CN1193361A - 水可降解的多组分纤维和无纺织物 - Google Patents

水可降解的多组分纤维和无纺织物 Download PDF

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Abstract

本文涉及一种多组分纤维,其中至少一种组分能使该纤维自身粘合和与另一类纤维粘合,其中该第一种组分也可以在含水介质中降解。这类纤维可以用来形成纤维无纺织物,该织物可用作诸如医药和卫生保健用品,擦拭物和个人保健吸收性用品等最终产品的组分。

Description

水可降解的多组分纤维和无纺织物
发明领域
本发明是涉及多组分纤维。更具体地说，本发明是涉及包括双组分纤维的多组分纤维，这种纤维至少有一种组分，它能使该纤维自身粘合和与另一类纤维粘合，其中该组分在水介质中也是可以降解的。这类纤维可以用来形成纤维无纺织物，并可用作一些最终产品的组分，这些产品包括，但不限于，医药和卫生保健用品、擦拭物和个人保健吸湿性用品，诸如尿布、运动裤、失禁者用服装、卫生巾、绷带等。
发明背景
固体废物的处置在全世界正成为日益增大的问题。随着拉圾填埋坑的不断填满，就越来越要求在一次性产品中减少原材料，并更多地使用再回收利用的组分，产品的设计要使其能通过除将其送入固体废物处置设施如填埋坑之外的方法处理。
在固体废物处理方面，一次性尿布是受到特别注意的产品领域。在美国大多数尿布都是用填埋法处理。其它建议的处理方法包括，将全部或部分尿布制成可以在公共排污系统中冲走的尿布和/或使尿布的组分更能与堆肥处理及生物甲烷化技术相适应。
尿布和几乎所有的个人保健用品，在其设计中包括贴身面层、吸收性芯层和某种防止穿着者的衣服被弄脏的外层。大多数贴身层和外层都是由纤维无纺织物和/或聚烯烃和聚酯等热塑性聚合物薄膜制成的。这部分产品，特别是尿布通常必须具有相当高的完整性，以便在使用过程中能保持完好无损。但是，正是这种完整性使得其处置，例如将其丢在厕所里冲走变得非常困难。因此，要求用来制造个人保健吸收性用品等一次性制品的材料、组分和产品设计要与选择的处置技术，诸如将其丢在厕所里冲走，堆肥处理和生物甲烷化处理等更加相适应。
发明概述
本发明涉及一种多组分纤维，该纤维中包括第一组分、至少一种第二组分和需要时还包括更多的组分。第一组分能在该纤维的至少一部分上形成暴露的表面。第一组分是可以水降解的并可由各种水可降解的聚合物制成，该聚合物包括，例如，聚乙烯醇和磺化聚酯。第二组分可由能形成热塑性纤维的聚合物制成，该聚合物可以通过，例如能形成双组分纤维的设备进行挤塑。这类聚合物例子包括，但不限于聚烯烃和聚酯。如果需要，第二组分也可由水可降解的聚合物制成，虽然，如果第二种聚合物的降解速度比第一组分的降解速度慢的话，一般说来，这会更加有利。多组分纤维如双组分等可挤塑成许多种形式，其中包括，但不局限于，同心和偏心的外层/芯层构形和面/面构形。如果需要，还可在本发明的多组分纤维中加入另外一些组分，包括其它聚合物和/或添加剂。
本发明的多组分纤维可以采用加热和/或加压的方法，用第一组分作粘合剂将纤维粘合到一起，形成纤维无纺织物。该织物可以完全由本发明的纤维形成或与其它纤维共混后形成。一旦该织物形成，即可用来制成全部最终产品或部分最终产品，其中包括，但不局限于，个人保健吸收性用品。
附图简述
图1是本发明同心的外层/芯层双组分纤维的截面图。
图2是本发明偏心的外层/芯层双组分纤维的截面图。
图3是本发明面/面双组分纤维的截面图。
发明详述
