JP2013503979A - ナノ繊維及びナノ繊維ウェブを形成するための装置、システム並びに方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2009年9月1日に出願された米国特許仮出願番号第61/238,761号の利益を主張するものであり、その全開示が本明細書において参照として組み込まれる。
本開示は、1マイクロメートル(μm)よりも小さい中央直径を有する繊維、及びより具体的にはこのようなサブミクロン繊維の集合を含む不織布繊維ウェブ及び物品を形成するためのノズル、ダイ、装置、システム及び方法に関連する。
a.上記の少なくとも1つのノズルを有するダイを使用して、1マイクロメートル(μm)よりも小さい中央繊維直径を有する、サブミクロン繊維の集合を形成する工程と、
b.中央繊維直径が少なくとも1μmであるマイクロ繊維の集合を形成する工程と、
c.サブミクロン繊維の集合とマイクロ繊維の集合を不織布繊維ウェブに組み合わせる工程であって、繊維の集合の少なくとも1つが、実質的に分子配向された繊維を含み、更に不織布繊維ウェブが厚さを有し、10%未満のソリディティを呈する、工程とを含む、方法を提供する。
本明細書で使用する場合、
「マイクロ繊維」とは、集合中央直径が少なくとも1マイクロメートルである繊維の集合である。
一態様において、本開示は、サブミクロン繊維の集合を製造するためのノズルに関連する。図2に示されるように、代表的な実施形態において、ノズル200は、内部チャネル203及び第1末端部207を有する第1導管202と、第1導管202の周囲に同心状に位置付けられ、第1末端部207の近位に第2末端部201を有する第2導管204と、を含み、第1導管202及び第2導管204は第1導管と第2導管との間に環状チャネル205を形成し、加えて、第1末端部207は第2末端部201を超えて軸方向外側に延びる。動作中、環状チャネル205は、流動性材料源(図2に図示されない)から得られる流動性材料流128に接続され、第1導管202は加圧気体源(図2に図示されない)から得られる加圧気体流127に接続される。
別の態様において、本開示は、更なる代表的な実施形態において、不織布繊維ウェブを形成するための装置を提供し、装置は、流動性材料源と、加圧気体源と、上記のダイに設置された少なくとも1つのノズルを組み込むダイであって、環状チャネルは流動性材料源に接続され、第1導管は加圧気体源に接続される、ダイと、ダイを出た後に流動性材料を回収するためのコレクタであって、流動性材料はコレクタ上に不織布繊維ウェブとして実質的に固形で回収されるコレクタとを含む。
(2)1つ以上の追加層をサブミクロン繊維成分の、マイクロ繊維成分の、及び/又は任意の支持層の、外面と接触させる工程、
(3)不織布繊維ウェブをカレンダ加工する工程、
(4)不織布繊維ウェブを表面処理剤又は他の組成物(例えば、難燃剤組成物、接着剤組成物、又は印刷層)でコーティングする工程、
(5)不織布繊維ウェブを、厚紙又はプラスチックの管に取り付ける工程、
(6)不織布繊維ウェブをロール形状に巻く工程、
(7)不織布繊維ウェブをスリットして2つ以上のスリットロール及び/又は複数のスリットシートを形成する工程、
(8)不織布繊維ウェブを成形型に配置し、不織布繊維ウェブを新しい形状に成型する工程、
(9)存在する場合には、露出した任意の感圧性接着剤の層の上に剥離ライナーを塗布する工程、及び
(10)不織布繊維ウェブを、接着剤、又はクリップ、ブラケット、ボルト/ネジ、釘、及びストラップを含むがこれらに限定されないその他のいずれかの取り付け装置を介し、別の基材に取り付ける工程。
本開示はまた、不織布繊維ウェブの製造方法も対象としている。したがって、別の態様では、本開示は不織布繊維ウェブの作製方法であって、
a.上記の少なくとも1つのノズルを有するダイを使用して、1マイクロメートル(μm)よりも小さい中央繊維直径を有する、サブミクロン繊維の集合を形成する工程と、
b.中央繊維直径が少なくとも1μmであるマイクロ繊維の集合を形成する工程と、
c.サブミクロン繊維の集合とマイクロ繊維の集合を不織布繊維ウェブに組み合わせる工程であって、繊維の集合の少なくとも1つが、実質的に配向された繊維を含み、更に不織布繊維ウェブが厚さを有し、10%未満のソリディティを呈する、工程とを含む、方法を提供する。
