DE102020116399A1

DE102020116399A1 - Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn mit Polylactid-Fasern

Info

Publication number: DE102020116399A1
Application number: DE102020116399.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmidt
Original assignee: MCAIRLAIDS VLIESSTOFFE GmbH; McAirlaid's Vliesstoffe GmbH
Current assignee: MCAIRLAIDS VLIESSTOFFE GmbH; McAirlaid's Vliesstoffe GmbH
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-12-23
Also published as: MX2022015491A; KR20230047083A; WO2021259420A1; US20230203725A1; EP4168614A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn enthaltend Polylactide-Fasern und ggf. weitere Fasern beansprucht, in welchem(a) eine Faserlage enthaltend Polylactid-Fasern und ggf. weitere Fasern in wirrer Faseranordnung auf eine Unterlage gelegt wird,(b) durch Ausüben eines ersten Drucks auf die Faserlage zunächst ein lockeres, vorverdichtetes Vlies, dessen Reißfestigkeit das freihängende Überbrücken einer Spannweite zwischen 0,1 m und 1 m bis zum Reißen des Vlieses erlaubt,(c) das vorverdichtete Vlies anschließend durch den Spalt eines Kalanders hindurchgeführt wird, wobei in dem Spalt ein Muster aus punkt- oder linienförmigen Druckbereichen erzeugt wird, wobei die Fasern in den Druckbereichen einem solchen zweiten Druck, welcher höher als der erste Druck ist, und einer solchen Temperatur ausgesetzt werden, dass eine Fusion der Fasern eintritt. Es können biologisch abbaubare Faserstoffbahnen, die Polylactid-Fasern und ggf. weitere Fasern enthalten, hergestellt werden, die eine gute Nassfestigkeit auch im Gemisch mit anderen Fasern, beispielsweise Cellulosefasern, aufweisen. Auch ist es möglich die Faserstoffbahn in eine formstabile dreidimensionale Form zu überführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn, die Polylactid-Fasern enthält, Faserstoffbahnen, die nach dem beanspruchten Verfahren erhältlich sind sowie die Verwendung der hergestellten Faserstoffbahnen.
Produkte auf Basis von Fasern in Form von Bahnenmaterial, insbesondere aus Fasern aus Cellulose, aus Kunststoffen, oder aus Fasergemischen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie finden vielfach Anwendung als Absorptionsmaterialien für Flüssigkeiten, wie in Hygieneprodukten, als Filtermaterialien und in Verpackungen.
In allen Lebensbereichen wird inzwischen großen Wert daraufgelegt, dass die verwendeten Materialen, insbesondere wenn es sich um Verbrauchsgüter handelt, biologisch abbaubar sind. In der WO 99/25281 wird ein Verfahren zur Herstellung einer aus Cellulosefasern bestehenden Faserstoffbahn für die Verwendung in Hygieneartikeln offenbart. Zur Herstellung der Faserstoffbahn werden zunächst eine Faserlage aus Cellulosefasern wirr auf eine Unterlage gelegt, diese Faserlage wird unter relativ niedrigerem Druck vorverdichtet, wodurch ein lockeres Vlies mit geringer Dichte und einer Reißfestigkeit, die ein Überbrücken zwischen 0,1 m und 1 m bis zum Reißen des Vlieses erlaubt, und anschließend Einführen des erhaltenen Vlieses in den Spalt eines Kalanderrollen-Paares, mit dem ein Muster von punkt- oder linienförmigen Druckbereichen erzeugt wird, in denen die regellos liegenden Fasern unter einem Druck im Bereich zwischen 150 bis 600 MPa aufeinander gedrückt werden. Es wird eine Fusion der Fasern erhalten und eine Faserstoffbahn mit einem Prägemuster erzeugt. Die hergestellte Faserstoffbahn enthält praktisch keine Bindemittel, so dass diese als biologisch vollständig abbaubar angesehen werden kann.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Bahnen aus biologisch abbaubaren Fasern weisen eine gute Nassfestigkeit bei üblichen Belastungen auf. Für den Einsatz in Hygieneprodukten ist die Nassfestigkeit ausreichend, da Hygieneprodukte üblicherweise keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Auch lässt sich die Nassfestigkeit von Hygieneprodukten durch Zusatz von sogenannten Superabsorbern verbessern, die gleichzeitig die Absorptionsfähigkeit der Faserstoffbahn gegenüber Flüssigkeiten erhöhen. Diese Verbesserung tritt nur dann ein, wenn die Faserstoffbahn in Kontakt mit wässrigen Flüssigkeiten gebracht wird, so dass die Teilchen aus Superabsorbern aufquellen.
Die Biegsamkeit und Flexibilität der Bahnen wird genutzt, um diese zu dreidimensionalen Filterkörpern, zu verarbeiten. Derartige Filterkörper werden beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 2010/112024 A2 beschrieben. Das Filtermaterial wird ausgehend von einem Bahnmaterial hergestellt. Die Faserbahn wird gekrimmt unter Ausbildung von sich in Längsrichtung des zu reinigenden Luftstroms erstreckenden Kanälen gelegt. Unter trockenen Bedingungen weisen die ausgebildeten Kanäle eine stabile Struktur auf, die jedoch bei höherer Luftfeuchtigkeit kollabieren können.