本发明涉及一种多组分纤维，诸如双组分纤维，它包括第一组分和第二组分。仅为例证起见，本发明将对双组分纤维进行叙述。然而，应该理介，本发明的范围是指带有两种或多种组分纤维，因此称为“多组分”纤维。第一组分至少有两种功能。第一种功能是在双组分纤维的表面提供一个暴露面，使纤维能够互相热粘合，此纤维可以与本发明的纤维相同，也可不同。第二种功能是，本发明双组分纤维中的第一组分必须是在水介质中能降解的。因此，本发明的双组分纤维可以用来形成热粘合的纤维无纺织物。那么，当该织物暴露在如便池的水等含水介质中时，由第一组分引起的纤维-纤维粘合将会充分降解，以致纤维-纤维的粘合会因此而断离，使纤维无纺织物失去它的完整性，并断裂成小片或各自的纤维。
第二组分是另一种形成纤维的聚合物，与第一组分相比，该聚合物在含水介质中的可降解性较低或完全不可降解。一般说来，第二组分的目的是为纤维提供稳定性，使其形成无纺织物。
参见图1～3，本发明的双组分纤维10有两种或多种组分，其中包括第一组分12和第二组分14，第一组分是“水可降解的”。因此，这就是说，当双组分纤维10中的第一组分12暴露在一种含水液体中时，该含水液体包括诸如便池中那样的普通水，或暴露在可能已经加入了缓冲剂、碱性或酸性组分或络合物的含水混合物中时，由第一组分所形成的纤维之间的粘合便会充分弱化，以致纤维本身会开始断裂，若有必要，可用搅拌方法使其断裂。为了加强粘合效果，第一组分12的熔化温度或软化温度要低于第二组分的熔化温度或软化温度。此外，如图1～3所示，第一组分一般沿纤维10的纵向轴线至少会形成一部分纤维10的暴露面。为第一组分提供这种暴露面的纤维横截面包括，但不限于，图1所示的同心的外层/芯层构形、图2所示的偏心的外层/芯层构形和图3所示的面/面构形。其结果是，第一组分是起到将纤维粘合到一起的粘合剂作用，第二组分则为纤维提供结构上的稳定性并最后形成无纺织物。
第二组分14是熔化温度或软化温度比第一组分12高的一种聚合物，因此，当采用热粘合法来使双组分纤维粘合到一起时，第一组分12是实现纤维内部粘合的主要材料。为了达到此目的，一般都希望第二组分的熔化温度/软化温度至少比第一组分12高10℃。在性质上较为结晶的聚合物或聚合物的共混物或具有特定的熔化温度，或具有非常窄的熔化温度范围。其它聚合物是较为无定形的，因此，在较宽的温度范围内将会熔化或软化。较为结晶的聚合物，其熔化温度可按ASTM试验方法E-794-85用差示扫描热量法(DSC)来测定。对于较为无定形的聚合物来说，其软化温度，或某种特殊聚合物、共聚物或共混物的软化温度范围可用ASTM(维卡软化点(Vicat))试验法D-1525(1993)来测定。因此，当选择用于制作第一和第二组分的聚合物时，第一组分12的熔化温度或软化温度范围中的最高温度应至少比第二组分14的熔化温度或软化温度范围中的最低温度低10℃。因此，当双组分纤维发生粘合时，只要粘合温度/条件不在第二组分的熔化温度范围内，则大部分的纤维之间粘合将是通过第一组分，而不是通过第二组分来完成。普通用作芯层或第二组分的例子包括，但不局限于，聚醌和聚烯烃，诸如聚乙烯和聚丙烯。选择第二组分14时的另一因素是，从粘合角度看它必须与第一组分充分相容，一旦纤维10已经形成，两种组分就不致于过渡地彼此分离。对于面/面的纤维构形，情况尤其如此，因为几乎没有或根本没有像偏心的和同心的外层/芯层的纤维构形那样，一种组分被另一种组分包封。
一般说来，选择来作第一组分12的材料会比第二组分14贵很多。因此，在形成该纤维时一般都希望尽可能少用第一组分，以便降低成本。为了进一步降低成本，最好在纤维无纺织物中使用另一种成本较低的纤维，以结合成本发明的双组分纤维。因此，在混合纤维时，应该这样来选择纤维，即本发明双组分纤维中第一组分的熔点/软化点是无纺织物中所用的所有纤维聚合物中最低的。
