包含用作阻礙物的納米纖維的製品的製作方法

2023-04-24 12:08:16 2

專利名稱：包含用作阻礙物的納米纖維的製品的製作方法
技術領域：
本發明涉及由納米纖維製成的製品及該製品的阻礙性能。
背景技術：
對由包含納米纖維的非織造材料生產的製品的需求一直在持續增加。通常認為納米纖維的直徑小於約1000納米或一微米。納米纖維網因其表面積高、孔徑低和其它特性而受到歡迎。可用多種方法和多種材料來製造納米纖維，通常也稱為微纖維或超細纖維。雖然已經採用了數種方法，但是每種方法均有缺點，並且生產高性價比納米纖維仍存在著困難。
生產納米纖維的方法包括通過熔體原纖化所描述的一類方法。熔體原纖化方法的非限制性實施例包括熔噴法、熔體纖維破裂法和熔膜原纖化法。不用熔體生產納米纖維的方法為薄膜原纖化法、靜電紡紗法和溶液紡絲法。生產納米纖維的其它方法包括以海島型、分割餅型或其它構型紡絲較大直徑的雙組分纖維，其中纖維隨後被進一步加工以便形成納米纖維。
熔體原纖化是製造纖維的一般類別，定義為其中一種或多種聚合物被熔融並擠壓成多種可能的構型(例如複合擠壓成型的均相或雙組分薄膜或長絲)，然後被原纖化或纖維化成長絲。
熔噴法是生產纖維的常用方法。典型的纖維直徑在2至8微米範圍內。熔噴法可被用來製造直徑較小的纖維但對工藝來說需要大量變化。通常，需要重新設計的噴絲頭和噴絲板。這些方法的實施例包括Fabbricante等人的美國專利5,679,379和6,114,017，和Nyssen等人的美國專利5,260,003和5,114,631。這些方法利用較高的壓力、溫度和速度來獲得小的纖維直徑。
熔體纖維破裂法是的礦物纖維製造方法的衍生並已應用於聚合物纖維製造中。礦物熔體纖維破裂法的實施例包括Walz等人的美國專利4,001,357以及Muschelknautz等人的美國專利4,337,074和4,533,376。這種方法的關鍵是利用音速和超音速空氣(氣體)速度將熔融長絲破裂成多個細旦纖維。典型的纖維直徑在小於1微米至約6微米的範圍內。將聚合物熔體破裂成細旦纖維的方法的實施例包括Nyssen等人的美國專利5,075,161；Gerking的歐洲專利1 192 301 B1和0 724029 B1以及歐洲專利申請1 358 369 A2；Sodemann等人的WO04/020722。這些方法利用拉瓦爾噴嘴將氣流速度加速至音速和/或超音速範圍。當聚合物熔體被暴露到這麼高的氣速下時，將破裂成多個細旦纖維。通過利用所需的工藝條件及噴絲板和噴絲頭幾何形狀將這些方法設定為生產理想的纖維尺寸。
熔膜原纖化法是生產纖維的另一種方法。由熔體產生熔膜，然後用流體由熔膜製成納米纖維。該方法的兩個實施例包括轉讓給University ofAkron的Torobin的美國專利6,315,806、5,183,670和4,536,361以及Reneker的美國專利6,382,526、6,520,425和6,695,992。
薄膜原纖化法是生產納米纖維的另一種方法，儘管不是為用於非織造纖維網中的聚合物納米纖維的生產而設計。轉讓給3M的Perez等人的美國專利6,110,588描述了給高度取向、高度結晶、熔融加工的凝固聚合物薄膜表面賦予流體能量以形成納米纖維的方法。薄膜和纖維用於高強度應用場合，例如聚合物的增強纖維或如混凝土這類澆注建築材料。
靜電紡絲法是生產納米纖維的一種常用方法。在該方法中，將一種聚合物溶解在一種溶劑中並放入一個隔室中，隔室在一端密封，在另一端頸縮部分具有一個小開口。然後靠近隔室的開口端在聚合物溶液和收集器之間施加高電壓。這種方法的生產速度很慢並且纖維典型地以小批量進行生產。生產納米纖維的另一種紡絲技術是利用溶劑的溶液紡絲或閃蒸紡絲。
生產納米纖維的兩步法也為人所熟知。第一步驟是以海島型、分割餅型或其它構型紡絲較大直徑的多組分纖維。較大直徑的多組分纖維然後進行分裂或所述海被溶解以便在第二步驟中產生納米纖維。例如，轉讓給Chisso的Nishio等人的美國專利5,290,626和轉讓給Kimberly-Clark的Pike等人的美國專利5,935,883分別描述了海島型和分割餅型方法。這些方法涉及兩個連續的步驟製造纖維和分割纖維。
要生產具有商業競爭力的包含納米纖維的一次性製品，必須控制納米纖維的成本。設備、工藝、加工助劑以及聚合物成本均可被控制。因此，生產成本低的納米纖維是本發明的一個目標。
