KR101492312B1 - 1 ㎛ 미만의 섬유를 제조하는 방법 및 장치, 및 그를 함유하는 부직물 및 제품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 1 ㎛ 미만의 섬유를 제조하는 방법 및 장치, 더욱 구체적으로 중합체 필름을 피브릴화함으로써 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 방법 및 장치, 및 그를 포함하는 부직 물질 및 제품에 관한 것이다.

Description

1 ㎛ 미만의 섬유를 제조하는 방법 및 장치, 및 그를 함유하는 부직물 및 제품{PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING SUB-MICRON FIBERS, AND NONWOVENS AND ARTICLES CONTAINING SAME}
본 발명은 1 ㎛ 미만의 섬유를 제조하는 방법, 더욱 구체적으로 중합체 필름을 피브릴화함으로써 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 방법 및 장치, 및 그를 포함하는 부직 물질 및 제품에 관한 것이다.
연속 및 불연속 필라멘트 방사 기술은 당업계에 공지되어 있고, 일반적으로 스펀멜트(spunmelt) 기술로서 지칭된다. 스펀멜트 기술은 멜트블로운(meltblown) 또는 스펀본드(spunbond) 공정 둘 다를 포함한다. 스펀본드 공정은 용융된 중합체를 공급한 다음, 방적돌기 또는 다이로 공지된 플레이트에서 수많은 개수의 구멍을 통해 압력하에 압출시키는 것을 포함한다. 생성된 연속 필라멘트를 켄칭하고, 임의의 수많은 방법, 예컨대 슬롯 드로우(slot draw) 시스템, 감쇠기 건, 또는 고뎃(Godet) 롤에 의해 인장시킨다. 움직이는 다공성 표면, 예컨대 와이어 메쉬 컨베이어 벨트 상에서 연속 필라멘트를 성긴 웹으로서 수집한다. 다층 직물을 형성할 목적으로 하나 이상의 방적돌기를 일렬로 사용하는 경우, 후속적인 웹은 이전에 형성된 웹의 최상부 표면 상에서 수집된다.
멜트블로운 공정은 부직물의 층을 형성하기 위한 스펀본드 공정의 수단이며, 여기서 용융된 중합체가 압력하에 방적돌기 또는 다이의 구멍을 통해 압출된다. 필라멘트가 다이로부터 배출됨에 따라 고속 가스가 상기 필라멘트에 부딪혀 이를 가늘게 만든다. 이 단계의 에너지는, 형성된 필라멘트가 직경이 대폭 감소하고 분열하여 불확정한 길이의 미세섬유가 제조되게 한다. 이는 필라멘트의 연속성이 보존되는 스펀본드 공정과는 상이하다.
스펀멜트 장비 제작 회사, 예컨대 라이펜하우저(Reifenhauser), 아손 뉴마그(Ason Neumag), 노드손(Nordson) 및 아큐레이트 프로덕츠(Accurate Products)에서는 다양한 목적하는 속성, 예컨대 중합체 생산량 증가, 공정 공기 흐름 또는 중합체 분포의 양호한 처리, 및 필라멘트 편차 제어의 개선 등을 제공하는 수많은 멜트블로운 및/또는 스펀본드 제작 모델을 설계하였다. 미국 특허 제4,708,619호, 제4,813,864호, 제4,820,142호, 제4,838,774호, 제5,087,186호, 제6,427,745호 및 제6,565,344호 (모두 본원에 참고로 포함됨)는 스펀본드 또는 멜트블로운 물질의 가공을 위한 제작 장비의 예를 개시한다.
1 ㎛ 미만의 섬유를 함유하는 부직물로부터 제조된 제품에 대한 수요가 증가하고 있다. 1 ㎛ 미만 직경의 섬유는 일반적으로 약 1000 나노미터 (즉, 1 ㎛) 미만인 것으로 이해된다. 1 ㎛ 미만의 섬유 웹은 높은 표면적, 낮은 공극 크기 및 다른 특성들 때문에 바람직하다. 1 ㎛ 미만의 섬유는 수많은 방법에 의해 수많은 물질로부터 제조될 수 있다. 여러 방법이 사용되어 왔지만, 이들 각 방법에는 단점이 있으며, 1 ㎛ 미만의 섬유를 비용 경제적으로 제조하기가 어려웠다. 통상적인 스펀멜트 장비 배열은 좁은 섬유 크기 분포를 갖는 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 비롯하여 매우 미세한 고품질 저결함의 섬유 및 웹을 제공할 수 없다.
1 ㎛ 미만의 섬유를 제조하는 방법은 용융 피브릴화로 기재된 부류의 방법을 포함한다. 용융 피브릴화 방법의 비제한적인 예로는 용융 블로잉, 용융 섬유 버스팅, 및 용융 필름 피브릴화가 있다. 용융물로부터가 아닌 1 ㎛ 미만 섬유의 제조 방법은 필름 피브릴화, 전기 방사 및 용액 방사이다. 1 ㎛ 미만 섬유의 다른 제조 방법은 큰 직경 2-성분 섬유를 해중도(islands-in-the-sea), 분절 파이(segmented pie), 또는 다른 형태로 방사시킨 다음, 섬유가 1 ㎛ 미만이 되도록 추가로 가공하는 것을 포함한다.
용융 피브릴화는 1종 이상의 중합체를 용융하여 여러 가능한 형태 (예를 들어, 공압출, 균질 또는 2-성분 필름 또는 필라멘트)로 압출한 다음, 필라멘트로 피브릴화 또는 섬유화하는 것으로 정의되는 섬유의 제조 방법의 일반적인 부류이다.
용융 필름 피브릴화는 섬유를 제조하는 또다른 방법이다. 용융 필름을 용융물로부터 제조한 다음, 유체를 사용하여 상기 용융 필름으로부터 섬유를 형성한다. 이 방법의 두 가지 예가 유니버시티 오브 아크론(University of Akron)에 양도된 토로빈(Torobin)의 미국 특허 제6,315,806호, 제5,183,670호 및 제4,536,361호, 및 레네커(Reneker)의 미국 특허 제6,382,526호, 제6,520,425호 및 제6,695,992호에 기재되어 있다.
전기 방사는 1 ㎛ 미만의 섬유를 제조하는데 일반적으로 사용되는 방법이다. 이 방법의 한 측면에서, 중합체를 용매에 용해하고, 작은 개구부를 갖는 한 말단이 봉합된 챔버에서 다른 말단의 넥킹 다운(necked down) 부분에 놓는다. 그 후,상기 챔부의 개구부 말단 근처의 수집기와 중합체 용액 사이에 고전압 전위를 인가한다. 이 공정의 생산 속도는 매우 느리며, 전형적으로 소량의 섬유가 제조된다. 1 ㎛ 미만의 섬유를 제조하기 위한 다른 방사 기술은 용매를 사용하는 용액 또는 플래쉬 방사이다.
용융 필름 피브릴화 공정을 위해 높은 용융 전단력을 달성하는 방법 중 하나는 고속 가스 (즉, 음속 또는 초음속에 가까운 가스)를 이용하는 것이다. 초음속 또는 천음속 (음속에 가까운 속도)를 얻기 위해서는, 흐름이 협소부(throat; 속도가 음속 수준에 도달하는, 노즐의 가장 좁은 부분)로 수렴된 다음, 분기 대역에서 팽창되어야 한다. 이러한 일반적인 기준을 충족하는 단열 노즐 (노즐 시스템의 주변부를 통한 열 흡수 및 손실이 없음)은 당업계에 공지되어 있고, 소위 라발(Laval) 노즐을 포함한다. 섬유 형성을 위해 라발 유형의 노즐을 사용하는 것은 미국 특허 출원 공보 제2004/0099981 A1호 및 미국 특허 제5,075,161호 및 제5,260,003호에 개시되어 있다. 이들 방법에서는 라발 노즐을 사용하여 가스의 속도를 음속 및/또는 초음속 범위로 가속시킨다. 중합체 용융물을 이러한 고속 가스에 노출시키면, 다양한 미세 섬유로 터져 나온다. 일반적으로, 이들은 배출 노즐에서 가스 및 중합체 용융물의 동심원적 투입 및 전달을 이용하나, 이는 장비 설계 복잡성 및 장비 유지 등의 면에서 적합하지 않을 수 있다. 그러나, 다른 노즐 형태, 예컨대 비-동심원적 (비-환상) 형태의 노즐은 자체적으로 문제점을 안고 있다. 예를 들어, 중합체 용융물 및 가스 도입물이 별도의 나란한 장치로부터 진행하는 섬유 또는 필라멘트 노즐 시스템에서는, 고온으로 가열된 표면 또는 벽측 (예를 들어, 상기 측으로부터 중합체 용융물 흐름이 도입되기 때문)과 중합체 용융물측보다 저온인 대향측 (예를 들어, 가스 도입측)의 표면 또는 벽 사이에서 섬유화 가스가 유동할 때 문제점이 발생하는 경향이 있다. 이러한 경우, 라발 노즐과 같은 기존 노즐 형태의 분기 대역에서 가스 흐름이 불안정해지는 경향이 있다. 이는 중합체 전단력의 결여, 가스 통로의 가스측으로 중합체의 역류 또는 축적, 및 후속적으로 불균일하게 변하는 과도하고 축소된 중합체 흐름 및 섬유화의 문제점을 야기한다. 충분한 용융물 축적이 상류의 가스측에서 일어난 후, 중합체 용융물이 국소적으로 냉각되고 중합체의 불충분한 전단력으로 인해 섬유를 더이상 형성하지 않기 때문에, 중합체 용융물은 분리되어 전형적으로 "샷(shot)"으로서 블로잉된다. 이러한 변화의 다른 결과로서 중합체 흐름이 고사되면, 전단은 원치않는 먼지를 과도하게 야기하게 된다. 일회용 제품을 위한 일관적으로 고품질인 1 ㎛ 미만의 섬유를 상업적으로 상당한 생산 수준으로 더욱 경제적인 방식으로 제조하는 새로운 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 고품질 저결함의 1 ㎛ 미만의 섬유, 및 독특한 단일 단계인 용융 필름 피브릴화에 의해 제조되는 상기 1 ㎛ 미만의 섬유가 도입된 부직물, 고생산량 방법, 및 이러한 목적에 사용되는 노즐 기구에 관한 것이다. 한 측면에서 1 ㎛ 미만의 섬유의 함량이 99％가 넘는 고품질의 미세섬유를 함유하는 부직 생성물이 상업적 규모의 생산량으로 달성된다. 본 발명에 의해 중합체 전단력의 증가, 및 원치않는 섬유 결함, 예컨대 노즐 시스템 내부에서 샷 발생을 야기하는 중합체 역류 또는 축적 문제점의 감소 또한 달성된다. 본 발명에 따라, 개선된 배리어 특성, 연성, 흡수성, 불투명도 및/또는 높은 표면적을 갖는 고품질의 미세섬유 부직 생성물이 다양한 산업용 및 소비자 위생용 섬유 제품에 적합하게 제공된다.
