專利名稱：高度吸音的濕法成形基底的制作方法
高度吸音的濕法成形基底相關(guān)申請的交叉參考根據(jù)35U. S. C. § 119(e)，本申請要求2007年8月29日提交的美國臨時(shí)申請序列 號(hào)60/966607的權(quán)益。發(fā)明背景
本發(fā)明主要涉及吸音和/或孤立(insular)建筑材料領(lǐng)域，更具體地涉及通過濕 法技術(shù)制備的這種建筑材料。常規(guī)的纖維基吸音基底，例如吸音天花板、墻壁和管道板面板可以濕法或干法成 形。通過濕法成形技術(shù)形成的吸音基底通常在配方內(nèi)摻入短的微細(xì)直徑的纖維。這些纖維 在脫水的重力下被壓實(shí)。本領(lǐng)域公知，壓實(shí)或包裝纖維對吸音性能具有反面影響。另外，常規(guī)的濕法成形的吸音基底配方要求顯著大量的纖維素纖維，例如紙纖維 摻入到基底配方內(nèi)，以便實(shí)現(xiàn)充足的濕法成網(wǎng)(wet-web)強(qiáng)度供材料常規(guī)地流經(jīng)濕法成形 的制備工藝。由于其化學(xué)、對水的親和力以及與水和本身的氫鍵鍵合的傾向，纖維素纖維 對濕法成形的纖維組合物具有致密化的影響，這反過來會(huì)限制可通過該材料實(shí)現(xiàn)的吸音水 平。至少由于上述原因，常規(guī)明智看法是，濕法成形的纖維基基底典型地受限于吸音能力?？朔ξ粜阅艿倪@一反面影響的一種常規(guī)的嘗試是添加低密度發(fā)泡材料到該 配方中。盡管這些低密度發(fā)泡材料提供產(chǎn)品松密度和厚度，這將有助于其吸音性能，但它 們占據(jù)了材料的孔隙，這反過來會(huì)限制可通過該材料能夠?qū)崿F(xiàn)的吸音水平。目前大多數(shù)吸 音的濕法成形的材料具有約90%的孔隙率，這一孔隙率反過來又提供約0. 75的降噪系數(shù) (NRC)值。一種廣泛使用的低密度發(fā)泡材料是珍珠巖。除了前面提及的對吸音的局限性以 夕卜，珍珠巖由于其微細(xì)的泡孔結(jié)構(gòu)和親水毛細(xì)管性能，因此也難以并緩慢地干燥。另外，目前的濕法成形的纖維基吸音結(jié)構(gòu)基本上由輪轉(zhuǎn)紡絲纖維，例如礦物纖維 組成(如果不是完全由其組成的話)，這些纖維會(huì)導(dǎo)致通常不具有撓性的不舒適且密度高， 即12-161b/ft3的基底。厚度典型地為1/2英寸到1英寸的這些基底發(fā)脆且容易斷裂。此 夕卜，濕法成形的基底不吸收沖擊能且在處理和/或安裝過程中容易彎曲和變形。這是采用 纖維基吸音基底的特殊問題，因?yàn)樗鼈兙哂凶銐虻偷拿芏葋韺?shí)現(xiàn)以上所述的有限的吸音特 征。與此同時(shí)，常規(guī)的干法成形的吸音纖維基基底不那么致密和高度吸音且能實(shí)現(xiàn)范 圍典型地為0. 80-1. 00的NRC值。遺憾的是，與干法成形的方法相容的粘合劑類型，其中包 括低成本的酚醛熱固性樹脂和其他比較昂貴的反應(yīng)性熱固性樹脂當(dāng)樹脂固化時(shí)，釋放出致 癌的甲醛。另外，這些干法成形的產(chǎn)品常常不均勻且差地成形。此外，這些樹脂具有有關(guān)的 工藝與環(huán)境問題。例如，樹脂沉積在加工設(shè)備上，從而要求頻繁停工和清潔設(shè)備。當(dāng)固化的 粘合劑置于熱或蒸汽下，沒有軟化和流動(dòng)時(shí)，粘結(jié)這種基底所使用的酚醛和其他熱固性樹 脂也不允許模塑和壓花基底。因此，需要具有迄今為止僅僅在干法成形的材料中實(shí)現(xiàn)了的高吸音性能且不具有 常規(guī)干法成形的材料的前述缺點(diǎn)的產(chǎn)品。發(fā)明概述
