專利名稱：高蓬松度紡粘纖維網(wǎng)的制作方法
高蓬松度紡粘纖維網(wǎng)
背景技術：
紡粘纖維網(wǎng)已經(jīng)用于各種應用中，包括尿布和/或個人護理制品的背襯、地毯背襯、土工織物等等。此類紡粘纖維網(wǎng)通常為低蓬松度材料，其主要被依靠以提供結構增強、 屏蔽性質等。該領域的一些工作者已嘗試通過各種方法開發(fā)具有更高蓬松度的纖維網(wǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了基本上不含卷曲纖維和間隙形成纖維的高蓬松度紡粘纖維網(wǎng)。所述纖維網(wǎng)呈現(xiàn)出小于8. 0%至約4. 0%的密實度和至少1. 40的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比。本文還公開了制備此類纖維網(wǎng)的方法。因此在一個方面，本文公開了一種紡粘纖維網(wǎng)，其具有小于8. 0%至約4. 0%的密實度，并具有至少1.40的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比，其中所述纖維網(wǎng)基本上不含卷曲纖維、間隙形成纖維和雙組分纖維。因此在另一方面，本文公開了一種自支承褶皺型過濾器，其包括過濾介質，所述過濾介質包括多個相向的褶皺，并且所述過濾器還包括沿著所述過濾介質的邊緣存在的周邊框架，其中所述過濾介質包括紡粘纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)具有小于8.0%至約4.0%的密實度，并具有至少1.40的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比，其中所述纖維網(wǎng)基本上不含卷曲纖維、間隙形成纖維和雙組分纖維。本發(fā)明的這些方面以及其他方面在下面的具體實施方式
中將顯而易見。然而，在任何情況下都不應將上述發(fā)明內(nèi)容理解為是對受權利要求書保護的主題的限制，該主題僅受所附權利要求書的限定，并且在審查期間可以進行修改。


圖1是可用于形成本文所公開的紡粘非織造纖維網(wǎng)的設備的示意圖。圖2是可用于圖1所示工藝中的縮束裝置的側視圖。圖3是傳統(tǒng)紡粘非織造纖維網(wǎng)在100倍放大率下的俯視圖形式的掃描電子顯微圖。圖4是如本文所公開那樣制備的紡粘非織造纖維網(wǎng)在250倍放大率下的俯視圖形式的掃描電子顯微圖。圖5是如本文所公開那樣制備的紡粘非織造纖維網(wǎng)在100倍放大率下的剖視圖形式的掃描電子顯微圖。圖6是具有周邊框架和稀松布的褶皺型過濾器的局部剖視透視圖。在上述多張圖中，相同的附圖標記表明相同的元件。除非另外指明，否則本文中的所有附圖均未按比例繪制，并且選擇這些附圖是為了示出本發(fā)明的不同實施例。具體地講，除非另外指明，否則各種組件的尺寸僅用于示例性目的，并且不應根據(jù)圖式推斷介于各種組件的尺寸之間的關系。盡管在本公開中可能使用了例如“頂部”、“底部”、“上面”、“下面”、“下方”、“上方”、“前部”、“背部”、“向外”、“向內(nèi)”、“向上”、“向下”、“第一”和“第二”等術語，但應當理解，除非另外指明，否則這些術語僅在其相對含義下使用。
具體實施例方式術語表本文中，術語“長絲”通常用于指代從一組孔擠出的熱塑性材料的熔融流，術語“纖維”通常用于指代硬化的長絲及由其構成的纖維網(wǎng)。使用這些命名僅是為了方便描述。在本文所述的工藝中，在局部硬化的長絲與仍包含略微發(fā)粘和/或半熔融的表面的纖維之間可能沒有明確的分界線。術語“熔紡”是指如下所形成的纖維從一組孔擠出長絲并允許長絲冷卻和硬化以形成纖維，其中長絲穿過空氣空間(可包含運動空氣流)以幫助冷卻長絲，并穿過抽長 (即，拉延)單元以至少部分地拉延長絲。熔紡與熔吹的區(qū)別可在于，熔吹涉及將長絲擠出到通過吹氣孔而引入的會聚高速空氣流中，這些吹氣孔鄰近擠出孔設置?！凹徴场笔侵咐w維網(wǎng)包含一組熔紡纖維，這些熔紡纖維被收集成為纖維網(wǎng)并可選地經(jīng)受一個或多個粘結操作?！爸苯邮占睦w維”是指通過從一組孔擠出熔融長絲并在收集器表面上收集至少部分硬化的長絲作為纖維，而長絲或纖維不接觸孔和收集器表面之間的偏轉器等，進而基本上在一個操作中被形成并收集成纖維網(wǎng)的纖維?！榜薨櫋笔侵咐w維網(wǎng)的至少一部分已折疊而形成包含多行大致平行、相反取向的折疊部的構造。這樣，纖維網(wǎng)整體的成褶區(qū)別于單獨的纖維的卷曲。“卷曲纖維”是指已經(jīng)歷卷曲工藝的纖維。卷曲工藝包括(例如，人造短纖維的) 機械卷曲。卷曲工藝還包括所謂的熱活化工藝，其中雙組分纖維(例如，所謂的組合纖維) 暴露于溫度中以使得由于纖維組分之間的回縮不一致而發(fā)生卷曲。卷曲工藝還包括這樣的熱活化工藝，其中對纖維執(zhí)行幾何不對稱的熱處理，以在纖維中產(chǎn)生硬化梯度，從而導致卷曲。這樣的熱活化工藝或其它卷曲工藝可在紡粘工藝之前、過程中、或之后進行。卷曲纖維可通過具有螺旋狀外觀(例如，尤其是在通過雙組分纖維的熱活化而獲得的卷曲纖維的情況下)等而被辨別為顯示重復的特征(如顯露為(例如)纖維的波狀、鋸齒狀、 正弦等外觀)，并且可由本領域普通技術人員容易地識別。