DE60221830T2

DE60221830T2 - Multikomponentfasern aus stärke und polymeren

Info

Publication number: DE60221830T2
Application number: DE2002621830
Authority: DE
Inventors: Eric Bryan Maineville BOND; Jean Philippe Cincinnati AUTRN; Larry Neil Fairfield MACKEY; Isao Fairfield NODA; Hugh Joseph Cincinnati O'DONNELL; Dean Van West Chester PHAN
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: JP4119261B2; US7851391B2; EP1397539B2; DE60221830T3; US20030077444A1; US20040197554A1; ATE370267T1; CA2446107A1; EP1397539A1; EP1397539B1; US20030104204A1; AU2002309684B2; DE60221830D1; JP2004530058A; US6746766B2; CA2446107C; WO2002090631A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Mehrkomponentenfasern, die Stärke und Polymere umfassen, und spezielle Konfigurationen der Fasern. Die Fasern werden zur Herstellung von Vliesbahnen und Einwegartikeln verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es sind viele Versuche zur Herstellung von Vliesartikeln unternommen worden. Jedoch gibt es aufgrund von Kosten, der Schwierigkeit bei der Verarbeitung und Endgebrauchseigenschaften nur eine begrenzte Anzahl von Optionen. Viele Zusammensetzungen haben eine begrenzte Verarbeitbarkeit.
Geeignete Fasern für Vliesartikel sind schwierig herzustellen und stellen im Vergleich zu Folien und Laminaten zusätzliche Herausforderungen. Dies liegt daran, dass die Material- und Verarbeitungseigenschaften für Fasern viel einengender sind als bei der Herstellung von Folien, Blasformartikeln und Spritzgießartikeln. Für die Herstellung von Fasern ist die Verarbeitungszeit während der Strukturbildung in der Regel viel kürzer, und die Fließeigenschaften sind anspruchsvoller bei den physikalischen und rheologischen Eigenschaften des Materials. Die lokale Verformungsgeschwindigkeit und Schergeschwindigkeit sind bei der Faserherstellung viel größer als bei anderen Verfahren. Außerdem ist zur Fasererspinnung eine homogene Zusammensetzung erforderlich. Zur Erspinnung sehr feiner Fasern sind für ein kommerziell haltbares Verfahren kleine Fehlstellen, leichte Inkonsistenzen oder Inhomogenität in der Schmelze nicht akzeptabel.
Es wurden Versuche unternommen, natürliche Stärke auf Standardausrüstung und existierender Technologie, die in der Kunststoffindustrie bekannt ist, zu verarbeiten. Fasern, die Stärke umfassen, werden gewünscht, da die Stärke umweltverträglich abbaubar ist. Da natürliche Stärke generell eine granulöse Struktur hat, muss sie „de strukturiert" werden, bevor sie zu Filamenten von feinem Denier schmelzverarbeitet werden kann. Es wurde herausgefunden, dass modifizierte Stärke (allein oder als der Hauptbestandteil einer Mischung) schlechte Schmelzendehnbarkeit aufweist, was zu Schwierigkeiten bei der erfolgreichen Herstellung von Fasern, Folien, Schaumstoffen oder Ähnlichem führt. Außerdem sind Stärkefasern schwierig zu erspinnen und sind aufgrund der geringen Zugfestigkeit, Klebrigkeit und der Unfähigkeit, gebunden zu werden, um Vliesstoffe zu bilden, für die Herstellung von Vliesstoffen praktisch nicht verwendbar.
Zur Herstellung von Fasern, die akzeptablere Verarbeitbarkeits- und Endgebrauchseigenschaften aufweisen, müssen thermoplastische Polymere mit Stärke kombiniert werden. Die Auswahl eines geeigneten Polymers, das zum Mischen mit Stärke akzeptabel ist, ist eine Herausforderung. Das Polymer muss gute Erspinnungseigenschaften und eine geeignete Schmelztemperatur aufweisen. Die Schmelztemperatur muss für die Endgebrauchsstabilität hoch genug sein, um Schmelzen oder Strukturverformung zu verhindern, jedoch keine zu hohe Schmelztemperatur, um mit der Stärke verarbeitbar zu sein, ohne die Stärke zu verbrennen. Diese Anforderungen machen die Auswahl eines thermoplastischen Polymers zur Herstellung der stärkehaltigen Mehrkomponentenfasern sehr schwierig.
Die Form der Stärke kann für die Verarbeitbarkeit auch wichtig sein. EP-A-0814184 (Chisso Corporation) offenbart eine biologisch abbaubare Verbundstofffaser, umfassend:

a) einen ersten Bestandteil, bestehend aus einer Einkomponentenfaser, hergestellt durch Schmelzspinnen einer biologisch abbaubaren Polymerzusammensetzung, bestehend aus einem stärkebasierten Polymer, einem teilweise hydrolysierten Copolymer von Vinylacetat und einem ungesättigten Monomer, das keine funktionellen Gruppen enthält, einem aliphatischen Polyester, einem Zersetzungsbeschleuniger und einem Weichmacher, und
b) einen zweiten Bestandteil, bestehend aus einem aliphatischen Polyester; wobei der erste Bestandteil kontinuierlich in Längsrichtung über mindestens einen Teil der Oberfläche der Faser des zweiten Bestandteils vorhanden ist. Die stärkebasierten Polymere, die in dieser Literaturstelle verwendet werden, sind vorzugsweise durch mehrere unterschiedliche Veretherungs- und Veresterungsreaktionen chemisch substituiert. Dieses Dokument offenbart auch die Verwendung der Fasern in Vliesstoffen und Gestricken und in Formartikeln.

Demzufolge besteht eine Notwendigkeit nach kosteneffektiven und leicht verarbeitbaren Mehrkomponentenfasern aus natürlichen Stärken und thermoplastischen Polymeren. Außerdem sollte die Zusammensetzung aus Stärke und Polymer zum Gebrauch in im Handel erhältlicher Ausrüstung, die zum Herstellen der Mehrkomponentenfasern verwendet wird, geeignet sein. Es besteht auch eine Notwendigkeit nach Einwegvliesartikeln, die aus diesen Mehrkomponentenfasern hergestellt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mehrkomponentenfasern. Die Konfiguration der Mehrkomponentenfasern kann Seite an Seite, Kern/Mantel, Segmented Pie, Matrix/Fibrillen oder jede Kombination von Konfigurationen sein. Jeder Bestandteil der Faser umfasst destrukturierte Stärke und/oder ein thermoplastisches Polymer.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Vliesbahnen und Einwegartikel, die die Mehrkomponentenfasern umfassen. Die Vliesbahnen können auch andere synthetische oder natürliche Fasern enthalten, die mit den Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung gemischt sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die begleitende Zeichnung besser verständlich, wobei:
1 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Kern/Mantel-Konfiguration darstellen.
2 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Segmented-Pie-Konfiguration darstellen.
3 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Band-Konfiguration darstellt.
4 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Seite-an-Seite-Konfiguration darstellen.
5 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Matrix/Fibrillen-Konfiguration darstellen.
6 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer Band-Konfiguration darstellt.
7 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer konzentrischen Kern/Mantel-Konfiguration darstellt.
8 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Mehrkomponentenfaser mit einer Achtel-Segmented-Pie-Konfiguration darstellt.
9 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer Matrix/Fibrillen-Konfiguration darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Alle hierin verwendeten Prozentangaben, Verhältnisse und Anteile erfolgen in Gewichtsprozent der Zusammensetzung, sofern nicht anders angegeben. Die Beispiele werden in Teilen der Gesamtzusammensetzung angegeben.
Die Patentschrift enthält eine ausführliche Beschreibung von (1) Materialien der vorliegenden Erfindung, (2) Konfiguration der Mehrkomponentenfasern, (3) Materialeigenschaften der Mehrkomponentenfasern, (4) Verfahren und (5) Artikeln.
(1) Materialien
Stärke
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Stärke, einem kostengünstigen natürlich vorkommenden Polymer. Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Stärke ist destrukturierte Stärke, was für adäquate Erspinnungsleistung und Fasereigenschaften notwendig ist. Der Begriff „thermoplastische Stärke" soll destrukturierte Stärke mit einem Weichmacher bezeichnen.
Da natürliche Stärke generell eine granulöse Struktur hat, muss sie „destrukturiert" werden, bevor sie schmelzverarbeitet und zu einem thermoplastischen Material ersponnen werden kann. Zur Gelatinierung kann die Stärke in Gegenwart eines Lösungsmittels, das als Weichmacher wirkt, destrukturiert werden. Die Mischung aus Lösungsmittel und Stärke wird erwärmt, in der Regel unter druckbeaufschlagten Bedingungen und Scherung, um den Gelatinierungsprozess zu beschleunigen. Chemische oder enzymatische Mittel können ebenfalls verwendet werden, um die Stärke zu destrukturieren, zu oxidieren oder zu derivatisieren. Im Allgemeinen wird Stärke durch Auflösen der Stärke in Wasser destrukturiert. Vollständig destrukturierte Stärke entsteht, wenn keine Klumpen, die das Fasererspinnungsverfahren beeinträchtigen, vorhanden sind.
Zu geeigneten natürlich vorkommenden Stärken können, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Maisstärke, Kartoffelstärke, Süßkartoffelstärke, Weizenstärke, Sagostärke, Tapiokastärke, Reisstärke, Sojabohnenstärke, Pfeilwurzstärke, Adlerfarnstärke, Lotusstärke, Cassavastärke, wachsartige Maisstärke, stark amylosehaltige Maisstärke und handelsübliches Amylosepulver gehören. Stärkemischungen können ebenfalls verwendet werden.
Obwohl alle Stärken hierin geeignet sind, wird die vorliegende Erfindung am häufigsten mit natürlichen Stärken, die von landwirtschaftlichen Quellen abgeleitet sind und die die Vorteile bieten, reichlich vorhanden, leicht nachzubeschaffen und kostengünstig zu sein, durchgeführt. Natürlich vorkommende Stärken, besonders Maisstärke, Weizenstärke und wachsartige Maisstärke, sind aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit die bevorzugten Stärkepolymere der Wahl.
