含有电路径的导电纤网及其制造方法 相关申请 本申请要求 2008 年 5 月 29 日提交的美国临时专利申请序列号 61/130,220 的优先权。 背景技术 近来， 在将电子器件结合到不同类型的产品方面已经做出很多努力。例如， 已经 将简单的电子器件放置在衣物中， 从而形成更吸引消费者的独特外观。电子器件还被结 合入产品中来提供特殊的功能。例如， 本领域技术人员已经提议将电子器件包括射频识别 (RFID) 器件结合入多种包装中以用于库存控制或其它目的。
电子器件还用在医疗护理产业中的便携式监控器中。 例如， 在一个实施例中， 监控 器可以放置在住院服或其它类似的衣服中并配置成能监控患者的至少一种状态， 同时允许 患者在医院附近走动或者在医院内被移动。
如上所述的很多电子器件构造成是轻质的并且尽可能便宜。因此， 这些器件使用 柔性基材例如纸、 织造织物、 非织造织物和聚合物膜制成。过去， 通过印刷到柔性基材上的 导电墨将电路结合到器件中。
然而， 以前在使用导电墨方面已经遇到很多问题。例如， 导电墨不仅价格相对昂 贵， 并且将这些墨印刷到多孔基材例如纺织材料上时也出现很多问题。当导电墨已经被印 刷到多孔材料上时， 例如电导率等级已经被大大降低。此外， 印刷过程不得不离线进行， 增 加了制造工艺的复杂性并进一步提高了整体产品的造价。
鉴于此， 当前对用相对便宜的方式设计和生产用于结合入多种电子器件中的电路 存在需要。
发明内容 通常， 本发明涉及使用一种或多种非织造材料来构造电子器件。 更特别地， 根据本 发明制造的非织造材料通过含有导电纤维如碳纤维是导电的。 通过在纤网中形成多个非导 电区从而在导电非织造纤网中形成电路径。根据本发明， 这些非导电区通过对所述导电纤 网施加超声能量来形成。 已经发现超声能量能够破坏并断开所述导电纤维从而形成非导电 区。
在非织造纤网中形成的电路径可根据具体应用变化。在一个实施例中， 例如可以 在非织造材料中形成电路。电路可以包括例如闭路或开路。
根据本发明能以相对高的速度和相对低的成本制造导电非织造材料。实际上， 导 电非织造纤网能被设计成结合入一次性产品中， 例如吸收性物品、 医用产品等等。
在一个实施例中， 例如， 本发明涉及一种用于构造电子器件的产品。 该产品包括包 含导电纤维和非导电纤维的导电非织造纤网。 导电纤维可包括非金属纤维， 例如碳纤维。 碳 纤维例如具有大于约 85％， 如大于约 88％， 如大于约 90％， 甚至大于约 92％的纯度。所述 碳纤维可具有任何合适的长度， 如从约 1mm 到约 6mm。
导电纤维在非织造纤网中的量通常为约 5％重量到约 50％重量。例如， 在一个实 施例中， 导电纤维在纤网中的量为约 5％重量到约 25％重量。
如上所述， 非织造纤网除包含碳纤维外， 还包含非导电纤维。 所述非导电纤网例如 包括木浆纤维、 合成纤维或其混合物。合成纤维 ( 如果存在 ) 可以由热塑性聚合物制成。
为了形成非导电区， 可以使用例如超声接合振子将超声能量施加到非织造纤网。 超声能量例如具有从约 20kHz 到约 40kHz 的频率。在一个实施例中， 施加到非织造纤网的 超声能量的大小足以使非导电区的电阻比纤网中所含有的导电区的电阻大至少四倍。
除了形成非导电区之外， 超声能量还可以用于其它目的。 例如， 施加超声能量到纤 网使其与相邻纤网相接合。
实际上， 在一个实施例中， 除了将两个相邻纤网接合到一起和 / 或形成一个或多 个非导电区， 超声能量还可以用于在两相对的纤网之间构建电连接。 例如， 在非导电区附近 构建电连接。
多层产品例如可以用来构造多种电子器件。 例如， 在一个实施例中， 由根据本发明 的导电非织造纤网可以制成开关。电子开关例如包括如上所述的导电非织造纤网， 该导电 非织造纤网与同样包括导电非织造纤网的相对的导电层分隔开。所述两导电层间隔分开， 但是当导电非织造纤网和相对的导电层彼此压在一起时形成电连接。在一个实施例中， 非 导电层布置在所述两导电层之间。所述非导电层例如包括一孔， 通过所述孔在导电的非织 造纤网和相对的导电层之间形成电连接。
可根据本发明制成的另一种包括键盘的电子器件。 所述键盘例如限定出标明多个 键的外表面。这些键包括字母标志、 数字标志或者两者的组合。第一导电层布置在键的下 方并与第二导电层分隔开。所述导电层中的至少一个包括根据本发明制造的非织造纤网。 当按下其中一个键时， 在第一导电层和第二导电层之间形成电连接。 此外， 当连接到一起时 导电层能形成电路径， 这表明已经按下相应的键。 根据本发明， 这些路径可通过用超声处理 区域形成。
所述键盘可制成含有多个层。 在一个实施例中， 键盘含有三层， 这三层包括通过一 个非导电层分隔开的根据本发明制造的两层导电非织造纤网层。在这个实施例中， 键盘能 被直接印到外部非织造纤网上。 非导电层可以由任何合适的非导电材料制成并可包含与布 置在所述键盘的外表面上的每个键位置相对应的多个孔。
在另一个实施例中， 键盘包括五层结构。 在这个实施例中， 除了上面描述的三层之 外， 键盘还包括外覆层和背衬层。 第一导电层、 非导电层和第二导电层布置在外覆层和背衬 层之间。所述外覆层可以包括显示各键的外表面。
在下文中将会更详细地描述本发明的其它目的和特征。 附图说明 通过参考下面的描述、 后附的权利要求书以及附图， 本发明的前述和其它的特征 和方案以及实现它们的方式将会变得更显而易见， 并且将能更好理解公开内容本身， 其 中：
图 1 是根据本发明的用于形成多层纤网的工艺的一个方案的侧视图 ；
图 2 是根据本发明的用于形成不起绉的热风穿透式干燥纤网的工艺的一个方案
的侧视图 ；
图 3 是根据本发明制成的导电非织造纤网的一个方案的局部平面图， 其包括多个 不同的导电区域 ；
图 4 至图 18 是本文描述的多种产品和工艺的多个视图 ； 和
图 19 是根据本发明的用于形成导电非织造纤网的工艺的另一方案的侧视图。
在本说明书和附图中附图标记的重复使用是要表示本发明的相同的或相似的特 征或元件。附图是代表性的并不需要按比例绘制。这些图中的某些比例可以被放大， 而其 它的比例可以被最小化。 具体实施方式
本领域普通技术人员应当理解， 本文讨论的内容仅仅是对示范性方案的描述， 而 不是要限制本发明的更宽泛的范围。
本发明总体涉及包括导电元件的产品。本文中描述的一些产品是一次性的， 是指 它们设计成有限次使用之后被丢弃， 而不是为了再次使用而被清洗或以其它方式被翻新。
通常， 本发明涉及包含导电区和非导电区的导电非织造材料。非织造材料包含与 至少一种其它类型的纤维相结合的导电纤维。其它类型的纤维可以包括例如木浆纤维、 合 成纤维或其混合物。 材料中存在的导电纤维的量足以使所述材料在至少一个方向上是导电 的。 根据本发明， 通过将超声能量施加到材料中的某些特殊位置来在导电材料中形成 非导电区。超声能量被认为能以在纤网形成电中断的方式破坏导电纤维。特别有利的是， 超声能量能使用例如旋转振子施加到材料上， 以允许超声能量在多个特定的且可控的位置 接触纤网。以这种方式， 能在纤网中形成非导电区图案， 用于创建出电路径。于是电路径能 被用于使电气器件中的电路完整。 如此一来， 根据本发明生产的电子器件包括这样的电路， 其不仅是轻质的且柔性的， 并且可以相对低的成本生产。 另外， 可以相对高的速度例如大于 200 英尺 / 分钟的速度在非织造纤网中生产出简单的电路和开关， 这允许在电子器件或其 它物品的生产过程将该工艺集成到生产线中。
根据本发明制成的导电纤网能使用不同的技术和方法生产。例如， 在一个实施例 中， 导电非织造纤网可包含大量的木浆纤维并能使用造纸工艺或其它类似的湿法成网工艺 制成。 在其它实施例中， 导电非织造纤网可制成含有大量的合成纤维。 当含有大量的合成纤 维时， 纤网可以使用湿法成网工艺或使用其它纤网制造技术制成。例如， 在一个实施例中， 在加工过程中， 单独或与木浆纤维组合的导电纤维能与熔融的合成纤维相结合形成同成形 纤网。在另一个实施例中， 单独或与木浆纤维组合的导电纤维能与预成形的非织造纤网例 如纺粘纤网水力缠结。
