采用力模型控制织物灌封的工艺配置的系统和方法 技术领域 本发明涉及引入充分的能量以可控且可选择地将聚合物复合物置于多孔织物中 的方法和设备。本发明更具体地涉及将可固化的、 具有剪切稀化性质的聚合物复合物受控 地布置于织物中的方法和设备。 用受控方式， 经由聚合物的能量受控制的、 粘性和流变能力 改善的布置， 所述受控的布置通过 ： 1) 在织物表面施加聚合物复合物， 2) 使复合物剪切稀 化并将其置入织物中以及 3) 使聚合物复合物固化而优选地进行。这种方法和设备生产出 的织物， 其部分纤维或结构单元被聚合物复合物灌封， 同时至少织物的部分空隙空间是开 放的 ； 或者其含有一内层， 该内层在一个与其至少一个主表面大体间隔开的方向上在织物 内伸展 ； 或者其既有被灌封的结构单元又有聚合物复合物的内层。
背景技术
人们总在持续地努力改善织品的性能特性。所关心的特性的范围从可定量的特 征， 例如耐水性 / 拒水性、 耐火性和附着性表现到主观特性， 例如舒适性。从历史上来看， 沿 着两种不同的途径来改善性能 ： 新纤维的开发和现有纤维的表面改性。开发新型纤维耗资 巨大并且通常需要重新学习如何制造产品或为不同材料更新设备。 表面改性是试图达到期 望的性能而同时使对现有工艺的改变和成本增加最小化的尝试。
有很多理由去研究材料的表面改性， 其中毫无疑问包括 ： 为了具有由基础纤维贡 献的本体机械特性， 以及由少量的材料赋予的不同的表面特性， 所述少量的材料不会使所 述纤维的机械特性退化。从经济立场， 即， 考虑到基础纤维没有改性剂那样昂贵， 可得到同 样的观点。表面改性所遇到的困难包括耐用性、 经济上的可行性和工艺处理是否环保。
从本质上讲， 有三种不同物理类型的表面改性。第一种类型是改性剂通过共价键 与基底材料的表面以化学方式结合。这可通过许多方式达到， 例如通过浓缩或高能加成反 应化学接合到基底的表面中， 或者通过氧化掉基底的同时留下共价结合的改性表面。共价 结合的改性剂通常是最耐久的表面改性， 不过， 为获得在基底上的接合所要经过的时间期 是极长的。表面改性的第二种类型是改性分子 ( 或分子的一部分 ) 与基底材料的关联或 由基底材料捕捉。改性分子与基底的这种混合利用了分子吸引力， 例如范德华 (Van der Waals) 力、 偶极 / 偶极相互作用、 氢键结合等等， 以及位阻因素， 以在基底表面的内部或上 面保持改性剂。影响这类反应的因素与那些影响热熔染色或光泽整理的因素相同。改性的 第三种类型包括基底仅仅分别通过改性剂与基底间， 或改性剂自身间的粘性和粘着力保持 改性剂。在纺织界这是最普通的表面改性类型。
在纺织技术中， 传统的精修， 或者大致地说通过浸泡、 涂布或层压实施的改性， 有 着固有的限制。
对 100％固体、 溶剂溶解的固体或水乳浊液应用的浸泡可通过使织品从浴槽中经 过， 然后使其干燥来进行。100％固体应用通常使用低分子量材料 ( 具有对处理来说足够低 的粘性 )， 其倾向于产生具有低劣机械特性的改性 ； 或者使用高分子量材料， 其一般不能给 出对基底最佳的渗透性。 溶剂处理有环境和经济方面的问题， 例如溶剂的去除、 挥发性有机化合物 (VOC) 的去向以及许可证， 若能继承， 许可证也有费用， 若不能继承， 获取许可证也 变得更加困难。 如果改性剂的表面张力 (γ) 低于基底 ( 例如， 耐久排水体 -DWR)， 那么溶剂 和乳化处理均被热动力驱动以产生因为基底浸湿困难造成的低表面覆盖率， ( 大于零接触 角 -θ)。 假使基底的表面被改性剂浸湿了， 这些技术仍然需要去除溶剂或含水介质， 因为它 们易于导致聚合物网络的缺陷， 其表现为改性剂 / 基底结合物的机械特性降低。
涂布应用可以是蓄意的或通过对基底的渗透不良的浸泡来形成。 涂布可以是一面 的或两面的， 但是涂布易于导致在织品 Z 方向上的阶梯梯度， 这与均质材料或连续梯度的 情况相反。阶梯梯度有特定的固有缺陷。附着主要来源于表面力， 其小于在最佳的机械互 锁， 并且有时来源于改性材料的内聚强度对其有小到可忽略的贡献。 其次， 由于完全不同的 材料堆积在一起， 复合物的合成触觉特性 ( 也就是手感、 下垂感等等 ) 通常明显区别于基础 织品。
层压利用粘接涂层来保持薄膜与织品表面接触。 这种工艺的局限在于与粘合剂有 关的环境方面的问题 ( 以及薄膜制备工艺中和任何其它部分相关的问题 )， 以及与涂覆同 样的， 织品 Z 方向上阶梯梯度所导致的问题。在保证基底、 粘合剂和薄膜之间的机械性能差 异的平衡时还会遇到额外的困难。例如， 如果三种材料中的任一种的收缩超过了任一其它 两种材料的初始屈服应力， 就会出现变形， 如果其超过了极限拉伸拉就会出现复合材料的 分层。 最后， 最终材料的涂覆性能和层压性能都取决于附加的层， 因此如果织品在实施涂覆 或层压之前易于吸水， 那么该织品在涂覆或层压后仍然易于吸水。织品的水分吸收产生了 一种材料， 当水分蒸发时， 该材料使得穿着者感到不适。 感到不适的机制在于通过蒸发热损 耗而丧失体内热量 (“冰箱效应” )。 发明内容 根据一实施例， 此处描述的一个灌封工艺有多达 40 个不同的变量， 所述变量可被 改变以影响最终产品的性能。 从历史上看， 这一变量数目需要经验的， 或者试错式的途径以 通过这种技术来开发产品。最近， 采用更复杂的统计方法例如实验设计 (DOE) 来开发产品。 在进行 DOE 时， 人们选择可通过可控的方式改变的 “因素” ( 变量 )， 并测量 “响应” ( 最终材 料的特性 )。通过利用 DOE 的统计方法， 人们可以仅仅运行所有可能实验条件中的一部分， 并且收集具有高置信度的产品性能相关信息。不过， 尽管利用 DOE 技术， 但针对此工艺的产 品开发仍需要进行极大量的实验， 其占用大量的时间并耗用可观数量的资金。这又对于可 被开发的产品数量和这些产品到达最终消费者时的实际成本有负面的影响。
通过其中实现变量减少的方法或工艺， 灌封工艺的复杂本质可变得容易些。已经 考察了灌封工艺的大约 40 个变量。 主变量和更高阶变量 ( 相对于它们对产品性能的影响 ) 已经被识别出来。通过改变主变量， 产品开发、 改进和故障查找得以进行。此外， 统计方法 ( 例如， 实验设计 (DOE)) 的使用与简化为主变量相结合， 在使这项技术可重复、 稳健和经济 上可行的道路上前进了一大步。
主导量的识别已经通过实验观察并且 “接受” 这样的事实 ： 正确的变量已经被选 中。一些主变量没有被识别出来并且一些更高阶 ( 少于主变量的 ) 变量被选中的可能性是 存在的。第二点是， 在 DOE 中实验数据点和重复数据点越多， 结果的置信度就越高， 而这要 求更多的时间和投资。而且， 甚至已经选择了正确的变量， 并且在高置信度上结果正确时，
DOE 也仅仅允许通过 “内插” 对行为的预测， 即， 在设计所确立的边界内。换句话说， 人们不 应 “外推” 结果以在限定的设计空间外进行预测。为移动到下一水平的复杂性和高效性， 需 要一种工具以解决这些固有的弱点。
使产品开发、 改进和故障查找更容易的新工具应该识别有限数量的工艺变量或变 量组合， 所述变量或变量组合能够被控制、 测量并用于预测产品性能。 这些变量应该被确认 为是针对灌封工艺的主变量 ( 有主要影响的 )。需要某个最终的感兴趣的特性 ( 性能 ) 和 被识别出的变量间的相关关系的证明。最后， 必须表明这些变量的变化与期望的最终特性 的响应之间的因果关系。
根据一实施例， 本发明给出一系统及方法， 以采用基于经典牛顿力学的力模型来 控制灌封的过程。利用经典牛顿力学， 灌封工艺可通过数学及几何术语加以描述。该描述 基于灌封工艺的力向量分析。由工艺参数间的交互作用产生的力可被计算出来， 所述工艺 参数包括， 但不限于织品结构、 织品张力、 聚合物粘性 (η)、 织品和刮刀间的进入角、 织品和 刮刀间的脱离角、 刮刀锋利度和线速度。
根据本发明的另一个实施例， 给出一种用灌封材料对织物进行灌封的方法。所述 方法包括 ： 确定要被灌封的材料的初始材料特性 ( 例如重量、 强度、 孔隙度、 织法等等 ) ； 利 用灌封系统的力模型确定工艺配置， 所述灌封系统带有两个涂布刮刀的， 每个刮刀均被配 置成当织物通过每个刮刀时， 促使灌封材料对织物进行灌封， 并且其中基于要被灌封的材 料的初始材料特性应用力模型 ； 以及采用确定的工艺条件对织物进行灌封。 在一实施例中， 两个涂布刮刀中的第一刮刀位于两个刮刀中第二刮刀的下游。 在另一实施例中， 所述方法还包括确定被灌封的织物的最后 ( 最终 ) 性能特性 ( 例如， 透气性、 静压头、 附加重量 (WAO) 等等， 并且其中基于织物的最终性能特性应用力模 型。
在另一实施例中， 所述方法还包括限定灌封材料 ( 聚合物 ) 的特性 ( 例如粘性、 摩 擦系数等等 )， 并且其中基于灌封材料 ( 聚合物 ) 的限定特性应用力模型。
在另一个实施例中， 工艺配置包括第一刮刀的第一进入角、 第一刮刀的第一脱离 角、 第一刮刀的第一半径、 第二刮刀的第二进入角、 第二刮刀的第二脱离角、 第二刮刀的第 二半径以及织物张力中的一个或多于一个。
在另一个实施例中， 力模型包括 ：
其中 FN2 是在第二刮刀上垂直于织物的力，FN1 是在第一刮刀上垂直于织物的力， θi1 是第一进入角， θe1 是第一脱离角， θi2 是第二进 入角， θe2 是第二脱离角， μ 是织物与刮刀间的摩擦系数。
在另一实施例中， 工艺配置被选择为使得 FN3 大于 FN1， 其中根据被灌封织物的期望 特性选择 FN1 和 FN2。
在另一个实施例中， 第一和第二进入角与第一和第二脱离角的范围是 25-85 度。 第一和第二半径的范围是 0.00002-0.00100 英寸， 且织物张力的范围是 125-750 磅。
在另一实施例中， 第一材料特性包括重量、 强度、 孔隙度或者织法配置， 并且第二 材料特性包括灌封材料的粘性。
在另一实施例中， 灌封材料的粘性范围是 100,000-1,500,000 厘泊。根据本发明另一实施例， 一种灌封系统包括 ： 第一刮刀和第二刮刀， 它们配置成使 灌封材料灌封织物， 第二刮刀位于第一刮刀下游 ； 用于支撑和促使织物通过第一和第二刮 刀的多个辊 ； 力模型建模模块， 其被配置成接收织物和灌封材料的特征 ； 其中力模型建模 模块被配置成根据接收到的特征来生成运行参数， 用于控制第一和第二刮刀中的一个或多 于一个以及多个辊中的一个或多于一个 ； 控制模块， 其被配置成实施生成的运行参数， 使得 由第一刮刀施加第一力于织物上以及由第二刮刀施加第二力于织物上。