示例性卷曲纖維在美國專利 4，118，531 (Hauser)和 5，597，645 (Pike 等人)以及加拿大專利 2612854 (Sommer 等人)中有所描述?！伴g隙形成纖維”是指在兩個間隔開的表面之間的間隙(例如，會聚間隙)中(例如，輥隙、狹槽等中)所收集的纖維。間隙形成纖維可這樣來辨認當纖維網(wǎng)被以橫截面形式觀看時顯示U形或C形纖維的大致重復的圖案和/或波浪、折疊、套環(huán)、隆起等的大致重復的圖案，并且纖維網(wǎng)的大量纖維大致沿纖維網(wǎng)的最短尺寸(厚度方向)取向。在這種情況下，間隙形成纖維包括這樣的纖維其可初步收集在單個表面(例如，基本平坦的收集面) 上，然后穿過實現(xiàn)上述波浪、折疊等圖案的會聚間隙、輥隙等。示例性間隙形成纖維在美國專利 6，588，080 (Neely 等人)、6，867，156 (White 等人)和 7，476，632 (Olson 等人)中有所描述。密實度是指無量綱比率(通常以百分比記錄)，其表示纖維網(wǎng)被固體(例如，聚合物纖維)材料所占據(jù)的總體積的比例。進一步說明以及獲得密實度的方法見于“實例”章節(jié)中。蓬松度是100%減去密實度，并表示纖維網(wǎng)未被固體材料占據(jù)的總體積的比例。圖1示出可用于形成本文所公開的高蓬松度紡粘纖維網(wǎng)的示例性設備。在一種使用此一設備的示例性方法中，聚合物纖維形成材料被引入料斗11中，在擠出機12中熔融， 并經(jīng)由泵13泵送到擠出頭10中。呈球粒或其他粒子形式的固體聚合物材料最常被使用并熔化至液體可泵送狀態(tài)。擠出頭10可以是常規(guī)的噴絲頭或紡絲組合件，通常包括以規(guī)則圖案(如直線行) 布置的多個孔。纖維形成液體的長絲15是從擠出頭擠出，并可穿過空氣填充的空間17輸送至縮束裝置16。擠出的長絲15在到達縮束裝置16之前穿過空氣空間17運行的距離可隨擠出的長絲15所可能置于的條件而不同。驟冷空氣流18可被引導向擠出的長絲15，以降低擠出的長絲15的溫度和/或局部硬化擠出的長絲15。(盡管在本文中術語“空氣”是為了方便而使用，然而應該理解，在本文所公開的驟冷和拉延工藝中可使用其他氣體和/或氣體混合物)?？墒褂靡粋€或多個空氣流；例如，相對于長絲流橫向吹的第一空氣流18a可主要用于移除在擠出過程中釋放的不期望的氣體材料或煙霧，以及第二驟冷空氣流18b可主要起到實現(xiàn)溫度降低的作用。驟冷空氣流的流速可如本文所公開的那樣被調控至有利， 以幫助實現(xiàn)具有本文所公開的獨特性質的纖維網(wǎng)。長絲15可穿過縮束裝置16 (下文中更詳細地說明)，然后沉積到基本平坦(是指曲率半徑大于六英寸)的收集器表面19上，在該表面上長絲15被收集成纖維團20。(在基本平坦的收集器表面19上收集纖維應該區(qū)別于例如在間隔開的表面之間的間隙中收集纖維)。收集器表面19可包括單個連續(xù)的收集器表面，例如由半徑為至少六英寸的連續(xù)帶或筒或輥提供的表面。收集器19通常可為多孔的，氣體抽離(真空)裝置14可設置在收集器下方以幫助將纖維沉積到收集器上(收集器的多孔性(例如，相對小規(guī)模的多孔性) 并不會改變上面所限定的收集器基本平坦的事實)?？s束裝置出口與收集器之間的距離21 可以變化以獲得不同的效果。另外，在收集之前，擠出的長絲可經(jīng)受未在圖1中示出的多個附加工序，如進一步拉延、噴灑等。在收集之后，收集的紡粘纖維團20 (纖維網(wǎng))可經(jīng)受一個或多個粘結操作，(例如)以增強纖維網(wǎng)的完整性和/或可操縱性。在某些實施例中，此類粘結可包括自生粘結， 自生粘結在本文中被定義為在無需向纖維網(wǎng)上施加固體接觸壓力的條件下在高溫下執(zhí)行的粘結(例如，通過使用烘箱和/或受控溫度的氣流所實現(xiàn)的)。此類粘結可通過將受熱空氣引導到纖維網(wǎng)上(例如，通過使用圖1的受控加熱裝置101)來執(zhí)行。此類裝置在美國專利申請2008/0038976 (Berrigan等人)中有更詳細的說明，該專利申請為此目的以引用方式并入本文。除了此類粘結之外或代替此類粘結，可采用其他熟知的粘結方法，例如使用壓延輥。紡粘纖維網(wǎng)20可輸送至其他設備，例如壓印工位、層合機、切割機等，卷繞成存儲卷筒等。圖2是可供長絲15穿過的示例性縮束裝置16的放大側視圖?？s束裝置16可起到至少部分地拉延長絲15的作用，并且可另外起到使長絲15冷卻和/或驟冷的作用(超過長絲15在穿過擠出頭10與縮束裝置16之間的距離過程中可能已經(jīng)發(fā)生的任何冷卻和 /或驟冷)。這樣的至少部分拉延可用以實現(xiàn)每一長絲的至少一部分的至少局部取向，相應改善由其生成的硬化纖維的強度，如本領域技術人員所熟知的。這樣的至少部分拉延還可顯現(xiàn)為相對于沒有拉延時的直徑，硬化纖維的直徑減小。通常，本領域普通技術人員預期，減少對纖維所執(zhí)行的拉延的量(例如，減小縮束裝置16中所使用的拉延空氣的體積)可導致纖維變?nèi)?由于其缺少取向)和/或直徑變大。在一些情況下，示例性縮束裝置16可包括兩個半塊或側16a和16b，這兩個半塊或側被分開以在它們之間限定縮束室24，如圖2的設計。盡管以兩個半塊或側的形式存在 (在此具體實例中)，然而縮束裝置16仍用作一個一體的裝置，并且將首先以其組合形式進行說明。示例性縮束裝置16包括傾斜的進入壁27，其限定縮束室24的進入空間或狹道 24a。