專利名稱：利用來自輔助歧管的流體流進行聚合材料熔噴的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生產非織造聚合材料的熔噴方法。更具體地，本發(fā)明 涉及熔噴過程，在該熔噴過程的同時，利用來自與導管相結合的輔助 歧管的流體流，所述導管將二次流分配到從所述熔噴模具排出的纖維 中。
背景技術：
具有有用性能的非織造幅材(nonwoven web)能夠利用熔噴方法形 成，在該方法中將長絲從一系列小的噴絲孔擠出，同時將其利用熱空 氣或其它細化流體(atte皿ating fluid)細化成纖維。該細化的纖維在位 于遠處的收集器或其它合適的表面上形成為幅材。
近來，本領域的文獻已描述了在纖維已從噴絲孔排出并被細化之 后，但在它們碰到收集器上之前，流體的二次流如何能夠被引導到所 述纖維上。通過操控所述二次流的速度和溫度，能夠以有用的方式改 變所述纖維的性能以及因此它們形成在所述收集器上的非織造織物的 性能。
但是，以此方式對二次流的使用存在限制。當織物形成速度提高 時，在某一點處已知的技術變得無效。當生產率提高時，細化流體的 流和二次流體的流開始以不希望的方式相互作用。開始出現的一個特 定失效模式是噴絲孔下游的渦旋再循環(huán)區(qū)的出現。 一些排出的纖維被掃入到所述再循環(huán)區(qū)中并以不希望的方向被掃掉，這引起浪費、減少 產量并弄臟設備。 一直以來都致力于改善非織造幅材的均勻性。本領 域需要一種機構，通過該機構，用于所述纖維性能的二次流的優(yōu)點能 夠被擴展到降低生產成本的高生產率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方案通過提供如下的方法和設備來解決這些和其它 問題，其中所述方法和設備減小了所述再循環(huán)區(qū)，以從而減少弄臟所 述模具面的飄散纖維的量。輔助歧管在急冷氣流和所述模具的噴絲孔 之間分配流體。來自所述歧管的流體減小了低壓區(qū)域，從而減少了急 冷氣的再循環(huán)。結果，也減少了在所述模具面處的飄散纖維的量。
一個實施方案是具有模具的熔噴設備，所述模具具有多個用于排 出聚合材料的長絲噴絲孔。至少一個導管被定位，以引導氣流朝向所 述排出的聚合材料。該實施方案具有相對于所述模具和所述至少一個 導管定位的至少一個輔助歧管，使得流體從輔助歧管被分配到所述流 與所述長絲噴絲孔之間，以從而將所述聚合材料與再循環(huán)區(qū)基本隔離。
在實際實踐中常常提供兩根導管，在排出的聚合物的幕(curtain)的任一 側都有一根。在這種情況下，優(yōu)選的是具有兩個輔助歧管，每個都被 定位以將所述聚合材料與其對應的再循環(huán)區(qū)基本隔離。
在優(yōu)選實施方案中，所述輔助歧管如下分配流體，沿著所述長絲 噴絲孔位置的長度在單位長度上具有基本均勻的質量流。在以下的詳 細描述中，將提供指導以說明如何方便地制備歧管，該歧管分配基本 均勻的質量流，即使當所述流體是可壓縮的流體時也是如此。
本發(fā)明的另一實施方案是具有模具的熔噴設備，所述模具具有多 個用于排出聚合材料的長絲噴絲孔，所述模具排出被夾帶在空氣流中 的聚合材料流，所述空氣流來自所述模具內的多個氣刀。至少一根導 管被定位以引導二次氣體流朝向所述排出的聚合材料并處于遠離所述
模具的方向。此外，至少一個輔助歧管相對于所述模具和所述至少一 根導管被定位，使得流體從輔助岐管被分配到在所述二次流與聚合材 料流之間的位置中，并朝向氣體的再循環(huán)區(qū)的區(qū)域，該區(qū)域緊鄰所述 模具，并具有比所述二次流的質量流率低的質量流率，從而將在所述 導管與所述多個噴絲孔之間的再循環(huán)區(qū)基本隔離。
本發(fā)明的另一方面是一種熔噴方法，包括-從模具的多個長絲噴絲孔排出聚合材料； 引導氣流朝向所述排出的聚合材料；和
從輔助岐管分配流體，其中所述流體在所述流與所述長絲噴絲孔 之間被分配，以將所述聚合材料與再循環(huán)區(qū)基本隔離。