也期望為多種用途和有益效果製成包含納米纖維的產品。除了其它用途之外，用途包括執行品例如尿布、擦拭物和吸收材料。
發明概述本發明涉及包含適於作為阻礙物的納米纖維網的製品。所述製品可包括衛生、醫用、工業、過濾和土工織物製品。衛生製品的非限制性實施例包括尿布、訓練褲、成人失禁襯墊、諸如女性護理襯墊和短褲護墊之類的經期用品、衛生棉塞、個人清潔製品、個人護理製品和包括嬰兒擦拭物、面部擦拭物、身體擦拭物和女性擦拭物在內的個人護理擦拭物。除了用作阻礙物之外，納米纖維網還可用作擦拭物、吸收材料以及其它用途。納米纖維網尤其可用作尿布內的液體阻礙物如外覆蓋件、腿箍或阻礙層。也可將其用作用於降低液體梯度的擦拭物、材料的控制遞送和其它用途。
直徑小於1微米的納米纖維可包括大量的纖維，優選大於製品所包含的一層纖維網中纖維的50％。對於較低的纖維網基重，納米纖維可提供高的阻礙性和良好的透氣率。
迄今為止，生產一種由常用的聚合物例如聚丙烯和聚乙烯製成的低基重的均勻納米纖維網非常具有挑戰性。靜電紡紗是一種製造納米纖維的常用方法，但不適於諸如聚丙烯和聚乙烯之類的聚烯烴。聚苯乙烯可被用於靜電紡紗中，然而太脆並會形成珠球。另外，對於高速生產或對於纖網其它層的在線加工而言，靜電紡紗並不是一種合適的方法。已經利用了製造納米纖維的其它方法，然而還不足以控制來製造低基重的均勻纖維網。需要均勻纖維網，因為任何類型的孔洞或不均勻性均會產生不受歡迎的障礙。因此，對生產包含大量納米纖維的均勻的低基重纖維網存在著很大的期望。
優選生產的非織造纖維網包含至少一個具有大量(優選大於50％)的直徑小於一微米的纖維的層。也優選非織造纖維網的水壓頭與納米纖維層基重比率大於約1kPa/gsm(10mbar/gsm)，優選大於約1.5kPa/gsm(15mbar/gsm)，更優選大於約2kPa/gsm(20mbar/gsm)，甚至更優選大於約3kPa/gsm(30mbar/gsm)。也可期望非織造纖維網的透氣率大於約1m/min，優選大於約15m/min，更優選大於約30m/min，並且最優選大於約75m/min。水壓頭與透氣率的乘積優選為至少約75kPa*m/min(750mbar*m/min)，更優選大於約100kPa*m/min(1000mbar*m/min)，甚至更優選大於約200kPa*m/min(2000mbarm/min)，並且最優選大於300kPa*m/min(3000mbar*m/min)。水壓頭與透氣率的乘積除以基重典型地大於約50kPa*m/min/gsm(500mbar*m/min/gsm)，優選大於約75kPa*m/min/gsm(750mbar*m/min/gsm)，並且最優選大於約100kPa*m/min/gsm(1000mbar*m/min/gsm)。
阻礙性能可通過靜水壓頭來測量，通常稱為水壓頭測量。水壓頭可大於1kPa(10mbar)，並且典型地為約1.5至15kPa(15至約150mbar)。在纖維網的納米纖維層內的大量纖維的平均纖維直徑可小於一微米，優選約0.1微米至1微米，更優選約0.3微米至約0.9微米。納米纖維層的基重可小於約25gsm，通常約0.1至約15gsm，優選小於10gsm或5gsm。取決於非織造纖維網的用途，納米纖維層可具有的基重在約0.5至約3gsm或約0.5至約1.5gsm的範圍內。將阻礙定義為對液體、固體和/或其混合物的阻礙。對於具體實施，通過用塗層進一步改性纖維和/或纖維網的表面可將阻礙設計用於某些表面張力液體或其它特殊用途，該塗層設計用來提供這種阻礙。例如，非織造纖維網可為塗敷表面以改進對低表面張力流體的阻礙性能。
本發明纖維網在使用期間也可提供一種物質的控制傳輸。一個實施例是擦拭物內洗劑的傳輸。可將擦拭物設計成通過採用納米纖維選擇性地控制阻礙性能。這樣可實現定時以及區域傳輸。也可實現某些物質在包含多種物質的擦拭物內的傳輸。例如，可根據需要對親水和疏水液體進行分配。控制傳輸也可為光線，因為不同區域的纖維網可容許不同數量的光線穿過纖維網。
纖維網均勻性可通過幾種方法進行測定。均勻性測量的實施例包括孔徑、基重、透氣率和/或不透明性的低變異係數。均勻性也可意味著沒有纖維束或結索或可見的孔洞或其它此類缺陷。均勻性也可通過纖維網的水壓頭或其它液體阻擋測量進行評價。阻擋得分越高通常表示纖維網更均勻。