本发明的方法和设备许可通过各种手段在织物的表面上施加聚合物复合物。 当聚 合物被施加在织物表面时， 聚合物复合物优选地立即被剪切稀化， 以可控地和显著地减小 其粘性， 并将其置入在织物内选定的位置。 为帮助这一过程， 优选地通常通过在发生剪切稀 化的地点拉伸织物使织物变形。通过创造双倍或者双重剪切稀化， 这一变形使得聚合物复 合物进入织物变得容易。以织物为例， 这可由以下因素的组合而产生 ： 刮刀的刀刃条件、 工 程设计的可剪切稀化聚合物、 织物的速度以及在纤维和细丝经过刮刀刀刃后立即随之而来 的， 纤维和细丝的重定位。
在织物内的聚合物复合物的受控放置可通过依照本发明的机器的基本实施例来 进行， 即一个简单的涂胶器， 以将粘性聚合物涂在织物表面， 一对在织物的一段上施加张力 的工具以及压到受到张力的这一段上织物上的一刮刀。 在张力下， 织物被拉过刮刀， 或者作 为替代， 刮刀相对织物移动， 并且刮刀产生的力导致聚合物复合物流入织物的三维基体， 并 可控地被挤压出织物， 同时留下灌封所选纤维的聚合物薄膜或聚合物内层， 或者两者兼而 有之。在此之后织物上的张力被优选地释放， 并且织物被固化。 本发明包含新颖的方法和设备以制造织物、 纤维和织品， 这些产品带有特定的期 望物理品质， 例如耐水性、 增强的耐久性以及增强的阻挡品质， 这是通过组合应用被灌封的 纤维和细丝以及伴随着表面化学改性或类似情况的透气的或孔径大小受控的内涂布而实 现的。这类织物、 纤维和织品可被用来制备多种不同的产品， 包括但不限于， 地毯、 特种衣 物、 职业服装、 用于诊断用途的生物工程表面以及室内装潢用品。通过采用本发明， 可制造 出带有多种不同期望物理特性的织物、 纤维和织品。
本发明的方法和设备可处理那些有高内部精确性的、 通常是平坦的或平面的织物 或织品。
根据下面的详细描述， 参考以示例的方式结合本发明实施例说明特征的附图， 本 发明其它特征和其它方面将变得显而易见。本发明内容无意限制本发明的范围， 该范围唯 一地被随后所附权利要求限定。
附图说明
本发明， 依照一个或多于一个不同实施例， 参考下列附图加以详细描述。 附图仅为 说明而给出并仅描述了本发明的典型或示例性实施例。 给出这些附图以便于读者理解本发 明， 并且， 不应该将它们考虑为对本发明的宽度、 范围或者适用性的限制。应注意到为了阐 述清晰和便利， 这些附图没有必要遵照比例绘制。
图 1A-C 是说明本发明可在其中实施的环境 / 设备的图示。
图 2-3 是说明根据本发明若干实施例的力模型的图示。注意 ： 这两幅图， 包括图 例， 需要被换成两幅附加的图。图 4 是说明由图 2-3 中的力模型所生成的结果的图示。
图 5 是说明根据本发明一个实施例的力模型的图示。注意 ： 这幅图， 包括图例， 需 要被换成一附加的图。
图 6 是说明上面列出的、 根据本发明实施例的一个或多于一个力模型所生成的结 果的图示。
图 7 是说明根据本发明一实施例的剪切刮刀 / 剪切刀的压强模型的图示。
图 8-50 是说明上面列出的根据本发明若干实施例的一个或多于一个力模型所生 成的结果的图示。
图 51 是说明根据本发明的实施例对织物进行灌封的方法的图示。
图 52-53 是说明根据本发明的若干实施例的织品灌封模型的图示。
图 54 是说明上面列出的根据本发明若干实施例的一个或多于一个力模型所生成 的结果的图示。
图示的目的不是穷举或将本发明限制于所公开的精确内容。 应理解本发明在实践 中可以加以修正或改变， 并且本发明仅被权利要求和其等同内容限定。 具体实施方式
下列描述是目前最佳的实现本发明的预期模式。 本描述的目的在于说明本发明的 一般原理并且不应被认为是限制。
在详细描述本发明之前， 首先描述本发明在其中得以实施的若干示例环境是有用 的。 给出根据这个示例性环境的描述是为了能够在一个示例性应用的背景中阐述本发明的 不同特征和实施例。读完本描述之后， 本领域人士将明白如何将本发明实施于不同的和替 代的环境中。
一个这样的示例是涂布或灌封系统， 其用于涂布一卷材料， 所述材料为， 例如， 织 品。图 1A 是说明一设备或环境 100 的示意图， 在其中根据本发明的实施例实施本发明。参 考图 1A， 设备 100 包括连续的织物 74， 其沿着织物路径从供给辊 76 移动到卷紧辊 77。设备 100 还包括织物张紧装置 75a-c、 涂布或灌封工作站 78、 剪切刀或剪切刮刀 101 和 102、 拉幅 机 118、 烘箱 119、 检查模块 123、 力模型建模模块 124 和控制模块 125。
涂布工作站 78 被配置为利用聚合物涂料器， 例如传统的逆转辊式涂布机 81， 将聚 合物复合物施加在织物 74 的上表面 79 上。在逆转辊式涂布机 81 中， 聚合物复合物被涂 在 ( 相对于织物 74 的行进方向 ) 反向旋转的涂布辊 82 的表面上， 聚合物复合物来自于形 成在涂布辊 82 和递送辊 84 之间的挤合区贮藏槽 83( 其中递送辊 84 向着织物 74 的行进方 向转动， 但是其表面不接触织物 74)。在其通过工作站 78 时， 织物 74 被横向压缩在涂布辊 82 和主动辊 86 之间。因而， 在一实施例中， 在相对于面 79 的正压强下， 聚合物复合物被涂 布辊 82 涂布， 涂布辊 82 的作用是迫使复合物进入织物 74。在一实施例中， 涂布辊 82 有光 滑、 度铬的表面。可替代地， 聚合物复合物可在没有任何力的情况下被涂于织物 74 的上表 面 79， 而将受控放置和剪切稀化工作留给后续步骤或后续一系列步骤完成， 例如， 借助如下 所述剪切刮刀 101 和 102 的力完成。
很大程度上为了控制将织物 74 对准辊 82 和 86 这个目的， 织物 74 被张力调整装 置或张紧装置 75 预先张紧。在一实施例中， 张紧装置 75a 是传统的织物离合机构 ( 未给出细节 ) 的部件， 所述织物离合机构在限定于辊 82 和辊 86 之间的挤合区 92 之前为织物提供 选择性的张紧， 其中介入旋转辊 93 用来导向织物 74。张紧装置 75a 的另一个作用是， 在织 物 74 进入涂布工作站 78 之前， 使织物 74 平滑和伸展。
通过挤合区 92 之后， 织物 74 被可控地沿从挤合区 92 延伸到张紧装置 75b 的织物 路径纵向地张紧。在一实施例中， 张紧装置 75b 是传统的织物张力调整和调节机构 ( 未给 出细节 ) 的部件， 所述织物张力调整和调节机构为现场流水线操作员提供受控的调整， 所 述调整许可尤其在从挤合区 92 到张紧装置 75b 的织物路径区域上的织物 74 的紧绷度的有 选择的控制。
沿张紧的织物路径区域， 织物 74 连续通过一系列处理区域 98、 99 和 121 中的一个 或多于一个区域。 虽然显示了三个加工工作站， 但根据本发明， 也可使用更多的或更少的工 作站。在工作站 98 和 99 的每一个上， 大体上非挠性的剪切刮刀 101 和 102 分别横向伸展 穿过织物 74， 而织物 74 在正对着其上表面 79 和剪切刮刀 101 和 102 的各自刀刃的下表面 上完全没有受到支撑。
为了控制刮刀 101 和 102 中每一个所独立施加的剪切力的大小和种类， 织物 74 越 过每一刮刀边缘时和三个刮刀辊 105、 106 和 107 接触。辊 105-107 的位置可相对于刮刀 101 和 102 加以调整。刮刀 101 和 102 也可上下和有角度地调整。通过调整每一刮刀相对 于织物路径的竖直高度或者织物路径相对于每一刮刀的位置， 可以控制每一刮刀对织物的 力。通过调整刮刀辊的竖直高度， 可以控制剪切力和织物接触刮刀的角度。 在一实施例中， 刮刀辊 105 和 106 可以定位成使得辊 105 在刮刀 101 的引导侧， 而 辊 106 在刮刀 101 的跟随侧， 同时， 刮刀辊 106 和 107 可以定位成使得辊 106 在刮刀 102 的 引导侧， 而辊 107 在刮刀 102 的跟随侧。每一刮刀 101 和 102 相对于竖直方向的倾斜或者 翘起角度均可在一宽范围内调整， 但目前优选的是， 在织物 74 处于水平状态时， 将每一刮 刀的倾斜角在相对于竖直方向的正负 45 度之间调整。在一实施例中， 每一相应刮刀都分别 与刮刀后撑或保持器 108 和 109 从功能上关联在一起。每一支撑 108 和 109 都允许其关联 的刮刀 101 和 102 相对于支架 ( 未显示 ) 竖直地和成角度地定位。
如图 1A 中所示， 另一可调整的变量是织物下陷的角度， 所述角度是织物在其越过 相对于刮刀 101 的相邻辊 105 和 106 的圆周边缘的路径上及在其越过相对于刮刀 102 的相 邻辊 106 和 107 的圆周边缘的路径上达到的。考虑到刮刀 101 或者刮刀 102 接触织物的位 置是假想点， 刮刀 101 或者刮刀 102 相对于织物的角度在大约 30 度到大约 140 度之间。
在一实施例中， 剪切刮刀 101 和 102 能够有直的边缘以使得聚合物复合物剪切稀 化； 但是， 应意识到剪切刀或刮刀可以有其它形状， 例如， 弯曲的或环形的边缘 ( 或刀刃 )。 例如， 当响应于在横向上施加的均匀经纱张力而处理横向通过的表现出差异化纵向伸展特 性的织物时， 就有可能通过采用适当的弯曲剪切刮刀均衡施加于织物的剪切力， 这种弯曲 剪切刮刀补偿了此类差异化的伸展特性。
在一实施例中， 剪切刮刀 101 和 102 可以有尖锐的、 钝的或圆形的刀刃。优选的， 刀 101 和 102 具有的刀刃经过表面光洁处理以得到以均方根 (RMS) 计算来衡量的期望的均 匀性。
在一实施例中， 剪切刮刀 101 和 102 可由钢或者其它材料， 例如， 金属合金、 非金属 复合物和诸如此类的材料形成。剪切刀优选地经过硬化处理或者其它的处理以减小磨损。
本领域技术人员应理解一个或多于一个剪切刮刀 101 和 102 对织物 74 所横向施 加的剪切力的量值是很多变量的函数， 其中最重要的或首要的变量或许是聚合物粘性、 纵 向织物张力和在运行期间剪切刀 101 和 102 相对于织物 74 的位置。
在一实施例中， 保持刮刀的低温度以防止聚合物复合物过早地固化。这可以通过 使冷却剂流经或者环绕并流过刮刀， 或者通过本领域已知的其它手段达到。 可替代的， 如果 为了要求的实现特定的产品所必需的聚合物变化， 而期望改善或者改变粘性或流变能力， 那么可以通过使加热的流体流经或者环绕流过刮刀的方法来加热刮刀。
