CN101087904A - 适于熔喷设备的低湍流模具组件 - Google Patents

Abstract

用于由熔化聚合物形成熔喷材料的设备，包括：模具，在模具顶端设有通道，熔化聚合物通过其挤出以形成熔喷纤维。空气板相对于模具顶端设置以便限定邻近模具顶端的空气通道，从而引导细化空气接触从顶端挤出的熔化聚合物。空气通道进一步包括一邻近模具顶端尖端形成角度为大约10度到大约20度范围内的会聚区域，这样每一空气通道关于聚合物通道的纵向轴线限定大约5度到大约10度之间的会聚角度。

Description

适于熔喷设备的低湍流模具组件

发明领域

本发明通常涉及通过熔喷工艺形成纤维和无纺网。更具体的，本发明涉及适用于熔喷过程中的改进的模具组件。

发明背景

通过熔喷形成纤维和无纺网是本领域内众所周知的。举例来说，参见以下美国专利号，即授予R.W.Perry，Jr.的3,016,599；授予J.S.Prentice的3,704,198；授予J.P.Keller等人的3,755,527；授予P.R.Butin等人的3,849,241；授予P.R.Butin等人的3,978,185；授予R.A.Anderson等人的4,100,324；授予E.R.Hauser的4,118,531；以及授予T.J.Wisneski等人的4,663,220。

简而言之，熔喷是为纤维和无纺网形成而发展的工艺类型；这些纤维通过使熔化的热塑性聚合物材料或聚合物通过若干小孔挤出而形成。所产生的熔化线条或丝状体进入会聚的高速气流，所述气流使得熔化聚合物的丝状体细化或拉伸以便减少其直径。随后，熔喷纤维由高速气流携带并沉积于聚集面上，或者形成线，从而形成随机分散的熔喷纤维的无纺网。

一般的，熔喷技术使用专门的设备以便由聚合物形成熔喷网。通常，聚合物通过狭窄的圆柱形出口从模具流出并形成熔喷纤维。狭窄的圆柱形出口可以按照基本上为直线的形式排列并且位于等分V形模具顶端的平面上。通常，由V形模具顶端的外壁或面形成的角度为60度并且其位置接近一对空气板，从而沿着模具顶端的每个面形成两个槽形通道。这样，空气可以流过这些通道，以便撞击离开模具顶端的纤维，从而使这些纤维细化。由于各种流体动力作用，空气流能够使纤维细化成具有从约0.1至10微米的直径；此类纤维一般被称为微纤维。当然，依赖于聚合物的粘度和加工的条件还可以是较大直径的纤维，其直径从大约10微米到大约100微米之间。

在本领域内对关于细化空气流的可变特定参数的效果进行了研究。例如，美国专利6,074,597和5,902,540公开了使用模具组件的熔喷方法和设备，其中所述组件由具有对齐孔的堆叠层状板形成，所述孔限定与空气流的每一侧面相接的粘性物流动路径。粘性流由空气流拉伸和细化。这些专利宣称在传统V形模具组件中的会聚空气流是无效的，并且空气流应该关于粘性流是非会聚的，以便最大化压缩空气流的剪切分量。

美国专利6,336,801论述了使用细化空气作为主要拉伸介质的优势，其中细化空气比模具顶端中的以及从喷嘴出口离开的聚合物温度低。一个优势是纤维更快地和有效地冷却，导致更柔软的无纺网以及形成不希望节点(shot)的较少可能性。(“节点”是熔化聚合物在模具顶端尖端处的积聚，其最后达到相对大的尺寸并且从模具前端喷出，不是以纤维喷出，而是以泡状或“节点”喷出)。另一优势是较快的冷却可减少模具顶端和成形线之间的所需成形距离，从而使得形成具有较好的诸如外观、覆盖率、不透明性以及强度性能的纤维网。该美国专利6,336,801描述了将热量集中在模具顶端处的新颖模具组件，以便保持所需的聚合物粘度并从而允许使用明显较凉的细化空气。