Modifizierte Stärke kann ebenfalls verwendet werden. Modifizierte Stärke ist als eine unsubstituierte oder substituierte Stärke definiert, bei der die nativen Molekulargewichtseigenschaften verändert wurden (d. h. das Molekulargewicht ist verändert, es werden nicht unbedingt andere Veränderungen an der Stärke vorgenommen). Wenn modifizierte Stärke gewünscht wird, schließen chemische Modifikationen von Stärke in der Regel Säure- oder Basenhydrolyse und oxidative Kettenspaltung zur Reduzierung des Molekulargewichts und der Molekulargewichtsverteilung ein. Natürliche, unmodifizierte Stärke hat generell ein sehr hohes durchschnittliches Molekulargewicht und eine breite Molekulargewichtsverteilung (z. B. hat natürliche Maisstärke ein durchschnittliches Molekulargewicht von bis zu ungefähr 60.000.000 Gramm/Mol (g/mol)). Das durchschnittliche Molekulargewicht von Stärke kann durch Säurereduktion, Oxidationsreduktion, enzymatische Reduktion, Hydrolyse (säure- oder basenkatalysiert), physikalische/mechanische Zersetzung (z. B. mit dem thermomechanischen Energieeintrag der Verarbeitungsausrüstung) oder Kombinationen davon auf den wünschenswerten Bereich für die vorliegende Erfindung reduziert werden. Das thermomechanische Verfahren und das Oxidationsverfahren bieten einen zusätzlichen Vorteil, wenn sie in situ durchgeführt werden. Die exakte chemische Natur der Stärke und des Molekulargewichtsreduktionsverfahrens ist nicht entscheidend, solange das durchschnittliche Molekulargewicht in einem akzeptablen Bereich ist. Molekulargewichtsbereiche für Stärke oder Stärkemischungen, die zu der Schmelze gegeben werden, sind von ungefähr 3.000 g/mol bis ungefähr 2.000.000 g/mol, vorzugsweise von ungefähr 10.000 g/mol bis ungefähr 1.000.000 g/mol und mehr bevorzugt von ungefähr 20.000 g/mol bis ungefähr 700.000 g/mol.
Obwohl dies nicht erforderlich ist, kann substituierte Stärke verwendet werden. Wenn substituierte Stärke gewünscht wird, gehören zu chemischen Modifikationen von Stärke in der Regel Veretherung und Veresterung. Substituierte Stärken können für bessere Kompatibilität oder Mischbarkeit mit dem thermoplastischen Polymer und dem Weichmacher gewünscht werden. Dies muss jedoch mit der Reduzierung in der Zersetzbarkeitsrate ausgeglichen sein. Der Substitutionsgrad der chemisch substituierten Stärke beträgt von ungefähr 0,01 bis 3,0. Ein geringer Substitutionsgrad, 0,01 bis 0,06, kann bevorzugt sein.
In der Regel umfasst die Zusammensetzung von ungefähr 1 % bis ungefähr 99 %, vorzugsweise von ungefähr 10 % bis ungefähr 85 %, mehr bevorzugt von ungefähr 20 % bis ungefähr 75 % und am meisten bevorzugt von ungefähr 40 % bis ungefähr 60 % die Zusammensetzung aus Stärke und Polymer oder der gesamten Faser. Alternativ kann die thermoplastische Stärke (Stärke, die mit einem Weichmacher kombiniert ist) zu bis zu 100 % der Mehrkomponentenfaser einen Bestandteil umfassen, wobei dieser Bestandteil kein thermoplastisches Polymer enthält. Das Gewicht der Stärke in der Zusammensetzung beinhaltet Stärke und ihren natürlich vorkommenden Gehalt an gebundenem Wasser. Der Begriff „gebundenes Wasser" bedeutet das Wasser, das natürlicherweise in Stärke und vor dem Mischen der Stärke mit anderen Bestandteilen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorkommt. Der Begriff „freies Wasser" bedeutet das Wasser, das bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zugegeben wird. Ein Fachmann würde erkennen, dass nach dem Vermischen der Bestandteile in einer Zusammensetzung Wasser nicht mehr nach seiner Herkunft unterschieden werden kann. Die Stärke hat in der Regel einen Gehalt an gebundenem Wasser von ungefähr 5 Gew.-% bis 16 Gew.-% der Stärke. Es ist bekannt, dass zusätzliches freies Wasser als polares Lösungsmittel oder Weichmacher einbezogen werden kann und nicht im Gewicht der Stärke eingeschlossen ist.
Thermoplastische Polymere
Thermoplastische Polymere, die mit Stärke im Wesentlichen kompatibel sind, sind in der vorliegenden Erfindung auch erforderlich. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen kompatibel", dass das Polymer, wenn es auf eine Temperatur über der Erweichungs- und/oder der Schmelztemperatur der Zusammensetzung erwärmt wird, in der Lage ist, nach dem Mischen mit Scherung oder Ausdehnung eine im Wesentlichen homogene Mischung mit der Stärke zu bilden. Das verwendete thermoplastische Polymer muss in der Lage sein, bei Erwärmung zu fließen, um eine verarbeitbare Schmelze zu bilden und sich infolge von Kristallisation oder Glasumwandlung wieder zu verfestigen.
Das Polymer muss eine ausreichend niedrige Schmelztemperatur aufweisen, um erhebliche Zersetzung der Stärke während der Mischungsherstellung zu vermeiden, sie muss jedoch, zur Wärmebeständigkeit während des Gebrauchs der Faser, auch hoch genug sein. Geeignete Schmelztemperaturen von Polymeren sind von ungefähr 80 °C bis ungefähr 190 °C und vorzugsweise von ungefähr 90 °C bis ungefähr 180 °C. Thermoplastische Polymere mit einer Schmelztemperatur über 190 °C können verwendet werden, wenn Weichmacher oder Verdünnungsmittel verwendet werden, um die beobachtete Schmelztemperatur zu senken. Unter einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann es erwünscht sein, ein thermoplastisches Polymer mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als 0 °C zu verwenden. Zu Polymeren mit dieser niedrigen Glasübergangstemperatur gehören Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylalkohol, Ethylenacrylsäure und andere.
Das Polymer muss rheologische Eigenschaften aufweisen, die zum Schmelzspinnen geeignet sind. Das Molekulargewicht des Polymers muss hoch genug sein, um Verhakung zwischen Polymermolekülen zu ermöglichen, und dennoch niedrig genug, damit es schmelzverspinnbar ist. Zum Schmelzspinnen haben biologisch abbaubare thermoplastische Polymere Molekulargewichte unter 500.000 g/mol, vorzugsweise von ungefähr 5.000 g/mol bis ungefähr 400.000 g/mol, mehr bevorzugt von ungefähr 5.000 g/mol bis ungefähr 300.000 g/mol und am meisten bevorzugt von ungefähr 100.000 g/mol bis ungefähr 200.000 g/mol.
Die thermoplastischen Polymere müssen in der Lage sein, sich recht schnell zu verfestigen, vorzugsweise unter Dehnströmung, und eine thermisch stabile Faserstruktur zu bilden, wie sie in der Regel in bekannten Verfahren wie Stapelfasern (Spinnstreckverfahren) oder im Verfahren kontinuierlicher Schmelzspinnfilamente anzutreffen ist.
Zu geeigneten thermoplastischen Polymeren gehören Polypropylen und Copolymere von Polypropylen, Polyethylen und Copolymere von Polyethylen, Polyamide und Copolymere von Polyamiden, Polyester und Copolymere von Polyester und Mischungen davon. Zu anderen geeigneten Polymeren gehören Polyamide, wie Nylon 6, Nylon 11, Nylon 12, Nylon 46, Nylon 66, Polyvinylacetate, Polyethylen/Vinylacetat-Copolymere, Polyethylen/Methacrylsäure-Copolymere, Polystyrol/Methylmethacrylat-Copolymere, Polymethylmethacrylate, Polyethylenterephthalate, Polyethylene niedriger Dichte, lineare Polyethylene niedriger Dichte, Polyethylene ultraniedriger Dichte, Polyethylen hoher Dichte und Kombinationen davon. Zu anderen nicht einschränkenden Beispielen für Polymere gehören ataktisches Polypropylen, Polybutylen, Polycarbonate, Poly(oxymethylen), Styrolcopolymere, Polyetherimid, Poly(vinylacetat), Poly(methacrylat), Polysulfon, Polyolefin/Carbonsäure-Copolymere, wie Ethylen/Acrylsäure-Copolymer, Ethylen/Maleinsäure-Copolymer, Ethylen/Methacrylsäure-Copolymer und Ethylen/Acrylsäure-Copolymer, und Kombinationen davon. Zu anderen geeigneten Polymeren gehören säuresubstituierte Vinylpolymere, wie Ethylenacrylsäure, im Handel erhältlich als PRIMACOR von Dow. Die Polymere, die in US-Patent Nr. 5,593,768 , an Gessner, offenbart sind. Zu bevorzugten thermoplastischen Polymeren gehören Polypropylen, Polyethylen, Polyamide, Polyvinylalkohol, Ethylenacrylsäure, Polyolefin/Carbonsäure-Copolymere, Polyester und Kombinationen davon.
Abhängig von dem speziellen verwendeten Polymer, dem Verfahren und dem Endgebrauch der Faser kann mehr als ein Polymer erwünscht sein. Die thermoplastischen Polymere der vorliegenden Erfindung sind in einer Menge zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften der Faser, Verbessern der Verarbeitbarkeit der Schmelze und Verbessern der Streckung der Faser vorhanden. Die Auswahl des Polymers und die Menge des Polymers bestimmen auch, ob die Faser thermisch gebunden werden kann, und beeinflussen die Weichheit und Textur des Endprodukts. In der Regel sind die thermoplastischen Polymere, wenn sie in der Stärke und der Polymermischung vorhanden sind, in einer Menge von ungefähr 1 Gew.-% bis ungefähr 99 Gew.-%, vorzugsweise von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 80 Gew.-%, mehr bevorzugt von ungefähr 30 Gew.-% bis ungefähr 70 Gew.-% und am meisten bevorzugt von ungefähr 40 Gew.-% bis ungefähr 60 Gew.-% der Faser vorhanden. Alternativ kann ein Bestandteil der Mehrkomponentenfaser bis zu 100 % ein oder mehrere thermoplastische Polymere enthalten, wobei dieser Bestandteil keine Stärke enthält.
Weichmacher
Ein Weichmacher kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Stärke zu destrukturieren und zu ermöglichen, dass die Stärke fließt, d. h. eine thermoplastische Stärke zu erzeugen. Der gleiche Weichmacher kann verwendet werden, um die Schmelzverarbeitbarkeit zu erhöhen, oder es können zwei separate Weichmacher verwendet werden. Die Weichmacher können auch die Flexibilität der Endprodukte verbessern, wobei angenommen wird, dass die auf die Senkung der Glasübergangstemperatur der Zusammensetzung durch den Weichma cher zurückzuführen ist. Die Weichmacher sollten mit den polymeren Bestandteilen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise im Wesentlichen kompatibel sein, so dass die Weichmacher die Eigenschaften der Zusammensetzung effektiv modifizieren können. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen kompatibel" bedeutet, dass der Weichmacher, wenn er auf eine Temperatur über der Erweichungs- und/oder der Schmelztemperatur der Zusammensetzung erwärmt wird, in der Lage ist, eine im Wesentlichen homogene Mischung mit Stärke zu bilden.
