DE60317627T2

DE60317627T2 - Nichtthermoplastische stärkefasern und stärkezusammensetzung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60317627T2
Application number: DE2003617627
Authority: DE
Inventors: Larry Neil Fairfield MACKEY; Michael David Cincinnati JAMES; Donald Eugene Cincinnati ENSIGN; Gregory Charles Cincinnati GORDON; Lora Lee Cincinnati BUCHANAN; Stephen Wayne Cincinnati HEINZMAN; Paul Arlen Cincinnati FORSHEY; Savas West Chester AYDORE
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: US20050076809A1; US7025821B2; US20040149165A1; US6723160B2; JP2009074233A; PE20030959A1; DE60317627D1; US6802895B2; US20030154883A1; PT1470273E; CN1854357A; JP4313429B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft nichtthermoplastische Fasern, die modifizierte Stärke umfassen, und Verfahren zum Herstellen solcher Fasern. Die nichtthermoplastischen Stärkefasern können verwendet werden, um Vliesbahnen und andere Einwegartikel herzustellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Natürliche Stärke ist ein problemlos erhältliches und kostengünstiges Material. Es wurden deshalb Versuche unternommen, natürliche Stärke auf Standardausrüstung mit existierender Technologie, die in der Kunststoffindustrie bekannt ist, zu verarbeiten. Da natürliche Stärke jedoch generell eine granulöse Struktur hat, muss sie „destrukturiert" und/oder anderweitig modifiziert werden, bevor sie wie ein thermoplastisches Material schmelzverarbeitet werden kann. Die Aufgabe des Spinnens von Stärkematerialien zur Erzeugung von Stärkefasern mit feinem Durchmesser oder spezieller den Fasern mit durchschnittlichen äquivalenten Durchmessern von weniger als ungefähr 20 Mikrometern, die zur Herstellung von Faserbahnen in Zellstoffqualität geeignet sind, wie zum Beispiel denen, die für Toilettenpapier geeignet sind, stellt zusätzliche Herausforderungen dar. Erstens muss die verarbeitbare Stärkezusammensetzung bestimmte rheologische Eigenschaften besitzen, die es einem erlaubt, effektiv und wirtschaftlich Stärkefasern mit feinem Durchmesser zu erspinnen. Zweitens ist es stark wünschenswert, dass die resultierende Faserbahn und deshalb die Stärkefasern mit feinem Durchmesser, die eine solche Bahn umfasst, ausreichende Nasszugfestigkeit, Flexibilität, Dehnbarkeit und Wasserunlöslichkeit für eine begrenzte Zeit (des Gebrauchs) besitzen.
„Thermoplastische” oder „thermoplastisch verarbeitbare" Stärkezusammensetzungen, die in mehreren Literaturstellen nachstehend beschrieben sind, können für die Herstellung von Stärkefasern mit guter Dehnbarkeit und Flexibilität geeignet sein. Die thermoplastische Stärke besitzt jedoch nicht die erforderliche Nasszugfestigkeit, die eine sehr wichtige Qualität für solche Verbraucher-Einwegartikel wie Toilettenpapier, Papiertücher, Damenhygieneartikel, Windeln, Taschentücher und dergleichen ist.
In Abwesenheit von Verstärkungsmitteln, wie zum Beispiel einem hohen Anteil relativ teurer wasserunlöslicher synthetischer Polymere, kann Vernetzung notwendig sein, um eine ausreichende Nasszugfestigkeit von Stärkefasern zu erreichen. Gleichzeitig wurden in der Regel chemische oder enzymatische Mittel verwendet, um die Stärke zu modifizieren oder zu destrukturieren, um eine thermoplastische Stärkezusammensetzung herzustellen. Zum Beispiel kann eine Mischung von Stärke und einem Weichmacher auf eine ausreichende Temperatur erwärmt werden, um die resultierende Mischung aus thermoplastischer Stärke und Weichmacher zu erweichen. In einigen Fällen kann Druck verwendet werden, um das Erweichen der thermoplastischen Mischung zu erleichtern. Schmelzen und Umordnung der Molekülstruktur der Stärkegranalie findet statt, und es wird eine destrukturierte Stärke erreicht. Jedoch beeinträchtigt die Gegenwart von Weichmachern in der Stärkemischung die Vernetzung der Stärke und behindert so die Annahme einer ausreichenden Nasszugfestigkeit durch die resultierenden Stärkefasern.
Thermoplastische oder thermoplastisch verarbeitbare Stärkezusammensetzungen sind in verschiedenen US-Patenten beschrieben, zum Beispiel: US-Patente Nr. 5,280,055 , erteilt am 18. Jan. 1994; 5,314,934 , erteilt am 24. Mai 1994; 5,362,777 , erteilt Nov. 1994; 5,844,023 , erteilt Dez. 1998; 6,117,925 , erteilt am 12. Sept. 2000; 6,214,907 , erteilt am 10. Apr. 2001; und 6,242,102 , erteilt am 5. Juni 2001, alle sieben unmittelbar vorstehenden Patente erteilt an Tomka; US-Patente Nr. 6,096,809 , erteilt am 1. Aug. 2000; 6,218,321 , erteilt am 17. April 2001; 6,235,815 und 6,235,816 , erteilt am 22. Mai 2001, alle vier unmittelbar vorstehenden Patente erteilt an Lorcks et al.; US-Patent Nr. 6,231,970 , erteilt am 15. Mai 2001 an Andersen et al. Generell kann die thermoplastische Stärkezusammensetzung durch Mischen von Stärke mit einem Zusatzstoff (wie einem Weichmacher), vorzugsweise ohne die Gegenwart von Wasser, hergestellt werden, wie zum Beispiel im vorstehend genannten US-Patent Nr. 5,362,777 beschrieben.
Zum Beispiel betreffen die US-Patente Nr. 5,516,815 und 5,316,578 an Buehler et al. thermoplastische Stärkezusammensetzungen zum Herstellen von Stärkefasern aus einem Schmelzspinnverfahren. Die geschmolzene thermoplastische Stärkezusammensetzung wird durch eine Spinndüse extrudiert, um Filamente mit Durchmessern, die relativ zu dem Durchmesser der Düsenöffnungen an der Spinndüse leicht vergrößert sind (d. h. einem Düsenquelleffekt), herzustellen. Die Filamente werden anschließend mechanisch oder thermomechanisch von einer Verstreckungseinheit heruntergezogen, um den Faserdurchmesser zu reduzieren. Der Hauptnachteil der Stärkezusammensetzung von Buehler et al. besteht darin, dass sie zum Erzeugen scheinbarer Spitzennasszugspannung in Stärkefasern erhebliche Mengen von wasserlöslichen Weichmachern benötigt, die Vernetzungsreaktionen beeinträchtigen.
Andere thermoplastisch verarbeitbare Stärkezusammensetzungen sind in US-Patent Nr. 4,900,361 , erteilt am 8. August 1989 an Sachetto et al.; US-Patent Nr. 5,095,054 , erteilt am 10. März 1992 an Lay et al.; US-Patent Nr. 5,736,586 , erteilt am 7. April 1998 an Bastioli et al.; und PCT-Veröffentlichung WO 98/40434 , eingereicht von Hanna et al., veröffentlicht am 14. März 1997, offenbart.
Einige der vorangehenden Versuche zur Herstellung von Stärkefasern betreffen hauptsächlich Nassspinnverfahren. Zum Beispiel kann eine kolloidale Stärke/Lösungsmittel-Suspension aus einer Spinndüse in ein Koagulierbad extrudiert werden. Zu Literaturstellen zum Nassspinnen von Stärkefasern gehören US-Patent Nr. 4,139,699 , erteilt an Hernandez et al. am 13. Februar 1979; US-Patent Nr. 4,853,168 , erteilt an Eden et al. am 1. August 1989; und US-Patent Nr. 4,234,480 , erteilt an Hernandez et al. am 6. Januar 1981. JP 08-260,250 beschreibt modifizierte Stärkefasern, die aus Stärke und einem Aminoharz-Vorkondensat hergestellt sind, und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Das Verfahren beinhaltet das Trockenspinnen einer unverdünnten Lösung von Stärke und Aminoharz-Vorkondensat, gefolgt von Wärmebehandlung. Die in dieser Anmeldung verwendete Stärke ist natürliche Stärke, wie sie in Mais, Weizen, Reis, Kartoffeln usw. enthalten ist.
Die natürliche Stärke hat eine hohe mittlere Molmasse – von 30.000.000 Gramm pro Mol (g/Mol) bis über 100.000.000 g/Mol. Die schmelzrheologischen Eigenschaften einer wässrigen Lösung, die solche Stärke umfasst, sind für Spinnverfahren hoher Geschwindigkeit, wie Schmelzspinnen oder Schmelzblasen, für die Herstellung von Stärkefasern mit feinem Durchmesser schlecht geeignet.
Der Stand der Technik zeigt eine Notwendigkeit an einer kostengünstigen und schmelzverarbeitbaren Stärkezusammensetzung, die es einem erlauben würde, Stärkefasern mit feinem Durchmesser herzustellen, die gute Nasszugfestigkeitseigenschaften besitzen und für die Herstellung von Faserbahnen, besonders Faserbahnen in Zellstoffqualität, geeignet sind. Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung nichtthermoplastische Stärkefasern mit feinem Durchmesser, die eine ausreichende scheinbare Spitzennasszugspannung aufweisen, bereit. Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen solcher nichtthermoplastischer Stärkefasern bereit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfasst eine nichtthermoplastische Stärkefaser, wobei die Faser in der Gesamtheit keinen Schmelzpunkt aufweist. Die Faser hat eine scheinbare Spitzennasszugspannung von mehr als ungefähr 0,2 Megapascal (MPa), spezieller von mehr als ungefähr 0,5 MPa, noch spezieller von mehr als ungefähr 1,0 MPa, spezieller von mehr als ungefähr 2,0 MPa und noch spezieller von mehr als ungefähr 3,0 MPa. Die Faser hat einen durchschnittlichen äquivalenten Durchmesser von weniger als ungefähr 20 Mikrometer, spezieller weniger als ungefähr 10 Mikrometer und noch spezieller weniger als ungefähr 6 Mikrometer.
Die Faser kann aus einer Zusammensetzung, die eine modifizierte Stärke und ein Vernetzungsmittel umfasst, hergestellt sein. Die Zusammensetzung kann eine Scherviskosität von ungefähr 1 Pascalsekunden bis ungefähr 80 Pascalsekunden, vorzugsweise von ungefähr 3 Pascalsekunden bis ungefähr 30 Pascalsekunden und mehr bevorzugt von ungefähr 5 Pascalsekunden bis ungefähr 20 Pascalsekunden aufweisen, wie bei einer Schergeschwindigkeit von 3.000 s^–1 und der Verarbeitungstemperatur gemessen. Die Zusammensetzung kann eine scheinbare Dehnviskosität von ungefähr 150 Pascalsekunden bis ungefähr 13.000 Pascalsekunden, speziell von ungefähr 500 Pascalsekunden bis ungefähr 5.000 Pascalsekunden und spezieller von ungefähr 800 Pascalsekunden bis ungefähr 3.000 Pascalsekunden aufweisen, wenn bei einer Dehnungsrate von ungefähr 90 s^–1 und der Verarbeitungstemperatur gemessen wird.
Die Zusammensetzung umfasst zu ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 75 Gew.-% eine modifizierte Stärke; zu ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-% ein Aldehyd-Vernetzungsmittel; und zu ungefähr 25 Gew.-% bis ungefähr 50 Gew.-% Wasser. Die Zusammensetzung kann ferner eine polykationische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus zweiwertigen oder dreiwertigen Metallionensalzen, natürlichen polykationischen Polymeren, synthetischen polykationischen Polymeren, und jede Kombination davon umfassen. Die Zusammensetzung kann ferner einen Säurekatalysator in der ausreichenden Menge zum Bilden eines pH-Werts der Zusammensetzung im Bereich von ungefähr 1,5 bis ungefähr 5,0 und spezieller von 2,0 bis ungefähr 3,0 und noch spezieller von 2,2 bis ungefähr 2,6 umfassen. Die modifizierte Stärke kann eine mittlere Molmasse von mehr als ungefähr 100.000 g/Mol haben.
Das Aldehyd-Vernetzungsmittel kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Formaldehyd, Glyoxal, Glutaraldehyd, Harnstoff-Glyoxalharz, Harnstoff-Formaldehydharz, Melamin-Formaldehydharz, methyliertem Ethylenharn stoff-Glyoxalharz und jeder Kombination davon. Das zweiwertige oder dreiwertige Metallionensalz kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Calciumchlorid, Calciumnitrat, Magnesiumchlorid, Magnesiumnitrat, Eisen(III)-chlorid, Eisen(II)-chlorid, Zinkchlorid, Zinknitrat, Aluminiumsulfat und jeder Kombination davon. Der Säurekatalysator kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Citronensäure und jeder Kombination davon.
Die Erfindung umfasst eine Faser, umfassend von ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 99,5 Gew.-% modifizierte Stärke, wobei die Faser in der Gesamtheit keinen Schmelzpunkt aufweist. Die modifizierte Stärke hat eine mittlere Molmasse von mehr als ungefähr 100.000 (g/Mol) vor der Vernetzung. In einer Ausführungsform umfasst die modifizierte Stärke oxidierte Stärke.
Unter einem anderen Gesichtspunkt umfasst die Erfindung eine nichtthermoplastische Stärkefaser mit einem Salzlösungsabsorptionsvermögen von weniger als ungefähr 2 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser, spezieller weniger als ungefähr 1 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser und noch spezieller weniger als ungefähr 0,5 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Seitenansicht des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische partielle Seitenansicht des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die eine Verdünnungszone zeigt.
3 ist eine schematische Draufsicht, vorgenommen entlang Linie 3-3 von 2, und zeigt eine mögliche Anordnung einer Vielzahl von Extrusionsdüsen, die so angeordnet sind, dass sie nichtthermoplastische Stärkefasern bereitstellen.
4 ist eine ähnliche Ansicht wie die von 3 und zeigt eine mögliche Anordnung von Öffnungen zum Bereitstellen von Begrenzungsluft um die Verdünnungszone.
