CN105473296A - 纤维和长丝的力纺丝 - Google Patents

Abstract

非纺织织物包括具有纳米级或微米级直径的超细纤维的网，用于在具有带有透气性的防水性，或具有透气性的防风性的物品中。这样的物品以及该物品的部件的生产使用用于形成材料的喷射流的工艺，该喷射流固化为超细纤维并且当超细纤维聚集时形成为两维的或三维的网。系统和方法以大致平行的股线的聚合聚集任意规模的纤维，该大致平行的股线例如用于在形成纱线中使用。

Description

纤维和长丝的力纺丝

发明人：贾斯汀·李·格拉迪什；玛丽-埃伦·史密斯

相关申请

本申请要求2013年7月5日提交的美国临时申请序列号61/843,295、2013年7月10日提交的美国临时申请序列号61/844,532以及2014年3月6日提交的美国临时申请序列号61/949,079的权益与优先权，这些申请的内容为了所有的目的据此通过引用如同在本文中被充分陈述一样并入。

背景

在本文中所公开的发明的主题总体上涉及用于在服装物品和户外装备物品中使用的纤维产品，例如非纺织织物和包含超细纤维，即，具有在纳米级或微米级范围内的直径的纤维的网的隔热材料。在一些实施方案中，该物品具有预定程度的防水性、防风性以及透气性。在某些方面中，本发明的主题涉及使用用于形成固化为超细纤维以及当超细纤维聚集时形成网的材料喷射流或材料流的新颖工艺的此类物品的产品和此类物品的部件。本发明的主题还涉及相关的装置和加工成终端产品的后网结构(post-webformation)。

存在用于制造防水服装并且仍然允许湿气从内部微气候穿过外套到外部环境中的数种不同的方法和材料。根据纺织品和户外产品行业中使用的某些标准，防水性能可以使用美国测试标准AATCC127和ASTMD751来确定(日本标准分别为JISL1092或Fed.Std.191-A55)。类似地，透气性可以使用被报道使用的美国测试标准ASTME96或日本标准JISL1099来确定。

防水屏障可以使用具有疏水或亲水特性的多孔和无孔材料制成。这些薄膜可以进一步分离成基于亲水整体涂层(非多孔连续膜)的个体，或基于疏水膜和微孔膜(包含微孔以允许湿气穿过的连续膜)的个体。这些膜可以直接涂在织物上，且然后使用高温进行固化。该复合结构提供防水和透气保护。在其它情况下，该膜还可以直接放置在转移纸上，然后直接层压(例如，通过胶合)在所选择的织物上，从而产生防水、透气的织物。层压方法为膜提供更好的耐久性，且经常允许膜更薄，这增加了透气性。

透气性与材料特性、膜类型，以及屏障膜的厚度直接有关。在亲水性膜的情况下，透气性是由菲克扩散定律支配的扩散过程。水从表面被吸收至膜中，穿过膜扩散，且在膜的外部上蒸发。

在预期使用的条件下，蒸发的水不能渗入该膜。在微多孔膜的情况下，透气是机械过程，其中，蒸发的水必须在膜的微多孔结构之间穿过，且在外部上蒸发到环境中。由于薄膜的疏水特性，液态水不能渗入该膜。孔隙的大小、厚度，以及耐久性的平衡对于达到防水性、透气性材料的任何性能规格是必要的。以服装作为代表的终端产品，由于温度和湿度梯度，既没有蒸发的水也没有液态水可以从外部环境渗入到服装中。这些梯度产生在服装的内部微气候与外部环境之间。由于在服装的内部上的温度与湿度更高，水气被迫离开内部微气候且穿过防水屏障进入到外部环境中。

众所周知的且非常成功的防水的透气的膜，GORE-TEX，扩大的聚四氟乙烯(ePTFE)，产生于1969年。为了产生扩大的PTFE，PTFE被拉伸，从而产生许多极小的微小洞。这些极小的洞足够大以允许湿气穿过。然而，该洞比处于液相的水的直径小。由于孔隙比水分子小，处于液相的水不能穿过该薄膜。PTFE，由于其被氟化，因此其具有非常高的表面能量，这导致了表面是非常疏水的。在预期使用的条件下，细孔结构与表面的疏水性的组合允许该膜是完全防水的并且仍然透气。

图1至图1D示出了在防水、透气层压板中使用的某些防水透气微多孔薄膜的扫描电子显微镜图像，每个图像包括关于材料性质的相关描述信息。(致谢名单：Gibson等人，“用于织物中的反应增强的水气运输”，2013卷，文章编号216293，8页，2013年1月29日，Hindawi出版公司，http://dx.doi.org/10.1155/2013/216293.)

在GORE-TEXePTFE膜的发明之后，通过使用或者直接涂在织物上或者层压在织物上的材料的阵列，已经产生许多有竞争性的薄膜。这些薄膜包括基于亲水聚氨酯、疏水性聚氨酯、PTFE，以及聚酯的薄膜。

电纺丝是在医疗行业和过滤行业中已被广泛使用以从纳米纤维的积聚物产生非纺织网或垫的技术。许多大学和工业公司拥有电纺丝装置，以该工艺为基础的专利，以及产品。大部分的电纺丝已经集中于非纺织薄膜的生产。通常的设置包括：高电压源，其连接至注射器或针，该注射器或针联接至形成纤维的材料的流体源。电场产生以便对流体从其中离开的针或注射器充电。用于聚焦、转向，和导引流出的溶液的电极定位在针头或注射器下方。这些有助于将流体从针头或注射器导引/抽到纳米纤维中，并且到聚集器上。用于非纺织垫生产的其它技术包括：干法成网、旋熔和湿法成网。

基于纤维产生的工艺需要三个主要的生产原理：(1)形成网；(2)使网结合；(3)织物整理。使网结合可以经由化学、热或机械结合来进行。例如，化学结合可以是基于液体的结合剂或水基粘合剂。该结合可以作为可以被印刷，或浸渍在织物上的涂层来应用。热结合的选项包括：热和压力；热和接触；或粉末结合。机械结合方法可以包括针刺、缝合结合，或液力缠结。

常规地，非纺织织物可以由许多材料制成，但所使用的纤维通常具有短的纤维长度，这限制了由该纤维制成的网的耐久性。而且，在常规的非纺织织物生产技术中使用的纤维直径未达到纳米级水平。

纳米级纤维可以根据电纺丝技术来生产，且通常可以不需要前面描述的费力的结合方法。然而，电纺丝具有许多制造参数，这些制造参数可能限制纺织某些材料。这些参数包括：纺丝材料和纺丝材料溶液的电荷；溶液传送(通常是从注射器喷射的材料流)；在喷射流处充电；在聚集器处的纤维薄膜的放电；来自纺丝喷射流上的电场的外力；排出的喷射流的密度；以及电极的电压和聚集器的几何结构。

电纺丝纳米纤维具有较高的表面积和较小的纤维直径。电纺丝纳米纤维可以形成为具有空气透过性的网，且如果需要，该网可以在厚度上增加而不会失去透气性。电纺丝纳米纤维还是轻质的。

电纺丝技术在户外行业已经获得成功。最近的电纺丝产品是大批量生产的Polartec'sNEOSHELL材料。电纺丝薄膜的好处与来自GORE-TEX与微多孔薄膜的好处相似。

在电纺丝工艺过程中，纳米纤维被聚集在聚集器上。当纳米纤维被聚集时，微小的细孔在交叉纤维之间形成。这些微小的空间比固体亲水薄膜或甚至是疏水的、微多孔薄膜允许更好的透气性。由于纳米纤维薄膜具有微小的细孔，这些细孔的污染是可能的。类似于PTFE的制造，微米薄聚合物涂层可以放置在纳米纤维薄膜之上，以使这些孔免受污垢和油的污染，而不影响透气性。另外，由于纳米纤维垫是多孔的，其可以用于织物中的空气透过性的调节(例如，在软壳服装中使用的织物中)。

由于接缝没有用胶布封住，软壳织物不旨在防水。由于该薄膜夹在两个织物之间以使薄膜免于污染，保护性涂层并不总是必需的。因此，未阻碍穿过纳米纤维薄膜的空气透过性。NEOSHELL(Polartec)材料是该软壳应用的示例。软壳可以100％防风，或按规定量供给到低于100％堵塞的任何位置。在其它挡风的应用中，服装包括在两个软壳材料之间的防水薄膜层压结构，或用于部分地挡风的点胶矩阵结构的应用。尽管电纺丝薄膜可以替代防水的透气薄膜和风计量软壳，但电纺丝薄膜的缺点是它们的耐久性。因此，由于这，电纺丝薄膜在两层(2L)构造中的使用尚未可用。