刮刀光洁度是重要的。在一实施例中， 期望刮刀面和刀刃 ( 或边缘 ) 有着硬而光 滑的表面， 以使聚合物发生剪切稀化并使摩擦最大化， 或者选择性地在织物、 聚合物和 ( 多 个 ) 刮刀间生成剪切力。在一些应用中， 刮刀应该优选地在所有维度上保持刚性和具有最 小振动以获得一致的织物处理。
在一实施例中， 每个刮刀的角度都可以从竖直的位置转动 ±90°。为改变刮刀在 织物、 聚合物和附加物上的剪切力和放置力 (placement force)， 提供调整设备以竖直上 下地和水平前后地移动刮刀。所有三个轴对于产生期望的控制都是重要的， 所述控制促成 灌封的纤维和 / 或细丝、 纤维和 / 或细丝上的附加放置和取向、 可选的内层和灌封薄膜或 者内层的受控厚度。每一刮刀相对另一刮刀的横向放置也是很重要的， 并且提供了设备以 允许每一刮刀向着或者背离彼此的横向运动。每一刮刀的横向放置控制着在前面的辊和 刮刀间织物的微小伸张和弹性摆动， 因而在织物离开刮刀后立即控制织物， 并控制柯安达 (Coanda) 效应 ( 也被称为 “边界层吸附” ， 是指流体流附着留在凸起表面， 而不是沿其原方 向直线运动的倾向 )。 在一实施例中， 改变织物的张力可导致对织物内部的改变， 例如， 举例来说， 织物 内层的位置、 纤维灌封度以及灌封独立的纤维或细丝的薄膜的厚度。
在刮刀的引导边缘上， 织物被纵向地伸展并且聚合物同时地且动态地被剪切稀 化、 被注入织物并部分地从织物中被抽出， 因而留下了灌封的纤维和细丝或者内层。 当织物 通过刮刀的引导边缘时， 织物的弹性恢复力与纤维和细丝的松弛或者弹性恢复结合导致纤 维灌封和表面化学改性 ( 或者涂覆 )。 这被认为是因为使独立的纤维和细丝散开而发生的。 或者纤维和细丝将聚合物从空隙空间中拉出， 或者聚合物的流变力将其吸引到纤维和细丝 上， 或者是两者的某个结合。最终结果是， 当纤维和细丝移动或者断裂时， 在空隙空间中的 聚合物移动到纤维和细丝处， 因而产生了灌封的纤维和细丝。 内层的厚度、 深度和受控放置 是在刮刀的底表面处被决定的。较宽的刮刀导致了聚合物的较厚内层。进而， 纤维伸展和 松弛的动力学 ( 过程 ) 提供了覆盖在纤维上的聚合物复合物薄膜灌封所必须的平均能量。
当已经实现合适且优选的施加的剪切力水平和织物张紧用以生产有灌封或包封 的纤维和 / 或者内部涂层， 或者具有这两者的产品时， 人们通常可以在剪切刮刀 101 和剪切 刮刀 102 的区域听到一种独特的声音。当剪切刮刀被用于此处所描述的其它工艺的操作 时， 这种声音也可在邻近剪切刮刀之处被听见。 事实上， 这种声音被操作者用来作为粗略的 指导， 判断操作者是否正在以受控的聚合物放置成功地生产出包括包封的纤维和 / 或者内 涂层， 或者这两者的产品。
刮刀辊 105 也可起到补偿辊的作用， 以在剪切稀化开始前机械地调整和控制织物 张力。而且， 方便地且优选地， 可用电子手段感测织物张力， 并且然后辊 105 会被自动地提
升或降下以完成织物张紧调整， 从而保持织物 74 中预设的预定张力。
设备 100 还包括挠性的所谓 “挠性刮刀” 或者安置 “西班牙刮刀” 100。优选地， 该 挠性刮刀 10100 的刀刃相对于通过这里的织物 74 倾斜一个角度， 使得刮刀 10100 对织物 74 的面 79 施加一个压力， 同时织物 74 的反面 103 是完全没有支撑的。相对于 ( 假想的 ) 垂 直线的角度的范围是从大约 30°到大约 140°以用于挠性刮刀倾斜角度的调整， 该 ( 假想 的 ) 垂直线延伸到从辊 107 的圆周边缘延伸到辊 111 的圆周边缘的 ( 假想 ) 直线中。为了 向挠性刮刀 101 提供可调整性， 刮刀 101 在功能上关联安装支架或者后撑 113， 后两者相对 于方法和设备框架 ( 未显示 ) 也是可调的。
在一实施例中， 在离开张紧装置 75b 后， 织物 74 处于减小的或者优选最小的张力 之中， 并且， 通过拉幅机 118 被导入烘箱 119。 在工艺中的这个点， 织物中可能存在扭曲变形 或者其它缺陷。这些扭曲变形可被测量和观察到， 并且， 随后可调整拉幅机 118 以使得织物 在纵向上或在横向上拉直或整形， 如对单独织物所期望的那样或对其认为必需的那样。如 果希望， 那么拉幅机 118 可被自动操作以根据预先确定的程序， 或者以类似的方式对织物 施加张紧力。但是， 应理解， 拉幅机不总是必需的或者说是期望的。可以根据本发明的原理 处理许多织物而不需要利用拉幅机或者其它横向张紧装置。在这种情况下， 织物将从张紧 装置 75b 直接进入固化烘箱。 拉幅机 118 还提供一个有限的纵向和横向张紧的新区域的起始， 该区域从拉幅机 118 沿着织物路径通过烘箱 119 向前延伸到一张力补偿器， 此处所示为采用作为传统机械 张力补偿器配件的一部分的三个张紧装置 75c， 其在结构上和功能上类似于并入了前述张 紧装置 75b 的补偿器配件。在织物 74 通过烘箱 119 时织物 74 的纵向张紧可被用来控制织 物 74， 因为织物 74 依照织物尺寸限制通过烘箱 119。 选择这个张紧的程度， 该程度不会在织 物中导致明显的织物扭曲变形， 然而又避免了诸如来自热膨胀和延伸的织物下垂。辊 ( 未 显示 ) 可用于烘箱 119 中， 以避免下垂和保持均匀受热。已发现， 对很多应用来说， 期望在 基本没有张力时使被处理的织物固化。 优选的是， 织物在松弛的状态下被固化， 从而保留其 原始结构或者其原始结构的物理性质。这有助于保持正确的手感和最小化收缩。
烘箱 119 起到固化选择性地置于织物 74 中的聚合物复合物的作用。烘箱 119 可 使用汽油或者其它能源来运转。 此外， 烘箱可利用辐射热、 传导热、 对流、 微波能量或现有技 术已知的影响固化的其它合适的手段。烘箱 119 可从大约 12 码延长至大约 20 码
固化温度的范围从大约华氏 320°到大约华氏 500°， 期望的固化实施时间 ( 根据 温度和聚合物复合物 ) 从大约 2 分钟到大约 30 秒。如果在聚合物中存在固化促进剂， 则固 化温度可降至华氏 265°或者更低 ( 而时间保持在所指示的范围内 )。
如果需要， 替代烘箱， 或者与烘箱结合， 可采用辐射源 ( 电子束、 紫外光或类似物 ) 来完成固化。
如果需要， 可以不使用烘箱 119 的全部加热能力。例如， 比起顶部和底部的组合加 热， 仅仅使用与织物相关的顶部加热或者底部加热。
卷紧辊 77 以与供给辊 76 大约相同的速度运转。当卷紧辊的旋转速度与供给辊的 旋转速度不同步时， 辊 121、 122 和 123 的张紧辊组合可用于卷紧织物或者减小织物下垂， 根 据具体情况而定。
织物传送速度可大范围变化， 例如， 从约每分钟 2 码到大约每分钟 90 码。当前的
速度范围是从约每分钟 35 码到大约每分钟 50 码。
如图 1A 所示， 设备或环境 100 还包括一个或多于一个检查模块 123、 力模型建模模 块 124 以及控制模块 125。 检查模块可设置在环境 100 的各种位置， 以测量或者获取织物和 其它材料， 例如， 举例来说， 用于灌封织物 74 的材料的特征。例如， 检查模块 123 可以被配 置成测量或估计织物 74 的各种特征， 比如厚度、 孔隙度、 强度、 温度和重量。检查模块 123 还可以被配置成测量或估计灌封材料的各种特征， 例如粘性和温度。这些测得的特征可被 送入力模型建模模块 124 中。
力模型建模模块 124 被配置成根据织物、 灌封材料的一个或多于一个特征或者被 灌封织物的期望特征， 生成用于控制设备 100 的一个或多于一个部件的操作参数， 部件诸 如为， 举例来说， 位于区域 151 内的部件， 如图 1A 所示， 这些特征可手工输入模块 124 中。 所 生成的操作参数可用于下列工作中的一个或多于一个 ： 改变刮刀 101 或刮刀 102 相对于参 考点的高度、 改变辊 105、 106 和 107 中一个或多于一个的竖直位置、 改变相对于竖直参考面 的刮刀 101 或刮刀 102 的角度、 改变辊 82、 84、 86、 105、 106 和 107 的速度以及改变任一辊的 温度。模块 124 被配置成生成推荐的操作参数， 使得在第一和第二刮刀的每一个上生成垂 直于织物的力的预定的 ( 大致 ) 量值。被模块 124 选择的力是基于检查模块 123 所收集的 测量到的特征。用这种方法， 所产生的灌封的织物可以有期望的特征。
为在每一刮刀得到特定的垂直力， 模块 124 可以控制环境 100 中下列变量的一个 或多于一个 ： 1) 织物张力、 2) 织品进入刮刀的进入角、 3) 刮刀相对水平位置的角度、 4) 刮刀 高度、 5) 织品脱离刮刀的脱离角、 6) 织物速度、 7) 聚合物粘性、 8) 挤合压强、 9) 进口挤合压 强、 10) 烘箱固化温度、 11) 烘箱固化保持时间、 12) 周围聚合物温度、 13) 湿度以及 14) 在侧 向张力下织物变形的程度。控制模块 125 被配置成当力模型建模模块 124 生成操作参数和 变量时， 执行工艺变化。
模块 123、 124 和 125 能够被配置为完全自动， 这意味着材料特征和工艺条件被持 续地监控并且， 操作参数可被自动改变以响应对工艺的监控。
上述设备和工艺应用在各种形式或者实施例中。 参考图 1B 和 1C， 其说明根据本发 明的实施例的两个替代配置。在图 1B 和 1C 中， 类似的部件被类似编号， 但是图 1B 中的标 号加上了单撇号， 而图 1C 中的标号加上了双撇号。
在图 1B 中， 一级织物加压在挠性刀 112′之后和拉幅机 118’ 之前被引入。在此实 施例中， 织物 74 通过挤合区 126， 该挤合区存在于浸轧辊 111’ 和关联的输送辊 127 之间， 在此织物 74’ 受到辊 127 和 111’ 之间的挤压。用这种方式， 可以实现聚合物复合物在织物 74 上更好的分布。
在离开挤合区 126 之后， 依靠保持棒或者辊用于类似目的， 可以保持辊 127 对织物 74 的一些挤压。如同参考图 1A 所讨论的那样， 织物 74 可不使用拉幅机 118′而直接进入 烘箱 119’ 。 当张力在挤合区 126 中被释放后， 期望织物固化立刻开始， 因此挤合区 126 优选 地位于非常靠近烘箱 119’ 的入口之处。
