專利名稱：改善的隔熱襯里的制作方法
專利說明改善的隔熱襯里 發(fā)明領域 本發(fā)明涉及隔熱襯里，這種隔熱襯里在非緊急情況下具有良好的隔熱性和透氣性，而在暴露于高熱時具有急劇提高的隔熱性，從而提供優(yōu)異的熱防護性能。
背景技術：
用于消防員防護服的隔熱襯里具有兩種相互矛盾的熱特性需要。在非緊急情況下，隔熱襯里應具有良好的隔熱性和透氣性以便為穿著者提供最佳的舒適度。然而，在暴露于高熱的情況下，例如面臨緊急情況時，隔熱襯里必須具有高隔熱性以保護穿著者免遭燒傷。提供高度隔熱性的防護服通常在所有情況下龐大笨重。由于這些衣服的體積導致使用者在從事與重量有關的活動時感到不便和疲勞，因而限制了使用者執(zhí)行任務的能力。因此，需要在非緊急情況下能夠提供充分防護且具有減小的體積的防護服。
發(fā)明概述 在另一個實施方案中，本發(fā)明涉及復合材料織物系統(tǒng)，該織物系統(tǒng)包括 外殼織物； 水分阻隔物；以及 隔熱襯里；該隔熱襯里包括至少一種熱膨脹阻燃織物，該熱膨脹阻燃織物由通過熱塑性粘合劑來保持在壓縮狀態(tài)的卷曲耐熱纖維制成，其中當熱膨脹阻燃織物暴露于熱或火焰時，其自身厚度增加至少三倍。
在一些實施方案中，該隔熱襯里還包括至少一種不膨脹的阻燃織物，當這種織物暴露于熱或火焰時，其自身厚度不會增加至少三倍。在某些實施方案中，織物以機械方式連結。以機械方式連結織物的方法包括但不限于縫合和絎縫。
一些阻燃織物包括在其至少一個面上具有壓縮纖維(compressed fiber)的網(wǎng)眼稀松布。
在一些實施方案中，所述復合材料織物系統(tǒng)為防護服的組件。
本發(fā)明還涉及保護目標使其免于受熱的方法，該方法包括將熱阻隔物置于目標與熱源之間，該熱阻隔物包括通過熱塑性粘合劑來保持在壓縮狀態(tài)的卷曲耐熱纖維。在一些實施方案中，目標為人，而熱阻隔物位于防護服裝內。
例證性實施方案詳述 在一些方面，本發(fā)明涉及包括卷曲耐熱纖維的隔熱襯里，其中該卷曲耐熱纖維通過熱塑性粘合劑來保持在壓縮狀態(tài)。當這些襯里暴露于熱或火焰時，厚度增量為阻隔物暴露前厚度的至少三倍。在一些實施方案中，這些阻隔物包括熱激活的非織造薄片。當該薄片暴露于熱時，其自身厚度增加至少三倍(3X)，并且在一些實施方案中，通過膨化機制其厚度增加最多10倍(10X)。在正常情況下，該熱阻隔物具有良好的熱導率和透氣性，而在暴露于高熱時，該阻隔物的熱導率急劇降低，從而提供優(yōu)異的保護性。
在本發(fā)明的一些實施方案中，隔熱襯里可用于具有最少三層或構造的防護服，其中每一層或織物構造執(zhí)行不同的功能。外殼織物提供防火焰保護并且主要起到保護消防員免受火焰?zhèn)Φ淖饔?。鄰近外殼的是水分阻隔物，其通常為液體阻隔物，但可以對其加以選擇，使其允許水分蒸氣通過該阻隔物。鄰近水分阻隔物的是本文所述的隔熱襯里。水分阻隔物使隔熱襯里保持干燥，而隔熱襯里使穿著者在消防活動期間與熱隔絕。熱應激可能是穿著厚重衣服并從事艱苦工作的副產(chǎn)物。
在一些實施方案中，隔熱襯里還包括至少一種不膨脹的阻燃織物。當這種織物暴露于熱或火焰時，其自身厚度不會增加至少三倍。在一些實施方案中，所述不膨脹的織物被布置在隔熱襯里遠離水分阻隔物的一個面上。在衣服內，該層可被布置在穿著者與熱層之間。