总之，目前的生产方法是资源密集型的：需要多个处理步骤、水、热量和电，且在电纺丝高电压的情况下(可能是危险的)。由于电纺丝的工艺参数，用于薄膜的材料还限于相对较窄的范围。因此，最终使用的可能性也受到限制。另外，现有薄膜可能缺乏耐久性，从而限制它们在终端产品中的使用。

考虑到现有技术中的上述缺点，大量需要基于例如纳米纤维的超细纤维的改进的非纺织织物产品。

概述

本文公开的发明的主题克服了现有技术中的上述缺点和其它缺点。在某些方面中，本发明主题涉及这样的物品和该物品的部件的生产，其使用用于形成材料的喷射流或流的新颖工艺，该材料的喷射流或流固化为超细纤维，并且当超细纤维聚集时，超细纤维形成为两维的网或三维的网。该网可以具有膜、薄膜，或垫的性质。在一些实施方案中，本发明主题大体上涉及由超细纤维，即，具有在纳米级或微米级范围中的直径的纤维网组成的非纺织织物，该非纺织织物用于在具有预定程度的防水、防风和透气性的物品中使用。

本发明主题还涉及相关的装置和加工成终端产品的后网结构。

在其它实施方案中，本发明主题涉及由纤维的纤维网或纤维团制成的隔热材料。该隔热材料可以在包括服装和服饰、睡袋、毯子、衬垫物填料等的各种应用中使用。

本发明主题还涉及用于以大致平行的股线的聚合来聚集任意规模的纤维的系统和方法，该大致平行地股线用于在例如形成纱线中使用。另外，纤维垫可以被切成不同的宽度，并且纱线由来自垫的扭曲的拉出的纤维纺成。

在下面的详细描述和附图中更详细地描述了这些实施方案和其它实施方案。

前述内容并不意在是本发明主题的实施方案和特征的详尽列举。本领域的技术人员能够根据结合附图的下面的详细描述来理解其它实施方案和特征。所附的权利要求，如在本文件中初始提交的，或如随后修正的，据此犹如直接写入地并入到本概述部分。

附图说明

下面的附图示出了根据本发明主题的实施方案，作为示出现有技术而指出的除外。

图1A至图1B示出了数个已知的微多孔薄膜的扫描电子显微镜图像和相关的显微细节和材料细节。

图2示意性地示出了复合构造，该复合构造可以包括根据本发明主题生产的防水可透气材料层。

图3示意性地示出了用于生产根据本发明主题的结构的力纺丝(forcespinning)系统。

图4A至图4B示意性示出了与力纺丝系统连接的模型的使用。

图5示意性地示出了例如来自鹅或鸭的羽绒绒毛。

图6是常规的毛絮(左侧)和根据本发明的主题的毛絮(右侧)的示意性对比。

图7示意性地示出了在生产根据本发明主题的合成羽绒构造中使用的力纺丝系统。

图8示意性地示出了在生产根据本发明主题的合成羽绒构造中使用的力纺丝系统的可选的实施方案。

图9A至图9B示意性地示出了在生产和聚集根据本发明主题的长丝中使用的力纺丝系统。

图10A至图10C示意性地示出了在生产和聚集根据本发明主题的长丝中使用的力纺丝系统的可选的实施方案。

图11示意性地示出了在生产和聚集根据本发明主题的长丝中使用的力纺丝系统的另外的可选的实施方案。

图12示意性地示出了在生产和聚集根据本发明主题的长丝中使用的力纺丝系统的另外的可选的实施方案。

图13示意性地示出了在生产和聚集根据本发明主题的长丝中使用的力纺丝系统的另外的可选的实施方案。

详细说明

在图2-13中示出了根据本发明主题的代表性实施方案，其中相同或大致相似的特征可以共用相同的参考编号。

本文公开的本发明的主题涉及基于超细纤维的非纺织、纤维膜或薄膜的合成组合物，该合成物用于在具有预定程度的防水性、防风性和透气性的物品的构造中使用。本发明主题部分地涉及使用新颖工艺的这样的物品和这样的物品的部件的生产。如本文所使用的，超细纤维指具有在微米级至纳米级之间的平均直径(或在非圆形纤维的情况中的其它主要横截面尺寸)的纤维。如本文所使用的，“微米级”指具有在单位数微米到低至约1000纳米的范围内的平均直径的纤维。在纺织工业中，纳米级纤维具有在约100-1000纳米或更小的范围内的平均直径。在某些实施方案中，超细纤维表现出至少100或更高的高长径比(长度/直径)。超细纤维可以通过本领域那些技术人员已知的任何方法来分析。例如，扫描电子显微镜(SEM)可以用于测量给定的纤维的尺寸。

超细纤维可以形成为二维或三维网，即，垫、膜或薄膜。该纤维可以通过使用选定的初始的形成纤维的流体材料穿过出口端口的加压喷射来生产。该出口端口和相关联的送料通道构造有尺寸和形状以使流体材料的细喷射流产生进而从出口端口在排出时成形。如本文所使用的，出口端口指出口孔口加上任何相关联的通道，或为该出口端口送料且用于界定形成纤维的材料的排出喷射流的性质的通路。由于例如表面张力、流体粘度、溶剂挥发、转速，以及其它的因素，所喷射的材料可以固化成具有显著小于出口端口的内径的直径的超细纤维。这里，作为固化为纤维的喷射流的可流动材料从出口端口的这种排出可以被称为“喷射挤出”。

所排出的材料的喷射流引导至聚集器中，在聚集器中喷射流聚集，以用在终端产品中使用。所聚集的纤维材料形成二维的或三维的缠结纤维的网，该网可以加工成期望的表面面积和厚度，这取决于纤维持续排出到聚集器上的时间的量，以及对该聚集器的表面积的控制(例如，作为聚集器的移动带可以允许无限长度的材料的片材)。例如网密度和孔隙度的其它特性将取决于例如纤维的性质、处理温度、速度以及喷射路径等的因素。将该网加工成所需的厚度、表面积、密度，和/或孔隙度可能还包括后处理步骤，例如压缩所聚集的网，用于致密化或膨胀的热处理(取决于纤维的性质)，化学处理，以及使用电磁辐射(例如，用于诱导交联的UV波长)的处理。

在某些实施方案中，旋转设备将离心力施加至形成纤维的材料上以使喷射挤出以及由此的纤维构造产生。施加在材料源上的力可以来自如同在电纺丝中的不需要外加电场的各种系统和技术。例如，美国专利号4937020、5114631、6824372、7655175、7857608、8231378、8425810，和美国专利号20120135448教导了用于形成纤维的材料的穿过旋转设备上的出口端口的加压喷射的各种设备和工艺。专利文件的上述集合包括用于具有微米级或纳米级平均直径的纤维的生产的系统的公开。上述专利文件据此为了所有的目的以其整体并入。旋转系统的可选择的途径基于穿过出口端口对纤维成形流体进行非旋转压力送料，其产生形成为纤维的流体的喷射流。例如，为了所有目的据此通过引用以其整体并入的美国专利第6824372号公开了一种腔室，其经由由腔室的可移动壁产生的震荡压力变化将喷射力施加在包含在腔室中的形成纤维的流体上。

应注意，上述专利文件中没有一个教导了防水、透气材料的生产以及根据公开的装置或工艺制成的产品。

本发明主题部分地涉及结合有由喷射流挤出所产生的超细纤维的某些物品，该物品包含服装和服饰，例如夹克和裤子；诸如鞋子和袜子的鞋类；诸如软帽和宽边帽或鸭嘴帽，以及面罩的头饰；诸如睡袋和用于睡袋、毛毯、帐篷、防水布以及其它覆盖物的外罩的户外装备；和诸如软边袋、背包、腰包、行李箱、行李袋、自行车信使袋以及用于自行车，公文包等的其它袋的行李和包。

图2示出了用于形成在例如上面提到的那些终端产品中使用的复合结构1的层的可能的组件的示例。该组件包括定位在第二层或中间层3之上的上部第一层2。中间层定位在第三下部层4之上。在这些层中的任何一个中，该层可以是连续的材料层或不连续的层。在不连续的层中，该层可以表征为具有空隙、开口、通道等的相互连接的材料，或该层可以表征为例如点阵列的断开的材料。例如，在图2中的下部层3被视为具有方形空隙的材料的相互连接的网。该层可以表示这样的材料的离散的片材，或通过诸如丝网印刷的沉积技术施加的图案。