고품질 고생산량의 1 ㎛ 미만의 섬유 생성물을 제공하기 위해, 중합체 용융물이 도입되는, 각각 상류 수렴 벽 표면 및 하류 분기 벽 표면을 한정하는 제1 및 제2 대향 벽 사이에 한정된 가스 통로 내에서 유동하는 가압된 가스 스트림을 제공하고, 가스 통로 내에서 유동하는 가스 스트림과 충돌하는 가열된 벽 표면 상에서 압출된 중합체 필름을 제공하여, 중합체 필름을 1 ㎛ 미만 직경의 섬유로 피브릴화하는, 부직웹의 제조 방법이 발견되었다. "수렴"은 가스 흐름의 방향에서 횡단면적의 감소를 의미하고, "분기"는 가스 흐름의 방향에서 횡단면적의 증가를 의미한다. 한 실시양태에서, 가스 통로는 가스가 공급 말단으로부터 들어가는 제1 상류 대역, 전이 구역, 및 가스가 출구 말단으로 유동하는 제2 하류 대역을 포함하고, 상기 전이 구역은 제1 대역과 제2 대역을 유동적으로 연결하고, 상기 가스 통로는 상기 제2 대역의 출구 말단에서 끝난다. 특별한 실시양태에서, 상기 가스 통로의 제1 대역은 공급 말단에서부터 전이 구역까지 점진적으로(monotonically) 감소하는 횡단면을 갖고, 상기 가스 통로의 제2 대역은 전이 구역에서부터 제2 대역의 출구 말단까지 점진적으로 증가하는 횡단면을 갖는다. 유동하는 하나 이상의 중합체 유체 스트림은 가열된 대향 벽 중 하나 이상에 있는 하나 이상의 개구부에서 끝나는 하나 이상의 결합된 중합체 통로를 통해 전달된다. 중합체는 가스 통로로 도입될 때까지 유동성을 나타내어 유지하도록 통과시에 충분히 가열된다. 각각의 중합체 유체 스트림은 각 개구부로부터 필름 형태로 압출된다. 각각의 압출된 중합체 필름은 가스 스트림과 합쳐지고, 중합체 필름이 피브릴화되어, 가스 통로의 제2 대역의 출구 말단으로부터 배출되는 1 ㎛ 미만의 섬유를 포함하는 섬유를 형성한다. 본 발명의 목적을 위해, "점진적으로 감소하는 횡단면"은 상류 (입구) 노즐 대역의 상부 말단으로부터 하부 말단까지 "엄격하게 감소하는 횡단면"을 의미하고, "점진적으로 증가하는 횡단면"은 노즐의 하류 대역의 상부 말단으로부터 출구 말단까지 "엄격하게 증가하는 횡단면"을 의미한다.
어떠한 이론에도 구애되기를 원하지 않지만, 상기 기재된 노즐 내의 가스 통로를 부분적으로 한정하는 가열된 지지벽 상의 필름으로서 가열된 중합체의 도입은, 피브릴화된 섬유 생성물이 1 ㎛ 미만의 섬유 크기 범위를 향하거나 심지어 그러한 섬유 크기 범위만을 갖는 개선된 크기 분포를 갖도록, 개선된 방식으로 가스 흐름 균일성을 유지하고 제어하는 것을 가능하게 하는 것으로 생각된다.
특별한 실시양태에서, 각각의 압출된 중합체 필름은 가스 통로의 제2 대역에서 가스 스트림과 합쳐진다. 노즐 시스템의 제2 대역의 가열된 분기 벽 상으로 중합체 용융물의 도입은 특히 고품질 고함량의 1 ㎛ 미만 섬유의 제조 및 상업적 생산량의 웹의 생성을 용이하게 하는 것으로 밝혀졌다. 추가의 실시양태에서, 최상 품질의 섬유 및 웹을 제조하기 위해, 압출된 중합체 필름이 제2 하류 대역에서 가스와 합쳐지는 위치는 가스의 유형, 노즐 기하구조, 예컨대 각도 및 전이, 및 가스의 압력에 따라 좌우되고, 예를 들어 저압 가스 조건을 위해서는 제2 대역의 상부 반쪽에 위치하는 것이 바람직하고, 예를 들어 고압 가스 조건을 위해서는 제2 대역의 하부 하류 반쪽에 위치하는 것이 바람직하다. 특별한 실시양태에서, 가열된 대향 벽 중 하나 이상에서 하나의 중합체 필름만이 형성되고, 가스 압력은 약 10 psi를 초과하고, 중합체 필름이 압출되는 각각의 중합체 통로 개구부는 전이 구역과 제2 대역의 출구 말단 사이의 제2 대역의 제2 하류 반쪽에 위치한다. 하류 제2 대역의 제2 반쪽이 최적의 가스 속도 구역을 제공하여, 매우 효과적으로 용융 필름 피브릴화를 달성하고, 고품질의 미세섬유 생성물을 수득할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 또다른 이점으로서, 1 ㎛ 미만 섬유의 생산량 증가는 저하된 가스 요구량에 의해 달성된다. 저하된 가스 요구량은 에너지 소비를 감소시킬 수 있고/있거나 보다 작은 규모의 장치를 사용할 수 있게 하면서도, 여전히 상업적으로 상당한 1 ㎛ 미만 섬유의 생산량 수준을 제공한다. 한 실시양태에서, 가스 스트림 및 중합체 유체 스트림은 약 40:1 미만, 특히 약 30:1 미만, 더욱 특히 약 15:1 미만의 가스 스트림/중합체 유체 스트림의 질량 유속 비로 제2 대역에 도입된다. 가스 스트림 대 중합체 유체 스트림의 질량 유속 비는 가스 통로를 통과하는 가스 스트림의 kg/h/m 대 가스 통로의 제2 대역의 모든 중합체 개구부를 통과하는 중합체 유체 스트림의 kg/h/m로서 계산된다.
더욱 특별한 실시양태에서, 각각의 중합체 통로 개구부는, 중합체 통로 개구부의 횡단면적을 중합체 통로 개구부의 내부 원주로 나눈 값의 4배로서 정의되는 수력 직경을 갖는 슬릿일 수 있고, 각각의 중합체 통로 개구부의 수력 직경은 약 0.001 인치 내지 약 0.100 인치이다. 일반적으로, 중합체 필름은 중합체 통로 개구부의 수력 직경을 초과하지 않는 중합체 필름 두께를 갖는다. 예를 들어 이론에 제한되지는 않지만 다이 확장 현상으로 인해, 중합체 유체가 중합체 통로 개구부로부터 방출될 때 팽창할 수 있다. 그러나, 중합체 유체 필름 두께는 거의 즉시 중합체 통로 개구부의 수력 직경보다 작거나 그와 동일해진다.
본 발명의 노즐의 벽-한정된 가스 통로의 기하구조를 특성화하는데 있어서, 제1 대역에서 제1 및 제2 벽 사이의 각 이등분면으로 정의되는 제1 이등분면은 제1 대역을 대략 동일한 부피의 2개의 반쪽으로 기하학적으로 분할하고, 제2 대역의 제1 및 제2 벽 사이의 각도의 각 이등분면으로 정의되는 제2 이등분면은 제2 대역을 대략 동일한 부피의 2개의 반쪽으로 기하학적으로 분할한다. 본원의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해지는 바와 같이, 본 발명의 실시양태에 따라 이등분면은 평면 또는 곡선일 수 있다. 일반적인 실시양태에서, 제1 이등분면에 대한 제1 및 제2 벽의 이등분 각도는 제1 대역에서 약 15 내지 약 40˚이고, 제2 이등분면에 대한 제1 및 제2 벽의 이등분 각도는 가스 통로의 제2 대역에서 약 2 내지 약 20˚이다.
중합체가 가스 통로에 도입되는 노즐의 대향 벽은 열적으로 동일하거나 상이하게 작동될 수 있다. 한 실시양태에서, 가스 통로의 제1 및 제2 벽이 대략 동일한 온도로 가열되어, 제1 및 제2 이등분면에 대해 대칭적인 열 상태를 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 대향 벽 중 하나는 고온 벽인 반면, 나머지 벽은 저온 벽이고, 고온 벽의 온도는 저온 벽보다 적어도 높으며, 예컨대 50℃ 이상 높고, 상기 고온 벽만이 하나 이상의 중합체 유체 통로 개구부를 갖는다. 이 형태에서는, 공정 복잡성 및 비용이 감소된 고온 용융물/"저온" 가스 (예를 들어, 가열되지 않은 공기) 피브릴화 환경에서 미세섬유가 제조된다. 이 실시양태에서, 제2 대역의 고온 벽은 제1 이등분면으로부터 약 1˚ 내지 20˚의 각도로 분기하고, 및 제2 대역의 저온 벽은 제1 이등분면을 향해 약 0.1˚ 내지 약 15˚의 각도로 수렴한다. 제1 이등분면에 대한 고온 벽의 분기 각도와 제1 이등분면에 대한 저온 벽의 수렴 각도의 비는 약 1:1 내지 약 500:1일 수 있다. 각각의 중합체 통로의 중심선과 상응하는 중합체 통로 개구부를 함유하는 벽 사이의 각도는 약 10˚ 내지 약 100˚일 수 있다. 각각의 중합체 통로 개구부로부터 압출되는 중합체 필름은, 제1 이등분면에 대한 배향 각도가 시계 방향으로 측정시 약 90˚ 내지 시계 반대 방향으로 측정시 약 45˚인 중합체 섬유화 표면을 따라 가스 흐름과 함께 유동할 수 있다. 각각의 중합체 통로 개구부에 상응하는 중합체 피브릴화 표면의 길이는 상응하는 중합체 통로 개구부의 수력 직경의 약 1000배 미만일 수 있다.
또다른 실시양태에서, 가스 통로의 제1 및 제2 벽은 평활하게 굽어져서, 제2 대역에서 대향 벽의 곡률에 임의의 뾰족한 단부가 없도록, 가스 통로의 최소 횡단면 구역에서 제1 대역의 대향 벽의 곡률이 평활하게 전이한다. 상기 가스 통로의 제2 대역의 대향 벽은, 가스 통로의 제2 대역 내에서 보았을 때, 고온 벽이 제2 이등분면으로부터 멀어지며 굽어진 볼록 형태를 갖고, 저온 벽이 제2 이등분면을 향하여 굽어진 오목 형태를 갖도록 굽어질 수 있다. 가스 통로의 제2 대역에서 고온 벽의 곡률 반경 대 저온 벽의 곡률 반경의 비는 약 1:10,000 내지 약 100:1이다. 가스 스트림은 약 150 kg/h/m 내지 약 3500 kg/h/m의 질량 유속으로 상기 가스 통로에 도입된다.
