制造纤维物料坯的方法 本发明的技术领域和工业应用
本发明涉及可用作绝热，隔声，和结构模制介质的纤维产品的制造。特别是本发明涉及具有无机纤维和有机纤维，如聚合物纤维的纤维产品的制造方法，不同的纤维相互结合在一体，使产品具有有利的特性。
【发明背景】
无机纤维产品，特别是由玻璃纤维制造的产品，通常制造成或者连续的纤维或者不连续的纤维。将各种有机涂层施加到这些纤维上，用于保护纤维免受磨损，使无机纤维互相连接形成结构产品，以及提供无机纤维与其它材料的相容性，如加强纤维与一塑料基体的相容性。如果是隔离产品，无机纤维通常由有机材料，如苯酚／甲醛粘结剂结合成一体，以形成弹簧样地基体，在包装期间被压缩后可以回复。一网垫产品具有玻璃纤维和有机材料的纤维，并且由纺织品的非织造方法制造，其在Chenoweth等人的美国专利US4，751，134中公开。
将有机材料施加到无机纤维的方法可以采用几种形式。将连续的无机纤维通过一个液槽或者涂覆设备，将一涂层施加到纤维上，如在连续的纤维的定型过程中。另外，有机材料可以喷射到无机纤维上。这种方法通常用在隔离产品的制造中，采用一旋转方法，其中一个圆柱形的无机纤维的幕与苯酚／甲醛粘结剂射流相遇。
现有技术中的将含水有机粘结剂施加到圆柱形的无机纤维的幕的问题在于，一部分粘结剂会在液体粘结剂的液滴与幕中无机纤维接触之前挥发。由于需要离纤化器比较近地施加粘结剂，因此此问题加重，即热的环境特别容易使得一些液体粘结剂的液滴在接触玻璃纤维之前挥发。挥发的粘结剂材料变成此过程中排出的空气流中的污染物并且必须消除，以避免污染问题。而且，无机纤维上的粘结剂材料会变粘稠，需要仔细清扫纤维收集装置，防止玻璃纤维隔离材料结团，其会落入产品中，造成产品疵点。而且，粘结剂材料必须在一个炉中固化，需要大量的能量，不仅对于粘结剂自身的固化，而且用于驱走粘结剂中结合的水，还用于加热和固化过程的气态副产品的环境清洁。
过去已经努力在一旋转过程中使有机粘结剂材料与无机纤维结合为一体，而不仅仅是用粘结剂材料的水溶液喷射无机纤维的幕。例如，Thiessen的美国专利US5，123，949公开了一种旋转纤化工艺，其中加添的颗粒通过旋转器的中空轴或者套管轴施加。颗粒从幕中的某一位置直接向着无机纤维的幕施加。添加的颗粒可以是纤维状的，如纤维素纤维，还可以是颗粒形式的树脂材料。
Bakhshi等人的美国专利US5，614，132公开了另一种使有机材料与旋转的无机纤维结合在一起的方法。一个玻璃旋转纤化器产生一个向下移动的玻璃纤维的中空幕，一聚合物成纤器在中空的幕中操作，在幕中产生聚合物纤维，并沿径向向外指向玻璃纤维。聚合物纤维与玻璃纤维混合，产生一具有玻璃纤维和聚合物纤维的增强树脂产品。当实施此专利的方法制造一种玻璃网增强塑料材料时，聚合物纤维经受热纤维成形环境中大量的热，其结果是，大多数聚合物纤维熔化，并且以非纤维颗粒出现在玻璃纤维或者聚合物纤维上。例如见第4栏第66行至第5栏第2行。这对于将玻璃纤维与聚合物材料结合成为一模制材料(一玻璃网热塑料材料)是令人满意的，适于模制成一致密的加强塑料产品。由于在模制过程中产品被压缩，不需要提供给纤维形式的聚合物与玻璃纤维的更牢固的结合。但是，具有大量的或者更有利的实质性数量的纤维形式的聚合物纤维，对隔离产品的热阻更有利。
