专利名称：纤维成型工艺的制作方法 在许多纤维成型工艺中，将从模具中挤出的长丝材料引导穿过处理室，在那里例如该纤维材料被拉伸、取向和/或减径。这种处理或拉细室一般用在纺粘工艺中(参见美国专利Nos.3502763；3692618；4064605；4217387；4812112；4820459；5270107；5292239；5571537；5648041和5688468)。但是它还可以用在其它工艺例如熔吹工艺(参见美国专利Nos.4622259和4988560)、长丝和长丝纱的熔体纺丝(参见美国专利No.4202855)、以及从丝薄膜纤维材料的闪蒸纺丝中。使用处理室对整个纤维成形工艺产生了限制——这些限制试图确保纤维将有效地行进穿过该腔室而不会例如堵塞该腔室。这些限制包括在纤维移动穿过该腔室时在它们速度上的限制；在腔室结构上的限制以使得纤维能够穿过该腔室并且在纤维断裂时重新穿过；以及挤出纤维在它们进入该腔室时熔融或液化程度上的限制。已经作出各种努力来改善处理室并且减少它们施加在纤维成型工艺上的限制。一个方法是对于腔室而言采用宽喉入口，并且使腔室形成有可动壁，所述可动壁在聚合物流动开始之后移动到位并且在出现堵塞的情况下移动离开位置；参见美国专利Nos.4405297和4340563以及4627811。或者，美国专利No.6136245提出缓慢地开始纤维成型工艺并且其处理室与挤出模具间隔开的距离大于所要采用的操作距离；然后逐渐加速该过程，并且使该处理室移动靠近模具直到它最终处于操作位置。在试图在整个拉细室宽度范围内实现均匀纤维速度所作的一种不同的努力中，腔室壁由柔性材料制成，并使用压力传感器阵列(grid)来激发该壁几何形状的局部改变，从而试图使压力在整个腔室宽度上相等；参见美国专利US5599488。美国专利US4300876披露了一种只具有一个被弯曲成能够提供Coanda气流的壁的吹风机，挤出的长丝在该气流中被输送。所有的这些方法都因为利用了处理室而仍然对纤维成型工艺继续施加着重要的限制。可以采用多种移动部件来移动该壁。在一个实施方案中，该至少一个可移动壁朝着另一个壁弹性偏置；对该偏置力进行选择从而在腔室内的流体压力和该偏置力之间建立动态平衡。因此，响应于该腔室内压力的增加，该壁可以移动离开另一个壁，但是一恢复腔室内的原始压力，它就因为偏置力而迅速返回平衡位置。如果挤出的纤维材料粘在或者集聚在该壁上而导致腔室内的压力升高，则该至少一个壁迅速移动离开另一个壁以释放该集聚的挤出物，由此压力迅速返回至其原始压力，然后该可移动壁返回其原始位置。尽管在壁的移动过程中该工艺的操作参数有一些短暂的变化，但是该工艺不会中断，而是持续地成型和收集纤维。在本发明的另一个实施方案中，该移动部件时一个振动器，它将壁在限定腔室空间的原始位置和进一步离开另一个壁的第二位置之间振动。振动迅速发生，使得纤维成型过程基本不被中断，集聚在处理室中可能会堵塞该腔室的任何挤出物因为该壁的分开而被有规律地释放出来。总之，本发明的新的纤维成型方法包括a)挤出纤维成型材料的长丝；b)将该长丝引导穿过两个平行壁限定的处理室，所述两个平行壁中的至少一个可以相对另一个壁来回瞬时移动，并受控于在长丝通过过程中引起该瞬时移动的移动部件；以及c)收集已处理的长丝。具有上述可瞬时移动的壁的处理室使纤维成型工艺产生了极大的变化。以前因为存在着堵塞处理室危险而没有用的程序和参数现在都变得可行。可以改变进入处理室时的纤维速度、聚合物流动速率以及聚合物熔融或者液化的程度，以形成改进的和基本上是新的工艺。本发明尤其适用于改善直接成网工艺，也就是纤维成型材料直接转化为无纺网形式，而不用单独形成纤维，再在另一个过程中组装成网。
本发明还提供和使用一种新设备，它主要包括a)用于通过模具中的喷口挤出纤维成型材料长丝的挤出头；b)进行对准而接收该挤出的长丝以使长丝穿过其中的腔室，该腔室由两个平行壁限定，所述平行壁中的至少一个壁可以相对于另一个壁来回瞬时移动；以及c)用于移动该至少一个壁，例如将该壁朝着另一个壁弹性偏置或者将该壁相对于另一个壁来回振动的移动部件。该壁相对于另一个壁的来回移动足够容易，从而允许进行所述快速或者瞬时的移动，例如响应于腔室中压力的提高，该壁移动离开另一个壁，但是一旦恢复了腔室内的原始压力，该壁就因为偏压部件而迅速返回到其原始位置；或者振动部件会将该壁在较近间距和较远间距之间进行迅速振动。
