專利名稱：改進的防微粒穿透的非織造材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及防微粒穿透材料和一種制造這些材料的方法。
有多種非織造纖維網可用作防微粒穿透材料。
人們早已知道由很小直徑的纖維或微纖組成的非織造纖維網是透氣和水蒸汽的，但同時又對微粒和/或液體微滴(如氣溶膠)保持相對的不透性。由小直徑纖維組成的可用的纖維網可采用纖維成形方法(如熔噴方法)將非彈性體的熱塑性聚合物擠出而制得。這種由非彈性體聚合物形成的熔噴纖維的非織造纖維網是相對廉價的，并且在用于有限次使用和用后可棄產品的防微粒穿透材料方面已有很多應用。
這類材料的重要應用包括(例如)醫療和工業用連身服、過濾材料和面罩。近年來，由于醫藥環境中產生的微滴可能傳播后天性免疫缺陷綜合癥、結核病及其他傳染病而產生的一些問題，以及激光手術中由于組織的汽化而產生的懸空浮塵流而帶來的問題，使得人們對手術面罩的過濾效率的關注不斷增加。在這類防微粒穿透材料的許多應用中，希望能提供一種防微粒穿透性和多孔性相結合的材料。遺憾的是，在常規方法中，提高一種材料的防微粒穿透性通常會降低它的孔隙度，所以很難同時提供這些性能。
因此，需要一種多孔、透氣、且相對地不透微粒和/或液體微滴的廉價材料。
本文所用術語“拉伸”和“伸長”是指材料的初始尺寸和對該材料施加一個側向力以后材料被拉伸或延伸后的同一尺寸的差。拉伸或伸長百分數可以表示為(被拉伸后的長度-初始樣品長度)/(初始樣品長度) ×100例如，如果一種材料的初始長度為1英寸，被拉伸了0.85英寸，也就是說，拉伸或延伸到1.85英寸長度，那末，可以說這種材料就有一個85%的拉伸。
本文中所用術語“非織造纖維網”是指一種具有單根纖維或長絲不呈同一重復方式的互層結構的纖維網。以往，非織造纖維網已由本領域技術人員已知的各種加工方法制成，如熔噴法、紡粘法和梳網粘合法等。
本文中所用術語“紡粘纖維網”是指通過以長絲形式擠出一種熔融的熱塑性材料而形成的細小直徑的纖維和/或長絲的纖維網，而長絲從噴絲板的許多細小的、通常為圓形的毛細管擠出后，通過諸如非射流或射流拉伸或其他眾所周知的紡粘法機理使其直徑迅速減小。紡粘非織造纖維網的生產在以下專利中都有說明Appel等人的美國專利4，340，563;Dorschner等人的美國專利3，692，618;Kinney的美國專利3，338，992及3，341，394;Levy的美國專利3，276，944;Peterson的美國專利3，502，538;Hartman的美國專利3，502，763;Dobo等人的美國專利3，542，615;以及Harmon的加拿大專利803，714等。
本文中所用術語“熔噴纖維”是指通過許多細小的、通常為圓形的沖模毛細管將熔融熱塑性材料以熔融絲或長絲形式擠出，并進入高速氣流(如空氣)中，使熔融熱塑性材料的長絲拉細而減小它們的直徑(可能達到微纖直徑)而形成的纖維。其后，這種熔噴纖維被高速氣流攜帶并沉積在收集表面上，形成隨機分布的熔噴纖維。熔噴方法是眾所周知的，并在多種專利及出版物中有所敘述。其中包括V.AWendt、E.L.Boone和C.D.Fluharty的NRL報告4364，《超細有機纖維的制造》;K.D.Lawrence、R.T.Lukas及J.A.Young等人的NRL報告5265，《形成超細熱塑性纖維的改良裝置》;1974年11月19日授予Buntin等人的美國專利3，849，241。
本文中所用術語“微纖”是指平均直徑不大于約100微米的小直徑纖維。例如，纖維直徑從大約0.5微米到大約50微米。更具體地說，微纖的平均直徑可以從大約1微米到大約20微米。平均直徑大約為3微米或者更小的微纖通常叫做超細微纖。描述制造超細微纖的一個加工例子可在1991年11月26日提交的美國專利申請、系列號為07/779，929、題目為《具有改進的防透性的非織造纖維網》中找到，該專利在此引入供參考。
本文中所用術語“熱塑性材料”是指一種受熱時軟化，冷到室溫時又回復到原來狀態的高聚物。顯示這種行為的天然物質有生橡膠以及多種蠟。其他熱塑性材料的例子包括(但不限于)聚氯乙烯、聚酯類、尼龍類、聚碳氟化合物類、聚乙烯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚己內酰胺，以及纖維質樹膠和丙烯酸樹脂。
本文所用術語“緊密鄰接”是指一種鄰接的、毗鄰的或緊接的構造方式。例如，緊密鄰接纖維區段是指沿連續纖維長度的部分，它們與某一參照點相接。一般來說，緊密鄰接纖維區段可以描述為一種纖維長度，這種纖維長度可以在20倍于在此參照點的纖維直徑的線性距離內，而且與此參照點相鄰接。例如，緊密鄰接纖維區段可以是在大約2～15倍于在此參照點的纖維的最大直徑的線性距離內的纖維長度，并與此參照點鄰接。
本文中所用術語“用后可棄”，并不限于一次使用制品，也可以指僅使用幾次以后，若污損或者不能再使用的可以丟棄的用品。
本文中所用術語“微粒穿透性”是指一種材料被某一尺寸范圍的微粒透過的性能。一般來說，微粒穿透性可由材料的微粒截留效率算出，用百分數表示時，微粒穿透性可用下式表示微粒穿透百分數＝100-顆粒截留效率百分數高的微粒截留效率一般和低的微粒穿透性相對應。微粒截留效率可以通過測定空氣過濾器對干顆粒的保留量而得到。所用測試方法為(例如)IBR測試方法No.E-217(1991年1月15日修訂版G，由密執根州GrassLake的InterBasic資源公司完成)。一般來說，在這類試驗中，采用風扇將微粒吹散到測試織物的迎風面一側的空氣中，風扇在此起著將含有微粒的空氣引向測試織物表面的作用，塵粒在測試織物的迎風面一側空氣中的濃度和背面一側空氣中的微粒(也就是透過測試織物的微粒)濃度，用微粒計數器對各種不同尺寸范圍的微粒進行測定。微粒截留效率通過測定兩個濃度差，然后用此值除以迎風面一側的濃度算出。
