以泡沫法制造非织造纤维网时超吸收聚合物的有效利用 发明背景和概述
人们已经认识到，用于非织造纤维网制造的泡沫铺网法作为铺网法的一种选择在许多状况下具有高度优越性。其中的重要优点之一是能够将各种不同种类和尺寸的颗粒加到纤维泡沫浆体中，而对形成纤维网无显著的不利影响。在这点上，在某些情况下特别有用的是能够向纤维泡沫浆体中添加超吸收聚合物或纤维(“SAP” )。在1997年9月4日递交的第08/923900号和1997年12月16日递交的第08/991548号美国专利申请中描述了在泡沫法中利用SAP或类似颗粒或纤维的有益方法和系统。按照本发明，在由泡沫浆体制造非织造纤维网时，建立了一种更通用的把SAP等颗粒或纤维添加到泡沫浆体中的方法和系统。
将SAP添加到非织造纤维网中的一个重要问题是，因SAP特有的本性，SAP在环境条件下会快速吸收遇到的任何水份。而且由于其粘性，它会干扰成网设备(多孔元件，一般称为“金属丝网”)。这极大地限制了在多种产品或条件下利用SAP地可能，和/或在干燥所形成的纤维网以便把水逐出SAP时要用大量能量，以致在非织造纤维网制造中，不能有效地实施这一方法。
按照本发明，开发了专门用于提供或处理SAP颗粒或纤维或类似物的不同技术，这些技术大大增强了非织造纤维网生产中，尤其是由纤维素或合成纤维例如常规木浆、嫘萦、聚酯或类似纤维进行的生产中，使用超吸收聚合物的通用性。通过利用以下技术中的一种或多种，可延缓超吸收聚合物的液体吸收：通过将SAP颗粒或纤维带入冷水细流(一般为约0-5℃温度，例如0-3℃，优选1℃)中，和/或在将其引入泡沫纤维浆体之前冷冻SAP颗粒或纤维(将它们的温度降低到低于0℃，例如用通常的冰箱等将该温度降低到惯常的温度例如约-18℃)。另外，刚好在成网(在高位流料箱或其它含多孔元件的装置中)之前，一般在开始成网前约10秒或少于10秒，且更优选在开始成网前约5秒或少于5秒，向纤维泡沫浆体中添加SAP。
和现有技术相比，本发明取得的结果可能十分具有戏剧性。例如使用常规的现有技术，其中在开始成网前约10秒将环境的SAP添加到纤维泡沫浆体中，该网的干基含量约10-15％。但是使用温度降到-18℃的SAP，并在成网前约10秒添加它，这将导致纤维网的干基含量介于约20-25％。其中用约1℃的水输送SAP，最终纤维网中干基含量为约30-35％，然而，如果在成网时混合冷水和低温SAP，所成的网中SAP的干基含量介于约33-38％。任何情况下，本发明的所有技术均导致干燥能量和/或时间显著降低，使各种产品，包括用于尿布、吸收垫等的成网过程更加经济和简单。
按照本发明的一个方面，提供纤维素或合成纤维材料非织造纤维网(用泡沫法)的制造方法。该方法包括以下步骤：(a)形成空气、水、纤维素纤维或合成纤维及表面活性剂的第一泡沫浆体；(b)在第一路径中移动第一多孔元件；(c)让第一泡沫浆体与第一路径中移动的第一多孔材料操作性接触；(d)在步骤(c)之前约10秒或少于10秒，向第一泡沫浆体添加超吸收聚合物，并使它与第一泡沫浆体充分混合；并且(e)穿过第一多孔元件从该浆体中去除泡沫和液体，从而由第一泡沫浆体形成纤维网。步骤(a)是1997年9月4日递交的第08/923900号美国专利申请中所描述的一种典型的纤维泡沫浆体步骤。
一般实施步骤(a)至(e)使得步骤(e)之后且干燥之前纤维网的干基含量为至少约20％(一般至少约30％，且更期望至少约40％)。
通过于低于0℃的温度(例如约-18℃)添加SAP可实施步骤(d)。一般以第一流速实施步骤(c)，且可选择地或附加地实施步骤(d)，方法是向温度介于约0-5℃，优选介于约0-3℃(例如1℃)的具有第二流速的液态水流中添加SAP，该第二流速小于第一流速的约2％(例如小于约1％)，然后将带有SAP的液体加入第一泡沫浆体。
在液体和SAP被加入第一泡沫浆体中后，一般通过将该液体和SAP与第一泡沫浆体进行机械混合而进一步实施步骤(d)，例如用常规的带旋转叶片的机械混合器。可选择地或进一步地实施步骤(d)，方法是向固体稠度介于约5-50％的第二纤维泡沫浆体添加超吸收聚合物，并将带SAP的第二浆体泵入第一浆体，该泵入期间进行混合。优选在步骤(c)之前约5秒或少于5秒(例如约3秒)实施步骤(d)。一般还有进一步的干燥纤维网步骤(f)，以致此处纤维网的干基含量为至少约90％。以常规方式实行干燥，例如，采用常规的吹热空气系统或者常规的干燥炉干燥。