本发明还提供了一种新型产品。如后面在本说明书中详细所述，从本发明的纤维成型工艺中收集的纤维团中可能包括例如因为纤维断裂或者纠缠而沿着纤维的长度断开的纤维。发生断开的纤维段可能与纤维的主要部分在一些重要性能方面有所不同，例如在表现为熔点差异的形态学特征方面、冷结晶温度方面、玻璃化转变温度方面，结晶度指数(表示纤维结晶比例)或者结晶类型方面会有所不同。采用差示扫描量热法和X射线散射法可以探测到这些差异。上述收集的纤维团是本发明具有优点的新纤维成型工艺的结果；另外，该新型网本身也提供了有利的性能。本发明一种有用的产品包括网形式的粘在一起的纤维团，该纤维团包括沿着纤维长度由类似纤维的片段随机断开的纤维，其直径小于300毫米，但是大于纤维主要部分的直径。
优选实施方案的详细说明

图1显示出用于实施本发明的说明性设备。在该说明性设备中，通过将成纤材料引入到料斗11中、在挤出机12中使该材料熔融，并且通过泵13将该熔融材料泵送进挤出头10，从而将成纤材料提供给挤出头10。虽然小球或其它颗粒形状的固态聚合物材料是最常用的并且被熔融成液态可泵送状态，但是也可以采用其它成纤液体例如聚合物溶液。
挤出头10可以是一种普通的喷丝头或喷丝组件，它通常包括多个布置成规则图案例如直线排的喷口。成纤液体的长丝15从挤出头中挤出并且输送给处理室或拉细器16。挤出长丝15在达到拉细器16之前行进的距离17可以随着它们所处的条件而变化。通常，通过普通的方法和设备将空气或其它气体淬冷流18施加在挤出长丝上以降低挤出长丝15的温度。或者，可以加热这些空气或其它气体流以利于这些纤维的拉伸。可以有一股或多股空气(或其它流体)流-例如，横向吹向长丝流的第一空气流18a，该空气流可以除去在挤出成型期间释放出的不希望有的气态材料或烟雾；以及第二淬冷空气流18b，该空气流实现所期望的主要温降。根据所采用的工艺或所要求的成品形状，该淬冷空气可以足以在挤出长丝15达到拉细器16之前使它们固化。在其它情况中，这些挤出长丝在它们进入拉细器时仍然处于软化或熔融状态。或者，没有使用任何淬冷流；在这种情况中，在挤出头10和拉细器16之间的环境空气或其它流体可以是用来使这些挤出长丝在它们进入拉细器之前进行任何变化的介质。
如在下面更详细地所述一样，这些长丝15穿过拉细器16然后排出。通常，如在图1中所示，它们排出到收集器19上，在那里它们被收集成为纤维团20，这些纤维可以是粘在一起的并且采取可处理的网形状，也可以不是。本发明尤其适用于直接成网工艺，其中在一次基本上直接的操作中将成纤聚合材料转化成网，例如在纺粘或熔吹工艺中所实现的一样。替代地，从拉细器排出的纤维也可以是单丝、纤维或纤维纱形状，它们可以缠绕在存储卷盘上或者进一步处理。
收集器19通常是多孔的，并且可以将抽气装置14设置在该收集器下面以帮助使纤维沉积到收集器上。拉细器出口和收集器之间的间距21可以改变以获得不同的效果。所收集的纤维团20可以输送给其它设备例如砑光机、压花站、层压机、剪切机等；或可以使它穿过驱动辊22并且缠绕到存储辊23中。在穿过本发明的处理室之后但是在收集之前，可以对挤出长丝或纤维进行图1中没有显示出的诸多附加处理步骤，例如进一步拉伸、喷雾等。
图2为代表性处理装置即拉细器16的放大侧视图，该拉细器包括两个可动半部或侧部16a和16b，它们分开以便在它们之间形成处理室24这些侧部16a和16b的相向表面形成该腔室的壁。图3为代表性拉细器16和部分其固定和支撑结构的不同比例顶部示意图。从图3中的顶视图中可以看出，处理或拉细室24通常是细长的狭缝，其横向长度25(与穿过拉细器的长丝的行进路径垂直)可以根据所处理的长丝数量变化。
虽然以两个半部或侧部形态存在，但是该拉细器用作一个单一装置并且将首先以其组合形式进行说明。(在图2和3中所示的结构只是示例性的，也可以使用多种不同的结构。)该代表性拉细器16包括倾斜的入口壁27，这些入口壁限定该拉细室24的入口空间或喉部24a。这些入口壁27优选在入口边缘或表面27处弯曲以使携带着挤出长丝15的气流进入平稳。这些壁27安装在主体部分28上，并且可以设有用来在主体部分28和壁27之间构成间隙30的凹槽区域29。可以通过导管31将空气引入到这些间隙30中，从而产生气刀(由箭头32表示)，这些气刀提高了行进穿过该拉细器的长丝的速度，并且还具有对长丝的进一步淬冷效果。拉细器主体28优选在28a处弯曲以使来自气刀32的空气平稳地通入到通道24中。可以将拉细器主体的表面28b的角度(α)选择为能够确定气刀冲击穿过拉细器的长丝流所要求的角度。这些气刀可以深入设置在腔室内，以取代位于通向该腔室的入口附近。
