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制造纤维的装置及方法.pdf

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制造 纤维 装置 方法
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摘要
申请专利号:

CN200810082374.7

申请日:

2004.04.07

公开号:

CN101230497A

公开日:

2008.07.30

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法?#19978;?#24773;: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):D01D 5/00申请日:20040407授权公告日:20110803终止日期:20160407|||授权|||实质审查的生效|||公开
IPC分类号: D01D5/00; D01D4/00; D01F6/14; D01F8/00 主分类号: D01D5/00
申请人: 宝洁公司
发明人: 迈克尔·大卫·詹姆士; ?#22266;?#31119;·罗伊斯·杰?#25628;? 萨瓦斯·艾多尔; 哈桑·埃尔奥卢; 唐纳德·尤金·恩赛因; 保罗·丹尼斯·特罗克汉; 大卫·李·摩尔; 埃德温·亚瑟·斯图尔特
地址: 美国俄亥俄州
优?#28909;ǎ?/td> 2003.4.8 US 10/411,481
专利代理机构: 中科专利商标代理有限责任公司 代理人: 程金山
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法律状态
申请(专利)号:

CN200810082374.7

授权公告号:

|||101230497B||||||

法律状态公告日:

2017.05.24|||2011.08.03|||2008.09.24|||2008.07.30

法律状态类型:

专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及一种制造纤维的装置及方法。所述装置的一个实施方案包括具有多个喷嘴、一个或多个拉细介质通道和盖板的模具组件。所述盖板具有一个或多个所述喷嘴可伸入其中的盖板开口。所述拉细介质通道具有最小横截面积,而所述盖板开口具有限流横截面积,使得拉细介质通道的最小横截面积大于盖板开口的限流横截面积。本发明的方法也可包括提供一个建立低内部压降的模具,在拉细介质离开所述模具后对其进行冷却和/或提供在拉细区域具有高相对溶剂蒸汽含量的拉细介质。

权利要求书

权利要求书
1.  )一种用于由溶解在溶剂中的材料来制造纤维的方法,所述方法包括以下步骤:
通过模具进给溶解在溶剂中的纤维制造材料以形成纤维线,所述模具包括至少两排喷嘴;和
在所述纤维线周围提供拉细介质,提供所述拉细介质的方向基本平行于所述纤维线,使得所述拉细介质拉长所述纤维线,所述拉细介质的相对溶剂蒸汽含量为至少约50%。
2)如权利要求1所述的方法,其中所述相对溶剂蒸汽含量为至少约60%。
3)如权利要求1所述的方法,其中所述纤维制造材料为非?#20154;?#24615;的。
4)如权利要求3所述的方法,其中所述溶剂为水。
5)如权利要求4所述的方法,其中所述纤维制造材料包括以淀粉为基质的组合物和/或聚乙烯醇。
6)如权利要求1所述的方法,其中所述拉细介质通过盖板开口以介于约90m/s和约350m/s之间的速度提供,并且其中所述拉细介质的压降系数小于约4。
7)如权利要求1所述的方法,其中所述拉细介质在接触所述纤维线之前经历压降,并且其中所述拉细介质在经历所述压降之后被冷却。
8)如权利要求1所述的方法,其中所述纤维制造材料被强制通过喷嘴,从而在所述喷嘴中产生有差别的熔融流动速?#21097;?#25152;述喷嘴具有不同的长度和/或不同的?#26412;丁?BR>9)如权利要求1所述的方法,其中所述模具包括具有拉细介质孔的盖板,拉细介质流过所述拉细介质孔,并且其中所述拉细介质孔具有变化的形状和/或?#26412;?#20197;产生有差别的拉细介质流速。
10)一种用于由溶解在溶剂中的材料来制造纤维的方法,所述方法包括以下步骤:
通过模具进给溶解在溶剂中的纤维制造材料以形成纤维线,所述模具包括至少两排喷嘴和具有盖板开口的盖板;
通过所述盖板开口以介于约90m/s和约350m/s之间的速度提供拉细介质,提供所述拉细介质的方向基本平行于所述纤维线,使得所述拉细介质拉长所述纤维线;和
其中所述拉细介质的压降系数小于约4。
11)如权利要求10所述的方法,其中所述拉细介质的压降系数小于约3。
12)如权利要求10所述的方法,其中所述拉细介质的相对溶剂蒸汽含量为至少约50%。
13)如权利要求10所述的方法,其中所述纤维制造材料为非?#20154;?#24615;的。
14)如权利要求10所述的方法,其中所述纤维制造材料包括以淀粉为基质的组合物和/或聚乙烯醇。
15)如权利要求10所述的方法,其中所述拉细介质在接触所述纤维线之前经历压降,并且其中所述拉细介质在经历所述压降之后被冷却。
16)一种用于由溶解在溶剂中的材料来制造纤维的方法,所述方法包括以下步骤:
通过一个或多个喷嘴进给溶解在溶剂中的纤维制造材料以形成纤维线;
在所述纤维线周围提供拉细介质,提供所述拉细介质的方向基本平行于所述纤维线,使得所述拉细介质拉长所述纤维线,所述拉细介质在接触所述纤维线之前经历压降;和
在所述拉细介质经历所述压降之后,冷却所述拉细介质。
17)如权利要求16所述的方法,其中所述纤维制造材料被进给到具有两排或多排喷嘴的模具中。
18)如权利要求16所述的方法,其中所述拉细介质通过包括所述喷嘴和一个或多个拉细介质通道的模具提供,并且其中所述拉细介质在离开所述模具后被冷却。
19)如权利要求16所述的方法,其中冷空气与所述拉细介质混合以提供所述冷却。
20)如权利要求16所述的方法,其中所述拉细介质在被冷却后的相对溶剂蒸汽含量为至少约50%。
21)如权利要求16所述的方法,其中所述纤维制造材料是以淀粉为基质的组合物。