根据本发明可以使用的导电纤维可根据具体应用场合和期望的结果变化。 可以用 来形成非织造纤网的导电纤维包括碳纤维、 金属纤维、 包含由导电聚合物制成的纤维或者 含有导电材料的聚合物纤维的导电聚合物纤维。以及它们的混合物。可使用的金属纤维包 括例如铜纤维、 铝纤维等等。含有导电材料的聚合物纤维包括涂有导电材料的热塑性纤维 或浸渍或掺混有导电材料的热塑性纤维。 例如， 在一个方案中， 可以使用涂覆有银的热塑性 纤维。
可以用在本发明中的碳纤维包括完全由碳制成的纤维或者含碳量足以使纤维导 电的纤维。在一个方案中， 例如， 可以使用由聚丙烯腈聚合物制成的碳纤维。具体来说， 碳 纤维通过加热、 氧化和碳化聚丙烯腈聚合物纤维制成。这类纤维通常具有高纯度并含有相 对高分子量的分子。例如， 纤维的含碳量可大于约 85％重量， 例如大于约 88％重量， 例如大 于约 90％重量， 例如大于约 92％重量， 例如大于约 95％重量。
为了由聚丙烯腈聚合物纤维制成碳纤维， 聚丙烯腈纤维首先在氧环境中例如空气 中被加热。在加热的同时， 聚丙烯腈聚合物内的氰基位形成四氢吡啶的重复环状单元。随 着加热的继续， 聚合物开始氧化。在氧化过程中， 释放出氢而形成芳环。
在氧化后， 纤维随后在缺氧环境中进一步加热。例如， 纤维被加热到这样的温度， 例如高于 1300℃， 如高于 1400℃， 如从 1300℃到 1800℃。 在加热过程中， 纤维发生碳化。 在 碳化过程中， 相邻的聚合物链相结合形成接近纯碳的薄片状基础平面结构。
基于聚丙烯腈的碳纤维可以从很多商家购得。例如， 这样的碳纤维可购自位于美 国田纳西州 Rockwood 的 Toho Tenax 美国公司。
用来制成碳纤维的其它原料可以是人造丝和石油沥青。
特别有利的是， 形成的碳纤维可以切制成任何合适的长度。在本发明的一个方案 中， 例如， 切制的碳纤维可结合入基础纤网中， 该基础纤网的长度约为 1mm 到 12mm， 例如约 3mm 到约 6mm。纤维的平均直径约为 3 微米到约 15 微米， 如约 5 微米到约 10 微米。在一个 方案中， 例如， 碳纤维的长度为约 3mm 并且平均直径为约 7 微米。 在一个方案中， 结合入非织造基础纤网中的碳纤维具有水溶性胶料。胶料的量可 以为 0.1-10％重量。水溶性胶料可以是但不限于聚酰胺化合物、 环氧树脂酯、 丙三醇和聚 ( 乙烯基吡咯烷酮 )。这样一来， 将碳纤维混合入水中时， 胶料溶解以在形成非织造纤网之 前为碳纤维提供在水中的良好散布。
在形成根据本发明的非织造纤网时， 上述导电纤维与适用于薄页纸制造工艺的其 它纤维相结合。与导电纤维相结合的纤维包括天然纤维或合成纤维素纤维， 包括但不限于 非木质纤维， 例如棉纤维、 马尼拉麻纤维、 洋麻纤维、 印度草纤维、 亚麻纤维、 细茎针草纤维、 稻草纤维、 黄麻纤维、 甘蔗渣纤维、 乳草属绒毛纤维以及菠萝叶纤维 ； 和木质或木浆纤维， 例 如那些从落叶和针叶树获得纤维， 包括软木纤维， 例如北部和南部软木牛皮纸纤维 ； 硬木纤 维， 如桉树、 枫树、 桦树和白杨树纤维。木浆纤维可以高产量或低产量形式制备并能任何已 知的方法制浆， 包括高产量的亚硫酸盐牛皮纸浆制法和其它已知的制浆方法。也可以使用 由有机溶胶制浆方法制备的纤维， 包括在于 1988 年 12 月 27 日授予 Laamanen 等人的美国 专利 US4,793,898、 1986 年 6 月 10 日授予 Chang 等人的美国专利 US4,594,130 以及 1971 年 6 月 15 日授予 Kleinert 的美国专利 US3,585,104 中公开的纤维和方法。有用的纤维也 可以用例如 1997 年 1 月 21 日授予 Gordon 等人的美国专利 US5,595,628 中公开的蒽醌制 浆法生产。
在一个实施例中， 软木纤维用来生产非织造材料。 软木纤维往往较长， 这在制造和 加工过程中减小颗粒排放。较长的木浆纤维也容易与导电纤维例如碳纤维更好地缠结。
结合入非织造材料中的木浆纤维例如软木纤维也能被精炼， 从而增加每根纤维 上接合点的数量。接合点数量的增加增强了在成品材料中木浆纤维与导电纤维的机械缠 结。这使得在加工过程中形成非常平的均匀纸张， 并降低了碳纤维的散落。精炼操作还增
加了非织造材料的整体强度。 例如， 在一个实施例中， 木浆纤维的加拿大标准游离度大于约 350ml， 如大于约 375ml。 例如， 木浆纤维能被精炼成具有约 350ml 到约 600ml 的加拿大标准 游离度。
纤维的一部分例如干重最多达 100％或比这小的量可以是合成纤维， 如人造丝、 聚 烯烃纤维、 聚酯纤维、 聚乙烯醇纤维、 双组份皮芯复合纤维、 多组分粘合纤维以及类似物。 一 种示例性的聚乙烯纤维是购自美国特拉华州、 威尔明顿的 Hercules 公司的 合成 纤维素纤维类型包括所有类型的人造丝和衍生自纤维胶或化学改性纤维素的其它纤维。
将热塑性纤维结合入非织造纤维可提供多种优点和益处。例如， 将热塑性纤维结 合入纤网中可允许纤维被热接合或超声接合到相邻的结构。例如， 纤网可以被热接合到其 它非织造材料， 例如尿布内衬， 其可以包括例如纺粘纤网或熔喷纤网。
也可以使用经化学处理的天然纤维素纤维， 如经丝光处理的木浆纤维、 化学硬化 或交联的纤维， 或磺化纤维。 为了在使用造纸纤维时获得良好的机械性能， 期望纤维相对未 被破坏并且基本上未精炼或者仅轻微精炼。 可使用经丝光处理纤维、 再生纤维素纤维、 由微 生物产生的纤维素、 人造丝和其它纤维素材料或纤维质衍生物。合适的纤维还包括循环回 用纤维、 原生纤维或其混合物。 在某些方案中， 纤维的加拿大标准游离度至少为 200， 优选为 至少 300， 更优选为至少 400， 最优选为至少 500。 可以用在本发明中的其它造纸纤维包括废纸或循环回用纤维和高产纤维。高产 纤维是由这样的制浆工艺生产的那些造纸纤维， 能提供约 65％或更大， 特别是约 75％或更 大， 更特别是为约 75％到约 95％的产量。产量为用初始木材质量的百分比表示的经加工纤 维的成品量。这类制浆工艺包括漂白化学热磨机械浆 (BCTMP)、 化学热磨机械浆 (CTMP)、 加 压 / 加压热磨机械浆 (PTMP)、 热磨机械浆 (TMP)、 热磨机械化学浆 (TMCP)、 高产亚硫酸盐浆 和高产牛皮纸浆， 所有的这些纸浆所获得的纤维都具有高水平的木质素。和典型的化学制 浆纤维相比， 高产纤维所众所周知的是它们在干湿状态下的硬度。
耐火纤维例如购自美国密苏里州布里奇敦的 Zoltek 公司的也可以用在本发明中为导电片材提供耐火性。
一般来说， 任何能够形成薄页纸纤网的湿法成网工艺均可以用于形成导电纤网。 例如， 本发明的造纸工艺可使用压花、 湿压、 空气加压、 穿透空气干燥、 不起绉的穿透空气干 燥、 水力缠结、 气流成网以及本领域已知的其它工艺。 薄页纸纤网可以由含有至多 96％重量 的木浆纤维的纤维配料形成。纤维配比料还含有至多 96％重量的热塑性纤维。 非织造纤网还可以被压制或压印图案， 例如在任何以下美国专利中公开的薄页纸 片材 ： 1985 年 4 月 30 日授予 Johnson 等人的美国专利 US4,514,345 ； 1985 年 7 月 9 日授 予 Trokhan 的美国专利 US4,528,239 ； 1992 年 3 月 24 日授予 Smurkoski 等人的美国专利 US5,098,522 ； 1993 年 11 月 9 日授予 Smurkoski 等人的美国专利 US5,260,171 ； 1994 年 1 月 4 日授予 Trokhan 的美国专利 US5,275,700 ； 1994 年 7 月 12 日授予 Rasch 等人的美国专利 US5,328,565 ； 1994 年 8 月 2 日授予 Trokhan 等人的美国专利 US5,334,289 ； 1995 年 7 月 11 日授予 Rasch 等人的美国专利 US5,431,786 ； 1996 年 3 月 5 日授予 Steltjes， Jr. 等人的美 国专利 US5,496,624 ； 1996 年 3 月 19 日授予 Trokhan 等人的美国专利 US5,500,277 ； 1996 年 5 月 7 日授予 Trokhan 等人的美国专利 US5,514,523 ； 1996 年 9 月 10 日授予 Trokhan 等人 的美国专利 US5,554,467 ； 1996 年 10 月 22 日授予 Trokhan 等人的美国专利 US5,566,724 ；
