低密度纤维及其形成方法
【专利说明】低密度纤维及其形成方法
[0001] 发明背景
[0002] 已做出了各种尝试来形成聚合物纤维而同时更有效地利用原料，特别是从不可再 生来源开发的原料。在一种尝试中，已形成包括各种从可再生来源开发的填料和/或聚合 物的纤维。不幸的是，这样的纤维仅是将一种材料替换为另一种，而通常该替换是在更高制 造成本下得到的并且通常损失了希望的纤维特性。在另一种方法中，气体发泡剂已被用来 帮助形成多孔的"泡沫"结构，该结构具有一定量空隙并减少了形成纤维所需材料的总量。 不幸的是，已证明在形成纤维，特别是在形成小纤维方面利用该技术是非常困难的，因为已 证明难以控制在聚合物组合物中形成的气泡的尺寸，原因是一旦形成，气泡就倾向于聚集 和/或从聚合物组合物中扩散出来，特别是在形成操作如拉拔期间。另外，形成遍及纤维的 开放空隙通常已证明对所形成纤维的希望的特性如拉伸强度和拉伸模量是不利的。
[0003]因此，目前需要利用更少材料、还能显示出优良机械性能的聚合物纤维。
[0004] 发明概沐
[0005] 根据本发明的一个实施方案，公开的是一种由热塑性组合物形成的低密度纤维。 该热塑性组合物包含至少一种聚合物和高表面积纳米结构。例如，纤维包含约〇.5wt. %至 约4wt. %的高表面积纳米结构。纤维包含多个分散在纤维内的空隙。纤维密度为聚合物密 度的约95%或更低，由空隙占据的纤维的平均体积百分比为纤维的约10%至约50%。
[0006] 根据本发明的另一个实施方案，公开的是一种用于形成低密度拉拔纤维的方法， 该方法包括将发泡剂装载到高表面积纳米结构；形成包含聚合物和携带发泡剂的高表面积 纳米结构的共混物；经由挤出过程和模具在这样的温度下挤出共混物，在该温度下该共混 物中的发泡剂分解或反应从而在该共混物中形成气泡；并且拉拔该挤出产物以形成包含多 个空隙和多个高表面积纳米结构的拉拔纤维。纤维的密度可以是聚合物密度的约95%或更 低，由空隙占据的纤维的平均体积百分比可为纤维的约10%至约50%。
[0007] 在一个实施方案中，公开了一种方法，其中高表面积纳米结构由发泡剂形成。根据 该实施方案，该共混物可以在这样的温度下挤出，在该温度下发泡剂分解或反应从而形成 气泡并产生高表面积纳米结构。
[0008] 根据本发明的还另一个实施方案，公开了一种形成非织造纤网的方法，该方法包 括将多个纤维无规沉积到成形表面上。纤维可以由如本文所述的共混物形成。该方法进一 步包括拉拔纤维，其中纤维包含多个高表面积纳米结构和多个空隙。
[0009] 下面更加详细地讨论本发明的其它特征和方法。
[0010] 附图简沐
[0011] 参照附图，在本说明书的其余部分中更具体地阐述针对本领域普通技术人员的本 发明的完整和能够实施的公开内容，包括其最佳实施方式，其中：
[0012] 图1是可在本发明的一个实施方案中用来形成纤维的方法的示意图；
[0013] 图2是本文所描述的一种拉拔纤维的横截面的扫描电子显微镜（SEM)图像。
[0014] 图3是本文所描述的另一种拉拔纤维的横截面的SEM图像。
[0015] 图4是本文所描述的另一种拉拔纤维的横截面的SEM图像。
[0016] 图5是本文所描述的一种未拉拔纤维的俯视图的光学显微镜图像。
[0017] 图6是本文所描述的另一种未拉拔纤维的俯视图的光学显微镜图像。
[0018] 图7是本文所描述的拉拔纤维的俯视图的光学显微镜图像。
[0019] 图8是本文所描述的拉拔纤维的俯视图的光学显微镜图像。
[0020]代表性实施方案的详述
