CN101548043A - 具有特殊防护性能的轻质无纺布 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有特殊防护性能的轻质无纺布。一种由聚烯烃丝制成的具有纤度＜1.6dtex的无纺布，其中无纺布具有≤18g/m2的单位面积重量，和以水柱测量＜15cm的防水性以及至少230m3/(m2·min)的透气性并且透气性与单位面积重量的乘积≤5000g/(m·min)。

Description

具有特殊防护性能的轻质无纺布
技术领域
本发明涉及一种由纤度<1.6dtex的聚烯烃丝制成的无纺布。该无纺布显示出特殊的防护性能。
本发明还涉及在使用按照本发明的无纺布的情况下加工层合物以及使用无纺布和使用通过无纺布制成的层合物。
背景技术
无纺布是编织的平面织物，它们可以通过不同的方式加工。除了湿法无纺材料加工和干法无纺材料加工以外还区分成熔纺和熔吹(Meltblown技术)。两种工艺熔纺和熔吹都具有优点，借助于相应的设备可以将塑料颗粒直接转化成完整的平面织物。由此使这种设备在加工无纺布时得到相对较高的产量。
在熔纺时使聚合物颗粒在挤出机里面熔化，穿过纺丝板的开孔、所谓的喷嘴挤压并且在冷却后气动或机械地拉伸。通过拉伸过程确定丝的最终强度。在拉伸后松散地在运动的放置带上截取的丝在接触的交叉点部位化学或热技术地固化成所谓的粘接点。在此随着强度的增加由此形成的无纺材料软度降低，其中其弯曲强度增加。许多相同或不同的上下平放的无纺布层可以热技术地、例如通过碾压干燥固化成复合材料(层合物)。
在熔吹时产量小于熔纺。这导致，通过熔吹(Meltblown技术)加工的无纺材料具有比通过熔纺加工的无纺材料更低的机械承载性。但是熔吹比熔纺相比在技术上是更费事的并因此是更贵的。
因此为了低成本地生产无纺材料通过在理想的情况下完全通过熔纺制成的无纺材料代替或者在加工层合物的情况下减少通过熔吹加工的无纺材料。但是这一点的前提首先是，显著改善通过熔纺制成的层的防护性能。
无纺材料的防护性能例如通过其透气性和防水性表征。作为防水性尺度使用水压，以mbar或者cm水柱表示，其中在检验面的第三位置第一水滴挤透过测试材料。
由现有技术已知许多措施，用于改善通过熔纺制成的无纺材料的防护性能。除了熔纺无纺材料覆层和涂覆丝以外为了改善防护性能首先使用双组分纤维，例如芯/旋覆纤维或可分开纤维。覆层或膜不利地带来附加的原料和加工成本。此外它们可能对呼吸性带来不利影响。双组分纤维的缺陷是，它们是昂贵的。
已知提高单位面积重量和使用更大细度的纤维作为改善防护性能的措施。
US-5,885,909描述了无纺材料，其纤维具有1旦或者更小的细度并且它们显示出在富拉茨尔法(frazier)后至少70m3/(m2·min)的透气性和至少15cm的水柱。本发明的核心在于这种理论，通过丝的丝硬度和细度可以影响由此制成的熔纺无纺材料的空隙尺寸并由此影响透气性和防水性。
发明内容
由这种背景提出本发明的目的是，提供具有更小单位面积重量的无纺布，它与现有技术相比显示出改善的防护性能。致力于尽可能高的防水性，同时还具有高的透气性。
本发明的另一目的是加工由多层组成的复合无纺布，它具有防护性能，它们通常只能由具有至少一层通过熔吹制成的层的复合无纺布才能保证。
本发明的目的还是，没有产量损失地加工改善的无纺布。
为了实现这个目的将纤度<1.6dtex的丝加工成无纺布，它具有下面的特性：
-≤18g/m2的单位面积重量，和
-以水柱测量<15cm的防水性以及
-至少230m3/(m2·min)的透气性并且
-透气性与单位面积重量的乘积≤5000g/(m·min)。
本发明的核心基于这种知识，更细的丝能够加工相对轻质的无纺布，并且无纺布的防护性能主要取决于所使用丝的纤度。由此能够确定，在较高细度(即更低纤度)的丝之间在丝截取后可以形成更大量的交叉点，前提是无纺加工的其它参数基本不变化。由此在无纺布化学固化后呈现更大量的连接位置，其中同时使其孔尺寸由于提高丝细度而更小。这种无纺布具有改善的防水性，同时还具有高的透气性。这也适用于热技术固化的无纺布，只要这样设计表面尺寸，使得它们单独保证足够的无纺布强度。