本開示の実施形態によりサブミクロン繊維の集合を形成し、サブミクロン繊維の集合を不織布繊維ウェブとして堆積するために使用されるプロセスは、一般的に例えば図1Aに例示されるものなどのメルトブロープロセスとして記載され、米国特許第7,316,552(B2)号に開示される。本プロセス、装置及び方法はしかしながら、繊維を形成するために使用されるダイ及びノズル構成の性質により、従来的なメルトブロープロセスから区別される。本方法は、流動性材料源を提供する工程と、加圧気体流を提供する工程と、本明細書において開示される少なくとも1つの延長ノズルを組み込むダイを提供する工程と(図2〜3参照)、流動性材料源と流体連通するように環状チャネルを配置する工程と、加圧気体流と流体連通するように第1管を配置する工程と、ダイを出た後に、複数の不織布繊維として流動性材料を回収する工程であって、複数の不織布繊維は不織布繊維ウェブとして実質的に固形で回収される、工程とを含む。
マイクロ繊維の集合の製造及び堆積には数々の方法を用いることができ、これはメルトブロー法、溶融紡糸、フィラメント押出、プレキシフィラメント形成、スパンボンド、湿式紡糸、乾式紡糸、又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限られない。マイクロ繊維を形成する好適な工程が、米国特許第6,315,806号(Torobin)、同第6,114,017号(Fabbricanteら)、同第6,382,526(B1)号(Renekerら)、及び同第6,861,025(B2)号(Ericksonら)に記載されている。あるいは、米国特許第4,118,531号(Hauser)に記載の工程を使用して、マイクロ繊維の集合をステープルファイバーに形成又は変化させ、サブミクロン繊維の集合と組み合わせてもよい。特定の代表的実施形態においては、マイクロ繊維の集合は、後述するように、熱結合、接着剤結合、粉末バインダ結合、水流交絡、ニードルパンチ、カレンダ加工、又はこれらの組み合わせを用いて結合が達成できる、結合させたマイクロ繊維のウェブを含んでいてもよい。
一様態において、本開示は、中央直径が1マイクロメートル(μm)よりも小さいサブミクロン繊維の集合と、任意により中央直径が少なくとも1μmであるマイクロ繊維の集合とを含む、複合不織布繊維ウェブに関する。いくつかの実施形態において、繊維の集合の少なくとも1つが配向され、複合繊維ウェブは厚さを有し、10%未満のソリディティを呈する。
本開示の不織布繊維ウェブは、1つ以上の微細なサブミクロン繊維成分を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、好ましい微細なサブミクロン繊維成分は、1マイクロメータ(μm)よりも小さい中央繊維直径を有するサブミクロン繊維成分である。いくつかの代表的な実施形態では、サブミクロン繊維成分は約0.2μm〜約0.9μmの範囲の中央繊維直径を有する繊維を含む。他の代表的な実施形態では、サブミクロン繊維成分は約0.5μm〜約0.7μmの範囲の中央繊維直径を有する繊維を含む。
本開示の複合不織布繊維ウェブは、任意によりマイクロ繊維成分のような、1つ以上の粗い繊維成分を含む。いくつかの実施形態では、好ましい粗い繊維成分は、少なくとも1μmの中央繊維直径を有する繊維を含むマイクロ繊維成分である。いくつかの代表的な実施形態では、マイクロ繊維成分は約2μm〜約100μmの範囲の中央繊維直径を有する繊維を含む。他の代表的な実施形態では、マイクロ繊維成分は約5μm〜約50μmの範囲の中央繊維直径を有する繊維を含む。
本開示の不織布繊維ウェブは、同時係属PCT国際公開特許WO 09/085769号の図1dに示される、代表的な多層複合不織布繊維物品の支持層などの支持層を更に含み得る。支持層は、存在するとき、複合不織布繊維物品のほとんどの強度を提供することができる。いくつかの実施形態では、前述のサブミクロン繊維成分は、非常に低い強度を有する傾向があり、通常の処理中に損傷する可能性がある。サブミクロン繊維成分を支持層に取り付けることは、サブミクロン繊維成分に強度を与える一方、ソリディティを低く保持するので、サブミクロン繊維成分に所望の特性を保持する。多層不織布繊維ウェブ構造はまた、ロール形状へのウェブの巻取り、ロールからのウェブの取り出し、成型、ひだ付け、折りたたみ、ステープル処理、織り込みなどが挙げられるがこれらに限定されない、更なる処理に対する十分な強度をもたらし得る。