1 ㎛ 미만의 섬유를 포함하는 부직 웹을 제조하기 위해 본원에 기재된 공정에 사용된 노즐은 본 발명의 또다른 실시양태를 나타낸다. 본 발명의 노즐 기구는 임의의 특정한 형태의 중합체 물질 또는 피브릴화 가스로 제한되지 않고, 중합체가 광범위한 중합체 물질로부터 특정 용도를 위해 독립적으로 선택될 수 있게 한다. 특히, 피브릴화 가스는 기상 물질, 예컨대 공기, 질소, 스팀 등이다. 가스는 단일 유형으로서 또는 상이한 가스들의 조합으로서 사용할 수 있다. 추가로, 적합한 가스로는 반응성 가스, 또는 반응성 성분을 갖는 가스, 또는 이들의 조합물이 있다. 실시양태에서, 일반적으로 가스는 노즐 벽 물질에 대해 불활성일 수 있다. 본원의 목적을 위해, 용어 "노즐 시스템" 및 "노즐"은 상호 교환적으로 사용된다.
본 발명에 의해 제공되는 고품질 미세섬유는 좁은 섬유 크기 분포 내에서 최소 섬유 결함을 제공한다. 본 발명의 공정으로부터 직접 수집되는 생(raw) 부직웹 생성물 물질은 일반적으로 1 ㎛ 미만의 섬유를 35％ 초과, 특히 75％ 초과, 더욱 특히 99％ 초과로 포함한다. 섬유 직경 분포의 표준 편차는 일반적으로 약 0.5 ㎛ 미만, 특히 약 0.3 ㎛ 미만일 수 있다. 본 발명은 또한 멜트블로운 섬유의 범위에서 미세섬유의 제조에 사용될 수 있다. 본 발명은 광범위한 중합체 물질에 대해 실시될 수 있다. 상기 섬유는 예를 들어 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 생분해성 중합체, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 알키드 수지, 폴리-히드록시알칸산, 접착제 및 섬유를 제조할 수 있는 다른 화합물, 및 이들의 조합물로부터 선택된 중합체로 이루어질 수 있다. 부직웹은 그 자체로 또는 다른 물질과 조합되어 광범위한 제품에 사용될 수 있다. 부직웹은 예를 들어 필터, 의료용 의복, 의료용 클렌징 와이프, 방수지(housewrap) 구조 물질, 붕대, 보호 의류, 배터리 분리기, 촉매 담체, 기저귀, 배변 연습용 팬츠, 성인용 요실금 패드, 월경용 제품, 예컨대 여성 생리대 및 팬티라이너, 탐폰, 개인 세정 용품, 개인 위생 용품, 및 개인 위생 와이프, 예컨대 아기용 와이프, 얼굴용 와이프, 신체용 와이프 및 여성용 와이프, 및 이들의 조합물에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명, 첨부된 도면 및 첨부된 청구항으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따라, 1 ㎛ 미만의 섬유의 함량이 99％가 넘는 고품질의 미세섬유를 함유하는 부직 생성물이 상업적 규모의 생산량으로 달성된다. 본 발명에 따라, 중합체 전단력의 증가, 및 원치않는 섬유 결함, 예컨대 노즐 시스템 내부에서 샷 발생을 야기하는 중합체 역류 또는 축적 문제점의 감소 또한 달성된다. 본 발명에 따라, 개선된 배리어 특성, 연성, 흡수성, 불투명도 및/또는 높은 표면적을 갖는 고품질의 미세섬유 부직 생성물이 다양한 산업용 및 소비자 위생용 섬유 제품에 적합하게 제공된다.
도 1은 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 본 발명의 노즐 시스템의 확대된 개괄적인 단면도.
도 2는 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 본 발명의 실시양태에 따라 단일 중합체 용융물 도입 통로를 갖는 노즐 시스템의 예시적인 실시양태인, 도 12에 나타낸 대역 (120)에서 취한 단면도.
도 3은 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 본 발명의 또다른 실시양태에 따라 다중 융합체 용융물 도입 통로를 갖는 노즐 시스템의 예시적인 실시양태의 단면도.
도 4는 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 본 발명의 또다른 실시양태에 따라 하류 노즐 대역에서 중합체 도입측 상의 분기 벽 및 대향하는 수렴 벽을 포함하는 노즐 시스템의 예시적인 실시양태의 단면도.
도 5는 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 본 발명의 또다른 실시양태에 따라 굽어진 벽 표면을 가진 노즐 시스템의 예시적인 실시양태의 단면도.
도 6은 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 본 발명의 또다른 실시양태에 따라 한정된 충돌 표면을 포함하는 노즐 시스템의 예시적인 실시양태의 단면도.
도 7은 도 6에 따른 노즐 시스템의 하류 부분의 확대 단면도.
도 8은 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 본 발명의 또다른 실시양태에 따라 상류 및 하류 대역에서 가스 통로에 대해 곡선의 이등분면을 가진 노즐 시스템의 예시적인 실시양태의 단면도.
도 9는 도 8의 노즐 시스템의 대안적인 실시양태의 단면도.
도 10은 1 ㎛ 미만의 섬유를 형성하는 본 발명의 또다른 실시양태의 노즐 시시템의 예시적인 실시양태의 단면도.
도 11은 도 10의 노즐 시스템의 대안적인 실시양태의 단면도.
도 12는 도 1의 노즐 시스템의 등각투상도.
도 13은 도 12의 노즐의 상단측의 평면도.
도 14는 도 12의 노즐의 바닥측의 평면도.
도 15는 샷이 있는 미세섬유의 SEM 마이크로 사진 (500x)
도 16은 샷이 거의 없거나 전혀 없는 미세섬유의 SEM 마이크로 사진 (500x).
도면에 도시된 특징들은 반드시 비례하게 그린 것은 아니다. 상이한 도면에서 유사하게 번호 지정된 요소들은 달리 언급하지 않는 한 유사한 성분들을 나타낸다.
본 발명은 다양한 형태의 실시양태가 가능하고, 도면에 도시되어 있으며, 이후 본 발명의 바람직한 실시양태가 기재될 것이나, 본 개시 내용은 본 발명의 예시로서 고려되어야 하며, 기술된 특정 실시양태로 본 발명이 제한되는 것으로 의도되지 않음을 이해한다.
도 1을 참조하면, 일반적인 노즐 시스템 (800)은 섬유의 제조에 대해 도시하며, 예를 들어, 환상의 선대칭 시스템이 도시된다. 가스는 요소 (700)에서 가압되고, 그로부터 가스 스트림 (3)이 공급되며, 일반적으로 수렴 기하구조를 갖고 전이 구역 (9)를 향해 및 그를 통해 유동하는 제1 노즐 대역 (8)로 들어간 다음, 가스 스트림이 일반적으로 노즐 시스템으로부터 출구면 (101)을 통해 대기 환경 (900)으로 나가기 전에 분기 기하구조를 갖는 제2 노즐 대역 (10)으로 들어가 팽창한다. 전이 구역 (9)는 상류 수렴 대역이 하류 분기 대역으로 전이하는 노즐의 좁은 협소부 대역을 나타낸다. 전이 구역 또는 협소부는 노즐의 최소 횡단면을 포함한다. 중합체 용융물이 중합체 압출 바디 (801)로부터 공급되거나, 다른 용융된 중합체 공급원이 가스 통로 (802) 또는 노즐 (800)의 내부에 공급된다. 도면에 도시한 비제한적인 점선 (804-805)에 의해 지시된 바와 같이, 중합체 용융물은 노즐 (800)의 어디에서나 도입될 수 있으나, 단, 중합체 필름은 노즐 (800)은 가열된 내부 벽 표면 (803) 상에 제공되어, 가스 통로 (802) 내에서 유동하는 가스 스트림 (3)과 충돌하여, 중합체 필름을 1 ㎛ 미만 직경의 섬유로 피브릴화시킨다.
도 2를 참조하면, 노즐 시스템 (1)은 미세섬유, 특히 본 발명에 따라 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 포함하는 부직 생성물을 웹 또는 매트 형태로 제조하는 것을 도시한다. 도 2에 도시된 노즐 시스템 (1)은 한 예로서 대칭 가스 통로 (4)를 도시한다. 중합체 유체 스트림 (2)는 굽은, 선형 또는 다른 기하학적으로 적합한 중합체 통로 (200)을 따라 노즐 시스템 (1)에 도입된다. 가상적인 이등분 축 또는 면 (7)은 제1 대역 (8)의 대향 벽 (51 및 61) 사이의 공간을 기하학적으로 이등분하고, 제2 대역 (10)의 대향 벽 (5 및 6) 사이의 공간 또한 이등분한다. 예상될 수 있는 바와 같이, 대향 벽이 직선 (즉, 일반적으로 평면)으로 기울어진 표면인 경우에는 이등분 (7)은 면이고, 대향 벽 곡선이 연속 동심원적 표면인 경우에는 이등분 (7)은 세로 축이다. 이들이 일반적으로 대향하는 기울어진 평면 벽인 경우, 공간-이격된 곧추선 전향 및 후향 측벽 또한 제공되며, 이는 대향하는 기울어진 벽 (5, 6, 및 51, 61)과 연결되어, 액밀(fluid-tight) 방식으로 가스 통로 (4) 전체를 완성한다. 예를 들어, 후향 측벽 (43)이 도 2에 도시된다. 상응하는 전향 측벽은 유사하지만, 간단하게 하기 위해 도 2에는 도시하지 않았다.
추가로 도 12를 참조하면, 동일한 노즐 시스템 (1)은 후향 측벽 (43) 및 전향 측벽 (44)를 도시하는 방식으로 기술된다. 상기 벽 (43 및 44)는 각각 다이 성분 (121 및 122)의 대향 말단 (1210/1211 및 1221/1222)에 대해 액밀 방식으로 연결되고, 이는 노즐의 제1 및 제2 대역을 통해 이어지는 가스 통로를 한정하는 상기 기재한 대향 벽을 포함한다. 다이 및 말단 벽 성분은 예를 들어 성형, 주조, 기계처리 등에 의해 적절한 형태로 형성될 수 있는 중합체, 금속, 세라믹 등과 같은 물질로 제조될 수 있고, 본원에 기재한 것과 같은 미세섬유 제조 공정을 견딜 수 있는 성분이다. 도 12에서, 대향 벽에 의해 한정된 적층된 이중-굴의 위치 및 형태는 설명을 용이하게 하기 위해 말단 벽 (43 및 44)에서 가상적인 선들을 이용하여 추적되지만, 말단 벽 (43 및 44)는 가스 통로 (4) 및 노즐의 후향 및 전향 대향 말단을 밀폐시킨다는 것을 이해할 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상부 노즐 입구 (41)은 각각 다이 (121 및 122)의 상단부 (510 및 610) 사이에 한정된 공간이다. 노즐 출구 (42)는 각각 다이 (121 및 122)의 하단부 (500 및 600) 사이에 한정된 공간이다.