本发明方法还可包括另外步骤：(g)在第二路径中移动第二多孔材料；(h)配制空气、水、纤维素纤维或合成纤维以及表面活性剂的第二泡沫浆体；和(i)让第二泡沫浆体与第二多孔材料直接接触；且其中实施步骤(e)使第一和第二泡沫浆体相互接触并致使泡沫和液体经过第一和第二多孔材料去除；而且还包括可选择的步骤(j)制造空气、水、纤维素纤维或合成纤维以及表面活性剂的第三泡沫浆体和(k)让该第三泡沫浆体直接与第一多孔材料接触；且其中通过让第一泡沫浆体从第二和第三泡沫浆体之间通过实施步骤(c)，以便第一泡沫浆体不直接和多孔材料接触。另一选择是，如果因用纤维泡沫浆体方式输送SAP而避免了沉积问题，则可通过使第一泡沫浆体直接与第一多孔材料接触实施步骤(c)。
按照本发明的另一方面，提供一种包括如下步骤的非织造纤维网制造方法：(a)形成空气、水、纤维素纤维或合成纤维及表面活性剂的第一泡沫浆体。(b)在第一路径中移动第一多孔元件。(c)让第一泡沫浆体与第一路径中移动的第一多孔材料操作性接触。(d)于低于0℃的温度向第一泡沫浆体添加超吸收聚合物，并使它与第一泡沫浆体充分混合。并且(e)穿过第一多孔元件从该浆体中去除泡沫和液体，从而由第一泡沫浆体形成纤维网。并且，其中实施步骤(a)-(e)以致步骤(e)之后且干燥之前该纤维网的干基含量为至少约20％。
按照本发明的另一方面，提供一种包括如下步骤的非织造纤维网制造方法：(a)形成空气、水、纤维素纤维或合成纤维及表面活性剂的第一泡沫浆体。(b)在第一路径中移动第一多孔元件。(c)以第一流速让第一泡沫浆体与在第一路径中移动的第一多孔材料操作性接触。(d)通过向流速小于约2％第一流速的第二流速液体流添加超吸收聚合物，然后将带有超吸收聚合物的该液体变为第一泡沫浆体，而向第一泡沫浆体添加超吸收聚合物，并使它与第一泡沫浆体充分混合。并且(e)穿过第一多孔元件从该浆体中去除泡沫和液体，从而由第一泡沫浆体形成纤维网。并且其中实施步骤(a)-(e)以致步骤(e)之后且干燥之前该纤维网的干基含量为至少约25％。一般用温度介于约0-5℃之间的液态水进一步实施步骤(d)，并且在该液体和超吸收聚合物被加入第一泡沫浆体之后，还可通过将该液体和超吸收聚合物与第一泡沫浆体进行机械混合而进一步实施步骤(d)；还可通过在温度低于0℃时添加超吸收聚合物进一步实施步骤(d)；并且其中实施步骤(a)-(e)以致步骤(e)之后且干燥之前纤维网的干基含量为至少约33％。
仍按照本发明的另一方面，提供一种非织造纤维网的制造系统，其包括以下组件：在其上可形成非织造纤维网的第一多孔元件。向第一元件加入含纤维泡沫浆体的第一导管。置于该第一导管内邻近该多孔元件的机械混合器。以及将超吸收聚合物引入该进料导管的进口，其位于该混合器的远离该第一多孔元件相反一侧，以便在该进料导管中进行超吸收聚合物与含纤维泡沫的混合。
该系统可进一步包括与该进口相连的第二导管，该第二导管的横截面积不大于该第一导管横截面积的10％。可在第二导管中提供泵，且可在该泵远离该进口相反一侧提供将超吸收聚合物和水(或其它输送流体)分开加入该第二导管的部件。
该系统可进一步包括激冷器，其与把水加入第二导管的部件可操作性连接，该激冷器能够将流向该第二导管的水冷却到约3℃或低于3℃的温度。向该第二导管加入超吸收聚合物的部件包括：能将该超吸收聚合物的温度降低到低于0℃的冰箱，称重装置和计量装置。
该系统还可包括其内具有流体水平仪并且与该泵远离该进口的相反一侧相连的罐；以及用于在流体水平仪以下时将超吸收聚合物和含纤维泡沫分开加入该罐中。
本发明的主要目的是提供增强的泡沫法，该方法用于其中使用SAP颗粒或纤维的非织造纤维网制造，并提供实施该方法的系统。本发明的这一目的和其它目的将通过对本发明详细描述和所附权利要求书而变得更清晰。
附图简述
图1为侧视简图，表示实施本发明示例方法的示例系统的部分截面和部分垂直截面；
图2为图1系统中SAP加入组件的放大简图；