本開示の不織布繊維ウェブは、サブミクロン繊維構成要素、支持層、又はこの双方と組み合わせて、追加層を含んでいてもよい。1層以上の追加層が、サブミクロン繊維成分の外側表面の上又は下、支持層の外側表面の下、又はこれらの上下に存在してもよい。
特定の代表的な実施形態では、本開示の不織布繊維ウェブは、複合不織布繊維物品を基材に取り付けることを可能にするために1つ以上の取り付け装置を更に含む場合がある。上述のように、接着剤を使用して複合不織布繊維物品を取り付けることができる。接着剤に加えて、その他の取り付け手段を使用してもよい。好適な取り付け手段には、ネジ、釘、クリップ、ステープル、ステッチ、ねじ切り、フック及びループ材料などの機械的なファスナが含まれるが、これに限らない。
本開示は、例えば表面洗浄用の吸収性拭取り布として、気体及び液体の吸収又は濾材として、及び音の吸収用のバリア材として有用な吸収性製品に有益であり得る、不織布繊維ウェブを対象とする。不織布繊維ウェブの代表的実施形態は、様々な用途での使用を可能にする構造的特徴を有し、非常に優れた吸収特性を有し、低ソリディティにより高い気孔率及び透過性を示し、及び/又は費用効果の高い方法で製造することができる。弾力性、又は、耐崩壊(例えば破壊)耐性は、本開示の代表的な好ましい実施形態の、望ましい特徴である。
ナノ繊維を作製するために、単一のノズルダイが構成された。ダイは、図2に示されるように、調節可能な中央エアジェットを有する、単一の円形繊維形成開口部からなる。ジェット及びフィルムの外形は、フィルム形成開口部の中央と同心状に位置する中央空気ノズルの寸法を使用して設定される。フィルム開口部の外径は、0.203インチ(0.516cm)であった。フィルム開口部の内径でもあるエアジェットノズルの外径は、0.200インチ(0.508cm)であった。エアジェットノズルの外側表面は、ノズルの出口端部において45°で内側にテーパ状になっており、最終的な外径は0.120インチ(0.305cm)であった。エアジェットノズルの内側表面は収束する開口部であった。エアジェットの末端部は、30°のテーパ状であり、最終的な内径は0.100インチ(0.254cm)であった。ノズルは、エアジェットノズルの末端部がダイ面から0.030インチ(0.076cm)延びるように調節された。
実施例1と同じダイに、図3に図示されるものと同じ代替エアノズル設計が適合された。この場合におけるエアノズルは、エアノズルのエッジに沿って複数の又は一連の尖った歯を含む、不規則な先端部を有した。エアジェットノズルは、0.198インチ(0.503cm)の外径を有した。ノズルの端部には、「鋸歯」を形成する一連の対称な三角形の切断部、すなわち複数の歯を含む鋸歯状エッジが存在し、それによってノズル端部の縁部周囲に鋸歯状パターンを生じた。合計20の三角形の歯がノズルの周辺部の周囲に均等に離間した。切断部に含まれる角度は30°であり、切断部は未画定の縁部を残さずに連続的なパターンを生成した。ジェットノズルの内部は、ノズル先端部の端部をできる限り鋭くするような様式で、12°の角度で外側にテーパ状であった。ジェットノズルがテーパ状になる前の、直径は0.120インチ(0.305cm)であった。ダイは、三角形の切断部の基部がダイ面と同じ高さであり、先端部がダイ面を超えて延びるように調節された。
Claims (44)
- 第1末端部を有する第1導管と、
前記第1導管の周囲に同心状に位置付けられ、前記第1末端部の近位に第2末端部を有する第2導管と、を含み、
前記第1導管及び第2導管は前記第1導管と前記第2導管との間に環状チャネルを形成し、更に、
前記第1末端部は前記第2末端部を超えて軸方向外側に延びる、ノズル。 - 前記第1末端部の近位の前記環状チャネルの少なくとも一部が前記第1導管の方に向けられる、請求項1に記載のノズル。
- 前記第1末端部がほぼ円形の縁部によって画定される、請求項1に記載のノズル。
- 前記ほぼ円形の縁部が、前記縁部の周囲に鋸歯パターンを生じる複数の歯を含む鋸歯状のエッジを含む、請求項3に記載のノズル。
- 前記第1末端部が、前記第2末端部を超えて軸方向外側に、少なくとも0.1mm延びる、請求項1に記載のノズル。
