TWI615427B - 具有增強之耐久性及斥水性的可吹式絕緣材料 - Google Patents

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Abstract

一種可吹式絕緣材料，其包含天然纖維和短切合成纖維或纖維球。該天然纖維和短切合成纖維或纖維球分別以一防水劑處理以賦予該纖維斥水性，然後利用空氣動力混合在一起。該斥水性纖維構成一部分或大部分的可吹式絕緣材料，因此增強該結構的耐久性以及斥水性，其於洗滌或洗衣過程可能有利。

Description

具有增強之耐久性及斥水性的可吹式絕緣材料
本申請案係請求在2013年1月22日提申之美國臨時專利申請案案號61/755,195以及2013年3月15日提申之美國臨時專利申請案案號61/791,914之優先權權益，其兩者的揭露在此併入本案作為參考。
發明領域
本發明係有關於一種羽絨般的絕緣材料及其製造方法。
發明背景
業界已經進行了許多嘗試以獲得用於絕緣製品(例如服裝、睡袋、鴨絨被等)的具有羽絨般品質之絕緣材料。之前開發可行材料的努力大多只生產了那些太沉重和密實而無法被視為羽絨般的材料。
一個上述的例外是例如頒予給多諾文(Donovan)的美國專利證書號4,588,635，其揭露一種優良的合成羽絨，尤其涉及可以藉由使用低密度組合的細纖維來獲得的輕質隔熱系統，並且描述了用於製作絕緣棉胎(batt)時的纖維混 合物的範圍，其提供了有利的羽絨般品質，例如高的溫暖-重量比、柔軟的手感和良好的壓縮恢復性能。該材料達到、在一些情況下甚至可能超過天然羽絨的隔熱性能。然而，從機械觀點來看，極細纖維面臨剛度和強度的缺乏，這使其難以生產、操縱和使用。較大的纖維直徑增強了這種合成絕緣材料的恢復性能，但是大纖維組分的增加會嚴重降低整體的隔熱性能。此等與細纖維組合的機械穩定性相關的問題在潮濕狀態下更加惡化，原因在於與毛細水的存在有關的表面張力顯著大於那些由重力或其它正常使用載荷引起的力量，並且它們對結構具有更為有害的影響。然而，不像水禽羽絨，於此所揭露的纖維組合提供優異的耐濕性。
另一個例外是頒予給多諾文(Donovan)等人的美國專利證書號4,992,327，其揭露使用黏結性纖維成分來改善絕緣物的整體性，而不損害期望的屬性。更具體而言，於此所揭露的該發明涉及呈一內聚纖維結構形式之合成纖維隔熱材料，該結構包括如下組合：(a)70至95重量百分比的合成聚合微纖維，其具有3至12微米的直徑，以及(b)5至30重量百分比的合成聚合長纖維，其具有12至50微米的直徑，其特徵在於至少部分纖維在其接觸點處黏結，該黏結使得所得結構的密度在3至16kg/m3的範圍間，該黏結的組合的隔熱性能等於或實質上不低於相應的未黏結組合的隔熱性能。該參考文獻還描述了一種較佳纖維混合物之羽絨般絨朵形式。該專利還揭露了絨朵形式相較於棉胎形式 而言的明顯性能優勢。
然而，這些現有技術的絨朵經常是以緩慢、冗長、批式的方法手工製造的。再者，現有技術的材料並非使用傳統製造設備而可容易吹製的材料。因此，存在一種可吹式材料的需求，此可吹式材料可以部分或全部代替羽絨，並且可以利用傳統設備製造和吹製。