本领域一直在寻求改进熔喷工艺以便最大化效率和提供改进熔喷网的途径。本发明涉及用于该目的的改进模具顶端组件。

本发明的目的和概要

本发明的目的和优势在下述说明书中将提出一部分，或者可从说明中显而易见的得出，或者可通过本发明的实践获知。

本发明的一个实施例是用于形成熔喷材料的设备。上述设备包括一般为V形的模具头部，具有形成模具顶端尖端的模具顶端。限定通过模具顶端和尖端的通道，通过其可排出熔化的聚合物。空气板定位在模具顶端的相对侧，并且限定(与模具顶端)空气通道，加压的细化空气通过其朝向模具顶端尖端引导。

申请人已经发现通过降低已知楔形或V形模具组件中的空气通道的会聚程度而形成特别有利的熔喷工艺。通过精心的观察和试验，当前的发明人已经确定节点形成也主要是由在传统模具组件中的会聚空气流产生的相对高程度的湍流的结果。在本领域中通常据信对于细化空气通道来说，所形成的会聚角在大约60度是必要的，以便对从模具顶端尖端挤出的熔化聚合物进行合适拉伸，并且该信念一般不会受到质疑。申请人已经发现，通过减小至少一个空气通道或优选两个空气通道的会聚角度同时保持离开空气通道的细化空气的相对高的速度分布，可在不对所产生熔喷纤维的质量产生负面影响的情况下明显减少节点的形成。空气的速度是许多变量的函数，包括空气压力、通道尺寸和形状等等，并且对于给定的通道构造来说，可通过改变施加到通道的细化空气的压力来控制空气的速度。关于模具顶端轴线的空气流撞击的减少角度导致在模具顶端尖端处明显减少空气湍流，而空气流的速度足以将熔化的聚合物拉伸成细的纤维。

在根据本发明的模具组件的特定实施例中，空气通道之间形成的会聚角度是在大约10度到大约20度之间，这样每一空气通道关于模具顶端的纵向轴线限定的会聚角度在大约5度到大约10度之间。每一空气通道关于模具顶端的轴线具有相同的会聚角度是没有必要的。例如，一个通道可具有5度的会聚角度而另一通道可具有7度的会聚角度。而且还希望只有一条空气通道具有小于20度的会聚角度。

还在另一实施例中，空气通道在第一形成的角度处限定第一会聚区域，以及在小于第一形成角度的第二形成角度处限定邻近模具顶端尖端的第二会聚区域。该第二形成角度可以在大约10度到大约20度之间的范围内。第一形成的角度可以大于大约30度，以及更具体的为大约60度。

空气通道可具有各种构造和横断面形状。在特定的实施例中，空气通道沿着邻近模具顶端尖端的会聚区域例如在具有第一会聚区域和第二会聚区域的实施例中沿着会聚区域具有基本恒定的横断面面积。空气通道沿着第一会聚区域可具有可变的横断面面积。

空气通道可在第一和第二会聚区域之间限定阶梯状的角度改变。可替换的，通道可包括在第一会聚区域和第二会聚区域之间的渐进的角度改变。

空气通道可由空气板和模具顶端侧面之间的间隙限定。在该实施例中，模具顶端在沿着第一会聚区域的第一角度处以及沿着第二会聚区域的第二角度处具有侧壁。可替换的，模具顶端的侧壁具有限定空气通道会聚变化的渐进或径向要素。

在其中第一会聚区域位于第二会聚区域前面的实施例中，其中第二会聚区域具有空气通道之间的减小会聚角度，细化空气可在大于传统系统中的压力下供应。例如，空气可在高达大约30psig的压力下供应，而相比较一些传统系统来说，传统系统空气压力为10psig。空气可以相对恒定的速度输送，或者以增加的速度分布输送，其是作为空气通道的横断面在朝向模具顶端尖端的方向上会聚(即，缩小)的结果。

