專利名稱：可粘合的取向非織造纖維網及其制造方法
取向纖維非織造纖維網的粘合經常需要在加工步驟或產品特征上的不希望有的讓步。例如，當取向纖維如熔紡或紡粘纖維的收集網被粘合(如用于加固網、提高其強度、或另外改變網性能)時，在網中除了熔紡或紡粘纖維外，一般還包括粘合纖維或其它粘合材料。可替換地或附加地，在點粘合或大面積壓延操作中對網加熱和加壓。需要這些步驟是因為熔紡或紡粘纖維本身通常被高度拉伸以提高纖維強度，而留下有限容量的纖維參與纖維粘合。
但粘合纖維或其它粘合材料的加入增加了網的成本，使生產操作更復雜，并向網中引入外部成分。并且熱量和壓力改變了網的性能，如使網更象紙、堅硬或易碎。
紡粘纖維間的粘合，甚至用點粘合或壓延的加熱和加壓時所得到的粘合，也傾向于比所需的強度低紡粘纖維間的粘合強度一般低于具有較低有序形態的紡粘纖維性間的粘合強度；參見最近出版物Structure and properties of polypropylene fibers during thermal bonding，Subhash Chand等人，(Thermochimica Acta 367-368(2001)155-160)。
盡管本領域已經認識到取向纖維網粘合中有關的不足，但已知還不存在令人滿意的解決方案。美國專利No.3322607描述了在改進方面的一項成果，建議在其他粘合技術中應制備具有混合取向纖維的纖維，其中一些纖維段具有較低的取向和相應較低的軟化溫度，從而它們用作粘合劑長絲。如該專利的實施例XII中所示(見第8欄第9-52行)，通過在輥旋轉的同時將擠出的長絲引入到加熱的進料輥并使長絲在輥上咬合一段時間來制備這種混合取向纖維。低取向段被認為由這種接觸產生，并在網中提供粘合能力。(另外參見美國專利No.4086381，例如類似的教導在第5欄第59行及以下。)但美國專利No.3322607中的低取向纖維粘合段還是比其它較高取向的段具有較大的直徑(第17欄第21-25行)。結果是需要增加熱以軟化低取向段來粘合網。另外，在相當低的速度下運行整個成纖過程，從而降低了效率。并且根據該專利(第8欄第22-25和60-63行)，低取向段的粘合對充分粘合而言明顯不足，結果是選擇粘合條件以提供除低取向段外附加的高取向段或纖維的一些粘合。
需要改進的粘合方法，如果這些方法能提供自生粘合(本文中將其定義為在不應用固體接觸壓如在點粘合或壓延中時，在烘箱中或利用通風粘合器-還稱為熱氣刀-得到的高溫下的纖維間粘合)則將是理想的，并優選不加入任何粘合纖維或其它粘合材料。熔紡或紡粘纖維的高水平拉伸限制了它們自生粘合的能力。代替自生粘合，大多數單組分熔紡或紡粘纖維網利用熱量和壓力粘合，例如點粘合或更大面積的應用熱和壓延壓力；和甚至熱壓過程典型地伴隨有在網中使用粘合纖維或其它粘合材料。
本發明提供新型的非織造纖維網，其能表現出取向纖維網如紡粘網的許多理想物理性能，并具有提高的和更方便的粘合能力。簡而言之，本發明的新型網包括具有均勻直徑的纖維，該纖維在長度上發生形態變化以便提供在選定的粘合操作中軟化特性彼此不同的縱向段。這些縱向段的一些在粘合操作條件下軟化，即在選定的粘合操作中是活性的并粘合到網的其它纖維上；并且段的其它那些在粘合操作中是惰性的。“均勻直徑”是指纖維在有效長度(即5厘米或更長)上具有基本相同的直徑(變化為10％或更低)，其中可具有并典型地具有形態上的變化。優選地，活性縱向段在有用的粘合條件下(例如在足夠低的溫度下)充分軟化，這樣網就能自生粘合。
纖維優選為取向的，即纖維優選包括在纖維縱向上排列并固定(即被熱捕獲)到這種排列的分子。在優選實施方案中，纖維的惰性縱向段被取向至由典型的紡粘纖維網表現出的程度。在結晶或半結晶聚合物中，這種段優選表現出應變誘導或鏈延長的結晶(即纖維內的分子鏈具有通常沿纖維軸排列的晶序)。總體上，網能表現出類似于在紡粘網中得到的強度性能，同時可以典型紡粘網不能被粘合的方式牢固粘合。而且本發明的自生粘合網可在整個網中具有蓬松性和均勻性，這對于紡粘網所通常使用的點粘合或壓延是不能得到的。
本文使用的術語“纖維”是指單組分纖維；雙組分或組合纖維(為方便起見，術語“雙組分”常用于指由兩種組分組成的纖維和由兩種以上組分組成的纖維)；和雙組分纖維的纖維切片，即占據雙組分纖維的部分橫截面并在其長度上延伸的切片。通常優選單組分纖維網，由本發明提供的取向和粘合能力的組合使利用單組分纖維的可高強度粘合網成為可能。本發明的其它網包括雙組分纖維，其中具有不同形態的所述纖維為多組分纖維的一種組分(或纖維切片)，即只占據纖維的部分橫截面并沿纖維長度上連續。所述纖維(即纖維切片)可作為多組分纖維一部分執行粘合功能并提供高強度性能。
可通過成纖過程制備本發明的非織造纖維網，其中成纖材料的長絲被擠出，經受取向力，并在至少部分擠出長絲處于軟化狀態時穿過氣流的湍流區，和在湍流區中的同時達到它們的凍結溫度(例如長絲的成纖材料凝固的溫度)。制造本發明的纖維網的優選方法包括a)擠出成纖材料的長絲；b)引導長絲穿過其中氣流對長絲施加縱向或取向應力的加工室；c)在長絲離開加工室后使它們穿過湍流區；和d)收集加工長絲；控制長絲的溫度以便長絲在離開加工室后但被收集前至少部分凝固。優選地，加工室由兩個平行的壁形成，至少一個壁能瞬時地向著或遠離另一個壁移動，并在長絲穿進過程中受移動裝置的控制以提供瞬時移動。
除了沿纖維長度上形態變化外，還可在本發明纖維網的纖維之間存在形態變化。例如，由于在湍流區中經歷較少的取向，一些纖維具有比其它纖維大的直徑。較大直徑的纖維經常具有有序性較差的形態，且與較小直徑的纖維相比，前者參與(即活性的)到粘合操作的程度不同，所述較小直徑的纖維通常具有更高度發育的形態。本發明纖維網中的大多數粘合可能涉及這種較大直徑的纖維，盡管不是必需，但它們本身經常在形態上變化。但在較小直徑形態變化的纖維內出現的有序性較差的形態(并因此具有較低的軟化溫度)的縱向段優選也參與網的粘合。
在圖中

圖1為用于形成本發明的非織造纖維網的裝置的整體示意圖。
圖2為用于形成本發明的非織造纖維網的加工室的放大側視圖，室的安裝裝置未示出。
圖3為圖2中所示的加工室連同安裝和其它輔助裝置的部分示意的俯視圖。
圖4a、4b和4c為本發明網中通過示例性纖維粘合的示意圖。
圖5為本發明網的一部分的示意圖，顯示纖維交叉和彼此粘合。
圖6、8和11為來自下述本發明兩個加工實施例的示例性網的掃描子顯微鏡照片。
圖7、9和10為在下述本發明加工實施例的示例性網上測量的雙折射值的圖形。
圖12為下述加工實施例的網的差示掃描量熱法點的圖形。
圖1顯示了可用于制備本發明的非織造纖維網的示例性裝置。在這種具體的示例性裝置中，通過將成纖材料引入到料斗11內，在擠出機12內熔化材料，并通過泵13將熔化材料泵送到擠出頭10內，從而將成纖材料送入到擠出頭10中。盡管最常使用丸或其它顆粒形式的固體聚合物材料并將其熔化為液體的可泵送狀態，但也可使用其它成纖液體如聚合物溶液。
擠出頭10可為常規的噴絲頭或噴絲組件，通常包括排列為規則圖案的多個孔，如直排式。從擠出頭中擠出成纖液體的長絲15并輸送到加工室或縮束裝置16。作為所需過程控制的一部分，可調整擠出長絲15在到達縮束裝置16之前行進的距離17，這也就是它們被暴露的條件。典型地，通過常規方法和裝置為擠出長絲提供一些空氣或其它氣體的驟冷流18以降低擠出長絲15的溫度。有時，可加熱驟冷流以得到所需的擠出長絲溫度和/或有利于長絲拉伸。可存在一種或多種空氣(或其它流體)流，例如，第一流18a橫向吹到長絲流上，這可除去擠出過程中不想要的氣體材料或釋放的煙霧；和獲得主要的所需溫度降低的第二驟冷流18b。根據正使用的過程或所需的成品形式，驟冷流可足以使擠出長絲15在到達縮束裝置16前部分凝固。但通常，在本發明的方法中，擠出長絲組分在進入縮束裝置時仍處于軟化或熔化狀態。或者，不使用驟冷氣流；在這種情況下，在擠出頭10和縮束裝置16之間的環境空氣或其它流體可為如下介質，其用于擠出長絲組分在進入縮束裝置前的任意溫度變化。
