非织造纤维幅材
阅读说明：本技术 非织造纤维幅材 (Nonwoven fibrous webs ) 是由 河宪主 吴天纵 内森·E·舒尔茨 格里·A·霍夫达尔 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非织造纤维幅材,该非织造纤维幅材包含涂覆有阻燃剂的阻燃非织造织物,其中该阻燃剂包含多磷酸铵或碱金属硅酸盐；并且其中该阻燃非织造织物具有第一主表面和相对的第二主表面；覆盖该第一主表面的至少一部分的第一非织造织物；以及覆盖该第二主表面的至少一部分的第二非织造织物。第一非织造织物和第二非织造织物各自包含氧化聚丙烯腈纤维和任选的增强纤维。(A nonwoven fibrous web comprising a flame retardant nonwoven fabric coated with a flame retardant, wherein the flame retardant comprises ammonium polyphosphate or an alkali metal silicate; and wherein the flame retardant nonwoven fabric has a first major surface and an opposing second major surface; a first nonwoven covering at least a portion of the first major surface; and a second nonwoven covering at least a portion of the second major surface. The first nonwoven fabric and the second nonwoven fabric each comprise oxidized polyacrylonitrile fibers and optionally reinforcing fibers.)
技术领域
本发明提供了阻燃非织造织物以保护非织造材料的阻燃性和无纤维脱落。所提供的非织造织物可在机动车和航空应用(诸如用于电动车辆的电池仓)中用作绝热体和隔音体。所提供的非织造织物可特别适用于减小机动车和航空应用中的噪音。
背景技术
绝热体减少彼此热接触或在热对流或热辐射范围内的结构之间的热传递。这些材料减轻传导、对流和/或辐射的影响，并且因此可有助于将邻近另一结构的结构的温度稳定在显著更高或更低的温度下。通过在需要高温的情况下防止部件过热或避免热损失，热管理对于实现广泛商业应用和工业应用中所需的功能和性能可能是关键的。
绝热体在机动车和航空技术中尤其有用。例如，机动车的内燃机在其燃烧循环期间产生大量热量。在车辆的其它区域中，使用绝热物来保护对热敏感的电子部件。此类部件可包括例如传感器、电池和电动马达。为了最大化燃料经济性，希望绝热解决方案尽可能薄且重量轻，同时充分保护这些部件。理想的情况是，这些材料足够耐用，可在车辆的寿命期间一直使用。
从历史上看，机动车和航空技术的发展一直是由消费者对更快、更安全、更安静和更宽敞的车辆的需求驱动的。这些属性必须与对燃料经济性的需求反向平衡，因为对这些消费者驱动的属性的增强一般也会增加车辆的重量。
在能够提供约8％燃料效率增加的车辆重量减少10％的情况下，机动车和航空制造商在满足现有性能目标的同时具有很大的动力降低车辆重量。然而，随着车辆结构变轻，噪音可能变得越来越成问题。一些噪音是由结构振动承载的，其生成传播并传输到空气的声能，从而生成气载噪音。常规地使用由重粘性材料制成的阻尼材料来控制结构振动。常规地使用能够吸收声能的柔软柔韧材料(诸如纤维或泡沫)来控制气载噪音。
随着电动车辆(“EV”)的出现，对合适隔绝材料的需求已加强。EV采用锂离子电池，该锂离子电池在限定的温度范围内、更具体地在环境温度附近最佳地工作。EV通常具有电池管理系统，该电池管理系统在电池温度下降到显著低于最佳温度时激活电加热器，并且在电池温度上升到显著高于最佳温度时激活冷却系统。
发明内容
用于加热和冷却EV电池的操作可基本上耗尽原本将被引导至车辆动力传动系统的电池电力。正如毯子通过在寒冷天气中保存人的体热来提供舒适度一样，绝热物被动地最小化所需的电力以在极端温度下保护EV电池。
用于EV电池应用的隔绝材料的开发人员面临着巨大的技术挑战。例如，EV电池隔绝材料应表现出低热导率，同时满足用于熄灭或减缓电池着火蔓延的严格阻燃要求。阻燃性的常见测试是UL-94V0火焰测试。还希望合适的绝热体弹性地挠曲和压缩，使得其可容易地插入不规则形状的壳体中并膨胀以完全占据其周围的空间。最后，这些材料应显示出足够的机械强度和抗撕裂性以有利于制造过程中的处理和安装，使得不存在松散的纤维或纤维脱落。
所提供的制品和方法通过使用非织造织物组件来解决这些问题。非织造织物组件具有阻燃性并最小化纤维脱落。增强纤维在加热时可至少部分地熔融以形成具有增强强度的粘结幅材。本专利申请的非织造织物组件的边缘不需要通过热和压力或其它方式密封。所提供的非织造织物组件还可具有低流动阻力，从而使非织造织物成为更好的隔音件。
