JPH05261790A - メルトブロウンダイヘッド - Google Patents
メルトブロウンダイヘッドInfo
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Abstract
を用いて、高温溶融材料をダイ先端56のアリフイス7
0を通して押し出す間において、高温溶融材料の温度を
維持するようなダイヘッドを提供する。 【構成】メルトブロウンダイヘッドは本ダイヘッドの長
さ方向に延びる加熱ガスリザーバ26を有する。メルト
ブロウン法において用いられる加熱ガスは、ガスリザー
バに導入され、ポリマーの温度を維持し、かつ、メルト
ブロウン法実施中におけるダイ組立体54の温度を均一
に維持するための熱源として用いられる。
Description
メルトブロウンダイヘッド繊維を生成し、さらに、その
メルトブロウン繊維から不織ウェブを生成するためのダ
イヘッドに関し、より詳細には、ダイヘッドが、ダイヘ
ッドの長さ及び幅方向に延び、かつ、加熱ガス(この加
熱ガスはメルトブロウン法に用いられ、熱可塑性ポリマ
ーの温度を維持するために用いられ、さらに、ダイヘッ
ドの長さ方向に沿って一定の温度を維持するために用い
られる)を包含するガスリザーバを含むようなメルトブ
ロウンダイヘッドに関する。
の不織ウェブを形成することは良く知られた技術であ
り、多くの文献に記載されている。例えば、海軍調査研
究所報告(Naval Research Labor
atory Report)第4364号の「極細有機
繊維の製造」(V.A.Wendt,E.L.Boo
n,C.D.Fluharty)、同第5265号の
「極細熱可塑性繊維の製造装置の改良」(K.D.La
wrence,R.T.Lukas,J.A.Youn
g)、Buntin他の米国特許第3,849,241
号、Prenticeの米国特許第3,676,242
号及びPageの米国特許第3,981,650号など
である。
を用いて、高温溶融状態の熱可塑性材料を、ダイヘッド
のダイ先端にある小オリフィスの列に通し、これらの押
し出しオリフィスに近接して高速で流れている加熱ガス
(通常は空気)に送り出す。これまでのダイヘッドとし
てはHarding他の米国特許第3,825,380
号に記載されたものがある。
を出ると、高速で流れている加熱ガスと遭遇し、熱可塑
性材料の流れは加熱ガスによって細められ、ついには、
個々の繊維に分解する。分解した繊維は可動集積表面
(通常は多孔性ベルト)上に堆積され、熱可塑性材料の
ウェブがつくられる。
ダイ先端に隣接してヒーターが設けられており、このヒ
ーターによって、ポリマーが給送チャネルを介してダイ
先端のオリフィスに送り込まれるときのポリマーの温度
を維持していた。例えば、McAmish他の米国特許
第4,622,259号が開示するダイヘッドにおいて
は、高温溶融状態の材料が、押し出し機から、ダイ先端
を形成しているダイプレートの間に位置するヒーター室
の中に送り込まれる。高温溶融状態の材料はダイ先端そ
れ自体の中に埋め込まれている補助加熱源によってダイ
先端内部において加熱される。このような加熱方法で
は、ダイヘッドの全長に沿って加熱源を必要とするとと
もに、ダイヘッドの一端から他端までの間においてポリ
マーの温度を一定に保つための精巧なセンサを必要とす
る。さらに、補助加熱源を用いる場合には、ダイヘッド
の全長に沿って均一な温度分布と温度維持を可能にする
ため、ダイ組立体は大きな熱容量を有していなければな
らない。ダイヘッドの長さ方向において温度分布が変わ
るようなことがあれば、ダイヘッドの一地点において生
成されたメルトブロウン繊維はダイヘッドの他の地点に
おいて生成されたメルトブロウン繊維とは異なった特性
を有するようになり、その結果、できた不織メルトブロ
ウンウェブはその幅方向において一端から他端にかけて
組成が均一でなくなることが起こり得る。ダイヘッドの
長さ方向の加熱源のいずれかが故障すると、その加熱源
に隣接して不良繊維が生成され、時間がかかる加熱源の
交換を行わなければならなくなる。
号に記載されているダイヘッドでは、ダイ先端に高温溶
融材料を供給するチャネルは、ダイ先端の噛み合い部の
半分を機械加工して、コート用ハンガー形状をしたポリ
マー給送チャネルとなっている。このようなコート用ハ
ンガー型給送チャネルに高温溶融材料を均一に分布させ
るため、該給送チャネルに隣接させてダイ先端に電気ヒ