Ein zusätzlicher Weichmacher oder ein zusätzliches Verdünnungsmittel für das thermoplastische Polymer können vorhanden sein, um die Schmelztemperatur des Polymers zu senken und die allgemeine Kompatibilität mit der Mischung thermoplastischer Stärke zu verbessern. Außerdem können thermoplastische Polymere mit höheren Schmelztemperaturen verwendet werden, wenn Weichmacher oder Verdünnungsmittel vorhanden sind, die die Schmelztemperatur des Polymers senken. Der Weichmacher hat in der Regel ein Molekulargewicht von weniger als ungefähr 100.000 g/mol und kann vorzugsweise Block- oder statistische Copolymere oder Terpolymere sein, bei denen eine oder mehrere der chemischen Arten kompatibel sind mit einem anderen Weichmacher, Stärke, Polymer oder Kombinationen davon.
Nicht einschränkende Beispiele geeigneter Hydroxyl-Weichmacher schließen Zucker, wie Glucose, Saccharose, Fructose, Raffinose, Maltodextrose, Galactose, Xylose, Maltose, Lactose, Mannose, Erythrose, Glycerin und Pentaerythrit; Zuckeralkohole, wie Erythrit, Xylit, Malit, Mannit und Sorbit; Polyole, wie Ethylenglycol, Propylenglycol, Dipropylenglycol, Butylenglycol, Hexantriol und dergleichen, und Polymere davon; und Mischungen davon ein. Als Hydroxyl-Weichmacher hierin ebenfalls geeignet sind Poloxomere und Poloxamine. Zum diesbezüglichen Gebrauch ebenfalls geeignet sind Wasserstoffbindung bildende organische Verbindungen, die keine Hydroxylgruppen aufweisen, dazu gehören Harnstoff und Harnstoffderivate; Anhydride von Zuckeralkoholen, wie Sorbitan; tierische Proteine, wie Gelatine; pflanzliche Proteine, wie Sonnenblumenprotein, Sojabohnenproteine, Baumwollsamenproteine; und Mischungen davon. Andere geeignete Weichmacher sind Phthalatester, Dimethyl- und Diethylsuccinat und verwandte Ester, Glycerintriacetat, Glycerinmono- und -diacetate, Glycerinmono-, -di- und -tripropionate, Butanoate, Stearate, Milchsäureester, Citronensäureester, Adipinsäureester, Stearinsäureester, Oleinsäureester und andere Fettsäureester, die biologisch abbaubar sind. Aliphatische Säuren, wie Ethylenacrylsäure, Ethylenmaleinsäure, Butadienacrylsäure, Butadien-maleinsäure, Propylenacrylsäure, Propylenmaleinsäure und andere kohlenwasserstoffbasierte Säuren. Alle der Weichmacher können allein oder in Mischungen davon verwendet werden. Ein niedermolekularer Weichmacher ist bevorzugt. Geeignete Molekulargewichte sind weniger als ungefähr 20.000 g/mol, vorzugsweise weniger als ungefähr 5.000 g/mol und mehr bevorzugt weniger als ungefähr 1.000 g/mol.
Zu bevorzugten Weichmachern gehören Glycerin, Mannit und Sorbit, wobei Sorbit am meisten bevorzugt ist. Die Menge an Weichmacher hängt vom Molekulargewicht, der Menge an Stärke und der Affinität des Weichmachers für die Stärke ab. Generell steigt die Menge an Weichmacher mit steigendem Molekulargewicht der Stärke. In der Regel macht der Weichmacher, der in der letztendlichen Mehrkomponentenfaserzusammensetzung vorhanden ist, von ungefähr 2 % bis ungefähr 90 %, mehr bevorzugt von ungefähr 5 % bis ungefähr 70 %, am meisten bevorzugt von ungefähr 10 % bis ungefähr 50 % aus. Der Weichmacher kann in einem oder mehreren der Bestandteile vorhanden sein.
Fakultative Materialien
Wahlweise können andere Inhaltsstoffe in die verspinnbare Stärkezusammensetzung einbezogen werden. Diese fakultativen Inhaltsstoffe können in Mengen von weniger als ungefähr 50 Gew.-%, vorzugsweise von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-% und mehr bevorzugt von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 12 Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden sein. Die fakultativen Materialien können verwendet werden, um die Verarbeitbarkeit zu modifizieren und/oder physikalische Eigenschaften wie Elastizität, Zugfestigkeit und Modul des Endprodukts zu modifizieren. Zu anderen Vorteilen gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Stabilität, einschließlich Oxidationsstabilität, Leuchtkraft, Farbstoff, Flexibilität, Elastizität, Verarbeitbarkeit, Verarbeitungshilfen, Viskositätsregler und Geruchsbekämpfung. Zu nicht einschränkenden Beispielen gehören Salze, Gleitmittel, Kristallisationsbeschleuniger oder -verzögerer, Geruchsmaskierungsmittel, Vernetzungsmittel, Emulgatoren, Tenside, Cyclodextrine, Schmiermittel, andere Verarbeitungshilfsmittel, optische Aufheller, Antioxidationsmittel, Flammschutzmittel, Farbstoffe, Pigmente, Füllmittel, Proteine und deren Alkalisalze, Wachse, klebrig machende Harze, Verschnittmittel und Mischungen davon. Gleitmittel können verwendet werden, um zu helfen, die Klebrigkeit oder den Reibungskoeffizient in der Faser zu reduzieren. Außerdem können Gleitmittel verwendet werden, um die Faserstabilität zu verbessern, besonders bei hoher Feuchtigkeit oder hohen Temperaturen. Ein geeignetes Gleitmittel ist Polyethylen. Ein Salz kann auch zu der Schmelze gegeben werden. Das Salz kann helfen, die Stärke zu solubilisieren, Verfärbung zu reduzieren, die Faser stärker auf Wasser reagierend zu machen, oder als Verarbeitungshilfsmittel verwendet werden. Ein Salz fungiert auch dahingehend, dass es hilft, die Löslichkeit eines Bindemittels zu reduzieren, so dass es sich nicht auflöst, wenn es jedoch in Wasser gegeben oder gespült wird, löst sich das Salz auf und ermöglich dann, dass sich das Bindemittel auflöst und ein stärker auf Wasser reagierendes Produkt erzeugt wird. Nicht einschränkende Beispiele für Salze schließen Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumsulfat, Ammoniumsulfat und Mischungen davon ein.
Andere Zusatzstoffe werden in der Regel bei dem Stärkepolymer als Verarbeitungshilfsmittel und zum Modifizieren der physikalischen Eigenschaften, wie Elastizität, Trockenzugfestigkeit und Nassfestigkeit, der extrudierten Fasern einbezogen. Zu geeigneten Verschnittmitteln zum diesbezüglichen Gebrauch gehören Gelatine, pflanzliche Proteine, wie Sonnenblumenprotein, Sojabohnenproteine, Baumwollsaatproteine, und wasserlösliche Polysaccharide, wie Algina te, Carrageenane, Guargummi, Agar-Agar, Gummiarabikum und verwandte Gummistoffe, Pektin, wasserlösliche Derivate von Cellulose, wie Alkylcelluloses, Hydroxyalkylcellulosen und Carboxymethylcellulose. Außerdem können wasserlösliche synthetische Polymere, wie Polyacrylsäuren, Polyacrylsäureester, Polyvinylacetate, Polyvinylalkohole und Polyvinylpyrrolidon verwendet werden.
Schmiermittelverbindungen können ferner zugesetzt werden, um die Fließeigenschaften des Stärkematerials während der Verfahren, die zum Herstellen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zu verbessern. Die Schmiermittelverbindungen können tierische oder pflanzliche Fette einschließen, vorzugsweise in ihrer gehärteten Form, besonders jene, die bei Raumtemperatur fest sind. Zu zusätzlichen Schmiermittelmaterialien gehören Monoglyceride und Diglyceride und Phosphatide, besonders Lecithin. Für die vorliegende Erfindung schließt eine bevorzugte Schmiermittelverbindung das Monoglycerid Glycerinmonostearat ein.
Weitere Zusatzstoffe, einschließlich anorganischen Füllmitteln, wie den Oxiden von Magnesium, Aluminium, Silicium und Titan, können als kostengünstige Füllmittel oder Verarbeitungshilfsmittel zugesetzt werden. Zu anderen anorganischen Materialien gehören wasserhaltiges Magnesiumsilicat, Titandioxid, Calciumcarbonat, Ton, Kreide, Bornitrid, Kalkstein, Kieselgur, Glimmerglasquarz und Keramik. Außerdem können anorganische Salze, einschließlich Alkalimetallsalze, Erdalkalimetallsalze, Phosphatsalze, als Verarbeitungshilfsmittel verwendet werden. Andere fakultative Materialien, die die Reaktionsfähigkeit der Faser aus thermoplastischer Stärkemischung auf Wasser modifizieren, sind stearatbasierte Salze, wie Natrium-, Magnesium-, Calcium- und andere Stearate, und Kolophoniumbestandteile, einschließlich Ankergummi-Kolophonium. Ein anderes Material, das zugegeben werden kann, ist eine chemische Zusammensetzung, die formuliert ist, um den umweltverträglichen Zersetzungsprozess zu beschleunigen, wie Colbaltstearat, Citronensäure, Calciumoxid und andere chemische Zusammensetzungen, die in US-Patent Nr.5,854,304 , an Garcia et al., durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin eingeschlossen, zu finden sind.
Andere Zusatzstoffe können abhängig von dem speziellen Endgebrauch des beabsichtigten Produkts wünschenswert sein. Zum Beispiel ist in Produkten wie Toilettenpapier, Einweghandtüchern, Gesichtstüchern und anderen ähnlichen Produkten eine hohe Nassfestigkeit ein wünschenswertes Attribut. So ist es oft wünschenswert, die Stärkepolymer-Vernetzungsmittel zuzugeben, die in der Technik als „nassfeste" Harze bekannt sind. Eine allgemeine Abhandlung über die Typen nassfester Harze, die in der Papiertechnik verwendet werden, ist zu finden in TAPPI Monographreihen Nr. 29, Wet Strength in Paper and Paperboard, Technical Association of the Pulp and Paper Industry (New York, 1965). Die nützlichsten nassfesten Harze haben im Allgemeinen einen kationischen Charakter. Polyamidepichlorhydrinharze sind kationische nassfeste Polyamidaminepichlorhydrinharze, die sich als besonders geeignet erwiesen haben. Glyoxylierte Polyacrylamidharze haben sich auch als geeignet für die Verwendung als nassfeste Harze herausgestellt.