在用于称为“3L”构造或复合材料的外衣一些防水透气应用中，第一层2是由硬壳材料组成的外部层。示例材料包括尼龙、聚酯，以及羊毛。层2或其它层可以是纺织织物、非纺织织物，或针织织物。例如，层3是由PTFE或聚氨酯制成的微多孔薄膜。层4是由合成纤维或天然纤维，或共混物形成的纺织品制成的衬垫层。示例材料包括尼龙、聚酯，以及羊毛。层4可以是纺织织物、非纺织织物，或针织织物。在这个示例中，微多孔薄膜是防水的透气薄膜，其允许水蒸气5通过但阻挡液相水6。

如上面指出的，层3可以使用本文中描述的任何力纺丝或其它喷射挤出技术来产生。层3或层4可以是基底，在这样的工艺期间，层3材料被聚集到其上。第三层可以在内联过程中添加。

其中在三层构造中的层3是不连续的层或薄淀积膜层，例如，丝网印刷层，该组件可被称为“2.5L”复合材料。如果该复合材料仅基于中间层3与外部或内部层的层压构造，该构造可以称为“2L”复合材料。应理解，复合构造的前述形式对于外衣是典型的。然而，任何数量的其它层可以包括在复合材料组件中。

复合材料组件中的层可以通过使用各种已知的或待发现的方法中的任何一种结合在一起，包括例如热(熔化)结合、超声焊接、化学结合(材料层至材料层的直接结合，或通过中间粘合剂)，和缝合以及其它形式的机械紧固的已知方法。

在某些实施方案中，微多孔薄膜直接形成在基底上，该基底是终端产品的部件，例如，夹克或手套的材料层。

在某些实施方案中，纤维聚集在其上的基底是容积式模(阳模或阴模)，即，是这样的基底，其赋予用作终端产品或终端产品的部件或在终端产品或终端产品的部件中使用的期望的三维形状。该模可以包括或包含该终端产品的其它部件。纤维可以聚集在与该模相关联的其它部件上。或，纤维可以大体上与其它部件分离。

例如，该膜可以是鞋楦7或鞋子8的其它形式(图4A至图4B)。纤维聚集在其上的模可以是无覆盖的，或该模可以具有代表鞋子的内部衬垫的材料层，该材料层结合到或以其它方式组装至覆盖的纤维网络。该鞋楦可以具有鞋底单元，例如，鞋外底、鞋中底，和/或与该鞋楦的底部表面相关联的鞋垫，该底部表面在托盘或其它支撑件的表面上被定向，使得该鞋底单元通常与纤维分离并且不聚集纤维。然而，在一些应用中，鞋底单元的一部分可以预期用于聚集纤维。例如，外围边缘可以暴露于纤维，从而允许聚集纤维以用于直接结合至暴露的边缘从而与鞋子的鞋面一起形成鞋底单元的整体组件。在聚集期间，该模可以是静止的或旋转的。

在其它的示例中，该模可以构造为服装或服饰的物品，例如，夹克外罩、裤子，或夹克外罩、裤子的一部分，诸如袖子或裤腿；帽子；户外装备的物品。图5示出了用于力纺丝系统中的手套的模或模型。根据前述提及的，可以理解的是，本发明的主题允许由超细纤维组成的薄膜或膜的结构，该薄膜或膜具有三维构造以及遍布模制的构造的无缝性。在一些但没必要是所有的实施方案中，超细纤维，包括处于纳米级的超细纤维，根据外衣工业标准形成为防水、防风，和/或透气的层的3D薄膜或膜。

如上面指出的，利用旋转力从出口端口把可流动的、形成纤维的材料喷射为喷射流或流特别适合于在本发明的主题中使用。这样的技术在下文中可以被称为“力纺丝”。

相比于现有技术，力纺丝使用较少量的电能，且生产更长的纤维(多达1米或更长)。更长的纤维允许更坚固且更耐用的网。力纺丝还允许相同直径的纳米纤维的高度一致且受控的沉积，且力纺丝可以不需要任何水，且可以不涉及有毒的化学蒸汽的产生。力纺丝工艺具有相对很少的废物。力纺丝还适合于与较宽范围的形成纤维的材料一起使用。

网形成/力纺丝工艺综述：

借助于各种已知的教导，例如上面列出的一些专利文件，以及借助于例如供应力纺丝装备的生产线的麦卡伦，得克萨斯州，美国FibeRio科技公司的商业装备(见:http//fiberiotech.com/products/forcespinning-products/)供应商，用于力纺丝的工艺和装备对于本领域的技术人员是已知的。因此，没有必要对力纺丝进行详细的描述，且本文将只提供简要的描述。

力纺丝是使用离心力挤压超细纤维以拉长该纤维的工艺。这产生纤维网络的紧密结合的非纺织垫。纤维的相交产生接触点。这产生纤维间的孔隙，且在相对较长的纤维的情况下，也产生纤维间的孔隙。纤维接触和纤维形态影响细孔的大小。由于该网络结构，这些细孔存在于多个平面中(垂直地、水平地，以及对角地)。

在电纺丝中，电纺薄膜的表面积随着增加的纤维直径而增加。在电纺薄膜中，已经记录有小至500nm的细孔大小。水蒸气分子约为0.4nm，且水分子(液体)约为500,000nm。这允许蒸汽穿过电纺薄膜，但不允许处于液态形式的水穿过电纺薄膜。使用力纺丝技术，相同的纤维直径和孔隙是可实现的。因此，这种相似性纤维形态和纤维直径提供较大的多样性，该多样性可以因电纺丝而改变，但避免了电纺丝技术的缺点。而且，力纺丝被认为能够产生可以是对应的电纺丝纤维的长度的三倍或更多倍的纤维。这个差别允许成品更加耐用。

参考图3至图4，示出了力纺丝系统10，其用于生产超细纤维且将该超细纤维聚集成紧密结合的网，例如膜或垫。该系统包括喷丝头12，喷丝头12可流体地联接至流体源或可形成为纤维的可流动材料(“形成纤维的材料”)。材料源可以是用于连续地为喷丝头供料的储器14。喷丝头自身可以包括和喷丝头一起旋转的材料储器。

可流动材料可以是熔融材料或材料溶液。喷丝头机械地联接至马达(未示出)，马达以圆周运动使该喷丝头旋转。在某些实施方案中，该旋转元件在约500至约100,000RPM的范围内旋转。在某些实施方案中，在其期间材料被喷射的旋转至少为5,000RPM。在其它的实施方案中，旋转至少为10,000RPM。在其它的实施方案中，旋转至少为25,000RPM。在其它的实施方案中，旋转至少为50,000RPM。在旋转期间，选定的材料，例如聚合物熔体或聚合物溶液，作为材料15的喷射流从喷丝头上的一个或多个出口端口16喷射至周围大气中。当聚合物喷射流远离出口端口喷射时，朝外的径向离心力拉伸聚合物喷射流，且由于旋转依赖惯性，该喷射流以弯曲的轨迹行进。所挤出的聚合物喷射流的拉伸被认为在跨越从喷嘴到聚集器的距离减小喷射流的直径是重要的。喷射的材料被期望当其到达聚集器时固化成超细纤维。该系统包括用于以期望的方式聚集纤维的聚集器18。例如，纤维可以从喷丝头喷射至设置在喷丝头下方的表面上或喷射在喷丝头上的从出口端口横跨的壁上。该聚集表面可以是静止的或是可移动的。为了形成纤维材料的片材或垫20，该表面可以是平坦的表面。该平坦的表面可以是静止的或是可移动的。

可移动的平坦表面可以是将纤维材料供给至辊中或供给至其它处理系统中的连续带系统的一部分。另一个处理系统可以是直列式层压系统或材料沉积系统，该直列式层压系统或材料沉积系统用于将其它材料层压到或沉积在使用用于生产超细纤维的片状材料的力纺丝系统或其它系统生产的片状材料上。在其它的实施方案中，该平坦表面可以支撑纤维沉积在其上的另一个材料层。例如，纤维沉积在其上的材料层可以是用于终端产品，例如服饰物品的复合材料组件的内部层或外部层。

在某些实施方案中，聚集表面是3D对象，例如模型或终端产品的3D部件。图4A至图4B示出了用于是鞋子或手套的终端产品的3D对象7、8的示例。如下面更加详细讨论的，图5示出了可以被模拟的羽绒绒毛形式的3D对象。

为了将纤维引导至期望的聚集表面(“聚集器”)，纤维引导系统可以构成力纺丝系统的一部分。例如，该引导系统可以构造成从期望的聚集器上方提供空气和/或从期望的聚集器下方提供真空以将纤维引导至聚集器。(见图3至图7)。

当超细纤维在彼此之上放置时，在交叉点处产生接触点，且该薄膜一致地结合在一起。如果接触点的任何网状结合是期望的，该网状结合经由应用热(热结合)、热和压力，和/或化学结合来完成。该力纺丝系统可以包括加热元件、压力施加器，以及用于实现这样的结合的化学结合单元。