如果需要， 辊 128 可被挠性刀 ( 未显示 ) 替换， 以便织物 74’ 离开辊 127 后越过该 挠性刀的刀刃。该挠性刀能够完成在织物 74 中实质的进一步聚合物分配。
参考图 1C， 织物 74 经过辊 111” 和 127” 的挤合区。在这一实施例中， 不使用机械 张紧装置 75b( 如图 1A 中所示 )。此外， 辊 111” 和 127” 为通过固化工作站 119″的织物通道提供了所需的减小的张力， 该工作站可以用也可以不用介入拉幅机 118” 。 通常， 并且优选 地， 本发明的织物具有范围从大约 0.01 到大约 50 微米的纤维包封层的这一特征。
尽管未显示， 但图 1B 和 1C 中的设备或环境也可包括分别与模块 123、 124 和 125 类似的检查模块、 建模模块以及控制模块。
通过带有一定数量的剪切稀化刮刀， 可产生多重剪切稀化效应， 该效应改变聚合 物的最终结构和 (a) 单独的纤维和细丝的薄膜灌封、 (b) 内涂层的受控放置和 (c) ： 在 (a) 和 (b) 中的添加剂的受控放置。要理解第一剪切稀化导致聚合物复合物的粘弹性变形， 由 于聚合物复合物的记忆效应， 其倾向于回复到一定程度。 由于每一多重剪切稀化， 聚合物在 该剪切点开始并回复的程度改变了。这被称为触变循环或者触变稳定。
通过使用本发明的方法和设备， 可实现将聚合物复合物受控置入多孔的基底或织 物中， 以得到所需的经处理的织物。
诸如在本发明的实践中采用的可固化聚合物用剪切力在压力下施加在织物或者 基底上并进入织物或者基底。剪切力导致可固化的硅聚合物流入织物内。通过控制前面所 讨论的因素， 以及控制含氟化合物的选择和使用量 ( 如果有的话 )、 所用的可固化聚合物和 在给定温度下采用的所施加的压缩和剪切力， 可以认为纤维包封和单元或孔壁加衬的程度 是可调整的， 因此实现纤维包封， 虽然织物的间隙和 / 或者开放单元没有被在内层区域中 的这种聚合物完全填充， 并且织物的外相对表面实质上完全没有聚合物涂布或者残留。经 过这样的程序， 可固化聚合物然后被固化了。
可固化聚合物被施加在织物的表面上。 然后， 当织物被张紧时， 其倚靠并越过剪切 机构或通过压缩区域， 例如辊之间的压缩区域或者倚靠剪切刮刀的压缩区域。 因此， 横向施 加的剪切力和压缩压力被施加于织物上。张力、 剪切力和织物速度的组合足以导致聚合物 移动进入织物内并从围绕着织物纤维的间隙或者开放单元、 单元或被包封的孔中移出。结 果是至少部分间隙和 / 或者开放单元在位于内涂层或者内层所占据的区域外侧的织物区 域中未被填充， 并且这些间隙和 / 或者开放单元优选基本上没有聚合物。多余的聚合物被 剪切机构的表面擦除动作去除了。之后包封纤维的可固化聚合物被固化。
可认为通过施加在织物表面上的局部化压强实现了在织物内期望的聚合物渗透、 分布和放置， 该压强足够高以导致聚合物复合物的粘性被局部降低， 因而允许这种聚合物 在所述压强下流动并可控地被放置在织物中， 并包封其纤维或者给其单元或者孔壁加衬。 为协助这一过程， 优选地通过张紧或者伸展织物同时略微地在受控放置的位置使其受到横 向压缩而使织物至少稍微扭曲变形。 这一扭曲变形被认为使得聚合物复合物进入织物变得 容易。当压缩和张力被释放时， 可认为聚合物复合物在被处理织物的间隙空间或者开放单 元空间内被挤榨和压缩并且通过被处理织物的间隙空间或者开放单元空间。
如果， 例如在完成的产品中出现了过多的聚合物， 那么可以增大张力或者剪切力 或者同时增大两者， 对于聚合物过少的情况， 则与之相反。如果在纤维上的流动不充分， 产 生不完全的纤维包封， 那么可以通过提高用于受控放置的压强和温度来降低聚合物复合物 的粘性。可替代地， 如果粘性过低， 那么可降低压强和 / 或者温度。如果， 在不同的粘性和 / 或者压强下， 聚合物复合物对按照所需的量被放置或者安置于给定织物内所需的位置表现 出抗拒， 那么可提高织物的含氟化合物预处理的水平， 或者， 根据情况降低该水平。
在本发明的一实施例中， 聚合物在两个辊间被强迫进入织物。一个此类辊承载聚合物浸渍剂， 后者通常且优选地均匀分布于并覆盖环形伸展的有纹理或者凹陷的表面。这 类辊在 (i) 与对面辊相同的方向和 (ii) 与连续移动的织物的运动方向相反的方向旋转， 所 述织物移动经过在此类辊和这种移动织物之间形成的局部受压区域。 可认为两辊的单向旋 转在织物上产生扭曲和伸展力或者效应。可认为所述的力促进聚合物渗透进入所述织物。 为方便起见， 这种形式的加压施加或者涂布可被称为 “反向辊涂布” 。 优选地， 当移动的织物 大体水平移动时， 反向涂布辊有一个大体水平的轴。通过倚靠测量杆 (metering bars)、 杆 形刀 (bar knives) 和诸如此类的紧压着织物的物体拉伸， 织物进一步地同时被纵向张紧和 扭曲。
这样一个初始的加压步骤优选跟随着一系列进一步的加压的织物处理步骤， 可认 为这些步骤完成了聚合物的再次引入、 聚合物分布、 聚合物刮擦以及多余聚合物的去除和 恢复。 这种步骤的整体结果是逐步地生产出织物， 其中聚合物将纤维包封至所需的程度， 或 者将包括织物的单元或者孔壁加衬， 并且聚合物在织物中期望的内部区域或地带内聚集， 从而在这种区域填充或堵塞织物的内部空间或者开放单元或孔， 但没有用聚合物填充被处 理织物的内部结构超过期望的程度。特别地， 并且例如， 在织品中， 可使得聚合物复合物基 本上完全地包封其在这内部区域内的纤维或者给其单元或者孔加衬， 并且在此内部区域内 填充孔隙空间。 上述任一设备配置 ( 例如， 在图 1A-C) 都可用于生产经过含氟化合物和硅聚合物 处理的织物。结果得到的灌封 / 涂布织物是透气、 防水并可重洗的， 并且其特征在于 ： 它是 在纵向可张紧的多孔挠性的纤维性织物， 这种织物有相对的、 基本上平行的表面， 这些表面 由带有纤维间孔隙的相关联的纤维组成， 或者它是其中有单元或者孔的基体。织物被含氟 化合物基本上均匀地浸渍， 并在此之后用硅聚合物复合物加以处理， 以形成这样的织物， 其 带有在织物中的内层， 其中织物的外表面基本上没有硅聚合物， 并且织物是透气的、 抗水的 或者防水的。 至少部分纤维或者单元壁被灌封或者包封。 织物的至少一个表面有如下特征 ： 其具有与开始的多孔织物的一个表面的可视外观基本上相同的可视外观。
当织物有由合成聚合物构成的纤维时， 聚合物优选地是从聚酰胺、 聚酯、 聚烯烃、 再生纤维素、 醋酸纤维素和它们的混合物中选取的。
本发明的首选织物有如下更特定的特征 ： 其有范围在大约 90°到大约 160°的水 滴接触角、 有至少大约三次的再洗能力、 有至少约 35％的未处理基底织物的透气性以及至 少约 80 的洗前拒水额定值。
影响成品产品但不直接与本方法和设备相关的其它变量包括， 但不限于， 聚合物 混合情况、 聚合物复合物初始粘性、 添加到聚合物复合物的加速剂、 添加到聚合物复合物的 添加剂、 所用织物的类型、 环境温度、 湿度、 空气传播的污染物、 织物上的纤维屑、 织物的预 处理、 织物表面下的温度和织物含水量。
1.0 力模型
1.1 概述
力模型建模模块 124 采用基于经典牛顿力学的灌封力学模型。力模型建模模块 124 在数学上将在刮刀上产生的机械力与处理变量关联起来， 这些变量是比如， 例如， 织品 张力、 织品与刮刀间的进入角、 织品与刮刀间的脱离角、 刮刀锋利程度以及聚合物粘性和线 速度。在一实施例中， 采用为力模型导出的方程， 在刮刀 101 和刮刀 102 上的沿着刮刀面的
力可利用聚合物所润滑的织品的摩擦系数和聚合物的粘性的合理估计而计算出来。 可以得 到建模得到的力与测量得到的力之间的极好一致性， 并且通过约 20 个实验室灌封机 (LEM) 历史数据和设计的实验的实例研究证实。
采用所开发的力模型， 在一组选定的工艺变量或者参数下， 由刮刀 101 和刮刀 102 产生的力可以计算出来。 从力模型可确定 ： 刮刀上的力作为工艺变量的函数， 其并非是毫无 变化的， 即用不同的工艺变量或参数组， 可得到刮刀上的相同力。基于计算出的力 - 变量轮 廓曲线， 可识别出在刮刀上产生相等力的变量设置。
从力模型中可确定， 对于多数实际的灌封条件， 在刮刀 102 上的力高于在刮刀 101 上的力。这个结果暗示在大多数条件下， 刮刀 102 是用于灌封的工作刮刀 ( 主导刮刀 )。利 用这一结果， 许多历史的和新灌封的织品的性能特性可被确定为工作刮刀， 例如， 刮刀 102 上的力的函数。已灌封的织品的性能特性和计算出的刮刀 102 上的力之间的良好相关性已 被找到。初步的结果指出已灌封的织品的性能被刮刀 102 上力的大小来支配， 而与所需的 力如何实现无关。
在一实施例中， 力模型产生了下列观察结果 ： 当刮刀 102 上的力增大时， 织品上硅 的附加重量 (WAO) 和祖特尔值 (Suter value) 下降， 而当刮刀 102 上的力增大时， 透气度测 定仪和弗雷泽渗透性 (Frazier) 的读数增大。这些结果意味着， 在恒定的保持时间内， 刮刀 上的力成为控制灌封的唯一独立变量 ( 保持时间是被外部流体动压驱动的聚合物流动的 有效时间， 而外部流体动压是另一个独立变量 )。 通过改变刮刀 102 上的力的大小而影响灌 封的其它变量， 例如张力、 进入角、 脱离角、 刮刀锋利度等等， 不是独立的。 性能特性， 例如祖特尔值、 透气度、 弗雷泽渗透性、 MVTR( 湿蒸汽透射率 ) 等等， 根 据附加重量 (WAO) 和聚合物布置来加以解释。也调查所述模型的实用程度。
1.2 剪切刮刀的力学模型
灌封工艺可通过图形 ( 图 2) 的方式加以表示。在图 2 中， 在每个刮刀之前和之后 存在空转辊 ( 不被驱动或者制动， 但是随着织品自由转动的辊 )。通过做出合理的假定， 即 少量旋转摩擦对工艺的贡献是可忽略的， 工艺力分析得以简化。
采用这一假设， 当空转辊两侧间没有其他机械元件时， 在空转辊任一侧上的力是 相等的。就是说 ： F i ＝ F 1、 F7 ＝ Fe 并且 F3 ＝ F4 ＝ F5。此模型中的力来自于在工艺结束处的 被驱动的挤合辊， 在工艺开始处的制动辊和在每一刮刀接触处的织品 / 聚合物交互作用。 利用这些初步结果 / 假设， 可更详细检查刮刀上的力。对输入 ( 进入 ) 刮刀 1 中的力矢量 分解见图 3。 可针对离开刮刀 1 做出类似的力矢量分解图， 并且对于进入和离开刮刀 2 的力 也可这样。
