HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Herstellen eines hydroverhedderten Nonwoven-Materials mit
erhöhter Nassfestigkeit.
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Das Hydroverheddern oder das Herstellen eins Spinnvlieses ist
ein Verfahren, das in den 70-er Jahren eingeführt wurde, was
beispielsweise dem Kanadischen Patent Nr. 841,938 zu
entnehmen ist. Das Verfahren beinhaltet das Bilden von
entweder einem trocken abgelegten oder nass abgelegten
Fasernetz, wonach die Fasern durch sehr feine Wasserstrahlen
unter hohem Druck verheddert werden. Mehrere Reihen von
Wasserstrahlen werden auf das Fasernetz gerichtet, das auf
einem verschiebbaren Draht getragen wird. Das verhedderte
Netz wird danach getrocknet. Diejenigen Fasern, die in dem
Material verwendet werden, können synthetische Fasern oder
regenerierte Staple-Fasern sein, beispielsweise Polyester,
Polyamid, Polypropylen, Reyon und ähnliches, Pulpefasern oder
eine Mischung aus Pulpefasern und Staple-Fasern.
Spinnvliesmaterialien können in einer hohen Qualität unter
vertretbaren Kosten erzeugt werden und bieten eine hohe
Absorptionsfähigkeit. Sie werden u.a. als Mischmaterialien
für Haushaltsanwendungen oder industrielle Anwendungen
verwendet, als Wegwerfmaterialien innerhalb der
Gesundheitspflege usw..
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Spinnvliesmaterial basierend auf Mischungen von Pulpefasern
und verhältnismäßig kurzen (< 25 mm) synthetischen oder
pflanzlichen Fasern haben oftmals gute
Festigkeitseigenschaften im trockenen Zustand. Das
Bindungssystem in dieser Art von Material ist in einem
trockenen Zustand eine Kombination der Reibung zwischen allen
Fasern in dem Material und von Wasserstoffverbindungen
zwischen den Pulpefasern in dem Material. In Wasser und
anderen polaren Lösungsmitteln verschwinden die
Wasserstoffbindungen zwischen den Pulpefasern mehr oder
weniger und die Festigkeit des Materials wird stark abhängig
von der Reibung zwischen den Fasern in einem nassen Zustand.
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Diese Empfindlichkeit hinsichtlich polarer Lösungsmittel kann
durch den Zusatz von verschiedenen Bindermitteln, wie Latex
herkömmlichen Typs basierend auf beispielsweise
Ethylvinylacetat, Acrylaten oder Styrenbutadien verringert
werden. Nassfestigkeitsharze von beispielsweise dem
Polyamidepichlorohydrintyp verbessern ebenfalls die
Festigkeitseigenschaften des Spinnvliesmaterials.
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Die Verstärkung von Spinnvliesmaterial mit Hilfe von
verschiedenartigen Bindern kann zu einer Reihe von mehr oder
weniger ernsthaften Problemen führen, abhängig davon, wo und
wie das Material verwendet werden soll. Bestimmte chemische
Bindemittel haben einen schlechten Widerstand hinsichtlich
gewöhnlich auftretenden Lösungsmitteln, was ein
beträchtlicher Nachteil bei Nonwovenmaterial ist, das bei
Wischtüchern zum Reinigen zusammen mit Lösungsmitteln
eingesetzt wird. Die Bindemittelverstärkung erzeugt oftmals
eine Versteifung des Materials, die ebenfalls ein
beträchtlicher Nachteil in bestimmten Anwendungen sein kann,
bei denen ein weiches und faltbares Nonwovenmaterial benötigt
wird. Ferner ist der Zusatz eines Bindemittels eine chemische
Behandlung, die häufig hinsichtlich eines
Umweltgesichtspunkts weniger wünschenswert ist.
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Ein anderes Verfahren zum Anheben der Nassfestigkeit in
Spinnvliesmaterial ist ein thermisches Binden, das verwendet
werden kann, wenn das Material thermoplastische Fasern
enthält. In solchen Fällen werden die thermoplastischen
Fasern in dem Material nach der Hydroverhedderung durch
erhöhte Temperatur und Druck geschmolzen. Der Nachteil dieses
Verfahrens ist, dass das Material steifer wird und die
zusammengeschmolzenen thermoplastischen Fasern lokal harte
Gebiete bilden können, die empfindliche Oberflächen während
beispielsweise dem Polieren zerkratzen können. Ein weiterer
Nachteil des thermischen Bindens ist, dass das
Faserrecyclieren durch das gemischte Material (z. B.
