DE60206186T2

DE60206186T2 - Verfahren zur herstellung eines gebundenen vliesstoffes

Info

Publication number: DE60206186T2
Application number: DE60206186T
Authority: DE
Inventors: W. Gregory FARRELL; Darrell Jay GILLESPIE
Original assignee: BBA Nonwovens Simpsonville Inc
Current assignee: Fitesa Simpsonville Inc
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: MXPA04001877A; EP1432860A1; DE60206186D1; US20030041953A1; EP1432860B1; KR100567785B1; CN1571871A; WO2003021024A1; KR20040058179A; ATE304622T1; CN100347368C

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Vliesstoffbahnen und, insbesondere, die Herstellung von punktgebundenen Vliesstoffbahnen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebundene Vliesstoffbahnen sind weit verbreitet und bekannt. Solche Materialien werden in verschiedene Produkte eingearbeitet, wie zum Beispiel Wegwerfwindeln, Hygieneprodukte für Frauen, medizinische Umhänge und Faltenwürfe, Schutzkleidung und Wegwerftücher. Ein weit verbreitetes Bindungsverfahren umfasst das Führen einer Faserbahn durch eine beheizten Kalanderspalt, der durch ein zusammenwirkendes Walzenpaar festgelegt wird. Typischerweise umfast das Kalanderwalzenpaar eine glatte Gegenwalze und eine profiliierte Prägewalze. Die profilierte Walze ist aus Metall geformt und ihre äußere Oberfläche wurde graviert, um eine Vielzahl von individuell erhobenen Flächen, die mittels dazwischen angeordneter Senken mit Zwischenraum voneinander angeordnet sind, so dass die Flächen der Prägewalze und die äußere Oberfläche der Gegenrolle eine Vielzahl von diskreten Bereichen formen, wo das Vliesstoffmaterial zusammengedrückt und thermisch zusammen geschmolzen wird, um Punktbindungsstellen in dem Vliesstoffgewebe zu bilden.
Dieses Kalanderbindungsverfahren wird seit vielen Jahren erfolgreich in der Herstellung von Vliesstoff aus herkömmlichen thermoplastischen Polymeren wie zum Beispiel Polypropylen eingesetzt. Seit kurzem, mit der Entwicklung von höher entwickelten Modellen für Wegwerfwindeln, Schutzkleidung und dergleichen, werden zum Einsatz in solchen Produkten spezialisierte Vliese entwickelt. Für Vliese, bei denen vorgesehen ist, dass sie in Kontakt mit der Haut des Trägers kommen, wie zum Beispiel das Topsheet-Teil einer Wegwerfwindel, werden die Bahnen zum Beispiel entwickelt, um dem Träger Weichheit und Komfort zu bieten. Es gibt verschiedene Vorgehensweisen, um das gewünschte Maß an Weichheit zu bieten. Zum Beispiel, gemäß Winebarger U.S. Patent 5,057,357, wird die Vliesstoffbahn thermisch gebunden, indem sie durch zwei nacheinander angeordnete Kalanderspalte geführt wird, die so gestaltet sind, dass sie ein bestimmtes Muster von Punktbindungen liefern, welches die Weichheit in dem gebundenen Vlies aufrecht erhält. Es ist auch anerkannt, dass die zur Herstellung der Fasern der Vliesstoffbahn eingesetz ten Polymere die Weichheit des Vliesstoffgewebes beeinflussen können. Fowells U.S. Patent 4,644,045 lehrt, dass eine Spinnvliesbahn mit ausgezeichneter Weichheit von Fasern mit Linearpolyethylen geringer Dichte hergestellt werden kann. Gessner U.S.Patent 5,108,827 beschreibt die Herstellung von Vliesstoffbahnen von Mehrkomponentenfasern, die niedriger schmelzende "weichere" Polymerbestandteile, wie zum Beispiel Polyethylen, enthalten können. Vliesstoffgewebe werden auch aus Bikomponentenfasern hergestellt, die eine höher schmelzende Polymerkomponente, wie zum Beispiel Polypropylen, und eine niedriger schmelzende Polymerkomponente, wie zum Beispiel Polyethylen, enthalten.