Neben den natürlich vorkommenden Fasern, die alle biologisch abbaubar sind, sind auch synthetische Fasern bekannt, die mittels Kompostierverfahren abgebaut werden können. Zu der Gruppe der biologisch abbaubaren Polymere zählen die Polylactide (PLA). Die Polylactide werden typischerweise in Form von sogenannten PLA-Blends eingesetzt, die mittel Extrusion, Thermoformen, Spritzguss und auch Blasformen verarbeitet werden.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Faserstoffbahn zur Verfügung zu stellen, die aus ökologisch verträglichen Komponenten, vorzugsweise biologisch abbaubare Fasern, hergestellt ist und die auch im nassen Zustand und unter Belastung eine gute Festigkeit aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn enthaltend Polylactide-Fasern und ggf. weitere Fasern, worin

(a) eine Faserlage enthaltend Polylactid-Fasern und ggf. weitere Fasern in wirrer Faseranordnung auf eine Unterlage gelegt wird,
(b) durch Ausüben eines ersten Drucks auf die Faserlage zunächst ein lockeres, vorverdichtetes Vlies, dessen Reißfestigkeit das freihängende Überbrücken einer Spannweite zwischen 0,1 m und 1 m bis zum Reißen des Vlieses erlaubt,
(c) das vorverdichtete Vlies anschließend durch den Spalt eines Kalanders hindurchgeführt wird, wobei in dem Spalt ein Muster aus punkt- oder linienförmigen Druckbereichen erzeugt wird, wobei die Fasern in den Druckbereichen einem solchen zweiten Druck, welcher höher als der erste Druck ist, und einer solchen Temperatur ausgesetzt werden, dass eine Fusion der Fasern eintritt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, biologisch abbaubare Faserstoffbahnen, die Polylactid-Fasem und ggf. weitere Fasern enthalten, herzustellen, die eine gute Nassfestigkeit auch im Gemisch mit anderen Fasern, beispielsweise Cellulosefasern, aufweisen. So zeigen Faserstoffbahnen, die neben den Polylactid-Fasern einen überwiegenden Anteil an Cellulosefasern aufweisen, eine deutlich verbesserte Nassfestigkeit gegenüber Faserstoffbahnen, die ausschließlich aus Cellulosefasern bestehen.
Auch lassen sich Faserstoffbahnen, die zu einem überwiegenden Anteil aus Polylactid-Fasern hergestellt wurden, in einem weiteren Herstellungsschritt zu dreidimensionalen Formkörpern verarbeiten, die sich durch Formstabilität auszeichnen.
Die Erfinder gehen davon aus, dass die Fusion der Fasern in den Druckbereichen zum einen durch Verschmelzen der Polylactid-Fasern erfolgt, wobei die Polylactid-Fasern miteinander verschmelzen können und auch eine Verbindung mit den ggf. vorhandenen weiteren Fasern eingehen können. Es ist auch möglich, dass unter den Verfahrensbedingungen, d. h. unter den Temperatur- und Druckbedingungen, untereinander eine Verbindung eingehen können, wobei die Art der sich einstellenden Verbindung den Erfindern nicht bekannt ist, und auch nicht, ob es sich um eine physikalische und/oder chemische Verbindung handelt.
Die Verarbeitung von Polylactid-Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt die Teilschritte eines Airlaid-Verfahren, nach welchem im Stand der Technik Cellulosefasern verarbeitet werden. Die Verwendung von Polylactid-Fasern in einem Airlaid-Verfahren ermöglicht die Herstellung biologisch abbaubarer Produkte mit geringem Gewicht pro Volumen und eines breiten Spektrums an Eigenschaften. Bahnen, die zu einem überwiegenden Teil bis zu 100 % aus Polylactid-Fasern hergestellt sind, können formstabile Faserstoffbahnen bilden und dann zu dreidimensionalen Formkörpem mit einem sehr geringen Gewicht und guter biologischer Abbaubarkeit verarbeitet werden.
Zudem sind Faserstoffbahnen, die Cellulosefasern und einen geringeren Anteil an Polylactid-Fasern enthalten, flexibel und biegsam und weisen eine gute Absorptionskapazität gegenüber Flüssigkeiten und Gasen auf.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Materialbahn werden nicht nur durch das Verhältnis von Polylactid-Fasern zu Cellulosefasern bestimmt, sondern auch durch die Menge der verwendeten Fasern, d. h. durch die Dicke der gelegten Faserlage, die in Verfahrensschritt a) hergestellt wird.
Die erfindungsgemäß verwendeten Polylactid-Fasern sind synthetische Fasern. Polylactide zählen zu den Polyestern, sie zeigen thermoplastische Eigenschaften, d. h. sie schmelzen und können bei Schmelztemperatur Formgebungsverfahren unterworfen werden. Der Schmelzpunkt der Polylactide liegt üblicherweise zwischen 150°C und 160°C.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise Polylactid-Fasern mit einer Faserlänge von 3 bis 10 mm eingesetzt. Die Fasern sollten eine ausreichende Feinheit aufweisen, wobei eine Feinheit zwischen 0,7 und 3,0 dtex und insbesondere zwischen 1,0 und 1,5 dtex bevorzugt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Polylactid-Fasern in einem Gemisch mit Cellulosefasern eingesetzt. Als Cellulosefasern werden vorzugsweise solche Fasern verwendet, die im Stand der Technik als „fluff pulp“ bekannt sind. Bei fluff pulp handelt es sich um ein standardisiertes Produkt aus Holz, das aus Platten, Flash-Dried-Ballen oder Bahnen, sogenannten „wood pulp cardboards“, geliefertem Cellulosematerial hergestellt wird, in dem es vor der Verwendung üblicherweise in Hammermühlen zerkleinert und aufgefasert wird, bis ein watteähnliches Produkt aus Cellulosefasern, nämlich „fluff pulp“, entstanden ist.