作为同轴旋转混合方法的替代形式，Loftus等人的美国专利US5，595，584公开了另一种混合方法，其中玻璃旋转纤化器使玻璃纤维离心，并且聚合物旋转纤化器使聚合物纤维离心，两个成纤器沿收集表面被布置成相互位置交替地布置。聚合物纤维纤化器被定位为与垂直方向成一角度，使得聚合物纤维流以一角度与玻璃纤维的幕接触。交替混合方法的目的是将聚合物纤维成形环境与玻璃纤维成形环境分离，应当理解，将旋转形成的聚合物纤维与玻璃纤维幕均匀地结合成一体是很困难的。旋转聚合物工艺的不均性、及玻璃纤维成形区域的涡流和混乱的环境，造成一有些产品具有比预期的特性少的不可预见的叠层产品。
如果开发一种改进的方法是很有利的，其使得聚合物或者其它有机纤维与流动的玻璃纤维流结合，产生一种玻璃纤维与聚合物纤维的均匀的混合物，最好是纤维分布均匀，重量均匀。这样的方法将提供给纤维形式的聚合物材料保护，使得聚合物纤维不承受热的环境，该热环境会使得聚合物材料蒸发或者降解，或者使聚合物纤维软化或者熔化成非纤维颗粒。而且，这样的方法可以提供聚合物纤维与无机纤维结合的灵活性。而且，理想的是，该方法使得两种或者多种聚合物材料的聚合物纤维与玻璃纤维结合在一起。
发明概述
上述目的及不具体列举的目的可以由一种制造纤维物料坯的方法而完成。该方法包括采用至少两个无机纤维旋转器，离心来自熔融的矿物材料／无机材料的至少两组无机纤维，该旋转器被布置成沿一收集表面在机器的方向。将各组无机纤维导入一向下移动的幕中，该幕位于无机纤维旋转器中的一个的下面，从至少一个有孔的模具产生至少一个向下移动的对齐的有机纤维的阵列，该模具与各无机纤维旋转器间隔开，并且引导纤维陈列与无机纤维接触，并且将无机纤维和有机纤维收集成为纤维物料坯。
按照本发明，还提供用于制造纤维物料坯的设备，其包括至少两个无机纤维旋转器，离心至少两组来自熔融的矿物材料的无机纤维，该旋转器被布置成沿一收集表面在机器的方向，用于将各组无机纤维导入一向下移动的幕中的装置，该幕位于无机纤维旋转器中的一个的下面，至少一个有孔的模具，产生至少一个向下移动的对齐的有机纤维的阵列，并且引导纤维阵列与无机纤维接触，该模具与各无机纤维旋转器间隔开，以及一个收集表面，用于将无机纤维和有机纤维收集成为纤维物料坯。
对附图的简要描述
图1是示意图，表示按照本发明的方法将聚合物纤维与玻璃纤维结合成为一体的设备的主视图。
图2是图1的设备的平面图。
图3是示意图，表示图1的设备的放大的细节，并且特别表示聚合物纤维的产生。
图4是示意的侧视图，表示按照本发明制造的将聚合物纤维与玻璃纤维结合为整体的隔离产品的正视图。
图5是示意的侧视图，表示按照本发明制造的将聚合物纤维层与玻璃纤维层叠起来的隔离产品的正视图。
对本发明的详细描述
采用玻璃纤维作为本发明的无机纤维的例子对本发明进行描述。应当明白，本发明可以采用其它可热软化的矿物／无机材料，如岩石，矿渣和玄武岩。而且，虽然用聚合物纤维作为与玻璃纤维接触的纤维对本发明进行描述，但是应当明白，任何有机材料的纤维，如沥青纤维，能够用在本发明，只要是长的或者基本上是连续的适合于加强产品性能的纤维。
如图1和2所示，用于完成本发明方法的装置包括多个旋转器12，其通常在移动纤维收集表面、如成形链板14的纵向设置，即沿着机器方向如箭头13所示。如图3中更清楚的所示，旋转器由一个环状的吹风机16环绕，并且在一个主轴或者中空轴18上转动。可选择的是，一个环状燃烧器(未示出)，被定位成将热分配到旋转器和玻璃纤维成形环境。一熔融的玻璃流20从一个玻璃熔融炉(未图示)输送出来，而且熔融的玻璃流20滴入转动的旋转器12的内部。转动的旋转器的离心力使熔融的玻璃以纤细的玻璃流的形式从旋转器排出，由于吹风机16以及吹风机吹出的气体的作用向下变为玻璃纤维22。吹风机吹出的气体和引入空气使玻璃纤维变细成为最终细小的直径，通常在约3～8微米之间。