Bei der Herstellung einer punktgebundenen Vliesstoffbahn mit Fasern, die ein niedriger schmelzendes "weicheres" Polymer, wie zum Beispiel Polyethylen enthalten, stößt man jedoch auf ein wesentliches Problem. Bahnen die aus Fasern eines niedriger schmelzenden Polymermaterials hergestellt sind, zum Beispiel solche, die unter etwa 140°C schmelzen, sind sehr schwierig zu binden, da die Temperatur bei der die thermoplastischen Fasern ausreichend haftbar oder klebrig werden, dass sie binden, sehr nahe an der Schmelztemperatur des Polymers liegt. Für solche Bahnen, gibt es einen sehr kleinen "Bereich" von Temperatur-, Zeit- und Druckbedingungen, unter denen eine annehmbare Bindung eintritt. Bei den hohen Geschwindigkeiten, die für die kommerzielle Herstellung von Vliesen gefordert wird, ist es äußerst schwierig, die Kalanderbedingungen innerhalb des für eine annehmbare Bindung notwendigen Bereichs aufrecht zu halten. Eine nicht ausreichende Bindung führt zu einer Bahn mit schlechter Verschleißresistenz, die sich an Fussel- oder losen Filamenten und schlechten Festigkeitseigenschaften zeigt. Eine nochmalige Bindung kann ebenso zu schlechten Festigkeitseigenschaften führen sowie einem unerwünschten Verlust an Weichheit. Ein weiteres wesentliches Problem tritt auf, wenn die Fasern schmelzen und an den Kalanderwalzen kleben bleiben und dann anfangen, sich um die Walzen des Kalanders zu wickeln. Diese Umwickelungen um den Kalander verursachen unerwünschte Maschinenstillstandzeiten und Ausschussmaterial. Solche Kalanderumwickelungen werden oft ausgelöst, wenn Fasern an den vertieften Senken zwischen den erhobenen Flächenpunkten haften.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannten Probleme und bietet einschneidende Verbesserungen in der Fähigkeit, gebundene Vliesstoffbahnen herzustellen. Sie ist besonders nützlich und vorteilhaft in Hinsicht auf das Behandeln des zuvor ge nannten Problems der Bindung von Fasern oder Filamenten, die niedriger schmelzende Polymermaterialien enthalten, zum Beispiel solche, die unterhalb von etwa 140°C schmelzen. Sich aus der vorliegenden Erfindung ergebende Vorteile werden jedoch auch umgesetzt bei der Bindung von Vliesstoffbahnen, die von verschiedenen anderen faserformenden, thermoplastischen Polymeren hergestellt sind.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wird eine Vliesstoffbahn von thermoplastischen Fasern oder Filamenten gebildet und die Bahn wird in Kontakt gebracht mit einer gemusterten Prägewalze mit einer äußeren Oberfläche, die eine Vielzahl an individuell erhobenen Kalanderflächen einschließt, die voneinander jeweils durch dazwischen angeordnete Senken getrennt sind, wobei zumindest die Senken von einer Oberflächenbeschichtung aus einem Fluorpolymer bedeckt sind. Energie wird auf die Vliesstoffbahn übertragen, um deren Fasern oder Filamente zum schmelzen zu bringen und um Punktbindungsstellen in diskreten Bereichen, an denen die Bahn von den erhobenen Kalanderflächen berührt wird, zu bilden. Vorzugsweise bilden die erhobenen Kalanderflächen von 4 bis 40 Prozent der Oberfläche der Prägewalze. Noch bevorzugter ist es, wenn die erhobenen Kalanderflächen in einer Dichte von 40 bis 500 Flächen je Square Inch vorhanden sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Schritt des Inkontaktbringen der Vliesstoffbahn mit einer gemusterten Prägewalze dadurch ausgeführt, dass die Vliesstoffbahn durch einen zwischen einer glatten, oberflächenharten Gegenwalze und der profilierten Prägewalze gebildeten Kalanderspalt geführt wird. In einer anderen Ausführung wird die gemusterte Prägewalze in Kombination mit einer Sonotrode eingesetzt, um das Gewebe mittels Ultraschall in diskreten Bereichen zu binden.
Walzen, die eine Oberfläche mit einer Release-Beschichtung haben, werden in einer Anzahl von industriellen Verwendungen benutzt, wie zum Beispiel in Kopiermaschinen, in der Herstellung von beschichtetem Papier und bei Beschichtungs- und Druckverwendungen. Diese Verwendungen benutzen jedoch typischerweise Walzen mit glatter Oberfläche. Die in der Vliesindustrie zur Herstellung eines gebundenen Vliesstoffgewebes eingesetzten Walzen haben eine profilierte Oberfläche und werden herkömmlicherweise hergestellt, durch das Gravieren oder maschinelle Bearbeiten der Metalloberfläche einer zylindrischen Walze, um ein Muster von diskreten erhobenen Flächenbereichen, die von dazwischen angeordneten Senken umgeben sind, zu bilden. Die Anmelder haben entdeckt, dass durch die Ausstattung mit einer Release-Beschichtung, wie einer Fluoropoly merbeschichtung, in den Senken einer solchen gemusterten Walze, bedeutende Verbesserungen in der Bindung eines Vliesstoffgewebes erreicht werden. Obwohl die Beschichtung auch auf die erhobenen Flächen der Walze aufgebracht werden kann, werden die hauptsächlichen Vorteile erreicht, wenn die Beschichtung in den Senken vorhanden ist. Überraschenderweise erlaubt das Vorhandensein der Beschichtung, dass das Vliesstoffgewebe auf eine höhere Temperatur erhitzt werden kann, was zu festeren Bindungen und einer verbesserten Verschleißresistenz führt und das Vorkommen unerwünschter Umwickelungen um den Kalander ist vermindert.
Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich und vorteilhaft bei der Bindung eines Vliesstoffgewebes, das Fasern oder Filamente eines niedriger schmelzenden Polymers enthält, das zum Beispiel unterhalb von 140°C schmilzt, und typischerweise einen sehr schmalen Bindungsbereich akzeptabler Bindungsbedingungen hat. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kalanderspalt zwischen einer glatten, oberflächenharten Gegenwalze und einer damit zusammenwirkenden profilierten Prägewalze gebildet, wobei die gemusterte Prägewalze einen metallischen zylindrischen Walzenkern enthält, der eine äußere Oberfläche mit einer Vielzahl an erhobenen Kalanderflächen aufweist, die voneinander jeweils durch dazwischen angeordnete Senken getrennt sind, und die erhobenen Kalanderflächen in einer Dichte von 40 bis 500 Flächen je Square Inch (6,2–77,5 Flächen je Quadratzentimeter) vorhanden sind und von 4% bis 40% der Oberfläche der Prägewalze bilden, und die Walze weist eine Hartbindebeschichtung auf, die an der Oberfläche des Walzenkerns anhaftet und zumindest die Senken überlagert, und eine Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung, die an der Bindebeschichtung anhaftet. Die zusammenwirkenden Walzen werden in entgegengesetzte Richtungen gedreht und der Kalanderspalt wird bei einer Temperatur von 90° bis 250°C und bei einem Druck von 50 bis 1500 Pounds je Linear Inch (87 bis 2627 N/cm) aufrecht erhalten, bei Einsatz mit den niedriger schmelzenden Materialien. Die Vliesstoffbahn wird durch den Kalanderspalt geführt und deren thermoplastische Fasern oder Filamente werden dabei in diskreten Bereichen, die mit den erhobenen Kalanderflächen korrespondieren, thermisch gebunden.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Vliesstoffbahn Fasern von wenigstens zwei verschiedenen Polymeren, die in getrennten Phasen über den Querschnitt der Faser angeordnet sind. Insbesondere können die Fasern als eine Bikomponentenstruktur gebildet werden, wie zum Beispiel eine Kern-Mantelstruktur umfassend einen Mantel aus einem Polymer, das unterhalb von 140°C schmilzt, und einen Kern aus einem Polymer, das bei einer höheren Temperatur schmilzt. Die Fasern können alternativerweise gebildet werden von einer hochdispersen Mischung von wenigstens zwei verschiedenen nichtmischbaren thermoplastischen Polymeren, aufweisend ein dominantes kontinuierliches Phasenpolymer, das einen höheren Schmelzpunkt hat und in welchem eine diskontinuerliche Phase eines Polymers mit einem niedrigeren Schmelzpunkt, das unterhalb von 140°C schmilzt, dispergiert ist, und wobei das diskontinuierliche Phasenpolymer wenigstens einen Bereich der Oberfläche der Filamente beansprucht.
Vorteilhafterweise kann die vorliegende Erfindung bei kommerziell annehmbaren Produktionsgeschwindigkeiten betrieben werden, ohne dass es zu Kalanderumwickelungen oder anderen Produktionsproblemen kommt, die herkömmliche Maschinen heimsuchen. Darüber hinaus weisen die gemäß der Erfindung hergestellten Vliesstoffbahnen eine verbesserte Verschleißresistenz und Festigkeit auf, ein weicheres Gefühl und eine ästhetisch ansprechende Erscheinung.
Aus der vorliegenden Erfindung ergibt sich auch eine Vorrichtung zur Herstellung einer thermisch gebundenen Vliesstoffbahn, die Mittel zur Bildung von thermoplastischen Fasern oder Filamenten in einer Vliesstoffbahn und eine gemusterte Prägewalze, die für den Kontakt mit der Vliesstoffbahn montiert ist, aufweist. Die profilierte Prägewalze hat eine äußere Oberfläche, die eine Vielzahl an individuellen erhobenen Kalanderflächen einschließt, die jeweils von einander durch dazwischen angeordnete Senken getrennt sind, wobei wenigstens die Senken von einer Oberflächenbeschichtung aus einem Fluorpolymer bedeckt sind. Es sind mit der Walze zusammenwirkende Mittel zur Energieübertragung auf die Vliesstoffbahn vorgesehen, um deren Fasern oder Filamente zum schmelzen zu bringen und um Punktbindungsstellen in diskreten Bereichen, an denen die Bahn von den erhobenen Kalanderflächen berührt wird, zu bilden.
In einer spezifischeren Ausgestaltung schließt die Vorrichtung eine glatte, oberflächenharte Gegenwalze und eine mit ihr zusammenwirkende gemusterte Prägewalze ein, die einen Kalanderspalt bilden. Die profilierte Prägewalze enthält einen metallischen, zylindrischen Walzenkern, der eine äußere Oberfläche mit einer Vielzahl an erhobenen Kalanderflächen aufweist, die voneinander jeweils durch dazwischen angeordnete Senken getrennt sind, wobei die erhobenen Kalanderflächen in einer Dichte von 40 bis 500 Flächen je Square Inch (6,2–77,5 Flächen je Quadratzentimeter) vorhanden sind und von 4% bis 40% der Oberfläche der Prägewalze bilden. Die Walze weist eine Hartbindebeschichtung auf, die auf der Oberfläche des Walzenkerns anhaftet und zumindest über den Senken aufliegt, und eine Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung, die an der Binde beschichtung anhaftet. Es sind Mittel zum Drehen der Gegenwalze und der Prägewalze in entgegengesetzte Richtungen vorgesehen, und es sind Mittel vorgesehen zur Aufrechterhaltung des Kalanderspalts bei einer Temperatur von 90 bis 250 Grad C und bei einem Druck von 50 bis 1500 Pounds je Linear Inch (87 bis 2627 N/cm). Die Vliesstoffbahn wird durch den Kalanderspalt geführt und deren thermoplastische Fasern oder Filamente werden dabei in diskreten Bereichen, die mit den erhobenen Kalanderflächen korrespondieren, thermisch gebunden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nach der so erfolgten allgemeinen Beschreibung der Erfindung werden nun die beigefügten Zeichnungen erläutert, die nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet sind, und wobei:
1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Herstellung einer thermisch gebundenen Vliesstoffbahn gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist;
2A und 2B Querschnittsansichten zweier Arten von Fasern zeigen, die bei der Bildung von Vliestoffbahnen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden;
3 eine perspektivische Seitenansicht eines Paares Kalanderwalzen und eines Teils einer Vliesstoffbahn gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine sehr vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer der in 3 gezeigten Kalanderwalzen ist;
5 eine sehr vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Kalanderwalze ist; und
6 eine perspektivische Seitenansicht einer Kalanderwalze ist, auf die eine Plasmabeschichtung aus einem Fluorpolymer aufgebracht ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gezeigt sind, genauer beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Ausgestaltungen verwirklicht werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausgestaltungen beschränkt ausgelegt werden; vielmehr sind diese Ausgestaltungen vorgesehen, damit diese Offenbarung sorgfältig und vollständig ist, und den Umfang der Erfindung vollständig an die Fachleute übermittelt. Gleiche Nummer beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.
Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf einen Apparat und ein Verfahren zur Bindung einer Vliesstoffbahn mit einem sich geometrisch wiederholenden Muster von gebundenen Bereichen. Die gebundenen Bereiche sind von ungebundenen Bereichen umgeben, so dass ein erkennbares Muster entsteht. Die individuell gebundenen Bereiche bilden vorzugsweise von 4 bis 40 Prozent der Fläche der Oberfläche des Gewebes und können in Konzentrationen von etwa 40 bis 500 Zonen pro Square Inch (6,2 bis 77,5 pro cm²) vorliegen, bevorzugterweise, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, etwa 100 bis 300 pro Square Inch (15,5 bis 46,5 pro cm²). In den gebundenen Bereichen erweichen die Fasern oder Filamente der Vliesstoffbahn und verschmelzen miteinander. Die durch die Bindungszonen geschaffenen Bindungen übertragen nützliche Eigenschaften auf das Gewebe, wie Bahnfestigkeit, Oberflächenverschleißresistenz und dimensionale Stabilität. Da die Fasern oder Filamente an den Bindungsstellen auf eine höhere Temperatur erhitzt werden können, ohne dass sie an der Walze kleben, kann eine bessere und vollkommenere Schmelzverbindung gebildet werden. Das klar erkennbare Bindungsmuster kann auch als Identifizierungskennzeichen, z.B. zur Identifizierung von Gewebecharakteristiken oder Herkunftsquelle, benutzt werden und als Ausrichtungs- oder Begrenzungspunkte zur Unterstützung bei der Zusammenfügung oder Produktion von Textilprodukten.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf thermisch gebundene Vliesstoffbahnen, die durch verschiedene Herstellungsverfahren hergestellt werden, die allgemein in der Vliesindustrie eingesetzt werden, einschließlich Kardierung, Luftlegung, Naßlegung, Schmelzspinnen und Spinnverfestigung oder Kombinationen dieser Verfahren. Wie gut bekannt ist, werden kardierte, luftgelegte und nassgelegte Bahnen von Fasern von diskreter Länge, d.h. Stapelfasern gebildet. Spinnvliesbahnen werden von Fasern mit im Wesentlichen kontinuierlicher Länge gebildet, das heißt kontinuierliche Filamente, die zur Bildung einer Bahn ungeordnet angeordnet werden.
Die Fasern der Vliesstoffbahnen werden von einem oder mehreren thermoplastischen Polymeren gebildet, die die Fähigkeit haben, Schmelzverbindungen zu bilden durch die Anwendung von Druck und Hitze oder Ultraschallenergie. Beispiele solcher Polymere schließen Polyolefine, wie Polypropylen und Polyethylen ein, Polyester wie Polyethylen-Terephthalat, Nylon wie Nylon 6 und Nylon 66 und Kombinationen oder Mischungen solcher Polymere. Die Fasern oder Filamente können vollständig von einem einzigen Polymer oder von zwei oder mehreren Polymeren gebildet werden, die getrennte Polymerphasen bilden können. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn sie zur Bindung von Fasern eingesetzt wird, die mittels herkömmlicher Bindungsmethoden schwierig zu binden sind, wie zum Beispiel niedriger schmelzende Polymere, die unterhalb von etwa 140°C schmelzen. Beispiele solcher niedriger schmelzenden Polymere schließen Polyethylen (Polyethylen hoher Dichte oder HDPE, Polyethylen niedriger Dichte oder LDPE und Linearpolyethylen niedriger Dichte oder LLDPE) ein. Für Zwecke dieser Erfindung kann der Schmelzpunkt durch Differenz-Scanning-Kalorimetrie (DSC) bestimmt werden. Eine Methode zur Messung des Schmelzpunktes mittels DSC wird von Perkin Elmer von Norwalk Conn. in ihrer Veröffentlichung DSC 7 Differential Scanning Calorimeter 7 Series Thermal Analysis System gelehrt.
