專利名稱：：針刺納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并且具體地講，涉及用針刺法結(jié)合到襯底的納米纖維網(wǎng)。
背景技術(shù)：
："納米纖維網(wǎng)"是主要由或甚至全部由數(shù)均直徑小于1微米的纖維組成的非織造纖維。由于其極小的孔徑和較大的表面積/體積比率，納米纖維網(wǎng)有望作為襯底用于多項(xiàng)應(yīng)用中，例如高溫氣體過濾、高效空氣過濾、廢水過濾、用于過濾生物污染物的濾膜、電池隔板和其他儲(chǔ)能裝置。然而，對(duì)于這些應(yīng)用，納米纖維網(wǎng)的一個(gè)缺點(diǎn)在于其機(jī)械完整性差。納米纖維的數(shù)均直徑小于1000納米，有時(shí)小至20納米。在這一維度上，即使將納米纖維層疊成厚膜，所形成的結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度也不足以經(jīng)受過濾應(yīng)用中的巨大沖擊力，例如常壓液體流或氣體流流經(jīng)該結(jié)構(gòu)時(shí)的沖擊力，或者最終用途制造步驟中巻繞和處理所需的更高的強(qiáng)度。通過例如靜電紡紗常小于約20%。當(dāng)在縱向(MD)上被施加張力時(shí)，例如在巻繞或后處理中，例如在某些產(chǎn)品的應(yīng)用中對(duì)其進(jìn)行表面處理以及層壓時(shí)，沒有支撐的納米纖維網(wǎng)還會(huì)表現(xiàn)出過度的寬度減少("頸縮")。如果在退繞后再次巻繞材料，變化的張力可導(dǎo)致不同的寬度并且片材性能有可能因此產(chǎn)生差異。理想的材料是對(duì)所施加的張力應(yīng)具有更好的耐受能力?？梢酝ㄟ^將納米纖維網(wǎng)結(jié)合到載體纖維網(wǎng)或稀松布上來制得此類材料。針刺法是機(jī)械結(jié)合纖維的一種方法，該纖維通常是用梳理機(jī)或其他設(shè)備制備的。該方法用針織機(jī)將疏松的纖維網(wǎng)轉(zhuǎn)變成密合的非織造織物。各種類型的針織機(jī)在本領(lǐng)域中是熟知的，其作用是穿過纖維網(wǎng)對(duì)纖維進(jìn)行機(jī)械定向，從而緊固非織造纖維網(wǎng)。該工藝稱為針刺。設(shè)置于板上的帶倒鉤的針將纖維戳入棉絮，然后退回，纖維留在棉絮中。所述針以非對(duì)齊的方式排列。通過改變每分鐘的針刺次數(shù)、每架織機(jī)的針數(shù)、棉絮的前進(jìn)速度、針的穿刺程度以及棉絮的重量，可以在很大范圍內(nèi)選擇纖維密度。通過操作針織機(jī)可以生產(chǎn)圖案化的或不帶圖案的產(chǎn)品。據(jù)本領(lǐng)域所知，針刺法一般會(huì)增加非織造纖維網(wǎng)的透氣率。然而在特定條件下，使用針刺法來減小非織造纖維網(wǎng)的透氣率是可能的。根據(jù)FosterNeedleCo.在其網(wǎng)站上發(fā)表的文章"Lowerpermeabilityismoredifficulttoachievethanhigherpermeability",減小織物透氣率的關(guān)鍵是盡可能地"關(guān)閉"氈。氈的"關(guān)閉"程度越高(換句話說，織得盡可能緊密)，透氣率就越小。運(yùn)用這種邏輯，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以預(yù)期，僅僅為了保持由直徑小于1微米的纖維組成的纖維網(wǎng)的小孔結(jié)構(gòu)，每英寸所需的針刺量就非常大。發(fā)明概述本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案是復(fù)合片材，所述復(fù)合片材包括結(jié)合到第二纖維網(wǎng)的第一聚合物纖維網(wǎng)，所述第一聚合物纖維網(wǎng)具有小于或等于1微米的纖維直徑，第二纖雉網(wǎng)具有大于l微米的纖維直徑，其中第二纖維網(wǎng)的一些纖維在多個(gè)不連續(xù)區(qū)域凸穿第一聚合物纖維網(wǎng)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是將聚合物型納米纖維網(wǎng)結(jié)合到氈上以形成復(fù)合片材的方法，該方法包括以面對(duì)面的關(guān)系來提供納米纖維網(wǎng)和氈，以及將氈針刺入納米纖維網(wǎng)中，使得氈中的一些纖維凸穿納米纖維網(wǎng)。