说明书

说明书制造纤维的装置及方法
本申请为国际申请号为PCT/US2004/010574,国家申请号为200480008233.0、申请日为2004年4月7日、发明名称为“制造纤维的装置及方法”的专利申请的分案申请。
发明领域
本发明通常涉及一种制造纤维以及包含纤维的产品的装置和方法。更具体地讲,本发明涉及一种包括高产模具的装置以及纺制纤维的方法。
发明背景
人造纤维以及包含这样的纤维的无纺材料纺织品在工业品和消费品中具有很多不同的用途。例如,人造纤维常用于吸收制品中,如尿布、妇女卫生制品、擦拭物、衣服、外包装、毛巾、薄纸、?#36136;?#21253;裹物、睡袍、墙纸、建筑材料、书写介质、过滤器、绝缘体以及在汽车、航空、航海和军事上的应用。由于对具有不同特性的不同类型人造纤维的需要,人们已经提出了许多方法并且发明了许多装置。
一些最流行的纤维成形?#38469;?#21253;括熔喷法、湿纺法和干纺法。在每个这样的方法中,纤维材料被软化成易流动的状态并被强制通过模具和/或喷丝头以形成雏形纤维,然后雏形纤维典型地被机械拉伸以形成所需要的末端纤维。纤维的熔喷法通常包括?#33322;人?#24615;材料熔化;形成纤维;然后冷却?#20154;?#24615;材料以形成固体纤维。湿纺法通常涉及将从聚合物与溶剂的溶液中形成的纤维冲压到凝结池中,例如硫酸钠的水溶液。干纺法典型地涉及将聚合物与溶剂的溶液冲压到空气中以形成固体纤维。通过这些方法形成的纤维常收集在例如传送带的表面上以形成无纺织网,或者进行化学处理或机械操作以改变或提高其性能。熔喷和纺制纤维的方法及装置的实施例在下列专利中描述:授予Lohkamp的美国专利3,825,379;授予Mende的美国专利4,826,415和5,017,112;授予Rhim的美国专利5,445,785;授予Schwarz的4,380,570、5,476,616和6,013,223以及授予Sanborn的6,364,647 B1。
然而,尽管这些所知的方法及装置是成功的,但是本领域仍有改进的必要。例如,期望提供一种更具效?#23454;?#24418;成纤维的方法及装置。也期望提供一种形成尺寸更小和/或更均匀的纤维的方法及装置。而且,期望提供一种形成纤维的方法及装置,其中与模具中拉细介质有关的压降比已知的纤维制造装置及方法较小。也期望提供一种形成纤维的方法及装置,其中在装置内的拉细介质与从装置出来后的拉细介质之间的压差的减小,允许在拉细区域的拉细介质中比现有纤维形成方法及装置具有?#32454;?#30340;相对溶剂蒸汽含量。甚至还期望提供一种从非?#20154;?#24615;和/或溶剂可溶解材料形成纤维的方法及装置。还进一步期望提供一种包含多排纺孔的高产模具装置,这些纺孔可从非?#20154;?#24615;和/或溶剂可溶解材料形成纤维。还期望提供一种形成纤维的方法及装置,其中与在模具中的拉细介质有关的低压降甚至在拉细介质的流速和/或速度类似于常规模具?#24065;?#25552;供高的相对溶剂蒸汽含量。
发明概述
据发现,本发明的装置及方法可解决现有?#38469;?#30340;不足并提供一种制造纤维的改进装置及方法。具体地讲,在一个实施方案中,本发明提供一种形成纤维的装置,包括:包括用于接受将要形成纤维的材料的纤维材料供给腔和拉细介质进口的模具组件;包括多个喷嘴和一个或多个拉细介质通道的喷丝头组件,喷嘴设置在喷丝头组件中使得至少一部分喷嘴与纤维材料供给腔流体连通,所述一个或多个拉细介质通道具有最小横截面积;以及至少与一部分喷丝头组件相邻设置的盖板,该盖板在其上具有盖板开口,一个或多个喷嘴可伸进该盖板开口,该盖板开口具有限流横截面积;其中一个或多个拉细介质通道的最小横截面积大于盖板开口的限流横截面积。
在另一个实施方案中,本发明提供了一种?#23588;?#35299;在溶剂中的材料制造纤维的改进方法,所述方法包括以下步骤:通过包含至少两排喷嘴以形成纤维线的模具供给溶解在溶剂中的纤维制造材料;以及在纤维线周围提供拉细介质,提供拉细介质的方向通常平行于纤维线的方向,使得拉细介质拉长纤维线,拉细介质具有至少约50%的相对溶剂蒸汽含量。
在另一个实施方案中,本发明提供了一种?#23588;?#35299;在溶剂中的材料制造纤维的改进方法,所述方法包括以下步骤:通过包括至少两排喷嘴和一个具有盖板开口的盖板以形成纤维线的模具供给溶解在溶剂中的纤维制造材料;通过盖板开口以介于约90m/s和约350m/s之间的速度提供拉细介质,提供拉细介质的方向通常平行于纤维线的方向,使得拉细介质拉长纤维线;以及其中拉细介质具有小于约4的压降系数。
在另一个实施方案中,本发明提供一种?#23588;?#35299;在溶剂中的材料制造纤维的改进方法,所述方法包括以下步骤:通过一个或多个形成纤维线的喷嘴供给溶解在溶剂中的纤维制造材料;在纤维线周围提供拉细介质,提供拉细介质的方向通常平行于纤维线的方向,使得拉细介质拉长纤维线,在接触纤维线之前拉细介质经历一个压降;以及在拉细介质经历压降之后冷却拉细介质。
图1为本发明装置的一个实施方案的放大剖面图。
图2为本发明装置的一个实施方案的放大透视图。
图3为本发明示例性喷嘴的放大透视图。
图4a为本发明模具的一个实施方案的局部放大剖面图,各元件互相间隔开以提供更多细节。
图4b为本发明模具的另一个实施方案的局部放大剖面图,各元件互相间隔开以提供更多细节。
图5为本发明的一个示例性实施方案中盖板的局部放大平面图。
图6为本发明的一个示例性喷嘴的局部放大平面图。
图7为包括支撑元件的本发明装置的一个实施方案的局部放大平面图。
图8为多片支撑板的一个示例性实施方案的放大平面图,各片彼此分开以表示它们各自的细节。
图9为筛网型支撑元件的一个示例性实施方案的局部放大平面图。
图10为模具出口处拉细空气的百分比相对湿度(纵轴)与模具压力(横轴)之间关系的图形表?#23613;?
图11为某些纤维成型模具的流量特性关系的图形表示,其中纵轴表示模具压力,横轴表示拉细流速。
图12为出?#38405;?#20123;纤维成型模具的拉细空气流的百分比相对湿度(纵轴)与拉细流速(横轴)之间关系的图形表?#23613;?
