用于制造鬃毛子组件的方法和设备

发明的领域

本发明涉及制造具有有聚合物长丝附着其上的基线的聚合物鬃毛 子组件的方法和设备，且涉及其中聚合物长丝鬃毛相互连接而没有基 线的聚合物鬃毛子组件。

发明的背景

在1995年11月18日颁布的Mokhtar等人的美国专利5,470,629、 1996年8月20日颁布的Edwards等人的美国专利5,547,732、1996 年3月12日颁布的Mokhtar等人的美国专利5,498,459、1995年12 月5日颁布的Edwards等人的美国专利5,472,762和1997年2月20 日公开的Agreen等人的No.97/06003中给出了多种制造长形束状物 件的方法，该物件具有一有多根丝束附着其上的支撑线股或基线，适 用于制造地毯。这些工艺要求有聚合物长丝的基线或支撑线股，在对 其进行加工形成该物件时使丝束或长丝的绕丝沿一芯轴运动。在一种 较好的组装这种物件的超声波粘结方法中，这种方法的一个限制是粘 结装置必须输出穿过丝束或单丝的绕丝到达其与支撑线股接触界面的 振动能，产生加热作用并部分熔化该线股和(或)绕丝。然而，由于 绕丝丝束或长丝的大部分横截面一般小于支撑线股的横截面，所以输 出到绕丝和支撑线股间界面上的粘结能必须精确控制在给定的粘结窗 内，以在绕丝和支撑线股的界面产生表面熔化，同时避免过度加热丝 束和长丝的绕丝，以致于损坏或切断它们。小直径丝束或长丝的绕丝 可能表现为粘结窗窄小或甚至不存在，造成工艺不稳定或不令人满意。 这些工艺的另一个限制是在粘结步骤部分熔化期间，支撑线股必须保 持足够的强度，以在该工艺中输送该物件。支撑线股必须具有足够大 的横截面或具有护套/内芯结构，内芯为高熔点材料，在该工艺中处于 张力下和发生熔化时不折断。

因此现在需要这样工艺和设备，其中对支撑线股或基线的要求降 低，允许采用各种规格和类型的基线来制造鬃毛子组件。

发明的摘要

一种制造聚合物鬃毛子组件的连续方法所采用的步骤如下：

(1)通过围绕至少有三个侧面的芯轴的轴线缠绕至少一根聚合物 长丝而连续形成聚合物长丝的绕丝，该芯轴在各角具有在芯轴的外角 上大体沿芯轴轴身延伸的活动线缆支撑，能够支撑绕丝的聚合物长丝 并使其沿芯轴的大体整个轴身运动；

(2)将聚合物长丝的绕丝之外的至少一根基线根据需要供给到芯 轴上所选定的部分，例如芯轴的角或侧面，形成该子组件，而聚合物 长丝的绕丝同时沿芯轴的轴身的至少一部分运动；

(3)通过压迫基线使其与聚合物长丝的绕丝接触，并同时给基线 和聚合物长丝的绕丝施加能量，而将该基线与聚合物长丝的绕丝粘结 在一起；和

(4)在下游的某点处切开聚合物长丝的绕丝，在该处聚合物长丝 与基线粘结，形成至少一个具有至少一排与至少一根基线相连的长丝 段的鬃毛子组件。

制造该子组件的设备也是本发明的一部分。本发明的其它方面是 这样一种制造鬃毛子组件的连续方法，其中省略基线，而绕丝的长丝 通过采用某种能量源相互粘结，或采用聚合物珠将长丝粘结在一起， 或采用溶剂或粘接剂将聚合物长丝粘结在一起，以制成鬃毛子组件。