In einem ersten Verfahrensschritt a) werden die Fasern, d. h. die Polylactid-Fasern und ggf. weitere Fasern, wie Cellulosefasern, in wirrer Faseranordnung auf eine Unterlage gelegt. Die Fasern werden üblicherweise in einem Luftstrom transportiert und auf einer Unterlage abgelegt. Diese Verfahrensweise wird auch Airlaid-Verfahren genannt.
Wird ein Gemisch aus Cellulosefasern und Polylactid-Fasern verwendet, werden die Cellulosefasern, wie oben beschrieben, vorzugsweise in einer Hammermühle aufgefasert und in einem Luftstrom in einen Mischer transportiert. In einem separaten Luftstrom werden die Polylactid-Fasern dem Mischer zugeführt. Durch Vermischen der beiden Luftströme erfolgt auch ein Vermischen der einzelnen Fasern. Es wird eine wirre Faseranordnung erhalten. Die gelegte Faserlage hat üblicherweise eine Schichthöhe von etwa 5 bis 15 mm.
Durch die Menge der auf der Unterlage abgelegten Fasern wird die Schichthöhe der gelegten Faserlage und schließlich auch das Flächengewicht der fertigen Faserstoffbahn bestimmt.
In einem weiteren Verfahrensschritt b) wird die in Verfahrensschritt a) erhaltene, gelegete Faserlage weiterverarbeitet, indem unter Ausübung eines ersten Drucks auf die Faserlage ein lockeres, vorverdichtetes Vlies gebildet wird, dessen Reißfestigkeit das freihängende Überbrücken einer Spannweite zwischen 0,1 m und 1 m bis zum Reißen des Vlieses erlaubt. Im Verfahrensschritt b) wird die gelegte Faserlage vorzugsweise auf einem Förderband oder einem beweglichen Sieb durch eine erste Vorverdichtungsstation geführt, die z. B. ein Kalanderrollen-Paar mit einem ersten Druck sein kann, so dass ein lockeres Vlies mit geringer Dichte und Reißfestigkeit entsteht. Die Reißfestigkeit sollte so bemessen sein, dass das Vlies in diesem Verarbeitungszustand über eine Länge von etwa 0,1 bis 1 m frei durchhängen könnte, ohne dabei zu zerreißen. Dadurch sollte das Vlies auch einem Luftdruck widerstehen können, wie er bei einem Herstellungsverfahren auftreten kann.
Im Verfahrensschritt c) wird das im Verfahrensschritt b) erhaltene Vlies durch den Spalt eines Kalanderrollen-Paares hindurchgeführt, wobei in dem Spalt ein Muster von punkt- oder linienförmigen Druckbereichen gegen die Materialbahn arbeitet. Vor allem in den Druckbereichen werden die Fasern einem solchen zweiten Druck ausgesetzt, dass eine Fusion der Fasern eintritt. Der Druck in den diskreten Druckbereichen beträgt üblicherweise mindestens 100 MPa und liegt vorzugsweise zwischen 150 und 600 MPa. Der hohe Druck in den diskreten Druckbereichen wird erreicht, indem Kalanderwalzen mit Noppen, verschränkt zueinander laufenden Linienmustern oder anderen überstehenden punkt- oder linienartigen Druckflächen verwendet werden. Die Rasterdichte dieser Druckbereiche liegt vorzugsweise zwischen 1 und 16 Rasterpunkten pro cm². Eine detaillierte Beschreibung dieses Verfahrensschritts kann der WO 99/25281 entnommen werden, auf die hier konkret Bezug genommen wird.
Nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren wird eine Faserstoffbahn mit vorzugsweise einem Flächengewicht zwischen 50 g/m² und 1500 g/m² erhalten.
Die regellos liegenden Fasern werden unter sehr hohem lokalem Druck in den z. B. punkt- oder linienförmigen Druckbereichen aufeinandergedrückt. In den Druckbereichen werden die Temperaturen und der Druck derart eingestellt, dass die Polylactid-Fasern der Faserbahn aufschmelzen und sich in diesen Druckpunkten miteinander unlösbar verbinden. Die Temperatur der Druckbereiche beträgt vorzugsweise zwischen 100°C und 200°C. Diese innige Verbindung kann auch als stoffschlüssige Verbindung ähnlich einer Schweißverbindung bezeichnet werden.
Soweit die ggf. vorhandenen Cellulosefasern nicht über angeschmolzene Polylactid-Fasern miteinander verbunden sind, wird davon ausgegangen, dass diese thermomechanisch miteinander verbunden sind, wobei die Natur dieser Verbindung nicht bekannt ist.
Sofern ein Gemisch aus Polylactid-Fasern mit anderen Fasern eingesetzt wird, beispielsweise Cellulosefasern, die bei den Verfahrenstemperaturen und -drücken nicht aufschmelzen, werden diese anderer Fasern von aufgeschmolzenem Polylactid umschlossen und es bildet sich eine innige Verbindung zwischen den einzelnen Fasern. In diesen Bereichen lassen sich die einzelnen Fasern nicht mehr voneinander lösen, diese Bereiche können nur durch Schneiden oder Reißen zerteilt werden. Die Verbindung der Fasern bewirkt eine erhöhte Festigkeit in den Druckbereichen mit der Folge, dass nicht nur die Reißfestigkeit allgemein, sondern insbesondere die Stabilität gegenüber Luftfeuchtigkeit und die Nassfestigkeit der erhaltenen Faserstoffbahnen, verglichen mit Faserstoffbahnen, die nur Cellulose enthalten, verbessert wird.