如?#32420;?#36848;,本发明的方法及装置通常用于纤维和纺织品以及包含这类纤维的产品的制造。本发明的装置及方法可用于制造所有上述不同类型的纤维,包括熔喷纤维、干纺纤维和/或湿纺纤维。然而,所述装置及方法尤其适于从非?#20154;?#24615;或?#27604;人?#24615;材料制造纤维,例如通过将材料扩散、悬浮或溶解在溶剂中而使其可流动的材料。本文所用术语“非?#20154;?#24615;的”是指需要溶剂软化达到能成为流动状态的程度使其能形成期望的形状的材料,更具体地讲,即通过处理(例如纺制)以形成多个适于形成柔软纤维结构的非?#20154;?#24615;纤维。非?#20154;?#24615;组合物不能仅通过升高温度的影响而成为需要的流动状态。虽然非?#20154;?#24615;组合物可以包括一定量的其它组分,例如,增塑剂,其可促进非?#20154;?#24615;组合物的流动,但是它们的含量不足以使非?#20154;?#24615;组合物整体成为流动状态。在流动状态中,该组合物可被加工形成?#23454;?#30340;非?#20154;?#24615;纤维。非?#20154;?#24615;组合物也不同于?#20154;?#24615;组合物,因为一旦非?#20154;?#24615;组合物脱去除溶剂(例如通过?#31245;?并?#20063;?#26009;达到固化状态,它就会失去其类似?#20154;?#24615;的性质。当组合物包含交联剂时,脱溶剂组合物实际上成为交联的热固性组合物。一种产物,例如由这类非?#20154;?#24615;组合物制成的多根纤维,整体上不?#20801;?#20855;有熔点,并且整体上不具有熔化温度(?#20154;?#24615;组合物的特征);取而代之的是,非?#20154;?#24615;产品,作为整体,当其温度升至某一程度(“分解”温度)时,即使还没达到其流动状态,它也会分解。相反,?#36824;?#20854;中是否含有溶剂,?#20154;?#24615;组合物均保留了其?#20154;?#24615;性质,并?#19994;?#20854;温度升高时,可达到其熔点(“熔化”温度),并变成易流动状态。
例如,本发明的装置及方法很适合于溶剂溶解的材料,因此在强制其通过模具/喷丝头组合以形成纤维线之前将其溶解在溶剂中。从喷丝头出来的纤维经常需要拉细或拉伸。然而,当采用现有?#38469;?#20174;非?#20154;?#24615;、溶剂溶解材料制造纤维时,在过程的拉细区域保持足够的相对溶剂蒸汽含量以允许期望的纤维拉伸可能是困难的(本文所用术语“相对溶剂蒸汽含量”是指拉细介质中溶剂蒸汽的分压除以溶剂在确定的温度和压力下的平衡蒸汽压力。对于空气中水蒸汽的情况,相对溶剂蒸汽含量通常称为相对湿度。)。在使用设计用于纤维的商业性生产所需要的多排、高产率的设备时,这甚至可能更困?#36873;?#34429;然不希望受理论的约束,但是据信这个问题是部分由于模具内拉细介质显著的压降引起的。(虽然拉细介质可为任?#25105;?#27969;动介质,例如空气、任何气体或气体的混合物、液体或其它流体介质,但是典型的纤维成型方法采用空气作为拉细介质。因此,虽然本文以下可将拉细介质描述为空气或气体,但是应该承?#24076;?#21487;使用任何适合的拉细介质,并且对空气或气体的引用不应被认为是限制性的,而是作为适用拉细介质的一个实施例。而且,虽然某些纤维制造材料的实施例在本文中可描述为水溶性的,但是纤维制造材料可为任何适用的材料,并且如果有溶剂,那?#27492;?#21487;为任何适合的溶剂。)
在典型的熔喷模具中,拉细介质通过模具主体,在出模具之前拉细介质处于提高的压力下(例如,高于环境压力)。由于压力、温度与相对溶剂蒸汽含量(常称为湿温平衡)之间的关系,在提高的压力下拉细介质载有较少的溶剂蒸汽。典型地,当拉细介质处于模具中提高的压力下时,过量的溶剂蒸汽将冷凝。这减少了载于加压拉细介质中的最大溶剂蒸汽含量。因此,当拉细介质从模具出来并膨胀至环境压力时,拉细介质的相对溶剂蒸汽含量与在模具内不处于提高的压力下的介质流相比将减小。
在典型的纺制操作中,拉细介质的相对溶剂蒸汽含量不是特别相关,因为纤维由?#20154;?#24615;材料制造,并且是通过温度降低来固化而不是通过?#31245;?#26469;固化。在这样的操作中,通常重要的是保持纤维处于等于或高于其熔点的温度一段时间,使得拉细空气能如所期望那样拉伸纤维。因此,拉细介质(例如空气)常被加热或者提供热源以保证纤维在被拉伸之前不固化。然而,在制造非?#20154;?#24615;或?#27604;人?#24615;纤维的操作中,可能期望在拉细介质中提供高的相对溶剂蒸汽含量,以防止纤维过快地?#31245;?#24182;在达到期望的拉细之前断?#36873;?#22312;制造非?#20154;?#24615;纤维时,纤维温度不是影响纤维固化的主要因素。而受周围相对溶剂蒸汽含量影响的溶剂损失才在纤维固化中起主要作用。
通过提供用于减小与模具中拉细介质有关的压力下降的部件,本发明的装置及方法给该问题提供一种解决方案。这允许拉细介质在拉细区域保持高的溶剂蒸汽含量。因此,特别是当用于非?#20154;?#24615;、溶剂溶解材料时,本发明的装置及方法可有助于保证纤维?#36824;?#24555;?#31245;鎩?#36825;可有助于保证成型的纤维具有期望的特性,如?#26412;?#21644;均匀性,也可有助于防止纤维断裂和/或有助于防止模具堵塞。?#24065;?#22810;排和/或高产率制造纤维时,本发明的装置及方法的这些优点和其它优点可能是特别有益的。
图1表示本发明的装置的一个实施方案,该实施方案通常指示为装置(或模具)10。装置10包括模具组件15、喷丝头组件20和拉细介质出口22。装置10设计用于既供给制造纤维所用的材料又供给拉细纤维线所用的空气流(或其它拉细介质流)。更具体地讲,模具组件15包括模具主体17和在模具主体17中形成的供给腔25。供给腔25优选与给模具组件15供给制造纤维所用材料的一个或多个装置可操作地联合。模具组件15也优选包括至少一个拉细介质可通过的拉细介质进口30。拉细介质进口30优选与至少一个空气源、气体源或其它流体源可操作地联合,当制造纤维时,所述空气、气体或其它流体用作拉细介质。出口22是拉细介质脱离装置10的整个结构的位置。
喷丝头组件20包括喷丝?#20998;?#20307;35、一个或多个喷嘴40、至少一个拉细介质通道80和排放口50。喷丝?#20998;?#20307;35具有面向模具的表面37和与之相对的输出表面39。喷丝头组件20的设置通常使得至少一部?#32622;?#21521;模具的表面37与至少一部分模具组件15相邻。如图1所示,至少一些喷嘴40优选与模具组件15的供给腔25流体连通(“流体连通”是指设置在供给腔25中的流体可流入或被强制流入至少一个喷嘴40。)。而且,至少一个拉细介质通道80与一个或多个拉细介质进口30流体连通,使得拉细介质可从模具组件15流入喷丝头组件20。喷丝头组件20可由单个元件构?#26705;?#25110;者可由两个或多个个体元件(例如图2所示元件)构成或包括两个或多个个体元件,这些元件暂时或永久彼此连接。
喷丝?#20998;?#20307;35在通常与喷丝头组件20上和模具组件15相邻的部分相对的输出表面39上具有排放口50,在某些实施方案中,至少一些喷嘴40在喷丝头组件20上的安装使得一个或多个喷嘴40的一部分伸入或穿过排放口50。典型地,喷嘴40被彼此间隔开,并且优选地,当使用模具10时,喷丝?#20998;?#20307;35使得每个喷嘴40至少部分被通过排放口50的拉细介质包围。