图的简要说明

图1是表示形成典型的鬃毛子组件的方法的示意图；

图2是表示形成典型的鬃毛子组件的设备的投影图；

图3是无头支撑线缆的运行路径图；

图4是芯轴的详图；

图5是在水平截面5-5处芯轴的细节；

图6是超声发声装置的侧视图；

图7是超声发声装置的前视图；

图8是超声发声装置夹持住基线使其与绕丝相接触的截面图；

图9是用本发明方法制成的典型鬃毛子组件的透视图；

图10是用四侧面芯轴制成并在芯轴的两相对侧面切开的双基线鬃 毛子组件的截面图；

图11是另一个双基线鬃毛子组件的截面图，它采用图12所示工 艺，利用相邻的一对基线并在该对基线之间切开；和

图12是采用成对基线方法的示意图。

发明的详细说明

本发明涉及通过围绕至少具有三个侧面而最好具有四个侧面的芯 轴形成聚合物长丝的绕丝来制造鬃毛子组件的连续工艺。至少有这样 一个支撑线缆，它使聚合物长丝的绕丝沿芯轴的实际轴身运动；在芯 轴的各个角上最好均设置一个无头支撑线缆。在本发明的优选实施例 中，自绕丝机构移动开的无头支撑线缆，设置在芯轴的各个外角上， 并沿该角延伸，而通过向下延伸进入芯轴对角相反表面上的凹槽以相 反方向返回。对于单基线鬃毛子组件，或在芯轴的一个侧面或于芯轴 的一个角，至少一根基线自聚合物长丝的绕丝之外供给。对于其它的 鬃毛子组件，可以至少有一根基线设置在芯轴的至少一个侧面上。基 线的数目和位置取决于所制造的鬃毛子组件的类型。就在基线要与芯 轴上绕丝的聚合物长丝粘结之处前面的一点，该基线与绕丝的长丝保 持直接接触，而绕丝的长丝沿着芯轴的轴身运动，且通过给基线施加 能量，通常是超声波能，至少部分熔化基线和(或)绕丝的长丝，使 基线粘结到绕丝的长丝上。在本发明的一个实施例中，绕丝的长丝在 下游的某点处切开，在该处基线粘结，形成了具有连接到基线的两排 长丝段的多个鬃毛子组件。其它子组件可以借助本发明的工艺制成， 如下所述。

用作基线的长丝的直径为50～5000微米，用作绕丝的长丝的直径 为12～5000微米。

基线可以是一束长丝，其中该束的至少一根长丝是热塑聚合物的 单丝，而其余的长丝可以是天然纤维，例如棉花、黄麻、大麻或类似 物质，或非热塑材料的人造长丝，例如玻璃纤维。或者，该基线也可 以是一束天然纤维或非热塑材料纤维。当基线由天然纤维或非热塑材 料纤维组成时，绕丝的长丝必须用热塑聚合物制成，以利用热能产生 粘结。当粘结手段是粘接剂或采用热塑珠时则不要求绕丝的长丝必须 是热塑聚合物。

基线和绕丝的聚合物长丝通常是热塑聚合物的单丝。典型的适用 热塑聚合物是脂族聚酰胺、芳族聚酰胺、聚酯类、聚烯烃类、聚苯乙 烯类、苯乙烯共聚物、聚氯乙烯、含氟聚合物、聚氨脂类或偏聚氯乙 烯。也可以采用以上聚合物的共挤材料，通过组合各个聚合物各自的 性能来强化鬃毛子组件的性能。

聚胺脂、诸如耐纶4、耐纶6、耐纶11、耐纶12、耐纶6，6、耐 纶6，12、耐纶6，14、耐纶10，10和耐纶12，12用于毛刷的鬃毛是 最好的。对于用作牙刷的鬃毛，耐纶6，12(polyhexamethylene dodecane amide)最好，因为它具有优良的柔性、弯曲回复和耐磨性能。

已经发现适用于鬃毛的聚酯类材料包括聚对苯二甲酸丁二脂和聚 对苯二甲酸乙二脂，其中特别优选前者。在众多可用于制造鬃毛的聚 烯烃材料中，聚丙烯有较好的适用性。

一般，用作绕丝的单丝中含有添加剂，如磨料、着色剂、诸如铝 粉和纤维素薄膜的反光颗粒、治疗用制剂、抗微生物制剂及其混合物， 基于单丝的重量，含量为0～50％(重量百分比)，最好是0.1％～40 ％(重量百分比)。典型的适用磨料颗粒如下：硅胶铝、碳化硅、氧 化铝、矾土锆氧、二氧化硅、硅酸钠铝、立方氮化硼、柘榴石、浮石、 金刚砂、云母、石英、钻石、碳化硼、熔融镁砂、烧结镁砂、胡桃壳 及其任何混合物。

