专利名称：非织造材料以及制造此类材料的方法
非织造材料以及制造此类材料的方法领域本领域涉及一种非织造材料连同其制造方法，并且更具体地是一种有效提供声音 吸收的适合用作吸音天花板贴砖的非织造材料。背景一种典型的吸音天花板贴砖是一种非织造的结构，该结构包括一个用基础纤维、 填充剂、以及粘合剂制造的芯层。这些基础纤维通常是矿棉或玻璃纤维。这些填充剂普遍 是珍珠岩、粘土、碳酸钙、或纤维素纤维。该粘合剂典型地是纤维素纤维、淀粉、胶乳、或类似 的材料。一旦干燥，该粘合剂与其他材料形成粘合以形成一种纤维性网络，这个网络向该芯 层提供了结构上的刚度。为了用作一种典型的天花板贴砖，该芯层应该是基本扁平的并且 是自支撑的以便被悬吊在一种典型的天花板贴砖网格或类似的结构中。为了非织造结构适合于吸音天花板贴砖应用，它们总体上满足与防火等级和噪声 降低相关的不同的行业标准以及建筑法规。例如，行业标准典型地限定天花板贴砖具有根 据ASTM E84的A类防火等级，该等级总体上要求火焰蔓延指数小于25并且烟雾发展指数 小于50。关于噪声降低，行业标准典型地限定吸音天花板贴砖具有的根据ASTM C423的噪 声降低系数为至少约0. 55。吸音天花板贴砖常见地是通过湿铺法形成，该方法使用一种水性介质来输送贴砖 组分并使其形成一个非织造的网片，该网片被用来形成吸音天花板贴砖的芯层。这种基本 方法包括首先将不同贴砖成分掺混成一种水性浆料。然后将该水性浆料输送至一个流浆 箱并分布在一个流动的多孔丝网上，以形成一个具有所希望的大小及厚度的均勻的毡片。 然后去除水并将该毡片干燥。接着通过切开、冲压、向该贴砖涂覆和/或层压一个饰面来将 该干燥过的毡片最终处理成这个天花板贴砖结构。在该湿铺法中，水充当了这些不同的贴 砖成分的输送介质。这种湿铺法是可接受的，因为可以获得高的生产速度而且因为可以使 用低成本的原材料(例如，再循环的新闻用纸纤维、再循环的瓦楞纸、碎屑聚酯纤维、棉短 绒、废弃织物、以及类似物)。然而，使用水来制造吸音天花板贴砖呈现了多个缺点，致使该 方法以及所形成的产品达不到令人希望的程度。该湿铺法使用了大量的水来输送这些组分并使其形成该天花板贴砖结构。该大量 的水必须在最后从产品中去除。因此，大多数湿法通过一个或多个步骤的自由排水、真空、 压缩、和/或蒸发来调节水的去除。这些方法步骤必然引起大的能量需求来输送并去除这 些水。照这样，运用大体积的水来形成贴砖、连同随后对这些水的去除和蒸发致使这种典型 的湿铺法因为高的设备及运行成本而是相对昂贵的。使用湿铺法也难以形成一种具有高的吸声特性的吸音天花板贴砖。在湿铺法中， 所形成的天花板贴砖由于该湿铺配方中的这些成分的性质而倾向于具有一个密封的表面。 具有一个密封表面的天花板贴砖一般会具有不够有效的吸音屏障，因为该贴砖是不够多孔 的，这致使该贴砖比较不能吸收声音。该密封的贴砖表面实际上可能反射声音，这在吸音天 花板贴砖中是一个不希望的特征。相信这些不希望的吸声特征会从该湿铺法中典型地使用的这些贴砖成分的亲水性质而发生。纤维素纤维(例如，再循环的新闻用纸)，在天花板贴砖中常用作低成本的粘 合剂和填充剂，是高度亲水性的并且吸引了大量的水。一部分是由于此类亲水性组分，湿 铺的贴砖典型地具有约65%至约75%的高的入口湿度含量(tipple moisture content) (即，该板直接在进入干燥烘箱或烘干炉中之前的湿度水平)，这增大了在干燥过程中蒸发 的要求。其结果是，在干燥过程中因为水从这些亲水性组分中被去除，在这些贴砖成分上产 生了高的表面张力。