如?#32420;?#36848;,喷嘴40优选形成喷丝头组件20的一部分。典型地,喷嘴40在喷丝?#20998;?#20307;35上的安装使得它们完全伸过喷丝头组件20。这样,如图1所示,喷嘴40从喷丝?#20998;?#20307;35上面向模具的表面37通过喷丝?#20998;?#20307;35向喷丝头组件20的输出表面39延伸。(然而,也设想过这样的实施方案,其中喷嘴40不伸过整个喷丝?#20998;?#20307;35,而只是伸过其中的一部分。)喷嘴40也可进入或穿过一个或多个拉细介质通道80,并且优选地至少部分伸入排放口50。在某些实施方案中,至少一些喷嘴40伸出排放口50而脱离喷丝?#20998;?#20307;35。无论如何,至少一些喷嘴40可具有与至少一些其它喷嘴40不同的长度,并且可伸出排放口50不同的量。另外,在一些实施方案中,使至少一些喷嘴40堵塞或由实体结构制成而无纤维制造材料通过或没有与供给腔25流体连通的开口,这样可能是理想的。
如图3所示,喷嘴40每个都有一个外部结构51、喷嘴开口49、上?#25991;?#31471;41和下?#25991;?#31471;42。本文所用术语“上游”通常是指制造过程的开始部分,通常在这部分将原料加入过程。术语“下游”通常是指制造过程中末端产品最终成型并移除制造过程的部分。这样,一个部件的上?#25991;?#31471;或上游部分的位置会比同一部件的对应下?#25991;?#31471;或下游部分更靠近制造过程的开始部分。如果特定的喷嘴40想要让纤维制造材料从那里通过(即具有喷嘴开口49并?#20063;?#34987;堵塞),那?#27492;?#20063;将具有内部有效?#26412;?3和外部有效?#26412;?4。而且,每个喷嘴40具有上?#25991;?#31471;内部有效?#26412;?5、上?#25991;?#31471;外部有效?#26412;?7、下?#25991;?#31471;内部有效?#26412;?6和下?#25991;?#31471;外部有效?#26412;?8。本文所用术语“有效?#26412;丁保?#24403;其涉及喷嘴40时,被定义为喷嘴开口49横截面积的四倍除以喷嘴开口49的湿周。当涉及喷嘴时,术语“横截面积”是喷嘴40(按外部有效?#26412;?#24230;量)或喷嘴开口49(按内部有效?#26412;?#24230;量)沿基本垂直于喷嘴40中纤维制造材料流动的方向截取的横截面积。在喷嘴开口49内部具有一些结构时,喷嘴40的横截面积是对纤维材料的流动开放的横截面积,因?#23435;?#20110;喷嘴开口49横截面内的任何结构的横截面积?#21152;?#35813;被减去。
喷嘴40可由通常具有圆形截面的小金属管制成。可供选择地,任何特定喷嘴40的外部结构51和/或喷嘴开口49可具有任何截面形状,可具有变化的内部和/或外部有效?#26412;叮?#22914;图6所示,可逐渐变细(例如下游外部有效?#26412;?#23567;于上游外部有效?#26412;?或成锥台形,并且可由任何适合的材料制成。喷嘴40可全部具有相同的上游内部和/或外部有效?#26412;叮?#25110;者可具有不同的上游内部和/或外?#21487;?#28216;有效?#26412;丁?#21516;样,喷嘴40可全部具有相同的下游内部和/或外部有效?#26412;叮?#25110;者可具有不同的上游内部和/或下游外部有效?#26412;丁?#21478;外,喷嘴40可为相同的长度,或者可为不同的长度,并且/或者其安装使得从模具10延伸不同的量。喷嘴40可由安装或连接到喷丝?#20998;?#20307;35上的分离材料制?#26705;?#25110;者可由构成喷丝?#20998;?#20307;35本身的材料成型。喷嘴40可永久地安装到喷丝?#20998;?#20307;35上,或者可拆卸和/或更换。将喷嘴40安装在喷丝?#20998;?#20307;35上的示例性方法包括但不限于激光?#38468;印?#38030;?#28014;⒔汉稀?#21387;力配合以及铜?#28014;?#21478;外,喷嘴40可由柔软材料制?#26705;?#21253;括一个或多个铰链91(例如图4b所示),或者被柔性地安装在喷丝?#20998;?#20307;35内。这样的喷嘴40在模具10工作期间能自定中心。
在如图2所示的一个示例性实施方案中,喷嘴40成多排相邻设置,其中每排包括多个喷嘴40。虽然图2表示喷嘴40设置成每排具有相同数量的喷嘴40的规则的排,但是在任何特定排中可有任何适合数量的喷嘴40。另外,可能在一些应用中优选采用单排喷嘴40。喷嘴40可间隔开任何期望的距离。另外,喷嘴40可设置为规则的行和/或列,或排列成随机和/或非均匀的式样或它们的组合。
例如,如图1、2和4a所示,本发明的装置10也可包括设置为至少与喷丝?#20998;?#20307;35的一部?#36136;?#20986;表面39相邻的间隔板55。间隔板55的作用是将拉细介?#23454;?#21521;通常平行于喷嘴40的方向,并在围绕喷嘴40的整个拉细区域如期望的那样提高流动均匀性。这样,间隔板55具有间隔板开口57,至少一些喷嘴40可延伸通过该间隔板开口。
间隔板55可为任何适合的尺寸和形状,并可由任何合适的材料制成。另外,间隔板55可为打算与喷丝?#20998;?#20307;35的一部分相邻设置的分离结构,或者可与喷丝?#20998;?#20307;35或装置10的任何其它部分制成一体。间隔板55包括提供喷嘴40可通过以及在工作期间拉细介质将流过的开放面积的间隔板开口57。间隔板开口57可为矩形或适于一些或全部喷嘴40的任何其它形状。另外,如果需要,间隔板55可包括多个间隔板开口57。
本发明的装置10也可包括与间隔板55的至少一部分相邻设置的盖板60。盖板60具有上游表面62和与之相对的下游表面63,并且其典型设置将使得上游表面62与间隔板55上背离喷丝头组件20的表面相邻。盖板60的作用是导向拉细介质,目的是在拉细介质脱离模具10时帮助限定拉细介质射流的形状及其相对于喷嘴40的位置。盖板60也提供形成压降的部件,该压降有助于提高拉细介质中的流动均匀性和速度。这样,盖板60优选具有至少一个盖板开口65,拉细介质可通过该盖板开口,并且/或者一个或多个喷嘴40可伸入该盖板开口。
盖板开口65可包括一个或多个拉细介质孔67,它们一起构成盖板开口65。每个拉细介质孔67具有上?#25991;?#31471;73、对应的上游有效?#26412;?5、下?#25991;?#31471;74和对应的下游有效?#26412;?6。(当涉及拉细介质孔67时,本文所用术语“有效?#26412;丁?#23450;义为孔67横截面积的四倍除以孔67的湿周)。例如,如图4a、4b和5所示,盖板开口65可包括包围每个个体喷嘴40的个体拉细介质孔67,或者可设计使得多个喷嘴40可通过至少一些拉细介质孔67。虽然考虑了其它的实施方案,其中开放面积可小于约0.064平方毫米,但是在这样的实施方案中,每个拉细介质孔67具有至少约0.064平方毫米的开放面积可能是有益的。