在第一方面，本公开提供了一种非织造纤维幅材。该非织造纤维幅材包含涂覆有阻燃剂的阻燃非织造织物，其中该阻燃剂包含多磷酸铵或碱金属硅酸盐；并且其中该阻燃非织造织物具有第一主表面和相对的第二主表面；覆盖第一主表面的至少一部分的第一非织造织物；以及覆盖第二主表面的至少一部分的第二非织造织物；其中该第一非织造织物和该第二非织造织物各自包含多根无规取向的纤维，该多根无规取向的纤维包含：至少60重量％的氧化聚丙烯腈纤维；以及0重量％至小于40重量％的增强纤维，该增强纤维具有包含熔融温度为100℃至350℃的(共)聚合物的外表面；其中该阻燃非织造织物与该第一非织造织物和该第二非织造织物粘结在一起以形成内聚非织造纤维幅材。
附图说明
如本文所提供：
图1为根据示例性实施方案的非织造纤维幅材的侧剖视图。
在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。应当理解，本领域的技术人员可设计出落入本公开原理的范围和实质内的许多其它修改形式和实施方案。附图可能未按比例绘制。
定义
如本文所用：
“环境条件”意指在25℃和101.3kPa的压力下。
除非另外指明，否则“平均”意指数均。
“燃烧测试”意指示例中的燃烧测试。“通过燃烧测试”意指制品在燃烧测试期间未燃烧或着火。
“共聚物”是指由两种或更多种不同聚合物的重复单元制成的聚合物，并且包括无规、嵌段和星形(例如树枝状)共聚物。
非织造织物中的纤维的“中值纤维直径”通过以下方式确定：诸如通过使用扫描电镜来产生纤维结构的一幅或多幅图像；测量一幅或多幅图像中的清晰可见的纤维的横向尺寸，从而得到纤维直径的总数；以及基于纤维直径的总数来计算中值纤维直径。
“压延”意指将诸如载有聚合物吸收剂的幅材的产品穿过辊以获得压缩材料的过程。可任选地对辊进行加热。
“有效纤维直径”或“EFD”意指基于空气渗透试验的非织造纤维幅材中纤维的表观直径，在空气渗透试验中，空气在1个大气压和室温下以5.3cm/秒的面速度穿过已知厚度的幅材样品，并测量对应的压降。基于测量到的压降，有效纤维直径得以计算，如在Davies,C.N.的“气载尘埃和粒子的分离”，机械工程师学会，伦敦会议记录，1B(1952年)(Davies,C.N.,The Separation of Airborne Dust and Particles,Institution of MechanicalEngineers,London Proceedings,1B(1952))中所述的。
“聚合物”意指相对高分子量的材料，该材料具有至少10,000g/mol的分子量。
“大小”是指给定对象或表面的最长尺寸。
“基本上”意指显著程度，如至少30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.99％、或99.999％、或100％的量。
“厚度”意指层或多层制品的相对两侧之间的距离。
具体实施方式
如本文所用，术语“优选的”和“优选地”是指在某些情况下可提供某些益处的本文所述的实施方案。然而，在相同的情况或其它情况下，其它实施方案也可以是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其它实施方案是不可用的，并且并非旨在将其它实施方案排除在本发明范围之外。
如本文和所附权利要求中所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个/一种(a/an)”和“该/所述”包括复数对象。因此，举例来说，提及“一个/一种”或“该/所述”部件可包括本领域技术人员已知的一个或多个部件或其等价物。另外，术语“和/或”意指所列元件中的一个或全部或者所列元件中的任何两个或更多个的组合。
值得注意的是，术语“包括”及其变型在出现在所附说明书中时不具有限制性含义。此外，“一个”、“一种”、“该”、“至少一个”及“一个或多个”在本文中可互换使用。本文可使用相对术语诸如左、右、向前、向后、顶部、底部、侧面、上部、下部、水平、垂直等，并且如果是这样，则它们来自在具体附图中所观察的视角。然而，这些术语仅用于简化描述，而并非以任何方式限制本发明的范围。
贯穿本说明书的对“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”的引用，意指结合实施方案描述的具体特征、结构、材料或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书的多处出现的短语，诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”，不是必须指本发明的相同实施方案。在适用的情况下，商品名以全部大写的字母列出。