部分因為這種需要而發展出如美國專利證書號6,329,051中所描述的可吹式絕緣絨朵。'051專利中描述從切碎的黏合棉胎或黏結性纖維網製成的可吹式絨朵。其中所描述的該纖維網或棉胎與頒予多諾文(Donovan)的'327專利中描述的纖維混合物相同。藉由切碎由'327專利中描述的材料形成的棉胎或纖維網，該絨朵被發現能獲得包括膨鬆和絕緣性能的羽絨般品質。與天然材料混合的這種絨朵被描述於美國專利證書號6,329,052中。注意，前述專利的揭露內容係併於此以作為參考資料。
另一個例子是揭露於美國專利證書號7,790,639中者，其是有關由天然纖維和混合物製造的可吹式絕緣材料。
雖然上述提到的可吹式絕緣材料很容易使用傳統風機來吹且可以被使用作為羽絨或羽絨般絕緣材料的部分或全部替代物，然而，它們在不適當地使用時，有著與重量、可洗衣性相關聯的問題。這些材料可能會在洗衣過程中被弄濕且可能永久地由於聚集(clumpling)而失去其絕緣性能。'051和'052專利的可吹式絕緣絨朵併有合成纖維。 相反地，本發明有關於提供由天然纖維和短切合成纖維所製造的可吹式絕緣材料。
發明概要
本發明的一目的是提供一種可吹式絕緣材料，適用於部分或完全替代羽絨。
本發明的一個實施例是一種可吹式絕緣材料，其包含一天然纖維和短切合成纖維和/或纖維球的混合。該絕緣材料可使用於冬季服裝、睡袋、棉被、枕頭和其類似物。該天然纖維可以用防水劑進行處理以賦予該纖維斥水性。部分或大部分的可吹式絕緣材料可由該斥水性纖維構成，從而增強該結構的耐久性以及斥水性，其於洗滌或洗衣過程可能是有利的。用於賦予斥水性的化學物質可以是任何類型的防水劑，其包括但不限於碳氟化合物、矽化物、以及乳狀蠟。根據其中一個實施例，考慮其對環境的安全性，醋酸鋯溶液是較佳的。然而，用於賦予斥水性的化學處理可以是，例如，任何在美國專利證書號4,537,594中所描述的例子。雖然天然羽絨是最優選的材料，該天然纖維本身可以是任何羊毛、棉花、亞麻、獸毛、蠶絲、和羽絨。另一方面，羽絨/天然纖維的防水特性可以使用不僅局限於濕浴或乾噴製程的不同技術來賦予。各種在本領域中眾所周知的表面能改質技術(如電漿處理)也可用於處理羽絨絨朵，以提供防水特性。該短切合成纖維可以有一介於0.5到15之間的丹尼(denier)且可以有一介於5mm至25mm之間的切割 長度。該短切合成纖維可以用光滑劑或潤滑劑塗佈以提供斥水特性。使用的該合成纖維可包括例如在美國專利證書號7,682,693和美國專利證書號7,074,24中所描述者。在一較佳實施例中，該天然纖維為羽絨絨朵，且該短切合成纖維被困在羽絨絨朵的倒鉤中。如果需要的話，在美國專利證書號4,618,531和美國專利證書號5,218,740中所描述的纖維球也可以被用來替代短纖維。
雖然於此提及羽絨絨朵(down clusters)，“羽絨絨朵”包括羽絨、天然羽絨、羽絨羽毛、羽絨絨朵及其組合。
本發明的另一個實施例是一種用於製造可吹式絕緣材料的方法，其包含混合天然纖維與短切合成纖維的步驟。該絕緣材料可使用於冬季服裝、睡袋、棉被和其類似物。該天然纖維可以防水劑處理以賦予該纖維斥水性。該斥水性纖維可以構成部分或大部分的可吹式絕緣材料，從而增強該結構的耐久性以及斥水性，其可能於洗滌或洗衣過程是有利的。用於賦予斥水性的化學物質可以是任何類型的防水劑，其包括但不限於碳氟化合物、矽化物、以及乳狀蠟。考慮其對環境的安全性，醋酸鋯溶液是較佳的。然而，用於賦予斥水性的化學處理可以是，例如，任何在美國專利證書號4,537,594，中所描述者。另一方面，羽絨/天然纖維的防水特性可以使用不僅局限於濕浴或乾噴製程的不同技術來賦予。