本文所用術語“防微粒穿透材料”是指一種具有可用水平的對微粒和/或液體微滴穿透的阻擋性，同時又能保持所需要水平的孔隙度的材料。對微粒和/或液體微滴穿透的阻擋性可通過測定空氣過濾器對干微粒的保留量測得，可用微粒截留效率或微粒穿透百分數表示。一般說來，防微粒穿透材料在通過常規的微粒截留效率測試時，對一種特定直徑的微粒的微粒穿透率應小于約50%。例如，一種防微粒穿透材料對直徑大于約1微米的微粒應有小于約50%的微粒穿透率。考慮到一些防微粒穿透材料在極嚴格的微粒截留效率測試下(也就是極端的測試條件下)，對某種亞微細尺寸的微粒測得的微粒穿透率大于約50%。
本文中所用術語“α-轉變”是指一般結晶熱塑性聚合物發生的一種現象。α-轉變表示在低于熔化轉變點(Tm)之前的最高溫度轉變，通常是指預熔化。α-轉變之前，聚合物的結晶是穩定的，α-轉變之后，結晶可被退火成改性結構。α-轉變是眾所周知的，并在一些出版物中有所敘述。例如，LawrenceE.Nielsen所著的《聚合物及復合材料的機械性能》第一卷;H.Moraweitz所編的聚合物專論(第二卷中H.P.Frank所著的聚丙烯)。一般而言，α-轉變是利用差示掃描量熱技術，用諸如MettlerDSC型差示掃描量熱計之類的儀器測定的。典型測量的標準條件如下升溫曲線以每分鐘10℃的速度由30℃開始升至高于聚合物熔點30℃的溫度;氣氛流量為60標準立方厘米/分(SCC/min)的氮氣;樣品量3至5毫克。
“5%液體分數下熔化開始”是指一般結晶聚合物接近其熔化轉變時相當于指定量的相變化的溫度。熔化開始發生在熔化轉變溫度之前的溫度，其特征在于聚合物中液體分數對固體分數的不同比例。熔化開始利用差示掃描量熱技術用MettlerDSC30型差示掃描量熱計之類的儀器測定。典型測量的標準條件如下升溫曲線以每分鐘10℃的升溫速度由30℃升到高于聚合物熔點30℃的溫度;氣氛流量為60標準立方厘米/分(SCC/min)的氮氣;樣品量3至5毫克。
本文中所用術語“頸縮的材料”是指采用如拉伸之類的加工方法時至少在一個方向上收縮的任一種材料。
本文中所用術語“可頸縮的材料”是指可以被頸縮的任一種材料。
本文中所用術語“拉伸方向”是指材料被拉伸的方向。
本文中所用術語“頸縮百分數”是指可頸縮材料在頸縮前的尺寸和頸縮后的尺寸之差除以可頸縮材料頸縮前的尺寸所得比值再乘以100。例如，頸縮百分數可用下式表示頸縮百分數＝ (頸縮前尺寸-頸縮后的尺寸)/(頸縮前尺寸) ×100本文中所用術語“基本由……組成”并不排除不會明顯地影響給定復合物或產品的所需性能的其他材料的存在。這類材料的例子包括(但不限于)顏料、抗氧劑、穩定劑、表面活性劑、蠟、流動促進劑和為增進復合材料的加工性能而添加的微粒或材料等。
本發明提供一種具有改進的防微粒穿透性的非織造材料的生產方法來達到上述的需要。本發明的方法包括以下步驟(1)將含熔噴熱塑性聚合物纖維的非織造材料加熱到某一溫度，在此溫度下，該纖維網的峰值總吸收能至少比室溫下該纖維網所吸收的能量約大250%;(2)施加一個張力使被加熱的非織造材料頸縮，以便至少一部分單根熔噴纖維的一些區段的纖維直徑明顯小于其緊密鄰接區段的纖維直徑;(3)冷卻被頸縮的非織造材料。
一般說來，熔噴熱塑性聚合物纖維的非織造纖維網可以被加熱到某一溫度，在此溫度下，纖維網的峰值總吸收能至少比它在室溫時吸收的能量約大275%。例如，該纖維網可以被加熱到纖維網的峰值總吸收能比它在室溫時吸收的能量約大300%到約1000%以上的溫度。
根據本發明提供的方法生產一種包括至少一層熔噴熱塑性聚合物纖維的纖維網的非織造材料，該熔噴纖維中至少有一部分單根熔噴纖維的一些區段的纖維直徑明顯小于其緊密鄰接區段的纖維直徑，以便使微粒的穿透率比其中熔噴纖維沒有這種纖維直徑變化的同樣的非織造纖維網至少減少約10%。例如，非織造防微粒穿透材料可適應于比其中熔噴纖維沒有這種纖維直徑變化的同樣的非織造纖維網減少微粒穿透率約15～50%或者更多。
根據本發明的一個方面，具有改進的防微粒穿透性的非織造防微粒穿透材料有和未經處理的同樣的非織造材料大約相同的孔隙度。在此所謂“處理”是指使單根熔噴纖維中有一些區段的纖維直徑明顯小于其緊密鄰接區段的纖維直徑。一般說來，顯示直徑減少的單根熔噴纖維區段的纖維直徑應比其緊密鄰接纖維區段的纖維直徑至少小約10%。例如，拉伸或變窄的區段的纖維直徑可比其緊密鄰接纖維區段的纖維直徑小約10～90%。作為進一步的例子，拉伸或變窄的區段的纖維直徑比其緊密鄰接區段的纖維直徑小約20～50%。
根據本發明，該材料可具有超過約20(英尺3/分)/英尺2(即CFM/ft2)的孔隙度。例如防微粒穿透材料的孔隙度可在約25～150CFM/ft2的范圍內。再一個例子，防微粒穿透材料的孔隙度可在約30～75CFM/ft2的范圍內。防微粒穿透材料和/或這種材料的層壓制品的基重為每平方米約6克到約400克(gsm)。例如，基重可以在每平方米約20克到約150克的范圍內。