下面将参考在附图中示出的具体实施例对本发明进行更详细的描述。

附图的简要说明

图1是用于制备无纺网的传统熔喷设备的等角投影图；

图2是传统模具头部的模具顶端的横断面视图；

图3是传统模具顶端的横断面和图解视图；

图4是根据本发明的模具头部组件的一个实施例的横断面视图；

图5是根据本发明的模具头部组件的一个替换实施例的横断面视图；以及

图6是根据本发明的原型系统在运行中的照片。

详细说明

现在将参照本发明的实施例对本发明进行详细说明，其中的一个或多个例子在附图中示出。每一例子是通过对本发明进行解释说明的方式提供的，但是并不意味着作为对本发明的限制。例如，作为一个实施例一部分示出或描述的特征可用于另一实施例中来另外产生进一步的实施例。本发明意旨包括对在此描述的实施例进行的改型和变化。

在图1中示出了用于形成熔喷无纺布以及有益于本发明的理解的传统设备和工艺。参照图1，储料器10向连接模具14的挤压机12提供聚合物材料，上述模具14延伸过由熔喷过程形成的无纺网18的宽度16。入口20和22提供加压气体到模具14。图2示出模具14一部分的局部横断面，包括接收来自挤压机12的聚合物的挤出狭槽24以及接收来自入口20和22的加压气体的腔室26和28。腔室26和28由基部30和模具14的板32和34限定。

熔融聚合物通过延伸横过模具14顶端38的若干小直径毛细孔36被压出狭槽24。毛细孔36通常具有近似0.0065到0.0180英寸的直径，并且每英寸以9-100个毛细孔间隔开。气体从腔室26和28经过然后通过通道40和42。来自通道40和42的两个气体流会聚，以便当聚合物线条离开毛细孔36并落在诸如带子的成形表面46上对熔化的线条44进行拉伸和细化(见图1)。熔化的材料以从0.02到1.7克/每根毛细孔/每分钟的速率在高达300psig的压力下通过毛细孔36挤出。挤出熔化材料的温度取决于所选材料的熔点，并且一般在125到335摄氏度的范围内。细化空气可加热到100到400摄氏度，并且对于传统的系统来说通常加压到大约10psig。

挤出线条44形成粘结即粘着的纤维无纺网18，其可由辊47移动，其可设计为共同对网18加压以便增强网18的整体性。此后，网18可由传统的布置装置运输到浮雕模式等的卷绕辊。美国专利4,663,220详细地公开了使用上述元件的设备和工艺，并且结合在此作为参考。

图3是美国专利3,825,380的基本类似于图2的图，并且示出在传统V形模具组件中的会聚空气通道关于聚合物通道C的轴线B的一般所采用的角度关系。该构造在本领域中通常称为“Exxon”类型的模具组件。美国专利3,825,380论述了可通过各种因素来最小化节点形成，上述因素包括合适的模具前端锐度。在该点上，美国专利3,825,380将会聚角α限定为形成至少30度的角度，60度为所采用的最佳角度，对节点形成和“黏丝”(“rope”)之间进行折衷。

在图4和5中示出根据本发明的设备100的实施例。设备100包括模具头部110，所述头部110具有通常V形的限定模具顶端尖端114的模具顶端112。限定聚合物通道118通过模具顶端112，并且在模具顶端尖端114处具有出口孔。聚合物通道具有纵向轴线138。

应该理解图4和5是通过模具顶端的单一通道或“毛细孔”的横断面视图。如本领域内所公知的那样，典型的模具顶端会具有基本以横过模具顶端长度的行或列排布的若干毛细孔，如通常在图1中所示的那样。

还应该理解根据本发明的模具顶端构造可包含除了附图中所示之外的附加或较少组件。例如，图4和5示出聚合物断流板以及聚合物分配腔的具体构造。这些组件对于实践本发明不是必须的，并且可以包括或可以不包括在根据本发明的设备100中。