按照本发明的无纺布的发明者已经认识到，纤度最高1.6dtex、尤其是1.6dtex至1.0dtex范围的直丝能够加工无纺材料，其单位面积重量只有4.0至18g/m2同时其防护性能是最佳的。而且在其它不变化的生产条件下随着丝细度的增加由于无纺布密度增加使无纺材料的单位面积重量也增加，但是尽管如此，也在丝纤度方面给出一个范围，在该范围机械特性和防护性能与单位面积重量相比极大地改善。
下面详细解释本发明的优选实施例。
在优选的实施例中所述无纺布在15cm至5cm范围的水柱时具有200m3/(m2·min)至550m3/(m2·min)范围的透气性。5cm水柱表征单位面积重量约7g/m2的更轻质的无纺布，其透气性相应提高到约为500m3/(m2·min)。而单位面积重量约17g/m2的较重无纺布具有更低的约230m3/(m2·min)的透气性。特别优选透气性在290m3/(m2·min)以上的无纺布。按照本发明它们的单位面积重量为<15g/m2。
在另一优选的实施例中规定，透气性与单位面积重量的乘积≤4000g/(m·min)。原则上透气性与单位面积重量相互成反比，即，单位面积重量越高，透气性通常越差，其中关系不必是线性的。因此透气性与单位面积重量的乘积作为表征参数比仅仅说明透气性或单位面积重量更有说服力(也参见图3)。
特别优选使无纺布的透气性与单位面积重量的乘积在≤4000至3500g/(m·min)之间的范围。用于加工这种无纺布的丝的单丝纤度≤1.1。
用于评价无纺布防护性能的另一重要参数是其防水性。它通过竖立在无纺布上的最高水柱来测量。作为防水性的尺度以mbar水压或者以cm水柱表示，其中在检验面的第三位置使第一水滴穿过测试材料。
按照本发明的无纺布在测量防水性时的水柱为5cm至15cm。由此使按照本发明的水柱为13.6cm的无纺布只具有17g/m2的单位面积重量，但是同时具有233m3/(m2·min)的透气性。作为本申请实施例的参考基准(基准1，参见表1最后一行)在水柱为14.0cm和单位面积重量为17.2g/m2时透气性只有188m3/(m2·min)。由现有技术(US-5,885,909)已知的无纺布在15cm水柱时具有超过48g/m2的相对较高的单位面积重量(示例39)，而按照富拉茨尔测量的透气性为60m3/(m2·min)。
防水性与单位面积重量的商数优选≥0.004m3/g，特别优选≥0.006m3/g。对于丝纤度≤1.5、尤其是≤1.3dtex的无纺布防水性与单位面积重量的商数为0.006m3/g至0.009m3/g。
丝纤度可以位于1.0至1.5dtex范围。为了获得这种细度的丝最好使用通过金属茂催化剂获得的聚烯烃、尤其是m-聚丙烯(m-PP)。已经惊奇地发现，按照本发明的无纺布的防护性能在这个范围有利地高于已知无纺布的防护性能。在纤度≤1.3dtex时透气性与单位面积重量的乘积小于5000g/(m·min)。在纤度≤1.1dtex时透气性与单位面积重量的乘积甚至小于4000g/(m·min)(参见表1和2以及图3)。
按照本发明的无纺布单位面积重量可以为4至18g/m2。特别优选单位面积重量为4至15g/m2和10至15g/m2。
在单位面积重量为6至18g/m2时已经证实，透气性与单位面积重量的乘积为3500至5000g/(m·min)，而对于这种单位面积重量防水性与单位面积重量的商数≥0.006m3/g。