图3为说明本发明成网的另一实施方案的简图；且
图4和图5为类似图1的视图，仅示出实施本发明方法的供选择机构。
附图详述
图1中的10图解说明了制造非织造纤维网的示例系统。系统10包括简要表示为11的纤维泡沫浆体发生系统，在1997年9月4日递交的第08/923900号美国专利申请中，对其惯常结构作了全面描述。用泵12将该浆体(具有一般干基含量，且其它条件如上述申请中的描述)泵入第一导管13(如导管13中指示方向的箭头所示)，用于将含纤维泡沫浆体加到成网装置14中。该成网装置本身是常规的，并且包括至少一个第一多孔元件15。也可提供第二多孔元件(金属丝的)16，按常规方式引导该元件/金属丝网15,16与纤维泡沫浆体接触以便制造纤维网。常规抽吸箱17,18或其它常规装置(例如抽吸辊等)穿过一个或两个多孔元件15,16从该浆体中去除泡沫和液体，以便制造非织造纤维网19。用常规的干燥器20干燥纤维网19(例如向纤维网19吹热空气，常规干燥炉等)。
图1的系统10还优选包括混合器22，在导管13中，该混合器将加入到纤维泡沫浆体中的SAP等材料与纤维泡沫浆体混合。例如混合器22是包括旋转叶片23(图1中示出了螺旋桨叶片，但其具有任何常规形状)的常规机械混合器，用常规发动机或其它动力源25使轴24旋转而驱动该混合器。
用进口导管27将SAP等加到纤维泡沫浆体中，其导管刚好位于混合叶片23前，将SAP引入纤维泡沫浆体中。SAP系统26除了包括进口导管27外，还包括泵28，用于添加SAP并输送流体到进口27的容器29，以及SAP和冷水的物流30,31，正如图2所描述。
图2用简图但更详细地说明系统26。一般取常规SAP源33(如微粒SAP袋)，将SAP置于冰箱34等，可以提供在图1和2于30图示说明的SAP流。冰箱34可为能将来自源33的SAP温度经一定时间降低到约负18℃但任何情况下低于0℃的常规冰箱。或者连续地，或者按需要自动或手动地从冰箱34取出SAP，并将其加到给料斗35中，给料斗35与磅秤36等称重装置可操作地连接，磅秤36本身是常规的。其中具有螺杆进料器38等的导管37从容器35伸出，其从容器35移动SAP以便流入容器29的顶开口。
添加物31是冷水添加物。让来自易得来源的水40通过常规的激冷器41以便将其温度降低到刚刚高于冰冻温度。温度必须在冰点以上足够高，以使冰形成不会显著妨碍该液体的流动，但温度应当尽可能足够地接近冰点，以便将温度减少到约0-5℃，例如约0-3℃，优选1℃。为了计量进入容器29的冷水流量，可用手动或自动操作的常规阀42。
导管13中纤维泡沫浆体的流速比进口导管27中SAP和冷水的流速高得多。进口导管27中的流速是导管13中流速的约2％或更少。例如在本发明的一个实施例中，导管13中纤维泡沫浆体的流速可为6000升/分钟，而进口导管27中冷水的流速仅为约20升/分钟数量级。导管27的横截面积一般为导管13横截面积的10％或更少，并且操作泵12,28以便获得需要的相对流速。
将进口导管27尽可能靠近高位流料箱14或其它包括多孔元件15,16的形成设备，以便减少SAP与纤维泡沫浆体的液体组分接触的时间。从容器29到高位流料箱14(或类似的成网位置)的时间优选为约10秒或更少，更优选约5秒或更少(例如约3或4秒)。这可以通过相互靠近地定位这些组件，以及按所需绝对和相对速度运行该设备而实现。
尽管图2举例说明了在管线31中将水制冷及冷冻SAP 30，但是应当理解，这两项技术中只需要采用一项。当只采用冷冻SAP时，可以预期在最终纤维网19(干燥器20之前)被制造出时，如果从容器29到成网处14所需时间为大约10秒，则纤维网的干基含量将为大约20-25％。如果仅使用在管线31中冷却到约1℃的水，则该纤维网的最终干基含量可预期为约33-38％之间。假设从容器29到成网处14需约10秒时间得出所有这些数值，但是如果将时间减少到约5秒或更少，那么该纤维网的干基含量将会更高。