空气板120a和120b沿模具顶端112的相对侧116设置。空气板120a和120b与模具顶端相对侧116共同限定空气通道122a和122b。上述空气通道122a和122b在模具顶端尖端114处引导加压的细化空气136以便将从聚合物通道118的出口孔挤出的熔化聚合物拉伸和细化成相对细的连续纤维，如本领域中的那些技术人员所公知的那样。

参照图4，空气通道122a和122b具有通常邻近模具顶端尖端114的会聚区域(第二区域128)，其中上述通道具有在大约10度到大约20度之间的形成会聚角度130，这样每一空气通道关于模具顶端112的纵向轴线118限定在大约5度到大约10度之间的会聚角度131。

如在图4中所示的那样，空气通道122a和122b可包括位于第二区域128上游的第一会聚区域124，其中空气通道122a和122b具有大于第二所形成会聚角度130的所形成会聚角度126。例如，第一所形成的会聚角度126可大于30度，并且在具体的实施例中可为60度。

上述空气通道122a和122b可具有各种的构造和横断面形状。例如，在图4的实施例中，空气通道沿着邻近模具顶端尖端114的第二会聚区域128具有基本恒定的横断面面积。恒定的横断面面积是所希望的，以便精确控制离开空气通道的细化空气的速度。上述空气通道122a和122b可具有沿着第一会聚区域124的变化横断面面积。而且，虽然示出上述空气通道122a和122b为关于模具顶端112的轴线138是对称的，但是通道为不对称的也落入本发明的范围和精神之内。例如，通道122a可与轴线138限定大约5度的会聚角度，而通道122b可与轴线138限定大于或小于大约5度的会聚角度。

如在图4的实施例中，空气通道122a和122b可在第一会聚区域124和第二会聚区域128之间限定合适限定的阶梯状角度改变132。空气通道122a和122b通常可在阶梯状角度改变132的每一侧上是直的。

图5示出一个实施例，其中空气通道122a和122b从第一会聚区域124和第二会聚区域128逐渐改变。该渐变的区域可例如由空气板120a和120b和/或模具顶端112的侧壁116的弯曲或径向尺寸限定。

空气通道122a和122b可由空气板120a和120b以及模具顶端112的侧壁116之间的空隙限定，如在图4和5中所示的那样。侧壁116可在沿着第一会聚区域124的第一角度以及在沿着第二会聚区域的第二角度处限定。可替换的，模具顶端112的侧壁116可具有限定空气通道会聚中变化的渐变或径向组件，如在图5中的那样。但是，空气通道122a和122b可以任何合适的结构限定。

应该意识到供应到空气通道122a和122b以在出口获得所需速度分布的细化空气的压力可作为许多变量的函数变化，包括空气通道的形状和构造，空气通道的会聚角度，熔化聚合物的粘度等。在其中第一会聚区域124位于第二会聚区域128前面的实施例中，其中第二会聚区域128具有空气通道122a和122b之间的减小会聚角度，细化空气可以在大约2psig到大约30psig之间的压力范围下供应。在一个实施例中，其中空气通道沿着第二会聚区域128所形成的会聚角度130可以在大约16度，供应到空气通道的细化空气的压力可在大约20psig。

例子

在下面的例子使用在图4中示出实施例的小型原型系统。模具顶端宽度在4英寸，其横过由空气板120a和120b形成的主要空气狭槽跨度而测量。在模具顶端110的中心处钻有三十个毛细孔114。采集样品并确定适于各种运行条件的平均纤维尺寸。下表示出平均纤维尺寸作为主要空气压力和聚合物输出的函数。对于每一条件，增加主要空气压力直到发现毛丝。对于上述例子来说，使用具有MFR为1300的Exxon Mobil聚丙烯。熔融温度为423 ，并且主要的空气温度为500。