聚烯烃聚合物首先适用于获得这种丝并由此适用于加工按照本发明的无纺布。“聚合物”是巨分子材料，它们由单一分子(单分子)通过聚合作用、聚合浓缩或聚合添加构成。聚烯烃类包括例如聚乙烯(HDPE，LDPE，LLDPE，VLDPE；ULDPE，UHMW-PE)、聚丙烯(PP)、聚合(1-buten)、聚异丁烯、聚合(1-penten)、聚合(4-methylpent-1-en)、聚二丁烯、聚二戊丁烯以及不同的烯烃聚合物。除此以外多相混合物也属于聚烯烃。因此例如可以使用聚烯烃、尤其是聚乙烯或聚丙烯、由聚烯烃和α、β未饱和碳酸或脱水碳酸聚烯烃组成的嫁接或复聚合物。
但是特别适合的聚烯烃不排除使用聚酯、聚碳酸酯、聚砜、聚亚铵基硫化物、聚苯乙烯、聚氨酯或其混合物。
但是在两组中不包括原始聚合物。因此所有专业人员公知的其它熔纺聚合物和其复聚合物适用于加工无纺材料。
聚丙烯或聚乙烯或两者混合物特别适合于加工按照本发明的无纺材料。当然，所使用的聚乙烯可以是不同聚乙烯的复聚合物。这同样适用于所使用的聚丙烯。
通过金属茂-催化剂制成的聚丙烯(m-PP)具有均匀的聚合物单元分子重量分布并由此在明显提高产量时也得到更小直径的丝。但是通过齐格勒-纳塔催化剂获得的聚丙烯也适用于加工按照本发明的无纺材料。
在本发明的范围内对聚合物在挤出前添加填充剂或者色素。原则上可以考虑所有的专业人员公知的且适合于无纺材料使用的填充剂或色素。只是由于成本的原因碳酸钙是特别感兴趣的填充剂。二氧化钛(TiO2)也适合作为填充剂并用于加工按照本发明的无纺材料。
在特别优选的实施例中丝可以具有>5重量百分比的填充剂含量。所述填充剂(D50)的平均颗粒尺寸最好约为2直到约为6μm，其中颗粒的top-cut(D98)≤10μm。
可以通过所有的专业人员公知的方法实现无纺布的固化。优选以热技术和/或化学方式固化。在压制点部位中无纺布厚度减小。
单一固化的无纺布层的无纺布厚度为100至200μm。例如单位面积重量10g/m2的无纺布的无纺布厚度约为180μm，这种无纺布通过5000孔/米(纺梁宽度150mm)的纺织装置产生。对于通过7000孔/米(纺梁宽度150mm)的纺织装置产生的、单位面积重量10g/m2的无纺布的无纺布厚度约为150μm。
按照本发明的无纺布在至少一种由两种无纺布层构造的层合物中形成一层。第二层或其它层可以根据使用需求具有与按照本发明的无纺布类似的或明显不同的特性。按照本发明的无纺材料仅仅由于其轻质性适用于许多组合。在此也可以设想，通过熔吹制成层合物的一层或多层。
无纺布许多使用可能性也属于本发明的范围。按照本发明的无纺布的最重要的使用可能性是加工衬层材料、人体卫生用品(绷带、卫生带、整容垫)、清洁-清洗布、拖把布，以及用于气体-、烟和液体过滤器、伤口连接带，伤口止血带。也可以设想制成缓冲材料，吸声无纺布和屋顶下张紧带。也可以设想作为地膜使用。例如在加固防波堤、屋顶基础领域使用地膜、作为使地层与散料分开的存放封盖层或者作为道路碎石层下面的中间层。无纺布也在农作物以及花园中作为覆膜大量地使用。
附图说明
下面借助于示例和附图详细解释本发明。但是所述示例只以其特殊性解释本发明并且不局限于其特殊性。
由通过齐格勒-纳塔催化剂制成的聚丙烯(PP)、名称“MoplenHP560R”、制造商：Basell(下面称为ZN-PP)通过熔纺制成具有不同单位面积重量的无纺布，而且以这种形式，使用于形成无纺的丝的单丝细度调整到1.3dtex、1.8dtex和2.1dtex。
以“Reicofil-3”-无纺布-控制设备加工无纺布，其中使用常见的纺丝装置(纺丝头配有每米5000毛细孔，配有孔(毛细)的纺丝头面积宽度为150mm，称为“标准纺丝板”)，以及使用改型的纺丝装置，在单位纺丝头面积上具有更多的毛细孔(每米7000毛细孔，配有毛细孔的纺丝头面积的宽度为150mm，称为“可选择-纺丝板”或者简称为“7000”)。
对应于现有技术、在使用标准纺丝板产生的无纺样本称为“ZN-PPS1”至“ZN-PP S8”。由表格1给出组分、工艺条件和特征特性。
由生产设备CorovinC4(Corovin GmbH，Peine)提供的商业获得的复合无纺布的典型特性、称为“Ref 1”的基准在表格1中作为比较数据给出。