入口壁27優(yōu)選在入口邊緣或表面27a處彎曲以使攜帶擠出長絲15的空氣流平緩進入。壁27附接到主體部分28，并且可以設置有凹進區(qū)域29，從而在本體部分28與壁27之間形成空氣間隙30?？諝饪赏ㄟ^導管31引入間隙30中。縮束裝置主體28可在28a處彎曲，從而使空氣平穩(wěn)地從氣刀32流入室24中?？梢赃x擇縮束裝置主體的表面28b的角度 (α),以確定氣刀沖擊穿過縮束裝置的長絲流的所需角度。縮束室24可具有均勻的間隙寬度；或者如圖2所示，間隙寬度可沿著縮束室的長度而變化。限定縮束室24的縱向長度的至少一部分的壁可采取板36的形式，這些板與主體部分28是分開的并且附接到該主體部分。在一些實施例中，縮束裝置16的某些部分(例如，側16a和16b)可能夠(例如) 響應于系統(tǒng)的擾動朝著彼此和/或背離彼此移動。這種能力在一些情況下可為有利的?？s束裝置16及其可能的變型的進一步細節(jié)可見于美國專利申請 2008/0038976 (Berrigan等人)以及美國專利6，607, 624和6，916，752中，該專利申請及這些專利均為此目的以引用方式并入本文。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，背離紡粘工藝的傳統(tǒng)操作(例如，背離圖1和圖2所示設備的普通操作(例如，如上面的引用源中所述))，可如本文所述生成獨特且有利的纖維網(wǎng)。具體地講，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，當至少正確選擇相對于熔融聚合物通過量(例如，正熔紡的長絲的通過速率)所使用的驟冷空氣和拉延空氣的量時，可生成具有獨特性質的紡粘纖維網(wǎng)。簡而言之，此類纖維網(wǎng)可具有高蓬松度和有效纖維直徑(EFD)與實際纖維直徑 (AFD)的高比率的意外組合，如本文中稍后詳細說明。高蓬松度和EFD與AFD的高比率的此一組合可賦予這些纖維網(wǎng)獨特的能力以用作深度過濾器；例如，能夠在粒子于過濾纖維網(wǎng)的表面上形成表面粉餅之前在過濾纖維網(wǎng)內(nèi)收集相對高填塞的粒子。此類纖維網(wǎng)的蓬松度在本文中將用術語密實度(如本文中所定義并通過本文中報道的方法所測量)來表征。如本文所公開的，可生成密實度從約4. 0%至小于8. 0% (即， 蓬松度從約96.0%至大于92.0%)的纖維網(wǎng)。在各種實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)具有至多約7. 5%、至多約7. 0%、或至多約6. 5%的密實度。在另外的實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)具有至少約5. 0%、至少約5. 5%或至少約6. 0%的密實度。在各種實施例中，本文所公開的紡粘纖維網(wǎng)的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比為至少約1. 40、至少約1. 50或至少約1. 60。此前本領域的其他工作人員報道的某些高蓬松度纖維網(wǎng)依賴于卷曲纖維(如本文先前定義的)的存在來實現(xiàn)高蓬松度。本文所述的纖維網(wǎng)不需要包含卷曲纖維以便實現(xiàn)高蓬松度。因此，在一些實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)基本上不含卷曲纖維，這在此上下文中表示纖維網(wǎng)每十個纖維中少于一個為本文所定義的卷曲纖維。在另外的實施例中，纖維網(wǎng)每二十個纖維中少于一個為本文所定義的卷曲纖維。(滿足這些標準的示例性纖維網(wǎng)示出于圖4和圖5中)。本領域普通技術人員當然將容易地理解這樣的非線性(例如，彎曲)纖維或其部分(如在形成任何紡粘纖維網(wǎng)的過程中可能發(fā)生的)與本文所定義的卷曲纖維之間的差別。在特定實施例中，本文所述的纖維網(wǎng)基本上不含卷曲短纖維。通常，本領域中的高蓬松度纖維網(wǎng)依賴于使用所謂的雙組分纖維，所述纖維在進行特定熱暴露(例如，熱活化)時可能發(fā)生卷曲(例如，由于纖維的以并列或偏心皮/芯構型存在并具有不同回縮特性的兩個組分，如本領域中所熟知的)。盡管可選地，在本文所公開的纖維網(wǎng)中可存在雙組分纖維，然而本文所公開的纖維網(wǎng)不需要包含雙組分纖維以便實現(xiàn)高蓬松度。因此，在一些實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)基本上不含雙組分纖維，這如本文中所定義地表示纖維網(wǎng)的每十個纖維中少于一個是由雙組分樹脂制成(即，其余的纖維包括單組分纖維)。在另外的實施例中，纖維網(wǎng)的每二十個纖維中少于一個為本文所定義的雙組分纖維。在具體實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)包括單組分紡粘纖維網(wǎng)，這在本文中被定義為纖維網(wǎng)大體上僅包含單組分纖維(即，纖維網(wǎng)的每五十個纖維中少于一個纖維為雙組分纖維)。此類單組分纖維網(wǎng)當然不排除添加劑、加工助劑等的存在，所述添加劑、加工助劑等可存在于纖維網(wǎng)中(無論作為例如散布于纖維網(wǎng)中的粒狀添加劑，還是作為例如存在于各個纖維的材料內(nèi)的熔融添加劑)。