孔徑可通過本領域技術人員已知的方法進行確定。納米纖維層的平均孔徑優選小於約15微米，更優選小於約10微米，並且最優選小於約5微米。均勻纖維網的理想變異係數可小於20％，優選小於約15％，並且更優選約10％或更小。沒有成束可通過在纖維網的測定面積上計數纖維索或束的數量進行測定。沒有孔洞也可通過在纖維網的測定面積上計數直徑超過某一閾值的洞的數目進行測定。可利用掃描電子顯微鏡或其它放大部件。例如，如果洞為肉眼所見或者直徑大於100微米，則可利用燈箱對它們進行計數。
希望形成多層纖維網。納米纖維層可與一個、兩個或多個層相結合。紡粘-納米纖維-紡粘纖維網是一個實施例。整體複合纖維網的基重在約5gsm至約100的範圍內，並且通常在約10至約50gsm的範圍內。
當今許多產品利用包含熔噴纖維的阻礙纖維網。熔噴纖維的平均直徑為約2至8微米。熔噴纖維網將典型具有的水壓頭與基重比率為約0.3至0.5kPa/gsm(3至5mbar/gsm)。熔噴纖維網的基重通常為約2至約20gsm。取決於纖維網的形成方法，透氣率典型地為約0.1至100m/min。
納米纖維層可通過產生均勻納米纖維層的任何方法來生產。納米纖維優選由熔體原纖化方法生產，更優選由為熔膜原纖化方法生產。熔體原纖化方法通常包括以下步驟提供聚合物熔體、利用中心流體流形成中空聚合物膜管和利用這種和/或其它流體流由所述中空管制成多根納米纖維。可設計裝置以在孔口處形成薄膜中空管，正壓流體由此吹過薄膜中心，使其經受拉伸和驟冷過程，一旦局部粘度達到由材料特性所限定的臨界狀態，該過程使得薄膜粘度增加並原纖化。原纖化和凝固可發生在纖維和流體離開噴絲頭之前。可設計裝置使得中空聚合物膜管可具有熔融削弱區以有助於促使原纖化。製備納米纖維的可供選擇的設備是狹槽或狹縫類型的噴絲頭設計，其生產出薄的相對平面薄膜(而不是中空膜管)，該薄膜產生納米纖維。
附圖概述雖然本說明書通過指出並清楚地要求保護本發明的權利要求書作出結論，但應該相信通過下述說明書隨附的附圖可更好地理解本發明。


圖1是示出不同纖維尺寸的水壓頭/基重比率的圖表。
圖2是示出不同纖維尺寸的水壓頭x透氣率/基重的圖表。
發明詳述本發明涉及由納米纖維製成的製品。納米纖維由一種或多種熱塑性聚合物製成。適於本發明的熱塑性聚合物的非限制性實施例包括聚烯烴、聚酯、聚醯胺、聚苯乙烯、聚氨酯、包括熱塑性澱粉、PHA、PLA、澱粉組合物在內的可生物降解的聚合物以及它們的組合。均聚物、共聚物、和它們的共混物均包含於本說明書內。最優選的聚合物為諸如聚丙烯和聚乙烯、尼龍和聚對苯二甲乙二醇酯之類的聚烯烴。
合適的熱塑性聚合物包括適於熔體紡絲法的任何聚合物。聚合物的流變學性質必須使得聚合物可被熔融擠出。聚合物的熔融溫度通常為約25℃至400℃。本發明的聚合物可具有小於每分鐘約400分克的熔融流動速率。當聚合物存在於噴絲板中時進行該測量。採用ASTM方法D-1238測定熔融流動速率。優選地，熔融流動速率可小於每分鐘約300分克，更優選小於每分鐘約200分克，並且最優選小於每分鐘約100分克。熔融流動速率的最優選範圍為每分鐘約1分克至每分鐘約100分克。一般而言，熔融流動速率越低則越優選。因此，可利用熔融流動速率小於每分鐘約40分克的聚合物。
纖維可為單組分纖維或諸如雙組分纖維的多組分纖維。纖維可具有皮芯型或並列型或其它合適的幾何構型。在纖維製成之後，在形成纖維網之前可對纖維進行處理或塗層。此外，在纖維網製成之後，可對纖維網進行處理。任選地，可將添加劑摻進聚合物樹脂中，並且這些添加劑在纖維形成之後遷移至表面。遷移至表面的添加劑可能需要利用外部能量例如熱量進行固化，或者表面上的添加劑可能需要與另一種組分進行化學反應，或者固化可能需要在另一種組分存在的情況下進行催化，使得可採用摻有添加劑的樹脂在製造纖維的時候或在纖維製成之後將附加組分添加到加工過程中。適當的處理包括親水或疏水處理。疏水處理劑的一個實施例為聚二甲基矽氧烷。具體的處理取決於使用的纖維網、聚合物種類和其它因素。所需的處理為本領域的技術人員所熟悉。
任選地，所述聚合物可包含另外的材料以提供纖維的其它性能。除了別的以外，這些材料還可改變所得纖維的物理屬性例如彈性、強度、熱或化學穩定性、外觀、吸收性、氣味吸收性、表面性質和印刷適性。可添加合適的親水熔體添加劑。任選材料的存在量可為總聚合物混料的最多50％。