Es hat sich herausgestellt, dass bei Zugabe eines geeigneten Vernetzungsmittels, wie Parez^®, zu der Stärkezusammensetzung der vorliegenden Erfindung unter saurer Bedingung die Zusammensetzung wasserunlöslich gemacht wird. Nochmals andere wasserlösliche kationische Harze, die bei dieser Erfindung Verwendung finden, sind Ureaformaldehyd- und Melaminformaldehydharze. Die üblicheren funktionellen Gruppen dieser polyfunktionellen Harze sind stickstoffhaltige Gruppen, wie Aminogruppen und Methylgruppen, die am Stickstoff angelagert sind. Harze des Polyethylenimintyps können bei der vorliegenden Erfindung auch Verwendung finden. Für die vorliegende Erfindung wird ein geeignetes Vernetzungsmittel in Mengen im Bereich von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-%, mehr bevorzugt von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 3 Gew.-% zu der Zusammensetzung zugegeben. Die Stärke und die Polymere in den Fasern der vorliegenden Erfindung können chemisch verbunden sein. Die chemische Verbindung kann eine natürliche Folge der Polymerchemie sein oder kann durch Auswahl bestimmter Materialien aufgebaut werden. Dies geschieht am wahrscheinlichsten, wenn ein Vernetzungsmittel vorhanden ist. Die chemische Verbindung kann durch Veränderungen in Molekulargewicht, NMR-Signalen oder anderen in der Technik bekannten Verfahren beobachtet werden. Zu Vorteilen chemischer Verbindung gehören unter anderem verbesserte Wasserempfindlichkeit, reduzierte Klebrigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften.
Andere Polymere, wie schnell biologisch abbaubare Polymere, können abhängig von Endgebrauch der Faser, Verarbeitung und Zersetzung oder erforderlicher Spülbarkeit in der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden. Polyester, die aliphatische Bestandteile enthalten, sind geeignete biologisch abbaubare thermoplastische Polymere. Unter den Polyester sind Esterpolykondensate, die aliphatische Bestandteile enthalten, und Poly(hydroxycarbon)säure bevorzugt. Zu den Esterpolykondensaten gehören aliphatische Disäure-/Diolpolyester, wie Polybutylensuccinat, Polybutylensuccinat-co-adipat, aliphatische/aromatische Poly-ester, wie Terpolymere aus Butylendiol, Adipinsäure und Terephthalsäure. Zu den Poly(hydroxycarbon)säuren gehören milchsäurebasierte Homopolymere und Copolymere, Polyhydroxybutyrat oder andere Polyhydroxyalkanoat-Homopolymer und -Copolymere. Bevorzugt ist ein Homopolymer oder Copolymer von Polymilchsäure mit einer Schmelztemperatur von ungefähr 160 °C bis ungefähr 175 °C. Modifizierte Polymilchsäure und unterschiedliche Stereokonfigurationen können ebenfalls verwendet werden. Vorzugsweise werden Molekulargewichte von ungefähr 4.000 g/mol bis ungefähr 400.000 g/mol für die Polymilchsäure gefunden.
Ein Beispiel einer geeigneten im Handel erhältlichen Polymilchsäure sind NATUREWORKS von Cargill Dow und LACEA von Mitsui Chemical. Ein Beispiel eines geeigneten im Handel erhältlichen aliphatischen Disäure-/Diolpolyesters sind die Polybutylensuccinat/Adipat-Copolymere, die als BIONOLLE 1000 und BIONOLLE 3000 von der Showa Highpolmer Company, Ltd., ansässig in Tokio, Japan, vertrieben werden. Ein Beispiel eines geeigneten im Handel erhältlichen aliphatischen/aromatischen Copolyesters ist das Poly(tetramethylenadipate-co-terephthalat), das als EASTAR BIO Copolyester von Eastman Chemical oder als ECOFLEX von BASF vertrieben wird. Die Menge an biologisch abbaubaren Polymeren beträgt von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 40 Gew.-% der Faser.
Obwohl Stärke das bevorzugte natürliche Polymer in der vorliegenden Erfindung ist, könnte auch ein Polymer auf Proteinbasis verwendet werden. Geeignete Polymere auf Proteinbasis schließen Sojaprotein, Zeinprotein und Kombinationen davon ein. Das Polymer auf Proteinbasis kann in einer Menge von ungefähr 1 % bis ungefähr 80 % und vorzugsweise von ungefähr 1 % bis ungefähr 60 % vorhanden sein.
Nach dem Bilden der Faser kann die Faser weiter behandelt werden, oder der gebundene Stoff kann behandelt werden. Es kann eine hydrophile oder hydrophobe Ausrüstung hinzugefügt werden, um die Oberflächenenergie und die chemische Natur des Stoffes anzupassen. Zum Beispiel können Fasern, die hydrophob sind, mit Benetzungsmitteln behandelt werden, um die Absorption von wässrigen Flüssigkeiten zu erleichtern. Ein gebundener Stoff kann auch mit einer topischen Lösung, die Tenside, Pigmente, Gleitmittel, Salz oder andere Materialien enthält, behandelt werden, um die Oberflächeneigenschaften der Faser weiter anzupassen.
(2) Konfiguration
Die Mehrkonstituentenfasern der vorliegenden Erfindung können in vielen unterschiedlichen Konfigurationen sein. Konstituent, wie hier verwendet, bedeutet laut Definition die chemische Art der Substanz oder das Material. Mehrkonstituentenfaser, wie hier verwendet, bedeutet laut Definition eine Faser, die mehr als eine chemische Art oder mehr als ein Material enthält. Generell können Fasern der Konfiguration nach Einkomponenten- oder Mehrkomponentenfasern sein. Komponente bzw. Bestandteil, wie hier verwendet, ist als ein separater Teil der Faser definiert, der eine räumliche Beziehung zu einem anderen Teil der Faser hat. Der Begriff Mehrkomponenten-, wie hier verwendet, ist als Faser definiert, die mehr als einen separaten Teil in räumlicher Beziehung zueinander aufweist. Der Begriff Multikomponenten- schließt Bikomponenten- ein, was als Faser mit zwei separaten Teilen in räumlicher Beziehung zueinander definiert ist. Die unterschiedlichen Be-standteilen von Mehrkomponentenfasern sind in im Wesentlichen getrennten Bereichen über dem Querschnitt der Faser angeordnet und erstrecken sich kontinuierlich entlang der Länge der Faser.
Spinnvliesstrukturen, Stapelfasern, Hohlfasern, geformte Fasern, wie mehrfach gelappte Fasern, und Mehrkomponentenfasern können alle mit den Zusammensetzungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Die Bikomponenten- und Mehrkomponentenfasern können in einer Seite-an-Seite-, Kern/Mantel-, Segmented-Pie-, Band-, Matrix/Fibrillen-Konfiguration oder irgendeiner Kombination davon sein. Der Mantel kann kontinuierlich oder nichtkontinuierlich um den Kern sein. Das Verhältnis vom Gewicht des Mantels zu dem des Kerns beträgt von ungefähr 5:95 bis ungefähr 95:5. Die Fasern der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Geometrien aufweisen, zu denen runde, elliptische, sternförmige, rechteckige und andere verschiedene Exzentrizitäten gehören.
Die Fasern der vorliegenden Erfindung können auch splittfähige Fasern sein. Rheologisches, thermisches Verhalten und Verfestigungdifferenzialverhalten können möglicherweise Spaltung hervorrufen. Spaltung kann auch durch ein mechanisches Mittel, wie Ringwalzen, Spannung oder Dehnung, Verwendung eines Schleifmittels oder differenzielle Streckung und/oder durch fluidinduzierte Verzerrung, wie hydrodynamisch oder aerodynamisch, erfolgen.
Es können auch mehrere Mikrofibrillen aus der vorliegenden Erfindung hervorgehen. Die Mikrofibrillen sind sehr feine Fasern, die innerhalb eines Mehrkonstituentenmonokomponenten- oder -mehrkomponentenextrudats enthalten sind. Die mehreren Polymer-Mikrofibrillen haben eine kabelähnliche morphologische Struktur und verlaufen in Längsrichtung innerhalb der Faser, die entlang der Faserachse ist. Um zu ermöglichen, dass die Mikrofibrillen in der vorliegenden Erfindung gebildet werden, ist eine ausreichend Menge an Polymer erforderlich, um eine cokontinuierliche Phasenmorphologie zu erzeugen, so dass die Polymer-Mikrofibrillen der Stärkematrix gebildet werden. In der Regel sind mehr als 15 %, vorzugsweise von ungefähr 15 % bis ungefähr 90 %, mehr bevorzugt von ungefähr 25 % bis ungefähr 80 % und mehr bevorzugt von ungefähr 35 % bis ungefähr 70 % Polymer erwünscht. Eine „cokontinuierliche Phasenmorphologie" ist zu finden, wenn die Mikrofibrillen im Wesentlichen länger sind als der Durchmesser der Faser. Mikrofibrillen haben in der Regel einen Durchmesser von ungefähr 0,1 Mikrometer bis ungefähr 10 Mikrometer, während die Faser in der Regel einen Durchmesser von ungefähr (10 Mal die Mikrofibrille) 10 Mikrometer bis ungefähr 50 Mikrometer hat. Zusätzlich zu der Menge an Polymer muss das Molekulargewicht des thermoplastischen Polymers hoch genug sein, um ausreichende Verhakung hervorzurufen, um Mikrofibrillen zu bilden. Das bevorzugte Molekulargewicht beträgt von ungefähr 10.000 bis ungefähr 500.000 g/mol. Die Bildung der Mikrofibrillen demonstriert auch, dass die resultierende Faser nicht homogen ist, sondern dass Polymer-Mikrofibrillen innerhalb der Stärkematrix gebildet werden. Die Mikrofibrillen, die aus dem abbaubaren Polymer bestehen, verstärken die Faser mechanisch, um die allgemeine Zugfestigkeit zu verbessern und die Faser thermisch gebunden werden kann. Alternativ können Mikrofibrillen durch gemeinsames Verspinnen von Stärke- und Polymerschmelze ohne Phasenmischung, wie in einer Matrix/Fibrillen-Bikomponentenkonfiguration, erzeugt werden. In einer Matrix/Fibrillen-Konfiguration können mehrere hundert feine Fasern vorhanden sein.