FN1i 和 FP1i 表示垂直于和平行于织物的力。刮刀和织物 / 聚合物之间的摩擦可用 μ( 摩擦系数 ) 表示。 通过假定力集中于刮刀的进入和脱离尖端上， 并用代数方法整理描述 这一配置的方程， 可得到方程 I。
通过检查方程 I 的物理含义， 可以看出在刮刀进入处的垂直力直接随织物张力而 改变， 并随织物的进入角相反变化。 从这一观察中可知， 至少定性地， 这一表达式是正确的。 对从刮刀 101 的脱离之处和刮刀 102 的进入和脱离之处进行类似分析可得到一系列类似的方程。通过对这些方程进行数学处理， 可导出描述刮刀 102 的垂直力对刮刀 101 的垂直力 的比值的表达式 ( 方程 II)。
FN2i/FN1i ＝ Cosθ2i/Cosθ1i(1-Cosθ1iμ)(1-Cosθ2iμ) (II)
方程 II 可用于计算在进入角度范围内 ( 同时保持脱离角和聚合物粘性为常值 ) 刮刀 102 对刮刀 101 的力的比值。 因为， 压强而不是力是灌封的驱动因素， 为进行这一对比， 我们假设刮刀 101 和刮刀 102 上的刮刀锋利度相同。这一比值使我们可以确定在处理过程 中的主导刮刀。回到并处理前面导出的方程， 可得到描述拉力与初始张力之间比值的方程 ( 方程 III)。
Fi/Fe ＝ 1/(1-Cosθ1iμ)(1-Cosθ1eμ)(1-Cosθ2iμ)(1-Cosθ2eμ) (III)
这些方程和本模型可用于计算工艺运行所处的所有条件下的力比。 在工艺运行所 处的多数条件下， 刮刀 102 是主导刮刀。为进行验证模型的下一步， 必须将计算出的力与测 量的力进行对比。为验证这个模型， 必须建立算出的数值与测量的数值间的相关性。测量 在生产装备上的刮刀刀尖上的垂直力有实验上的困难。但是， 刮刀上的力在实验室灌封装 备上被连续地测量。通过三向负载单元， 在悬臂式刮刀上测量实验室灌封线上的力。这一 测量导致在三方向上， 即， 在 X、 Y 和 Z 方向上测量力 ( 图 5)。为利用这些测量建立相关关 系， 必须重做模型以定义在 X、 Y 和 Z 方向上的力 ( 图 5)。可认为在 Z 方向 ( 刮刀的宽度 ) 上的力很小以至于可以忽略。在 X 和 Y 方向上进行对垂直和平行力所做分析类似的分析。
所述垂直和平行分析忽略了来自于聚合物剪切的力。结果， 当这一近似被用于 X、 Y、 Z 模型时， 所计算出的 F1yi 相比于测量得到的力显示出了良好的相关性， 但是力 F1ye、 F2yi 和 F2ye 均被低估了。变量经过工艺过程越进一步， 计算值和观测值之间的误差越大。得出 的表示剪切力的表达式开始于针对涂布工艺的方程， 并且考虑到灌封是用有限厚度的非牛 顿流体完成的而对其进行修正， 如方程 IV 所示。
τXY1 ＝ 3ηF1Cosθ1iW(ln(u)R)1/2 (IV)
其中 τXY1 是在刮刀 101 上的剪切力， η 是聚合物粘性， W 是织品宽度， u 是线速度 而 R 是刮刀的进入尖端处的半径。 使用目前所建立的方程， 脱离刮刀 101 的织品的张力 ( 力 F3) 可使用方程 V 计算出来。
F3 ＝ F1{1+(Cosθ1i+Cosθ1e)μ+3ηCosθ1iW(ln(u)R)1/2} (V)
通过方程 V， 在刮刀 101 和 102 的 Y 方向力的计算， 产生了与实验测量值非常符合 的值。
假设两个刮刀有同样的锋利度， 那么可以算出刮刀 102 对刮刀 101 的力比值。所 述比值有三种可能的结果。如果所述比值小于 1， 那么刮刀 101 是主导刮刀， 如果所述比值 大于 1， 那么刮刀 102 是主导刮刀， 并且， 如果所述比值等于 1， 那么两个刮刀上的力相等。 通过在所有不同的进入角度下比较这个比值， 可以看出在工艺运行所处的多数条件下刮刀 102 是主导刮刀。为说明的目的， 余下的讨论将集中在 F2Yi 上， 但理解其它力也可被确定和 使用。
这使得我们可以检查作为工艺预测变量的 F2Yi 的使用。针对许多独特的机器变量 设置条件组合来计算 F2Yi， 所述变量设置条件包括 ： 织品结构的变化、 织品张力、 聚合物粘性 (η- 三种不同粘性的聚合物 )、 织品和刮刀间的进入角、 织品和刮刀间的脱离角、 刮刀锋利 度和线速度。这些数值然后与针对相同工艺条件的实验测得的 F2Yi 数值匹配。在所有实例中， 计算出的和测量的数值在 10％范围内相一致。应注意到， 因为计算出的 F2Yi 与测量的 F2Yi 很好地一致， 所以计算的值现在可被利用并且可以在生产装备上进行实验。此外， 运行 了一系列的实验， 在其中以针对不同的起始变量组合取得同样的特定结果的 F2Yi 的方式改 变输入变量。发现 F2Yi 的计算值和测量值仍然一致。表明可以将 F2Yi 从用于设置的条件隔 离出来或者说在刮刀尖端的力是单调的或无变化的。
在这一点上， 模型仅允许对 F2Yi 的预测。为了实际使用， 应存在计算出的力 (F2Yi) 与性能特性之间的相关关系。 就是说， 不仅仅应当有相关关系， 而且为计算的变量确立的因 果关系应当是可预测的。 一旦这一步完成， 会存在基于所计算出的在刮刀上的力， 对性能特 性的一些预测能力。 通过观察在生产线上制出的产品， 并通过模型回算力， 可得到测得的特 性和计算出的 F2Yi 之间的一系列关系。重要的是， 还注意到无论特别的 ( 和具体的 ) 机器 设置是什么， 所利用的仅仅是在 F2Yi 的合力。已经证明了 F2Yi 与聚合物附加重量、 最终产品 静压头和透气性之间的良好可靠的关系。 此外， 运行了一系列的实验， 在其中以针对不同的 起始变量组合达到同样的特定结果 F2Yi 的方式改变输入变量。可发现计算出的 F2Yi 与作为 结果的聚合物附加重量、 静压头和透气性的最终特性仍然一致。表明不仅可以将 F2Yi 从用 于设置的条件中隔离出来或者说在刮刀刀尖上的力是无变化的， 而且 F2Yi 对于所感兴趣的 最终特性是有预测性的。
有趣的是， 在刮刀 102 主导的区域， 存在这种关系而不需要考虑 F1Yi( 在刮刀 101 上 的进入力 )、 F1Ye( 在刮刀 101 上的脱离力 ) 或者 F2Ye( 在刮刀 102 上的脱离力 )。这一事实 意味着有多达 40 个似乎需要独立控制和理解的变量的工艺现在可以由从所述 40 个变量的 组合中出现的单个变量表示。进而这一单个变量可被计算或者测量。
检查变量的多个集合， 变量包括但不限于， 织品结构、 织品张力、 聚合物粘性 (η)、 织品和刮刀间的进入角、 织品和刮刀间的脱离角、 刮刀锋利度和线速度。 计算各种条件下的 F2Yi 并将其与各种性能特性相比较， 性能特性包括但不限于最终产品的聚合物附加重量、 静 压头和透气性。由于灌封工艺的本质， 为给定的织品和给定的聚合物生成性能特性对 F2Yi 的唯一曲线。也就是说， 当聚合物粘性 (η) 和织品密度 ( 由透气性表示 ) 改变时， 在相同 F2Yi 的聚合物附加重量也改变。具体是， 聚合物粘性 (η) 和织品的透气性增加 ( 织品密度 变小 ) 则聚合物附加重量增加。
在一实施例中， 在刮刀 102 主导的区域， 聚合物附加重量和 F2Yi 之间存在着高度相 2 关性 (R ＞ 0.90)。此预测工具现在给出允许运行小得多的改变刮刀力的实验设计 ( 相对 用很多变量 ) 的信息。下面是在产品研发过程中如何利用力模型的描述。
图 6 图解说明示出采用根据本发明实施例的力模型计算出的力和测量的力的图。 参考图 6， 发现计算出的 Y 方向的刮刀上的力与测量的力很好地一致 ( 差异小于 10％ )。但 是， 在 X 方向的刮刀上的力通常比测量的力小大约 5％到 25％。这种力的测量值与计算值 之间的差异是合理的和可解释的。
在力模型中， 仅仅考虑从刮刀的进入尖端处开始的剪切力。 除了这一剪切力之外， 垂直应力 ( 垂直于剪切场的膨胀力 ) 在高剪切下由于聚合物珠而生成。 这一垂直应力 ( 力 ) 有两个作用 ： A) 驱使聚合物沿着刮刀高度爬升以及 B) 在 X 方向上将刮刀推离。由于在 LEM 上的载荷单元测量在 X 方向上所有的力， 而不管它们被施加于刮刀上的何处， 因此这一垂 直力被记录在测量的力中但是在力模型中没有被计算。 可认为施加于刮刀本体上的这个垂直应力导致在 X 方向上的力的计算值与测量值间的差异。
应注意到 X 方向上在刮刀上的整个力对于驱使聚合物渗透进入织品的作用并不 明显， 这是因为大部分 X 向上的力是由摩擦和剪切贡献的， 这两者均平行于织物表面。因此 Y 向上的力将被用于评估本模型的准确性。
在上述力模型中， 在刮刀上的力被处理成点力， 即， 假设所有的力均施加于点 A 和 B( 刮刀的入射 / 进入和脱离刀尖 )。尽管在显微镜下看从开始的织物 / 刮刀接触点到织物 / 刮刀分离点的实际力是分散的。在实践中， 认为刮刀的进入刀尖是灌封的主要工作区域。 这一假设通常是正确的， 因为在大多数情况下， 在刮刀的脱离刀尖处刮刀上的力远小于在 进入刀尖的力， 这是由于采用了大的脱离角度， 尤其是对于两刮刀式应用。 这也被进入刀尖 处的刮刀锋利度比脱离刀尖处的刮刀锋利度磨损得更快这一事实证实。
如图 3 和 4 所示， 刮刀上的力在数学上与工艺变量相关， 这些变量诸如为纤维织物 张力、 刮刀角度、 聚合物粘性、 线速度以及刮刀锋利度。这里将利用力 - 压强模型解释如何 将这些力与灌封工艺和产品性能特性关联。 本发明一个实施例所利用的灌封方法是被来自 于剪切刮刀的外部流体动压所驱使的非牛顿流体 ( 液态硅酮弹性体 ) 渗透进入多孔基底 ( 纤维织物 ) 的过程。从概念上讲， 灌封的驱动动力是压强而不是力。但是， 压强等于每单 位面积上的力， 即 P ＝ F/S， 其中 S 是接触区域。刮刀刀尖的 “有效” 接触区域 ( 随进入角和 脱离角以及刮刀锋利度而变化 ) 是未知的 ； 因此， 在刮刀上的力作为压强的相关测量结果 被用于此模型中。 压强的概念将有助于解释在力相同但是刮刀锋利度不同时灌封的相同产 品的性能差异。
图 7 图解说明根据本发明实施例的模型的刮刀下的定性压强廓线。 参考图 7， 可看 到高压强仅存在于刮刀刃尖处。压强廓线的形状， 即分布， 是刮刀锋利度的函数。刮刀越锋 利， 压强分布越狭窄。