在可供选择的实施方案中,至少一些喷嘴40可从与拉细介质孔67分开的喷嘴通道68中穿过盖板60,如图5所?#23613;?#21943;嘴通道68、盖板开口65和构成开口65的拉细介质孔67可为任何期望的尺寸和/或形状,包括圆形截面和非圆形截面,并且可逐渐变细、倒角和/或倒?#27493;?#25110;者具有其它属性。例如,盖板开口65、任一拉细介质孔67和/或任一喷嘴通道68的上游有效?#26412;?#21487;大于其下游有效?#26412;叮?#21453;之亦然,例如如图4a和4b所?#23613;?#21478;外,如果具有两个或多个开口、孔或通道,那?#27492;?#20204;中任何一个或多个的尺寸可与其它任何一个或多个不同。如果喷嘴40穿过拉细介质孔67,那么喷嘴40在孔67内可居中,或者可向任何期望的方向偏移。拉细介质孔67的导向可为与任一喷嘴40面对、背离或成任何角度。
如?#32420;?#36848;,喷嘴40可具有相互不同的长度。另外,喷嘴40的设计也可使得它们在不同的模具方案或在同一模具内伸出供给腔25不同的量。例如,可期望一些或全部喷嘴40从供给腔25经模具10延伸而穿出盖板60。在可供选择的实施方案中,可期望使一些或全部喷嘴40伸入盖板开口65,但不超出盖板开口65的下游表面63。据发现,在相对于盖板65的下游表面63的喷嘴延伸与对纤维特性的影响之间具有非线性的关系。例如,在某些实施方案中,超出盖板60的下游表面63的延伸量在约0mm和约2.2mm之间的喷嘴40,其性能不如超出盖板60的下游表面63的延伸量更大的喷嘴40,或者伸入盖板开口65但不超出盖板60的下游表面63的喷嘴。
在某些实施方案中,可期望设计盖板开口65、任一拉细介质孔67和/或任一喷嘴40,使得通过那里的纤维材料和/或拉细介质将旋转、螺旋运动或者被引导脱离开口、孔或喷嘴40。这可通过将复线结构集成到喷嘴40内或者围绕开口或孔的材料中来实现。可供选择地,可用如下所述的支撑元件70这类附加结构影响纤维材料流动和/或拉细介质流动。如果期望拉细介质或材料流旋转,那么将旋转限制在低于约30度以帮助避免逆流,这样可能是有益的。
盖板60可为与部分间隔板55或喷丝?#20998;?#20307;35相邻设置的分离元件,或者可与间隔板55和/或喷丝?#20998;?#20307;35或装置10的任何其它部分一体成型。而且,盖板60也可包括支撑喷嘴40的部件,例如如图7所示的示例性支撑元件70。支撑元件70给喷嘴40提供支撑,并帮助保证在使用期间喷嘴40不出现移位。这可有助于增加纤维以及任何所得成品的均匀性,例如可制成的纤维网。
支撑元件70可由任何材料制?#26705;?#24182;且可为任何适合的形状。而且,支撑元件70可为分离元件或者与盖板60或装置10的任何其它元件集成。在如图7所示的实施方案中,支撑元件70可为一个或多个伸入盖板开口65的孔67中的尖头72的形式,尖头72向着设置在孔67中的对应喷嘴40。虽然支撑元件70可接触相应的喷嘴40,但这不是必要的,并且它可位于距喷嘴40?#25105;?#26399;望距离的位置。支撑元件70也可设置为分离的支撑板85,它设置为与盖板60(其上游或下游均可)或模具10的任何其它结构相邻,使得至少一些支撑元件70与至少一些拉细介质孔67对齐。在某些实施方案中,支撑板85可包括两个或多个板,它们彼此协力,共同用于给喷嘴40提供支撑,其实施例如图8所?#23613;?#21487;供选择地,喷嘴40可由筛网89或其它材料支撑,其一个实施例如图9所?#23613;?#20856;型地,支撑板85包括拉细介质可通过的拉细介质开口87。
在本发明的某些实施方案中,可期望设计一些或全部通道80,拉细介质经它们通过装置10的方式使得拉细介质在模具10中的总压降比现有?#38469;?#30340;模具结构较低。模具10中拉细介质压降的减小对很多方面都有利,这些方面包括但不限于:制造类似纤维时比采用具有?#32454;?#21387;降的模具需要更少的能量,能制造更小?#26412;?#30340;纤维,能制的纤维更均匀和/或允许更好地控制拉细介质的相对溶剂蒸汽含量。
装置的压力与流量的特性可用压降系数表征。这时,压降系数被定义为测量或计算的压降除以拉细介质流的动压或速度压所得的比率。测量的压降是在拉细介质流过模具10的过程中,在模具10上游的测量点与室内或大气压的压力之差。拉细介质流的动压是0.5pV2,其中p是拉细介质的密度,而V是流道内的平均速度。拉细介质流的密度和速度被定义为在盖板开口65内的平均值。实际上,速度是由通过盖板开口65的气体总体积除以盖板开口65的限流横截面积来确定。气体的密度决定于其分子组成、温度和压力。据发现,要提供本发明的优点,压降系数小于约4为理想。但是,小于约3、小于约2以及任何小于约4的单个值或范围的压降系数值都工作良好。
据发现,模具10中拉细介质压降的显著减小可由减小拉细介质在模具10内的速度来实现。减小在模具10内的速度的一个方法是将模具10中的拉细介质通道80与拉细介质离开模具10时所经过的开口限流横截面积相比较大的最小横截面积合并。较大横截面的通道和减小的速度可有助于减小模具10内的压降,其原因很多,包括摩擦力的减小、流动分离的减小以及湍流的减小。本文所用术语“拉细介质通道”和“拉细介质槽”都是指拉细介质在模具10中盖板开口65的上游期间所通过的任何通道。当涉及拉细介质通道或开口时,本文所用术语“横截面积”是沿基本垂直于拉细介质在通道或开口中的流动方向截取的通道或开口的横截面积。在通道或槽内部具有一些结构时,开口或通道的横截面积是对拉细介质的流动开放的横截面积,因?#23435;?#20110;开口或通道横截面内的任何结构的横截面积?#21152;?#35813;被减去。术语“最小横截面积”是在模具10内所有单个拉细介质通道80沿基本垂直于拉细介质在具体通道内的流动方向所测量的最小横截面积之和。术语“限流横截面积”是指盖板开口65在单个平面?#32420;?#25130;取的最小横截面积。如果盖板开口65包括多个开口,那么限流横截面积是每个单个的拉细介质孔67沿基本垂直于拉细介质在具体孔67内的流动方向所测量的最小横截面积之和。
在某些实施方案中,设计拉细介质通道80,使得通道80的最小横截面积大于盖板开口65的限流横截面积,据发现这是有益的。通过设计拉细介质通道80,使其最小横截面积大于盖板开口65的限流横截面积,拉细介质在通道80中的速度将典型低于拉细介质经盖板开口65离开模具10的速度。通常,拉细介质在模具10内的速度越低,拉细介质在模具10内的压降越低。在某些优选实施方案中,拉细介质通道80的最小横截面积可为盖板开口65限流横截面积的至少?#21058;?#20493;,或者至少约四倍。