各種在本領域中眾所周知的表面能改質技術(如電漿處理)也可用於處理羽絨絨朵以提供斥水特 性。雖然天然羽絨是最優選的材料，該天然纖維本身可以是任何羊毛、棉花、亞麻、獸毛、蠶絲、和羽絨。該短切合成纖維可以有一介於0.5到15之間的丹尼且可以有一介於5mm至25mm之間的切割長度。該短切合成纖維可以用光滑劑或潤滑劑塗佈以提供斥水特性。使用的合成纖維或纖維球可包括例如在美國專利證書號7,682,693、美國專利證書號7,074,242、美國專利證書號4,618,531和美國專利證書號5,218,740中所描述者。在一較佳實施例中，該天然纖維為羽絨絨朵，且該短切合成纖維被困在羽絨絨朵的倒鉤中。
雖然於此提及羽絨絨朵(down clusters)，“羽絨絨朵”包括羽絨、天然羽絨、羽絨羽毛、羽絨絨朵及其組合。
本發明的各種新穎的特徵於附隨於本揭露且形成本揭露之一部份的專利申請範圍中被具體地指出。為了更了解本發明、其操作優點以及藉由其應用所獲得的具體目的，可參考所附的敘述內容，其中本發明的較佳實施例被具體描述。
因此藉由本發明，將可以了解其目的和優點，其中的敘述應與以下的詳細敘述一併理解。
圖1顯示根據本發明，具有困在羽絨絨朵內之短切纖維的可吹式絕緣材料。
較佳實施例之詳細說明
在本發明的一個具體實施例中，該可吹式絕緣材料包含一天然纖維和短切合成纖維或纖維球的均勻混合物，其中該混合物是可吹式的且具有所需的羽絨般品質。
被視為在本發明範圍之內的天然纖維或材料包括但不限於羊毛、棉花、亞麻、獸毛、蠶絲、羽絨以及其它的天然纖維或材料。然而，在一個較佳的具體實施例中，該天然纖維為羽絨絨朵。雖然於此提及羽絨絨朵，“羽絨絨朵”包括羽絨、天然羽絨、羽絨羽毛、羽絨絨朵及其組合。該天然纖維或材料可以經處理以提供斥水特性。此製程中可以使用許多種防水化學物質，然而，一個特定的較佳的化學物質為醋酸鋯聚合物溶液，其可在對填充功率沒有負面影響、並且對環境沒有負面影響的情況下，對天然纖維或材料賦予耐久的斥水性質。
根據一具體實施例，該絨朵(包括羽絨)係被提供一防水、抗菌、低摩擦固化的醋酸鋯漆，以使得該羽絨絨朵在清洗後具有改善的耐久性和增強的處理性和耐結塊性。更具體而言，該羽絨絨朵上具有一防水、抗菌、低摩擦固化的醋酸鋯漆。用醋酸鋯溶液處理羽絨絨朵以賦予斥水特性可使用不同的處理製程來進行，其中一種這樣的處理係揭露於如美國專利證書號4,537,594中其之完整內容係併於此以作為參考資料。該製程包括對羽絨羽毛施用一可固化的醋酸鋯的水性乳液，並且固化該聚合物。該乳液可藉由例如排氣方式(exhaustion)而施用。該羽毛在施用該共聚物之前已被徹底地清洗，其可以透過一水洗滌的方式來 完成，隨後進行部分水的移除，以剩下5至45%的殘餘水分含量(基於完全乾燥的羽毛重量)。該共聚物可以在130℃至170℃下固化。
另外，該羽絨/天然纖維的斥水特性可以使用不同的技術(不僅僅局限於濕浴或乾噴製程)來賦予。各種本領域所熟知的表面能改質技術(例如，電漿處理)也可以被採用來處理羽絨絨朵，以提供其斥水特性。這些處理或製程係例示於美國專利證書號4,869,922、美國專利證書號5,262,208、美國專利證書號5,895,558、美國專利證書號6,416,633、美國專利證書號7,510,632、美國專利證書號8,309,033和美國專利證書號8,298,627，其全部內容係併於此以作為參考資料。
