CN1338014A - 高的湿松密度的纤维素纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有高的湿松密度的纤维素纤维和它们的制备方法。在一个实施方案中,本发明提供用乙二醛和任选的二醇催化交联的纤维素纤维。在另一实施方案中,纤维素纤维用乙二醛和从乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛缩合物和它们的混合物中选择的乙二醛衍生树脂的结合物交联。

Description

高的湿松密度的纤维素纤维
发明领域
本发明一般涉及纤维素纤维，更具体地说，涉及具有高湿松密度的交联的纤维素纤维。
发明背景
纤维素纤维是吸收性产品如尿布的基本组分。虽然是吸收性的，但是纤维素纤维倾向于保留所吸收的液体和因此削弱了液体获取率。在吸收性产品中的湿纤维素纤维无能力进一步获取液体和将液体分配到远离液体接触部位的位置，这能够导致与液体吸收有关的纤维松密度的损失。松密度是纤维复合材料的性能，与所述复合材料的网状结构有关。复合材料芯吸和分配液体的能力一般取决于复合材料的松密度。复合材料在随后的接触中进一步获取液体的能力将取决于复合材料的湿松密度。从纤维素短纤桨(具有极高空隙容积的纤维素纤维的一种形式)制得的吸收性产品在获取液体之后损失松密度和进一步芯吸和获取液体的能力，引起局部饱和。
与未交联的纤维相比，交联的纤维素纤维通常具有增强的湿松密度。增强的松密度是交联赋予纤维硬挺度、扭曲和卷曲的结果。因此，理想的是将交联的纤维引入到吸收性产品中以增强它们的松密度和液体获取率和减少再润湿性。
因为在理想的情况下，吸收性产品快速获取液体、有效地分配液体到远离接触部位的位置、在随后的接触中继续获取液体、并具有低的再润湿性，因此仍然需要湿松密度足以达到这些理想性质的纤维素纤维。本发明意图满足这些需要和提供其它相关的优点。
发明概述
在一个方面，本发明提供具有高的湿松密度的个体化(individualized)纤维素纤维。本发明的高湿松密度的纤维素纤维是用乙二醛交联的纤维素纤维。在一个实施方案中，纤维素纤维优选用乙二醛和丙二醇的结合物进行催化交联。在另一实施方案中，所述纤维用乙二醛和乙二醛衍生树脂的结合物来交联，所述树脂选自乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛/多元醇缩合物和环脲/乙二醛缩合物。
在本发明的另一方面，提供了制备高的湿松密度的纤维素纤维的方法。在这些方法中，纤维素纤维的纤维质基料用乙二醛交联结合物处理，湿纤维化，然后干燥和固化，以提供具有高的湿松密度的个体化纤维素纤维。通常，由本发明的方法制备的纤维在0.6kPa下具有高于约20cc/g的湿松密度，或其湿松密度比市场上可买到的高松密度纤维高至少约30％，优选高至少约50％。
优选实施方案的详细说明
本发明提供具有高湿松密度的纤维素纤维和它们的制备方法。本发明的高湿松密度纤维具有比市场上可买到的高松密度纤维高至少约20％、优选至少约30％和更优选约50％的湿松密度。本发明的纤维在0.6kPa下具有高于约20cc/g、优选高于22cc/g和更优选高于约25cc/g的湿松密度。
这里使用的术语“松密度”是指在0.6kPa的负荷下由气流铺敷的1.0g短纤桨占据的体积(单位：立方厘米，cc)。术语“湿松密度”是指在短纤桨用水润湿之后在0.6kpa的负荷下由1.0g(干重)的短纤桨占据的体积(单位：立方厘米，cc)。在负荷下的湿松密度是在0.6kPa下由FAQ测量并按以下所述以cc/g记录的。
本发明提供具有高的湿松密度的个体化纤维素纤维。本发明的高湿松密度的纤维素纤维是用乙二醛交联的纤维素纤维。这里使用的术语“用乙二醛交联的纤维素纤维”是指已用这里所述的乙二醛交联结合物处理过的纤维素纤维。
在一个实施方案中，本发明提供用乙二醛和任选的二醇催化交联的纤维素纤维。合适的二醇包括乙二醇、二甘醇、丙二醇和一缩二丙二醇。丙二醇是优选的二醇。交联用的催化剂包括强无机酸的铝盐和/或水溶性α-羟基羧酸。在一个优选实施方案中，所述铝盐是硫酸铝且所述羧酸是柠檬酸。