Die vorliegende Erfindung ist auch nützlich bei Polymeren niedriger Kristallinität, die niedrige Erweichungspunkte aufweisen, wie zum Beispiel bestimmte Polypropylen-Copolymere, Ethylen-Vinylacetat (EVA) und eine Vielfalt von amorphen Materialien, die als Klebemittel benutzt werden. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf Fasern anwendbar, die eine niedriger schmelzende Polymerkomponente beinhalten, die unterhalb 140°C schmilzt und eine oder mehrere höher schmelzende Polymerkomponenten. Die Polymerkomponten sind in getrennten Phasen über den Querschnitt der Faser angeordnet, um Mehrkomponenten- oder Vielstofffasern zu bilden. Die Fasern können zum Beispiel Mehrkomponentenfasern sein, wie zum Beispiel in Gessner U.S. Patent 5,107,827 beschrieben, wo die niedriger schmelzende Komponente als diskontinuierlich dispergierte Phase in einer kontinuierlichen Phase eines Polymerbestandteils, welches bei einer höheren Temperatur schmilzt, vorhanden ist. Alternativ kann die Polymerkomponente eine primäre kontinuierliche Phase eines niedriger schmelzenden Polymers, wie Polyethylen, beinhalten, in dem eine oder mehrere höher schmelzende Polymerkomponenten dispergiert sind. In einer anderen Ausgestaltung können die Fasern Vielstofffasern sein, wobei die Polymerkomponente an spezifischen Stellen innerhalb des Faserquerschnitts angeordnet sind und sich kontinuierlich entlang der Faserlänge erstrecken. Eine besonders bevorzugte Form einer Vielstofffaser zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung ist eine Kern-Mantel-Bikomponentenfaser, in der die höher schmelzende Polymerkomponente in dem Kern vorhanden ist und die niedriger schmelzende Komponente die Kernkomponente zur Bildung eines Mantels umgibt. Die Kernkomponente kann aus Polypropylen und der Mantel von Polyethylen gebildet werden.
1 zeigt einen Teil einer Vorrichtung 10 zur Herstellung einer thermisch gebundenen Vliesstoffbahn 12 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wobei die Bahn eine Spinnvliesbahn ist. Genauer gesagt, in dieser Ausgestaltung ist die Bahn 12 aus in ungeordneter Weise angeordneten Bikomponentenfilamenten 13 gebildet, die mittels eines Paares von Extrudern 62 aufbereitet werden, die zwei verschiedene Polymermaterialien 68, 70 von Trichtern 64 zu einer Bikomponenten-Spinndüse 14 führen. Die beiden Materialien verbinden sich in der Spinndüse zur Bildung einer Kern-Mantel-Konfiguration. Spinndüsen zur Herstellung von Bikomponentenfilamenten sind unter Fachleuten sehr bekannt und werden daher hier nicht im Einzelnen beschrieben. In einer bekannten Ausgestaltung, umfasst zum Beispiel die Spinndüse ein Gehäuse um ein Spinnpaket herum, das eine Vielzahl von vertikal gestapelten Platten umfasst, die ein Raster von Öffnungen haben, die angeordnet sind, um Fließpfade zu schaffen, um die beiden Polymere getrennt zu den faserformenden Öffnungen in der Spinndüse zu lenken. Die faserformenden Öffnungen sind in einer oder mehreren Reihen angeordnet und, wenn die Polymere durch die Spinndüse 14 extrudiert sind, erzeugen die Öffnungen einen nach unten ausgestreckten Vorhang von Filamenten 13. Wenn die Filamente 13 aus der Spinndüse 14 austreten kommen sie von einer oder beiden Seiten des Filamentenvohanges aus in Kontakt mit einem Kühlgas 72, welches typischerweise Luft ist und das Filament zumindest teilweise rasch abkühlt. Typischerweise wird das Kühlgas 72 im Allgemeinen senkrecht zur Länge der Filamente 13 bei einer Geschwindigkeit von etwa 30 bis etwa 120 Metern pro Minute und zwar bei einer Temperatur von etwa 7°C bis etwa 32°C gerichtet. Außerdem kann eine Faserzieheinheit oder Saugeinheit 74 unterhalb der Spinndüse 14 platziert werden, um die Filamente 13 zu ziehen und verdünnen. Die Filamente sind im Allgemeinen kontinuierlich und haben Durchmesser, die größer sind als etwa 7 Mikron und, genauer, zwischen etwa 10 und 30 Mikron.
Die Filamente 13 werden in einer im Wesentlichen ungeordneten Weise auf ein sich bewegendes Beförderungsband 15 gelagert, dass zur Gestaltung der Bahn 12 mittels einer herkömmlichen Antriebsquelle (nicht gezeigt) über eine Reihe von Walzen 16 gelenkt wird. Geeignete Saugmittel 20 können unter dem Beförderungsband 15 vorhanden sein, in einem Abstand zu der Spinndüsenzusammenfügung 14, um das Absetzen der Filamente 13 zu unterstützen. Es sollte beachtet werden, dass, obwohl eine allein stehende Spinndüsenzusammenfügung und eine einlagige Filamentbahn gezeigt werden, es möglich ist, zusätzliche Reihenspinnzusammenfügungen zur Bildung einer schwereren Bahn oder einer mehrlagigen Bahn vorzusehen.
Die sich vorwärts bewegende Bahn 12 läuft vom Beförderungsband 15 und wird hinein in und durch einen Druckspalt 21 gelenkt, der durch Kalanderwalzen 18, umfassend eine erhitzte Prägewalze 22 und eine oberflächenharte Gegenwalze 24, gebildet wird. Die Prägewalze 22 wird innen auf herkömmliche Weise aufgeheizt, zum Beispiel durch Zirkulation von Wärmeträgerflüssigkeit durch das Innere der Walze. Die Gegenwalze 24 kann auf ähnliche Weise ebenso erhitzt werden. Die Zeit-, Temperatur- und Druckbedingungen am Kalanderspalt sind ausreichend, die Fasern oder Filamente so zu erhitzen, dass bewirkt wird, dass sie schmelzen und sich miteinander verbinden, und so – entsprechend der Profilierung der Prägewalze – diskrete Schmelzverbindungsstellen schaffen. Die Bahn 12 wird bis hinter die Kalanderwalzen 18 geführt, zum Beispiel bis zur Aufwickelwalze 56.