玻璃纤维在向下移动的幕24中移动，该幕通常是圆柱形，并且不仅包含玻璃纤维而且包含从吹风机16吹出的快速移动的空气。幕24起初具有比旋转器稍大的直径。在幕向下移动的过程中，幕的尺寸或者直径，以及幕中的气体和纤维的转动速度都在变化。这些变化是由于所述幕中气体的原始能量的消散，及外力对幕的影响。总之，在本发明中，幕在向下移动时膨胀。
未示出的喷嘴，可选择地定位成将液体射流引导进入幕中。此射流包括水或者其它挥发性液体以便使幕中纤维和相关气体冷却。喷嘴还可以在纤维上喷射润滑剂以降低最终隔离产品中的纤维与纤维之间的摩擦力，从而能够防止纤维损坏。如果需要，喷嘴还能够用于在玻璃纤维上添加一可选择的树脂粘结剂，虽然本发明的方法能够导致一种整体性和回复特性足够好的产品，而不需要粘结剂。树脂粘结剂如脲／酚醛树脂粘结剂在本领域是公知的。喷嘴由未示出的装置提供所需的液体。
用于影响幕24的另一种装置是一可选用的气流成网机(air lapper)，(未示出)，其能够被定位成在机器方向13的横向使幕24分布。气流成网机排放空气、从收集腔或者成形罩34的一侧到另一侧来吹刮或导引幕，使得收集在成形链板14上的物料坯36沿着成形链板的宽度从一个成形罩壁板至另一个成形罩壁板具有均匀的分布。成形链板14被安装成一传送装置那样运动，并且是有孔的，使得一置于成形链板下面的抽气箱(未图示)，能够从罩34和物料坯36抽出气体。
几个(两个或者两个以上)聚合物纤维产生装置定位在成形罩34中，最好是聚合物纤维模具50。应当明白，模具50可以安装成可调整的。如图3所示，聚合物纤维模具50产生一聚合物纤维55的阵列52，并且引导它们与玻璃纤维22接触，使聚合物纤维55与玻璃纤维结合成一体。聚合物纤维阵列在离开模具的方向上在模的下游20厘米的距离处的速度至少是50米／秒，并且最好是至少100米／秒。混合的聚合物纤维55和玻璃纤维22以隔离物料坯36的形式被收集在一起。
聚合物纤维模具50可以是任何适于形成聚合物材料或者其它能够形成纤维的有机材料的纤维的装置。一适合的聚合物模具50是一种熔喷模具，其能够产生通常是连续的聚合物纤维，聚合物纤维的平均直径大于约4微米，并且最好在约4～25微米之间，最好是约6微米。适合的聚合物模具可以从J＆M实验室有限公司，Dawsonville，GA，和Biax FiberFilm公司，Neenah，WI．获得。聚合物模具50最好被选取能够提供聚合物的重量含量在所希望的玻璃纤维和聚合物纤维的总产量的约1～10％。例如，如果玻璃纤维产量是每小时1000镑(454千克／小时)，所需要的聚合物纤维的灼烧损失(LOI)是2．5％，则聚合物模具将被构造为具有约每小时25．6镑(11．7千克／小时)的产量。该LOI是总有机材料受热燃烧掉的百分比。
聚合物纤维55可以由任何能够形成适合的长度，强度，耐久性和绝缘特性的聚合材料制造。在熔喷工业众所周知，从熔喷聚合物模具得到的纤维被制造成基本上连续的长度。用于制造聚合物纤维的适合的聚合物材料是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚丙烯。可用于制造纤维的其它聚合物材料包括聚苯硫醚(PPS)，尼龙，聚碳酸酯，聚苯乙烯和聚酰胺。即使本发明采用聚合物纤维55作为例子进行描述，应当明白，其它材料包括树脂，沥青和其它热塑性和热固性材料可在本发明中采用。聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)是形成聚合物纤维的优选材料。