1997 年 4 月 29 日授予 Trokhan 等人的美国专利 US5,624,790 和 1997 年 5 月 13 日授予 Ayers 等人的美国专利 US5,628,876， 上述专利的公开内容通过引用以与本文一致的方式 纳入本文。 这类压印薄页纸片材可具有抵靠着转鼓式干燥器通过印刻织物被压印的网状压 制区域， 和对应于印刻织物上的偏斜沟道的相对较少地被压制的区域 ( 例如薄页纸片材上 的 “穹状突起” )， 其中覆在偏斜沟道上的薄页纸片材通过越过偏斜沟道的空气压差被偏斜 以在薄页纸片材中形成较低密度的枕形区域或丘状结构。
也可以在没有显著的内部纤维 - 纤维接合强度的情况下形成薄页纸纤网。在这点 上， 用于形成基础纤网的纤维配料能使用化学松解剂进行处理。松解剂可以在制浆过程中 加入纤维浆中或者直接加入流浆箱中。 适用于本发明的松解剂包括阳离子松解剂例如脂肪 二烃基季胺盐， 单脂肪烷基叔胺盐、 伯胺盐、 咪唑啉季盐、 有机硅季盐和不饱和脂肪烷基胺 盐。其它合适的松解剂在 1996 年 6 月 25 日授予 Kaun 的美国专利 US5,529,665 中公开， 该 专利的内容通过引用结合入本文。具体来说， Kaun 公开了阳离子有机硅组合物作为松解剂 的用途。
在一个方案中， 用在本发明的工艺中的松解剂是一种有机季胺氯化物， 并且特别 是有机季胺氯化物的基于有机硅的胺盐。例如， 松解剂可以是位于美国特拉华州的威尔明 顿的 Hercules 公司在市场上销售的 TQ1003。这种松解剂根据浆中存在的纤 维量， 以每公吨 1 ～ 10 千克的量加入纤维浆中。
在另一个方案中， 松解剂可以是基于咪唑啉的松解剂。基于咪唑啉的松解剂例如 可以购自美国康涅狄格州格林威治镇的 Witco 公司。基于咪唑啉的松解剂可以 2.0 ～ 15 千克 / 公吨的量加入。
在一个方案中， 根据 1998 年 12 月 17 日提交的国际专利申请公开号 WO99/34057 的 PCT 国际申请或者 2000 年 4 月 28 日提交的国际申请公开号 WO00/66835 的 PCT 国际申 请中公开的工艺， 松解剂能被加入纤维配料中， 上述专利申请的内容通过引用纳入本文。 在 上述公开的申请中， 公开一种工艺， 其中化学添加剂例如松解剂被以较高量被吸收到纤维 素造纸纤维上。该工艺包括使用过量的化学添加剂处理纤维纸浆， 允许足够的停留时间以 供吸收， 过滤浆液以除去未被吸收的化学添加剂并在形成非织造纤网之前用淡水重新冲散 已过滤的浆。
湿强度和干强度制剂也可以施加到或结合到基材上。在本文中， “湿强度制剂” 是 指用于固定湿态下纤维之间的键的材料。一般来说， 将在纸和薄页纸产品中的纤维保持在 一起的手段包括氢键和有时氢键和共价键和 / 或离子键的结合。在本发明中， 提供这样的 材料是有用的， 其允许将纤维如此接合以固定纤维 - 纤维键点并使它们在湿态下抗断裂。
对于本发明来说， 当加到薄页纸片材上导致使薄页纸片材的平均湿几何抗拉强度 与干几何抗拉强度的比值超过约 0.1 的任何材料称为湿强度制剂。这些材料典型地成为永 久湿强度制剂或 “临时” 湿强度制剂。为了区分永久湿强度制剂和临时湿强度制剂， 永久湿 强度制剂将规定为这样的树脂， 当将这些树脂结合入纸或薄页纸产品中时， 它们将使得纸 或薄页纸产品在暴露在水中至少五分钟的时间段后保留超过其初始湿强度 50％。 临时湿强 度制剂使纸或薄页纸产品被用水浸五分钟后表现出为其原始湿强度的约 50％或更小的那 些制剂。两类湿强度制剂均可应用在本发明中。添加到木浆纤维的湿强度制剂的量基于纤 维的干重， 可以为至少约 0.1％干重， 特别是约 0.2％干重或更大， 且更特别是从约 0.1％到约 3％干重。
永久湿强度制剂将典型地为薄页纸片材料的结构提供或多或少的长时间湿弹性。 相反， 临时湿强度制剂典型地提供具有低密度和高弹性的薄页纸结构， 但不会提供具有暴 露于水或体液下的长时间弹性的结构。
临时湿强度制剂可以是阳离子、 非离子或阴离子制剂。这类化合物包括 PAREZTM 631 和 725 临时湿强度树脂， 这些树脂是购自美国新泽西州的西帕特森的 Cytec Industries 公司的阳离子乙醛酸聚丙烯酰胺。这种和类似的树脂在 1971 年 1 月 19 日授 予 Coscia 等人的美国专利 US3,556,932， 1971 年 1 月 19 日授予 Williams 等人的美国专利 US3,556,933 中有所描述。由位于特拉华州威尔明顿的 Hercules 公司制造的 Hercobond 1366 是可以根据本发明使用的另一种市售的阳离子乙醛酸聚丙烯酰胺。临时湿强度制剂 的其它例子包括二醛基淀粉例如购自位于美国伊利诺斯州芝加哥的国民淀粉化学公司的 1000 和其它含醛基聚合物， 例如在 2001 年 5 月 1 日授予 Schroeder 等人的美国 专利 US6,224,714 ； 2001 年 8 月 14 日授予 Shannon 等人的美国专利 US 6,274,667 ； 2001 年 9 月 11 日授予 Schroeder 等人的美国专利 US6,287,418 和 2002 年 4 月 2 日授予 Shannon 等人的美国专利 US6,365,667 中提到的那些， 上述专利的内容通过引用以与本文一致的方 式纳入本文。 包括阳离子低聚或聚合树脂的永久湿强度制剂可以用在本发明中。聚酰胺 - 聚 胺 - 表氯醇型树脂例如由位于美国特拉华州威尔明顿的 Hercules 公司出售的 KYMENE 557H 是最广泛使用的永久湿强度制剂并且适用于本发明。 这类材料已经在以下美国专利中进行 了描述 ： 1972 年 10 月 24 日授予 Keim 的美国专利 US3,700,623 ； 1973 年 11 月 13 日授予 Keim 的美国专利 3,772,076 ； 1974 年 12 月 17 日授予 Petrovich 等人的美国专利 US 3,855,158 ； 1975 年 8 月 12 日授予 Petrovich 等人的美国专利 US3,899,388 ； 1978 年 12 月 12 日授予 Petrovich 等人的美国专利 US4,129,528 ； 1979 年 4 月 3 日授予 Petrovich 等人的美国专 利 US4,147,586 ； 1980 年 9 月 16 日授予 van Eenam 的美国专利 US4,222,921。其它阳离子 树脂包括通过甲醛与三聚氰胺或尿素反应获得的聚乙烯亚胺树脂和氨基塑料树脂。 在制造 薄页纸产品时永久和临时湿强度树脂都使用是有利的。
在一个实施例中， 相对较大量的湿强度制剂被结合入非织造材料中。湿强度制剂 也可以增加产品的干强度。 此外， 湿强度制剂有助于材料中的纤维的化学缠结， 从而改善导 电纤维的固位。 添加到非织造材料中的湿强度制剂的量取决于多种不同的因素。 一般来说， 例如， 湿强度制剂的添加量可以为约 1 千克 / 公吨 (mton) 到约 12 千克 / 公吨， 如从约 5 千 克 / 公吨到约 10 千克 / 公吨。在某些实施例中， 期望添加尽可能多的湿强度制剂。在这些 实施例中， 例如， 湿强度制剂的添加量可大于约 7 千克 / 公吨吨， 如大于约 8 千克 / 公吨吨。
干强度制剂是现有技术中公知的并且包括但不限于改性淀粉和其它多糖例如阳 离子、 两性、 阴离子和非离子淀粉和瓜尔豆和刺槐豆胶、 改性聚丙烯酰胺、 羧甲基纤维素、 糖 类、 聚乙烯醇、 壳聚糖类等等。典型地， 这类干强度制剂在薄页纸片材形成之前或作为起绉 的包装的一部分被加入纤维浆中。
可以添加到非织造纤网的其它化学品类型包括但不限于通常呈阳离子、 阴离子或 非离子表面活性剂形式的吸收性助剂、 润湿剂和增塑剂如低分子量的聚乙二醇和多羟基化 合物如丙三醇和丙二醇。 为皮肤提供健康益处的材料例如矿物油、 芦荟萃取物、 维他命 E、 硅
酮、 一般而言的洗剂以及类似物也可以被结合入成品中。