圖1示出了可形成巨大的再循環(huán)區(qū)的現有技術常規(guī)熔噴設備的橫 截面圖。
圖2示出了在設計輔助歧管中利用的熔噴設備的橫截面的二維幾 何表示。
圖3示出了在已被網格化成(meshed into)有限元之后圖2的幾何表 示，該有限元允許在設計輔助歧管中待利用的流線的建模。
圖4示出了在增加輔助歧管之后圖2的幾何表示。
圖5示出了在已被網格化成有限元之后圖4的幾何表示，該有限 元允許由所述輔助歧管的引入產生的流線的建模。
圖6示出了所述輔助歧管的三維幾何表示，該輔助歧管具有由圖 5所示網狀元件的二維幾何表示所限定的狀態(tài)。
圖7示出了在圖6的幾何表示內，在設計的初始嘗試之后、在所 述輔助歧管的第三維上的質量流分布和方向，這導致流動的非均勻分 布和非垂直方向。
圖8示出了在圖6的幾何表示內，在設計的隨后嘗試之后、在所
述輔助歧管的第三維上的質量流分布和方向，這導致流動的基本均勻 分布和基本垂直的方向。
圖9A至9D示出了流程圖，說明了設計歧管的方法的示例性實施 方案。
發(fā)明詳述
本發(fā)明的實施方案提供熔噴設備，其可用受控的二次流處理從所 述模具排出的聚合纖維，以便使得到的非織造織物的性能最優(yōu)化，并 且這甚至能夠以高的生產率完成。還將討論用于設計合適的輔助歧管 的制作的技術。
現在參考圖1，示出了能夠形成巨大再循環(huán)區(qū)的現有技術常規(guī)熔 噴設備的橫截面圖。在代表性的橫截面中示出包括熔噴模具22的熔噴 設備20。熔噴模具22用于排出延伸聚合長絲的流24，其朝向收集帶 26以方向"D"運動，如所示那樣。根據常規(guī)實踐，熔噴模具22配備 有空腔28和30，用于正好在流24已經從擠出孔32的線被擠出之后引 導熱氣體的兩股流緊靠著流24。所述熱氣體從空腔28和30排出噴射， 以延伸和細化從擠出孔32排出的長絲，使得它們具有合適的尺寸和分 布，以在收集帶26上形成期望的織物34。盡管結合該實例描繪了帶， 但熟悉該熔噴技術的人將理解，為了取下作為織物的長絲可以使用旋 轉鼓。
熔噴設備20還包括一對導管40和42，與所述方向"D"相比較， 一個在流線24的上游， 一個在流線24的下游。二次流從導管40和42 緊靠著長絲流24排出，因此當所述長絲碰到再收集帶26上時，它們 具有織物34中所期望的性能。
前文描述大體上遵從Brdster等人的美國專利6,861,025的公開內 容，并且適用于在收集帶26的低速和適中速度下的熔噴織物的生產。 但是，當該過程運轉更猛烈且更快時，例如在織物的生產超過大約35g/ 小時/孔之后，出現以賦予給一些排出的長絲的漂移運動的形式的困難。 在較高的擠出速度時，長絲在收集帶26上的有序積累變得混亂，并且
一些長絲開始收集在模具22的表面上和導管40與42上。該觀察提出 呈直立蝸旋形式的成對再循環(huán)區(qū)大致地形成在標記為A和B的位置。
由于期望能夠在保持織物34理想的特性的同時增加生產線速度， 并且由于破壞所形成的再循環(huán)區(qū)A和B看起來受通過氣體分配岐管的 解決方案的影響，因此所述氣體分配岐管沿垂直于圖1的二維表示的 方向延伸。
根據圖2設置初始幾何表示。盡管認識到的復雜情況是，收集帶 (在圖1中26)處于運動中，并且不會通過非滑動狀態(tài)產生某些流體 運動，但作出的簡化假定是，該問題是對稱的?？涨?圖1中28)、 導管(圖1中42)和收集帶(圖1中26)的現有幾何形狀實際上分別 表示為幾何表示28v、 42v和26v。將邊界條件設置為已知氣壓，所述 已知氣壓，當收集帶26以高的線速度運轉時，提供雖然不適當、但最 好的運轉條件。在幾何表示中，將這些壓力假定為沿著路線50、 52和 54均勻地存在。