在一些實施方案中，復合材料織物系統(tǒng)或衣服中可使用不止一種熱膨脹非織造材料。熱阻隔物可彼此接觸或由一種或多種基本不膨脹的織物分隔。在一些優(yōu)選的實施方案中，不膨脹的織物為阻燃的。
術語“鄰近”在用來描述層時，未必是指一個層緊鄰另一個層。鄰近層之間可存在居間層。然而，彼此直接接觸的層仍然彼此鄰近。
熱塑性粘合劑可為纖維或粉末的形式，并且使用量應足以使卷曲纖維保持在壓縮狀態(tài)?？梢圆捎媚軌蚴鼓蜔崂w維保持在壓縮狀態(tài)的任何類型的粘合劑。在一些實施方案中，可用的粘合劑包括卷曲皮芯型粘合纖維，該卷曲皮芯型粘合纖維具有半結晶的聚對苯二甲酸乙二醇酯芯，該芯圍繞有由間苯二酸酯和對苯二酸酯形成的粘合劑聚合物的外皮。外皮的熱軟化溫度低于芯材料的熱軟化溫度。此類纖維得自Unitika Corp.，Osaka，Japan。然而，其他皮/芯型粘合劑纖維也可用于本發(fā)明。其他粘合劑包括共聚酯和聚酰胺。此外，可使用液體粘合劑來接觸耐熱纖維以獲得熱阻隔物。此類粘合劑的實例包括粘合劑的含水分散體。
術語“外殼織物”用來表示主要用于防火焰的制品(例如衣服)的外層。外殼可由任何阻燃織物組成。在一些實施方案中，外殼包含芳族聚酰胺纖維。一種適合的芳族聚酰胺為E.I.DuPont de Nemours，Inc.以商品名Nomex
銷售的聚間苯二甲酰間苯二胺。其他織物采用聚對苯二甲酰對苯二胺(由E.I.DuPont de Nemours，Inc.以商品名Kevlar
銷售)或芳香雜環(huán)聚合物(例如PBI)。也可以采用包含不止一種前述纖維的織物(例如Nomex
/Kevlar
或Kevlar
/PBI)。
“水分阻隔物”是指起到液體阻隔物作用但是可允許水分蒸氣通過該阻隔物的組件。在諸如消防員防護服之類的制品中，這些阻隔物使消防員避開水，從而使消防員攜帶的重量最小化。此外，該阻隔物允許水蒸氣(汗)逸出。當在熱環(huán)境下工作時，這是一個重要的功能。通常，水分阻隔物組件包括被層壓到非織造或織造織物上的膜。用來層壓到織物上的膜材料包括聚四氟乙烯(PTFE)和聚氨酯。此類層壓體的實例包括纖維非織造或織造間位芳族聚酰胺織物上的Crosstech
PTFE膜或Neoprene
膜。
術語“織物”旨在表示由交織紗線、纖維或長絲制備的平面紡織物結構。
“稀松布”是一種重量輕、有孔的粗織物。
所謂“非織造”織物是指纖維網(wǎng)絡，包括單向的(如果包含在基質樹脂內)氈、纖維棉絮等。
所謂“織造”織物是指采用任何織物編織形式織造的織物，例如平織、四經(jīng)破緞紋織、方平織、緞面織、斜紋織等。據(jù)信平織和斜紋織是商業(yè)中最常用的編織形式。
“卷曲纖維”優(yōu)選為具有在0.4至2.5英寸(1至6.3厘米)，優(yōu)選地0.75至2英寸(1.9至5.1厘米)范圍內的切割長度并且優(yōu)選具有2至5個褶皺/厘米(5至12個褶皺/英寸)的短纖維。此類纖維可以通過以下方法形成拉斷連續(xù)的纖維以形成具有充當褶皺的變形部分的短纖維。這種短纖維也可以通過切割沿短纖維長度具有鋸齒形褶皺的連續(xù)纖維來得到。
術語“耐熱”在與纖維一起使用時包括可用于本發(fā)明的加強型非織造防火織物的那些纖維，其中包括短纖維。耐熱纖維包括芳族聚酰胺和聚芳烴唑。這些纖維包括由對位芳族聚酰胺、聚苯并唑、聚苯并咪唑和聚酰亞胺聚合物制成的纖維。在一些實施方案中，優(yōu)選的耐熱纖維由芳族聚酰胺聚合物制成。在這些實施方案中的某些中，優(yōu)選的是對位芳族聚酰胺聚合物。
