具有复合纤维结构的合成填充材料
本申请是申请日为2015年3月30日，申请号为201580021614.0，发明名称为“具有复合纤维结构的合成填充材料”的申请的分案申请。
相关申请
本申请要求2014年4月1日提交的美国临时申请序列号61/973,527和2014年5月9日提交的美国临时申请序列号61/991,309的权益和优先权，出于所有目的，它们的内容据此通过引用如同陈述全部并入本文。
背景
本文公开的发明主题总体上涉及适合作为服装物品、睡袋、床上用品、枕头、垫衬物、衬垫和其它这样的物品和用途中的填充材料的小尺度纤维单元。在一些实施方案中，本发明主题涉及适合于用作隔热或垫充的填充材料的纤维构造体(fiber construction)，其包括：包含预定长度的纤维的主纤维结构；二级纤维结构，该二级纤维结构包括沿着主纤维的长度间间隔开的多个短环。在一些实施方案中，本发明主题涉及模拟天然羽绒的结构和尺度并因此提供类似的性质的隔热纤维结构。
各种天然填充材料或合成填充材料是已知的。天然羽绒，例如，来自水禽的天然羽绒，是一种具有许多出色性能的优良的填充材料。羽绒是形成水禽(例如鹅，鸭或天鹅)底覆盖层的羽毛。它包括从一个羽毛点生长的轻质的蓬松的丝，但没有任何羽毛轴。
羽绒的重要物理性质是其蓬松度(loft)，也称为疏松度。蓬松度或疏松是给定材料质量单位所占据的体积。疏松度是用于区分消费产品中使用的不同等级的鹅绒的最常用参数。具有更高疏松度的材料能够以更小的质量占据更大的体积，并且进而提供更大的隔热能力。由于疏松度对产品价值有很大的影响，因而存在严格的指南和测试程序，以确保产品标签和性能一致。国际羽绒羽毛实验室(IDFL)在美国对从世界各地进口的用于销售的原羽绒材料进行了大量测试和归类。活塞-缸系统来用于确定疏松度。该测试的具体说明和程序可在IDFL网站(IDFL 2004)上获得。世界各地有不同的测试标准；然而，解释原则和测试原则保持不变。为了本专利说明书的目的，国际羽绒和羽毛局(IDFB)为国际社会建立了测试方法和其它标准，除非本文另有说明，自2014年1月1日起的所有IDFB标准和定义适用于本说明书。(标准和定义可在IDFB网站，http://www.idfl.com/公开访问)
作为隔热体的使其如此受欢迎的羽绒的属性是其轻重量、柔软性、可压缩性、恢复力、弹性和透气性。
然而，天然羽毛或羽绒具有数个缺点。例如，由于其很容易受到昆虫和微生物的损害，需要许多步骤来处理天然羽毛或羽绒。由于仅以有限的数量是可获得的，天然羽毛和羽绒也是昂贵的。生产动物的处理和护理也可能引起动物福利关注。此外，羽绒或羽毛可能在一些使用者中引起过敏反应。在湿的条件下，羽绒可能变得充满水。当这种情况发生，羽绒失去其蓬松度，压缩，并因此失去主要的隔热性能，因为羽绒不再能够捕获用于保暖的空气空间。因为这样，合成的羽绒替代物被不断地寻找。该问题和其它问题已经促使对新型纤维材料的研究以开发用于天然羽毛或羽绒的替代物。
制造羽绒替代物的一些现有技术方法包括捆扎和粘结短纤维的各种方式；将纤维形成为球形；以及通过电沉积使纤维聚集。在美国专利7261936中公开的另一种方法中，以杉树或树枝状结构形式的羽绒替代物由这样的多丝纤维制成，即，该多丝纤维通过熔化切割成短段，使得在单元丝的一端部熔合在一起，而在另一端部处，它们是自由的。在EP0620185中公开的又一种方法中，羽绒的替代物具有细长的支撑结构，该支撑结构具有大致分散的阵列的离散细纤维，细纤维的一端附接到支撑结构并且纤维的另一端是自由的。
然而，没有这样的现有技术材料在物理性能上足以与天然羽绒材料相比。由于羽绒的复杂的结构和物理性质，天然羽绒性质的复制一直特别具有挑战性。
图1A和图1B示意性地示出了天然羽绒簇1(图1A)的一般结构。羽绒簇在直径上可以在约5mm至约70mm的范围内。它们具有中心节点或根部，其具有在所有方向上向外延伸的许多线2。单独的线可以被称为“主”结构或纤维3。主结构3具有沿其长度向外延伸的许多细结构，其可以被称为“二级”结构或纤维4。主结构3具有3mm-33mm的长度，典型长度为约14mm-20mm。天然羽绒的主结构通常具有沿着其长度径向布置的大约50-1500个二级纤维4(图1B)。在长度为33mm，且间距为60μm的情况下，产生550个二级纤维，或如果分别计数每侧，则为1100个二级纤维。在长度为3mm，且间隔为60μm的情况下，则产生50个二级纤维，或如果分别计数每一侧，则为100个二级纤维。天然羽绒也可以具有一个或两个相对短的三级纤维(未示出)，其沿着每个二级纤维4的长度间隔开并且从每个二级纤维4按每大约100微米延伸。
天然羽绒的二级结构长度，在图中总体上用“D”表示，可以在0.35mm-1.4mm范围之间，典型的长度为0.55mm-0.75mm。二级纤维是高弹性的并且耐永久变形，并且它们能够储存弹性能量。图1A和图1B示出了纤维的代表性尺寸，其实质上可以变化。
除了在复制羽绒物理结构方面上的固有挑战之外，羽绒替代物被认为难以以低成本连续地制造。
考虑到上述需求和缺点，非常需要改进的填充材料，特别是更接近地复制天然羽绒的性质并且在商业上制造起来可行的隔热材料。
概述
本文公开的发明主题克服了现有技术中的上述缺点和其它缺点。本发明主题相对于天然羽绒或所尝试的合成羽绒的优点可包括但不限于以下中的任何一个或多个：较低的生产成本、耐水性、避免动物福利关注、改进的热保持性质、改进的蓬松或再蓬松、更好地模拟天然羽绒的感觉的改善的触感。
在一些实施方案中，本发明主题涉及适合于用作隔热或垫充的填充材料的纤维构造体，其包括：包含预定长度的纤维的主纤维结构；二级纤维结构，二级纤维结构包括沿着主纤维的长度间隔开的多个相对短的环。在一些实施方案中，本发明主题涉及模拟天然羽绒的结构和尺度并从而提供类似性质的隔热纤维结构。
隔热材料可以在需要隔热和/或填充的各种应用中使用，包括服装和衣服、睡袋、毯子、垫衬物等。
本发明主题还涉及用于制造本发明纤维构造体的相关方法、系统和装置。
本发明提供以下项目：
1.一种适合用作填充材料的纤维构造体，包括：
主纤维结构，其包括预定长度的纤维；和
二级纤维结构，所述二级纤维结构包括沿着所述主纤维的长度间隔开的多个环。
2.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述主纤维具有大约0.1mm-5cm的长度。
3.根据项目2所述的纤维构造体，其中所述主纤维的长度在大约5mm-70mm之间。
4.根据项目2所述的纤维构造体，其中所述主纤维具有20个以上的环。
5.根据项目4所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的与所述主纤维的交叉点相隔大约10μm-150μm。