如下文中更詳細討論地，長絲15穿過縮束裝置16，然后離開。最常見的，如圖1所示，它們離開到收集器19上，在那里它們被收集作為可以是或不是粘附的纖維團20，為可處理網的形式。收集器19通常為多孔的，并且在收集器下面可設置排氣裝置14以幫助纖維沉積到收集器上。
在縮束裝置16和收集器19之間存在空氣或其它流體的湍流區21。當穿過縮束裝置的流到達縮束裝置末端的無約束空間時發生湍流，在那里釋放在縮束裝置內存在的壓力。流體流在離開縮束裝置時擴大，并在擴大的流內形成漩渦。這些漩渦(來自主流在不同方向上流動的流體漩渦)使它們內部的長絲經受不同于長絲在縮束裝置內部或上方通常經受的直線力的力。例如，長絲可在漩渦內經受往復拍打，并受到具有橫切于纖維長度的矢量分量的力。
加工長絲是長的，并通過湍流區行進了一段曲折隨機的路程。長絲的不同部分在湍流區內經受不同的力。某種程度上，在至少一些長絲部分上的縱向應力被減輕，因此那些部分變得比經受縱向應力作用更長時間的那些部分取向更少。
同時，長絲正冷卻。可控制湍流區內長絲的溫度，例如，通過控制長絲進入縮束裝置時長絲的溫度(例如通過控制擠出成纖材料的溫度、擠出頭和縮束裝置之間的距離、和驟冷流的量和性質)、縮束裝置的長度、長絲穿過縮束裝置時的速度和溫度、和縮束裝置到收集器19的距離。通過使部分或全部長絲和其段在湍流區內冷卻至長絲或段能凝固的溫度，長絲不同部分經歷的取向差異和相應的纖維形態變得凍結；即分子被熱捕獲到它們排列的位置。當纖維在收集器19上被收集時，至少在一定程度上在纖維內保留了不同纖維和不同段在穿過湍流區時經歷的不同取向。
根據長絲的化學組成，可在纖維中得到不同種類的形態。如下面所討論的，纖維內可能的形態形式包括無定形的、有序的或嚴格的無定形、取向無定形、晶體、取向或成形晶體、和延長鏈的結晶(有時稱為應變誘導的結晶)。這些不同種類的形態中的不同形態可沿單一纖維的長度存在，或以不同量或不同有序或取向程度存在。并且這些差異可存在至縱向段在粘合操作中沿纖維長度具有區別性軟化特性的程度。
在穿過所述的加工室和湍流區之后但在收集之前，擠出長絲或纖維可經歷圖1中未示出的多個輔助加工步驟，例如再次拉伸、噴涂等。收集時，收集纖維的整個團20可被輸送到其它裝置，如粘合烘箱、通風粘合器、壓延機、壓花臺、層壓機、切割機等；或可使它通過主動輥22并卷繞到存儲卷筒23。最常見的是，將團輸送到烘箱或通風粘合器中，在那里團被加熱以產生能穩定或進一步穩定團作為可處理網的自生粘合。本發明特別用作直接網形成過程，其中成纖聚合物材料在一個基本直接操作(包括長絲擠出、長絲加工、長絲在湍流區中的凝固、加工長絲的收集，和如果需要，進一步加工以將收集團轉變為網)中被轉變成網。本發明的非織造纖維網優選包括直接收集的纖維或直接收集的纖維團，意思是指當纖維離開成纖裝置時收集它們作為網狀團(可與直接形成的纖維團一起收集其它組分如短纖維或粒子，這在后文中描述)。
或者，離開縮束裝置的纖維可采取長絲、絲束或紗線的形式，它們可被卷繞到存儲線軸上或被進一步加工。本文所描述的具有均勻直徑和沿長度上發生形態變化的纖維被認為是新穎的和有用的。也就是說，如下纖維被認為是新穎的和有用的，其具有至少5厘米長的部分，該部分在直徑上有10％或更少的變化但形態沿該長度變化，如實施例所示，形態變化包括在選定的粘合操作中存在活性和惰性段，或沿長度有不同的次序或取向程度，或后文中所述的測量沿纖維或纖維部分的長度上密度或雙折射漸變的試驗。這類纖維或纖維集合體經常在被切碎至梳理長度并任選地與其它纖維混合后被形成為網，并組合成為非織造網形式。
圖1所示的裝置在實施本發明方面是有利的，因為它允許對穿過縮束裝置的長絲的溫度進行控制，允許長絲快速穿過室，并能在長絲上施加在長絲上引入所需高取向度的高應力。(在2001年4月16日提交的美國專利申請序列號09/835904和2001年11月8日提交的PCT/US01/46545并于2002年7月18日公布為WO 02/055782的相應PCT申請中也已描述了圖中所示的裝置，這兩篇文獻引入本文以供參考)。圖2和圖3中進一步示出了裝置的一些有利特征，圖2為典型加工設備或縮束裝置的放大側視圖，圖3為圖2中所示的加工裝置連同安裝和其它輔助裝置的部分示意的俯視圖。示例性的縮束裝置16包括兩個可活動的半區或分開的側16a和16b，以便在它們中間形成加工室24側16a和16b的相對面形成室的壁。從圖3的俯視圖看出，加工室或縮束室24通常為狹長的槽，具有橫向長度25(橫過于長絲通過縮束裝置行進的路徑)，其可隨正被加工的長絲的數量變化。
盡管以兩個半區或兩側的形式存在，但縮束裝置用作一個整體裝置并首先以其組合形式討論。(圖2和3所示的結構僅是代表性的，可使用各種不同的構造)。典型的縮束裝置16包括傾斜的入口壁27，其限定了縮束室24的入口空間或喉道24a。入口壁27優選在入口緣或表面27a處彎曲以使攜帶擠出長絲15的空氣流平穩進入。壁27連接到主體部分28上，并可具有凹陷區域29以在主體部分28和壁27之間形成間隙30。空氣可通過管道31引入到間隙30內，形成能提高穿過縮束裝置的長絲速度的氣刀(如箭頭32所示)，并且還具有對長絲的進一步驟冷影響。縮束裝置主體28優選在28a處彎曲以使空氣從氣刀32平穩移動到通道24。可選擇縮束裝置主體的表面28b的角度(α)以確定氣刀沖進穿過縮束裝置的長絲流的所需角度。代替在室入口附近，氣刀還可被設置在室內。
縮束室24可在其貫穿縮束裝置的縱向長度(沿貫穿縮束室的縱軸26的尺寸稱為軸向長度)上具有一致的間隙寬度(在兩個縮束裝置側之間的圖2頁面上的水平距離33在本文中稱為間隙寬度)。或者，如圖2所示，間隙寬度可沿縮束室的長度變化。優選地，縮束室在縮束裝置內部較窄；例如如圖2所示，在氣刀位置處的間隙寬度33為最窄的寬度，并且縮束室在沿其長度向著離去出口34方向上寬度擴大，如以角β。這種在縮束室24內部的變窄然后變寬形成了文丘里(Ventruri)效應，其能增加被引入到室內的空氣團并增加穿過室的長絲速度。在不同的實施方案中，縮束室由直或平的壁形成；在這類實施方案中，壁之間的間隔在它們的長度上可為恒定的，或可替換地，壁在縮束室的軸向長度上輕微分開或會聚。在所有這些情況下，形成縮束室的壁在本文中被認為是平行的，因為這相對精確平行的偏差是相當微小的。如圖2所示，形成通道24縱向長度的主體部分的壁可采取與主體部分28分開并連接到其上的板36的形式。
可改變縮束室24的長度以獲得不同的效果；改變對氣刀32和離去出口34之間的部分尤其有用，有時本文中稱其為斜槽長度35。室壁和軸26之間的角度可在出口34附近較寬以改變纖維到收集器上的分布以及改變在縮束裝置出口流動區的湍流和模式。還可在出口處使用結構如偏轉表面、柯恩達(Coanda)彎曲表面和不均勻壁長以獲得所需的流動力場以及纖維的鋪展或其它分布。通常，結合正加工的材料和所需的處理模式選擇間隙寬度、斜槽長度、縮束室形狀等以獲得所需效果。例如，較長的斜槽長度可用于提高制備纖維的結晶度。選擇條件并可寬范圍地改變條件以將擠出長絲加工成所需的纖維形式。
如圖3所示，典型縮束裝置16的兩側16a和16b各自通過連接到在桿39上滑動的直線軸承38的固定件37支撐。軸承38通過裝置如環繞桿徑向布置并在軸向上延伸的成排滾珠軸承而在桿上具有低摩擦行程，從而側16a和16b可容易地彼此對著和背離移動。固定件37連接到縮束裝置主體28和殼40上，來自供應管41的空氣通過殼40分布到管道31和氣刀32上。
在這種示例性實施方案中，氣缸43a和43b通過連接桿44分別連接到縮束裝置側面16a和16b上，并施加彼此相對的擠壓縮束裝置側面16a和16b的夾緊力。結合其它操作參數選擇夾緊力，以便平衡縮束室24內部存在的壓力。換句話說，在優選操作條件下，夾緊力與在縮束室內內部作用以擠壓縮束裝置側面分開的力平衡，例如在縮束裝置內部由氣體壓力產生的力。可擠出長絲材料，穿過縮束裝置并收集為成品纖維，同時縮束裝置部件保持在它們已建立的平衡或穩態位置，縮束室或通道24保持在其已建立的平衡或穩態間隙寬度。