5 ist eine ähnliche Ansicht wie die von 3 und zeigt eine andere mögliche Anordnung von Öffnungen zum Bereitstellen von Begrenzungsluft um die Verdünnungszone.
6 ist eine ähnliche Ansicht wie die von 3 und zeigt noch eine andere mögliche Anordnung von Öffnungen zum Bereitstellen von Begrenzungsluft um die Verdünnungszone.
7 ist eine schematische Seitenansicht der Verdünnungszone, die von physischen Wänden umschlossen wird.
8 ist eine schematische Seitenansicht, vorgenommen entlang Linie 8-8 von 6.
9 ist eine schematische partielle Seitenansicht des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine schematische Draufsicht eines Probestücks, das zur Bestimmung der Nasszugspannung von erfindungsgemäßen Fasern verwendet werden kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie hierin verwendet, haben die folgenden Begriffe die folgende Bedeutung.
„Nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung" ist ein Material, das Stärke umfasst und Wasser benötigt, um zu einem solchen Grad weich zu werden, dass das Material in einen fließenden Zustand gebracht werden kann, der wie gewünscht geformt und, spezieller, verarbeitet (zum Beispiel durch Spinnen) werden kann, um eine Vielzahl nichtthermoplastischer Stärkefasern zu bilden, die zum Bilden einer flexiblen Faserstruktur geeignet sind. Die nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung kann nicht allein durch den Einfluss erhöhter Temperaturen in einen erforderlichen fließenden Zustand gebracht werden. Obwohl die nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung gewisse Mengen anderer Bestandteile, wie zum Beispiel Weichmacher, die das Fließen der nichtthermoplastischen Zusammensetzung erleichtern können, enthalten kann, sind diese Mengen an sich nicht ausreichend, um die nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung in der Gesamtheit in einen fließenden Zustand zu bringen, in dem sie verarbeitet werden können, um geeignet nichtthermoplastische Fasern zu bilden. Die nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung unterscheidet sich auch insofern von einer thermoplastischen Zusammensetzung, als sie, sobald die nichtthermoplastische Zusammensetzung entwässert wird, zum Beispiel durch Trocknung, um einen verfestigten Zustand zu umfassen, ihre „thermoplastischen" Qualitäten verliert. Wenn die Zusammensetzung ein Vernetzungsmittel umfasst, wird die entwässerte Zusammensetzung tatsächlich eine vernetzte wärmehärtbare Zusammensetzung. Ein Produkt, wie zum Beispiel eine Vielzahl von Fasern aus solch einer nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung, weist in der Gesamtheit keinen Schmelzpunkt auf und hat in der Gesamtheit keine Schmelztemperatur (charakteristisch für thermoplastische Zusammensetzungen); stattdessen zersetzt sich das nichtthermoplastische Stärkeprodukt in der Gesamtheit, ohne jemals einen fließenden Zustand zu erreichen, wenn sich seine Temperatur zu einem bestimmten Grad erhöht („Zersetzungstemperatur"). Im Gegensatz dazu behält eine thermoplastische Zusammensetzung ihre thermoplastischen Qualitäten unabhängig von der Gegenwart und Abwesenheit von Wasser darin und kann ihren Schmelzpunkt („Schmelztemperatur”) erreichen und fließfähig werden, wenn ihre Temperatur steigt.
„Nichtthermoplastische Stärkefaser" ist eine Faser, die aus der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung hergestellt wird. In der Regel, jedoch nicht notwendigerweise, umfasst die nichtthermoplastische Stärkefaser eine dünne, schmale und flexible Struktur. Die nichtthermoplastische Stärkefaser weist keinen Schmelzpunkt auf und zersetzt sich, wenn die Temperatur steigt, ohne ei nen fließfähigen Zustand zu erreichen, d. h. den Zustand, in dem die Faser in der Gesamtheit schmilzt und fließt, so dass sie ihre „Faser"-Eigenschaften, wie Faserintegrität, Abmessungen (Durchmesser und Länge) usw., verliert. Der Ausdruck „in der Gesamtheit" in dem vorliegenden Kontext soll betonen, dass die Faser als ein integriertes Element (im Gegensatz zu ihren separaten chemischen Bestandteilen) betrachtet wird. Es sollte sich verstehen, dass bestimmte Mengen fließfähiger Substanzen, wie zum Beispiel Weichmacher, in den nichtthermoplastischen Fasern vorhanden sein können und ein gewisses „Fließen" aufweisen können. Dennoch würde die nichtthermoplastische Faser in der Gesamtheit ihre Fasereigenschaften nicht verlieren, selbst wenn einige ihrer Bestandteile fließen können.
Stärkefaser „mit feinem Durchmesser" ist eine nichtthermoplastische Stärkefaser mit einem durchschnittlichen äquivalenten Durchmesser von weniger als ungefähr 20 Mikrometer und spezieller weniger als ungefähr 10 Mikrometer.
„Äquivalenter Durchmesser" wird hierin verwendet, um eine Querschnittsfläche einer einzelnen nichtthermoplastischen Faser der vorliegenden Erfindung zu definieren, wobei die Querschnittsfläche senkrecht zu der Längsachse der Faser ist, unabhängig davon, ob diese Querschnittsfläche kreisförmig oder nicht kreisförmig ist. Eine Querschnittsfläche jeglicher geometrischer Form kann gemäß folgender Formel definiert werden: S = 1/4πD², worin S die Fläche jeglicher geometrischer Form ist, π = 3,14159 und D der aquivalente Durchmesser ist. Bei Verwendung eines hypothetischen Beispiels von einer Faser kann die Querschnittsfläche S von 0,005 Quadratmikrometern mit einer rechteckigen Form als eine äquivalente kreisförmige Fläche von 0,005 Quadratmikrometern ausgedrückt werden, wobei die kreisförmige Fläche einen Durchmesser „D" hat. Dann kann der Durchmesser D mit der folgenden Formel berechnet werden: S = 1/4πD², worin S die bekannte Fläche des Rechtecks ist. In dem vorstehenden Beispiel ist der Durchmesser D der äquivalente Durchmesser des hypothetischen rechteckigen Querschnitts. Natürlich ist der äquivalente Durchmesser der Faser mit einem kreisförmigen Querschnitt der reale Durchmesser dieses kreisförmigen Querschnitts. „Durchschnittlicher" Ääquivalenter Durchmesser ist ein äquivalenter Durchmesser, der als arithmetischer Durchschnitt des Durchmessers der tatsächlichen Faser, gemessen mit einem optischen Mikroskop an mindestens 3 Positionen der Faser entlang der Länge der Faser, berechnet wird.
„Modifizierte Stärke" ist eine Stärke, die chemisch oder enzymatisch modifiziert ist. Die modifizierte Stärke steht im Kontrast zu einer nativen Stärke, die eine Stärke ist, die nicht chemisch oder anderweitig modifiziert wurde.
„Polyfunktionelle chemische reaktive Vernetzungsmittel" sind chemische Substanzen, die zwei oder mehr chemische funktionelle Gruppen aufweisen, die in der Lage sind, mit funktionellen Hydroxy- oder Carboxygruppen von Stärke zu reagieren. Der Begriff „polyfunktionelle chemische reaktive Vernetzungsmittel" schließt difunktionelle chemische reaktive Mittel ein.
„Embryonische nichtthermoplastische Stärkefasern" oder einfach „embryonische Fasern" sind nichtthermoplastische Stärkefasern, die in der frühesten Phase ihrer Bildung hergestellt werden und die vorwiegend innerhalb einer Verdünnungszone existieren. Wenn die embryonischen Fasern gestreckt und danach entwässert werden, werden sie nichtthermoplastische Fasern der vorliegenden Erfindung. Da die embryonischen Fasern eine frühe Phase der resultierenden hergestellten nichtthermoplastischen Stärkefasern sind, werden für die Bequemlichkeit des Lesers die embryonischen Fasern und die nichtthermoplastischen Fasern mit derselben Bezugszahl 110 bezeichnet.
„Verdünnungszone" ist ein dreidimensionaler Raum, der von einer Fläche umrissen wird, die von einer Gesamtform einer Vielzahl von Extrusionsdüsen in der Draufsicht (3–6) gebildet wird und sich in einem Verdünnungsabstand Z (2 und 9) von den Düsenspitzen in einer generellen Richtung der Bewegung der hergestellten Fasern erstreckt. Der „Verdünnungsabstand" ist ein Abstand, der bei den Extrusionsdüsenspitzen beginnt und sich in einer generellen Richtung der Bewegung der hergestellten Fasern erstreckt, und innerhalb dieses Abstands können die hergestellten nichtthermoplastischen embryonischen Fasern gedampft werden, um die resultierenden nichtthermoplastischen Fasern mit individuellen durchschnittlichen äquivalenter Durchmessern von weniger als ungefähr 20 Mikrometern zu bilden.
„Verarbeitungstemperatur" bedeutet die Temperatur der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung, bei welcher Temperatur die nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden kann, um embryonische nichtthermoplastische Stärkefasern zu bilden. Die Verarbeitungstemperatur kann von 50°C bis 95°C betragen, wie bei den Extrusionsdüsenspitzen gemessen.
„Salzlösungsabsorptionsvermögen" einer Stärkeprobe ist ein Verhältnis von Gramm Salzlösung, die von einer Stärkeprobe pro Gramm Stärkeprobe absorbiert werden, wie in TESTVERFAHREN UND BEISPIELE nachstehend beschrieben.
„Scheinbare Spitzennasszugspannung" oder einfach „Nasszugspannung" ist eine Bedingung, die innerhalb einer nichtthermoplastischen Stärkefaser am Punkt ihrer maximalen (d. h. „Spitzen-")Spannung infolge von Dehnung durch externe Kräfte und spezieller Dehnungskräfte, wie in TESTVERFAHREN UND BEISPIELE nachstehend beschrieben, existieren. Die Spannung ist „scheinbar", da eine Änderung, falls vorhanden, im Faserdurchmesser infolge der Längung der Faser für die Zwecke des Tests nicht berücksichtigt wird. Die scheinbare Spitzermasszugspannung der nichtthermoplastischen Fasern ist proportional zu ihrer Nasszugfestigkeit und wird hierin verwendet, um Letztere quantitativ einzuschätzen.
Nichtthermoplastische Stärkefasern 110 (1, 7–9 und 10) der vorliegenden Erfindung können aus einer Zusammensetzung, die eine modifizierte Stärke und ein Vernetzungsmittel umfasst, hergestellt werden. Unter einem Gesichtspunkt kann die Zusammensetzung zu ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 75 Gew.-% modifizierte Stärke; zu ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-% ein Alde hyd-Vernetzungsmittel; und zu ungefähr 25 Gew.-% bis ungefähr 50 Gew.-% Wasser umfassen. Solch eine Zusammensetzung kann vorteilhafterweise eine Scherviskosität von ungefähr 1 Pascalsekunde (Pa·s) bis ungefähr 80 Pa·s, wie bei einer Schergeschwindigkeit von 3.000 s^–1 und bei der Verarbeitungstemperatur gemessen, haben. Spezieller kann die nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung hierin zu ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 75 Gew.-% die modifizierte Stärke umfassen. Die Zusammensetzung kann ferner eine scheinbare Dehnviskosität von ungefähr 150 Pa·s bis ungefähr 13.000 Pa·s haben, wie bei einer Dehnungsrate von ungefähr 90 s^–1 und der Verarbeitungstemperatur gemessen. Die Dehnviskosität und die Scherviskosität können gemäß den hierin beschriebenen TESTVERFAHREN gemessen werden.
Die Zusammensetzung kann ferner eine polykationische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus zweiwertigen oder dreiwertigen Metallionensalzen, natürlichen polykationischen Polymeren, synthetischen polykationischen Polymeren, und jede Kombination davon umfassen. Die polykationische Verbindung kann ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 15 Gew.-% ausmachen. Die Zusammensetzung kann ferner einen Säurekatalysator in der ausreichenden Menge zum Bilden eines pH-Werts der Zusammensetzung im Bereich von ungefähr 1,5 bis ungefähr 5,0, spezieller von ungefähr 2,0 bis ungefähr 3,0 und noch spezieller von ungefähr 2,2 bis ungefähr 2,6 umfassen. Die modifizierte Stärke, die die Zusammensetzung umfasst, kann eine mittlere Molmasse von mehr als ungefähr 100.000 (g/Mol) haben.
Eine natürliche Stärke kann chemisch oder enzymatisch modifiziert werden, wie in der Technik gut bekannt ist. Zum Beispiel kann die natürliche Stärke säurehydrolysiert, hydroxyethyliert oder hydroxypropyliert oder oxidiert werden. Obwohl potenziell alle Stärken hierin geeignet sind, kann die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise mit natürlichen Stärken mit hohem Amylopektingehalt durchgeführt werden, die von landwirtschaftlichen Quellen abgeleitet sind und die die Vorteile bieten, reichlich vorhanden, leicht nachzubeschaffen und kostengünstig zu sein. Chemische Modifikationen von Stärke schließen in der Regel Säure- oder Basenhydrolyse und oxidative Kettenspaltung zur Reduzierung des Molekulargewichts und der Molekulargewichtsverteilung ein. Zu geeigneten Verbindungen für chemische Modifikation von Stärke gehören organische Säuren, wie Citronensäure, Essigsäure, Glycolsäure und Adipinsäure; anorganische Säuren, wie Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Borsäure und Teilsalze von polybasischen Säuren, z. B. KH₂PO₄, NaHSO₄; Metallhydroxide der Gruppe Ia oder IIa, wie Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid; Ammoniak; Oxidationsmittel, wie Wasserstoffperoxid, Benzoylperoxid, Ammoniumpersulfat, Kaliumpermanganat, Hypochlorsalze und dergleichen; und Mischungen davon.