本發(fā)明是纖維基吸音基底的新的表現(xiàn)形式。更具體地，本發(fā)明是吸音的纖維基基 底，它包括旋轉(zhuǎn)紡絲纖維和輪轉(zhuǎn)(wheel)紡絲纖維的共混物，其中旋轉(zhuǎn)紡絲纖維與輪轉(zhuǎn)紡 絲纖維之比在約0.13 1到約3 1的范圍內(nèi)?；走€包括不含釋放甲醛的反應(yīng)性樹脂 的粘合劑。厚度為1/2英寸到1英寸的基底顯示出至少0. 80的NRC值，這一 NRC值是在借 助濕法成形的工藝成形的這一厚度的基底中迄今為止沒有實(shí)現(xiàn)過的。
本發(fā)明還包括高度吸音的濕法成形的基底的生產(chǎn)方法。該方法包括下述步驟在 含水淤漿內(nèi)分散旋轉(zhuǎn)紡絲纖維，該淤漿的分散稠度為最多3. 5wt%，和優(yōu)選小于或等于2%; 混合該含水淤漿，實(shí)現(xiàn)均勻的含水混合物；在形成網(wǎng)眼的篩網(wǎng)輸送器上分配該均勻的含水 混合物；使均勻的含水混合物脫水，形成濕墊；和干燥該濕墊，形成吸音基底。利用旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的尺寸、形貌和取向，可由非常稀的，即低稠度的含水分散體形 成基底。稀的含水分散體對于提供可加工的含水混合物來說是根本的。這反過來可借助濕 法成形工藝提供高度吸音、很好地成形且均勻的吸音纖維基基底。與常規(guī)的濕法成形的纖維基基底相比，本發(fā)明的基底密度低得多，且更加高度多 孔，因?yàn)樾D(zhuǎn)紡絲纖維提供蓬松的體積和結(jié)構(gòu)完整性，阻礙了在成形工藝中，尤其在前面提 及的脫水步驟中的壓實(shí)和致密化。更具體地，在濕法成形的礦物纖維瓷磚(tile)內(nèi)迄今為止可實(shí)現(xiàn)的最高孔隙度 為89%，從而得到約0. 75的NRC值。相反，本發(fā)明的玻璃纖維吸音面板的孔隙度值范圍為 約93% -約97%，且能實(shí)現(xiàn)范圍為約0. 80-1. 00的NRC值。此外，旋轉(zhuǎn)紡絲纖維顯著增加結(jié) 構(gòu)體制備濕法成網(wǎng)網(wǎng)狀物的強(qiáng)度和蓬松度，這是迄今為止沒有摻入低密度分配材料到配方 內(nèi)實(shí)現(xiàn)不了的。而且，本發(fā)明提供迄今為止不可能實(shí)現(xiàn)的濕法成形的結(jié)構(gòu)體，其重量較輕， 更加具有彈性，可壓實(shí)和在處理與安裝時(shí)所產(chǎn)生的力。另外，相對于酚醛或丙烯酸類粘結(jié)、干燥成網(wǎng)的高孔隙度的礦物纖維或玻璃纖維 產(chǎn)品，本發(fā)明的纖維狀濕法成形的基底在吸音性能方面相當(dāng)，但成形質(zhì)量顯著更好，密度、 均勻度和強(qiáng)度更加均勻。此外，本發(fā)明克服了常規(guī)的干法成形的基底的缺點(diǎn)，因?yàn)樵摶卓?采用熱或者采用熱和蒸汽，容易模塑和壓花。附圖簡述

圖1是闡述礦渣氧化鋁_硅酸鹽礦物纖維的纖維直徑分布的圖表。圖2是闡述C型纖維玻璃的纖維直徑分布的圖表。圖3是旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的SEM顯微照片。圖4是闡述增加的紡絲纖維取代對吸音影響的圖表。圖5是闡述增加的紡絲纖維取代對孔隙度影響的圖表。圖6是闡述孔隙度和吸音之間的線性關(guān)系的圖表。圖7是闡述紡絲纖維取代和分散體的稠度對孔隙度影響的圖表。圖8是闡述紡絲纖維取代和分散體稠度對孔隙度影響的另一圖表。圖9是闡述紡絲纖維取代和分散體稠度對斷裂強(qiáng)度(MOR)的影響的圖表。圖10是闡述紡絲纖維取代和分散體稠度對剛度(MOE)影響的圖表。發(fā)明詳述術(shù)語“濕法成形的基底”此處是指通過濕法成形技術(shù)形成的基底。另外，術(shù)語“旋 轉(zhuǎn)紡絲纖維”此處是指通過孔隙擠出的纖維。