水作为一种极性分子赋予了其他组分表面张力。这种表面张力一般会 造成贴砖表面以不够多孔的结构被密封。人们相信表面张力会将贴砖中的要素彼此拉近， 从而使该结构致密化并在该方法中封闭这些贴砖孔隙。因此，湿铺生产的天花板贴砖要求 进一步的处理来将贴砖穿孔，以实现可接受的噪声降低。因此，尽管由于提高的生产速度以 及使用低成本材料的能力，湿铺法是可接受的，但是当对产品要求吸音特性时，使用水作为 一种输送介质致使该方法以及得到的产品不够有成本效益。在某些情况下，在吸音天花板贴砖中也可以使用一种胶乳粘合剂，并且它在使用 矿棉作为基础纤维的湿铺法中经常是优选的。然而，胶乳一般是天花板贴砖配方中所采用 的最昂贵的成分，因此，希望的是限制使用这种相对高成本的成分。在天花板贴砖中常用的 其他粘合剂是淀粉以及如以上描述的纤维素纤维。然而，淀粉和纤维素是亲水性的并且趋 向于在处理过程中吸引水并且产生以上描述的高表面张力的问题。其他非织造结构(如尿布、卫生揩布、过滤介质、以及汽车隔热层)可以通过一种 气铺法形成，该方法是用空气作为对形成非织造材料的这些不同成分的输送介质。一种气 铺法消除了输送并去除水的需要；然而，配方中的所有成分必须是在空气流中可输送的。其 结果是，重的、稠的、或长的纤维连同液体组分普遍不适用于气铺法。就是说，在天花板贴砖 制造中常用的液体树脂粘合剂和/或胶乳粘合剂普遍不能用在气铺法中。因此，典型的气 铺法优选短的玻璃纤维用作基础纤维(即，长度约10mm)，与一些类型的热可熔的或热粘结 的纤维一起，如一种单组分或一种双组分的粘合纤维。一旦形成一种非织造材料，将这些热 粘合纤维加热以熔化该纤维的一部分，以便将该基础纤维结构粘在所希望的芯层结构内。WO 2006/107847A2披露了使用双组分的热粘合纤维以及合成的或纤维素基质纤 维来形成汽车绝缘层以及天花板贴砖结构的气铺法。在一个实例中，该‘847公开文件描述 了 30%的双组分纤维以及70%的纤维素纤维(绒毛)的一种天花板贴砖组合物，该组合物 提供了超越商业矿棉和玻璃纤维天花板贴砖的改进的吸音特性。尽管提供了改进的吸音特 性，‘847公开文件所披露的天花板贴砖结构具有以下缺点即它们总体上不满足目前的由 行业标准限定的用作天花板贴砖的防火规范等级。通过在天花板贴砖中使用70%的纤维素 纤维(连同100%的有机纤维)，预期该‘847公开文件的所形成的基础毡片由于这样高水 平的纤维素以及有机纤维而将不满足ASTM E84对天花板贴砖的防火规范要求。以上‘847公开文件以及US 2006/0137799A1进一步建议，可以使用气铺法用玻璃 纤维和双组分纤维一起来制造非织造的结构。尽管玻璃纤维将提供行业标准下增强的防火 等级，但是具有短尺寸适用于气铺法的玻璃纤维相对于其他原材料而言是一种更昂贵的原 材料并且具有健康和环境的缺点。例如，玻璃纤维可能对人体皮肤、眼睛、以及呼吸系统造 成刺激。许多机构将玻璃纤维视为一种对皮肤、眼睛以及上呼吸道的强烈的身体刺激物。总 体而言，纤维的尺寸越小，这种刺激越严重。在某些情况下，如果充分暴露于玻璃纤维中，这 些纤维可能产生刺激皮炎以及呼吸困难。在其他情况下，一些研究已经显示，玻璃纤维在与灰尘、污垢、以及水分结合时可能是一种对于霉菌、真菌、以及某些细菌的微生物生长而言的良好介质。