在圖1至3所示的典型裝置的操作過程中，只有當存在系統擾動時通常才出現縮束裝置側面或室壁的移動。這種擾動可能在正被加工的長絲斷裂或與其它長絲或纖維纏結時出現。這種斷裂或纏結經常伴隨著縮束室24內壓力的升高，例如由于來自擠出頭或纏結的長絲的前端被擴大并造成室24的局部堵塞。升高的壓力足以迫使縮束裝置側面或室壁16a和16b彼此離開。當室壁有這種移動時，進入的長絲或纏結的末端可穿過縮束裝置，于是縮束室24中的壓力在擾動前返回到其穩態值，氣缸43施加的夾緊壓力使縮束裝置側面返回到它們的穩態位置。導致縮束室內壓力上升的其它擾動包括“滴液”，即當擠出長絲中斷時從擠出頭出口落下的成纖材料的球狀液體塊，或可結合并粘附到縮束室壁或先前沉積的成纖材料上的擠出長絲材料的積聚物。
實際上，縮束裝置側面16a和16b的一個或兩個“浮動”，即不用任何結構固定在適當的位置，而是被安裝以在圖1箭頭50的方向上橫向地自由容易地移動。在優選的布置中，除了摩擦力和重力外，作用在縮束裝置側面上的唯一的力是由氣缸和縮束室24內形成的內壓施加的偏置力。可使用除氣缸外的其它夾緊工具，如彈簧、彈性材料的變形體或凸輪；但氣缸提供了理想的控制和可變性。
存在多種替代方式來促使或允許加工室壁的理想移動。例如，取代依靠流體壓力迫使加工室的壁分開，可使用在室內的傳感器(例如能檢測壁上的堆積或室堵塞的激光或熱傳感器)激活能分開壁的伺服機構，然后使它們返回到其穩態位置。在本發明的另一有用裝置中，以振蕩模式驅動縮束裝置側面或室壁的一個或兩個，例如通過伺服機構、振動或超聲驅動設備。振蕩速率可在寬范圍內變化，包括例如至少5000周期/分鐘到60000周期/秒的速率。
在又一變化形式中，用于既分開壁又使它們返回到其穩態位置的移動方式簡單地采取在加工室內部的流體壓力和作用在室壁外部上的環境壓力之間差異的形式。更具體的說，在穩態操作期間，加工室內部的壓力(形成的在加工室內部作用的各種力的疊加，例如，由加工室的內部形狀、氣刀的存在、位置和設計、進入室的流體流的速度等形成)與作用在室壁外部的環境壓力平衡。如果室內部的壓力由于成纖過程的擾動升高，則室壁的一個或兩個從另一個壁離開直到擾動結束，于是加工室內部的壓力被降低到低于穩態壓力的水平(因為室壁之間的間隙寬度比在穩態操作時大)。于是，作用在室壁外部的環境壓力迫使室壁后退直到室內部的壓力與環境壓力平衡，從而穩態操作出現。對裝置和加工參數控制的缺乏使對壓差的單獨依賴成為欠理想的選擇。
總之，除了能瞬時移動和某些情況下“浮動”外，加工室的壁還通常服從于促使它們以理想方式移動的裝置。壁可被認為通常與引起壁理想移動的裝置連接，例如在物理上或運行上。移動方式可以是加工室或輔助裝置的任意特征、或操作條件或其組合，其引起可移動室壁的目的移動--分開移動，如阻止或減輕成纖過程中的擾動，和一起移動，如建立或使室返回到穩態操作。
在圖1至3所示的實施方案中，縮束室24的間隙寬度33與室內部存在的壓力或與通過室的流體流速和流體溫度相關。夾緊力與縮束室內部的壓力匹配并隨縮束室的間隙寬度而變化對于給定的流體流速，間隙寬度越窄，縮束室內部的壓力越高，從而夾緊力必須越高。較低的夾緊力允許較寬的間隙寬度。可在縮束裝置側面16a和16b的一個或兩個上使用機械堵塞如對接結構確保保持最小或最大間隙寬度。
在一種有用的布置中，氣缸43a比氣缸43b施加較大的夾緊力，例如在氣缸43a中使用比氣缸43b所用活塞直徑較大的活塞。在操作過程中發生擾動時，這種力的差異確保使縮束裝置側面16b作為往往最容易移動的側面。這種力的差異約等于并補償了抵抗軸承38在桿39上移動的摩擦力。可將限制裝置連接到較大的氣缸43a上以限制縮束裝置側面16a向縮束裝置側面16b移動。如圖3所示，一種示例性限制裝置使用雙桿氣缸作為氣缸43a，其中第二桿46有螺紋，延伸通過固定板47，并帶有可被調節以調整氣缸位置的螺母48。限制裝置的調節例如通過旋轉螺母48使縮束室24定位到與擠出頭10對齊。
由于上述的縮束裝置側面16a和16b的瞬時分開和再閉合，因而擴展了成纖操作的操作參數。先前使過程不能工作的一些條件(例如，因為它們將導致需要停工以重新穿進的長絲斷裂)變得可以接受；當長絲斷裂時，進入長絲端的重新穿進通常自動發生。例如，可使用導致頻繁長絲斷裂的較高速度。類似地，可使用狹窄的間隙寬度，其能使氣刀更集中并給予穿過縮束裝置的長絲更多的力和更大的速度。或以更熔融的狀態將長絲引入到縮束室內，從而允許對纖維性質有更大的控制，因為降低了堵塞縮束室的危險。可移動縮束裝置離擠出頭更近或更遠以控制尤其是長絲在進入縮束室時的溫度。
盡管縮束裝置16的室壁通常顯示為整體結構，但它們也可采取單獨部件的組合形式，其中單獨部件各自被安裝用于上述瞬時或浮動移動。單獨部件包括一個壁通過密封裝置與另外一個咬合以便保持加工室24內部的內壓。在一種不同的布置中，柔性材料片如橡膠或塑料形成加工室24的壁，從而當壓力局部升高(如由于單根長絲或長絲束斷裂造成的堵塞)時，室能局部變形。一系列或格式偏置裝置可咬合分段的或柔性壁；使用足夠的偏置裝置響應局部變形并偏置壁的變形部分恢復到其未變形位置。或者，一系列或格式振蕩裝置可咬合柔性壁并振蕩壁的局部區域。或者，按照上述方式，可使用加工室內部流體壓力和作用在壁或壁局部部分上的環境壓力之間的差促使一部分壁打開(如在處理擾動時)，和使壁返回到未變形或穩態位置(如在擾動結束時)。還可控制流體壓力以引起柔性或分段壁的振蕩持續狀態。
可以看到，在圖2和3所示的加工室的優選實施方案中，在室橫向長度的末端沒有側壁。結果是穿過室的纖維在它們接近室的出口時會向外鋪展到室外部。這種鋪展是所需要的以擴大收集器上收集的纖維團。在其它實施方案中，加工室確實包括側壁，可是在室一個橫向末端處的單個側壁未連接到室側面16a和16b上，因為如上所述，到兩個室側面的連接將妨礙側面的分開。代替地，側壁可連接到一個室側面上，并當和如果這個側面響應通道內壓力的變化移動時，側壁隨這個側面移動。在其它實施方案中，側壁是分開的，一部分連接到一個室側面上，另一部分連接到另外的室側面上，如果需要限制加工室內的加工纖維流，則側壁部分優選重疊。
盡管所示裝置(其中壁可瞬時移動)是更優選的，但本發明還可用使用現有技術中教導的加工室的裝置運行，其中限定加工室的壁在位置上固定，通常便利性和效率較低。
可使用各式各樣的成纖材料制造本發明的纖維網。可使用有機聚合物材料或無機材料如玻璃或陶瓷材料。盡管本發明特別適用于熔融形式的成纖材料，但也可使用其它成纖液體如溶液或懸浮液。可使用任何成纖有機聚合物材料，包括成纖中常用的聚合物如聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、尼龍和氨基甲酸乙酯。可使用通過紡粘或熔吹技術較難形成纖維的一些聚合物或材料，包括非晶態聚合物如環烯(具有限制它們在常規直接擠出技術中應用的高熔融粘度)、嵌段共聚物、苯乙烯基聚合物、聚碳酸酯、丙烯酸樹脂、聚丙烯腈和膠粘劑(包括壓敏種類和熱熔種類)。(對于嵌段共聚物，應注意到共聚物的單獨段可在形態上變化，如當一段為結晶或半結晶的時另一段為無定形的；本發明的纖維表現出的形態變化不是這種變化，而是更宏觀的性質，其中若干分子參與形成通常物理上可識別的纖維部分)。本文列出的具體聚合物僅是示例，各式各樣的其它聚合物材料或成纖材料都是有用的。有趣地是，本發明使用熔融聚合物的成纖過程可經常在比傳統直接擠出技術低的溫度下進行，這提供了大量優點。