Chemische Modifikationen können auch Derivatisierung von Stärke durch Umsetzung ihrer OH-Gruppen mit Alkylenoxiden und andere ether-, ester-, urethane-, carbamate- oder isocyanatbildende Substanzen einschließen. Hydroxyalkyl-, Acetyl- oder Carbamatstärken oder Mischungen davon können als chemisch modifizierte Stärken verwendet werden. Der Substitutionsgrad der chemisch modifizierten Stärke liegt bei 0,05 bis 3,0 und spezieller bei 0,05 bis 0,2. Biologische Modifikationen von Stärke können bakteriellen Aufschluss der Kohlenhydratbindungen oder enzymatische Hydrolyse mittels Enzymen, wie Amylase, Amylopectase und dergleichen, einschließen.
Generell können alle Arten von natürlichen Stärken in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Geeignete natürlich vorkommende Stärken können, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, folgende einschließen: Maisstärke, Kartoffelstärke, Süßkartoffelstärke, Weizenstärke, Sagostärke, Tapiokastärke, Reisstärke, Sojabohnenstärke, Pfeilwurzstärke, Amiokastärke, Farnstärke, Lotusstärke, wachsige Maisstärke und Maisstärke mit hohem Amylosegehalt. Natürlich vorkommende Stärken, besonders Maisstärke und Weizenstärke, können aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer Verfügbarkeit besonders vorteilhaft sein.
Das Vernetzungsmittel, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, umfasst ein polyfunktionelles chemisches reaktives Mittel, das in der Lage ist, mit funktionellen Hydroxygruppen oder funktionellen Carboxygruppen der modifizierten Stärke zu reagieren. Vernetzungsmittel, die in der Papierindustrie verwendet werden, um Holzfaserstofffasern zu vernetzen, werden generell als „nassfeste Harze" bezeichnet. Diese nassfesten Harze können auch bei der Vernetzung stärkebasierter Materialien geeignet sein. Eine generelle Abhandlung über die Arten von nassfesten Harzen, die im Fachgebiet der Papierherstellung verwendet werden, ist in TAPPI-Monograph-Serie Nr. 29, Wet Strength in Paper and Paperboard, Technical Association of the Pulp and Paper Industry (New York, 1965) zu finden, die für den Zweck des Beschreiben der Arten von nassfesten Harzen, die in der Papierindustrie verwendet werden, durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist. Polyamidepichlorhydrinharze sind kationische nassfeste Polyamidaminepichlorhydrinharze, die sich als besonders geeignet erwiesen haben. Geeignete Arten solcher Harze sind in den US-Patenten Nr. 3,700,623 , erteilt am 24. Oktober 1972, und 3,772,076 , erteilt am 13. November 1973, beide erteilt an Keim und beide hiermit für den Zweck des Beschreiben von Arten der nassfesten Harze, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, durch Bezugnahme hierin eingeschlossen, beschrieben. Eine gewerbliche Quelle eines geeigneten Polyamidepichlorhydrinharzes ist Hercules Inc., Wilmington, Delaware, USA, das solche Harze unter der Bezeichnung Kymene^® vermarktet.
Glyoxylierte Polyacrylamidharze haben sich auch als geeignet für die Verwendung als nassfeste Harze herausgestellt. Diese Harze sind in den US-Patenten Nr. 3,556,932 , erteilt am 19. Januar 1971 an Coscia et al., und 3,556,933 , erteilt am 19. Januar 1971 an Williams et al., beschrieben, wobei beide Patente für den Zweck des Beschreiben von Arten der nassfesten Harze, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, durch Bezugnahme hierin eingeschlossen sind. Eine gewerbliche Quelle für glyoxylierte Polyacrylamidharze ist Cytec Co. aus Stanford, CT, USA, das ein solches Harz unter der Bezeichnung Parez^® 631NC vermarktet.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Zugabe geeigneten Vernetzungsmittels, wie Parez^® 631NC, zu der Stärkezusammensetzung der vorliegenden Erfindung unter saurer Bedingung die nichtthermoplastischen Stärkefasern, die aus der nicht thermoplastischen Stärkezusammensetzung hergestellt werden, eine erhebliche Nasszugfestigkeit haben, die durch Testen der scheinbaren Spitzennasszugspannung der Fasern, wie nachstehend beschrieben, eingeschätzt werden kann. Demzufolge haben Produkte, wie zum Beispiel Faserbahnen, die für Verbraucher-Einwegartikel geeignet sind, die mit den nichtthermoplastischen Stärkefasern der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, ebenfalls eine erhebliche scheinbare Spitzennasszugspannung.
Andere wasserlösliche Harze, die in dieser Erfindung Anwendung finden, können Formaldehyd, Glyoxal, Glutaraldehyd, Harnstoff-Glyoxalharz, Harnstoff-Formaldehydharz, Melamin-Formaldehydharz, methyliertes Ethylenharnstoff-Glyoxalharz und andere glyoxalbasierte Harze und jegliche Kombination davon einschließen. Harze des Polyethylenimintyps können bei der vorliegenden Erfindung auch Verwendung finden. Zudem können temporär nassfeste Harze wie Caldas^® 10 (hergestellt von Japan Carlit) und CoBond^® 1000 (hergestellt von National Starch and Chemical Company) in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Noch andere Vernetzungsmittel, die in dieser Erfindung Anwendung finden, schließen Divinylsulfon, Anhydrid enthaltende Copolymere, wie Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymere, Dichloraceton, Dimethylolharnstoff, Diepoxide, wie Bisepoxybutan oder Bis(glycidylether), Epichlorhydrin und Diisocyanate ein.
Zusätzlich zu Vernetzungsmitteln, die kovalent mit funktionellen Hydroxy- und Carboxygruppen von Stärke reagieren, sind zweiwertige und dreiwertige Metallionen zur Vernetzung von Stärke durch die Bildung von Metallionenkomplexen mit funktionellen Carboxygruppen an Stärke in der vorliegenden Erfindung geeignet. Insbesondere können oxidierte Stärken, die erhöhte Anteile von funktionellen Carboxygruppen aufweisen, gut mit zweiwertigen und dreiwertigen Metallionen vernetzt werden. Zusätzlich zu polykationischen Metallionen sind auch polykationische Polymere von entweder natürlichen oder synthetischen Quellen für die Vernetzung von Stärke durch Bildung von Ionenpaarkomplexen mit funktionellen Carboxygruppen an Stärke geeignet, um unlösliche Komplexe, die in der Regel als „Koazervate" be zeichnet werden, zu bilden. Metallionenvernetzung hat sich bei der Verwendung in Kombination mit kovalenten Vernetzungsreagenzien als besonders effektiv erwiesen. Für die vorliegende Erfindung kann ein geeignetes Vernetzungsmittel in Mengen im Bereich von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-%, typischer von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 3 Gew.-% zu der Zusammensetzung zugegeben werden.
Natürliche, unmodifizierte Stärke hat generell eine sehr hohe mittlere Molmasse und eine breite Molekulargewichtsverteilung, z. B. hat natürliche Maisstärke eine mittlere Molmasse von mehr als ungefähr 40.000.000 g/Mol. Deshalb hat natürliche, unmodifizierte Stärke nicht die naturgemäßen rheologischen Eigenschaften, die zum Gebrauch in Lösungsspinnverfahren hoher Geschwindigkeit, wie Schmelzspinn- oder Schmelzblas-Verfahren für Vliesstoffe, die in der Lage sind, Fasern mit feinem Durchmesser zu erzeugen, geeignet sind. Diese kleinen Durchmesser sind sehr vorteilhaft beim Erzielen ausreichender Weichheit und Trübung für das Endprodukt – wichtige funktionelle Eigenschaften für eine Vielfalt von Verbraucher-Einwegprodukten, wie zum Beispiel, Toilettenpapier, Tüchern, Windeln, Servietten und Einweghandtüchern.
Um die erforderlichen rheologischen Eigenschaften für Spinnverfahren hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, muss das Molekulargewicht der natürlichen, unmodifizierten Stärke reduziert werden. Das optimale Molekulargewicht hängt von der Art der verwendeten Stärke ab. Zum Beispiel verteilt sich eine Stärke mit einem geringen Anteil an Amylosebestandteil, wie eine wachsartige Maisstärke, in einer wässrigen Lösung bei Anwendung von Wärme leichter und erführt keine erhebliche Konsistenzerhöhung oder Rekristallisierung. Mit diesen Eigenschaften kann eine wachsartige Maisstärke bei einer relativ hohen mittlere Molmasse verwendet werden, zum Beispiel im Bereich von 500.000 g/Mol bis 5.000.000 g/Mol. Modifizierte Stärken, wie hydroxyethylierte Zahnmaisstärke, die ungefähr 25% Amylose enthält, oder oxidierte Zahnmaisstärke, neigen mehr als wachsartige Maisstärke, aber weniger als säurehydrolysierte Stärke zu Konsistenzerhöhung. Diese Konsistenzerhöhung, oder Rekristallisierung, wirkt als physikalische Vernetzung, um die mittlere Molmasse der Stärke in wässriger Lösung effektiv anzuheben. Deshalb ist eine angemessene mittlere Molmasse für hydroxyethylierte Zahnmaisstärke oder oxidierte Zahnmaisstärke von ungefähr 200.000 g/Mol bis ungefähr 1.000.000 g/Mol. Für säurehydrolysierte Zahnmaisstärke, die mehr als oxidierte Zahnmaisstärke zu Konsistenzerhöhung neigt, ist die angemessene mittlere Molmasse von ungefähr 100.000 g/Mol bis ungefähr 500.000 g/Mol.
Das durchschnittliche Molekulargewicht von Stärke kann durch Kettenspaltung (oxidativ oder enzymatisch), 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 insofern einen zusätzlichen Vorteil, als sie in der Lage sind, an Ort und Stelle des Schmelzspinnverfahrens ausgeführt zu werden. Es wird angenommen, dass die nichtthermoplastischen Fasern der vorliegenden Erfindung zu ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 99,5 Gew.-% modifizierte Stärke enthalten können.
Die natürliche Stärke kann in Gegenwart eines Säurekatalysators hydrolysiert werden, um das Molekulargewicht und die Molekulargewichtsverteilung der Zusammensetzung zu reduzieren. Der Säurekatalysator kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Citronensäure und jeder Kombination davon. Außerdem kann ein Kettenspaltungsmittel in eine verspinnbare Stärkezusammensetzung einbezogen werden, so dass die Kettenspaltungsreaktion im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Mischen der Stärke mit anderen Bestandteilen stattfindet. Nicht einschränkende Beispiele für oxidative Kettenspaltungsmittel, die zum diesbezüglichen Gebrauch geeignet sind, schließen Ammoniumpersulfat, Wasserstoffperoxid, Hypochloritsalze, Kaliumpermanganat und Mischungen davon ein. In der Regel wird das Kettenspaltungs mittel in einer wirksamen Menge zum Reduzieren der mittleren Molmasse s der Stärke auf den wünschenswerten Bereich zugegeben. Es hat sich gezeigt, dass Zusammensetzungen, bei denen modifizierte Stärken in den geeigneten Bereichen mittlerer Molmasse liegen, geeignete Scherviskositäten aufweisen und so die Verarbeitbarkeit der Zusammensetzung verbessern. Die verbesserte Verarbeitbarkeit ist in weniger Unterbrechungen des Verfahrens (z. B. reduziertem Zerbrechen, Schrot, Defekten, Maschinenstopps) und besserem Oberflächenerscheinungsbild und besseren Festigkeitseigenschaften des Endprodukts, wie Fasern der vorliegenden Erfindung, erkennbar.
Das zweiwertige oder dreiwertige Metallionensalz kann irgendein wasserlösliches zweiwertiges oder dreiwertiges Metallionensalz umfassen und kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Calciumchlorid, Calciumnitrat, Magnesiumchlorid, Magnesiumnitrat, Eisen(III)-chlorid, Eisen(II)-chlorid, Zinkchlorid, Zinknitrat, Aluminiumsulfat, Ammonium-Zirconium-Carbonat und jeglicher Kombination davon. Das polykationische Polymer kann jegliches wasserlösliche polykationische Polymer umfassen, wie zum Beispiel Polyethylenimin, quaternisiertes Polyacrylamidpolymer, wie Cypro^® 514, hergestellt von Cytec Industries, Inc, West Patterson, N. J., USA, oder natürliche polykationische Polymere, wie Chitosan, und jede Kombination davon.
Erfindungsgemäß haben die nichtthermoplastischen Stärkefasern eine Nasszugspannung von mehr als ungefähr 0,2 Megapascal (MPa), spezieller von mehr als ungefähr 0,5 MPa, noch spezieller von mehr als ungefähr 1,0 MPa und noch spezieller von mehr als ungefähr 2,0 MPa und noch spezieller von mehr als ungefähr 3,0 MPa. In einigen Ausführungsformen können die nichtthermoplastischen Starkefasern eine Nasszugspannung von mehr als ungefähr 3,0 MPa haben. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, nehmen wir an, dass die Erzeugung von Nasszugfestigkeit in den nichtthermoplastischen Stärkefasern der vorliegenden Erfindung durch Reduzieren der mittleren Molmasse s der Stärke, um die Herstellung einer nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung zu ermöglichen, die angemessene rheologische Eigenschaften für Hochgeschwindigkeitslösungsspinnen von nichtthermoplastischen Stärkefasern mit feinem Durchmesser ermöglicht, gefolgt von Vernetzung der Stärke in den gebildeten Fasern, erreicht werden kann. Vernetzung erhöht das Molekulargewicht der Stärke in den gebildeten Fasern, wodurch die Wasserunlöslichkeit der Fasern erleichtert wird, was wiederum zu einer hohen Nasszugfestigkeit der resultierenden nichtthermoplastischen Stärkefasern führt.