6.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环具有5mm或更小的极端点。
7.根据项目4所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环具有在大约100μm-1mm之间的极端点。
8.根据项目4所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环具有在大约300μm-1000μm之间的极端点。
9.根据项目4所述的纤维构造体，其中所述主纤维具有比所述二级纤维更大的直径或与所述二级纤维不同的旦尼尔。
10.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述主纤维是以环布置在所述主纤维上并且熔合到所述主纤维的丝状结构。
11.根据项目10所述的纤维构造体，其中所述主纤维具有等于或小于大约100μm的直径。
12.根据项目4或10所述的纤维构造体，其中所述二级纤维具有等于或小于大约100μm的直径。
13.根据项目5或10所述的纤维构造体，其中所述主纤维与所述二级纤维的纵横比为大约1:1-100:1。
14.根据项目13所述的纤维构造体，其中所述纵横比为大约6:1-30:1。
15.根据项目4或10所述的纤维构造体，其中所述主纤维由与所述二级纤维相同的材料制成。
16.根据项目4或10所述的纤维构造体，其中所述主纤维和所述二级纤维由不同的材料制成。
17.根据项目10所述的纤维构造体，其中所述主纤维包括热塑性材料。
18.根据项目10所述的纤维构造体，其中所述二级纤维包括热塑性材料。
19.根据项目10所述的纤维构造体，其中所述主纤维和所述二级纤维均包括热塑性材料。
20.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述二级纤维包括具有大约100℃-300℃的熔点的热塑性材料。
21.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述主纤维和/或所述二级纤维包含相同或不同的热塑性材料，所述相同或不同的热塑性材料选自包括聚酯、聚酰胺、聚(甲基丙烯酸甲酯)(丙烯酸类)、聚(丙烯腈)、乙烯丙烯酸类共聚物、聚苯乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚氨酯、聚碳酸酯或上述两种或更多种的共混物的组。
22.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述主纤维和/或所述二级纤维包括聚酯材料。
23.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述主纤维和/或所述二级纤维包括中空纤维。
24.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环处于包括大致正弦模式的模式，且所述主纤维包括用于所述正弦模式的基线。
25.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环优先地布置在所述主纤维的一侧上。
26.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环与所述主纤维大体上布置在单个平面中。
27.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环与所述主纤维大体上布置在多个平面中。
28.根据项目4所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环以环绕所述主纤维扭转或成螺旋状的配置布置在多个平面中。
29.根据项目4所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环包括与所述主纤维熔合结合的二级材料的连续线。
30.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述二级纤维的环具有变化的极端点长度和/或与所述主纤维的交叉点的间距。
31.根据项目1所述的纤维构造体，其中给定的二级纤维的环与所述主纤维布置在多个平面中。
32.一种包括多个根据项目1所述的纤维构造体的容积填充材料，多个这种构造体具有约50kg/m3或更小的容积密度。
33.根据项目1所述的纤维构造体，其中所述主纤维与所述二级纤维的长度之比在大约4:1与大约100:1之间。
34.一种制造纤维构造体的方法，包括：
以预定模式将用于主纤维或二级纤维的熔融或软化的成纤材料的流从第一喷射器喷射到用于主纤维或二级纤维中的另一个的流或结构上，以便产生主纤维和二级纤维的复合纤维结构，并且其中在所述预定模式，所述二级纤维以多个环布置在所述主纤维上；和
将所述主纤维的长度分割成多个较小的构造体单元，其中分割的主纤维的平均长度在0.1mm-5cm之间，或大约这样的范围。
35.根据项目34所述的分割的纤维构造体，其中平均的分割的主纤维的长度在大约5mm-70mm之间。
36.根据项目34所述的分割的纤维构造体，其中平均来说，所述分割的主纤维各自具有多于20个环。
37.根据项目34所述的分割的纤维构造体，其中平均来说，所述二级纤维与所述分割的主纤维的交叉点间隔开大约10μm-150μm。
38.根据项目34所述的方法，其中所述材料的流使用包括用于熔融或热软化材料的熔喷、电纺丝、力纺丝的系统的系统来喷射。
39.根据项目38所述的方法，其中所述系统包括所述第一喷射器，所述第一喷射器是相对于第二喷射器以需要的方式可移动的，所述第二喷射器用于喷射用于所述主纤维或二级纤维中的另一个的材料的流或结构；以及使所述喷射器相对于彼此移动，使得所述二级纤维以环布置在所述主纤维上。
40.根据项目34所述的方法，其中主纤维材料和/或二级纤维材料的喷射的流包括导致所述主纤维和所述二级纤维熔合结合的可流动的热塑性材料。
41.根据项目34所述的方法，其中所述二级纤维材料被压缩定形到所述主纤维材料上。
42.根据项目41所述的方法，其中所述压缩定形包括将所述二级材料和主材料以需要的模式插入在以所述需要的模式使所述主纤维和所述二级纤维压缩定形的辊或压机之间。
43.根据项目34所述的方法，其中所述喷射器布置成使它们各自的纤维材料以大致相同的方向流动，使得一个流能够以前后方式或者部分地或完全地环绕的方式会聚在另一个流上。
44.根据项目44所述的方法，其中，所述会聚至少部分地通过抵着一个或两个流的定向气流被促进。
45.一种用于制造纤维构造体的系统，包括：
第一喷射器，其联接到用于容纳用于主纤维或二级纤维的可流动的成纤材料的供应源；并且