還可由材料的混合物形成纖維，包括已混合了一定添加劑如顏料或染料的材料。如上所述，可制備雙組分纖維，如皮芯型或并列型雙組分纖維(本文的“雙組分”包括具有兩種以上組分的纖維)。另外，可通過擠出頭的不同孔擠出不同的成纖材料，以便制備包括纖維混合物的網。在本發明的其它實施方案中，可在收集纖維前或收集纖維時將其它材料引入到根據本發明制備的纖維流中，以便制備混合網。例如，可按照美國專利No.4118531中教導的方式混合其它人造纖維；或可按照美國專利No.3971373中教導的方式在網內引入顆粒材料并俘獲；或可將美國專利No.4813948中教導的微型網混入到網中。或者，可將根據本發明制備的纖維引入到其它纖維流中以制備纖維混合物。
除了上述纖維和段之間取向的變化，本發明的網和纖維能表現出其它獨特的特性。例如，在一些收集網中，發現了中斷即斷裂、或與它們自身或其它纖維纏繞、或另外在咬合加工室壁時變形的纖維。在中斷位置處的纖維段即在纖維斷裂點處的纖維段和發生纏繞或變形的纖維段在本文中均被稱為中斷纖維段，或更一般地為了簡寫目的，經常簡單地稱為“纖維端”這些中斷纖維段形成纖維末受影響長度的終點或末端，即使在纏繞或變形的情況下，也經常沒有實際的纖維斷裂或切斷。
纖維端具有纖維形式(和熔吹或其它先前方法中有時得到的球形相反)但通常在直徑上擴大超過纖維的中間或中部；通常它們直徑小于300微米。通常，纖維端尤其是斷裂端具有卷曲或螺旋形狀，這導致端與它們自身或其它纖維纏繞。纖維端可被并列地與其它纖維粘合，例如通過纖維端材料與鄰近纖維的材料自生聚結。
所述纖維端出現是由于圖1至3所示成纖過程獨特的特性，其(這在下文中更詳細地描述)能繼續而不管個別成纖中的斷裂和中斷。這種纖維端可能不會在本發明所有的收集網中出現，但可至少在一些有用的操作過程參數中出現。個別纖維可經歷中斷，例如可在加工室中被拉伸時斷裂，或由于從加工室的壁偏斜或由于加工室內的湍流而與它們自身或另外的纖維纏繞；盡管有這種中斷，但本發明的成纖過程仍能繼續。結果是收集網可包括大量的可檢測數量的纖維端，或纖維中存在不連續的中斷纖維端。由于中斷一般在加工室中或加工室后發生，而在加工室中纖維一般受到拉伸力，因此當纖維斷裂、纏繞或變形時它們處于張力下。斷裂或纏繞通常導致張力的中斷或釋放并使纖維端縮回和直徑增長。另外，斷裂端能夠自由在加工室中的流體流內移動，這至少在某些情況下導致端卷成螺旋形狀并與其它纖維纏繞。包括纖維端擴大的纖維的網可具有這樣的優點，即纖維端可包括適于增加網粘合的更易軟化的材料；并且螺旋形狀能提高網的粘結性。盡管為纖維形式，但纖維端仍具有比中間或中部大的直徑。中斷纖維段或纖維端通常少量出現。纖維的中間主要部分(“中部”包括“中間段”)具有上述特性。中斷是孤立和隨機的，即它們不會以有規律的重復性或預定的方式出現。
上述位于中間的縱向段(本文中經常簡單地稱為縱向段或中間段)不同于剛才討論的纖維端，其中，因為縱向段通常具有與相鄰縱向段相等或相近的直徑。盡管作用在相鄰縱向段上的力可完全彼此不同以導致段間形態的上述差異，但力不能不同到可充分改變纖維內部相鄰縱向段的直徑或拉伸比。優選地，相鄰縱向段在直徑上差異不超過約10％。更常見的，本發明的網中纖維的有效長度(如5厘米或以上)在直徑上變化不超過約10％。這種直徑均勻性是有利的，例如，因為它有助于網內部性質的均勻性，并考慮到有蓬松性的低密度網。當在沒有網的點粘合或壓延中出現的大量纖維變形的情況下粘合本發明的網時，可進一步提高這種性質和蓬松性的均勻性。在整個纖維長度中，直徑可充分變化(但優選不變化)超過10％；但變化是逐步的以便相鄰縱向段具有相同或相近的直徑。縱向段可在長度上廣泛地變化，從非常短的同纖維直徑(如約10微米)一樣長的長度到較長的長度如30厘米或更長。通常，縱向段在長度上小于約2毫米。
盡管在本發明的網中相鄰縱向段不能在直徑上差別太大，但在纖維和纖維之間可存在直徑上的明顯變化。總體上，特殊纖維在作用在纖維的力的合力上可經歷與另外的纖維明顯的差異，這些差異可導致特殊纖維的直徑和拉伸比不同于其它纖維的那些。較大直徑的纖維往往比較小直徑的纖維具有較小的拉伸比和較少發育的形態。較大直徑的纖維在粘合操作中比較小直徑的纖維更有活性，尤其在自生粘合操作中。在網內，主要的粘合可從較大直徑的纖維得到。但是，我們也觀察到粘合似乎更可能在較小直徑的纖維之間發生的網。通常可通過控制成纖操作中的各種參數控制網內纖維直徑的范圍。總是優選直徑的窄范圍，例如，為了使網的性能更均勻并使為實現粘合而施加到網的熱最少。
盡管網內充分存在形態上的差異用于提高粘合，但纖維還可在形態上充分發育以提供理想的強度性能、耐久性和尺寸穩定性。纖維本身可是堅固的，由于更有活性的粘合段和纖維獲得的改進粘合進一步提高了網強度。良好的網強度與提高的便利性和粘合性能的組合實現了本發明的網的良好效用。在為結晶和半結晶聚合物材料時，本發明的優選實施方案提供了在纖維中包括鏈延長的結晶結構(還稱為應變誘導的結晶)的非織造纖維網，從而提高了網的強度和穩定性(可通過X射線分析檢測鏈延長的結晶以及其它種類的結晶)。那種具有自生粘合有時為圓周滲透粘合的結構的組合是更有利的。網的纖維可在其大部分長度上直徑相當均勻并與其它纖維無關以獲得具有理想蓬松性性能的網。可得到90％或更高的蓬松性(與密實性相對并包括網中空氣的體積與網總體積的比乘以100)和用于多種目的如過濾或絕緣。甚至低取向的纖維段也優選經受一些能沿纖維總長度提高纖維強度的取向。
總之，本發明的纖維網通常包括縱向段在形態上彼此不同和具有相應粘合特性的纖維，其還可包括能表現出與纖維中至少部分其它段不同的形態和粘合特性的纖維端；纖維網還可包括直徑彼此不同并在形態和粘合特性上與網內其它纖維有差異的纖維。
其它非結晶的成纖材料也能從高取向度中受益。例如，聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的非結晶形式在高度取向時能提供改善的機械性能。這類聚合物的纖維的形態可沿纖維的長度變化，例如，從無定形到有序無定形到取向無定形到不同的有序或取向程度。(申請序列號10/151780，2002年5月20日提交(代理檔案號57738US002)，特別涉及到非織造的無定形纖維網及其制造方法，本文引入作為參考。)長絲中聚合物鏈的最終形態既受湍流區的影響又受其它操作參數選擇的影響，如進入縮束裝置的長絲的凝固程度、通過氣刀引入到縮束裝置的氣流的速度和溫度、和縮束裝置通道的軸向長度、間隙寬度和形狀(因為例如形狀影響文丘里效應)。
當粘合段充分流動形成如示意圖4a和4b所示的圓周滲透型粘合時得到最佳粘合。這種粘合在粘合纖維之間形成更廣泛的接觸，增大的接觸面積提高了粘合強度。圖4a圖示了一個纖維或段52變形而另一纖維或段53基本上保持其橫截面形狀的粘合。圖4b圖示了兩個纖維55和56被粘合并且各自橫截面形狀變形的粘合。在圖4a和圖4b中，都顯示了圓周滲透粘合圖4a中的虛線54顯示了纖維52除由纖維53的滲透引起的變形外的形狀；圖4b中的虛線57和58顯示了纖維56和55除粘合外分別具有的形狀。圖4c示意圖示了在可不同于圓周滲透粘合的粘合中粘合在一起的兩個纖維，其中來自纖維中一個或多個的外部(如同中心部分)的材料結合將兩個纖維連接在一起而實際上沒有滲透纖維中任何一個的圓周。
圖4a-4c中圖示的粘合可為自生粘合，例如通過在不施加壓延壓力的情況下加熱本發明的網得到。這種粘合使網手感更柔軟并在壓力下蓬松性保持力更大。但是，如在點粘合或大面積壓延中的壓力粘合也是有用的。還可通過應用紅外線、激光、超聲波或其它能熱激活或另外激活纖維間粘合的能量形式形成粘合。還可使用溶劑涂敷。當網只受只有助于部分粘合的有限壓力時，網既能表現出自生粘合又能表現出壓力成形粘合。具有自生粘合的網在本文中被視為被自生地粘合，即使還存在有限數量的其它種類的壓力成形粘合。通常，在實施本發明時，理想地選擇這樣的粘合操作，即使一部分縱向段軟化并在粘合到相鄰纖維或纖維部分的粘合中具有活性，而其余的縱向段在獲得粘合時保持惰性或沒有活性。
圖5圖示了在本發明的非織造纖維網中使用的纖維的活性/惰性段特征。圖5中所示的纖維集合體包括沿整個長度上為活性的縱向段(在圖5邊界內)、在整個長度上為惰性的縱向段和既包括活性縱向段又包括惰性縱向段的纖維。用斷面線描述的纖維部分是活性的，沒有斷面線的部分是惰性的。盡管為了說明目的將活性和惰性縱向段之間的邊界描述得明顯，但應理解到邊界在實際纖維中可較緩和。