該材料的熔噴纖維可以包括熔噴微纖。根據解析圖象所分析測定，最好至少約50%(根據纖維根數)的熔噴微纖的平均直徑小于5微米。例如，至少約50%的熔噴纖維可以是平均直徑約為3微米或更小的超細微纖。再一個例子，約60～100%的熔噴微纖的平均直徑可以小于5微米或者可以是超細微纖。熔噴纖維由熱塑性聚合物形成，聚合物可以是(例如)聚烯烴、聚酯或聚酰胺。如果聚合物是聚烯烴，那么可以是聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、乙烯共聚物、丙烯共聚物、丁烯共聚物和/或上述聚合物的共混物。非織造纖維網還可以是熔噴纖維和一種或多種輔助材料的混合物，這些材料為(例如)紡織纖維、木漿纖維、微粒和超吸收性材料。當熔噴纖維由聚烯烴形成時，上述熱處理一般在高于聚合物的α-轉變溫度到比熔化開始并達到5%的液體分數時的溫度低約10%的溫度范圍內進行。
本發明的一個方面，一層或多層防微粒穿透材料可以和一層或多層其他材料結合形成多層層壓制品。其他材料可以是(例如)機織物、針織物、粘合梳理纖維網、連續長絲纖維網(如紡粘纖維網)、熔噴纖維網和由此而結合的材料。
本發明的另一方面，一層或多層防微粒穿透材料可以和一層或多層其他防微粒穿透材料交叉鋪網形成多層層壓制品。


圖1為采用一系列蒸汽滾筒形成的改進的防微粒穿透非織造材料的加工范例的代表性示意圖。
圖2及3為處理前的一種可頸縮材料的范例的顯微照片。
圖4及5為處理前的一種可頸縮材料的范例的放大的顯微照片。
圖6及7為被加熱、然后頸縮并在保持其頸縮狀態下被冷卻的一種可頸縮材料的范例的顯微照片。
圖8及9為被加熱到約30℃然后被拉伸的一種可頸縮材料的放大的顯微照片圖10及11為被加熱到約80℃然后被拉伸的一種可頸縮材料的放大的顯微照片圖12及13為被加熱到約105℃然后被拉伸的一種可頸縮材料的放大的顯微照片圖14及15為被加熱到約130℃然后被拉伸的一種可頸縮材料的放大的顯微照片圖16及17為被加熱到約150℃然后被拉伸的一種可頸縮材料的放大的顯微照片圖18為一種防微粒穿透材料的樣品在熱處理期間所測得的溫度對峰值負荷下所吸收的總能量的圖。
參考圖1，在此用10來示意說明制造一種改進的防微粒穿透非織造材料(也就是一種具有改進的對微粒穿透的阻擋性的非織造材料)的加工范例。圖1描述一個利用一系列加熱滾筒或蒸汽滾筒進行熱處理的加工過程。
依照本發明，一種非織造可頸縮材料12自供給滾筒14退繞，并隨沿箭頭方面旋轉的供給滾筒14沿所示箭頭方向移動。
非織造可頸縮材料12可由一種或多種熔噴加工過程形成，并不必先貯存在供給滾筒14上而直接通過夾持輥16前進。
可頸縮材料12通過一系列呈反S回路的加熱滾筒(即蒸汽滾筒)16～26。蒸汽滾筒16～26的通常外徑是24英寸，但其他尺寸也可使用。可頸縮材料在蒸汽滾筒上進行熱處理的接觸或停留時間隨著諸如蒸汽滾筒的溫度、材料種類和/或基重、材料中熔噴纖維的直徑等因素而變化。接觸時間應足以將非織造可頸縮材料12加熱至可頸縮材料的峰值總吸收能至少比可頸縮材料在室溫下所吸收的能量約大250%的溫度。例如，接觸時間應足以將非織造可頸縮材料12加熱至可頸縮材料的峰值總吸收能至少比可頸縮材料在室溫下所吸收的能量約大275%的溫度。再一個例子，可頸縮材料可被加熱到可頸縮材料的峰值總吸收能比可頸縮材料在室溫下所吸收能量高約300%至1000%以上的溫度。
本發明可用如聚烯烴、聚酯及聚酰胺之類的聚合物來進行。聚烯烴的例子包括一種或多種聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、乙烯共聚物、丙烯共聚物及丁烯共聚物。已發現可用的聚丙烯包括(例如)可以從Himont公司購得的商品名為PF-015的聚丙烯和從Exxon化學公司購得的商品名為Exxon3445G的聚丙烯。這些材料的化學性能可以從他們各自的制造商處得到。
一般來說，當非織造可頸縮材料12是由聚烯烴(例如聚丙烯)形成的熔噴熱塑性聚合物纖維的非織造纖維網時，在蒸汽滾筒上的停留時間應足以將熔噴纖維加熱到高于聚合物的α-轉變溫度到比熔化開始并達到5%的液體分數時的溫度低約10%的溫度范圍。
例如，熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網可以在表面溫度加熱到約90℃至約150℃(194～302°F)的一系列蒸汽滾筒上通過，接觸時間約為1至約300秒，以對該纖維網提供所需要的熱量。另一方面和/或此外，非織造纖維網可由紅外輻射、微波、超聲波能、火焰、熱氣、熱液等加熱。例如，非織造纖維網可通過熱烘箱處理。
顯然發明人不應局限于特定理論，但是據信在張力施加前，將熔噴熱塑性非彈性體的、一般為結晶性的聚合物纖維的非織造纖維網加熱到高于聚合物的α-轉變溫度的溫度這一點很重要。高于α-轉變溫度時，聚合物纖維中的結晶能被退火成改性結構，在冷卻時，它在纖維中保持一種拉伸構型，從而增加了由這類纖維形成的非織造纖維網對微粒穿透的阻擋性(也就是防微粒穿透性)。還相信熔噴纖維不應被加熱到高于該聚合物熔化開始并達到5%液體分數的溫度，此溫度最好應比所測得的該聚合物熔化開始并達到5%的液體分數的溫度低的10%以上。一個大略估計加熱所達到的上限溫度的方法是聚合物的熔點(用Kelvin溫度表示)乘以0.95。