需要交联的纤维素纤维用乙二醛、任选的二醇和一种或多种催化剂的水溶液处理。该纤维用有效量的乙二醛、二醇和催化剂处理以达到这里所述的湿松密度的增强。通常，该纤维用约3-约6wt％乙二醛、至多约2wt％二醇、约0.1-约2wt％铝盐和约0.1-约2wt％羧酸处理，这些重量百分比均基于被处理的纤维的总重量。在一个优选实施方案中，纤维用大约3.94wt％乙二醛、大约0.52wt％丙二醇、大约1.34wt％硫酸铝和大约1.56wt％柠檬酸处理，这些重量百分比均基于被处理的纤维的总重量。从这一结合物制得的纤维的湿松密度是按以上所述测定的并与市场上可买到的高松密度纤维进行比较。这些交联的纤维显示出比商购高松密度纤维有47wt％的湿松密度的增强。结果总结在下表1中。
在本发明的另一实施方案中，提供了用乙二醛和乙二醛衍生树脂的结合物交联的纤维素纤维。该乙二醛衍生树脂包括乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛/多元醇缩合物和环脲/乙二醛缩合物。
通过将乙二醛与邻近多元醇反应能够制备乙二醛/多元醇缩合物。这些乙二醛/多元醇缩合物、取代的环状双-半缩醛和它们的制备方法被描述在US专利4,537,634；4,547,580；和4,656,296中；这些专利各自被引入这里作参考。优选的乙二醛/多元醇缩合物能够从多元醇如葡聚糖、甘油、单硬脂酸甘油酯、丙二醇、抗坏血酸、异抗坏血酸、山梨酸、抗坏血酸棕榈酸酯、抗坏血酸钙、山梨酸钙、山梨酸钾、抗坏血酸钠、山梨酸钠、食用脂肪或油或食用脂肪形成用酸的甘油一酯、肌醇、酒石酸钠、酒石酸钾钠、单癸酸甘油酯、山梨糖单甘油柠檬酸酯、聚乙烯醇和它们的混合物制备。其它合适的多元醇包括，但不限于，α-D-甲基葡糖苷、山梨糖醇、右旋糖和它们的混合物。
在一个优选实施方案中，所述乙二醛/多元醇缩合物能够以SEQUAREZ 755商品名从Sequa Chemicals，Inc.，Chester，SC购买。
环脲/乙二醛/多元醇缩合物能够通过乙二醛、至少一种环脲和至少一种多元醇的反应来制备。这些缩合物和它们的制备方法被描述在US专利4,455,416；4,505,712；和4,625,029中；这些专利各自被引入这里作参考。优选的缩合物能够从包括嘧啶酮和四氢嘧啶酮在内的环脲制备，如乙撑脲、亚丙基脲、乌龙、四氢-5-(2-羟乙基)-1，3，5-三嗪-2-酮、4，5-二羟基-2-咪唑啉酮、4，5-二甲氧基-2-咪唑啉酮、4-甲基-乙撑脲、4-乙基乙撑脲、4-羟乙基亚乙基脲、4，5-二甲基乙撑脲、4-羟基-5-甲基亚丙基脲、4-甲氧基-5-甲基亚丙基脲、4-羟基-5，5-二甲基亚丙基脲、4-甲氧基-5，5-二甲基亚丙基脲、四氢-5-(乙基)-1，3，5-三嗪-2-酮、四氢-5-(丙基)-1，3，5-三嗪-2-酮、四氢-5-(丁基)-1，3，5-三嗪-2-酮、5-甲基嘧啶-3-烯-2-酮、4-羟基-5-甲基嘧啶酮、4-羟基-5，5-二甲基嘧啶-2-酮、5，5-二甲基嘧啶-3-烯-2-酮、5，5-二甲基-4-羟基乙氧基嘧啶-2-酮等等，和它们的混合物；和5-烷基四氢嘧啶-4-烯-2-酮，其中该烷基包括1到4个碳原子，如5-甲基四氢嘧啶-4-烯-2-酮、4-羟基-5-甲基四氢嘧啶-2-酮、4-羟基-5，5-二甲基四氢嘧啶-2-酮、5，5-二甲基-4-羟基乙氧基四氢嘧啶-2-酮和它们的混合物。优选的环脲是4-羟基-5-甲基四氢嘧啶-2-酮。优选的缩合物包括多元醇，如乙二醇、二甘醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、具有通式HO(CH2CH2O)nH的聚乙二醇(其中n是1-约50)、甘油等和它们的混合物。其它合适的多元醇包括葡聚糖、单硬脂酸甘油酯、抗坏血酸、异抗坏血酸、山梨酸、抗坏血酸棕榈酸酯、抗坏血酸钙、山梨酸钙、山梨酸钾、抗坏血酸钠、山梨酸钠、食用脂肪或油或食用脂肪形成用酸的甘油一酯、肌醇、酒石酸钠、酒石酸钾钠、单癸酸甘油酯、山梨糖单甘油柠檬酸酯、聚乙烯醇、α-D-甲基葡糖苷、山梨糖醇、右旋糖和它们的混合物。