一般来说， 本发明的产品可与不会对抗其预期用途的任何已知材料和化学品联合 使用。 这类材料的例子包括但不限于婴幼儿爽身粉、 碳酸氢钠、 螯合剂、 沸石、 香水或其它除 臭剂、 环糊精化合物、 氧化剂等等。 尤其有利的是， 当碳纤维用作导电纤维时， 碳纤维也起到 气味吸收剂的作用。超吸收性颗粒、 合成纤维或膜也可以采用。其它选项包括颜料、 荧光增 白剂、 润湿剂、 软化剂等等。
根据本发明制造的非织造纤网包括单层的均质纤维层或者可包括成层或层化结 构。例如， 非织造纤网叠层可包括两层或三层纤维。每层具有不同的纤维复合材料。例如， 参见图 1， 示出了用于形成多层成层纸浆配料的装置的一个方案。如图所示， 三层式流浆箱 10 总体包括上流浆箱壁 12 和下流浆箱壁 14。流浆箱 10 还包括第一分隔件 16 和第二分隔 件 18， 它们分隔出三个纤维存料层。
每层纤维层包括纤维的稀释性水悬浮液。 包含在每层中的具体纤维一般取决于要 形成的产品和期望的效果。在一个方案中， 例如， 中间层 20 包含与导电纤维相结合的木浆 纤维。另一方面， 外层 22 和 24 仅包含木浆纤维例如软木纤维和 / 或硬木纤维。
将导电纤维放置在中间层 20 中可以提供多种优点和益处。将导电纤维放置在纤 网的中间例如能制成在其表面上仍具有柔软手感的导电材料。 将纤维集中在纤网多层中的 一层内也可改善材料的电导率， 而无需增加更大量的导电纤维。在一个方案中， 例如， 形成 的三层纤网中每层占纤网重量的约 15％到约 40％。外层可仅由木浆纤维制成或者由木浆 纤维和热塑性纤维的组合制成。另一方面， 中间层可含有与导电纤维结合的木浆纤维。包 在中间层中导电纤维的含量为约 30％重量到约 70％重量， 如约 40％重量到约 60％重量， 如 约 45％重量到约 55％重量。 被辊子 28 和 30 合适地支承和驱动的环行成形织物 26 接收从流浆箱 10 流出的成 层造纸原料。一旦被保持在织物 26 上， 成层纤维悬浮液如箭头 32 所示使水经过织物。取 决于成形构型， 脱水通过重力、 离心力和真空抽吸的组合来实现。
在 1992 年 7 月 14 日授予 Farrington， Jr. 等人的美国专利 US5,129,988 也描述 和公开了多层纸幅的成形， 上述专利的内容通过引用纳入本文。
如上所述， 在其它实施例中， 非织造纤网可包括单层均质纤维层。 在生产均质纤维 层时， 在一个实施例中， 首先制成含有木浆纤维和 / 或合成纤维的水悬浮液。然后， 在将水 悬浮液沉积到成形面之前， 导电纤维例如碳纤维被注入水悬浮液中。 例如， 导电纤维能恰好 在纤维沉积到成形面之前被注入流浆箱中的纤维水悬浮液中。木浆和 / 或合成纤维的水悬 浮液例如可以含有大于 99％重量的水。 例如， 在一个实施例中， 木浆和 / 或合成纤维的水悬 浮液含有小于 1％重量， 如约 0.5％重量的纤维。导电纤维随后可以在类似的稀释度下被注 入水悬浮液中。 例如， 碳纤维含量为约 0.5％重量的碳纤维水悬浮液可被注入木浆和 / 或合 成纤维水悬浮液中。
已经发现将导电纤维注入木浆和 / 或合成纤维的水悬浮液中能降低导电纤维絮 凝物的形成。已经发现， 随着纤维混合在一起的时间增加， 更倾向于形成絮凝物。絮凝物的 产生例如会在得到的材料中形成弱化点并且在以后对非织造材料进行处理时会导致纤网 断开。
一旦纤维的水悬浮液形成非织造纤网， 纤网就可以使用多种技术和方法进行加
工。例如， 参考图 2， 示出的是一种用于制造不起绉的穿透干燥的薄页纸片材的方法。在一 个方案中， 希望使用不起绉的穿透热风干燥工艺形成非织造纤网。已经发现在成形过程中 将非织造纤网起绉可能会因破坏在非织造纤网中的导电纤维网状结构而对导电纤维造成 损坏。因此， 非织造纤网变成不导电的。
为了简单起见， 不带标记地示意性示出了用于限定若干织物走向的多个张紧辊。 应当理解， 在不背离总体工艺的情况下， 可以对图 2 示出的装置和方法做出多种变型。图中 示出的是具有造纸流浆箱 34 例如多层式流浆箱的双网成形装置， 所述流浆箱将造纸纤维 的水悬浮液流 36 注入布置在成形辊 39 上的成形织物 38 上。成形织物用于支承新成形的 湿纤网和并当纤网被部分脱水以到约 10％干重的稠度时将新成形的湿纤网运送到工艺过 程的下游。湿纤网的附加脱水能通过真空抽吸进行， 同时湿纤网被成形织物支承。
湿纤网随后从成形织物转移到转移织物 40。在一个可选方案中， 转移织物能以比 成形织物更慢的速度移动， 从而将对纤网施加增大的拉伸。这通常称为 “急速” 转移。两织 物之间的相对速度差可以为 0-15％， 更特别为 0-8％。该转移优选在真空管头 42 的帮助下 进行， 从而成形织物和转移织物在真空槽的导边处同时会聚和分开。
纤网随后借助于真空转移辊 46 或真空转移管头从转移织物转移到穿透干燥织物 44， 可选地再次使用如前所述的固定间隙转移。穿透干燥织物以与转移织物差不多相同的 或不同的速度行进。如果需要， 穿透干燥织物能以较低的速度行进以进一步增强拉伸。如 果需要， 转移可以在真空辅助下进行， 从而确保片材的变形与穿透干燥织物的一致， 因此产 生期望的体积和外观。合适的穿透干燥织物在 1995 年 7 月 4 日授予 Kai F.Chiu 的美国专 利 US5,429,686 和 1997 年 9 月 30 日授予 Wendt 等人的美国专利 US5,672,248 中有所描述， 上述专利的内容通过引用结合入本文。
在一个方案中， 穿透干燥织物提供相对光滑的表面。 或者， 织物可包含高且长的压 痕节。
纤网接触穿透干燥织物的一侧通常称为非织造纤网的 “织物侧” 。如上所述， 织物 在穿透干燥器中被干燥后， 纤网的织物侧可以具有与穿透干燥织物的表面一致的形状。另 一方面， 纸纤网的相对侧通常称为 “空气侧” 。 在正常穿透干燥过程中， 纤网的空气侧通常比 织物侧光滑。
用于纤网转移的真空度可以为约 3 到约 15 英寸汞柱 (75 至约 380 毫米汞柱 )， 优 选为约 5 英寸汞柱 (125 毫米汞柱 )。作为真空将纤网吸到下一织物上的附加和替代， 真空 管头 ( 负压 ) 能通过从纤网的相反侧使用正压来补充或替换以将纤网吹到该下一织物上。 另外， 可以用一个或多个真空辊来代替真空管头。
在通过穿透干燥织物支承时， 纤网最终通过穿透干燥器 48 干燥到稠度为约 94％ 或更大， 随后被被转移到运载织物 50。已干燥基片 52 使用运载织物 50 和可以有的运载织 物 56 输送到卷筒 54。可以使用可选的加压转向辊 58 以有利于将纤网从运载织物 50 转移 到运载织物 56。 用于此目的的运载织物是奥尔巴尼国际 84M 或 94M 和 Asten 959 或 937， 上 述织物均是具有精细图案的相对光滑的织物。尽管没有示出， 卷筒砑光和后续的线下砑光 可以用来改善基片的光滑度和柔软性。 对纤网进行砑光也可以使导电纤维沿某一平面或某 一方向定向。例如， 在一个方案中， 纤网可以被砑光从而首先使所有的导电纤维位于 X-Y 平 面内并且不在 Z 方向上。这样一来， 纤网的电导率能被改善， 同时也改善了纤网的柔软性。在一个方案中， 非织造纤网 52 是在平面状态已经被干燥的纤网。例如， 纤网在位 于光滑的穿透干燥织物上的同时能形成。用于生产不起绉的穿透干燥织物的工艺例如在 以下美国专利中公开， 即 1992 年 7 月 14 日授予 Wendt 等人的美国专利 US5,672,248 ； 1997 年 8 月 12 授予 Farrington 等人的美国专利 US5,656,132 ； 2000 年 9 月 19 日授予 Lindsay 和 Burazin 的 美 国 专 利 US6,120,642 ； 2000 年 8 月 1 日 授 予 Hermans 等 人 的 美 国 专 利 US6,096,169 ； 2001 年 3 月 6 日授予 Chen 等人的美国专利 US6,197,154 ； 和 2000 年 11 月 7 日授予 Hada 等人的美国专利 US6,143,135 ； 上述专利的内容通过引用整体结合入本文。
在图 2 中， 示出的用于生产不起绉的穿透热风干燥纤网的工艺。然而， 应当理解， 不起绉的任何合适的工艺或技术均可以用来形成导电非织造纤网。