Es gibt viele unterschiedliche Kombinationen für die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung. Eine Stärke/Polymer-Mischung können sowohl der Mantel als auch der Kern sein, wobei einer der Bestandteile mehr Stärke oder Polymer enthält als der andere Bestandteil. Die Stärke in der Stärke/Polymer-Mischung kann in einer beliebigen geeigneten Menge sein, abhängig von der gewünschten Verwendung der Mehrkomponentenfaser. Alternativ kann die Stärke/Polymer-Mischung der Mantel sein und der Kern reines Polymer oder reine Stärke. Die Stärke/Polymer-Zusammensetzung könnte auch der Kern sein und der Mantel reines Polymer oder reine Stärke. Zum Beispiel können Bikomponentenfasern mit einem Kern aus reiner Stärke und einem Mantel mit entweder reinem Polymer oder einer Stärke/Polymer-Mischung erwünscht sein, wenn die Fasern in einem Verfahren des thermischen Bindens verwendet werden. Diese Konfiguration erlaubt hohe biologische Abbaubarkeit und niedrige Kosten aufgrund des hohen Gehalts an Stärke, aber die Faser kann noch thermisch gebunden werden.
Die vorliegende Erfindung kann Variationen an den Bikomponentenfasern in einer Kern/Mantel-Konfiguration aufweisen. Zum Beispiel können der Kern oder der Mantel Mikrofibrillen enthalten. Der Mantel kann kontinuierlich oder nichtkontinuierlich um den Kern sein. Die Kern/Mantel-Konfiguration kann auch in Mehrkomponentenfasern zu finden sein. Es kann mehr als einen Mantel geben, der den Kern umgibt. Zum Beispiel kann ein innerer Mantel den Kern umgeben, wobei ein äußerer Mantel den inneren Mantel umgibt. Alternativ könnte der Kern eine Matrix/Fibrillen-Konfiguration oder einen Segmented Pie haben.
Die exakte Konfiguration der gewünschten Mehrkomponentenfaser hängt von der Verwendung der Faser ab. Ein großer Vorteil der Mehrkomponentenfaser im Vergleich zur Monokomponentenfaser besteht darin, dass es räumliche Kontrolle über die Verschiebung der Stärke und/oder des Polymers in der Faser gibt. Dies ist zum Ermöglichen des thermischen Bindens, Reduzieren der Klebrigkeit der Stärke und für andere resultierende Eigenschaften der Faser vorteilhaft. Eine bevorzugte Konfiguration ist eine Bikomponentenfaser, wobei Stärke in dem Kern und das thermoplastische Polymer in dem Mantel enthalten ist. Diese Konfiguration hilft der Stärke, verbesserte Langzeitstabilität zu haben, indem die Stärke vor Alterung, Verfärbung, Schimmel und anderen Dingen in der Umgebung geschützt wird. Außerdem reduziert diese spezielle Konfiguration die potenzielle Klebrigkeit des Gefühls der Stärke und ermöglicht, dass sich die Faser leicht thermisch binden lässt. Die Mehrkomponentenfasern können als ganze Faser verwendet werden, oder die Stärke kann entfernt werden, um nur das thermoplastische Polymer zu verwenden. Die Stärke kann durch Bindeverfahren, hydrodynamische Verhakung, Nachbehandlung, wie mechanische Verformung, oder Auflösung in Wasser entfernt werden. Die Fasern, bei denen die Stärke entfernt wurde, können in Vliesartikeln verwendet werden, die extraweich sein und/oder bessere Sperreigenschaften haben sollen. Da Stärke ein kostengünstiges Material ist, sind die Fasern aus Stärke und Polymer, bei denen die Stärke entfernt worden ist, eine kosteneffektivere Faser.
1 sind schematische Zeichnungen, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Kern/Mantel-Konfiguration darstellen. Die Bestandteile X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
1A veranschaulicht eine konzentrische Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den festen Kern umfasst und Bestandteil Y den kontinuierlichen Mantel umfasst.
1B veranschaulicht eine Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den festen Kern umfasst und Bestandteil Y den geformten kontinuierlichen Mantel umfasst.
1C veranschaulicht eine Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den hohlen Kern umfasst und Bestandteil Y den kontinuierlichen Mantel umfasst.
1D veranschaulicht eine Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den hohlen Kern umfasst und Bestandteil Y den geformten kontinuierlichen Mantel umfasst.
1E veranschaulicht eine Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den festen Kern umfasst und Bestandteil Y den diskontinuierlichen Mantel umfasst.
1F veranschaulicht eine Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den festen Kern umfasst und Bestandteil Y den diskontinuierlichen Mantel umfasst.
1G veranschaulicht eine Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den hohlen Kern umfasst und Bestandteil Y den diskontinuierlichen Mantel umfasst.
1H veranschaulicht eine Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den hohlen Kern umfasst und Bestandteil Y den diskontinuierlichen Mantel umfasst.
1I veranschaulicht eine exzentrische Kern/Mantel-Konfiguration, wobei Bestandteil X den festen Kern umfasst und Bestandteil Y den kontinuierlichen Mantel umfasst.
2 sind schematische Zeichnungen, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Segmented-Pie-Konfiguration darstellen. Die Bestandteile X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
2A veranschaulicht eine feste Achtel-Segmented-Pie-Konfiguration.
2B veranschaulicht eine hohle Achtel-Segmented-Pie-Konfiguration. Diese Konfiguration ist eine geeignete Konfiguration zum Herstellen splittbarer Fasern.
3 ist eine schematische Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Band-Konfiguration darstellt. Die Bestandteile X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
4 sind schematische Zeichnungen, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Seite-an-Seite-Konfiguration darstellen. Die Bestandteile X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
4A veranschaulicht eine Seite-an-Seite-Konfiguration.
4B veranschaulicht eine Seite-an-Seite-Konfiguration mit einer abgerundeten Grenzlinie. Die Grenzlinie ist da, wo zwei Bestandteile aneinander grenzen. Bestandteil Y liegt in einer höheren Menge vor als Bestandteil X.
4C ist eine Seite-an-Seite-Konfiguration, wobei Bestandteil Y auf beiden Seiten von Bestandteil X positioniert ist, mit einer abgerundeten Grenzlinie.
4D ist eine Seite-an-Seite-Konfiguration, wobei Bestandteil Y auf beiden Seiten von Bestandteil X positioniert ist.
4E ist eine geformte Seite-an-Seite-Konfiguration, wobei Bestandteil Y an den Spitzen von Bestandteil X positioniert ist.
5 sind schematische Zeichnungen, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Matrix/Fibrillen-Konfiguration darstellen. Die Bestandteile X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
5A ist eine feste Matrix/Fibrillen-Konfiguration, wobei Bestandteil X von Bestandteil Y umgeben ist. Bestandteil X ist von dreieckiger Form.
5B ist eine feste Matrix/Fibrillen-Konfiguration, wobei Bestandteil X von Bestandteil Y umgeben ist.
5C ist eine hohle Matrix/Fibrillen-Konfiguration, wobei Bestandteil X von Bestandteil Y umgeben ist.
6 ist eine schematische Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer Band-Konfiguration darstellt. Die Bestandteile X, Y und Z können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
7 ist eine schematische Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer konzentrischen Kern/Mantel-Konfiguration darstellt, wobei Bestandteil X den festen Kern umfasst, Bestandteil Y den inneren kontinuierlichen Mantel umfasst und Bestandteil Z den äußeren kontinuierlichen Mantel umfasst. Die Bestandteile X, Y und Z können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
8 ist eine schematische Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Mehrkomponentenfaser mit einer festen Achtel-Segmented-Pie-Konfiguration darstellt. Die Bestandteile X, Y, Z und W können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
9 ist eine schematische Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer festen Matrix/Fibrillen-Konfiguration darstellt. Bestandteil X umgibt die eine Fibrille, die Bestandteil Y umfasst, und die mehreren Fibrillen, die Bestandteil Z umfassen. Die Bestandteile X, Y und Z können eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
(3) Materialeigenschaften
Eine „stark gestreckte Faser" ist als eine Faser mit einem hohen Streckverhältnis definiert. Das gesamte Faserstreckverhältnis ist als das Verhältnis der Faser an ihrem maximalen Durchmesser (der in der Regel unmittelbar nach dem Austritt aus den Kapillaren entsteht) zum letztendlichen Faserdurchmesser bei ihrem Endgebrauch definiert. Das gesamte Faserstreckverhältnis über entweder Stapel-, Schmelzspinn- oder Schmelzblasverfahren ist größer als 1,5, vorzugsweise größer als 5, mehr bevorzugt größer als 10 und am meisten bevorzugt größer als 12. Dies ist notwendig, um die taktilen Eigenschaften und nützliche mechanische Eigenschaften zu erreichen.
Vorzugsweise hat die stark gestreckte Mehrkomponentenfaser einen Durchmesser von weniger als 200 Mikrometern. Mehr bevorzugt ist der Faserdurchmesser 100 Mikrometer oder weniger, noch mehr bevorzugt 50 Mikrometer oder weniger und am meisten bevorzugt weniger als 30 Mikrometer. Fasern, die zur Herstellung von Vliesstoffen gebräuchlich sind, haben einen Durchmesser von ungefähr 5 Mikrometer bis ungefähr 30 Mikrometer. Der Faserdurchmesser wird durch Spinngeschwindigkeit, Massendurchsatz und Mischungszusammensetzung gesteuert. Die in der vorliegenden Erfindung hergestellten Fasern sind umweltverträglich abbaubar.
Die Mehrkomponentenfasern, die in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, können umweltverträglich abbaubar sein, abhängig von der Menge an Stärke, die vorhanden ist, und der speziellen Konfiguration der Faser. Die Stärke, die in den Fasern der vorliegenden Erfindung vorhanden ist, ist umweltverträglich abbaubar. „Umweltverträglich abbaubar" ist als biologisch abbaubar, zersetzbar, dispergierbar, durch die Toilette spülbar oder kompostierbar oder eine Kombination davon definiert. In der vorliegenden Erfindung können die Mehrkomponentenfasern, Vliesbahnen und Artikel umweltverträglich abbaubar sein. Demzufolge können die Fasern leicht und sicher entweder in existierenden Kompostieranlagen entsorgt werden oder können durch die Toilette spülbar sein und können ohne schädigende Auswirkungen an vorhandenen Abwassersystemen sicher den Abfluss hinunter gespült werden. Die Spülbarkeit der Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung bei Gebrauch in Einwegprodukten, wie Tüchern und Damenhygieneartikeln, bietet zusätzliche Bequemlichkeit und Diskretion für den Verbraucher.
Biologisch abbaubar bedeutet laut Definition, dass, wenn die Substanz einer aeroben und/oder anaeroben Umgebung ausgesetzt ist, sie schließlich aufgrund mikrobieller, hydrolytischer und/oder chemischer Tätigkeit zu monomeren Bestandteilen reduziert wird. Unter aeroben Bedingungen führt biologischer Abbau zur Umwandlung des Materials zu Endprodukten, wie Kohlendioxid und Wasser. Unter anaeroben Bedingungen führt biologischer Abbau zur Umwandlung der Materialien zu Kohlendioxid, Wasser und Methan. Der Prozess der biologischen Abbaubarkeit wird oft als Mineralisierung beschrieben. Biologische Abbaubarkeit bedeutet, dass alle organischen Konstituenten der Fasern schließlich durch biologische Aktivität einer Zersetzung ausgesetzt sind.
