PS)
聚氨酯(PU) 缩醛
单组分粘合纤维的例子包括，但不限于，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、尼龙-6、尼龙-6，6、尼龙-12、共聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和共聚酯(CoPET)。
短纤维的纤度可以在广范围中变化，典型地为约0.5dpf(每根丝旦数)～约200dpf，优选，约1dpf～约20dpf。更优选短纤维的纤度为约1.5dpf～约10dpf。典型地，短纤维的长度为约0.5英寸～约20英寸，优选长度为约1英寸～约5英寸。更优选，短纤维长度为约1.5英寸～约3英寸。
优选，纤维材料典型地具有堆积密度约0.15g/cm3～约0.8g/cm3，更优选约0.2g/cm3～约0.65g/cm3，最优选约0.25g/cm3～约0.5g/cm3。
适用于作粘合纤维的双组分短纤维能够通过本领域众所周知的方法来制备。PET共聚物(CoPET)通过使其它单体如二醇和二羧酸进行共聚来制备。CoPET的熔融温度能够在从约100℃至约260℃范围进行调节，优选CoPET熔融温度为约110℃～约185℃。
市售双组分短纤维包括，但不限于，T-201(CoPET/PET)、T-202(CoPET/PET)、T-230(PP/PCT)、T-253(HDPE/PET)、T-260(PP/PET)和T-271(尼龙-6/尼龙-6，6)，均由Fiber Innovation Technology公司(Johnson City，Tennessee)制造，以及Kosa 256(PP/PET)，由Kosa公司(Charlotte，North Carolina)制造。
正如下面更详细叙述的，制造本发明的纤维和纤维材料的优选方法包括使粘合纤维和功能纤维的混合物熔结。所以，重要的是，粘合纤维含有暴露于功能纤维的组分(如，皮芯型双组分纤维的皮)，并且具有低于功能纤维熔融或分解温度的熔融或熔结温度。所以，为提供具有所需性能的材料而选择的功能纤维可以限定应用什么双组分纤维作为粘合纤维。
5.1.2.功能纤维
本发明功能纤维复合物的用途包括，但不限于，芯吸装置、自封装置、选择吸附和低保留或低吸附。
芯吸用途以功能纤维和粘合纤维的毛细功能为基础。芯吸功能包括收集、贮存、传递或输送液体。芯吸装置包括，但不限于，书写仪器(例如，永久性标记笔尖、干擦标记笔尖和辉光标记笔尖)、香料芯吸、杀虫剂芯吸、标记墨水贮器和诊断设备(如血液和其它体液样品收集、贮存、传递或分析)。
自封装置包括，但不限于，自封过滤器、自封吸移管过滤器、自封阀门、自封给料器和自封分离器。
在选择吸附用途中，对功能纤维进行选择，以便通常经由非共价作用或共价作用，吸附或过滤生命分子和其它结合物。生命分子的例子包括，但不限于，诸如蛋白质(如抗体、抗原、酶)、DNA/RNA、细胞等生命分子。其它结合物的例子包括，但不限于，重离子、气体分子、水和油。选择吸附装置的用途包括，但不限于，生命分子(蛋白质、DNR/RNA、细胞等)过滤、用于诊断装置的基质、水提纯、酶固定、油/水分离、预层析处理用的固相萃取，和干燥剂。
功能纤维的例子包括，但不限于，尼龙、纤维素基材料、聚乙烯醇、高吸收性纤维、碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维和丙烯酸系纤维。