如以上所指出，矿棉也常用在吸音天花板贴砖中来提供增强的防火等级，因为矿棉可具有高达2200° F的熔点，这甚至比常见的玻璃纤维更高。在湿铺法中常用的矿棉与 淀粉或胶乳粘合剂一起来形成吸音天花板贴砖。然而，由于典型的矿棉的磨损性质以及高 的渣球含量(shot content) (即，在某些情况下高达约60%)，这种原材料一般不推荐用在 气铺法中，因为这种矿棉纤维的磨损性质趋向于对气铺形成设备是毁坏性的，并且这种高 的渣球含量可能塞住空气过滤系统从而降低真空吸入箱的效率。以减小的真空强度，气铺 成型铺装头难以形成一个具有的基础重量足以提供天花板贴砖所需要的刚度的均勻的毡 片。如在此使用的，矿棉渣球(shot)总体上是指矿棉制造方法的一种副产物，包括非纤维的、具有的直径范围从约45至约500微米的矿物颗粒物质。该‘847公开文件列出了作为合适的合成的基质纤维用在气铺法中的玻璃纤维以 及陶瓷纤维，但是并未确切地列出矿棉作为一种可接受的替代物。如普遍理解的，认为矿棉 纤维与玻璃纤维和陶瓷纤维是不同的。纵使所有此类纤维类型都总体上是人造或合成纤 维，但是每一种由于原材料来源以及制造方法而具有不同的特征和特性。玻璃纤维是根据 一种形成连续长丝的挤出法制造的，该连续长丝典型地被剁碎成所希望的大小；其结果是， 玻璃纤维典型地并不包括可观的渣球含量。在另一方面，陶瓷纤维典型地是由一种纺丝或 吹制法用更贵的原材料制造。陶瓷纤维典型地具有比矿棉纤维实质上更少的渣球含量。然而，尽管如此，由于在气铺形成方法中所使用的常见双组分纤维中的这些高熔 化组分的强度，现存的多组分纤维也具有相对高的强度(即，断裂负荷以及伸长率)，这是 这种类型的纤维常用于的产品(即，尿布、卫生揩布、过滤介质、汽车绝缘层)中所希望的 一种性质。然而，吸音天花板贴砖的用户期望贴砖是手动可切割的(例如用一种常见的实 用刀)，因而安装者可以容易地在天花板贴砖中切割洞口用于喷头、灯、HVAC管道以及类似 物。此外，一种典型的悬吊天花板要求用于边缘或拐角的部分尺寸的贴砖并非少见。因为吸 音天花板贴砖总体上以标准的、固定的大小出现，通常要求安装者切割单个贴砖来配合天 花板网格的具体要求。一般由于可商购的双组分纤维的高强度(即，断裂负荷以及拉伸)， 使用现有的双组分纤维来形成吸音天花板贴砖生产了一种贴砖，这种贴砖要求过度的力来 进行切割并且展现出拉出的纤维，这是用户和安装者所不希望的性质。简言之，现存的湿铺以及气铺方法以及可得的常见地与之一起使用的成分不能有 成本效益地生产出一种可接受的吸音天花板贴砖，该贴砖要满足所有的行业及建筑规范标 准(即，声学要求)以及消费者对吸音天花板贴砖的期望(即，可切性、扁平性、自支撑性、 以及类似特性)。现存的湿铺法是能量和资本密集的的并且形成的天花板贴砖具有不如所 希望的吸音特性。气铺的非织造材料，可以适用于尿布、过滤介质、以及汽车绝缘层，可能是 制造起来更经济性的，但是现存的配方和方法不适用于制造满足消费者和行业规范两者的 吸音天花板贴砖。用大量的纤维素和/或有机纤维形成的气铺的非织造材料将不满足对天 花板贴砖的行业防火等级标准，并且使用可得的双组分纤维致使形成的材料由于这些纤维 的高强度和伸长率而难以切割。尽管短玻璃纤维可以用在天花板贴砖和气铺法中，但是玻 璃纤维可能是成本上禁止的并且具有健康和环境问题。因此，令人希望的是一种含双组分纤维的扁平的、自支撑的、在行业标准下适合作为吸音天花板贴砖(即，声学特性)的非织造材料及其制造方法，该贴砖可以不使用湿铺法 的能量和资本成本来制造并且还满足消费者对可切削的期望。附图简要说明