Zellulose/Polypropylen) schwieriger wird.
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Es ist auch möglich, die Reibung der synthetischen Fasern
anfänglich bei der Faserproduktion zu erhöhen. Dies erzeugt
jedoch Probleme während des Nass- oder Schaumformens, wo es
wünschenswert ist, die geringstmögliche Faser-Faser-Reibung
zu haben, um eine so gleichmäßige Verteilung wie möglich
während des Formgebens zu erhalten. Zusätzlich wird eine
verhältnismäßig geringe Faser-Faser-Reibung für das
nachfolgende Hydroverheddern benötigt, wenn gute
Verhedderungsergebnisse gewünscht sind.
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Eine Reihe von neuen Verfahren für das chemisch-physikalische
Beeinflussen der Oberfläche unterschiedlicher Materialien
wurden während der letzten Jahre entwickelt. Unter diesen
Verfahren können die Elektronenbestrahlung,
Ultraviolettverfahren und Plasmaverfahren erwähnt werden. Der
Vorteil dieser Verfahren ist, dass die Behandlung in der
Gasphase auftritt und somit das Material sanft behandelt wird
und kein nachfolgendes Trocknen oder eine Nachbehandlung
nötig werden.
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Plasma ist ein allgemeiner Ausdruck für Gase, die Ionen,
Elektronen, freie Radikale, Photonen innerhalb des UV-
Bereichs, Moleküle und Atome umfassen. Plasma ist elektrisch
neutral und wird normalerweise durch elektrische Entladung
erzeugt, wobei die Energiequelle in der Gestalt von Radio-
oder Mikrowellen ist.
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Die Plasmabehandlung kann als eine Weiterentwicklung der
Korona-Behandlung bezeichnet werden und der Hauptunterschied
ist, dass die Koronabehandlung unter atmosphärischem Druck
stattfindet während die sogenannte Glühentladung in kaltem
Plasma unter verringertem Druck stattfindet. Die
Plasmabehandlung kann unter dem Vorhandensein von
unterschiedlichen Gasen durchgeführt werden, abhängig davon,
welches Ergebnis gewünscht wird.
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Die Plasmabehandlung wird heutzutage beispielsweise
verwendet, um Kunststoffkomponenten mit einer beschichtbaren
Oberfläche zu versehen. Sie wird auch verwendet, um chemisch
die Oberfläche auf Fasern mit dem Ziel zu modifizieren, die
Benetzbarkeit von Fasern zu erhöhen, ebenso wie um die
Haftung zwischen Fasern und einem Füller zu verstärken. Die
Plasmabehandlung zur Verstärkung von Fasern, die in eine
thermoplastische Matrix eingebettet werden sollen, ist in der
US-A-5, 108,780 beschrieben. Es wird angenommen, dass die
Wirkung der Plasmabehandlung diejenige ist, dass freie
Radikale auf der Faser oder Materialoberfläche gebildet
werden. Diese freien Radikale können miteinander reagieren,
mit Komponenten in der Plasmaphase oder mit Molekülen in der
Umgebung, beispielsweise Sauerstoffgas, sobald das behandelte
Material aus dem Plasmareaktor entfernt wird.