重要的是，據信在一特定的溫度范圍內加熱熔噴纖維，使纖維在頸縮期間被拉伸，而不是在對張力的響應中只是彼此滑動。這種拉伸力貫穿熔噴纖維分布，以致至少一部分單根熔噴纖維的一些區段的纖維直徑明顯小于其緊密鄰接區段的纖維直徑。據信單根熔噴纖維變窄的區段和防微粒穿透性的提高相聯系。纖維直徑的這種變化可以在非織造防微粒穿透材料的掃描電子顯微照片中觀察到。一般來說，單根熔噴纖維中顯示出直徑減小的區段的纖維直徑應該比其緊密鄰接的纖維部分的纖維直徑至少小約10%。例如，被牽伸或變窄的部分的纖維直徑可以比其緊密鄰接部分的纖維直徑約小10～95%。再一個例子，被牽伸或變窄的部分的纖維直徑可以比其緊密鄰接部分的纖維直徑約小10～50%。
此外，牽伸力可改變非織造纖維網中熔噴纖維的一般取向，從一種隨機構型變為某種程度上取向的或線性構型。據信纖維的這種取向引起非織造纖維網中的孔隙的幾何形狀的變化。我們認為對照材料所含的孔隙傾向于圓形。在加熱處理和拉伸后，這些孔被認為變成具有相同的橫截面積但稍微呈橢圓形或拉伸的形狀的孔。由于在不改變孔隙的總面積的情況下孔的最窄處的尺寸可以減小，因而變窄的孔對微粒和/或液體微滴的通過的阻擋性提高，但并不減小夾帶有微粒的氣體或其他流體(如液體)通過的有效面積。
據信處理后的非織造材料的單根熔噴纖維的被牽伸部分和孔的幾何形狀的改變一起或結合起來是適合被處理的非織造材料的，因而微粒的穿透至少要比末經處理而發生上述纖維直徑和/或纖維取向變化的同一非織造纖維網減少10%以上。
熔噴纖維的非織造纖維網可利用常規的熔噴加工方法來制成。最好是非織造纖維網的熔噴纖維包括熔噴微纖以提高防微粒穿透性。例如，由解析圖像分析測定，至少約50%的熔噴微纖的平均直徑可小于約5微米。另一例子說明，至少約有50%的熔噴微纖可以是平均直徑小于3微米的超細纖維。再一個例子說明，約60～100%的熔噴微纖的平均直徑可小于5微米或可為超細微纖。
非織造纖維網還可以是熔噴纖維和一種或多種輔助材料的混合物。這類非織造纖維網的例子可參考美國專利4，100，324和4，803，117。其內容在此并入以供參考。在這里，熔噴纖維及其他材料被混合形成纖維隨機分布的單一粘結纖維網。這類混合物可以通過將纖維和/或微粒加到攜帶有熔噴纖維的氣流中而形成，從而在熔噴纖維收集在收集裝置上之前，熔噴纖維和其他材料可緊密纏結混合，以形成一種熔噴纖維和其他材料隨機分布的粘結纖維網。可以用于這類非織造復合纖維網的有用的材料包括(例如)木漿纖維、天然及合成短纖維(例如棉花、羊毛、石棉、人造絲、聚酯、聚酰胺、玻璃、聚烯烴、纖維素衍生物等)、多組分纖維、吸收性纖維、導電纖維、以及微粒，如活性炭/碳、粘土、淀粉、金屬氧化物、超吸收材料以及這類材料的混合物。其他種類的非織造復合纖維網也可以使用。例如，可使用一種水力纏結的非織造復合纖維網，如Radwanski等人的美國專利4，931，355及4，950，531所公開。這些專利的內容在此引入以供參考。
在蒸汽滾筒上被加熱的可頸縮材料12通過一個S形滾筒裝置30的夾持點28以如堆疊滾筒32和34處的旋轉方向箭頭所示的反S路線前進。從S形滾筒裝置30出來，被加熱的可頸縮材料12從由傳動滾筒40和42構成的傳動滾筒裝置38的夾持點36通過。由于S形滾筒裝置30的圓周線速度被控制在低于傳動滾筒裝置38的圓周線速度，所以被加熱的可頸縮材料12在S形滾筒裝置30以及傳動滾筒裝置38的夾持點之間被拉伸。通過調整這些滾筒的速度差，使被加熱的可頸縮材料12得到拉伸，從而使其頸縮所需的量，并且在它冷卻時，該材料可保持這種拉伸、頸縮狀態。其他影響被加熱的可頸縮材料的頸縮的因素是施加張力的滾筒間的距離、牽伸段數以及保持在張力狀態下的被加熱材料的總長度。可以借助冷卻流體(如冷空氣或水噴霧)加強冷卻。
一般來說，滾筒的速度差足以使被加熱的可頸縮材料12頸縮到至少比原寬(即張力施加前的寬度)小約10%的寬度。例如，被加熱的可頸縮材料12可被頸縮到比原寬小約15%至約50%的寬度。
本發明考慮使用其他方法來拉伸被加熱的可頸縮材料12。例如，可使用拉幅機或其他橫機方向拉伸器裝置，這樣可在其他方向擴張可頸縮材料12，例如橫向拉張，從而使成品材料44在冷卻后將具有改進的對微粒穿透的阻擋性。
重要的是，本發明的方法頸縮可在不損害該材料的孔隙度的情況下使非織造材料頸縮，以便部分熔噴纖維被拉伸，使得至少一部分單根熔噴纖維的一些區段的纖維直徑明顯小于其緊密鄰接區段的纖維直徑。熔噴纖維纖維網有抗頸縮和拉伸傾向，因為它們具有高度纏結的細纖維網絡。同樣由于這種高度纏結的網絡，使它們能夠透氣和水汽而相對地不透微粒。這類纖維網絡中由于撕破或撕裂而發生的顯著變化，可使微粒穿透。
已發現，如上所述加熱熔噴纖維網、使被加熱的材料頸縮以在單根熔噴纖維中產生纖維取向和/或被拉伸或變窄小的部分，然后冷卻該被頸縮的材料，在不犧牲所需的熔噴纖維纖維網的孔隙度的情況下，可以使微粒穿透率比其中熔噴纖維不存在這種纖維取向和/或纖維直徑變化的同樣的非織造纖維網至少減少10%以上。一般說來，本發明的加工方法并不產生明顯減少防微粒穿透材料對微粒穿透的阻擋性的破裂或撕裂。多種在不加熱情況下生產包括具有上述直徑變化的熔噴纖維的微粒穿透材料的嘗試都沒有成功。
另外和/或此外，例如基重約為每平方米51克的本發明的防微粒穿透材料可提供的阻擋微粒穿透的作用，若用微粒的穿透率表示，對平均直徑范圍為約1.5微米到約10微米以上的微粒的微粒穿透率小于約4%。例如，對平均直徑范圍為約1.5微米到約7微米的微粒，這種防微粒穿透材料的微粒穿透率可小于約2%。對平均直徑大于約0.09微米的微粒，這種防微粒穿透材料的微粒穿透率可小于約50%。例如，對平均直徑范圍為約0.09至約1微米的微粒，這種防微粒穿透材料的微粒穿透率可小于約40%。再一個例子，對平均直徑大于約0.1微米的微粒，這種防微粒穿透材料的微粒穿透率小于約50%。例如，一種基重約為51gsm的防微粒穿透材料對平均直徑范圍為約0.3到1微米的微粒的微粒穿透率可小于約40%。