在使雙組分纖維的存在量最小化方面，本文所公開的纖維網(wǎng)在至少某些實施例中可為有利的。例如，本文所公開的纖維網(wǎng)可由基本上由聚丙烯構成的單組分纖維構成，所述單組分纖維可非常易于充電(例如，如果過濾應用需要)。包括可觀數(shù)目的(例如)聚乙烯的雙組分纖維可能無法被充電，因為聚乙烯接收并保持電荷的能力較差。如本文所公開的主要由單組分纖維構成的纖維網(wǎng)可相比于雙組分纖維具有附加優(yōu)點無需熱活化步驟就可實現(xiàn)高蓬松度。此前本領域其他工作人員所報道的某些高蓬松度纖維網(wǎng)依賴于本文所定義的間隙形成纖維的存在。此類型的纖維網(wǎng)可包括沿纖維網(wǎng)的ζ方向(厚度方向)取向的顯著數(shù)目的纖維部分。當以橫截面觀看纖維網(wǎng)時，此類纖維可呈現(xiàn)出(例如)套環(huán)、波浪、隆起、峰、 折疊、U形或C形(U或C的封閉端通常更靠近纖維網(wǎng)的內(nèi)部布置，并且U或C的臂遠離纖維網(wǎng)的內(nèi)部布置)。此類纖維的ζ軸末端可熔融到纖維網(wǎng)的表面中。本文所公開的纖維網(wǎng)不需要包含間隙形成纖維以便實現(xiàn)高蓬松度。因此，在一些實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)基本上不含間隙形成纖維，這如本文中所定義的表示纖維網(wǎng)的每二十個纖維中少于一個為間隙形成纖維。滿足此標準的示例性纖維網(wǎng)示出于圖4和圖5中。(本領域的普通技術人員將容易理解，在任何紡粘纖維網(wǎng)的形成過程中，某一小數(shù)量的纖維可形成類似間隙形成纖維所呈現(xiàn)的結構。本領域的普通技術人員還將理解，可容易地將此類情形與由間隙形成纖維制成的纖維網(wǎng)區(qū)別開來)。在特定實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)基本上不含C形纖維、U形纖維等的重復圖案，并且基本上不含折疊、套環(huán)、隆起、 峰等的重復圖案。在另外的實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)不包括多個纖維，其中所述纖維的ζ軸末端熔融到纖維網(wǎng)的表面中。在通過使用單個相對常規(guī)的基本平坦的收集面(例如，如圖1所示)來生成高蓬松度纖維網(wǎng)時，本文所公開的工藝有利地避免了為提供間隙形成纖維而通常需要的間隔開的收集面的復雜布置方式。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本文所公開的纖維網(wǎng)呈現(xiàn)出此前未報道的獨特的特性。具體地講，發(fā)明人通過將纖維網(wǎng)的纖維的實際纖維直徑(AFD)與纖維網(wǎng)所呈現(xiàn)出的有效纖維直徑 (EFD)進行比較來表征這些纖維網(wǎng)。如“實例”章節(jié)中詳細說明的，實際纖維直徑是通過微觀觀察來獲得，并表示纖維的(平均)實際物理直徑。有效纖維直徑是基于穿過多孔介質的、流體、流的基本原理從熟知模型(Davies, C. N. ；The Separation ofAirborne Dust and Particles, Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings IB, 1952)獲得的計算的參數(shù)(根據(jù)測量的壓降和穿過纖維網(wǎng)的流速來計算)。本質上，纖維網(wǎng)的有效纖維直徑表示根據(jù)流體流模型，預期將產(chǎn)生纖維網(wǎng)所呈現(xiàn)的流動特性的纖維直徑。本領域的普通技術人員認識到，(盡管對應關系可能并不確切)對于給定的紡粘纖維網(wǎng)，有效纖維直徑常常非常類似于實際纖維直徑(例如，在其約20%范圍內(nèi))。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本文所公開的高蓬松度纖維網(wǎng)意外地呈現(xiàn)出比纖維網(wǎng)的實際纖維直徑大至少約40%的有效纖維直徑，如從“實例”章節(jié)的表5中看出。例如，實例4的纖維網(wǎng)4A顯示出比纖維網(wǎng)的實際纖維直徑(12. 6 μ m)大50%左右的有效纖維直徑(19. 2 μ m) (即，EFD/AFD比為大約1. 52)。相比之下，比較例1的纖維網(wǎng)顯示出比比較例1的纖維網(wǎng)的實際纖維直徑(13. 0 μ m)大小于10%的有效纖維直徑(14. 0 μ m)。本領域的普通技術人員將會知道，盡管兩個纖維網(wǎng)顯示出非常類似的實際纖維直徑(12. 6 μ m對13. 0 μ m)，然而相比于比較例1的纖維網(wǎng)，纖維網(wǎng)4A的EFD/AFD比仍增加。 另外，4A纖維網(wǎng)和比較例1纖維網(wǎng)均在相同的設備上制成(其中比較例1纖維網(wǎng)是利用與本領域中所述的那些條件類似的普通操作條件來制成，并且4A纖維網(wǎng)是根據(jù)本文所公開的方法制成)。因此，通過本文所公開的方法改變操作條件并不會導致纖維網(wǎng)的纖維的實際直徑發(fā)生顯著改變(也不會導致纖維強度發(fā)生不可接受的降低)，而是導致顯著更高的有效纖維直徑以及顯著更高的蓬松度。