利用高挤出率纺丝的高伸长、低旦纤维
发明领域
本发明涉及低旦、高延展纤维，包含这些纤维的柔软可延展无纺织网，以及包含这种无纺织网的一次性制品。
发明背景
通过无纺挤出法例如熔喷法和纺粘法形成的无纺织网可制成产品和产品组分，这些产品和产品组分的制作成本如此低廉以至于可被视为仅使用一次或几次的一次性产品。这种产品的代表性的实例包括一次性吸收制品，如尿布、失禁贴身短内裤、训练短裤、妇女卫生内衣、擦拭物等。
消费者需要一次性产品中使用的无纺材料可递送柔软性和延展性。较柔软的无纺材料对皮肤更温和，并且为尿布提供一个更加类似衣服的美感。在相对低的外力作用下具有高延展性的无纺材料可用于为产品例如一次性尿布提供持续不变的贴和性，例如作为拉伸复合材料的一部分，以及为不同机械后处理的使用如拉伸、穿孔等提供便利。延展性物质在本文中定义为可以伸长，但不是必需恢复所有的或部分施加的应变。而弹性材料，根据定义，则在卸载后必须恢复其伸长的大部分。
本领域已使用几种不同的方法来制作可延展无纺材料：
世界专利申请WO 00/04215公开了一种设计用于生产高伸长性无纺织物，具体地讲是对于皮-芯聚丙烯人造短纤维的具体粘合图案。所述粘合图案具有在相邻行中交错的粘结位置，其使得它们不会在制造纵向(MD)重叠。优选节点的形状为四边形并且覆盖整个粘合区的面积小于20％。他们公开纤维与纵向成35-55°时不会粘合，因此允许更大横向的伸长制作。
经常使用纤维制剂来获得延展性。美国专利5,804,286和5,921,973公开了聚乙烯和聚丙烯的混合物，含有或不含有易混合的乙烯-丙烯的共聚物，所述混合物可以生产具有低起毛和好的伸长性的柔软的、高强度的无纺材料。世界专利申请WO 00/31385公开了聚丙烯和乙烯共聚物混合物，和美国专利6,015,317公开了两种不同乙烯聚合物的混合物，这两种混合物均可以改善粘结和织物伸长，同时维持良好的纺丝性能。美国专利5,616,412公开了聚丙烯和较高分子量的聚丙乙烯(每纤维为2-4旦)的细丝，具有上述两者的细丝与仅有聚丙烯的细丝相比显示具有较高伸长性。美国专利5,322,728公开了包含乙烯共聚物的具有优良伸长性的柔软无纺材料，然而美国专利4,769,279公开了包含乙烯丙烯酸共聚物的具有优良伸长性的柔软无纺材料。美国专利4,804,577和4,874,447公开了包含聚烯烃、异烯烃和共轭二烯的弹性共聚物例如异丁烯-异戊二烯共聚物的混合物的可延展熔喷无纺材料。美国专利5,349,016公开了接枝丙烯聚合物的可拉拔纤维(如接枝到聚丙烯主链上的苯乙烯或异丁烯酸甲酯)，其具有较高的弯曲恢复和系数，并且在一些情况下伸长超过了纯聚丙烯对照物。美国专利6,080,818公开了包含全同立构聚丙烯和不规则柔韧性聚烯烃混合物的无纺材料的纤维，其伸长率高于不包含柔韧性聚合物的情况。
所有这些可获得的制剂方法可以将适中到低旦纤维的延展性增加到一定程度，但是并不能达到本发明所公开的程度。此外，他们一般涉及较高成本材料的混合物，并可涉及特定混合要求以保证在混合物内的正确分布。
无纺织网成形的这种方法也可用来使拉伸性能最大化。美国专利5,494,736公开了来自高伸长纤维的高伸长梳理无纺材料，所述纤维的放置要比常规梳理纤维更加呈横向取向。要求保护的粘结区域在8至25％的范围内。