Es gibt eine Vielfalt von unterschiedlichen standardisierten Methoden der biologischen Abbaubarkeit, die sich über die Zeit von verschiedenen Organisationen und in unterschiedlichen Ländern etabliert haben. Obwohl die Tests in den speziellen Testbedingungen, Erfassungsmethoden und Kriterien, die gewünscht werden, variieren, gibt es eine vernünftige Konvergenz zwischen unterschiedlichen Protokollen, so dass sie für die meisten Materialien wahrscheinlich zu ähnlichen Schlussfolgerungen führen. Für aerobe biologische Abbaubarkeit hat die American Society for Testing and Materials (ASTM) ASTM D 5338-92 erstellt: Test methods for Determining Aerobic Biodegradation of Plastic Materials Under Controlled Composting Conditions. Der Test misst den Prozentsatz an Testmaterial, das mineralisiert wird, als Funktion der Zeit, indem die Menge an Kohlendioxid überwacht wird, das infolge von Assimilation durch Mikroorganismen in Gegenwart von aktivem Kompost, bei einer thermophilen Temperatur von 58 °C gehalten, freigesetzt wird. Das Testen der Kohlendioxidproduktion kann mittels elektrolytischer Respirometrie durchgeführt werden. Andere Standardprotokolle, wie 301B von der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD), können ebenfalls verwendet werden. Standardtests des biologischen Abbaus in Abwesenheit von Sauerstoff sind in verschiedenen Protokollen, wie ASTM D 5511-94, beschrieben. Diese Tests werden verwendet, um die biologische Abbaubarkeit von Materialien in einer anaeroben Feststoffabfall-Behandlungsanlage oder Sanitärdeponie zu simulieren. Jedoch sind diese Bedingungen für die Art von Einweganwendungen, die für die Fasern und Vliesstoffe in der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, weniger relevant. Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung können biologisch abbaubar sein.
Zersetzung erfolgt, wenn das faserige Substrat die Fähigkeit hat, schnell zu fragmentieren und in Fraktionen aufzubrechen, die klein genug sind, um beim Kompostieren nach dem Sieben nicht erkennbar zu sein oder beim Herunterspülen keine Rohrverstopfung zu verursachen. Ein nicht zersetzbares Material ist auch durch die Toilette spülbar. Die meisten Protokolle für die Zersetzbarkeit messen den Gewichtsverlust der Testmaterialien über die Zeit, wenn sie verschiedenen Matrizen ausgesetzt sind. Tests von sowohl aerober als auch anaerober Zersetzung werden verwendet. Gewichtsverlust wird durch die Menge an faserigem Testmaterial, das auf einem Sieb der Maschenweite 18 mit 1 Millimeter großen Öffnungen nicht mehr aufgefangen wird, nachdem die Materialien Abwasser und Schlamm ausgesetzt worden, bestimmt. Für die Zersetzung bestimmt die Differenz des Gewichts der anfänglichen Probe und des Trockengewichts der Probe, die auf einem Sieb abgefangen wird, die Geschwindigkeit und den Umfang der Zersetzung. Die Tests für biologische Abbaubarkeit und Zersetzung sind sehr ähnlich, da eine sehr ähnliche Umgebung, oder die gleiche Umgebung, zum Testen verwendet wird. Zum Bestimmen der Zersetzung wird das Gewicht des verbleibenden Materials gemessen, während für biologische Abbaubarkeit die entstandenen Gase gemessen werden. Die Fasern der vorliegenden Erfindung können sich schnell zersetzen.
Die Fasern der vorliegenden Erfindung können auch kompostierbar sein. ASTM hat Testverfahren und Vorgaben für die Kompostierbarkeit entwickelt. Der Test misst drei Eigenschaften: biologische Abbaubarkeit, Zersetzung und Fehlen von Umweltgiftigkeit. Tests zum Messen der biologischen Abbaubarkeit und der Zersetzung sind vorstehend beschrieben. Um die Kriterien der biologischen Abbaubarkeit für die Kompostierbarkeit zu erfüllen, muss das Material mindestens ungefähr 60 % Umwandlung zu Kohlendioxid innerhalb von 40 Tagen erreichen. Für die Zersetzungskriterien muss das Material weniger als 10 % an Testmaterial, das auf einem 2-Millimeter-Sieb in der tatsächlichen Form und Dicke bleibt, haben, wie es dies in dem entsorgten Produkt hätte. Zur Bestimmung des letzten Kriteriums, Fehlen von Umweltgiftigkeit, dürfen die Nebenprodukte des biologischen Abbaus keine negativen Auswirkungen auf die Samenkeimung und das Pflanzenwachstum haben. Ein Test für dieses Kriterium ist in OECD 208 ausführlich beschrieben. Das International Biodegradable Products Institute erteilt ein Logo für Kompostierbarkeit, sobald ein Produkt nachweislich die Vorgaben von ASTM 6400-99 erfüllt. Das Protokoll folgt der deutschen DIN 54900, die die maximale Dicke jedes Materials festlegt, die die vollständige Zersetzung innerhalb eines Kompostierungszyklus zulässt.
Die hierin beschriebenen Mehrkomponentenfasern werden in der Regel zur Herstellung von Einwegvliesartikeln verwendet. Die Artikel sind im Allgemeinen durch die Toilette spülbar. Der Begriff „spülbar" bzw. „durch die Toilette spülbar", wie hier verwendet, bezieht ich auf Materialien, die in der Lage sind, sich in einem septischen Abwassersystem, wie einer Toilette, aufzulösen, zu dispergieren, zu zersetzen und/oder abzubauen, um beim Herunterspülen durch die Toilette oder eine andere Abwasserleitung Klärung bereitzustellen. Die Fasern und die resultierenden Artikel können auch auf Wasser reagierend sein. Der Begriff auf Wasser reagierend, wie hier verwendet, bedeutet, dass beim Hineingeben in Wasser oder beim Herunterspülen eine beobachtbare und messbare Veränderung auftritt. Zu typischen Beobachtungen gehört, dass der Artikel quillt, sich auseinanderzieht, auflöst, oder die Beobachtung einer allgemein geschwächten Struktur.
Die Zugfestigkeit einer Stärkefasern ist ungefähr 15 Megapascal (MPa). Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung haben eine Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 20 MPa, vorzugsweise mehr als ungefähr 35 MPa und mehr bevorzugt mehr als ungefähr 50 MPa. Die Zugfestigkeit wird mit einem Instron gemäß einer von ASTM-Standard D 3822-91 beschriebenen Vorgehensweise oder einem äquivalenten Test gemessen.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung sind nicht spröde und haben eine Zähigkeit von mehr als 2 MPa. Zähigkeit ist als der Bereich unter der Spannung-Dehnung-Kurve, wo die Messlänge der Probe 25 mm beträgt, mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 50 mm pro Minute, definiert. Elastizität oder Dehnbarkeit der Fasern kann auch erwünscht sein.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung können thermisch bindbar sein, wenn genug Polymer vorhanden ist. Fasern, die thermisch gebunden werden können, sind für die Druckwärme- und Durchluftwärme-Bindeverfahren erforderlich. Thermische Bondbarkeit wird in der Regel erreicht, wenn das Polymer in einem Anteil von mehr als ungefähr 15 Gew.-%, vorzugsweise mehr als ungefähr 30 Gew.-%, am meisten bevorzugt mehr als ungefähr 40 Gew.-% und am meisten bevorzugt mehr als ungefähr 50 Gew.-% der Faser vorhanden ist. Demzufolge kann die Faser bei sehr hohem Stärkegehalt im Mantel eine verringerte Tendenz zu thermischer Bondbarkeit aufweisen.
Die aus den Mehrkomponentenfasern hergestellten Vliesprodukte weisen auch gewisse mechanische Eigenschaften, besonders Festigkeit, Flexibilität, Weichheit und Absorptionsvermögen, auf. Maße für die Festigkeit schließen Trocken- und/oder Nasszugfestigkeit ein. Flexibilität steht im Verhältnis zu Steifigkeit und kann zu Weichheit beitragen. Weichheit wird generell als ein physiologisch wahrgenommenes Attribut beschrieben, das sowohl mit Flexibilität als auch Textur im Verhältnis steht. Absorptionsvermögen betrifft die Fähigkeit der Produkte, Flüssigkeiten aufzunehmen, sowie das Vermögen, diese einzubehalten.
(4) Verfahren
Der erste Schritt bei der Herstellung einer Mehrkomponentenfaser ist der Mischungsherstellungs- oder Mischschritt. Im Mischungsherstellungsschritt werden die Rohmaterialien erwärmt, in der Regel unter Scherung. Die Scherung in Gegenwart von Wärme führt bei richtiger Auswahl der Zusammensetzung zu einer homogenen Schmelze. Die Schmelze wird dann in einen Extruder gegeben, wo Fasern gebildet werden. Eine Ansammlung von Fasern wird dann mit Wärme, Druck, chemischem Bindemittel, mechanischer Verhakung und Kombinationen davon miteinander kombiniert, was zur Bildung einer Vliesbahn führt. Der Vliesstoff wird dann in einem Artikel zusammengefügt.
Mischungsherstellung
Das Ziel des Mischungsherstellungsschrittes ist die Herstellung einer homogenen Schmelzenzusammensetzung, die die Stärke, das Polymer und/oder den Weichmacher umfasst. Wenn ein Konstituent hergestellt wird, der nur Stärke oder Polymer und nicht beides ist, wird der Mischungsherstellungsschritt modifiziert, um der gewünschten Zusammensetzung gerecht zu werden. Vorzugsweise ist die Schmelzenzusammensetzung homogen, d. h. dass eine weitläufig gleichmäßige Verteilung zu finden ist und dass keine unterscheidbaren Bereiche beobachtet werden.
Die resultierende Schmelzenzusammensetzung sollte im Wesentlichen frei von Wasser sein, um Fasern zu erspinnen. Im Wesentlichen frei ist so definiert, dass keine erheblichen Probleme entstehen, wie die Verursachung der Bildung von Blasen, die letztlich die Faser bei der Erspinnung brechen können. Vorzugsweise ist der Gehalt an freiem Wasser der Schmelzenzusammensetzung weniger als ungefähr 1 %, mehr bevorzugt weniger als ungefähr 0,5 % und am meisten bevorzugt weniger als 0,1 %. Der Gesamtwassergehalt schließt sowohl gebundenes als auch freies Wasser ein. Um diesen geringen Wassergehalt zu erreichen, müssen die Stärke und die Polymere eventuell vor der Verarbeitung getrocknet werden, und/oder es wird ein Vakuum während der Verarbeitung angelegt, um freies Wasser zu entfernen. Vorzugsweise wird die thermoplastische Stärke vor der Verspinnung bei 60 °C getrocknet.