ーターが設けられており、該給送チャネルの長さ方向に
沿って温度が一定になるようにしている。詳細に言う
と、ヒーターとダイ先端の外側壁との間に絶縁層が設け
られている。ダイ先端の外側壁はメルトブロウン空気が
供給される小さなプレナムチェンバーに隣接している。
このような絶縁を行うのは、空気温度の変化がダイ先端
の温度に影響を与え、ひいては、コート用ハンガー型給
送チャネル内部の高温溶融材料に影響を与えることを防
止するためである。
3,825,379号は、ダイオリフィスを通して押し
出す前における高温溶融状態の材料の温度を維持するた
めの、ダイ先端に隣接して配置されているヒーターを記
載している。
9,476号が開示しているダイ先端はダイ先端の厚み
が徐々に増加しており、これによって、ダイ先端の大き
な熱容量を確保し、高温溶融状態の材料を所望の温度に
維持している。大きなダイ先端の温度はダイ先端の中の
電気カートリッジヒーターにより維持される。より詳細
に言うと、このダイヘッドは、細くなって行く空気流れ
がダイ本体とは熱的に絶縁されるように、つくられてい
る。このため、細くなって行く空気流れは、高温溶融材
料の押し出しの間において、高温溶融材料の適切な温度
の生成及び維持には影響を与えない。
イヘッドは、熱的安定性を確保するために、電気ヒータ
ーと熱容量とに依存していた。さらに、従来のダイヘッ
ドにおいては、ダイ先端はメルトブロウン空気から絶縁
されているため、メルトブロウン空気はダイヘッドのダ
イ先端中の高温溶融材料の温度には全く影響を与えな
い。
トブロウン法において用いられる加熱空気を用いて、高
温溶融材料をダイ先端のオリフィスを通して押し出す間
において、高温溶融材料の温度を維持するようなダイヘ
ッドを提供することである。
ドよりも大きくないダイヘッドを提供することである。
ダイヘッドを提供することである。
ているため、メルトブロウン法の開始時において短時間
のうちに作動温度に至らさせることができるダイヘッド
を提供することである。
均一に加熱して、ダイヘッドの長さ方向に沿って均一な
組成のメルトブロウン繊維を生成することである。
め、本発明に係るメルトブロウンダイヘッドは、加熱ガ
スリザーバを形成する側部と底部を有するボックスビー
ムの形状をなしている細長い支持部材を備えている。ポ
リマー給送チューブはガスリザーバを通って頂部から底
部へ延びており、ボックスビームの底部に沿って長手方
向に延びているポリマー給送溝で終わっている。このポ
リマー給送チューブは、ボックスビームの底部に取り付
けられている取り外し可能なメルトブロウンダイ組立体
に高温溶融材料を送るためのものである。ダイ組立体の
ダイ先端は給送チューブから高温溶融材料を受け入れる
ためにポリマー給送溝と連通しており、ダイ先端の片方
の側の空気プレートは、ガスリザーバから加熱ガスを受
け入れるガス給送チャネルを形成している。
たって延びており、取り外し可能なダイ組立体と緊密に
接触しているので、ダイ組立体の全部品は、ガスリザー
バ内の加熱ガスによって、適切な作動温度まで加熱さ
れ、その温度に維持される。加熱ガスのガスリザーバへ
の一定供給およびガス給送チャネルを介してのガスリザ
ーバからの加熱ガスの一定排出を行うことにより、ダイ
組立体を含むダイヘッド船隊の温度を均一かつ一定に維
持することができ、ひいては、高温溶融材料がダイ先端
から押し出される全地点における温度を均一に維持する
ことができる。
て行う以下の説明から明らかになるはずである。
するが、本発明はその実施例に限定されるものではな
い。逆に、全ての変更例、修正および均等物を含むもの
と解すべきである。
ウンダイヘッド10が示されている。メルトブロウンダ
イヘッド10はボックスビームの形状をなした細長い支
持部材12を有している。このボックスビームは頂部1
4、底部16、前部18、後部20、右側部22及び左
側部24を有している。細長いボックスビーム12はそ
の頂部14、底部16、前部18、後部20、右側部2
2及び左側部24で加熱ガスリザーバ26を形成してい
る(図4)。ボックスビーム12の両端にはガス入口2
8、30が設けられている。これらのガス入口28、3
0は加熱圧力ガス源(図示せず)をボックスビーム12
内部のガスリザーバ26と接続している。ガス入口2
8、30に隣接して一対の孔開きU字型バッフル80、
82が設けられており、このバッフル80、82によ