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Die Koronabehandlung wurde lange verwendet, um morphologisch
und chemisch die Oberfläche von Polymerfilmen zu modifizieren
und insbesondere um die Haftung von Drucktinte zu verbessern
oder den Film zu perforieren. Eine Vorrichtung zur
Koronabehandlung ist beispielsweise in der US-A-4,283,291
beschrieben. Es ist auch aus beispielsweise der US-A-
4,535,020 und der EP-A-0,483,859 bekannt, Oberflächenmaterial
für absorbierende Produkte wie Windeln und Hygieneeinlagen
gleichzeitig zur Behandlung des Materials mit einem Tensids
durch Korona zu behandeln, um die Flüssigkeitsdurchlässigkeit
zu erhöhen. Dank der Koronabehandlung wird eine verbesserte
dauerhafte Benetzbarkeit erreicht. In der EP-A-484,930 ist
offenbart, dass Wischtücher aus beispielsweise
schmelzgeblasenem Material koronabehandelt werden können, um
das Material mit verbesserten dauerhaften
Absorptionseigenschaften während wiederholter Verwendung zu
versehen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Spinnvliesmaterial vorzusehen, das durch eine Nachbehandlung
des Materials ohne den Zusatz von Bindern oder thermischer
Bindung verbesserte Festigkeitseigenschaften insbesondere in
einem nassen Zustand aufweist. Dies wird gemäß der Erfindung
durch Unterwerfen des getrockneten Materials einer Plasma-
oder Koronabehandlung nach dem Hydroverheddern erreicht. Man
nimmt an, dass die Plasma- oder Koronabehandlung die
Oberfläche der Fasern auf solch eine Weise modifiziert, dass
die Faser-Faser-Reibung zunimmt, was die verbesserten
Festigkeitseigenschaften des behandelten Materials erklären
würde.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Plasmabehandlung hat sich als ein sehr effektives
Verfahren zum Modifizieren des Parameters herausgestellt, der
in der beschriebenen Art von Nonwovenmaterial verändert
werden soll, d. h. der Faser-Faser-Reibung in einem nassen
Zustand. Es hat sich auch herausgestellt, dass eine
Oberflächenmodifikation durch Koronaentladung unter
atmosphärischem Druck signifikante Steigerungen in der
Nassfestigkeit des fraglichen Spinnvliesmaterials vorsieht.
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Die Fasern, die das Material bilden, können synthetische oder
regenerierte Staple-Fasern sein, z. B. Polyester, Polyamid,
Polypropylen, Reyon oder ähnliches, pflanzliche Fasern,
Pulpefasern oder Mischungen davon. Die Pulpefasern können aus
chemischer, mechanischer, thermomechanischer, chemisch-
mechanischer oder chemisch-thermomechanischer Pulpe (CTMP)
sein. Der Zusatz von mechanischen, thermomechanischen,
chemisch-mechanischen oder chemisch-thermomechanischen
Pulpefasern bietet ein Material mit höherem Volumen und
verbesserter Absorption und Weichheit, was in unserer
schwedischen Anmeldung Nr. 9500585-6 beschrieben ist. Die
Festigkeitseigenschaften sind jedoch verschlechtert, weshalb
eine Nachbehandlung zur Verbesserung der Festigkeit des
Materials für bestimmte Anwendungen nötig sein kann. Die
Plasma- oder Koronabehandlung kann somit eine günstige
Alternative sein.
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Beispiele von pflanzlichen Fasern, die verwendet werden
können, sind Blattfasern, wie Abaca, Ananas und Phormium
tenax, Bastfasern wie Flax, Hanf und Ramie und Saathaarfasern
wie Baumwolle, Kapok und Milchweizen. Während des Zusatzes
von solchen langen hydrophilischen pflanzlichen Fasern in
nass- oder schaumgeformten Materialien kann es notwendig
sein, ein Dispersionsmittel, beispielsweise eine Mischung aus
75% bis(hydro-erzeugtem Tallowalkyl)dimethylammoniumchlorid
und 25% Propylenglykol zuzugeben. Dies ist genauer in der
schwedischen Anmeldung Nr. 9403618-3 beschrieben.
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Ein bestimmter Anteil an recyclierten Fasern aus
Textilabfall, Nonwovenabfall und ähnlichem kann ebenfalls in
dem Material vorhanden sein. Dies ist in der schwedischen
Anmeldung Nr. 9402804-0 (EP-A-0777782) beschrieben. Da solch
ein Material eine geringere Festigkeit im Vergleich zu
Materialien aus ursprünglichem Faserrohmaterial hat, kann die
Plasma- oder Koronabehandlung ein passendes Verfahren sein,
die Festigkeitseigenschaften dieser Materialien zu
verbessern.
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Während der Produktion von trocken gelegten
Spinnvliesmaterialien werden trockene Fasern auf einen Draht
durch Luft abgelegt, wonach das Fasernetz einer
Hydroverhedderung unterworfen wird. Während der Herstellung
des nass- oder schaumgeformten Materials werden die Fasern in
einer Flüssigkeit oder in einer geschäumten Flüssigkeit
verteilt, die ein Schaum bildendes Tensid und Wasser enthält.