拉细室24在其贯穿拉细器的纵向长度(沿着穿过拉细室的纵向轴线的尺寸被称为轴向长度)可以具有均匀的间隙宽度(在两个拉细器侧部之间在图2的页面上的水平间距33在这里被称为间隙宽度)。或者，如在图2中所示一样，该间隙宽度可以沿着拉细器腔室的长度变化。优选的是，该拉细室在拉细器内部较窄；例如，如在图2中所示一样，在气刀位置处的间隙宽度33是最窄的宽度，并且该拉细室宽度沿着其长度方向朝着出口开口34例如以角度β扩展。其在拉细室24内部这种变窄，然后变宽，产生出文丘里效应，该效应增加了引入到该腔室中的空气容量并且提高了行进穿过该腔室的长丝的速度。在另一个实施方案中，拉细室由笔直或平面的壁形成；在这些实施方案中，这些壁之间的间距在它们的长度上可以是恒定的，或者这些壁可以在拉细室的轴向长度上稍微分散(优选)或会聚。在这些情况中，形成拉细室的这些壁在这里被当作是平行的，因为与精确平行的偏差相对很小。如在图2中所示一样，形成通道24纵向长度的主要部分的这些壁可以采取板36的形式，这些板与主体部分28分开并且固定在该主体部分28上。
拉细室24的长度可以变化以实现不同的效果；在气刀32和出口34之间的部分(在这里有时被称为斜槽长度35)上变化尤为有用。腔室壁和轴线26之间的角度在出口34附近可以更宽以改变纤维在收集器上的分布；或者在出口处可以采用比如偏转器表面等结构。Coanda弯曲表面和不均匀的壁长度以实现纤维的所要求扩散或其它分布。通常，结合所要处理的材料和实现所要求效果的所需处理模式来选择间隙宽度、斜槽长度、拉细室形状等。例如，更长的斜槽长度可以用来提高所制出的纤维的结晶度。选择条件，并且可以在大范围改变这些条件以将挤出长丝加工成所要求的纤维形式。
如在图3中所示一样，代表性拉细器16的两个侧部16a和16b每个都通过安装在直线轴承38上的安装块37支撑，所述直线轴承在杆39上滑动。通过装置例如围绕着杆径向设置的轴向延伸的排球轴承，可以使轴承38在杆上低摩擦运动，由此侧部16a和16b可以很容易地相离和相向运动。安装块37安装在拉细器主体28和外壳40上，通过它们将来自输送管41的空气分配给导管31和气刀32。
在这个说明性实施方案中，通过连杆44将汽缸43a和43b分别连接在拉细器侧部16a和16b上并且施加使拉细器侧部16a和16b压向彼此的夹紧力。结合其它操作参数来选择该夹紧力，以便使存在于拉细器腔室24内部的压力平衡。换句话说，该夹紧力和由于拉细器内气压所致在拉细至内部作用以将拉细器侧部挤压分开的力在优选的操作条件下是平衡的或均衡的。纤维材料可以被挤出，穿过拉细器并且以成品纤维的状态收集，同时拉细器部件保持在它们已建立的均衡或稳态位置中，并且拉细室或通道24保持在其已建立的均衡或稳态间隙宽度处。
在图1-3中所示的代表性设备的操作期间，拉细器侧部或腔室壁的运动通常只在该系统出现扰动时发生。这种扰动可以在正要处理的长丝断裂或与其它长丝或纤维缠结在一起时发生。例如因为来自挤出头的长丝的前端或该缠结扩大而造成腔室24局部堵塞，所以这些断裂或缠结往往伴随着拉细室24内的压力增加。增加的压力足以迫使拉细器侧部或腔室壁16a和16b相离运动。一旦这些腔室壁进行这种运动，输入长丝的端部或该缠结就可以穿过拉细器，由此在该拉细室24内的压力在扰动之前回到其稳态值，并且由汽缸43施加的夹紧压力使拉细器侧部返回到它们的稳态位置。造成拉细室压力增加的其它扰动包括“滴流”，即在挤出长丝的干扰下从挤出头的出口滴落的由成纤材料形成的球状液滴，或者可能接合和粘附在拉细室的壁上的挤出纤维材料的积累或者先前沉积的成纤材料。
实际上，拉细器侧部16a和16b的一个或两个“漂移”，即没有通过任何结构保持不动而是安装成能够沿着图1中箭头50的方向进行自由且容易的横向运动。在优选的布置中，在摩擦力和重力之外作用在拉细器侧部上的力只有由汽缸施加的偏压力和在拉细室24内形成的内压。可以采用汽缸之外的其它夹紧装置例如弹簧、弹性材料的形变或凸轮；但是汽缸提供了所要求的控制和可调性。
在本发明的另一个有用设备中，例如通过伺服机构、震动或超声波驱动装置以振动横式驱动这些拉细器侧部中的一个或两个。振动速率可以在大范围内变化，例如包括至少5000次循环/分钟至60000次循环/秒。在还有一个变型中，运动装置采取通过文杜里气流在处理室内形成的负气压(例如相对于大气压力)的形式。
在图1-3中所示的实施方案中，拉细室24的间隙宽度33与该腔室内的压力或者与穿过该腔室的流体流速和流体温度相关。夹紧力与拉细室内的压力匹配并且根据拉细室的间隙宽度变化。对于给定的流体流速而言，间隙宽度越窄，则拉细室内的压力越高，并且夹紧力必须更大。较低的夹紧力允许较宽的间隙宽度。可以使用机械止动件例如位于拉细器侧部16a和16b的一个或两个上的止动结构来确保保持最小或最大的间隙宽度。