在当今纺织行业中，仍未满足获得具有适中到低旦纤维的可延展无纺材料这样一种需求，此纤维可以由常规树脂制造，而不需要高成本的特定聚合物或者弹性聚合物。众所周知，当纺丝抽长速率增加时，分子的方向性增加但纤维的伸长率降低。对于高强度的低旦纤维，这不是一个问题，但生产具有高伸长率的低旦纤维仍然是一个重大的挑战。因此，本发明的一个目的是公开用于制造具有高断裂伸长率的低旦纤维的方法。本发明的另一个目的是公开包含这种低旦、高伸长率纤维地柔软可延展的无纺织网。本发明的另一个目的是公开包含这种柔软可延展无纺织网的一次性制品。
发明概述
本发明公开了生产具有高断裂伸长的低旦纤维的方法。通过改变纤维行上的喷丝头设计，使其具有小的毛细管直径以维持希望的高纺丝速度，可获得性能的组合，但是与常规纺丝工艺的高牵伸比相比，其产生适中到低的牵伸比。本发明的具体实施方案包含直径在5至25微米范围内的纤维，此纤维通过聚合物混合物的溶体纺丝生产，例如牵伸比小于400，质量产出为每孔每分钟0.01至2.0克，并且喷丝头直径小于200微米。本发明可选择的实施方案包含直径在5至25微米范围内的纤维，此纤维通过聚合物混合物的溶体纺丝生产，例如牵伸比小于400，纤维断裂伸长率大于400％，以及喷丝头直径小于200微米。
不受理论的限制，据信较低牵伸比导致纤维具有较小的方向性，因此维持较高的剩余断裂伸长率。使用这种方式可以生产出包含细直径、高伸长纤维的高均一织物。具有这种性能组合的无纺织网尤其适用于一次性吸收制品，如尿布、失禁贴身短内裤、训练短裤、女性卫生内衣、擦拭用品等，因为它们同样可以作为制品的一部分，其中延展性和柔软性可以增加制品的舒适度和总体性能。
图1表明使用86微米直径的毛细管和570微米直径的毛细管，400熔融流动速率以每孔每分钟0.2克熔体纺丝聚丙烯的断裂伸长率。
本文所用术语“吸收制品”是指吸收和容纳身体排泄物的装置，更具体地讲，是指紧贴或邻近穿着者身体放置以吸收和容纳各种身体排泄物的装置。
本文所用术语“一次性的”是指不打算洗涤、恢复或作为吸收制品重复使用的吸收制品(即，它们设计在一次性使用后丢弃，优选将其以与环境相容的方式回收利用、堆肥处理或进行其它处理)。“一体的”吸收制品是指由独立部分形成共同实体并相互联接而成的吸收制品，这样它们无需单独的处理部分，如单独的支持物和衬垫。
本文所用术语“无纺织网”是指这样一种网，其具有插入中间的单独纤维或丝线结构，但并不是以任何规则重复的方式。无纺织网在过去用各种方法制成，例如气铺成网法、熔喷成网法、纺粘成网法、梳理成网法，包含键合梳理成网法。
本文所用术语“微纤维”是指平均直径不大于约100微米、长度与直径比大于约10的小直径纤维。本领域受过培训的人员将会知道，包含无纺织网的纤维直径影响其总体柔软性和舒适度，并且较细旦纤维通常比较粗旦纤维可制造出更加柔软和更舒适的产品。对于本发明的纤维，为了获得合适的柔软性和舒适度，优选直径在约5至25微米的范围内，更优选直径在约10至25微米的范围内，甚至更优选直径在约10至20微米的范围内。纤维直径可以通过使用例如用10微米计数线校准的光学显微镜来确定。
本文所用术语“熔喷纤维”是指以如下方法形成的纤维：将熔融的热塑性材料通过多个细的且通常为圆形的毛细管模挤出成为熔融丝线或细丝，然后在高速气体(如空气)流下使熔融热塑性材料的细丝拉长，以使其直径减小，甚至可以小到微纤维直径。其后，熔喷纤维由高速气流运载并沉积到收集表面之上，形成由随机分布的熔喷纤维构成的织网。
本文所用术语“纺粘纤维”指通过将熔融热塑性材料挤出成为细丝而形成的小直径纤维，纤维出自多个细的通常为圆形的且与挤出细丝具有相同直径的喷丝头毛细管，然后在常规导丝卷绕系统拉拔或对流空气拉拔拉长装置的作用下其直径迅速减小。如果应用导丝系统，还可以通过后挤出牵拉来减小纤维直径。