因为尼龙的良好亲水微环境，所以它在需要固定亲水材料(例如生物活性剂如药品、低聚核苷酸、聚核苷酸、肽、蛋白质和细胞)的用途中能特别用作功能纤维。尼龙的其它优点包括高机械强度、高表面硬度和高耐磨性。尼龙的例子包括，但不限于，尼龙-6、尼龙-9、尼龙-11、尼龙-12、尼龙-46、以尼龙-46单体为基础的、尼龙-6，6、尼龙-6，9、尼龙-6/66、尼龙-610，尼龙-612和尼龙6/T。如果将尼龙用于生物活性剂的固定，那么优选对其进行预处理，以提供游离端基用来附着这些生物活化剂(例如，借助共价键或配体-受体相互作用)。本领域已知进行预处理的适宜方法，包括，但不限于，亲水化作用。本领域已知亲水化的方法，包括，但不限于，共聚作用和表面处理。能够制造功能性亲水尼龙纤维的尼龙的亲水化例子包括，但不限于，美国专利No5,695,640、5,643,662、4,919,997、4,923,454、4,615,985、3,970,597所公开的那些。亲水尼龙的例子包括，但不限于，StayGard，由Honeywell International公司(Hopewell，Virginia)制造。
烷基化尼龙材料能够用于固定核酸，例如DNA和RNA。使尼龙烷基化的一种方法是用烷基化剂如三烷基氧鎓盐在无水条件下处理尼龙(参见，例如，美国专利No 4,806,546，4,806,631)。活性尼龙纤维是部分地水解的、O-烷基化的、N-烷基化的尼龙，或者在后处理期间变化了的尼龙，以致从惯用尼龙和粘合剂制造的纤维用O-烷基化剂所处理。与惯用尼龙比较，活性尼龙具有较多反应性官能基团，例如，O-烷基化尼龙，也称尼龙亚氨酸酯，它能够与蛋白质直接形成共价键，或者能够转运到其它反应性官能团如氨基、硫羟基和羟基上。例如，具有赖氨酸的蛋白质能够通过蛋白质中的氨基与O-烷基化尼龙中的氧之间的化学反应直接固定到O-烷基尼龙上。
以纤维素为基础的材料也能用于制成能够束缚捕集生物活性剂的纤维和纤维材料(例如，借助于表面羟基基团)。以纤维素为基础的材料的一个例子是为再生纤维素纤维的人造纤维素纤维。在生产人造纤维素纤维中，将提纯的纤维素以化学方式转化成可溶性化合物。这种化合物的溶液通过喷丝头形成韧皮丝，然后再转变或再生成纤维素。人造纤维素纤维，特别是高吸收性人造纤维素纤维，是一种高吸水材料。市售高吸收性人造纤维素纤维的例子是Acordis Rayon-6140和Rayon-6150，由Acordis Acordis Cellulosic Fibers公司(Axis，Alabama)制造。
人造纤维素纤维和其它纤维素纤维材料能够被活化来固定生命分子。例如，在人造纤维素纤维中的羟基基团通过用碱溶液处理人造纤维素纤维，随后与溴化氰、1，1-羰基二咪唑(CDI)或对甲苯磺酰氯(甲苯磺酰氯)反应而被活化。制造高蛋白质束缚的纤维素纤维的另一种方法是后处理。在这种方法中，所述纤维由纤维素和粘合纤维制造，例如人造纤维素纤维，然后用诸如CNBr、CDI或甲苯磺酰氯等活化剂进行处理。
另一种纤维素基功能纤维是Tencel或Lyocel。Tencel是纤维素纤维的一种新类型，它是采用有机溶剂纺丝而不形成衍生物的工艺制造的。关于Tencel的生产，木质纤维素在高温和压力下直接溶解在N-甲基吗啉N-氧化物中。随着溶液被稀释，纤维素以纤维形式沉淀。随后提纯纤维，并进行干燥，同时回收溶剂并再利用。Tencel具有人造纤维素纤维的全部优点，并且在许多方面优于人造纤维素纤维，因为它具有干态和湿态高强度以及高吸收性。另外用于Tencel的闭环制造法比用于制造人造纤维素纤维的方法还具环保价值。市售Tencel和Lyocel的例子是Acordis Tencel，由Acordis Acordis Cellulosic Fibers公司制造，以及Lyocel，由Lenzing Aktiengesellschaft(A-4860 Lenzing，Austria)制造。
适宜的生物吸收纤维的例子包括，但不限于，纤维素醋酸酯、纤维素基纤维、磷酰化聚乙烯醇、玻璃纤维、陶瓷纤维、亲水尼龙、烷基化尼龙、CNBr改性纤维素纤维、离子交换纤维，或其混合物。吸收性纤维由下述材料制造，包括，但不限于，磷酰化聚乙烯醇、玻璃纤维、亲水尼龙、烷基化尼龙、离子交换纤维和活化碳纤维。