另外,据发现,从拉细介质进口30向盖板开口65逐渐减小拉细介质通道80的横截面积可有助于减小模具10内的压降。但是,据理解可能有这样的情况,横截面积缩小后再扩大可能是理想的。例如,收缩和扩张将在拉细介质通道80内产生压降,改压降可用于沿通道80或开口的宽度方向均匀地分配拉细介质,或者影响拉细介质流动的变化。在某些实施方案中,可期望保持拉细介质在离开盖板开口65时的良好流动均匀性。这时,拉细介质流离开模具10的速度、流速和方向应尽可能匹配以制造均匀的纤维和纤维网。拉细介质通道横截面积的逐渐减小有助于通过将模具10中的压降集中在盖板60上而实现均匀性。
帮助减小拉细介质在模具10中的压降的其它方法是拉细介质通道80采用较?#20132;?#30340;曲线或圆形截面形状。另外,通过保证拉细介质通道80避免小半径的急?#32960;?#20063;可减小压降。急?#32960;?#30340;性质类似锐角,产生不希望的流动分离、速度波动和流动不均匀。在某些实施方案中,据发现,在?#32960;?#24179;面上内径大于通道宽度的约?#22982;种?#19968;的?#32960;?#23545;防止在这样的?#32960;?#22788;产生的不希望的压降性能良好。
在模具10由多个独立部分构成的实施方案中,认真对齐拉细介质通道80以产生?#20132;?#30340;流道可能有利。如果单个的部分不对齐,那么可能将尖边或其它的不均匀引入拉细介质的流道,这可能扰?#19968;?#24433;响拉细介质的流动。在某些实施方案中,为了保证模具10的不同部分在模具装配或使用期间不出现错位,优选用定位销将它们机械地销在一起。在包括在其配合表面上具有匹配材料或拉细介质通道的部分的某些优选实施方案中,沿它们的配合表面对齐通道在约0.03mm之内可为理想。而且,通常保持这样的配合表面互相平齐以实?#32622;?#23553;和防止流体泄漏为理想。
如?#32420;?#36848;,本发明的装置及方法的一个优点是拉细介质的相对溶剂蒸汽含量可比采用常规模具?#22791;?#23481;易控制。例如,据发现,本发明的装置及方法可提供相对溶剂蒸汽含量至少约50%、至少约60%、至少约75%和大于至少约75%的拉细介质流。因此,在由具有能被出现在拉细介质中的溶剂影响的一些特性的材料制造纤维时,本发明的改进的装置及方法特别有利。例如,用于纤维制造的一些非?#20154;?#24615;材料可被拉细介质中湿度影响。(需要指出的是,虽然湿度(即水蒸汽)在本文中用于表示存在于拉细介质中的一种特定溶剂(例如空气),但是也设想和期望其它溶剂和拉细介质用于不同的纤维材料。)而且,由于涉及拉细介质中湿度或其它溶剂蒸汽含量的方法限制,迄今还不适于商业性生产纤维的其它材料可采用本发明的装置及方法更有效地制成纤维。
由于淀粉具有容易获得、价格便宜以及可重复利用的性质,因而它是有利于在纤维制造中使用的材料的实施例之一。以淀粉为基质适于纤维制造的组合物的实施例,以及由这样的组合物制造纤维和纤维网的方法在下列专利中说明:2001年9月6日以Mackey等的名字提交的美国序列号09/914,966;2002年2月1日以Mackey等的名字提交的美国序列号10/062,393;2002年9月3日以Mackey等的名字提交的美国序列号10/220,573;以及2002年2月1日以James等的名字提交的美国序列号10/061,680。然而,尽管在以淀粉为基质适于纤维制造的材料制剂方面所取得的进展,由于淀粉通常是?#20154;?#24615;的和水溶性的,在商业性生产实用的淀粉纤维中典型的纤维制造模具不是很有效。另一个适用于纤维制造、可被拉细介质的溶剂蒸汽含量影响的材料实施例是聚乙烯醇。当由淀粉和聚乙烯醇这类材料制造纤维时,保证拉细介质在其离开模具10之后具有足够的相对溶剂蒸汽含量,可帮助减少或防止纤维材料过快?#31245;?#21644;/或粘到喷丝头喷嘴40的末端。
根据通常被接受的热力学原理,如果拉细介质是空气,能被空气保持的水蒸汽(或其它溶剂)的含量由空气的压力和温度决定。通常,在给定压力下,当其温度增加时空气能保持更多的水蒸汽。同理,在如何给定温度下,当其压力降低时空气能保持更多的水蒸汽。当空气饱和(即在当?#26412;?#20307;的温度和压力下保?#21046;?#25152;能保持的最大水蒸汽含量)时,温度稍微降低或压力稍微升高都可引起空气中的水蒸汽(或其它溶剂)冷凝。
用拉细介质拉伸或影响成型纤维的纤维成型模具典型地给拉细介质增压,使得它能被相对于纤维线以?#32454;?#30340;速?#21364;?#27169;具10中排出。因此,当拉细介质离开模具10时,它通常经历快速的压力下降。如果拉细介质包含溶剂,那么拉细介质中的相对溶剂蒸汽含?#20811;?#30528;压力的降低而减少。对于给定的拉细介质流,溶解的溶剂蒸汽含量不因压力下降而变化,但是溶剂的平衡含?#20811;?#21387;力下降而增加,因此相对溶剂蒸汽含量减少。这可能使有效地拉细纤维更为困难,并且可导致断裂或纤维变形。另外,压力下降引起相对溶剂蒸汽含量的这样一个减少的事实,可能要求拉细介质在离开模具10之前具有?#32454;?#30340;溶剂浓度。因此,在一些情况下,可能需要或期望在拉细介质处于模具10的拉细介质通道80之中或之前使拉细介质中的溶剂含量饱和或者增大。在水为溶剂的一个实施例中,可能期望或需要在拉细介质进入模具组件15之前用蒸汽处理它以增加其相对湿度。这可能增加材料和能源费用,并且可能增加成型适合纤维所需要的方法步骤数。它也会降低方法的总体可靠性和/或需要额外的监控步骤。
图10至12的图形表示旨在帮助示出当拉细介质离开模具10时用来提供拉细介质中减小的压降的本发明的装置10如何为该装置提供比常规模具更高的性能,尤其当采用非?#20154;?#24615;但可溶解的材料制造纤维时。在图10至12所示的实施例中,拉细介质已选择为空气,而溶剂为水。
图10是表示装置出口拉细空气的百分比相对湿度(%RH)相对于模具压力的曲线。本文所有术语“模具压力”是在模具10内喷丝头20上游的拉细空气最大压力与拉细空气离开模具10之后的压力(典型为大气压)之差。在每一曲线表示的情况中,拉细空气在模具10中被增压之前是饱和的,因此百分比相对湿度近似为100%。纵轴是拉细空气在模具10出口的百分比相对湿度。横轴是以千帕(KPa)为单位表示的模具压力(或表压)。对于?#20204;?#32447;和本文公开的内容,拉细介质离开模具10之后的压力应该认为是围绕喷嘴40的环境压力,拉细介质将被导入该环境中。
如图10所示,如果空气温度在模具内和当它离开装置而通过压降时保持不变,那么百分比相对湿度跟随如图10中标号为100的曲线变化。因此例如,如果模具压力与围绕喷嘴的环?#25345;?#38388;的压差为零,并且拉细空气是饱和的或接近饱和(例如98%以上的RH),那么拉细空气在离开模具10时将仍然是饱和的或接近饱和。然而,当压降增加时,在拉细介质出口22处的百分比相对湿度将减小。因此,例如如图10所示,拉细空气在拉细介质出口22处的%RH的值在69KPa压降下接近60%。该点在图10中标示为102。类似地,如果压降为约241KPa,那么相对湿度下降到约30%。该点在图10中标示为104。