Im Allgemeinen kann jedes Verfahren, das Wärme, Mischen und Druck anwendet, verwendet werden, um das Polymer, die Stärke und/oder den Weichmacher zu kombinieren. Die besondere Reihenfolge oder Mischung, Temperaturen, Mischgeschwindigkeiten oder -zeit und Ausrüstung sind nicht entscheidend, solange sich die Stärke nicht erheblich zersetzt und die resultierende Schmelze homogen ist.
Ein bevorzugtes Mischverfahren für eine Stärke und zwei Polymere ist wie folgt:

1. Das Polymer mit einer höheren Schmelztemperatur wird über seinem Schmelzpunkt erwärmt und gemischt. In der Regel ist dies 30 °C–70 °C über der Schmelztemperatur. Die Mischzeit ist von ungefähr 2 bis ungefähr 10 Minuten, vorzugsweise etwa 5 Minuten. Das Polymer wird dann abgekühlt, in der Regel auf 120 °C–140 °C.
2. Die Stärke wird vollständig destrukturiert. Diese Stärke kann durch Auflösen in Wasser bei 70 °C–100 °C in einer Konzentration von 10–90 % Stärke, abhängig von dem Molekulargewicht der Stärke, der gewünschten Viskosität der destrukturierten Stärke und der Zeit, die zur Destrukturierung gewährt wird, destrukturiert werden. Im Allgemeinen sind ungefähr 15 Minuten ausreichend, um die Stärke zu destrukturieren, abhängig von den Bedingungen können jedoch auch 10 Minuten bis 30 Minuten notwendig sein. Falls erwünscht, kann ein Weichmacher zu der destrukturierten Stärke gegeben werden.
3. Das abgekühlte Polymer von Schritt 1 und die destrukturierte Stärke von Schritt 2 werden dann kombiniert. Das Polymer und die Stärke können in einem Extruder oder einem Chargenmischer unter Scherung kombiniert werden. Die Mischung wird erwärmt, in der Regel auf ungefähr 120 °C–140 °C. Dies führt zur Verdampfung von Wasser. Wenn es gewünscht wird, das ganze Wasser abzudunsten, sollte die Mischung gemischt werden, bis das gesamte Wasser weg ist. In der Regel ist das Mischen in diesem Schritt von ungefähr 2 bis ungefähr 15 Minuten, in der Regel für ungefähr 5 Minuten. Es wird eine homogene Mischung aus Stärke und Polymer gebildet.
4. Ein zweites Polymer wird dann zu der homogenen Mischung von Schritt 3 gegeben. Dieses zweite Polymer kann bei Raumtemperatur zugegeben werden oder nachdem es geschmolzen und gemischt wurde. Die homogene Mischung von Schritt 3 wird bei Temperaturen von ungefähr 100 °C bis ungefähr 170 °C weiter gemischt. Die Temperaturen über 100 °C werden benötigt, um zu verhindern, dass sich Feuchtigkeit bildet. Wenn er nicht in Schritt 2 zugegeben wurde, kann der Weichmacher nun zugegeben werden. Die Mischung wird weiter gemischt, bis sie homogen ist. Dies wird beobachtet, indem keine unterscheidbaren Bereiche bemerkt werden. Die Mischzeit ist generell von ungefähr 2 bis ungefähr 10 Minuten, üblicherweise etwa 5 Minuten.

Die am meisten bevorzugte Mischvorrichtung ist ein Doppelschneckenextruder mit mehreren Mischzonen und mehreren Anspritzpunkten. Die mehreren Anspritzpunkte können verwendet werden, um die destrukturierte Stärke und das Polymer zuzugeben. Ein Doppelschneckenchargenmischer oder ein Einschneckenextrusionssystem können ebenfalls verwendet werden. Solange genügend Mischen und Erwärmen erfolgt, ist die spezielle verwendete Ausrüstung nicht entscheidend.
Ein alternatives Verfahren zur Mischungsherstellung der Materialien ist durch die Zugabe des Weichmachers, der Stärke und des Polymers zu einem Extrusionssystem, wo sie in progressiv ansteigenden Temperaturen gemischt werden. Zum Beispiel können in einem Doppelschneckenextruder mit sechs Heizzonen die ersten drei Zonen auf 90 °C, 120 °C und 130 °C erwärmt werden, und die letzten drei Zonen werden über den Schmelzpunkt des Polymers erwärmt. Diese Vorgehensweise führt zu minimaler Wärmezersetzung der Stärke und dazu, dass die Stärke vor inniger Mischung mit den thermoplastischen Materialien vollständig destrukturiert.
Ein anderes Verfahren ist die Verwendung eines Polymers mit einer höheren Schmelztemperatur und die Einspritzung der Stärke ganz am Ende des Verfahrens. Die Stärke hat nur für eine sehr kurze Zeitspanne, die zum Brennen nicht reicht, eine höhere Temperatur.
Spinnen
Die vorliegende Erfindung verwendet das Verfahren des Schmelzspinnens. Beim Schmelzspinnen gibt es keinen Massenverlust im Extrudat. Schmelzspinnen unterscheidet sich von anderem Spinnen wie Nass- oder Trockenspinnen aus Lösung, wo ein Lösungsmittel durch Verflüchtigung oder Diffusion aus dem Extrudat beseitigt wird, was zu einem Massenverlust führt.
Das Spinnen erfolgt bei 120 °C bis ungefähr 230 °C, vorzugsweise 185 °C bis ungefähr 190 °C. Geschwindigkeiten der Fasererspinnung von mehr als 100 Metern/Minute sind erforderlich. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit der Fasererspinnung von ungefähr 1.000 bis ungefähr 10.000 Meter/Minute, mehr bevorzugt von ungefähr 2.000 bis ungefähr 7.000 Meter/Minute und am meisten bevorzugt von ungefähr 2.500 bis ungefähr 5.000 Meter/Minute. Die Polymerzusammensetzung muss schnell versponnen werden, um Sprödheit in der Faser zu vermeiden.
Kontinuierliche Fasern können durch Schmelzspinnverfahren oder Schmelzblasverfahren hergestellt werden, oder es können nichtkontinuierliche Fasern (Stapelfasern) hergestellt werden. Die verschiedenen Verfahren der Faserherstellung können auch kombiniert werden, um eine Kombinationstechnik zu erzeugen.
Die homogene Mischung kann auf herkömmlicher Schmelzspinnausrüstung zu Mehrkomponentenfasern schmelzgesponnen werden. Die Ausrüstung wird auf der Basis der gewünschten Konfiguration der Mehrkomponenten ausgewählt. Im Handel erhältliche Schmelzspinnausrüstung ist Hills, Inc., ansässig in Melbourne, Florida, USA, erhältlich. Die Temperatur zum Spinnen liegt im Bereich von ungefähr 100 °C bis ungefähr 230 °C. Die Verarbeitungstemperatur wird durch die chemische Natur, Molekulargewichte und Konzentration jedes Bestandteils bestimmt. Die ersponnenen Fasern können mit herkömmlichen Godet-Wickelsystemen oder Durchluftzugstreckvorrichtungen aufgesammelt werden. Wenn das Godetsystem verwendet wird, können die Fasern ferner durch Ziehen nach der Extrusion bei Temperaturen von ungefähr 50 °C bis ungefähr 140 °C ausgerichtet werden. Die gezogenen Fasern können dann gekräuselt und/oder geschnitten werden, um die nichtkontinuierlichen Fasern (Stapelfasern), die in einem Kardierungs-, Luftlegungs- oder Fluidlegungsverfahren verwendet werden, zu bilden.
(5) Artikel
Die Mehrkomponentenfasern können durch unterschiedliche Bindeverfahren zu Vliesstoffen umgewandelt werden. Kontinuierliche Fasern können mit industriellen standardgemäßen Schmelzspinntechnologien zu einer Bahn ausgebildet werden, während Stapelfasern mit industriellen standardgemäßen Kardierungs-, Luftlegungs- oder Nasslegungstechnologien zu einer Bahn ausgebildet werden können. Zu typischen Bindeverfahren gehören: Kalandrierung (Druck und Wärme), Durchluftwärme, mechanische Verhakung, hydrodynamische Verhakung, Nadelfilzung und chemisches Binden und/oder Harzbinden. Kalandrierung, Durchluftwärme und chemisches Binden sind die bevorzugten Bindeverfahren für die Mehrkomponentenfasern aus Stärke und Polymer. Fasern, die thermisch gebunden werden können, sind für die Druckwärme- und Durchluftwärme-Bindeverfahren erforderlich.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung können auch mit anderen synthetischen oder natürlichen Fasern gebunden oder kombiniert werden, um Vliesartikel herzustellen. Die synthetischen oder natürlichen Fasern können in dem Formungsprozess zusammengemischt oder in separaten Schichten verwendet werden. Geeignete synthetische Fasern schließen Fasern aus Polypropylen, Polyethylen, Polyester, Polyacrylaten und Copolymeren davon und Mischungen davon ein. Zu natürlichen Fasern gehören Cellulosefasern und Derivate davon. Zu geeigneten Cellulosefasern gehören jene, die aus irgendeinem Baum oder irgendeiner Pflanze gewonnen werden, einschließlich Hartholzfasern, Weichholzfasern, Hanf und Baumwolle. Ebenfalls eingeschlossen sind Fasern aus verarbeiteten natürlichen Cellulosequellen, wie Rayon.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um Vliesstoffe, unter anderen geeigneten Artikeln, herzustellen. Vliesartikel sind als Artikel definiert, die zu mehr als 15 % eine Vielzahl von Fasern enthalten, die kontinuierlich oder nichtkontinuierlich und physikalisch und/oder chemisch aneinander befestigt sind. Der Vliesstoff kann mit zusätzlichen Vliesstoffen oder Folien kombiniert werden, um ein Schichtprodukt zu erzeugen, das entweder für sich oder als Bestandteil in einer komplexen Kombination anderer Materialien, wie einer Babywindel oder einer Damenbinde, verwendet wird. Bevorzugte Artikel sind Einwegvliesartikel. Die resultierenden Produkte können in Filtern für Luft, Öl und Wasser; Staubsaugerfiltern; Ofenfiltern; Gesichtsmasken; Kaffeefiltern, Tee- oder Kaffeebeuteln; Wärmeisolierungsmaterialien und Schallisolierungsmaterialien; Vliesstoffen für Hygieneprodukte zum Einmalgebrauch, wie Windeln, Damenbinden und Inkontinenzartikel; biologisch abbaubaren Textilstoffen für verbesserte Feuchtigkeitsabsorption und Weichheit beim Tragen, wie Mikrofaser- oder atmungsaktiven Stoffen; einer elektrostatisch geladenen, strukturierten Bahn zum Aufsammeln und Entfernen von Staub; Verstärkungen und Bahnen für harte Papiersorten, wie Packpapier, Schreibpapier, Zeitungspapier, Wellpappe, und Bahnen für Zellstoffpapier, wie Toilettenpapier, Papierhandtücher, Windeln und Gesichtstücher; medizinischen Anwendungen, wie chirurgischen Tüchern, Wundkompressen, Verbänden, Hautpflastern und selbstauflösenden Fäden; und dentalen Anwendungen, wie Zahnseide und Zahnbürstenborsten, Verwendung finden. Die Faserbahn kann auch Geruchsabsorptionsmittel, Termitenabwehrmittel, Insektizide, Rodentizide und dergleichen für spezielle Anwendungen einschließen. Das resultierende Produkt absorbiert Wasser und Öl und kann beim Aufwischen von verschüttetem Öl oder Wasser oder der gesteuerten Wasserretention und -freisetzung für landwirtschaftliche oder gärtnerische Anwendungen Verwendung finden. Die resultierenden Stärkefasern oder -faserbahnen können auch in andere Materialien, wie Sägemehl, Holzfaserstoff, Kunststoffe und Beton, eingebracht werden, um Verbundstoffe zu bilden, die als Baumaterialien, wie Wände, Stützbalken, Pressspan, Trockenwänden und Trägern und Deckenplatten verwendet werden können; andere medizinische Anwendungen, wie Gipse, Schienen und Zungenspatel; und in Kaminholzscheite für Dekorations- und/oder Verbrennungszwecke. Zu bevorzugten Artikeln der vorliegenden Erfindung gehören Einwegvliesstoffe für Hygiene- und medizinische Anwendungen. Zu hygieneanwendungen gehören solche Gegenstände wie Tücher; Windeln, besonders die Oberschicht oder Unterschicht; und Damenbinden oder -produkte, besonders die Oberschicht.