도 13 및 14는 각각 다이 성분 (121 및 122)에 의해 한정된 노즐 입구 개구부 (41) 및 출구 개구부 (42)의 노즐 입구 횡단면 (1001) (단부 (610 및 510) 사이에 한정된 도 13에 도시된 횡단면을 나타냄) 및 노즐 출구 횡단면 (1002) (단부 (500 및 600) 사이에 한정된 도 14에 도시된 횡단면을 나타냄)을 도시한다. 도 13은 또한 노즐의 노즐 입구 (41)과 전이 구역 (9) 사이에 위치하는 대향 벽 위치 (1004 및 1005) (평행선들로 나타냄) 사이에 한정된 중간 횡단면 (1003)을 도시한다. 도 14는 또한 노즐의 전이 구역 (9) 및 노즐 출구 (42) 사이에 위치하는 대향 벽 위치 (1007 및 1008) (평행선들로 나타냄) 사이에 한정된 중간 횡단면 (1006)을 도시한다. 도 13 및 14에서, 주어진 측면에서는 보이지 않는 가스 통로를 한정하는 다이 단부는 일반적으로 점선으로 나타낸 위치들을 갖는다.
도시된 바와 같이, 제1 대역 (8)의 횡단면은 입구 (41)과 중간 영역 (1003) 사이에서 하류 방향으로 또한 전이 구역 (9)에 도달할 때까지 바람직하게는 적어도 실질적으로 연속적으로 감소한다. 제2 대역 (10)의 횡단면은 전이 구역 (9)와 중간 영역 (1006) 사이에서 하류 방향으로 또한 노즐의 출구 개구부 (42)에 도달할 때까지 바람직하게는 적어도 실질적으로 연속적으로 증가한다. 특별한 실시양태에서, 가스 통로 (4)의 제1 대역 (8)은 공급 말단 (41)에서부터 제1 대역 (8)의 하부 방출 말단 (410), 즉 전이 구역 (9)의 시작부까지 점진적으로 감소하는 횡단면 (1001)을 갖고, 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)은 출입구 (420) 또는 제2 대역 (10)의 시작부 (즉, 전이 구역 (9)의 하부 말단)에서 제2 대역 (10)의 출구 말단 (42)까지 점진적으로 증가하는 횡단면 (1002)를 갖는다. 이들 기준은 또한 하기하는 본 발명의 추가의 실시양태에서 이용된다.
이제 도 3을 참조하면, 다중 중합체 유체 스트림 (2)는 또한 상응하는 다중 중합체 도입 통로 (200a-d)로부터 동시에 도입되어 가스 통로 (4)에 주입될 수 있다. 중합체 유체 스트림의 개수는 주어진 노즐 설계에 따른 실제적인 제약 이외에는 제한되지 않는다. 가압된 가스 스트림 (3)은 가스 통로 (4) 내에 도입되어, 상류 노즐 대역 (8)에서부터 전이 구역 (9)를 통해 하류 노즐 대역 (10)까지의 방향 (30)으로 유동한다. 제1 및 제2 대향 벽 (5, 6)은 제1 대역 (8) 및 제2 대역 (10)을 포함한다. 노즐 입구 (41)과 노즐 출구 (42) 사이의 가상적인 이등분면 (7)에 대해 수직인 방향에서 측정하였을 때, 제1 및 제2 대향 벽 (5, 6)은 제1 대역 (8)에서 가스 통로 (4)의 가장 좁은 횡단면인 전이 구역 또는 협소부 대역 (9)를 향해 수렴한다. 따라서, 협소부 대역 (9)는 제1 대역 (8)과 제2 대역 (10)을 연결하고, 한 대역에서 다른 대역으로의 가스 도관이 된다. 대향 벽 (5 또는 6) 중 하나 이상은 제2 대역 (10)에서 면 (7)로부터 분기한다. 이러한 예에서, 제1 대역 (8)은 입구 (41)에서 협소부 (9)로의 가스 흐름 방향 (30)으로 대향 벽 (51 및 61) 사이에서 측정하였을 때 연속해서 점진적으로 감소하는 횡단면 (65)를 갖는다. 제2 대역 (10)은 협소부 (9)에서 출구 (42)로의 가스 흐름 방향 (30)으로 대향 벽 (5 및 6) 사이에서 측정하였을 때 연속해서 점진적으로 증가하는 횡단면 (66)을 갖는다. 이들 횡단면 (65 및 66)은 가스 흐름 (3)의 방향으로 대향 벽 (즉, 적용에 따라 51, 61 또는 5, 6) 사이의 면 (7)에 대해 수직에서 측정한다. 중합체 유체 스트림 (2)는 중합체 통로 개구부 (20)에서 중합체 도입 통로 (200) 또는 통로 (200a-d)를 떠나, 대향 벽 (5 및 6) 상으로 유동하고, 바람직하게는 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 고속 가스 스트림 (3)과 합쳐져서, 필름 (11), 즉, 중합체 통로 개구부로부터 배출되어 필름 형태의 시내(rivulet)로 퍼지는 중합체 용융물 또는 달리 균일하게 퍼지는 중합체 유체를 형성한다. 필름 또는 필름들은 피브릴화되어, 노즐 시스템 (1)의 아래에서 섬유상 웹 또는 매트 물질 (13)으로서 수집되는 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 포함하는 섬유 (12)를 형성한다. 중합체 유체 스트림 (2)로부터 필름 (11)의 피브릴화의 양은 가스 통로 (4)에서 통로 (200a-d)의 위치에 따라 달라질 수 있다. 비제한적인 실시양태에서, 연속 또는 불연속 용융 필라멘트 또는 용융 입자 형태의 피브릴화 중합체 용융물은 통로 (200b 및 200c)로부터의 필름 (11)의 과도한 전단으로 인해 각각 통로 (200a 및 200d)로부터의 피브릴화 중합체 용융 필름 (11)과 합쳐질 수 있다. 이러한 실시양태에서, 중합체 유체 스트림 (200b 및 200c)가 각각 중합체 유체 스트림 (200a 및 200d)와는 상이한 중합체 유형을 갖는 경우, 섬유상 웹 물질은 다성분 섬유, 또는 더욱 구체적으로 2-성분 섬유로 이루어질 수 있다. 노즐 시스템의 제2 대역에서 가열된 분기 지지벽 상으로 중합체 용융물의 도입은 특히 고품질 고함량의 1 ㎛ 미만의 섬유의 제조 및 상업적 생산량의 웹 생성을 용이하게 하는 것으로 밝혀졌다. 가스 통로 (4)로의 중합체 통로 개구부 (20)은 난형, 원형, 직사각형 또는 다른 기하구조의 횡단면을 가질 수 있다. 대향 표면/벽 상의 가스 통로로의 단일 또는 다중 중합체 통로 개구부일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 단일 또는 다중 개구부가 더 고온측, 중합체 용융물측 (예를 들어, 하기에 더욱 상세히 설명한 도 6 참조) 상에 있다.
다시 도 3을 참조하면, 고품질 섬유의 제조를 위한 중합체 통로 개구부 (20)의 위치는 사용된 가스의 유형, 노즐 대역의 기하구조, 및 가스의 압력에 따라 달라진다. 한 바람직한 실시양태에서, 들어가는 가스의 압력은 비교적 낮아서 약 10 psi 미만이고, 압출된 중합체 필름은 중합체 용융물이 가스 통로 (200c)로부터 압출되는, 대역 (101)로서 지정한 제2 하류 대역 (10)의 상부 반쪽 (50％)에서 상기 가스와 합쳐진다. 이 경우, 하류 제2 대역 (10)의 상부 반쪽이 최적 가스 속도 구역을 제공하여, 용융 필름 피브릴화가 매우 효과적으로 수행되고 고품질의 미세섬유 생성물가 제공될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 결과적으로, 들어가는 가스의 압력이 약 10 내지 15 psi 초과인 경우에는, 압출된 중합체 필름이 중합체 용융물이 가스 통로 (200a)로부터 압출되는, 대역 (101) 이후의 나머지 부분으로 지정된 제2 하류 대역 (10)의 하부 하류 반쪽 (50％)에서 상기 가스와 합쳐지는 것이 바람직한 실시양태이다. 가스 압력이 증가함에 따라 가스 및 중합체 스트림이 합쳐지는 바람직한 위치는 가장 높은 가스 압력을 위해 하류, 즉, 각각 통로 (200c) 및 통로 (200b)에서 통로 (200d) 및 통로 (200a)로 이동한다.
도 2 및 3에 도시된 것과 같은 섬유상 웹 (13)은 공정 조건, 예컨대 온도, 수집기 거리 (100) 등에 따라 성긴 섬유 또는 대안적으로 섬유의 자체-지지된 일체화 웹으로 이루어질 수 있다. 섬유는 또한 이동하는 기재 웹 상에 침착되어 추가의 층을 형성할 수 있다. 노즐 시스템 (1)로부터 배출된 섬유의 수집은 추가로 가공될 때가지 예를 들어 벨트 또는 기재 바로 아래의 진공, 또는 섬유를 벨트 또는 기재 상에 침착시키는 다른 수단에 의해 벨트 또는 기재 (300) 상에서 수행된다. 섬유 수집 구조체는 예를 들어 진공이 그를 가로질러 구조체 상으로 섬유를 당기는 메쉬 또는 벨트일 수 있다. 이는 또한 이전에 형성된 섬유상 웹을 포함할 수 있다. 노즐 시스템이 부수적인 변형에 의해 본질적으로 슬롯 디자인 또는 환상 디자인을 가질 수 있음은 당업자에게 명백하다. 도 2 및 3이 본질적으로 편평한 및 대칭 기하구조를 갖는 노즐을 도시하지만, 이는 단순히 비제한적인 예시의 목적으로만 도시된 것이다.