高吸收性纤维由往往称作“高吸收性聚合物”的材料制造。这些材料能够吸收大量水并且在湿润时保持其结构整体性。参见TomokoIchikawa和Toshinari Nakajima，“Superabsorptive Polymers(高吸收性聚合物)”，Concise Polymeric Materials Encyclopedia(简明聚合物材料大全)，1523-1524(Joseph C.Salamone编辑；CRC；1999)。能够制造功能纤维的高吸收性材料的例子包括，但不限于，美国专利No5,998,032、5,750,585、5,175,046、5,939,086、5,836,929、5,824,328、5,797,347、4,820,577、4,724,114和4,443,515所公开的那些，本文引入上述每一份专利供作参考。
特定高吸收性纤维由下述材料构成：水解淀粉丙烯腈接枝共聚物、中和淀粉-丙烯酸接枝共聚物、皂化丙烯酸酯-醋酸乙烯共聚物、水解丙烯腈共聚物、丙烯酰胺共聚物、改性交联聚乙烯醇、中和自交联聚丙烯酸、交联聚丙烯酸盐、中和交联异丁烯-马来酸酐共聚物，或者其盐或其混合物。特别优选的高吸收性纤维制造自丙烯酸钠和聚(2-丙烯酰胺-共-2-丙烯酸)的钠盐。市售高吸收性纤维包括：Camelot908，制造自聚丙烯酸，由Camelot公司(加拿大)制造；以及ToyoboN-38，制造自纤维素基人造纤维素纤维，由Toyobo公司(Osaka，530-8230日本)制造。
也能应用碳纤维于需要固定生物活性剂(如酶)的应用中，碳纤维还能用来制成电导体材料(例如用作酶电极)。碳纤维短纤维尤其具有良好的机械强度、导电性和挠曲性，能够以较容易的方式加工。碳纤维能够用于被动吸附生命分子或者能够将其改性以便以共价方式对生命分子进行结合。碳纤维能够通过与氧化物酸如硝酸反应而活化，或者在纤维成形之后用活化剂如硝酸处理自碳纤维和粘合剂制成的纤维而活化。活化了的碳纤维能够用于空气和水提纯，有机化合物和溶剂的回收、脱臭和脱色以及除臭氧。市售活化碳纤维(ACF)的例子包括，但不限于，FinegardFED.CIR-300-4，由Toho Carbon Fibers公司(日本)制造，以及人造纤维素纤维基ACF，由Carbon Resources公司(Huntington Beath，California)制造。
酶和其它生物活性剂也能固定在玻璃纤维和陶瓷纤维上，尤其是经过表面处理以提供容易地可及的和/或反应性的官能基团(如羟基、硫羟、胺、羧酸和醛基团)的那些。这些类型纤维的特有优点是其具有抗微生物破坏性、高热稳定性和高尺寸稳定性。能够用作功能纤维的玻璃纤维和陶瓷纤维的例子包括，但不限于，Chop Vantage和Delta Chop，由PPG Industries公司(Pittsburgh，Pennsylvania)制造，以及HFilament-700，由Advanced Glass Yarns LLC公司(Aiken，SouthCarolina)制造。
功能化的粘合纤维材料的其它例子还包括用有机官能硅烷如氨烷基官能硅烷处理的玻璃纤维。
离子交换纤维用于开发核电力站的液体废料和排出物的净化系统。离子交换纤维包括，但不限于，强酸基的、弱酸基的、强碱基的和弱碱基的。能够用作功能纤维的市售离子交换纤维的例子包括，但不限于：IonexIEF-SC(强酸)，由Toray Industries公司(日本)制造；Nitivy Ion Exchange Fiber(强碱)，由Nitivy公司(日本)制造；以及FibanK-1(强碱)、FibanA-1(弱酸)、FibanK-4(弱碱)和FibanAK-22(具有阴离子和阳离子两种交换能力)，均由Fiba公司(Minsk，Belarus)制造。
5.2纤维和纤维材料的制造