在一个优选实施方案中，所述环脲/乙二醛/多元醇缩合物能够以商品名SUNREZ 700M从Sequa Chemicals，Inc.购买。
环脲/乙二醛缩合物能够按照以上对于环脲/乙二醛/多元醇缩合物一般描述的方法由乙二醛与环脲反应来制备。合适的环脲包括以上指出的那些。
在一个优选实施方案中，所述环脲/乙二醛缩合物能够以商品名SBQUAREZ 747从Sequa Chemicals，Inc.购买。
需要交联的纤维素纤维用乙二醛和乙二醛衍生树脂的水溶液处理。该纤维用有效量的乙二醛和乙二醛衍生树脂处理，以实现这里所述的湿松密度的增强。通常，该纤维用大约2-大约8wt％乙二醛和大约2-大约8wt％乙二醛衍生树脂处理，这些重量百分比均基于被处理纤维的总重量。在一个优选的实施方案中，该纤维用大约5wt％乙二醛和大约5wt％乙二醛衍生树脂处理，这些重量百分比均基于被处理纤维的总重量。使用代表性的环脲/乙二醛/多元醇缩合物(即，SUNREZ700M)从这一结合物制备的纤维的湿松密度可按以下所述来测定并与市场上可买到的高松密度纤维对比。这些交联的纤维与商购高松密度纤维相比显示出了60％的湿松密度增强。结果总结在下表1中。
正如以上所指出的那样，本发明涉及交联的纤维素纤维。虽然可以从其它来源获得，但是纤维素纤维主要从木质纸浆形成。与本发明一起使用的合适的木质纸浆纤维能够从众所周知的化学方法如硫酸盐和亚硫酸盐制浆方法在有或没有后续漂白操作的情况下获得。该纸浆纤维也可通过热-机械方法、化学-热-机械方法或两者的结合来加工。优选的纸浆纤维是通过化学方法生产的。研磨过的木纸浆纤维、回收再利用或次生木纸浆纤维、经漂白和未漂白的木质纸浆纤维都能使用。优选的起始原料是从长纤维针叶树材如美国长叶松、花旗松、云杉和铁杉制备的。生产木质纸浆纤维的具体过程是所属领域中那些技术人员已知的。这些纤维可从许多公司商购，其中包括WeyerhaeuserCompany。例如，本发明可利用的从美国长叶松生产的合适纤维素纤维可以商品名CF516、NF405、PL416、FR516和NB416从WeyerhaeuserCompany获得。
用于本发明中的木质纸浆纤维也能够在被本发明使用之前进行预处理。这一预处理可包括物理处理如对该纤维进行汽蒸，或化学处理。
虽然不被认为是限制，预处理纤维的例子包括在纤维中施加阻燃剂，和改性纤维的表面化学性质的表面活性剂或其它液体，如水或溶剂。其它预处理包括抗微生物剂、颜料、和致密化剂或软化剂的引入。用其它化学品如热塑性和热固性树脂预处理过的纤维也可使用。各种预处理方式的结合也可使用。
本发明的交联纤维能够通过对纤维素纤维毡片或纤维质基料施加以上所述的乙二醛交联结合物；在成纤器中将处理过的纤维质基料分离成单独的基本上完整的纤维；然后将单独的处理过的纤维加以干燥和固化得到具有高湿松密度的乙二醛交联纤维来制备。
一般而言，本发明的纤维素纤维可通过在US专利No.5,447,977(授权于Young，Sr.等人)中描述的系统和装置来制备，该专利以其全文引入这里作参考。简单地说，该纤维通过包括以下设备的系统和装置来制各：用于输送纤维素纤维的毡片通过纤维处理区的传输装置；在纤维处理区中将来自供料源的处理物质如乙二醛交联结合物施加到纤维上的洒施器；用于将构成毡片的单根纤维素纤维完全分离以形成由基本上完整的纤维素纤维组成的纤维产品的成纤器；和连接到成纤器上用于闪蒸残留水分和固化交联剂以形成干燥和固化的个体化交联纤维的干燥器。
这里使用的术语“毡片”是指包括纤维素纤维或不是以共价键结合在一起的其它纤维的任何非织造的片状结构。该纤维包括从木质纸浆或其它来源获得的纤维，所述其它来源包括棉屑、大麻纤维、禾本科干草、蔗渣、稻壳、玉米秸秆或可铺成片材的纤维素纤维的其它合适来源。纤维素纤维的毡片优选处于延伸片形，并可以是各种尺寸的许多种成捆片材中的一种或可以是连续的卷材。
