干抹布 【技术领域】
本发明涉及一种由带状断面纤维制成的针刺纤维棉絮。
背景技术
目前需要一种除尘和清洁用干抹布形式的材料，要求使用期间吸引和捕集灰尘比现有干抹布更有效并且制造起来比现有干抹布更经济。
含有由聚酯纤网和稀松无纺织物组成的射流铺网(spunlaced)层的干抹布已有市售供应。此种干抹布的例子是Swiffer，由Procter& Gamble公司(辛辛那提，俄亥俄)和Grab-It，由S.C.Johnson &Son公司(Racine，威斯康星)供应，通常是通过将圆形聚酯短纤维针刺到稀松无纺织物中制成的。此种抹布靠带静电吸引污垢和灰尘，所用纤网的三维结构为开放的，以便将污垢颗粒捕集在抹布中。干除尘抹布的另一个例子是Scotch-Brite，由明尼苏达矿业和制造公司(圣保罗，明尼苏达)供应，用具有纵向沟槽的聚酯短纤维的射流铺网纤网制成。
美国专利5,290,628(Lim等人)描述一种将短纤维纤网水刺到由连续柔性长丝制成的未粘合闪纺纤网中以形成射流铺网无纺织物的方法。闪纺纤网可任选地粘合，以提高无纺织物的渗透率水平。作为该无纺织物的最终用途，公开了过滤用途和用于服装、睡袋、枕头、羽绒被等的膨松防羽绒阻挡衬里。
美国专利4,704,321(Zafiroglu)公开一种无纺织物，用作抹布，包含非粘合聚乙烯柔性丝状膜-原纤束，整个层用线缝编形成沿布料纵向相距一定间隔的线迹。Zafiroglu发现，标准热粘合柔性丝片材不能起到抹布的功能，因为热粘合以产生结构整体性之后，其灰尘截留能力不足，并且该非热粘合、冷压实片材缺乏抹布所要求的足够表面稳定性。
日本专利申请号4-196066，转让给日本Vilene公司，公开一种具有优异吸尘能力的无纺织物清洁抹布以及此种抹布的制造方法。
发明内容
本发明提供一种膨松纤维布，包含纤维组成的纤维棉絮，每根纤维具有带状断面，该棉絮具有至少2m2/g的表面积和至少0.005mm/g/m2的厚度/基重比。
在本发明另一种实施方案中，一种膨松纤维布由包括下列步骤的方法提供：
a)获得一种未粘合、压实的纤维棉絮，其中每根纤维具有带状断面；以及
b)针刺所述纤维棉絮，以获得一种膨松纤维布，具有至少2m2/g的表面积和至少0.005mm/g/m2的厚度/基重比。
发明详述
下面将详细描述本发明膨松纤维布地制造方法。获得一种纤维棉絮，每根纤维具有带状断面。所谓“带状”是指，单根纤维断面的平均长宽比(aspect ratio)介于1.4～6.8。该纤维棉絮可采用各种各样的已知方法获得。一种已知方法适用于不同断面形状的熔纺纤维，例如，星形纤维，经射流铺网处理并随后破碎为较小的带状纤维。
优选的是，该纤维棉絮由美国专利3,851,023(Brethauer等人)，在此收作参考，一般地描述的闪蒸纺丝技术(闪纺)制成的交叉重叠、连续柔性丝状膜裂原纤丝束组成。膜裂-原纤是非常薄的带状纤维基元，它通常小于20μm厚。柔性丝束中每根纤维的断面大致呈带状。
优选的是，闪纺纤维棉絮由聚烯烃聚合物组成，更优选高密度聚乙烯聚合物。用于与聚合物混合以进行纺丝的纺丝剂优选是戊烷与环戊烷的共混物。纺丝剂也可以是一种冷冻剂，如杜邦公司(Wilmington，特拉华)供应的Frenon。
为使最终产品达到要求的膨松度，聚合物在聚合物-纺丝剂混合物中的百分比优选介于15～25％，最优选17％。聚合物和纺丝剂混合物在临穿过纺丝孔挤出之前的温度应维持在185～200℃，最优选190℃。
正如美国专利3,851,023所述，柔性丝状膜裂原纤束被充以静电荷以便使它们随着纺出而不断纺到移动皮带上将它们收集起来。所赋予的静电荷高到足以克服纤网成形室内可能存在的蒸汽鼓风或高度湍流。
所谓“压实”是指，初生的纤维棉絮经过了夹辊轻微地压缩，以便使它可以作为片材来操作。所谓“未粘合”是指，纤维棉絮未经化学或热装置进一步粘合如采用加热辊筒或板压实，因此纤维棉絮尚未成为粘在一起的片材。在纤维棉絮通过闪纺获得的优选实施方案中，彼此交叉重叠从而构成未粘合、压实纤维棉絮的单根柔性丝状纤网(webs)聚在一起的程度应使纤维棉絮可作为片材来操作，但单根纤网却能轻易地从棉絮表面拉出。