本发明纤维和纤维材料能够容易地采用本领域已知工艺制造。在优选方法中，一种或多种类型功能纤维以最终材料的所需功能为基础进行选择。选择至少一种粘合纤维含有至少一种能在比功能纤维熔融或分解温度低的温度下进行熔结的组分。然后，功能纤维和粘合纤维以通过本领域技术人员显而易见的因素决定的比例混合。这些因素包括，但不限于，所要求的最终材料宫能度、化学稳定性、热稳定性、强度、挠曲性、硬度以及其它物理和化学特性。然而，粘合纤维的相对用量不能少得以致最终材料在预计应用条件下不能结合在一起。
诸如最终材料的所要求的机械强度等因素经常决定粘合纤维与功能纤维的比例。例如，采用低机械强度的功能纤维(如纤维素基纤维)制造的材料，需要比用诸如尼龙的材料大的粘合纤维与功能纤维比例，以便提供坚固的最终材料。
虽然粘合纤维与功能纤维之比随着所用纤维和最终产品的目标用途而变化，本发明的典型材料含有约1～约98wt％，更优选约5～约95wt％，最优选约5～约50wt％粘合纤维，以及约5～约70wt％，更优选约5～约55wt％，最优选约10～约40wt％功能纤维。
功能纤维和粘合纤维的混合物经梳理机混合和梳理，例如J.D.Hollingsworth on Wheels公司(Greenville，South Carolina)所制造的那些。梳理是众所周知的工艺，该工艺使纤维排成行，能够采用传统梳理设备实施。梳理机是一种执行以下操作的机器：在齿形表面的精细表面或点之间精梳或加工纤维使纤维分离、除杂和以平行取向排列成行。梳理是将缠结的纤维团转变成平行无捻的纤维条子的工艺。梳理执行四种主要功能，即，梳理机将粘合纤维和功能纤维混合，使每根纤维单根地与其它纤维分离，使纤维高度平行排列，将纤维以始终如一的均匀方式输送到喂料区外(outfeed)。最后这项功能是梳理工艺中最重要的步骤。这是决定可控制的纤维物流线密度的点。
然后梳理过的物料任选在加压下于烘箱中受热，所使用的温度应足以使粘合纤维和功能纤维熔结在一起，但是不足以使功能纤维熔融或受损。所得混合物或者能够在模具中受热或者强行染色，从而得到具有所要求尺寸、形状和密度的产品。熔结后，所得产品经冷却得到本发明材料。
任选在熔结之前，能将另外的物料加入到粘合纤维和功能纤维混合物中。另外的物料包括，但不限于，整理剂和染料。表面整理剂的例子包括，但不限于，表面活性剂、润滑剂、软化剂、抗静电剂和其它整理剂，例如，抗氧剂、抗菌剂。为了便于熔结混合物挤出而加入的表面活性剂和润滑剂在本领域中是众所周知的，包括，但不限于，Tween-20和Afilan(脂肪酸聚乙二醇酯)。这些物料的相对用量对本领域技术人员是显而易见的，但是典型地为熔结前混合物的约0.005～约1wt％，更优选约0.01～约0.75wt％，最优选约0.015～约0.5wt％。
熔结了的材料能够以种种方法进一步加工。例如，所得材料能够经切断、模塑或抛光。如果材料是纤维(例如，其通过把粘合纤维和功能纤维的受热混合物挤出通过模具而制造)，其能够机织或加热从而制成机织织物和非织造织物。其它加工也能包括把生物活性剂(如药品、肽、蛋白质或细胞)固定到最终材料的功能纤维部分上。在某些情况下，会需要对产品进行加工，以提供能够束缚生物活性剂的官能基团。
在如下非限制性实施例中进一步详述本发明某些特定材料的制造方法。
6.实施例
6.1实施例1水的芯吸装置
纤维材料包含T-202(CoPET/PET，重量比约50∶50)短纤维，由FiberInnovation Technology公司(Johnson City，Tennssee)制造，以及Tencel，由Acordis Cellulosic Fibers公司(Axis，Alabama)制造。T-202短纤维直径为3dpf，长度为1.5英寸。Tencel短纤维直径为3dpf，长度为1.5英寸。所述材料在John D.Hollingsworth on Wheels公司(Greenville，SC)混合和梳理。进行三项试验。对于每个配方而言，总细度分别为110、120和130g/yd的三种纤维材料条(束)引入烘箱加热区。烘箱为70英寸长、9.5英寸宽和1.5英寸深。烘箱加工温度为200℃，模头控制温度为90℃，拉出速度为4英寸/分钟。通过将所得功能纤维材料拉过模头将其成型为矩形棒，然后使纤维棒进入冷却区，在冷却区通过把压缩冷却空气射向棒使棒冷却。T-202/Tencel共混纤维的功能配方与纯T-202配方的吸水率和芯吸水速率性能的比较示于图7、8和9中。
