CN1656260A - 可粘合的取向非织造纤维网及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

非织造纤维网包括具有均匀直径并沿长度上发生形态变化的纤维。这种变化提供了在粘合操作中能表现出区别性软化特性的纵向段。在粘合操作条件下部分段软化并粘合到网的其它纤维上，而其它纵向段在粘合操作中为惰性。可通过包括以下步骤的方法形成所述网：a)挤出成纤材料的长丝；b)引导长丝穿过加工室，其中长丝经受纵向应力；c)在长丝离开加工室后使它们经受湍流条件；和d)收集加工长丝；控制长丝的温度以便在湍流区中时至少部分长丝凝固。

Description

可粘合的取向非织造纤维网及其制造方法
取向纤维非织造纤维网的粘合经常需要在加工步骤或产品特征上的不希望有的让步。例如，当取向纤维如熔纺或纺粘纤维的收集网被粘合(如用于加固网、提高其强度、或另外改变网性能)时，在网中除了熔纺或纺粘纤维外，一般还包括粘合纤维或其它粘合材料。可替换地或附加地，在点粘合或大面积压延操作中对网加热和加压。需要这些步骤是因为熔纺或纺粘纤维本身通常被高度拉伸以提高纤维强度，而留下有限容量的纤维参与纤维粘合。
但粘合纤维或其它粘合材料的加入增加了网的成本，使生产操作更复杂，并向网中引入外部成分。并且热量和压力改变了网的性能，如使网更象纸、坚硬或易碎。
纺粘纤维间的粘合，甚至用点粘合或压延的加热和加压时所得到的粘合，也倾向于比所需的强度低：纺粘纤维间的粘合强度一般低于具有较低有序形态的纺粘纤维性间的粘合强度；参见最近出版物Structure and properties of polypropylene fibers during thermal bonding，Subhash Chand等人，(Thermochimica Acta 367-368(2001)155-160)。
尽管本领域已经认识到取向纤维网粘合中有关的不足，但已知还不存在令人满意的解决方案。美国专利No.3322607描述了在改进方面的一项成果，建议在其他粘合技术中应制备具有混合取向纤维的纤维，其中一些纤维段具有较低的取向和相应较低的软化温度，从而它们用作粘合剂长丝。如该专利的实施例XII中所示(见第8栏第9-52行)，通过在辊旋转的同时将挤出的长丝引入到加热的进料辊并使长丝在辊上咬合一段时间来制备这种混合取向纤维。低取向段被认为由这种接触产生，并在网中提供粘合能力。(另外参见美国专利No.4086381，例如类似的教导在第5栏第59行及以下。)
但美国专利No.3322607中的低取向纤维粘合段还是比其它较高取向的段具有较大的直径(第17栏第21-25行)。结果是需要增加热以软化低取向段来粘合网。另外，在相当低的速度下运行整个成纤过程，从而降低了效率。并且根据该专利(第8栏第22-25和60-63行)，低取向段的粘合对充分粘合而言明显不足，结果是选择粘合条件以提供除低取向段外附加的高取向段或纤维的一些粘合。
需要改进的粘合方法，如果这些方法能提供自生粘合(本文中将其定义为在不应用固体接触压如在点粘合或压延中时，在烘箱中或利用通风粘合器-还称为热气刀-得到的高温下的纤维间粘合)则将是理想的，并优选不加入任何粘合纤维或其它粘合材料。熔纺或纺粘纤维的高水平拉伸限制了它们自生粘合的能力。代替自生粘合，大多数单组分熔纺或纺粘纤维网利用热量和压力粘合，例如点粘合或更大面积的应用热和压延压力；和甚至热压过程典型地伴随有在网中使用粘合纤维或其它粘合材料。
本发明提供新型的非织造纤维网，其能表现出取向纤维网如纺粘网的许多理想物理性能，并具有提高的和更方便的粘合能力。简而言之，本发明的新型网包括具有均匀直径的纤维，该纤维在长度上发生形态变化以便提供在选定的粘合操作中软化特性彼此不同的纵向段。这些纵向段的一些在粘合操作条件下软化，即在选定的粘合操作中是活性的并粘合到网的其它纤维上；并且段的其它那些在粘合操作中是惰性的。“均匀直径”是指纤维在有效长度(即5厘米或更长)上具有基本相同的直径(变化为10％或更低)，其中可具有并典型地具有形态上的变化。优选地，活性纵向段在有用的粘合条件下(例如在足够低的温度下)充分软化，这样网就能自生粘合。
纤维优选为取向的，即纤维优选包括在纤维纵向上排列并固定(即被热捕获)到这种排列的分子。在优选实施方案中，纤维的惰性纵向段被取向至由典型的纺粘纤维网表现出的程度。在结晶或半结晶聚合物中，这种段优选表现出应变诱导或链延长的结晶(即纤维内的分子链具有通常沿纤维轴排列的晶序)。总体上，网能表现出类似于在纺粘网中得到的强度性能，同时可以典型纺粘网不能被粘合的方式牢固粘合。而且本发明的自生粘合网可在整个网中具有蓬松性和均匀性，这对于纺粘网所通常使用的点粘合或压延是不能得到的。
本文使用的术语“纤维”是指单组分纤维；双组分或组合纤维(为方便起见，术语“双组分”常用于指由两种组分组成的纤维和由两种以上组分组成的纤维)；和双组分纤维的纤维切片，即占据双组分纤维的部分横截面并在其长度上延伸的切片。通常优选单组分纤维网，由本发明提供的取向和粘合能力的组合使利用单组分纤维的可高强度粘合网成为可能。本发明的其它网包括双组分纤维，其中具有不同形态的所述纤维为多组分纤维的一种组分(或纤维切片)，即只占据纤维的部分横截面并沿纤维长度上连续。所述纤维(即纤维切片)可作为多组分纤维一部分执行粘合功能并提供高强度性能。
可通过成纤过程制备本发明的非织造纤维网，其中成纤材料的长丝被挤出，经受取向力，并在至少部分挤出长丝处于软化状态时穿过气流的湍流区，和在湍流区中的同时达到它们的冻结温度(例如长丝的成纤材料凝固的温度)。制造本发明的纤维网的优选方法包括：a)挤出成纤材料的长丝；b)引导长丝穿过其中气流对长丝施加纵向或取向应力的加工室；c)在长丝离开加工室后使它们穿过湍流区；和d)收集加工长丝；控制长丝的温度以便长丝在离开加工室后但被收集前至少部分凝固。优选地，加工室由两个平行的壁形成，至少一个壁能瞬时地向着或远离另一个壁移动，并在长丝穿进过程中受移动装置的控制以提供瞬时移动。
除了沿纤维长度上形态变化外，还可在本发明纤维网的纤维之间存在形态变化。例如，由于在湍流区中经历较少的取向，一些纤维具有比其它纤维大的直径。较大直径的纤维经常具有有序性较差的形态，且与较小直径的纤维相比，前者参与(即活性的)到粘合操作的程度不同，所述较小直径的纤维通常具有更高度发育的形态。本发明纤维网中的大多数粘合可能涉及这种较大直径的纤维，尽管不是必需，但它们本身经常在形态上变化。但在较小直径形态变化的纤维内出现的有序性较差的形态(并因此具有较低的软化温度)的纵向段优选也参与网的粘合。
在图中：
图1为用于形成本发明的非织造纤维网的装置的整体示意图。
图2为用于形成本发明的非织造纤维网的加工室的放大侧视图，室的安装装置未示出。
图3为图2中所示的加工室连同安装和其它辅助装置的部分示意的俯视图。
图4a、4b和4c为本发明网中通过示例性纤维粘合的示意图。
图5为本发明网的一部分的示意图，显示纤维交叉和彼此粘合。
图6、8和11为来自下述本发明两个加工实施例的示例性网的扫描子显微镜照片。
图7、9和10为在下述本发明加工实施例的示例性网上测量的双折射值的图形。
图12为下述加工实施例的网的差示扫描量热法点的图形。
图1显示了可用于制备本发明的非织造纤维网的示例性装置。在这种具体的示例性装置中，通过将成纤材料引入到料斗11内，在挤出机12内熔化材料，并通过泵13将熔化材料泵送到挤出头10内，从而将成纤材料送入到挤出头10中。尽管最常使用丸或其它颗粒形式的固体聚合物材料并将其熔化为液体的可泵送状态，但也可使用其它成纤液体如聚合物溶液。
挤出头10可为常规的喷丝头或喷丝组件，通常包括排列为规则图案的多个孔，如直排式。从挤出头中挤出成纤液体的长丝15并输送到加工室或缩束装置16。作为所需过程控制的一部分，可调整挤出长丝15在到达缩束装置16之前行进的距离17，这也就是它们被暴露的条件。典型地，通过常规方法和装置为挤出长丝提供一些空气或其它气体的骤冷流18以降低挤出长丝15的温度。有时，可加热骤冷流以得到所需的挤出长丝温度和/或有利于长丝拉伸。可存在一种或多种空气(或其它流体)流，例如，第一流18a横向吹到长丝流上，这可除去挤出过程中不想要的气体材料或释放的烟雾；和获得主要的所需温度降低的第二骤冷流18b。根据正使用的过程或所需的成品形式，骤冷流可足以使挤出长丝15在到达缩束装置16前部分凝固。但通常，在本发明的方法中，挤出长丝组分在进入缩束装置时仍处于软化或熔化状态。或者，不使用骤冷气流；在这种情况下，在挤出头10和缩束装置16之间的环境空气或其它流体可为如下介质，其用于挤出长丝组分在进入缩束装置前的任意温度变化。
如下文中更详细讨论地，长丝15穿过缩束装置16，然后离开。最常见的，如图1所示，它们离开到收集器19上，在那里它们被收集作为可以是或不是粘附的纤维团20，为可处理网的形式。收集器19通常为多孔的，并且在收集器下面可设置排气装置14以帮助纤维沉积到收集器上。