In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführung kann die Energie, die zur Herstellung von Schmelzverbindungen der Fasern oder Filamente benötigt wird, von einer Ultraschallquelle geliefert werden, wie einer Sonotrode, die anstelle der Gegenwalze 24 gegenüber der Prägewalze 22 angebracht ist.
2A und 2B zeigen zwei Beispiele eines Querschnitts von Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigen die 2A und 2B Fasern, die von wenigstens zwei verschiedenen Polymeren gebildet werden, die in getrennten Phasen im Querschnitt der Faser angeordnet sind. 2A zeigt eine Kern-Mantel Bikomponentenstruktur mit einem Kern 26 aus einem mit einem höheren Schmelzpunkt behafteten Polymer, wie zum Beispiel Polypropylen, und einen Mantel 28 aus einem mit einem niedrigeren Schmelzpunkt behafteten Polymer, wie zum Beispiel Polyethylen. Die Eigenschaften des Kerns 26 und Mantels 28 sind, wie unten ausgeführt, für bestimmte Herstellungsprozesse vorteilhaft. 2B zeigt eine Mehrkomponentenfaser, die gebildet ist von einer hoch dispergierten Mischung von wenigstens zwei verschiedenen nichtmischbaren thermoplastischen Polymeren, in der eine diskontinuierliche Phase 32 eines mit niedrigerem Schmelzpunkt behafteten Polymers in einer dominanten kontinuierlichen Polymerphase 30 eines mit höherem Schmelzpunkt behafteten Polymers dispergiert ist. Die diskontinuierliche Phase 32 beansprucht wenigstens einen Bereich der Faseroberfläche.
Die 3 und 4 zeigen Ansichten der Prägewalze 22 und der Gegenwalze 24 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die Prägewalze 22 besteht aus Metall und hat einer äußere Oberfläche, die eine Vielzahl von erhobenen Kalanderflächen 34 festlegt. Die Flächen 34 sind voneinander durch dazwischen angeordnete Senken 36 getrennt, um ein sich wiederholendes Muster auf die Bahn 12 zu übertragen, während die Bahn durch den Spalt 21 gelenkt wird. Die Flächen bilden von etwa 4% bis 40% der Oberfläche der Prägewalze 22. Für hygienische Anwendungen, wie zum Beispiel Topsheets einer Windel, bilden die Flächen vorzugsweise eine Bindungsfläche von etwa 10% bis 30% bei einer Dichte von etwa 100 bis 300 Flächen pro Square Inch (15,5 bis 46,5 pro cm²). Die Prägewalze 22 kann von gut bekannten Materialien hergestellt sein, wie zum Beispiel Stahl, durch Gravieren der äußeren Oberfläche der Walze, um die Vielzahl von Flächen 34 gemäß einem sich geometrisch wiederholenden Muster festzulegen.
Die Prägewalze 22 hat eine harte, feste, nichthaftende Oberflächenbeschichtung 38 aus einem Fluorpolymermaterial, das dauerhaft an die Walzenoberfläche gebunden ist. Die Beschichtung sollte wenigstens die Senken 36 bedecken, kann aber entsprechend sowohl die Flächen 34 als auch die dazwischen angeordneten Senken 36 bedecken. Die Oberflächenbeschichtung 38 umfasst vorzugsweise ein Fluorpolymer, wie zum Beispiel das Polytetrafluorethylenpolymer, das von DUPONT unter der Marke TEFLON^TM verkauft und hergestellt wird. Andere geeignete Fluorpolymere beinhalten Hexafluorpropylen, Monochlortrifluorethylen oder Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer. Die beschichtete Prägewalze 22 hat vorzugsweise eine Rockwell C Härte von 35 oder höher, und am besten 45 oder höher. Wie unter Fachleuten bekannt ist, setzt der Rockwell C Härteprüfung einen Diamantkegel ein, der bei 150 kg gegen die Oberfläche eines Materials geladen wird, und die Tiefe des Eindringens des Kegels wird mittels einer Prüfmaschine gemessen und auf eine Rockwellhärtenummer umgerechnet. Zum Erreichen der gewünschten Oberflächenhärte wird vorzugsweise eine Hartbindebeschichtung 40 unmittelbar auf die gravierte Walzenoberfläche aufgebracht, und die Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung 38 wird auf die Bindebeschichtung 40 aufgebracht. Beispiele geeigneter Hartbindebeschichtungen schließen ein keramische Zusammensetzungen, Karbide, Molybdenium, Nickel-Chrom, rostfreien Stahl und Nickel. Die Bindebeschichtung 40 bietet eine gute Anhaftung an die Oberfläche der Stahlwalze und haftet auch an der Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung 38.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teilbereichs der Prägewalze 22, deren äußere Oberfläche über den Flächen 34 und dazwischen angeordneten Senken 36 mit der Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung 38 beschichtet ist. Außerdem zeigt 5 eine Hartbindebeschichtung 40, die an der Oberfläche der Walze 22 anhaftet und zwischen die Oberflächenbeschichtung 38 und die Walze geschoben ist, wobei die Oberflächenbeschichtung an der Bindebeschichtung anhaftet. Die Bindebeschichtung 40 ist jedoch nicht notwendig, und die Oberflächenbeschichtung 38 kann direkt an die Prägewalze 22 gebunden werden. In beiden Fällen haben die Oberflächenbeschichtung 38 und die Bindebeschichtung 40 jeweils eine Dicke von nicht mehr als etwa 5 Mils (0,13 mm), für eine Beschichtungsgesamtdicke von vorzugsweise nicht mehr als etwa 10 Mils (0,26 mm).