在特定纤维堆积密度情况下，内有Tencel的复合材料的吸水率高于纯T-202者的吸水率。Tencel是一种纤维素基纤维，具有高吸水性，所以，在复合材料中起高吸水组分的作用。通过改变纤维堆积密度能够控制吸水率的大小。如图7所示，吸水率随着堆积密度的增加而减小。吸水率也能够通过改变纤维配方来控制。如图8所示，随着Tencel含量从0wt％变化到30wt％，吸水率增加一倍，从纤维组分的120wt％增加到250wt％。
水和纤维组分之间的毛细作用力影响纤维复合材料的芯吸水速率。纤维素基纤维的亲水特性赋于纤维复合材料非常好的芯吸水性能。如图8所示，Tencel含量越高，芯吸水速率越高。总之，通过改变密度和纤维配方，能够控制吸水率和芯吸水性能。
6.2.实施例2墨水芯吸装置
粘合纤维是纤度为3dpf长度为1.5英寸的T-202。功能纤维分别是Tencel和rayon-6150。永久标记笔尖的配方是纯T-202，干擦标记笔尖有两种配方，Tencel/T-202和rayon-6150/T-202。烘箱工作温度为210℃、模头控制温度为100℃，拉出速度为4英寸/分钟。模头横断面为3.7mm高，5.7mm宽。将冷却的复合材料矩形棒切成长度为40mm的楔形标记笔尖。
采用醇基干擦标记墨水试验纤维复合材料的芯吸墨水性能。试验用书写机由Hutt(德国)制造。设计机器用笔在试验纸上书写。在试验干擦标记笔尖时，所用机器有所改变，采用具有非渗透光滑书写表面的白板覆盖物代替书写纸。标记器以60°固定在试验书写机的夹具上，每个标记器施加的压力为120g。试验纸或试验覆盖物的喂入速度为450mm/min，写出速度为4.5m/min。在起始时和在书写试验后每50m时测定每个标记器的重量。图10示出具有表2所示组成的毡笔尖的永久标记笔尖的墨水流动情况之比较。
表2.笔尖材料
类别 材料
A 30％ Tencel，70％T-202
B 10％Tencel，70％T-202
C 10％Rayon，70％T-202
干擦标记墨水是包含不溶性颜料和液体载体的悬浮体。毛细作用力、纤维笔尖的平均孔隙大小和孔隙率决定芯吸墨水的性能和墨水流动情况。在液体载体和纤维材料之间的良好毛细作用力保证墨水流动速率高。足够大的孔隙大小和适宜的孔隙率是使墨水颜料流过的关键。如图10所示，所有三种配方样品A，B和C均具有较高的墨水流动速率，这能够认为是添加纤维的高亲水性和高毛细作用力所引起的。
6.3.实施例3用于生命分子固定的活性尼龙
将尼龙短纤维与粘合短纤维混合，并把所得混合物梳理成条。纤维条在热的烘箱中熔结制成纤维棒。将熔结的纤维棒切割成适宜尺寸的样品，然后样品中的尼龙纤维成分以烷基化剂活化。烷基化的尼龙组分用于固定蛋白质，或者采用后来的化学方法进行改性，例如，硫羟基官能化作用、肼官能化作用以及醛官能化作用。
6.3.1纤维组分熔结
纤维混合物包含30wt％纤度为3dpf、长度为1.5英寸的尼龙-6/尼龙-6，6，T-270双组分短纤维，和70wt％纤度为3dpf、长度为1.5英寸的CoPET/PET，T-202粘合短纤维，两者均由Fiber InnovationTechnology公司制造。材料的混合和梳理均在John D.Hollingsworth onWheels公司进行。纤维条总细度为110g/yd。烘箱工作温度为190℃，模头控制温度为90℃，拉出速度为4英寸/分钟。所得功能纤维材料经拉过3.5mm宽、9.5mm长度的模头形成为矩形棒。
6.3.2.尼龙纤维组分活化—后处理
1)O-烷基化官能作用