絮片颗粒可以基于单丝重量0.2％～5.0％(重量百分比)的量加 入到用于绕丝的单丝中。优选的絮片颗粒是铝和纤维素薄膜絮片。铝 有极佳的反光性能，它改善它在长丝中的可见度。它价格低廉，以薄 膜和絮片的形式随处可得，且使用安全。已经证实铝粉可以接触食品， 所以在牙刷中优选使用。这些絮片最好通过用模具切割铝箔或纤维素 薄膜片制成。

连续制造鬃毛子组件的设备也是本发明的一部分。该设备由以下 组成：

(1)一根芯轴，具有至少三个侧面，在各角具有在芯轴的外角上 沿芯轴轴身至少一部分运动的活动支撑线缆；

(2)一缠绕装置，用于绕该芯轴的轴线连续缠绕聚合物长丝，形 成长丝的绕丝；其中该绕丝受到支撑线缆的支撑，并沿至少一部分芯 轴轴身运动；

(3)一个装置，用于根据要求将长丝的绕丝外的至少一根基线供 给到芯轴的选定部分，以形成选定的鬃毛子组件，同时聚合物长丝的 绕丝借助支撑线缆沿着至少一部分芯轴轴身运动；

(4)一个通过压迫基线使其与绕丝的长丝接触并同时给该基线和 绕丝的长丝施加能量而连续使基线和绕丝的长丝粘结在一起的装置； 和

(5)一个用于在下游的某点切开聚合物长丝绕丝的装置，在该处 绕丝的长丝与基线粘结在一起形成至少一个具有至少一排连接到至少 一根基线的长丝段的鬃毛子组件。

用于将基线和绕丝的聚合物长丝粘结在一起的装置最好是来自超 声发声装置的声波能源，它能施加足够的能源，使基线和绕丝的聚合 物长丝两者或至少其中之一部分熔化。超声发声装置的位置靠近芯轴， 并构成一个孔，足以允许基线和长丝的绕丝通过并使基线与长丝的绕 丝保持接触，且不允许基线自己重新定位。

以下是该设备的优选实施例：

在芯轴上进行加工时，长丝的绕丝用无头线缆传送。各线缆的运 动是同步的，以使长丝的绕丝和线缆间获得最佳的正交角度。优选的 线缆结构是直径为1/32、1/64或1/16英寸的，7×7钢丝绳。该7×7 钢丝绳易于捻接，可以制成直径均匀的无头线缆，且最重要的是不存 在可能在鬃毛子组件中造成重复缺陷的表面变化。另外，7×7结构具 有良好的柔韧性，允许在芯轴底部使用小直径滑轮，而对线缆的寿命 没有显著的不良影响。其它适用于无头线缆的材料是大口径单丝，例 如那些用于草坪和花园的线绳修剪装置；以及Kerlar编织软绳。

缠绕装置在控制张力下利用至少一根单丝连续形成绕丝，并绕芯 轴的轴线转动，形成一个首先与无头线缆相接触而后与基线接触的长 丝绕丝。

一基线设置在四侧面芯轴的各角上位于长丝绕丝外侧，而无头支 撑线缆在一个角沿芯轴的轴身延伸，自构成芯轴角的两个侧平面交界 处向外凸出，而在芯轴该角的对角侧面上是在芯轴的凹槽内以相反方 向延伸，因此不从芯轴侧面的平面凸出。

或者，至少一根，最好两根基线置于四侧面芯轴的各侧面上位于 长丝绕丝外侧，而无头支撑线缆在各角沿芯轴的轴身延伸，而在芯轴 该角的对角侧面上是在芯轴的凹槽内以相反方向延伸。

下面是图1-12的详细说明，其中给出了本发明的方法、设备和 所得到的产品。

图1给出本发明工艺优选实施例的示意图，长丝1自一线轴通过 一张紧装置(未示出)供给，并借助缠绕机2连续缠绕在四侧面芯轴5 上，在芯轴5上形成连续的绕丝6。所采用的是对在此引用作为参考的 美国专利US5,547,732的传统缠绕机进行了改进的高速缠绕机。