按照本发明的通过在单位面积上更多孔(毛细孔)的可选择-纺丝板加工的样本称为样本“ZN-PP A1”至“ZN-PP A3”。由表格2给出组分、工艺条件和特征特性。
通过可选择-纺丝板还生产了具有不同单位面积重量的无纺布，它们由通过金属茂催化剂制成的PP制成，商用名称“Metocene HM562S”(制造商“Basell)，称为“m-PP”。形成无纺布的丝的单丝纤度调整到1.3dtex和1.1dtex。
相应的样本称为“m-PP A1”至“m-PP A8”。同样由表格2给出组分、工艺条件和特征特性。
所加工的无纺布单位面积重量从7g/m2变化到17g/m2。
在这里所述的示例中没有添加其它的熔液添加剂或色素、如二氧化钛，尽管如此也规定，对聚合物或聚合混合物在挤出前添加熔液添加剂和/或色素。
附图：
图1示出不同单位面积重量的无纺布的透气性。
图2示出不同单位面积重量的无纺布的防水性。
图3示出不同单位面积重量的无纺布的透气性与单位面积重量的乘积。
示出无纺布的特性，它们如下区分：
图例     PP-类型                        纺丝头的毛细孔      单丝细度(dtex)
                                        密度(每米)*
◆      ZN-PP纤度2.1dtex  齐格勒-纳塔   5000                2.1
        (5000)            -PP
●      ZN-PP纤度1.8dtex                                    1.8
        (5000)
□      ZN-PP纤度1.3dtex                                    1.3
        (7000)
X       m-PP纤度1.3dtex   金属茂-PP     7000                1.3
        (7000)
*       m-PP纤度1.1dtex                                     1.1
        (7000)
附图标记解释
图1和图2示出，减小单丝纤度从趋势上改善防护性能。这能够明显地在ZN-PP S1至ZN-PP S3或ZN-PP S4至ZN-PP S8的样本上显示出来。形成无纺布的丝的丝纤度从2.1dtex减小到1.8dtex使透气性减小约15％。对于相同的单位面积重量同样提高防水性约2cm。但是更细的丝只以约30％降低聚合物熔液的产量。
如果将样本ZN-PP S1的结果与商业上相同单位面积重量的SMS-参考样本(基准1)的结果进行比较，则可以确认，后者具有明显更好的防护性能，其中差别绝对源于在SMS中通过熔吹(meltblown)制成的无纺层含量。
在使用可选择纺丝板的条件下通过由齐格勒-纳塔催化剂制成的PP加工无纺布样本ZN-PP A1至ZN-PP A3。
由于提高相同纺丝板面积中的毛细孔数量通过各个毛细孔输运更少的聚合物熔液。在给定总流量189kg/h*m时产量为0.45g/孔*min，而在使用常见的纺丝装置时高约40％(0.63g/孔*min)。减少(每孔)产量的作用是，对于其它相同的工艺条件生产更细的纤维。伴随而来的是改善无纺布的防护性能。
由此得到无纺布的透气性以约25％低于以相同总流量在使用常见的纺丝装置时可以达到的透气性。对于防水性同样以约40％提高。
ZN-PP A1至ZN-PP A3的样本特性也能够在使用通过金属茂催化剂加工的PP时证明(常见样本m-PP A1至m-PP A3)。
借助于相同单位面积重量的SMS参考样本(基准1)重新检验的结果显示出，按照本发明的无纺布的防护性能已经接近SMS的防护性能。但是SMS仍然还具有约1/3更低的透气性以及约30％更高的防水性。