根据本发明主题，力纺丝还可以通过使用喷丝头孔尺寸、孔口的几何形状，以及构型的组合应用至多层纤维的沉积。例如，纤维可以制成圆形，未坍陷的圆形(即，基本上是在中心是中空的圆形纤维，其被压缩成椭圆形)，或平带。

另外，不同的喷丝头可以被包括在力纺丝系统中，从而产生不同的纤维直径或混合物。例如，在纺丝期间，系统中的多个喷丝头可以产生纤维混合物。喷丝头还可以构造有可以产生芯鞘结构的出口端口。可选地，各自联接至不同的可流动的形成纤维的材料的储器的具有多个出口端口的单个喷丝头可以产生混合物。

类似地，纤维特性可以通过在旋转设备上提供各种选定的直径的不同出口端口来控制。本发明主题设想了的从约1微米至约1000微米的出口端口的直径范围。如果需要相对较高的直径的纤维，还可以设想更大的直径。通向出口端口的通道或通路通常将具有笔直的管。这些管可以长达1毫米至3毫米。

在给定的系统中，出口端口的直径和/或形状或尺寸可以是均匀的，或它们可以变化。在一些实施方案中，出口端口形成为预定长度的喷嘴，该喷嘴具有朝向该端口的减小的锥度。出口端口和相关的通路或通道可以使用已知的微碾磨技术，或待被发现的技术来形成。已知的技术包括机械碾磨、化学蚀刻，和激光钻孔和烧蚀。

除了超细纤维，根据本发明主题的力纺丝系统可以用于产生标准织物尺寸的纤维(例如，50-150旦尼尔)。

这些超细纤维或其它纤维可以包括功能性颗粒，例如，但不限于抗微生物剂、金属、阻燃剂，和陶瓷。这些材料可以连同形成纤维的材料引入到喷丝头中。这些材料可以通过例如氢键、离子键或范德华力结合到材料共价键。催化剂可以被包括在材料混合物中以促进任何这样的结合。

在任何情况下，对于上面提到的终端产品，纤维垫(在不同的纤维尺寸、材料，或混合物范围内变化)可以分层堆积在一起以形成整个服装复合材料，或在3D对象的情况下，形成例如鞋子复合材料和手套的整个终端产品。所聚集的纤维可以被梳理以用于纺成纱线。该纱线可以在例如服饰、鞋类，和装备的终端产品中使用，以利用可以通过纳米级纤维展现出来的独特特性的优点。当在力纺丝后被热固化时，形成纤维的材料可以通过熔融温度来选择以在最后的终端产品中提供不同的结构刚性。这对于3D结构，例如，比其它终端产品，例如外衣需要相对更加耐用的手套和鞋面而言特别重要。

本发明主题设想使用力纺丝以产生在2L、2.5L，和3L的防水/透气产品中使用的纳米纤维薄膜。在薄膜被纺织后，薄膜可以，或可以不被涂上保护性膜以使细孔免受污染。根据薄膜的最终用途，纤维可以使用疏油性部件被任选地挤出以使该薄膜免受灰尘和油的污染，或在该薄膜被纺织后，可以施加类似的疏油涂层。涂上疏油涂层将不会覆盖薄膜中的细孔，或对透气性或空气透过性产生不利影响，但仍然将会改变纳米纤维表面使其不吸引灰尘和油，并且因此阻止污染。

该薄膜可以直接纺织到最后的材料的选定面织物上，或该薄膜可以纺织到接触纸张上，并且然后层压在最后的材料的选定面织物上。或者直接沉积在织物或材料上，或者层压在材料上的该薄膜还可以在软壳构造中使用。纳米纤维的直径影响薄膜的细孔尺寸。纤维的横截面形态和纤维厚度影响的纤维的表面积。增加纤维的表面积可以减小细孔的尺寸。减小纤维直径是增加表面积/容积率的方法。因此，纤维直径是控制厚度、耐用性，以及湿气转移的方法。厚度影响薄膜的重量。共同地，这些因素影响纳米纤维薄膜的透气性和耐用性。根据本发明主题的纳米纤维直径可以是纳米级范围中的任何值。用于本文描述的应用的合适的范围被认为是在约100nm至约1000纳米。细孔尺寸影响空气透过性。因此，在大多数应用中，使用前述的尺寸范围中的纳米纤维，可以控制薄膜的空气透过性。用于软壳和防水透气应用的形成纤维的材料包括PFTE分散体、聚氨酯、尼龙、聚酯、例如，诸如纤维素材料、丝蛋白的生物基材料，和包括来源于天然和合成来源的其它聚合物的待发现的其它形成纤维的材料。

在本发明主题的某些实施方案中，可流动的形成纤维的材料可以是两种或多种聚合物和/或两种或多种共聚物的混合物。在其它实施方案中，形成纤维的材料聚合物可以是一种或多种聚合物和/或多种共聚物的混合物。在其它实施方案中，形成纤维的材料可以是一种或多种合成聚合物和一种或多种天然产生的聚合物的混合物。

在根据本发明主题的一些实施方案中，形成纤维的材料作为聚合物溶液，即，聚合物溶解在合适的溶液中，供给到储器中。在该实施方案中，该方法还可以包括在将聚合物供给到储器中之前将聚合物溶解在溶剂中。在其它的实施方案中，聚合物作为聚合物熔体供给到储器中。在这样的实施方案中，储器以合适的温度被加热以用于熔融该聚合物，例如，以约100℃至约300℃的温度加热。

在根据本发明主题的一些实施方案中，多个微米、亚微米和纳米尺寸的聚合物纤维被形成。该多个微米、亚微米和纳米尺寸的聚合物纤维可以具有相同的直径或不同的直径。

在根据本发明主题的一些实施方案中，本发明的方法导致微米、亚微米和纳米尺寸的制造。

例如，制造具有约15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790、800、810、820、830、840、850、860、870、880、890、900、910、920、930、940、950、960、970、980、990、1000纳米，或2、5、10、20、30、40，或约50微米的直径(或对于非圆形形状的类似的横截面尺寸)的聚合物纤维被认为是可能的。所陈述的直径中间的尺寸和范围也是本发明主题的一部分。

使用本发明的方法和设备形成的聚合物纤维可以具有基于长径比为至少100、500、1000、5000或相对于前述纤维直径的更高的长度范围。在一个实施方案中，聚合物纤维的长度至少部分取决于设备旋转或摆动的时间长度和/或供给到该系统中的聚合物的量。例如，普遍认为聚合物纤维可以形成为具有至少0.5微米的长度，包括在约0.5微米至10米，或更大范围中的长度。另外，聚合物纤维可以使用任何合适的仪器切割成期望的长度。所陈述的长度中间的尺寸和范围也是本发明主题的一部分。

如本文所使用的，术语“纤维”和“长丝”可互换使用，其中术语“长丝”通常指具有较高长径比的一类“纤维”，例如，可以围绕期望的对象的相对较长或连续的长度的纤维。而且，合成纤维通常生产为长的、连续的长丝。相反，“短纤维”通常指的是天然纤维，由于它们通常是这样生长的，因而天然纤维往往是相对较短的。长合成纤维长丝可以切成较短的短纤维。总结下，长丝是纤维，但纤维可以具有不同的长度(短的或长的或连续的)。

在一些实施方案中，根据本发明主题的方法形成的聚合物纤维还接触或暴露于试剂以减少或增加聚合物纤维中的每单位面积表面中的细孔的尺寸，或细孔的数量。例如，可以使用各种已知的化学试剂，该化学试剂增加或减少的聚合物中的交联或使非共价键变性是已知的。非化学试剂可以包括加热和电磁辐射。

本发明主题特别适合生产具有防水性和透气性保护，以及防风性保护的终端产品。用于防水和湿气透气的其它的纳米纤维网已经经由电纺丝被生产。通过喷射流挤出产生类似的尺寸被认为是可能的，但与通过电纺丝可能产生的尺寸相比具有更大的纤维长度。这些尺寸为1000nm或更小。该网被期望具有织物重量的范围，且重量在约5g/m²至约25g/m²，具有约10微米至约50微米的厚度(见，例如，韩国专利文献第20090129063A号)。对于用于防水/透气应用的力纺丝微多孔薄膜，PTFE是合适的形成纤维的材料的示例。合适的PTFE纤维直径范围可以从约100nm至约1000nm。网的一系列厚度是可能的。薄膜厚度的合适厚度可以从约7微米至约50微米。网中的一系列细孔尺寸是可能的。用于防水/透气应用的合适的细孔尺寸包括约250nm或更大。