如本文所用，“芳族聚酰胺”是指其中至少85％的酰胺(--CONH--)連接基直接連接到兩個芳族環(huán)的聚酰胺?！皩ξ环甲寰埘０贰笔侵竷蓚€環(huán)或基沿分子鏈相對于彼此對位取向。添加劑可以與芳族聚酰胺一起使用。事實上，已發(fā)現(xiàn)按重量計多達10％的其他聚合物材料可與芳族聚酰胺共混使用，或者可以使用具有多達10％的其他二胺(其取代了芳族聚酰胺的二胺)或多達10％的其他二甲酰氯(其取代了芳族聚酰胺的二甲酰氯)的共聚物。在本發(fā)明的實際應用中，優(yōu)選的對位芳族聚酰胺為聚對苯二甲酰對苯二胺?？捎糜诒景l(fā)明的制備對位芳族聚酰胺纖維的方法一般公開于例如美國專利3,869,430、3,869,429和3,767,756中。此類芳香族聚酰胺有機纖維和這些纖維的各種形式可以商品名Kevlar
得自DuPont Company，Wilmington，Del。
熱膨脹非織造材料可采用本領域已知的任何裝置來壓縮。如本文所用，當術語“壓縮的”是指得自一個或多個梳理機的纖維網(wǎng)和可選的網(wǎng)眼稀松布時可以被收集在傳送帶上。優(yōu)選的是，將稀松布插入兩張纖維網(wǎng)之間以形成雙纖維網(wǎng)結構，但也可通過將稀松布覆蓋在單張纖維網(wǎng)上或將單張纖維網(wǎng)覆蓋在稀松布上而形成單一纖維網(wǎng)結構。如有必要，可將另外的纖維網(wǎng)鋪于該單一纖維網(wǎng)結構或雙纖維網(wǎng)結構上。
在一個實施方案中，最終結構在網(wǎng)眼稀松布的一個面上具有兩張梳理纖維網(wǎng)，在該稀松布的另一個面上具有一張梳理纖維網(wǎng)。在另一個實施方案中，任選稀松布的兩面均具有與其鄰近的纖維網(wǎng)。
然后可將粘合劑粉末以約3.4至24g/m2(0.1至0.7oz/yd2)的優(yōu)選的量施加到合并的纖維網(wǎng)和稀松布上。合并的纖維網(wǎng)、粘合劑粉末和稀松布隨后被傳送通過烘箱，烘箱溫度足以使粘合劑纖維和粉末軟化并部分熔融，并允許其將纖維粘附在一起。在烘箱出口處，該片材優(yōu)選地在兩個鋼輥之間被壓縮，以將各層加固為膠粘劑織物。然后在這種壓縮狀態(tài)下冷卻織物。
在一些實施方案中，不使用粘合劑粉末，并且粘合劑僅由纖維粘合劑構成。
術語“厚度”是指從安裝在基座上的標準測微器獲得的值。
術語“阻燃”是指根據(jù)垂直火焰試驗ASTM 1640，織物的炭化長度小于4英寸。
本發(fā)明通過以下實施例而例證，所述實施例并非旨在限制。
測試方法 熱保護性能(TPP)使用NFPA 1971 Standard on ProtectiveEnsemble for Structural Fire Fighting 200版，第6-10節(jié)中描述的測試方法來測定熱保護性能。同時記錄織物失效因子(FFF)值。此值為按織物基重歸一化的TPP值。
垂直火焰試驗采用ASTM D6413-99來測定增強型非織造織物的垂直火焰性能。
厚度采用ASTM D1 777-96選項1來測定本發(fā)明的增強型織物的厚度。