- 第1末端部が、前記第2末端部を超えて軸方向外側に、最大5mm延びる、請求項5に記載のノズル。
- 請求項1〜6のいずれか一項による少なくとも1つのノズルを含む、ダイ。
- 複数の前記ノズルを含む、請求項7に記載のダイ。
- 前記複数のノズルは、いずれかの列のノズルから放出される繊維流が、飛んでいる間に他のいずれかの列から放出される繊維流と実質的に重ならないように、複数の列に配置される、請求項8に記載のダイ。
- 不織布繊維ウェブを形成するための装置であって、
流動性材料源と、
加圧気体源と、
請求項7に記載のダイであって、前記環状チャネルが前記流動性材料源に接続され、前記第1導管が前記加圧気体源に接続される、ダイと、
前記ダイを出た後に、前記流動性材料を回収するためのコレクタであって、前記流動性材料は前記コレクタ上に不織布材料ウェブとして実質的に固形で回収される、コレクタとを含む、装置。 - 複数のサブミクロン繊維を形成するシステムであって、
流動性材料流と、
加圧気体流と、
請求項7に記載のダイであって、前記環状チャネルが前記流動性材料流と流体連通し、前記第1導管が前記加圧気体流と流体連通する、ダイと、オプションとして、
前記ダイを出た後に、複数の不織布繊維として前記流動性材料を回収するコレクタであって、前記複数の繊維は前記コレクタ上に不織布繊維ウェブとして実質的に固形で回収される、コレクタとを含む、システム。 - 前記流動性材料流が溶融ポリマーを含む、請求項11に記載のシステム。
- 前記加圧気体流が圧縮空気を含む、請求項11に記載のシステム。
- 不織布繊維ウェブの作製方法であって、
流動性材料源を提供する工程と、
加圧気体流を提供する工程と、
請求項7に記載のダイを提供する工程と、
前記流動性材料源と流体連通するように前記環状チャネルを配置する工程と、
前記加圧気体流と流体連通するように前記第1導管を配置する工程と、
前記ダイを出た後に、複数の不織布繊維として前記流動性材料を回収する工程であって、前記複数の繊維は不織布繊維ウェブとして実質的に固形で回収される、工程とを含む、不織布繊維ウェブを作製する方法。 - 前記流動性材料流が溶融ポリマーを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記加圧気体流が圧縮空気を含む、請求項14に記載の方法。
- 前記複数の繊維が、約0.2μmから約0.9μmの範囲の中央繊維直径を有するサブミクロン繊維の集合を含む、請求項14に記載の方法。
- 前記複数の繊維が高分子繊維を含む、請求項14に記載の方法。
- 前記高分子繊維が、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリブテン、ポリ乳酸、ポリビニールアルコール、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルフォン、液晶ポリマー、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリアクリロニトリル、環状ポリオレフィン、ポリオキシメチレン、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、又はこれらの組み合わせを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記高分子繊維がポリオレフィン繊維を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記回収された不織布繊維ウェブを、点結合、スルーエア結合、接着結合、カレンダ加工、水流交絡、ニードルパンチング又はこれらの組み合わせから選択される、少なくとも1つの続く処理工程に供することを更に含む、請求項18に記載の方法。
- 不織布繊維ウェブの作製方法であって、
a.請求項7に記載のダイを使用して、1マイクロメートル(μm)よりも小さい中央繊維直径を有する、サブミクロン繊維の集合を形成する工程と、
b.中央繊維直径が少なくとも1μmであるマイクロ繊維の集合を形成する工程と、
c.前記サブミクロン繊の維集合と前記マイクロ繊維の集合を不織布繊維ウェブに組み合わせる工程であって、前記繊維の集合の少なくとも1つが、実質的に配向された繊維を含み、更に前記不織布繊維ウェブが厚さを有し、10%未満のソリディティを呈する、工程とを含む、方法。 - 前記サブミクロン繊維の集合が、約0.1μm〜約0.9μmの範囲の中央繊維直径を有する、請求項22に記載の方法。