各种材料(合成的、天然的、生物基植物、生物基发酵)和织物/基底类型(针织、织造，和非织造)被设想用于终端产品中。使用如本文讨论的方法和装置可以产生的超细纤维的非限制性示例包括天然聚合物和合成聚合物、聚合混合物，以及其它形成纤维的材料。聚合物和其它形成纤维的材料可以包括生物材料(例如，可生物降解和生物吸收的材料、植物基聚合物、生物基发酵聚合物)、金属、金属合金、陶瓷、复合材料和碳超细纤维。使用如本文讨论的方法和装置制成的超细纤维的非限制性示例包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、尼龙、铋，和β-内酰胺超细纤维。

如上面指出的，超细纤维集合可以包括多种材料的混合。超细纤维还可以包括孔(例如，腔或多腔)或细孔。多腔超细纤维可以例如通过设计具有同心开口的一个或多个出口端口来实现。在某些实施方案中，这样的开口可以包括分离开口(即，拥有一个或多个分隔物使得两个或更多的较小的开口被制成的开口)。这样的特征可以被利用以获得特定的物理特性。例如，该纤维可以被制作用作诸如在下面描述的隔热应用中的绝热，或用作弹性力(复原力)衰减器或非弹性力衰减器。

在某些实施方案中，本公开的纤维网可以包括例如弹性纤维、聚氨酯、以及聚丙烯酸酯类聚合物的弹性纤维，以将伸缩性赋予根据本发明主题制成的非纺织织物。

在一些实施方案中，本发明主题涉及纤维，和根据本文公开的喷射流挤出技术生产的绝热纤维的构造。在一些可能的实施方案中，该构造以类似于是绒毛团的天然羽绒的形式制成。图5是单个羽绒绒毛22的示意图。该绒毛具有中央节点，该中央节点带有从节点朝外辐射的多个臂。这样的结构相对于具有类似于绒毛直径的长度的线性纤维允许较高程度的空气滞留。

根据本发明主题的隔热构造还可以是类似于例如那些在Primaloft、Thermore，或Thermolite的这样的名称下销售的合成毛絮隔热的形式。通常，这样的产品基于聚酯纤维或聚酯纤维和例如美利奴羊毛纤维的其它天然的或合成纤维的混合物。图6是这样的构造20相对于已知的产品21将如何呈现的示意性表示，即，产品21可以以基于线性纤维的缠绕或聚集的垫状的形式来构造。通常，这样的棒通过纤维熔喷来生产。与现有技术相比，根据本文教导的喷射流挤出的超细纤维，基于超细纤维直径和/或纳米管的使用或增加隔热材料的每给定密度单位的滞留空气的量的其它结构，可以用于实现改进的性能。超细纤维可以与为纤维的混合构造提供强度与耐用性的较大直径的纤维混合。

在隔热材料的构造中的纤维可以具有大体上相同的旦尼尔或该纤维可以具有混合的旦尼尔。在任一情况下，用于许多应用的合适的范围为1-5旦尼尔。在服饰的应用中，合适的范围可以是1-3旦尼尔。

例如，可以制作模拟鹅的羽绒绒毛的3D结构的节点状结构。一般而言，具有较高程度的交叉纤维的纤维结构单元在每个交叉点处模拟节点。因此，本发明主题设想形成具有每给定密度单位的较高程度的交叉点的结构，以及可以和羽绒绒毛的松软一起聚集的许多松散且相对较小的网结构。换言之，合成羽绒隔热结构不是延伸的材料片材或材料垫，而是缠绕的或交叉的微尺寸单元网，该网提供与羽绒相当或比羽绒更好的填充和松软。图7示意性示出了产生较高程度的交叉点和许多松散结构的一种可能的方法。在该实施方案中，喷射排放系统是力纺丝系统10。该系统包括与产生涡流或湍流的可变的或多方向的空气流相关联的聚集器118(空气流由穿过图7中的聚集器表面的向上/向下的箭头标示)。涡流或湍流导致纤维或纤维节段从喷丝头掉落以在相对有限的空间中在随机的交叉路径或其它的交叉路径中彼此相遇。这导致较高程度的纤维交叉以及网的短的部分。喷丝头可以从相关联的出口端口以脉冲的形式发出喷射流以促进形成缠结的纤维的离散的球体。导致这样的效果的其它方法可以包括控制喷射纤维上的拉伸力，或选择期望拉伸强度的纤维材料使得纤维网在变得不期望的较大之前断开，从而产生许多小的、松散的包。在其它的实施方案中，隔热材料的垫和片材可以使用例如机械、化学或电磁切割机构的已知技术切割成小的部分。

图8示出了用于产生模拟羽绒的隔热构造的可选的系统。在该系统中，聚集器具有旋转容器218的性质。所喷射纤维摩擦地与旋转容器相互作用，从而导致纤维减速且彼此缠结。力使得大的连续材料垫不形成，只形成松散的微小材料网。如上面描述的，容器还可以与类似于使纤维交叉产生的可变气流机构联接。

使用根据本发明主题的超细纤维和技术，可以预计的是，可以实现隔热材料的构造，该构造将具有相当于至少约450至约1000的蓬松度。还可以预期，一些隔热构造可以具有相当于超过450，或超过550，或超过650，或超过750，或超过850，或至少1000的蓬松度。所陈述的蓬松等同物的中间的尺寸和范围也是本发明主题的一部分。

另外地，使用纳米纤维制成的隔热构造可以产生相对于现有技术隔热材料的另外的空气空间。例如，该另外的空气空间产生更好的隔热特性，以及由此的感觉更温暖的服装。例如，具有增加的表面积的纳米管和其它纤维几何结构相对于同等重量与长度的实芯的圆形纤维，将允许更大的空气滞留和更高的隔热值。

制作长的或连续的段的形式的长丝和纱线：

在纤维产生之后，纤维被制成纱线。对于合成纤维，存在两种类型的纱线：长丝纱线和纺成纱线。长丝纱线由聚集在一起的且通常使用纵向轴彼此平行定向的许多长纤维组成。长丝是已经被挤出的单个的连续纤维。长丝可以与单独的纤维一起以大致平行的方向聚合或聚集。聚合的纤维束然后被扭曲以产生更厚且更坚固的纱线。织物使用复丝纱线和单个单丝两者。

合成纺成纱线使用短纤维来生产。短纤维是约0.75至18英寸长的较短纤维。除了丝绸，天然纤维是短纤维。为了产生合成短纤维，纤维被挤出、抽出和张紧或卷曲，且然后切成短纤维长度。这些短纤维然后被取出以用于在下游加工成纺织物、编织物，或非纺织织物。短纤维然后结合在一起且被纺织以产生构成数千较短的长丝的纱线。这些纺成纱线以与棉纱线或羊毛纱线的生产大致相同的方式来生产。

梳理是机械过程，该过程将纤维解开、清理，并且定向成用于纺织纱线的连续的网。该过程使散乱的纤维团散开，且对齐类似长度的纤维。例如羊毛和棉花的天然纤维通常处于不同纤维长度的缠结的纤维团。这些团被梳理且被梳成平行的、对齐的类似长度的短纤维。这些短纤维然后被纺织成在纺织织物和针织织物中使用的纱线。

在棉花束的情况下，基本的梳理过程包括：将簇打开成单独的纤维，移除杂质，基于长度选择纤维(移除最短的纤维)，移除绒毛，以平行的方式对纤维进行定向并且拉伸纤维，将圈转化成纱条，从而形成非扭曲纤维的规则的块体。纱条是所产生的用于纺织纱线的纤维的长束。

力纺丝短纤维：

如上面讨论的，力纺丝可以产生长纳米纤维。这些长纤维可以被切断且梳理成短纤维。改变喷丝头的尺寸，从而增加或减小孔的直径以抽出长的更大直径尺寸的纤维是可能的。例如，范围从1至300或在该附近值的旦尼尔根据力纺丝方法被考虑。给定的喷丝头可以具有是都相同的尺寸的一个或多个孔。或，给定的喷丝头可以具有不同直径或构型的多个孔，该多个孔用于多个纤维旦尼尔或构型。

由1D-300D范围中的纤维组成的纤维垫可以类似地充当如棉花和羊毛的天然纤维束的垫。普遍认为通过使用本文公开和考虑的新颖的系统，长的、连续的力纺丝纤维的松散包装的垫或毛絮通过使用与天然纤维所使用的相同的工艺可以被加工成短纤维。羊毛、棉花、黄麻，等，可以使用不同的机构以用于梳理和梳加工。因此，存在许多可利用的选项将力纺丝垫分离成期望长度的短纤维。