基重根據(jù)6.75″×6.75″TPP試驗樣品的重量來測定基重。
實施例1 增強型非織造織物按如下方法制備。將按重量計70份的2.2旦尼爾/長絲(dpf)、切割長度為2″的970型Kevlar
牌短纖維與30份的4dpf、切割長度為2″(50mm)的4080型Unitika 50/50皮/芯型110℃熔點粘合劑纖維共混，同時以纖維包的形式進料到三臺梳理機中。將從這三臺梳理機獲得的纖維網(wǎng)收集到傳送帶上以形成具有約2.7oz/yd2基重的纖維墊。將由聚酯長絲紗線形成的網(wǎng)眼稀松布插入到由前兩個梳理機形成的兩張纖維網(wǎng)之間。網(wǎng)眼稀松布為Saint Gobain 5×10稀松布(KPMR10510/P3型，在緯向上具有密度為5根/英寸的150旦尼爾聚酯，在經(jīng)向上具有密度為10根/英寸的70旦尼爾聚酯)并且具有0.3oz/yd2的基重。所得結構在網(wǎng)眼稀松布的一個面上具有兩張梳理纖維網(wǎng)，在該稀松布的另一個面上具有一張梳理纖維網(wǎng)。
將合并的纖維網(wǎng)和稀松布運送通過溫度為141℃的烘箱以使粘合劑纖維熔融。在烘箱的出口處，片材在0″間隙的兩個鋼輥之間被壓縮，采用約100磅力/線英寸的壓力，將各組件加固為膠粘劑織物。然后在這種壓縮狀態(tài)下冷卻織物。
該織物的最終組成為約63％的Kevlar
纖維、27％的粘合劑纖維、10％的聚酯稀松布。表1中包括了該非織造材料的表征數(shù)據(jù)。
實施例2 將上述實施例1的壓縮增強型非織造織物與以下附加組分一起成層，順序為7.5osy(盎司/碼2)的Kevlar
/PBI(由KEVLAR
T970與PBI纖維的60/40共混物形成的密度為56×51根/英寸的兩端防破裂織物，其中每對防破裂紗線之間在經(jīng)向上具有9根經(jīng)紗，每端之間在緯向上具有7根緯紗)、Crosstech
/NOMEX
PJ水分阻隔物(由PTFE薄膜組成，該薄膜具有連結到3.3osy的NOMEX
IIIA兩端防破裂織物的聚氨酯層，該織物具有68×68根/英寸的密度，其中每對防破裂紗線之間在經(jīng)向上和緯向上各有4根紗線)。將實施例1的非織造材料插入到1.5osy的杜邦NOMEX
E-89TM715型射流噴網(wǎng)芳族聚酰胺與4.5osy的NOMEX
織造織物(由NOMEX
IIIA纖維形成的平織織物，具有66×42根/英寸的密度)之間。使用NOMEX
線和方形絎縫圖案將隔熱襯里的各層絎縫到一起。表2包括了此復合材料的性能。
實施例3 增強型非織造織物按如下方法制備。將按重量計70份的2.2dpf、切割長度為2″的970型Kevlar
牌短纖維與30份的4dpf、切割長度為2″(50mm)的4080型Unitika 50/50皮/芯型180℃熔點粘合劑纖維進行共混，同時以纖維包的形式進料到三臺梳理機中。將從這三臺梳理機獲得的纖維網(wǎng)收集到傳送帶上，以形成具有約2.7oz/yd2基重的纖維墊。將由聚酯長絲紗線形成的網(wǎng)眼稀松布插入到由前兩個梳理機形成的兩張纖維網(wǎng)之間。網(wǎng)眼稀松布為Saint Gobain 5×10稀松布(KPMR10510/P3型，在緯向上具有密度為5根/英寸的150旦尼爾聚酯，在經(jīng)向上具有密度為10根/英寸的70旦尼爾聚酯)并且具有0.3oz/yd2的基重。所得的結構在網(wǎng)眼稀松布的一個面上具有兩張梳理纖維網(wǎng)，在該稀松布的另一個面上具有一張梳理纖維網(wǎng)。