較佳的短切合成/人造纖維能具有一個介於0.5丹尼至15丹尼的纖維丹尼或線性密度。然而，超過15丹尼的纖維也可與本發明的可吹式絕緣材料組合來使用。該短切纖維可以具有一5mm至25mm的長度範圍，並且可以用空氣動力而與天然纖維混合以得到上述的均勻混合物。例如，該由合成/人造纖維所製成的較佳纖維球可以具有一介於0.5丹尼至15丹尼的纖維丹尼或線性密度。其它較佳具體實施例利用了纖維共混物，其包含斥水劑加工或潤滑油加工的纖維和/或乾燥纖維和/或黏結性纖維。例如，本發明的短切合成/人造纖維可以塗覆任何的光滑劑或潤滑劑以提供其斥水特性。用於本發明的合成纖維/人造纖維包括但不限於實心、空心型，以及其他具有或不具有捲縮的橫截面形 狀。具有結合劑在外殼上的纖維也可以使用在即時合成/人造纖維。
使用於本發明中用於生產短切合成/人造纖維的材料係描述於美國專利證書號7,682,693，其全部內容係併於此以作為參考資料。根據一具體實施例，該短切合成/人造纖維包括一具有0.5至15丹尼的平均尺寸且塗佈有一光滑劑且捲縮的聚酯纖維，該纖維被切割成5至25毫米的長度和開鬆。該聚酯纖維可以例如藉由本領域熟知的擠出聚酯纖維而得到。本發明的一個重要態樣是該聚酯纖維需要有一特定的平均尺寸，亦即，一特定的橫截面尺寸。該被擠出的聚酯纖維必須是光滑的。此可用一光滑劑，較佳地是一矽氧烷光滑劑(例如在美國專利證書號3,454,42中所描述者)塗佈該纖維而獲得。該光滑劑使該纖維較容易打開，因此提供以使該纖維彼此分開。本發明的纖維也可以由其他在某些應用中可能有利的光滑劑而變光滑(其他光滑劑係例如聚烯化氧和其它聚合物的鏈嵌段共聚物，該其他聚合物係如聚酯、或聚乙烯或在美國專利證書號6,492,020 B1中所描述的聚亞烷基聚合物)，光滑劑的重量百分比係為纖維重量的大約0.1至大約1.2百分比。
為了獲得本發明可吹式絕緣材料所期望的性能，必須提供該聚酯纖維一捲縮。一適當捲縮的例子為所謂的鋸齒形捲縮，也稱為機械捲縮。這種類型的捲縮(其本身是眾所皆知的)藉由使一擠出纖維束穿過兩個捲縮輥之間的狹小縫隙而獲得。機械捲縮方法的其他例子可參考歐洲專 利公開號EP 929700 A1和美國專利證書號6,492,020 B1。另一個捲縮類型為螺旋捲縮。與二維的鋸齒形捲縮相反，螺旋捲縮是三維的。螺旋捲縮可以藉由例如在美國專利證書3,050,821、美國專利證書3,118,012、歐洲專利公開號EP929700 A1和美國專利證書號6,492,020 B1中所描述的方法而獲得。較佳地，該捲縮頻數可被調整以使得每個切段的纖維在給定的切段長度下具有至少一或兩個捲縮。進一步而言，應該被認知到的是，實心、中空纖維及不同截面的纖維都可以被使用。
根據一具體實施例，該短切合成/人造纖維可以完全開鬆並與天然纖維或材料混合。此一開鬆和混合製程是例如描述於美國專利證書號7,074,242，其全部內容係併於此以作為參考資料。該方法包含以下步驟：獲得天然羽絨羽毛；按照一預定的清洗製程來洗滌該羽絨以生產製備好的羽絨；按照一預定的共混合製程將製備好的羽絨與短切合成/人造纖維混合以生產該填充材料。該混合步驟是藉由混合至少50重量百分比的製備好的羽絨與短切合成/人造纖維或纖維球來進行。該洗滌步驟藉下列子步驟而進行：(a)以熱肥皂水洗滌該羽絨；(b)以熱水潤洗該羽絨；(c)以冷水潤洗該羽絨；(d)對羽絨絨朵做斥水性的處理；(e)乾燥該潤洗過的羽絨；以及(f)除塵和冷卻該乾燥的羽絨。該乾燥的子步驟是在實質上20分鐘，實質上105℃的溫度下乾燥40磅的洗滌過的羽絨而進行。該除塵以及冷卻的子步驟還可以包括注射臭氧至羽絨中，且可利用篩式離心機來 進行。