Dehnviskosität (η_e) betrifft die Dehnbarkeit der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung und kann für Dehnverfahren, wie der Faserherstellung, besonders wichtig sein. Die Dehnviskosität schließt drei Arten von Verformung ein: uniaxiale oder einfache Dehnviskosität, biaxiale Dehnviskosität und reine Scherungsdehnviskosität. Die uniaxiale Dehnviskosität ist für uniaxiale Dehnverfahren, wie Fasererspinnung, Schmelzblasen und Schmelzspinnen, wichtig.
Das Trouton-Verhältnis (Tr) kann verwendet werden, um das Dehnungsströmungsverhalten der Stärkezusammensetzung der vorliegenden Erfindung auszudrücken. Das Trouton-Verhältnis ist als das Verhältnis zwischen der Dehnviskosität (η_e) und der Scherviskosität (η_s) definiert, Tr = ηe(ε•, t)/ηs wobei die Dehnviskosität η_e von der Verformungsgeschwindigkeit (ε^•) und der Zeit (t) abhängt. Für ein Newtonsches Fluid hat das Trouton-Verhältnis der uniaxialen Dehnung einen konstanten Wert von 3. Für ein nichtnewtonsches Fluid, wie die Stärkezusammensetzungen hierin, ist die Dehnviskosität von der Verformungsrate (ε^•) und der Zeit (t) abhängig. Es wurde auch herausgefunden, dass verarbeitbare Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung in der Regel ein Trouton-Verhältnis von mindestens ungefähr 3 haben. Das Trouton-Verhältnis kann im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 1.000, speziell von ungefähr 30 bis ungefähr 300 und spezieller von ungefähr 50 bis ungefähr 200 liegen, wenn bei der Verarbeitungstemperatur und einer Dehnungsrate von 90 s^–1 gemessen wird.
Die nichtthermoplastischen Fasern der vorliegenden Erfindung können in einer Reihe von Verbraucher-Einwegartikeln Anwendung finden, wie Vliesstoffen, die für Bahn für Zellstoffqualität von Papier geeignet sind, wie jene, die bei der Herstellung von Toilettenpapier, Papiertüchern, Servietten und Gesichtstüchern, Windeln, Damenhygieneartikeln und Inkontinenzartikeln und dergleichen verwendet werden. Außerdem können diese Fasern in Filtern für Luft, Öl und Wasser, Staubsaugerfiltern, Ofenfiltern, Gesichtsmasken, Kaffeefiltern, Tee- oder Kaffeebeuteln, Wärmeisolierungsmaterialien und Schallisolierungsmaterialien, biologisch abbaubaren Textilstoffen für verbesserte Feuchtigkeitsabsorption und Weichheit beim Tragen, wie Mikrofaser- oder atmungsaktiven Stoffen, einer elektrostatisch geladenen, strukturierten Bahn zum Sammeln und Entfernen von Staub, Verstärkungen und Bahnen für harte Papiersorten, wie Packpapier, Schreibpapier, Zeitungspapier, Wellpappe, medizinischen Anwendungen, wie chirurgischen Tüchern, Wundkompressen, Verbänden, Hautpflastern und selbstauflösenden Fäden; und dentalen Anwendungen, wie Zahnseide und Zahnbürstenborsten, verwendet werden. Die nichtthermoplastischen Stärkefasern oder daraus hergestellten 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, Trockenwände und Träger und Deckenplatten verwendet werden können; andere medizinische Anwendungen, wie Gipse, Schienen und Zungenspatel; und in Kaminholzscheite für Dekorations- und/oder Verbrennungszwecke.
Ein Herstellungsverfahren für nichtthermoplastische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte.
Zuerst wird eine nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung, die von ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 75 Gew.-% modifizierte Stärke und von ungefähr 25 Gew.-% bis ungefähr 50 Gew.-% Wasser umfasst, bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen können vor dem Schritt des Bereitstellens der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung die Schritte des Zubereiten der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung erfolgen.
Nun Bezug nehmend auf 1–9, können die nichtthermoplastischen Fasern 110 der vorliegenden Erfindung mit einem Verfahren hergestellt werden, das die Schritte des Extrudierens der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung durch eine Vielzahl von Düsen 200 benutzt, wobei eine Vielzahl von embryonischen Fasern gebildet werden; des Streckens der embryonischen Fasern mit Verdünnungs-Luft hoher Geschwindigkeit (eine Richtung der Verdünnungs-Luft ist schematisch durch die Pfeile C in 2 angegeben), so dass die resultierenden nichtthermoplastischen Fasern 110 durchschnittliche einzelne äquivalente Durchmesser von weniger als ungefähr 20 Mikrometern haben, und des Entwässerns der Fasern 110 auf eine Konsistenz von ungefähr 70 Gew.-% bis ungefähr 99 Gew.-% umfasst. Erfindungsgemäß können die Fasern einzelne durchschnittliche aquivalente Durchmesser von weniger als ungefähr 20 Mikrometern, spezieller weniger als ungefähr 10 Mikrometern und noch spezieller weniger als ungefähr 6 Mikrometern haben.
Erfindungsgemäß umfassen die resultierenden einzelnen nichtthermoplastischen Fasern 110 von ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 99,5 Gew.-% modifizierte (wie zum Beispiel oxidierte) Stärke und haben in der Gesamtheit keinen Schmelzpunkt, wie vorstehend ausführlich beschrieben.
Für die Zwecke des Herstellen der nichtthermoplastischen Fasern mit feinem Durchmesser 110 der vorliegenden Erfindung erfolgt die gewünschte Dämpfung vorteilhafterweise, wenn die Zusammensetzung eine geeignete Scherviskosität im Bereich von ungefähr 1 Pascalsekunde (Pa·s) bis ungefähr 80 Pa·s, spezieller von ungefähr 3 Pa·s bis ungefähr 30 Pa·s und noch spezieller von ungefähr 5 bis ungefähr 20 Pa·s aufweist, wie bei der Verarbeitungstemperatur und Schergeschwindigkeit von 3.000 s^–1 gemessen. Ein Schritt des Haltens der geeigneten Scherviskosität in dem geeigneten Bereich kann vorteilhafterweise durch Befeuchten der Verdün nungszone und/oder mindestens teilweise Isolieren der Verdünnungszone von der Umgebung ergänzt werden. Es ist vorteilhaft, die Verdünnungs-Luft mit einer relativen Feuchtigkeit von mehr als ungefähr 50% bereitzustellen, so dass die relative Feuchtigkeit der Luft in der Verdünnungszone größer als ungefähr 50%, speziell größer als ungefähr 60% und spezieller größer als ungefähr 70% sein kann, wie an den Extrusionsdüsenspitzen gemäß einem nachstehend beschriebenen Verfahren gemessen.
Ein Mittel zum Halten einer gewünschten Feuchtigkeit in der Verdünnungszone kann zum Beispiel das Bereitstellen einer Umschließung der Verdünnungszone einschließen. In 7 wird die Verdünnungszone mindestens teilweise von Wänden 400 umschlossen. Alternativ oder zusätzlich kann die Verdünnungszone mindestens teilweise durch Begrenzungsluft (Pfeile D in 8) isoliert werden, die um die Verdünnungszone herum bereitgestellt werden kann. Die Begrenzungsluft kann durch eine Vielzahl separater Öffnungen 300 (4) oder Schlitze (5), die die Vielzahl von Düsen 200 umgeben, wie in der Draufsicht betrachtet, zugeführt werden. In 6 wird die Begrenzungsluft durch kontinuierliche Schlitze 320, die einen äußeren Umfang der Verdünnungszone umreißen, zugeführt. Andere Mittel des Haltens einer gewünschten Feuchtigkeit in der Verdünnungszone können das Bereitstellen von Dampf oder das Sprühen von Wasser in die Verdünnungszone einschließen (nicht dargestellt). Die Begrenzungsluft kann extern, d. h. unabhängig von der Düse (nicht dargestellt), oder als Alternative oder zusätzlich intern, d. h. durch die Düse (4–6) zugeführt werden. Vorteilhafterweise kann die Begrenzungsluft auf eine relative Feuchtigkeit von mehr als ungefähr 50% angefeuchtet werden. Eine Geschwindigkeit der Begrenzungsluft kann im Wesentlichen gleich der Geschwindigkeit der Verdünnungs-Luft sein.
Es wird angenommen, dass in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung der Verdünnungsabstand Z kleiner als ungefähr 250 Millimeter (ungefähr 10 Zoll), spezieller kleiner als ungefähr 150 Millimeter (ungefähr 6 Zoll) und noch spe zieller kleiner als 100 Millimeter (ungefähr 4 Zoll) sein kann. Ein Fachmann versteht, dass aufgrund der Natur des Verfahrens die genauen Abmessungen des Verdünnungsabstands möglicherweise nicht ohne weiteres bestimmbar sind. Außerdem kann eine Rate der Dämpfung der Fasern innerhalb der Verdünnungszone variieren, z. B. wird angenommen, dass die Verdünnungsrate zum Ende der Verdünnungszone hin allmählich abnimmt.
Für die Zwecke der Herstellung einer Faserbahn können die Vielzahl von Extrusionsdüsen 200 vorteilhafterweise in einer Vielzahl von Reihen angeordnet sein, wie es am besten in 3–6 gezeigt wird. Die Verdünnungs-Luft kann durch eine Vielzahl separater kreisförmiger Öffnungen 250, die die Extrusionsdüsen 200, 3, umgeben, zugeführt werden. Prinzipiell ist eine solche Anordnung in US-Patent Nr. 5,476,616 , erteilt am 19. Dez. 1995, und US-Patent Nr. 6,013,223 , erteilt im Jan. 2000, beide an Schwarz, beschrieben, wobei für den Zweck des Zeigens einer Anordnung der Vorrichtung, die eine Vielzahl von Reihen einzelner Extrusionsdüsen umfasst, die jeweils von einer kreisförmigen Luftöffnung umgeben sind, diese Patente durch Bezugnahme hierin eingeschlossen sind. Beide der Patente von Schwarz betreffen die Verarbeitung thermoplastischer Materialien. Es hat sich gezeigt, dass zum Bilden der nichtthermoplastischen Fasern der vorliegenden Erfindung die Verdünnungs-Luft eine durchschnittliche Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 30 m/s, spezieller von ungefähr 30 m/s bis ungefähr 500 m/s haben kann, wie an den Düsenspitzen gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren gemessen. Ein Fachmann erkennt, dass eine speziell gestaltete (wie konvergierende-divergierende) Düsengeometrie erforderlich sein kann, um Überschallgeschwindigkeit zu erreichen.
Der Schritt des Entwässerns der gebildeten nichtthermoplastischen Fasern kann durch Bereitstellen heißer Trocknungsluft 109 nach der Verdünnungszone, die von Trocknungsdüsen 112 (9) zugeführt wird, erfolgen, wobei die Trocknungsluft eine Temperatur von ungefähr 150°C bis ungefähr 480°C und speziel ler von ungefähr 200°C bis ungefähr 320°C und eine relative Feuchtigkeit von weniger als ungefähr 10% aufweist.
In einigen Ausführungsformen kann vorteilhafterweise sekundäre Verdünnungs-Luft (Pfeile C1 in 9) bereitgestellt werden, zum Beispiel stromabwärts der Verdünnungs-Luft. Die sekundäre Verdünnungs-Luft legt zusätzliche längs verlaufende Kraft an die Fasern an, wodurch die hergestellten Fasern weiter gedämpft werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese sekundäre Kraft, während die sekundäre Verdünnungs-Luft nach der Verdünnungszone mit den Fasern in Kontakt kommen kann, vorwiegend jene Abschnitte der embryonischen Fasern betrifft, die noch in der Verdünnungszone sind. Die sekundäre Verdünnungs-Luft kann eine Temperatur von ungefähr 20°C bis ungefähr 480°C und spezieller von ungefähr 70°C bis ungefähr 320°C haben. Eine Geschwindigkeit der sekundären Verdünnungs-Luft kann von ungefähr 30 m/s bis ungefähr 500 m/s und spezieller von ungefähr 50 m/s bis ungefähr 350 m/s betragen, gemessen am Auslass der sekundären Verdünnungs-Luftdüse bei einem minimalen Abstand (von ungefähr 3 mm) von der Spitze eines Auslasses der sekundären Verdünnungs-Luftdüse 700, 9. Die sekundäre Verdünnungs-Luft kann trockene Luft oder als Alternative angefeuchtete Luft sein.
Falls gewünscht kann die sekundäre Verdünnungs-Luft an einer Vielzahl von Positionen nach den Extrusionsdüsen angelegt werden. Zum Beispiel umfasst in 9 die sekundäre Verdünnungs-Luft Luft C1, die durch den Auslass der sekundären Verdünnungs-Luftdüse 700 zugeführt wird, und Luft C2, die durch einen Auslass der sekundären Verdünnungs-Luftdüse 710 nach der Luft C1 zugeführt wird. Die sekundäre Verdünnungs-Luft kann in einem Winkel von weniger als 60 Grad und spezieller von ungefähr 5 bis ungefähr 45 Grad relativ zur allgemeinen Richtung der gebildeten Fasern angelegt werden.
Die resultierenden nichtthermoplastischen Stärkefasern können auf einer Arbeitsfläche oder einer Sammelvorrichtung 111 (1), wie zum Beispiel einem Siebband, für weitere Verarbeitung gesammelt werden.
Testverfahren und Beispiele
(A) Scheinbare Spitzennasszugspannung
Der folgende Test wurde zum Messen der scheinbaren Spitzennasszugspannung einer Stärkefaser während der ersten Minuten des Befeuchtens der Faser gestaltet – um die tatsächlichen Erwartungen eines Verbrauchers hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften des Endprodukts, wie zum Beispiel Toilettenpapier, während seines Gebrauchs widerzuspiegeln.
(A)(1) Ausrüstung:

• Sunbeam^®-Ultraschallbefeuchter, Modell 696-12, hergestellt von Sunbeam Household Products Co., McMinnville, TN, USA. Der Befeuchter hat einen An/Aus-Schalter und wird bei Raumtemperatur betrieben. Ein Gummischlauch mit 69 cm (27 Zoll) Länge und 1,59 cm (0,625'') Außendurchmesser, 0,64 cm (0,25'') Innendurchmesser wurde an einen Auslass angeschlossen. Bei korrektem Betrieb gibt der Befeuchter zwischen 0,54 und 0,66 Gramm Wasser pro Minute als Nebel aus.

Die Geschwindigkeit der Wassertröpfchen und der Durchmesser der Wassertröpfchen des Nebels, der von dem Befeuchter erzeugt wird, können mit photogrammetrischen Verfahren gemessen werden. Bilder können mit einer Digitalkamera von Nikon^®, Modell D1, Japan, mit 3 Megapixeln, ausgestattet mit einem 37 mm großen Kupplungsring, einem Balgen Nikon^® PB-6 und einer Linse Nikon^® Autofocus AF Micro Nikkor^® 200 mm 1:4 D aufgenommen werden. Jeder Pixel hatte die Abmessung von ungefähr 3,5 Mikrometer unter Annahme eines Quadratpixels. Bilder können im Schattenmodus mit Nano Twin Flash (High-Speed Photo-Systeme, Wedel, Deutschland) gemacht werden. Jede Anzahl von im Handel erhältlichen Bildverarbeitungspaketen kann zum Verarbeiten der Bilder verwendet werden. Die Zeit zwischen den zwei Blitzen dieses Systems wird auf 5, 10 und 20 Mikrosekunden eingestellt. Der Abstand, den sich die Was sertröpfchen zwischen den Blitzen bewegen, wird zum Berechnen der Tröpfchengeschwindigkeit verwendet.
Es hat sich gezeigt, dass die Wassertröpfchen einen Durchmesser von ungefähr 12 Mikrometer bis ungefähr 25 Mikrometer hatten. Es wurde berechnet, dass die Geschwindigkeit der Wassertröpfchen bei einem Abstand von ungefähr (25 ± 5) mm vom Auslass des flexiblen Schlauchs ungefähr 27 Meter pro Sekunde (m/s) und im Bereich von ungefähr 15 m/s bis ungefähr 50 m/s war. Beim Auftreffen des Nebelstroms auf Raumluft verlangsamt sich die Geschwindigkeit der Wassertröpfchen mit steigendem Abstand vom Schlauchauslass aufgrund von Einziehkräften.
Der flexible Schlauch wird so positioniert, dass der Nebelstrom die Faser vollständig umgibt, wodurch die Faser gründlich benetzt wird. Um zu gewährleisten, dass die Faser nicht vom Nebelstrom beschädigt oder zerbrochen wird, wird der Abstand zwischen dem Auslass des flexiblen Schlauchs und der Faser eingestellt, bis der Nebelstrom bei oder kurz hinter der Faser abreißt.

• Filamentdehnungsrheometer Filament Stretching Rheometer (FSR) mit 1-Pond-Aufnehmer, Modell 405A, hergestellt von Aurora Scientific Inc., Aurora, Ontario, Canada, ausgestattet mit kleinem Metallhaken. Die Anfangseinstellungen des Instruments sind:

Anfangsabstand = 0,1 cm	Verformungsgeschwindigkeit = 0,1 s^–1
Hencky-Verformungsgrenze = 4	Datenpunkte pro Sekunde = 25
Nachbewegungszeit = 0

FSR basiert auf einer Gestaltung, die der ähnlich ist, die in einem Artikel mit dem Titel „A Filament Stretching Device For Measurement Of Extensional Viscosity", veröffentlicht von J. Rheology 37 (6), 1993, Seiten 1081–1102 (Tirtaatmadja and Sridhar), durch Bezugnahme hierin eingeschlossen, beschrieben ist, mit den folgenden Modifikationen:

(a) FSR ist so ausgerichtet, dass sich die zwei Endplatten in einer vertikalen Richtung bewegen können.
(b) FSR umfasst zwei unabhängige lineare Kugelschrauben-Betätigungselemente, Modell PAG001 (hergestellt von Industrial Device Corp., Petaluma, CA, USA), wobei jedes Betätigungselement von einem Schrittmotor angetrieben wird (zum Beispiel Zeta^® 83–135, hergestellt von Parker Hannifin Corp., Compumotor Division, Rohnert Park, CA, USA). Einer der Motoren kann mit einem Kodiergerät ausgestattet sein (zum Beispiel Modell E1510000865, hergestellt von Dynapar Brand, Danaher Controls, Gurnee, IL, USA), um die Position des Betätigungselements zu verfolgen. Die zwei Betätigungselemente können so programmiert sein, dass sie sich über gleiche Abstände in gleichen Geschwindigkeiten in entgegengesetzten Richtungen bewegen.
(c) Der maximale Abstand zwischen den Endplatten ist ungefähr 813 mm (ungefähr 32 Zoll).