本發(fā)明的復(fù)合片材可用于多種過濾應(yīng)用，例如但不限于袋式過濾器、真空吸塵器過濾器、空氣凈化過濾器以及其他氣體或液體過濾應(yīng)用。發(fā)明詳述術(shù)語"非織造材料"是指包括多根無規(guī)分布的纖維的纖維網(wǎng)。纖維通常可以彼此粘結(jié)，或者可以不粘結(jié)。纖維可以是短纖維或連續(xù)纖維。纖維可包含一種材料或多種材料，也可以是不同纖維的組合或者是分別包含不同材料的類似纖維的組合。"壓延"是將纖維網(wǎng)通過兩個(gè)輥之間的輥隙的工藝。輥可以彼此接觸，或者可以在輥表面之間有固定的或可變的間隙。"無圖案的，，輥是指在能夠制造它們的過程中具有平滑表面的輥。當(dāng)纖維網(wǎng)通過輥隙時(shí)，沒有點(diǎn)或圖案使得可在纖維網(wǎng)上特意生成圖案，這不同于點(diǎn)粘合輥。"稀松布"為支撐層，并可以是能夠與納米纖維網(wǎng)結(jié)合、粘附、或?qū)雍系娜魏纹矫娼Y(jié)構(gòu)。有利的是，可用于本發(fā)明的稀松布層為紡粘非織造層，但可由非織造纖維的梳理纖維網(wǎng)等制成。可用于某些過濾器應(yīng)用的稀松布層需要足夠的剛度來保持褶縐和死褶。如本文所用，"納米纖維"是指具有小于約1000nm、甚至小于約800nm、甚至介于約50nm和500nm之間、并且甚至介于約100nm和400nm之間的數(shù)均直徑或橫截面的纖維。如本文所用，術(shù)語直徑包括非圓形形狀的最大橫截面。納米纖維網(wǎng)的定義是其中纖維的數(shù)均纖維直徑小于1微米的纖維網(wǎng)。初生非織造納米纖維網(wǎng)通常主要包含或僅包含通過靜電紡紗生成的納米纖維，例如通過傳統(tǒng)的靜電紡紗或電吹，在某些情況下通過熔噴法生成。傳統(tǒng)的靜電紡紗是在全文并入本文中的美國(guó)專利4，127,706中所述的技術(shù)，其中向聚合物溶液施加高電壓以生成納米纖維和非織造墊。然而，靜電紡紗方法中的總生產(chǎn)能力太低，無法商業(yè)化生產(chǎn)較重基重的纖維網(wǎng)。"電吹"法在世界專利公布WO03/080905中有所公開，其全文以引用方式并入本文。包含聚合物和溶劑的聚合物溶液流從儲(chǔ)罐被送至噴絲頭的一系列紡絲噴嘴，向噴絲頭施加高電壓，并且聚合物溶液從其通過而排出。同時(shí)，任選地加熱的壓縮空氣由空氣噴嘴排出，該空氣噴嘴設(shè)置在紡絲噴嘴的側(cè)面或周邊。通常向下引導(dǎo)空氣以形成吹氣流，吹氣流包裹住新排出的聚合物溶液并使其向前，并且有助于形成纖維網(wǎng)，纖維網(wǎng)收集于真空室上方的接的納米纖維網(wǎng)，其基重超過約lgsm，甚至高達(dá)約40gsm或更高。由于納米纖維網(wǎng)的脆性，其處理極為困難。由于這個(gè)原因，有時(shí)可有利地將納米纖維網(wǎng)直接沉積于稀松布上，以便于處理納米纖維網(wǎng)。相應(yīng)地，本發(fā)明的復(fù)合片材還可以包括在對(duì)納米纖維網(wǎng)和氈或稀松布栽體進(jìn)行針刺之前在其上支撐納米纖維網(wǎng)的稀松布。可在收集器上布置稀松布，以收集和結(jié)合在稀松布上紡成的納米纖維網(wǎng)。稀松布的實(shí)例可包括多種非織造布，例如熔噴非織造布、針刺或水刺非織造布、織造布、針織布、紙材等，只要能將納米纖維層添加到稀松布上，其使用就沒有限制。對(duì)可用于形成本發(fā)明納米纖維網(wǎng)的聚合物材料無特別限制，并包括加聚物和縮聚物材料，例如聚縮醛、聚酰胺、聚酯、纖維素醚和酯、聚烯化硫、聚亞芳基氧化物、聚砜、改性的聚砜聚合物以及它們的混合物。這些種類中優(yōu)選的材料包括交聯(lián)和非交聯(lián)形式的、不同水解程度(87%至99.5%)的聚(氯乙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸類樹脂)、聚苯乙烯、和它們的共聚物(包括ABA型封端共聚物)、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚乙烯醇。