图1是用于形成在此描述的非织造材料的一种示例性气铺法的示意图；并且图2是一种示例性非织造物形成方法的流程图。详细说明总体上，提供了一种非织造材料，该材料包括一种无机基础纤维与一种有机粘合 纤维的共混物。通过一种途径，该非织造材料能够形成一个芯层或基础毡片，该基础毡片 具有预定的基础重量和密度足以提供一个基本扁平的、刚性的并且自支撑的芯层，该芯层 进一步提供了对于该非织造材料用做吸音天花板贴砖有效的声音吸收。就是说，例如，该非 织造材料优选能够形成一个自支撑的芯层，该芯层展示出了根据ASTM C423是至少约0. 55 的噪声降低系数以及A类防火等级，具有小于约25的火焰蔓延指数和小于约50的烟雾发 展指数(两者都是根据ASTM E84)。然而，该非织造材料的特征可以变化，取决于具体的应 用。这个芯层也优选地展现出了高的挠曲强度，但是仍然可以手动切割，例如用一种常见的 实用刀，与传统湿铺的天花板贴砖相似的使用轻的或最小的压力。在一个方面，该无机的基础纤维优选是矿棉、渣棉、石棉、或它们的组合，具有 的渣球含量高达约60%、并且优选地在约10%与约45%之间。合适的无机基础纤维是 Thermafiber FRF(Wabash, Indiana)；然而，也可以使用其他的无机基础纤维。通过一种途 径，该非织造材料优选包括约30%至约95%的岩石棉或渣棉。优选地，这些无机纤维具有 平均为从约0. 1至约4mm的长度以及约1至约15微米的直径。在另一方面，该有机粘合纤维优选是一种双组分的热粘合纤维，它在同一长丝 (即，一根单长丝)里具有两种组分。优选地，该非织造材料包括约0. 至约70%、并且最 优选为5%至50%的该双组分纤维。然而，因为可商购的双组分纤维普遍已知的是它们的 相对高的强度(即，断裂负荷以及伸长率)，优选地将在此使用的双组分纤维进行改性使得 所形成的非织造材料还是展现出与传统的吸音天花板贴砖相似的可切性。换言之，该非织 造材料能够形成一个吸音贴砖的芯层，该芯层展现出了高的挠曲强度，但是仍可以手动切 害!]，例如用一种常见的实用刀，以轻轻的压力或仅仅最小的努力，即使在该芯层中使用了双 组分的纤维。为此，优选的是这些经过改性的双组分纤维具有与该芯层的无机基础纤维以 及其他组分基本相似的预定强度(即，断裂负荷和伸长率)，该强度与可商购的双组分纤维 相比一般是一个减小了的强度。双组分纤维一般具有至少两种不同化学和/或物理性质的聚合物或树脂，其中两 者聚合物都形成一根单长丝或纤维。例如，一种聚合物作为一种粘结组分起作用而另一种 聚合物作为一种结构组分起作用。常见的双组分纤维具有一种皮_芯、并列、偏心皮_芯、 或岛-海构型的粘结组分和结构组分。这些纤维的一种聚合物，通常是结构组分，具有比该 纤维的另一种聚合物更高的熔点。在此方法，一旦将所形成的毡片加热至较低熔点的聚合 物的熔化温度，它会熔化以将其他贴砖组分粘结在一起。该较高熔点的聚合物仍以纤维形 式保持完整，以向该非织造材料进一步提供强度和结构。一旦冷却，在该基础毡片中沿着单 个纤维的长度普遍会产生多个粘结。典型的双组分纤维通常包括聚乙烯/聚对苯二甲酸乙 二酯(“PE/PET”)、聚乙烯/聚丙烯(“PE/PP”)、聚对苯二甲酸乙二酯共聚物/聚对苯二甲酸乙二酯(“CoPET/PET”)、以及类似的聚合物组合。优选地，这里的这些非织造材料包 括具有皮/芯构型的PE/PET或CoPET/PET聚合物的双组分纤维。这种皮/芯是有利的，因 为它提供了增大的接触面积以及强度同时维持了该基础毡片的结构整体性。