在一个有用的布置中，例如通过使汽缸43a的活塞直径比汽缸43b的活塞直径更大，使汽缸43a施加比汽缸43b更大的夹紧力。这个力差使拉细器侧部16b成为在操作期间当出现扰动时将最容易运动的侧部。这个力差大约等于并补偿了抵抗轴承38在杆39上进行运动的摩擦力。可以将限制部件安装在更大的汽缸43a上以限制拉细器侧部16a朝着拉细器侧部16b运动。如在图3中所示一样，一个说明性限制部件使用一种双杆汽缸作为汽缸43a，其中第二杆46带有螺纹，延伸穿过安装板47并且带有可以进行调节以调节该汽缸位置的螺母48。例如通过旋转螺母48来调节限制部件使得拉细室24定位成与挤出头10对准。
由于拉细器侧部16a和16b在纤维成型操作的扰动期间进行所述的瞬时分开和重合，所以扩大了用于该纤维成型操作的操作参数。先前使得该工艺不可行的一些条件(例如因为它们会导致长丝断裂，从而需要停机以进行重新穿线)在本发明的方法和设备变得可以接受；一旦出现长丝断裂，则输入的长丝端部的重新穿线自动地进行。例如，可以采用会导致频繁长丝断裂的更高的速度。同样，可以采用较窄的间隙宽度，这使得气刀更加集中并且在穿过该拉细器的长丝上施加更大的力和更高的速度。或者，可以在更加熔融的状态下将长丝引入到拉细室中，从而能够在纤维性能上进行更大的控制，因为降低了堵塞该拉细室的危险。可以使拉细器移动得更靠近或更远离挤出头以在长丝进入拉细室时尤其控制它们的温度。
虽然拉细器16的腔室壁画成大体上单一结构，但是它们也可以采取单个部件的组合体形式，每个部件安装用于所述的漂移运动。包括有一个壁的各个部件通过密封部件相互接合，以便保持处理室24内的内压。在另一种布置中，由橡胶或塑料材料构成的柔性板形成处理室24的壁，由此该腔室可以在局部压力增加的作用下局部变形(例如因为由单根长丝或一组长丝的断裂而引起的堵塞)。一系列或一个阵列的偏压部件可以接合该柔性壁；可以使用足够的偏压部件以响应局部变形并且将该壁的变形部分偏压回其没有受到变形的位置。或者，一系列或一个阵列的振动部件可以接合柔性壁，并且使壁的局部区域振动。
可以看出，在图2和3所示的处理室的优选实施方案中，在该腔室的横向长度的端部处没有任何侧壁。结果，穿过该腔室的纤维在它们接近腔室的出口时可以向外扩散出该腔室的外面。这种扩散可以有利于加宽聚集在收集器上的纤维团。在其它实施方案中，处理室的确包括有侧壁，可是在该腔室的一个横向端部处的单个侧壁没有连接在两个腔室侧部16a和16b上，因为连接在两个腔室侧部上会阻止这些侧部如上所述分开。相反，可以使一个或多个侧壁安装在一个腔室侧部上并且在它响应于通道内的压力变化而移动的情况下与那个侧部一起运动。在其它实施方案中，这些侧壁被分开，其中一个部分安装在一个腔室侧部，并且另一个部分安装在另一个腔室侧部上，并且在要求将被处理纤维流限制在处理室内的情况下这些侧壁部分优选重叠。
在本发明的方法和设备中可以采用多种成纤材料来形成纤维。可以采用有机聚合物材料或无机材料例如玻璃或陶瓷材料。虽然本发明尤其适用于用熔融形式的成纤材料，但是也可以使用其它成纤液体例如溶液或悬浮液。可以使用任意的成纤有机聚合材料，包括在纤维成型中所通常使用的聚合物例如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙和尿烷。可以使用更加难以利用纺粘或熔吹技术形成纤维的一些聚合物或材料，这些材料包括非晶态聚合物例如环烯烃(它们具有高熔融粘度，这限制了它们在传统直接挤出技术中的应用)、嵌段共聚物、苯乙烯基聚合物以及粘接剂(包括压敏类和热熔融类)。这里所列出的特定聚合物只是实施例，可以使用许多其它聚合或成纤材料。有趣的是，采用熔融聚合物的本发明的纤维成型工艺通常可以在比传统直接挤出技术更低的温度下进行，这具有许多优点。
纤维还可以由材料的掺合物形成，这些材料包括已经掺合有特定添加剂例如颜料或染料的材料。可以制备双组分纤维例如芯-鞘型或并排型双组分纤维(在这里的“双组分”包括具有两种以上组分的纤维)。另外，可以通过挤出头的不同喷口挤出不同的成纤材料以便制备出包括纤维混合物的网。在本发明的其它实施方案中，可以在收集这些纤维时或之前将其它材料引入到根据本发明制备的纤维流中以制作混合网。例如，可以采用在美国专利No.4118531中所教导的方式掺合其它短纤维；或者可以采用在美国专利No.3971373中所教导的方式将颗粒状材料引入并且捕获在该网中；或者可以将如在美国专利No.4813948中所披露的微网(microweb)掺合进这些网中。或者，可以将由本发明制备的纤维引入到其它纤维流中以制备出纤维的掺合物。