如图3所示，一个挤压机60与聚合物纤维模具50相联，其通过聚合物管线62向聚合物纤维模具50供给聚合物材料。挤压机可以是任何适合的挤压机，其对有机材料加热和加压，并且以可纤维化的形式供给。适合的挤压机可以从上述的聚合物模具适应商处得到。
一个聚合物吹风机64也与聚合物纤维模具50关联，其向聚合物纤维模具供给热的压缩空气，使聚合物纤维55变细。所需的空气量是所需的纤维直径和被纤维化的聚合物材料的量的函数，也是其它因素的函数。空气由加热器66加热，其最好是一个电加热器，并且被加热的空气经过热空气管线68被供给到聚合物纤维模具50。热空气排出聚合物纤维模具帮助聚合物纤维变细，并且使它们保持在软的可变细的状态，直到直径的降低是满意的。由熔融的聚合物材料通过有孔的聚合物纤维模具50的排出孔分配，以及通过使聚合物材料变细，使气流从模具移走，而产生排成直线的有机纤维的阵列52。如同聚合物纤维模具一样，聚合物挤压机60，吹风机64和加热器66都有市售。对于聚合物纤维模具50，最好设置绝缘材料(未图示)，以防止过量的热损耗。
由一个聚合物管线向各模具50提供熔融的聚合物材料，在图2中未示，并且，聚合物管线可以由聚合物总管供给(未图示)，并且连接到聚合物挤压机，在图2中未示。聚合物模具50由热空气管线提供热空气，在图2中未示，热空气管线可以由热空气总管供给，未示。热空气在细化过程中，使聚合物纤维保持在软的可变细的状态帮助聚合物纤维变细。如果聚合物纤维在离开模具50以后冷却的太快，则聚合物纤维会太粗。供给模具的空气的体积和压力足以达到接近声音的空气速度。
如图2所示，聚合物纤维模具50位于两个接续的玻璃纤维旋转器之间，并且与两个接续的玻璃纤维旋转器隔开。可以看到，聚合物纤维模具50在机器方向13的横向延伸，基本上跨越形成链板14的宽度。由聚合物纤维模具50产生的聚合物纤维55的向下移动的阵列52被导引入与玻璃纤维22接触，使得聚合物纤维55与玻璃纤维22结合为整体。在一些情况下，在幕中的玻璃纤维22到达成形链板14之前聚合物纤维55与幕24相交，在其它情况下，在聚合物纤维到达成形链板14上的纤维物料坯36之前，如所示从聚合物纤维模具50出来的聚合物纤维，聚合物纤维不与玻璃纤维进行有效的接触或者混合。聚合物纤维被引导进入幕24中时，必须保持一个平衡使得聚合物纤维进入玻璃纤维幕24足够高，从而有良好的渗透，但是不能太高、以至于聚合物纤维遇到的热足以熔化过多的纤维。使大多数的有机材料保持在纤维形式是很重要的。
当聚合物纤维55进一步从模具50移动时，在纤维阵列开始破坏时纤维的路径开始发散。纤维阵列破坏的速度依赖于几个因素，包括聚合物纤维的初始速度，带有纤维阵列的空气流量，聚合物材料从模具中出来的质量流速以及围绕模具的空气流或者湍流的量。在通常的熔喷模具50中，纤维阵列的平行状态在距离模具约30～40厘米时降低。事实上，聚合物纤维55被导入玻璃纤维幕24，聚合物纤维以相对准直的状态到达玻璃纤维幕，从而使聚合物纤维成功的插入或者与玻璃纤维结合成一体。通常，聚合物纤维在距离模具20厘米处，仍然排列成对齐的阵列，因为大多数聚合物纤维仍然基本上与模具50的底部垂直。
作为标准聚合物模具50的变化，聚合物模具50A位于两个相邻的旋转器12之间，并且被安装成绕一个轴线，如垂直轴线42转动，使得对齐的聚合物纤维阵列能够移动，从而调整聚合物纤维在纤维物料坯36中的分配。