例如， 参考图 19， 示出了可以用来形成根据本发明的非织造纤网的另一工艺。 在图 19 示出的实施例中， 在该工艺过程中， 新形成的纤网被湿压。
在这个实施例中， 流浆箱 60 将纤网的水悬浮液喷射到由多个导辊 64 支承和驱动 的成形织物 62 上。流浆箱 60 可以类似于图 1 所示的流浆箱 34。此外， 纤维悬浮液含有如 上所示的导电纤维。真空箱 66 布置在成形织物 62 的下方并且将水从纤维配料中除去以帮 助形成纤网。已成形纤网 68 从成形织物 62 被转移到第二织物 70， 其可以是网线或毡。织 物 70 被支承以通过多个导辊 72 绕连续路径移动。还包含设计成有利于将纤网 68 从织物 62 转移到织物 70 的领纸辊 74。
在这个实施例中， 纤网 68 从织物 70 被转移到可转动的加热干燥机滚筒 76 例如杨 克干燥机的表面。如图所示， 当纤网 68 被运送过干燥机表面的转动路径的一部分时， 热量 施加到纤网， 导致纤网内的大部分湿气被蒸发。纤网 68 随后从干燥机滚筒 76 移走， 而不会 使纤网起绉。
为了将纤网 68 从干燥机滚筒 76 移走， 在一个实施例中， 可以将脱模剂施加到干燥 机滚筒的表面或者施加到纤网与干燥机滚筒接触的表面。一般来说， 可以使用任何合适的 脱模剂， 以有利于将纤网从滚筒移走， 从而避免使纤网起皱。
可以使用的脱模剂包括例如聚酰胺环氧氯丙烷聚合物， 如由 Hercules 化学公司 以商标名 REZOSOL 出售的那些。可以使用在本发明中的具体脱模剂包括购自 Hercules 化 学公司的脱模剂 247、 Rezosol 1095、 Crepetrol 874、 Rezosol 974 和 ProSoft TQ-1003 ； 购 自 Buckman 实验室的 Busperse 2032、 Busperse 2098、 Busperse 2091 和 Buckman 699 以及 购自 Nalco 的 640C 脱模剂、 640D 脱模剂、 64575 脱模剂、 DVP4V005 脱模剂和 DVP4V008 脱模 剂。
在制造非织造材料的过程中， 例如图 2 或图 19 所示， 纤网能被整平并压实。用于 整平或压实纤网的一项技术是输送纤网通过相对置的砑光辊的辊隙。 已经发现整平并压实 片材减小了碳纤维在进一步加工过程中的散落。 整平纤网减小了总体的厚度或纸厚度并通 过增加导电纤维网状结构和一致性增强了材料的电导率。 减小材料的厚度还在加工过程中 增加了材料辊的运行时间， 这改善了效率并降低了消耗和延迟。增加的电导率可允许含在 成品材料中的导电纤维的量总体下降。
当砑光纤网时， 纤网能在干态或湿态下进行砑光。 在一个实施例中， 例如砑光辊可 以施加至少 900 磅 / 线英寸 (PLI)， 如从 900PLI 到约 1100PLI 的压力。例如， 在一个特殊的 实施例中， 通过砑光辊施加的压力可以为约 950PLI 到约 1000PLI， 例如约 980PLI 的压力。在另一个实施例中， 如图 6 所示， 纤网可以压靠在多个干燥滚筒上， 它们不仅干燥 纤网， 并且还压平和压实纤网。例如， 参考图 6， 示出了多个连续的干燥滚筒 80。在这个实 施例中， 示出了六个连续的干燥滚筒。 然而， 应当明白， 在其它实施例中， 可以使用更多或更 少的干燥滚筒。 例如， 在一个实施例中， 可以将八个或十二个连续干燥滚筒结合入工艺过程 中。
如图所示， 根据任何工艺形成的湿纤网 82 被压以与第一干燥滚筒 80 相接合。例 如， 在一个实施例中， 织物或合适的传送带可以用来将纤网压靠在干燥滚筒的表面上。 在纤 网被压以与第二干燥滚筒接合之前， 纤网环绕干燥滚筒至少 150°卷绕， 如至少约 180°。 每个干燥滚筒能被加热到最优温度， 用于在工艺过程中干燥纤网。
非织造纤网可在一侧面或两侧面面上涂敷添加剂， 例如乳胶或淀粉， 来增强抗拉 强度或产生其它功能例如用作绝缘层。
取决于要使用纤网的场合和期望的结果， 根据本发明制成的非织造纤网具有多种 不同的性质和特性。例如， 非织造纤网的基重从约 15gsm 到约 200gsm 或者更大。例如， 非 织造纤网的基重可以为从约 15gsm 到约 110gsm， 如从约 15gsm 到约 50gsm。
如果需要， 制成的非织造纤网可以具有相对高的松厚度或相对低的松厚度。 例如， 松厚度可以为约 2 立方厘米 / 克 (2cc/g) 到约 20cc/g， 如从 3cc/g 到约 10cc/g。
在生产具有相对低的松厚度的非织造纤网时， 松厚度一般小于约 2cc/g， 如小于约 1cc/g， 如小于约 0.5cc/g。
算得的片材 “松厚度” 为干薄页纸片材的纸厚度 ( 用微米表示 ) 除以干基重 ( 用 克 / 平方米表示 ) 的商。得到的片材松厚度用于立方厘米 / 克表示。更特别地， 测得的纸 厚度是得到 10 张代表性片材叠的总厚度并用该总厚度除以 10 得出， 其中所述叠中的每一 片布置成相同侧向上。纸述厚度通过根据 TAPPI 试验方法 T411om-89 “纸厚度、 纸板和组合 板的厚度” ， 其中注释 3 用于成叠片材。用于实施 T411om-89 的千分尺是购自位于美国俄勒 冈州 Newberg 的 Emveco 公司的 Emveco 200-A 薄页纸厚度测定仪。该千分尺的具有 2.00 千帕 (132 克 / 平方英寸 ) 的载荷， 2500 平方毫米的压脚面积， 56.42 毫米的压脚直径， 3秒 的停留时间和 0.8 毫米 / 秒的降低速率。
根据本发明制成的非织造纤网还具有足够的强度， 从而便于处理。 例如， 在一个实 施例中， 纤网沿机器方向或长度方向具有大于约 5000 克力的强度 ( 或者峰值载荷 )， 如大于 约 5500 克力， 如甚至大于约 6000 克力。非织造材料的张力试验例如可以在 1 英寸宽的试 样上以 300mm/min 速度和 75mm 的标距进行。
非织造纤网的电导率也可随结合入纤网的导电纤维的类型、 结合入纤网中的导电 纤维的量以及导电纤维在纤网中的布置、 集中度或定向方式变化。 在一个方案中， 例如非织 造纤网的电阻小于约 1500 欧姆 / 平方， 如小于约 100 欧姆 / 平方， 如小于约 10 欧姆 / 平方。
算得的片材的电导率为用欧姆表示的电阻测量值除以片材的长宽比的商。 最后得 到的片材的电阻用欧姆 / 平方来表示。更具体地， 电阻测量值根据 ASTM F1896-98 “用于测 定印刷的导电材料的电阻率的试验方法” 测得。用于实施 ASTM F1896-98 的电阻测量装置 ( 或欧姆表 ) 是配设有 Fluke 弹簧夹 ( 型号 AC120) 的 Fluke 万用表 ( 型号 189) ； 上述两者 均购自位于美国华盛顿州的埃弗里特的 Fluke 公司。
根据本发明最终制成的导电纤网可以作为单层产品单独使用或者与其它纤网相结合形成多层产品。在一个方案中， 导电非织造纤网可与其它薄页纸纤网相结合形成双层 产品或三层产品。 其它薄页纸纤网例如可以完全由木浆纤维制成并且可以根据上面描述的 任何工艺制成。
在另一个方案中， 根据本发明制成的导电非织造纤网可以用粘合剂或其它方式层 压到其它非织造或聚合物膜材料。 例如， 在一个方案中， 导电非织造纤网可层压到由聚合物 纤维例如聚丙烯纤维制成的熔喷纤网和 / 或纺粘纤网。如上所述， 在一个方案中， 导电非织 造纤网可含有合成纤维。在这个方案中， 非织造纤网可以被粘合到含有合成纤维的相对纤 网上， 如熔喷纤维或纺粘纤网。
将导电非织造纤网结合入多层产品中可以提供多种优点和益处。例如， 最后得到 的多层产品可以具有更好的强度， 可以更软和 / 或可以具有更好的液体芯吸性。
除了湿法成网之外， 根据本发明的制成的非织造材料可使用多种其它的技术和工 艺进行生产。例如， 在另一实施例中， 非织造材料根据水力缠结工艺制成。水力缠结工艺使 用高压喷射水流来缠结纤维和 / 或长丝来形成高度缠结的加固纤维结构。具体来说， 导电 纤维和 / 或木浆纤维可使用喷射水流与预成型纤网相结合。预成型纤网可包括例如由合成 纤维制成的纺粘纤网。 例如， 在 Evans 的美国专利 US3,494,821 和 Bouolton 的美国专利 US4,144,370 中 公开了水力缠结非织造织物， 上述专利的内容通过引用纳入本文。水力缠结的复合非织造 织物还在 Everhart 的美国专利 US5,284,703 和 Anderson 的美国专利 US6,315,864 中公开。 上述专利的内容通过引用纳入本文。