在一个实施方 案中，该皮与该芯的面积比的范围是从约80/20至约20/80。如以上提到的，该双组分纤维的一种组分(即，该粘结组分)具有的熔点低于另一 种组分(即，该结构组分)。通过一种途径，该粘结组分或该第一聚合物组分具有的熔点比 该结构组分或第二聚合物组分的熔点低约25°C至约50°C。以这种方式，该双组分纤维在这 两种聚合物之间具有足够的熔点差，从而允许用于该非织造材料中，因而只有这些聚合物 组分中的一种在加热时熔化。例如，用于该非织造材料中的一种优选的双组分纤维具有的 皮熔点为约100至约220°C，而芯熔点为约150至约270°C。优选地，这些双组分纤维具有一个线密度，在本领域中称为旦尼尔，为约1至约72 克/9，000米；然而，其他旦尼尔也可能是合适的，这取决于所使用的配方、具体的应用、以 及其他因素。这些双组分的纤维还优选地具有约1与约25mm之间的纤维长度，并且更优选 是在1与约IOmm之间。虽然以上讨论了这些无机和有机纤维的特别的特征，这些特征对于 形成一个适合于吸音天花板贴砖的芯层是普遍优选的，但是也可以根据具体的应用和方法 来选择其他的纤维特性。如在背景中讨论的，在非织造织物、尿布、揩布、过滤介质、以及汽车绝缘层中典型 使用的可商购的双组分纤维普遍对于用在吸音天花板贴砖中来说太强力，因为所形成的贴 砖将要求过度的力来切割。这些纤维的强度可以根据断裂负荷与百分比伸长率的组合来确 定(Din EN SSO 5079或ASTMD3217)。如下表中所示，可商购的双组分的以及单丝纤维(如 通常由纤维供应商报道)典型地展现出不可接受的 范围从约2至约100克的断裂负荷以及 范围从约30%至约400%的伸长率值。这些可商购的纤维并不具有与天花板贴砖中常用的 无机基础纤维相似的组合特性。尽管并非旨在受任何理论限制，人们相信，这些现存纤维的 这样的纤维强度主要是由于该双组分纤维中的结构组分的组成。表1 现存纤维强度的比较
权利要求
一种非织造材料，包括一种无机的基础纤维与一种有机的粘合纤维的一个基本上扁平并且自支撑的芯层；该有机的粘合纤维在单长丝中包括一种粘结组分以及一种结构组分；一种粘结组分的熔点充分小于一种结构组分的熔点，使得当该有机的粘合纤维被加热至近似于该粘结组分的熔点时，则然后该无机的基础纤维以及有机的粘合纤维至少部分地彼此粘结；并且该有机的粘合纤维具有一个纤维强度，其中断裂负荷为大约10克或更小并且伸长率为大约20％或更小。
2.如权利要求1所述的非织造材料，其中，该结构组分包括一种树脂以及掺混在其中 的一种填充剂。
3.如权利要求2所述的非织造材料，其中，该结构组分包括约5至约50重量百分比的 该填充剂。
4.如权利要求2所述的非织造材料，其中，该填充剂是选自下组，其构成为碳酸钙、粘 土、滑石、硅石、长石、霞石、云母、硅灰石、珍珠岩、玻璃、硅酸盐、二氧化钛、硫酸钙、以及它 们的混合物。
5.如权利要求1所述的非织造材料，其中，该无机的基础纤维按重量计占该非织造材 料的约30%至约90%。
6.如权利要求5所述的非织造材料，其中，该无机的基础纤维是选自下组，其构成为 矿棉、岩石棉、渣棉、以及它们的混合物。
7.如权利要求1所述的非织造材料，其中，该有机的粘合纤维按重量计占该非织造材 料的约0. 至约70%。
8.如权利要求1所述的非织造材料，其中，该粘结组分的熔点为约100°C至约220°C，并 且该结构组分的熔点为约150°C至约270°C。
9.如权利要求8所述的非织造材料，其中，该粘结组分的熔点比该结构组分的熔点小 约25°C至约50°C。