本文所用术语“固结”和“固结的”是指将至少无纺织网的一部分纤维最紧密地集合形成一个粘合位置或多个粘合位置，与非固结网相比，这些粘合位置可增加无纺材料对外力作用例如磨损和张力的阻力。“固结”可指例如通过热粘合方法使至少一部分纤维最紧密地结合来制造的整个无纺织网。这样的网可以认为是“固结网”。在另外一种意义上，被最紧密结合的具体的纤维离散区域，如单独的热粘合位置，可以描述为是“固结的”。
可以通过多种方法来获得固结，这些方法包括对纤维网施加热和/或压力，例如热位(即，点)粘结。可以通过将纤维网通过两轧辊形成的压力辊隙来实现热点粘合，其中一轧辊被加热并且其表面上有多个凸起点，如前述授予Hansen等人的美国专利3,855,046所描述。固结方法还可包括，但不限于，超声健合、对流空气粘合、树脂粘合以及水缠结法。水缠结法典型地涉及使用高压水喷处理纤维网使网固结，此方法是通过机械纤维在需要固结的区域缠绕(摩擦)，粘合位置在纤维缠绕的区域形成。纤维可以以下列美国专利提出的方法进行水缠绕：1977年5月3日授予Kalwaites的美国专利4,021,284和1977年5月24日授予Contrator等人的美国专利4,024,612，两个专利据此引入本文以供参考。
虽然本发明的无纺织网作为一次性制品例如尿布的组分具有有益的用途，但其用途不限于一次性吸收制品。本发明的无纺织网可以在任何需要或受益于柔软性和伸长性的制品中使用，这些制品包括例如擦拭物、抛光布、家具衬料、耐用衣服等。
本发明的可延展柔软无纺材料可以是层压材料的形式。层压材料可以采用本领域技术人员熟知的任何一种粘结方法进行结合，这些粘结方法包括，但不限于，热结合、包括但不限于喷雾粘合剂、热熔融粘合剂、基于胶乳粘合剂等的粘合剂结合、音速和超声键合和挤出层压，挤出层压是聚合物直接浇注在另一无纺材料上，并且当还处于部分熔融状态时与无纺材料的一面粘合或直接将熔喷纤维沉积在无纺材料上。这些和其它的制作层压材料的适当方法在2000年1月11日公布的授予Wu等人的美国专利6,013,151和1999年8月3日公布的授予Morman等人的美国专利5932,497中进行了描述，这两个专利都引入本文以供参考。
本发明使用的术语“聚合物组合物”一般包括，但不限于，均聚物、共聚物，例如以嵌段、接枝、随机形式和交互共聚物、三元共聚物等，以及它们的混合物或改性物。此外，除非另有具体限定，术语“聚合物组合物”应包括所述材料的所有可能的几何构形。这些构形包括，但不限于，全同立构、间同立构以及随机对称。应用在本发明中的适于热塑性聚合物的实施例包括，但不限于，聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯-聚丙烯共聚物、聚乙烯醇、聚酯、尼龙、聚交酯、聚羟基链烷酸酯、脂族酯缩聚物，以及它们的混合物。优选的聚合物组合物包含聚烯烃例如聚乙烯和聚丙烯，或聚酯例如聚(乙烯对苯二酸酯)，以及它们的共聚物。