根據本發明的一具體實施例，本發明的可吹式絕緣材料的製造方法包括以下步驟：
(1)處理天然纖維或材料以提供其斥水特性。在此製程中，如果需要的話，該天然纖維或材料可以被開鬆、清潔、洗滌以及乾燥。雖然濕製程是較佳的方法，斥水性的處理可在乾或濕的條件下進行。
(2)開鬆短切合成/人造纖維以及混合其與天然纖維或材料。雖然乾製程是較佳的方法，該混合步驟可以使用乾或濕製程進行，，其中使用控制氣流將羽絨絨朵饋送到一儲存/混合室之前，將它與從一個相反方向來的另一個氣流(其具有完全開鬆的短切纖維)進行擊撞，因此使得羽絨絨朵和短切纖維兩者均勻地混合。此空氣動力混合製程是較佳的混合方法，其可達到非常少的羽絨絨朵破損，因此能達到最高可能性的填充能力。為了獲得更好的結果，較佳的，一個批次的量為至少100公斤。
(3)如果此應用是合適的話，也可以選擇纖維球來代替短切纖維。
因此，於本發明的可吹式絕緣材料中，該短纖維或纖維球是利用空氣動力學困在具有結頭的羽絨絨朵裡的倒鉤和小倒鉤中，也就是說，由合成纖維形成的該短纖維是均勻且密不可分地併於羽絨絨朵中，使其有機會賦予該短纖維的性質至該羽絨上。
所得到的具有新穎性、創造性的可吹式絕緣材料 (例如，如圖1所示)具有以下特點：
(1)其具有優越的耐久性，其中，比起現今市場上所供應者，其可以承受更多的洗滌和洗衣週期。本發明的材料展現優異的斥水特性而不會在重複的洗滌和洗衣期間後有任何結塊或打結。
(2)其具有優異的熱絕緣性能，即使其暴露在潮濕的環境中。
(3)在以化學品處理以獲得斥水性後，其仍然保持該天然羽絨纖維的填充功率。
(4)與100%的羽絨絕緣性相比，其提供一個顯著的成本優勢。然而，已被發現的是，為了達到本發明有利的特徵，需採用至少50重量百分比的天然羽絨纖維。
(5)由於空氣動力的混合，最終的混合產物具有優越的可壓縮性。
可修改各種其它可變因素，以獲得可吹式絕緣材料所期望的效果。本領域的熟知此技藝者會理解，這些其他因素可以針對其所期望的目的進行最適化，而不超出本發明的範圍。
用來評估本發明的可吹式絕緣材料的物理性能的一些示例性的測試方法如下：EN 13543：2002-填充有羽毛和羽絨的製造物品，其是用來測量填充材料的吸水性；AATCC方法，其用來研究衣物的洗滌及洗衣能力；IDFB 10B方法，其用來測量填充能力； IDFB方法-測量可吹式絕緣的乾燥時間；以及ISO 11092-測量在穩定條件下的熱和水蒸氣抗性。
用這些測試得到的測試結果如下：
(1)吸水測試：EN13543-比一般羽絨絨朵的水重量小10倍。
(2)乾燥時間：IDFB方法-比一般羽絨絨朵的乾燥時間快5倍。
(3)乾與濕的熱性能：ISO-在濕的狀態下保持90%的乾熱性能。
(4)填充功率測量：IDFB 10B-處理後之羽絨的填充功率與化學處理之前的羽絨相同。
(5)填充功率測量：IDFB 10B-加入30%至40%短切合成纖維後，可達未混合羽絨之填充功率的80%至90%。
(6)洗滌分析：AATCC 135-性能及格，沒有觀察到結塊或打結。