常規(guī)的濕法成形技術(shù)包括在混合腔內(nèi)在3. 5%固體稠度以上的含水淤漿中分散纖 維。使用較大的推進(jìn)器，保持纖維分散并賦予含水淤漿均勻的含水混合。典型的含水淤漿配 方包括約60%輪轉(zhuǎn)紡絲纖維，10%纖維素纖維，25%珍珠巖，和5%粘合劑(膠乳或淀粉)。 隨后泵送含水淤漿到Fourdrinier的流料箱內(nèi)，或者Oliver型成形機(jī)中和形成網(wǎng)眼的篩網(wǎng) 輸送器上。然后例如通過自由排放，使含水淤漿脫水。在自由排放之后，可采用真空和/或 壓縮，進(jìn)一步除去水。然后用高壓水射流，切割濕的材料成單獨(dú)的墊子，并將墊子負(fù)載在輸 送器的對流干燥機(jī)內(nèi)，在此加熱它們直到干燥。調(diào)整干燥的墊子，并上漆和整理成裝飾性吸 音基底。
可使用以上所述的相同或類似的濕法成形技術(shù)來形成本發(fā)明。然而，本發(fā)明使用 在濕法成形工藝中迄今為止沒有使用過的稠度分散體和配方。更具體地，顯著較低的分散 體稠度和旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的取代對于提供可加工的含水混合物和最終具有所需參數(shù)的濕法 成形的基底來說是根本的。旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的常規(guī)實(shí)例是玻璃纖維，其非常規(guī)的旋轉(zhuǎn)紡絲纖 維的實(shí)例是 Bio-Mineral 礦物棉，其獲自于 OWA (OdenwaldFaserplattenwerk GmbH)。圖1和2以及下表1闡述了旋轉(zhuǎn)紡絲纖維和輪轉(zhuǎn)紡絲纖維的顯著的尺寸差異。為 了闡述的目的，展示了輪轉(zhuǎn)紡絲的礦物棉和旋轉(zhuǎn)紡絲的玻璃纖維的數(shù)據(jù)。表 1 圖1的圖表闡述了對于礦渣氧化鋁-硅酸鹽礦物纖維(它是一種輪轉(zhuǎn)紡絲型纖 維)來說，典型的纖維直徑分布。圖2的圖表闡述了對于C型玻璃纖維(它是旋轉(zhuǎn)紡絲型 纖維)的典型的纖維直徑分布。如圖2所示，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的直徑大于5微米。與旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的尺寸特征一起，來自于紡絲工藝的形貌和取向同樣對纖維可賦 予基底的巨大的蓬松度和體積來說是根本的。圖3的SEM顯微照片清楚地表明，存在顯著 大量的彎曲和卷曲纖維和縱向多纖維束。這些特征有助于非織造結(jié)構(gòu)的ζ方向結(jié)構(gòu)，和結(jié) 構(gòu)完整性，以抵抗成形工藝，尤其濕法成形工藝中脫水步驟中的壓實(shí)和致密化。因此，低密 度的高度多孔的吸音結(jié)構(gòu)。若在濕法成形的產(chǎn)品中摻入來自孤立、導(dǎo)管板或其他產(chǎn)品的再 生的后工業(yè)或后消費(fèi)的旋轉(zhuǎn)紡絲纖維，則粘結(jié)區(qū)域或回收材料的纖維束還提供蓬松的體積 和抗壓實(shí)性。有利的是避免這些區(qū)域在新產(chǎn)品的紡絲和成形工藝中斷裂。下表2提供關(guān)于旋轉(zhuǎn)紡絲纖維取代輪轉(zhuǎn)紡絲纖維的進(jìn)一步的數(shù)據(jù)。測量各自的密度，和測量各自的吸音在125-5000Hz范圍內(nèi)。