In einer möglichen Ausführungsform weist diese Faserstoffbahn auf wenigstens einer ihrer Oberflächen eine Bahn aus textilem, vliesartigem, papier- oder folienartigem Material auf, mit der die Bahn verklebt und/oder verschweißt und/oder mechanisch verbunden ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Faserstoffbahn in Verfahrensschritt a) die gelegte Faserlage auf eine Bahn aufgebracht. Wenn auf beiden Oberflächen eine Bahn aus textilem, vliesartigem, papier- oder folienartigem Material aufgebracht wird, so kann in einer möglichen Ausführungsform nach dem Verfahrensschritt a) die zweite Bahn aufgebracht werden. Die drei Lagen aus Fasermaterial als Kern und Bahnenmaterial jeweils auf der unteren oder oberen Oberfläche werden im Verfahrensschritt b) gemeinsam vorverdichtet und anschließend gemeinsam im Verfahrensschritt c) weiterverarbeitet.
In einer möglichen Ausführungsform kann die Festigkeit der erfindungsgemäßen Faserbahn weiter erhöht werden, indem die Bahn in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt d) thermischer Energie ausgesetzt wird. In dem thermischen Nachbehandlungsschritt werden selbst jene Polylactid-Fasem, die sich außerhalb der Druckbereiche befinden, angeschmolzen oder aufgeschmolzen und verbinden sich zumindest teilweise miteinander und/oder mit den ggf. vorhandenen weiteren Fasern. Die Nachbehandlung mit thermische Energie kann beispielsweise mit Heißgas, mittels heißer Kalanderwalzen, zwischen welche die Faserstoffbahn eingeführt wird, oder unter Verwendung von Mikrowellen erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die thermische Nachbehandlung mit elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge von 30 cm bis 1 mm. Elektromagnetische Wellen mit der genannten Wellenlänge von 30 cm bis 1 mm sind sogenannte Mikrowellen. Polylactide sind aktiv gegenüber Mikrowellen, d. h. die Fasern werden, in Abhängigkeit von der zugeführten Energie, angeschmolzen oder aufgeschmolzen, so dass eine Verschmelzung von weiteren Fasern innerhalb der Faserstoffbahn erfolgt und die Festigkeit der Faserstoffbahn weiter erhöht werden kann. Bei der Behandlung mit Mikrowellen werden auch Fasern an- bzw. aufgeschmolzen, die außerhalb der Druckbereiche des Verfahrensschritts c) liegen. Das Bestrahlen der Faserstoffbahn mit Mikrowellen kann beispielsweise erfolgen, indem die aus Verfahrensschritt c) erhaltene Faserstoffbahn in einem Verfahrensschritt d) direkt mit Mikrowellen bestrahlt wird.
Diese Behandlung der Faserstoffbahn oder daraus hergestellter Zuschnitte und Produkte kann in an sich bekannter Weise mittels üblicher Mikrowellengeräte erfolgen.
Zur Durchführung des Verfahrensschritt d) kann die Faserstoffbahn oder ein Zuschnitt davon zunächst in die Form des gewünschten Endproduktes verarbeitet, und erst dann mit den Mikrowellen bestrahlt werden. Zumindest ein Teil der Polylactid-Fasern schmilzt und behält nach dem Abkühlen formstabil die gewünschte Form bei, so dass auch das so hergestellte Endprodukt formstabil ist, z. B. eine Schale.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Faserstoffbahn, die nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist und die sich dadurch auszeichnet, dass sie ein Gemisch aus Polylactid-Fasern und Zellstofffasern enthält. Es können Faserstoffbahnen hergestellt werden, deren Eigenschaften sich in Abhängigkeit vom Verhältnis der Polylactid-Fasern zu den Zellstofffasern eingestellt können. Faserstoffbahnen, die zu einem überwiegenden Teil aus Cellulosefasern bestehen, zeigen hohe Absorptionsfähigkeit, und Faserstoffbahnen mit einem überwiegenden Teil an Polylactid-Fasern oder auch 100% Polylactid-Fasern können mittels üblicher Formgebungsverfahren in eine z. B. dreidimensionale Form überführt werden, die sie beibehalten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß eine Faserstoffbahn, die nach dem oben beschriebenen Verfahren erhältlich ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Faserstoffbahn 17 Gew.-% bis 40 Gew.-% Polylactid-Fasern und 60 Gew.-% bis 83 Gew.% Zellstofffasern enthält und die Polylactid-Fasern und Zellstofffasern in einem Prägemuster aus punkt- oder linienförmigen Prägebereichen miteinander verpresst und in den Prägebereichen fusioniert sind.
Erfindungsgemäße Faserstoffbahnen mit einem überwiegenden Anteil an Cellulosefasern zeichnen sich durch eine hohe Absorptionsfähigkeit auf verbunden mit einer Nassfestigkeit, d. h. einer hohen Festigkeit im nassen Zustand. Die erfindungsgemäße Faserstoffbahn eignet sich insbesondere als Absorptionsmaterial in Hygieneprodukten, Lebensmittelverpackungen, als Filtermaterial zur Filterung von Flüssigkeiten und Gasen oder als Verpackungsmaterial von empfindlichen Gegenständen.