可以对本发明的纤维成型工艺进行控制以实现不同效果和不同形式的网。例如，可以对本发明的工艺进行控制以控制进入处理室的长丝的坚固性(例如通过使处理室更靠近或更远离挤出头运动，或者增加或减小淬冷流体的体积或温度)。在一些情况中，至少大部分成纤材料的挤出长丝在进入处理室之前固化。这种固化作用改变了在处理室中冲击这些长丝的空气的作用性质以及在这些长丝内的效果，并且改变了所收集的网的特性。在本发明的其它工艺中，对工艺进行如此控制，从而至少大部分长丝能够在它们进入到处理室之后固化。有时，对该工艺进行如此控制，从而至少大部分长丝或纤维在它们被收集之后固化，因此这些纤维充分熔融，从而在收集时它们会在纤维相交点处粘接。
可以通过改变该工艺来获得多种网特性。例如，当成纤材料在它到达拉细器之前已经基本上固化时，该网将更加膨松并且纤维间粘接更少或没有。相反，在该成纤材料在它进入拉细器时仍然是熔融的情况中，这些纤维在收集时仍然柔软，从而实现了纤维间粘接。
本发明的优点在于，可以用以前在直接成网工艺中所不能实现的极高速度来处理长丝，这些工艺使用其作用与本发明处理室的通常作用相同的处理室，即用来使挤出纤维材料进行初始变细。例如，以前不知道聚丙烯能够在使用这种处理室的工艺中以8000米/分钟的表观长丝速度进行处理，但是这些表观长丝速度在本发明中是可能的(采用术语“表观长丝速度”，因为这些速度是例如用聚合物流速、聚合物密度和平均纤维直径计算出的)。甚至已经实现了更高的表观长丝速度例如10000米/分钟，或者甚至14000或18000米/分钟，并且可以对许多聚合物来获得这些速度。另外，在挤出头中每个喷口可以处理大体积聚合物，并且这些大体积可以在使挤出长丝高速运动的同时受到处理。该组合导致高生产率指数-聚合物输出的速率(例如以克/喷口·分钟计算)乘以挤出长丝的表观速度(例如米/分钟)。即使在生产平均直径为20微米或更小的长丝时，本发明的工艺也可以很容易实现9000或更高的生产率指数。
在这些纤维进入或离开拉细器时，在这些纤维上可以使用各种通常用作纤维成型工艺的辅助工艺的工艺，例如将整理剂或其它材料喷射到这些长丝上，将静电电荷施加到这些长丝上，施加水雾等。另外，可以将各种材料添加到所收集的网上，这些材料包括粘接剂、粘合剂、整理剂或其它网或薄膜。
虽然这样做通常没有任何原因，但是可以采用在传统熔吹操作中所采用的方式通过初始气流从挤出头中吹制出长丝。这些初始气流使这些长丝进行初始变细和拉伸。
通过本发明的方法制备出的纤维其直径范围可以很宽。可以得到微纤维尺寸(直径大约为10微米或更小)，并且这些微纤维尺寸具有多个优点；但是也可以制备出直径更大的纤维，并且这些纤维可以用于特定的用途；这些纤维其直径通常为20微米或更小。具有圆形横断面的纤维是最常制备的，但是也可以采用其它横断面形状。根据所选的操作参数例如在进入拉细器之前距离熔融状态的坚固程度，所收集的纤维可以是相当连续的或基本不连续的。在这些纤维中的聚合物链的取向可以受到操作参数选择的影响，这些操作参数例如有进入拉细器的长丝的固化程度、通过气刀被引入到拉细器中的气流的速度和温度以及拉细器通道的轴向长度、间隙宽度和形状(例如因为形状影响了文杜里效应)。
通过本发明已经实现了独特的纤维和纤维特性以及独特的纤维网。例如，在一些收集的网中，发现纤维是断开的，即断裂，或者与它们自身或其它纤维缠结在一起，或者由于接合处理室的壁而变形。在中断位置处的纤维段-即在纤维断裂位置处的纤维段以及其中发生缠结或变形的纤维段在这里都被称为中断的纤维段，或者为了简化通常简单地被称为“纤维端”；这些中断的纤维段形成纤维的未受影响长度的终端或端部，即使在缠结或变形的情况中，通常也不会有任何的纤维实际断裂或截断。这些纤维端具有纤维形状(与有时在熔体喷吹或其它先前方法中所获得的球状形状相反)，但是通常其在纤维中间部分上的直径扩大；通常它们的直径小于300微米。通常这些纤维端尤其是断裂的端部具有弯曲或螺旋的形状，这使得这些端部与它们自身或其它纤维缠结在一起。并且这些纤维端可以通过该纤维端的材料与相邻纤维的材料自发聚结而与其它纤维并排粘接在一起。
图4为在实施例5中制备出的聚丙烯纤维网在150倍放大率下的扫描电子照片。可以看出，该网包括有纤维端52，这些纤维端虽然具有纤维的形状但是其直径比中间部分53更大。这些中断的纤维段或纤维端通常其数量很少。这些纤维的主要部分没有受到影响(为了简化，纤维的未受影响的主要部分在这里被称为“中部”)。而且，这些中断是孤立且随机的，即它们不会以规律重复的或预定的方式发生。