10.如权利要求1所述的非织造材料，其中，该非织造材料具有的噪声降低系数是从约 0. 3至约1. 0、火焰蔓延指数是约25或更小、并且烟雾发展指数是约50或更小。
11.一种组合物，包括一种多组分的热粘合纤维，该纤维在单个的纤维长丝中包括一种低熔点的组分以及一 种高熔点的组分；一种低熔点的组分的熔点充分小于一种高熔点组分的熔点；并且其中该组合物具有一个纤维强度，其中断裂负荷为大约10克或更小并且伸长率为大约 20%或更小。
12.如权利要求11所述的组合物，其中，该组合物进一步包括其中掺混了一种填充剂 的一种树脂，以形成该高熔点的组分。
13.如权利要求12所述的组合物，其中，该高熔点的组分包括约5至约50重量百分比 的该填充剂。
14.如权利要求13所述的组合物，其中，该填充剂是选自下组，其构成为碳酸钙、粘 土、滑石、硅石、长石、霞石、云母、硅灰石、珍珠岩、玻璃、硅酸盐、二氧化钛、硫酸钙、以及它们的混合物。
15.一种形成权利要求1所述的非织造材料的方法，该方法包括提供该无机的基础纤维以及该有机的粘合纤维；将该无机的基础纤维以及该有机的粘合纤维形成为一个非织造的网片；并且加热该非织造的网片以将该无机的基础纤维的至少一部分粘合至该有机的粘合纤维 的至少一部分上，以形成一个基本上扁平的并且自支撑的结构。
16.如权利要求15所述的方法，其中该无机的基础纤维是选自下组，其构成为矿棉、渣棉、岩石棉、以及它们的混合物，并 且具有高达约60重量百分比的渣球含量；该非织造材料包括约5至约50重量百分比的掺混在一种树脂中的一种填充剂；并且该填充剂是选自下组，其构成为碳酸钙、粘土、滑石、硅石、长石、霞石、云母、硅灰石、 珍珠岩、玻璃、硅酸盐、二氧化钛、硫酸钙、以及它们的混合物。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括提供一种多孔的面层材料，该面层材料在粘结过程中实质性地将该无机的基础纤维以 及该有机的粘合纤维阻留在其上。
18.如权利要求17所述的方法，其中该多孔的面层材料具有约2000Pa-s/m或更小的气流阻力、至少约IOpsi的拉伸强度、 至少约500单位的格利硬挺度、以及大约50至约200gsm的基础重量。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括将该多孔的面层材料附接在该基本上平面的并且自支撑的结构上。
20.如权利要求19所述的方法，其中，使用至少一个气铺成型铺装头来将该无机的基 础纤维以及该有机的粘合纤维形成该非织造的网片。
全文摘要
在此提供了一种非织造材料及其形成方法，优选地使用一个气铺成型铺装头来形成一种无机的基础纤维与一种有机的粘合纤维的一个基本上扁平或平面的自支撑的芯层。在某些优选实施方案中，这种无机的基础纤维具有的纤维强度的断裂负荷为大约10克或更小并且伸长率为大约20％或更小。优选地，该有机的粘合纤维在单长丝中具有一种粘合组分以及一种结构组分。一方面，该无机粘合纤维的结构组分具有一种有效提供其强度的组成，因而该非织造材料可以用最小的努力手动切割。以这样的形式，该非织造材料适合于充当一个吸音天花板贴砖。
文档编号D04H1/54GK101990586SQ200980112192
公开日2011年3月23日 申请日期2009年4月1日 优先权日2008年4月3日
发明者D·S·米勒, W·D·宋, 曹邦继 申请人:Usg内部股份有限公司