图10也表示位于或接近拉细介质出口22的空气温度下降时拉细空气的行为。如?#32420;?#36848;,通常在给定压力?#28388;?#30528;温度下降,空气能保持的水蒸汽减少。这样,具有给定水蒸汽含量的空气在?#32454;?#28201;度下比同样的空气在较低温度下的相对湿度低。因此,在图10中示出三条不同的曲线,它们表示温度和压力的变化将如何影响拉细介质的百分比相对湿度。曲线105刻画2.8℃的温度损失所发生的变化,曲线110刻画5.6℃的温度损失所发生的变化,而曲线115刻画8.3℃的温度损失所发生的变化。
图11是模具压力与拉细介质流速的关系曲线。图11的压力-流量曲线表示购自Biax-Fiberfilm Corporation,N992 Quality DriveSuite B,Greenville,WI 54942-8635的市售5英寸(约12.7cm)宽的10排模具所产生的值以及本发明具有类似5英寸(约12.7cm)宽、10排喷嘴的模具的一个实施方案。模具压力用位于模具10中喷丝头组件20上游的拉细介质通道内的压力传感器测量。?#26696;傘?#25289;细空气流速和蒸汽流速均用标准Corriolis型质量流量计测量。总拉细空气质量流率是蒸汽流速与干空气流速之和。图11的压力-流量曲线表示:对与市售模具(曲线125)相同范围的拉细流速,本发明的低压?#30340;?#20855;(曲线120)工作在很低的模具压力下。因此,本发明的装置将使用较少的模具压力来将拉细介质加速到期望的速度,因而也使用较少的能量,并且在该空气流中也将允许?#32454;?#30340;湿度含量。?#32454;?#30340;湿度含量减少溶剂损失率或靠近模具纤维的?#31245;鎩?#20302;的?#31245;?#27700;平允许纤维的伸长更大,因而产生较小的纤维。
图12表示与图11中曲线所示相同模具组件中拉细空气的百分比相对湿度与拉细流速之间的关系。一个通过测量湿球和干球温度来测量相对湿度的适合方法说明如下。百分比相对湿度与流量的关系曲线说明:在相同流速范围内,本发明模具的模具出口拉细空气百分比相对湿度值(曲线135)比市售模具所产生的值(曲线130)高得多。这样,在相同的模具压力和出口相对湿度下,通过模具10排除的拉细空气量可更大。量更大的空气可在所得拉细空气流中产生更高的气流速度。增加的气流速度可在纤维?#21487;?#20135;生更大的力,因而制造出更细小的纤维。
增加拉细介质相对溶剂蒸汽含量的另外方法是冷却拉细介质。冷却拉细介质对其相对溶剂蒸汽含量的作用可从图10中的曲线看出。通常,由于气体在固定压力下冷却,所以其相对溶剂蒸汽含量(此时为湿度)将增加。因此,在冷却的气体中产生期望的相对溶剂蒸汽含量比在提高温度的气体中所需要的溶剂蒸汽少。然而,任何冷却?#21152;?#34987;仔细控制以避免液体冷凝。
给拉细介质流提供冷却的一个方法是给模具10增加冷却介质槽,并通过冷却介质槽供给冷却介质,以及将冷却介质引导至模具10内的拉细介质上。可供选择地,拉细介质流的冷却也可在模具10的外部进?#23567;?#22312;这样的实施方案中,冷却介质可被引导至盖板60或模具10中拉细介质流出模具10的其它部分。在再一个实施方案中,冷却介质可提供在实际上不与拉细介质混合的封闭流道?#20302;?#25110;其它结构中,拉细介质可通过这些?#20302;?#25110;结构而得到冷却。无论如何,优选为全部或多数冷却在拉细介质已实现压降之后进?#23567;?#21542;则,冷却可引起过度冷凝出现,特别是当拉细介质处于饱和或接近饱和时。
冷却介质可为如何适合的气体、液体或其混合物。另外,提供冷却介质的?#20302;?#21487;为被动的或主动的。在被动?#20302;?#20013;,仅通过拉细介质的作用将冷却介质夹带入拉细介质?#20302;?#20013;。不是利用拉细介质流产生的力或者除该力之外,主动?#20302;?#20351;用一些部件强制冷却介质进入拉细介质流。其它所知的冷却?#20302;?#21487;同样理想和有效。无论如何,在拉细介质通道与冷却介质和/或部件之间提供隔离,以保证冷却介质和拉细介质保持各自的温度直到它们相结合,这可能为理想。
无论模具的类型如何,在某些实施方案中,模具的结构和/或拉细介质的构成可导致在模具10和/或拉细介质出口22出现一些冷凝。因此,通常需要一些?#20302;?#26469;收集或处理该冷凝。否则可能导致效率下降、拉细介质的相对湿度或溶剂蒸汽含量较低和/或纤维可能断裂或在纤维上出?#21046;?#23427;不均匀区域。
减小与冷凝有关的副作用出现的可能性的一个方法是控制模具10和通向模具组件15的导管的温度。温度等于或高于拉细介质流的受热表面通常不会导致冷凝出现。在某些实施方案中,可根据需要使用隔离以使在任何表面或多个表面上的?#20154;?#22833;最小。除此之外或可供选择地,在模具10的一些部分或所有部分都可使用主动加热。加热可通过使如油这样的受热流体经在模具10和导管中或围绕它们的通道或槽进行循环而实现。类似地,电加热元件或加?#21364;?#21487;用于同样的目的。当然,加热模具10或其任何部分的任何其它所知的方法均可应用。
减小冷凝作用的第二个方法是收集,并且优选从拉细介质流中去除冷凝物。虽然通常期望将这样的收集装置尽可能靠近盖板开口65放置以去除最多的冷凝物,但是收集装置可位于模具10内或通向模具10的导管内的任何位置。一种类型的收集装置通过强制拉细介质?#26412;?#25913;变方向而起作用。冷凝物不能进行这样的?#32960;?#32780;沉积在收集装置的壁上。然后,冷凝物可通过排泄口、?#25105;?#23380;或其它结构排除,而拉细介质被允许继续向盖板开口65流动。
示例性模具实施方案
本发明的装置10的一个示例性实施方案包括喷丝头组件20,它具有通常为矩形的毛细管喷嘴40的网格,毛细管喷嘴以约1.52mm的中心距在水平和垂直两个方向间隔开。喷嘴40布局为10行82列的网格,形成共820个喷嘴。喷嘴40的外部有效?#26412;?#36817;似为0.81mm,内部有效?#26412;?#36817;似为0.25mm。喷嘴40从模具组件15的供给腔25向模具组件15的排放口50延伸。喷嘴40每个为约31.8mm长,并且伸出盖板60约2.5mm。
拉细介质通过四个通常为矩形横截面的拉细介质进口孔30进入模具组件15。所述四个拉细介质进口孔30具有?#27493;牽?#24182;且最小横截面尺寸为约20.1mm×38.1mm,因此总横截面积为约3071平方毫米。