更具體地說，纖維62在圖5的邊界內被描述為完全惰性。纖維63和64在圖5的邊界內被描述為既有活性段又有惰性段。纖維65在圖5的邊界內被描述為完全活性。纖維66在圖5的邊界內被描述為既有活性段又有惰性段。纖維67被描述為沿其整個長度是活性的，這在圖5內看到。
纖維63、64和65之間的交點70一般會引起粘合，因為在那個交點處的所有纖維段是活性的(本文中的“交點”是指纖維彼此接觸的位置；一般需要樣品網的三維觀察來檢查是否存在接觸和/或粘合)。纖維63、64和66之間的交點71一般也會引起粘合，因為纖維63和64在那個交點處是活性的(盡管纖維66在交點處是惰性的)。交點71圖示了這樣的原則，即在活性段和惰性段彼此接觸的地方，一般會在那個交點處形成粘合。在纖維62和67交叉的交點72處也看到這種原則，在纖維67的活性段和纖維62的惰性段之間形成了粘合。交點73和74圖示了在纖維65和67(交點73)的活性段和纖維66和67(交點74)的活性段之間的粘合。在交點75處，一般在纖維62的惰性段和纖維65的活性段之間形成粘合。但是，一般不會在也在交點75處交叉的纖維62的惰性段和纖維66的惰性段之間形成粘合。因此，交點75圖示了兩個彼此接觸的惰性段一般不會引起粘合的原則。交點76一般包括纖維62的惰性段和在這個交點處會合的纖維63和64的活性段之間的粘合。
纖維63和64圖示了在兩個纖維63和64沿它們的部分長度彼此鄰接放置的地方，纖維63和64一般會粘合，只要纖維中的一個或兩個是活性的(這種粘合可在纖維制備過程中發生，其在本文中被視為自生粘合)。因此，纖維63和64被描述為在交點71和76之間彼此粘合，因為兩個纖維在那段距離內是活性的。另外，在圖5的上端，纖維63和64在只有纖維64是活性的地方也是粘合的。相反，在圖5的下端，纖維63和64在兩個纖維轉變到惰性段處分叉。
可在本發明纖維的不同段(內部段以及纖維端)上進行分析比較以說明不同的特性和性能。密度的變化經常伴隨著本發明纖維形態的變化，一般可用本文中限定的沿纖維長度的密度梯度試驗(Test forDensity Gradation Along Fiber Length)(有時更簡單地稱為梯度密度試驗)檢測密度的變化。這個試驗基于ASTM D1505-85中描述的密度-梯度技術。這項技術使用密度-梯度管即充滿有至少兩種不同密度液體混合的溶液的量筒或管來提供在管高度上的密度梯度。在標準試驗中，液體混合物充滿管至至少60厘米的高度，以便在液體混合物密度中提供所需的逐漸變化。液體的密度應在柱的高度內以約0.0030和0.0015克/立方厘米/厘米柱高之間的速度變化。將來自被試驗的纖維或網樣品的纖維塊切至長度為1.0毫米并投入管中。在至少三個分開至少3英寸(7.62厘米)的位置處取網樣品。在沒有拉力下在玻璃板上伸展纖維并用剃刀切割。使用40mm長、22mm寬和0.15mm厚的玻璃板從切割纖維塊的玻璃板上刮去切割的纖維塊。在將纖維放入到柱中前，用β輻射源為纖維除去離子30秒。
在進行密度和纖維位置測量前，使纖維原地沉降48小時。塊在柱中沉降至它們的密度水平，并從水平變化到垂直的占據位置，根據它們在長度上密度是否有變化等密度塊占據水平位置，而密度變化的塊偏離水平并占據較垂直的位置。在標準試驗中，將二十個來自被試驗樣品的纖維塊送入到密度-梯度管中。一些纖維塊可靠著管壁被接合，其它纖維塊可與其它纖維塊成束狀。這種接合的或成束的纖維被忽略，只考慮自由的塊-未接合的和未成束的。如果送入到柱中的20個塊少于一半保持為自由的塊，則必須重新進行試驗。
視覺上得到角度測量值至最接近的5度增量。彎曲纖維的角度處理基于彎曲纖維中點處的切線。在本發明的纖維或網的標準試驗中，通常至少5個自由塊在試驗中占據與水平方向至少30度的位置。更優選地，至少一半的自由塊占據這種位置。另外，更優選地，塊(至少5個并優選至少一半自由塊)占據與水平方向45度或更多的位置，或甚至與水平方向60或85度或更多的位置。與水平方向的角度越大，密度上的差異就越大，這往往與形態上較大的差異有關，從而使區別活性段和惰性段的粘合操作更可能并更方便地實現。另外，排列在與水平方向一個角度的纖維塊的數目越大，形態上的變化往往就越普遍，這進一步有助于得到所需的粘合。
由結晶聚合物制備的本發明的纖維經常顯示出段與段之間雙折射上的差異。通過用偏振光顯微鏡觀察單個纖維并使用Michel-Levy圖估計延遲值(參見On-Line Determination of Density and CrystallinityDuring Melt Spinning，Vishal Bansal等人Polymer Engineering andScience，November 1996，Vol.36，No.2，第2785-2798頁)，用以下公式得到雙折射雙折射＝延遲(nm)/1000D，其中D為以微米表示的纖維直徑。我們發現本發明的對雙折射測量敏感的纖維通常包括雙折射值相差至少5％并優選至少10％的段。較大的差異經常如下面的加工實施例所示出現，本發明的一些纖維包括雙折射值相差20或甚至50％的段。
不同的纖維或纖維部分還可表現出用差示掃描量熱法(DSC)測量的性能上的差異。例如，在本發明包括結晶或半結晶纖維的網上的DSC試驗可利用雙熔融峰的存在揭示鏈延長結晶的存在。對于鏈延長或應變誘導的結晶部分的熔點可得到較高溫度的峰；另外，通常較低溫度的峰出現在非鏈延長或有序性差的結晶部分的熔點處。(本文的術語“峰”是指可歸因于單一過程的加熱曲線部分，例如纖維的特殊分子量部分如鏈延長部分的熔融；有時，峰彼此充分靠近，從而一個峰具有曲線突出部分限定出另外的峰的外觀，但它們仍被視為單獨的峰，因為它們代表截然不同的摩爾分數的熔點。)在另一個例子中，使用未加工的無定形聚合物(即用于形成本發明纖維的聚合物的小球)、根據本發明制造的無定形聚合物纖維和模擬粘合后的本發明的無定形聚合物纖維(加熱以模擬例如自生粘合操作)得到數據。
形成的無定形聚合物纖維和模擬粘合后的無定形聚合物纖維之間的熱性能差異表明形成纖維的加工以提高粘合能力能的方式顯著影響無定形聚合物材料。所有的形成纖維和模擬粘合后的纖維的MDSC(調制差示掃描量熱法)掃描呈現出明顯的熱應力釋放，其可為形成纖維和模擬粘合后的纖維兩者中有效取向水平的證明。例如，可通過在比較形成的無定形聚合物纖維與模擬粘合后的無定形聚合物纖維時擴大玻璃化轉變范圍來證明應力釋放。盡管不希望受理論束縛，但可描述出本發明的無定形聚合物纖維部分表現出有序的局部分子結構壓縮，有時稱為剛性或有序的無定形部分，是在成纖過程中長絲熱處理和取向聯合的結果(參見如P.P.Chiu等人，Macromolecules，33，9360-9366)。
用于制造纖維的無定形聚合物的熱行為明顯不同于模擬粘合前或后的無定形聚合物纖維的熱行為。這種熱行為可優選包括例如玻璃化轉變范圍的變化。因而，與處理前的聚合物相比，使本發明的聚合物纖維具有擴大的玻璃化轉變范圍的特征是有利的，其中聚合物纖維的玻璃化轉變范圍的開始溫度(即軟化開始出現的溫度)和結束溫度(即基本上全部聚合物達到橡膠相的溫度)以增加整個玻璃化轉變范圍的方式移動。換句話說，開始溫度降低，結束溫度增加。在某些情況下，只有玻璃化轉變范圍的結束溫度增加就是足夠的。
擴大的玻璃化轉變范圍可提供更寬的過程時間，其中在聚合物纖維保持其纖維形狀的同時可實現自生粘合(因為纖維中的全部聚合物不會在已知纖維的較窄玻璃化轉變范圍內軟化)。應注意到優選相對于已通過加熱和冷卻除去殘余應力后的起始聚合物的玻璃化轉變范圍測量擴大的玻璃化轉變范圍，其中殘余應力可能是因為例如將聚合物加工成小球用于分布時存在。