將合并的纖維網(wǎng)和稀松布運送通過溫度為191℃的烘箱以使粘合劑纖維熔融。在烘箱的出口處，片材在0″間隙的兩個鋼輥之間被壓縮，采用約100磅力/線英寸的壓力，將各組件加固為膠粘劑織物。然后在這種壓縮狀態(tài)下冷卻織物。
該織物的最終組成為約63％的Kevlar
纖維、27％的粘合劑纖維、10％的聚酯稀松布。表1中包括了該非織造材料的表征數(shù)據(jù)。
實施例4 將上述壓縮增強型非織造織物與以下附加組分一起成層，順序為7.5osy的Kevlar
/PBI(由KEVLAR
T970與PBI纖維的60/40共混物形成的密度為56×51根/英寸的兩端防破裂織物，其中每對防破裂紗線之間在經(jīng)向上具有9根經(jīng)紗，每端之間在緯向上具有7根緯紗)、Crosstech/PJ水分阻隔物(由PTFE薄膜組成，該薄膜具有連結到3.3osy的NOMEX
IIIA兩端防破裂織物的聚氨酯層，該織物具有68×68根/英寸的密度，其中每對防破裂紗線之間在經(jīng)向上和緯向上各有4根紗線)。將實施例3的非織造材料插入1.5osy的杜邦NOMEX
E-89TM715型射流噴網(wǎng)芳族聚酰胺與4.5osy的NOMEX
織造織物(由NOMEX
IIIA纖維形成的平織織物，具有66×42根/英寸的密度)之間。使用NOMEXB線和方形絎縫圖案將隔熱襯里的各層絎縫到一起。表2中包括了該復合材料的性能。
實施例5(比較) 以下織物采用如下給定的順序成層7.5osy的Kevlar
/PBI(由KEVLAR
T970與PBI纖維的60/40共混物形成的密度為56×51根/英寸的兩端防破裂織物，其中每對防破裂紗線之間在經(jīng)向上具有9根經(jīng)紗，每端之間在緯向上具有7根緯紗)、Crosstech/PJ水分阻隔物(由PTFE薄膜組成，該薄膜具有連結到3.3osy的NOMEX
IIIA兩端防破裂織物的聚氨酯層，該織物具有68×68根/英寸的密度，其中每對防破裂紗線之間在經(jīng)向上和緯向上各有4根紗線)、兩層1.5osy的杜邦NOMEX
E-89TM715型射流噴網(wǎng)芳族聚酰胺、4.5osy的Nomex
織造織物(由NOMEX
IIIA纖維形成的平織織物，具有66×42根/英寸的密度)。使用NOMEX
線和方形絎縫圖案將隔熱襯里的各層絎縫到一起。表2中包括了該復合材料的性能。
實施例6(比較) 以下織物采用如下給定的順序成層7.5osy的Kevlar
/PBI(由KEVLAR
T970與PBI纖維的60/40共混物形成的密度為56×51根/英寸的兩端防破裂織物，其中每對防破裂紗線之間在經(jīng)向上具有9根經(jīng)紗，每端之間在緯向上具有7根緯紗)、Crosstech/PJ水分阻隔物(由PTFE薄膜組成，該薄膜具有連結到3.3osy的NOMEX
IIIA兩端防破裂織物的聚氨酯層，該織物具有68×68根/英寸的密度，其中每對防破裂紗線之間在經(jīng)向上和緯向上各有4根紗線)、2.3osy的杜邦NOMEX
E-89TM723型射流噴網(wǎng)芳族聚酰胺、1.5osy的杜邦NOMEX