根据本发明的一个实施方案的非织造纤维幅材示于图1中并在下文用标号100表示。非织造纤维幅材100包括阻燃非织造织物110。阻燃非织造织物110包括第一主表面112和相对的第二主表面116。阻燃非织造织物110可涂覆有阻燃剂。该阻燃剂可包括多磷酸铵或碱金属硅酸盐，例如偏硅酸钠。多磷酸铵(APP)和偏硅酸钠是阻燃添加剂，其可在一定程度上起到离子交联剂的作用。
阻燃非织造织物110可包括竹纤维非织造材料、羊毛非织造材料、聚乙烯醇非织造材料或包含多根无规取向的纤维的非织造织物，其中该多根无规取向的纤维包含至少60重量％的氧化聚丙烯腈纤维以及0重量％至小于40重量％的增强纤维，该增强纤维具有包含熔融温度为100℃至350℃的(共)聚合物的外表面。竹纤维非织造材料可包括针刺100％竹纤维非织造毡，例如，由FiberCo.Inc.(德克萨斯州伍斯特堡)以商品名“SIMPLY BAMBOO”出售的竹纤维非织造毡。羊毛非织造材料可包括购自Safety Shield Filters(爱尔兰利默里克)的商品名为“SAFETY SHIELD”的羊毛非织造毡。聚乙烯醇非织造材料可包括购自Minifibers(田纳西州约翰逊城)的聚乙烯醇卷曲短纤维(1.7分特，长度为51毫米)。可通过梳理机或尖刺气流成网机加工短纤维，以获得非织造幅材。
非织造纤维幅材100包括覆盖第一主表面112的至少一部分的第一非织造织物120和覆盖第二主表面116的至少一部分的第二非织造织物130。阻燃非织造织物110以及第一非织造织物120和第二非织造织物130粘结在一起以形成内聚非织造纤维幅材。
非织造纤维幅材可通过热测试，例如，示例中所述的热测试。本公开的非织造纤维幅材可提供低热导率、小孔径和高极限氧指数(LOI)的组合，从而提供良好的绝热性和热失控保护。本公开的非织造纤维幅材可防止阻燃非织造织物110与火焰紧密接触，减慢热传递并为阻燃非织造织物110提供结构支撑以形成烧焦物。
第一非织造织物120和第二非织造织物130包含多根无规取向的纤维，该多根无规取向的纤维包含氧化聚丙烯腈纤维。氧化聚丙烯腈纤维108包括以商品名PYRON(密苏里州布里奇顿的卓尔泰克公司(Zoltek Corporation,Bridgeton,MO))和PANOX(德国梅亭根的西格里集团(SGL Group,Meitingen,GERMANY))购得的那些。
氧化聚丙烯腈纤维优选地具有使得纤维能够缠结在非织造织物内的纤维直径和长度。然而，纤维优选地不太薄以至于幅材强度不当地受到损害。纤维的中值纤维直径可为2微米至150微米、5微米至100微米、5微米至25微米，或在一些实施方案中，小于、等于或大于1微米、2微米、3微米、5微米、7微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、40微米、50微米。
包含长纤维可减少纤维脱落并进一步增强非织造织物沿着横向方向的强度。氧化聚丙烯腈纤维的中值纤维长度可为10毫米至100毫米、15毫米至100毫米、25毫米至75毫米，或在一些实施方案中，小于、等于或大于10毫米、12毫米、15毫米、17毫米、20毫米、25毫米、30毫米、35毫米、40毫米、45毫米、50毫米、55毫米、60毫米、65毫米、70毫米或75毫米。
用于形成第一非织造织物120和第二非织造织物130的氧化聚丙烯腈纤维可由散纤维制备。可将散纤维放置在拆捆机/混合机的入口传送带上，在拆捆机/混合机中可通过旋转的梳子梳理出散纤维并将它们混合。然后将纤维吹入幅材成形设备中，在该设备中将这些纤维形成为干法成网非织造织物。
作为另选方案，可使用SPIKE气流成网成形设备(可从丹麦的FormFiber NV公司(FormFiber NV,Denmark)商购获得)来制备含有这些散纤维的非织造织物。SPIKE设备和使用SPIKE设备形成气流成网幅材的方法的细节在美国专利7,491,354(Andersen)和6,808,664(Falk等人)中有所描述。
可利用具有传送带的两个旋转的销钉辊将散纤维馈送到分体式预拆捆和共混室中。此后，利用鼓风机将散纤维馈送到成形室的顶部。可在室的顶部将纤维材料拆捆并抖松，然后纤维材料穿过上排销钉辊落到达成形室的底部，由此穿过下排销钉辊。然后可通过重力和从多孔形成带/线材的下端施加到成形室的真空的组合将材料在多孔环形带/线材上拉下。
另选地，可在气流成网机中形成第一非织造织物120和第二非织造织物130。幅材成形设备可例如为可从纽约州马其顿的兰多机器公司(Rando Machine Co.,Macedon,NY)商购获得的RANDO-WEBBER装置。另选地，幅材成形设备可为通过梳理和交叉错叠而不是通过气流成网来制备干法成网幅材的设备。交叉错叠可为水平交叉错叠(例如，使用可从法国塞纳河畔埃尔伯夫的阿斯兰-蒂博公司(ASSELIN-THIBEAU of Elbeuf sur Seine,76504France)商购获得的型材系列交叉错叠机进行)或垂直交叉错叠(例如，使用来自捷克共和国利贝雷茨大学(University of Liberec,Czech Republic)的STRUTO系统或来自瑞士桑特克斯公司(Santex AG of Switzerland)的WAVE-MAKER系统进行)。