優(yōu)選的加聚物往往是玻璃狀的(Tg大于室溫)。聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸曱酯、聚苯乙烯聚合物的組合物或合金或低結(jié)晶度的聚偏氟乙烯和聚乙烯醇材料便是如此。一類優(yōu)選的聚酰胺縮聚物為尼龍材料，例如尼龍-6、尼龍-6,6、尼龍6,6-6,10等。當(dāng)通過熔噴法來形成本發(fā)明的聚合物納米纖維網(wǎng)時(shí)，可使用能夠熔噴形成納米纖維的任何熱塑性聚合物，包括聚烯烴，例如聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯；聚酯，例如聚(對(duì)苯二曱酸乙二醇酯)；以及聚酰胺，例如上述尼龍聚合物?？赡苡欣氖牵蛏鲜龆喾N聚合物中加入本領(lǐng)域已知的增塑劑以降低纖維聚合物的L。適合的增塑劑取決于將纟皮靜電紡紗或電吹的聚合物，并且取決于納米纖維網(wǎng)具體的最終應(yīng)用。例如，尼龍聚合物可用水或甚至用靜電紡紗或電吹工藝中的殘余溶劑來增塑。可用于降低聚合物L(fēng)的本領(lǐng)域已知的其他增塑劑包括但不限于脂族二元醇類、芳族磺胺類、鄰苯二曱酸酯類。鄰苯二甲酸酯類包括但不限于選自下列的那些鄰苯二曱酸二丁酯、鄰苯二甲酸二己酯、鄰苯二甲酸二環(huán)己酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二曱酸二異癸酯、鄰苯二甲酸雙十一酯、鄰苯二甲酸雙十二酯、以及鄰苯二甲酸二苯酯等。"HandbookofPlasticizers"(GeorgeWypych編輯，2004ChemtecPublishing)公開了可用于本發(fā)明的其他聚合物/增塑劑組合，該文獻(xiàn)以引用方式并入本文。初生的納米纖維網(wǎng)和稀松布在針刺加工前可以先壓延，以便于賦予所需的物理特性的改進(jìn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，將初生納米纖維網(wǎng)喂入兩個(gè)無圖案的輥之間的輥隙中，其中一個(gè)輥是無圖案的軟輥，一個(gè)輥是無圖案的硬輥，硬輥的溫度保持在Tg和乙,之間，其中Ts在本文中被定義為聚合物由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，T。m在本文中被定義為聚合物開始熔融的溫度，使得納米纖維網(wǎng)的納米纖維在通過壓延輥隙時(shí)處于塑性狀態(tài)。此外，非織造纖維網(wǎng)可被拉伸，任選地被同時(shí)加熱至納米纖維聚合物的l和最低乙之間的溫度。拉伸可以在將纖維網(wǎng)喂入壓延輥中之前和/或之后進(jìn)行，可以在縱向或橫向上進(jìn)行，或在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行。在本發(fā)明的針刺法中，針刺操作中使用的針的直徑至少為納米纖維網(wǎng)納米纖維平均直徑的500倍，優(yōu)選至少為納米纖維平均直徑的1000倍。根據(jù)本方法，優(yōu)選地推動(dòng)粗纖維穿過納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)，就好像該纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)是被針穿透的固體片材一樣，而不是像現(xiàn)有技術(shù)制成的典型的針織纖維結(jié)構(gòu)那樣將粗纖維和細(xì)旦纖維混合在一起。粗纖維仍然扣牢在粗纖維網(wǎng)中，同時(shí)其整個(gè)長(zhǎng)度的一部分被推動(dòng)穿透納米纖維網(wǎng)，使其透過納米纖維網(wǎng)的表面。粗纖維的作用是填充針刺后留在納米纖維網(wǎng)中的孔，從而減小針刺對(duì)細(xì)旦纖維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的影響。