り、ガスの流れを分断し、渦巻き流や乱流の発生を減少
させている。
り形成された拡張チェンバー38、40を有しており、
この拡張チェンバー38、40は前部18、後部20及
び底部16の各々に隣接してボックスビーム12の内部
に位置している。拡張チェンバー38、40はボックス
ビーム12の全長にわたって延びている。内壁34、3
6にはそれぞれ一続きの拡張チェンバー孔42、44が
設けられており、これらの拡張チェンバー孔42、44
によりガスリザーバ26と拡張チェンバー38、40と
が連通されている。一続きのガス出口孔32、33が底
部16を貫通して設けられており、このガス出口孔3
2、33はボックスビーム12の全長に渡って延びてい
る。ガス出口孔32、33は拡張チェンバー38、40
とダイ組立体54のガス給送チェンバー76、78とを
各々接続している。なお、拡張チェンバー孔42、44
は拡張チェンバー38、40の平坦面88、90と各々
並んでいる。同様に、ガス出口孔32、33はガス給送
チェンバー76、78の平面面92、94の各々と並ん
でいる。
ム12の頂部14、ガスリザーバ26及びボックスビー
ム12の底部16を貫通して延びている。ポリマー給送
チューブ46はその入口48においてポリマー押し出し
機(図示せず)の出口と接続されている。ポリマー給送
チューブ46の出口50は、ボックスビーム12の全長
にわたって延びているテーパ付きポリマー給送溝52で
終端している。このテーパ付きポリマー給送溝52はボ
ックスビーム12の底部16の領域の中に位置してお
り、その断面積はポリマー給送チューブ46から端部に
向かって減少している。
部16に取り外し可能に取り付けられている。ダイ組立
体54はダイ先端56およびガスプレート58、60を
有している。ダイ先端56はボルト66、68によって
ボックスビーム12の底部16に取り付けられている。
ダイ先端がボックスビーム12に取り付けられると、ダ
イ先端56のテーパ付きポリマー給送溝52はスクリー
ン64、分断プレート62及びオリフィス70と連通す
る。スクリーン64は高温溶融材料を濾過し、塊を取り
除き、そのような塊がオリフィス70に達し、オリフィ
ス70を塞がないようにする。
3、74、75によってボックスビーム12の底部16
に同様に取り付けられている。ガスプレート58、60
はダイ先端56とともにガス給送チェンバー76、78
を形成している。ガス給送チェンバー76、78からは
テーパ付きガス給送チャネル84、86が延びている。
ガス給送チャネル84、86はダイ先端56のオリフィ
ス70に隣接して収束している。
はガスリザーバ26から拡張チェンバー孔42、44、
拡張チェンバー38、40、ガス出口孔32、33、ガ
ス給送チェンバー76、78を通って、オリフィス70
に隣接するガス給送チャネル84、86に流れ、ポリマ
ーがオリフィス70を出るときに、ポリマーを細流化す
る。
ボックスビーム12の両端部のガス入口28、30に導
き入れられる。この加熱空気がガスリザーバ26に入る
と、加熱空気は孔開きバッフル80、82にあたる。バ
ッフル80、82は空気の流れを分断し、ガス入口2
8、30がガスリザーバ26と交差する断面96、98
(図2)における初期水平速度(ガスリザーバ26の長
さ方向における流れの速度成分)が生成されるようにす
る。初期水平速度は、ガス入口28、30の大きさと、
ガスリザーバ26に導入される空気の体積とによって、
100〜150フィート/秒の範囲内にあるように制限
される。このように、初期水平速度を100〜150フ
ィート/秒に制限することによって、初期水平速度ヘッ
ドは0.15ポンド/平方インチを超えることはない。
初期水平速度ヘッドを約0.15ポンド/平方インチの
低い値にしておくことによって、加熱空気がガス給送チ
ェンバー76、78に到達するまでには、加熱空気はダ
イヘッドの長さ方向の速度成分を有しない。このよう
に、加熱空気を制御することにより、加熱空気がガス給
送チェンバー76、78からガス給送チャネル84、8
6へ流れるときの乱流の発生を最小にすることができ
る。
の制御に加えて、垂直方向(流れ方向)における空気流
れも乱流が最小になるように適切に制御しなければなら
ない。加熱ガスはガス入口28、30からオリフィス7
0へ流れるにつれて、加熱空気は、ガスリザーバ26、
拡張チェンバー38、40およびガス給送チェンバー7
6、78に連続的に流れ込むにつれて、圧縮され、次い