Ein weiterer Gegenstand ist eine Faserstoffbahn, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden kann und die 10 Gew.-% bis 100 Gew.-% Polylactid-Fasern und 0 Gew.-% bis 90 Gew.-% Zellstofffasern enthält, und dass die Polylactidfasern und Zellstofffasern in einem Prägemuster aus punkt- oder linienförmigen Prägebereichen fusioniert sind.
Durch den höheren Anteil an Polylactid-Fasern ist es möglich, der Faserstoffbahn eine höhere Festigkeit zu verleihen, auch kann sie mittels Formgebungsverfahren in eine dreidimensionale Form überführt werden.
Als Formgebungsverfahren ist insbesondere das Tiefziehverfahren geeignet. Dazu werden einzelne Zuschnitte der Faserstoffbahn z. B. mittels Unterdruck einem Tiefziehen unterworfen und ggf., wie es voranstehend beschrieben wurde, anschließend einer thermischen Nachbehandlung unterworfen, um die erhaltene Form zu stabilisieren.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern, in welchem die erfindungsgemäße Faserstoffbahn, die zu einem überwiegenden Anteil Polylactid-Fasern enthält, mittels aus dem Stand der Technik bekannter Formgebungsverfahren zu Formkörpern, wie Schalen, Rohren, Filterkörpern usw., verarbeitet wird.
In einer möglichen Ausführungsform wird die Faserstoffbahn auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes bzw. Erweichungspunktes der Polylactid-Fasern erwärmt und in einem formgebenden Schritt unter Bildung einer Einsenkung zu einem Formkörper geformt. Das Besondere hierbei ist, dass die Faserstoffbahn zur Stabilisierung der Form erst über den Schmelzpunkt der Polylactid-Faser hinweg mittels beheiztem Formkörper oder Mikrowelle erwärmt wird. Dabei wird ein Verflüssigen und somit ein Umschließen der Zellstofffaser mit Polylactid erreicht. Der Formkörper wird abschließend unter den Schmelzpunkt des Polylactids abgekühlt.
Die erfindungsgemäßen Faserstoffbahnen und daraus hergestellte Formkörper zeichnen sich durch eine geringe Dichte und durch eine gute biologische Abbaubarkeit aus. Wird der Formkörper aus der erfindungsgemäßen Faserstoffbahn beispielsweise als schalenförmige Lebensmittelverpackung verwendet, so kann diese Verpackung wie auch die Lebensmittelreste kompostiert werden.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Filtermaterial, das aus einer Faserstoffbahn, die mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, erhalten werden kann. In einer möglichen Ausführungsform erfolgt der Filtervorgang, indem das zu filtrierende Material, Luft, Gas oder Flüssigkeitstruktur, durch die Faserstoffbahn hindurch geleitet wird und der Filtriervorgang über die Faserstruktur erfolgt.
Vorzugsweise wird eine Faserstoffbahn, die zum Reinigen von Luft und Gasen eingesetzt werden soll, unter Ausbildung von sich in Längsrichtung des zu reinigenden Gas- oder Luftstroms erstreckenden Kanälen gelegt. Die Reinigung der Luft bzw. der Gase erfolgt entlang dieser Kanäle. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Faserstoffbahn und optional vorhandene weitere Schichten zunächst gekrimmt und anschließend unter Ausbildung von sich in Längsrichtung des zu reinigenden Luftstroms erstreckenden Kanälen gelegt. Der so hergestellte Körper ist vorzugsweise ein stabförmiger Körper.
Eine weitere Verfestigung des Filtermaterials kann in einem Nachbehandlungsschritt erzielt werden, indem das ggf. gekrimmte und bereits gelegte Material einer Behandlung mit Mikrowellen unterworfen wird. Bei der Mikrowellenbehandlung sollte darauf Acht gegeben werden, dass diese nicht zu lange dauert, da verhindert werden muss, dass sämtliche in der Faserstoffbahn enthaltenen Polylactid-Fasern angeschmolzen werden und der lockere Verbund zerstört wird. Es wird vermutet, dass diese Verfestigung des Filtermaterials dadurch erreicht wird, dass die Polylactid-Fasern, die außerhalb der Prägepunkte liegen, ebenfalls zu einem gewissen Anteil verschmolzen werden.
Mit einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein rohrförmiger Körper für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten hergestellt. Dazu wird aus einem oder aus mehreren Zuschnitten aus der erfindungsgemäß hergestellten Faserstoffbahn zunächst ein länglicher, vorzugsweise stabförmiger Körper geformt. Dieser kann von rundem, rechteckigem oder einem anderen Querschnitt sein. Dieser Körper wird dann, wie es ähnlich aus der Produktion nahtloser Stahlrohre bekannt ist, in seiner Längsrichtung über einen stabilen Dorn geführt, wodurch sich der Körper verformt und im Inneren des Körpers ein Längskanal entsteht. Nach dem im Prinzip selben Verformungsverfahren lassen sich auch z. B. Längsnuten in den stabförmigen Körper einbringen.
Anschließend wird der rohrförmige Körper, zur dauerhaften Sicherung seiner Gestalt, erwärmt und verpresst, z. B. mittels einer der oben bereits beschriebenen Prozessalternativen. Nach dem Abkühlen kann das erhaltene Rohr, sofern es von großer Länge ist oder sogar endlos produziert wurde, noch auf die für den jeweiligen Verwendungszweck gewünschte Länge abgelängt werden.