製備本發明納米纖維的方法優選為熔體原纖化方法或更優選地為熔膜原纖化方法。通常，這種方法涉及提供聚合物熔體；利用中心流體流形成聚合物膜；然後使用流體由所述聚合物膜形成多根納米纖維。合適的方法詳述於如授予Torobin的美國專利4,536,361以及授予Reneker的美國專利6,382,526、5,520,425和6,695,992中。薄膜可為中空管、較平坦的結構或其它合適結構。
如4,536,361中進一步所述，聚合物被加熱直到其成為液體並易於流動。熔融聚合物的溫度可以為約0℃至約400℃，優選約10℃至約300℃，並且更優選約20℃至約220℃。聚合物的溫度取決於聚合物或聚合物混料的熔點。聚合物的溫度可超過其熔點不到約50℃，優選超過其熔點不到25℃，更優選超過其熔點不到15℃，以及剛好處在其熔點或其熔化範圍內或之上。熔點或熔化範圍用ISO 3146方法進行測量。熔融聚合物具有的粘度典型地將為約1Pa-s至約1000Pa-s，典型地為約2至約200Pa-s，並且更常見為約4至約100Pa-s。這些粘度在剪切速率在每秒約100至約100,000的範圍內給出。熔融聚合物處在約大氣壓力或略高的壓力下。
在一種方法中，通過在薄膜上並隨後在管的內表面上吹氣並施加壓力，成纖流體可穿過聚合物流體膜以形成中空聚合物管。在6,695,992內詳述的另一種方法中，成纖流體將由狹縫或狹槽類的噴絲板設計形成薄膜片。成纖流體可處在接近於熔融聚合物溫度的溫度下。成纖流體的非限制性實施例為諸如氮氣之類的氣體，更優選為空氣。成纖流體溫度可比熔融聚合物的溫度高，以有助於聚合物的流動以及中空管或平面薄膜的成型。可供選擇地，成纖流體溫度可處在熔融聚合物溫度之下，以有助於納米纖維的成型和凝固。成纖流體溫度超過聚合物熔點不到約50℃，優選超過聚合物熔點不到25℃，更優選超過聚合物熔點不到15℃，或剛好處於聚合物熔點或之上。成纖流體溫度也可處在加工溫度之下，低至15℃。成纖流體的壓力足以吹制納米纖維並在其被擠出噴絲孔時略微高於熔融聚合物的壓力。
成纖流體將通常具有低於34.5Mpa(5000psi)的壓力。成纖流體壓力將優選小於6.9Mpa(1000psi)，更優選小於約690kPa(100psi)，並且最優選為約100至約550kPa(約15至約80psi)。
聚合物產量將主要取決於所用的具體聚合物，噴絲頭樣式以及聚合物的溫度和壓力。聚合物產量將超過每分鐘每噴絲孔約1克。聚合物產量可優選大於每分鐘每噴絲孔約5克，並且更優選大於每分鐘每噴絲孔約10克。將有可能一次運行幾個噴絲孔，這將增加總的生產量。產量連同壓力、溫度和速度一起在噴絲孔出口處進行測量。描述產量的另一種方法是使用術語擠壓潤溼長度。聚合物產量將超過每釐米擠壓潤溼長度約0.3克。擠壓潤溼長度定義為產生納米纖維之前熔融薄膜的線性距離。例如，如果表明本發明是利用離散噴絲頭且噴絲頭孔口直徑為1釐米，則該噴絲頭的質量產出速率為1克/分鐘，總速率為每釐米每分鐘0.318克。聚合物產量將優選超過每釐米每分鐘約3克，更優選大於每釐米每分鐘約6克，並且最優選大於每釐米每分鐘10克。
輸送流體或其它流體可被用來產生脈動或波動壓力場以有助於形成多根納米纖維。輸送流體可通過一個橫向噴口來提供，定位橫向噴口用來引導輸送流體在薄膜和納米纖維形成區域上和周圍流動。輸送流體的速度可為每秒約1至約100米，並且優選為每秒約3至約50米。輸送流體的溫度與上述成纖流體相同，但其典型地為與薄膜剛好形成時的熔融聚合物大約相同的溫度。也可利用空氣簾或其它輔助空氣流來影響納米纖維從兩個或多個噴絲頭的噴射圖案。空氣流或空氣簾可有助於保護鄰近噴絲頭之間的噴射形成或者可有助於壓縮噴射圖案。空氣簾或空氣流可改進纖維網的均勻性。
可任選採用另一種流體流，驟冷或加熱流體。可定位此第三種流體流以將流體引導進納米纖維來冷卻或加熱纖維。如果流體被用作驟冷流體，則其溫度為約-20℃至約100℃，優選為約10℃至40℃。如果流體被用作加熱流體，則其溫度為約40℃至400℃，並且典型地為約100℃至約250℃。任何流體流均有助於聚合物熔體的纖維化並因此可通常被稱作成纖流體。任何流體流可包含用於改變所製備纖維的表面、化學、物理或力學性質的處理劑或添加劑。
噴絲孔或噴絲頭至收集器的距離(通常稱為噴絲板至收集器距離(DCD))可進行優化。優化可有助於生產更均勻的纖維網。DCD的減少有助於降低纖維成捆或成束的數量。這種較小的距離使纖維來不及纏結、彼此纏繞或成捆。可期望在纖維網利用不只一個的DCD、在生產期間改變DCD、或用不同的DCD產生不同的束。最理想的是通過改變DCD形成均勻性不同的纖維網。