通过力纺丝产生短纤维有利地使用较少的能量。长的连续长丝以大致平行的方向聚集，且该长丝可以容易地被切断和梳理以产生均匀的短纤维。常规的工艺受纤维尺寸限制。另外，如本文所公开的，力纺丝提供从各种原材料产生纤维的能力。相反，常规工艺具有有限的能力以高效地生产各种天然的、合成的和生物基纤维。例如，聚酯可以以长的连续长丝的形式被挤出(例如渔线)。这些长丝可以用作短纤维，或切成短纤维。相比于电纺丝，对于力纺丝而言，这些纤维是相对较长的，且垫子然后如短纤维一样可以被切断和梳理。纤维垫代表未定向的短纤维棉花束。然而，可以设想的是，当喷丝头上的孔的尺寸增加至50旦尼尔以及以上，纤维的强度增加。因此，挤出的纤维的长度可以增加。可以设想的是，例如旋转速度、孔尺寸，以及溶液熔体的参数可以针对期望的结果来改变，而无需过度的实验。在任何情况下，即，使纳米纤维力纺丝成较大的旦尼尔纤维，梳理并切成短纤维将遵循类似的途径。

力纺丝连续长丝纤维：

从纳米级到较大直径，本发明主题涉及来自力纺丝纤维的长的更连续长丝的生产。本文公开了1旦尼尔至300旦尼尔或附近值的相对较大纤维直径，以及其它旦尼尔的直径。当纤维直径增加时，长丝拉伸强度增加。优于传统的挤出过程，本文讨论的方式由于力纺丝自然地定向纤维，有利地减少了加热辊筒以及抽出和定向纤维所需要的拉伸设备的数量。传统的纤维的抽出和定向，以及挤出可能需要多达3层高度的空间。力纺丝是小尺寸、安静的单个装置，且需要较少的能量。在一些纤维的情况下，必要的条件可能包括加热器和拉伸设备。这也是被预想的，并且可以包括在聚集器和喷丝头之间的位置处或在后处理中。然而，后处理被预想成比目前的生产要求的规模小。类似于纳米纤维垫，更大的力纺丝垫可以从该垫直接扭曲成纱线。类似于纱线从短纤维的缠结，这种扭曲导致缠结。如果需要较高程度的纤维定向，该垫可以如前面描述地被梳理。

由于更大直径的力纺丝纤维的强度，其它的聚集方法也是可预见的。

图9至图12示出了力纺丝或其它喷射流挤出系统的可选的实施方案，该系统具有纤维聚集系统，聚集系统聚集长丝或纤维，且将其卷起为连续的长丝或纤维。(系统元件并不意味着概念上的说明，且也不意味着按比例绘制。)当形成纤维的材料15的喷射流离开喷丝头的孔口时，离心力抽出长丝或纤维，且离心力将纤维对齐，且通过在纤维内定向聚合物链提供强度。这类似于本文公开的其它喷射流挤出工艺。例如，喷射流可以包括选自聚酯、尼龙、天然纤维(例如，纤维素)、基于生物的(天然衍生的，合成的)、双组分纤维与独特的横截面纤维(芯鞘)的混合物，以及本文公开的或设想的任何其它材料的组的材料。例如，形成纤维的材料可以包括散开的颗粒以增加纤维性能或电导率。形成纤维的材料中的任何一种可以使用多种聚集方法聚集为连续的长丝。一些代表性的方法概述如下。然而，这些示例并不意味着是详尽的列举。那些本领域的技术人员根据本文的教导将认识到许多技术和装置可以用于聚集纤维。

在离心力作用下喷射材料的喷射流或流的喷丝头的力纺丝的使用提供了与棉花糖的生产相似性。如本文所使用的“流”或“喷射流”指处于例如，液态、软化状态，或固态的任何状态中的材料的纤维状或丝状流。材料的固态流的示例可以是被拉动的或来自线轴的移动纱线。如本文使用的，在纤维的上下文中的“结构”或“股”指固相纤维状或丝状材料。在本文所设想的处理步骤中，结构或股可以存在于动态状态中，例如在流动态中，或结构或股可以存在于静止状态中。

在棉花糖机中，棉花糖纤维的股通过对从居中的处在聚集器中的喷丝头离开的液体进行纺丝形成。喷丝头居中地处在其中的聚集器基本上是圆形碗。股聚集在聚集器周围的竖直壁上。线轴，其是长形的物体，例如，纸圆锥体，然后沿聚集器的壁以圆形路径移动，其中线轴的纵向轴线平行于聚集器的壁。当该线轴环绕壁移动时，线轴扯下沉积在壁上的纤维股。当该线轴沿壁环行时，该线轴还围绕其纵向轴线旋转。该另外的旋转使纤维围绕线轴缠绕，以围绕该线轴产生均匀的纤维股沉积。在棉花糖的情况下，该纤维是脆弱的，短的，粘的，且无张力地进行卷绕。因此，该工艺并不旨在用在需要紧密缠绕纤维的地方，或用在纤维不粘且容易从纤维沉积在其上的壁被吸引至线轴的地方。而且，棉花糖机生产方法没有提供这一问题的解决方案，即如何将聚集的纤维垫缠绕成是优选地但不是必需地连续的长丝状形式，以在一定张力下能够紧密缠绕和绕线。

在呈现在下面的示例中的新颖的方式中，公开了聚集和绕线方法，该方法用于与旨在在纺织物应用中使用的连续纤维的力纺丝一起使用。本发明主题克服了简单棉花糖机生产方式的缺陷，该棉花糖机生产方式不涉及将棉花糖垫减小至可能处于一定张力之下的较长的长丝状的形式。

图9A至图13示出了聚集系统的示例，该系统包括聚集器，聚集器具有用于接收来自喷丝头的材料流的表面。根据本发明主题，聚集器318可以与喷丝头的纺丝孔口相关联，且与喷丝头的纺丝孔口共同旋转。可选地，静止的、非轨道型聚集器可以是静止的，且位于用于力纺丝系统的喷丝头12的几何中心下方。聚集器与喷丝头的相对旋转速度被协调使得长丝状纤维在张力的范围内卷绕至聚集器上，这(1)实现了期望的紧密度状态，而没有把纤维拉紧至破坏或形变状态；和(2)当已形成的或正在形成的长丝被卷绕时，避免了该已形成的或正在形成的长丝流中的松弛，以便不使已形成的或正在形成的长丝被搅打和破坏或形变。除了聚集器，该聚集系统可以包括其它部件，例如加热器和辊，该辊在喷丝头与聚集器之间，或随后处在纤维的后处理过程中，以帮助管理张力和流动或长丝定向。

该聚集系统将自然地包括其它部件(未示出)，例如用于驱动聚集器或其它部件的电动马达，用于确定纺丝部件的旋转速度，或来自喷射流出口端口的流动速度，或用于测量材料或部件的应力或载荷的传感器或寄存器。该系统还包括手动和/或计算机控制件，例如，微处理器和具有储存程序的存储器，用于管理相对的旋转速度的速度与已形成的或正在形成的长丝上的应力或载荷。

图9A至图9B是用于从喷丝头挤出的纤维材料的流的一个可能的聚集系统的侧视示意图和俯视示意图。在这种情况下，例如滚筒或圆筒的聚集器318在向外地距喷丝头的出口端口或端口的一定距离处围绕该喷丝头轨道地旋转，出口端口或端口可以布置在喷丝头的圆周上或沿喷丝头的圆周布置。聚集器从喷丝头被充分间隔开，以允许经由旋转离心力将长丝或纤维适当地挤出和抽出。聚集器距出口端口的径向和直线距离两者由出口端口的尺寸和所产生的纤维的直径确定。这是由于形成纤维的材料15的喷射流需要一定的惯性抽出距离以在形成的纤维内适当地定向聚合物链。需要考虑的其它参数是被挤出材料的特性。例如，溶液的粘度和纤维内的聚合物链的对齐是影响使用惯性力的纤维的可伸展距离的因素。减少纤维的搅打影响，以及由旋转聚集器导致的涡流，也是需要考虑的因素。本领域技术人员可以考虑并且经验地处理任何上述因素，而无需过多试验。因此，如下面讨论的，可以根据经验或以其它方式确定聚集器距喷丝头的适当间距，以及聚集器与喷丝头的相对旋转速度。

参考图9A至图9B的系统，聚集器318与喷丝头12的外部圆周间隔开且围绕喷丝头运动。当聚集器围绕喷丝头运动时，聚集器同步地围绕其自身纵向轴线旋转。聚集器的旋转轴线平行于喷丝头的旋转轴线。聚集器的轴向旋转导致纤维紧密地卷绕至聚集器且围绕聚集器聚集，其中长丝或纤维通常平行于彼此被定向。在该示例中，旋转的喷丝头与聚集器可以在同一个平面或平行于喷丝头的平面中相对于彼此移动。在该示例中，聚集器围绕静止的喷丝头运动(除了轴向旋转外)。可选地，喷丝头可以围绕可以是静止的聚集器运动。任一轨道布置允许穿过的轨道的均匀的纤维拉紧距离(take-updistance)。