如上所述，第一组分必须是可以进行热粘合的材料，以便能形成纤维无纺织物。如上所述，第一组分也必须是水可降解的。许多聚合物在诸如自来水等基本上干净的水中都是水可降解的，这些水的pH值一般在约6.5～8.5这个范围内。因此，如果纤维无纺织物是按本发明由水可降解双组分纤维制成的话，那么这种无纺织物很可能是适用于接触很少水或不与水接触的地方。那么，在使用后就可将其放入水中，这样其外层能分解，并且纤维无纺织物能断离。在其它用途中，用本发明水可降解双组分纤维制成的纤维无纺织物在使用过程中可能会暴露到足够量的含水液体中，这样，第一组分就会开始降解并过早断离。诸如尿布，失禁者用服装、运动裤和温擦拭物等个人保健吸湿性用品都是这种产品的例子，该产品均可能会遇到这种问题。为了解决或缓解这个问题，作为第一组分所选用的聚合物在含水环境中当pH值发生变化、被溶解的离子浓度发生变化和/或温度发生变化时应是敏感的或变成可降解的。
如下面将更详细叙述的，某些第一组分聚合物具有当其暴露在足够数量的，处于某一定pH值范围内的水中时才是水可降解的。在这个范围之外，这些聚合物就不会降解。因此，有可能选择对pH敏感的第一组分聚合物，该聚合物在一种含水液体中或在某一pH值范围内的液体中，例如在pH值为3～5的液体中将是不可降解的，但在普通自来水的pH范围内又是可降解的。参见例如Eichel等人的美国专利U.S.PatentNo.5,102,668，全部引此以供参考。
能用于引发水可降解度的另一机理是离子的灵敏度。某些聚合物中含有酸基(R-COO)组分，这些组分由氢键使其结合到一起。在干燥状态下，这些聚合物仍是固体。在阳离子浓度相当高的诸如尿的含水液体中，该聚合物将仍然保持相当的完整性。但是，当同一聚合物后来暴露在离子含量较少的较大量的水中时，诸如暴露在便池的水中时，阳离浓度将下降，氢键将开始断裂。当发生这种情况时，该聚合物本身就开始在水中断裂。参见例如Varona的U.S.Patent No.4,419,403，全部引此以供参考。
使聚合物可在水中降解的另一种方法是通过温度的变化。某些聚合物具有浊点。因此，这些聚合物会在某一特定温度下，即在浊度从溶液中沉淀出来。这些聚合物可用来制成纤维，该纤维在高于某一特定温度的水中是不溶的，但在温度较低的水中是可溶的并因此而成为可降解的。因此，有可能选择或共混一种聚合物，该聚合物在体温或接近体温(37℃)的体液诸如尿中不会降解，但在室温或低于室温(23℃)下，当其置于水中时则会降解。这种聚合物的例子是聚乙烯甲醚，它的浊点为34℃。当这种聚合物在37℃的体液如尿液中时，它不会降解，因为这个温度高于它的浊点(34℃)。但是，如果在室温(23℃)下将该聚合物置于水中，该聚合物将变成溶液状态，因为它现在是在低于它的浊点温度下与水接触。因此，该聚合物将开始降解。
第一组分聚合物可以按照聚合物在特定的流体环境中的稳定性来分类，这些环境条件是：低体积的水或体液，经调节好的pH值(诸如在湿擦拭物的贮存溶液或缓冲体系中)；阳离子强度高的溶液(例如，婴儿或成人的尿和月经)和不同的温度条件(例如，体温与室温或较冷的自来水温度关系)。
参见表1，在含水量低的溶液环境中(例如内裤衬里，轻度失禁者用品和婴儿或成人擦拭物)能保持稳定的第一组分聚合物例子是由明尼苏达Vadnais Heights的H.B.Fuller公司供应的NP2068、NP2074或NP2120聚酰胺。Fuller公司的材料是脂族聚酰胺，该材料能完全溶于冷水中，其纤维纺织方法与低密度聚乙烯非常相似。其它能在含水混合物或便池水中降解的聚合物是由日本大阪日本合成化学有限公司供应的聚(乙烯醇)接枝共聚物，代码为Ecomaty A×2000、A×10000和A×300G。