E-89TM715型射流噴網(wǎng)芳族聚酰胺、4.5osy的Nomex
織造織物(由NOMEX
IIIA纖維形成的平織織物，具有66×42根/英寸的密度)。使用NOMEX
線和方形絎縫圖案將隔熱襯里的各層絎縫到一起。表2中包括了該復合材料的性能。
表1 表2
權利要求
1.具有熱阻隔物的復合材料織物系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
外殼織物；
水分阻隔物；以及
隔熱襯里；所述隔熱襯里包括至少一種熱膨脹阻燃織物，所述熱膨脹阻燃織物由通過熱塑性粘合劑來保持在壓縮狀態(tài)的卷曲耐熱纖維制成，其中當所述隔熱襯里暴露于熱或火焰時，所述襯里的自身厚度增加至少三倍。
2.權利要求1的復合材料織物系統(tǒng)，其中所述隔熱襯里還包括至少一種不膨脹的阻燃織物，當所述不膨脹的阻燃織物暴露于熱或火焰時，其自身厚度不會增加至少三倍。
3.權利要求2的復合材料織物系統(tǒng)，其中所述織物以機械方式連結。
4.權利要求1的復合材料織物系統(tǒng)，其中至少一種阻燃織物包括網(wǎng)眼稀松布，所述網(wǎng)眼稀松布在至少一個面上具有所述壓縮纖維。
5.權利要求1的復合材料織物系統(tǒng)，其中所述耐熱纖維包括對位芳族聚酰胺纖維。
6.具有隔熱襯里的防護服，所述防護服包括
外殼織物；
水分阻隔物；以及
隔熱襯里；所述隔熱襯里包括至少一種熱膨脹阻燃織物，所述熱膨脹阻燃織物由通過熱塑性粘合劑來保持在壓縮狀態(tài)的卷曲耐熱纖維制成，其中當所述隔熱襯里暴露于熱或火焰時，所述襯里的自身厚度增加至少三倍。
7.權利要求6的防護服，其中所述隔熱襯里還包括至少一種不膨脹的阻燃織物，當所述不膨脹的阻燃織物暴露于熱或火焰時，其自身厚度不會增加至少三倍。
8.權利要求7的防護服，其中所述織物以機械方式連結。
9.權利要求6的防護服，其中至少一種阻燃織物包括網(wǎng)眼稀松布，所述網(wǎng)眼稀松布在至少一個面上具有所述壓縮纖維。
10.權利要求6的防護服，其中所述耐熱纖維包括對位芳族聚酰胺纖維。
11.保護人使其免于受熱的方法，所述方法包括將復合材料織物置于目標和熱源之間，所述復合材料織物包括
外殼織物；
水分阻隔物；以及
隔熱襯里；所述隔熱襯里包括至少一種熱膨脹阻燃織物，所述熱膨脹阻燃織物由通過熱塑性粘合劑來保持在壓縮狀態(tài)的卷曲耐熱纖維制成，其中當所述隔熱襯里暴露于熱或火焰時，所述襯里的自身厚度增加至少三倍。
12.權利要求11的方法，其中所述隔熱襯里還包括至少一種不膨脹的阻燃織物，當所述不膨脹的阻燃織物暴露于熱或火焰時，其自身厚度不會增加至少三倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及隔熱襯里，所述隔熱襯里包括通過熱塑性粘合劑來保持在壓縮狀態(tài)的卷曲耐熱纖維，其中當所述隔熱襯里暴露于熱或火焰時，所述襯里的自身厚度增加至少三倍。本發(fā)明還涉及此類阻隔物在防護性織物、衣服和制品中的用途。
文檔編號B32B5/26GK101605652SQ200880004210
公開日2009年12月16日 申請日期2008年2月8日 優(yōu)先權日2007年2月9日
發(fā)明者W·F·克諾夫, R·H·楊 申請人:納幕爾杜邦公司