在一些实施方案中，本专利申请的非织造织物具有低流动阻力，例如小于1000Rayl、100Rayl、50Rayl、30Rayl、25Rayl、20Rayl、15Rayl或10Rayl。低流动阻力可使得非织造织物-芯组件成为更好的隔音件。
在一些实施方案中，本专利申请的非织造织物具有高流动阻力，例如高于1000Rayl或10,000Rayl。高流动阻力可使得非织造织物更好地绝热，因为此类高流动阻力有助于阻挡气流传导。
在一些实施方案中，第一非织造织物120和第二非织造织物130可包括缠结区域。缠结区域表示两个或更多个离散纤维已变为捻在一起的位置。这些缠结区域内的纤维虽然并非以物理方式附接，但如此缠绕以致当沿相反方向牵拉它们时，它们都不会分离。
在一些实施方案中，缠结由针钉合工艺或水刺工艺引起。这些工艺中的每一者更详细地描述于下文中。
非织造织物可使用常规针钉合设备(例如，可以商品名DILO从德国迪罗公司(Diloof Germany)商购获得的针钉合器)与倒刺针(例如，可从威斯康星州马尼托沃克的福斯特制针有限公司(Foster Needle Company,Inc.,Manitowoc,WI)商购获得)进行缠结，由此上述基本上缠结的纤维为针钉合纤维。针钉合(也称为针刺)通过使倒刺针阵列重复穿过幅材并且在倒刺针沿幅材的纤维牵拉时使它们回缩而使垂直于非织造织物的主表面的纤维缠结。
针钉合过程参数(包括所用针的类型、穿透深度和冲程速度)不受特别限制。另外，单位面积的垫上的最佳针钉合数会依据应用而有所不同。通常，用针钉合非织造织物以提供平均至少5次针钉合/cm2。优选地，用针钉合垫以提供平均约5至60次针钉合/cm2，更优选地，平均约10至约20次针钉合/cm2。
与针钉合相关联的另外选项和优点在别处，例如在美国专利公布2006/0141918(Rienke)和2011/0111163(Bozouklian等人)中有所描述。
可使用常规水缠结单元对非织造织物进行水缠结(水缠结单元可从缅因州比德福德的蜂窝系统有限公司(Honeycomb Systems Inc.,Bidderford,ME)商购获得；另参见美国专利4,880,168(Randall,Jr.)，其公开内容以引用方式并入本文用于教导纤维缠结)。尽管水刺装置的优选液体为水，也可以用其它合适的液体替代水或与水配合使用。
在水缠结过程中，诸如水的加压液体以帘状阵列递送到在液体流下方通过的非织造织物上。垫或幅材由充当传送带的线材筛网支撑。垫馈送到喷丝孔下方的线材筛网输送机上的缠结单元中。根据缠结垫的最终期望外观来选择线材筛网。粗筛网可制备具有对应于筛网中的孔的穿孔的垫，而非常细小的筛网(例如，100目)可制备无明显穿孔的垫。
在一些实施方案中，第一非织造织物120和第二非织造织物130可包含多根氧化聚丙烯腈纤维和多根增强纤维两者。增强纤维可包括粘结剂纤维，这些粘结剂纤维具有足够低的熔融温度以允许非织造织物200的后续熔融处理。粘结剂纤维通常为聚合物，并且可具有均匀的组合物或包含两种或更多种组分。在一些实施方案中，粘结剂纤维是包含芯聚合物的双组分纤维，该芯聚合物沿着纤维的轴延伸并被圆柱形壳聚合物包围。壳聚合物的熔融温度可低于芯聚合物的熔融温度。增强纤维可包括单组分纤维或多组分纤维中的至少一者。在一些实施方案中，增强纤维可包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚芳酰胺和/或聚乳酸。在一些实施方案中，增强纤维可为具有包含聚烯烃的外皮(shealth)的多组分纤维。在一些实施方案中，聚烯烃可选自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯以及它们的组合物。
然而，如本文所用，“熔融”是指在升高的温度下纤维或(在双组分壳/芯纤维的情况下)纤维的外表面的逐渐转变，在该升高的温度下聚酯变得足够柔软和发粘以粘结到与其接触的其它纤维，包括氧化聚丙烯腈纤维和具有其相同特性并且如上所述可具有更高或更低熔融温度的任何其它粘结剂纤维。
可用的粘结剂纤维具有包含聚合物的外表面，该聚合物具有100℃至450℃，或在一些实施方案中，小于、等于或大于100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃、325℃、350℃、375℃、400℃、425℃的熔融温度。
示例性粘结剂纤维包括例如具有聚对苯二甲酸乙二醇酯芯和共聚酯外皮的双组分纤维。外皮组分的熔融温度为约230℉(110℃)。粘结剂纤维也可为聚对苯二甲酸乙二醇酯均聚物或共聚物而不是双组分纤维。
粘结剂纤维通过形成三维节点阵列来增加隔绝体200中的结构完整性，其中组成纤维彼此物理附接。这些节点提供宏观纤维网络，该宏观纤维网络增大撕裂强度和拉伸模量，保持最终产品的尺寸稳定性并且使纤维脱落最小化。有利的是，粘结剂纤维的结合可允许减小体密度，同时保持非织造织物的结构完整性，这继而减小重量和热导率两者。