在缩束装置16和收集器19之间存在空气或其它流体的湍流区21。当穿过缩束装置的流到达缩束装置末端的无约束空间时发生湍流，在那里释放在缩束装置内存在的压力。流体流在离开缩束装置时扩大，并在扩大的流内形成漩涡。这些漩涡(来自主流在不同方向上流动的流体漩涡)使它们内部的长丝经受不同于长丝在缩束装置内部或上方通常经受的直线力的力。例如，长丝可在漩涡内经受往复拍打，并受到具有横切于纤维长度的矢量分量的力。
加工长丝是长的，并通过湍流区行进了一段曲折随机的路程。长丝的不同部分在湍流区内经受不同的力。某种程度上，在至少一些长丝部分上的纵向应力被减轻，因此那些部分变得比经受纵向应力作用更长时间的那些部分取向更少。
同时，长丝正冷却。可控制湍流区内长丝的温度，例如，通过控制长丝进入缩束装置时长丝的温度(例如通过控制挤出成纤材料的温度、挤出头和缩束装置之间的距离、和骤冷流的量和性质)、缩束装置的长度、长丝穿过缩束装置时的速度和温度、和缩束装置到收集器19的距离。通过使部分或全部长丝和其段在湍流区内冷却至长丝或段能凝固的温度，长丝不同部分经历的取向差异和相应的纤维形态变得冻结；即分子被热捕获到它们排列的位置。当纤维在收集器19上被收集时，至少在一定程度上在纤维内保留了不同纤维和不同段在穿过湍流区时经历的不同取向。
根据长丝的化学组成，可在纤维中得到不同种类的形态。如下面所讨论的，纤维内可能的形态形式包括无定形的、有序的或严格的无定形、取向无定形、晶体、取向或成形晶体、和延长链的结晶(有时称为应变诱导的结晶)。这些不同种类的形态中的不同形态可沿单一纤维的长度存在，或以不同量或不同有序或取向程度存在。并且这些差异可存在至纵向段在粘合操作中沿纤维长度具有区别性软化特性的程度。
在穿过所述的加工室和湍流区之后但在收集之前，挤出长丝或纤维可经历图1中未示出的多个辅助加工步骤，例如再次拉伸、喷涂等。收集时，收集纤维的整个团20可被输送到其它装置，如粘合烘箱、通风粘合器、压延机、压花台、层压机、切割机等；或可使它通过主动辊22并卷绕到存储卷筒23。最常见的是，将团输送到烘箱或通风粘合器中，在那里团被加热以产生能稳定或进一步稳定团作为可处理网的自生粘合。本发明特别用作直接网形成过程，其中成纤聚合物材料在一个基本直接操作(包括长丝挤出、长丝加工、长丝在湍流区中的凝固、加工长丝的收集，和如果需要，进一步加工以将收集团转变为网)中被转变成网。本发明的非织造纤维网优选包括直接收集的纤维或直接收集的纤维团，意思是指当纤维离开成纤装置时收集它们作为网状团(可与直接形成的纤维团一起收集其它组分如短纤维或粒子，这在后文中描述)。
或者，离开缩束装置的纤维可采取长丝、丝束或纱线的形式，它们可被卷绕到存储线轴上或被进一步加工。本文所描述的具有均匀直径和沿长度上发生形态变化的纤维被认为是新颖的和有用的。也就是说，如下纤维被认为是新颖的和有用的，其具有至少5厘米长的部分，该部分在直径上有10％或更少的变化但形态沿该长度变化，如实施例所示，形态变化包括在选定的粘合操作中存在活性和惰性段，或沿长度有不同的次序或取向程度，或后文中所述的测量沿纤维或纤维部分的长度上密度或双折射渐变的试验。这类纤维或纤维集合体经常在被切碎至梳理长度并任选地与其它纤维混合后被形成为网，并组合成为非织造网形式。
图1所示的装置在实施本发明方面是有利的，因为它允许对穿过缩束装置的长丝的温度进行控制，允许长丝快速穿过室，并能在长丝上施加在长丝上引入所需高取向度的高应力。(在2001年4月16日提交的美国专利申请序列号09/835904和2001年11月8日提交的PCT/US01/46545并于2002年7月18日公布为WO 02/055782的相应PCT申请中也已描述了图中所示的装置，这两篇文献引入本文以供参考)。图2和图3中进一步示出了装置的一些有利特征，图2为典型加工设备或缩束装置的放大侧视图，图3为图2中所示的加工装置连同安装和其它辅助装置的部分示意的俯视图。示例性的缩束装置16包括两个可活动的半区或分开的侧16a和16b，以便在它们中间形成加工室24：侧16a和16b的相对面形成室的壁。从图3的俯视图看出，加工室或缩束室24通常为狭长的槽，具有横向长度25(横过于长丝通过缩束装置行进的路径)，其可随正被加工的长丝的数量变化。
尽管以两个半区或两侧的形式存在，但缩束装置用作一个整体装置并首先以其组合形式讨论。(图2和3所示的结构仅是代表性的，可使用各种不同的构造)。典型的缩束装置16包括倾斜的入口壁27，其限定了缩束室24的入口空间或喉道24a。入口壁27优选在入口缘或表面27a处弯曲以使携带挤出长丝15的空气流平稳进入。壁27连接到主体部分28上，并可具有凹陷区域29以在主体部分28和壁27之间形成间隙30。空气可通过管道31引入到间隙30内，形成能提高穿过缩束装置的长丝速度的气刀(如箭头32所示)，并且还具有对长丝的进一步骤冷影响。缩束装置主体28优选在28a处弯曲以使空气从气刀32平稳移动到通道24。可选择缩束装置主体的表面28b的角度(α)以确定气刀冲进穿过缩束装置的长丝流的所需角度。代替在室入口附近，气刀还可被设置在室内。
缩束室24可在其贯穿缩束装置的纵向长度(沿贯穿缩束室的纵轴26的尺寸称为轴向长度)上具有一致的间隙宽度(在两个缩束装置侧之间的图2页面上的水平距离33在本文中称为间隙宽度)。或者，如图2所示，间隙宽度可沿缩束室的长度变化。优选地，缩束室在缩束装置内部较窄；例如如图2所示，在气刀位置处的间隙宽度33为最窄的宽度，并且缩束室在沿其长度向着离去出口34方向上宽度扩大，如以角β。这种在缩束室24内部的变窄然后变宽形成了文丘里(Ventruri)效应，其能增加被引入到室内的空气团并增加穿过室的长丝速度。在不同的实施方案中，缩束室由直或平的壁形成；在这类实施方案中，壁之间的间隔在它们的长度上可为恒定的，或可替换地，壁在缩束室的轴向长度上轻微分开或会聚。在所有这些情况下，形成缩束室的壁在本文中被认为是平行的，因为这相对精确平行的偏差是相当微小的。如图2所示，形成通道24纵向长度的主体部分的壁可采取与主体部分28分开并连接到其上的板36的形式。
可改变缩束室24的长度以获得不同的效果；改变对气刀32和离去出口34之间的部分尤其有用，有时本文中称其为斜槽长度35。室壁和轴26之间的角度可在出口34附近较宽以改变纤维到收集器上的分布以及改变在缩束装置出口流动区的湍流和模式。还可在出口处使用结构如偏转表面、柯恩达(Coanda)弯曲表面和不均匀壁长以获得所需的流动力场以及纤维的铺展或其它分布。通常，结合正加工的材料和所需的处理模式选择间隙宽度、斜槽长度、缩束室形状等以获得所需效果。例如，较长的斜槽长度可用于提高制备纤维的结晶度。选择条件并可宽范围地改变条件以将挤出长丝加工成所需的纤维形式。
如图3所示，典型缩束装置16的两侧16a和16b各自通过连接到在杆39上滑动的直线轴承38的固定件37支撑。轴承38通过装置如环绕杆径向布置并在轴向上延伸的成排滚珠轴承而在杆上具有低摩擦行程，从而侧16a和16b可容易地彼此对着和背离移动。固定件37连接到缩束装置主体28和壳40上，来自供应管41的空气通过壳40分布到管道31和气刀32上。
在这种示例性实施方案中，气缸43a和43b通过连接杆44分别连接到缩束装置侧面16a和16b上，并施加彼此相对的挤压缩束装置侧面16a和16b的夹紧力。结合其它操作参数选择夹紧力，以便平衡缩束室24内部存在的压力。换句话说，在优选操作条件下，夹紧力与在缩束室内内部作用以挤压缩束装置侧面分开的力平衡，例如在缩束装置内部由气体压力产生的力。可挤出长丝材料，穿过缩束装置并收集为成品纤维，同时缩束装置部件保持在它们已建立的平衡或稳态位置，缩束室或通道24保持在其已建立的平衡或稳态间隙宽度。
在图1至3所示的典型装置的操作过程中，只有当存在系统扰动时通常才出现缩束装置侧面或室壁的移动。这种扰动可能在正被加工的长丝断裂或与其它长丝或纤维缠结时出现。这种断裂或缠结经常伴随着缩束室24内压力的升高，例如由于来自挤出头或缠结的长丝的前端被扩大并造成室24的局部堵塞。升高的压力足以迫使缩束装置侧面或室壁16a和16b彼此离开。当室壁有这种移动时，进入的长丝或缠结的末端可穿过缩束装置，于是缩束室24中的压力在扰动前返回到其稳态值，气缸43施加的夹紧压力使缩束装置侧面返回到它们的稳态位置。导致缩束室内压力上升的其它扰动包括“滴液”，即当挤出长丝中断时从挤出头出口落下的成纤材料的球状液体块，或可结合并粘附到缩束室壁或先前沉积的成纤材料上的挤出长丝材料的积聚物。
实际上，缩束装置侧面16a和16b的一个或两个“浮动”，即不用任何结构固定在适当的位置，而是被安装以在图1箭头50的方向上横向地自由容易地移动。在优选的布置中，除了摩擦力和重力外，作用在缩束装置侧面上的唯一的力是由气缸和缩束室24内形成的内压施加的偏置力。可使用除气缸外的其它夹紧工具，如弹簧、弹性材料的变形体或凸轮；但气缸提供了理想的控制和可变性。
存在多种替代方式来促使或允许加工室壁的理想移动。例如，取代依靠流体压力迫使加工室的壁分开，可使用在室内的传感器(例如能检测壁上的堆积或室堵塞的激光或热传感器)激活能分开壁的伺服机构，然后使它们返回到其稳态位置。在本发明的另一有用装置中，以振荡模式驱动缩束装置侧面或室壁的一个或两个，例如通过伺服机构、振动或超声驱动设备。振荡速率可在宽范围内变化，包括例如至少5000周期/分钟到60000周期/秒的速率。