所述第一喷射器是相对于用于主纤维或二级纤维中的另一个的第二喷射器以预定模式可移动的，以便能够产生所述主纤维和二级纤维的复合纤维结构，并且其中在所述预定模式，所述二级纤维以多个环布置在所述主纤维上。
46.根据项目45所述的系统，还包括：
分割装置，其能够将所述复合纤维分割成较小的纤维构造体单元，其中分割的主纤维的平均长度在0.1mm-5cm之间，或大约这样的范围。
47.根据项目45所述的系统，其中至少一个喷射器包括具有用于流出可流动纤维材料的出口端口的模头，并且邻近所述端口的是用于使气体会聚到纤维材料的流上的一个或多个出口端口。
48.根据项目45所述的系统，其中，所述喷射器布置成使它们各自的纤维材料以大致相同的方向流动，即从平行到至多90度的交叉角度，使得一个流能够以来回方式或者部分地或完全地环绕的方式会聚在另一个流上。
49.根据项目48所述的系统，还包括空气或气体流动机构，使得所述会聚至少部分地通过抵着一个或两个流的定向气流被促进。
50.一种包括预定量的根据项目5所述的填充材料的制造产品，所述填充材料被封闭在一个或多个隔室中，所述一个或多个隔室包括以具有多个密封壁的密封隔室的形式的编织的或非编织的或针织的纺织品或织物。
51.根据项目50所述的制造产品，其中隔室的壁包括防水透气材料或涂覆有耐久防水剂的材料。
52.根据项目32所述的容积填充材料，其中足够的多个构造体提供550-1000的疏松度。
53.根据项目1所述的纤维构造体，还包括布置在所述二级纤维上并沿着所述二级纤维间隔开的多个三级纤维。
在以下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。
以下是对根据本发明主题的各种创造性的生产线的描述。所附权利要求，如在本文档中最初提交的，或随后所修改的，据此如同直接写入一样并入本概述部分。
前述内容不旨在是本发明主题的实施方案和特征的详尽列举。本领域技术人员能够根据以下结合附图的详细描述理解其它实施方案和特征。
附图说明
附图示出了根据本发明主题的实施方案，除被指出为示出现有技术外。
图1A示出了代表性的天然羽绒簇。
图1B示意性地示出了天然羽绒簇，示出了主结构和二级结构。
图2A示意性地示出了模拟天然羽绒簇的主纤维和相关联的二级纤维的一种可能的合成构造体。
图2B示意性地示出了具有模拟天然羽绒簇的主纤维和二级纤维的可选配置的合成构造体。
图2C示意性地示出了具有模拟天然羽绒簇的主纤维和二级纤维的另一种可选配置的合成构造体。
图3示意性地示出了具有模拟天然羽绒簇的主纤维和二级纤维的又一种可选配置的合成构造体。
图4示意性地示出了合成构造体的实施方案，其中二级纤维的环从主纤维在两个主方向或平面上伸出。
图5示意性地示出了合成构造体的可选实施方案，其中二级纤维围绕主纤维扭转或螺旋地布置。
图6示意性地示出了合成构造体的可选实施方案，其中二级纤维的环可以从主纤维在所有方向随机地伸出。
图7示意性地示出了合成构造体的可选实施方案，其中二级纤维的环以整齐或均匀的模式布置。
图8示意性地示出了具有不那么整齐或非均匀布置的合成构造体的可选实施方案。
图9示意性地示出了合成构造体的可选实施方案，其中形成环的两个或更多个二级纤维定位在单个主纤维上，同时保持主纤维与二级纤维的长度的相同或总体比率或其它需要的比率。
图10示意性地示出了合成构造体的可选实施方案，其中由通过相应环的交叉点的直线或近似直线L界定的二级纤维部分和相应环的向外延伸的腿部可以与主纤维形成一对补角。
图11示意性地示出了用于生产模拟天然羽绒的合成构造体的纤维的一种可能的系统的部件。
图12示意性地示出了用于生产模拟天然羽绒的合成构造体的纤维的系统的可选实施方案的部件。
图13示意性地示出了用于生产模拟天然羽绒的合成构造体的纤维的系统的可选实施方案的部件。
图14示意性地示出了用于生产模拟天然羽绒的合成构造体的纤维的系统的可选实施方案的部件。
图15示意性地示出了用于生产模拟天然羽绒的合成构造体的纤维的系统的可选实施方案的部件。
图16示意性地示出了成品(在这种情况下是外套)，其具有容纳容积填充材料的隔室，该容积填充材料由模拟天然羽绒的合成构造体的单元组成。
图17示意性地示出了用于生产模拟天然羽绒的合成构造体的纤维的系统的可选实施方案的部件。
详细描述
在图2A-17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共用共同的参考数字。
本发明主题总体上涉及新颖的结构、该结构的集合以及生产该结构的方法，该结构用作用于隔热或其它容积材料应用比如垫充或缓冲(cushioning)的填充材料。该材料可以用作羽绒的替代物，具有优于羽绒的许多优点。
根据本发明主题，填充材料由主纤维12和多个联接的二级纤维14的复合材料10的构造体构成，该多个联接的二级纤维14沿主纤维的长度以多个二维或三维的环布置。
本文所使用的“纤维”是一般术语，其可以表示米范围内的丝、厘米或毫米尺度的短纤维、或微米或纳米级的原纤维。纤维可以是单丝或一束丝。
如本文所使用，“超细”纤维是指具有微米级至纳米级的平均直径(或在非圆形纤维的情况下的其它主要横截面尺寸)的纤维。如本文所使用，“微米级”是指具有在双位数或单数位微米至低至约1000纳米的范围内的平均直径的纤维。在纺织品工业中，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或更高的高纵横比(长度/直径)。超细纤维可以通过本领域技术人员已知的任何方法进行分析。例如，扫描电子显微镜(SEM)可用于测量给定纤维的尺寸。
除非上下文另有指示，否则所有尺寸都是所指示项的均值，和/或如果引用了多于一个项，所有维度尺寸都是这些项的集合的平均值。例如，二级纤维14的直径是从一个端点到另一端点或从一个交叉点14B到同一个环16上的相对交叉点14C的获得的平均直径。多个二级纤维环的直径是通过首先确定一组环中的单个环的平均直径，和然后得到该组环的那些值并对这些值求平均值来确定。
主纤维和二级纤维12、14可以以所描述的各种方式联接，并且可以包括主纤维和二级纤维的直接附接，例如通过选择热塑性材料作为主纤维材料和/或二级纤维材料并将这些纤维熔合结合在一起。可选地，纤维可以使用结合剂，例如粘合剂间接联接。
根据本发明主题的新型构造体10可以以在形式上是长形的并且是主结构的主纤维12为特征。主结构沿着其长度已经设置有多个横向延伸的二级纤维14，该多个横向延伸的二级纤维14形成环16的性质的二级结构，具有给定环的一个封闭端或极端点(maxima)14A，该给定环由从二级纤维与主纤维12的交叉点14B、14C横向延伸的一段主纤维界定。在某些实施方案中，环16沿着主结构的长度交替，以便提供具有沿着基线的正极端点和负极端点的正弦或波状模式，其中主结构用作基线。这例如在图2A和图2B和图3中可见。