图3举例说明了本发明的另一系统44。除了第一泡沫浆体11之外，还生产了第二泡沫浆体45和第三泡沫浆体46，正如浆体11，浆体45,46也含有纤维、表面活性剂等，尽管按照需要或要求，纤维和其它组分的百分比或类型可能不同。系统44进一步包括第一多孔元件(金属丝的)48和第二多孔元件49，元件48,49具有与其相配套的抽吸箱50,51或类似的抽吸装置。如图3所示，用导管/通道52通过54加入这些浆体，以使第二泡沫浆体52与第一多孔元件48相遇，导管53中的第三泡沫浆体直接与第二多孔元件49相遇，而导管54中的第一泡沫浆体从它们中间通过，并基本上不与金属丝网48,49的任何一个接触。如图1和图2所示，正是第一泡沫浆体，其中已经添加了SAP。添加SAP刚好发生在导管54引入系统44之前，并且如果需要，也可采用机械混合器…如图1中的22所示。
图4和图5举例说明了图1和图2或图3供选择的系统。
在图4中，具有如图1所示相同结构的那些组件以相同的附图标记数字表示。但系统60优选地与从进口导管27到高位流料箱14等的系统10基本相同，但是混合器22不是必须提供的(尽管它仍是优选的)，而且SAP引入是不同的。从顶端将小容量的容器61(以使其中的停留时间最少，并且不让SAP明显暴露于液体中)经导管63与SAP源62连接。优选导管63尽可能向下伸进罐61中，以使SAP 62与液体的接触最少，而导管64从源头65引入第二纤维泡沫浆体。第二纤维泡沫浆体65将到达在容器61中，液面高度66，用导管63在液面下引入SAP。当分别由源65、62泵送纤维泡沫浆体和SAP时，泵28将它们充分混合在一起，然后引入导管13。当然，可如上述关于图1和图2的实施方案，可将在62的SAP冷冻。
在图5的系统70中，用相同的附图标记表示与图1和图2中相应的那些组件。图5和图1及图2相比，实施方案的主要区别在容器71中，用导管73添加来自源72的冷水和SAP，而用导管75添加来自源74的第二纤维泡沫浆体。因此，在引入导管13之前，当泵入冷水、SAP和第二纤维泡沫浆体时，泵28会自然地将纤维泡沫浆体与SAP混合。在图4和图5的实施方案中，第二纤维泡沫浆体65,74均具有期望的约5-50％的稠度。优选地考虑到纤维类型、稠度等，源头65、74中的第二纤维泡沫浆体具有和第一纤维泡沫浆体11基本相同的性能，尽管在某些情况下这些性能可因所需的效果不同而不同。
使用图1至图5的系统，显然提供了一种纤维素合成纤维材料非织造纤维网的制造方法，该纤维网中包括超吸收聚合物，具有增加的固体纤维网含量。所制造的纤维网其优选干基含量如上述，按照本发明，甚至当从添加SAP到流体输送至成网装置前的时间为10秒时，该含量一般最小为约20％且直到42％或更高(当将该时间可取地减少到约5秒或更短时，该含量将更高)。例如对于图1和图2，空气、水、纤维素纤维或合成纤维及表面活性剂形成在11表示的第一泡沫浆体，在第一路径中移动第一多孔元件(例如15或16)，并且例如经泵12和导管13移动第一纤维泡沫浆体与该多孔材料15,16形成操作性接触。用进口导管27将超吸收聚合物加到第一泡沫浆体中，且用混合器22将超吸收聚合物与纤维泡沫浆体充分混合。在纤维泡沫浆体与一个多孔元件或多个多孔元件15,16接触之前约10秒或少于10秒(优选约5秒或少于5秒)添加SAP。然后例如用抽吸箱18或类似的常规结构穿过第一多孔元件从浆体中去除泡沫和液体而形成纤维网19。
如以前提到的申请中描述的那样，所有工艺条件可有很大不同。无论使用冷水或纤维泡沫浆体作为输送流体，进口管线27中SAP的浓度一般为约20-50％，并且流速低得足以使它对导管13中纤维泡沫浆体的固体浓度无明显影响。运行干燥器20，以便优选地从该网中去除至少约90％的水，以致其干基含量为约98％或更高。通过实施本发明，将最终纤维网15中的SAP颗粒相互分开，以便在其间提供使水分芯吸的通道。
可使纤维网干基含量增加的另一途径是，在33、62或72处将合适的盐例如硫酸钠或硫酸铵与SAP混合。干燥器中铵盐将受热分解；成网期间硫酸钠可被排出纤维网，并能单独或结合上述一种或多种技术来增加干基含量。
尽管这里已经显示并描述了目前最实际且优选的实施方案的构思，但本领域普通技术人员显而易见的是，在本发明范围内可对其进行许多改变，该范围将按照所附权利要求书做最广义的解释，以便涵盖所有等价的方法和系统。