作为标准聚合物模具50的变化，可以在特定的位置放置一个较短的模具50B，例如设置在成形罩34的一侧，以便将聚合物纤维55分配到纤维物料坯36中一个特定的位置。如图2所示，短模具50B被定位成使聚合物纤维落在纤维物料坯36的纵边44。
如果需要大多数或者基本上全部来自特定模具的聚合物纤维作为聚合物纤维层落在事先收集的物料坯36的顶部，并且不与玻璃纤维混合，则聚合物纤维模具50C可以被定位成低于旋转器12的高度。可以看出，旋转的玻璃纤维旋转器12被定位成距成形链板14的距离为第一距离D，有孔的模具50C离成形链板14较近，距成形链板14的距离为第二距离d。第二距离d最好小于第一距离D的约60％。
在本发明的另一变化中，两个聚合物模具50D位于相邻的旋转器12之间。如图所示，这两个聚合物模具50D可以被定位成与垂直方向成一角度，将聚合物纤维引导入玻璃纤维幕24，使得一相当部分的聚合物纤维在成形链板的上方与幕24相交。本发明的一个特征是，通过采用多样的模具50，50A，50B，50C或者50D，一种制造纤维物料坯36的方法包括采用一个或者多个有孔的模具产生向下移动的排成直线的第一有机材料或者聚合材料的纤维阵列，以及采用一个或者多个有孔的模具产生向下移动的排成直线的第二有机材料或者聚合材料的纤维阵列。
如果需要，纤维物料坯可以经过下游的热调整炉，使聚合物纤维软化，软化到足以使聚合物纤维与玻璃纤维粘结，而不造成聚合物纤维失去其纤维状态。必须注意，这样的炉在传统的方法中是需要的，其中粘结剂必须被固化。这降低了能量的需要可以降低大量的成本。而且，在纤维产品上的聚合物纤维的表层将承受一个热处理过程，将聚合物纤维层转变成粘合的聚合物网，从而有利于产品的质量。这样的一个表层，使隔离产品更结实，更易于处理而无损坏。而且，纤维物料坯能够承受一个模制过程，其中或者整个纤维物料坯或者其表面能够在热和压力的情况下被模制，以形成各种隔离产品或者结构产品。
如果聚合物纤维被导入，在成形链板14的上方与玻璃纤维幕24相交，如图1中两个模具50D，聚合物纤维55与玻璃纤维22结合成为一体。完成的整体化的隔离产品46如图4所示。如果聚合物纤维在成形链板14的上方不与玻璃纤维幕24相交，而是落在先前形成的材料上，如图1的模具50C，在纤维物料坯36中聚合物纤维55与玻璃纤维22叠成层。完成的叠层的隔离产品48如图5所示。聚合物纤维55的层与玻璃纤维22的层垂直地交替。
从上面的讨论可以看出，可以采用一个或者多个聚合物模具50，50A，50B，50C或者50D的各种结合，从而改变按照本发明的方法制造的隔离产品的不同的产品特性。本发明的方法的能力和灵活性使得能够制造改进的产品，具有较好的重量分布，较好的纤维分布，无需辅助的聚合物纤维的分布或者研磨装置。而且，具有聚合物纤维／玻璃纤维界面的性质的改进的控制，包括聚合物纤维和玻璃纤维之间的缠结度。另外，将相对长而结实的聚合物纤维引入玻璃纤维物料坯提供了几个显著的优点。第一，使得物料坯更适合于针刺处理，其使得隔离产品的生产能够不需要传统的粘结剂。第二，有利地提供大大增加的机械和抗拉强度，从而允许隔离产品具有改进的可处理能力。例如，能够通过握持一端而拾起和保持的无粘结剂墙体腔隔离产品，能够采用本发明的方法制造。最后，聚合物纤维比玻璃轻，并且在一定重量的基础上相对玻璃纤维提供了一个增加的表面积，从而使绝热和隔声的性能得到改善。
本发明的操作原理和方式已经以其较佳实施例的方式进行描述。但是，应当注意，本发明可以采用不离开本发明的范围所进行的具体描述以外的方法。