Die Bindebeschichtung 40 und die Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung 38 werden vorteilhafterweise durch ein Plasmasprühbeschichtungsverfahren auf die Walze aufgebracht. 6 verdeutlicht in schematischer Weise ein Verfahren zum Aufbringen der Oberflächenbeschichtung 38 und/oder Bindebeschichtung 40 auf die Walze mittels Plasmasprühbeschichtung. Insbesondere unterliegt die Prägewalze 22 einem Plasmasprühbeschichtungsverfahren, bei dem von einem Plasmabrenner 42 ein Hochtemperaturplasmastrahl 44 auf die Oberfläche der Prägewalze gerichtet wird. Der Plasmastrahl 44 kann Temperaturen zwischen 10.000 Grad und 50.000 Grad F erreichen. Pulver der Oberflächenbeschichtung 38 oder der Bindebeschichtung 40 wird von einer Zufuhr 48 in den Plasmastrahl 44 eingespritzt, wo es schnell erhitzt wird und auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Das geschmolzene Pulver trifft auf der Oberfläche der Prägewalze 22 auf und kühlt schnell ab und bildet eine Beschichtung. Vorteilhafterweise, wird das Plasmasprühverfahren als ein "kaltes Verfahren" bezeichnet, weil die Temperatur des Substrats, das heißt der Prägewalze 22, während der Verarbeitung niedrig gehalten werden kann, was die Walze vor Schädigung, metallurgischen Änderungen und Verzerrungen der Walzenoberfläche schützt. Plasmabrenner sind in der Technik bekannt, wie zum Beispiel von ESAB Welding and Cutting Products of Florence, South Carolina, hergestellte Plasmasprühbrenner.
Die Temperatur des durch die Prägewalze 22 und die Gegenwalze 24 gebildeten Spaltes 21 sowie der Spaltdruck sollten so ausgewählt und aufrecht erhalten werden, dass die die Bahn 12 bildenden Fasern wirksam gebunden werden, ohne schädliche Nebenerscheinungen hervorzurufen, wie zum Beispiel übermäßiges Schmelzen, das Flusenbildung und eine verringerte Lebensdauer der Bahn hervorruft. Das Vorhandensein der Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung auf der Walze ermöglicht es, den Kalander bei einer erheblich höheren Temperatur zu betreiben, als es mit einer bloßen Metallgra vurwalze möglich wäre, ohne unerwünschte Wickelungen um den Kalander. Der Kalander kann in der Tat bei einer Temperatur betrieben werden, die weit über der Schmelztemperatur der niedriger schmelzenden Polymerkomponente liegt. Dies führt dazu, das der Bereich der wirksamen Bindung erheblich verbreitert ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung, die Kern-Mantel Bikomponentenfasern einsetzt, die einen Polypropylenkern und einen Polyethylenmantel umfassen, wird der Spalt 21 bei einer Temperatur von etwa 90–160 Grad C aufrecht erhalten, und bei einem Druck von etwa 50–1500 Pounds pro Linear Inch (87 bis 2627 N/cm) aufrecht erhalten.
Ein Fachmann wird an viele Abänderungen und andere Ausführungen der Erfindung denken, auf die sich diese Erfindung bezieht und die die Vorteile der in den vorangehenden Beschreibungen und dazugehörigen Zeichnungen dargestellten Lehren haben. Daher ist davon auszugehen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen, offenbarten Ausgestaltungen begrenzt sein soll und dass Abänderungen und andere Ausführungen unter den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallen sollen. Obwohl hier spezifische Ausdrücke benutzt werden, werden sie in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn benutzt und nicht zu Begrenzungszwecken.