纤维棉絮接受针刺处理，以便形成本发明的膨松纤维布。针刺可采取水刺(hydrotangling)的形式，例如描述在美国专利3,485,706中那样。正如美国专利3,485,706所述，水刺的实施过程是，在纤维棉絮被支撑在开孔件，如多孔板或织造金属丝网上的同时用至少200psig的高压液流喷射它。可改变喷嘴数目、喷嘴类型、喷嘴压力和开孔部件来获得各种不同布强度、表面稳定性和厚度。
优选的是，针刺通过在针刺机上利用针刺作用来实施，以获得厚度至少0.20mm、基重介于37～78g/m2和厚度/基重比至少是0.005mm/g/m2(7密耳/盎司/码2)的本发明布料。针密度，或“针刺密度”介于60～500/cm2，优选200～300/cm2。针刺深度介于5～100mm，在纤维棉絮的每一面，优选约5mm。针刺图案为不规则的，以便针刺沿纤维棉絮的两个表面基本均匀地分布。
由于本发明膨松纤维布是由未粘合、压实纤维棉絮通过简单针刺制取的，故该膨松纤维布可比通过将短纤维针刺到稀松布中制造的现有干除尘布更经济地制造。
试验方法
基重按照ASTM D-3776测定，其在此收作参考，并以g/m2为单位给出。
抗张强度按照ASTM D 5035-95测定，其在此收作参考，其中做了以下修改。在试验中，2.54cm×20.32cm(1英寸× 8英寸)样品在该样品相反的两端夹紧。夹子在该样品上彼此相距12.7cm(5英寸)。样品以5.08cm/min(2英寸/分钟)的速度恒速地进行拉伸直至样品断裂。断裂时的力按磅/英寸记录下来并换算为N/cm，即作为断裂抗张强度。
厚度按照ASTM D 177-64测定，其在此收作参考，以毫米为单位给出。
抓样(grab)抗张强度按照ASTM D 5034-95测定，在此收作参参考，以磅/英寸记录并换算为N/cm。
片材的断裂伸长率是在条样拉伸试验中断裂前片材能抻长程度的度量尺度。2.54cm(1英寸)宽样品安装在夹子上，夹子彼此相距12.7cm(5英寸)，诸如Instron台式试验机以恒速拉伸。在滑动横梁速度设定在5.08cm/min(2英寸/分钟)条件下，在样品上连续增加载荷，直至断裂。测定结果以断裂前的伸长百分数表示。试验一般按照ASTM D5035-95进行。
抓样(grab)断裂伸长按照ASTM D 5034-95测定，其在此收作参考，并以％为单位记录。
密度根据测定的基重除以测定的厚度算出，并以g/cm3为单位给出。
孔隙率作为(1-计算的密度/0.95)×100算出并以％为单位给出。
除尘性能试验是材料作为除尘拖把的清洁性能的度量尺度。对这里给出的试验结果来说，采用了三种试验环境，分别称为家庭、轻工业和重工业。家庭环境是每天清洁的办公区的地面。轻工业环境是车间区域的繁忙走廊，过往交通比家庭环境多并且不是每天清洁。重工业环境具有来往的叉车并且从来不清洁。要试验的材料被切成大约5英寸×11英寸的样品。每个样品称重并记下重量。待比较的两个样品被固定到带有平坦、光滑橡胶底表面的干拖把的底表面上。拖把的拖地表面为约10英寸×3英寸。拖把被沿着5英尺的一段地面推。随后，样品从拖把上取下并折叠好，应保证每个样品收集的灰尘保留在样品内部。重新称重每个样品以确定该样品所收集的灰尘量。性能百分数是通过该灰尘量除以目前使用的，或对照样收集的灰尘量，再乘上100％确定的。这就是说，现在用的将总是具有100％的性能，而本发明样品将具有相对于现在用的某一百分数。小于100％的数值表明性能较差，而大于100％的数值则表明性能优越。每种环境做7～10个样品对，并将结果取平均。
纤维表面稳定性试验是当受到破坏性外力时某一表面的粘结性如何的度量尺度。就本试验而言，用3M(圣保罗，明尼苏达)销售的标准ScotchTM透明带来粘贴样品。在样品的一面做4次测定，在另一面做4次。裁切8条每条7英寸的胶粘带并称重，记录下其初始重量。每条带粘贴到待试验表面，并均匀地摩擦以保证带与样品表面之间的接触。随后，将带拉离样品，随后再粘贴并拉离，每条带如此总共做5次。每条带第二次称重并记录该最终重量。用每条带的最终和初始重量计算出从样品表面拉下的纤维的重量。计算出样品每一面的平均值。样品表面失去的纤维越多，样品表面就越不稳定。结果用克给出。
表面积是根据样品在液氮温度下吸收的氮量利用Brunauer-Emmet-Teller方程算出的，以m2/g表示。氮吸收量是采用标准仪器公司(Charleston，西弗吉尼亚)制造的Stohlein Surface AreaMeter(表面积测定仪)测定的。所采用的方法可见诸于J.Am.Chem.Soc.，V.60 p.309～319(1938)。