도 4는 노즐 시스템 (1)을 더욱 상세히 도시하고, 한 예시로서, 저온의 제1 대향 벽 (5)에 결합된 저온 장치측, 및 고온의 제2 대향 벽 (6)에 결합된 중합체 용융물 성분을 함유하는 고온 장치측을 갖는 시스템을 도시한다. 축 또는 면 (7)은 제1 대역 (8)에서 대향 벽 (5 및 6) 사이의 공간을 기하학적으로 이등분하고, 따라서 단축 이등분 또는 반쪽-각도 α를 한정한다. 바람직하게는, 이등분 각도 α는 0.5˚ 내지 89.5˚, 더욱 바람직하게는 1˚ 내지 45˚, 가장 바람직하게는 15˚ 내지 40˚이다. 한 실시양태에서, 이등분 각도 α는 약 30˚이다. 대향 벽 (6)은 제2 대역 (10)에서 상기 축 또는 면 (7)로부터 분기하고, 제2 대역 (10)에서 가스 통로 (4)의 전체 횡단면 (66)은 가스 흐름 방향 (30)에 대해 직각인 방향에서 측정하였을 때 실제로 여전히 증가하여, 협소부 대역 (9) 이후에서 가스가 팽창한다. 저온의 대향 벽 (5)는 일반적으로 상기 축 또는 면 (7)에 대해 각도 θ로 수렴한다. 각도 β는 고온 대향 벽 (6)으로부터 이등분 축 또는 면 (7)에 대해 측정하고, 각도 θ는 상기 축 또는 면 (7)로부터 저온 대향 벽 (5)에 대해 측정한다. 따라서, 대향 벽 (5)가 이등분 축 또는 면 (7)에 평행한 경우 각도 θ는 0이고, 수렴하는 경우에는 음이고, 분기하는 경우에는 양이다. 대향 벽 (6)은 일반적으로 상기 축 또는 면 (7)에 대해 약 1˚ 내지 약 90˚ 미만, 바람직하게는 약 2 ˚ 내지 약 20˚ 미만인 분기 각도 β를 갖는다. 한 실시양태에서, 이 분기 각도 β는 대략 15˚이다. 대향 벽 (5)는 상기 축 또는 면 (7)에 대해 약 +45˚ 미만의 분기 각도를 갖지만, 바람직하게는 약 -45˚ 내지 약 0˚의 수렴 각도를 갖는다. β 및 θ의 합은 바람직하게는 약 0.1˚ 내지 약 30˚이어야 한다. 중합체는 중합체 도입 통로 (200)을 통해 들어가서, 하나 이상의 중합체 통로 개구부 (20)을 통해 가스 통로 (4)로 방출되어, 필름, 시내, 또는 중공관, 및 바람직하게는 필름 형태로 충돌 표면이라고도 일컬어 지는 중합체 피브릴화 표면 (63) 상으로 유동한다. 중합체 용융물 통로 (200)은 고온 대향 벽 (6)에 대해 다양한 각도 γ를 가질 수 있으며, 어디에서나 고온 대향 벽 표면 (6)에 대해 수직 (90˚) 내지는 거의 평행 (병류, 약 5˚) 또는 향류 (약 170˚)이고, 바람직하게는 10˚ 내지 100˚이다. 중합체 피브릴화 표면 (63)은 각각의 중합체 통로 개구부 (20)의 아래에 (가스 흐름의 방향으로) 제공되고, 중합체 용융물 (2)의 도입 이전부터 제2 대향 벽 (6)의 평활한 연속면을 갖고, 그 위를 중합체 용융물이 가스 스트림 (4)에 의해 피브릴화되기 전 또는 그 동안에 유동한다. 중합체 피브릴화 표면 (63)이 제2 대향 고온 벽 (6)의 평활한 연속면이 아닌 경우, 중합체 흐름 방향에서 각각의 중합체 통로 개구부 아래의 중합체 피브릴화 표면과 각각의 중합체 통로 (2) 사이에서 측정한 각도 φ는 약 180˚ 미만이다. 중합체 통로에 대한 각도 φ (90 - γ) 이하에서 (γ가 90˚ 미만인 실시양태에서), 중합체 피브릴화 표면 (63)은 본질적으로 0이 될 것이다. 대안적으로, 중합체 피브릴화 표면의 배향은 이등분면 또는 축 (7)에 대해 측정될 수 있다. 이등분면 또는 축 (7)에 대해 측정하였을 때, 중합체 피브릴화 표면 배향 각도는 시계 방향으로 측정시 약 90˚ 내지 반시계 방향으로 측정시 약 45˚의 범위이다. 중합체 피브릴화 표면 (63)의 길이 "δ"는 섬유 결함, 즉 샷 등이 적은 양호한 피브릴화 공정을 위해 중요하며, 각각의 중합체 통로 개구부 (20)의 수력 직경의 약 1000배 미만, 바람직하게는 각각의 중합체 통로 개구부 (20)의 수력 직경의 100배 미만이어야 한다. 이러한 형태 예시에 대한 이유는, 대향 벽 (6)이 가열되어 가압된 중합체 스트림 (2)를 용융 및 유동시키기 때문이다. 가스 통로 (4)에서 제2 대역 (10)의 가열된 벽 (6)은 중심 이등분 축 (7)로부터 45˚ 미만, 바람직하게는 약 1˚ 내지 20˚의 분기 각도 β를 갖는다. 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 가열된 벽 (6)에 대향하는 저온의 비가열된 벽 (5)는 중심 축 (7)로부터 30˚ 미만, 특히 약 0.1 내지 15˚의 수렴 각도 θ를 가질 수 있다. 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 각각 대향 벽 (6 및 5)의 분기 각도 β 대 수렴 각도 θ의 비 β/θ는 1:1 내지 500:1이다. 협소부 (9)의 내부 횡단면 기하구조는 예를 들어 대향 벽이 기울어진 경우에는 (예를 들어, 도 2 참조) 직사각형일 수 있거나, 대안적으로 굽어진 대향 벽을 사용하는 경우에는 가스 통로를 한정하는 연속해서 굽어진 내부 경계를 형성하는 원형일 수 있다. 또다른 실시양태에서, 가스 통로 (4)는 벽 (5 및 6) 사이에 위치하는 환상의 횡단면 공간을 포함한다. 도 4에서는 벽이 기울어진 편평한 평면인 것으로 도시되었지만, 다양한 대역에서 상기 벽은 굽어질 수 있다. 이는 제1, 제2 또는 협소부 대역, 또는 이들의 조합에서 벽 (5 및 6)에 대해 이루어질 수 있다. 특별한 비제한적인 실시양태가 하기에 제공된다.
도 5를 참조하면, 노즐 시스템 (1)의 또다른 실시양태에서, 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 대향 벽 (6 및 5)가 굽어져 있다. 굽어진 부분의 수직 치수 (102)는 약 0.004 인치 내지 약 2 인치일 수 있고, 용융물 통로 (200)의 수력 직경은 약 0.001 인치 내지 0.100 인치일 수 있다. 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 고온 벽 (6)의 곡률 반경 r1 대 저온 벽의 곡률 반경 r2의 비 r1/r2는 1:10,000 내지 약 100:1일 수 있다.
도 6을 참조하면, 노즐 시스템 (1)의 또다른 실시양태에서, 가열된 벽 (6)의 기하구조가 상기 도 5에 대해 기재한 것과 동일하다. 그러나, 이 실시양태에서는, 가스 통로 (4)의 협소부 대역 (9)의 길이가 도 2 내지 4의 실시양태에 비해 더 길다. 가열된 벽 (6)에 대향하는 벽 (5)는 이등분 축 또는 면 (7)을 향해 전형적으로 약 0.1˚ 내지 약 15˚의 각도 θ로 수렴한다. 가열된 벽 (6)은 상기 면 (7)으로부터 전형적으로 약 1˚ 내지 약 20˚의 각도 β로 분기한다. 도 7에서 보는 바와 같이, 중합체 유체 스트림 (2)는 하나 또는 그 이상의 개구부 (20)을 통해 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에 들어가고, 제2 고온 벽 (6)에 대해 약 10˚ 내지 170˚, 전형적으로 약 30˚ 내지 약 150˚, 특히 약 60˚ 내지 약 95˚일 수 있는 각도 γ로 위치한다. 도시된 바와 같이, 가열된 벽 (16)은 중합체 도입 통로 (2) 바로 아래에 팁 부분 (65)를 포함한다. 일체화된 팁 부분 (65)는 약 0.050 인치 미만, 더욱 바람직하게는 약 0.010 인치 미만의 중합체 피브릴화 표면 길이를 갖는다. 굽어진 부분 (64)는 팁 부분 (65) 바로 아래에서 하류 방향 (30)으로 중심 축 (7)로부터 굽어져 나오며, 가열된 벽에 대향하는 벽 (5)는 그의 벽 부분 (151)을 따라 면 (7)을 향해 수렴하고, 팁 부분의 하부 말단으로부터 측면으로 이격되어 인접하고 있는 위치 (152)는 굽어져서 면 (7)에 대해 각도 90+θ의 각도를 형성한다. 굽어진 부분 (64)는 그의 상부 말단에서 팁 부분 (65)를 한정하고, 또한 중합체 도입 통로 (2) 근처의 가스 통로 (4) 내에서 가스 붕괴를 방지한다. 팁 부분 (65)는 1 ㎛ 미만의 섬유 형성을 개선시킨다. 이 예에서, 팁 부분 (65)는 가스 통로 (4)와 마주하는 측면 (63)을 가지며, 이는 실질적으로 편평할 수 있고, 중합체 피브릴화 길이 δ을 한정한다. 각도 γ, β 및 θ가 본원에 기재된 범위를 벗어나는 경우, 공정은 불리한 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 이는 피브릴화 섬유 크기에 부정적인 영향을 미치고, 원치않는 샷 형성을 증가시킬 수 있다. 비제한적인 예로서, 팁 부분 (65)는 대략 0.005 내지 0.050 인치의 수직 길이 또는 충돌 길이 δ를 가질 수 있고, 굽어진 부분 (64)는 약 0.040 내지 0.100 인치 또는 그 이상의 수직 치수를 가질 수 있으며, 용융물 통로 (2)는 약 0.001 내지 약 0.010 인치, 바람직하게는 0.002 내지 약 0.008 인치의 수력 직경을 가질 수 있다.
도 8 내지 9를 참조하면, 노즐 (1)의 대안적인 형태로서 가스 통로 (4)의 제1 및 제2 벽 (5, 6, 및 51, 61)이 평활하게 굽어져서, 중합체 (2)가 도입되는 제2 대역 (10)에서 대향 벽 (51, 61)의 곡률에 임의의 뾰족한 단부가 없도록, 가스 통로 (4)의 전이 구역 (9)에서 제1 대역 (8)의 대향 벽 (5, 6)의 곡률이 평활하게 전이한다. 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 대향 벽은, 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10) 내에서 보았을 때, 고온 벽 (6)이 곡선 이등분면 (7)로부터 멀어지며 굽어진 볼록 형태를 갖고, 저온 벽 (5)가 곡선 이등분면 (7)을 향하여 굽어진 오목 형태를 갖도록 굽어질 수 있다. 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 고온 벽 (6)의 곡률 반경 대 저온 벽 (5)의 곡률 반경의 비는 약 1:10,000 내지 약 100:1, 특히 약 1:4 내지 약 1:1, 더욱 특히 약 1:2 내지 약 1:1일 수 있다. 제1 대역 (8)에서 제1 및 제2 벽 (51, 61)의 곡률 반경은 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 제1 및 제2 벽 (5, 6)의 길이의 약 1％ 내지 약 1000％일 수 있다. 각각의 중합체 도입 개구부 (20)은 특히 제2 대역 (10)의 고온 벽 (6)에 위치할 수 있다. 각각의 중합체 개구부 (20)은 또한 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 고온 벽 (6)의 곡선 길이의 약 20％ 내지 약 80％일 수 있다. 중합체 필름은 각각의 중합체 개구부 (20)을 통해 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에서 고온 벽 (6)의 접선에 대해 약 20˚ 내지 약 160˚의 각도로 제2 대역 (10)으로 압출될 수 있다.
도 10 내지 11을 참조하면, 노즐 (1)의 대안적인 형태로서 가스 통로 (4)의 제1 및 제2 벽 (5, 6, 및 51, 61)은 기울어진 평면이며, 전이 구역 (9)는 중합체 (2)가 도입되는 하류 대역 (10)과 상류 대역 (8) 사이에 위치하는 비대칭의 굽어진 형태를 갖는다.