如果针对刮刀 101 和刮刀 102 假定同样的锋利度， 那么力比值将反映其压强比值。 使用图 7 中所示的压强模型， 刮刀 102 对刮刀 101 的力比值作为刮刀 101 和刮刀 102 的进 入角度两者的函数被重新计算并示于图 8 中。刮刀 102 到刮刀 101 的比值大于 1 的区域覆 盖了绝大部分角度设置情况。这个结果说明在大部分灌封条件下刮刀 102 是主导刮刀。这 一压强模型结果还与图 4 中所示的力模型结果一致。
根据本发明一个实施例， 采用上述开发出的力模型， 可生产出两种不同类型的织 品。一种织品被称为 “格雷歇通用印花 (Glacier Universal Print)” 而另一种被称为 “普 瑞托瑞恩 (Praetorian)” 。生产 Glacier 和 Praetorian 所采用的工艺参数显示在表 1。
用表 1 所列参数生产出来后的 Glacier 织品有如下特性 ： 透气度为 0.15CFM ； 祖特 2 尔值为 310 毫米以及 MVTR 值为 650g/m /24 小时。类似的， 用表 1 所列参数生产出来后的 Praetorian 织品有如下特性 ： 透气度为 0.1CFM ； 祖特尔为 600 毫米以及 MVTR 值为 700g/ 2 m /24 小时。应注意到采用其它工艺参数也可产生同样结果。表 1 并不是可以产生所示结 果的唯一的参数列表。
表1
工艺参数Glacier Universal PrintPraetorian19101977769 A CN 101977774说0.0012” 0.0019” 45 度 70 度 50 度 65 度 350 磅明书0.0012” 0.0019” 45 度 70 度 50 度 65 度 300 磅 30 码 / 分钟 中度粘性 530 磅 561 磅 0.1CFM 600 毫米 700g/m2/24 小时16/24 页刮刀 101 锋利度 刮刀 102 锋利度 刮刀 101 进入角 刮刀 101 脱离角 刮刀 102 进入角 刮刀 102 脱离角 张力 线速度 聚合物 刮刀 101 压强 刮刀 102 压强 透气度 祖特尔值 MVTR
30 码 / 分钟 中度粘性 618 磅 654 磅 0.15CFM 310 毫米 650g/m2/24 小时2.0 力学模型的验证与应用
描述刮刀 101 和 102 上的力的方程 ( 方程 (4) 和 (5)) 的精度利用记录的 LEM 历 史数据加以仔细评估。利用对摩擦系数 ( 采用 μ ＝ 0.2) 以及聚合物粘性 ( 对三种不同类 型的材料， 例如， GE 6108、 SLE 606 和 DC4-1440， 分别使用 5.0、 4.0 和 3.5 帕斯卡 ) 的合理 估计， 在 LEM 上对两个刮刀 101 和 102 的刮刀进入刀尖上的力进行大约 20 次 DOE( 实验设 计 )。不管 LEM 设置条件是什么， 在刮刀上的独特力被计算出来。在研究的所有案例中， 计 算出的力匹配测量的力， 其差异小于 10％。
研发力学力模型的目的之一是建立刮刀上流体动压 ( 或力 ) 与灌封的产品的性能 特性之间的相关关系。 这一模型的有用性仅仅依赖于是否能建立刮刀上的力与产品的性能 特性之间的关系。 下面章节讨论应用这一力学模型来关联并预测历史设计的和新设计案例 的产品的性能特性。
2.1 历史 LEM 数据分析
可得到大量的 LEM DOE 数据。这是评估所述力学模型的最佳出发点。不同于生产运行， DOE 运行利用可产生刮刀上的不同力的条件。此外， 通过与在 LEM 上的测量的力加以 比较， 可以确认所有从力模型计算的力。
概述
图 9-12 图解说明被灌封的织品 (Solitude) 的性能特性， 它们作为在进入刀尖的 刮刀 102 上的力的函数。应用上述力模型， 采用在 DOE 运行中选择的变量， 例如织品张力、 刮刀 101 的锋利度、 刮刀 101 和 102 进入角， 计算这些力。如图 9-12 所示， 可看出所有的性 能特性， 包括灌封后的重量、 祖特尔值、 透气度和弗雷泽渗透性， 都与刮刀上的力有线性正 比或者反比关系。 对于重量和祖特尔值， 是反比关系， 即， 随着刮刀上的力增大， 重量和祖特 尔值都降低， 而透气度和弗雷泽渗透性值都随着刮刀上的力增大而增大。
聚合物粘性和线速度的影响
图 13-15 图解说明作为所计算的刮刀上的力的函数的 WAO、 祖特尔值和透气度， 其 4 基于根据本发明一实施例进行的 DOE 研究的结果。所述 DOE 研究是一 1/2 的 2 DOE， 其被 设计为研究刮刀 102 的被驱动挤合距离、 线速度、 粘性和挤合压强对灌封的影响。由于刮刀 102 的被驱动挤合距离和挤合压强的因素没有显示出明显的影响， 这一 DOE 实际上相当于 2 每次运行均重复的完全的 2 次实验。尽管所有 8 个实验都是在同样的 LEM 设置下运行的， 即， 同样的织品张力、 刮刀锋利度以及刮刀的进入角度和脱离角度， 但是由于不同的聚合物 粘性或者线速度， 结果产生的力是不同的。 对于同样的线速度， 刮刀上的力随着聚合物粘性 的增大而增大。而对于同样的聚合物， 刮刀上的力随着线速度的增大而增大。在给定条件 下的所有这些计算出的刮刀上的力都与测量的力高度相一致。
在这一 DOE 中， 将性能特性， 例如 WAO、 祖特尔值和透气度等等， 与刮刀上力的绝对 量值相关联起来不是很有意义， 这是因为在四个不同的运行条件下 ( 注意到线速度可影响 有相同初始粘性的聚合物的最终粘性 )， 聚合物粘性不同。但是， 这一 DOE 的结果明确地指 出， 在相同的一组机器变量下， 具有较高的初始粘性的聚合物可以达到较高的 WAO。在较高 的线速度， 具有相同初始粘性的聚合物也可以达到较高的 WAO。 祖特尔特性显示出同 WAO 一 样的趋势， 而透气度特性的趋势与 WAO 相反。这些结果对我们在设计新产品时选择聚合物 和在设定机器变量时作出适当的调整是重要的， 此时我们需要改变现有生产线的聚合物。
织品结构和聚合物粘性的影响
图 16-18 图解说明作为基于采用根据本发明一个实施例的方法进行的另一个 DOE 研究计算出的刮刀上力的函数的 WAO、 祖特尔值和透气度。这一 DOE 研究是一完全的 23DOE 研究 (8 次观测 )， 其被设计以研究进入织品的透气度 (incoming fabric densometer)、 聚 合物粘性和凝珠尺寸 (beadsize) 对灌封的影响。由于凝珠尺寸不显示任何显著的影响， 这 2 一 DOE 实际上被缩小为重复的 2 设计。在这一 DOE 中， 粘性是影响刮刀上力的唯一因素。 因此， 刮刀上力的两个水平显示于图 16-18 中， 其中较大的聚合物粘性导致较大的刮刀上 的力。计算出的力与所测量的那些力一致。图 16 指出在同样的灌封条件下， 具有较高初始 粘性的聚合物达到较高的 WAO。 对有着同样初始粘性的聚合物， 在较疏松或者更多孔的织品 ( 由较高的透气度表示 ) 上达到了较高的 WAO。对有着同样透气度的织品， 有较高初始粘性 的聚合物达到较高的祖特尔值和较低透气度。
6 因素 DOE
到目前为止， 上述 DOE 研究是 4 因素 DOE 研究。为进一步验证力模型， 进行 6 因素DOE， 其结果可被用于与力模型的比较。在 6 因素 DOE 研究中用到的因素包括织品张力、 刮 刀 101 的进入角、 刮刀 101 的脱离、 刮刀 102 的进入角、 刮刀 102 的脱离角和聚合物粘性。 为 6 6 6 减小实验规模， 运行一个 1/4 的 2 因素设计 (1/4 2 ＝ 16， 完全的 2 ＝ 64)。16 组实验条 件输入进力学模型中， 刮刀上 16 个唯一的力被计算出来。如下所述， 计算出的力与刮刀上 相应的测量得到的力一致， 其中差异小于 10％。 根据本发明的实施例， 性能特性与计算的刮 刀上的力之间的相关关系显示在图 19-21 中。
图 19-21 图解说明性能特性， 例如 WAO、 祖特尔值和透气度与刮刀上的力的线性相 关关系， 性能特性的结果是从使用根据本发明一个实施例的方法进行的研究得到的。所述 结果指出具有较高初始粘性的聚合物获得较高的 WAO。所述结果还指出， 对于给定的聚合 物， WAO 随着刮刀上力的增大而减小。祖特尔值的变化与 WAO 的趋势相同， 而透气度的变化 与之相反。
存在影响到产品性能的很多工艺处理变量和材料变量。已列出的多达 25 个变量 对产品性能有影响。这一模型， 根据本发明的实施例， 指出对于给定的聚合物和织品， 这些 处理变量中的部分导致刮刀上的力 ( 确切地说是刮刀上的压强， 由于有效接触面积未知， 所以刮刀上的力被用来表示压强 )， 而刮刀上的力和时间是控制灌封的仅有的独立因素。 时 间因素在此模型中被消隐掉， 但是其影响在线速度和刮刀锋利度中反映出来。通过上面讨 论的所导出的方程， 关键变量对刮刀上力的贡献被集中在一起。 2.2 实验室灌封机 (LEM)DOE
到目前为止， 力模型和 DOE 研究已经表明存在性能特性和刮刀上的力之间的相关 关系。但是， 为了确定对于给定的织品和聚合物， 这种相关关系是否是不变化的 ( 即， 无论 使用的运行条件 ( 如张力、 接近 / 进入角、 脱离角、 聚合物粘性等等 ) 如何， 是否对刮刀上的 特定力总存在这一相关关系 )， 在实际生产线上进行另一个研究 (LEM DOE 研究 )。在这一 研究中， 在不同组的处理变量或者参数下用刮刀上的同样的力生产被灌封的织物。在 LEM DOE 研究中， 从不同的 8 组变量产生刮刀上的两种水平的力 ( 高和低 )， 所述变量包括织品 张力、 刮刀 101 的进入角、 刮刀 102 的进入角和刮刀 102 的锋利度。图 22 示出在以张力、 刮 刀 101 的进入角和刮刀 102 的进入角为坐标的三维图中所选变量的分布。4 个菱形和 4 个 实心圆分别代表高和低水平的力组。 在实验开始前， 基于所选变量预先计算刮刀上的力。 图 23 显示计算出的力与相应的测量的力的对比。
图 24-28 图解说明作为刮刀上力的函数的在 LEM DOE 研究中生产的被灌封织物的 性能特性， 这些性能特性的结果是从应用根据本发明一个实施例的方法而进行的研究得到 的。所述结果指出随着刮刀上力的增大， WAO 和祖特尔值下降， 而透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR 随着刮刀上力的增大而增大。 从不同的 4 组工艺处理变量产生的在相同的刮刀上力下 的性能特性紧密匹配这一事实证明性能特性与刮刀上的力之间的相关关系是不变化的或 者说是排他的。换句话说， 性能特性仅仅依赖于刮刀上的力， 而与这个力如何实现无关。