在又一变化形式中，用于既分开壁又使它们返回到其稳态位置的移动方式简单地采取在加工室内部的流体压力和作用在室壁外部上的环境压力之间差异的形式。更具体的说，在稳态操作期间，加工室内部的压力(形成的在加工室内部作用的各种力的叠加，例如，由加工室的内部形状、气刀的存在、位置和设计、进入室的流体流的速度等形成)与作用在室壁外部的环境压力平衡。如果室内部的压力由于成纤过程的扰动升高，则室壁的一个或两个从另一个壁离开直到扰动结束，于是加工室内部的压力被降低到低于稳态压力的水平(因为室壁之间的间隙宽度比在稳态操作时大)。于是，作用在室壁外部的环境压力迫使室壁后退直到室内部的压力与环境压力平衡，从而稳态操作出现。对装置和加工参数控制的缺乏使对压差的单独依赖成为欠理想的选择。
总之，除了能瞬时移动和某些情况下“浮动”外，加工室的壁还通常服从于促使它们以理想方式移动的装置。壁可被认为通常与引起壁理想移动的装置连接，例如在物理上或运行上。移动方式可以是加工室或辅助装置的任意特征、或操作条件或其组合，其引起可移动室壁的目的移动--分开移动，如阻止或减轻成纤过程中的扰动，和一起移动，如建立或使室返回到稳态操作。
在图1至3所示的实施方案中，缩束室24的间隙宽度33与室内部存在的压力或与通过室的流体流速和流体温度相关。夹紧力与缩束室内部的压力匹配并随缩束室的间隙宽度而变化：对于给定的流体流速，间隙宽度越窄，缩束室内部的压力越高，从而夹紧力必须越高。较低的夹紧力允许较宽的间隙宽度。可在缩束装置侧面16a和16b的一个或两个上使用机械堵塞如对接结构确保保持最小或最大间隙宽度。
在一种有用的布置中，气缸43a比气缸43b施加较大的夹紧力，例如在气缸43a中使用比气缸43b所用活塞直径较大的活塞。在操作过程中发生扰动时，这种力的差异确保使缩束装置侧面16b作为往往最容易移动的侧面。这种力的差异约等于并补偿了抵抗轴承38在杆39上移动的摩擦力。可将限制装置连接到较大的气缸43a上以限制缩束装置侧面16a向缩束装置侧面16b移动。如图3所示，一种示例性限制装置使用双杆气缸作为气缸43a，其中第二杆46有螺纹，延伸通过固定板47，并带有可被调节以调整气缸位置的螺母48。限制装置的调节例如通过旋转螺母48使缩束室24定位到与挤出头10对齐。
由于上述的缩束装置侧面16a和16b的瞬时分开和再闭合，因而扩展了成纤操作的操作参数。先前使过程不能工作的一些条件(例如，因为它们将导致需要停工以重新穿进的长丝断裂)变得可以接受；当长丝断裂时，进入长丝端的重新穿进通常自动发生。例如，可使用导致频繁长丝断裂的较高速度。类似地，可使用狭窄的间隙宽度，其能使气刀更集中并给予穿过缩束装置的长丝更多的力和更大的速度。或以更熔融的状态将长丝引入到缩束室内，从而允许对纤维性质有更大的控制，因为降低了堵塞缩束室的危险。可移动缩束装置离挤出头更近或更远以控制尤其是长丝在进入缩束室时的温度。
尽管缩束装置16的室壁通常显示为整体结构，但它们也可采取单独部件的组合形式，其中单独部件各自被安装用于上述瞬时或浮动移动。单独部件包括一个壁通过密封装置与另外一个咬合以便保持加工室24内部的内压。在一种不同的布置中，柔性材料片如橡胶或塑料形成加工室24的壁，从而当压力局部升高(如由于单根长丝或长丝束断裂造成的堵塞)时，室能局部变形。一系列或格式偏置装置可咬合分段的或柔性壁；使用足够的偏置装置响应局部变形并偏置壁的变形部分恢复到其未变形位置。或者，一系列或格式振荡装置可咬合柔性壁并振荡壁的局部区域。或者，按照上述方式，可使用加工室内部流体压力和作用在壁或壁局部部分上的环境压力之间的差促使一部分壁打开(如在处理扰动时)，和使壁返回到未变形或稳态位置(如在扰动结束时)。还可控制流体压力以引起柔性或分段壁的振荡持续状态。
可以看到，在图2和3所示的加工室的优选实施方案中，在室横向长度的末端没有侧壁。结果是穿过室的纤维在它们接近室的出口时会向外铺展到室外部。这种铺展是所需要的以扩大收集器上收集的纤维团。在其它实施方案中，加工室确实包括侧壁，可是在室一个横向末端处的单个侧壁未连接到室侧面16a和16b上，因为如上所述，到两个室侧面的连接将妨碍侧面的分开。代替地，侧壁可连接到一个室侧面上，并当和如果这个侧面响应通道内压力的变化移动时，侧壁随这个侧面移动。在其它实施方案中，侧壁是分开的，一部分连接到一个室侧面上，另一部分连接到另外的室侧面上，如果需要限制加工室内的加工纤维流，则侧壁部分优选重叠。
尽管所示装置(其中壁可瞬时移动)是更优选的，但本发明还可用使用现有技术中教导的加工室的装置运行，其中限定加工室的壁在位置上固定，通常便利性和效率较低。
可使用各式各样的成纤材料制造本发明的纤维网。可使用有机聚合物材料或无机材料如玻璃或陶瓷材料。尽管本发明特别适用于熔融形式的成纤材料，但也可使用其它成纤液体如溶液或悬浮液。可使用任何成纤有机聚合物材料，包括成纤中常用的聚合物如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙和氨基甲酸乙酯。可使用通过纺粘或熔吹技术较难形成纤维的一些聚合物或材料，包括非晶态聚合物如环烯(具有限制它们在常规直接挤出技术中应用的高熔融粘度)、嵌段共聚物、苯乙烯基聚合物、聚碳酸酯、丙烯酸树脂、聚丙烯腈和胶粘剂(包括压敏种类和热熔种类)。(对于嵌段共聚物，应注意到共聚物的单独段可在形态上变化，如当一段为结晶或半结晶的时另一段为无定形的；本发明的纤维表现出的形态变化不是这种变化，而是更宏观的性质，其中若干分子参与形成通常物理上可识别的纤维部分)。本文列出的具体聚合物仅是示例，各式各样的其它聚合物材料或成纤材料都是有用的。有趣地是，本发明使用熔融聚合物的成纤过程可经常在比传统直接挤出技术低的温度下进行，这提供了大量优点。
还可由材料的混合物形成纤维，包括已混合了一定添加剂如颜料或染料的材料。如上所述，可制备双组分纤维，如皮芯型或并列型双组分纤维(本文的“双组分”包括具有两种以上组分的纤维)。另外，可通过挤出头的不同孔挤出不同的成纤材料，以便制备包括纤维混合物的网。在本发明的其它实施方案中，可在收集纤维前或收集纤维时将其它材料引入到根据本发明制备的纤维流中，以便制备混合网。例如，可按照美国专利No.4118531中教导的方式混合其它人造纤维；或可按照美国专利No.3971373中教导的方式在网内引入颗粒材料并俘获；或可将美国专利No.4813948中教导的微型网混入到网中。或者，可将根据本发明制备的纤维引入到其它纤维流中以制备纤维混合物。
除了上述纤维和段之间取向的变化，本发明的网和纤维能表现出其它独特的特性。例如，在一些收集网中，发现了中断即断裂、或与它们自身或其它纤维缠绕、或另外在咬合加工室壁时变形的纤维。在中断位置处的纤维段即在纤维断裂点处的纤维段和发生缠绕或变形的纤维段在本文中均被称为中断纤维段，或更一般地为了简写目的，经常简单地称为“纤维端”：这些中断纤维段形成纤维末受影响长度的终点或末端，即使在缠绕或变形的情况下，也经常没有实际的纤维断裂或切断。
纤维端具有纤维形式(和熔吹或其它先前方法中有时得到的球形相反)但通常在直径上扩大超过纤维的中间或中部；通常它们直径小于300微米。通常，纤维端尤其是断裂端具有卷曲或螺旋形状，这导致端与它们自身或其它纤维缠绕。纤维端可被并列地与其它纤维粘合，例如通过纤维端材料与邻近纤维的材料自生聚结。
所述纤维端出现是由于图1至3所示成纤过程独特的特性，其(这在下文中更详细地描述)能继续而不管个别成纤中的断裂和中断。这种纤维端可能不会在本发明所有的收集网中出现，但可至少在一些有用的操作过程参数中出现。个别纤维可经历中断，例如可在加工室中被拉伸时断裂，或由于从加工室的壁偏斜或由于加工室内的湍流而与它们自身或另外的纤维缠绕；尽管有这种中断，但本发明的成纤过程仍能继续。结果是收集网可包括大量的可检测数量的纤维端，或纤维中存在不连续的中断纤维端。由于中断一般在加工室中或加工室后发生，而在加工室中纤维一般受到拉伸力，因此当纤维断裂、缠绕或变形时它们处于张力下。断裂或缠绕通常导致张力的中断或释放并使纤维端缩回和直径增长。另外，断裂端能够自由在加工室中的流体流内移动，这至少在某些情况下导致端卷成螺旋形状并与其它纤维缠绕。包括纤维端扩大的纤维的网可具有这样的优点，即纤维端可包括适于增加网粘合的更易软化的材料；并且螺旋形状能提高网的粘结性。尽管为纤维形式，但纤维端仍具有比中间或中部大的直径。中断纤维段或纤维端通常少量出现。纤维的中间主要部分(“中部”包括“中间段”)具有上述特性。中断是孤立和随机的，即它们不会以有规律的重复性或预定的方式出现。
上述位于中间的纵向段(本文中经常简单地称为纵向段或中间段)不同于刚才讨论的纤维端，其中，因为纵向段通常具有与相邻纵向段相等或相近的直径。尽管作用在相邻纵向段上的力可完全彼此不同以导致段间形态的上述差异，但力不能不同到可充分改变纤维内部相邻纵向段的直径或拉伸比。优选地，相邻纵向段在直径上差异不超过约10％。更常见的，本发明的网中纤维的有效长度(如5厘米或以上)在直径上变化不超过约10％。这种直径均匀性是有利的，例如，因为它有助于网内部性质的均匀性，并考虑到有蓬松性的低密度网。当在没有网的点粘合或压延中出现的大量纤维变形的情况下粘合本发明的网时，可进一步提高这种性质和蓬松性的均匀性。在整个纤维长度中，直径可充分变化(但优选不变化)超过10％；但变化是逐步的以便相邻纵向段具有相同或相近的直径。纵向段可在长度上广泛地变化，从非常短的同纤维直径(如约10微米)一样长的长度到较长的长度如30厘米或更长。通常，纵向段在长度上小于约2毫米。