Die Erfindung ist in den beigefügten Figuren genauer dargestellt und erläutert. Es zeigen

1: in vergrößerter Darstellung eine Faserbahn im Querschnitt den Druckbereich zweier Kalander-Walzen mit pyramidenförmigen Noppen;
2: einen Schnitt durch das Fasermaterial in gekrimptem Zustand;
3: eine perspektivische Ansicht eines rohrförmig gestalteten Körpers, hergestellt aus dem Fasermaterial gemäß 1, unter teilweiser Weglassung einer Mantelschicht;
4: einen Querschnitt in der Ebene A/A in 3;
5: eine schematische Übersichtsdarstellung des Verfahrens;

In 1 ist im Querschnitt ein Schritt bei der Bildung einer erfindungsgemäßen Faserbahn 1, die Polylactid-Fasern 3 und Cellulosefasern 4 enthält, dargestellt. 1 zeigt auf der rechten Seite ein lockeres, nur vorverdichtetes Vlies 2, das sowohl Fasern 3 aus Polylactid (Polylactid-Fasern) als auch Cellulosefasern 4 enthält. Die dargestellten Fasern 3 und 4 sind nur beispielhaft dargestellt und geben nicht die tatsächlich vorhandene Menge, Dicke und Länge der Fasern wieder.
Auf der Oberseite und / oder auf der Unterseite der Faserbahn 1 kann zusätzlich ein dünnes Bahnenmaterial 5.1, 5.2 aufgebracht werden, beispielsweise Bahnen aus textilem, vliesartigem oder folienartigem Material.
Das vorverdichtete Vlies wird durch den Spalt eines in 1 nur jeweils segmentweise dargestellten Kalanderrollen-Paares 6.1, 6.2 hindurchgeführt. Die Oberflächen der Kalanderrollen weisen Vorsprünge 7.1 und 7.2 auf, so dass in den Bereichen, in denen diese Vorsprünge 7.1 und 7.2 aufeinandertreffen, sich diskrete, z. B. punktförmige Druckbereiche bilden, in denen auf das Vlies ein Druck von erheblicher Größe aufgebracht wird. Es entstehen diskrete Prägebereiche 8. Der Druck in diesen Prägebereichen sollte mindestens 100 MPa betragen, in der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Druck etwa 520 MPa. Zur Erzeugung eines solchen Drucks können die Walzen bzw. die Vorsprünge an den Walzen entsprechend ausgestaltet sein. Beispielsweise können Walzen mit Noppen, verschränkt zueinander laufende Linienmustern oder anderen überstehenden punkt- oder linienartigen Druckflächen 7.1, 7.2 verwendet werden. Die Rasterdichte dieser punktförmigen Druckbereiche liegt vorzugsweise zwischen 1 und 16 Rasterpunkten pro cm².
Die Walzen des Kalanderrollenpaars 6.1, 6.2 werden erhitzt, z. b. mittels elektrischer Heizelemente, so dass zumindest in den Druckbereichen 7.1, 7.2 zusätzlich zu dem Druck eine solche Temperatur herrscht, dass die Polylactid-Fasern angeschmolzen oder vollständig geschmolzen werden, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Polylactid-Fasern und ggf. auch unter Einbeziehung der Cellulosefasern erfolgt.
Durch das Anschmelzen bzw. Erschmelzen der Polylactid-Fasern können die Cellulosefasern auch vollständig von Polylactid-Schmelze umschlossen werden. In diesen Bereichen, auch Prägebereiche genannt, tritt eine Fusion der Fasern ein, so dass diese Fasern nicht mehr ohne Weiteres voneinander getrennt werden können, insbesondere nicht ohne den Prägebereich 8 zu zerstören.
Nach Austritt aus dem Kalander 6.1, 6.2 wird eine Faserstoffbahn 1 erhalten, in der in den Bereichen 9 die Fasern einen lockeren Verbund bilden. Die erhöhte Stabilität und Festigkeit der Faserbahn 1 ist auf die stoffschlüssige Verbindung der Polylactid-Fasern in den Prägebereichen 8 zurückzuführen.
In einem weiteren Schritt wird die Faserstoffbahn 1 zum Beispiel zu einem Filtermaterial zum Reinigen von Luft und Gasen weiterverarbeitet. Dazu wird die Faserstoffbahn vorzugsweise, wie in 2 dargestellt, zunächst gekrimpt. Die einzelnen Schichten sind hier nicht dargestellt. In der hier dargestellten Ausgestaltung ist das Material der Faserbahn in unregelmäßige Falten gelegt. Es wird ein Filtermaterial erhalten, dass zusätzlich zu den bereits vorhandenen Prägebereichen 8 eine gekrimpte Oberflächenstruktur mit abwechselnd Erhebungen 11 und Vertiefungen 12 aufweist. Dadurch wird eine für den Filterprozess vorteilhafte Vergrößerung der Oberfläche erreicht.
3 zeigt einen stabförmigen Filter 17, der aus dem in 1 dargestellten, als Flächengebilde vorliegenden Faserbahnmaterial 1 und einer umhüllenden Mantelschicht 18, die in 3 teilweise weggelassen wurde, gebildet ist. Das Bahnmaterial 1 ist in der hier dargestellten Ausführungsform wechselseitig gelegt oder gefaltet, wobei sich in Längsrichtung des Filters erstreckende Kanäle 19 bilden. Das wechselseitige Legen kann gleichmäßig oder unregelmäßig sein. Durch die Kanäle 19 und durch die Faserschicht 1 des Filtermaterials kann das zu reinigende Gas hindurchtreten. Das zu reinigende Gas strömt also vorzugsweise entlang der gefalteten Schichten, also entlang den Oberflächen des Faserstoffmaterials, und nicht quer zu diesen und wenn überhaupt, nur in geringem Umfang durch die Schichten 1 hindurch. Die Druckverluste sind daher nur gering.