据发现，非织造织物100、200的导热系数κ可强烈依赖于其平均体密度。例如，当非织造织物的平均体密度显著高于50kg/m3时，大量的热量可通过穿过纤维本身的热传导而穿过隔绝体传输。当平均体密度显著低于15kg/m3时，穿过纤维的热传导很小，但对流热传递可变得显著。平均体密度的进一步减小还可显著地降低非织造织物的强度，这是不期望的。
在示例性实施方案中，第一非织造织物120和第二非织造织物130的基重为10gsm至500gsm、30gsm至500gsm、30gsm至400gsm、30gsm至300gsm，或在一些实施方案中，小于、等于或大于10gsm、16gsm、17gsm、18gsm、19gsm、20gsm、22gsm、24gsm、25gsm、26gsm、28gsm、30gsm、32gsm、35gsm、37gsm、40gsm、42gsm、45gsm、47gsm、50gsm、60gsm、70gsm、80gsm、90gsm、100gsm、200gsm、300gsm、400gsm、500gsm。
在示例性实施方案中，第一非织造织物120和第二非织造织物130的平均体密度为100kg/m3至1500kg/m3、150kg/m3至1000kg/m3、200kg/m3至500kg/m3，或在一些实施方案中，小于、等于或大于100kg/m3、150kg/m3、200kg/m3、250kg/m3、300kg/m3、350kg/m3、400kg/m3、450kg/m3、500kg/m3、550kg/m3、600kg/m3、650kg/m3、700kg/m3、750kg/m3、800kg/m3、850kg/m3、900kg/m3、950kg/m3、1000kg/m3、1100kg/m3、1200kg/m3、1300kg/m3、1400kg/m3或1500kg/m3。
非织造织物中的氧化聚丙烯腈纤维是不易燃的。令人惊讶的是，发现增强纤维在FAR 25-856a火焰测试中的燃烧不导致非织造织物发生显著尺寸变化(无收缩且无膨胀)。非织造织物可通过UL-94V0火焰测试。该有益效果看起来是垂直于非织造织物的主表面的纤维缠结的效果。
氧化聚丙烯腈纤维可以足以为非织造织物提供足够阻燃性和隔绝特性的任何量存在。氧化聚丙烯腈纤维可以以60重量％至100重量％、70重量％至100重量％、81重量％至100重量％，或在一些实施方案中，小于、等于或大于50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、或95重量％，或小于或等于100重量％的量存在。增强纤维可以0重量％至小于40重量％、3重量％至30重量％、0重量％至19重量％、3重量％至19重量％，或在一些实施方案中，等于或大于0重量％，或小于、等于或大于1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、7重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％或40重量％的量存在。
氧化聚丙烯腈纤维与增强纤维的优选重量比赋予非织造织物高拉伸强度和抗撕裂性以及可接受的阻燃性；例如，通过UL-94V0火焰测试的能力。氧化聚丙烯腈纤维与增强纤维的重量比可为至少4:1、至少5:1、至少10:1，或在一些实施方案中，小于、等于或大于4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1或10:1。
任选地，氧化聚丙烯腈纤维和增强纤维各自卷曲以提供卷曲构型(例如，Z字形、正弦形或螺旋形)。另选地，氧化聚丙烯腈纤维和增强中的一些或全部具有线性构型。氧化聚丙烯腈纤维和/或增强纤维的被卷曲的分数可小于、等于或大于5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。卷曲(其在欧洲专利0714248中有更详细描述)可显著地增加非织造纤维幅材的堆积体积或每单位重量体积。
基于为手头的应用分配的空间，绝热体的非织造织物可具有任何合适的厚度。对于常见应用，非织造织物的厚度可为0.1毫米至1厘米或小于1毫米或0.5毫米。
如先前所述，许多因素影响非织造织物所展示的机械特性，包括纤维尺寸、增强纤维上粘结部位的存在、纤维缠结和总体体密度。拉伸强度和拉伸模量是可表征非织造织物的特性的量度。
拉伸强度表示非织造织物的抗撕裂性或抗永久变形性，并且可为至少28kPa、至少32kPa、至少35kPa，或在一些实施方案中，小于、等于或大于28kPa、29kPa、30kPa、31kPa、32kPa、33kPa、34kPa、35kPa、36kPa、37kPa、38kPa、39kPa、40kPa、42kPa、44kPa、45kPa、47kPa或50kPa。
令人惊讶的是，发现垂直于幅材主表面缠结非织造织物的纤维以产生体密度在15kg/m3至500kg/m3范围内的材料解决了与UL-94V0或FAR 25-856a火焰测试中的体积膨胀相关联的技术问题。具体地讲，发现虽然观察到常规的氧化聚丙烯腈材料在火焰测试期间基本上溶胀，但所提供的绝热体并不溶胀。在一些实施方案中，所提供的非织造织物的厚度在火焰测试之后相对于其初始尺寸偏离小于10％、小于7％、小于5％、小于4％或小于3％，或在一些实施方案中，小于、等于或大于10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％或3％。