본원에 기재된 공정에 사용되는 노즐 기구는 전형적인 다이 바디에 탑재가능한 카트리지 형태일 수 있다. 전형적인 다이 바디는 다양할 수 있다. 그러나, 산업상 표준 기계는 본 발명의 노즐을 실현하는 카트리지를 다이 바디에 탑재시킬 수 있다. 예를 들어, 노즐을 보유하는 다이는 전형적인 볼트 배열 및 편평한/성형된 표면으로 다이 바디에 탑재될 수 있다. 가스켓/봉합부가 필요한 경우, 다이의 상단에 채널을 기계적으로 형성하고/하거나 상기 위치는 특정한 다이 바디에 따라 한정된다. 예를 들어, 본 발명의 노즐 시스템은 표준 멜트스펀 장비, 예를 들어 라이펜하우저(Reifenhauser), 아손 뉴마그(Ason Neumag), 러기 짐머(Lurgi Zimmer), 아큐레이트 프로덕츠(Accurate Products), 노드손(Nordson) 및 임피안티(Impianti)와 같은 공급자에 의해 공급된 장비의 하부 압출 바디에 맞도록 적용될 수 있다. 전형적인 또는 시판되는 장비에서 압출기 바디와 함께 사용되는 가스 매니폴드를 통해, 또는 기밀(air-tight) 유체 도관 및 연결부를 따라 노즐 입구에 주입되는 압축 가스의 또다른 공급원을 통해, 가압된 가스를 노즐 시스템에 공급할 수 있다.
상기 기재된 노즐 시스템 및 지지 장비를 사용하는 본 발명의 방법을 실행하기 위해, 일반적으로 액체를 형성하여 용이하게 유동할 때까지 중합체를 가열한다. 도면에 도시된 바와 같이, 중합체 용융물은 개구부 (20)을 통해 노즐 시스템 (1)의 가스 통로 (4)의 제2 대역 (10)에 도입되고, 상기 기재된 바와 같이 개구부 (20) 아래에 위치하는 벽 표면 (6)을 따라 하강하면서 필름을 형성한다. 중합체 용융물을 형성하기 위해, 용융된 중합체 유체를 형성하기에 충분하도록 중합체를 가열한다. 비제한적인 예로서, 용융된 중합체는 노즐에서 피브릴화시의 점도가 양의 값으로서 30 Pa-s 미만, 특히 20 Pa-s 미만일 수 있고, 0.1 내지 20 Pa-s, 특히 0.2 내지 15 Pa-s의 범위일 수 있다. 이들 점도는 약 100 내지 약 100,000/초 (240℃에서)의 전단 속도하에 주어진다. 용융된 중합체는 일반적으로 중합체 다이의 갭을 통해 전달되어 노즐 디자인의 가스 통로로 도입되는 시점에서 대기압을 초과하는 압력을 갖는다.
중합체 용융물을 제공하기 위해 사용된 출발 중합체 물질의 적합한 최적의 용융 유속은 사용된 중합체 물질의 유형 및 다른 공정 조건, 예컨대 가스 흐름 특성에 따라 달라질 수 있다. 유리 전이 온도가 대략 -18℃인 폴리프로필렌의 경우, 적합한 용융 유속은 예를 들어 약 35 내지 2000 dg/분 이상, 바람직하게는 1800 dg/분 이하일 수 있다. 용융 유속은 ASTM 방법 D-1238을 이용하여 측정된다. 사용된 중합체 물질이 폴리프로필렌인 경우, 그의 다분산 지수 (PDI)는 예를 들어 약 2.0 내지 약 4.0일 수 있다. 본원의 목적에 있어서, PDI가 중량 평균 분자량을 수 평균 분자량으로 나누어 계산된 경우, PDI는 주어진 중합체 샘플의 분자량 분포의 척도이다.
본 발명의 방법 및 장치에서 중합체 생산량은 주로 사용된 특정 중합체, 노즐 디자인, 및 중합체의 온도 및 압력에 따라 달라질 것이다. 노즐 시스템 (1)에서 중합체의 총생산량은 약 1 kg/hr/m 초과, 특히 1 내지 200 kg/hr/m, 더욱 특히 10 내지 200 kg/hr/m, 가장 특히 25 내지 70 kg/hr/m일 수 있다. 구멍에 따라 중합체 생산량은 약 1 g/분/구멍 초과, 특히 약 50 g/분/구멍 초과, 더욱 특히 약 1000 g/분/구멍 초과일 수 있다. 총 제조 생산량을 증가시키기 위해 한 시점에서 작동하는 도입 갭 또는 구멍이 여러 개일 수 있다. 압력, 온도 및 속도에 따라 생산량은 다이 구멍 출구에서 측정된다. 또한, 가스 장막 또는 다른 부수적인 가스 스트림을 사용하여, 2개 이상의 노즐로부터의 1 ㎛ 미만의 섬유의 분무 패턴에 영향을 미칠 수 있다. 이 가스 스트림 또는 장막은 인접 노즐들 사이에서 분무 형성을 차폐시키는 것을 보조할 수 있거나, 분무 패턴을 압축시키는 것을 보조할 수 있다. 가스 장막 또는 스트림은 웹의 균일성을 개선시킨다.
본 발명의 노즐 시스템은 임의의 특정 유형의 중합체 물질에 제한되지 않고, 중합체가 광범위한 중합체 물질로부터 특정 생성물 용도에 따라 독립적으로 선택될 수 있게 한다. 본 발명의 섬유상 웹을 형성하는데 적합한 중합체 물질은 본 발명의 노즐을 사용하여 미세섬유로 피브릴화될 수 있는 중합체이다. 이들 중합체로는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 생분해성 중합체, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 알키드 수지, 폴리-히드록시알칸산, 접착제 또는 섬유를 제조할 수 있는 다른 화합물, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체가 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 중합체 물질의 특정한 예로는 예를 들어 폴리프로필렌이 있다. 중합체는 단독중합체, 공중합체 및 접합체로부터 추가로 선택될 수 있고, 용융 첨가제 또는 표면-활성제 또는 안료가 혼입된 중합체가 있다. 도 3에 도시된 다중 중합체 통로 (200a-d)의 사용을 통해 한 시점에서 1종 이상의 중합체 유형을 사용할 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 상기 기재한 바와 같이 다성분 1 ㎛ 미만의 섬유를 포함하는 웹 (13)을 제조할 수 있다.
기상 유체는 중합체 용융물보다 낮은 온도, 특히 100℃ 미만, 더욱 특히 50℃ 미만, 또는 실온 (예를 들어, 약 30℃ 이하)에서 노즐 시스템에 도입될 수 있다. 기상 유체는 또한 가열될 수 있지만, 본 발명의 방법에서 필수적인 것은 아니다. 섬유화 기상 유체의 비제한적인 예로는 가스, 예컨대 공기, 질소, 스팀 등이 있다. 추가로 적합한 가스로는 반응성 가스, 또는 반응성 성분을 가진 가스, 또는 이들의 조합물이 있다. 섬유화 (즉, 피브릴화) 기상 유체의 얍력은 1 ㎛ 미만의 섬유를 블로잉하는데 충분한 양의 압력이고, 갭으로부터 방출되어 노즐 시스템의 가스 통로로 도입됨에 따라, 용융된 중합체의 압력보다 약간 높을 수 있다. 섬유화 기상 유체는 일반적으로 압력이 1000 psi 미만, 특히 100 psi 미만, 더욱 특히 약 15 내지 약 80 psi일 것이다. 이용된 가스 유속은 피브릴화에 충분한 속도로 중합체 필름을 전단시키기에 충분한 것이다. 노즐 시스템을 통과하는 가스 유속은 일반적으로 150 kg/h/m 내지 약 3500 kg/h/m, 특히 600 내지 2000 kg/h/m, 더욱 특히 1000 내지 1800 kg/h/m이다. 단위 면적 당 단위 시간 당 유동하는 가스의 단위 질량으로서 측정되는 가스 질량 유량의 면에서, 가스 흐름은 협소부 대역 (9)의 대향 벽 (5 및 6) 사이의 간격 및 사용된 가스 유속에 따라 약 15 kg/s/㎡ 내지 약 1500 kg/s/㎡이다. 본원의 목적에 있어서, 가스 질량 유량의 계산을 위해 노즐 (1)의 전이 구역 (9)의 횡단면적이 일반적으로 이용된다.
본 발명의 한 이점으로서, 저하된 가스 요구량과 함께 1 ㎛ 미만의 섬유 생산량의 증가가 달성되며, 이는 에너지 소비를 감소시킬 수 있고/있거나 보다 작은 규모의 장치를 사용할 수 있게 하면서도, 여전히 상업적으로 상당한 1 ㎛ 미만 섬유의 생산량 수준을 제공한다. 한 실시양태에서, 가스 스트림 및 중합체 유체 스트림은 약 40:1 미만, 특히 약 30:1 미만, 더욱 특히 약 15:1 미만의 가스 스트림/중합체 유체 스트림의 질량 유속 비로 제2 대역에 도입된다. 한 실시양태에서, 가스 스트림 대 중합체 유체 스트림의 질량 유속 비는 심지어 10:1 미만일 수 있다. 가스 스트림 대 중합체 유체 스트림의 질량 유속 비는 가스 통로를 통과하는 가스 스트림의 kg/h/m 대 가스 통로의 제2 대역의 모든 중합체 개구부를 통과하는 중합체 유체 스트림의 kg/h/m로서 계산된다. 마찬가지로, 가스 스트림 대 중합체 유체 스트림의 질량 유량 비는 약 20:1 미만, 더욱 바람직하게는 약 10:1 미만, 가장 바람직하게는 약 7:1 미만이다. 가스 스트림/중합체 유체 스트림의 질량 유량 비는 가스 통로를 통과하는 가스 질량 유량의 kg/s/㎡ 대 가스 통로의 제2 대역의 모든 중합체 개구부를 통과하는 중합체 유체 질량 유량의 kg/s/㎡로서 계산된다. 따라서, 개선된 성능은 고품질의 미세섬유 또는 1 ㎛ 미만의 섬유 웹을 상업적으로 가능한 생산량으로 전달하는 더욱 효과적이고 저렴한 비용의 공정을 통해 제공된다. 다른 이점 중에서도, 섬유 형성 공정에서 가스측으로의 중합체 역류 및/또는 축적을 방지하는 방법이 더욱 효과적이다. 웹이 1 ㎛ 미만의 섬유 크기에서도 양호한 균일성을 보유하고 섬유 및 웹 결함이 낮기 때문에, 생성된 생성물 웹 또는 매트는 고품질이다.