[0021] 现将详细参考该主题的各个实施方案，其一个或多个实施例在下面阐述。每个实 施例均通过解释该主题而非限制该主题的方式提供。事实上，对于本领域技术人员明显的 是，在不背离该主题的范围或精神的前提下在本发明中可以做出各种改变和变化。例如，作 为一个实施方案的一部分说明或描述的特征，可以在另一个实施方案中使用以形成还进一 步的实施方案。因而，本发明意图涵盖这样的改变和变化，只要其落在所附权利要求及其等 同方案的范围内。另外，出于所有目的将所有引用专利和公开的专利申请的全部内容引入 本文作为参考。
[0022]
[0023] 如本文使用的，术语"纤维"是指通过使聚合物通过诸如模头的成形孔而形成的细 长挤出物。除非另有说明，术语"纤维"包括具有一定长度的不连续纤维和基本连续的纤丝 两者。本质上，纤丝可以例如具有远大于其直径的长度，例如大于约15, 000比1，和在一些 情况下，大于约50, 000比1的长度与直径的比（"长径比"）。此外，纤维可以限定沿着纤 维轴向长度纵向延伸的中空芯。
[0024] 如本文使用的，术语"纳米结构"是指具有至少一个在纳米级上的尺寸的结构。具 体地，虽然在某些实施方案中纳米结构的一个或多个尺寸可以大于约1000纳米，但是它们 将限定至少一个在纳米级上的尺寸或特征，即，小于约1000纳米，例如小于约500纳米，小 于约300纳米，或小于约100纳米。例如，纳米结构可以具有约1微米或更长的长度并且可 以具有约1至约200纳米，约10至约150纳米，或约25至约100纳米的平均宽度（或直 径）。在另一个实例中，纳米结构可以具有一个或多个在微米级上形成的尺寸，并且可以包 括在该结构表面处的纳米尺寸特征。例如，纳米结构可以包括在该结构表面上的纳米尺寸 (即，在至少一个尺寸上小于1000纳米）的原纤维或其它结构，并且该基本结构可以更大， 具有大于1000纳米的尺寸。
[0025] 如本文所使用的，术语"高表面积纳米结构"是指包括内部和/或外部特征的纳米 结构，与相同的整体尺寸的实心结构相比，该特征增加了该结构的总表面积。例如，高表面 积纳米结构可包括遍布该结构的全部或一部分的、可以是相互连接的或分隔的多个相对小 的孔，可包括该纳米结构内的相对大的空腔（对纳米结构的表面开放或封闭）和/或可包 括与相同整体尺寸的实心结构相比增加了该结构的表面积并且缺少内部和/或外部特征 的表面特征。
[0026] 如本文使用的，术语"非织造纤网"是指具有单个纤维结构的纤网，所述单个纤维 是无规互层（interlaid)的，而不是以如同在针织或织造织物中那样可辨别的方式。非 织造纤网包括，例如，熔喷纤网、纺粘纤网、梳理纤网、湿法纤网、气流法纤网、共成形纤网、 水力缠结纤网等。非织造纤网的基重一般可变化，但是通常为约5克/平方米（"gsm"） 至200gsm，在一些实施方案中约lOgsm至约150gsm，和在一些实施方案中约15gsm至约 100gsm〇
[0027] 如本文使用的，术语"熔喷"纤网或层通常是指通过这样过程形成的非织造纤网， 在该过程中将熔融的热塑性材料经过多个细的、通常圆形的模具毛细管挤出为熔融纤维进 入会聚的高速气（如，空气）流中，该气流使熔融热塑性材料的纤维变细从而减小它们的直 径，这可达微纤维直径。之后，高速气流携带熔喷纤维并将其沉积在收集表面上以形成无规 分散的熔喷纤维的纤网。这样的过程例如披露于Butin等人的第3, 849, 241号美国专利； Meitner等人的第4, 307, 143号美国专利；和Boggs的第4, 707, 398号美国专利。熔喷纤 维可以基本上连续或不连续，并且当沉积到收集表面上时通常发粘。