更進一步，本發明的防微粒穿透材料可具有超過約20標準立方英尺/分/平方英尺(CFM/ft2)的孔隙度。例如，防微粒穿透材料可具有范圍為約25～100CFM/ft2的孔隙度。如另一例子所述，防微粒穿透材料可具有范圍為約30～75CFM/ft2的孔隙度。
防微粒穿透材料的基重最好約為6～400克/米2。例如，基重范圍可為約10至150克/米2。另一例子，基重范圍可為約15至90克/米2。防微粒穿透性一般隨基重的增加而提高。以往，為了提供令人滿意水平的韌性和對微粒穿透的阻擋性，需要較大的基重。本發明的防微粒穿透材料可在相對低的基重(如約10至約30gsm)下提供令人滿意的阻擋微粒穿透性能。這是部分由于在張力施加前加熱該材料而減少了通常會對薄型防微粒穿透材料所造成的撕破和撕裂，而這種撕破或撕裂會破壞防微粒穿透性。此外，據信經處理的非織造材料的單根熔噴纖維的被拉伸部分以及孔隙的幾何形狀的改變，一起或結合起來提供了改進的對微粒穿透的阻擋性。雖然頸縮過程傾向于增加非織造材料的基重，這種增加一般很小，特別是同頸縮后材料所提供的微粒穿透率的降低相比是很小的。例如，一些材料的基重可增加約15%或更小，而微粒穿透率的減少則遠大于15%(如25%、50%或更多)。
因此，本發明提供一種經濟實用的防微粒穿透材料的另外一個理由是使薄型非織造防微粒穿透材料能更有效地利用。
本發明的防微粒穿透材料還可以和一層或多層另一種材料結合形成多層層壓制品。其他層可以是(例如)機織物、針織物、粘合梳理網層、連續長絲纖維網、熔噴纖維網以及上述材料的結合。希望其他材料具有和防微粒穿透材料相同程度的或更大程度的孔隙度。例如，若防微粒穿透材料的孔隙度大于約20CFM/ft2，那末其他層的材料也應該具有至少約20CFM/ft2的孔隙度。
在本發明的一個實施方案中，一層或多層防微粒穿透材料可以和一層或多層其他防微粒穿透材料重疊鋪網而形成多層層壓制品。例如，這些層可以交叉鋪網而使每一層織物的纖維取向的一般方向(如機器方向)幾乎是互相垂直的。在其他實施方案中，這些層可以重疊鋪網使各層間的纖維取向的一般方向成0°到90°之間的角度。
據信，多層層壓制品中各層纖維取向的變化應提高層壓制品對微粒穿透的阻擋性。如上所述，各層中纖維的取向造成非織造纖維網中孔隙的幾何形狀的改變。在熱處理和拉伸以后，可以認為這些孔既呈稍微橢圓或拉長的形狀但保持大致相同的橫截面積。因為據信這些孔的最窄的尺寸可在不改變孔的總面積的情況下減小，所以變窄的孔對微粒和/或液體微滴的穿透有更大的阻力，但對并不減少可供夾帶有微粒的氣體或其他流體通過的有效面積。一般說來，可以認為層壓制品的各層中取向的橢圓孔(在非常有限的意義上)類似于一種極化薄膜。通過改變各層間纖維取向的一般方向以使其形成0到90度的角度，認為可改變這種層壓制品對微粒穿透的阻擋性，至少在很小的程度上有所改善，從而使得不同的取向角度可以產生不同的阻擋性。
圖2～9為未按本發明的方法處理的熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網的掃描電子顯微照片。圖2及3所示的材料是用常規熔噴加工設備制成的51gsm的熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網。
更具體地說，圖2及3為熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網放大50倍(線性放大率)的顯微照片。圖4為圖2及3所示材料的一部分放大5000倍(線性放大率)的顯微照片。圖5為圖2及3所示材料的一部分放大1000倍(線性放大率)的顯微照片。
圖6和7是加熱到一個特定溫度、在此溫度下拉伸并在拉伸狀態下冷卻的材料的掃描電子顯微照片。圖6和7所示的織物用常規熔噴加工設備所制成的51gsm的熔噴聚丙烯纖維的未粘合的非織造纖維網所制成。非織造材料通過加熱到110℃的一系列蒸汽滾筒，總接觸時間約為10秒。施加張力使被加熱的非織造材料頸縮約30%(即約30%頸縮)，并在保持頸縮狀態的條件下將被頸縮的非織造材料冷卻到室溫。
更具體地說，圖6和7是由熔噴聚丙烯纖維組成并經上述處理的防微粒穿透材料放大50倍(線性放大率)的顯微照片。與圖2和圖3比較，防微粒穿透材料的熔噴纖維中的隨機構型較少，并看來沿照片的寬度方向取向。
圖8～17是加熱到各種溫度、然后在這些溫度下拉伸直至斷裂的材料的掃描電子顯微照片。掃描電子顯微照片是在斷裂附近的區域拍攝的。形成這種材料所用的特定條件和程序在實例1中給出。圖8～17所示材料是一種用常規熔噴加工設備所制成的51gsm的熔噴聚丙烯纖維的未粘合非織造纖維網。
更具體地，圖8和9是一種加熱到約30℃、然后拉伸的可頸縮材料的放大的顯微照片。圖8是一部分該材料放大1500倍(線性放大率)的顯微照片。圖9是一部分該材料放大1000倍(線性放大率)的顯微照片。
圖10和11是一種加熱到約80℃、然后拉伸的可頸縮材料的放大的顯微照片。圖10和11是一部分該材料放大1000倍(線性放大率)的顯微照片。
圖12和13是一種加熱到約105℃、然后拉伸的可頸縮材料的放大的顯微照片。圖12是一部分該材料放大1500倍(線性放大率)的顯微照片。圖13是一部分該材料放大1000倍(線性放大率)的顯微照片。