因此，本領域的普通技術人員將認識到，本文所公開的方法允許在這樣的條件下生成熔紡纖維，所述條件允許纖維被充分拉延(可通過如上所述，制成的纖維可具有與普通條件下所制成的類似的直徑的事實來證明，也可通過纖維具有可接受的強度的事實來證明)，同時允許纖維意外地形成具有有利地高的蓬松度和高的EFD/AFD比的纖維網(wǎng)。盡管不希望受理論或機制的限制，然而本發(fā)明人假設，由于即使在實際纖維直徑非常類似的情況下，也可觀察到這樣顯著更高的有效纖維直徑，因而有效纖維直徑的這種差異可能歸因于纖維以通過本文所公開的工序實現(xiàn)的某種新穎構型而總體排列。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本文所公開的這樣新穎且可用的纖維網(wǎng)可通過相對于熔融聚合物長絲的通過速率，顯著減少所用的驟冷空氣和/或拉延空氣的量來生成。此一方法違背了傳統(tǒng)看法，傳統(tǒng)看法假設熔紡纖維應該在收集之前盡可能完全地驟冷(盡管一些研究者已報道了不使用驟冷空氣而生成紡粘纖維，然而此類研究者通常仍使用相對大量的拉延空氣，所述拉延空氣在這種情況下也將執(zhí)行驟冷功能)。一直認為這樣最大化完全的驟冷可用于防止纖維粘到縮束裝置的內(nèi)表面，團集在一起從而形成繩狀集聚束，這可不利地降低纖維網(wǎng)的均勻度等。意外地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，驟冷和/或拉延空氣相對于熔紡纖維的通過速率以本文所公開的方式這樣減少可提供具有意外高的蓬松度并且具有EFD與AFD的意外高的比率的纖維網(wǎng)，而無需使纖維網(wǎng)包含卷曲纖維、間隙形成纖維、雙組分纖維等，同時避免了上述預期問題，同時對纖維提供充分拉延以具有可接受的強度。
并不希望受理論或機制限制，本發(fā)明人假設本文所公開的現(xiàn)象可能至少部分地是由于在紡粘工藝過程中，纖維在某一點沿其長度的一段碰撞并粘結在一起。即，在本文所公開的工藝中可能有利地形成相對大量的繩狀集聚束(常稱為“宏束(macrobimdle)”)，繩狀集聚束包括若干(例如，四個、五個、或多至八個或更多)纖維，這些纖維沿其長度的一段粘結在一起(此類纖維偶爾稱為“結合(married)”纖維)。對本領域的普通技術人員而言這為基本原理在制備紡粘纖維網(wǎng)時應避免或最小化諸如宏束等特征，因為它們可能粘到縮束裝置的內(nèi)部并干擾紡粘工藝，可能在所收集的纖維網(wǎng)中導致繩狀集聚，從而使纖維網(wǎng)出現(xiàn)不期望的不均勻性，等等。盡管在任何紡粘纖維網(wǎng)中均會在某種程度上存在這樣的宏束 (例如，圖3的比較例1纖維網(wǎng)中可存在一些)，然而本發(fā)明人假設宏束量的增加可能至少部分地導致本文所公開的纖維網(wǎng)的獨特性質。在圖4中，存在于本文所公開的纖維網(wǎng)中的宏束指向外(由標號50指示)。具體地講，圖5的示例性纖維網(wǎng)示出本文所公開的纖維網(wǎng)的獨特結構，其中存在大量宏束(這些宏束常?？纱笾略诶w維網(wǎng)的平面內(nèi)取向)。此結構可與本領域中的至少一些纖維網(wǎng)形成對比(例如，包含間隙形成纖維的一些纖維網(wǎng))。本領域中的此類纖維網(wǎng)盡管整體上可能具有高蓬松度，但其可能具有不均勻結構，其中纖維網(wǎng)的內(nèi)部具有相對高的蓬松度，而纖維網(wǎng)的一個或兩個表面具有相對低的蓬松度(即，更致密)。本文所述的纖維網(wǎng)由于不包括相對致密的表面區(qū)域，因而可更能夠允許粒子滲透到纖維網(wǎng)的內(nèi)部區(qū)域中并保持在其中，這可有助于本發(fā)明人所指出的優(yōu)異的深度填塞能力。雖然同樣不希望受理論或機制限制，然而圖2所示類型的縮束裝置的獨特設計 (本領域的技術人員會認為其具有相對短長度的拉延室)在如本文所述操作時可尤其有利于允許此類宏束成功產(chǎn)生并結合到紡粘纖維網(wǎng)中。因此，本文所公開的纖維網(wǎng)可通過相對于熔融聚合物通過量顯著減少拉延空氣 (以及可選地，驟冷空氣)的量來生成。本領域的技術人員會認為本文所公開的拉延空氣的量處于如下范圍內(nèi)所述范圍通常被認為太低，從而會導致操作熔紡工藝時的上述困難， 和/或導致上述不期望的纖維網(wǎng)特征。因此，本文所公開的條件沒有落入熔紡工藝的普通條件的慣常優(yōu)化范圍內(nèi)。實例1-3中討論了利用減少的驟冷空氣流和拉延空氣流生成的纖維網(wǎng)的實例(與相對于熔融聚合物通過量的量，通常使用的空氣流速進行比較)。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，如果充分增加熔融聚合物通過量，則在仍使用相對大的驟冷空氣和/或拉延空氣量的同時也可實現(xiàn)本文所公開的結果。實例4給出了以這樣的方式生成的纖維網(wǎng)的實例。在這種情況下，驟冷空氣和拉延空氣與比較例1相當，但熔融聚合物通過量以足以實現(xiàn)本文所公開的有利結果的因子增加。因此，本文所公開的纖維網(wǎng)可通過相對于熔融聚合物通過量顯著減少拉延空氣 (以及可選地，驟冷空氣)的量來生成，而無論這是通過(例如)減少驟冷空氣和拉延空氣， 或通過(例如)增大熔融聚合物通過速率，或該二者之某種組合而實現(xiàn)的。