聚集器旋转的速度(转速)可以根据具体的长丝或纤维材料以及直径来计算或确定。聚集器围绕其自身的轴线的旋转在纤维材料的卷绕中产生张力。纤维强度将确定卷绕时所需的张力的量以围绕聚集器适当地卷绕长丝或纤维。如果聚集器的转速过快，超出纤维或长丝的拉伸强度，可能发生纤维的破坏。如果转速过慢，长丝或纤维可能搅打。这可能导致长丝或纤维中的薄弱点，或这可能导致长丝或纤维断裂。如上面提到的，聚集条件可以因材料不同而变化，但可以根据经验建立。那些本领域中的技术人员将理解的是，需要将纤维引导至卷绕聚集器的机构是很多的，且设想了所有这样的机构，即使本文没有明确公开。

这样的旋转聚集器，即，具有使用长丝或纤维拉紧速度校正的转速，该转速适合从喷丝头的出口端口的惯性延伸中的松弛，可以通过其它系统实现，而不是仅仅通过图9A至图9B的系统实现。

根据本发明的主题，图10A至图10C是其它可能的系统的示意图，其中聚集器418、518或618布置在喷丝头下方，与图9A至图9B的力纺丝和聚集器系统形成对照，在该系统中聚集器向外地与喷丝头的圆周间隔开。在图10A至图10C的系统中，聚集器布置在喷丝头下方且相对于喷丝头可以是静止的(除了聚集器的轴向旋转外)。在静止的聚集器的情况下，合适的位置可以恰好在喷丝头的几何中心，即，喷丝头的旋转轴下方。图10A至图10C示出了布置在喷丝头12的中心下方的不同的静止旋转聚集器418、518或618。在图9A至图9B的实施方案中，聚集器围绕其自身的纵向轴线旋转，但不围绕喷丝头运动。纵向轴线平行于喷丝头在其中旋转的平面。该轴线垂直于喷丝头围绕其旋转的轴线。

图10A的聚集器定位在支撑物或导引件24之上，支撑物或导引件24可以用于将长丝或纤维偏转或供给至与支撑物或导引件对齐，且在支撑物或导引件之上轴向地旋转的水平的聚集器。因此，纤维聚集在相对于喷丝头水平地堆叠的平面中。图10B示出了布置在喷丝头的中心下方的聚集器，该聚集器围绕其自身的轴线旋转，但不围绕喷丝头运动。长丝或纤维在与喷丝头在其中旋转的平面的平行的堆叠的平面中卷绕。应注意，在图10A至图10C的变型中，聚集器将聚集长丝或纤维，有时具有横跨长度(水平对齐)或高度(垂直对齐)的不均匀分布。在这样的情况下，聚集器系统可以包括移动的或静止的导引件和装置以沿旋转的聚集器移动长丝或纤维以用于均匀缠绕。静止类型或在平面内移动或围绕喷丝头旋转的聚集器可以包含任何几何形状：圆柱形、圆锥形，或如由图10C的锥形或三角形或锥体聚集器示意图所表示的，要不然像图10B的聚集器的其它不排他的形状。

在任何聚集和卷绕工艺的情况下，初始卷绕可能需要提高的过程。为了达到该目的，喷丝头可以缓慢旋转以允许长丝或纤维在聚集器上开始卷绕。

在充分的卷绕之后，喷丝头、旋转聚集器(如果非静止)，以及聚集器的旋转被提高至用于期望的纤维特征的必要的转速。在适当的条件建立之后，该系统可以提供协调和卷绕的不需要预卷绕步骤的协同。

在可能需要预卷绕步骤的方法的情况下，图11、12，和13提供一系列独特的和独立的技术。图11A-11C设想了在喷丝头下方的切口(未示出)，长丝或纤维自身可以穿过该切口被抽出。然而，可以设想的是，切口可能不是必要的，且恰当的张力的量可以在喷丝头的中心下方直接产生。在该实施方案中，长丝或纤维以较低的转速从旋转喷丝头12被挤出，允许长丝或纤维围绕在本文中称为“驱动器”26的旋转滚筒、圆柱体或轮，或盘被供给。该驱动器可以刚好位于旋转喷丝头的几何中心下方。长丝或纤维15从喷丝头围绕该驱动器被供给，且然后抽出到位于距离该驱动器一定的距离的聚集器18上。一旦固定至聚集器，喷丝头的转速增加，如同聚集器上的拉紧转速。在长丝或纤维挤出处于预定的喷丝头转速时(例如，针对纤维溶液、孔直径，和/或纤维所需的惯性拉伸)，聚集器拉紧转速提高至必要的计算转速以在纤维中具有或不具有张力的情况下允许长丝或纤维卷绕。该工艺允许来自喷丝头16的出口端口的长丝或纤维的伸展中的必要的长丝或纤维的松弛，以便不影响长丝或纤维的质量。由于喷丝头独特的旋转，可以设想中间驱动器在相对于喷丝头的旋转轴水平地(垂直地)竖直平面中可以180°枢转且360°旋转。这允许从任何从喷丝头的旋转轴的中心朝外延伸的径向位置抽出的长丝或纤维的相等的拉伸。该驱动器可以被认为是无摩擦的，或基本上是无摩擦的，以允许聚集或张力只来源于聚集器。

如在图12中所看到的，另一个可能的实施方案使用定位在喷丝头下方的锥形导引件124。使用该方案，长丝或纤维穿过锥形导引件引导到辊上。长丝或纤维从锥形导引件下方的辊供给到旋转聚集器。锥形导引件通过降纤维流体地引导到刚好在该导引件下方的辊减小了长丝或纤维上的应力。长丝或纤维可以穿过该锥形导引件的中间或围绕该锥形导引件的外部被引导然后被集中在驱动器上。

如在图13中所看到的，在另一个可能的实施方案中，使用变化的几何结构的旋转臂以将长丝或纤维引导至驱动器26。在该示意图中，旋转臂的几何结构，以及距喷丝头的距离，使用如图9中描述的相同的参数考虑。

尽管喷丝头可以在相同的方向上使纤维定向，但方向性的空气或其它气体流可以用于引导从喷丝头或甚至静止的挤出设备挤出的材料流。用于引导气流的机构包括例如，风扇、真空，和加压气体源的正的和负的压力系统。气流可以逆着材料流以任何期望的角度被引导，以便将该材料流重定向成期望的路径或方向。例如，材料流可以被引导至连续的带上。在该实施方案和任何其它的实施方案中，可移动的平坦表面可以是将纤维材料供给至辊或卷轴或供给至其它的处理系统中的连续的带系统的一部分。

上述实施方案并不意味着是用于从力纺丝装置产生和捕获连续的纤维的方法的详尽的列举。根据本文的教导，本领域的技术人员可以使用力纺丝以生产和聚集用于纺织或针织物品中的任何应用的或使用连续的纤维的任何其它的应用的连续的纤维。

定义(如通常在用于户外和纺织行业的文献中所描述的)：

防水/透气(复合材料织物)：纺织物(针织或编织)复合材料，其阻挡由不同的标准界定的一定压力的水透过，但该材料还是透气的，如由不同的标准测定的，以允许湿气穿过该复合材料。该复合材料可以包含1纺织物层和防水透气薄膜(界定为2防水透气复合材料层)，或该防水透气薄膜可以夹在2纺织物层之间(界定为3防水透气复合材料层)。在2.5层防水透气复合材料的情况下，该薄膜通常具有应用在与外部纺织物侧面相对的薄膜表面上的印刷物。该印刷物可以是颜色、花纹，和/或包括任何图案的功能性颗粒。纺织物层可以是任何纤维类型(天然的、合成的、生物基的、可生物降解的)或任何纤维类型的混合物的纺织或针织结构。所有的接缝使用接缝胶带密封以保证防水性。

防水/透气薄膜：根据选定的标准，纺织物材料是(1)防水的，且(2)对湿气是透气的。薄膜可以是亲水的、疏水的、单片的，或微多孔的。双部件薄膜结合例如GORE-TEXePTFE薄膜和另一个材料层的两个层。

空气透过性：织物、薄膜，或复合材料允许空气穿过材料的能力；在CFM中测量，立方英尺每分钟。

水蒸气透气性/蒸汽透过性：参考织物、防水/透气薄膜，或复合材料允许湿气(液体或水蒸气)穿过该材料的能力。

硬壳(2L、2.5L、3L)：防水透气复合材料由实现较高程度的防水性的多层2L、2.5L，或3L组成。外层通常是例如尼龙织物的更多材料。通常的织物构造是抗撕裂织品。