將該二維幾何形狀和這些邊界條件提供到市場上可買到的流動分 析組合件，以確定再循環(huán)區(qū)的存在，為增加輔助岐管和確定什么樣的 期望的質量分布狀況可充分地隔離所述再循環(huán)區(qū)作準備。盡管認為許 多商品是合適的，但可使用市場上可從Fluent, Inc. of Lebanon, NH買到 的FLUENT解算器?？蔀樵搯栴}選擇k-epsilon (k-e)兩方程模型，并 且使用重正化群(renormalized group)是可行的。帶走所述氣體的粘性發(fā) 熱的功能物也是可行的。 一旦所描述的幾何形狀和邊界條件適當，并 且在圖2中限定的空間已經被網格化成有限元，所述解算器在平衡狀 態(tài)本身已建立之后以一定方式運轉，以便使表示氣流的流線可視。這 些流線在圖3中示出。在該附圖中，再循環(huán)區(qū)在A和B處形成的假設 通過圍繞這些位置的封閉流線的表現強化。
在該實例中，認為所述再循環(huán)區(qū)如在圖4中所示那樣被在新岐管
62中從開口 60排出的附加氣流破壞。如對于其他幾何形狀正確的是， 將氣體分配岐管62安置成在垂直于圖1 二維表示的方向中延伸，并且 任何給定的橫截面是在沿著垂線截取的任何其它橫截面處的流動的典 型表示。為了簡化，在岐管62內建立邊界條件線64，暫時假定沿著線 64在每個可能的橫截面處能夠均勻地保持均勻的壓力。稍后在設計過 程中，該簡化假定可根據需要被檢驗和提出。
作為對于該特定實例的起點，假定從岐管62排出以破壞所述再循 環(huán)區(qū)的質量流應為從導管42已知需要的質量流的50%，以在期望生產 率下(尋求超過35g/小時/ L)實現所述長絲的所需處理。作為另一起 點，僅僅因為作為可容易用到的壓縮機的靜壓力容量的合理分數，將 沿著邊界條件線64的壓力可任意設定在某一合理值，例如總共20psig。 通過簡單的噴絲孔方程，根據在岐管62內的假定壓力下岐管62所需 的假定質量流，得到開口60的起始尺寸。
采用這些適當的假定，再次采用解算器以分析新的幾何形狀和邊 界條件。對于該實例，可以進行許多試驗以改變圍繞岐管62的周圍的 開口60的位置。由所述試驗產生的流線的分析提出，為了建立將所述 排出長絲與所述再循環(huán)區(qū)隔離的移動氣體的幕墻，不通過使來自岐管 62的流出物對準再循環(huán)區(qū)B的中心、而是在其前面可實現最好的結果。 該狀態(tài)在圖5中示出，并且在這一點上可以說已經為岐管62確定了分 配方向，以與為給定輸入壓力先前假定的質量流率相配。還為該實例 假定在岐管的延伸長度上沿所述第三維的流的分布應該是均勻的，以 適當地隔離所述再循環(huán)區(qū)。
一旦為該特定實例確定用于使岐管62的流出物對準的最好方向， 就通過解算器執(zhí)行附加組試驗，以便確定在仍然維持所述再循環(huán)區(qū)的 隔離的同時，是否能夠減少來自岐管62的假定質量流，以節(jié)省在提供 該所述流中的能量消耗。在用于該特定實例的這些實驗中，已發(fā)現在 來自所述岐管的流不能再將長絲24的流與所述再循環(huán)區(qū)隔離之前，所
述質量流能夠減少到從所述導管排出的質量流的30%。
通過這一點，已獲得對于需要分解的實際問題的可行解決方案， 即期望的質量流分布，只要其證明能夠在垂直于所述二維表示的方向
上沿岐管62的延伸長度合適地提供確定的質量流。仍然必須檢驗證明 先前作出的簡單假定是可行的。為了進行該工作，形成在岐管62內和 在其直接周圍中的氣體的3-D數學表示。在該表示中，岐管62p的幾 何形狀是基本倒轉的，限定氣體不能流過的邊界。該幾何表示在圖6 中示出。在該附圖中，岐管62的一半己轉變成該虛擬表示62p，因為 已作出該情形是對稱的簡化假定。從歧管62p的虛擬表示發(fā)出的排氣 的求解域也包括在該表示中。盡管氣體鄰近歧管62p迄今圍繞狹槽80p 周圍的外表面的體積需要包括在3-D數學表示中，這可能在直覺上不
是明顯的，但直覺是錯誤的。在3-D數學表示中不包括該表面上額外 的體積常常得到無效的結果。