盡管本文中給出了工藝條件的某些組合(已證明其尤其適用于本文所給出類型的設備)，然而本領域的普通技術人員將理解，本文所公開的條件在一定程度上可能是本文所用設備的設計所特有的?？赡懿坏貌煌ㄟ^本文公開內(nèi)容的教導，針對任何特定生產(chǎn)線獲得合適的工藝條件組合。 并且，如所述，某些設備(例如，包括本文所述的創(chuàng)新的縮束裝置設計的那些設備)可能最適合于生產(chǎn)本文所公開的紡粘纖維網(wǎng)。在生產(chǎn)本文所公開的高蓬松度纖維網(wǎng)時，纖維收集方法也可被調控至有利。例如， 施加于纖維收集表面(例如，通過圖1所示的氣體抽離裝置14施加)的真空量可保持為最小，以便維持最高蓬松度(然而，同樣意外地，本文所公開的纖維網(wǎng)已證明即使使用相對大量的真空也能夠保持高蓬松度)。收集表面19的速度(形成速度)也可被調控至有利， (例如)以進一步降低密實度并增大蓬松度，如表IA和表2A所示出的。同樣，任何后續(xù)粘結方法(其常常用于增強纖維網(wǎng)的完整性和物理強度)可被調控至有利。因此，在使用圖1 的受控加熱裝置101時，由裝置101提供的任何受熱空氣的流速和/或此類工藝中所施加 (例如，通過氣體抽離裝置14施加)的任何真空的量可被最小化?；蛘撸谕ㄟ^壓延進行粘結時，力的量和/或實際壓延面積可保持為最小(例如，可使用點粘結)。具體對于壓延，如果此類壓延被執(zhí)行為使得其使接收壓延力的纖維網(wǎng)區(qū)域顯著致密，并且使得相對大的纖維網(wǎng)區(qū)域被如此壓延，則致密區(qū)域可使纖維網(wǎng)的某些測量性質(例如，有效纖維直徑)相對于纖維網(wǎng)在被壓延之前固有實現(xiàn)的性質(以及相對于纖維網(wǎng)的未接收壓延力的區(qū)域所呈現(xiàn)的性質)而改變。因此，在纖維網(wǎng)已被如此壓延的特定情況下，可能有必要測試纖維網(wǎng)的未壓延區(qū)域，和/或在其預壓延條件下測試纖維網(wǎng)，以確定纖維網(wǎng)是否落入本文所公開的參數(shù)范圍內(nèi)。如上所述，根據(jù)本文的公開內(nèi)容，本文所公開的纖維網(wǎng)可包括纖維，所述纖維暴露于相對低速或程度的驟冷和/或相對低速或程度的拉延。這樣，在各種實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)可包括不包括雙折射不同達5%或更高的縱向分段的纖維；和/或其中在分級密度(Graded Density)測試(如美國專利6，916，752 (Berrigan等人)中所公開的)，少于五個纖維段變得相對于水平面成至少60度的角設置的纖維。在一些實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)可包括如本文所定義的“直接收集的纖維”。在一些實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)可包括基本連續(xù)的纖維，表示纖維具有相對長(例如，大于六英寸)的無限長度。這樣基本連續(xù)的纖維可與(例如)人造短纖維形成對比，人造短纖維通常相對短(例如，六英寸或更短)和/或短切成有限長度。在各種實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)的基重可在(例如)每平方米30-200克范圍內(nèi)。在各種實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)的厚度可在約0. 5mm至約3. Omm范圍內(nèi)。在一些實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)為自支承的，這意味著它們具有足夠的完整性，從而可利用正常工藝和設備來處理(例如，可卷繞成卷、成褶、組裝成過濾裝置等)。 如本文中所述，可使用粘結工藝(例如，經(jīng)由受控加熱設備的自生粘結、點粘結等)來增強此自支承特性。在各種實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)具有至少約ΙΟμπκ至少約14μπι或至少約 18 μ m的實際纖維直徑。在另外的實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)具有至多約30 μ m、至多約25 μ m或至多約20 μ m的實際纖維直徑。在各種實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)具有至少約15 μ m、至少約20 μ m或至少約 25 μ m的有效纖維直徑。在另外的實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)具有至多約45 μ m、至多約35 μ m或至多約30 μ m的有效纖維直徑。在各種實施例中，可使用任何方便的熱塑性纖維形成聚合材料來形成本文所公開的纖維網(wǎng)。此類材料可包括(例如)聚烯烴(例如，聚丙烯、聚乙烯等)、聚對苯二甲酸乙二酯、尼龍以及這些材料中任何材料的共聚物和/或共混物。在一些實施例中，可向本文所公開的纖維網(wǎng)中添加其他纖維、添加劑等。