第一非织造织物120和第二非织造织物130可任选地包括附加层。为了有助于安装，例如，这些示例性绝热体中的任一个绝热体还可包括粘合剂层，诸如压敏粘合剂层或延伸横跨并接触非织造织物的其它附接层。作为另一种可能性，这些隔绝体中的任一个隔绝体可包括固体热障，诸如与非织造织物相邻的铝片或箔层。对于一些应用，一个或多个隔音层也可联接到非织造织物。
非织造织物可通过将多根氧化聚丙烯腈纤维与多根增强纤维混合以形成无规取向的纤维的混合物来制备，如共同拥有的PCT专利公布WO 2015/080913(Zillig等人)中所述。然后将无规取向的纤维的混合物加热至足以熔融多根增强纤维的外表面的温度。
在一些实施方案中，非织造织物的主表面可为平滑的。平滑表面可通过任何已知方法获得。例如，可通过压延非织造纤维幅材、加热非织造纤维幅材和/或向非织造纤维幅材施加张力来实现平滑化。在一些实施方案中，平滑表面是通过部分熔融非织造纤维幅材的暴露表面处的纤维而产生的表层。
在一些实施方案中，在平滑表面处可存在密度梯度。例如，平滑表面的邻近暴露主表面的部分可具有大于远离暴露主表面的部分的密度。增大平滑表面中的一者或两者处的体密度可进一步增强非织造纤维幅材的拉伸强度和抗撕裂性。表面的平滑还可降低原本将在处理或运输非织造织物时发生的纤维脱落的程度。另一个有益效果是通过妨碍空气穿过非织造纤维幅材来减少热对流。在一些实施方案中，一个或两个平滑表面可为无孔的，使得阻止空气流过非织造织物。
尽管不旨在穷举，但如下提供了示例性实施方案的列表：
实施方案1是一种非织造纤维幅材，该非织造纤维幅材包含涂覆有阻燃剂的阻燃非织造织物，其中该阻燃剂包含多磷酸铵或碱金属硅酸盐；并且其中该阻燃非织造织物具有第一主表面和相对的第二主表面；覆盖该第一主表面的至少一部分的第一非织造织物；以及覆盖该第二主表面的至少一部分的第二非织造织物；其中该第一非织造织物和该第二非织造织物各自包含多根无规取向的纤维，该多根无规取向的纤维包含：至少60重量％的氧化聚丙烯腈纤维；以及0重量％至小于40重量％的增强纤维，该增强纤维具有包含熔融温度为100℃至350℃的(共)聚合物的外表面；其中该阻燃非织造织物与该第一非织造织物和该第二非织造织物粘结在一起以形成内聚非织造纤维幅材。
实施方案2是根据实施方案1所述的非织造纤维幅材，其中增强纤维包括单组分纤维或多组分纤维中的至少一种。
实施方案3是根据实施方案2所述的非织造纤维幅材，其中增强纤维包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚芳酰胺、聚乳酸。
实施方案4是根据实施方案2所述的非织造纤维幅材，其中增强纤维是具有包含聚烯烃的外部护套的多组分纤维。
实施方案5是根据实施方案2所述的非织造纤维幅材，其中聚烯烃选自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯、聚萘二甲酸乙二醇酯以及它们的组合物。
实施方案6是根据实施方案1至实施方案5中任一项所述的非织造纤维幅材，其中非织造织物的厚度为2毫米至1厘米。
实施方案7是根据实施方案1至实施方案6中任一项所述的非织造纤维幅材，其中非织造织物的基重为30gsm至500gsm。
实施方案8是根据实施方案1至实施方案7中任一项所述的非织造纤维幅材，其中非织造织物的拉伸强度大于28kPa。
实施方案9是根据实施方案1至实施方案8中任一项所述的非织造纤维幅材，其中非织造织物通过了UL-94V0火焰测试。
实施方案10是根据实施方案1至实施方案9中任一项所述的非织造纤维幅材，其中非织造织物通过了燃烧测试。
实施方案11是根据实施方案1至实施方案10中任一项所述的非织造纤维幅材，其中多根无规取向的纤维的平均体密度为100kg/m3至1500kg/m3。
实施方案12是根据实施方案1至实施方案11中任一项所述的非织造纤维幅材，其中非织造纤维幅材在其松弛构型下在25℃下具有小于0.04W/K-m的导热系数。
实施方案13是根据实施方案1至实施方案10中任一项所述的非织造纤维幅材，其中多根无规取向的纤维含有0重量％至40重量％的增强纤维，该增强纤维具有包含熔融温度为100℃至350℃的(共)聚合物的外表面。
实施方案14是根据实施方案1至实施方案13中任一项所述的非织造纤维幅材，其中氧化聚丙烯腈纤维的中值有效纤维直径为5微米至50微米。
实施方案15是根据实施方案1至实施方案14中任一项所述的非织造纤维幅材，其中阻燃非织造织物包括竹纤维非织造材料、羊毛非织造材料、聚乙烯醇非织造材料或包含多根无规取向的纤维的非织造织物，其中该多根无规取向的纤维包含至少60重量％的氧化聚丙烯腈纤维以及0重量％至小于40重量％的增强纤维，该增强纤维具有包含熔融温度为100℃至350℃的(共)聚合物的外表面。