尽管在本发明的网中相邻纵向段不能在直径上差别太大，但在纤维和纤维之间可存在直径上的明显变化。总体上，特殊纤维在作用在纤维的力的合力上可经历与另外的纤维明显的差异，这些差异可导致特殊纤维的直径和拉伸比不同于其它纤维的那些。较大直径的纤维往往比较小直径的纤维具有较小的拉伸比和较少发育的形态。较大直径的纤维在粘合操作中比较小直径的纤维更有活性，尤其在自生粘合操作中。在网内，主要的粘合可从较大直径的纤维得到。但是，我们也观察到粘合似乎更可能在较小直径的纤维之间发生的网。通常可通过控制成纤操作中的各种参数控制网内纤维直径的范围。总是优选直径的窄范围，例如，为了使网的性能更均匀并使为实现粘合而施加到网的热最少。
尽管网内充分存在形态上的差异用于提高粘合，但纤维还可在形态上充分发育以提供理想的强度性能、耐久性和尺寸稳定性。纤维本身可是坚固的，由于更有活性的粘合段和纤维获得的改进粘合进一步提高了网强度。良好的网强度与提高的便利性和粘合性能的组合实现了本发明的网的良好效用。在为结晶和半结晶聚合物材料时，本发明的优选实施方案提供了在纤维中包括链延长的结晶结构(还称为应变诱导的结晶)的非织造纤维网，从而提高了网的强度和稳定性(可通过X射线分析检测链延长的结晶以及其它种类的结晶)。那种具有自生粘合有时为圆周渗透粘合的结构的组合是更有利的。网的纤维可在其大部分长度上直径相当均匀并与其它纤维无关以获得具有理想蓬松性性能的网。可得到90％或更高的蓬松性(与密实性相对并包括网中空气的体积与网总体积的比乘以100)和用于多种目的如过滤或绝缘。甚至低取向的纤维段也优选经受一些能沿纤维总长度提高纤维强度的取向。
总之，本发明的纤维网通常包括纵向段在形态上彼此不同和具有相应粘合特性的纤维，其还可包括能表现出与纤维中至少部分其它段不同的形态和粘合特性的纤维端；纤维网还可包括直径彼此不同并在形态和粘合特性上与网内其它纤维有差异的纤维。
其它非结晶的成纤材料也能从高取向度中受益。例如，聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的非结晶形式在高度取向时能提供改善的机械性能。这类聚合物的纤维的形态可沿纤维的长度变化，例如，从无定形到有序无定形到取向无定形到不同的有序或取向程度。(申请序列号10/151780，2002年5月20日提交(代理档案号57738US002)，特别涉及到非织造的无定形纤维网及其制造方法，本文引入作为参考。)
长丝中聚合物链的最终形态既受湍流区的影响又受其它操作参数选择的影响，如进入缩束装置的长丝的凝固程度、通过气刀引入到缩束装置的气流的速度和温度、和缩束装置通道的轴向长度、间隙宽度和形状(因为例如形状影响文丘里效应)。
当粘合段充分流动形成如示意图4a和4b所示的圆周渗透型粘合时得到最佳粘合。这种粘合在粘合纤维之间形成更广泛的接触，增大的接触面积提高了粘合强度。图4a图示了一个纤维或段52变形而另一纤维或段53基本上保持其横截面形状的粘合。图4b图示了两个纤维55和56被粘合并且各自横截面形状变形的粘合。在图4a和图4b中，都显示了圆周渗透粘合：图4a中的虚线54显示了纤维52除由纤维53的渗透引起的变形外的形状；图4b中的虚线57和58显示了纤维56和55除粘合外分别具有的形状。图4c示意图示了在可不同于圆周渗透粘合的粘合中粘合在一起的两个纤维，其中来自纤维中一个或多个的外部(如同中心部分)的材料结合将两个纤维连接在一起而实际上没有渗透纤维中任何一个的圆周。
图4a-4c中图示的粘合可为自生粘合，例如通过在不施加压延压力的情况下加热本发明的网得到。这种粘合使网手感更柔软并在压力下蓬松性保持力更大。但是，如在点粘合或大面积压延中的压力粘合也是有用的。还可通过应用红外线、激光、超声波或其它能热激活或另外激活纤维间粘合的能量形式形成粘合。还可使用溶剂涂敷。当网只受只有助于部分粘合的有限压力时，网既能表现出自生粘合又能表现出压力成形粘合。具有自生粘合的网在本文中被视为被自生地粘合，即使还存在有限数量的其它种类的压力成形粘合。通常，在实施本发明时，理想地选择这样的粘合操作，即使一部分纵向段软化并在粘合到相邻纤维或纤维部分的粘合中具有活性，而其余的纵向段在获得粘合时保持惰性或没有活性。
图5图示了在本发明的非织造纤维网中使用的纤维的活性/惰性段特征。图5中所示的纤维集合体包括沿整个长度上为活性的纵向段(在图5边界内)、在整个长度上为惰性的纵向段和既包括活性纵向段又包括惰性纵向段的纤维。用断面线描述的纤维部分是活性的，没有断面线的部分是惰性的。尽管为了说明目的将活性和惰性纵向段之间的边界描述得明显，但应理解到边界在实际纤维中可较缓和。
更具体地说，纤维62在图5的边界内被描述为完全惰性。纤维63和64在图5的边界内被描述为既有活性段又有惰性段。纤维65在图5的边界内被描述为完全活性。纤维66在图5的边界内被描述为既有活性段又有惰性段。纤维67被描述为沿其整个长度是活性的，这在图5内看到。
纤维63、64和65之间的交点70一般会引起粘合，因为在那个交点处的所有纤维段是活性的(本文中的“交点”是指纤维彼此接触的位置；一般需要样品网的三维观察来检查是否存在接触和/或粘合)。纤维63、64和66之间的交点71一般也会引起粘合，因为纤维63和64在那个交点处是活性的(尽管纤维66在交点处是惰性的)。交点71图示了这样的原则，即在活性段和惰性段彼此接触的地方，一般会在那个交点处形成粘合。在纤维62和67交叉的交点72处也看到这种原则，在纤维67的活性段和纤维62的惰性段之间形成了粘合。交点73和74图示了在纤维65和67(交点73)的活性段和纤维66和67(交点74)的活性段之间的粘合。在交点75处，一般在纤维62的惰性段和纤维65的活性段之间形成粘合。但是，一般不会在也在交点75处交叉的纤维62的惰性段和纤维66的惰性段之间形成粘合。因此，交点75图示了两个彼此接触的惰性段一般不会引起粘合的原则。交点76一般包括纤维62的惰性段和在这个交点处会合的纤维63和64的活性段之间的粘合。
纤维63和64图示了在两个纤维63和64沿它们的部分长度彼此邻接放置的地方，纤维63和64一般会粘合，只要纤维中的一个或两个是活性的(这种粘合可在纤维制备过程中发生，其在本文中被视为自生粘合)。因此，纤维63和64被描述为在交点71和76之间彼此粘合，因为两个纤维在那段距离内是活性的。另外，在图5的上端，纤维63和64在只有纤维64是活性的地方也是粘合的。相反，在图5的下端，纤维63和64在两个纤维转变到惰性段处分叉。
可在本发明纤维的不同段(内部段以及纤维端)上进行分析比较以说明不同的特性和性能。密度的变化经常伴随着本发明纤维形态的变化，一般可用本文中限定的沿纤维长度的密度梯度试验(Test forDensity Gradation Along Fiber Length)(有时更简单地称为梯度密度试验)检测密度的变化。这个试验基于ASTM D1505-85中描述的密度-梯度技术。这项技术使用密度-梯度管即充满有至少两种不同密度液体混合的溶液的量筒或管来提供在管高度上的密度梯度。在标准试验中，液体混合物充满管至至少60厘米的高度，以便在液体混合物密度中提供所需的逐渐变化。液体的密度应在柱的高度内以约0.0030和0.0015克/立方厘米/厘米柱高之间的速度变化。将来自被试验的纤维或网样品的纤维块切至长度为1.0毫米并投入管中。在至少三个分开至少3英寸(7.62厘米)的位置处取网样品。在没有拉力下在玻璃板上伸展纤维并用剃刀切割。使用40mm长、22mm宽和0.15mm厚的玻璃板从切割纤维块的玻璃板上刮去切割的纤维块。在将纤维放入到柱中前，用β辐射源为纤维除去离子30秒。
在进行密度和纤维位置测量前，使纤维原地沉降48小时。块在柱中沉降至它们的密度水平，并从水平变化到垂直的占据位置，根据它们在长度上密度是否有变化：等密度块占据水平位置，而密度变化的块偏离水平并占据较垂直的位置。在标准试验中，将二十个来自被试验样品的纤维块送入到密度-梯度管中。一些纤维块可靠着管壁被接合，其它纤维块可与其它纤维块成束状。这种接合的或成束的纤维被忽略，只考虑自由的块-未接合的和未成束的。如果送入到柱中的20个块少于一半保持为自由的块，则必须重新进行试验。
视觉上得到角度测量值至最接近的5度增量。弯曲纤维的角度处理基于弯曲纤维中点处的切线。在本发明的纤维或网的标准试验中，通常至少5个自由块在试验中占据与水平方向至少30度的位置。更优选地，至少一半的自由块占据这种位置。另外，更优选地，块(至少5个并优选至少一半自由块)占据与水平方向45度或更多的位置，或甚至与水平方向60或85度或更多的位置。与水平方向的角度越大，密度上的差异就越大，这往往与形态上较大的差异有关，从而使区别活性段和惰性段的粘合操作更可能并更方便地实现。另外，排列在与水平方向一个角度的纤维块的数目越大，形态上的变化往往就越普遍，这进一步有助于得到所需的粘合。