优选的其它聚酯包括，但不限于，聚(乳酸)(例如Mitsui Chemicals的Lacea，或DowCargill的EcoPLA)、聚(己内酯)(例如Union Carbide的ToneP787)、聚(丁烯琥珀酸酯)(例如Showa Denko的Bionolle 1000系列)、聚(乙烯琥珀酸酯)(例如Nippon Shokubai的Lunare SE)、聚(丁烯琥珀酸酯己二酸酯)(例如Showa Denko的Bionolle 3000系列)、聚(乙烯琥珀酸酯己二酸酯)、脂族聚酯基聚氨酯(例如MortonInternational的Morthane PN03-204、PN03-214和PN3429-100)、己二酸共聚酯、对苯二甲酸和1，4-丁二醇(例如Eastman Chemical Company的Eastar Bio和BASE的Ecoflex)、聚酯酰胺(例如Bayer Corporation的BAK系列)、水解性芳族/脂族共聚酯(例如DuPont的Biomax)、纤维素酯(例如纤维素乙酸酯、纤维素乙酸根丁酸盐和Eastman ChemicalCompany的纤维素乙酸根丙酸盐)，以及它们的组合物和共聚物等。
聚合物组合物还可包括各种非聚合组分，其中包括成核剂、防结块剂、抗静电剂、增滑剂、加热前稳定剂、抗氧化剂、助氧剂添加剂、色素、填充剂等。这些组份可以以常规量使用，但为了获得柔软性和延展性的有利组合，组合物中通常不需要这些添加剂。
本领域的技术人员将了解，聚合物组合物的熔融流动速率适于所感兴趣的纤维制造方法，例如熔体纺丝或熔喷法。聚合物组合物的熔融流动速率可以使用例如ASTM D1238中概述的方法来确定。
本文所用术语“可延展”是指在偏置力作用下，任一纤维可伸长至少约400％而没有导致灾难性故障，更优选地可伸长至少600％而没有导致灾难性故障，甚至更优选可伸长至少800％而没有导致灾难性故障。断裂伸长率可以使用例如ASTM D3822中概述的方法来确定并且定义为断裂时的延伸长度减去初始测试标距长度除以初始测试标距长度乘以100。
连续纤维、人造短纤维、中空纤维、成形纤维，例如多叶形纤维和多组分纤维都可以通过使用本发明的方法来制备。在本文中，组分被定义为纤维的一个单独部分，其与纤维的另一部分具有空间关系。多组分纤维，通常为双组分纤维，可以是并列型、皮芯型、分割的饼型、带状、或天星状构型。外皮可以连续或不连续地围绕芯。本发明纤维可以具有不同的几何形状，包括圆形、椭圆形、星形、矩形以及其它多种偏心形状。本发明的纤维也可以是分裂性纤维。聚合物的流变学性质差异可产生分裂，机械方式和/或流体诱发变形也可产生分裂。本文所用的非圆形横截面纤维的直径是具有相同横截面积的圆的当量直径。
在常规的熔体纺丝工艺中，纤维速率和纺丝速度大多可使用连续方程计算获得：
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其中Vx为总纤维速率，Q为每一喷丝孔的质量产出，ρ纤维为纤维的密度，d为纤维的直径(或当量直径)。总纤维速率包括两个主要组分
(2)Vx＝Vo+VA
其中Vo为纤维从喷丝头抽出的速率，VA为与细丝抽长相关的纤维的表观速率。对于确定VA影响最显著的是惯性、阻力和流变学力。VA力是在细丝中产生方向的力。
纤维的抽出速率可以根据方程3计算，并仅取决于Q和毛细管D的直径(或当量直径)
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其中密度ρ熔融在这种情况下为聚合物熔融密度。对于给定的Q，D是唯一的变量，因此抽出速率仅取决于毛丝管的直径。