此外，不希望受理論束縛，可認為纖維中無定形聚合物的取向可導致玻璃化轉變范圍開始溫度的降低。在玻璃化轉變范圍的另一端，這些由于上所述加工而達到剛性或有序無定形相的無定形聚合物纖維部分可提供升高的玻璃化轉變范圍的結束溫度。因此，制造時纖維的拉伸或取向變化可用于改變玻璃化轉變范圍的擴大，例如提高擴大或減小擴大。
當通過在烘箱中加熱粘合本發明的網時，可改變纖維段形態。烘箱的加熱具有退火效應。因此，當取向纖維在加熱時具有收縮趨勢(其可通過存在鏈延長或其它類型的結晶而被最小化)時，粘合操作的退火效應連同粘合本身的穩定效應可減輕收縮。
根據本發明制備的纖維的平均直徑可在寬范圍內變化。可得到微纖維尺寸(直徑約10微米或更小)，并提供若干益處；但也可制備較大直徑的纖維并用于特定用途；通常纖維直徑為20微米或更小。最常制備圓形橫截面的纖維，但也可使用其它橫截面形狀。依賴于選擇的操作參數，例如進入縮束裝置前來自熔融態的凝固程度，收集纖維可為相當連續的或基本上不連續的。
使用如圖1至3所示裝置的成纖具有這樣的優點，即能以非常快的速度處理長絲，而這種速度在使用加工室來提供擠出長絲材料的主要縮束的直接網形成過程中不能使用。例如，已知不能在使用這種加工室的過程中以8000米/分鐘的表觀長絲速度處理聚丙烯，但用這種裝置時這樣的表觀長絲速度是可以的(使用術語表觀長絲速度，是因為例如由聚合物流速、聚合物密度和平均纖維直徑來計算速度)。甚至已獲得了更快的表觀長絲速度，例如10000米/分鐘，或甚至14000或18000米/分鐘，可使用許多聚合物得到這些速度。另外，可在擠出頭的每個孔中處理大量聚合物，這些大量聚合物被加工而同時高速移動擠出的長絲。這種結合產生高生產指數--聚合物通過量速度(如以克/孔/分鐘表示)乘以擠出長絲的表觀速度(如以米/分鐘表示)。可容易地以9000或更高的生產指數實施本發明的過程，即使在生產直徑平均為20微米或更小的長絲時。
當長絲進入或離開縮束裝置時，可使用各種常規用作成纖過程輔助過程的過程與長絲結合，如噴灑修整劑或其它材料到長絲上，施加靜電荷到長絲上，應用水霧等。另外，可向收集網中加入各種材料，包括粘合劑、膠粘劑、修整劑和其它網或膜。
盡管一般沒有理由這么做，但可按照常規熔吹操作中使用的方式用主氣流從擠出頭中吹出長絲。這種主氣流引起長絲的最初縮束和拉伸。
實施例1至4使用圖1至3所示的裝置由本征粘度為0.60的聚對苯二甲酸乙二醇酯(3M PET樹脂651000)制備四種不同的纖維網。在四個實施例的每一個中，都將PET在擠出機中加熱至270℃(溫度在擠出機12中靠近泵13出口處測得)，并將模加熱至如下面表1所列的溫度。擠出頭或模有四排孔，每排有21個孔，總共84個孔。模有4英寸(101.6毫米)的橫向長度。孔直徑為0.035英寸(0.889mm)，L/D比為6.25。聚合物流速為1.6克/孔/分鐘。
模和縮束裝置之間的距離(圖1中的尺寸17)為15英寸(約38厘米)，縮束裝置到收集器的距離(圖1中的尺寸21)為25英寸(略微小于64厘米)。氣刀間隙(圖2中的尺寸30)為0.030英寸(0.762毫米)；縮束裝置主體角度(圖2中的α)為30°；使室溫空氣通過縮束裝置；縮束裝置斜槽的長度(圖2中的尺寸35)為6.6英寸(167.64毫米)。氣刀具有約120毫米的橫向長度(圖3中槽長度25的方向)；形成氣刀凹槽的縮束裝置主體28具有約152毫米的橫向長度。連接到縮束裝置主體的壁36的橫向長度為5英寸(127毫米)。
其它縮束裝置參數還按下面表1所述變化，包括在縮束裝置頂部和底部的間隙(在圖2中分別為尺寸33和34)；和通過縮束裝置的空氣的總體積(以實際立方米/分鐘或ACMM表示；大約列出體積的一半通過每個氣刀32)。
表1
在常規多孔網形成收集器上在未粘合條件下在尼龍紡粘稀松布上收集纖維網。然后使網通過120℃的烘箱10分鐘，同時被抓在阻止網收縮的針板上。后一步驟引起如圖6所示的網內的自生粘合，圖6為實施例1的部分網的掃描電鏡圖片(150×)。
使用偏振光顯微鏡在制備的網上進行雙折射研究，以檢查網內和纖維內的取向程度。在纖維的不同縱向段上按常規地觀察到不同顏色。使用Michel-Levy圖估計延遲，并確定雙折射值。在圖7中圖形化描述了在每個實施例的網的研究中的范圍和平均雙折射。縱坐標以雙折射單位繪制，橫坐標以表現出具體雙折射值的纖維段對四個實施例中的每一個出現的不同比例繪制。
還分析每個實施例以識別等直徑纖維中雙折射的變化。研究等直徑纖維，但研究的纖維截面不必來自相同纖維。下面的表2中提供了實施例4得到的結果。顯然，也檢測到不同的顏色。對于其它實施例，也發現了等直徑時雙折射的類似變化。
表2
還在單個纖維內發現了雙折射的變化，如下面的表3所示，其來自實施例4網的兩個纖維的研究。
表3
實施例5至8在圖1至3所示裝置上由聚對苯二甲酸丁酯(Ticona供應的PBT-1；密度為1.31g/cc，熔點227℃，玻璃化轉變溫度66℃)制備纖維網。擠出機溫度設在245℃，模溫度為240℃。聚合物流速為1克/孔/分鐘。模和縮束裝置之間的距離為14英寸(約36厘米)，縮束裝置到收集器的距離為16(約41厘米)。另外的條件在表4中指明，其它參數通常如實施例1至4所給出。
表4
在未粘合條件下收集網，然后使其通過220℃的烘箱1分鐘。圖8為顯示實施例5的網中粘合的500倍下的SEM。
研究雙折射，不同實施例的范圍和平均雙折射如圖9所示。通過這些研究，在纖維之間和纖維內部發現了形態變化。
實施例9至14在圖1至3所示裝置上使用透明形式的PTT(Shell Chemicals供應的CP509201)(實施例9至11)和包含0.4％TiO2的形式(CP509211)(實施例12至14)制備聚對苯二甲酸亞丙基酯(PTT)的網。擠出模如實施例1至4中所述，并被加熱至下表5中列出的溫度。聚合物流速為1.0克/孔/分鐘。
表5
模和縮束裝置之間的距離(圖2中的尺寸17)為15英寸(約38厘米)，縮束裝置到收集器的距離(圖2中的尺寸21)為26英寸(約66厘米)。其它參數如實施例1至4中所給出，或如表5中所描述。在未粘合條件下在尼龍紡粘(Cerex)稀松布上收集網，然后在收集器上成一行通過熱氣刀用于粘合。
實施例9至11的雙折射研究產生如圖10所示的結果。隨機選擇的直徑為14微米的纖維顯示出僅分開幾毫米時雙折射從0.0517到0.041(用顏色圖確定)的差異。
實施例15除下列以外，在圖1至3所示裝置上和實施例1至4所述的模和縮束裝置上制造聚乳酸(Cargill-Dow供應的等級625OD)纖維。擠出機和模的溫度設在240℃。模和縮束裝置之間的距離為12英寸(約30.5厘米)，縮束裝置和收集器之間的距離為25英寸(63.5厘米)。縮束裝置的頂部間隙為0.168英寸(4.267mm)，底部間隙為0.119英寸(3.023mm)。在烘箱中于55℃下粘合收集網10分鐘。網中的纖維表現出變化的形態并被自生粘合。
實施例16使用如圖1至3所示裝置由熔體流動指數為70的聚丙烯(Fina3860)制備纖維網。參數通常如實施例1至4所描述，除了聚合物流速為0.5克/孔/分鐘，模有直徑為0.343mm的168個孔，孔L/D比為3.5，頂部和底部的縮束裝置間隙為7.67mm，模到縮束裝置的距離為108mm，縮束裝置到收集器的距離為991mm。
使用空氣被加熱至166℃并且表面速度大于100米/分鐘的熱氣刀粘合網。
為了說明沿纖維長度上表現的形態變化，使用上述沿纖維長度的密度梯度試驗進行重量分析。柱包含甲醇和水的混合物。表6中給出管中自由纖維塊的結果，給出了沿管高度以厘米表示的具體纖維塊(纖維中點)的位置、纖維塊的角度和計算的纖維塊的平均或整體密度。
表6
被排列纖維塊的角度的平均值為85.5°，這些角度的中值為90°。