由结晶聚合物制备的本发明的纤维经常显示出段与段之间双折射上的差异。通过用偏振光显微镜观察单个纤维并使用Michel-Levy图估计延迟值(参见On-Line Determination of Density and CrystallinityDuring Melt Spinning，Vishal Bansal等人Polymer Engineering andScience，November 1996，Vol.36，No.2，第2785-2798页)，用以下公式得到双折射：双折射＝延迟(nm)/1000D，其中D为以微米表示的纤维直径。我们发现本发明的对双折射测量敏感的纤维通常包括双折射值相差至少5％并优选至少10％的段。较大的差异经常如下面的加工实施例所示出现，本发明的一些纤维包括双折射值相差20或甚至50％的段。
不同的纤维或纤维部分还可表现出用差示扫描量热法(DSC)测量的性能上的差异。例如，在本发明包括结晶或半结晶纤维的网上的DSC试验可利用双熔融峰的存在揭示链延长结晶的存在。对于链延长或应变诱导的结晶部分的熔点可得到较高温度的峰；另外，通常较低温度的峰出现在非链延长或有序性差的结晶部分的熔点处。(本文的术语“峰”是指可归因于单一过程的加热曲线部分，例如纤维的特殊分子量部分如链延长部分的熔融；有时，峰彼此充分靠近，从而一个峰具有曲线突出部分限定出另外的峰的外观，但它们仍被视为单独的峰，因为它们代表截然不同的摩尔分数的熔点。)
在另一个例子中，使用未加工的无定形聚合物(即用于形成本发明纤维的聚合物的小球)、根据本发明制造的无定形聚合物纤维和模拟粘合后的本发明的无定形聚合物纤维(加热以模拟例如自生粘合操作)得到数据。
形成的无定形聚合物纤维和模拟粘合后的无定形聚合物纤维之间的热性能差异表明形成纤维的加工以提高粘合能力能的方式显著影响无定形聚合物材料。所有的形成纤维和模拟粘合后的纤维的MDSC(调制差示扫描量热法)扫描呈现出明显的热应力释放，其可为形成纤维和模拟粘合后的纤维两者中有效取向水平的证明。例如，可通过在比较形成的无定形聚合物纤维与模拟粘合后的无定形聚合物纤维时扩大玻璃化转变范围来证明应力释放。尽管不希望受理论束缚，但可描述出本发明的无定形聚合物纤维部分表现出有序的局部分子结构压缩，有时称为刚性或有序的无定形部分，是在成纤过程中长丝热处理和取向联合的结果(参见如P.P.Chiu等人，Macromolecules，33，9360-9366)。
用于制造纤维的无定形聚合物的热行为明显不同于模拟粘合前或后的无定形聚合物纤维的热行为。这种热行为可优选包括例如玻璃化转变范围的变化。因而，与处理前的聚合物相比，使本发明的聚合物纤维具有扩大的玻璃化转变范围的特征是有利的，其中聚合物纤维的玻璃化转变范围的开始温度(即软化开始出现的温度)和结束温度(即基本上全部聚合物达到橡胶相的温度)以增加整个玻璃化转变范围的方式移动。换句话说，开始温度降低，结束温度增加。在某些情况下，只有玻璃化转变范围的结束温度增加就是足够的。
扩大的玻璃化转变范围可提供更宽的过程时间，其中在聚合物纤维保持其纤维形状的同时可实现自生粘合(因为纤维中的全部聚合物不会在已知纤维的较窄玻璃化转变范围内软化)。应注意到优选相对于已通过加热和冷却除去残余应力后的起始聚合物的玻璃化转变范围测量扩大的玻璃化转变范围，其中残余应力可能是因为例如将聚合物加工成小球用于分布时存在。
此外，不希望受理论束缚，可认为纤维中无定形聚合物的取向可导致玻璃化转变范围开始温度的降低。在玻璃化转变范围的另一端，这些由于上所述加工而达到刚性或有序无定形相的无定形聚合物纤维部分可提供升高的玻璃化转变范围的结束温度。因此，制造时纤维的拉伸或取向变化可用于改变玻璃化转变范围的扩大，例如提高扩大或减小扩大。
当通过在烘箱中加热粘合本发明的网时，可改变纤维段形态。烘箱的加热具有退火效应。因此，当取向纤维在加热时具有收缩趋势(其可通过存在链延长或其它类型的结晶而被最小化)时，粘合操作的退火效应连同粘合本身的稳定效应可减轻收缩。
根据本发明制备的纤维的平均直径可在宽范围内变化。可得到微纤维尺寸(直径约10微米或更小)，并提供若干益处；但也可制备较大直径的纤维并用于特定用途；通常纤维直径为20微米或更小。最常制备圆形横截面的纤维，但也可使用其它横截面形状。依赖于选择的操作参数，例如进入缩束装置前来自熔融态的凝固程度，收集纤维可为相当连续的或基本上不连续的。
使用如图1至3所示装置的成纤具有这样的优点，即能以非常快的速度处理长丝，而这种速度在使用加工室来提供挤出长丝材料的主要缩束的直接网形成过程中不能使用。例如，已知不能在使用这种加工室的过程中以8000米/分钟的表观长丝速度处理聚丙烯，但用这种装置时这样的表观长丝速度是可以的(使用术语表观长丝速度，是因为例如由聚合物流速、聚合物密度和平均纤维直径来计算速度)。甚至已获得了更快的表观长丝速度，例如10000米/分钟，或甚至14000或18000米/分钟，可使用许多聚合物得到这些速度。另外，可在挤出头的每个孔中处理大量聚合物，这些大量聚合物被加工而同时高速移动挤出的长丝。这种结合产生高生产指数--聚合物通过量速度(如以克/孔/分钟表示)乘以挤出长丝的表观速度(如以米/分钟表示)。可容易地以9000或更高的生产指数实施本发明的过程，即使在生产直径平均为20微米或更小的长丝时。
当长丝进入或离开缩束装置时，可使用各种常规用作成纤过程辅助过程的过程与长丝结合，如喷洒修整剂或其它材料到长丝上，施加静电荷到长丝上，应用水雾等。另外，可向收集网中加入各种材料，包括粘合剂、胶粘剂、修整剂和其它网或膜。
尽管一般没有理由这么做，但可按照常规熔吹操作中使用的方式用主气流从挤出头中吹出长丝。这种主气流引起长丝的最初缩束和拉伸。
实施例1至4
使用图1至3所示的装置由本征粘度为0.60的聚对苯二甲酸乙二醇酯(3M PET树脂651000)制备四种不同的纤维网。在四个实施例的每一个中，都将PET在挤出机中加热至270℃(温度在挤出机12中靠近泵13出口处测得)，并将模加热至如下面表1所列的温度。挤出头或模有四排孔，每排有21个孔，总共84个孔。模有4英寸(101.6毫米)的横向长度。孔直径为0.035英寸(0.889mm)，L/D比为6.25。聚合物流速为1.6克/孔/分钟。
模和缩束装置之间的距离(图1中的尺寸17)为15英寸(约38厘米)，缩束装置到收集器的距离(图1中的尺寸21)为25英寸(略微小于64厘米)。气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.030英寸(0.762毫米)；缩束装置主体角度(图2中的α)为30°；使室温空气通过缩束装置；缩束装置斜槽的长度(图2中的尺寸35)为6.6英寸(167.64毫米)。气刀具有约120毫米的横向长度(图3中槽长度25的方向)；形成气刀凹槽的缩束装置主体28具有约152毫米的横向长度。连接到缩束装置主体的壁36的横向长度为5英寸(127毫米)。
其它缩束装置参数还按下面表1所述变化，包括在缩束装置顶部和底部的间隙(在图2中分别为尺寸33和34)；和通过缩束装置的空气的总体积(以实际立方米/分钟或ACMM表示；大约列出体积的一半通过每个气刀32)。
表1
实施例号     模温度(℃)   缩束装置顶部间隙(mm)   缩束装置底部间隙(mm)   缩束装置气流(ACMM)
    1     270     5.74     4.52     2.35
    2     270     6.15     4.44     3.31
    3     270     4.62     3.68     3.93
    4     290     4.52     3.68     4.81
在常规多孔网形成收集器上在未粘合条件下在尼龙纺粘稀松布上收集纤维网。然后使网通过120℃的烘箱10分钟，同时被抓在阻止网收缩的针板上。后一步骤引起如图6所示的网内的自生粘合，图6为实施例1的部分网的扫描电镜图片(150×)。
使用偏振光显微镜在制备的网上进行双折射研究，以检查网内和纤维内的取向程度。在纤维的不同纵向段上按常规地观察到不同颜色。使用Michel-Levy图估计延迟，并确定双折射值。在图7中图形化描述了在每个实施例的网的研究中的范围和平均双折射。纵坐标以双折射单位绘制，横坐标以表现出具体双折射值的纤维段对四个实施例中的每一个出现的不同比例绘制。
还分析每个实施例以识别等直径纤维中双折射的变化。研究等直径纤维，但研究的纤维截面不必来自相同纤维。下面的表2中提供了实施例4得到的结果。显然，也检测到不同的颜色。对于其它实施例，也发现了等直径时双折射的类似变化。
表2
    纤维直径(μm)     延迟(nm)  双折射     通过偏振光显微镜看到的纤维颜色
    13.0     400  0.0307     黄色
    13.0     580  0.0445     紫色
    13.0     710  0.0544     蓝色