所述的纤维端是由于本发明的纤维成型工艺的独特特征而出现，本发明工艺的过程与在单个纤维成形中的断裂和中断无关地进行。这种纤维端不会在本发明的所有收集网上出现，而是至少在一些有用的操作工艺参数下出现(例如在成纤材料的挤出长丝在它们进入处理室之前已经达到高固化程度的情况下它们可能不会出现)。单独的纤维可能会中断，例如可能在处理室中受到拉伸期间断裂，或者可能由于经处理室的壁偏转或由于处理室内的紊流而与它们自身或另一根纤维缠结在一起，可能仍然处于熔融状态但是尽管出现了中断，本发明的纤维成型工艺仍然继续进行。结果，所收集的网包含有相当多可探测数量的纤维端或其中纤维存在不连续性的中断纤维段。由于该中断通常出现在处理室中或之后，其中这些纤维通常受到拉伸力，所以这些纤维在它们中断、缠结或变形时处于张力下。中断或缠结通常导致张力的中断或释放，从而使得这些纤维段能够回缩并且直径增加。还有，断裂的端部在处理室中在流体流内自由地运动，这至少在一些情况中导致这些端部缠绕成螺旋形状并且与其它纤维缠结在一起。
对这些纤维端和中部例如图4中的部分52和53的分析研究和比较通常表明在这些端部和中部之间存在不同的形态。在这些纤维端中的聚合物链通常是取向的，但是没有取向到它们在这些纤维的中间部分中所取向的程度。这个取向上的差异导致结晶比例和晶体种类或其它形态结构方面的差异。并且所有这些差异反应在不同特性中。
图5和6分别给出了在实施例27和29中所制备出的PET网的代表性纤维和纤维端分别通过差示扫描量热仪(DSC)获得的曲线图。实线曲线用于纤维的中间部分，而虚线曲线用于纤维端。实线曲线显示出双熔融峰值，即在图5上的点55和56以及在图6上的点55′和56′。高温峰值55和55′表示键延长或应力引致的结晶部分的熔点；而另一个峰值56和56′表示链未延长的或更无序的结晶部分的熔点。(在这里的术语“峰值”指的是可归因于单个过程例如纤维的特定分子部分例如增链部分熔化的加热曲线部分；有时这些峰值相互充分靠近，从而一个峰值具有形成另一个峰值的曲线台肩的外观，但是它们仍然被当作是单独的峰值，因为它们代表不同摩尔份数的熔点。)增链结晶部分的存在通常意味着，这些纤维在拉伸强度、耐久性和尺寸稳定性方面优异。
从对实线和虚线曲线的比较中可以看出，在所测试的试样中，由虚线曲线表示的纤维端其熔点低于纤维的中部；出现这种熔点的差异是由于这些中部和端部之间在晶体结构和取向上的差异。还有，在所测试的试样中，这些纤维端具有更高的冷结晶峰值(在图5和6中分别为点57和57′；非晶态或半结晶材料在加热时的结晶作用被称为冷结晶)，从而表明，这些纤维端与在中部相比包含有更多的非晶态或半结晶材料以及更少的高度有序的结晶材料。这些中部在峰值58和58′处但是与纤维端相比在更宽且不同的温度范围上呈现冷结晶。
在热分析期间往往还要注意纤维端部和纤维中部之间在玻璃转变温度(Tg)方面的差异。在图7和7a中更加清楚地显示出这种差异，图7和7a是对于另一个试样即实施例16的中部(实线)和端部(虚线)的曲线图；图7a为其上出现Tg的一部分曲线图的放大视图。中部的Tg即点59为9.74℃，而端部的Tg即点60为-4.56℃。
通常，当采用经过正确校准的差示扫描量热仪(DSC)来对由本发明制备出的纤维中部和端部进行评估时，由于在这些纤维中部和纤维端部内工作机理的差异，使得这些纤维中部和端部对于一个或多个共同的热转化彼此将相差为至少测试仪器的一个分辨率(0.1℃)。例如，当试验可观察时，这些热转化可以有如下差别1)，中部的玻璃转变温度Tg可以稍微高于端部，并且当在纤维中部的晶体含量或取向增加时该特征可以减小高度；2)当进行观察时，冷结晶的开始温度Tc以及在冷结晶期间测量出的峰值面积对于纤维中部而言相对于纤维端部更低；并且最后，3)纤维中部的熔融峰值温度Tm将升高至端部所观察到的Tm之上，或者在特性方面变复杂，从而显示出多个吸热极小值(即，表示不同分子部分的不同熔点的多个熔融峰值，例如在其晶体结构序列上不同)，并且该纤维中部的一个分子部分其熔融的温度高于纤维端部的分子部分。通常，纤维端部和纤维中部在这些参数如玻璃转变温度、冷结晶温度和熔点的一个或多个方面相差至少0.5或1℃。
包括具有膨大纤维端部的纤维的网其优点在于该纤维端部可以包括更容易软化的材料，用于提高网的粘结性；而螺旋形状可以提高网的附着性(coherency)。
由聚丙烯制备实施例1-22和42-43；由熔体流动指数(MFI)为400的聚丙烯(Exxon 3505G)制备实施例1-13；由MFI为30的聚丙烯(Fina 3868)制备实施例14；由MFI为70的聚丙烯(Fina 3860)制备实施例15-22；由MFI为400的聚丙烯(Fina 3960)制备实施例42-43。聚丙烯密度为0.91g/cc。