實施例17使用圖1至3所示裝置和實施例1至4所述的模由尼龍6樹脂(BASF供應的Ultramid B3)制造纖維網。擠出機和模的溫度設在270℃。聚合物流速為1.0克/孔/分鐘。模和縮束裝置之間的距離為13英寸(約33厘米)，縮束裝置和收集器之間的距離為25英寸(63.5厘米)。縮束裝置的頂部間隙為0.135英寸(3.429mm)，底部間隙為0.112英寸(2.845mm)。斜槽長度為167.4毫米。通過縮束裝置的氣流為142SCFM(4.021ACMM)。使用空氣溫度為220℃并且表面速度大于100米/分鐘的熱氣刀在收集器上成一行粘合網。
在偏振光顯微鏡下，網顯示出沿纖維和纖維之間不同的取向程度。識別沿長度上顯示出雙折射變化的部分纖維，并使用Michel Levy圖和Berek補償器技術測量兩個位置處的雙折射。結果示于表7。
表7
實施例18使用圖1至3的裝置和如實施例1至4所述的擠出模，由聚氨酯(Morton PS-440-200，熔體流動指數為37)制備非織造纖維網。聚合物通過量為1.98克/孔/分鐘。縮束裝置基本上如實施例1至4所述，在頂部具有0.196英寸(4.978mm)的間隙，在底部具有0.179英寸(4.547mm)的間隙。通過縮束裝置的空氣量大于3ACMM。縮束裝置在模下為12.5英寸(31.75cm)，在收集器上為24英寸(約61cm)。包括直徑平均為14.77微米的纖維的網在收集時自粘合，并且不需要或進行進一步的粘合步驟。
使用偏振光顯微鏡，在相同樣品的纖維之間和沿相同纖維方向上可觀察到形態/取向變化。識別沿纖維方向上表現出雙折射變化的纖維部分，并使用Michel Levy圖和Berek補償器技術測量兩個位置處的雙折射。結果示于表8。
表8
還使用了沿纖維長度的密度梯度試驗檢測了形態變化，使用甲醇和水的混合物，結果示于表9。
表9
平均角度為79.25°，中值角度為82.5°。
實施例19使用圖1至3所示裝置和實施例1至4所述的擠出模由熔體流動指數為30和密度為0.95的聚乙烯(Dow 6806)制備聚乙烯非織造纖維網。擠出機和模的溫度設在180℃。通過量為1.0克/孔/分鐘。縮束裝置基本上如實施例1至4所述，放置在模下面15英寸(約38厘米)和收集器上面20英寸(約51厘米)。縮束裝置間隙在頂部為0.123英寸(3.124mm)，在底部為0.11英寸(2.794mm)。通過縮束裝置的氣流為113SCFM(3.2ACMM)。使用空氣溫度為135℃和表面速度大于100米/分鐘的熱氣刀粘合收集網。
識別沿纖維方向上表現出雙折射變化的纖維部分，并使用MichelLevy圖和Berek補償器技術測量纖維上兩個位置處的雙折射。結果示于表10。
表10
實施例20重復實施例19，除了模有168個孔，孔直徑為0.508毫米，縮束裝置間隙在頂部為3.20mm，在底部為2.49mm，斜槽長度為228.6毫米，通過縮束裝置的氣流為2.62ACMM，縮束裝置到收集器的距離為約61厘米。
使用甲醇和水的混合物進行沿纖維長度的密度梯度試驗，結果如表11所示。
表11
試驗中的平均角度為76.5°，中值角度為80°。
實施例21使用圖1至3所示裝置和使用環烯烴聚合物(得自Ticona的TOPAS6017)制備無定形聚合物纖維。在擠出機中加熱聚合物至320℃(溫度在擠出機12中靠近泵13出口處測得)，并將模加熱至320℃的溫度。擠出頭或模有四排孔，每排有42個孔，總共168個孔。模有4英寸(102毫米(mm))的橫向長度。孔直徑為0.020英寸(0.51mm)，L/D比為6.25。聚合物流速為1.6克/孔/分鐘。
模和縮束裝置之間的距離(圖1中的尺寸17)為33英寸(約84厘米)，縮束裝置到收集器的距離(圖1中的尺寸21)為24英寸(約61厘米)。氣刀間隙(圖2中的尺寸30)為0.030英寸(0.762毫米)；縮束裝置主體角度(圖2中的α)為30°；使室溫空氣通過縮束裝置；縮束裝置斜槽的長度(圖2中的尺寸35)為6.6英寸(168毫米)。氣刀具有約120毫米的橫向長度(圖3中槽長度25的方向)；形成氣刀凹槽的縮束裝置主體28具有約152毫米的橫向長度。連接到縮束裝置主體的壁36的橫向長度為5英寸(127毫米)。
縮束裝置頂部間隙為1.6mm(圖2中的尺寸33)。縮束裝置底部間隙為1.7mm(圖2中的尺寸34)。通過縮束裝置的空氣的總體積為3.62實際立方米/分鐘(ACMM)約一半的體積通過每個氣刀32。
在未粘合條件下在常規多孔網形成收集器上收集纖維網。然后將網在烘箱中于300℃下加熱1分鐘。后一步驟引起如圖11所示的網內的自生粘合(使用掃描電子顯微鏡在200×放大率下獲得的顯微照片)。可以看出，自生粘合的無定形聚合物纖維在粘合后保持了它們的纖維形狀。
為說明沿纖維長度上表現出的形態變化，使用上述的梯度密度試驗進行重量分析。根據ASTM D1505-85，柱包含水-硝酸鈣溶液的混合物。表12中給出了柱內從頂部移動到底部的二十個塊的結果。
表12
纖維的平均角度為85.5°，中值為85°。
實施例22使用圖1至3所示裝置和使用熔體流動指數為15.5、密度為1.04的聚苯乙烯(得自Nova Chemicals的晶體PS 3510)制備無定形聚合物纖維。在擠出機中加熱聚合物至268℃(溫度在擠出機12中靠近泵13出口處測得)，并將模加熱至268℃的溫度。擠出頭或模有四排孔，每排有42個孔，總共168個孔。模有4英寸(102毫米)的橫向長度。孔直徑為0.343mm，L/D比為9.26。聚合物流速為1.00克/孔/分鐘。
模和縮束裝置之間的距離(圖1中的尺寸17)為約318毫米，縮束裝置到收集器的距離(圖1中的尺寸21)為610毫米。氣刀間隙(圖2中的尺寸30)為0.76毫米；縮束裝置主體角度(圖2中的α)為30°；使溫度為25攝氏度的空氣通過縮束裝置；縮束裝置斜槽的長度(圖2中的尺寸35)為(152毫米)。氣刀具有約120毫米的橫向長度(圖3中槽長度25的方向)；形成氣刀凹槽的縮束裝置主體28具有152毫米的橫向長度。連接到縮束裝置主體的壁36的橫向長度為5英寸(127毫米)。
縮束裝置頂部間隙為4.4mm(圖2中的尺寸33)。縮束裝置底部間隙為3.1mm(圖2中的尺寸34)。通過縮束裝置的空氣的總體積為2.19ACMM(實際立方米/分鐘)；約一半的體積通過每個氣刀32。
在未粘合條件下在常規多孔網形成收集器上收集纖維網。然后將網在烘箱中于200℃下加熱1分鐘。后一步驟引起網內的自生粘合，自生粘合的無定形聚合物纖維在粘合后保持了它們的纖維形狀。
為說明沿纖維長度上表現出的形態變化，使用上述的梯度密度試驗進行重量分析。柱包含水和硝酸鈣溶液的混合物。表13中給出了柱內從頂部移動到底部的二十個塊的結果。
表13
纖維的平均角度為83°，中值為85°。
實施例23使用圖1至3所示裝置和使用熔體流動指數為8、密度為0.9的13％苯乙烯和87％乙烯丁烯共聚物的嵌段共聚物(得自Shell的KRATON G1657)制備無定形聚合物纖維。在擠出機中加熱聚合物至275。(溫度在擠出機12中靠近泵13出口處測得)，并將模加熱至275℃的溫度。擠出頭或模有四排孔，每排有42個孔，總共168個孔。模有4英寸(101.6毫米)的橫向長度。孔直徑為0.508mm，L/D比為6.25。聚合物流速為0.64克/孔/分鐘。
模和縮束裝置之間的距離(圖1中的尺寸17)為667毫米，縮束裝置到收集器的距離(圖1中的尺寸21)為330毫米。氣刀間隙(圖2中的尺寸30)為0.76毫米；縮束裝置主體角度(圖2中的α)為30°；使溫度為25攝氏度的空氣通過縮束裝置；縮束裝置斜槽的長度(圖2中的尺寸35)為76毫米。氣刀具有約120毫米的橫向長度(圖3中槽長度25的方向)；形成氣刀凹槽的縮束裝置主體28具有約152毫米的橫向長度。連接到縮束裝置主體的壁36的橫向長度為5英寸(127毫米)。
縮束裝置頂部間隙為7.6mm(圖2中的尺寸33)。縮束裝置底部間隙為7.2mm(圖2中的尺寸34)。通過縮束裝置的空氣的總體積為0.41ACMM(實際立方米/分鐘)；約一半的體積通過每個氣刀32。
在常規多孔網形成收集器上收集纖維網，當纖維被收集時纖維自生地粘合。自生粘合的無定形聚合物纖維在粘合后保持了它們的纖維形狀。