日本的聚合物是可溶于冷水中的，但其溶解速度比Fuller的聚合物稍慢。还有另一种第一组分聚合物是聚醚嵌段酰胺，代码为PebaxM×1074、由宾夕法尼亚州费城的Atochem(USA)公司供应。PebaxM×1074聚合物由ε-己内酰胺(尼龙12)和四甲撑乙二醇单体组成。这些单体可聚合成一系列聚醚酰胺嵌段共聚物。Pebax聚合物不是水溶性的，但它是遇水可膨胀的，因此，也可以用于含水量较高的环境中。Fuller聚合物可以和软化温度或熔化温度至少为约高10℃的第二组分(芯层)聚合物配套使用，正如聚丙烯的情况。日本或Atochem的聚合物可以与诸如聚丙烯或聚(对苯二甲酸丁酯)等熔化温度范围较高的第二组分聚合物配套使用。
                 表  I
           双组分纤维的外层聚合物聚合物          熔流指数*    差示扫描热量仪    配套用芯层聚合物类型            或粘度        软化温度(范围)H.B.Fuller      410Pa.s       142℃-158℃       聚丙烯代码NP-2120     @204℃H.B.Fuller      95Pa.s        128℃-145℃       聚丙烯代码NP-2068     @204℃H.B.Fuller      290Pa.s       133℃-145℃       聚丙烯代码NP-2074     @204℃ATOCHEM         MFR＝1-3      158℃             聚对苯二甲酸丁酯PEBAX MX1074    (融流指数)Nippon-Gohsei   MFR＝100      180℃             聚对苯二甲酸丁酯ECOMATY AX10000Findley 共混物  200Pa.s       117℃             聚乙烯N-10，          @140℃丙烯酸酯/丙烯酸或甲基丙烯酸Findley共混物   370Pa.s       131℃             聚丙烯H-10，          @160℃丙烯酸酯/丙烯酸或甲基丙烯酸Findley共混物   30Pa.s         ——                          ——X-10，          @190℃丙烯酸酯/丙烯酸或甲基丙烯酸Eastman        300Pa.s       120℃-130℃        聚乙烯代码 AQ38S     @200℃*ASTMD试验方式(对聚乙烯为2.16kg 载荷 190℃)
在特定pH范围，例如在pH3-5范围内能稳定的第一组分聚合物可以是由威斯康星Wilwau-Ree州的Findley粘合剂公司供应的代码为N-10、H-10或X-10的丙烯酸酯/丙烯酸或甲基丙烯酸共聚物和共混物。Findley材料在人体pH条件下(或按人体液经缓冲调制)是稳定的，但在便池水中，在大量水冲刷的过程中就会很快破裂，因使pH值趋于中和。Findley聚合物可以与熔化温度较高的聚乙烯或聚丙烯等第二组分聚合物配套使用。
在阳离子浓度高的溶液环境中(例如婴儿或成人尿和月经)稳定的第一组分聚合物可以是由纳西州Kingsport的Eastman化学公司供应的化码为AQ29、AQ38、或AQ55的磺化聚酯。Eastman AQ38聚合物由89％(摩尔)间苯二甲酸、11％(摩尔)硫化间苯二甲酸钠、78％(摩尔)二乙二醇、和22％(摩尔)1，4一环乙烷二甲醇组成。该聚合物的标称分子量为14,000道尔顿，酸的数目少于2，羟基数少于10，玻璃转化温度为38℃。其它的例子可以是聚乙烯醇共混物或聚乙烯醇与聚丙烯酸或甲基丙烯酸共混的共聚物，或聚乙烯甲基醚与聚丙烯酸或甲基丙烯酸的共混的共聚物。Eastman聚合物在高阳离子溶液环境中是稳定的，但在冲刷(过量水)时的便池水中，因降低了阳离子浓度便会迅速破裂。Eastman聚合物可以与诸如聚乙烯等熔化温度较高的第二组分聚合物配套使用。