Ein Beispiel eines passenden solchen Schaumbildevorgangs ist
in der schwedischen Anmeldung Nr. 9402470-0 (EP-A-0776396)
beschrieben. Die Faserdispersion wird auf einen Draht
abgelegt und mit einer Energieeingabe verheddert, die
günstigerweise im Bereich von 200 bis 800 kwh/Tonne liegen
kann. Die Hydroverhedderung findet unter Verwendung von
herkömmlichen Verfahren und Ausrüstung statt, die durch
Maschinenhersteller vorgesehen wird. Das Herstellen von
trocken und nass geformtem Spinnvliesmaterial ist
beispielsweise in der CA 841,938 beschrieben.
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Das Hydroverheddern eines nass- oder schaumgeformten
Fasernetzes kann entweder in Linie stattfinden, d. h.
unmittelbar nachdem das Fasernetz auf den Draht abgelegt
worden ist, oder auf einer nass geformten Schicht, die
getrocknet worden ist und nach dem Bilden aufgewickelt wurde.
Mehrere solcher Schichten können durch Hydroverheddern
zusammenlaminiert werden. Es ist auch möglich, das
Trockenformen mit dem Nass- oder Schaumformen auf solch eine
Weise zu kombinieren, dass ein durch Luft gelegtes Netz aus
beispielsweise synthetischen Fasern mit einer nass- oder
schaumgeformten Papierschicht aus Pulpefasern verheddert
wird, siehe beispielsweise CA 841,938 und EP-B-0,108,621.
Nach der Hydroverhedderung wird das Material gepresst und
getrocknet anschließend aufgewickelt. Das so produzierte
Material wird danach auf eine bekannte Weise in ein
geeignetes Format umgeformt und verpackt.
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Die Erfindung ist insbesondere von großer Bedeutung für nass-
und schaumgeformtes Spinnvliesmaterial, bei dem die Auswahl
an Faserlängen mehr begrenzt ist, da zu lange Fasern
schwierig in Flüssigkeit oder Schaum zu verteilen sind. Das
Problem hinsichtlich ausreichender Nassfestigkeit ist
normalerweise größer bei einem Material, das kurze Fasern
enthält.
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Die Plasma- oder Koronabehandlung des Materials findet
passender Weise auf dem trockenen Material statt, bevor es
aufgewickelt wird. Durch den Ausdruck "trockenes Material"
wird ein Material bezeichnet, das einen Feuchtigkeitsgehalt
von maximal 10 Gew-% berechnet auf dem Gesamtgewicht des
Materials hat. Ein Beispiel von Gasen, die während der
Plasmabehandlung unter verringertem Druck verwendet werden
können, sind Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Helium,
Ammoniakgas, Kohlenstofftetrafluorid, Kohlenstoffdioxid und
organisch unsaturierte Gase. Sauerstoff oder Stickstoff
werden dabei bevorzugt. Das zu behandelnde Material wird
durch eine Plasmaanlage zugeführt, die kommerziell verfügbar
ist, beispielsweise von Centexbel. Die Behandlung findet
vorzugsweise kontinuierlich statt, d. h. das Material wird
kontinuierlich durch eine Vakuumkammer zugeführt, die
Elektroden enthält, Injektions- und Evakuationsmittel für das
verwendete Gas, Zuführmittel für das Material und einen
Hochfrequenzgenerator.
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Die Koronabehandlung kann unter Verwendung von kommerziell
verfügbarer Ausrüstung stattfinden, z. B. dem Ahlbrandt System
ASOH12.
BEISPIELE
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Einige unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen
Faserkompositionen wurden durch Nass- oder
Schaumformverfahren mit nachfolgender Hydroverhedderung
erzeugt. Die Materialien wurden danach einer Plasmabehandlung
unter verringertem Druck (0,7 mbar) unter Vorhandensein von
entweder Sauerstoff oder Stickstoffgas ausgesetzt. Alternativ
wurde das Material einer Koronabehandlung unter
atmosphärischem Druck ausgesetzt.