实施例
通过以下非限制性实施例，进一步示出了本公开的目的和优点，但在这些实施例中引用的材料及其量以及其它条件和细节不应视为对本公开的不当限制。
实施例中所用的材料
测试方法
根据以下试验方法对本发明的阻燃泡沫和非织造纤维幅材进行评估。
基重测试
称量10厘米×10厘米(面积为0.01平方米)方形样本，基重(BW)表示为样本重量与面积之比，以克/平方米(gsm)表示。
燃烧测试
使用直径为1厘米的火炬燃烧器(印度安巴拉的天然气公司艾斯科实验室基本本生燃烧器(Basic Bunsen Burner-Natural Gas，Eisco Labs，Ambala，India))进行燃烧测试。使用流量计(宾夕法尼亚州哈特菲尔德的布鲁克斯仪器公司(Brooks Instrument,Hatfield,PA)的SHO-RATE)控制70L/min的甲烷气体，使用柔性管(伊利诺伊州弗农希尔斯的科尔帕默公司(Cole-Parmer,Vernon Hills,IL)的EW-06424-76)将该流量计连接到火炬燃烧器。将火炬燃烧器置于O形环金属样本夹持器下方。O形环样本夹持器在工作台表面上方大约23厘米处。使用膨胀不锈钢金属片(3/4-#9，佐治亚州肯尼索的Direct Metals公司(Direct Metals,Kennesaw,GA))将样本放置在O形环上方。除非另外指明，否则按(OPAN稀松布)-(涂覆FR的泡沫或非织造材料)-(OPAN稀松布)的顺序将夹层结构铺设在金属片上，并且将T型热电偶放置在夹层结构的顶部上。将重约34克的金属环放置在整个构造体的顶部上，以使热电偶更好地与材料接触。用来自火炬燃烧器的明火加热样本，该火炬燃烧器的温度为800℃至850℃，并且在金属片下方7厘米处。以15秒至最多4分钟的间隔，然后以1分钟至最多6分钟的间隔记录热电偶温度。
制备性实施例1：APP和NaS溶液制备
按原样使用APP和NaS溶液。
制备性实施例2：将阻燃剂(FR)溶液涂覆到泡沫中
通过首先用水润湿泡沫以有利于阻燃剂(FR)添加剂的吸收，用APP溶液涂覆泡沫。将泡沫浸入去离子(DI)水中，然后用橡胶辊辊压以去除任何气泡。当样本仍然湿润时，倾注过量的FR溶液以浸泡到泡沫中。然后使用辊以足够的力辊压泡沫以去除夹带的空气并提高均匀度。然后将泡沫在室温下在烤箱中于流动氮气下干燥，直到它达到恒重。通过浸透并擦拭掉过量的溶液或浸透并随后用辊挤出过量的溶液来调节泡沫的涂布量。
制备性实施例3：将FR溶液涂覆到非织造材料中
将称量的NaS溶液直接倾注到非织造材料的顶部上，并使用沟槽状辊均匀铺展。由于吸热反应在低温下发生，因此将样本在环境条件下干燥，以获得最大防火性能。可应用50℃的适度加热以加速该过程。其他使水变干的方法，如超声波，也可辅助该过程，这在示例中没有使用到。由于辊涂期间的压缩操作，使用NaS溶液制备的所有样本的厚度显著减小。由于硅酸钠的高密度，样本的基重(BW)也显著增加。
制备性实施例4：OPAN稀松布的制备
通过无规梳理机对OPAN短纤维进行加工，如2017年11月10日提交的国际专利申请CN2017/110372和2018年7月23日提交的国际专利申请CN2018/096648中所述。将多层20gsm梳理成网的OPAN幅材进行针刺以形成目标BW稀松布，然后使用热压机在260℃和20吨压力下热压1分钟以实现可处理性。
比较性实施例1：稀松布材料和结构
通过夹入涂覆APP的黄色泡沫并进行如前所述的燃烧测试来比较不同的稀松布材料。如表1所示，OPAN稀松布优于行业常用的其他材料，包含玄武岩和GF。虽然所有材料本质上是不易燃的，但是由于两个主要原因，OPAN稀松布热阻隔性能更好。首先，能够有效地阻挡气体传导通过具有小孔的制品。这是无规取向的非织造稀松布的固有特性。第二，OPAN为有机材料并且因此具有低热导率。这表明OPAN稀松布可(1)防止芯材料与火焰紧密接触，同时(2)减缓热传递，以及(3)为芯材料提供结构支撑以有效地烧焦。
表1.使用不同的稀松布材料暴露于800℃火焰的涂覆APP的PVA泡沫的温度数据。样本的顺序为(稀松布)-(涂覆APP的黄色泡沫)-(稀松布)。
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实施例1：涂覆有APP溶液的PVA和OPAN非织造材料(NW)
使用如2017年11月10日提交的国际专利申请CN2017/110372以及2018年7月23日提交的国际专利申请CN2018/096648中所述的尖刺气流成网工艺对芯PVA和OPAN短纤维进行处理。表2汇总了每个样本的芯层组成和温度特征图。将所有样本夹置在两个120gsmOPAN梳理成网的幅材之间。夹置在OPAN稀松布之间的不具有任何FR添加剂的PVA NW未显示出明显的阻燃性能。用OPAN NW替换30％的PVA NW大幅改善了热稳定性和尺寸稳定性。
表2.PVA NW和不具有任何FR添加剂的PVA/OPAN NW的温度特征图。