在体温(37℃)下能保持稳定的第一组分聚合物可以是其“浊点”为体温或接近体温的任何聚合物。浊点或反向溶解度温度通常是“引发”物理状态如水溶解度发生变化的有用特性。例如，聚乙烯甲基醚的浊点温度为34℃，高于此温度它就不再是水溶性的，但在室温(接近23℃)下它是完全水可降解的。聚乙烯甲基醚的共混物也是如此。聚乙烯甲基醚可以与诸如聚乙烯等熔化温度较高的第二组分聚合物配套使用。
双组分纤维的制备方法是众所周知的，在此没有必要做详细描述。为了形成双组分纤维，一般说来，是将两种聚合物分别挤塑，然后送入聚合物分配系统，在其中将聚合物引向分段抽丝板。聚合物沿分开的流道进入纤维抽丝头并在抽丝头的孔中结合，该抽丝头孔或包含两个同心圆孔，因而能提供一种外层/芯层型的纤维，或只有一个圆形抽丝孔，该孔沿直径分成两部分，因而能提供一种面/面型的纤维。然后对结合在一起的聚合物长丝进行冷却、固化和抽丝，抽丝时一般是采用机械滚筒系统，将长丝抽成中等的直径，然后收集起来。接着，在低于长丝的软化温度下将长丝“冷抽丝”，使其成为所希望的最终纤维直径并进行卷曲/纹饰处理，最后切成所需的纤维长度。双组分纤维可以切成相当短的长度，诸如切断纤维，其长度一般为25～51mm，和短切纤维，这种纤维的长度更短，一般短于18mm。参见，例如，Taniguchi等人的U.S.PatentNo.4,789,592和Strack等人的U.S.Patent No.5,336,552，该两项专利在此全部引入仅供参考。
纤维无纺织物可以完全由本发明的纤维制成或与其它纤维共混制成。纤维的长度取决于具体的最终用途。如果该纤维是要在水中，例如在便池中降解，那么纤维的长度为约15mm，或小于约15mm是有利的。
本发明的水可降解双组分纤维可以用来制成多种用途的纤维无纺织物。因此，在此所举的例子不应理解为对本发明的限制。
个人保健吸收性用品包括，诸如尿布、运动裤、如卫生巾、内裤衬里和棉塞等妇女卫生用品、失禁者用服装和用品、绷带等制品。所有这类制品的基本设计一般均包括贴身面层，外层以及贴身面层和外层之间的吸收性芯层。一般说来，贴身面层和外层的四周是密封的，以便将吸收性芯层封在里面，这样就能保持住吸收性芯层中的流体。根据特殊的个人保健吸收性用品的设计要求，还可包括其它组分。所以，该制品可以包括诸如弹性的体侧软垫、流体容纳挡片、系紧件和其它流体转移或保存材料层。在合适的地方，含有这种水可降解双组分纤维的纤维无纺织物可以用来制成全部或部分上述组分。
本发明纤维和无纺织物的其它潜在用途包括，但不局限于，湿的和干的擦拭物、服装制品和其它任何要求具有水可降解特性的无纺织物或组合物。
根据上述本发明的各种参数，制成若干水可降解双组分纤维和无纺织物样品。实例1
在例1中，用高密度聚乙烯芯层和磺化聚酯外层按50/50的重量比制成外层/芯层水可降解的双组分纤维。芯层聚合物是芬兰Espoo的Neste oy公司生产的NCPE 1961高密度聚乙烯，其熔化温度范围为140～150℃。外层聚合物是田纳西Kingsport的Eastman化学公司生产的AQ38S磺化聚酯，其熔化温度范围为120～130℃。该纤维由双组分纤维制成，起始时纤维直径为6dtex，然后在50～60℃下冷抽丝，使其最终直径变成4dtex。该纤维在气密箱中进行机械卷曲，然后切成6mm长的纤维。过程中也使用肉豆莞酸异丙酯纺丝上光剂。