為說明沿纖維長度上表現出的形態變化，使用上述的梯度密度試驗進行重量分析。柱包含甲醇和水的混合物。表14中給出了柱內從頂部移動到底部的二十個塊的結果。
表14
纖維的平均角度為45°，中值為45°。
實施例24使用圖1至3所示裝置和使用聚碳酸酯(General Electric SLCC HF1110P樹脂)制備無定形聚合物纖維。在擠出機中加熱聚合物至300℃(溫度在擠出機12中靠近泵13出口處測得)，并將模加熱至300℃的溫度。擠出頭或模有四排孔，每排有21個孔，總共84個孔。模有4英寸(102毫米)的橫向長度。孔直徑為0.035英寸(0.889mm)，L/D比為3.5。聚合物流速為2.7克/孔/分鐘。
模和縮束裝置之間的距離(圖1中的尺寸17)為15英寸(約38厘米)，縮束裝置到收集器的距離(圖1中的尺寸21)為28英寸(71.1厘米)。氣刀間隙(圖2中的尺寸30)為0.030英寸(0.76毫米)；縮束裝置主體角度(圖2中的α)為30°；使室溫空氣通過縮束裝置；縮束裝置斜槽的長度(圖2中的尺寸35)為6.6英寸(168毫米)。氣刀具有約120毫米的橫向長度(圖3中槽長度25的方向)；形成氣刀凹槽的縮束裝置主體28具有約152毫米的橫向長度。連接到縮束裝置主體的壁36的橫向長度為5英寸(127毫米)。
縮束裝置頂部間隙為0.07(1.8mm)(圖2中的尺寸33)。縮束裝置底部間隙為0.07英寸(1.8mm)(圖2中的尺寸34)。通過縮束裝置的空氣的總體積為3.11(以實際立方米/分鐘或ACMM表示)；約一半的體積通過每個氣刀32。
在未粘合條件下在常規多孔網形成收集器上收集纖維網。然后將網在烘箱中于200℃下加熱1分鐘。后一步驟引起網內的自生粘合，自生粘合的無定形聚合物纖維在粘合后保持了它們的纖維形狀。
為說明沿纖維長度上表現出的形態變化，使用上述的梯度密度試驗進行重量分析。柱包含水和硝酸鈣溶液的混合物。表15中給出了柱內從頂部移動到底部的二十個塊的結果。
表15
纖維的平均角度為89°，中值為90°。
實施例25使用圖1至3所示裝置和使用聚苯乙烯(BASF聚苯乙烯145D樹脂)制備無定形聚合物纖維。在擠出機中加熱聚合物至245℃(溫度在擠出機12中靠近泵13出口處測得)，并將模加熱至245℃的溫度。擠出頭或模有四排孔，每排有21個孔，總共84個孔。模有4英寸(101.6毫米)的橫向長度。孔直徑為0.035英寸(0.889mm)，L/D比為3.5。聚合物流速為0.5克/孔/分鐘。
模和縮束裝置之間的距離(圖1中的尺寸17)為15英寸(約38厘米)，縮束裝置到收集器的距離(圖1中的尺寸21)為25英寸(63.5厘米)。氣刀間隙(圖2中的尺寸30)為0.030英寸(0.762毫米)；縮束裝置主體角度(圖2中的α)為30°；使室溫空氣通過縮束裝置；縮束裝置斜槽的長度(圖2中的尺寸35)為6.6英寸(167.64毫米)。氣刀具有約120毫米的橫向長度(圖3中槽長度25的方向)；形成氣刀凹槽的縮束裝置主體28具有約152毫米的橫向長度。連接到縮束裝置主體的壁36的橫向長度為5英寸(127毫米)。
縮束裝置頂部間隙為0.147英寸(3.73mm)(圖2中的尺寸33)。縮束裝置底部間隙為0.161英寸(4.10mm)(圖2中的尺寸34)。通過縮束裝置的空氣的總體積為3.11(以實際立方米/分鐘或ACMM表示)；約一半的體積通過每個氣刀32。
在未粘合條件下在常規多孔網形成收集器上收集纖維網。然后將網在通風粘合器中于100℃下加熱1分鐘。后一步驟引起網內的自生粘合，自生粘合的無定形聚合物纖維在粘合后保持了它們的纖維形狀。
使用TA儀器Q1000差示掃描量熱儀進行試驗，以確定加工對聚合物玻璃化轉變范圍的影響。對每個樣品應用5℃/分鐘的線性加熱速率，擾動幅度為±℃/60秒。樣品經歷從0℃至約150℃的加熱-冷卻-加熱曲線。
圖12描繪了在本體聚合物即未形成纖維和形成纖維的聚合物(在模擬粘合之前和之后)的聚合物上試驗的結果。可看出，在玻璃化轉變范圍內，在模擬粘合前纖維的開始溫度低于本體聚合物的開始溫度。另外，在模擬粘合前纖維的玻璃化轉變范圍的結束溫度高于本體聚合物的結束溫度。因此，無定形聚合物纖維的玻璃化轉變范圍大于本體聚合物的玻璃化轉變范圍。
上述具體實施方案說明了本發明的實施。本發明可以在缺少本文中未具體描述的的任何要素或成分的情況下適當實施。如單獨引入一樣，將所有專利、專利申請和出版物的全部公開內容引入本文以供參考。對本領域那些技術人員來說顯而易見的是，對本發明的各種改進和變換不脫離本發明的范圍。應該理解的是，不能將本發明過分地局限于本文所列出的示例性實施方案。
權利要求
1.一種粘合的非織造纖維網，包括直接收集的具有均勻直徑的纖維團，其中纖維沿長度發生形態變化，以便在選定的粘合操作中提供具有區別性軟化特性的縱向段，一些段在粘合操作條件下軟化并粘合到網的其它纖維上，而其它段在粘合操作中是惰性的。
2.如權利要求1所述的纖維網，其中形態上變化的纖維包括表現出鏈延長結晶的段。
3.如權利要求1或2所述的網，該網是通過自生粘合來粘合的。
4.如權利要求3所述的纖維網，其中粘合包括與其它纖維的圓周滲透粘合。
5.如權利要求1至4中任意一項所述的網，其中形態上變化的纖維包括雙折射相差至少5％的縱向段。
6.如權利要求1至5中任意一項所述的網，其中形態上變化的纖維包括雙折射相差至少10％的縱向段。
7.如權利要求1至6中任意一項所述的網，其中在本文所述的梯度密度試驗中，所述纖維的至少5個纖維塊變成以與水平方向成至少30度的角度排列。
8.如權利要求1至6中任意一項所述的網，其中在本文所述的梯度密度試驗中，所述纖維的至少5個纖維塊變成以與水平方向成至少60度的角度排列。
9.如權利要求1至6中任意一項所述的網，其中在本文所述的梯度密度試驗中，所述纖維的至少一半纖維塊變成以與水平方向成至少30度的角度排列。
10.如權利要求1至6中任意一項所述的網，其中在本文所述的梯度密度試驗中，形態上變化的所述纖維的至少一半纖維塊變成以與水平方向成至少60度的角度排列。
11.如權利要求1至10中任意一項所述的網，其中形態上變化的纖維具有約10微米或更小的平均直徑。
12.如權利要求1至11中任意一項所述的網，具有至少90％固態的蓬松度。
13.如權利要求1至12中任意一項所述的網，該網除了包括形態上變化的那些纖維以外，還包括其它纖維。
14.一種成纖方法，包括a)擠出成纖材料的長絲；b)引導長絲穿過加工室，其中氣流對長絲施加縱向應力；c)在長絲離開加工室后使它們經受湍流條件；和d)收集加工長絲；控制長絲的溫度以便在湍流區中時有至少部分長絲凝固。
15.如權利要求14所述的方法，其中纖維被收集為非織造纖維網，并進行粘合操作，在粘合操作中纖維的一些縱向段軟化并粘合到其它纖維上，而其它縱向段在粘合操作中仍保持惰性。
16.如權利要求14所述的方法，其中纖維被收集為非織造纖維網，并進行自生粘合操作，在自生粘合操作中纖維的一些縱向段軟化并粘合到其它纖維上，而其它縱向段在粘合操作中仍保持惰性。
全文摘要
非織造纖維網包括具有均勻直徑并沿長度上發生形態變化的纖維。這種變化提供了在粘合操作中能表現出區別性軟化特性的縱向段。在粘合操作條件下部分段軟化并粘合到網的其它纖維上，而其它縱向段在粘合操作中為惰性。可通過包括以下步驟的方法形成所述網a)擠出成纖材料的長絲；b)引導長絲穿過加工室，其中長絲經受縱向應力；c)在長絲離開加工室后使它們經受湍流條件；和d)收集加工長絲；控制長絲的溫度以便在湍流區中時至少部分長絲凝固。
文檔編號D04H1/54GK1656260SQ03811465
公開日2005年8月17日 申請日期2003年4月16日 優先權日2002年5月20日
發明者邁克爾·R·貝里甘, 安妮·N·德羅維爾, 威廉姆·T·費伊, 吉爾·R·蒙羅, 帕梅拉·A·佩沙 申請人:3M創新有限公司