計(jì)算每一材料的％孔隙度，4個(gè)頻率下的平均 吸收(4FAvg)和降噪系數(shù)(NRC)。4FAvg是在250-500-1000和2000Hz下測量的吸收平均 值且是吸音纖維基基底領(lǐng)域中眾所周知的。表 2 所有測量采用6%淀粉/5%漿化新聞紙粘結(jié)。圖4-6包含的圖表闡述了增加的玻璃纖維比例對吸音和％孔隙度以及孔隙度與 吸音之間的明顯線性關(guān)系的影響。更具體地，圖4含有闡述增加的紡絲纖維取代對吸音影 響的圖表。圖5含有闡述了增加的紡絲纖維取代對孔隙度的影響的圖表。圖6含有闡述孔 隙度和吸音之間的線性關(guān)系的圖表。以下進(jìn)一步闡述了分散體稠度的重要性。對吸音基底的濕法成形工藝進(jìn)行了數(shù)個(gè) 調(diào)節(jié)或改變，以便制備本發(fā)明。旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的低稠度的分散體對于形成最佳強(qiáng)度和剛度 的滿意的高度多孔的產(chǎn)品來說是重要的。盡管許多濕法成形的產(chǎn)品由稀分散體(例如，紙 張、玻璃纖維稀松布和墊片(gasket))形成，但吸音的纖維基基底最常見地由稠度范圍為 3. 5-5%的含水淤漿形成。這是為了在經(jīng)濟(jì)的線速度下傳輸板厚所要求的基重。對于本發(fā) 明來說，要求較低的稠度，確保長的旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的充分分散并避免在自身上折疊的纖維， 即打結(jié)(nodulate)，而打結(jié)會(huì)削弱材料的強(qiáng)度、完整度和吸音性能。正如以下實(shí)施例所示， 可使用小于或等于2%的分散體稠度。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)紡絲纖維取代和形成稠度及其對孔隙度、強(qiáng)度和剛度影響的手抄紙 (hand-sheet)研究。手抄紙研究所使用的旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的類型是玻璃纖維。如表3所示，在含水淤漿配方1-3內(nèi)，分別在10%、17. 5%和25%的水平下，玻璃纖維取代輪轉(zhuǎn)紡絲的礦 物棉。表3 手抄紙基重保持恒定在0. 801b/ft2下。在三種分散體稠度，亦即1%、2%和3% 下形成每一配方的材料。圖7-10闡述了結(jié)果。圖7是在10、17. 5和25%玻璃纖維(旋轉(zhuǎn)紡絲纖維)取代 下，孔隙度對分散體稠度的分布圖表。圖8是在1、2和3%的分散體稠度下，孔隙度對玻璃 纖維(旋轉(zhuǎn)紡絲纖維)取代的分布圖表。圖9是在10、17.5和25%玻璃纖維(旋轉(zhuǎn)紡絲 纖維)取代下，斷裂模量(MOR)，即斷裂強(qiáng)度對分散體稠度的分布圖表。圖10是在10、17. 5 和25%玻璃纖維(旋轉(zhuǎn)紡絲纖維)取代下，彈性模量(MOE)，即剛度對分散體稠度的分布圖 表。圖7闡述了隨著玻璃纖維取代增加，孔隙度增加。圖8闡述了分散體稠度對孔隙度 的影響稍微有點(diǎn)微妙且在一定程度上取決于配方內(nèi)的玻璃纖維含量。更具體地，在17. 5% 和25%的玻璃纖維取代輪轉(zhuǎn)紡絲的礦物棉時(shí)，2%的分散體稠度是最佳的。而在10%玻璃 纖維取代下，的分散體稠度得到具有較高孔隙度的產(chǎn)品。圖9和10示出了當(dāng)分散體稠 度下降和玻璃纖維的取代百分?jǐn)?shù)增加時(shí)，實(shí)現(xiàn)纖維基基底的最佳強(qiáng)度和剛度。