由聚对苯二甲酸乙二醇酯制备实施例23-32和44-46；由本征粘度(IV)为0.61的PET(3M 651000)制备实施例23-26，29-32以及44；由IV为0.36的PET制备实施例27；由IV为0.9的PET(高分子量PET，用作高韧性纺丝纤维，由Dupont Polymes以Crystar 0400提供)制备实施例28；由PETG(由Paxon Polymer公司(Baton Rouge，LA)制造的AA45-004)制备实施例45和46。PET密度为1.35，PETG密度约为1.30。
由MFI为130并且密度为1.15的尼龙6聚合物(BASF的Ultramid PA6B-3)制造实施例33和41。由MFI为15.5并且密度为1.04的聚苯乙烯(Nova Chemicals提供的Crystal PS 3510)制造实施例34。由MFI为37并且密度为1.2的聚氨酯(Morton PS-440-200)制造实施例35。由MFI为30并且密度为0.95的聚乙烯(Dow 6806)制造实施例36。由MFI为8并且密度为0.9的包括13％苯乙烯和87％乙烯丁烯共聚物的嵌段聚合物(Shell Kraton G1657)制造实施例37。
实施例38是芯-鞘型双组分纤维，芯为实施例34中使用的聚苯乙烯(89％重量)，鞘为实施例37中使用的共聚物(11％重量)。实施例39是并排型双组分纤维，由聚乙烯(Exxon Chemicals提供的MFI为30的Exxact 4023，36％重量)和压敏粘合剂(64％重量)制成。该粘合剂包括92％重量的丙烯酸异辛酯、4％重量的苯乙烯以及4％重量的丙烯酸的三元共聚物，本征粘度为0.63，通过Bonnot粘合剂挤出机提供。
在实施例40中，每个纤维都是单组分的，但是使用两种不同聚合物即实施例36中的聚乙烯和实施例1-13中的聚丙烯制成的纤维。挤出头具有四排喷口，每排有42个喷口；向挤出头的供给方式是，在一排中的相邻喷口分别提供两种聚合物中的不同聚合物，从而形成A-B-A…模式。
在实施例47中，单独由用作实施例39中双组份纤维的一个成分的压敏粘合剂来制造纤维网；使用Bonnot粘合剂挤出机。
在实施例42和43中，用盘簧来代替用于将拉细器的可移动侧部或者壁进行偏置的气缸。在实施例42中，在实施例的操作过程中弹簧在每一侧上偏转9.4毫米。弹簧的弹簧常数是4.38牛顿/毫米，从而每个弹簧所施加的夹紧力是41.1牛顿。在实施例43中，弹簧在每一侧上偏转2.95毫米，弹簧常数是4.9牛顿/毫米，夹紧力是14.4牛顿。
在实施例44中，挤出头是熔吹模具，具有中心到中心间隔为1.02毫米的直径为0.38毫米的喷口。每排喷口为101.6毫米长。对于一起的两个气刀而言，将370摄氏度的主要熔吹空气通过在喷口排每一侧上的203毫米宽气刀以0.45立方米/分钟(CMM)的速度引入。
在实施例47中，以大约200循环/秒振动的气动旋转球振动器连接至每个可移动拉细器的侧部或者壁；气缸保持在适当的位置，并在挤出头之下对准拉细器腔室，并且在压力增加强迫侧部分开的情况下可以将拉细器侧部返回至其原始位置。在该实施例的操作过程中，振动器操作与不操作时相比，前者有较少量的压敏粘合剂粘附在拉细器壁上。在实施例7和37中，夹紧力是0，但是在任何的扰动之后，文丘里气流在处理室中产生的低于大气压的气压使可移动侧壁返回至其原始位置。
在每个实施例中，将成型为纤维的聚合物加热至表1中所列温度(在挤出机12中通向泵13的出口附近测量的温度)，聚合物在该温度下熔融，将熔融的聚合物按照表中所列速率提供给挤出喷口。该挤出头通常具有四排喷口，但是根据表中所列改变每排中喷口的数量、喷口的直径、喷口的长度直径比。在实施例1-2、5-7、14-24、27、29-32、34以及36-40中，每排有42个喷口，总数为168个。在其他实施方案中，除了实施例44之外，每排有21个喷口，总数为84个喷口。
根据表中所述改变拉细器参数，包括气刀间隙(图2中的尺寸30)、拉细器机体角度(图2中α)、通过拉细器的空气温度、淬冷空气速率、夹紧压力和气缸施加给拉细器的作用力、通过拉细器的空气总体积(给出为实际立方米/分钟，或ACMM；所列体积的大约一半经过每个气刀32)、在拉细器顶部和底部处的间隙(图2中的尺寸33和34)、拉细器斜槽的长度(图2中尺寸35)、从模具出口边缘到收集器之间的距离(图2中尺寸17)、以及从拉细器出口到收集器之间的距离(图2中尺寸21)。气刀的横向长度(图3中狭缝的长度25的方向)约为120毫米；形成有用于气刀的凹槽的拉细器机体28其横向长度约为152毫米。改变连接至拉细器机体的壁36的横向长度在实施例1-5、8-28、33-35和37-47中，壁的横向长度是254毫米；在实施例6、26、29-32和36中约为406毫米；在实施例7中约是152毫米。