在某些可能的实施方案中，环16通过在主纤维的预定长度112上以所需要的模式(例如正弦或波状模式)设置二级纤维的连续长度114以多环模式形成。下面更详细地讨论产生这种结构的方法。由于二级纤维114形成一系列环16，而不是如现有技术中的一组离散的线性分支，因此构成环形产生了有助于保持主纤维分开的较大表面。被认为的是，环提供与天然羽绒的三级钩状物类似的功能，从而允许更接近天然羽绒的合成羽绒。因此，由本发明主题所预期的主要优点是改进的蓬松度。
在一些实施方案中，二级纤维的环可以完全或优选沿着主结构的一侧定向。在图2C中可以看到一个示例。
主结构和二级结构可以是相同的材料或不同的材料。在一些实施方案中，主纤维相对于二级纤维具有更高的刚度、拉伸强度和/或更高的厚度。
二级结构中的环16不限于任何特定的形状或几何形状。例如，它们可以是椭圆的半圆、多边形、复合曲线或端点在主结构上发散的任何其它闭环形式。任何给定的环16可以具有对称、均匀、不对称或不规则的形状。闭环的尺寸和/或间距可以沿着主结构是一致的或不一致的。二级结构的布置可以是围绕主结构的二维或三维形状。从交叉点14B、14C上或交叉点14B、14C之间到极端点14A与主纤维垂直地测量的环的幅度或长度D对于每个环而言，沿着主结构的长度可以是一致的，或者它可以从一个环到另一环变化，如由D1、D2、D3所示的，其中在每个D1、D2和D3中都是不同的值。
下面的图(图4至图9)是沿复合的主/二级纤维结构10的纵向轴线看的俯视图和/或侧视图，其概念性地示出了复合结构的各种可能构型。
图4示出了其中二级纤维的环16可以从主纤维12在两个主要方向或平面上伸出的示例。
图5示出了可选的实施方案，其中主纤维12中的扭曲(或者围绕主纤维的二级纤维的螺旋状旋转)可以导致二级纤维形成扭曲或螺旋状结构(其中二级纤维的伸出角度随着其沿着主纤维的z轴的位置而线性地变化)。
图6示出了可选实施方案，其中二级纤维的环16可以从主纤维在所有方向上随机地伸出。
图7示出了可选实施方案，其中二级纤维的环16可以以整齐或均匀的模式布置。
图8示出了可选实施方案，其中较不整齐或不均匀的布置将是合适的。
图9示出了可选实施方案，其中形成环16.1和16.2的两个或更多个二级纤维14.1和14.2可以定位到单个主纤维12上，同时保持主纤维与二级纤维的长度的相同的或总体比率或其它需要的比率。
由穿过交叉点14B或14C的线或近似线L界定的二级纤维部分和相应环的向外延伸的腿部可以与主纤维12形成一对补角，如在图10中所看到的。一个补角可以是类似于天然羽绒中的二级纤维的角度的锐角，其在30度至60度的范围内，并且更具体地在约40度至45度的范围内。全部的环16也可以布置成具有这样的角度。
在本文公开的各种实施方案中，主结构和二级结构可以具有相同或不同的材料或物理性质。它们可以具有相同或不同的直径或旦尼尔。例如，主纤维12、112的直径通常可以大于二级纤维的直径或旦尼尔。然而，直径不一定是纤维特性的决定性方面。例如，如果主纤维由比制造二级纤维的材料更强或更硬的材料制成，则主纤维可以具有更小的直径。
在一些代表性实施方案中，主纤维可以具有约10μm-100μm的直径。对于主纤维，设想了等于或小于约90μm、80μm、70μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm或15μm的直径。20-30μm的直径预计模拟天然羽绒的那些直径。对于减轻重量是很重要的一些应用，通过选择相对大的直径，纤维将对隔热材料增加不必要的重量。另一方面，通过选择相对小的直径，纤维可能不足够刚硬以提供必要的蓬松度和复原性。
在一些代表性实施方案中，二级纤维14、114可以具有0.5μm至100μm的直径，且更特别地，设想了等于或小于约100μm、90μm、80μm、70μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm、15μm、12μm、11μm、10μm、9μm、8μm、7μm、6μm、5μm、4μm、3μm、2μm、1μm或0.5μm的直径。在任何纤维具有不一致直径的情况下，直径通常可以视为平均直径，通过对沿纤维长度的直径进行统计抽样获得。预计1μm-3μm的直径模拟天然羽绒中的二级结构的直径。如果直径小于大约1-3μm，则纤维可能不能有效地阻止辐射热损失，但为了捕获空气空间和减少对流气流，我们已经包括纳米尺寸的纤维。如果直径大于大约12μm，隔热材料的保暖对重量比可能不是最佳的。然而，已经用纤维直径至多25μm和更高(例如，PrimaloftTM隔热材料)做出了良好的商业隔热材料，因此具有25μm或大约25μm的纤维的结构在一些应用中仍然是合适的。
本发明主题不一定限于任何给定尺寸或尺寸比或具体列举的其它量度，并且也可以应用高于或低于值、极限或范围以及在值、极限或范围之间的数量和值。主纤维或二级纤维的旦尼尔可以是6D或更少。
主纤维直径对二级纤维直径的比率(“纵横比(aspect ratio)”)可以变化。合适的比率包括大约从1:1至100:1。大约6:1至30:1的比率可以模拟天然羽绒中的比率。如上所指出的，纵横比还可以小于1，特别是如果主纤维由比用于二级纤维的材料更高强度性质的材料制成的话。
细纤维部分旨在促进隔热性能，并且较粗的纤维部分有助于用于蓬松度的弹性结构。因为如同在羽绒中一样这两者紧密连接，重新蓬松的性能得到改善。细的二级纤维的环被期望使较粗的主纤维保持分开并且帮助防止不可逆的缠结。在设计用于合成羽绒单元的合适构造时，可以根据经验解决的一个考虑是使二级纤维结构足够坚固，使得其不会太脆弱而无法有效地排除用于捕获空气的空间。
将二级纤维构造形成到支撑的主纤维上
可以使用各种方法生产根据本文所描述的发明主题的纤维构造体的单元。每个构造体由主纤维和所联接的二级纤维的复合物组成，该所联接的二级纤维沿主纤维的长度以多个二维或三维的环布置。通常，复合纤维是通过使用于主纤维和二级纤维的材料熔融而形成的整体结构。如上所指出的，主纤维和二级纤维可以具有小于1毫米至纳米级的直径。
本发明主题设想了新型生产方法，其通常基于将熔融的、软化的或固体的二级纤维材料114以所需模式定位在熔融的、软化的或固体的主纤维材料上，这产生了本文公开和设想的复合纤维结构10。模式可以通过二级材料流在主纤维材料的流或结构上的相对移动来产生。如本文所用的，“流”是指在任何状态例如液态、软化态或固态下的材料的丝状流。流材料的示例是被拉动到线轴或从线轴拉出的移动纱线。如本文所用的，在上下文中的纤维的“结构”是指固相丝状材料，其在本文所设想的加工步骤中可以是动态的，如在流中，或是静态的。
可适合于在产生这种相对运动中使用的纤维形成方法包括电纺丝、熔喷、熔融纺丝、力纺丝或由主纤维112和二级纤维114产生复合纤维结构的其它方法。二级纤维可以不仅被模式化为环，而且还可以被模式化为与主纤维相交的线性或弯曲结构。