可以是金属丝或适用的聚合物缆绳的线缆(最好是无头支撑线缆) 4沿芯轴面上的槽7a向下延伸，其方向由滑轮3a反转，而后该线缆向 上延伸到芯轴的角7b，并使绕丝6沿芯轴5的轴身运动。线缆4在槽 7c中转向并向下延伸到芯轴5的背面，并再次由滑轮3b转向并向上延 伸到芯轴的角7d，支撑绕丝并使绕丝沿芯轴5的轴身运动。无头支撑 线缆4a(未示出)与线缆4同步，并同样地设置在芯轴其余的两个角， 且在芯轴相对侧面上的槽内延伸。第二无头线缆需要滑轮(未示出) 来改变或反转无头线缆4a的方向。

基线8a、8b、8c和8d通过相应的导管13a、13b、13c和13d供 入芯轴15的各侧面，最好如图1所示供给到芯轴5的各角，并与绕丝 6接触。超声波组件9a、9b、9c和9d固定住基线8a～d使其与绕丝6 接触，并提供足够的能量使基线和绕丝，或者至少其中之一熔化并将 两者粘结在一起。一般，将热塑聚酰胺单丝基线粘结到绕丝长丝上用 0.1~0.5焦耳的能量。

随着绕丝的长丝与基线粘结并沿着芯轴5的轴身前进，绕丝的长 丝由切割工具10a和10b切成多个鬃毛子组件11a、11b、11c和11d。 设置在与切割工具10a和10b相反方向的芯轴相反侧的切割工具未示 出。随后，鬃毛子组件11a~d缠绕在线轴上，并可用于制作诸如刷子， 特别是牙刷的物品。

图4给出了为切割工具的刀片起辅助作用，一般称作床刀的槽22。 各切割工具是转动切割刀片，且各刀片与芯轴侧面上的床刀相交叉， 在刀片的各侧面有约0.25mm的间隙。刀片可以为0.8~1.6mm厚，在周 边有带20～40°夹角的锋利刀刃，可用各种材料制成，如可自新汉普 郡Cenler Conway的Ceramco公司得到的用ittria稳定的氧化锆。

图2是制造鬃毛子组件所用设备的投影图。芯轴5设置为使芯轴5 的纵向中心线与缠绕机2的转向轴线是一条直线。基线8a和8b通过 由支撑装置23a、23b、23c和23d固定的导管13a、13b供入。图中仅 示出了两根基线8a和8b及相应的导管。导管在输出端弯曲，将基线 自水平逐渐地过渡到垂直方向。芯轴和离开导管的基线之间的角度不 大于45°，且最好是小于30°，以改善基线进入超声发声装置和绕丝 长丝界面的轨迹。

基线8a和8b在超声发声装置16a和16b的表面和以聚合物长丝 的绕丝6缠绕的角部线缆之间牵引。在基线和绕丝的长丝输送通过振 动发声装置尖端时，通过使振动发声装置尖端的前接触表面压靠在基 线上，将能量自超声波组件9a和9b传送到基线8a、8b和绕丝6的长 丝。

各超声波组件9a和9b包括三个主要部件。超声变换器14a和14b 将电能转换为纵向振动的机械能(动能)。超声波增益器15a和15b 是可以或增大或减小纵向振动振幅的机械放大器。结构最佳化的发声 装置16a和16b将振动能传递给通过该发声装置的长丝。超声波组件9a 和9b由支撑装置23a~d固定在位。施加到各发声装置上的力由一气动 气缸控制，可在通过发声装置和芯轴间的基线和绕丝的长丝上产生压 力(一般为2.2~22.0Kg)。