Die Festigkeit der Prägebereiche 8 und deren Stabilität gegenüber Feuchtigkeit bewirkt, dass die Kanäle 19 auch bei höherer Luftfeuchtigkeit und bei höherem Feuchtigkeitsgehalt der zu filternden bzw. reinigenden Gase nicht kollabieren, sondern sie ihre Form behalten.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist der Filter von einer Mantelschicht 18 umgeben. Im Falle eines Einsatzes des Filters 17 als Zigarettenfilter kann die Mantelschicht 18 ein einfaches Umwickelpapier sein, dass sowohl einstückig den Tabakdrang der Zigarette (hier nicht dargestellt) als auch den Zigarettenfilter umgeben kann. Es ist auch möglich, dass die Mantelschicht 18 nur den Filter 17 umgibt.
Die Oberfläche der Faserbahn 1 bildet die innere Oberfläche der Kanäle 19. Durch die Prägebereiche 8 und durch das Krimpen des Materials bildet sich eine unebene Oberflächenstruktur der Kanalwände aus, die sich positiv auf die Filterwirkung des Filters auswirkt.
4 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Filter entlang der Linie A-A der 3. Das Filtermaterial 1 ist, wie hier dargestellt, wechselseitig gelegt, so dass sich in Längsrichtung des stabförmigen Filters die Kanäle 19 ausbilden. Das wechselseitig gelegte Filtermaterial kann innerhalb des Filters 17 symmetrisch oder unsymmetrisch angeordnet sein. In der hier dargestellten Ausführungsform bilden die wechselseitig gelegten Filtermaterialien einzelne Kreissegmente. Die Anordnung der Lagen aus Filtermaterial kann auch unregelmäßig sein.
Das Filtermaterial lässt sich auch in Anlagen zum Reinigen von Luft und Gasen einsetzen. Das Legen des Bahnmaterials 1 kann, wie in den 3 und 4 dargestellt ist, in Form eines Zylinders erfolgen, die Form des in den Anlagen eingesetzten Filters kann im Übrigen beliebig sein, beispielsweise in Kastenform oder anderen denkbaren Formen.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann die Festigkeit der Faserstoffbahn 1 erhöht werden, indem die Faserstoffbahn 1 einer thermischen Behandlung unterworfen wird. Die Erfinder nehmen an, dass auch die Polylactid-Fasern, die sich in den unverpressten Bereichen 9 (1) befinden, schmelzen bzw. angeschmolzen werden und sich untereinander verbinden oder eine Verbindung mit den ggf. vorhandenen weiteren Fasern, wie Cellulosefasern, eingehen. Die thermische Behandlung kann mit dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen, wie mittels Heißgas oder Mikrowellen oder auch indem die Faserstoffbahn durch Heißkalanderwalzen geführt wird.
In einem weiteren Verarbeitungsschritt kann ein dreidimensionaler Formkörper aus dem Material der voranstehend beschriebenen Faserstoffbahn 1 hergestellt werden. Dazu wird die Faserstoffbahn 1 nach dem Durchlaufen des Verfahrensschritts c), wenn diese also den Spalt des Kalanderrollen-Paares 6.1, 6.2 verlässt, einem Formgebungsverfahren unterzogen, beispielsweise einem Tiefziehverfahren. Dazu wird die Faserstoffbahn oder ein daraus gewonnener Zuschnitt mittels Unterdruck oder anderen Verfahren in die gewünschte Form überführt und anschließend einer thermischen Nachbehandlung unterzogen, wie sie bereits voranstehend beschrieben wurde. Während der thermischen Nachbehandlung werden die Polylactid-Fasern soweit angeschmolzen bzw. geschmolzen, dass sich die Faserstoffbahn 1 an die Form anpasst. Nach dem Abkühlen bleibt die so gebildete Form formstabil, und ein dauerhafter dreidimensionaler Körper wird erhalten. Die einzelnen so hergestellten Formen werden bereits während des Formgebungsprozesses oder während oder nach der thermischen Nachbehandlung voneinander getrennt und ihrer weiteren Verwendung zugeführt.
In 5 ist das Verfahrensschema zur Herstellung der Faserstoffbahn 1 und deren Weiterverarbeitung dargestellt.
Über eine Zufuhr 23 gelangen Fasern aus Polylactid 3, und über eine getrennte Zufuhr 24 gelangen weitere Fasern, wie z. B. Cellulosefasern 4, in einen Mischraum 20, in dem die unterschiedlichen Fasern gemischt werden, bevor sie als Mischung in einem Luftstrom auf eine Unterlage, hier ein umlaufendes Transportband 21, gelangen und dabei eine Faserschicht auf dem Transportband 21 bilden. Das Transportband 21 kann zum Beispiel ein luftdurchlässiges Siebband sein. Die so platzierte Faserschicht wird dann mit dem umlaufenden Band 21 durch einen leicht verdichtenden Kalander 22 oder Verdichtungsspalt geführt. Dabei wird ein erster Druck auf die Faserlage ausgeübt, so dass ein verdichtetes Vlies 2 entsteht.