纤维，例如超细纤维，可以使用穿过具有微小出口端口的喷射器的所选择的成纤材料的强制喷射来生产。例如，熔喷工艺包括加热和挤出热塑性成纤聚合物穿过熔喷模头中的微小出射口。然后使熔融聚合物经受高速气体，例如空气的会聚流，以将聚合物快速变细成具有比模头中的出射口的直径小的直径的小尺度、微尺度的或超细的纤维。气体具有高于或等于熔融聚合物的温度的温度，并在流动方向上吹向熔融聚合物。以这种方式，高速气体还使得到的纤维朝向收集器移动。环境空气冷却并固化所收集的熔融纤维。熔喷工艺可以在单一的、集成式工艺中将聚合物树脂直接转变成丝或纤维。在典型的方法中，聚合物以珠、小丸或碎片的形式储存在料斗中。挤出机轴或螺杆将聚合物从进料斗推动入熔化部分。然后将聚合物暴露到挤出机中的连续加热区中的渐进升高的温度。当聚合物通过挤出机时，熔融材料被加热直到其在被推动穿过熔喷模具之前达到最终所需的熔喷温度。
根据本发明主题的一个可能的实施方案，挤出装置包括能够喷射流体、软化的或固态材料的喷射器。例如，喷射器可以是一对喷嘴或模头，每个喷嘴或模头连接到供应源，例如供给可流动的成纤材料的管线。管线又可以联接到热塑性材料的供应源，例如这种材料的料斗。一个喷嘴联接到包含用于产生主纤维112的材料的供应源。另一个喷嘴联接到包含用于产生二级纤维114的材料的相同或不同的供应源。该系统可包括加压源，例如压缩机或气体，以驱动可流动材料穿过喷嘴或模头。在一些实施方案中，喷射器可以是用于卷绕的材料供应的导引件或端口，例如纱线或其它丝状材料的卷轴。
工艺参数包括改变用于生产每种纤维类型的材料的性质，以及改变喷射可流动的成纤材料的喷嘴上的出射口的形状和尺寸。喷嘴上的出射口可以与用于加压气体的端口相关联，该加压气体会聚在材料流112或114上，以使其变细到比出射口直径小的直径。
参考图11，喷射器，例如一对喷嘴18和20，被间隔开，使得它们吹动或挤出紧密间隔的流形式的成纤材料流112、114。更具体地，喷射器布置成使它们各自的纤维材料以大致相同的方向流出，例如从平行(0度)到至多90度的交叉角，使得一个流能够以来回方式或部分或完全环绕的方式会聚在另一个流上。如下文所指出的，使用针对一个或两个流的定向气流仍然可以实现以平行流喷射或以大于90度喷射的流的会聚。
用于二级纤维的喷嘴20是可旋转的和/或布置成围绕用于主纤维的喷嘴是相对旋转的。当喷嘴旋转时，二级成纤材料114的流在主纤维材料112的流周围旋转并与主纤维材料112的流缠绕，从而沿着主纤维112的长度产生二级纤维的环16。环的交叉点的间距和这些环的尺寸可以通过例如改变一个或两个喷嘴的流相对于另一个喷嘴的流的角度、改变相对旋转的速率和一个流与另一个流的间距来控制。其它控制方式包括在加工区域中产生定向的空气或其它气流，其抵着纤维材料流114或112施加到熔融或软化的热塑性塑料。用于引导气流的机构包括正压和负压系统，例如风扇、真空和加压气体源。气流可以抵着一个或两个流以任何需要的角度被引导，以便使流重新定向并产生期望的会聚角。
在上述系统的变型中，主纤维可以是预成型结构，并且使得二级纤维材料流114绕其旋转。例如，用于二级成纤材料114的喷嘴20可以布置成使得其同时旋转并沿着预形成的主纤维112的长度上下移动，产生与主纤维缠结的、沿主纤维的长度的环形式的材料的螺旋。主纤维112可以处于流动或静止状态。
二级成纤材料114可以是与主材料熔合结合的热塑性材料，主材料也可以是热塑性材料。一种材料可以具有相对于另一种材料的不同的熔融或玻璃化转变温度，或者它们可以具有相同的这种性质。
可选地，可以将化学粘合剂施加到主纤维112或二级纤维114中的一个或两个的表面，使得这两者在接触时结合在一起。类似地，可以通过使用在特定条件下反应的聚合物材料的固化工艺来实现结合，该特定条件例如是光的UV波长或超声波能量。超声波能量的优点是其可以作用在主结构和二级结构的交叉点14B和14C上，而不会增加熔化或软化并改变一个或两个整体结构的形状的热量。
尽管前述实施方案可以示出用于喷射二级成纤材料114的流的单个喷嘴，但是本领域技术人员根据本文的教导将容易地认识到，可以使用多个喷嘴20并且该多个喷嘴20布置成围绕主纤维112的流或其它结构旋转。
前述描述集中于在主纤维流或结构周围产生二级成纤材料的360度旋转的方法。然而，可以使用任何需要的旋转度数。例如，用于二级纤维流的喷嘴20可以相对于主纤维的流或结构以45度、90度、180度或270度旋转，使得环16优先在主结构的一侧上形成。
用于产生二维纤维的另一种方法是沿着用于主结构的流或结构112的长度来回引导二级纤维材料的流或结构114，从而在主纤维的一侧产生二维的大致正弦的环模式，例如如图13中所看到的。
用于产生沿着主纤维并完全或部分围绕主纤维的间隔开的二级纤维的完全或部分环绕的另一种方法可以通过在施加二级纤维之前或期间使主纤维弹性地扭转使得二级纤维沿着主纤维的周长上的不同点被布置来实现。通过使用弹性的主纤维材料，纤维解开，使得二级纤维以这种方式布置。在该方法中，二级纤维材料需要仅沿着主纤维的一侧施加；不需要用于二级纤维材料的喷射器的旋转，而仅需要沿着主纤维材料的长度使二级纤维材料向上或向下的相对运动。运动还可以横跨主纤维材料来回进行。在任何情况下，运动限于单个平面。
参考图12，在另一个可能的实施方案中，二级纤维接合到主纤维的接合的路径和性质在改进的电纺丝工艺中由静电力控制。典型的系统包括：连接到注射器或针的高电压源，其联接到流体成纤材料114的源。产生电场以便在具有流体从其排出的一个或多个端口的喷嘴部分处对针或注射器进行充电。用于集中、转向和导引排出的溶液的电极定位在针或注射器下方。电极有助于将流体导引/抽吸到可以是来自喷嘴的微米级或纳米级纤维中，并且引导到收集器上，收集器可以是诸如托盘的静止元件，或者其可以是动态元件，例如连续移动的带或辊。
根据本发明的主题，来自喷射器22的二级材料114的流经受来自电极24、26的交替的静电场，使得流围绕主纤维流或结构112螺旋缠绕并和主纤维流或结构112缠结。另一种方法可以是在主纤维流的顶部上在静电场内以正弦形式挤出流。可以使用用于电纺丝的各种已知参数来控制纤维的需要的性质和尺寸。这些参数包括：纺丝材料和纺丝材料溶液的电荷；溶液输送(通常是从注射器喷射的材料流)；在流处充电；在收集器处的丝的放电；来自动态流上的电场的外力(例如，螺旋旋转、旋转、波动)或静止流；排出流的密度；和电极的电压以及收集器的几何形状和任何动力学特性。本领域技术人员将理解这些参数如何可以经验地用于产生本文所公开和设想的本发明的合成羽绒。
纺丝喷嘴和电纺丝的前述实施方案也可以组合成一个系统。