较高纤维抽长速度VA导致纤维的更高取向，并生产出具有更高强度但更低伸长的小直径纤维。不受理论的限制，对于高伸长纤维，可取的是在纤维中保持较低程度的方向性并同时保持适中到小的直径以获得舒适度和柔软性。换句话讲，抽长速率VA＝Vx-Vo，或可供选择地，牵伸比Vx/Vo应该低。为了维持小直径纤维以获得均匀性、覆盖度和柔软性，这通常要求降低产出Q。然而，这会降低材料的总产量，导致不太令人满意的经济影响。一般地，对于本领域受过训练的人员，每孔每分钟约0.01克的质量产出认为是最小的。本领域受过培训的人员还了解，大于约每孔每分钟2.0克的质量产出会导致模具的流动不稳定性，例如，熔融破裂或壁的滑动，导致处理或收集合适质量产品的困难。因此，优选地质量产出在0.01至2.0克/分钟/孔，更优选在0.2至1.0克/分钟/孔，甚至更优选在0.6至0.8克/分钟/孔的范围内。每孔的质量产出可以被确定，例如，通过在给定时间内收集挤出物然后将收集到的总质量的值除以收集时间间隔再除以抽出纤维的喷丝头中的孔数。
使用本发明的方法，当纤维被抽出喷丝头毛细管时(Vo)，增加纤维速率可以降低牵伸比Vx/Vo或抽长速率VA，但不会降低产出。这可以通过使用较小的毛细管直径来完成。下式给出了包含多数本公开内容的有用的典型纺纱号数。
( 4 ) - - - S x = ( V x V o ) d Q ]]>
与牵伸比类似，纺纱数Sx的值较低是优选的。
不受实施例的限制，例如，对于给定0.52克/分钟/孔(对于常规高速熔体纺丝体系是典型的)的质量产出，和0.6mm的标准毛细管直径，熔体纺丝等级聚丙烯细丝的抽出速率Vo将为大约2.5米/分钟。一般地，为了生产好的均匀无纺织物，常规高速熔体纺丝体系必须在等于或高于约2000米/分钟的纤维速率Vx下运行，然后牵伸比Vx/Vo将为约800，纺纱数Sx将为大约7980微米/(克/分钟/孔)，此无纺织物性能与这种纤维相关(例如，高的方向性和低伸长性)。对于相同的纺纱条件，如果替换使用0.07mm的毛细管直径，细丝的抽出速率将会很高，为约183米/分钟，Vx/Vo将会低得多，为约11，Sx将会低得多，为约403微米/(克/分钟/孔)。所得的纤维将具有较低的方向性和较高的剩余伸长。
本领域受过培训的人员将了解，包含无纺织网的纤维直径影响总体柔软度和舒适度，并且细旦纤维生产的产品一般比粗旦纤维生产的产品更柔软和更舒适。对于本发明的纤维，为了获得合适的柔软性和舒适度，优选直径在约5至25微米的范围内，更优选直径在约10至25微米的范围内，甚至更优选直径在约10至20微米的范围内。为了维持小直径纤维以获得均匀性、覆盖度和柔软性，这将常规地需要降低产出Q。然而，这将减少材料总产出，导致不太令人满意的经济影响。一般地，对于那些本领域受过培训的人员，约0.01克/分钟/孔的质量产出被认为是最小的。本领域受过培训的人员将进一步了解，大于约每孔每分钟约2.0克的质量产出会导致模具的流动不稳定性，例如，熔融破裂或壁的滑动，导致处理或收集合适质量产品的困难。因此，优选地质量产出在0.01至2.0克/分钟/孔的范围内，更优选在0.2至1.0克/分钟/孔的范围内，甚至更优选在0.6至0.8克/分钟/孔的范围内。此外，那些本领域受过培训的人员将了解，为了在较老的熔体纺丝体系上获得好的均匀无纺织网，纤维速率Vx通常必须大于约500米/分钟，在较新的中速体系上，纤维速率通常必须大于约2000米/分钟，并且在较新的高速纺纱体系上，纤维速率一般必须大于约3000米/分钟。