将熔结纤维棒切割成5.0×5.0×0.5mm的样品。将5块样品加到螺旋盖试验管中。随后向每个之中加入烷基化剂和硫酸二甲酯。每个样品均包在密闭试验管中，立即浸在沸水浴中，历时4min，不进行搅拌，浸没在冰浴中，使反应停止。用吸滤器除去过量硫酸二甲酯，烷基化尼龙用冰冷却的甲醇洗涤几次。立即把活化的样品用于酶附着或以后的化学改性。
2)硫羟基官能作用
向装有五块O-烷基化的尼龙纤维组分的螺旋盖试验管中加入10ml0.5M巯基乙胺水溶液，将所得混合物在室温下振荡30min。真空过滤分离过量试剂，经改性的尼龙基体用PBS缓冲溶液(0.01M，pH7.2)漂洗5次。
3)肼官能作用
向装有5块O-烷基化尼龙纤维组分的螺旋盖试验管中加入10ml0.5M肼水溶液，所得混合物在室温下振荡30min。真空过滤分离过量试剂，经改性的尼龙基体用PBS缓冲溶液(0.01M，pH7.2)漂洗5次。
4)醛官能作用
向装有5块O-烷基化尼龙纤维组分的螺旋盖试验管中加入10ml0.5M乙二胺溶液，所得混合物在室温下振荡30min。真空过滤分离过量试剂，经改性的尼龙基体用PBS缓冲溶液(0.01M，pH7.2)漂洗5次。
向装有5块氨基官能化的尼龙纤维组分的螺旋盖试验管中加入10％戊二醛水溶液，所得混合物在室温下振荡30min。真空过滤分离过量试剂，经改性的尼龙基体用PBS缓冲溶液(0.01M，pH7.2)漂洗5次。
6.3.3.蛋白质固定和定量检测
为检测固定在尼龙纤维组分上的生命分子开发了酶放大法。酶放大法以生物活性酶在纤维上的固定为基础。所固定的酶能够使特定化学反应定量进行，这类特定化学反应的产物具有特定物理性能，能够用人肉眼或仪器检测，例如，UV-VIS，如辣根过氧化物酶(HRP)标记蛋白质。通过使化学组成最佳化，能确立酶的量和在450nm波长下的色吸收度之间的线性关系。所固定的蛋白质的量能够通过比较样品和标准曲线来确定。
1)蛋白质固定
将1mg/ml蛋白质在PBS缓冲液中的溶液(0.01m，pH7.2)加入到处理了的纤维中。在30min之后，用去离子水洗涤尼龙纤维，并在室温下进行干燥。
2)固定了的蛋白质的定量测定
以下是用于定量检测在活化了的尼龙纤维基体上的IgG束缚。将两块试样置于1.5ml离心PE管(VWR)中，向每个试验管中加入0.5ml 1μg/ml IgG-HRP，1mg/ml IgG去离子水溶液。在室温下以振荡器振动试验管两小时。从试验管中取出样品，用Kim Wipe进行干燥。试块用1ml去离子水洗涤3次，将干燥的块置于1.5ml干燥离心管中。向每个试管中加入1ml TMB Turbo溶液(块)，每个试管均在室温下培育15min。加入0.5ml 2M HCl，终止反应，将溶液移至1.5ml UV比色杯中，在450nm波长下测定UV吸收。
上述本发明实施方案意欲仅仅作为举例说明，本领域技术人员能够用常规实验认识和确定本文所述特定材料、步骤和设备的许多同等物。认为所有这些同等物均在本发明范围之中，并且为所附权利要求涵盖。

Claims (36)

1.一种包含粘附到功能纤维的粘合纤维的纤维材料，其中，粘合纤维是以与功能纤维基本相同的方向取向的双组分短纤维。
2.按照权利要求1的材料，其中功能纤维是短纤维或连续纤维。
3.按照权利要求1的材料，其中粘合纤维是由下述成对聚合物制成的双组分纤维：聚丙烯/聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯/PET、聚丙烯/尼龙-6、尼龙-6/PET、共聚酯/PET、共聚酯/尼龙-6、共聚酯/尼龙-6 6、聚-4-甲基-1-戊烯/PET、聚-4-甲基-1-戊烯/尼龙-6、聚-4-甲基-1-戊烯/尼龙-6，6、PET/聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、尼龙-6，6/聚-1，4-环己烷二甲基(PCT)、聚丙烯/聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、尼龙-6/共聚酰胺、聚乳酸/聚苯乙烯、聚氨酯/缩醛，或可溶性共聚酯/聚乙烯。