Ein Breitband-Einkanal-Signalkonditionierungsmodul, Modell 5B41-06, hergestellt von Analog Devices Co., Norwood, MA, USA, kann verwendet werden, um das Signal aus dem Kraftaufnehmer, Modell 405A, hergestellt von Aurora Scientific Inc., Aurora, Ontario, Canada, zu konditionieren.
(B) Beispiel(e) für nichtthermoplastische Fasern, Verfahren zum Herstellen Selbiger und Testverfahren zum Messen von scheinbarer Spitzennasszugspannung, Scherviskosität und Dehnviskosität
(B)(1) Verfahren zum Herstellen nichtthermoplastischer Stärkefasern
Fasern wurden mittels einer kleinen Vorrichtung gebildet, von der eine schematische Darstellung in 1 gezeigt wird. Bezugnehmend auf 1 bestand die Vorrichtung 100 aus einem volumetrischen Speiser 101 mit der Fähigkeit, mindestens 12 Gramm pro Minute (g/min) an Stärkezusammensetzung an einen 18-mm-Gleich drall-Doppelschneckenextruder 102, hergestellt von American Leistritz Extruder Co., New Jersey, USA, bereitzustellen. Die Temperatur der Extruderzylindersegmente wird von Heizschlangen und Wassermänteln (nicht dargestellt) gesteuert, um angemessene Temperaturen zum Destrukturieren der Stärke mit Wasser bereitzustellen. Trockenes Stärkepulver wurde in einen Trichter 113 gegeben, und entionisiertes Wasser wurde an einem Anschluss 114 zugegeben.
Die verwendete Pumpe 103 war eine Zenith^®, Typ PEP II, mit einer Kapazität von 0,6 Kubikzentimetern pro Umdrehung (cm³/U), hergestellt von Parker Hannifin Corporation, Zenith Pumps Division, Sanford, NC, USA. Die Stärkeströmung zu einer Düse 104 wurde durch Einstellen der Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) der Pumpe 103 gesteuert. Rohrleitungen, die den Extruder 102, die Pumpe 103, den Mischer 116 und die Düse 104 verbanden, wurden elektrisch beheizt und thermostatisch gesteuert, um bei ungefähr 90°C gehalten zu werden.
Die Düse 104 hatte eine Vielzahl von Reihen von kreisförmigen Extrusionsdüsen, die mit einem Abstand P (2) von ungefähr 1,524 Millimeter (ungefähr 0,060 Zoll) voneinander entfernt waren. Die Düsen hatten einzelne Innendurchmesser D2 von ungefähr 0,305 Millimetern (ungefähr 0,012 Zoll) und einzelne Außendurchmesser (D1) von ungefähr 0,813 Millimetern (ungefähr 0,032 Zoll). Jede einzelne Düse wurde von einer ringförmigen und divergent aufweitenden Öffnung 250 umgeben, die in einer Platte 260 (2) mit einer Dicke von ungefähr 1,9 Millimeter (ungefähr 0,075 Zoll) gebildet wurde. Ein Muster aus einer Vielzahl der divergent aufweitenden Öffnungen 250 in der Platte 260 entsprach einem Muster von Extrusionsdüsen 200. Die Öffnungen 250 hatten einen größeren Durchmesser D4 (2) von ungefähr 1,372 Millimeter (ungefähr 0,054 Zoll) und einen kleineren Durchmesser D3 von 1,17 Millimeter (ungefähr 0,046 Zoll) für Verdünnungs-Luft. Die Platte 260 war so angebracht, dass die embryonischen Fasern 110, die durch die Düsen 200 extrudiert wurden, von generell zylindrischen, angefeuchteten Luftströmen, die durch die Öffnungen 250 zugeführt wurden, umgeben und gestreckt wurden. Die Düsen können sich zu einem Abstand von ungefähr 1,5 mm bis ungefähr 4 mm und spezieller von ungefähr 2 mm bis ungefähr 3 mm über eine Oberfläche 261 der Platte 260 (2) hinaus erstrecken. Mehrere Begrenzungsluftöffnungen 300 (4) wurden durch Anschließen von Düsen an zwei äußere Reihen an jeder Seite der Vielzahl von Düsen, wie in der Draufsicht betrachtet, gebildet, so dass jede der Grenzschichtöffnungen eine vorstehend beschriebene ringförmige Öffnung 250 umfasste.
Verdünnungs-Luft kann durch Erwärmen von Druckluft aus einer Quelle 106 durch einen Widerstandsheizer 108, zum Beispiel einen von Chromalox, Unternehmensgruppe von Emerson Electric, Pittsburgh, PA, USA, hergestellten Heizer, bereitgestellt werden. Eine angemessene Menge an Dampf 105 bei einem absoluten Druck von ungefähr 240 bis ungefähr 420 Kilopascal (kPa), gesteuert von einem Kugelventil (nicht dargestellt), wurde hinzugefügt, um die erwärmte Luft bei den Bedingungen in der elektrisch beheizten, thermostatisch gesteuerten Zuführleitung 115 zu sättigen oder nahezu zu sättigen. Kondensat wurde in einem elektrisch beheizten, thermostatisch gesteuerten Abscheider 107 entfernt. Die Verdünnungs-Luft hatte einen absoluten Druck von ungefähr 130 kPa bis ungefähr 310 kPa, gemessen in der Rohrleitung 115.
Eine Vernetzungslösung, die ein Vernetzungsmittel, wie zum Beispiel Parez^® 490, und einen Säurekatalysator umfasst, kann entkoppelt hergestellt und durch eine Rohrleitung 116 einem statischen Mischer 117, wie zum Beispiel einem statischen Mischer in der Art des SMX, hergestellt von Koch Chemical Corporation, Witchita, Kansas, USA, zugeführt werden.
Die extrudierten nichtthermoplastischen embryonischen Fasern 110 hatten einen Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr 25 Gew.-% bis ungefähr 50 Gew.-%. Die embryonischen Fasern 110 wurden von einem Trocknungsluftstrom 109 mit einer Temperatur von ungefähr 149°C (ungefähr 300°F) bis ungefähr 315°C (ungefähr 600°F) mittels eines Widerstandsheizers (nicht dargestellt) durch Trocknungsdüsen 112 zugeführt und in einem Winkel von ungefähr 40 bis ungefähr 50 Grad relativ zur allgemeinen Ausrichtung der extrudierten nichtthermoplasti schen embryonischen Fasern ausgegeben. Die embryonischen Fasern, von ungefähr 25% Feuchtigkeitsgehalt auf ungefähr 5% Feuchtigkeitsgehalt (d. h., von einer Konsistenz von ungefähr 75% auf eine Konsistenz von ungefähr 95%) getrocknet, wurden auf einer Sammelvorrichtung 111, wie zum Beispiel einem beweglichen Siebband, gesammelt.
(B)(2) Beispiel 1 für nichtthermoplastische Fasern und Verfahren zur Bestimmung der Nasszugspannung davon
Fünfundzwanzig Gramm Stärke StaCote^® H44 (oxidierte wachsartige Maisstärke mit einer mittleren Molmasse von ungefähr 500.000 g/Mol, von A. E. Staley Manufacturing Corporation, Decatur, IL, USA, 1,25 Gramm wasserfreies Calciumchlorid (5% bezogen auf das Gewicht der Stärke), 1,66 Gramm Parez^® 490 von Bayer Corp., Pittsburgh, PA, USA, (3% Harnstoff-Glyoxalharz, bezogen auf das Gewicht der Stärke) und 45 Gramm 0,1 M wässriger Kaliumphosphatpuffer (pH = 2,1) wurden in einen 200-ml-Becher gegeben. Ein Becher wurde in ein Wasserbad gestellt, um für ungefähr eine Stunde zu sieden, während die Stärkemischung manuell gerührt wurde, um die Stärke zu destrukturieren und die Wassermenge zu verdampfen, bis ungefähr 25 Gramm Wasser in dem Becher verbleiben. Dann wurde die Mischung auf eine Temperatur von ungefähr 40°C abgekühlt. Ein Teil der Mischung wurde in eine Spritze von 10 Kubikzentimetern (cm³) gegeben und daraus extrudiert, um eine Faser zu bilden. Die Faser wurde manuell verlängert, so dass die Faser einen Durchmesser zwischen ungefähr 10 Mikrometer und ungefähr 100 Mikrometer hatte. Dann wurde die Faser für ungefähr eine Minute in Umgebungsluft aufgehängt, damit die Faser trocknen und sich verfestigen konnte. Die Faser wurde auf eine Aluminiumpfanne gegeben und in einem Konvektionsofen ungefähr 10 Minuten bei einer Temperatur von ungefähr 120°C gehärtet. Die gehärtete Faser wurde dann ungefähr 24 Stunden in einen Raum mit einer konstanten Temperatur von ungefähr 22°C und einer konstanten relativen Feuchtigkeit von ungefähr 25% gelegt.
Da die einzelnen Fasern zerbrechlich sind, kann ein Kupon 90 (10) verwendet werden, um die Faser 110 zu stützen. Der Kupon 90 kann aus normalem Kopierpapier oder einem ähnlichen leichten Material hergestellt sein. In einem veranschaulichenden Beispiel von 10 umfasst der Kupon 90 eine rechteckige Struktur mit einer Gesamtgröße von ungefähr 20 Millimeter mal ungefähr 8 Millimeter, wobei in der Mitte des Kupons 90 ein rechteckiger Ausschnitt 91 mit einer Größe von ungefähr 9 Millimeter mal ungefähr 5 Millimeter ist. Die Enden 110a, 110b der Faser 110 können an den Enden des Kupons 90 mit einem Klebeband 95 (wie zum Beispiel einem herkömmlichen Klebeband) oder anderweitig befestigt werden, so dass die Faser 110 die Entfernung (von ungefähr 9 Millimeter in dem vorliegenden Beispiel) des Ausschnitts 91 in der Mitte des Kupons 90, wie in 10 dargestellt, überspannt. Aus praktischen Gründen des Anbringen kann der Kupon 90 ein Loch 98 im oberen Teil des Kupons 90 aufweisen, das so strukturiert ist, dass es einen geeigneten Haken, der an der oberen Platte des Kraftaufnehmers angebracht ist, aufnehmen kann. Vor dem Anlegen einer Kraft an die Faser kann der Durchmesser der Faser mit einem optischen Mikroskop an 3 Positionen gemessen und gemittelt werden, um den in den Berechnungen verwendeten durchschnittlichen Faserdurchmesser zu erhalten.
Der Kupon 90 kann dann so auf einem Faserdehnungsrheometer (nicht dargestellt) angebracht werden, dass die Faser 110 im Wesentlichen parallel zur Richtung der anzulegenden Last „P" (10) ist. Seitenabschnitte des Kupon 90, die parallel zu der Faser 110 sind, können so geschnitten werden (entlang den Linien 92, 10), dass die Faser 110 das einzige Element ist, dass die Last erhält.
Dann kann die Faser 110 ausreichend befeuchtet werden. Zum Beispiel kann ein Ultraschallbefeuchter (nicht dargestellt) eingeschaltet werden, wobei ein Gummischlauch ungefähr 200 Millimeter (ungefähr 8 Zoll) von der Faser entfernt positioniert ist, um den ausgegebenen Nebel direkt auf die Faser zu lenken. Die Faser 110 kann dem Dampf ungefähr eine Minute ausgesetzt werden, wonach die Kraftlast P an die Faser 110 angelegt werden kann. Die Faser 110 ist während des Anlegens der Kraftlast, die der Faser 110 die Dehnungskraft verleiht, weiter dem Dampf ausgesetzt. Es sollte darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass die Faser 110 kontinuierlich innerhalb des Hauptstroms der Befeuchterausgabe ist, wenn die Kraft an die Faser angelegt wird. Wenn sie korrekt ausgesetzt ist, sind in der Regel Tröpfchen von Wasser an der oder um die Faser 110 herum sichtbar. Der Befeuchter, seine Inhalte und die Faser 110 werden vor Gebrauch auf Umgebungstemperatur äquilibrieren gelassen.
Mit den Kraftlast- und Durchmessermessungen kann die Nasszugspannung in Einheiten von Megapascal (MPa) berechnet werden. Der Test kann mehrmals wiederholt werden, zum Beispiel acht Mal. Die Ergebnisse der Nasszugspannungsmessungen von acht Fasern werden gemittelt. Die Ablesewerte der Kraft von dem Kraftaufnehmer werden für die Masse des restlichen Kupons korrigiert, indem das durchschnittliche Kraftaufnehmersignal, das nach dem Brechen der Faser erhalten wurde, von dem gesamten Satz an Kraft-Ablesewerten subtrahiert wird. Die Bruchspannung für die Faser kann berechnet werden, indem die Maximalkraft, die an der Faser erzeugt wird, durch die Querschnittsfläche der Faser basierend auf den optischen Mikroskopmessungen des durchschnittlichen äquivalenten Durchmessers, der vor dem Durchführen des Tests gemessen wird, geteilt wird. Die tatsächliche Anfangsplattentrennung (bps) kann von einer bestimmten getesteten Probe abhängig sein, wird jedoch aufgezeichnet, um die tatsächliche technische Dehnung der Probe zu berechnen. In dem vorliegenden Beispiel wurde die resultierende durchschnittliche Nasszugspannung von 0,33 MPa, mit der Standardabweichung von 0,29, erhalten.
(B)(3) Beispiel 2 für nichtthermoplastische Fasern
Fünfundzwanzig Gramm Stärke Clinton^® 480 (oxidierte Zahnmaisstärke mit einer mittleren Molmasse von ungefähr 740.000 g/Mol) von Archer, Daniels, Midland Co., Decatur, Illinois, USA, 1,25 Gramm wasserfreies Calciumchlorid (5% bezogen auf das Gewicht der Stärke), 1,66 Gramm Parez^® 490 (3% Harnstoff-Glyoxalharz, bezogen auf das Gewicht der Stärke) und 45 Gramm wässrige 0,5-gew.-%-ige Citronensäurelösung wurden in einen 200-ml-Becher gegeben. Die Fasern wurden gemäß der in Beispiel 1 oben umrissenen Vorgehensweise hergestellt und zubereitet, und die Nasszugspannung der Fasern wurde dann mit dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren bestimmt. Die resultierende durchschnittliche Nasszugspannung von 2,1 MPa mit einer Standardabweichung von 1,25 wurde erhalten, mit einer maximalen Nasszugspannung von 3,4 MPa.
(B)(4) Beispiel 3 für nichtthermoplastische Fasern
Fünfundzwanzig Gramm Stärke Ethylex^® 2005 (hydroxyethylierte Zahnmaisstärke mit 2-gew.-%-iger Substitution von Ethylenoxid und mit einer mittleren Molmasse von ungefähr 250.000 g/Mol von A. E. Staley Manufacturing Corporation, 5,55 Gramm Parez^® 490 (10% Harnstoff-Glyoxalharz, bezogen auf das Gewicht der Stärke), 2,0 Gramm einer 1,0-gew.-%-igen Lösung von N-300-Polyacrylamid von Cytec Industries, Inc., West Patterson, NJ, USA, und 45 Gramm wässrige 0,5-gew.-%-ige Citronensäurelösung wurden in einen 200-ml-Becher gegeben. Die Fasern wurden gemäß der in Beispiel 1 oben umrissenen Vorgehensweise hergestellt und zubereitet, und die Nasszugspannung der Fasern wurde dann mit dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren bestimmt. Die resultierende durchschnittliche Nasszugspannung von 0,45 MPa mit einer Standardabweichung von 0,28 wurde erreicht.
Wenngleich das Verfahren zur Bestimmung der Nasszugspannung einer einzelnen Faser, wie vorstehend beschrieben, eine direkte Messung einer wichtigen Faserleistungseigenschaft bereitstellt, kann diese Messung zeitaufwändig sein. Ein anderes Verfahren, das zum Messen des Ausmaßes der Vernetzung der Faser und somit ihrer Zugfestigkeit verwendet werden kann, ist ein Verfahren zum Messen einer Salzlösungsabsorption durch die Faser. Das Verfahren beruht auf der Tatsache, dass die vernetzte Stärke, wenn sie in eine Wasser- oder Salzlösung gegeben wird, Wasser in einer solchen Lösung absorbiert. Eine messbare Änderung in der Lösungskonzentration ist das Ergebnis von Lösungsabsorption durch die Stärke faser. Hohe Vernetzungsgrade der Faser senken das Absorptionsvermögen der Faser.
Das folgende Verfahren verwendet eine Lösung von Blue Dextran^®. Die Moleküle von Blue Dextran^® sind groß genug, so dass sie nicht in Stärkefasern oder -teilchen eindringen, obwohl Wassermoleküle eindringen und von der Stärkefaser absorbiert werden. Infolge der Wasserabsorption durch die Stärkefaser wird das Blue Dextran^® deshalb in der Lösung konzentriert und kann mit einer Messung der optischen Extinktion präzise gemessen werden.
Eine Lösung von Blue Dextran^® kann durch Auflösen von 0,3 Gramm Blue Dextran^® (von Sigma, St. Louis, MO, USA) in 100 Millilitern destilliertem Wasser hergestellt werden. Eine 20-Milliliter-Aliquote der Lösung von Blue Dextran^® wird mit 80 Millilitern einer Salzlösung gemischt. Die Salzlösung wurde durch Mischen von 10 Gramm Natriumchlorid, 0,3 Gramm Calciumchloriddihydrat und 0,6 Gramm Magnesiumchloridhexahydrat in einem 1,0-Liter-Kolben und Auffüllen mit destilliertem Wasser hergestellt.
Die optische Extinktion der Lösung von Blue Dextran^®/Salz (eine Blind- oder Bezugsmessung) kann mit einer standardgemäßen Einzentimeter-Küvette bei einer Wellenlänge von 617 Nanometern mit einem Spektralphotometer DR/4000U UV/VIS, hergestellt von HACH Company, Loveland, Colorado, USA, gemessen werden.
Ein Stärkefilm wird durch „Destrukturieren" von Stärke durch Erwärmen von 25 Gramm Stärke mit 25 Gramm destilliertem Wasser für ungefähr eine Stunde in einem Glasbecher in einem Wasserbad, das auf 95°C erwärmt wurde, hergestellt. Nachdem die Stärke destrukturiert wurde, werden das Vernetzungsmittel Parez^® 490 und Phosphorsäure-Katalysator zu der Stärkemischung gegeben, und die Mischung wird gerührt. Die Mischung wird auf eine einen Fuß messende quadratische Bahn aus Teflon^®-Material gegossen und verteilt, um einen Film zu bilden.
Der Film wird für einen Tag bei Raumtemperatur trocknen gelassen und wird dann für zehn Minuten in einem Ofen bei ungefähr 120°C gehärtet.
Der getrocknete Film wird zerbrochen und in ein Mahlwerk IKA All Basic, hergestellt von IKA Works, Inc., Wilmington, NC, USA, gegeben und bei 2617,9 rad/s (25.000 U/min) für ungefähr eine Minute gemahlen. Die gemahlene Stärke wird dann durch ein 600-Mikrometer-Sieb, zum Beispiel ein Sieve Number 30, hergestellt von U.S. Standard Sieve Series, A. S. T. M E-11 Specifications, hergestellt von Dual Mfg. Co., Chicago, IL, USA, auf ein 300-Mikrometer-Sieb (Sieve Number 50) gesiebt.
Zwei Gramm der gesiebten Stärke werden zu 15 Gramm der Lösung von Blue Dextran^®/Salz, die kontinuierlich bei Raumtemperatur ungefähr 15 Minuten in einem abgedeckten Becher, um Verdampfung zu vermeiden, gerührt. Die Lösung wird dann durch einen 5-Mikrometer-Spritzenfilter, zum Beispiel Spartan^®-25-Nylonmembranfilter von Schleicher & Schuell Co., Keene, NH, USA), gefiltert. Die Extinktion der gefilterten Lösung kann ähnlich wie die der Blindversuchsmessung von Blue Dextran^®/Salz gemessen werden. Das Salzlösungsabsorptionsvermögen einer Stärkeprobe kann als ein Verhältnis von Gramm absorbierter Salzlösung (GA) pro Gramm Stärkeprobe (GS) ausgedrückt werden und wird anhand der folgenden Formel berechnet: GA/GS = (15 – ((Extinktion von Blindversuch/Extinktion von Probe) × 15))/2
Die nichtthermoplastischen Stärkefasern können mit dem Test des Salzlösungsabsorptionsvermögens getestet werden, indem die Stärketeilchen durch die Fasern ersetzt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die nichtthermoplastische Stärkefaser ein Salzlösungsabsorptionsvermögen von weniger als ungefähr 2 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser, spezieller weniger als ungefähr 1 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser und noch spezieller weniger als ungefähr 0,5 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser haben.
Beispiel

Gesiebte Teilchen der folgenden Stärken wurden hergestellt und gemäß dem unmittelbar vorstehend beschriebenen Verfahren gemessen. Jede der Stärkeproben, die das Vernetzungsmittel Parez^® 490, Phosphorsäure-Katalysator und wahlweise Calciumchlorid-Vernetzungsmittel umfassen, alle auf einer Basis aktiver Feststoffe, sind in der folgenden Tabelle zusammen mit Lösungsabsorptionswerten aufgeführt.