各纤维素纤维毡片通过传输装置例如输送带或一系列从动辊来输送。该传输装置携带毡片通过该纤维处理区。
在该纤维处理区中，乙二醛交联结合物被施加到该纤维素纤维上。通过使用本领域已知的许多方法中的任何一种，包括喷涂、辊涂或浸涂，将该交联结合物优选施涂到毡片的一个或两个表面上。一旦该交联结合物被施加到毡片上，该交联结合物可均匀分布在整个毡片中，例如通过让毡片通过一对辊来使交联结合物均匀分布。
在纤维用交联剂处理之后，被浸渍的毡片可通过进送该毡片穿过锤磨机来纤维化。所述锤磨机用于将毡片分离成其组分单根纤维素纤维，然后吹入干燥器中。在一个优选实施方案中，该纤维毡片进行湿纤维化。
干燥器发挥两个连续的功能；首先从纤维中脱除残留水分，然后固化乙二醛交联结合物。在一个实施方案中，所述干燥器包括用于接收纤维和利用快干方法从纤维中脱除残留水分的第一干燥区，和用于固化该交联剂的第二干燥区。另外，在另一实施方案中，也可将处理过的纤维吹过快干区以除去残留水分，然后转移至烘箱中，在其中将处理过的纤维进行后续固化。总而言之，处理过的纤维在足够的温度下被干燥和然后固化足够的时间来进行交联。典型地，该纤维被烘干和在150℃下固化大约15-20分钟。对于乙二醛/二醇结合物，固化时间优选是大约15分钟，对于乙二醛/乙二醛衍生树脂结合物，固化时间优选是大约20分钟。
用本发明的乙二醛交联结合物交联的纤维素纤维的湿松密度可使用下面的程序在0.6kPa下通过纤维吸收性质(FAQ)分析器(Weyerhaeuser Co.，Federal Way，WA)测定并以cc/g记录。
在该程序中，将纸浆纤维的4g样品穿过销磨机以打开纸浆，然后将其气流铺敷入管中。然后将管放入FAQ分析器中。然后将柱塞以0.6kPa的压力降落在短纤垫料片上，然后测定在垫料片高度方向上的松密度。增加重量以达到2.5kPa的压力，重新计算松密度。结果，在两种不同的压力下，在干燥短纤桨上有两个松密度测量值。在2.5kPa压力下的同时，水被引入到管的底部(垫料片的底部)。测量水到达柱塞所需的时间。由此测定吸收时间和吸收率。还测量在2.5kPa下湿垫料片的最终松密度。然后从管中取出所述柱塞，让湿垫料片膨胀60秒。将该柱塞再次在0.6kPa下使用并测定松密度。湿垫料片在0.6kPa下的最终松密度被认为是纸浆产品的湿松密度(cc/g)。
在下表1中，本发明的用乙二醛交联的纤维素纤维的湿松密度与市场上可买到的高松密度纤维(Columbus MF，Weyerhaeuser Co.，用柠檬酸交联的纤维)的湿松密度对比。在表1中，％增强是指与市场上可买到的高松密度纤维相比而言所增加的湿松密度。
           表1.用乙二醛交联的纤维的湿松密度的增强
交联结合物     湿松密度(cc/g，在0.6kPa下) ％增强
    乙二醛/二醇     24.9     47
    乙二醛/乙二醛衍生树脂     27.3     60
    柠檬酸     17.0     -
正如表中所示，与商购高松密度纤维相比，本发明的用乙二醛交联的纤维素纤维显示出显著增加的湿松密度。
类似地用包括代表性的乙二醛/多元醇缩合物(即SEQUAREZ 755)的乙二醛结合物交联的纤维素纤维的湿松密度给出在下表2中。在这些实施方案中，通过用结合物交联来获得交联的纤维，该结合物包括基于纤维总重量的大约6wt％乙二醛和大约5wt％乙二醛/多元醇缩合物。在表2中，湿松密度作为固化温度和时间的函数给出。
          表2.用乙二醛交联的纤维的湿松密度
固化温度/时间       湿松密度(cc/g)
    300°F     320°F     340°F
    1分钟     21.4     22.7     22.7
    3分钟     23.0     23.1     24.0
    5分钟     23.4     23.9     23.9