좁은 섬유 크기 분포 내에서 최소 섬유 결함을 갖는 고품질의 미세섬유가 본 발명에 의해 제공된다. 본 발명의 목적에 있어서, "고품질" 섬유는 좁은 섬유 직경 분포에서 최소 섬유 결함 (예컨대, 샷 및 먼지)를 갖는 우세하게 1 ㎛ 미만인 섬유로서 정의된다. "샷"은 섬유화되지 않은 불연속의 큰 구형 또는 타원형 또는 이들의 조합형인 중합체 덩어리로서 정의되며, 불연속 덩어리의 가장 큰 치수는 10 내지 500 ㎛이다. 비제한적인 예로서, 도 15는 표준 섬유 제조 장비 및 공정 조건을 이용하여 제조된, 샷을 가진 미세섬유를 도시하는 대표도 (500x)이다. 샷은 미세섬유에 의해 형성된 웹에서 생성되어 큰 공극 및 다른 결함을 남긴다. 도 16은 본 발명의 실시양태에 따라 작업한 노즐 시스템으로 제조된, 샷이 거의 없거나 전혀 없는 미세섬유를 도시하는 대표도 (500x)이다. 도 16에 도시된 섬유상 웹에서는 양호한 섬유 분포가 제공되고, 더욱 효과적인 중합체-섬유 및 웹 품질 보존이 달성된다. "먼지"는 또다른 섬유 결함이며, 중합체는 비조절적으로 또는 과도하게 가장 큰 치수가 10 ㎛ 미만인 큰 구형 또는 타원형 또는 이들의 조합형인 중합체 덩어리로 전단된다. 원치않는 저품질의 섬유는 과도한 범위의 섬유 직경을 가질 수 있거나, 다량의 먼지 또는 다량의 샷을 함유할 수 있다. 특히 저품질의 섬유, 또는 피브릴화의 효과는 큰 샷 (전형적으로 직경이 40 ㎛ 초과임)을 함유하고, 상기 덩어리는 부직웹의 전체 두께를 관통하기에 충분한 운동량 및 열 에너지 (즉, 온도)를 가져서, 확대 실험 (즉, 10배 또는 10X 이상)하에 가시적으로 잘 확인될 수 있는 현저한 "핀-홀(pin-hole)" 결함을 형성한다. 따라서, 고품질 섬유화로부터 제조된 웹, 및 섬유는 좁은 섬유 직경 분포를 갖고, 먼지의 양이 단지 평균 10 입자/㎟ 미만으로 낮거나 전혀 없고, 샷의 양이 10 입자/㎟ 미만으로 낮거나 전혀 없으며, 관통 및 핀-홀 형성 유형의 샷이 전혀 없거나 무시할 정도이다. 이러한 측정 및 평가는 10X, 바람직하게는 100X 배율의 광학 현미경을 사용하고 (샷의 경우), 주사 전자 현미경 사진을 이용하여 (먼지 및 샷의 경우) 수행될 수 있다. 평균을 측정하기 위해, 제조 조건 또는 선택된 제조 기간으로부터 10개 이상, 바람직하게는 20개 이상의 샘플을 취하여, 이러한 방식으로 먼지 및 샷에 대해 평가할 필요가 있다.
본 발명에 따라 제조된 섬유상 웹은 하나 이상의 섬유 직경을 나타내는 섬유를 가질 수 있다. 섬유 직경은 1 ㎛ 미만의 섬유 직경 내지 미세섬유 직경일 수 있다. 본 발명의 목적에 있어서, "섬유 직경"은 영상 분석을 이용한 SEM에 의해 측정된다. 이로 제한되지는 않지만, 평균 섬유 직경은 예를 들어 약 0.1 내지 약 1 ㎛, 특히 약 0.1 내지 약 0.9 ㎛, 더욱 특히 약 0.3 내지 약 0.6 ㎛일 수 있다. 본 발명의 방법으로부터 직접 수집된 생 부직웹 생성물 물질은 1 ㎛ 미만의 섬유를 35％ 초과, 특히 75％ 초과, 더욱 특히 95％ 초과, 더욱 특히 99％ 초과 포함할 수 있다. 섬유 직경 분포의 표준 편차는 일반적으로 약 0.5 ㎛ 미만, 특히 약 0.3 ㎛ 미만일 수 있다. 또한, 본 발명의 부직물은 매우 경량에서부터 매우 중량에 이르는 범위의 기본 중량을 가질 수 있다. 예를 들어, 이로 제한되지는 않지만, 부직물은 약 5 그램/평방미터 (gsm)의 기본 중량에서부터 약 200 gsm이 넘는 기본 중량을 가질 수 있다. 특별한 실시양태에서, 지정된 1 ㎛ 미만 섬유 범위에서 섬유를 포함하는 부직 생성물 웹은 기본 중량이 약 0.01 내지 200 gsm, 특히 약 0.1 내지 약 50 gsm이다. 부직웹 생성물의 기본 중량은 예상되는 웹의 적용에 따라 달라질 수 있다. 다소 경량의 적용에서는, 1 ㎛ 미만의 섬유 층의 기본 중량이 예를 들어 부직웹의 용도에 따라 약 10 gsm 미만일 수 있다. 적층된 여러 층으로 이루어진 웹을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 1 ㎛ 미만의 섬유 층을 1, 2 또는 그 이상의 동일 또는 상이한 층과 조합할 수 있다. 복합 웹은 예를 들어 스펀본드 층/1 ㎛ 미만의 섬유 층/스펀본드 층의 3-성분 구조를 포함할 수 있다. 또다른 예시적인 복합 웹은 스펀본드 층/1-10 ㎛ 섬유 멜트블로운 층/1 ㎛ 미만 용융-필름-피브릴화 섬유 층/스펀본드 층 구조로 이루어질 수 있다. 전체 복합 웹에 대한 기본 중량은 예를 들어 약 5 gsm 내지 약 200 gsm 또는 그 이상일 수 있으나, 함께 조립된 층의 개수 및 유형에 따라 달라질 수 있다.
균일한 1 ㎛ 미만의 섬유 웹은 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있다. 웹 균일성은 여러 방법을 통해 측정될 수 있다. 상기 기재된 샷 및 먼지 비율 이외에도, 균일성 측정 기준의 다른 예로 낮은 변동 상수의 공극 직경, 기본 중량, 공기 투과도 및/또는 불투명도가 있다. 균일성은 또한 섬유 다발 또는 꼬임, 또는 가시적인 홀, 또는 이러한 다른 결함의 부재를 의미한다. 균일성은 또한 내수성(hydrohead) 또는 웹의 다른 액체 차단 측정에 의해 평가될 수 있다. 공극 직경은 당업자에게 공지된 방법에 의해 측정될 수 있다. 1 ㎛ 미만의 섬유 층의 평균 공극 직경은 약 15 ㎛ 미만일 수 있다. 균일한 웹에 대해 목적하는 변동 상수는 20％ 미만일 수 있다. 꼬임의 결여는 측정된 웹 면적에서 섬유의 꼬임 또는 다발의 개수를 계수하여 측정할 수 있고, 이는 샷 및 먼지 평가와 함께 수행하는 것이 가장 좋다. 홀의 결여는 또한 측정된 웹 면적에서 특정 역치보다 큰 직경을 갖는 홀의 개수를 계수하여 측정할 수 있다. 10 내지 100X 배율의 광학 현미경 또는 주사 전자 현미경 또는 다른 확대 수단을 사용할 수 있다. 예를 들어, 라이트 박스를 이용하여 홀을 육안으로 볼 수 있는 경우 또는 직경이 100 ㎛ 초과인 경우에는 이를 계수할 수 있다.
본 발명은 광범위한 중합체 물질에 대해 실행할 수 있고, 부직웹은 광범위한 제품에 그 자체로 또는 다른 물질과 조합되어 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 제조되는 부직물은 하나 이상의 섬유상 층뿐 아니라, 직조물, 스크림(scrim), 필름 및 이들의 조합물을 포함할 수 있으며, 부직물이 이용될 수 있는 수많은 홈 클리닝, 개인 위생, 의료 및 다른 최종 용도 생성물의 제조에 이용될 수 있다. 부직웹은 예를 들어 가스 또는 액체 필터, 의료용 의복, 의료용 클렌징 와이프, 방수지 구조 물질, 기저귀, 배변 연습용 팬츠, 성인용 요실금 패드, 월경용 제품, 예컨대 여성 생리대 및 팬티라이너, 탐폰, 개인 세정 용품, 개인 위생 용품, 및 개인 위생 와이프, 예컨대 아기용 와이프, 얼굴용 와이프, 신체용 와이프 및 여성용 와이프, 및 이들의 조합물에 사용될 수 있다. 또한, 부직물은 창상 삼출물을 흡수하고 수술 부위로부터 침윤물의 제거를 돕기 위해 의료용 거즈 또는 유사한 흡수성 수술 재료로서 사용될 수 있다. 다른 최종 용도로는 클리닝 등을 위해 손으로 용이하게 사용할 수 있는, 의료용, 산업용, 자동차용, 가정 위생용, 업소용 및 그래픽 아트 마켓용 습식 또는 건식 위생, 항균 또는 경질 표면 와이프가 있다.
본 발명의 부직웹은 또한 의료 및 산업용 보호 의복, 예컨대 가운, 드레이프, 셔츠, 아랫도리옷, 실험실 코트, 얼굴 마스크 등, 및 보호 커버, 예컨대 운송수단 (예컨대, 자동차, 트럭, 보트, 비행기, 전동차, 자동차, 골프 카트)를 위한 커버뿐 아니라, 대개 야외에 두는 장비 (예컨대, 그릴, 안뜰 및 정원 장비, 예컨대 잔디 깍는 기계 및 회전 경운기, 정원 가구, 바닥 마감재, 테이플 천 및 피크닉용 돗자리)를 위한 커버에 적합한 제조물에 포함될 수 있다. 특별한 실시양태에서, 부직물은 붕대, 기저귀, 배변 연습용 팬츠, 성인용 요실금 패드, 월경용 제품, 예컨대 여성 생리대 및 팬티라이너, 탐폰, 개인 세정 용품, 개인 위생 용품, 및 개인 위생 와이프, 예컨대 아기용 와이프, 얼굴용 와이프, 신체용 와이프 및 여성용 와이프, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 제품에 사용된다. 부직물은 또한 매트리스 보호대, 이불, 퀼트, 누비 이불 커버 및 침대보와 같은 침대 용품의 상단에 사용될 수 있다. 또한, 음향 용품, 예컨대 내부 및 외부 자동차 성분, 카펫 백킹, 절연 및 소리 둔화 용품 및 기계류 랩, 및 벽 마감재에 사용될 수 있다. 부직물은 또한 다양한 여과 용품, 예컨대 백 하우스(bag house), 플러스 풀(plus pool) 및 스파 필터에 유리하다. 부직물은 또한 다른 용품, 예컨대 배터리 분리기 또는 제제/입자 담체 (예를 들어, 촉매 담체)로 사용될 수 있다.