Stärketyp	% Parez 490	% Phosphorsäure	% Calciumchlorid	Gramm Lösung, die pro Gramm Stärke absorbiert wurde
Ethylex^® 2005	1,0	0,75	0	0,47
StaCote^® H44	1,0	0,75	5,0	1,23
Purity^®-Gummi	1,0	0,75	0	2,27
ClearCote^® 615	1,0	0,75	0	1,45
Clinton^® 480	5,0	0,75	5,0	1,02
Ethylex^® 2005	5,0	0,75	0	0,38
StaCote^® H44	5,0	0,75	5,0	0,84

(C) Scherviskosität
Die Scherviskosität der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann mit einem Kapillarrheometer, Model Rheograph 2003, hergestellt von Goettfert USA, Rock Hill SC, USA, gemessen werden. Die Messungen können mit einer Kapillardüse mit einem Durchmesser D von 1,0 mm und einer Länge L von 30 mm (d. h. L/D = 30) durchgeführt werden. Die Düse kann am unteren Ende des Zylinders des Rheometers, der bei einer Testtemperatur (t) im Bereich von ungefähr 25°C bis ungefähr 90°C gehalten wird, angebracht sein.
Eine Probenzusammensetzung kann auf die Testtemperatur vorgewärmt werden und in den Zylinderabschnitt des Rheometers eingetragen werden, um den Zylinder im Wesentlichen zu füllen (ungefähr 60 Gramm Probe werden verwendet). Der Zylinder wird bei der angegebenen Testtemperatur (t) gehalten.
Wenn nach dem Eintragen Luftblasen an die Oberfläche gelangen, kann vor der Durchführung des Tests eine Verdichtung angewendet werden, um die Probe von der eingeschlossenen Luft zu befreien. Ein Kolben kann so programmiert werden, dass er in einem Satz ausgewählter Geschwindigkeiten die Probe von dem Zylinder durch die Kapillardüse drückt. Wenn die Probe von dem Zylinder zu der Kapillardüse gelangt, erfährt die Probe einen Druckabfall. Eine scheinbare Scherviskosität kann aus dem Druckabfall und der Strömungsrate der Probe durch die Kapillardüse berechnet werden. Dann kann log(scheinbare Scherviskosität) gegen log(Schergeschwindigkeit) aufgezeichnet werden, und die Kurve kann mit dem Potenzgesetz gemäß der Formel η = Kγ^n-1, worin K eine Materialkonstante ist und γ die Schergeschwindigkeit ist, angepasst werden. Die genannte scheinbare Scherviskosität der Zusammensetzung hierin ist eine Extrapolation einer Schergeschwindigkeit von 3.000 s^–1 mithilfe des Potenzgesetzverhältnisses.
(D) Dehnviskosität
Die Dehnviskosität der nichtthermoplastischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann mit einem Kapillarrheometer, Model Rheograph 2003, hergestellt von Goettfert USA, gemessen werden. Die Messungen können mit einer semihyperbolischen Düsengestaltung mit einem anfänglichen äquivalenten Durchmesser D_Anfang von 15 mm, einem letztendlichen äquivalenten Durchmesser (D_Ende) von 0,75 mm und einer Länge L von 7,5 mm durchgeführt werden.
Die semihyperbolische Form der Düse wird durch zwei Gleichungen definiert. Wobei Z der axiale Abstand vom anfänglichen äquivalenten Durchmesser ist und D(z) der äquivalente Durchmesser der Düse bei einem Abstand z von D_Anfang ist;
Die Düse kann an dem unteren Ende des Zylinders angebracht werden, der bei einer festen Testtemperatur t von ungefähr 75°C gehalten wird, die grob der Temperatur entspricht, bei der die nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung verarbeitet werden soll. Die Probenstärkezusammensetzung kann auf die Düsentemperatur vorgewärmt werden und in den Zylinder des Rheometers eingetragen werden, um den Zylinder im Wesentlichen zu füllen. Wenn nach dem Eintragen Luftblasen an die Oberfläche gelangen, kann vor der Durchführung des Tests eine Verdichtung angewendet werden, um die geschmolzene Probe von der eingeschlossenen Luft zu befreien. Ein Kolben kann so programmiert werden, dass er in einer ausgewählten Geschwindigkeit die Probe von dem Zylinder durch die hyperbolische Düse drückt. Wenn die Probe von dem Zylinder zu der Öffnungsdüse gelangt, erfährt die Probe einen Druckabfall. Eine scheinbare Dehnviskosität kann aus dem Druckabfall und der Strömungsrate der Probe durch die Düse gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: Scheinbare Dehnviskosität = (delta P/Dehnungsrate/Eh) × 105,wobei die scheinbare Dehnviskosität, d. h. die Dehnviskosität, die nicht hinsichtlich Scherviskositätseffekten korrigiert wurde, in Pascalsekunden(Pas) ist, delta P der Druckabfall in Bar ist, Dehnungsrate die Strömungsrate der Probe durch die Düse in Einheiten von s^–1 ist und Eh dimensionslose Hencky-Dehnung ist. Hencky-Dehnung ist die zeit- oder verlaufsabhängige Dehnung. Die Dehnung, die ein fluides Element in einem nichtnewtonschen Fluid erfährt, ist von seinem kinematischen Verlauf abhängig, das heißt
Die Hencky-Dehnung Eh für diese Düsengestaltung 5,99, durch die Gleichung definiert; Eh = ln[DAnfang/DEnde)2]
Die scheinbare Dehnviskosität kann als Funktion der Dehnungsrate bei 90 s^–1 mit dem Potenzgesetzverhältnis angegeben werden. Eine ausführliche Offenbarung von Dehnviskositätsmessungen mithilfe einer semihyperbolischen Düse ist in US-Patent Nr. 5,357,784 , erteilt am 25. Oktober 1994 an Collier zu finden, dessen Offenbarung für den begrenzten Zweck des Beschreiben der Dehnviskositätsmessungen durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist.
(E) Molekulargewicht
Die mittlere Molmasse (MG) der nichtthermoplastischen Stärke kann durch Gelpermeationschromatographie (GPC) mit einer Mischbettsäule bestimmt werden.

Die Bestandteile des Hochleistungsflüssigchromatographs (HPLC) sind folgende:

Pumpe:	Millenium^®, Modell 600E, hergestellt von Waters Corporation of Milford, MA, USA.
Systemsteuereinrichtung:	Waters, Modell 600E
Autosampler:	Waters, Modell 717 Plus
Injektionsvolumen:	200 μl
Säule:	PL Gel 20 μm Mischsäule A (Gelmolekulargewichtsbereiche von 1.000 g/Mol bis 40.000.000 g/Mol) mit einer Länge von 600 mm und einem Innendurchmesser von 7,5 mm.
Schutzsäule:	PL gel 20 μm, 50 mm Länge, 7,5 mm ID
Säulenheizer:	CHM-009246, hergestellt von Waters Corporation.
Säulentemperatur:	55°C
Detektor:	DAWN^® Enhanced Optical System (EOS), hergestellt von Wyatt Technology of Santa Barbara, CA, USA, Laserlichtstreuungsdetektor mit K5-Zelle und 690-nm-Laser. Zuwachs bei ungeradzahligen Detektoren auf 101 eingestellt. Zuwachs bei geradzahligen Detektoren auf 20,9 eingestellt. Differenzialrefraktometer Optilab^® von Wyatt Technology auf 50°C eingestellt. Zuwachs auf 10 eingestellt.
Fließmittel:	Dimethylsulfoxid in HPLC-Qualität mit 0,1% w/v LiBr
Fließmittel-Strömungsrate:	1 ml/min, isokratisch
GPC-Steuerungssoftware:	Millennium^® (R) Software, Version 3.2, hergestellt von Waters Corporation.
Detektor-Software:	Astra^® Software von Wyatt Technology, Version 4.73.04
Laufzeit:	30 Minuten