圖14和15是一種加熱到約130℃、然后拉伸的可頸縮材料的放大的顯微照片。圖14是一部分該材料放大700倍(線性放大率)的顯微照片。圖15是一部分該材料放大3000倍(線性放大率)的顯微照片。
圖16和17是一種加熱到約150℃、然后拉伸的可頸縮材料的放大的顯微照片。圖16和17是一部分該材料放大1000倍(線性放大率)的顯微照片。
當圖8、9、16和17所示的熔噴聚丙烯纖維與圖10～15所示的熔噴聚丙烯纖維比較時，圖10～15的熔噴聚丙烯纖維中有一些小區段的纖維直徑小于其周圍部分的纖維直徑。看來熔噴聚丙烯纖維在張力施加于被加熱的纖維時實際上已被牽伸或延伸。雖然發明人不應受特定的生產操作理論局限，但據信單根熔噴聚丙烯纖維中牽伸區段以及非織造纖維網中纖維取向的存在，說明熔噴聚丙烯纖維被加熱到高于聚合物的α-轉變溫度到比熔化開始并達到5%液體分數的溫度低約10%的溫度范圍內，并被拉伸，使得單根熔噴纖維中形成所希望的牽伸區段(和/或纖維取向)，然后冷卻，從而使得微粒穿透率比其中熔噴纖維中沒有纖維取向和/或纖維直徑變化的相同非織造纖維網至少減少約10%。
實施例1施加張力使一個被保持在特定環境條件下的防微粒穿透材料的樣品頸縮。低水平頸縮時斷裂和/或撕破可說明防微粒穿透性的降低。所有的樣品都在相同環境室內用同一設備測試。
所測試的非織造防微粒穿透材料是一種熔噴聚丙烯纖維的末粘合非織造纖維網，它的基重為51gsm。將一塊3英寸×6英寸(6英寸長度平行于樣品的機器方向(MD))的樣品夾到英斯特朗(Instron)1122型通用測試儀的3英寸×1英寸的夾頭上(即每個夾頭是3英寸寬，1英寸高)。在測試期間，夾頭周圍被Instron3111型808系列環境室(門上有一窗口)包圍，使樣品在測量時的環境(溫度)可以控制。環境室可程控到所需溫度并達到平衡。用一根溫度計來確保精確的溫度讀數。
在夾頭上加負荷后，樣品被夾持在環境室中至少3分鐘，以使樣品加熱升溫，并使該室重新獲得平衡。
把攝象機移到能從環境室的窗口看到樣品的位置上。攝象機的透鏡到樣品的距離約為12英寸。用一大透鏡聚焦以放大樣品。攝象機被啟動并運行5秒鐘以便在Instron十字頭啟動之前在零張力下提供樣品寬度讀數。對每個樣品進行下列Instron測量(1)峰值負荷、峰值伸長和峰值總吸收能;(2)斷裂負荷、斷裂伸長和斷裂時總吸收能。張力測試用Instron測試儀基本上按聯邦測試標準編號191A的方法5100進行。樣品標距長度設為3英寸，十字頭的移動速度設定為每分鐘12英寸。
攝象機錄象帶在能停格的錄相帶播放機中重放。利用停格這一特點，樣品寬度可以直接從視屏上測出。觀看未拉伸樣品的錄相帶(也就是在Instron測試儀啟動前的錄相帶)，進行測定。將錄相帶前進到樣品斷裂的點，然后再倒退二、三個片格至剛好樣品斷裂前的點上，直接從視屏上測出最小樣品寬度。
關于張力性質，負荷是指樣品拉伸時所受的力或阻力。峰值負荷是指樣品拉伸時受到的最大負荷。斷裂負荷是指樣品斷裂或破壞時受到的負荷。本文對3英寸寬6英寸長的樣品進行測定，負荷用力的單位(即磅力)表示。
總吸收能是指應力-應變(即負荷對伸長)曲線到達某一特定負荷時該曲線下方的總面積。峰值總吸收能是指這一曲線到達峰頂點或最大負荷時該曲線下方的總面積。斷裂時總吸收能是指這一曲線到達樣品的斷裂或破壞負荷時該曲線下方的總面積。總吸收能用功/長度2單位表示，如英寸×磅力/英寸2。
伸長或拉伸是指非織造纖維網的初始未拉伸尺寸(即長度)和它在某一特定方向被拉伸后的尺寸的差除以非織造纖維網在同一方向的初始未拉伸尺寸。伸長用百分數表示時，將此值乘以100。峰值伸長是材料被拉伸到峰值負荷時測得的伸長。斷裂伸長是當材料被拉伸到斷裂或破壞時測得的伸長。
表1是未粘合材料(即基重為51gsm的熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網在30℃、55℃、82℃、95℃、105℃、130℃及150℃進行測試時測得的張力性質的總結。
發現凡是在施加張力前加熱樣品，幾乎對所有的被測變量都有很大的影響。一般來說，通過將聚丙纖維非織造纖維網加熱到該熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網的峰值總吸收能至少比它在室溫下所吸收能量高約250%的溫度;施加一個張力使被加熱的非織造纖維網頸縮，以使單根熔噴纖維中產生纖維取向和被拉伸部分;冷卻被頸縮非織造纖維網，可在不降低它們的孔隙度的情況下賦予防微粒穿透材料(即熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網)以改進的抗微粒穿透性。發現理想的是將熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網加熱到其峰值總吸收能至少比其在室溫所吸收能量高約275%的溫度。例如，可將熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網加熱到它的峰值總吸收能比它在室溫所吸收能量高約300%到約1000%以上的溫度。
加熱明顯地降低峰值負荷但明顯增大峰值拉伸(足以增加韌性或總吸收能)和頸縮。樣品在較高溫度時韌性增加表明加工敏感性降低。在室溫下只需少量的多余能量纖維網就會斷裂，而在溫度升高時該纖維網則不易斷裂。圖18是由表5所示對熔噴聚丙烯的未粘合非織造纖維網所測得的數據以溫度對峰值負荷下總吸收能的圖，從該圖可明顯看出加熱的作用。在圖18中，假定熔噴聚丙烯的非織造纖維網被加熱到聚丙烯熔點(即165℃)，則沒有可觀測的峰值總吸收能。