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Vergleiche wurden zu Referenzmaterial gemacht, das keiner
Plasma- oder Koronabehandlung ausgesetzt wurde. Die Fasern
der Materialien waren eine Mischung aus chemischen
Pulpefasern und synthetischen Fasern. Die chemischen
Pulpefasern waren gebleichte chemische Softwood-Pulpe. Die
synthetischen Fasern, die verwendet wurden, waren Polyester
81,35 Denier (1,5 dtex) · 12,7 mm, jeweils Polypropylen 1,53
Denier (1,7 dtex) · 12 mm und 1,53 Denier (1,7 dtex) · 18 mm.
Die Hydroverhedderung fand mit einer Energieeingabe von etwa
600 kwh/Tonne statt. Nach der Hydroverhedderung und vor der
Plasma- oder Koronabehandlung wurden die Materialien leicht
gepresst und durch eine Durchgangslufttrocknung bei 130ºC
getrocknet. Die Eigenschaften der Materialien sind in
Tabellen 1 und 2 untenstehend aufgelistet.
TABELLE 1 Wirkung der Plasmabehandlung unter verringertem Druck auf einige Materialeigenschaften von hydroverheddertem
Non-Woven-Material mit unterschiedlichen Faserkompositionen
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*) Verhedderungsenergie berechnet auf d. zugesetzten Menge Fasern
-
1) Kommerziell verfügbare gebleichte chemische Softwood-Pulpe
-
2) Kommerziell verfügbare Polyesterfaser für nass gelegtes Nonwoven
-
3) Kommerziell verfügbare Polypropylenfaser für nass gelegt. Nonwov.
-
4) Kommerziell verfügbare Polypropylenfaser für nass gelegt. Nonwov.
-
5) SCAN-P 6 : 75
-
6) SAN-P 47 : 83
-
7) Dicke/Basisgewicht
-
8) SCAN-P 38 : 80
-
9) SCAN-p 58 : 86
-
10) nass/trocken*100%
TABELLE 2 Wirkung der Korona-Behandlung unter atmosphärischem Druck auf einige Materialeigenschaften
eines schaumgeformten hydroverhedderten Nonwoven-Materials
-
*) Verhedderungsenergie berechnet auf der zugesetzten Menge an Faser
-
1) Kommerziell verfügbare gebleichte chemische Softwood-Pulpe
-
2) Kommerziell verfügbare Polypropylenfaser für nassgelegtes Nonwoven
-
SCAN-P 6 : 75
-
SCAN-P 47 : 83
-
Dicke/Basisgewicht
-
SCAN-P 38 : 80
-
SCAN-P 58 : 86
-
Nass/Trocken*100%
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Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugfestigkeit im nassen
Zustand der plasmabehandelten Materialien und des
koronabehandelten Materials mehrfach erhöht war. Die
Zugfestigkeit im trockenenen Zustand stieg auch etwas an. Der
große Anstieg in der Zugfestigkeit im nassen Zustand wird der
Tatsache zugerechnet, dass die Plasma- und Koronabehandlungen
die Oberfläche der Fasern auf solch eine Weise modifizieren,
dass die Faser-Faser-Reibung zunimmt. Da es gerade die
Zugfestigkeit im nassen Zustand ist, die oftmals das Problem
bei Spinnvliesmaterialien war, bietet die Erfindung eine
Lösung für ein vorher schwierig zu lösendes Problem. Die
Lösung gemäß der Erfindung beinhaltet ferner, dass die
Notwendigkeit für Bindemittel und andere die Zugfestigkeit im
nassen Zustand erhöhende Chemikalien sowie für eine
thermische Bindung entfällt.
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Als Folge seiner hohen Nassfestigkeit ist das Material
besonders günstig als Wischmaterial für Haushaltsverwendung
oder für kommerzielle Verwendung in Werkstätten, der
Industrie, Krankenhäusern und anderen öffentlichen Sektoren.
Es kann auch als Wegwerfmaterial bei der Gesundheitspflege,
beispielsweise als chirurgische Handschuhe, Betttücher und
ähnliches verwendet werden. Es kann auch als eine Komponente
bei absorbierenden Produkten wie Hygieneeinlagen, Slip-
Einlagen, Windeln, Inkontinenzprodukten, Betteinlagen,
Wundverbänden, Kompressen verwendet werden.