其它由聚合物熔體製備納米纖維方法的非限制性實施例包括熔體纖維破裂法、高級熔噴法、由多組分纖維的纖維分裂法和固體成膜法。利用將聚合物熔體破裂成細旦纖維的熔體纖維破裂法的實施例包括Nyssen等人的美國專利5,075,161；Gerking的歐洲專利1 192 301 B1和0 724029 B1以及歐洲專利申請1 358 369 A2；Sodemann等人的WO04/020722。這些方法利用拉瓦爾噴嘴將氣流速度加速至音速和/或超音速範圍。當聚合物熔體被暴露到這麼高的氣速下時，將破裂成多個細旦纖維。
Nyssen等人在美國專利5,075,161中公開了將聚苯硫醚熔體破裂成細旦長絲的方法。在該方法中，恰好在紡絲噴嘴之後放置拉瓦爾噴嘴。通過將聚合物熔體流擠壓至氣體介質中使其拉長並冷卻至低於熔體溫度，從而可生產具有平均纖維直徑小於約6微米(優選約0.2微米至6微米)聚合物纖維，氣體介質基本平行於聚合物熔體流流動並獲得音速或超音速的速度。這種同時變形和冷卻產生了有限長度的無定形的細旦或超細旦纖維。高速纖維爆裂使纖維的表面氧化達到最小。Sodemann等人的WO04/020722公開了通過利用音速及超音速的流體速度由熱塑性聚合物的纖維破裂生產長絲紡粘非織造材料的類似方法。在所述方法中，拉瓦爾噴嘴放置在紡絲噴嘴之下。紡絲速度、熔體溫度和拉瓦爾噴嘴的位置被近似設定以實現細旦長絲在它們的表面僅局部熱氧化。已公開由這種方法生產的纖維具有小於1微米的直徑，並在離散點相互連接。Gerking在歐洲專利申請1 192 301 B1和1 358 369 A2中所公開的方法和設備也利用拉瓦爾噴嘴將氣體加速至音速及超音速的速度，從而可利用該氣體將聚合物熔體破裂成多個細旦長絲。
熔膜原纖化方法在纖維的製備方式以及生產細旦長絲的起始熔體幾何形狀上與熔體纖維破裂法不同。熔膜原纖化法開始於薄膜，在一些情況下開始於中空熔膜管，其通過中心空氣噴射變細，然後原纖化成多根納米纖維。相反，熔體破裂法的起始熔體幾何形狀為長絲熔體。當在拉瓦爾噴嘴中暴露於音速和超音速氣速時，其破裂成多根納米纖維。由這些方法製成的纖維網可在均勻性上不同，這是由於纖維與纖維間的分隔以及纖維束構成的不同。
可採用各種方法和方法的組合來製造本發明的纖維網。優選的方法是生產均勻納米纖維層的方法。熔體纖維破裂法可與熔膜原纖化法結合，其中在單條線上有兩個單獨的束。可將熔體纖維破裂法的各方面合併到熔膜原纖化法中。例如，可生產不同強度和直徑的纖維以提供所需的性質組合。可供選擇地，通過利用一個細長的中空管來形成纖維，可將熔體薄膜原纖化的各方面包括在其它熔體原纖化方法中以增加生產率。例如，可改進熔膜原纖化方法以包括一個拉瓦爾噴嘴幫助拉伸纖維。拉伸可有助於進一步拉細並增加纖維的強度。這對高Tg聚合物如聚酯尤其優選，其中應力誘導結晶。
本發明的納米纖維用於製備適於製品中阻礙性能的非織造纖維網。纖維網的定義是整體的非織造材料複合物。纖維網可具有一層或幾層，這些層通過熱點粘合或其它技術被加固以獲得強度、完整性及某些美觀性質。一個層是在一個單獨的纖維網鋪展或成型步驟中產生的纖維網或纖維網的一部分。本發明的纖維網將包含一個或多個具有大量直徑小於一微米的納米纖維的層。大量的定義是至少約25％。大量纖維可為層中纖維總數的至少約35％、至少約50％或超過約75％。纖維網可具有超過約90％或約100％的直徑小於約一微米的纖維。纖維網的纖維直徑採用掃描電子顯微鏡進行測量。根據視覺分析的需要，放大倍數為大於約500倍以及最多約10,000倍。要確定是否大量纖維具有小於一微米的直徑，必須測量至少約100根纖維，優選更多根纖維。測量必須在遍布整個層的不同區域進行。採樣必須足夠，滿足統計意義上的顯著性。
納米纖維層內剩餘的較大纖維(最多75％)的纖維可具有處在任何範圍內的直徑。典型地，較大的纖維直徑將剛好在一微米之上至約10微米。
納米纖維層內大量纖維的纖維直徑優選小於約900納米，並且更優選為約100納米至約900納米。纖維直徑的其它優選範圍為小於約700納米和約300至約900納米。優選的直逕取決於纖維網的用途。期望有大量纖維的直徑小於約一微米並且有大量纖維的直徑大於約一微米。較大的纖維可捕集和固定納米纖維。這可幫助減少納米纖維的團聚或成束量並防止納米纖維被逸出的氣流吹走。