Die Stärkeproben können durch Auflösen der Stärke in dem Fließmittel bei nominal 3 mg Stärke/1 ml Fließmittel hergestellt werden. Die Probe kann verschlossen und dann ungefähr 5 Minuten mit einem Magnetrührer gerührt werden. Die Probe kann dann ungefähr 60 Minuten in einem Konvektionsofen bei 85°C gegeben werden. Die Probe kann dann ungestört auf Raumtemperatur abkühlen gelassen werden. Die Probe kann dann durch einen 5-μm-Spritzenfilter (zum Beispiel durch eine 5-μm-Nylonmembran, Typ Spartan-25, hergestellt von Schleicher & Schuell, Keene, NH, USA), mit einer 5-ml-Spritze in ein Autosampler-Fläschchen von 5 Millilitern (ml) gefiltert werden.
Für jede Reihe von Proben, die gemessen werden, kann eine Blindprobe von Lösungsmittel in die Säule gespritzt werden. Dann kann eine Prüfprobe auf ähnliche Weise wie die im Bezug auf die vorstehend beschriebenen Proben hergestellt werden. Die Prüfprobe umfasst 2 mg/ml Pullulan (Polymer Laboratories) mit einer mittleren Molmasse von 47.300 g/Mol. Die Prüfprobe kann vor dem Analysieren jedes Probensatzes analysiert werden. Tests der Blindprobe, Prüfprobe und der Testproben der nichtthermoplastischen Stärke können doppelt ausgeführt werden.
Der abschließende Durchlauf kann ein dritter Durchlauf der Blindprobe sein. Der Lichtstreuungsdetektor und das Differenzialrefraktometer können gemäß dem „Dawn EOS Light Scattering Instrument Hardware Manual" und „Optilab^® DSP Interferometric Refractometer Hardware Manual", beide hergestellt von Wyatt Technology Corp., Santa Barbara, CA, USA und beide durch Bezugnahme hierin eingeschlossen, betrieben werden.
Die mittlere Molmasse der Probe wird mit der Astra^®-Software, hergestellt von Wyatt Technology Corp., berechnet. Es wird ein dn/dc-Wert (Differenzialänderung des Brechungsindexes bei Konzentration) von 0,066 verwendet. Die Bezugswerte für Laserlichtdetektoren und den Brechungsindexdetektor werden korrigiert, um die Einflüsse von dem Dunkelstrom des Detektors und der Lösungsmittelstreuung zu beseitigen. Wenn ein Laserlichtdetektorsignal gesättigt ist oder übermäßiges Rauschen zeigt, wird es bei der Berechnung der Molekülmasse nicht verwendet. Die Bereiche für die Molekulargewichtscharakterisierung sind so ausgewählt, dass sowohl die Signale für den 90° Detektor für die Laserlichtstreuung als auch den Brechungsindex größer als 3 Mal ihre jeweiligen Bezugsrauschgrade sind. In der Regel wird die hochmolekulare Seite des Chromatogramms durch das Brechungsindexssignal begrenzt, und die niedermolekulare Seite wird durch das Laserlichtsignal begrenzt.
Die mittlere Molmasse kann mit einem „first order Zimm plot" (Zimm-Plot erster Ordnung), wie in der Astra^®-Software definiert, berechnet werden. Wenn die mittlere Molmasse der Probe größer als 1.000.000 g/Mol ist, werden die Zimm-Plots sowohl erster als auch zweiter Ordnung berechnet, und das Ergebnis mit dem kleinsten Fehler aus einer Regressionsanpassung wird zum Berechnen der Molekülmasse verwendet. Die angegebene mittlere Molmasse ist der Durchschnitt der zwei Durchläufe der Probe.
(F) Relative Feuchtigkeit
Die relative Feuchtigkeit kann mit Messungen der Lufttemperatur bei gesättigter und ungesättigter Luft und einem damit verbundenen psychometrischen Diagramm gemessen werden. Messungen der Lufttemperatur bei gesättigter Luft werden durch Platzieren eines Baumwollstrumpfes um die Messkugel eines Thermometers durchgeführt. Dann wird das Thermometer, das mit dem Baumwollstrumpf be deckt ist, in heißes Wasser gegeben, bis die Wassertemperatur höher ist als eine erwartete Lufttemperatur bei gesättigter Luft, spezieller höher als ungefähr 82°C (ungefähr 180°F). Das Thermometer wird in den Verdünnungs-Luftstrom ungefähr 3 Millimeter (ungefähr 1/8 Zoll) von den Extrusionsdüsenspitzen gegeben. Die Temperatur sinkt anfangs, wenn das Wasser aus dem Strumpf verdampft. Die Temperatur pegelt sich dann plateauartig bei der Lufttemperatur bei gesättigter Luft ein und beginnt dann, anzusteigen, sobald der Strumpf sein restliches Wasser verliert. Die Plateau-Temperatur ist die Lufttemperatur bei gesättigter Luft. Wenn die Temperatur nicht sinkt, dann muss das Wasser auf eine höhere Temperatur erwärmt werden. Die Lufttemperatur bei ungesättigter Luft wird mit einem J-artigen Thermopaar mit einem Durchmesser von 1,6 mm, das ungefähr 3 mm nach der Extrusionsdüsenspitze angeordnet ist, gemessen.
Beruhend auf einem standardgemäßen atmospherischen psychometrischen Diagramm oder an einer eingefügten Excel-Tabelle, wie zum Beispiel „MoistAirTab", hergestellt von ChemicaLogic Corporation, kann eine relative Feuchtigkeit bestimmt werden. Die relative Feuchtigkeit kann aus dem Diagramm auf der Basis der Lufttemperaturen bei gesättigter und ungesättigter Luft abgelesen werden.
(G) Luftgeschwindigkeit
Ein standardgemäßes Pitotröhrchen kann verwendet werden, um die Luftgeschwindigkeit zu messen. Das Pitotröhrchen wird in den Luftstrom gerichtet, wobei ein Ablesewert des dynamischen Drucks von einem damit verbundenen Druckmesser erzeugt wird. Der Ablesewert des dynamischen Drucks, plus ein Ablesewert der Lufttemperatur bei ungesättigter Luft, wird mit den Standardformeln verwendet, um eine Luftgeschwindigkeit zu erzeugen. Ein Pitotröhrchen von 1,24 mm (0,049 Zoll), hergestellt von United Sensor Company, Amherst, NH, USA, kann für die Geschwindigkeitsmessungen an einen tragbaren digitalen Differenzialdruckmesser (Manometer) angeschlossen werden.
(H) Faserdurchmesser
Der Faserdurchmesser kann gemäß der folgenden Vorgehensweise gemessen werden. Eine rechteckige Probe wird aus der Bahn, die aus den nichtthermoplastischen Stärkefasern hergestellt ist, ausgeschnitten. Die Probe wird auf eine Größe zugeschnitten, die auf Mikroskop-Objektgläser passt, die jeweils eine Größe von ungefähr 6,35 Millimeter (ungefähr 0,25 Zoll) mal ungefähr 25,4 Millimeter (ungefähr 1 Zoll) haben, und wird zwischen den zwei Objektgläsern platziert. Die zwei Objektgläser werden mit Klemmen zusammengeklammert, damit die Probe flach wird. Die Probe und Objektgläser werden auf den Mikroskop-Objektträger mit einer 10x-Objektivlinse gegeben. Ein Olympus^® BHS-Mikroskop, im Handel erhältlich von der Fryer Company, Cincinnati, OH, USA, kann verwendet werden. Die Kollimatorlinse des Mikroskops wird so weit wie möglich von der Objektivlinse weg bewegt. Ein Bild des Objektglases kann mit einer Digitalkamera, wie zum Beispiel einer Nikon^® D1-Digitalkamera, aufgenommen werden, und die resultierende Datei im TIFF-Format kann auf einen Computer übertragen werden, zum Beispiel mithilfe der Nikon^®, Capture Software, Version 1.1. Die TIFF-Datei kann in ein Bildanalysesoftwarepaket Optimus^®, Version 6.5, hergestellt von Media Cybernetics Inc., Silver Spring, MD, USA, geladen werden. Es wird die richtige Kalibrierungsdatei für das jeweilige Mikroskop und Objektiv ausgewählt. Die Optimus^®-Software wird verwendet, den Durchmesser der Fasern manuell auszuwählen und zu messen. Mindestens dreißig vorzugsweise nicht verhakte Fasern, die auf einem Computer-Bildschirm angezeigt werden, werden in Optimus^® mit einem Längenmessungstool gemessen. Diese Faserdurchmesser können dann gemittelt werden, um einen durchschnittlichen Faserdurchmesser für eine gegebene Probe herzustellen. Vor dieser Analyse kann, mit geeigneter Skalierung und geeigneten Einheiten, wie der Fachmann weiß, eine räumliche Kalibrierung durchgeführt werden, um die Faserdurchmesser zu erhalten.
Die in der Tabelle unten aufgeführten Beispiele wurden mit der vorstehend beschriebenen Ausrüstung, 1 und 2, erstellt. Eine Lösung von Purity Gum^® 59 von National Starch & Chemical Company, Bridgewater, NJ USA), mit Wasser wurde in dem Extruder zubereitet und an die Düse gespeist. Die Lösung enthielt ungefähr 65% Stärke und 35% Wasser.

In jedem Fall wurde ein Paar Trocknungskanäle verwendet. Die Trocknungskanäle wurden symmetrisch um den Weg der Spinnfaser positioniert. Die Trocknungskanäle wurden so abgewinkelt, dass der Trocknungsluftstrom auf den Faserstrom auftraf. Tabelle

Probe		A	B	C
	Einheiten
Strömungsrate der Verdünnungs-Luft	g/min	375	375	364
Temperatur der Verdünnungs-Luft	°C	40	40	95
Strömungsrate des Verdünnungsdampfes	g/min	140	140	106
Manometerdruck des Verdünnungsdampfes	kPa	220	220	290
Manometerdruck der Dämpfung in der Zuführleitung	kPa	126	126	180
Temperatur am Auslass der Dämpfung	°C	80	80	77,8
Lösungspumpengeschwindigkeit	rad/s (U/min)	2,1 (20)	1,05 (10)	2,1 (20)
Lösungsfluss	g/min/Loch	0,66	0,33	0,66
Strömungsrate der Trocknungsluft	g/min	972	972	910
Luftkanaltyp		Schlitze	Schlitze	Windjet^®
Abmessungen des Luftkanals	mm	51 × 5	51 × 5	modellspezifisch
Geschwindigkeit mittels statischem Pitotröhrchen	m/s	34	34	304
Trocknungslufttemperatur am Heizer	°C	260	260	260
Position des Trocknungskanals von der Düse	mm	125	125	150
Winkel des Trocknungskanal relativ zu den Fasern	Grad	45	45	45
Durchschnittlicher Faserdurchmesser	Mikrometer	13,6	8,2	10,1

Beispiel A ergab Fasern mit einem durchschnittlichen äquivalenten Durchmesser von ungefähr 14 Mikrometern. Beispiel B beinhaltete eine Änderung in der Strömungsrate der nichtthermoplastischen Lösung auf einen niedrigeren Wert. Diese Bedingung ergab einen kleineren durchschnittlichen äquivalenten Durchmesser der Fasern von ungefähr 8 Mikrometern. Beispiel C beinhaltete sekundäre Verdünnungs-Luft hoher Geschwindigkeit. In Beispiel C wurden Luftdüsen Windjet^®, Modell Y727-AL von Spraying System Co., Wheaton, Illinois, USA, für die Trocknungsluft verwendet, um höhere Luftgeschwindigkeiten zu erzeugen.

Claims

Nichtthermoplastische Stärkefaser mit einer scheinbaren Spitzen-Nasszugfestigkeit von mehr als 0,2 Megapascal (MPa), vorzugsweise von mehr als 0,5 MPa, mehr bevorzugt von mehr als 1,0 MPa, mehr bevorzugt von mehr als 2,0 MPa und noch mehr bevorzugt von mehr als 3,0 MPa, wobei die Faser zu 50 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% eine modifizierte Stärke umfasst, wobei die modifizierte Stärke eine mittlere Molmasse von mehr als 100.000 g/Mol vor der Vernetzung hat und wobei die Faser einen durchschnittlichen äquivalenten Durchmesser von weniger als 20 Mikrometer hat, wobei die nichtthermoplastische Stärkefaser in der Gesamtheit keinen Schmelzpunkt hat.
Faser nach Anspruch 1, wobei die Faser aus einer Zusammensetzung, die eine modifizierte Stärke und ein Vernetzungsmittel umfasst, hergestellt ist.
Faser nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Faser einen durchschnittlichen äquivalenten Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer und vorzugsweise von weniger als 6 Mikrometer hat.
Faser nach Ansprüchen 1–3, wobei die Faser ein Salzlösungs-Absorptionsvermögen von weniger als 2 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser, vorzugsweise von weniger als 1 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser und mehr bevorzugt von weniger als 0,5 Gramm Salzlösung pro 1 Gramm Faser aufweist.
Verfahren zum Herstellen nichtthermoplastischer Stärkefasern, wobei die Faser zu 50 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% eine modifizierte Stärke umfasst, wobei die modifizierte Stärke eine mittlere Molmasse von mehr als 100.000 g/Mol vor der Vernetzung hat und wobei die Faser einen durchschnittlichen äquivalenten Durchmesser von weniger als 20 Mikrometer hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung, die zu 50 Gew.-% bis 75 Gew.-% modifizierte Stärke und zu 25 Gew.-% bis 50 Gew.-% Wasser umfasst und eine Scherviskosität von ungefähr 1 Pascal·Sekunde (Pa·s) bis 80 Pa·s bei einer Verarbeitungstemperatur und einer Schergeschwindigkeit von 3.000 s^–1 aufweist; (b) Extrudieren der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung durch eine Vielzahl von Extrusionsdüsen, die jeweils in einer Düsenspitze enden, wodurch eine Vielzahl embryonischer Stärkefasern gebildet werden, wobei die Vielzahl von Düsen in mehreren Reihen angeordnet sind, um eine Verdünnungszone zu bilden, die von den Düsenspitzen zu einem Verdünnungsabstand in einer allgemeinen Fließrichtung der nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung verläuft, während vorzugsweise eine relative Feuchtigkeit in der Verdünnungszone von mehr als ungefähr 50% bewahrt wird; (c) Bereitstellen von Verdünnungs-Luft mit einer relativen Feuchtigkeit von mehr als 50%, wie an den Düsenspitzen gemessen; (d) Verdünnen der mehreren embryonischen Fasern mit der Verdünnungs-Luft mit einer Geschwindigkeit von mehr als 30 m/s an den Düsenspitzen, wobei eine Vielzahl nichtthermoplastischer Stärkefasern mit einzelnen durchschnittlichen äquivalenten Durchmessern von weniger als 20 Mikrometer erzeugt werden; und (e) Entwässern der nichtthermoplastischen Stärkefasern auf eine Konsistenz von 70 Gew.-% bis 99 Gew.-%.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bewahrens der relativen Feuchtigkeit in der Verdünnungszone das Bereitstellen einer physischen Umschließung der Verdünnungszone umfasst.
Verfahren nach Ansprüchen 5 und 6, wobei der Schritt des Bewahrens der relativen Feuchtigkeit in der Verdünnungszone das Bereitstellen von Begrenzungsluft, vorzugsweise mit einer Feuchtigkeit von mehr als 50 und einer Geschwindigkeit, die im Wesentlichen gleich der Geschwindigkeit der Verdünnungs-Luft ist, umfasst.
Verfahren nach Ansprüchen 5–7, ferner umfassend einen Schritt des Bereitstellens einer sekundären Verdünnungs-Luft durch mindestens eine sekundäre Verdünnungsluftdüse, die stromabwärts der Verdünnungs-Luft angeordnet ist, wobei die sekundäre Verdünnungs-Luft vorzugsweise eine Geschwindigkeit von 30 m/s bis 500 m/s am Ausgang der sekundären Verdünnungsluftdüse hat.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei dem Schritt des Bereitstellens einer nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung die nichtthermoplastische Starkezusammensetzung ferner umfasst zu 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-% ein Aldehyd-Vernetzungsmittel, das vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Formaldehyd, Glyoxal, Glutaraldehyd, Harnstoff-Glyoxalharz, Harnstoff-Formaldehydharz, Melamin-Formaldehydharz, methyliertem Ethylenharnstoff-Glyoxalharz und jeglicher Kombination davon; und zu 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-% eine polykationische Verbindung, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus zweiwertigem oder dreiwertigem Metallionensalz, natürlichen polykationischen Polymeren, synthetischen polykationischen Polymeren und jeglicher Kombination davon.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei dem Schritt des Bereitstellens einer nichtthermoplastischen Stärkezusammensetzung die nichtthermoplastische Stärkezusammensetzung ferner einen Säurekatalysator in der ausreichenden Menge zum Bilden eines pH-Werts der Zusammensetzung im Bereich von 1,5 bis 5,0 umfasst, wobei der Säurekatalysator vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Citronensäure und jeglicher Kombination davon.