在本发明主题的另一个实施方案中，使用以需要的模式，例如，本文公开和设想的那些模式使二级纤维抵着主纤维定位的机械系统制造主纤维和二级纤维的复合构造体。被定位的纤维可以通过例如，诸如本文其它地方描述的压缩定形机构和/或其它机构被定形并联接成期望的模式。例如，热能或粘合剂可以用于使纤维部分彼此连接。图13-15示出了根据前述实施方案的代表性的机械系统的细节。在这些示例中，主纤维材料的丝112被进给到辊32和辊34之间的间隙30中，间隙30被充分地间隔开，以便以它们的初始尺寸或以界定了初始尺寸的压缩的更小尺寸接纳和拉伸主纤维和二级纤维。主纤维112垂直于辊32、34的旋转轴线被进给。二级纤维114平行于主纤维的纵向轴线或以其它方式横向于主纤维的纵向轴线被进给到主纤维上。二级纤维可以是熔融的、软化的或固体形式的纤维流。二级纤维114可以从用于提供流的任何机构或系统进给，例如本文其它地方讨论的熔喷系统或力纺丝系统。类似地，主纤维112可以从这样的源提供。为了相对于主纤维定位二级纤维，可以使用定向空气或其它气体和/或物理导引件。例如，可以突发地调节定向气流，使得二级丝在主纤维上来回波动。组合的主纤维和二级纤维穿过辊被拉伸，并通过压缩和/或熔合结合而定形在一起。复合结构具有主丝的主干和由二级丝形成的向外的环。整体复合结构大致是平面的。然而，如上所指出的，在其它实施方案中，主纤维可以弹性地扭转，使得二级纤维在多个平面中围绕该纤维定向。
在又一个可能的实施方案中，纤维材料流使用力纺丝或熔融纺丝被喷射。力纺丝是使用离心力以使纤维伸长来挤出超细纤维的方法。用于喷射器的出口端口配置有一定尺寸和形状，以促使流体材料的细流112或114在从出口端口离开时形成。如本文所使用的，出口端口指的是出口孔加上供给出口端口的和用于界定所排出的成纤材料流的性质的任何相关联的通道或通路。由于诸如表面张力、流体粘度、溶剂挥发性、旋转速度等因素，喷射材料可以固化为具有显著小于出口端口的内径的直径的超细纤维。在本文中，将可流动材料从出口端口这样排出为固化为纤维的流可称为“流挤出”。排出的材料流被引导到收集器，在那里该排出的材料聚集以用于在最终产品使用。
在某些实施方案中，旋转装置在成纤材料上施加离心力以导致流挤出和由此的纤维形成。施加在源材料上的力可来自不需要所施加电场的各种系统和技术，如在电纺丝中。例如，美国专利号4937020、5114631、6824372、7655175、7857608、8231378、8425810和美国公布号20120135448教导了用于穿过旋转装置上的出口端口强制排出成纤材料的各种装置和方法。上述专利文献的集合包括用于生产具有微米级或纳米级范围的平均直径的纤维的系统的公开内容。为了所有目的，上述专利文献以其整体并入本文。旋转系统的可选方法是基于穿过出口端口的成纤流体的非旋转压力进给，该成纤流体产生形成为纤维的流体流。例如，出于所有目的，通过引用以其整体并入本文的美国专利号6824372公开了一种腔室，其通过由该腔室的可移动的壁产生的振荡的压力变化将喷射力施加在包含在其中的成纤流体上。
通过各种已知的教导，例如上面列出的一些专利文献，以及通过商业设备供应商，例如提供力纺丝设备的生产线的美国德克萨斯州麦卡伦FibeRio TechnologyCorporation(见http://fiberiotech.com/products/forcespinning-products/)，用于力纺丝的方法和设备是本领域技术人员已知的。因此，力纺丝的详细描述是不必要的，并且本文将仅提供简要描述。
参考图17，示出了用于生产细纤维112或114的力纺丝系统。该系统包括连接到可形成纤维的流体或可流动材料(“成纤材料”)的源的喷丝头。材料源可以来自供应源，例如用于连续供给喷丝头的储器或料斗。喷丝头本身可以包括与喷丝头一起旋转的材料的储器或料斗。
可流动材料可以是熔融材料或材料的溶液。喷丝头机械地联接到使喷丝头以圆周运动旋转的电动机。在某些实施方案中，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，材料在其期间喷射的旋转为至少5,000RPM。在其它实施方案中，其是至少10,000RPM。在其它实施方案中，其是至少25,000RPM。在其它实施方案中，其是至少50,000RPM。在旋转期间，所选择的材料，例如聚合物熔体或聚合物溶液作为材料流从喷丝头上的一个或多个出口端口喷射到周围大气中。向外的径向离心力在聚合物流从出口端口射出时拉伸该聚合物流，并且由于依赖于旋转的惯性，该流以弯曲轨迹行进。对于从喷嘴到收集器的距离上减小流直径方面，所挤出的聚合物流的拉伸被认为是重要的。所射出的材料预期在其到达收集器时固化成超细纤维。该系统包括用于以需要的方式收集纤维的收集器。例如，纤维可以从喷丝头喷射到布置在喷丝头下方的表面上或者喷射到在喷丝头上的出口端口对面的壁上。收集表面可以是静止的或可移动的。
纤维可以通过定向气流定向成线性流，并且以像用于本文别处公开的主纤维的其它流或结构的方式使用。例如，用于二级纤维的喷射器可以被定向成使得其围绕主纤维的流上移动或在主纤维的流之上来回移动。或者，主纤维流可以被引导到连续的带上。在该实施方案和任何其它实施方案中，可移动的平坦表面可以是将纤维材料供给到辊或供给到其它处理系统中的连续带系统的一部分。纤维可以通过定向气流定向成线性流或大致平行的纤维流，并且以类似用于本文别处公开的主纤维的其它流或结构的方式被使用。例如，用于二级纤维的喷射器可以定向成使得其围绕在传送带或缠绕装置上以线性或平行方式收集的主纤维的纵向轴线移动或在传送带或缠绕装置上以线性或平行方式收集的主纤维的纵向轴线上前后移动。或者，主纤维流可以被引导到连续带上。熔融的、软化的或固体材料的二级纤维流可以放置在主纤维上，主纤维可以是带上的熔融的、软化的或固体形式。复合结构可以供给到压缩定形辊中。辊可以被加热以有利于主纤维和二级纤维的熔合结合。
正如本文公开的其它方法，熔融的、软化的或固体材料的二级纤维流可以放置在主纤维上，该主纤维可以是在带上或另一收集器上的熔融的、软化的或固体形式。复合结构可以供给到压缩定形辊中。辊可以被加热以有利于主纤维和二级纤维的熔合结合。
在用于生产复合纤维的任何给定系统中，二级纤维114可以以非环形式在主纤维112上以横向模式定位和定形。例如，二级纤维的线性或弯曲节段可以通过产生二级纤维的非连续流而放置到主纤维上并结合到主纤维。这可以通过从喷射器提供二级纤维材料的突发流(burst)，而不是连续流来实现。这将具有产生跨越主纤维的二级纤维的短的节段的效果，其中自由端点在交叉点的另一侧上，类似于图1B中所示的天然羽绒的二级结构。可选地或另外地，当二级纤维材料定位在主纤维结构上时，定向的空气或气体流可用于使连续流中断或在二级纤维材料的节段中产生弯曲。
在给定的系统中，喷射器的出口端口的直径和/或形状或尺寸可以是一致的或者它们可以变化。在一些实施方案中，出口端口形成为具有朝向端口减小的锥度的预定长度的喷嘴。用于喷射器的出口端口和相关通路或通道可以使用已知的微铣削技术，或者待发现的技术形成。已知的技术包括机械研磨、化学蚀刻、以及激光钻孔和烧蚀。