切割工具组件18a和18b分别安装在活动底板19a和19b上，切 割工具10a和10b将粘结到基线上的绕丝切开，形成鬃毛子组件11a 和11b。鬃毛子组件11a和11b越过相应的辊子26a和26b，而后缠绕 在未示出的线轴上。该辊子是无驱动的转动圆柱体，将鬃毛子组件的 方向自垂直转为水平或任何其它角度。对于四个鬃毛子组件只需要两 个圆柱形辊子，它们与芯轴平行布置并相间足够的距离，使得逐渐逼 近的鬃毛子组件的垂直中心线与芯轴保持平行并和在芯轴上运行向上 的无头线缆相抵。

图3是两条无头支撑线缆运行路径的详图。无头支撑线缆4由有 电机驱动的滑轮20驱动，并通过定滑轮3d和3f和动滑轮3e的张紧 系统运行，动滑轮3e是自动调节的以使支撑线缆4保持预定张力。线 缆4越过改变线缆运行方向的滑轮3g运行，并使其对准芯轴5表面上 的槽7c。滑轮3b反转线缆4的方向，并保持与芯轴5后部的槽7b对 准。滑轮3i反转线缆的方向，并对准线缆，使其运行在芯轴5的槽7a 和7b内。滑轮3a反转线缆的方向并对准线缆使其运行在芯轴5的角 槽7d内，且随后越过对中滑轮3j和3k，返回主动滑轮20。对于在未 被上述线缆4所包括的芯轴相对角上运行的第二无头支撑线缆，采用 了类似的无头支撑线缆、滑轮系统、运行路径和驱动滑轮(未示出)。 两无头线缆是同步的，以相同的速度运行，且可根据不同的生产速率 进行速度调节。鬃毛子组件的鬃毛密度是通过控制缠绕机相对于无头 线缆线速度的转动速度来调节的。

图4给出了芯轴5的详图，其中滑轮3a和3b的轴线相对于滑轮3c 和3d(3d未示出)的轴线偏移，以防止携带有支撑线缆的滑轮间有相 互干扰。图中给出了切割工具的槽22。处于芯轴角部的该槽受到磨损 且各角有可换的角板24。该角板由螺钉固定在位，且在过度磨损后可 更换。

图5给出了芯轴水平截面5-5的详图，图中示出了各自处于芯轴 5相反表面上的凹槽7a和7c和芯轴的角槽7b和7d。芯轴上与其相反 的角和凹槽未示出。

图6给出了超声发声装置16的侧视图，且给出了便于基线和绕丝 在超声发声装置下平滑过渡的倒圆21a。该发声装置的操作频率为20～ 70kHz，最好为50kHz。发声装置尖端的振幅在25～75微米范围。

图7是超声发声装置16的前视图，其具有V形凹槽和在V形顶点 有半圆槽21b，设计目的是圆形基线的迁移进行自矫正。更清楚地如图 8所示，绕丝6的长丝和发声装置V各侧腿之间的间隙a小于基线8的 直径b。

图8给出了基线8与绕丝6的长丝相接触的超声发声装置的横截 面。无头支撑线缆4沿芯轴5的角在该槽内延伸，绕丝6的长丝由线 缆4携带，且基线8被发声装置16的V形半圆凹槽21b固定在位。与 基线直径近似的距离b大于发声装置中V的侧边和绕丝6的长丝间的 距离a。这种设计防止了基线8迁移出发声装置的半圆槽21b，并在基 线与绕丝超声粘结的过程中保持基线与绕丝的长丝相接触。图8还示 出了在线缆4b携带绕丝6的长丝的额外益处，即在粘结过程中线缆为 绕丝提供了散热。由于线缆，尤其是金属线缆，起到了散热装置的作 用，散失掉否则会积蓄在绕丝的长丝中的能量，所以在与基线粘结步 骤中防止了绕丝的长丝过加热和过熔化，从而防止了绕丝长丝成为一 个整体。