4.按照权利要求1的材料，其中，功能纤维是尼龙、纤维素基材料、聚乙烯醇、高吸收性纤维、碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或丙烯酸系纤维。
5.按照权利要求1的材料，其中，所述材料的密度为约0.15g/cm3～约0.8g/cm3。
6.按照权利要求5的材料，其中，密度为约0.2g/cm3～约0.65g/cm3。
7.按照权利要求6的材料，其中，密度为约0.25g/cm3～约0.5g/cm3。
8.一种芯吸材料，包含粘附到亲水性功能纤维的粘合纤维，其中，粘合纤维是在与功能纤维基本相同方向取向的单组分或双组分短纤维。
9.按照权利要求8的材料，其中，粘合纤维是聚乙烯/PET、聚丙烯/PET，或CoPET/PET双组分纤维。
10.按照权利要求8的材料，其中，所述材料以约0.05～约1英寸/秒的速度芯吸水。
11.按照权利要求10的材料，其中，速度为约0.1～约0.6英寸/秒。
12.按照权利要求11的材料，其中，速度为约0.2～约0.4英寸/秒。
13.按照权利要求8的材料，其中，所述材料包含约1～约98wt％粘合纤维。
14.按照权利要求13的材料，其中，所述材料包含约5～约95wt％粘合纤维。
15.按照权利要求14的材料，其中，所述材料包含约5～约50wt％粘合纤维。
16.按照权利要求8的材料，其中，所述材料包含约5～约70wt％功能纤维。
17.按照权利要求16的材料，其中，所述材料包含约5～约55wt％功能纤维。
18.按照权利要求17的材料，其中，所述材料包含约10～约40wt％功能纤维。
19.一种自封材料，包含粘合到高吸收性纤维的粘合纤维，其中，粘合纤维是在与高吸收性纤维基本相同方向取向的单组分或双组分短纤维。
20.按照权利要求19的材料，其中，双组分粘合纤维是聚乙烯/PET、聚丙烯/PET，或CoPET/PET。
21.按照权利要求19的材料，其中，超吸收性纤维是聚烯酸系纤维。
22.按照权利要求19的材料，其中，所述材料包含约30～约95wt％粘合纤维。
23.按照权利要求22的材料，其中，所述材料包含约45～约95wt％粘合纤维。
24.按照权利要求23的材料，其中，所述材料包含约60～约90wt％粘合纤维。
25.按照权利要求19的材料，其中，所述材料包含约5～约70wt％功能纤维。
26.按照权利要求25的材料，其中，所述材料包含约5～约55wt％功能纤维。
27.按照权利要求26的材料，其中，所述材料包含约10～约40wt％功能纤维。
28.一种生物吸收性材料，包含粘合到生物吸收性纤维的粘合纤维，其中，粘合纤维是在与生物吸收性纤维基本相同的方向取向的单组分或双组分短纤维。
29.按照权利要求28的材料，其中，粘合纤维是PE/PP、聚乙烯/PET、聚丙烯/PET或CoPET/PET双组分纤维。
30.按照权利要求28的材料，其中，生物吸收性纤维是玻璃纤维、陶瓷纤维或亲水尼龙。
31.按照权利要求28的材料，其中，所述材料包含约30～约95wt％粘合纤维。
32.按照权利要求31的材料，其中，所述材料包含约45～约95wt％粘合纤维。
33.按照权利要求32的材料，其中，所述材料包含约60～约90wt％粘合纤维。
34.按照权利要求28的材料，其中，所述材料包含约5～约70wt％功能纤维。
35.按照权利要求34的材料，其中，所述材料包含约5～约55wt％功能纤维。
36.按照权利要求35的材料，其中，所述材料包含约10～约40wt％功能纤维。
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