3. 力模型应用
从上述研究中， 已经得知被灌封织品的性能特性是灌封工艺中使用的刮刀上力的 单调函数。用力学模型计算出来的刮刀上的力与测量的力很好相关。还已经确定在计算出 的刮刀上的力与性能特性之间存在单调函数。但是， 仍需要确定这种单调关系对于不同的 织品和聚合物是否正确。
3.1 使用不同聚合物对织品 1(Mirage) 的灌封
在设计好的刮刀上的力作用下， 在生产线 1 上灌封一种称之为 Mirage( 密瑞基 ) 的织品。选择三个力水平。对每一个力水平， 使用两组处理变量以生成刮刀 102 上的同样 的力水平， 以便测试性能和力的关系的排他性。
图 29-33 图解说明作为灌封的 Mirage 织品的刮刀上力的函数的 WAO、 祖特尔值、 透 气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR 之间的关系。在图 29 中， 无论是 GE 6108 还是 DC 4-1440( 聚 合物类型 ) 的 WAO 对于所有历史案例的响应都是相似的， 即 WAO 随着刮刀上力的增大而减 小。对于两种类型的灌封材料， GE 6108 和 DC 4-1440， 所有其它性能特性， 例如祖特尔值、 透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR， 都显示正常的基于力模型预测的响应。
基于力学模型， 显示对于给定的织品和聚合物， 刮刀上的力 ( 或者压强 ) 成为唯 一的决定被灌封织品的性能特性的变量。一个合理的问题是 ： 刮刀上的力如何决定性能特 性？通过系统地和彻底的分析全部研究案例中性能特性——刮刀上的力的相关关系， 发现 对于给定的织品和聚合物， 刮刀上的力控制了织品的 WAO。而 WAO( 在类似放置 ) 转而决定 其它性能特性， 例如耐水性和透气性。
在不同 WAO 的 Mirage 的性能特性显示在图 34-37 中， 其图解说明采用根据本发明 一个实施例的方法进行的研究的结果。明确地讲， 图 34-37 图解说明称为 Mirage 的材料的 祖特尔值、 透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR 对 WAO 的关系。 如这些图中所示， 所有的性能特性， 包括祖特尔值、 透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR 都与 WAO 很好地相关。总的趋势是祖特尔随 着 WAO 增大而增大， 而透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR 随着 WAO 增大而降低。此外， 在使用 DC 4-1440 灌封的 Mirage 材料和使用 GE 6108 灌封的 Mirage 材料之间存在极大的差异。一 般来说， 当 WAO 相同时， DC4-1440 提供比 GE 6108 低得多的透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR。 这一结果意味着， 由于其较低的粘性， DC 4-1440 可以比 GE 6108 更深地渗入织品空隙和纤 维束内部。此外， 祖特尔 -WAO 曲线 (S 型曲线 ) 上有一阈值， 在该曲线中相比 GE 6108 而言 DC 4-1440 更快地达到高祖特尔值。明显地， DC 4-1440 的过渡区域远窄于 GE 6108。采用 DC 4-1440 和 GE 6108 灌封的 Mirage 在性能特性上的总差异进一步暗示在相对较低的 WAO 时， 通过 DC 4-1440 可得到高的祖特尔值， 这从降低材料成本的观点看是有利的。但是， 同 时， 作为交换， 不得不牺牲透气性 ( 较低的透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR) 的性能降低。
在一实施例中， Mirage 灌封运行的结果支持这样的假设， 即刮刀上的力控制 WAO， 而 WAO 依次既决定耐水性 ( 祖特尔值 ) 又决定透气性 ( 透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR 等 等 )。
3.2 产品研发
在上述 Mirage 案例中， 性能 - 刮刀上的力研究仍可被认为是验证实验， 这是因 为性能和工艺条件都已知。但是为了确定力学力模型如何作用于未知或者未很好制成 的织品时， 在未被很好了解的织品上进行建模运行和实验运行。一种这类织品被称为 Solitude( 索利特聚德 )。基于力学模型， 如果大范围的刮刀上的力用于灌封， 则应该得 到宽的性能特性范围。从性能 - 力相关曲线中， 可选择期望的刮刀上的力。基于刮刀上的 力 - 工艺变量方程， 然后可决定一组唯一的工艺变量。
图 38-42 中显示被灌封的 Solitude 的性能特性 - 刮刀上的力的图， 其中图解说明 采用根据本发明一个实施例的方法进行的研究的结果。明确地讲， 图 38-42 图解说明相对来说未知的称为 Solitude 的织品的 WAO、 祖特尔值、 透气度和弗雷泽渗透性的变化对刮刀 102 上的力的关系。从这些图中可以看到， 全部性能特性均可用最小 R2 为 0.964(MVTR) 或 者更大的二阶多项式方程拟合。性能特性随着刮刀上的力在相对大的范围内变化， 该范围 覆盖了最优性能特性。根据性能要求， 可选择刮刀上的关键力。
所观察到的 Solitude 的性能特性 - 刮刀上的力关系证明， 在设计和研发新产品 时， 可用刮刀上的力作为独立变量。但是， 由于性能特性 - 力曲线是从同一区块 (block) 得 到的， 因此并没有证明排他性或重复能力。为证实性能特性 - 力关系的排他性， 进行了独立 的灌封运行 ( 检查点 )， 并且其结果同之前运行的那些结果一同被绘于图 43-46 中， 这些图 图解说明从使用根据本发明一个实施例的方法进行的研究得到的结果。 明确地讲， 图 43-46 图解说明 Solitude 材料的 WAO、 祖特尔值、 透气度和弗雷泽渗透性对刮刀 102 上的力的关 系。从这些图中， 可看出 WAO 和祖特尔值都正好在线上。透气度和弗雷泽渗透性都低于从 曲线预测的值， 但它们仍然均在实验误差范围内。
当 WAO 被用作独立变量， 可找到性能特性和 WAO 间的良好相关关系。图 47-50 图 解说明采用根据本发明一个实施例的方法进行的研究的结果。明确地讲， 图 47-50 图解说 明 Solitude 材料的祖特尔值、 透气度、 弗雷泽渗透性和 MVTR 对 WAO 的关系。
在一实施例中， Solitude 织品需要 800 毫米的祖特尔值。根据祖特尔 -WAO 曲线， 推荐 18％的最小 WAO。为实现 800 毫米的祖特尔值， 采用双重灌封。在历史数据中， 800 毫 米或者更高的祖特尔值是从双重灌封实现的， 而大部分较低祖特尔值是从单灌封得到的。 从力学模型研究得到的曲线覆盖了相对宽的 WAO 范围。这些结果指出， 无论是使用单灌封 还是双重灌封， 如果 WAO 要求被满足了， 就可得到期望的祖特尔值。
图 51 图解说明用于根据本发明一个实施例的灌封方法的工艺流程图 5100。参考 图 51， 工艺流程 5100 开始于步骤 5105， 此处确定材料特性。在步骤 5105 中， 确定织物的材 料和灌封材料。在一实施例中， 检查模块 123 可用于确定织物材料或者灌封材料的特征或 者特性。例如， 织物的重量或者孔隙度， 或者灌封材料的粘性和温度均可使用模块 123 来确 定。在一实施例中， 材料特性可以是最终被灌封的织物 / 产品的期望特性或者特征， 其可以 手工确定和输入。一旦这些数据被确定和收集， 它们可被用于步骤 5110。
在步骤 5110 中， 用带有两个涂布刮刀的灌封系统的力模型确定工艺配置。每一灌 封刮刀被配置成当织物通过每一刮刀时， 促使灌封材料灌封织物。用于确定 ( 若干 ) 工艺 配置的力模型被配置成采用从步骤 5105 接收到的数据， 例如， 织物的重量和孔隙度或灌封 材料的温度和粘性。 此外， 力模型可被配置成在生成工艺配置或者参数时， 将最终被灌封织 物的期望材料特性考虑进来。例如， 采用上面建立的模型并如图 2-8 所示， 力模型可生成推 荐的工艺配置或者参数， 它们随后被用于步骤 5115。
在步骤 5115 中， 利用确定的工艺配置灌封或者涂布织物， 以使得被灌封的织物展 现出期望的或者预计的特征。
4 灌封机理
设备或者环境 100 所用的或者图 1A-C 中显示的设备中的灌封工艺处理非牛顿流 体 ( 液态硅橡胶 ) 受控渗透进入织品的孔隙空间， 孔隙空间包括经线和填充纱线间的间隙 和纤维丝之间的毛细管。这种渗透由在灌封表面和织品背面间的液力压差所驱动。这一液 力压差由在刮刀尖端生成的外部流体动压、 聚合物重量和由聚合物液体的湿润或者排斥防水导致的毛细管压强共同组成。
在三个压强源中， 聚合物重量通常没有高到足以驱动编织织品的大多数孔隙中的 粘性聚合物， 因此在灌封工艺中不考虑其影响。根据毛细原理， 毛细管压差既可以是正的， 也可以是负的， 这取决于液体在毛细管表面的特性是延展还是排斥。
通过正的毛细管压差， 发生液体的自发吸取 ( 毛细上升 )， 其中有限的液体供给优 先地填充小孔隙。但是通过负的毛细管压差， 发生液体的排斥， 其中当施加外部流体动压 时， 有限的液体供给优先地填充大孔隙。在图 1A-C 所示的设备或者系统中， 这种自发的吸 取过程可能不会发生， 这或者是因为聚合物液体的高粘性， 或者是因为相对于被卷入的聚 合物分子圈尺寸的小毛细管尺寸的特殊妨碍， 或者是因为来自于预修整化学处理的高排斥 效应， 或者是因为上述的组合原因。在这些可能性中， 排斥效应通常被认为是最可能的一 个。这一假设间接地被一现象所支持， 即在同一灌封工艺中， 附加在原始织品 ( 未经过预修 整化学处理 ) 上的硅酮重量总是高于经过预修整化学处理的织品上的硅酮重量。
可认为预修整化学处理主要是 ( 通过降低表面能量 ) 增加了织品的排斥效应， 同 时其物理结构的变化微不足道， 较高的硅酮附加重量是由于硅酮更深渗透进入原始织品的 间隙空间和细丝束中造成的。在刮刀上的外部流体动压由织品张力、 刮刀角度设置以及刮 刀锋利度生成。对于任何给定的织品和聚合物， 外部流体动压和毛细管压强之间平衡的精 确控制成为我们的灌封技术的技术发展水平。