一般而言，據信峰值總吸收能增加(即韌性增加)的溫度范圍大致和下述溫度范圍相對應，即從大于聚丙烯的α-轉變溫度到比熔化開始并達到5%液體分數的液固相溫度低約10%的溫度范圍。
實施例2對對照樣品和經熱處理的熔噴防微粒穿透材料的特定的物理性能進行測試。對照防微粒穿透材料是51gsm的熔噴聚丙烯纖維的未粘合非織造纖維網。將該材料加熱到230°F(110℃)然后使之頸縮約30%而制得熱處理后的防微粒穿透材料。
為測定樣品的撓性，進行杯壓破試驗測定。杯壓破試驗用來評定織物的硬挺度，它通過測定4.5厘米直徑的半球形的“腳”壓迫一塊9英寸×9英寸、大致形成直徑為6.5厘米、高為6.5厘米的反扣杯子的織物(為保持杯形織物的均一變形，該織物被一個約6.5厘米直徑的圓筒圍繞)所需的峰值負荷來進行。該“腳”和“杯”成一條直線，以避免腳和杯壁之間的接觸而影響峰值負荷。采用FTD-500型負載傳感器(500克范圍)(該傳感器可從新澤西州的Tennsauken的Schaevitz公司得到)，腳以每秒0.25英寸(15英寸/分)的速率下降來測定峰值負荷。
每塊樣品的基重基本上按照聯邦測試法標準編號191A的方法5041測定。
孔隙度用購自Frazier精密儀器公司的Frazier透氣性測試儀按聯邦測試方法5450(標準號191A)測定，但在此樣品尺寸為8英寸×8英寸而不是7英寸×7英寸。孔隙度可用單位面積單位時間的體積為單位表示。例如，每平方英尺材料每分鐘立方英尺(即(立方英尺/分)/英尺2，或CFM/ft2)。
測定防微粒穿透材料的孔隙的有效相當直徑。用購自英國Luton的Coulter電子有限公司的“Coulter”測孔儀和“CoulterPOROFIL”測試液，采用液體排量技術測量孔隙尺寸。平均流量孔隙尺寸通過用表面張力非常小的液體(即“CoulterPOROFIL”液)濕潤測試樣品來測定。空氣壓力施加在樣品的一個側面上，當氣壓增加時，最后在最大孔中流體的毛細吸力被克服，液體被壓出而使空氣透過樣品。進一步增加空氣壓力，愈來愈小的孔隙將被清除。這樣可建立對經濕潤的樣品的流量對壓力的關系，并可與干樣品的結果進行比較，平均流量孔隙尺寸可由代表50%干樣流量對壓力的曲線與代表濕樣流量對壓力的曲線的交點測得。在那一特定壓力下打開的孔隙的直徑(即平均流量孔隙尺寸)可由下面表示式求出孔隙直徑(微米)＝40τ/壓力。
在此τ為流體表面張力，單位為毫牛頓/米(mN/M);壓力是指所施加的壓力，用毫巴(mbar)表示，可假定用來濕潤樣品的表面張力非常小的液體與樣品的接觸角約為零。
微粒截留效率根據IBR測試方法編號E-217(1991年1月15日修訂版G)由密執根州的Grass Lake的InterBasic資源公司測定。該試驗通過單向競相通過試驗測定懸浮在純凈空氣中的干微粒在空氣過濾器上的保留量。將一種濃縮的污物懸浮體注入到導向測試樣品的喂入氣流中。在過濾器的上游和下游氣流中均測定微粒尺寸分布。干污物可從通用汽車公司的A.C.Spark Plug分部購得，分細級(0.09～1.0微米)和粗級(1.5～10.0微米以上)。細級微粒的微粒尺寸分布用HIAC/Royco 5109粒子計數系統(可從太平洋科學公司的HIAC/Royco分部得到)測定，粗級微粒的微粒尺寸分布用HIAC/Royco LD 400傳感器，S/N 9002-020(可從太平洋科學公司的HIAC/Royco分部得到)測定。試驗在室溫、每分鐘以4標準立方英尺的氣流通過一個直徑約為90毫米的圓形樣品(即約58CFM/ft2)的條件下進行。
對照防微粒穿材料和經加熱處理的防微粒穿透材料的一般性能列于表2。表3和表4是對照防微粒穿透材料和經加熱處理和防微粒穿透材料的防微粒穿透試驗結果。一般說來，防微粒穿透材料的基重應和對照材料的基重相同，而微粒穿透率則小得多(即防微粒穿透性得到很大改進)。
前面所述涉及本發明的優選實施方案，可在不離開下述權利要求所限定的發明的精神和范圍的條件下進行修改或變更。
表2對照樣品未粘合230°F51克/米2表面溫度下聚丙烯(熔噴)頸縮30%脹量(英寸)0.0160.021杯壓破(克)242187(克/毫克)52233664基重(克/米2) 53.2 58.7機器方向張力峰值負荷(磅)7.637.54峰值伸長(%)14.26.42峰值總吸收能(英寸·磅力/英寸2) 2.43 0.882橫向張力峰值負荷(磅)4.763.07峰值伸長(%)27.836.1峰值總吸收能(英寸·磅力/英寸2) 2.93 1.68Frazier孔隙度3132(英尺1/分/英尺2)Coulter Profiles(微米)平均流量孔隙尺寸17.517.0孔(%):
<5微米335至10微米171410至15微米283015至20微米393920至25微米101025至30微米23>30微米<1<權利要求
1.一種生產具有改進的阻擋微粒穿透性能的非織造材料的方法，該方法包括將包括熔噴熱塑性聚合物纖維的非織造纖維網加熱到其峰值總吸收能至少比其在室溫所吸收能量高約250%的溫度；施加一個張力使被加熱的非織造纖維網頸縮，致使至少一部分單根熔噴纖維中有一些區段的纖維直徑明顯小于與其緊密鄰接區段的纖維直徑；冷卻被頸縮的非織造纖維網。
2.權利要求1所述的方法，其中熔噴熱塑性聚合物纖維包括選自聚烯烴類、聚酯類和聚酰胺類的聚合物。