Claims

Ein Verfahren zur Bindung einer Vliesstoffbahn, aufweisend: – Formen einer Vliesstoffbahn aus thermoplastischen Fasern oder Filamenten, die ein Polymer aufweisen, welches unterhalb von 140° Celsius schmilzt; – Bilden eines Kalanderspaltes zwischen einer glatten oberflächenharten Gegenwalze und einer zusammenwirkenden profilierten Prägewalze, wobei die strukturierte Prägewalze einen metallischen zylindrischen Walzenkern enthält, der eine äußere Oberfläche mit einer Vielzahl an erhobenen Kalanderflächen aufweist, die jeweils von einander durch zwischenangeordnete Senken getrennt sind, die erhobenen Kalanderflächen sind in einer Konzentration von 40 bis 500 Flächen je Square Inch (6.2 bis 77.5 Flächen je cm²) vorhanden und bilden von 4% bis 40% der Oberfläche der Prägewalze, und die Walze weist eine Hartbindebeschichtung auf, die gebunden an der Oberfläche des Walzenkerns aufgebracht ist und zumindest die Senken überdeckt, und eine Fluorpolymeroberflächenbeschichtung, die zu der Bindebeschichtung gebunden ist; – Drehen der Gegenwalze und der Prägewalze in entgegengesetzte Richtungen; – Aufrechterhalten des Kalanderspaltes bei einer Temperatur von 90° bis 250°C und mit einem Druck von 50 bis 150 Pounds je Linear Inch (87 bis 2627 N/cm); und – Führen der Vliesstoffbahn durch den Kalanderspalt und dabei thermisches Verbinden der thermoplastischen Fasern oder Filamente in diskreten Bereichen, die zu den erhobenen Kalanderflächen korrespondieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Bindebeschichtung und die Fluorpolymeroberflächenbeschichtung jeweils eine Dicke von nicht mehr als ungefähr 5 mils (0,13 mm) aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens einer Vliesstoffbahn ein Bilden der Fasern von zumindest zwei verschiedenen Polymeren umfasst, die in getrennten Phasen über den Querschnitt der Faser angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Fasern als Kern-Mantel-strukturierte Bikomponentenfasern gebildet werden, die einen Mantel aus dem Polymer haben, das unterhalb 140°C schmilzt, und einen Kern eines Polymers mit einem höheren Schmelzpunkt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die thermoplastischen Fasern Kern-Mantel-strukturierte Bikomponentenfasern aufweisen, die einen Polypropylenkern und einen Polyethylenmantel haben.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Fasern gebildet werden aus einer hochdispersen Mischung von zumindest zwei verschiedenen nichtmischbaren thermoplastischen Polymeren und aufweisend eine dominante kontinuierliche Polymerphase eines höher schmelzpunktbehafteten Polymers, in welchem eine diskontinuierliche Phase des Polymers dispergiert ist, welche unterhalb von 140°C schmilzt, und wobei die mit einem niedrigeren Schmelzpunkt behaftete diskontinuierliche Phase einen Bereich der Oberflächen der Fasern beansprucht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die äußere exponierte Oberfläche der Prägewalze eine Rockwellhärte C von 35 oder mehr hat.
Vorrichtung zur Herstellung einer thermisch gebundenen Vliesstoffstoffbahn, aufweisend: – Mittel zur Bildung einer Vliesstoffbahn aus thermoplastischen Fasern oder Filamenten, aufweisend ein Polymer, welches unterhalb von 140°C schmilzt; – eine glatte, oberflächenharte Gegenwalze und eine zusammenwirkende gemusterte Prägewalze, die einen Kalanderspalt formen, die gemusterte Prägewalze enthält einen metallischen zylindrischen Walzenkern, der eine äußere Oberfläche mit einer Vielzahl an erhobenen Kalanderflächen aufweist, die voneinander jeweils durch zwischenangeordnete Senken getrennt sind, die erhobenen Kalanderflächen sind in einer Dichte von 40 bis 500 Flächen je Square Inch (6.2 bis 77.5 Flächen je cm²) vorhanden und Bilden von 4% bis 40% der Oberfläche der Prägewalze, und die Walze weist eine Hartbindebeschichtung auf, die auf der Oberfläche des Walzenkerns anhaftet und zumindest über den Senken aufliegt, und eine Fluorpolymeroberflächenbeschichtung ist mit der Hartbeschichtung verbunden; – Mittel zum Drehen der Gegenwalze und der Prägewalze in entgegengesetzte Richtungen; – Mittel zur Aufrechterhaltung des Kalanderspaltes bei einer Temperatur von 90° bis 250°C und bei einem Druck von 50 bis 1500 Pounds je Linear Inch (87–2627 N/cm); und – Mittel zur Führung der Vliesstoffbahn durch den Kalanderspalt und dabei thermischen Binden der thermoplastischen Fasern oder Filamente in diskreten Bereichen entsprechend der erhobenen Kalanderflächen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Bindebeschichtung und das Fluorpolymer jeweils eine Dicke von nicht mehr als 5 mils (0,13 mm) aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Hartbindebeschichtung und die Fluorpolymeroberflächenbeschichtung beides, die Flächen und die Senken, überlagern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Bindebeschichtung eine Mischung ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus keramischen Mischungen, Karbiden, Molybdenium, Nickel-Chrom, rostfreiem Stahl und Nickel besteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die äußere exponierte Oberfläche der Prägewalze eine Härte Rockwell C von 35 oder mehr hat.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Oberflächenbeschichtung aus Fluorpolymer aus der Gruppe gewählt ist, die aus Polytetrafluorethylen, Hexafluorpropylen, Monochlortrifluorethylen oder Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylencopolymer besteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zur Bildung einer Vliesstoffbahn Mittel zur Bildung der Fasern von zumindest zwei verschiedenen Polymeren aufweist, die in getrennten Phasen über den Querschnitt der Faser angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die Mittel zur Bildung der Fasern Mittel zur Bildung von Kern-Mantel-strukturierten Bikomponentenfasern aufweisen, die einen Mantel aus dem Polymer haben, das unterhalb von 140°C schmilzt, und einen Kern aus einem Polymer mit höherem Schmelzpunkt haben.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die Mittel zur Bildung von Fasern Mittel zur Bildung von Bikomponentenfasern aufweisen, die einen Polypropylenkern und einen Polyethylenmantel haben.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die Mittel zur Bildung von Fasern Mittel zur Bildung von Fasern aus einer hochdispersierenden Mischung von zumindest zwei verschiedenen nichtmischbaren thermoplastischen Polymeren aufweist, die eine do minante kontinuierliche Polymerphase eines mit einem höheren schmelzpunktbehafteten Polymer aufweist, in welcher eine diskontinuierliche Phase des Polymers dispergiert ist, welches unterhalb von 140°C schmilzt, und wobei die mit einem niedrigeren Schmelzpunkt behaftete diskontinuierliche Phase einen Bereich der Oberflächen der Fasern beansprucht.