- 前記マイクロ繊維の集合が、約1μm〜約50μmの範囲の中央繊維直径を有する、請求項22に記載の方法。
- 前記サブミクロン繊維の集合及び前記マイクロ繊維の集合のうち少なくとも1つが、ポリマー繊維を含む、請求項22に記載の方法。
- 前記高分子繊維が、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリブテン、ポリ乳酸、ポリビニールアルコール、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルフォン、液晶ポリマー、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリアクリロニトリル、環状ポリオレフィン、ポリオキシメチレン、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、又はこれらの組み合わせを含む、請求項25に記載の方法。
- 前記高分子繊維がポリオレフィン繊維を含む、請求項25に記載の方法。
- 前記サブミクロン繊維の集合が、前記マイクロ繊維の集合を含む下層の上に上層として形成される、請求項22に記載の方法。
- 前記サブミクロン繊維の集合及び前記マイクロ繊維の集合が堆積される、支持層を形成する工程を更に含む、請求項22に記載の方法。
- 前記支持層が、不織布、織布、編布、発泡体層、フィルム、紙の層、裏面粘着層、又はこれらの組み合わせを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記支持層が高分子不織布を含む、請求項29に記載のウェブ。
- 前記支持層が、ステープルファイバーが結合されたウェブを含み、更に、前記支持層が、熱結合、接着剤結合、粉末バインダ、水流交絡、ニードルパンチ、カレンダ加工、又はこれらの組み合わせを用いて結合される、請求項29に記載の方法。
- 前記上層とは反対側の前記支持層に隣接する接着剤層を塗布する工程を更に含む、請求項29に記載の方法。
- 前記マイクロ繊維の集合の一部が、前記サブミクロン繊維の集合を含む下層の上に上層を形成する、請求項22に記載の方法。
- 前記上層とは反対側の前記下層に隣接する支持層を更に備える、請求項34に記載の方法。
- 前記支持層が、複数のマイクロ繊維を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記支持層を含む前記複数のマイクロ繊維が、前記上層を形成する前記マイクロ繊維の集合と組成的に同一である、請求項35に記載の方法。
- 前記サブミクロン繊維の集合が、前記マイクロ繊維の集合と混合されて、不均質な繊維混合物を形成する、請求項22に記載の方法。
- 前記マイクロ繊維の数に対する前記サブミクロン繊維の数の比が、前記不織布繊維ウェブの厚さにわたって変化する、請求項38に記載の方法。
- 前記マイクロ繊維の数に対する前記サブミクロン繊維の数の前記比が前記不織布繊維ウェブの厚さにわたって減少する、請求項39に記載の方法。
- 前記マイクロ繊維の数に対する前記サブミクロン繊維の数の前記比が、前記不織布繊維ウェブの厚さの半分で画定される中心線の近位のピーク値から、前記不織布繊維ウェブの主表面における、より低い値まで変化する、請求項39に記載の方法。
- 少なくとも1μmの中央繊維直径を有するマイクロ繊維の集合を形成する工程が、メルトブロー法、溶融紡糸、フィラメント押出成形、又はこれらの組み合わせを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記サブミクロン繊維及び前記マイクロ繊維を不織布繊維ウェブに組み合わせる工程が、繊維流の混合、水流交絡、湿式形成、プレキシフィラメント形成、又はこれらの組み合わせを含む、請求項22に記載の方法。
- 気体濾過物品、液体濾過物品、音吸収物品、表面洗浄物品、細胞増殖支持体物品、医薬品供給物品、個人衛生物品、及び創傷包帯物品からなる群から選択される、請求項22に記載の方法で調製される前記不織布繊維ウェブを含む物品。
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