在另一个实施例中， 同成形工艺可以用来生产导电非织造纤网。同成形纤网通常 涉及包括热塑性纤维和另外的非热塑性纤维的混合物或稳定基材的复合材料。例如， 同成 形材可通过这样的工艺制成， 其中至少一个熔喷模头靠近这样的槽布置， 在形成纤网的同 时其它材料通过该槽加入纤网中。 其它材料可以仅包括导电纤维或者包括导电纤维与其它 纤维的组合。 可与导电纤维相组合的其它纤维包括例如木浆纤维、 棉纤维、 人造丝纤维和合 成短纤维等等。同成形材料的一些例子在 Anderson 的美国专利 US4,100,324 ； Everhart 的 美国专利 US 5,284,703 和 Georger 的美国专利 US5,350,624 中有所描述， 上述专利通过引 用结合入本文。
通过同成形工艺制成的纤网通常称为同成形材料。更特别地， 一种用于生产同成 形非织造纤网的工艺包括将熔喷聚合物材料通过模头挤出成细流并通过由喷嘴供应的高 速收敛气流来使细流变细， 以将聚合物流断开形成不连续的小直径微纤维。 例如， 模头可包 括至少一直排挤出孔。一般微纤维的平均直径达约 10 微米。微纤维的平均直径通常大于 1 微米， 如从约 2 微米到约 5 微米。虽然微纤维主要是不连续的， 但通常它们的长度超过了 短纤维的标准长度。
为了将熔喷聚合物纤维与另外的材料如导电纤维和 / 或木浆纤维相结合， 主气流 与含有单独的导电纤维的辅气流汇合。因此， 导电纤维在单个步骤中与聚合物纤维成为一 体。集中的空气流然后被引导至成形面来形成非织造织物。如果需要， 可使织物经过一对 真空辊的夹隙以进一步将两种不同的材料结合为一体。
当形成同成形纤网时， 导电纤维和 / 或其它纤维可以存在于同成形材料中， 并且 数量为约 10％重量到约 80％重量， 如约 30％重量到约 70％重量。
在一个方案中， 导电纤维可以包含在非织造纤网中， 从而形成具有导电性的显著 区域。 例如， 在一个方案中， 可以使用流浆箱， 以作为将纤维在竖向上分开的替代或附加。 如 图 1 所示， 流浆箱可以设计成在水平方向上将纤维分开。这样一来， 导电纤维可以仅包含在 沿纤网的长度 ( 机器方向 ) 的特定区域。导电区域通过仅含非导电材料如木浆纤维的非导 电区域分开。
根据本发明， 一旦形成导电非织造材料， 则通过对材料施加超声能量在材料中形 成非导电区。对材料施加超声能量除了形成非导电区域之外， 还可以根据多种因素包括非 织造材料的构成和材料受到的超声能量大小来形成接合线。
例如， 如图 3 所示， 示出了根据本发明制成的导电非织造纤网 152。 在这个方案中， 非导电区域或接合线 266 和 268 已经沿长度方向纤网中形成。接合线 266 和 268 通过超声 接合形成。在非织造纤网中形成接合线产生了这样的区域， 其中导电纤维不再形成携带电 流的网状结构。因此， 接合线在基纤网中形成非导电区域。如图 3 所示， 接合线 266 和 268 因此形成不同的导电区 260， 262 和 264。
根据公开的技术制成的产品可以通过加工和添加剂技术形成柔性电路。 该柔性电 路可以进入到正在成长的一次性或非一次性的印刷电子器件市场中。 传统的柔性电子器件 使用金属或碳墨在印刷电路中形成导电路径。金属墨非常昂贵， 需要专门处理并且经常对 印刷机进行调整以适应这种墨。此外， 关于印刷电子的实施方案到底是否是真正足够成本 节约的从而可考虑作为一次性产品方面， 人们对于产量和成本有所担忧。与当前的柔性电 子技术相比， 本发明公开的技术提供成本节约的并且易于操作的显著优点。这种工艺的成 品形成具有导电路径的纤网， 其能被能被粘合或施加到刚性基片并具有被连接以形成功能 性的成本节约的一次性电路的印制或复合电部件。 为了在导电纤网中形成电路， 必须要断开、 除去或改变碳纤维键中的一部分碳并 在导电纤网中形成电阻更高的区域。 这可以通过在加工过程中将超声接合或压力接合施加 到纤网上来完成。 接合技术是工业中公知的并且能被构造成具有大量的图案来形成具有较 大或较小电阻的特定路径来限定出电路。这种电路能高速高效地加工， 使得可以生产出用 在多种健康和卫生产品或其它消费品中的低成本一次性电路。 当施加时接合部的宽度以及 接合的压力或强度能确定电阻的增加程度。不受接合工艺影响的区域具有相同的导电等 级。 这种类型的加工工艺能容易地适应当前的工业应用来形成结合入非织造材料的高产量 电路。
在一个实施例中， 例如， 超声旋转焊机可以用来在非织造材料中形成非导电区域。 超声旋转焊机包括例如连接到换能器的电源， 该换能器将高频电能转换成高频机械能。换 能器能被连接到改变机械能振幅的变幅器。变幅器随后与旋转振子相连通， 该旋转振子精 调所述振幅并将其施加到非织造材料。在一个实施例中， 超声装置可在约 20kHz 至 40kHz 的频率下工作。
施加到非织造材料的超声能量破坏导电纤维产生电间断。例如， 在非导电区内的 电阻可大于导电区电阻的 4 倍。例如， 非导电区的电阻可以大于导电区电阻的 5 倍、 6 倍或 者甚至达 10 倍或更多。
特别有利的是， 超声装置能够在非织造纤网中形成图案。该图案由非导电区构成 并能用于来在单层材料中或在多层材料之间设计出或形成电路图案或连接。
在导电非织造材料中形成的多个非导电区可根据具体用途和预期效果变化。 在一 个实施例中， 例如， 在非织造纤网中可形成平展图案。或者， 可以使用不连续的点图案。
超声能量对包含在非织造纤网中的材料具有不同的影响。如上所示， 例如已知超 声能量能断开和破坏碳纤维。然而， 在超声能量作用下纤维素纤维往往会平化并能增加非 导电区内的氢键结合。另一方面， 在超声能量作用下合成纤维能熔化并接合到其它基片。
在一个实施例中， 当非织造导电纤网包括含有大量木浆纤维的纸幅时， 非织造纤 网能与其它纤网相结合以增强整体材料的强度。 例如， 在一个实施例中， 导电纤网能被层压 到合成纤网例如熔喷纤网、 纺粘纤网等。这两层例如能用超声能量连接在一起。这样一来， 超声能量不但能在导电纤网中形成非导电区， 而且还起到所述两纤网接合到一起的作用。
在另一个实施例中， 导电非织造纤网可包括含有大量合成纤维的纤网。所述纤网 例如包括用热塑性短纤维制成的水力缠结纤网、 同成形纤网或湿法成网纤网。在某些应用 中， 希望使用连接在一起的多层导电纤网。 超声能量能用来在每一纤网中形成非导电区。 另 外， 超声能量能用来将所述纤网接合在一起。 在一个特殊的应用中， 例如超声能量能用来在 两相对的导电纤网中同时形成非导电区并在形成所述非导电区的区域将两纤网接合在一 起。在一个实施例中， 在加工过程中能在两纤网之间形成电连接。例如， 纤网在可能出现纤 维缠结的非导电区附近电连接到一起。 实际上， 在受到超声能量作用时候， 每一纤网中的导 电纤维可能迁移到纤网的表面。 导电纤维能以这种方式在纤维已经断开或以其它形式被破 坏的非导电区附近在两层纤网之间形成纤维 - 纤维连接。
在一个实施例中， 还能使用超声能量将两纤网连接在一起并在所述纤网之间形成 电连接， 而不形成非导电区。在这个实施例中， 例如纤网受到较低能量的作用， 以防止导电 纤维断开并在纤网中形成电间断。
除了使用超声能量外， 也可以使用其它多种方法形成非导电区。这类其它技术和 方法可以与超声能量结合使用。例如， 用于形成电路路径的其它方法包括机械方法例如螺 旋伸缩刀和模头冲切导电组织或材料以在需要高电阻的区域切断或移走导电组织。 这实质 上是使用标准加工技术切出电路图案。机械切割、 压力接合和超声接合技术可一起使用以 最有效地形成电路图案并使用旋转或进给机械技术来完成。此外， 另一种方法包括对在加 热辊上导电组织进行槽缝涂覆。热量使聚合物朝向所述辊流入导电纤网中， 这非常类似于 焊料流入熔焊的管接头。 其它可选方案是将聚合物涂覆到纤网表面上或者使用本领域技术 人员使用的其它多种热喷涂技术。如果需要也可以使用加热的夹压。最优的涂覆技术取决 于选择的聚合物和不同的加工速度和限制。