报告了所收集的纤维的性质，包括由从扫描电子显微镜获取的数字图像中测量的并利用Windows的图像分析程序UTHSCSA IMAGETool(来自San Antonio的Texas Health Science Center大学(版权1995-1997))得到的平均纤维直径。根据纤维的尺寸，按照500-1000倍的放大率使用影像。
用等式V表观＝4M/ρπdf2计算出收集纤维的表观长丝速度，其中M为每个喷口的聚合物流速，单位为克/立方米，ρ为聚合物密度，并且df为所测量出的平均纤维直径。
通过在放大情况下分离出单根纤维并且将该纤维安装在纸架中来测量这些纤维的韧性以及到断裂时的延伸率。通过ASTM D3822-90中所规定的方法测试该纤维的断裂强度。使用八种不同的纤维来确定平均断裂强度和到断裂时的平均延伸率。用平均断裂强度和由纤维直径和聚合物密度计算出的纤维平均旦尼尔(denier)来计算出韧性。
从所制备的网中切割出试样，它包括带有其中已经出现呈断裂或缠结形状的中断纤维端即纤维段部分和包含纤维中部即这些纤维的未受影响部分的部分，并且通过差示扫描量热仪(具体地说采用由TAInstruments Inc(New Castle，DE)提供的Model 2920装置专门调制的DSCTM)并且采用4℃/分钟的加热速度，±0.636℃的扰动幅度以及60秒的周期来对这些试样进行分析。确定出这些纤维端和中部的熔点；在表1中给出了用于纤维中部和端部的在DSC曲线上的最大熔点峰值。
虽然在一些情况中，检测出中部和端部之间在熔点上没有任何差异，但是即使在那些实施例中也经常看到其它差异例如在玻璃转变温度上的差异。
还对纤维中部和端部的试样进行X射线衍射分析。通过使用Bruker微衍射仪(由Bruker AXS(Inc.Madison，WI)提供)、铜Kα辐射以及HI-STAR 2D位置感应探测器记录散射辐射来收集数据。该衍射仪配备有300毫米准直仪和石墨入射光束单色仪。X射线发生器包括在50kV和100mA的设定条件下工作的转动阳极表面并且使用铜靶。将检测器对中在0°(2θ)的情况下使用透射几何形状收集数据60分钟。使用BrukerGADDS数据分析软件校正这些试样的检测器灵敏度和空间不规则性。经校正的数据在方位角上被平均化，被降低到散射角(2θ)和强度数值的X-Y对，并且通过使用数据分析软件ORIGINTM(由MicrocalSoftware，Inc.Northhampton，MA)来进行轮廓拟合以便评价结晶度。
采用高斯峰值模型来描绘各个结晶峰值和非晶态峰值分布。对于一些数据集而言，单个非晶态峰值不足以说明整个非晶态散射强度。在这些情况中，采用额外的较宽极大值来充分说明所观察的非晶态散射强度。结晶度指数计算作为在6-36度(2θ)散射角范围内结晶峰值面积与整个散射峰值面积(晶态加上非晶态)的比值。数值1代表100％的结晶度，并且数值0对应于完全非晶态材料。在表1中给出了所得到的数值。
对于由聚丙烯制成的网的五个实施例即实施例1、3、13、20和22而言，X射线分析表明中部和端部之间的差异在于，这些端部包括在5.5埃下测量出的β结晶形状。
通过用从平均纤维直径计算出的成品纤维的截面积除以模具喷口的截面积来确定拉伸面积比。还计算出生产率指数。
表1

表1续

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*多个值**熔吹模具***壁以200循环/秒振动


披露了一种新的纤维成型方法以及相关的设备，其中将由成纤材料构成的挤出长丝引导穿过由两个平行壁限定的处理室，这两个平行壁中的至少一个可以相对于另一个壁来回瞬时运动；优选这两个壁都可以互相进行来回瞬时运动。将移动装置连接在至少一个可动壁上以提供瞬时运动。在一个实施方案中，该移动装置包括用来使所述壁朝着另一个壁弹性偏置的偏压部件。所述壁相对于另一个壁的来回瞬时运动十分容易且迅速，足以使该壁响应于腔室内的压力增加而移动离开另一个壁，但是在腔室内的原始压力恢复时在偏压部件的作用下可迅速返回到其原始位置。在另一个实施方案中，该移动装置包括用于使该壁高速振动的振动部件。本发明还提供了新的无纺网，该无纺网包括聚集的纤维团，该纤维团包括由孤立的纤维段随机断开的纤维，这些纤维段包括取向的聚合物链但是其形态与纤维的主要部分不同。