本發明纖維網中的納米纖維層可包含一種以上的聚合物。不同的聚合物或共混聚合物可被用於不同孔口，在纖維網中產生具有不同纖維直徑和不同聚合物混料的纖維層。
理想的是生產具有不同纖維直徑的單層非織造材料。可供選擇地，希望生產每層具有不同纖維直徑的多層的非織造纖維網。可改進熔體薄膜原纖化方法生產小直徑和大直徑纖維以製造各種纖維網。較小直徑纖維被認為是具有大量的直徑小於一微米的纖維。較大直徑纖維包括從熔噴範圍(典型為3至5微米)至紡粘(典型為10微米左右)或1微米以上的任何纖維直徑範圍的纖維。例如，可生產平均纖維直徑小於一微米的一個層和平均纖維直徑5微米左右的另一個層。可在採用傳統的紡粘-熔噴-紡粘(SMS)纖維網中使用這類結構。在同一條生產線上用同樣的設備可生產具有不同纖維直徑的纖維網。這是一種低成本的方法，因為可使用同樣的設備和部件。運行成本和設備成本均可得到控制。同樣，如果需要，可使用同樣的聚合物產生不同的纖維直徑。
本發明製品將包含上述非織造纖維網。纖維網可構成整個製品例如擦拭物，或者纖維網可包括製品的一個組分，例如尿布。衛生製品是優選的製品。衛生製品包括尿布、訓練褲、成人失禁襯墊、諸如女性護理襯墊和短褲護墊之類的經期用品、衛生棉塞、個人清潔製品、個人護理製品以及包括嬰兒擦拭物、面部擦拭物、身體擦拭物和女性擦拭物在內的個人護理擦拭物。個人護理製品包括諸如傷口敷料、活性成分遞送包裹物或貼劑和用於身體尤其是皮膚的其它基質之類的製品。也需要用於個人或工業用途的一次性內衣或衣服及防護服。擦拭物的其它用途可為用於吸收或控制噴濺物的清潔居室擦拭物或淨化擦拭物以及其它工業擦拭物。
在尿布中，纖維網可被用作阻礙層如芯上阻礙或外蓋件。纖維網也可被用作具有高靜水壓頭的高阻礙箍，實現舒適性和貼合性所希望的襠部又又窄的尿布的低洩漏事故率。利用納米纖維的典型纖維網是這樣的纖維網，其中納米纖維層與至少一個紡粘層結合併利用熱點粘合、水刺纏繞或其它合適且適於最終用途的技術加固。可有一個或兩個紡粘層圍繞納米纖維層。
在尿布或其它一次性吸收製品中，可將含有納米纖維的非織造纖維網用作阻礙層。阻礙層可設置在吸收芯和包含衣服的外層之間。吸收芯為製品主要起到諸如捕集、輸送、分配和存儲體液之類的流體處理性能作用的部件。吸收芯典型地位於液體可透過的身體側內層和蒸汽可透過的、液體不可透過的外蓋件之間。外層也稱作底片或外蓋件，其位於一次性製品的外側。在尿布的情況下，外層接觸使用者的衣服或衣物。阻礙層可供選擇地或也被設置在吸收芯和內層之間。內層也稱作頂片，其位於緊貼使用者皮膚的一側上。內層可接觸使用者的皮膚或可接觸與使用者的皮膚接觸的單獨的頂片。阻礙層可為吸收材料。阻礙層最優選在對流的空氣流和吸收阻擋性之間具有平衡。對流的空氣流動性有效地降低吸收製品和穿著者的皮膚間的空間的相對溼度。液體吸收性和液體阻礙性的組合保護製品免除透溼問題並在吸收製品處在碰撞和/或持續壓力下時尤其有益。阻礙層的進一步描述和有益效果可見於WO 01/97731中。
纖維網可被用於擦拭物中以改進洗劑處理性並降低液體梯度。纖維網也可提供物質的控制輸送。輸送的物質可為液體、洗劑、活性物質或其它材料。由於納米纖維的高表面積，纖維網可被用作擦拭物或女性護理產品護墊、尿布、訓練褲或成人失禁用品的芯的吸收材料。纖維網可增強流體的分配性和/或保持性。此外，用於吸收性用途的纖維網可用附加的顆粒或用於增加吸附性的吸收性纖維或天然纖維製造，或者纖維網的某些層可具有不同的性能。
納米纖維也可被用於希望具有不透明性的製品中。因小纖維直徑和均勻性，或可將顏料添加到聚合物熔體或纖維網中，可產生附加的不透明性。還已發現纖維網具有低的起絨性。這可能是由於較長的纖維或纖維網內纖維的纏繞。
將受益於納米纖維網的其它產品包括過濾器。過濾器可用於工業、個人或家用，並且可用於過濾空氣、液體或小顆粒。工業用途可包括汽車、爐子、水及其它類型的過濾器。一種個人過濾器包括過濾面具如手術口罩。含有納米纖維層的纖維網的其它醫療用途包括外科手術衣、傷口敷料和醫療防滲層。纖維網也可用作噪音和熱的絕緣體，以用於戶外裝置、衣服和可用作導電纖維。