在認識到可能需要通過將開口 60p設置成由橋82p分開的一系列 狹槽80p來增加結構強度的同時，可設計歧管62p的表示。當然，用 于開口 60p的其它幾何形狀是可能的，并被認為是在本發(fā)明的范圍內。 在本說明書中，選擇51mm外徑、45mm內徑和188cm長的圓柱形管 (與現有技術中通常比60cm短得多的試湊(trial and error)岐管相比為 相對長的岐管)作為用于岐管62的起點，因為這樣的尺寸可方便定位 在熔噴設備20中。作為用于該特定實例的分析的起點，假定所述管將 設置有38mm長、3.2mm寬、并且一個與下一個由根據相關熔噴設備 的噴絲孔的橋分開3.2mm的狹槽38。經驗法則是將所述出口的總表面 積維持到不大于所述歧管入口的總面積的量。
然后將在歧管62p的倒轉表示的外部內的氣體體積和該外部附近 的氣體體積網格化成有限六面體元，使得至少一些六面體元相對于分
配方向定向，如附圖中的"F"所示。作為邊界條件，歧管62p被假定 為從一端84，或者兩端84與86填充。更具體地，將在所述2-D表示
中提供所述再循環(huán)區(qū)的隔離的質量流，例如kg/sec/m，乘以歧管62p 的長度。然后，通過端84，或端84和端86的表面進入表示的總質量 流的一半(因為假設所述總質量流的另一半由所述歧管的對稱的另一半 所控制)設置為邊界條件。
該三維幾何形狀和這些邊界條件再次提供給FLUENT解算器，并 且再次采用k-6兩方程模型。同樣，重正化群的利用，和(因為在本實 例中的流體為可壓縮空氣)考慮氣體的粘性發(fā)熱的功能也是可行的。然 后，該解算器運行以便在各個點提供流體速度的矢量和大小。該矢量 場用于形成沿所述分配方向通過各個狹槽的流體的速度的假彩色顯 視，以便通過推導提供質量流在歧管的延伸長度上的真實分配的指示。 這如圖7所示，其中氣體從一端沿流向"F"進入歧管。從附圖可觀察 到的是，該流沿所述歧管的延伸長度不均勻，使得試驗幾何參數不能 產生所要求的質量流輪廓。
根據本發(fā)明的實施方案，如果狹槽長度、狹槽寬度、狹槽間隔、 歧管直徑等等的這些試驗幾何參數的分析未能描述所需質量流從所述 歧管以與所期望充分相同的方式的輸送，需要改進這些幾何參數，并 回到分析。如果對于特定應用需要在歧管的延伸長度上的均勻流動， 已發(fā)現，減小組合出口面積與組合入口面積的比率傾向于使所述流更 均勻地分布。在本實例中，當圖7的顯示證明來自6.4mm寬的狹槽的 流動是不夠均勻的，將所述3-D模型的幾何參數調節(jié)到1.59mm寬，并 且再次將該模型應用到解算器。該解算器再次運行以便提供所述流體 沿所述分配方向通過每個這些狹窄狹槽的速度的顯示。這如圖8所示， 并且能夠從附圖觀察到并通過推導質量流分布，速度沿著歧管的延伸 長度具有比圖7的情形更均勻的流動分布。對于該特定實例，流動分 布的均勻性被認為足夠良好以產生氣流的均勻幕墻，以將長絲與橫過 整個生產輻板的再循環(huán)區(qū)隔離。
為了測試用于該特定熔噴情形的該估計，根據產生圖8的參數由
金屬制作真的歧管，并且根據如圖4所示在2-D分析中確定的方向和 位置將該歧管安裝在熔噴線中。在兩端將歧管加壓到總共20psig，并制 造織物。觀察到阻止了長絲在所述模具和所述導管的表面上不希望的 累積，并且織物的性能不會被不利地影響。
如下警告是合適的當需要獲得沿歧管長度的輸出物的必要均勻
度時，注意涉及減小歧管的組合出口面積與組合入口面積的比率的步 驟。不注意地減少多于所需的比率傾向于引起其它的困難，特別是涉 及驅動所述質量流所需的壓力值的困難。相對于提供合適的壓縮機以
供應歧管62，獲得較高的壓力是更昂貴的，并且較高的壓力可能需要 歧管62由更昂貴的材料構造成，以便經得起加壓的應力。