因此已经提出其它的实验，用于改善无纺布的防护性能。
以这种方式生产样本m-PP A4至m-PP A8，它们使形成无纺布的纤维具有约1.1dtex的单丝纤度。这一点通过使产量降低到约0.3g/孔*min的方法实现。
由于改善的纺丝安全性已经能够通过金属茂催化剂加工PP，实现细丝。如同由表2和图1和2所示的那样，所加工的无纺布重新显著地具有改善的防护性能。
样本m-PP A4的防护性能几乎与相同单位面积重量的SMS参考样本(基准1)的防护性能相同。尤其是对应于防水性已经达到约14cm水柱的相同值。
原则上，更高的单位面积重量导致更低的透气性。因此不能相互无关地评价两种特性。为了更好的比较使透气性(AP，air permeability)与单位面积重量(BW，basis weight)相乘。
原料       纺丝装置      纤度         AP*BW(g/m*min
ZN-PP      标准          2.1dtex      约6000
ZN-PP      标准          1.8dtex      约5000
ZN-PP      选择          1.3dtex      <5000
m-PP       选择          1.3dtex      <5000
m-PP       选择          1.1dtex      <4000
在图3中图解地示出所计算的值。它表示，只有在使用按照本发明的方法的条件下才能够创造性地加工无纺布，它们具有下列的特性：防水性≥0.006x单位面积重量(BW)以及透气性(AP)x单位面积重量(BW)≤5000，优选≤4000以及单丝纤度≤1.3dtex，优选≤1.1dtex。
由此证明，在使用按照本发明的方法的条件下可以加工高产量的无纺布，它们的防护性能一般只有复合无纺布才具有，这种复合无纺布具有一层或多层通过熔吹制成的无纺层。
用于确定无纺布特性的方法
为了获得按照本发明的无纺布的特性已经引用下面的方法：
单丝纤度/单位面积重量/无纺布厚度
利用显微镜获得单丝纤度。按照下面的公式将测得的单丝纤度(微米)换算成分特(PP密度＝0.91g/cm3)。
Figure A200780043022D00131
按照DIN EN 29073-1在10 X 10cm的大样本体上确定无纺布单位面积重量(basis weight)。
以两个面平行的测量面的距离测量无纺布的厚度，在两个测量面之间无纺布处于给定的测量压力下。类似地在DIN EN ISO 9073-2描述了这种方法，其中层重125g，测量面25cm2，测量压力5g/cm2。
透气性
按照DIN EN ISO 9237测量无纺布的透气性。测量头的面积为20cm2，施加的检验压力200Pa。
水柱
根据DIN EN 20811确定防水性。检验压力的梯度10mbar/min。作为防水性的尺度以mbar水压或者cm水柱的形式给出，其中在检验面的第三位置第一水滴穿过测试材料。

Claims (24)

1.一种由聚烯烃丝制成的具有纤度<1.6dtex的无纺布，其中无纺布具有
-≤18g/m2的单位面积重量，和
-以水柱测量<15cm的防水性以及
-至少230m3/(m2·min)的透气性并且
-透气性与单位面积重量的乘积≤5000g/(m·min)。
2.如权利要求1所述的无纺布，其特征在于，所述无纺布在15cm至5cm范围的水柱时具有200m3/(m2·min)至550m3/(m2·min)范围的透气性。
3.如权利要求1或2所述的无纺布，其特征在于，透气性与单位面积重量的乘积≤4000g/(m·min)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的无纺布，其特征在于，透气性与单位面积重量的乘积在≤4000至3500g/(m·min)之间的范围。