[0028] 如本文使用的，术语"纺粘"纤网或层一般是指包含小直径的基本连续的纤丝的 非织造纤网。该纤丝是通过将熔融的热塑性材料从喷丝头的多个细的、通常圆形的毛细 管中挤出而形成的，而挤出纤丝的直径随后通过例如引出拉拔（eductivedrawing)和/ 或其它熟知的纺粘机制迅速减小。纺粘纤网的制备例如被描述和说明于Appel等人的第 4, 340, 563号美国专利:Dorschner等人的第3, 692, 618号美国专利:Matsuki等人的第 3, 802, 817号美国专利:Kinnev的第3, 338, 992号美国专利；Kinnev的第3, 341，394号美 国专利:Hartmann的第3, 502, 763号美国专利:Petersen的第3, 502, 538号美国专利：Dobo 等人的第3, 542, 615号美国专利；和Pike等人的第5, 382, 400号美国专利。纺粘纤丝当被 沉积到收集表面上时通常不发粘。纺粘纤丝的直径可有时小于约40微米，并且通常为约5 至约20微米。
[0029] 连述
[0030] 一般而言，本发明涉及由热塑性组合物形成并具有空隙结构和低密度的纤维。为 了实现这样的结构，将聚合物与高表面积纳米结构共混。在纤维形成过程期间，包含在共混 物中的发泡剂可以反应形成气泡，该气泡形成纤维中的空隙。发泡剂可以作为可在高表面 积纳米结构上和/或中携带的单独组分向共混物提供或者可以通过形成高表面积纳米结 构（即，活性纳米结构）的材料来提供。例如，该共混物可包括由发泡剂形成的活性高表 面积纳米结构，该发泡剂在挤出温度下可反应或分解从而释放气体并在初生纤维中形成气 泡。在从活性高表面积纳米结构中释放气体后，该活性纳米结构的非挥发性副产物可以以 产物高表面积纳米结构的形式保留在纤维中。在另一个实施方案中，共混物的高表面积纳 米结构可以是惰性的并且拉拔纤维的纳米结构可以与添加到预挤出共混物的纳米结构在 化学上相同。在该实施方案中，发泡剂可以作为单独组分，作为高表面积纳米结构表面上的 涂层提供和/或被螯合（sequester)在高表面积纳米结构内。
[0031] 在初始挤出之后，形成的纤维可被拉伸或拉拔。无意受限于理论，认为高表面积纳 米结构可在挤出物内提供毛细力，该毛细力可减少气体扩散，将气泡分散在初生纤维中并 减少气泡合并以及气泡从纤维中扩散出来。这形成了位于整个纤维中的多个空隙（如，微 米空隙、纳米空隙或其组合）。另外，拉拔纤维中的高表面积纳米结构可增加纤维强度并补 偿纤维内的非承重空隙。
[0032] 纤维中存在纳米结构可同样提供另外的益处。例如，由于整个纤维中气泡成核水 平不同以及由于在形成期间气泡合并的减少，纳米结构可在纤维的聚合物基材中提供形成 分级空隙结构的途径。另外，一旦气泡形成，纳米结构即可稳定气泡，导致在拉拔纤维中靠 近纳米结构处形成更细级别的空隙。另外，纳米结构可以在初生纤维中提供可提高聚合物 中晶体形成速率的晶体模板。这可通过在纤维形成和拉拔期间形成空隙支撑框架和进一步 减少气泡从聚合物基材的迀移来为纤维提供稳定化。
[0033] 由纤维内的空隙占据的平均体积百分比可以相对高，例如为纤维的约10%至约 50%，在一些实施方案中为纤维的约15%至约45%，在一些实施方案中为纤维的约20%至 约 40%。
[0034] 这样的高空隙体积显著降低了纤维密度。例如，纤维密度可以是形成纤维的聚合 物密度的约95 %或更低，例如聚合物密度的约50 %至约90%，或聚合物密度的约60 %至约 80%。纤维密度意图是指纤维重量除以纤维的整个体积，纤维的整个体积包括拉拔纤维内 的空隙体积。纤维密度是通过将纤维重量除以包括纤维中空隙的纤维总体积来确定的。在 一个实施方案中，所得纤维的密度可为约0.8克/立方厘米（"g/cm3"）或更低，在一些实 施方案中约〇. 4g/cm3至约0. 75g/cm3,和在一些实施方案中约0. 5g/cm3至约0. 7g/cm3,例如 约0. 65g/cm3至约0. 75g/cm3。纤维比重同样可小于形成纤维的聚合物的比重，例如纤维的 聚合物的比重的约95 %或更少，例如约50 %至约90 %或约60 %至约80%。
[0035] 纤维直径可以根据希望的应用来变化。通常地，所形成纤