實際上，在一些情形下，可證明難以在三維模型中重復幾何參數， 以便在人們希望使用的裝備限制內獲得目標質量流率，以及流動沿著 歧管長度的目標分布。當這出現時，可執(zhí)行任選的步驟。指出理想的 裝備能夠給沿著歧管長度所需的均勻性水平提供的最大質量流率，并 通過該質量流率重建二維表示。然后歧管的精確位置和分配方向的參 數可以被重復并重新分析，在維持流動目標分布可足以獲得先前為期 望質量流分布設定的目標的同時，尋求歧管最大質量流輸出的組合， 例如本實例中是所述再循環(huán)區(qū)的隔離。將理解的是，有時不能為歧管 幾何形狀和氣體供應設備的某些組合獲得涉及流的質量流和分布的組 合的某些質量流分布。還將理解的是，在某些方法中允許的適于期望 分配的構造，將不適于具有用于包含內壓力或用于當安置時跨越支撐 之間的距離充足的結構強度。用于排空、而不是分配流體的吸入岐管 的必要狀態(tài)適于通過本發(fā)明的方法的處理也在本發(fā)明的范圍內。
盡管已參考本發(fā)明的各種實施例具體地示出并描述了本發(fā)明，但 本領域技術人員將理解的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 可作出在形式上和細節(jié)上的各種其它變化。
權利要求
1.一種熔噴設備，包括模具，其具有多個用于排出聚合材料的長絲噴絲孔；至少一根導管，其被定位以引導氣體流朝向所述排出的聚合材料；和至少一個輔助岐管，其相對于所述模具和所述至少一根導管定位，使得流體從輔助岐管分配到所述流與所述長絲噴絲孔之間，從而將所述聚合材料與再循環(huán)區(qū)基本隔離。
2. 如權利要求l所述的熔噴設備，其中所述輔助岐管分配流體， 其中沿著所述長絲噴絲孔位置的長度在單位長度上具有基本均勻的質 量流。
3. 如權利要求l所述的熔噴設備，其中所述流體是可壓縮的。
4. 一種熔噴方法，包括從模具的多個長絲噴絲孔排出聚合材料；引導氣體流朝向所述排出的聚合材料；和從輔助岐管分配流體，其中所述流體在所述流與所述長絲噴絲孔 之間分配，以將所述聚合材料與再循環(huán)的區(qū)域基本隔離。
5. 如權利要求4所述的方法，其中從所述輔助岐管分配流體包括:分配如下流體，其沿著所述長絲噴絲孔位置的長度在單位長度上具有 基本均勻的質量流。
6. 如權利要求5所述的方法，其中從所述輔助岐管分配流體包括:分配可壓縮的流體。
7. —種熔噴設備，包括模具，其具有多個用于排出聚合材料的長絲噴絲孔，該模具排出 被夾帶在空氣流中的聚合材料流，所述空氣流來自在所述模具內的多 個氣刀；至少一根導管，其被定位以引導二次氣體流朝向所述排出的聚合 材料并處于遠離所述模具的方向；和至少一個輔助歧管，其相對于所述模具和所述至少一根導管定位， 使得流體被從所述輔助岐管分配到在所述二次流與所述聚合材料流之 間的位置中并朝著氣體再循環(huán)區(qū)的區(qū)域，所述區(qū)域緊鄰所述模具，并 且具有比所述二次流的質量流率低的質量流率，從而將在所述導管與 所述多個噴絲孔之間的再循環(huán)區(qū)基本隔離。
8. 如權利要求7所述的烙噴設備，其中所述輔助歧管分配流體， 其中沿著所述長絲噴絲孔位置的長度在單位長度上具有基本均勻的質量流。
9. 如權利要求8所述的熔噴設備，其中所述流體是可壓縮的。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于熔噴的方法和設備，其利用輔助歧管在模具的噴絲孔與導管的出口之間分配流體，所述模具的噴絲孔排出聚合纖維，所述導管的出口將二次氣體流分配到所述纖維上。從所述輔助歧管分配的流體減小了在所述出口與所述噴絲孔之間的二次流的再循環(huán)區(qū)，該再循環(huán)區(qū)在沒有來自所述歧管的流體的情況下，產生飄散的纖維，該飄散的纖維被所述再循環(huán)的二次流吹回到所述模具的面中。
文檔編號D01D5/098GK101184872SQ200680018189
公開日2008年5月21日 申請日期2006年5月22日 優(yōu)先權日2005年5月23日
發(fā)明者威廉·P·克林津, 安德魯·W·陳, 帕特里克·J·薩格爾, 詹姆斯·C·布雷斯特, 道格拉斯·C·松諾茲, 馬修·S·利娜貝里 申請人:3M創(chuàng)新有限公司