模具组件包括邻近喷丝?#20998;?#20307;35的输出表面39设置的间隔板55。在该示例性实施方案中,间隔板55的厚度为约2.5mm。间隔板55的中心区域挖去一个通常为矩形的槽以形成开口57,喷嘴40通过该开口而延伸,并且拉细空气也流过该开口。间隔板开口57的尺寸约17.8mm×127.0mm,形?#31245;?832平方毫米的气流横截面积,毛细管喷嘴40的面积已从间隔板开口57的总横截面积中减去。
模具组件15也包括由厚度约1.9mm的钢板制成的盖板60。盖板60具有盖板开口65,它包括钻通盖板60的多个孔67。孔67设置成与喷嘴40的布局相匹配的矩形网格(即10×82个孔的矩形网格,中心间隔约1.52mm)。盖板开口65的孔67每个都逐渐变细以使孔67的上游有效?#26412;?#20026;约1.18mm,而下游有效?#26412;?#20026;约1.40mm。每个喷嘴40周围所得拉细气流的流通面积是在约0.81mm?#26412;?#30340;喷嘴40与盖板60上外部有效?#26412;对?.18mm的孔67之间产生的?#19981;?#24418;孔口。因此,每个孔具有约0.57平方毫米的开放面积。所得盖板开口65上对拉细气流的总限流横截面积为约471平方毫米。如?#32420;?#36848;和图7所示,具有集成支撑尖头72的盖板60也已被使用,并且对同样中心间隔约1.52mm的10×82个孔的布局,它具有约458平方毫米的盖板开口限流横截面积。
拉细介质通道对盖板开口限流横截面积的相对最小横截面积大于1。在该示例性实施方案中,拉细通道的最小横截面积位于间隔板处,并且拉细介质通道的最小横截面积与盖板开口限流横截面积的比率为约3.9至1。
制造纤维的示例性方法
为了本示例性实施方案,具有以约1.52mm中心距规则间隔成10行82列的网格的喷嘴40的模具10用于从纤维制造材料制造纤维线。纤维制造材料是Ethylex 2025淀粉(购自A.E.Staley Mfg.Tate andLyle的分部,2200 E.Eldorado,Decatur,IL 62525)与水(溶剂)的组合物,按质量含有约46%的水。纤维制造材料通过在挤出机中烹制或使淀粉变性来制备。可操作挤出机使得组合物达到约160℃的峰值温度。在约8300Kpa的压力和约70℃的温度下将纤维制造材料进给到模具的喷嘴中。当纤维制造材料离开模具10时,它处于连续纤维线的形式。
在基本平行于从模具10出来的纤维线的方向提供热空气拉细介质。拉细介质包括约2500克/?#31181;?#30340;加热到93℃的空气和约500克/?#31181;?#30340;133℃的蒸汽的组合。拉细介质通过模具内的拉细介质通道,模具的总最小横截面积为约盖板开口限流横截面积的四倍。模具内部的压降系数为约1.4。拉细介质在进入模具10之前经过冷凝物分离件以去除不希望的液态水。拉细介质的温度约69℃并在模具主体的进口处产生约26KPa的表压。在模具出口22,拉细介质回到大气压并具有约82%的测量相对湿度。
例如,与购自Biax-Fiberfilm Corporation的市售5英寸(约12.7cm)宽、10排具有相似的盖板限流横截面开放面积的模具在约4至约5之间的总压降系数相比,本发明的模具10的总压降系数在约1至约2之间。这些测量的压降系数对应于约90m/s至约350m/s范围内的拉细介质速度。
在纤维线离开模具后,通过加入约9000克/?#31181;?#21152;热到约260℃温度的空气使纤维?#31245;鎩8稍?#31354;气通过一对?#31245;?#23548;管供给,每个?#31245;?#23548;管约360mm宽和130mm深。导入?#31245;?#31354;气的方向通常垂直于离开模具的纤维,导管位于模具的对面一侧。?#31245;?#23548;管的前沿位于模具盖板下游约80mm,?#20918;?#27492;相距约130mm。纤维从两个?#31245;?#23548;管之间通过。所得?#31245;?#32420;维的平均?#26412;?#23567;于约12微米。根据需要,?#31245;?#32420;维沉积在如传送带这类移动结构上,以形成纤维网。(移动结构可为任何适合的结构,并且可包括:例如任?#25105;?#30693;的带或通常用于纤维网制造的输送结构,或者任何结构或非结构的带或常用布料,例如用于造纸的布料。)
在一个可供选择的实施方案中,拉细介质在离开模具后被冷却。冷却通过强制冷空气进入拉细介质流中的方法进?#23567;?#20919;却空气的温度为约35℃。在该具体实施方案中,冷却空气被以拉细介质流流速的约10%的流速强制进入拉细介质流。在被冷却到约66℃后,拉细空气和冷却介质的混合物的相对湿度为约75%。
测量相对湿度的方法
当溶剂为水时,相对湿度可用湿球和干球温度测量与相关的湿度图确定。湿球温度测量时,将棉?#35013;?#22312;温度计的球?#21487;稀?#29992;棉?#35013;?#20303;的温度?#21697;?#22312;?#20154;?#20013;,直到水温高于期望的湿球温度。将温度计置于拉细空气流中,距离挤出喷嘴顶端约3毫米(约1/8英寸)。由于水?#29992;?#22871;上蒸发,开始时温度会下降。温度将稳定于湿球温度,而且,一旦棉?#36164;?#21435;其保留水分,湿球温度将会上升。稳定温度是湿球温度。如果温度没有降低,则应将水加热至更高的温度。使用1.6mm?#26412;?#30340;J型热电偶,将其置于距离挤出喷嘴顶端约3mm的下?#26410;Γ?#26469;测量干球温度。根据湿球和干球温度,相对湿度可由标准大气湿度图或计算机程序确定,计算机程序如购自ChemicaLogic Corporation的ExcelTM插件“MoistAirTab?#34180;?
如果溶剂不是水,可用类似于上述用于确定相对湿度的那些原理测量相对溶剂蒸汽含量。然而,尽管空气与水蒸汽?#20302;?#30340;湿度比可取为1,其它?#20302;?#30340;湿度比通常不等于1。因此,绝热饱和温度将与湿球温度不同。从而,对于不是空气和水蒸汽的?#20302;常?#28342;剂蒸汽含量与干度的确定通常需要点对点地计算蒸发表面温度。例如,对于空气和水的?#20302;常?#21363;使气流的温度和湿度发生变化,在常数比率?#31245;?#26399;间蒸发表面的温度将是常数。对于其它?#20302;常?#33976;发表面的温度将变化,因此应计算蒸发表面每一点的温度。参见1969年由McGray-Hill Book Company出版的Robert H.Perry,Perry的Chemical Engineers’Handbook,第四版,第15-2页。

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