測試方法透氣率通過在恆定的壓力和溫度下測量其中標準體積的空氣通過測試樣本的時間來確定透氣率。該測試尤其適於對氣體具有較高滲透性的材料，例如非織造材料、開孔薄膜等。採用TexTest FX3300型儀器。(以TextestAG購自Switzerland(www.textest.ch)，或者購自Advanced TestingInstruments，Spartanburg SC，USA)。測試方法符合ASTM D737。測試在約22±2℃和約50％相對溼度的實驗室環境下進行。測試壓力為125帕斯卡以及測試面積為38cm2。在本測試中，儀器在整個樣本上產生一個恆定壓差，使空氣吹過樣本。空氣流過樣本的速率以ft3/ft2/min(常稱為cfm或ft/min)或m/min測量。對於每個樣本，應該取三個重複值，並且記錄下平均結果。
靜水壓(水壓)或排斥性測試本測試測定的性質是對材料的液體阻礙性能(或液體不可滲透性)的量度。具體地講，本測試測量材料在達到水滲透的控制含量時將承受的靜水壓。採用TexTest Hydrostatic Head Tester FX3000(購自AdvancedTesting Instruments，Corp.，Spartanburg，SC，或者以Textest AG購自Switzerland(www.textest.ch))。測試方法符合EDANA 120.2-02及INDA 80.6。對於該測試，將壓力施加到限定的樣本部分上並逐漸加壓直至水滲過樣本。測試在約22±2℃的溫度和約50％的相對溼度的實驗室環境下進行。將樣本夾在柱夾頂端，採用合適的墊圈材料(O形環類型)以防止測試期間側漏。水與樣本接觸面積等於水柱的橫截面積，其等於28cm2。將水以0.3kPa/min(3mbar/min)的速度抽進水柱。因此，樣本在一個表面上承受穩定增加的水壓。當在樣本另一個表面上的三個位置出現水滲透時，記錄發生第三個滲透處的壓力。如果水直接滲透樣本(即，樣本沒有提供阻力)，則記錄零讀數。對每種材料測試三個樣本，並記錄平均結果。
基重或克重基重可依照法定方法ASTM D 756、ISO 536和EDANA ERT-40.3-90測量。基重的定義為每單位面積的質量，優選單位為克每平方米(通常稱為gsm而非g/m2)。所需的儀器為一把剪刀或一個用於樣本切割的模壓切割器和一個精密的稱重裝置(天平)。將樣本切割到每層總面積100cm2，準確度和精密度為±0.5％。天平需要具有0.001g的靈敏度、可讀、標定過並精確到施加載荷的0.25％範圍內。樣本被置於23攝氏度(±2℃)和約50％的相對溼度下2小時達到平衡。在一個分析天平上稱出樣本總面積為1000cm2＝0.1m2的10層切割樣本的重量，精確到0.001g，並記錄下重量。(對於比1mm厚的樣本而言，稱出僅1層的重量是優選的，但如果這樣做應當註明)。通過將重量除以樣本面積(所測試的所有層)計算基重，給出單位為gsm的基重。將所有的數據記錄下來進行統計分析。
纖維直徑(和旦)纖維直徑可採用掃描電子顯微鏡(SEM)和圖象分析軟體進行測定。選擇500至10,000的放大倍數使得纖維(或長絲)被適當放大以便測量。圖象分析軟體對SEM圖像中的纖維直逕自動取樣是可能的，但也可採用更加人工的程序。一般而言，尋找隨機選取的纖維的邊緣，然後橫越寬度(在那點處垂直於纖維方向)至纖維的另一個邊緣進行測量。帶刻度的和標定過的圖象分析工具提供標度以得到例如以米或mm或微米(μm)為單位的實際讀數。因此，沿著SEM內的纖維網樣本隨機選擇一些纖維或長絲。典型地，來自纖維網的一些樣本被切割並用這種方式進行測試。總共進行至少約100次這樣的測量並將所有的數據記錄下來進行統計分析。如果結果要以旦為單位進行記錄，那麼需要進行下面的計算。以旦為單位的直徑＝橫截面積*密度*9000m*1000g/kg。橫截面積是π*直徑2/4。密度例如對於PP，可取為910kg/m3。若想結果為分特(dtex)，則採用10,000m來代替9000m。
實施例已利用一些技術製備樣本並用所述方法進行評價。樣本為一個或多個納米纖維層與鄰近較大直徑纖維層的擠出聚丙烯的複合物。此外，採用熱點粘合方法對所有複合物進行加固或粘合。基重和纖維直徑以平均數據給出。
在每一種樣本類型中，以所列出的不同基重(依照線速度)製備多個樣本，然後依照所述方法測試纖維尺寸、靜水壓頭和透氣率。「靜電紡紗」樣本的靜水壓頭通過基於拉普拉斯方程的全面計算機模擬進行預測。採用聚丙烯的表面能。其它纖維網特徵例如纖維尺寸、基重和厚度由平均纖維直徑為0.1至0.3微米的靜電紡紗尼龍-6獲得。為給出複合物內納米纖維層的效力，可用靜水壓頭結果除以納米纖維層的基重。給出樣本之一作為樣本類型1的比較實施例，如通過本領域的技術人員所已知的進行製備的SMS是一種複合物，S/M/S層的基重為13.5/3/13.5gsm，S層直徑約18微米，並且M層直徑約2微米。上述圖表示出了幾種樣本以及納米纖維層的基重和納米纖維層的直徑。