應(yīng)當(dāng)注意為了比較目的，摻入太高含量的旋轉(zhuǎn)紡絲纖維，即在高的分散體稠度下， 高的旋轉(zhuǎn)紡絲纖維取代輪轉(zhuǎn)紡絲纖維將得到太粘稠的高度粘稠的懸浮液，以致于無法得到 很好地成形的產(chǎn)品。更具體地，難以泵送和傳輸這種懸浮液到成形流料箱中，且懸浮液材料 堵塞管道和泵?？刹捎酶吲ぞ氐耐七M(jìn)器，在懸浮液內(nèi)混合固體，直到纖維成球，即打結(jié)，然后 泵送到線材上，然而所得基底的密度較高和孔隙度較低，于是不滿足0.80的NRC閾值。另 夕卜，濕墊在很小的完整度下很差地氈制，從而導(dǎo)致相對弱的容易損壞的產(chǎn)品。通過本發(fā)明組合物形成的濕墊因其高的孔隙度和疏水性質(zhì)導(dǎo)致更加快速地且采 用比常規(guī)的濕法成形的礦物纖維配方較少的能量干燥。如前所述，具有高的礦物纖維含量 的常規(guī)濕法成形的天花板面板要求大量的纖維素紙張纖維和/或珍珠巖含量提供充足的 濕法成網(wǎng)強(qiáng)度和剛度以供產(chǎn)品流經(jīng)造紙工藝。珍珠巖是在常規(guī)的濕法成形的礦物纖維的天 花板面板內(nèi)賦予蓬松度的最常見的載體。濕的珍珠巖因微細(xì)的完整泡孔結(jié)構(gòu)和通常的親水 性導(dǎo)致非常困難且緩慢地干燥。相反，在生產(chǎn)工藝過程中，本發(fā)明不要求珍珠巖或纖維素纖維維持蓬松度和防止 濕墊折疊。旋轉(zhuǎn)紡絲纖維借助其長度、直徑和卷曲的形狀提供大的蓬松度和充足的濕法成 網(wǎng)強(qiáng)度和剛度。另外，由于通過在混合物內(nèi)使用旋轉(zhuǎn)紡絲纖維實(shí)現(xiàn)的顯著大的蓬松度，因此 要求較低的材料基重產(chǎn)生給定的厚度。因此，對于給定的含濕量百分?jǐn)?shù)來說，較小的水負(fù)載傳輸?shù)礁稍餀C(jī)中，反過來，產(chǎn)品將更加快速地干燥，從而有效地降低制造成本。
盡管參考優(yōu)選的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員要理解，可在沒有 脫離本發(fā)明范圍的情況下，作出各種變化，和可用等價(jià)物替代其元素。另外，可在沒有脫 離本發(fā)明的基本范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，作出許多改性，以適應(yīng)特定的情形或材 料。因此，本發(fā)明不限于所隔開的特定實(shí)施方案作為認(rèn)為實(shí)施本發(fā)明最好的模式，相反本發(fā) 明包括落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案。
權(quán)利要求
高度吸音的濕法成形的基底的生產(chǎn)方法，該方法包括下述步驟(a)在含水淤漿內(nèi)分散旋轉(zhuǎn)紡絲纖維，該淤漿的分散體稠度為最多3.5wt％；(b)混合含水淤漿，實(shí)現(xiàn)均勻的含水混合物；(c)在形成網(wǎng)眼的篩網(wǎng)輸送器上分配該均勻的含水混合物；(d)使均勻的含水混合物脫水，形成濕墊；和(e)干燥該濕墊，形成吸音基底。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所得吸音基底的NRC值為至少0.80。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所得吸音基底的孔隙度為大于或等于約93%。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(a)中，在含水淤漿中分散粘合劑，其中粘合劑不包 括釋放甲醛的反應(yīng)性樹脂。