這樣，結(jié)合的復(fù)合片材的平均孔徑可以等于或,J、于針刺之前納米纖維網(wǎng)和粗纖維網(wǎng)的平均孔徑。本發(fā)明不限制針刺的數(shù)量。然而，和其他的針刺操作一樣，必須對(duì)許多因素進(jìn)行最優(yōu)化以提供所需的孔結(jié)構(gòu)以及納米纖維網(wǎng)與粗纖維網(wǎng)之間的結(jié)合量。這些因素包括針的大小和類型、針刺量、針刺深度、根據(jù)纖維類型、長(zhǎng)度、旦尼爾(纖度單位)和纖維網(wǎng)密度對(duì)粗纖維的合適選擇。本發(fā)明的方法還可以包括針刺之后對(duì)復(fù)合片材進(jìn)行熱處理，例如通過熱輥壓延或在烤箱中加熱的方法。實(shí)施例實(shí)施例1使用W003/080905中所述的電吹法將聚酰胺-6，6含量為24%的甲酸溶液紡成納米纖維網(wǎng)。其數(shù)均纖維直徑為約422納米。該納米纖維網(wǎng)的標(biāo)稱基重為28.5克/平方米(gsm),厚度為60微米。以不同的每平方英寸針刺數(shù)，用手工針織機(jī)將四層用80%Kevlar纖維和20%聚酯纖維制造的背襯材料針織到聚酰胺納米纖維網(wǎng)上，該被襯材7料的基重為每平方碼大約2盎司?？棛C(jī)中的針為38號(hào)針(直徑為0.5毫米)，大約是納米纖維網(wǎng)的平均纖維直徑的1185倍。然后用PMI(PorousMateria1sIncorporated)制造的標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管流氣孔測(cè)量?jī)x來測(cè)量孔結(jié)構(gòu)。要進(jìn)行任選的壓延操作，則將手工板材層壓體樣本傳送到雙鋼輥壓延機(jī)輥隙中。壓延機(jī)的間隙設(shè)為0.045英寸，輥隙壓力為每直線英寸850英磅，在室溫下進(jìn)行操作。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從樣本A和B可以看出，僅由粗纖維制得的材料的平均流動(dòng)孔徑遠(yuǎn)大于要求的直徑，無法滿足所需復(fù)合薄片材料的小孔層的條件。不經(jīng)針織而是簡(jiǎn)單地層疊粗纖維和細(xì)旦纖維材料(樣本C)可建立孔結(jié)構(gòu)，細(xì)旦纖維材料在孔結(jié)構(gòu)的形成過程中發(fā)揮作用。樣本D示出，盡管經(jīng)過針織，未結(jié)合的復(fù)合材料的平均流動(dòng)孔徑基本上還是可以保持不變。然而應(yīng)注意，最大孔徑增大了，雖然未增大到不含細(xì)旦纖維材料時(shí)的程度。樣本E示出，經(jīng)過附加的針織，平均流動(dòng)孔徑開始增大。然而，材料的壓延成功地限制了最大孔徑。與預(yù)期相反，實(shí)施例1示出了尺寸適合粗纖維材料的針可以用于將納米纖維網(wǎng)層壓到一個(gè)或多個(gè)粗纖維網(wǎng)上而不對(duì)納米纖維網(wǎng)的孔結(jié)構(gòu)造成負(fù)面影響，并且不需要通過高密度的針刺來關(guān)閉氈。實(shí)施例2使用世界專利^^布W003/080905的方法，在33.9gsm的聚酯水刺布(Sontara,DuPont,Wilmington,DE)上將聚酰胺-6，6紡為基重為10gsm的納米纖維網(wǎng)。平均纖維直徑為400納米。用針刺法將納米纖維網(wǎng)結(jié)合到14盎司的聚酯部分地加固的氈(南方氈材)上。要進(jìn)行針刺，需要將氈和稀松布+納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)放到一起，其中納米纖維網(wǎng)置于內(nèi)側(cè)，緊靠著氈，然后從氈的一側(cè)進(jìn)行針刺。生產(chǎn)線速度為1.5米/分鐘。每英寸的穿刺數(shù)(PPI)為383。層壓體的透氣率為32立方英尺/分鐘(cfm)。實(shí)施例3使用世界專利公布W003/080905的方法，在33.9gsm的聚酯水刺布(Sontara)上將聚酰胺-6,6紡為基重為5gsm的納米纖維網(wǎng)。平均纖維直徑為400納米。用針刺法將納米纖維網(wǎng)結(jié)合到14盎司的聚酯部分地加固的氈(南方氈材)上。