一旦导电非织造纤网已经形成并加工成包括多个非导电区， 该产品就能被用在多 种电子器件中。
例如， 在本发明的一个实施例中， 可以构造成电子开关例如膜片开关。 这类开关是 需要按钮或键区界面的消费品 ( 即键盘、 移动电话等 ) 中的最普遍的电子部件之一。由于 这种技术转向随身计算平台或者需要智能的界面应用 ( 即包装、 广告和宣传 )， 形成降低这 些开关的制造时间和成本的机构将是有利的。因为需要耐用的基片 ( 即塑料 ) 作为印刷导 体的基底， 并且导电墨的成本相对较高， 所以很多应用装置介于一次性和半耐用性之间。 用 至少 5％碳纤维制成的导电纤网被证明是一种低成本的替代导电材料， 其需要很少的处理 来形成功能性膜片开关所需的电路图案， 从而获得完全一次性的产品。当前的膜片开关技术使用五层式系统 ； 外密封层、 导体层、 绝缘层、 导体层和外层。 在一个类似的方案中， 可使用导电纤网， 但是是用在五层式或三层式系统中。 五层式系统需 要更耐用的开关， 但是对于三层式系统来说， 纸能作为通过单层绝缘材料分隔开的两外层 以及导体。
参见图 15A， 例如， 示出了根据本发明制成的五层式开关 110 的一个实施例。如图 所示， 开关 110 包括两层外保护层， 即外覆层 112 和背衬层 114。 在外覆层 112 和背衬层 115 之间是一对相对的导电层 116 和 118。 两层导电层均包括由根据本发明的非织造导电纤网。 在导电层 116 和 118 之间是非导电层 120， 该非导电层可由绝缘材料构成。如图所示， 非导 电层 120 包括孔 122。 如此一来， 当将压力施加到开关 110 的外覆层 112 时， 第一导电层 116 与第二导电层 116 接触， 从而在两导电层之间形成电连接。
根据本发明， 导电非织造材料 116 和 / 或 118 可进一步包括通过将超声能量作用 于导电层形成多个非导电区。这些非导电区可用于将电能引导至特定位置。例如， 这些非 导电区可用来形成将开关连接到电子器件的电路， 当将压力施加到开关时， 该电子器件被 启动。
参见图 15B， 示出了根据本发明制成的三层式开关 110。使用类似的附图表及来表 示相似的元件。如图所示， 在这个实施例中， 开关 110 包括由非导电层 120 分隔开的两层相 对的导电层 116 和 118， 该非导电层限定出一孔 12。在图 15B 示出的实施例中， 导电纤网 116 和 118 不但用于当开关被启动时形成电连接， 而且还用作外覆层。在一个实施例中， 例 如， 可以将图案或印制物直接施加到所述导电非织造纤网之一或两者上。 如此一来， 能够生 产出与多种电子器件一起使用的相对便宜的开关。
现在参考图 16， 图 17 和图 18， 示出了同样根据本发明构造的键盘 130 的一个实施 例。键盘 ( 或键区 )130 可以与图 15A 和图 15B 中示出的开关 110 类似的方式构造。在这 里， 类似的附图标记用于表示类似的元件。
在图 16 中， 例如， 示出了五层式键盘 130。该键盘 130 包括通过非导电层 120 分 开的根据本发明制成的两层导电非织造纤网 116 和 118， 该非导电层可以由绝缘材料构成。 非导电层 120 包括多个孔 122， 这些孔与在键盘 130 的外覆层 112 上的多个键 124 的位置相 对应。
如图所示， 每一导电非织造材料还包括多个非导电区， 当按压不同的键时， 这些非 导电区允许形成电路经。例如， 导电非织造纤网 116 包括能使用超声能量形成的多个纵向 非导电区 126。类似地， 非织造导电纤网 118 包括多个横向非导电区 128。如此一来， 当按 压多个键 124 中的一个时， 在两导电纤网之间形成电连接， 所述非导电区提供被启用的两 条不同的电路径， 以识别出被压下的键。
在图 17 中， 示出了一次性键盘 130 的例子， 其中两层分开的导电纤网在键盘的右 侧和顶部伸出。图 18 示出了连接到先前存在的键盘电路的一次性键盘 130。
键盘和鼠标仍旧是无菌操作室中导致感染的一个方面。 在医院中使用抗菌一次性 键盘 / 键区将会降低在医院内受到感染的可能性。当前所有键盘设计均需要耐用的电子器 件来控制用户界面中每个按钮的功能。 然而， 通过使用导电纤网来代替电子器件， 成本降低 到能一次性使用的程度。
为了其它示例性目的， 一次性开关能用来形成带有用户界面的一次性长外衣。任何一次性长外衣 ( 外科手术、 净室、 危险作业等 ) 可包括使用导电纤网的开关以提供对穿戴 者有用的功能。例如， 外科手术服包括在医疗程序中使用的工具符号。当使用某装置时， 开 关界面可以用来指示该装置是否已经从患者移走。 装置的输出端可以连接到有线或无线装 置， 其在显示器上指示状态。
其中根据本发明制成的电子器件被结合入衣物中， 导电非织造材料可连接到衣物 中或者直接结合入衣物中。例如， 在一个实施例中， 为了任何期望的目的， 导电纤网自身可 以用来构成衣物并且超声处理区域可以用来在衣物中形成电路。在一个特殊的应用中， 例 如， 衣物可以包括吸收性物品， 如包括湿度传感器的尿布、 训练裤。
为了其它示例性目的， 根据本发明公开的技术制成的产品可以是加热元件， 所述 加热元件用作便携式装置， 其用于加热治疗和其它低成本加热应用。 加热疗法减小疼痛， 尤 其是肌肉紧张或痉挛的疼痛。另外， 经受其它类型疼痛的患者能受益。加热疗法用于 ： (1) 提高到皮肤的血流量 ； (2) 扩张血管， 增加输送到局部组织的氧和养分 ； (3) 通过增加肌肉 弹性降低关节僵硬度。便携式装置包括一次性加热元件、 可重复使用的电池供电的控制单 元以及将一次性加热垫连接到所述单元的机械和电机构。
在设计根据本发明的加热产品时， 超声能量不仅可以用来制成和成形具有合适电 阻的加热元件， 还可以用于形成和制作将加热元件电连接到电源的电路。
使用本发明的由含有至少约 5％的碳纤维如至少约 20％的碳纤维制造的导电纤 网技术构建加热元件和当前市售的使用放热化学反应的产品相比具有很多的优点。 本发明 的便携式加热装置的优点是 ： (1) 和化学激活产品相比， 一次性加热元件能使用本发明的 技术以低廉的造价制成 ； (2) 可调整控制来调节热量 ； (3) 电池可再充电或更换 ； (4) 在与 人身体相对侧上的反射材料增加了热效率 ； (5) 保险丝保护穿戴者免于过热。
另外， 使用导电非织造纤网的加热元件并层压有聚乙烯膜和非织造材料使便携式 加热装置便宜并易于定制成多种尺寸和形状。 这能被用于加热疗法或其可以用来在对人或 动物不利或寒冷的环境中提供热量。这类定做的产品能设计成适合臂部、 腿部、 躯干、 颈部 和设计成毛毯并且甚至用于动物例如马、 牛、 兔、 各种爬虫类、 狗和猫。 这种技术可以用在极 端环境中例如干式潜水服、 海难事故救生衣或者其它极冷条件如在极冷环境中的车辆故障 用救生衣。这思想甚至可以用于家用、 保健或旅馆用的一次性加热浴巾。这种技术能用于 外套、 滑雪服或者其它衣服的一次性加热内衬。导电非织造加热器可由若干层导电纸构成 来构建具有较低总电阻和较高热质量的加热器。此外， 其它用于加热普通物品如饮料容器 的低成本加热应用是有效的。 使用者能将半耐用或可重复使用电源组夹到这些实施例中的 任何一个上并使用该产品。
由于对加热元件供电需要高电流， 电池最好是可再充的。 通过功率基本等式， 规定 电流、 电压和电阻之间的关系， 以优化加热元件功能。 理想的电池装置是具有最小量的任何 昂贵的小连接器， 这些小连接器在制造过程中可能需要更多的处理。 替代地， 建议使用包在 导电的钩材料中的可再充电电池组， 这时加热元件具有相对的毛圈材料。导电的钩和毛圈 材料的较大表面区域确保了从电源到加热元件的较低连接电阻。
在图 14A 和图 14B 中， 更详细地示出了加热元件的一个实施例。如图 14A 所示， 在 内部的加热元件可以是在两个端子 102 和 104 处连接到电源的导电纤网缠绕线圈 100。这 种线圈设计的理由是将加热作用集中到所述垫并通过所述的整个垫散发出去。如图 14B 所示， 两个端子 102 和 104 包括用于与电源 106 相配的连接区域。 如果需 要， 包括端子 102 和 104 的连接区域被标记出以与所述电源 106 相配， 从而容易放置电源。