5.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，在测量防水性时水柱为5cm至15cm。
6.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，对于无纺布，防水性/单位面积重量的商数为≥0.004m3/g。
7.如权利要求6所述的无纺布，其特征在于，对于无纺布，防水性/单位面积重量的商数为≥0.006m3/g。
8.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，所述丝具有1.0至1.5dtex的纤度。
9.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，所述无纺布特别优选具有4至18g/m2的单位面积重量。
10.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，在单位面积重量为6至18g/m2时透气性与单位面积重量的乘积为3500至5000g/(m·min)。
11.如权利要求10所述的无纺布，其特征在于，所述无纺布在单位面积重量为6至18g/m2时防水性与单位面积重量的商数≥0.006m3/g。
12.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，所述无纺布优选具有4至13g/m2的单位面积重量。
13.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，所述聚烯烃丝由聚丙烯或聚乙烯或两者混合物制成。
14.如权利要求13所述的无纺布，其特征在于，所述聚烯烃丝由烯烃聚合物制成。
15.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，所述聚烯烃丝由齐格勒-纳塔催化剂制成的聚烯烃(ZN-聚烯烃)或者由一种通过金属茂催化剂制成的聚烯烃(m-聚烯烃)或者两者的聚合物制成。
16.如权利要求15所述的无纺布，其特征在于，对于通过齐格勒-纳塔催化剂制成的聚烯烃(ZN-聚烯烃)按照水柱测量的防水性为6.8至11.7cm水柱。
17.如权利要求15所述的无纺布，其特征在于，对于通过金属茂催化剂制成的聚烯烃(m-聚烯烃)按照水柱测量的防水性为5.2至13.6cm水柱。
18.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，所述聚烯烃丝含有填充剂或者色素。
19.如权利要求18所述的无纺布，其特征在于，所述填充剂是碳酸钙并且使填充剂含量以聚合物丝为基准具有>5重量百分比的填充剂含量。
20.如权利要求18所述的无纺布，其特征在于，所述填充剂颗粒(D98)的top-cut≤10μm并且填充剂(D50)的平均颗粒尺寸最好约为2直到约为6μm。
21.如上述权利要求中任一项所述的无纺布，其特征在于，在熔纺工艺中产生的且为了无纺截取的丝以热技术和/或化学方式固化。
22.一种由至少两种无纺布层构造的层合物，其中至少一层由如权利要求1至21中任一项所述的轻质无纺布制成。
23.一种由至少两个无纺布层制成的层合物，其特征在于，所述层合物至少具有一个通过熔吹制成的无纺布层并且至少一个通过熔纺制成的无纺布层对应于如权利要求1至21中任一项所述的无纺布层。
24.使用如权利要求1至21中任一项所述的无纺布或者如权利要求22和23中任一项所述的层合物的无纺布用于加工
-人体卫生用品(绷带、卫生带、整容垫)，
-清洁布、清洗布、拖把布，
-过滤器，例如用于气体、烟雾和液体，
-伤口连接带，伤口止血带，
-缓冲材料，吸声无纺布，
-衬层材料，
-屋顶下张紧带，
-地膜，或者
-用于场地和蔬菜作物的覆盖物。
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