要進(jìn)行針刺，需要將氈和稀松布+納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)放到一起，其中納米纖維網(wǎng)置于內(nèi)側(cè)，緊靠著氈，然后從氈的一側(cè)進(jìn)行針刺。生產(chǎn)線速度為1.5米/分鐘。每英寸的穿刺數(shù)(PPI)為383。層壓體的透氣率為37立方英尺/分鐘(cfm)。實(shí)施例4使用世界專利公布W003/080905的方法，在33.9gsm的聚酯水刺布(Sontara)上將聚酰胺-6,6紡為基重為10gsm的納米纖維網(wǎng)。平均纖維直徑為400納米。用針刺法將納米纖維網(wǎng)結(jié)合到14盎司的聚酯完全加固的氈(南方氈材)上。要進(jìn)行針刺，需要將氈和稀松布+納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)放到一起，其中納米纖維網(wǎng)置于內(nèi)側(cè)，緊靠著氈，然后從氈的一側(cè)進(jìn)行針刺。生產(chǎn)線速度為1.5米/分鐘。每英寸的穿刺數(shù)(PPI)為383。層壓體的透氣率為26.1立方英尺/分鐘(cfm)。權(quán)利要求1.復(fù)合片材，所述復(fù)合片材包括結(jié)合到第二纖維網(wǎng)的第一聚合物纖維網(wǎng)，所述第一聚合物纖維網(wǎng)具有小于或等于1微米的纖維直徑，所述第二纖維網(wǎng)具有大于1微米的纖維直徑，其中所述第二纖維網(wǎng)的一些纖維在多個(gè)不連續(xù)區(qū)域凸穿所述第一聚合物纖維網(wǎng)。2.權(quán)利要求l的復(fù)合片材，其中所述第一和第二纖維網(wǎng)用針刺法結(jié)合。3.權(quán)利要求l的復(fù)合片材，其中所述復(fù)合片材的平均孔徑等于或小于所述結(jié)合的第一和第二纖維網(wǎng)在結(jié)合之前的平均孔徑。4.權(quán)利要求1的復(fù)合片材，其中所述第一纖維網(wǎng)具有至少5gsm的基重。5.權(quán)利要求1的復(fù)合片材，所述復(fù)合片材還包括位于所述第一纖維網(wǎng)與所迷第二纖維網(wǎng)之間的稀術(shù)〉布。6.權(quán)利要求l的復(fù)合片材，所述復(fù)合片材還包括稀松布，所述稀松布被定位成使得所述第一纖維網(wǎng)位于所述稀松布與所述第二纖維網(wǎng)之間。7.將聚合物型納米纖維網(wǎng)結(jié)合至氈上以形成復(fù)合片材的方法，所述方法包括以面對(duì)面的關(guān)系來提供所述納米纖維網(wǎng)和所述氈，以及將所述氈針刺入所述納米纖維網(wǎng)中，使得所述氈中的一些纖維凸穿所述納米纖維網(wǎng)。8.權(quán)利要求7的方法，所述方法還包括對(duì)所述復(fù)合片材進(jìn)行熱處理。9.權(quán)利要求8的方法，其中所述熱處理包括熱輥壓延或在烤箱中加熱。10.權(quán)利要求8的方法，其中所述熱處理在所述納米纖維網(wǎng)的聚合物的約玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下進(jìn)行。11.權(quán)利要求7的方法，其中所述針刺法的針的直徑為所述納米纖維網(wǎng)的纖維的平均直徑的至少500倍。12.權(quán)利要求7的方法，其中所述針刺法的針的直徑為所述納米纖維網(wǎng)的纖維的平均直徑的至少1000倍。13.權(quán)利要求9的方法，其中所述熱處理方法為壓延法。全文摘要本發(fā)明公開了納米纖維網(wǎng)的復(fù)合片材，所述納米纖維網(wǎng)結(jié)合至第二纖維網(wǎng)，使得第二纖維網(wǎng)的纖維在多個(gè)不連續(xù)區(qū)域凸穿納米纖維網(wǎng)。文檔編號(hào)D04H1/46GK101680142SQ200880014139公開日2010年3月24日申請(qǐng)日期2008年4月28日優(yōu)先權(quán)日2007年5月2日發(fā)明者A·科利,G·E·西蒙茲申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司