图9给出了用本发明的方法制造后的许多鬃毛子组件之一。基线8 粘结到绕丝6的长丝上，后者已经切开，构成子组件的鬃毛。

图10给出了具有两根基线的鬃毛子组件的横截面，用如图1所示 的方法制成的，只是在芯轴的相反侧面仅采用两个切割工具。

图11给出了通过图12方法制成的在各侧面具有两根基线的鬃毛 子组件的横截面图。

在图12中，绕丝6的长丝如图1所示借助无头支撑线缆沿芯轴5 输送。基线8a和8a’通过导管28a，而基线8b和8b’通过导管28b供 入到芯轴表面上的预定位置。所示的基线8a和8b就在各芯轴表面中 心的左边，而基线8a’和8b’略靠芯轴表面中心的右侧。成对基线之间 的空间，例如基线8a和8a’略大于切割刀片10a的宽度，基线在超声 发声装置组件27a和27b之下通过，该组件各自有一个带有两个空间 和尺寸适当的半圆槽的发声装置表面，用于使每根圆形基线定位并使 其与绕丝的长丝接触。这些基线以超声波方式粘接到绕丝的长丝上。 切割工具10a和10b定位于芯轴上，以便在各基线间切开绕丝的长丝， 提供示于图11的鬃毛子组件。在芯轴相反侧面上的切割工具(未示出) 也将粘结的长丝切开，以提供四个鬃毛子组件。

制作鬃毛子组件的替代方法有多种。参见图1，省略基线，但在形 成绕丝时仔细操作，提供足够的长丝密度，使得绕丝的长丝依次紧紧 地排列。绕丝的长丝由超声发声装置在该角处粘结，形成如图9所示 的鬃毛子组件，只是基线8不存在。

再参见图1，在另一种替代方法中，基线和超声波组件由聚合物珠 代替，将其挤压到长丝的绕丝上，并使绕丝的长丝与该聚合物珠相粘 结。这将制成一种类似于图9中所示的鬃毛子组件，只是聚合物珠代 替了基线8。

再参见图1，在再一个替代方法中，省略了超声波组件，某种长丝 的溶剂或粘接剂散布在长丝的绕丝上，将长丝粘结在基线上。这将制 成类似于图9所示的鬃毛子组件。

再参见图1，在再又一个替代过程中，省略了基线和超声波组件而 某种长丝的溶剂和粘接剂散布在长丝的绕丝上，将长丝粘结在一起。 将形成除基线8不存在外类似于图9中所示的鬃毛子组件。

根据本发明的另一个方面，在此所述的设备和方法可适用于由多 根微细长丝组成的丝束，即如采用绕丝一样。这样，丝束或丝束状材 料的连续供给以如上针对单丝绕丝所述同样的方式缠绕在芯轴上，并 粘结到如上所述那些基线上。基线的功能在先有装置中有助于将单丝 绕丝支撑在粘结位置，而当使用此处所述的设备时它就不是必须的了。

用无头丝束股制造丝丛线的方法类似于如上所述用于制造鬃毛子 组件的方法。具体讲，制造丝束丝丛线的连续方法包括以下步骤：

(1)通过绕至少有三个侧面的芯轴的轴线缠绕至少一束丝束而连 续形成丝束的绕丝，该芯轴在各角具有在芯轴的外角上大体沿芯轴的 轴身延伸的活动支撑线缆，能够支撑丝束绕丝并使其沿芯轴的整个轴 运动；

(2)将丝束绕丝外侧的至少一根基线根据需要供给到芯轴上所选 定的部分，例如芯轴的角或侧面，形成丝丛线，在此同时丝束的绕丝 大体沿芯轴的轴身运动；

(3)通过压迫基线使其与丝束的绕丝相接触，使丝束受压，并同 时给基线和丝束的绕丝施加能量，而将基线与丝束的绕丝粘结在一起； 和

(4)在下游的某点切开丝束的绕丝，在该处丝束与基线粘结，形 成至少一个具有至少一列与至少一根基线相连的丝丛的丝丛线。

这样制成的丝丛线可用于制作任何品种的产品，包括地毯和其它 地板覆盖物。

丝束材料可以是任何已知的品种，其中在单股的横截面上可以发 现上百根单丝。丝束材料的物理特性不同于上述单丝材料。丝束材料 的共同例子可以在家居和商品地毯中发现，而单丝材料用于制作刷子 鬃毛、鱼线、球拍弦等。机器的制造特性、包括构成“绕丝”的连续 材料股的供给速度可根据用户要求定制以与该材料匹配。

本发明声明得益于1999年4月23日提交的美国临时申请No. 60/130,883