此外，本领域经过专门培训的人员将进一步了解，较低牵伸比Vx/Vo将通常导致较高的剩余纤维断裂伸长。我们发现，小于约400的牵伸比通常足以制造具有适于制造本发明的柔软可延展无纺材料的断裂伸长的纤维，更优选的是牵伸比小于约150，甚至更优选的是牵伸比小于约50。为了在本发明的范围内获得这些低牵伸比和高纤维速率，我们发现小于约200微米的喷丝头直径通常就足够了，更优选喷丝头直径小于约150微米，甚至更优选喷丝头直径小于约100微米。此外，本文所用术语“可延展”是指在偏置力的作用下可以伸长至少约400％而没有发生灾难性故障的任何纤维，更优选地伸长至少600％而没有发生灾难性故障，甚至更优选的伸长至少800％而没有发生灾难性故障的纤维。
下列实施例将进一步举例说明本发明的产品和方法。
实施例1
该实施例示范了本发明的聚丙烯树脂的熔体纺丝。具体地讲，具有400熔融流动速率的聚丙酯树脂(DE，Wilmington的Basell PolyolefinsCompany的Valtech HH441)使用垂直单螺杆挤出机进行纺丝，此挤出机安装在可以升降的平台上，并且还装有单孔毛细管模和直径约86微米的毛细管。利用可调节高度的气阻设备抽拉将熔化的丝线从毛细管模抽出到大约25℃的空气中，所述设备使用高压下的压缩空气来产生气流，所述空气流围绕和抽拉细丝。挤出机的输出量相对保持恒定为约0.2克/分钟/孔，模具出口和气枪之间的距离保持为约41英寸(104.2cm)，气枪和收集筛网之间的距离保持为约25英寸(63.5cm)，挤出机和模具组的温度如下所示-区域1＝380°F(193℃)，区域2＝400°F(204.4℃)，区域3＝420°F(215.5℃)，模接头＝425°F(218.3℃)，模具＝420°F(215.5℃)，并且为了获得和收集直径小于约25微米的纤维，气枪的压力是可调节的。在这些条件下，收集了直径在10至30微米优选范围内的纤维样本。该实例表明根据本发明标准纤维成形树脂是熔融可纺的。
实施例2
该实施例表明根据本发明生产的高延展性纤维。具体地讲，根据ASTM标准D3822对实施例1的纤维样本进行了测试。测试在MTS synergie 400拉伸试验机(MN，Eden Prairie的MTS Systems Corporation)上进行，该设备装备了10牛顿的测压元件和气动式夹具。十字头速度以每分钟2英寸(5.08cm)的速度对标距为1英寸(2.54cm)的单纤维样本进行测试。样本被拉伸至断裂，记录在相同气枪压力下收集的10个试件的断裂伸长率并且进行平均。所得的断裂伸长率如图1所示，其中利用显微镜测量的纤维直径根据方程(1)可以计算出纺丝速度。该实施例表明，当根据本发明进行制造时，小直径(约10至20微米)纤维也可以具有高的断裂伸长率(＞600％)。
比较实施例3
该实施例将实施例2的纤维伸长性与那些使用常规尺寸喷丝头生产的纤维伸长性进行了比较。具体地讲，实施例1中聚丙烯树脂使用直径约570微米的毛细管，并根据实施例1概述的工艺和条件熔融纺成纤维，并且根据实施例2概述的方法来确定断裂伸长率。所得的断裂伸长率如图1所示，其中利用显微镜测量的纤维直径根据方程(1)可以计算出纺丝的速度。该实施例表明，当根据本发明来纺丝纤维时，以可比较纤维直径或纺丝速度可以获得增强的延展性。
在本说明书中提及的所有专利、专利申请(和针对其公布的任何专利，以及任何相应出版的外国专利申请)和出版物的公开内容都引入本文以供参考。然而，并未明确地承认引入本文以供参考的任何文献提出或公开了本发明。
尽管已用具体实施方案来说明和描述了本发明，但显而易见的是，本领域的技术人员可在不背离本发明的精神和保护范围的情况下作出许多其它的变化和修改。因此所附的权利要求书旨在包括所有这些在本发明的范围之内的变化和修改。