除了超细纤维之外，根据本发明主题的力纺丝系统可以用于产生标准纺织品尺寸(例如，50-150旦尼尔)的纤维。
任何实施方案中的纤维可以包括功能性颗粒，例如但不限于抗菌剂，金属、阻燃剂、抗静电剂、防水剂和陶瓷。这些材料可以引入到成纤材料中。它们可以通过例如氢键、离子键或范德华力共价结合到材料。催化剂可以包括在材料混合物中以有利于任何这样的结合。
在本发明主题的某些实施方案中，可流动的成纤材料可以是两种或更多种聚合物和/或两种或更多种共聚物的混合物。在其它实施方案中，成纤材料聚合物可以是一种或多种聚合物和/或一种或多种共聚物的混合物。在其它实施方案中，成纤材料可以是一种或多种合成聚合物和一种或多种天然存在的聚合物的混合物。
在根据本发明主题的一些实施方案中，将成纤材料作为聚合物溶液，即溶解在适当溶液中的聚合物，供给到储器中。在该实施方案中，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。在其它实施方案中，聚合物作为聚合物熔体供给到储器中。在这种实施方案中，储器在适合于熔融聚合物的温度下加热，例如在约100℃至约300℃的温度下加热。
在根据本发明主题的一些实施方案中，形成多个微米、亚微米或纳米尺寸的聚合物纤维。该多个微米、亚微米或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、亚微米或纳米尺寸的制造。例如，被认为的是可以制造具有约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0.5、1、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100或更多微米的直径(或对于非圆形形状的类似横截面尺寸)的聚合物纤维。在所叙述的直径之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装置形成的聚合物纤维可以具有基于等于或大于相对于前述纤维直径的1、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、500、1000、5000或更高的纵横比的长度范围。在一个实施方案中，聚合物纤维的长度至少部分地取决于装置旋转或振荡的时间长度和/或供给到系统中的聚合物的量。例如，被认为的是聚合物纤维可以形成为在分割之前或之后具有至少0.5微米的长度，包括在约0.5微米至10米或更大的范围内的长度。另外，可以使用任何合适的仪器将聚合物纤维切割成所需长度。在所叙述的长度之间的尺寸和范围也是本发明主题的一部分。
多种材料(合成的、天然的、基于生物的植物、基于生物的发酵的)和织物/基材类型(针织物、编织织物和非编织织物)被设想用在最终产品中。可以使用本文讨论的方法和装置产生的超细纤维的非限制性示例包括天然和合成聚合物、聚合物共混物和其它成纤材料。聚合物和其它成纤材料可以包括生物材料(例如，生物可降解和生物可吸收材料、基于植物的生物聚合物、基于生物的发酵聚合物)、金属、金属合金、陶瓷、复合材料和碳超细纤维。使用本文讨论的方法和装置制备的特定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)、尼龙、铋和β-内酰胺超细纤维。
如上所指出的，超细纤维集合可以包括多种材料的共混。超细纤维还可以包括单个或多个腔。它们还可以具有表面特征，例如凹面或孔。多腔超细纤维可以通过设计例如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式开口(即，具有一个或多个分隔件使得实现两个或更多个较小的开口的开口)。这些特征可以用于获得特定的物理性质。例如，纤维可以制造成用作隔热材料，例如在下面描述的隔热应用中，或者用作弹性(回弹性)力或非弹性力衰减器。
在某些实施方案中，本公开的纤维网可以包括弹性纤维，例如基于聚氨酯和聚丙烯酸酯的聚合物，以赋予根据本发明主题制造的非编织纺织品拉伸性。
与现有技术相比，根据本文的流挤出教导的超细纤维可以用于获得这样的改进的性能，即，该改进的性能基于超细纤维直径和/或增加隔热材料的每给定密度单位的截留空气的体积的纳米管或其它结构的使用。超细纤维可与更大直径的纤维共混，该更大直径的纤维为纤维的共混构造体提供强度或耐久性。
隔热材料的构造体中的纤维可以具有大体上相同的旦尼尔，或者它们可以是旦尼尔的混合。在任一情况下，对于许多应用的合适范围是大约1-6旦尼尔。在服装应用中，合适的范围可以是大约1-3旦尼尔。
在任何前述实施方案中，定向控制或脉冲空气或其它气体的流可用于帮助拉动二级纤维并将其布置在主纤维上。流的加热可以有利于拉动和结合过程。用于气体的一个或多个出射口可以设置在与用于成纤材料的出射口相邻的所需位置。气体出射口也可以具有围绕可流动材料的出射口的整个或部分环的性质。
通过本文所设想的任何方法产生的丝状材料的所挤出的或喷射的或拉伸出的复合结构可以被切割、中断、切断和以其它方式分割成所需的纤维长度。纤维可以通过机械切割装置、激光能量、热能、超声波能量以及物理结构的任何其它已知的或待被发现的分割方式来分割。机械切割的示例包括简单的裁切机或旋转切割刀片，其在工业中用于产生短长度的切割的短纤维是已知的。合适的长度可以是大约0.1mm-5cm，以及本文别处所设想的其它长度。模仿天然羽绒主结构的合适长度是大约5mm-70mm，或大约3mm-33mm，或大约14mm-20mm，如在别处所示出的。如果节段太小，则纤维可能不蓬松。如果它们太长，它们可能永久缠结。
正如二级纤维可以沿着任一主纤维以间隔开的关系布置，三级纤维可以沿着任何二级纤维以间隔开的关系布置。例如，上面公开的用于在主纤维上产生二级纤维的原理可以应用于首先以与主纤维和二级纤维相同或不同的相对尺寸比产生二级纤维和第三级纤维的丝状复合材料。例如，三级结构的尺寸可以模拟天然羽绒的尺寸。丝状材料可以使用本文公开和设想的技术在主结构上以软化的或固态相被收集和流动。可以使用与用于主纤维或二级纤维相同的材料来制造三级纤维。
由纤维112和114形成的初始复合结构可具有基于在连续加工操作中形成主纤维的不定长度。长度可以从几微米范围到几百米或更多。环16可以具有从主结构延伸大约100μm-1000μm的极端点。大约300μm-1000μm的长度可以模拟大约600μm-700μm的天然羽绒长度。如果环太短，它们可能不允许主纤维的良好分离。如果环太长，它们可能缠结。二级纤维与主纤维的交叉点可以具有10μm-150μm之间的间距。大约40μm-80μm的间距可以模拟天然羽绒的大约60μm的间距。
(所有测量假设通过沿着适用结构的路径行进来测量相应的尺寸。例如，如果主结构具有弯曲路径，则该长度不是从一个端点到另一个端点以直线来测量，而是通过沿弯曲结构行进来测量。当然，该长度也是与如果弯曲的结构变直将被测量的相同距离)。