输出(ghm)	主要的空气压力(psig)	平均纤维直径(微米)
			0.21.21.5	3.52325	2.884.003.64

上述设计展示在高压下以及甚至在高的聚合物输出下获得细纤维的能力。在图6中示出系统运行的照片。

应该意识到对于本领域的那些技术人员来说，可在不脱离由所附加权利要求限定的本发明的范围和精神下对在此描述或示出的本发明实施例进行各种改型和变化。

Claims (17)

1.用于由熔化聚合物形成熔喷材料的设备，所述设备包括：

设有通道的模具头部，熔化聚合物通过该通道挤出以形成熔喷纤维，所述模具头部进一步包括通常为V形的模具顶端，所述顶端在所述模具顶端的尖端中限定适于所述通道的出口；

至少一对空气板相对于所述模具顶端设置以便限定邻近所述模具顶端的空气通道，从而引导细化空气接触从所述出口挤出的熔化聚合物；

至少一个所述空气通道进一步包括在第一形成角度处的第一区域，以及在小于所述第一形成角度的第二形成角度处的邻近所述模具顶端尖端的第二会聚区域。

2.如权利要求1中所述的设备，其中所述第二形成的角度在大约10度到大约20度的范围内，这样所述空气通道关于所述聚合物通道的纵向轴线限定大约5度到大约10度之间的会聚角度。

3.如权利要求2中所述的设备，其中每一所述空气通道包括所述第一和第二形成的角度。

4.如权利要求3中所述的设备，其中所述空气通道关于所述通道的纵向轴线是对称的。

5.如权利要求3中所述的设备，其中所述第一形成的角度大于大约30度，这样每一所述空气通道在所述第一会聚区域中关于所述聚合物通道的纵向轴线限定至少大约15度的会聚角度。

6.如权利要求3中所述的设备，其中所述空气通道沿着所述第二会聚区域具有基本恒定的横断面面积。

7.如权利要求6中所述的设备，其中所述空气通道沿着所述第一会聚区域具有变化的横断面面积。

8.如权利要求3中所述的设备，进一步包括在所述第一和所述第二会聚区域之间的阶梯状角度改变。

9.如权利要求3中所述的设备，进一步包括在所述第一和所述第二会聚区域之间的渐变角度改变。

10.如权利要求3中所述的设备，其中所述模具顶端在沿着所述第一会聚区域的第一角度处和沿着所述第二会聚区域的第二角度处具有侧壁。

11.如权利要求10中所述的设备，其中所述空气板通常沿着所述第二会聚区域平行于所述侧壁。

12.如权利要求3中所述的设备，进一步包括在高达大约30psig的压力下供应到所述空气通道的加压空气源。

13.如权利要求12中所述的设备，其中所述空气在大约20psig的压力下供应。

14.用于由熔化聚合物形成熔喷材料的设备，所述设备包括：

设有通道的模具，熔化聚合物通过该通道挤出以形成熔喷纤维，所述模具进一步包括通常为V形的模具顶端，所述顶端在所述模具顶端的尖端中限定适于所述通道的出口；

至少一对空气板相对于所述模具顶端设置以便限定邻近所述模具顶端的空气通道，从而引导细化空气接触从所述出口挤出的熔化聚合物；

所述空气通道进一步包括在形成角度处的邻近所述模具顶端尖端的会聚区域，所述形成角度在大约10度到大约20度的范围内，这样每一所述空气通道关于所述聚合物通道的纵向轴线限定大约5度到大约10度之间的会聚角度。

15.如权利要求14中所述的设备，其中所述空气通道沿着所述会聚区域具有基本恒定的横断面面积。

16.如权利要求14中所述的设备，其中所述空气板通常沿着所述会聚区域平行于所述模具顶端的侧壁。

17.如权利要求14中所述的设备，进一步包括在大约20psig的压力下供应到所述空气通道的加压空气源。

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