부직물의 목적하는 최종 용도에 따라, 특정한 첨가제가 중합체 용융물에 첨가되거나 웹의 형성 이후에 적용할 수 있다. 적합한 첨가제의 비제한적인 예로는 흡수 개선제 또는 세제 첨가제, UV 안정화제, 난연제, 염료 및 안료, 향료, 피부 보호제, 계면활성제, 수성 또는 비수성 기능성 산업용 용매, 예컨대 페인트 오일, 동물성유, 테르페노이드, 규소 오일, 광유, 백색 광유, 파라핀계 오일, 파라핀계 용매, 폴리부틸렌, 폴리이소부틸렌, 폴리알파올레핀, 및 이들의 혼합물, 톨루엔, 격리제, 부식 방지제, 연마제, 석유 증류물, 기름제거제, 및 이들의 조합물이 있다. 추가의 첨가제로는 항균 조성물, 예컨대 요오드, 알콜, 예컨대 에탄올 또는 프로판올, 살생제, 연마제, 금속성 물질, 예컨대 금속 산화물, 금속 염, 금속 착물, 금속 합금 또는 이들의 혼합물, 정균제 복합물, 살균제 복합물, 및 이들의 조합물이 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.
본원에 기재된 모든 중량, 부, 비 및 백분율은 달리 언급하지 않는 한 중량을 기준으로 한다. 하기 비제한적인 실시예는 본 발명을 추가로 설명한다.
<실시예>
압출기 (2.5 인치 직경, 단일 스크류 압출기) 및 전형적인 용융 블로운 다이 바디 (25 인치 폭)를 사용하여, 1800 MFR 폴리프로필렌의 공급원을 제공하였다. 압출기 온도는 650℉이었다. 일반적으로, 도 4의 형태를 갖는 노즐을, 노즐 기구 상의 편평한 상부 표면 구역에서 전형적인 가스켓화 볼트 마운트를 사용하는 전형적인 압출기 다이 바디에 탑재하였다. 가압된 공기의 공급원은 기밀 연결부 및 봉합부를 통해 공기 공급으로부터 노즐의 입구로 주입된다. 노즐은 하기의 기하학적 특징을 갖는다 (비제한적인 예로서 도 4를 사용): 협소부 대역 (9)에서 대향 벽 (5 및 6) 사이의 최소 거리로서 0.016 인치; 이등분면 (7)을 향해 -1.5˚의 각도 θ로 수렴하는 저온 벽 (5); 이등분면 (7)로부터 2˚의 각도 β로 분기하는 고온 벽; 제2 대역의 제2 하류 반쪽에서 제2 대역에 들어가며, 수력 직경이 약 0.008 인치이고, 고온 벽 (6)에 대하여 약 32˚의 각도 γ로 배향된 중합체 통로; 중합체 피브릴화 표면 길이 δ 거의 0. 수렴 대역 (8)은 수직 길이가 약 0.090 인치이고 이등분 각도 α가 약 30˚이다. 협소부 대역 (9)는 수직 길이가 약 0.010 인치이고, 분기 대역 (10)은 수직 길이가 약 0.200 인치이다. 가압된 공기를 300 scfm (표준 ft3/분)의 유속 및 80℉의 공기 온도에서 노즐의 입구 말단 (수렴 대역)에 도입하였다. 부직웹 생성물을 수집하고 분석하여, 하기 생성물 특성을 갖는 것을 밝혀냈다: 스펀본드 층/1 ㎛ 미만 섬유 층/스펀본드 층 전체의 기본 중량 17.2 gsm; 본 발명의 노즐 장치로부터 제조된 섬유 함량은 약 15％ (2.7 gsm)으로 추정; 1 ㎛ 미만 섬유 층 중 섬유의 평균 직경: 0.45 ㎛; 표준 편차: 0.15; 1 ㎛ 미만 섬유의 직경 분포의 표준 편차/평균의 비 = 0.33; 및 섬유 직경 범위: 0.1 내지 0.85 ㎛.
상기로부터, 본 발명의 신규한 개념의 진정한 의미 및 범위를 벗어나지 않고 수많은 변형 및 변화가 이루어질 수 있음을 잘 알 것이다. 본원이 본원에 기술된 특정한 실시양태로 제한되지 않는 것으로 의도되며 단지 참조되어야 한다는 것을 이해할 것이다. 본원의 개시 내용은 첨부된 청구항에 의해 청구항의 범위 내에 속하는 모든 변형들을 포괄하는 것으로 의도된다.
3: 가스 스트림
9: 전이 구역
8: 제1 노즐 대역
10: 제2 노즐 대역
101: 출구면
800: 노즐 시스템
801: 중합체 압출 바디
802: 가스 통로

Claims (24)

1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 포함하는 섬유상 웹을 하나 이상 포함하는 부직웹 생성물이며,
1 ㎛ 미만 직경의 섬유는 10 kg/hr/m 내지 200 kg/hr/m의 중합체의 총생산량으로 수득되는 피브릴화 중합체 용융 필름 생성물을 포함하고 섬유 직경 분포의 표준 편차가 0.5 ㎛ 미만이고,
섬유상 웹은 ㎟ 당 평균 10 샷(shot) 입자 미만의 샷 양을 가지고, 평균 공극 직경이 15 ㎛ 미만이고, 여기서, 샷은 구형, 타원형 또는 이들의 조합형의, 가장 큰 치수가 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 불연속의 중합체 덩어리를 포함하는 것인, 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 상기 섬유상 웹의 1 ㎛ 미만 직경의 섬유는 섬유 직경 분포의 표준 편차가 0.3 ㎛ 미만의 것인 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 1 ㎛ 미만 직경의 섬유는 평균 섬유 직경이 0.1 ㎛ 내지 0.9 ㎛ 미만의 것인 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 35 중량％ 이상으로 포함하는 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 75 중량％ 이상으로 포함하는 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 95 중량％ 이상으로 포함하는 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 기본 중량이 0.01 gsm 내지 200 gsm인 부직웹 생성물.
제7항에 있어서, 기본 중량이 0.1 gsm 내지 50 gsm인 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 1 ㎛ 미만 직경의 섬유가 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 생분해성 중합체, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 알키드 수지, 폴리-히드록시알칸산, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체로 이루어진 것인 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 상기 중합체의 총생산량이 20 kg/hr/m 내지 70 kg/hr/m인 부직웹 생성물.
제1항에 있어서, 상기 중합체의 총생산량이 25 kg/hr/m 내지 70 kg/hr/m인 부직웹 생성물.
제1항에 따른 부직웹 생성물을 하나 이상의 상이한 층과 조합하여 포함하는 제품.
제12항에 있어서, 상기 상이한 층이 스펀본드(spunbond) 층을 포함하는 것인 제품.
제12항에 있어서, 의료용 의복, 의료용 클렌징 와이프(wipe), 붕대, 보호 의류, 기저귀, 배변 연습용 팬츠, 성인용 요실금 패드, 월경용 제품, 개인 세정 용품, 개인 위생 용품, 및 개인 위생 와이프, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 제품.
슬롯(slot)의 제1 및 제2 대향 벽 중 하나 이상의 가열된 벽에 있는 하나 이상의 개구부에서 끝나고, 상기 슬롯의 응집체 중합체의 총생산량이 10 kg/hr/m 내지 200 kg/hr/m인 하나 이상의 결합된 중합체 통로를 통해 하나 이상의 중합체 유체 스트림을 유동시켜 상기 각각의 개구부로부터 필름 형태로 각각 압출시켜, 압출된 중합체 필름을 가열된 벽 표면 상에 제공하는 단계; 및
각각의 압출된 중합체 필름을, 제1 및 제2 대향 벽 사이에 한정된 가스 통로 내에서 유동하는 가압된 가스 스트림과 합쳐서 상기 중합체 필름을 피브릴화시켜, 상기 가스 통로의 출구 말단으로부터 배출되는 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 포함하는 섬유를 형성함으로써, 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 포함하는 섬유상 웹을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 섬유상 웹의 1 ㎛ 미만 직경의 섬유는 섬유 직경 분포의 표준 편차가 0.5 ㎛ 미만이고, 섬유상 웹은 ㎟ 당 평균 10 샷 입자 미만의 샷 양을 가지고, 평균 공극 직경이 15 ㎛ 미만이며, 여기서, 샷은 구형, 타원형 또는 이들의 조합형의, 가장 큰 치수가 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 불연속의 중합체 덩어리를 포함하는 것인,
부직웹 생성물의 제조 방법.
제15항에 있어서, 상기 섬유상 웹의 1 ㎛ 미만 직경의 섬유는 섬유 직경 분포의 표준 편차가 0.3 ㎛ 미만의 것인 방법.
제15항에 있어서, 상기 섬유상 웹이 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 35 중량％ 이상 포함하는 것인 방법.
제15항에 있어서, 부직웹 생성물의 기본 중량이 0.1 gsm 내지 50 gsm인 방법.
제15항에 있어서, 1 ㎛ 미만 직경의 섬유가 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 생분해성 중합체, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 알키드 수지, 폴리-히드록시알칸산, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체로 이루어지는 것인 방법.
슬롯의 제1 및 제2 대향 벽 중 하나 이상의 가열된 벽에 있는 하나 이상의 개구부에서 끝나고, 상기 슬롯의 응집체 중합체의 총생산량이 10 kg/hr/m 내지 200 kg/hr/m인 하나 이상의 결합된 중합체 통로를 통해 하나 이상의 중합체 유체 스트림을 유동시켜 상기 각각의 개구부로부터 필름 형태로 각각 압출시켜, 압출된 중합체 필름을 가열된 벽 표면 상에 제공하는 단계; 및
각각의 압출된 중합체 필름을, 제1 및 제2 대향 벽 사이에 한정된 가스 통로 내에서 유동하는 가압된 가스 스트림과 합쳐서 상기 중합체 필름을 피브릴화시켜, 상기 가스 통로의 출구 말단으로부터 배출되는 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 포함하는 섬유를 형성함으로써, 1 ㎛ 미만 직경의 섬유를 포함하는 섬유상 웹을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 가스 통로는 가스가 공급 말단으로부터 들어가는 제1 상류 대역, 전이 구역, 및 가스가 출구 말단으로 유동하는 제2 하류 대역을 포함하고, 상기 전이 구역은 제1 대역과 제2 대역을 유동적으로 연결하고, 가스 통로는 상기 제2 대역의 출구 말단에서 끝나고, 상기 가스 통로의 제1 대역은 공급 말단에서부터 전이 구역까지 감소하는 횡단면을 갖고, 상기 가스 통로의 제2 대역은 전이 구역에서부터 제2 대역의 출구 말단까지 증가하는 횡단면을 가지고,
상기 섬유상 웹의 1 ㎛ 미만 직경의 섬유는 섬유 직경 분포의 표준 편차가 0.5 ㎛ 미만이고, 섬유상 웹은 ㎟ 당 평균 10 샷 입자 미만의 샷 양을 가지고, 평균 공극 직경이 15 ㎛ 미만이며, 여기서, 샷은 구형, 타원형 또는 이들의 조합형의, 가장 큰 치수가 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 불연속의 중합체 덩어리를 포함하는 것인,
부직웹 생성물의 제조 방법.
제12항에 있어서, 필터인 제품.
제12항에 있어서, 방수지(housewrap) 구조 물질인 제품.
제12항에 있어서, 배터리 분리기인 제품.
제12항에 있어서, 촉매 담체인 제품.
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