Beispiele
Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung weiter. Die Stärke, die in den nachstehenden Beispielen verwendet wird, ist StarDri 100, StaDex 10, StaDex 65, alle von Staley. Das Polycaprolacton (PCL) ist Tone 767, erworben von Union Carbide. Das Polyethylen ist Aspin 6811A, erworben von Dow, und das Polypropylen ist Achieve 3854, erworben von Exxon.
Beispiel 1 Kern/Mantel-Bikomponentenfaser: Die Mischung für den Kern wird mit 70 Teilen StarDri 100, 10 Teilen Polyethylen und 30 Teilen Sorbital hergestellt. Die Mischung für den Mantel wird mit 67 Teilen Hochdruckpolyethylen, 19 Teilen Stärke StarDri 100, 10 Teilen PCL und 4 Teilen Glycerin hergestellt. Alle Inhaltsstoffe werden gleichzeitig in ein Extrusionssystem gegeben, wo sie in progressiv ansteigenden Temperaturen gemischt werden. Diese Vorgehensweise minimiert die Wärmezersetzung der Stärke, die auftritt, wenn die Stärke für beträchtliche Zeiträume auf über 180 °C erwärmt wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht auch, dass die Stärke vor dem innigen Mischen mit den thermoplastischen Materialien vollständig destrukturiert wird.
Beispiel 2 Kern/Mantel-Bikomponentenfaser: Die Mischung für den Mantel enthält Polypropylen. Die Mischung für den Kern wird wie in Beispiel 1 mit 66 Teilen Polypropylen, 20 Teilen StarDri 100, 9 Teilen PCL und 5 Teilen Glycerin hergestellt.
Beispiel 3 Hohle Achtel-Segmented-Pie-Bikomponentenfaser: Die Mischung für das erste Segment enthält Polyethylen. Die Mischung für den zweiten Bestandteil wird wie in Beispiel 1 mit 70 Teilen StarDri 100, 10 Teilen Polyethylen und 30 Teilen Sorbital hergestellt.
Beispiel 4 Kern/Mantel-Bikomponentenfaser: Die Mischung für den Kern Segment enthält Polyethylen. Die Mischung für den Mantel wird wie in Beispiel 1 mit 30 Teilen StaDex 10, 15 Teilen Polypropylen, 45 Teilen Polyethylen und 15 Teilen Sorbital hergestellt.
Beispiel 5 Seite-an-Seite-Bikomponentenfaser: Die Mischung für das erste Segment enthält Polypropylen. Die Mischung für den zweiten Bestandteil wird wie in Beispiel 1 mit 70 Teilen StarDri 100 und 30 Teilen Sorbital hergestellt.
Beispiel 6 Kern/Mantel-Bikomponentenfaser: Die Mischung für das Mantelsegment enthält Polyethylen. Die Mischung für den Kern wird wie in Beispiel 1 mit 50 Teilen StaDex 15 und 50 Teilen Sorbital hergestellt.
Beispiel 7 Kern/Mantel-Bikomponentenfaser: Die Mischung für den Kern enthält Polypropylen. Die Mischung für den Mantel wird wie in Beispiel 1 mit 70 Teilen StarDri 100 und 30 Teilen Sorbital hergestellt. Nach dem Erspinnen der Bikomponentenfaser wird der stärkehaltige Mantel in Wasser gelöst. Die verbleibende Polypropylenfaser kann dann zur Herstellung einer Vliesbahn verwendet werden. Die gelöste Stärke und das Wasser können recycelt und wieder verwendet werden.
Beispiel 8 Matrix/Fibrillen-Faser: Die „Fibrillen" in der Mehrkomponentenfaser enthalten Dow Primacor 5980I. Die Matrixmischung wird gemäß Beispiel 1 mit 10 Teilen Dow Primacor 5980I, 70 Teilen StarDri 100 und 30 Teilen Sorbit hergestellt.
Beispiel 9 Seite-an-Seite: Fasern können durch Schmelzspinnen einer Zusammensetzung, die 36 Teile Polypropylen, 37 Teile Stärke StarDri 100, 18 Teile PCL und 9 Teile Glycerin umfasst, hergestellt werden. Der zweite Bestandteil umfasst 48 Teile Polypropylen, 33 Teile Stärke Star Dri 100, 14 Teile PCL und 5 Teile Glycerin. Beide Bestandteile werden gemäß Beispiel 1 vermischt.
Beispiel 10 Segmented Pie: Ein Bestandteil der Faser kann durch Schmelzspinnen einer Zusammensetzung, die 20 Teile Polypropylen, 20 Teile Polyethylen, 20 Teile EAA, 25 Teile StaDex 10 und 15 Teile Sorbit umfasst, hergestellt werden. Der zweite Bestandteil kann durch Schmelzspinnen einer Zusammensetzung, die 80 Teile Polypropylen, 10 Teile PCL, 10 Teile StaDex 15 und 5 Teile Sorbit umfasst, hergestellt werden. Beide Bestandteile werden gemäß Beispiel 1 vermischt.
Beispiel 11 Hohler nichtkontinuierlicher Kern/Mantel: Der Mantel kann durch Schmelzspinnen einer Zusammensetzung, die 50 Teile PVA, 30 Teile StaDex 65 und 20 Teile Mannit umfasst, hergestellt werden. Der hohle Kern umfasst 50 Teile StaDex 65 und 50 Teile Sorbit.
Beispiel 12 Dreiteiliges Band: Ein Bestandteil der Bandfaser wird durch Schmelzspinnen einer Zusammensetzung, die 20 Teile PVA, 60 Teile StaDex 10 und 20 Teile Mannit umfasst, hergestellt.
Dieser Bestandteil befindet sich auf jeder Seite des mittleren Bestandteils, der 70 Teile StarDri 100 und 30 Teile Glycerin umfasst.
Beispiel 13 Hohler Segmented Pie: Ein Segment der Faser kann durch Schmelzspinnen einer Zusammensetzung, die 50 Teile Nylon 6, 30 Teile StaDex 15 und 20 Teile geeignetes Verdünnungsmittel zum Senken der Schmelztemperatur von Nylon 6 umfasst, hergestellt werden. Das andere Segment umfasst 30 Teile Nylon 12, 50 Teile StaDex 15 und 20 Teile eines geeigneten Verdünnungsmittels zum Senken der Schmelztemperatur von Nylon 6.
Obwohl spezielle Beispiele angegeben wurden, könnten auch unterschiedliche Kombinationen von Materialien, Verhältnisse und Ausrüstung, wie gegenläufige Doppelschnecken oder Hochschereinzelschnecken mit Belüftung verwendet werden.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene weitere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Mehrkomponentenfaser, umfassend: i) eine destrukturierte Stärke mit einem Molekulargewicht im Bereich von 3000 g/mol bis 2.000.000 g/mol; und ii) ein thermoplastisches Polymer mit einem Molekulargewicht von weniger als 500.000 g/mol, das mit der destrukturierten Stärke im Wesentlichen kompatibel ist; wobei die Faser eine Konfiguration aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Kern/Mantel, Matrix/Fibrillen, Band, Segmented Pie, Seite an Seite und Kombination davon; und wobei jeder Bestandteil der Mehrkomponentenfaser mindestens die destrukturierte Stärke bzw. das thermoplastische Polymer umfasst.
Mehrkomponentenfaser nach Anspruch 1, wobei ein Bestandteil Folgendes umfasst: a. die destrukturierte Stärke; b. das thermoplastische Polymer; und c. einen Weichmacher.
Mehrkomponentenfaser nach Anspruch 1, wobei ein Bestandteil die destrukturierte Stärke umfasst und ein zweiter Bestandteil das thermoplastische Polymer umfasst.
Mehrkomponentenfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Faser einen Durchmesser von weniger als 200 Mikrometern aufweist.
Mehrkomponentenfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Faser gespalten werden kann.
Bikomponentenfaser nach Anspruch 1 mit einer Kern/Mantel-Konfiguration, wobei: der Mantel die destrukturierte Stärke und einen Weichmacher umfasst; der Kern das thermoplastische Polymer umfasst.
Bikomponentenfaser nach Anspruch 1 mit einer Kern/Mantel-Konfiguration, wobei: der Mantel das thermoplastische Polymer umfasst und der Kern die destrukturierte Stärke und einen Weichmacher umfasst.
Vliesbahn, umfassend die Mehrkomponentenfasern, wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert.
Vliesbahn nach Anspruch 8, wobei die Mehrkomponentenfasern mit anderen synthetischen oder natürlichen Fasern gemischt und verbunden sind.
Einwegartikel, umfassend eine Vliesbahn, wie in Anspruch 8 oder Anspruch 9 beschrieben.