一旦纤维已形成，就按50/50的重量比将它们通过气流搓捻法捻到一起，该重量比按织物的总重量计，纤维无纺织物的基重为25～30g/m2(gsm)，其中掺有三种其它1.7dtex×6mm纤维中的一种。三种其它纤维包括；特拉华Wilmington杜邦纤维公司的聚酯纤维；瑞士Domat/Ems的EMS Grilon公司的聚酯纤维和英国考文垂的Courtaulds有限公司的人造纤维。所有三种织物都用两步粘合法来粘合。在粘合共混人造纤维/水可降解双组分纤维织物的第一步中，纤维是在130℃下通过气流来粘合，然后，在90℃下，用粘合面积约为15％的一对粘合花辊进行对点粘合。共混聚酯/水可降解纤维织物在相同的温度下进行粘合，但是，含杜邦聚酯纤维的织物粘合不理想，因为该聚酯纤维的收缩率太大。其它两种发生粘合的织物的纤维通过磺化聚酯外层组分形成了纤维-纤维的粘层。将该织物置于室温的水中并进行搅拌时，纤维的粘合便会降解，织物就会断裂。实施例II
在例II中，用下述芯层制成第二种外层/芯层水可降解的纤维，该芯层由德国杜塞尔多夫Veba AG公司的子公司Hull，GmbH的Vestodur1000聚(对苯二甲酸丁酯)聚合物制成。对苯二甲酸丁酯聚合物的熔化温度为250℃。水可降解的外层由日本大阪日本合成化学有限公司的聚(乙烯醇)A×2000制成。它的熔化温度为225℃。和例1中的纤维一样，外层/芯层聚合物的重量比也是50/50。该纤维在130℃下首先拉至14dtex，然后冷拉至5dtex。形成之后，该纤维进行机械卷曲，然后切至6mm长。纤维用同样的肉豆莞酸异丙酯纺丝上光剂。
水可降解的外层/芯层双组分纤维再次与例1中所用的Ems Grilon聚酯纤维和Courfaulds人造纤维共混，聚酯和双组分纤维共混物与人造纤维/双组分纤维的比例为50/50％(重量)。这两种经气流搓捻的织物的基重为25～30gsm。由于设备的局限性，两种基料的粘合未能成功。尽管这样，双组分纤维的聚乙烯醇外层在水中还是降解成为泥浆状的物质。
对本发明已作了详细的描述，但很明显，在不违背下述权利要求特征和范围的情况下还可对本发明作各种改进和改变。

Claims (17)

1.一种多组分纤维，该纤维包含：
一种第一组分和至少一种第二组分，该第一组分在所述纤维的至少一部分上形成暴露表面，第一组分是水可降解的。
2.权利要求1的多组分纤维，其中所述纤维具有外层/芯层构形，所述外层由第一组分形成。
3.权利要求1的多组分纤维，其中所述纤维具有面/面构形。
4.权利要求1的多组分纤维，其中所述第二组分是一种能形成热塑性纤维的聚合物。
5.权利要求4的多组分纤维，其中所述能形成热塑性纤维的聚合物是聚烯烃。
6.权利要求4的多组分纤维，其中所述能形成热塑性纤维的聚合物是聚酯。
7.权利要求4的多组分纤维，其中所述第一组分是聚(乙烯醇)。
8.权利要求4的多组分纤维，其中所述第一组分是磺化聚酯。
9.一种包含多根纤维的无纺织物，该多根纤维的至少一部分包含权利要求1的多组分纤维。
10.一种包含权利要求9的无纺织物的个人保健吸收性用品。
11.一种包含权利要求9的无纺织物的擦拭物。
12.一种包含权利要求9的无纺织物的尿布。
13.一种包含权利要求9的无纺织物的运动裤。
14.一种包含权利要求9的无纺织物的失禁者用服装。
15.一种包含权利要求9的无纺织物的卫生巾。
16.一种包含权利要求9的无纺织物的内裤衬里。
17.一种包含权利要求9的无纺织物的绷带。
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