实施例1～13
闪纺未粘合纤维棉絮通过Brethauer所描述的方法在不同温度下闪纺以各种不同浓度存在于戊烷和环戊烷纺丝剂的共混物中的高密度聚乙烯而制成采用。纤维棉絮采用夹辊轻轻地压实。这些纤维棉絮每一种的纺丝条件(聚合物在纺丝剂中的百分数和纺丝温度)和测定的性能作为对比例1～6载于表1。
随后，纤维棉絮在针刺机上进行针刺，其中采用在上、下表面各4500针/米板。在每种纤维棉絮针刺中的针刺密度为每面各60/cm2；针刺深度：上表面，10mm，下表面，5mm。采用无规针刺图案。输出速度是6～7m/min。这些针刺纤维棉絮，或无纺织物的性能作为实施例1～9载于表1。实施例1～9是由对比例1～6的纤维棉絮经过针刺而产生的无纺织物。对比例1、2、4和6分别给实施例1、2、5和9提供原料。对比例3提供实施例3和4所用的原料。对比例5提供实施例6、7和8所用的原料。
对无纺织物Swiffer(由Procter & Gamble公司(辛辛那提，俄亥俄)市售供应)和Grab-It(由S.C.Johnson & Son公司(Racine，威斯康星)供应)的性能做了测定并作为对比例7和8载于表1。
厚度/基重(BW)比是布料膨松度的度量尺度。厚度/BW越高，布料越膨松。未粘合、未针刺纤维棉絮(对比例1～6)的厚度/BW介于4.5～5.2之间，取决于基重和纺丝条件。针刺的布料(实例1～9)的厚度/BW介于7.2～7.9。针刺布料的厚度/BW的提高归因于针刺作用造成纤维缠结。此种现象与纤网的典型针刺相反，后者的情况是，针刺造成纤网捣实和减少厚度。此种厚度/BW比或膨松度的增加对于本发明布料除尘性能具有重要意义，因为它给布料提供更大捕集和贮存灰尘和污垢颗粒的能力。
实施例1～9的机械性能具体地说，抓样抗张强度、抓样断裂伸长率、抗张强度和断裂伸长率，与对比例1～6相比略微增加，应归因于针刺加工造成的纤维缠结。力学性能随基重的增加而增加。54g/m2的针刺布料的力学性能与目前使用的抹布产品相近。
表2展示当纺丝条件保持恒定但改变针刺密度和深度时，对表面稳定性和除尘性能的影响。实施例8和10～13基于对比例5的原料棉絮材料，每一种以载于表2上的不同针密度和深度(上下两面)进行针刺。表面积的测定结果也一并载于表2。
对现有除尘抹布材料Swiffer和Grab-It(对比例7和8)做了表面面积测定，结果为0.0m2/g，就是说小于0.1m2/g。
表1
实施例 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5 对比例6 1 2
纺丝条件(％聚合物，℃) 17/190 17/197 17/200 20/200 17/190 17/190 17/190 17/197
基重(g/m2) 41 41 54 51 54 78 37 41
厚度(mm) 0.159 0.155 0.203 0.198 0.205 0.264 0.221 0.236
厚度/基重(m3/g) 3.90E-06 3.80E-06 3.80E-06 3.90E-06 3.80E-06 3.40E-06 6.00E-06 5.80E-06
密度(g/cma3) 0.257 0.263 0.267 0.257 0.267 0.295 0.169 0.172
孔隙率(％) 73 72.3 71.9 72.9 71.9 68.9 82.2 81.9
抓样强度MD/CD(N/cm) 5./10 5./9 12.146 9./47 19/28 24/46 10./12 10./16
抓样伸长率MD/CD(％) 44/64 43/57 50/34 40/51 41/53 45/39 43/45
抗张强度MD/CD(N/cm) 1.9/2.3 1.7/1.7 2.6/8.9 2.6/8.8 3.5/4.5 6.6/6.6 1.9/3.1 2.6/3.3
伸长率MD/CD(％) 4./15 6./13 15/23 15/23 9./13 9.4/11.4 26/27 29/28
纤维表面稳定性：
带侧(g) 0.0975 0.0614 0.0461 0.295 0.554 0.149 0.0496 0.0505