で、膨張する。開口とチェンバーの大きさは、流れ方向
速度(垂直方向の速度)が各段階毎に増加するような大
きさにされている。詳細に言うと、ガスリザーバ26へ
入るときの流れ方向速度は10〜20フィート/秒、拡
張チェンバー38、40へ入るときの流れ方向速度は1
9〜40フィート/秒、ガス給送チェンバー76、78
へ入るときの流れ方向速度は80〜190フィート/秒
である。各段階で圧力降下が生じる。従来のダイヘッド
は空気源(ガス入口)からダイ先端に至までの間に5〜
7ポンド/平方インチの圧力降下を生じていた。本発明
に係るダイヘッドでは、ガスリザーバ26からダイ先端
に至までの圧力降下は0.5〜1.5ポンド/平方イン
チである。圧力降下量が小さくなれば、加熱空気用コン
プレッサに必要な動力も小さくてすむ。
32、33の間隔および位置は本ダイヘッドの熱伝達特
性に大きな影響を与える。前述したように、拡張チェン
バー孔42、44およびガス出口孔32、33は平坦面
88、90、92、94と並んで配置されている。加熱
空気が孔32、33、42、44を通って加速される
と、加熱ガスジェットが生成される。この加熱ガスジェ
ットは各平坦面を洗浄し、並んだ平坦面上を半径方向に
広がり、対流熱伝導を最大にする。各孔の間隔は、各平
坦面上の空気ジェットの円形パターンが交差し、加熱空
気が平坦面を完全に覆うように、設定されている。その
ような孔の大きさ及びジェットの速度は、ダイの長さ1
インチ当たり1.0〜2.5個の孔を有するパターンと
なる。孔32、33、42、44のジェット効果によっ
てダイ組立体へ伝達される熱は、ボックスビーム12の
側壁及び頂部へ伝達される熱の5倍である。
有するダイヘッド全体の外側表面は周囲との熱交換を最
小にするために絶縁されている。絶縁材は、布地と金属
表皮の中に封入されたガラス繊維からなる複合体が用い
られる。この複合体は、必要に応じて取り外せるよう
に、ダイヘッドの回りに分割できるシェルとして形成さ
れている。この複合体は、ダイヘッドの底部において、
テーパを有しており、このテーパは、約1インチの厚さ
から、ダイ先端に近づくにつれて、小さい厚さになって
いる。絶縁体の厚さが最も薄いダイ先端の付近では温度
は華氏約100度を超えることが多いが、絶縁体の外側
は華氏約100度の温度を超えることがないように形成
されている。
を急速に加熱し、維持るために十分な熱容量を有する大
きさ及び形状に形成されている。ダイヘッドの空気流れ
及び熱伝導は、必要であれば、コンピュータシミュレー
ションにより決定することができる。多数のコンピュー
タシミュレーションプログラムがFluent In
c.が販売している「Fluent」を備えている。こ
のため、本技術分野における通常の知識を有する者にと
っては、ダイ組立体の大きさと、特定の速度で特定のポ
リマーをメルトブロウンするために必要な加熱ガスのパ
ラメータとが与えられれば、ガスリザーバ26の大きさ
は設計上の選択事項の問題にすぎない。
多量の加熱空気により加熱されるので、ダイ先端組立体
54は作動温度まで急速に加熱され、ダイ先端の温度は
メルトブロウンダイヘッド10の幅方向にわたって均一
に保たれる。詳細に言うと、60インチの長さのダイヘ
ッドにおいて約7.5インチの間隔で各ボルト75(図
2)に温度センサを配置した。ダイヘッドが定常状態温
度に到達すると、ダイヘッドに沿って(すなわち、図2
の左側から右側へ)、温度の読み取り値を記録した。そ
の記録値は以下のようであった。
来のダイヘッドの長さ方向における約華氏100度の差
に比較すれば、小さい。このため、補助的電気ヒターを
用いていた従来の加熱ダイヘッドと比較すると、本発明
のダイヘッドの長さ方向における温度の均一性は約3対
1の割合で改良されている。さらに、ダイヘッドを連続
して作動させると、長期間の定常状態温度が上述した初
期測定値よりも均一になる。
になることにより、均一なメルトブロウンウェブが生成
される。本発明の60インチのダイヘッドの性能を試験
するため、メルトブロウン不織ウェブを用意した。ポリ
マーはHimont USAが販売しているポリプロピ
レン、Himont HH445を用いた。このポリマ
ーを1時間当たり、ダイの長さ1インチ当たり3〜4ポ
ンドの速度でダイヘッドに給送した。高温溶融材料は華
氏525度の温度で給送した。細流化空気の温度は華氏
550度であった。形成距離は12インチ、真空度は4