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表3汇总了每个样本的芯层组成和温度特征图。与表2中的未涂覆的样本相比，夹置在OPAN稀松布之间的具有APP涂层的PVA NW显示出更好的阻燃特性。值得注意的是，与OPAN NW共混的PVA NW的性能与具有较少APP的PVA/APP样本的性能相当。
表3.PVA NW和涂覆有APP的PVA/OPAN NW的温度特征图。
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如果将掺入PVA NW芯层中的APP的量与PVA泡沫(黄色泡沫)进行比较，则显然NW可保持更多FR添加剂。例如，PVA泡沫平均为4克，并且添加8克至12克的APP以实现非常强的热阻隔特性，这导致基重达到1500gsm至2000gsm。相比之下，NW的重量为1.0克至1.5克，可添加8克至16克的APP以达到1,000gsm至1,700gsm的目标基重。因此，使用泡沫的有益效果是：(1)在机械上比NW更稳固，以及(2)样本之间的一致性更高。使用NW的优点是：(1)在涂覆FR之后非常薄，以及(2)与泡沫相比，具有相同的FR的量的情况下，BW更低。
实施例2：涂覆有APP溶液的天然纤维
考虑到良好的成炭剂(如PVA)通过用OPAN NW作为稀松布并用APP作为FR涂层示出优异的热阻隔特性，使用其他成炭材料(诸如竹纤维和羊毛)进行了额外的探索。两者均作为NW毡从外部源获得，并且如上所述用APP溶液涂覆。将所有样本夹置在两个120gsm OPAN梳理成网的幅材之间。与PVA NW类似，竹和羊毛两者在给定的夹心构造中均炭化良好。
表4.涂覆有APP的天然纤维的温度特征图。
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实施例3：涂覆有NaS溶液的PVA和OPAN NW
表5汇总了具有NaS溶液涂层的每个样本的温度特征图。将所有样本夹置在两个120gsm OPAN梳理成网的幅材之间。在下表5中，OPAN NW和PVA NW是指不具有NaS涂层的芯材料，而其他两个样本在幅材的每一侧(即，顶部和底部)上涂覆有15g NaS溶液。
表5.作为芯材料的纯OPAN和PVA NW和涂覆有NaS溶液的OPAN和PVA NW的温度特征图。
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实施例4：涂覆期间水含量的影响：OPAN NW
表6汇总了OPAN NW作为芯材料但使用不同浓度的NaS溶液的温度特征图。该组实验的目的是理解NaS含量相对于水含量的重要性。虽然向NaS溶液中添加更多的水可降低流体的粘度，并因此使得更容易地涂覆NW，但NaS的总浓度相应地降低。为了理解水含量对防火性能的影响，制备了三个样本并进行比较：(1)对照样本在芯NW的每一侧上使用30g的NaS，(2)用15g的水稀释45g的NaS溶液，然后分成两半以涂覆NW的每一侧(表示为较少NaS)，(3)使用与对照样本相同量的NaS溶液的同时，添加额外的30g水以降低粘度，但是保持掺入到幅材中的NaS的总量。将所有样本夹置在两个120gsm OPAN梳理成网的幅材之间。
表6.涂覆有不同浓度的NaS溶液的OPAN NW的温度特征图。
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如表6所示，通过改变涂层溶液的浓度，OPAN NW显示出的BW和热阻隔性能的差异很小或没有差异。这类似于先前在实施例3中的结论，其中由于不良的涂层质量，与PVA NW相比，OPAN具有相对较差的阻隔性能。为了确认表面化学(即，纤维的亲水性)的重要性，针对PVA NW设计了相同的实验。
实施例5：涂覆期间水含量的影响：PVA NW
表7汇总了PVA NW作为芯层但使用不同浓度的NaS溶液的温度特征图。将所有样本夹置在两个120gsm OPAN梳理成网的幅材之间。与OPAN NW作为芯材料的情况不同，通过向溶液中添加更多的水，PVA NW显示出更好的涂层质量和防火性能。这不仅更有效地促进溶液进入弯曲的幅材中，而且在辊涂过程中增加了更多的附接到幅材的NaS。与其他样本相比，粘度较低的PVA的样本具有最大NaS与NW的重量比，支持了纤维物质的亲水性的事实。虽然基于PVA的NW的隔热特性更好，但在选择最佳制品构型时需要考虑其他因素，诸如成本、BW、干燥时间等。
表7.涂覆有不同浓度的NaS溶液的PVA NW的温度特征图。
以上获得专利证书的申请中所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文以引用方式并入本文中。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求保护的本公开而给出的前述说明不应理解为是对本公开范围的限制，本公开的范围由权利要求及其所有等同形式限定。
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