顶侧(g) 0.302 0.143 0.0667 0.0646 0.156 0.276 0.0657 0.0708
除尘性能(％)：
家庭环境 81 110 76 90 105 170
轻工业 81 100 87 82 90 100 130
重工业 76 100 85 100 85 75 80
表1，续
实施例 3 4 5 6 7 8 9 对比例7 对比例8
纺织条件(％聚合物，℃) 17/200 17/200 20/200 17/190 17/190 17/190 17/190
基重(g/m2) 49 51 51 56 48 51 78 64 58
厚度(mm) 0.287 0.274 0.292 0.307 0.251 0.3 0.414 0.297 0.305
厚度/基重(m3/g) 5.90E-06 5.40E-06 5.70E-06 5.50E-06 5.20E-06 5.90E-06 5.30E-06 4.60E-06 5.30E.-06
密度(g/cm3) 0.171 0.186 0.174 0.183 0.192 0.17 0.189
孔隙率(％) 82 80.4 81.7 80.7 79.8 82.1 80.1
抓样强度MD/CD(N/cm) 18/24 18/21 30/44 30/35 44/53 16/9 28/9
抓样伸长率MD/CD(％) 82/55 53/30 53/34 47/43 49/36 112/78 56/71
抗张强度MD/CD(N/cm) 4.7/7.9 3.8/8.4 7./12 7./8.8 9./16 7./2.8 17/3
伸长率MD/CD(％) 41/36 37/33 39/41 34/35 34/29 56/29 50/44
纤维表面稳定性：
带侧(g) 0.0061 0.0143 0.0148 0.0385 0.0405 0.0048 0.0122 0.0244 0.00754
顶侧(g) 0.0344 0.0724 0.0236 0.0208 0.0513 0.0129 0.0045 0.0667 0.0043
除尘性能(％)：
家庭环境 110 130 117/150 108 100/130 100
轻工业 122 117 110/120 83 107/86 100
重工业 107 107 100/90 100 107/80 100
表2
头施例 对比例5 8 10 11 12 13
纺丝条件(％聚合物，℃) 17/190 17/190 17/190 17/190 17/190 17/190
针(密度/深度、上/下)
密度(针/cm2) 60 100 100 150 225
深度(上/下)(mm) 10./5 10.0/5 5.0/5 5.0/5 5.0/5
基重(g/m2) 54 51 51 51 51 51
厚度(mm) 0.203 0.3 0.31 0.297 0.312 0.368
厚度/BW(m3/g) 3.80E-06 5.90E-06 6.10E-06 5.80E-06 6.10E-06 7.20E-06
密度(g/cm3) 0.267 0.17 0.164 0.172 0.163 0.138
孔隙率(％) 71.9 82.1 82.7 81.9 82.8 85.5
抓样强度MD/CD(N/cm) 19/28 30/35 23/28 30/31 23/22 30/31
抓样伸长率MD/CD(％) 40/51 47/43 50/44 52/47 47/41.6 52/43.6
抗张强度MD/CD(N/cm) 3.5/4.5 7/8.8 7/7.9 7.7/8.8 7.5/6.6 6.6/8.9
伸长率MD/CD(％) 9./13 34/35 32/35 29/32 27/33 30.2/34
纤维表面稳定性：
带侧(g) 0.554 0.0048 0.0194 0.011 0.079 0.016
顶侧(g) 0.156 0.0129 0.0108 0.017 0.023 0.016
除尘与Swiffer
家庭环境 76 109/130 93 138 110 150
轻工业 82 122/86 126 114 114 118
重工业 100 98/80 93 100 106 107
表面积(m2/g) 15.3 11.8 9.5 10.8 8.4 9.7