3.權利要求2所述的方法，其中聚烯烴選自一種或多種聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、乙烯共聚物、丙烯共聚物和丁烯共聚物。
4.權利要求3所述的方法，其中熔噴熱塑性聚合物纖維包括熔噴聚烯烴纖維，由這種纖維組成的非織造纖維網被加熱到大于聚合物的α-轉變到比熔化開始并達到5%的液體分數的液固相溫度低約10%的溫度范圍。
5.權利要求3所述的方法，其中熔噴熱塑性聚合物纖維包括熔噴聚丙烯纖維，由這種纖維組成的非織造纖維網層被加熱到約105℃至約145℃的溫度范圍。
6.權利要求5所述的方法，其中一種熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網被加熱到約110℃至約140℃的溫度范圍。
7.權利要求5所述的方法，其中一種熔噴聚丙烯纖維的非織造纖維網被加熱到約120℃至約125℃的溫度范圍。
8.權利要求1所述的方法，其中張力足以使非織造纖維網頸縮到比張力施加前此非織造纖維網的寬度至少小約10%的頸縮后寬度。
9.權利要求8所述的方法，其中張力足以使非織造纖維網頸縮到比張力施加前此非織造纖維網的寬度小約15%至約50%的寬度。
10.權利要求1所述的方法，其中非織造纖維網用紅外輻射、蒸汽滾筒、微波、超聲波能、火焰、熱氣和熱液加熱。
11.一種包括至少一層非彈性體溶噴熱塑性聚合物纖維網層的非織造材料，該纖維網經加熱，而后頸縮，使得至少一部分單根熔噴纖維中有一些區段的纖維直徑明顯小于其緊密鄰接區段的纖維直徑，從而使微粒穿透率比同樣的未經處理的溶噴纖維非織造纖維網至少減少約10%。
12.權利要求11所述的非織造材料，其中對平均直徑大于約0.1微米的微粒的微粒穿透率小于約50%。
13.權利要求11所述的非織造材料，其中對平均直徑大于約0.1微米的微粒的微粒穿透率小于約40%。
14.權利要求11所述的非織造材料，其中對平均直徑大于約1.5微米的微粒的微粒穿透率小于約5%。
15.權利要求11所述的非織造材料，其中熔噴纖維包括熔噴微纖。
16.權利要求15所述的非織造材料，其中至少約50%(由解析圖象分析測得)的熔噴微纖的平均直徑小于5微米。
17.權利要求11所述的非織造材料，其中非彈性體熔噴熱塑性聚合物纖維包括選自聚烯烴類、聚酯類和聚酰胺類的聚合物。
18.權利要求17所述的非織造材料，其中聚烯烴選自一種或多種聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、乙烯共聚物、丙烯共聚物和丁烯共聚物。
19.權利要求11所述的非織造材料，其中非彈性體熔噴熱塑性聚合物纖維的非織造纖維網還包括一種或多種選自紡織纖維、木漿纖維、顆粒和超吸收性材料的輔助材料。
20.權利要求11所述的非織造材料，其中非織造纖維網的基重約為6至約400克/米2。
21.一種多層材料，該材料包括至少一層如權利要求11所述的非織造材料和至少一層其他材料。
22.權利要求21所述的多層材料，其中其他材料層選自機織物、針織物、梳理粘合纖維網、連續紡粘長絲纖維網、熔噴纖維網和由此而結合的材料。
23.權利要求21所述的多層材料，該材料包括至少一層其他如權利要求11所述的非織造材料層，以便各層之間的纖維的一般取向所成的角度在約0度到約90度的范圍內。
24.一種包括至少一層非彈性體熔噴熱塑性聚合物纖維的纖維網的非織造材料，其中該熔噴纖維中至少有一部分單根熔噴纖維的一些區段的纖維直徑明顯小于其緊密鄰接區段的纖維直徑，從而使微粒穿透率至少比其中熔噴纖維沒有這種纖維直徑變化的同樣的非織造網減少至少約10%。
25.權利要求24所述的非織造材料，其中對平均直徑大于約0.1微米的微粒的微粒穿透率小于約50%。
26.權利要求24所述的非織造材料，其中對平均直徑大于約0.1微米的微粒的微粒穿透率小于約40%，。
27.權利要求24所述的非織造材料，其中對平均直徑大于約1.5微米的微粒的微粒穿透率小于約5%。
28.權利要求24所述的非織造材料，其中熔噴纖維包括熔噴微纖。
29.權利要求28所述的非織造材料，其中至少約50%(由解析圖象分析測定)的熔噴微纖的平均直徑小于5微米。
30.權利要求24所述的非織造材料，其中非彈性體熔噴熱塑性聚合物纖維包括一種選自聚烯烴類、聚酯類和聚酰胺類的聚合物。
31.權利要求30所述的非織造材料，其中聚烯烴選自一種或多種聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、乙烯共聚物、丙烯共聚物和丁烯共聚物。
32.權利要求24所述的非織造材料，其中非彈性體熔噴熱塑性聚合物纖維的非織造纖維網還包括一種或多種選自紡織纖維、木漿纖維、顆粒和超吸收性材料的輔助材料。
33.權利要求24所述的非織造材料，其中非織造纖維網的基重約為6到約400克/米2。
全文摘要
本發明公開了一種生產具有改進的阻擋微粒穿透性能的非織造材料的方法。該方法包括下述步驟將至少一種含熔噴熱塑性聚合物纖維的非織造纖維網加熱到一定溫度；施加張力使被加熱的非織造纖維網頸縮；冷卻被頸縮的非織造纖維網。本發明還公開了一種至少由一層熔噴熱塑性聚合物纖維的纖維網組成的非織造材料。這種非織造材料可以是具有所需的阻擋微粒穿透性能的多層材料的一個組成部分。
文檔編號D04H1/56GK1089546SQ9312147
公開日1994年7月20日 申請日期1993年12月30日 優先權日1992年12月31日
發明者R·L·利維, M·T·莫曼 申請人:金伯利-克拉克公司