    13.0     810  0.0621     绿色
还在单个纤维内发现了双折射的变化，如下面的表3所示，其来自实施例4网的两个纤维的研究。
表3
纤维   位置     双折射(Levy)     双折射差异(a)％   双折射(Berek)   双折射差异(b)％
纤维1     1     0.037 48   0.0468 63
    2     0.019   0.0173
纤维2     1     0.066 56   0.0725 62
    2     0.029   0.0271
实施例5至8
在图1至3所示装置上由聚对苯二甲酸丁酯(Ticona供应的PBT-1；密度为1.31g/cc，熔点227℃，玻璃化转变温度66℃)制备纤维网。挤出机温度设在245℃，模温度为240℃。聚合物流速为1克/孔/分钟。模和缩束装置之间的距离为14英寸(约36厘米)，缩束装置到收集器的距离为16(约41厘米)。另外的条件在表4中指明，其它参数通常如实施例1至4所给出。
表4
实施例号 缩束装置顶部间隙(mm) 缩束装置底部间隙(mm)   缩束装置气流(ACMM)
    5     6.83     4.34     2.83
    6     4.57     4.37     4.59
    7     4.57     3.91     4.05
    8     7.75     5.54     2.86
在未粘合条件下收集网，然后使其通过220℃的烘箱1分钟。图8为显示实施例5的网中粘合的500倍下的SEM。
研究双折射，不同实施例的范围和平均双折射如图9所示。通过这些研究，在纤维之间和纤维内部发现了形态变化。
实施例9至14
在图1至3所示装置上使用透明形式的PTT(Shell Chemicals供应的CP509201)(实施例9至11)和包含0.4％TiO2的形式(CP509211)(实施例12至14)制备聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)的网。挤出模如实施例1至4中所述，并被加热至下表5中列出的温度。聚合物流速为1.0克/孔/分钟。
表5
  实施例号   模/挤出机温度(℃)   缩束装置顶部间隙(mm)   缩束装置底部间隙(mm)   缩束装置气流(ACMM)
    9     260     3.86     3.20     1.73
    10     265     3.86     3.20     2.49
    11     265     3.68     3.02     4.81
    12     265     3.28     2.82     3.82
    13     265     3.28     2.82     4.50
    14     260     4.50     3.78     1.95
模和缩束装置之间的距离(图2中的尺寸17)为15英寸(约38厘米)，缩束装置到收集器的距离(图2中的尺寸21)为26英寸(约66厘米)。其它参数如实施例1至4中所给出，或如表5中所描述。在未粘合条件下在尼龙纺粘(Cerex)稀松布上收集网，然后在收集器上成一行通过热气刀用于粘合。
实施例9至11的双折射研究产生如图10所示的结果。随机选择的直径为14微米的纤维显示出仅分开几毫米时双折射从0.0517到0.041(用颜色图确定)的差异。
实施例15
除下列以外，在图1至3所示装置上和实施例1至4所述的模和缩束装置上制造聚乳酸(Cargill-Dow供应的等级625OD)纤维。挤出机和模的温度设在240℃。模和缩束装置之间的距离为12英寸(约30.5厘米)，缩束装置和收集器之间的距离为25英寸(63.5厘米)。缩束装置的顶部间隙为0.168英寸(4.267mm)，底部间隙为0.119英寸(3.023mm)。在烘箱中于55℃下粘合收集网10分钟。网中的纤维表现出变化的形态并被自生粘合。
实施例16
使用如图1至3所示装置由熔体流动指数为70的聚丙烯(Fina3860)制备纤维网。参数通常如实施例1至4所描述，除了聚合物流速为0.5克/孔/分钟，模有直径为0.343mm的168个孔，孔L/D比为3.5，顶部和底部的缩束装置间隙为7.67mm，模到缩束装置的距离为108mm，缩束装置到收集器的距离为991mm。
使用空气被加热至166℃并且表面速度大于100米/分钟的热气刀粘合网。
为了说明沿纤维长度上表现的形态变化，使用上述沿纤维长度的密度梯度试验进行重量分析。柱包含甲醇和水的混合物。表6中给出管中自由纤维块的结果，给出了沿管高度以厘米表示的具体纤维块(纤维中点)的位置、纤维块的角度和计算的纤维块的平均或整体密度。
                         表6
纤维中点的高度 柱内角度(与水平方向的度数)   纤维块密度(g/cc)
    53.15     90   0.902515
    53.24     90   0.902344
    52.06     65   0.904586
    51.65     90   0.905365
    52.13     85   0.904453
    53.30     90   0.90223
    53.66     90   0.901546
    52.47     80   0.903807
    51.88     85   0.904928
    52.94     85   0.902914
    51.70     90   0.90527
被排列纤维块的角度的平均值为85.5°，这些角度的中值为90°。
实施例17
使用图1至3所示装置和实施例1至4所述的模由尼龙6树脂(BASF供应的Ultramid B3)制造纤维网。挤出机和模的温度设在270℃。聚合物流速为1.0克/孔/分钟。模和缩束装置之间的距离为13英寸(约33厘米)，缩束装置和收集器之间的距离为25英寸(63.5厘米)。缩束装置的顶部间隙为0.135英寸(3.429mm)，底部间隙为0.112英寸(2.845mm)。斜槽长度为167.4毫米。通过缩束装置的气流为142SCFM(4.021ACMM)。使用空气温度为220℃并且表面速度大于100米/分钟的热气刀在收集器上成一行粘合网。
在偏振光显微镜下，网显示出沿纤维和纤维之间不同的取向程度。识别沿长度上显示出双折射变化的部分纤维，并使用Michel Levy图和Berek补偿器技术测量两个位置处的双折射。结果示于表7。
表7
纤维     位置     双折射(Levy)     双折射差异(a)％     双折射(Berek)     双折射差异(b)％
纤维1     1     0.037 10.8     0.042 33.3
    2     0.033     0.028
纤维2     1     0.040 10.0     0.041 19.5
    2     0.036     0.033
实施例18
使用图1至3的装置和如实施例1至4所述的挤出模，由聚氨酯(Morton PS-440-200，熔体流动指数为37)制备非织造纤维网。聚合物通过量为1.98克/孔/分钟。缩束装置基本上如实施例1至4所述，在顶部具有0.196英寸(4.978mm)的间隙，在底部具有0.179英寸(4.547mm)的间隙。通过缩束装置的空气量大于3ACMM。缩束装置在模下为12.5英寸(31.75cm)，在收集器上为24英寸(约61cm)。包括直径平均为14.77微米的纤维的网在收集时自粘合，并且不需要或进行进一步的粘合步骤。
使用偏振光显微镜，在相同样品的纤维之间和沿相同纤维方向上可观察到形态/取向变化。识别沿纤维方向上表现出双折射变化的纤维部分，并使用Michel Levy图和Berek补偿器技术测量两个位置处的双折射。结果示于表8。
表8
纤维   位置     双折射(Levy)     双折射差异(a)％     双折射(Berek)     双折射差异(b)％
纤维1     1     0.040 22.5     0.042 33.3
    2     0.031     0.028
纤维2     1     0.036 11.1     0.0375 28.8
    2     0.032     0.0267
还使用了沿纤维长度的密度梯度试验检测了形态变化，使用甲醇和水的混合物，结果示于表9。
表9
柱中角度(与水平方向的度数)
           65
           90
           75
           80
           70
           85
           90
           90
           85
           85
           45
           90
           90
           60
           75
           80
           90