4.1 织品结构对灌封的影响
为深入理解灌封工艺， 有必要掌握织品结构的某些关键知识。织品结构是如此重 要， 以至于产品研发中的大部分失败可归咎于不适当的织品结构和其预修整处理。对于多 孔基底的涂布 ( 涂布工艺很类似于我们的灌封技术 )， 多孔材料的孔尺寸、 形状和分布 ( 包 括连通性 ) 是最令人感兴趣的结构特性。编织织品通常被认为是多孔的基底， 这是因为在 经纱线和填充纱线 ( 或纬纱线 ) 之间存在空隙空间和在细丝束之间存在毛细管。为理解织 品结构对灌封的影响细节， 织品结构按下面的更一般方式限定。
假设织品是刚性的并且可被从侧面切成许多薄层， 然后从面到背部的想象的织品 的密度廓线， 如图 52 所示， 通过将每一薄层的密度平均并将此密度绘制为每一层位置的函 数可被得到。 图 52 中的实条表示无孔织品的密度， 即， 织品由 100％实心材料 ( 单纤维的密 度相同 ) 构成。织品的显示恒定密度的部分被限定为织品的内部， 而织品的显示变化密度 的部分被限定为织品的表面。注意实际的织品不是刚性的网格， 并且在张力或者压强下其 尺寸会变化 ( 在张力方向延展并在厚度上减小 )。当尺寸变化时， 密度廓线也相应变化， 见 图 52 中的虚线。实条与内部密度间的不一致反应了孔隙度。织品内部的孔隙度主要取决 于经纱线和填充纱线的紧密度和编织织品的编织紧密度 ( 受编织结构和编织技术影响 )。 但是， 织品的表面， 不仅仅取决于纱线的紧密度和编织， 而且还取决于细丝的数目 ( 纱线的 厚度 )。 织品表面拓扑结构的概念可通过查看图 53 所示的简化平面编织织品模型来更好地 理解。
织品的结构在上文中限定， 因为聚合物的流动行为在暴露的表面区域和织品内部 被认为非常不同。这一限定将帮助我们理解 WAO 的概念和以及在织品上和 / 或者在织品 内的聚合物放置。在织品内部， 聚合物流动可简单地处理为达西定律所描述的一维流动， q ＝ -kΔp/ηΔx， 即从局部上说， 在材料整个截面上的每单位体流量 q 正比于负的机械势能梯度， 此处仅压强梯度 Δp 与机械势能梯度有关， 且 q 与流体 ( 本例中为液体硅橡胶 ) 粘性 η 成反比。比例常数是材料对流体的渗透性 k。渗透性 k 主要取决于织品内部孔的尺寸和 现状。在可变形多孔媒介中， 如在经受压缩 ( 流体动压 ) 和膨胀 ( 在流体动压释放后的织 品回复 ) 的织品中， 孔的尺寸和形状会变化 ( 如图 54 中点曲线所描述的 )。
但是， 在织品的表面区域， 聚合物流动是三维的， 并且比在织品内部要复杂得多。 由于大多数表面轮廓空间是大开的， 所以在动态灌封过程中它们可被容易地填充。 但是， 除 了表面拖拽效应， 附加在织品表面的重量是由变形织品的可用的张开表面空间确定的。可 变形性主要依赖于外部流体动压、 织品的结构、 刚度和紧密度。
WAO 和聚合物放置对性能的影响
根据本发明一个实施例的模型， 图 54 显示建议的作为压强的函数的 WAO 和聚合物 放置。实线指出总 WAO 如何随着压强改变， 而两条虚线反映 WAO 的发布位置。图 54 指出， 对于给定的聚合物， 总 WAO 总是随着灌封压强的增大而下降。在表面区域的 WAO 与总 WAO 遵循一样的趋势， 而在织品内部的 WAO 显示出相反的趋势。换句话说， 织品内部的 WAO 随着 灌封压强的增大而增大， 作为移除在表面区域上的 WAO 的结果， 总 WAO 总是下降。但是对于 有不同粘性的聚合物， 较高粘性聚合物的总 WAO 总是高于较低粘性聚合物的总 WAO( 由于表 面拖拽效应 )。根据达西定律， 织品内部的 WAO 总是被反转。WAO 和其布置的细节可用于解 释被灌封织品的性能特性。
透气性
因为在空气中分子尺寸相当小， 它们通过织品的传送率主要由孔的总百分比和这 些孔的连通性控制。对于任何给定的织品， 织品内空气通路的灌封和被聚合物覆盖的总表 面面积随着 WAO 增大而增大。因此， 在常压或者有限压强下， 透气性将随着 WAO 增大而降 低。当使用不同粘性的聚合物时， 透气性将不仅仅被总 WAO 影响， 而且被织品内的聚合物渗 透的深度影响。例如， 在总 WAO 相同时， 被 GE 6108( 高粘性 ) 灌封的 Mirage 的透气性总 是比被 DC 4-1440( 低粘性 ) 灌封的 Mirage 的透气性要高 ( 见图 35)。织品内的聚合物渗 透对透气性的影响是如此显著， 以至于对于同样水平的 MVTR， 如果采用 DC 4-1440 代替 GE 6180， 则仅需要一半数量的 WAO。显然， DC 4-1440 封闭空气的高效率是由于其更深地渗透 进入织品纱线内部。
透水性 ( 祖特尔测试 )
理论上， 任何降低透气性的情况都会降低透水性 ( 或者说提高耐水性 )。但是， 因 为防水性的特征在于推动水滴穿过织品 ( 祖特尔测试 ) 所需的流体动压， 所以耐水性不仅 仅取决于多少水通路被堵塞了， 而且还取决于堵塞材料有多坚固。被灌封的聚合物的强度 既来源于薄膜厚度也来源于薄膜变形能力的限制。 一般地说， WAO 越高， 则防水性越高， 因为 薄膜厚度随 WAO 增加。 但是， 耐水性的变化作为 WAO 的函数不是严格线性的， 相反， 在有限的 研究实例中， 例如在 Mirage 和 Solitude 的例子中， 观察到一 S 型曲线。基于祖特尔值 -WAO 曲线的形状 ( 见图 34)， 识别祖特尔值响应不同的三个 WAO 范围。在低 WAO 范围 ( 实际上限 随织品和硅酮变化 )， 祖特尔性能 ( 透水性 ) 没有增强 ； 相反， 祖特尔值比所对应的原始织 品的祖特尔值还要低。在中间 WAO 范围， 祖特尔值随着 WAO 增大而显著增大。在高 WAO 处， 祖特尔值增加的速率下降。尽管为什么在低 WAO 范围祖特尔值甚至低于原始织品的真实原 因尚不清楚， 但是提出一假设来用于解释这一现象。在低 WAO( 注意通常用很高的灌封压强来得到低的 WAO 并且将 WAO 主要涂布于织品内部而不是集中于织品表面 )， 原始织品的原结 构被硅酮的受迫渗透打断。 这种打断可产生更多的孔并且这些孔由于有限的硅酮供给而被 部分地填充。 因此， 尽管部分填充的孔在低流体动压下成为空气渗透性的阻碍， 例如在透气 度和弗雷泽渗透性测试中， 但是在高流体动压下， 其不足够坚固来阻止水的渗透， 例如在祖 特尔测试中。不过， 在 WAO 中间范围， 因为涂层 ( 如前面所定义的 ) 开始形成， 并且其厚度 随 WAO 而增加， 所以祖特尔值随着 WAO 的增加而几乎线性地增加。在高 WAO 范围 ( 注意通 常在很低的灌封压强下得到高 WAO 并且 WAO 主要放置于织品的表面区域 )， 涂层的厚度还 在增长， 但是祖特尔值的增长速率放缓， 因为由于更少的聚合物渗透， 织品内部的限制减弱 了。祖特尔 -WAO 的 S 形曲线仅在 ( 仅有的研究的两个系统中 )Mirage 和 Solitude 上被观 察到。穿过基底的实用性仍在研究中。
一组被 “和” 连接的条目不应被理解成要求这些条目中的任一和每一个都出现在 这一组中， 而是， 除非另外明确的指出， 应被理解成 “和 / 或” 。类似的， 一组被 “或” 连接的 条目不应被理解成要求这些条目共同的排它项出现在这一组中， 而是， 除非另外明确的指 出， 应被理解成 “和 / 或” 。此外， 尽管本发明的条目、 元素或者成分被以单数形式描述或者 声明， 但除非明确地限定了单数形式， 否则它们的复数形式也是包含在描述范围之中的。 扩展单词和短语， 例如， 在一些实例中 “一个或多于一个” 、 “至少” 、 “但是不限于” 或者其它类似的短语不应被理解为意味着在一些缺少这类短语的实例中的含义窄于前者。 术语 “模块” 的使用不意味着作为模块的一部分的被描述的部件或者功能被配置在普通的 包中。的确， 一模块的任何或者全部不同的组件， 无论是控制逻辑还是其他组件， 都能被包 含在一独立模块中或者被单独地保持， 并且可进一步被分配到不同地点。
尽管在上面描述本发明不同的实施例， 但应理解它们仅仅通过示例的形式被表 达， 并不受此限制。同样的， 不同的图示可描述本发明的结构示例或者其它配置， 提供这些 是为了帮助理解本发明包含的特征和功能。本发明不限于阐明的结构示例或者配置示例， 通过应用不同的替代结构或者配置也可实现期望的特征。事实上， 本领域技术人士易于看 出如何使用替代功能、 逻辑或者物理划分和配置以实现本发明的期望特征。 而且， 有不同于 此处所描述的其它名字的多元组成模块可应用在所述不同的划分中。 此外， 对于流程图、 运 作描述和方法声明， 除非在行文中指定， 否则此处表达的， 以相同的顺序完成所述功能的实 施例的应用的步骤顺序不是强制的。
尽管以不同的示例性实施例和实现来描述本发明， 但不应理解在单独实施例的一 个或多于一个中描述的不同的特征、 方面和功能限于在对它们加以描述的特定实施例中的 或者按不同方式组合地应用于本发明的一个或多于一个其它 应用， 相反， 它们可被单独地， 实施例中， 无论这些实施例是否被描述， 或者无论这类特征是否作为被描述的实施例的一 部分被表达。因此， 本发明的宽度和范围不应被上述示例性实施例限制。
本文中用到的术语和短语， 以及它们的变体， 除非另外明确声明， 应被解释为可扩 展的， 而不是限定的。前述示例中 ： 术语 “包括” 应理解为 “包括， 但不限于” 或者类似的意 思； 术语 “示例” 用于提供在讨论中的条目的 “实例” ， 但并不穷举或者限定其列出的 ； 术语 “一个” 应理解为 “至少一个” 、 “一个或者多于一个” 或者类似含义 ； 形容词例如 “传统的” 、 “惯例的” 、 “普通的” 、 “标准的” 、 “已知的” 和类似含义的术语不应被解释为限于一给定时间 段内或者在一给定时间才可获得， 而是应被理解为包含传统的、 惯例的、 通常的或者标准的
技术， 所述技术是可获得的或者在现在或者将来任一时间已知的。 类似的， 文中提到本文参 考的技术对本领域人士是明显的和已知的， 这里的技术包含对于本领域技术人员在现在或 者未来任何时间都是明显和已知的技术。
此外， 这里列出的不同实施例是通过示例框图、 流程图和其它阐明方式来描述的。 对于本领域人士显而易见的是， 在阅读本文后， 所阐明的实施例和它们的不同替代可以在 不受被阐明的示例的限制下实施。例如， 框图和它们的伴随说明将不被强制限于特定的结 构或者配置。