下面描述许多可能的实施方案中的一个，但是涉及旨在接近地模拟天然羽绒的一些或所有特征的合成羽绒的单元。正如所指出的，二级纤维不需要整齐地布置在主纤维上。一个值得注意的参数是主纤维与二级纤维的长度比。该比应优选为大约20:1，并且在任何情况下为大约4:1至大约100:1之间。一个可能的实施方案，接近地模拟数种天然羽绒特性，具有约20μm-30μm直径的主纤维；约1μm-20μm的二级纤维直径和约20:1的主纤维与二级纤维长度比。主纤维上的二级纤维的平均间距为约60μm(然而这在熔喷工艺或其它生产工艺中将因纤维随机变化而变化)。一个显著的特征是二级纤维横向于主纤维布置。在一些实施方案中，二级纤维可以大体上垂直于主纤维布置(与其中纤维大体上平行于纱线，具有小的偏移并且被扭转的常规纱线相对照)。在另一个可能的实施方案中，在挤出之后和放置之前，由于力纺丝的性质，二级纤维可以直接缠绕在主纤维周围。
在一个可能的实施方案中，喷丝头可以具有多个孔口，其中每个孔口可以具有不同的直径，以在同一个喷丝头上产生各种纳米纤维和微米尺寸的纤维。孔口可以布置在同一平面内或平面外，以有利于在喷丝头旋转期间围绕较大纤维缠绕不同的较小纤维。主纤维和二级纤维单元的整体复合结构应具有等于或小于填充体积的大约1％的低密度。
聚酯丝是用于制备本文公开或设想的填充材料结构，特别是旨在模拟天然羽绒的那些结构的示例性起始材料。用于主结构和二级结构中的一个或两个的其它合成材料或天然材料包括：聚酯(对苯二甲酸亚乙酯)、聚烯烃(聚丙烯和聚乙烯或它们的共聚物)。材料还可以是目前在熔喷法(或电纺丝，如果使用电纺丝工艺的话)中使用的任何其它合成纤维。示例包括：其它聚酯，例如聚(对苯二甲酸三亚甲酯)(SoronaTM)、聚酰胺(例如，尼龙)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(丙烯酸类)、聚(丙烯腈)、乙烯丙烯酸类共聚物、聚苯乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚氨酯、聚碳酸酯、沥青和上述两种或更多种的共混物。如上所指出的，主纤维和二级纤维可以由不同的材料制成，但聚酯是用于两者的合适材料的一个示例。
对于一些隔热性能应用，影响纤维选择的因素可包括：
·杨氏模量-应远高于～10MPa
·屈服应变-应尽可能高，至少1％，并优选大于10％
·摩擦系数理想地应该是各向异性的，因为当隔热材料被压缩时，摩擦应当是高的，并且当允许重新蓬松时，摩擦应当是低的(使用其三级结构实现这一点的羽绒)
·疏水性纤维高度优选成使隔热材料耐潮湿
·不但有表面疏水性，纤维通常应该耐湿气，并且其机械性能在湿润时不应改变
·一旦纱线填充到隔室中，低容积密度等于或小于大约30kg/m3。一旦装入隔室，天然羽绒是约10kg/m3。大约20-30kg/m3的较重的隔热材料是在本发明范围内的具体范围。(单独的，未包装的纱线的容积密度本身可能不是有意义的数字，因为它们可以是平面结构的，并且当它们被装入到隔室中时，它们在某种程度上可以互相贯穿，并且用足够低的容积密度，以使得纤维单元可以避免它们自身缠结)。
天然鹅绒的疏松度是两个重要特征的指标：温暖重量比和可压缩性，这两者对于保暖和提供舒适度至关重要。通过将一盎司鹅绒放在刻度量筒中并测量羽绒占据的以立方英寸计的体积来测量真实疏松度。被认为的是，根据本发明主题的实施方案制造的隔热材料能够比得上鹅绒，并提供类似于鹅绒的大约550-900的疏松度。
本发明主题特别涉及包含隔热单元的某些制品。制品包括这种隔热材料可以在以下项中使用的任何范围的制品，这些项包括服装和衣服，例如隔热夹克和裤子；鞋类，例如鞋和袜子；头饰，例如，大衣帽和其它隔热帽，和面罩；户外设备，例如睡袋和用于睡袋的外壳、毯子、帐篷、油布和其它覆盖物；床上用品、枕头、衬垫、垫衬物等。通常，这样的产品由封闭以密封隔室形式的编织或非编织或针织纺织品或织物内的预定量的填充材料组成，该密封隔室具有通过缝合、针织、编织、粘合、胶合、熔合结合或密封纺织品或织物材料的其它已知或待发现的方式密封的多个壁。图16示出了代表性产品，即具有遍及主体的多个隔室38的大衣36，末端和兜帽部分填充有根据本发明主题的隔热构造体。衣服可以具有隔室，隔室带有面向外的壁和内壁(面向身体)，该面向外的壁是耐用材料，例如，防撕裂(例如CorduraTM)尼龙，该内壁是更精细或更舒适的材料，例如聚酯、羊毛、棉或美利奴羊毛。另一层可以层压到外层和/或内层。例如，防水透气膜材料，例如膨胀的PTFE(例如，Gore-Tex牌PTFE)的阻挡层可以层压到内层或外层。其它可能的层包括芯吸水分的亲水层或其它功能层。任何壁或层也可以使用弹性材料，例如弹性纤维或聚氨酯纱线制成。
本领域技术人员将认识到，在为了解释本发明主题的性质已经描述和示出的部件和功能的细节、材料和布置中，许多修改和变化是可能的，并且这样的修改和变化并不背离其中包含的教导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通过引用以其整体并入本文。
如本文所使用的，“和/或”是指“和”或“或”，以及“和”和“或”。此外，本文引用的任何和所有专利和非专利文献为所有的目的通过引用以其整体并入本文。
以上结合任何特定示例描述的原理可以与结合任何一个或多个其它示例描述的原理组合。因此，该详细的描述不应在限制的意义上来解释，并且在查阅本公开之后，本领域普通技术人员将理解可以使用本文描述的各种概念设计的各种各样的提供的系统和其它系统。此外，本领域普通技术人员将理解，在不脱离所公开的原理的情况下，本文公开的示例性实施方案可以适用于各种构造。
提供对所公开的实施方案的先前描述以使本领域任何技术人员能够实现或使用所公开的创新。对那些实施方案的各种修改对于本领域技术人员将是明显的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文所界定的一般原理可以适用于其它实施方案。因此，要求保护的发明并不旨在限于本文所示的实施方案，而是旨在符合与权利要求的语言一致的完整范围，其中以单数形式提及元件，例如通过使用冠词“一个(a)”或“一个(an)”并不旨在表示“一个且仅一个”，除非特别地如此陈述，而是指“一个或多个”。
贯穿本公开所描述的各种实施方案的元件的对于本领域普通技术人员而言是已知的或稍后已知的所有结构等同物和功能等同物旨在由本文描述和要求保护的特征包括。此外，本文中未公开的任何内容不旨在奉献给公众，而不管这样的公开是否在权利要求中被明确地陈述。除非使用短语“用于…的装置”或“用于…的步骤”来明确地叙述该要素，否则权利要求的要素不应被解释为根据美国专利法的“装置加功能”的权利要求。