           90
           70
           80
平均角度为79.25°，中值角度为82.5°。
实施例19
使用图1至3所示装置和实施例1至4所述的挤出模由熔体流动指数为30和密度为0.95的聚乙烯(Dow 6806)制备聚乙烯非织造纤维网。挤出机和模的温度设在180℃。通过量为1.0克/孔/分钟。缩束装置基本上如实施例1至4所述，放置在模下面15英寸(约38厘米)和收集器上面20英寸(约51厘米)。缩束装置间隙在顶部为0.123英寸(3.124mm)，在底部为0.11英寸(2.794mm)。通过缩束装置的气流为113SCFM(3.2ACMM)。使用空气温度为135℃和表面速度大于100米/分钟的热气刀粘合收集网。
识别沿纤维方向上表现出双折射变化的纤维部分，并使用MichelLevy图和Berek补偿器技术测量纤维上两个位置处的双折射。结果示于表10。
表10
纤维   位置     双折射(Levy)     双折射差异(a)％     双折射(Berek)     双折射差异(b)％
纤维1     1     0.0274 15.7     0.0240 33.3
    2     0.0325     0.0328
纤维2     1     0.036 8.3     Na Na
    2     0.033     Na
实施例20
重复实施例19，除了模有168个孔，孔直径为0.508毫米，缩束装置间隙在顶部为3.20mm，在底部为2.49mm，斜槽长度为228.6毫米，通过缩束装置的气流为2.62ACMM，缩束装置到收集器的距离为约61厘米。
使用甲醇和水的混合物进行沿纤维长度的密度梯度试验，结果如表11所示。
                        表11
纤维中点的高度 柱内角度(与水平方向的度数)     纤维块密度(g/cc)
    41.5     80     0.92465
    40.6     85     0.92636
    42.5     30     0.92275
    37.5     90     0.93225
    40.3     90     0.92693
    40.2     70     0.92712
    40.7     80     0.92617
    42.1     70     0.92351
    42.4     80     0.92294
    40.9     90     0.92579
试验中的平均角度为76.5°，中值角度为80°。
实施例21
使用图1至3所示装置和使用环烯烃聚合物(得自Ticona的TOPAS6017)制备无定形聚合物纤维。在挤出机中加热聚合物至320℃(温度在挤出机12中靠近泵13出口处测得)，并将模加热至320℃的温度。挤出头或模有四排孔，每排有42个孔，总共168个孔。模有4英寸(102毫米(mm))的横向长度。孔直径为0.020英寸(0.51mm)，L/D比为6.25。聚合物流速为1.6克/孔/分钟。
模和缩束装置之间的距离(图1中的尺寸17)为33英寸(约84厘米)，缩束装置到收集器的距离(图1中的尺寸21)为24英寸(约61厘米)。气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.030英寸(0.762毫米)；缩束装置主体角度(图2中的α)为30°；使室温空气通过缩束装置；缩束装置斜槽的长度(图2中的尺寸35)为6.6英寸(168毫米)。气刀具有约120毫米的横向长度(图3中槽长度25的方向)；形成气刀凹槽的缩束装置主体28具有约152毫米的横向长度。连接到缩束装置主体的壁36的横向长度为5英寸(127毫米)。
缩束装置顶部间隙为1.6mm(图2中的尺寸33)。缩束装置底部间隙为1.7mm(图2中的尺寸34)。通过缩束装置的空气的总体积为3.62实际立方米/分钟(ACMM)约一半的体积通过每个气刀32。
在未粘合条件下在常规多孔网形成收集器上收集纤维网。然后将网在烘箱中于300℃下加热1分钟。后一步骤引起如图11所示的网内的自生粘合(使用扫描电子显微镜在200×放大率下获得的显微照片)。可以看出，自生粘合的无定形聚合物纤维在粘合后保持了它们的纤维形状。
为说明沿纤维长度上表现出的形态变化，使用上述的梯度密度试验进行重量分析。根据ASTM D1505-85，柱包含水-硝酸钙溶液的混合物。表12中给出了柱内从顶部移动到底部的二十个块的结果。
表12
柱中角度(与水平方向的度数)
            80
            90
            85
            85
            90
            80
            85
            80
            90
            85
    85
    90
    80
    90
    85
    85
    85
    90
    90
    80
纤维的平均角度为85.5°，中值为85°。
实施例22
使用图1至3所示装置和使用熔体流动指数为15.5、密度为1.04的聚苯乙烯(得自Nova Chemicals的晶体PS 3510)制备无定形聚合物纤维。在挤出机中加热聚合物至268℃(温度在挤出机12中靠近泵13出口处测得)，并将模加热至268℃的温度。挤出头或模有四排孔，每排有42个孔，总共168个孔。模有4英寸(102毫米)的横向长度。孔直径为0.343mm，L/D比为9.26。聚合物流速为1.00克/孔/分钟。
模和缩束装置之间的距离(图1中的尺寸17)为约318毫米，缩束装置到收集器的距离(图1中的尺寸21)为610毫米。气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.76毫米；缩束装置主体角度(图2中的α)为30°；使温度为25摄氏度的空气通过缩束装置；缩束装置斜槽的长度(图2中的尺寸35)为(152毫米)。气刀具有约120毫米的横向长度(图3中槽长度25的方向)；形成气刀凹槽的缩束装置主体28具有152毫米的横向长度。连接到缩束装置主体的壁36的横向长度为5英寸(127毫米)。
缩束装置顶部间隙为4.4mm(图2中的尺寸33)。缩束装置底部间隙为3.1mm(图2中的尺寸34)。通过缩束装置的空气的总体积为2.19ACMM(实际立方米/分钟)；约一半的体积通过每个气刀32。
在未粘合条件下在常规多孔网形成收集器上收集纤维网。然后将网在烘箱中于200℃下加热1分钟。后一步骤引起网内的自生粘合，自生粘合的无定形聚合物纤维在粘合后保持了它们的纤维形状。
为说明沿纤维长度上表现出的形态变化，使用上述的梯度密度试验进行重量分析。柱包含水和硝酸钙溶液的混合物。表13中给出了柱内从顶部移动到底部的二十个块的结果。
表13
柱中角度(与水平方向的度数)
             85
             75
             90
             70
             75
             90
             80
             90
             75
             85
             80
             90
             90
             75
             90
             85
             75
             80
             90
             90
纤维的平均角度为83°，中值为85°。
实施例23
使用图1至3所示装置和使用熔体流动指数为8、密度为0.9的13％苯乙烯和87％乙烯丁烯共聚物的嵌段共聚物(得自Shell的KRATON G1657)制备无定形聚合物纤维。在挤出机中加热聚合物至275。(温度在挤出机12中靠近泵13出口处测得)，并将模加热至275℃的温度。挤出头或模有四排孔，每排有42个孔，总共168个孔。模有4英寸(101.6毫米)的横向长度。孔直径为0.508mm，L/D比为6.25。聚合物流速为0.64克/孔/分钟。
模和缩束装置之间的距离(图1中的尺寸17)为667毫米，缩束装置到收集器的距离(图1中的尺寸21)为330毫米。气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.76毫米；缩束装置主体角度(图2中的α)为30°；使温度为25摄氏度的空气通过缩束装置；缩束装置斜槽的长度(图2中的尺寸35)为76毫米。气刀具有约120毫米的横向长度(图3中槽长度25的方向)；形成气刀凹槽的缩束装置主体28具有约152毫米的横向长度。连接到缩束装置主体的壁36的横向长度为5英寸(127毫米)。
缩束装置顶部间隙为7.6mm(图2中的尺寸33)。缩束装置底部间隙为7.2mm(图2中的尺寸34)。通过缩束装置的空气的总体积为0.41ACMM(实际立方米/分钟)；约一半的体积通过每个气刀32。