本發明還考慮到利用上述未討論到的人造纖維合成物或天然和人造纖維合成物的混合物。這些合成物有一平均纖維直徑的範圍限制，以確保一高水準的絕緣性能。在某些例子下，一大於所引用專利中所定義的平均纖維直徑的平均纖維直徑可能是期望的。例如，如果最終產品是枕頭或椅墊並且其壓縮剛度是一個重要的需求時，可以使用相對較大直徑的纖維。
根據應用，根據所尋求的期望結果，其可能期望在一個混合物中將所形成的可吹式絕緣材料與其他纖維 (例如其他天然和/或人造纖維或材料)混合。
因此，藉由本發明將能了解其優點，雖然較佳實施例已於此被詳細地揭露和描述，其範圍不應受此限制而應由所附的專利申請範圍來決定。

Claims (20)

  1. 一種可吹式絕緣材料包含：至少50重量%之天然羽絨絨朵；以及具有長度範圍為自5至25mm、及纖維丹尼範圍為自0.5至15丹尼之短切合成纖維；其中該短切合成纖維被空氣動力地困在該天然羽絨絨朵的倒鉤中；及其中該可吹式絕緣材料為使用傳統設備時可吹製的。
  2. 如請求項1所述的可吹式絕緣材料，其中該天然羽絨絨朵以一防水劑處理以賦予斥水性。
  3. 如請求項2所述的可吹式絕緣材料，其中該斥水性是使用包含電漿處理之表面能改質技術而賦予的。
  4. 如請求項2所述的可吹式絕緣材料，其中該天然羽絨絨朵的斥水性是使用一種斥水性、抗菌性、低摩擦固化的醋酸鋯溶液而賦予的。
  5. 如請求項1所述的可吹式絕緣材料，其中該天然羽絨絨朵是經醋酸鋯處理之天然羽絨絨朵。
  6. 如請求項1所述的可吹式絕緣材料，其中該短切合成纖維是以一矽氧烷光滑劑塗佈。
  7. 如請求項1所述的可吹式絕緣材料，其中該合成纖維是選自於由聚醯胺、聚酯、丙烯酸類、醋酸酯、聚烯烴及其組合所構成的組群中。
  8. 如請求項1所述的可吹式絕緣材料，其中該合成纖維是聚酯纖維。
  9. 如請求項1所述的可吹式絕緣材料，其中該可吹式絕緣材料並非切碎的棉胎或纖維網。
  10. 如請求項1所述的可吹式絕緣材料，其中該可吹式絕緣材料並未黏合。
  11. 一種製品，其包含如請求項1所述的可吹式絕緣材料。
  12. 一種製品，其包含如請求項1所述的可吹式絕緣材料，其中該製品係選自冬季服裝、睡袋、枕頭及棉被。
  13. 一種用於製造一可吹式絕緣材料的方法，該方法包含空氣動力地混合：至少50重量%之天然羽絨絨朵；以及具有長度範圍為自5至25mm、及纖維丹尼範圍為自0.5至15丹尼之短切合成纖維；以致使該短切合成纖維被空氣動力地困在該天然羽絨絨朵的倒鉤中，藉此形成一為使用傳統設備時可吹製的可吹式絕緣材料。
  14. 如請求項13所述的方法，其中該天然羽絨絨朵以一個防水劑處理以賦予斥水性。
  15. 如請求項14所述的方法，其中該斥水性是使用包含電漿處理之表面能改質技術而賦予的。
  16. 如請求項14所述的方法，其中該天然羽絨絨朵的斥水性是使用一種斥水性、抗菌性、低摩擦固化的醋酸鋯溶液而賦予的。
  17. 如請求項13所述的方法，其中該天然羽絨絨朵是經醋酸鋯處理之天然羽絨。
  18. 如請求項13所述的方法，其中該短切合成纖維是以一矽氧烷光滑劑塗佈。
  19. 如請求項13所述的方法，其中該合成纖維是選自於由聚醯胺、聚酯、丙烯酸類、醋酸酯、聚烯烴及其組合所構成的組群中。
  20. 如請求項14所述的方法，更包含結合該可吹式絕緣材料於使用羽絨之服裝、睡袋、床品、或其他的絕緣產品中的一步驟。
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