5.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(a)中，輪轉(zhuǎn)紡絲纖維分散在含水淤漿內(nèi)。
6.權(quán)利要求5的方法，其中旋轉(zhuǎn)紡絲纖維與輪轉(zhuǎn)紡絲纖維之比在約0.13 1-約3 1 的范圍內(nèi)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(a)中，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的直徑大于5微米。
8.權(quán)利要求7的方法，其中在步驟(c)-(e)中，旋轉(zhuǎn)紡絲纖維提供充足的濕法成網(wǎng)強(qiáng) 度，以加工含水混合物。
9.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(a)中，旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的重均長度范圍為 1. 2-1. 4mm。
10.權(quán)利要求1的方法，其中含水淤漿的分散體稠度為小于或等于約2.0wt%。
11.一種中間吸音纖維基產(chǎn)品，它包括含孤立型旋轉(zhuǎn)紡絲纖維和水的組合物，該組合物 的分散體稠度為最多3. 5wt%。
12.權(quán)利要求11的方法，其中含水淤漿的分散體稠度為小于或等于約2.0wt%。
13.權(quán)利要求11的中間產(chǎn)品，其中所述組合物能得到NRC值為至少0.80的基底。
14.權(quán)利要求11的中間產(chǎn)品，其中組合物包括不釋放甲醛的反應(yīng)性樹脂的粘合劑。
15.權(quán)利要求11的中間產(chǎn)品，其中組合物包括輪轉(zhuǎn)紡絲纖維。
16.權(quán)利要求15的中間產(chǎn)品，其中孤立型旋轉(zhuǎn)紡絲纖維與輪轉(zhuǎn)紡絲纖維之比在約 0. 13 1-約3 1的范圍內(nèi)。
17.權(quán)利要求11的中間產(chǎn)品，其中大多數(shù)孤立型的旋轉(zhuǎn)紡絲纖維的直徑大于5微米。
18.一種吸音的纖維基基底，它包括旋轉(zhuǎn)紡絲纖維和輪轉(zhuǎn)紡絲纖維的共混物，其中旋轉(zhuǎn)紡絲纖維與輪轉(zhuǎn)紡絲纖維之比在約 0. 13 1-約3 1的范圍內(nèi)；和具有不釋放甲醛的反應(yīng)性樹脂的粘合劑； 其中基底顯示出至少0. 80的NRC值。
19.權(quán)利要求15的吸音的纖維基基底，其中基底的孔隙度大于或等于約93%。
20.權(quán)利要求15的吸音的纖維基基底，其中大多數(shù)旋轉(zhuǎn)的紡絲纖維的直徑大于5微米。
全文摘要
主要由孤立型紡絲纖維或這種纖維和輪轉(zhuǎn)紡絲纖維的共混物組成的吸音纖維基基底。用水可分散的膠乳粘合劑，或淀粉結(jié)合纖維素纖維粘結(jié)該纖維。孤立型紡絲纖維可是第一質(zhì)量來源、后工業(yè)廢物物流或后消費(fèi)的廢物物流纖維。在形成網(wǎng)眼的篩子上，與在Fourdrinier造紙機(jī)上一樣，由非常稀的含水分散體濕法成形基底。借助孤立型紡絲纖維的尺寸、形貌和取向，可由足夠稀釋的分散體形成非常低密度的濕墊。低密度和高度多孔的基底是高度吸音的，從而顯示出大于或等于約0.80的降噪系數(shù)，NRC值。
文檔編號(hào)B29C67/24GK101842331SQ200880113566
公開日2010年9月22日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月29日
發(fā)明者A·L·維克, R·C·加爾曼 申請人:阿姆斯特郎世界工業(yè)公司