软壳：然而，具有较高防水性的纺织物复合材料集中于阻挡风。阻挡风可以使用防水透气薄膜(夹在两个纺织物层之间)或使用粘合剂或胶以将2纺织物或基底固定在一起来实现。该胶是空气不可透过的，且因此计量复合材料中的透气性。纺织物织物通常是更软的纺织织物和针织织物，因此称为软壳。通过操纵每个纺织物复合材料的设计特征，透气性可以从0至100％之间的风力封挡变化。

纳米纤维：界定为具有在100至1000纳米之间的直径的纤维。纳米纤维提供较高的表面积和处于纳米水平的独特特性。

非纺织织品：由结合在一起的纤维通过除纺织工艺外的例如化学、加热、机械，或溶剂工艺的一些工艺制成的织物类材料。纤维被缠结，从而产生网结构。该缠结在纤维之间产生细孔，从而提供一定程度的空气透过性。

本领域的技术人员应认识到，在为了解释本发明主题的性质而描述和说明的细节、材料以及零件的布置和操作上的许多修改和变化是可能的，并且这样的修改和变化没有脱离教导和包含在其中的和权利要求的精神和范围。

本文引用的所有专利和非专利文献为了所有目的据此通过引用以其整体并入。

Claims (47)

1.一种生产防水/透气薄膜的方法，包括：

促使流体的、形成纤维的材料穿过布置在构造成排出所述材料的喷射流的装置中的至少一个出口端口，所述装置构造成提供喷射流，所述喷射流是细的足以在聚集器上固化成超细纤维，所述喷射流主要的排出力不同于所施加的电场；和

排出所述材料直到超细纤维的网在所述聚集器上形成，

将所述网加工成足以提供达到选定标准的防水性和透气性的密度和孔隙度。

2.根据权利要求2所述的方法，其中，所述网包括纳米级纤维，所述纳米级纤维加工成约至少7微米的厚度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述网具有至少250nm的平均细孔尺寸。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述网的厚度在约7微米至约50微米之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述平均细孔尺寸在约250nm至约1500nm之间。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述平均细孔尺寸在约250nm至约1500nm之间，并且所述网的厚度在约7微米至约50微米之间。

7.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述平均纤维直径小于1000nm。

8.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述平均纤维直径小于1000nm。

9.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述平均纤维直径小于500nm。

10.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述平均纤维直径小于100nm。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述平均纤维直径小于50nm。

12.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述平均纤维具有至少100的长径比。

13.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述形成纤维的材料包括PTFE或聚氨酯基材料。

14.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述装置包括力纺丝装置，并且离心力是将所述形成纤维的材料从所述一个或多个出口端口排出的主要力。

15.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述纤维的所述聚集器包括终端产品的部件或3D模型或用于终端产品的其它结构。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述终端产品或所述终端产品的部件是诸如夹克或裤子的服装或服饰物品；诸如鞋子或袜子的鞋类物品；诸如软帽、宽边帽或鸭嘴帽或面罩的头饰；诸如睡袋和用于睡袋、毛毯、帐篷、防水布以及其它覆盖物的外罩的户外装备；和诸如软边袋、背包、腰包、行李箱、行李袋、自行车信使袋以及其它袋或公文包的行李或包类物品。

17.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述纤维聚集在材料的片材上以形成双层材料。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料的片材包括例如尼龙、聚酯，或聚乙烯基材料的合成聚合物材料，或例如羊毛或皮革、基于植物的生物材料的天然材料，或前述材料的混合物。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述聚集器包括支撑所述终端产品的部件的模型，并且所述纤维沉积在所述模型和/或所述部件上。

20.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述聚集器包括用于鞋子的鞋楦或用于手套的模型。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述鞋楦支撑用于鞋子的另一个部件，例如鞋外底的部件。

22.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述纤维被沉积以便与所述部件形成整体单元。

23.根据权利要求15所述的方法，其中，所述纤维聚集在3D模型或结构上，所述3D模型或结构代表服饰物品或所述服饰物品的一部分，例如衣袖或裤腿，所聚集的纤维为预期的使用者的身体的区域提供无缝外罩。

24.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述聚集器布置在连续的带或其它运输件上，所述连续的带或其它运输件能够跨过所述装置的出口端口区域选择性地移动。

25.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述装置包括用于将喷射流或纤维引导在所述聚集器上的相关联的纤维引导系统。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述纤维引导系统构造成为所述聚集器提供引导气流(例如，风扇或真空)。

27.根据权利要求中任一项所述的方法，包括将所述网装配至终端产品的其它部件，或将在所述终端产品中，例如在权利要求16中的那些终端产品中使用的其它材料沉积在所述网上的另外的步骤。

28.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，所述装配与所述网形成一致地完成。

29.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，多个不同的纤维类型从所述装置的所述出口端口排出，以形成异种的纤维的网，所述纤维在材料组分和/或结构特性上不同。

30.一种根据权利要求2至13中的任一个所述的纤维或网参数或其任何组合的超细纤维网。

31.根据权利要求1至3中任一项所述的纤维材料混合物与纤维直径/几何形状的任何组合，其中，所述纤维混合物通过经由多个喷丝头的喷射流挤出来生产，所述喷丝头提供多个出口端口，每个出口端口预期用于预定的纤维类型，所述混合物在另一层织物或复合织物层上聚集为网，所述织物层可以或可以不包含不同纤维材料混合物的组合。

32.相关的装置和加工成终端产品的后网结构。

33.一种大体上模仿羽绒绒毛或合成隔热毛絮纤维的构造。

34.根据权利要求33所述的构造，其中，所述构造具有等同于450至1000的蓬松度。

35.根据权利要求34所述的构造，其中，所述蓬松度等同于至少650。

36.一种生产长丝的方法，所述长丝包括在相同的方向上跨过预定的长度定向的纤维团，所述方法步骤包括：

促使流体的、形成纤维的材料穿过布置在构造成排出所述材料的喷射流的装置中的至少一个出口端口，所述装置构造成提供喷射流，所述喷射流是细的足以在聚集器上固化为超细纤维，主要的排出力不同于所施加的电场；

排出所述材料直到超细纤维网在所述聚集器上形成；和

将所述网加工成足以提供达到选定标准的防水性和透气性的密度和孔隙度。

37.一种力纺丝系统，包括：

喷丝头，其具有相关联的旋转轴，纤维聚集器，其从所述喷丝头间隔开，所述聚集器具有用于接收纤维的可旋转表面，所述表面具有相关联的轴，且所述聚集器围绕所述轴是可旋转的，所述聚集器以其轴大致上平行于或垂直于所述喷丝头的所述旋转轴被定向并且相对于所述喷丝头定位，使得从所述喷丝头的喷射的纤维材料流被接纳在所述聚集器上，且能够在纤维大致上平行定向的情况下卷绕至所述聚集器。

38.根据权利要求37所述的系统，其中，所述聚集器以其轴大致上平行于所述喷丝头的轴布置，并且其中，所述系统构造成使得所述聚集器围绕所述喷丝头轨道式运行，或，可选地，所述喷丝头围绕所述聚集器轨道式运行，在这种情况下，所述聚集器可以不围绕其自身的轴旋转。

39.根据权利要求37所述的系统，其中，所述聚集器布置在所述喷丝头下方并且大致居中地在所述喷丝头的所述旋转轴下方。

40.一种力纺丝方法，包括：操作具有相关联的旋转轴的喷丝头，从所述喷丝头喷射形成纤维的材料流，和在聚集器上聚集所述材料流使得所述纤维大致平行地被定向。

41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述聚集器具有围绕所述喷丝头的相对轨道式旋转运动，和/或围绕所述聚集器自身的轴的相对轨道式旋转运动，以便在大致平行的方向上聚集所述纤维。

42.根据权利要求36所述的系统或方法，其中，所述系统构造成生产范围在1至300旦尼尔的长丝。

43.根据任何权利要求所述的系统或方法，其中，所述系统构造成生产具有相对于任何权利要求所述的纤维的直径的至少100、500、1000、5000或更高的长径比的纤维，并且其中，所聚集的纤维具有至少1米、10米，或更大的长度。

44.根据任何权利要求所述的系统或方法，其中，所述系统或方法构造成或被执行以生产纤维或长丝，所述纤维或长丝适合于在纺织物的纺织或针织中使用，特别是在适合于用在生产服装或服饰的纺织物中使用。

45.一种由纱线或其它长丝制成的纺织物，包括来自系统或方法的前述权利要求中任一项的聚集的纤维。

46.一种服装或服饰物品，其由根据权利要求45所述的纺织物制成。

47.一种聚集的纤维，其根据权利要求36至45中任一项所述的任何方法或使用权利要求36至45中任一项所述的任何系统制成。