例如，可包括人造短纖維，可使用用于各種目的的粒狀添加劑、吸附劑等，如本領域所已知的。具體地講，(例如)如果需要，可存在氟化添加劑或處理，以便改善纖維網(wǎng)的耐油性。在一些實施例中，如本領域所熟知的，可通過(例如)水充電(hydrocharging)、電暈充電等對本文所公開的纖維網(wǎng)充電。例如支撐層、預過濾層等附加層可與本文所公開的纖維網(wǎng)組合(例如，通過層合)。因此，在一些實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)可作為多層制品中的一個或多個子層而存在。在一些實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)可如本領域所熟知地成褶，(例如)以形成褶皺型過濾器以用于諸如空氣過濾等應用中。如先前所述，本領域的普通技術人員將區(qū)別纖維網(wǎng)整體的這種成褶與各個纖維的卷曲。本文所述的褶皺型過濾器可為自支承的，意味著它們在經(jīng)受強制通風系統(tǒng)中通常會遇到的空氣壓力時不會過度伸縮或彎倒。本文所述的褶皺型過濾器可具有一個或多個稀松布和/或周邊框架以增強褶皺型過濾器的穩(wěn)定性。圖 5示出示例性褶皺型過濾器114，其包含由本文所述的紡粘纖維網(wǎng)20構成的過濾介質，并且還包括周邊框架112和稀松布110。盡管圖5中示出與過濾介質的一個面不連續(xù)接觸的平坦構造，然而稀松布110可與過濾介質一起成褶(例如，從而與過濾介質基本上連續(xù)接觸)。 稀松布110可由非織造材料、線、玻璃纖維等構成?？赡苡捎谄涓吲钏啥群陀行Юw維直徑與實際纖維直徑的高比率允許其用作深度過濾器，本文所述的纖維網(wǎng)可呈現(xiàn)出有利的過濾性質，例如與低壓降結合的高過濾效率。此類性質可通過任何熟知的參數(shù)來表征，這些參數(shù)包括滲透率百分比、壓降、品質因子、捕集效率(例如，最低復合效率、最低效率記錄值)等。在特定實施例中，本文所公開的纖維網(wǎng)具有至少約0. 5、至少約0. 7或至少約1. 0的品質因子。SM測試工序密實度和蓬松度密實度是通過將纖維網(wǎng)的所測堆密度除以構成纖維網(wǎng)的固體部分的材料的密度來確定。纖維網(wǎng)的堆密度可通過首先測量纖維網(wǎng)(例如，IOcmX IOcm的區(qū)段)的重量來確定。將測量的纖維網(wǎng)的重量除以纖維網(wǎng)面積，得到纖維網(wǎng)的基重，以g/m2為單位記錄。纖維網(wǎng)的厚度可通過獲得(例如，通過沖模切割)135mm直徑的纖維網(wǎng)盤并在纖維網(wǎng)頂部居中放置IOOmm直徑的230g重物的情況下測量纖維網(wǎng)厚度而測得。纖維網(wǎng)的堆密度是通過將纖維網(wǎng)的基重除以纖維網(wǎng)的厚度來確定，以g/m3為單位記錄。然后，通過將纖維網(wǎng)的堆密度除以包括纖維網(wǎng)的固體纖維的材料(例如，聚合物) 的密度來確定密實度。(如果供應商未規(guī)定材料密度，則可通過標準裝置來測量聚合物的密度。)密實度是通常以百分比來記錄的無量綱比率。蓬松度通常記錄為100 %減去密實度(例如，7 %的密實度相當于93 %的蓬松度)。有效纖維肓徑卞艮 ig Davies, C. N.白勺 “The Separation of Airborne DustandParticles" (Institution of Mechanical Engineers,London,Proceedings IB, 1952) 中示出的方法來評價纖維網(wǎng)的有效纖維直徑(EFD)。除非另有說明，否則測試以Hcm/sec 的面速度進行。實際纖維盲徑和纖維網(wǎng)表征通過經(jīng)由掃描電鏡以500倍或更大的放大率對纖維網(wǎng)成像并利用Olympus DP2-BSW圖像分析程序來評價纖維網(wǎng)中纖維的實際纖維直徑(AFD)。針對每一纖維網(wǎng)樣品獲得至少100個單獨的直徑測量值，并將這些測量值的均值記錄為該纖維網(wǎng)的AFD?？墒褂媒?jīng)由顯微鏡(例如，光學或SEM)的視覺檢測來確定纖維網(wǎng)是否包括給定類型的纖維(例如，卷曲纖維、間隙收集纖維和/或雙組分纖維)。這可通過檢測纖維片段 (例如，顯現(xiàn)于顯微鏡視野中)來進行，而不論纖維片段是否可來自各個單獨的纖維，或者檢測的至少一些片段是否可來自足夠長以在視野內(nèi)來回繞多次的纖維。因此，這樣每二十個纖維中少于一個為給定類型的表征在本文中被定義為表示每二十個纖維片段(如(纖維網(wǎng)的適當數(shù)量的不同區(qū)域的)視覺檢測過程中所評價的)中少于一個為給定類型。%滲誘率、壓降和品質因子纖維網(wǎng)樣品的滲透率百分比、壓降和過濾品質因子(QF)是利用包含D0P(鄰苯二甲酸二辛酯)液滴的測試用氣溶膠來確定，以85升/分鐘的流速遞送(除非另外指明)以提供Hcm/s的面速度，并利用TSITMModel8130高速自動過濾器測試機(可從TSI Inc.商購獲得)來評價。對于DOP測試，該氣溶膠可包含直徑約0. 185 μ m的粒子，且該自動過濾器測試機可在加熱器關閉且粒子中和器打開時進行操作。可在過濾器的入口和出口處采用經(jīng)校準的光度計來測量粒子濃度以及穿過該過濾器的粒子滲透率百分比?？刹捎肕KS壓力換能器(可從MKS Instruments商購獲得)來測量穿過過濾器的壓降(AP，mm H2O)。可使用如下公式來計算QF:
權利要求
1.一種紡粘纖維網(wǎng)，具有小于8. 0%至約4. 0%的密實度，并具有至少1. 40的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比，其中所述纖維網(wǎng)基本上不含卷曲纖維、間隙形成纖維和雙組分纖維。
2.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)具有至少約1.50的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比。
3.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)具有至少約1.60的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比。
4.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)具有約5.0%至約7. 5%的密實度。
5.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)具有約5.5%至約7. 0%的密實度。
6.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)被充電。
7.根據(jù)權利要求6所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)具有至少約0.5的品質因子。
8.根據(jù)權利要求6所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)具有至少約0.7的品質因子。
9.根據(jù)權利要求6所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)具有至少約1.0的品質因子。
10.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)成褶，從而包括多行相向的褶皺。
11.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)包括直接收集的纖維團。
12.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)具有至少約0.8mm的厚度。
13.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)通過自生粘結而粘結。
14.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)的至少一些纖維包括宏束，所述宏束包括來自至少五個粘結在一起的纖維的片段。
15.根據(jù)權利要求14所述的纖維網(wǎng)，其中所述宏束大體上在所述纖維網(wǎng)的平面內(nèi)取向。
16.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)的實際纖維直徑為約10微米至約 25微米。
17.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)的有效纖維直徑為約15微米至約 45微米。
18.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)的實際纖維直徑為約10微米至約 25微米，且所述纖維網(wǎng)的有效纖維直徑為約15微米至約45微米。
19.根據(jù)權利要求1所述的纖維網(wǎng)，其中所述纖維網(wǎng)包括單組分紡粘纖維網(wǎng)。
20.一種自支承褶皺型過濾器，包括過濾介質，所述過濾介質包括多個相向的褶皺，并且所述過濾器還包括沿著所述過濾介質的邊緣存在的周邊框架，其中所述過濾介質包括紡粘纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)具有小于8. 0%至約4. 0%的密實度，并具有至少1. 40的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比，其中所述纖維網(wǎng)基本上不含卷曲纖維、間隙形成纖維和雙組分纖維。
21.根據(jù)權利要求20所述的自支承褶皺型過濾器，其中所述過濾器包括正面和背面， 并且其中所述過濾器包括安裝到所述過濾器的表面的至少一個稀松布。
全文摘要
本發(fā)明公開了基本上不含卷曲纖維和間隙形成纖維的高蓬松度紡粘纖維網(wǎng)。所述纖維網(wǎng)呈現(xiàn)出小于8.0％至約4.0％的密實度和至少1.40的有效纖維直徑與實際纖維直徑之比。本發(fā)明還公開了制備此類纖維網(wǎng)的方法。
文檔編號B01D39/02GK102482819SQ201080037458
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權日2009年7月2日
發(fā)明者喬納森·M·利瑟, 安德魯·R·?？怂? 約翰·D·施泰爾特, 邁克爾·R·貝里甘 申請人:3M創(chuàng)新有限公司