在构建如图 14A 和图 14B 所示的加热装置时， 施加到非织造纤网 100 的超声能量 可以具有若干不同的用途。 例如， 少量的超声能量可以用于制成电加热元件， 以提高在所述 元件中的电阻。增加电阻可使加热元件加热更快。
此外， 超声能量还可用来形成非导电区域， 以便在纤网中形成用于连接电源的电 路。
在另一个实施例中， 根据本发明技术制成的产品可用作发射元件。所述发射元件 能用作简单的半波偶极天线， 以供低成本数据传输系统使用。 在另一种应用中， 发射元件可 以用构建独特的低成本射频识别标签， 如图 4 所示。另外， 发射元件能被结合在如上所述的 智能衣服中， 用于与用户有关的数据传输。 当用作发射元件时， 和用作传统发射元件的当前 电导体相比， 导电纤网提供同等的电性能。另外， 本发明技术的生产成本大大降低， 这导致 通过将传统发射元件更换为导电纤网元件降低了制造当前产品的总成本。
有多种方法将本发明的技术结合入给定的基片， 如纸基片、 非织造基片或合成基 片。关键是将导电纤网形成用作发射元件所需的合适尺寸 / 形状。例如， 合适尺寸和形状 的导电材料能通过使用如上所述的超声接合技术从纤网制出。 参考图 5， 这种工具将足够的 能量施加到纤网上来断开脆的导电纤维材料， 但留下基片未断开。 如此一来， 尺寸和形状被 精细控制的发射元件能通过将超声接合装置作用到根据本发明的导电非织造纤网而高速 制出。
另外， 将导电材料的带 “分区” 成基片产生必要的合适形状 / 长度。这可以通过使 用湿法来接合材料实现。本发明的技术已知在湿态下保留其强度。在所述成形和压缩工艺 中， 材料与所述基片形成氢键并最终在干燥时附着到基片上。
在图 7 中， 半波偶极天线的例子可以由两条相同的导电非织造材料带附接到先前 存在的天线基座构成， 而天线基座需要连接到信号发生器的。导电材料的形状和尺寸是重 要的并且需要根据操作频率带来合适选择。如上所述， 超声能量能用来在高速加工过程中 小心控制天线的尺寸和形状。在这种情况下， 偶极天线被合适地设计成发射 915MHz 的频 率 (902-928MHz ISM 频带的中心频率 )。半波长偶极天线在 915MHz 频率下的有效长度是 164mm。通过简单的试验来测出导电材料半波偶极天线的发射功率。如图 8 所示， 这种测试 装置包括用来在 900MHz 的频率下从天线发射 10dBm 信号的信号发生器。在 900MHz 下连接 到频谱分析仪的已校准天线， 用于当布置在离导电纤网天线 1m 远的位置时测量接收到的 信号。在已校准天线处接收到的功率经测定为 -29.5dBm， 表现出功能性。与在 900MHz 下的 标准校准偶极天线相比， 结果是相当的。
在图 10 中， 附接到先前存在的射频识别芯片的两条相等的导电材料带形成功能 性的超高频射频识别标签。向前再进一步地执行上面描述的试验， 并且对使用导电纤网制 成的射频识别标签的灵敏度进行了测试。 这种导电纤网射频识别标签的灵敏度通过监控射 频识别标签响应于精确地布置在距离其 1 米的射频识别阅读器天线所需的最小能量来测 得。导电纤网的射频识别标签的灵敏度经评估为 -5.1dBm。这和市售的射频识别标签是相 当的。 本发明公开技术的导电性能在确定天线的发射性能方面起着重要的作用。 参考图 9。 材料的电导率需要在约 1000S/m， 为了使其有效地用作超高频射频识别标签。这能通过将25％～ 30％的导电材料结合入纤网中来有效地实现。在图 10 中示出了这种射频识别标签 的辐射图。这种特殊的射频识别标签设计的合适尺寸为 144m 长和 8mm 宽。
通过使用本发明公开的技术制成发射元件并将其结合入智能织物中， 可以将数据 从织物传输到外部接收器。 如上所述， 这类智能织物能制成智能衣服， 用于传递从人和动物 测得的类似生理数据。例如， 人身上的智能衬衫能将使用者的心律、 体温传递到外部接收 器。通过使用导电纤网作为发射元件， 天线不仅具有是柔性织物从而允许舒适地穿配在任 何人体上的优点， 而且材料是便宜的且耐用的， 从而使这类应用具有商业利益。此外， 本发 明的导电纤网不仅能用作发射元件， 而且还能被设计成包括可以直接结合入射频识别装置 中的电路。所述电路能通过使用超声能量形成多个非导电区来形成。所述电路可以是用作 发射元件的相同导电纤网的一部分或者可以由独立的材料片构成。由此一来， 电子器件可 以更容易地结合入衣物中。
使用本发明公开的技术已经开发出一种独特的应用， 作为某些频率下发射的电磁 能 (EMI) 的屏障。所述产品可以是或不是一次性的。EMI 屏蔽元件能与市售的壁纸相结合。 另外， 屏蔽元件能被结合入建筑绝缘材料中， 如杜邦公司的商标名为 HomeWrap 的 墙防护膜。屏蔽元件能用来形成有效防辐射的衣服。为了确保功能性， 屏蔽元件必须被开 发用于屏蔽特定类型的信号 ； 因此当前的 EMI 屏蔽技术需要昂贵的开发和制造工艺。本发 明公开的技术提供独特的应用， 其能针对特定的信号以低成本和大批量制成， 而不像现有 的 EMI 屏蔽技术那样。
参考图 11， 为了阐明应用， 示出了用于屏蔽元件的有效性而开发的试验装置。该 试验装置由两个校准偶极天线组成， 一个用作接收器， 另一个用作发射器。 发射器天线被连 接到设定在 900MHz 和 10dBm 下的信号发生器。接收器天线布置在距离发射器一米处。试 验首先在没有 EMI 屏蔽元件布置在两个天线之间的情况下进行， 然后在屏蔽元件就位的情 况下再次进行试验。导电纤网被电接地到墙上并因此将接收器与发射的信号屏蔽开。在图 12 和图 13 中， 分别示出了在没有和带有 EMI 屏蔽元件的情况下， 在接收器天线处测得的功 率。信号有 20dB 衰减， 这相当于比之前低了降低 1000 倍。因此， 这个简单的试验表明本发 明公开的技术能被用于 EMI 屏蔽。
在本发明的另一个实施例中， 导电非织造纤网可以用来生产智能包装元件。
智能包装元件能用于在整个输送过程中监控包裹的状态和处理。在另一个应用 中， 智能包装元件能被结合入包装材料中例如波纹纸板， 以实现射频识别天线的功能。 导电 纤网在包装中提供这样的可能， 这在以前是不可能完成的或者是非常成本密集型的。大多 数智能包装元件被应用在食品和饮料产业中来确保运输物品的新鲜度。然而， 现有的智能 包装元件是成本密集型的并且不适合大规模使用。 将导电纤网应用于智能包装元件能使智 能包装可在某些场合中大规模使用， 这是因为其易于使用并且造价非常低。 根据本发明公开的技术制成的智能包装元件能被开发用来在整个处理过程中的 监控物品的许多情况。 例如， 在储存期间， 导电纤网能被用来确定物品是否已经接触过多的 水分， 这有能会破坏产品的功能或者包装自身的结构完整性。 另外， 导电纤网能用来在包装 上形成保护密封， 以确保在规定的日期前不能获取包装的内容物。现有技术使用特殊的胶 带来确保包装的安全性， 然而， 通过与像射频识别这样的技术相联合， 导电纤网能向货物的 所有者警报具体被打开的包装并且什么时候打开。 这类技术对于在广泛发布前进行运输的
产品是有益的。
通过将导电纤网技术结合入包装的波纹材料中， 当连接到先前存在的射频识别标 签时， 其能用作非常耐用的天线。将导电纤网集成入波纹材料中简化了射频识别激活包装 的制作工艺。 目前， 现存的射频识别标签必须具有自带天线， 这增加了标签的尺寸和生产成 本。在集成在波纹材料中的导电纤网用作天线的情况下， 射频识别标签能通过不含自带天 线， 而仅连接到导电纤网形成功能性的射频识别标签来被简化。和现有的射频识别技术相 比， 使用本发明公开的技术减少了生产时间、 步骤以及成本。 另外， 同时使用含有至少 3％碳 纤维的导电纤网， 在运输电子器件时， 集成的波纹材料能放出积累的静电。
在不超出本发明的精神和范围的情况下， 本领域普通技术人员可以对本发明做出 这些和其它的更改与变化， 这在后附的权利要求书中做了更具体的阐述。 还应当明白， 不同 方案的多个方面可以完全或部分地相互替换。 此外， 本领域普通技术人员将会理解， 前面的 说明仅仅是示范性的， 不会对在后附的权利要求书中进一步描述的本发明内容构成限制。