如表2中所示，湿松密度通常随着固化温度和固化时间的增加而提高。结果显示，本发明的乙二醛交联结合物与市场上可买到的高松密度纤维相比在更低的固化温度下提供高松密度纤维，为了达到最高纤维松密度，它在大约380°F下交联。
本发明的高湿松密度纤维素纤维能够有利地被引入到吸收性复合材料中以赋予该复合材料以湿松密度。该复合材料可进一步包括其它纤维如短纤桨、合成纤维和其它交联的纤维，和吸收性材料如超吸收性聚合物材料。本发明的高湿松密度纤维或包括该高湿松密度纤维的复合材料能够有利地引入到尿布中，更特别地，引入到液体获取层和液体分布层中以提供具有优异的液体获取率以及液体分布和再润湿性质的尿布。
尽管已经举例说明和描述了本发明的优选实施方案，但应该认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下能够作各种变化。
要求独占权的本发明的实施方案如权利要求中所限定。

Claims (20)

1.包括用有效量的乙二醛、催化剂和任选的二醇处理的纤维素纤维的个体化的、交联的纤维素纤维，其中该交联的纤维在0.6kPa下具有大于大约20cc/g的湿松密度。
2.权利要求1的纤维，其中所述二醇是丙二醇。
3.权利要求1的纤维，其中所述催化剂选自强无机酸的铝盐、水溶性α-羟基羧酸及其混合物。
4.权利要求3的纤维，其中所述强无机酸的铝盐包括硫酸铝。
5.权利要求3的纤维，其中所述水溶性α-羟基羧酸包括柠檬酸。
6.权利要求1的纤维，其中所述乙二醛的有效量是基于纤维总重量的大约3到大约6wt％。
7.包括用有效量的乙二醛、丙二醇、硫酸铝和柠檬酸处理的纤维素纤维的个体化的、交联的纤维素纤维，其中该交联的纤维在0.6kPa下具有大于约20cc/g的湿松密度。
8.权利要求7的纤维，其中所述乙二醛的有效量是基于纤维总重量的大约3到大约6wt％。
9.包括用有效量的乙二醛和乙二醛衍生树脂处理的纤维素纤维的个体化、交联的纤维素纤维，所述树脂选自乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛缩合物及其混合物，其中所述交联的纤维在0.6kPa下具有大于约20cc/g的湿松密度。
10.权利要求9的纤维，其中所述乙二醛的有效量是基于纤维总重量的大约2到大约8wt％。
11.制备具有高湿松密度的个体化、交联的纤维素纤维的方法，包括：
将乙二醛交联结合物施加到纤维素纤维片材上；
将纤维片材分离成单根纤维；
将这些单根纤维干燥，然后在足够的温度下固化足够的时间，以提供在0.6kPa下具有大于约20cc/g的湿松密度的个体化、交联的纤维素纤维。
12.权利要求11的方法，其中所述乙二醛交联结合物包括乙二醛、丙二醇、硫酸铝和柠檬酸。
13.权利要求11的方法，其中所述乙二醛交联结合物包括乙二醛和乙二醛衍生树脂，后者选自乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛缩合物及其混合物。
14.权利要求11的方法，其中施加乙二醛交联结合物的步骤包括将所述结合物的水溶液喷洒到纤维片材上。
15.权利要求11的方法，其中将纤维片材分离成单根纤维的步骤包括在锤磨机中纤维化。
16.权利要求11的方法，其中所述温度是约150℃。
17.权利要求12的方法，其中所述时间是大约15分钟。
18.权利要求13的方法，其中所述时间是大约20分钟。
19.包括个体化、交联的纤维素纤维的吸收性复合材料，所述交联的纤维素纤维包括用有效量的乙二醛、丙二醇、硫酸铝和柠檬酸处理的纤维素纤维，其中所述交联的纤维在0.6kPa下具有大于约20cc/g的湿松密度。
20.包括个体化、交联的纤维素纤维的吸收性复合材料，所述交联的纤维素纤维包括用有效量的乙二醛和从乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛/多元醇缩合物、环脲/乙二醛缩合物及其混合物中选择的乙二醛衍生树脂处理的纤维素纤维。
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