インチ水であった。
ブを用意した後、5インチ幅(横方向)かつ10インチ
長さ(縦方向)の7個の均等に隔置したサンプルを不織
ウェブから裁断した。次いで、この7個のサンプルに対
する偏差係数を算出した。まず、各サンプルの平均基本
重量を求め、その平均基本重量から各サンプルの基本重
量を減算し、その差を平均基本重量で除算する。この計
算値を100%で乗算して、偏差係数を求める。本発明
に係る60インチのメルトブロウンダイヘッドを用いて
つくった不織ウェブに対する偏差係数は3.9%であっ
た。上述のパラメータに従って形成し、かつ、従来のメ
ルトブロウンダイヘッドを用いてつくった従来の不織ウ
ェブの偏差係数は8〜12%であった。すなわち、本発
明のメルトブロウンダイヘッドは、メルトブロウンウェ
ブの均一性に関して、3倍の増加を達成している。
図である。
図である。
図である。
ッドの断面図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 メルトブロウンダイヘッドであって、 (a)(1)ガスリザーバを形成している左右前後壁を
有するボックスビームを備え、該ガスリザーバは該ガス
リザーバに加熱ガスを導入するための少なくとも一つの
ガス入口を有しており、前記ガスリザーバは該ガスリザ
ーバからガスを排出するためのガス出口を有しており、
(2)前記ガスリザーバを貫通して延び、前記ボックス
ビームの一側壁に沿って長手方向に延びる給送溝におい
て終端しているポリマー給送溝を備える細長い支持部材
と、 (b)前記給送溝を有する前記ボックスビームの側壁に
取り付けられた取り外し可能なメルトブロウンダイ組立
体であって、(1)前記給送溝と連通し、給送チューブ
からポリマーを受け入れるダイ先端と、(2)前記ダイ
先端の両側に形成され、ガス給送チャネルを形成してい
るガスプレートとを備え、前記ガス給送チャネルは前記
ガスリザーバの前記ガス出口と連通しているメルトブロ
ウンダイ組立体と、 を備えるメルトブロウンダイヘッド。 - 【請求項2】 前記ボックスビームは少なくとも一つの
内部拡張チェンバーを有しており、前記拡張チェンバー
は第一の一組の孔によって前記ガスリザーバと連通し、
かつ、第二の一組の孔を形成する前記ガス出口によって
前記メルトブロウンダイ組立体と連通していることを特
徴とする請求項1に記載のメルトブロウンダイヘッド。 - 【請求項3】 前記ダイヘッド組立体は、前記第二の一
組の孔によって前記拡張チェンバーと連通している少な
くとも一つのガス給送チェンバーを有していることを特
徴とする請求項2に記載のメルトブロウンダイヘッド。 - 【請求項4】 前記拡張チェンバーは前記第一の一組の
孔と並んでいる平坦面を有し、前記ガス給送チェンバー
は前記第二の一組の孔と並んでいる平坦面を有してお
り、前記各孔を通過した前記加熱ガスは前記平坦面に当
たり、前記平坦面に対流熱伝導を与えるものであること
を特徴とする請求項3に記載のメルトブロウンダイヘッ
ド。 - 【請求項5】 前記ガス入口を通過したガスの速度、前
記第一の一組の孔を通過したガスの速度、前記第二の一
組の孔を通過したガスの速度は増加することを特徴とす
る請求項3に記載のメルトブロウンダイヘッド。 - 【請求項6】 前記ガス入口を通過したガスの速度は約
10〜20フィート/秒であり、前記第一の一組の孔を
通過したガスの速度は約19〜40フィート/秒であ
り、前記第二の一組の孔を通過したガスの速度は約80
〜190フィート/秒であることを特徴とする請求項5
に記載のメルトブロウンダイヘッド。 - 【請求項7】 前記ボックスビーム及び前記ダイヘッド
組立体の各外側表面は絶縁されていることを特徴とする
請求項1に記載のメルトブロウンダイヘッド。 - 【請求項8】 前記ポリマー給送チューブは、前記ガス
リザーバ内部の加熱ガスと前記給送チューブ内部のポリ
マーとの間において熱伝導を行うために、絶縁されてい
ないことを特徴とする請求項1に記載のメルトブロウン
ダイヘッド。 - 【請求項9】 前記ガス入口は、前記加熱ガスの初期水
平速度が100〜150フィート/秒であり、水平速度
ヘッドが0.15ポンド/平方インチ以下となるよう
に、前記ガスリザーバとの関係において大きさが決めら
れていることを特徴とする請求項1に記載のメルトブロ
ウンダイヘッド。
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