在常规多孔网形成收集器上收集纤维网，当纤维被收集时纤维自生地粘合。自生粘合的无定形聚合物纤维在粘合后保持了它们的纤维形状。
为说明沿纤维长度上表现出的形态变化，使用上述的梯度密度试验进行重量分析。柱包含甲醇和水的混合物。表14中给出了柱内从顶部移动到底部的二十个块的结果。
表14
柱中角度(与水平方向的度数)
            55
            45
            50
            30
            45
            45
            50
            35
            40
            55
            55
            40
            45
            55
            40
            35
            35
            40
            50
            55
纤维的平均角度为45°，中值为45°。
实施例24
使用图1至3所示装置和使用聚碳酸酯(General Electric SLCC HF1110P树脂)制备无定形聚合物纤维。在挤出机中加热聚合物至300℃(温度在挤出机12中靠近泵13出口处测得)，并将模加热至300℃的温度。挤出头或模有四排孔，每排有21个孔，总共84个孔。模有4英寸(102毫米)的横向长度。孔直径为0.035英寸(0.889mm)，L/D比为3.5。聚合物流速为2.7克/孔/分钟。
模和缩束装置之间的距离(图1中的尺寸17)为15英寸(约38厘米)，缩束装置到收集器的距离(图1中的尺寸21)为28英寸(71.1厘米)。气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.030英寸(0.76毫米)；缩束装置主体角度(图2中的α)为30°；使室温空气通过缩束装置；缩束装置斜槽的长度(图2中的尺寸35)为6.6英寸(168毫米)。气刀具有约120毫米的横向长度(图3中槽长度25的方向)；形成气刀凹槽的缩束装置主体28具有约152毫米的横向长度。连接到缩束装置主体的壁36的横向长度为5英寸(127毫米)。
缩束装置顶部间隙为0.07(1.8mm)(图2中的尺寸33)。缩束装置底部间隙为0.07英寸(1.8mm)(图2中的尺寸34)。通过缩束装置的空气的总体积为3.11(以实际立方米/分钟或ACMM表示)；约一半的体积通过每个气刀32。
在未粘合条件下在常规多孔网形成收集器上收集纤维网。然后将网在烘箱中于200℃下加热1分钟。后一步骤引起网内的自生粘合，自生粘合的无定形聚合物纤维在粘合后保持了它们的纤维形状。
为说明沿纤维长度上表现出的形态变化，使用上述的梯度密度试验进行重量分析。柱包含水和硝酸钙溶液的混合物。表15中给出了柱内从顶部移动到底部的二十个块的结果。
表15
柱中角度(与水平方向的度数)
            90
            90
            90
            85
            90
            90
            90
            90
            85
            90
            90
            85
            90
            90
            90
            90
            90
            85
            90
            90
纤维的平均角度为89°，中值为90°。
实施例25
使用图1至3所示装置和使用聚苯乙烯(BASF聚苯乙烯145D树脂)制备无定形聚合物纤维。在挤出机中加热聚合物至245℃(温度在挤出机12中靠近泵13出口处测得)，并将模加热至245℃的温度。挤出头或模有四排孔，每排有21个孔，总共84个孔。模有4英寸(101.6毫米)的横向长度。孔直径为0.035英寸(0.889mm)，L/D比为3.5。聚合物流速为0.5克/孔/分钟。
模和缩束装置之间的距离(图1中的尺寸17)为15英寸(约38厘米)，缩束装置到收集器的距离(图1中的尺寸21)为25英寸(63.5厘米)。气刀间隙(图2中的尺寸30)为0.030英寸(0.762毫米)；缩束装置主体角度(图2中的α)为30°；使室温空气通过缩束装置；缩束装置斜槽的长度(图2中的尺寸35)为6.6英寸(167.64毫米)。气刀具有约120毫米的横向长度(图3中槽长度25的方向)；形成气刀凹槽的缩束装置主体28具有约152毫米的横向长度。连接到缩束装置主体的壁36的横向长度为5英寸(127毫米)。
缩束装置顶部间隙为0.147英寸(3.73mm)(图2中的尺寸33)。缩束装置底部间隙为0.161英寸(4.10mm)(图2中的尺寸34)。通过缩束装置的空气的总体积为3.11(以实际立方米/分钟或ACMM表示)；约一半的体积通过每个气刀32。
在未粘合条件下在常规多孔网形成收集器上收集纤维网。然后将网在通风粘合器中于100℃下加热1分钟。后一步骤引起网内的自生粘合，自生粘合的无定形聚合物纤维在粘合后保持了它们的纤维形状。
使用TA仪器Q1000差示扫描量热仪进行试验，以确定加工对聚合物玻璃化转变范围的影响。对每个样品应用5℃/分钟的线性加热速率，扰动幅度为±℃/60秒。样品经历从0℃至约150℃的加热-冷却-加热曲线。
图12描绘了在本体聚合物即未形成纤维和形成纤维的聚合物(在模拟粘合之前和之后)的聚合物上试验的结果。可看出，在玻璃化转变范围内，在模拟粘合前纤维的开始温度低于本体聚合物的开始温度。另外，在模拟粘合前纤维的玻璃化转变范围的结束温度高于本体聚合物的结束温度。因此，无定形聚合物纤维的玻璃化转变范围大于本体聚合物的玻璃化转变范围。
上述具体实施方案说明了本发明的实施。本发明可以在缺少本文中未具体描述的的任何要素或成分的情况下适当实施。如单独引入一样，将所有专利、专利申请和出版物的全部公开内容引入本文以供参考。对本领域那些技术人员来说显而易见的是，对本发明的各种改进和变换不脱离本发明的范围。应该理解的是，不能将本发明过分地局限于本文所列出的示例性实施方案。

Claims (16)

1.一种粘合的非织造纤维网，包括直接收集的具有均匀直径的纤维团，其中纤维沿长度发生形态变化，以便在选定的粘合操作中提供具有区别性软化特性的纵向段，一些段在粘合操作条件下软化并粘合到网的其它纤维上，而其它段在粘合操作中是惰性的。
2.如权利要求1所述的纤维网，其中形态上变化的纤维包括表现出链延长结晶的段。
3.如权利要求1或2所述的网，该网是通过自生粘合来粘合的。
4.如权利要求3所述的纤维网，其中粘合包括与其它纤维的圆周渗透粘合。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的网，其中形态上变化的纤维包括双折射相差至少5％的纵向段。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的网，其中形态上变化的纤维包括双折射相差至少10％的纵向段。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的网，其中在本文所述的梯度密度试验中，所述纤维的至少5个纤维块变成以与水平方向成至少30度的角度排列。
8.如权利要求1至6中任意一项所述的网，其中在本文所述的梯度密度试验中，所述纤维的至少5个纤维块变成以与水平方向成至少60度的角度排列。
9.如权利要求1至6中任意一项所述的网，其中在本文所述的梯度密度试验中，所述纤维的至少一半纤维块变成以与水平方向成至少30度的角度排列。
10.如权利要求1至6中任意一项所述的网，其中在本文所述的梯度密度试验中，形态上变化的所述纤维的至少一半纤维块变成以与水平方向成至少60度的角度排列。
11.如权利要求1至10中任意一项所述的网，其中形态上变化的纤维具有约10微米或更小的平均直径。
12.如权利要求1至11中任意一项所述的网，具有至少90％固态的蓬松度。
13.如权利要求1至12中任意一项所述的网，该网除了包括形态上变化的那些纤维以外，还包括其它纤维。
14.一种成纤方法，包括：a)挤出成纤材料的长丝；b)引导长丝穿过加工室，其中气流对长丝施加纵向应力；c)在长丝离开加工室后使它们经受湍流条件；和d)收集加工长丝；控制长丝的温度以便在湍流区中时有至少部分长丝凝固。
15.如权利要求14所述的方法，其中纤维被收集为非织造纤维网，并进行粘合操作，在粘合操作中纤维的一些纵向段软化并粘合到其它纤维上，而其它纵向段在粘合操作中仍保持惰性。
16.如权利要求14所述的方法，其中纤维被收集为非织造纤维网，并进行自生粘合操作，在自生粘合操作中纤维的一些纵向段软化并粘合到其它纤维上，而其它纵向段在粘合操作中仍保持惰性。
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