实例14～17
闪纺未粘合纤维棉絮通过Brethauer所描述的方法在不同温度下闪纺在戊烷和环戊烷纺丝剂的共混物中的高密度聚乙烯而制成。纤维棉絮采用夹辊轻轻地压实。这些纤维棉絮每一种的纺丝条件(聚合物在纺丝剂中的百分数和纺丝温度)和测定的性能作为对比例1～6载于表1。
随后，纤维棉絮利用高压水对上下两面每一面进行水刺处理。改变喷嘴数目、喷嘴类型、喷嘴压力和开孔部件以获得各种不同布料强度、纤维表面稳定性和厚度。这些水刺纤维棉絮，或无纺织物的性能作为实施例14～17载于表3。在每种情况中，纤维棉絮都是被支撑在第一开孔部件上并通过生产线以50码每分钟的速度在高压水射流下通过几次而接受水刺的。随后，纤维棉絮翻过来，放在第二开孔部件上并再次通过生产线以50码每分钟的速度在高压水射流下通过几次而完成水刺。
表3
实施例 14 15 16 17
纺丝条件(％聚合物，℃) 17/200 17/200 17/200 17/200
水喷射压力 低压 高压 低压
基重(g/m2) 47 58 58 58
厚度(mm) 0.292 0.318 0.356 0.356
厚度/BW(m3/g) 6.20E-06 5.50E-06 6.10E-06 6.10E-06
密度(g/cm3)
孔隙率(％)
抓样强度MD/CD(N/cm)m) 42 58 47 42
抓样伸长率MD/CD(％) ％) 46 34 36 44
抗张强度MD/CD(N/cm) 25.4 12.2 19.2 14
伸长率MD/CD(％) 24 40 37 37
纤维表面稳定性：
0.018 0.006 0.003
带侧(g)
0.013 0.01 0.003
顶侧(g)
除尘与Swiffer
80 130 110
家庭环境
轻工业 95 96 91
重工业 8.6 8 6.3 7.1
表面积(m2/g)
实施例14
在第一遍水刺期间，纤维棉絮由75目机织丝网的第一开孔部件支撑。采用4个喷嘴。在第二遍水刺期间，纤维棉絮由带有20目底网的三叶草图案穿孔板的第二开孔部件支撑。采用3个喷嘴。喷嘴孔径、每个喷嘴每英寸的孔数以及喷嘴操作压力载于下表4。
表4
喷嘴 孔直径 每英寸孔数 压力
(密耳) (psi)
第一遍
1 4 80 500
2 5 40 1000
3 5 40 1500
4 5 40 1500
第二遍
1 4 80 300
2 5 40 500
3 5 40 1000
实施例15
在第一遍水刺期间，纤维棉絮由75目机织丝网的第一开孔部件支撑。采用4个喷嘴。在第二遍水刺期间，纤维棉絮由8目机织丝网的第二开孔部件支撑。采用4个喷嘴。喷嘴参数载于表5。
表5
喷嘴 孔直径 每英寸孔数 压力
(密耳) (psi)
第一遍
1 4 80 500
2 5 40 1000
3 5 40 1500
4 5 40 1500
第二遍
1 4 80 500
2 5 40 800
3 5 40 1000
4 5 40 1000
实施例16
在第一遍水刺期间，纤维棉絮由75目机织丝网的第一开孔部件支撑。采用4个喷嘴。在第二遍水刺期间，纤维棉絮由13目机织丝网的第二开孔部件支撑。采用8个喷嘴。喷嘴参数载于表6。
表6
喷嘴 孔直径 每英寸孔数 压力
(密耳) (psi)
第一遍
1 4 80 500
2 5 40 1000
3 5 40 1500
4 5 40 1500
第二遍
1 4 80 300
2 4 80 500
3 5 40 800
4 5 40 1000
5 5 40 1200
6 5 40 1500
7 5 40 1700
8 5 40 1800
实施例17
在第一遍水刺期间，纤维棉絮由75目机织丝网的第一开孔部件支撑。采用8个喷嘴。在第二遍水刺期间，纤维棉絮由8目机织丝网的第二开孔部件支撑。采用8个喷嘴。喷嘴参数载于表7。
表7
喷嘴 孔直径 每英寸孔数 压力
(密耳) (psi)
第一遍
1 4 80 300
2 5 40 500
3 5 40 800
4 5 40 1000
5 5 40 1200
6 5 40 1500
7 5 40 1800
8 5 40 1800
第二遍
1 4 80 300
2 4 80 500
3 5 40 800
4 5 40 1000
5 5 40 1200
6 5 40 1500
7 5 40 1700
8 5 40 1800