圖1為圖示水壓頭/基重對纖維直徑尺寸的圖表。如所能看出的，納米纖維層內纖維的直徑越細，用基重規一化時的靜水壓頭結果越高。
在圖2中，實施例中樣本被評價為透氣率(透氣率方法)與液體阻礙性(採用靜水壓頭方法)的聯合乘積。圖表圖示了水壓頭x透氣率/基重對纖維直徑尺寸。重要的觀察是在某一纖維直徑範圍內可達到最優值。產生該直徑纖維的方法可以並不關鍵，但最終直徑是重要的。
顯示具有相似趨勢的樣本可採用其它技術製備，例如包含來自其它熔體原纖化方法的纖維網的複合物，例如採用海島型。
為獲得最佳的高液體阻礙性與透氣率乘積，納米纖維層內纖維的優選直徑介於0.1和約1微米之間，最優選介於0.3和0.7微米之間。可供選擇地，可利用各自的孔徑描述該範圍。
不受理論的約束，據信對於阻礙及透氣性能存在最佳纖維尺寸。對於較大孔徑，表面張力支配阻礙性能。對於中等孔徑，表面張力和阻力均會影響阻礙性能。對於非常小的孔徑(對於納米纖維)，阻力支配阻礙性能。隨著孔徑增加，對液體阻礙的增加程度大於對空氣阻礙的增加程度，這是由於液體阻力增加速率比空氣阻力增加速率快。因此，最佳纖維直徑尺寸可存在於透氣率不顯著減少而液體阻礙性能很高處。本文所用阻力是指摩擦阻力。
所有引用文獻的相關部分均引入本文以供參考，任何文獻的引用不可解釋為是對其作為本發明的現有技術的認可。
儘管已用具體實施方案來說明和描述了本發明，但對於本領域的技術人員顯而易見的是，在不背離本發明的精神和保護範圍的情況下可作出許多其它的變化和修改。因此，有意識地在附加的權利要求書中包括屬於本發明範圍內的所有這些變化和修改。
權利要求
1.一種包括至少一個納米纖維層的非織造纖維網，所述納米纖維層具有大量的直徑小於一微米的納米纖維，其中所述非織造纖維網具有的水壓頭與所述納米纖維層基重的比率大於10mbar/gsm。
2.如權利要求1所述的非織造纖維網，其中所述納米纖維層具有0.5gsm至3gsm的基重並且所述比率大於20mbar/gsm。
3.如權利要求1所述的非織造纖維網，其中所述納米纖維層具有3gsm至15gsm的基重並且所述比率大於12mbar/gsm。
4.如權利要求1所述的非織造纖維網，其中所述非織造纖維網具有大於15米每分鐘的透氣率。
5.如權利要求4所述的非織造纖維網，其中所述非織造纖維網具有至少30mbar的水壓頭和至少75米每分鐘的透氣率。
6.如權利要求1所述的非織造纖維網，其中所述非織造纖維網的基重為0.5gsm至15gsm。
7.如權利要求1所述的非織造纖維網，其中水壓頭與透氣率的乘積為至少750mbar*m/min。
8.一種包括如權利要求1所述的非織造纖維網的製品，其中所述製品選自尿布、訓練褲、成人失禁襯墊、諸如女性護理襯墊和短褲護墊之類的經期用品、衛生棉塞、個人清潔製品、個人護理製品、諸如嬰兒擦拭物、面部擦拭物、身體擦拭物和女性擦拭物之類的個人護理擦拭物，以及它們的組合。
9.如權利要求8所述的製品，其中所述非織造纖維網為阻礙層。
10.一種包括非織造纖維網的製品，所述非織造纖維網包括具有大量直徑小於一微米的納米纖維的納米纖維層，其中所述納米纖維由熔膜原纖化方法製成，所述熔膜原纖化方法包括以下步驟a.提供聚合物熔體，b.利用流體流形成聚合物膜，和c.由所述聚合物膜形成多根納米纖維。
全文摘要
本發明涉及包括納米纖維的製品。優選的製品包括尿布、訓練褲、成人失禁襯墊、諸如女性護理襯墊和短褲護墊之類的經期用品、衛生棉塞、個人清潔製品、個人護理製品以及包括嬰兒擦拭物、面部擦拭物、身體擦拭物和女性擦拭物在內的個人護理擦拭物。納米纖維網可被用作阻礙物、擦拭物、吸收材料和其它用途。直徑小於1微米的納米纖維必須大量包括在非織造纖維網的至少一個納米纖維層內。非織造纖維網可具有的水壓頭與基重比率大於約1kPa/gsm(10mbar/gsm)。納米纖維可由熔膜原纖化方法進行生產。
文檔編號D04H1/42GK1942616SQ200580011506
公開日2007年4月4日 申請日期2005年4月19日 優先權日2004年4月19日
發明者O·E·A·伊澤勒, R·查博拉, 徐晗, S·K·莫雷, E·B·邦德 申請人:寶潔公司