Das so vorverdichtete Vlies 2 wird anschließend durch den Spalt des Kalanderrollenpaars 6.1, 6.2 gemäß 1 hindurchgeführt. Dieses Kalanderrollenpaar 6.1, 6.2 weist das Muster von Vorsprüngen 7.1, 7.2 auf. Diese Vorsprünge stellen die Druckbereiche dar, die einen höheren Druck erzeugen als in dem Kalander, und ergeben ein Muster von punkt- oder linienförmigen Druckbereichen. Der zweite, höhere Druck in Kombination mit der Wärmebeaufschlagung des Vlieses bewirkt, dass eine Fusion der Fasern eintritt.
Nach Austritt aus dem Kalanderrollenpaar 6.1, 6.2 wird die so erhaltene Faserstoffbahn 1 der weiteren Verarbeitung zugeführt. In der hier dargestellten Ausführungsform wird die Faserstoffbahn 1 zunächst einer weiteren, eigenständigen thermischen Behandlung 25 zugeführt und hierzu beispielsweise elektromagnetischen Strahlen, beispielsweise einer Behandlung mit Mikrowellen, unterzogen.
Das so thermisch nachbehandelte Zwischenprodukt kann in entsprechende Zuschnitte weiterverarbeitet und/oder in einem sich anschließenden Formgebungsprozess 30 zu einem dreidimensionalen Produkt verarbeitet werden. Zum Beispiel können die Zuschnitte in dem Formgebungsprozess 30 durch Tiefziehen zu einem räumlich gestalten Endprodukt weiterverarbeitet werden, z. B. zu einer Schale oder einem stabförmigen Körper. An den Formgebungsprozess 30 kann sich eine weitere thermische Behandlung 32 anschließen, durch die eine dauerhafte Verfestigung des Produkts erreicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Faserstoffbahn
2: Vlies aus Verfahrensschritt b)
3: Fasern aus Polylactid
4: Cellulosefasern
5.1, 5.2: Bahnenmaterial
6.1, 6.2: Kalanderrollenpaar
7.1, 7.2: Vorsprünge
8: Prägebereiche
9: unverpresste Bereiche
10: Form
11: Erhebungen
12: Vertiefungen
17: Filter
18: Mantelschicht
19: Kanäle
20: Mischraum
21: Transportband
22: Kalander
23: Zufuhr
24: Zufuhr
25: thermische Behandlung
30: Formgebungsprozess
32: thermische Behandlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 9925281 [0003, 0022]
WO 2010/112024 A2 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn enthaltend Polylactid-Fasern, bei dem (a) eine Faserlage enthaltend Polylactid-Fasern und ggf. weitere Fasern in wirrer Faseranordnung auf eine Unterlage gelegt wird, (b) durch Ausüben eines ersten Drucks auf die Faserlage zunächst ein lockeres, vorverdichtetes Vlies erzeugt wird, dessen Reißfestigkeit das freihängende Überbrücken Spannweite bis zum Reißen des Vlieses erlaubt, (c) das vorverdichtete Vlies anschließend durch den Spalt eines Kalanders hindurchgeführt wird, wobei in dem Spalt ein Muster aus punkt- oder linienförmigen Druckbereichen erzeugt wird, wobei die Fasern in den Druckbereichen einem solchen zweiten Druck, welcher höher als der erste Druck ist, in Verbindung mit einer solchen Temperatur ausgesetzt werden, dass eine Fusion der Polylactid-Fasern eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gelegte Faserlage ein Gemisch aus Polylactid-Fasern und Cellulosefasern enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polylactid-Fasern eine Faserlänge von 3 bis 10 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polylactid-Fasern eine Feinheit zwischen 0,7 und 3,0 dtex und vorzugsweise 1,0 bis 1,5 dtex aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt c) der Druck und die Temperatur derart eingestellt werden, dass der Schmelzbereich der Polylactid-Fasern erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltende Faserstoffbahn in einem weiteren Verfahrensschritt elektromagnetischen Wellen ausgesetzt wird, vorzugweise mit einer Wellenlänge von 300 mm cm bis 1 mm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltende Faserstoffbahn in einem Verfahrensschritt mit einem Heißgasstrom ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltende Faserstoffbahn in einem weiteren Verfahrensschritt einem Heizkalandrierverfahren unterzogen wird.
Faserstoffbahn erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffbahn 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% Polylactid-Fasern und 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% Zellstofffasern enthält und die Polylactid-Fasern und Zellstofffasern in einem Prägemuster aus punkt- oder linienförmigen Prägebereichen fusioniert sind.
Faserstoffbahn erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffbahn 17 Gew.-% bis 40 Gew.-% Polylactid-Fasern und 60 Gew.-% bis 83 Gew.-% Zellstofffasern enthält und die Polylactid-Fasern und Zellstofffasern in einem Prägemuster aus punkt- oder linienförmigen Prägebereichen fusioniert sind.
Faserstoffbahn nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf wenigstens einer ihrer Oberflächen eine Bahn aus textilem, vliesartigem oder folienartigem Material aufweist, mit der die Bahn verklebt und/oder verschweißt und/oder mechanisch verbunden ist.
Verwendung einer Faserstoffbahn nach Anspruch 9 oder Anspruch 11 als Absorptionsmaterial in Hygieneprodukten, in Lebensmittelverpackungen, als Filtermaterialien zur Filterung von Flüssigkeiten und Gasen.
Verwendung einer Faserstoffbahn nach Anspruch 11 oder Anspruch 12 als Trägermaterial für Hilfsstoffe in Hygieneprodukten, in Lebensmittelverpackungen, als Filtermaterialien zur Filterung von Flüssigkeiten und Gasen.
Faserstoffbahn erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffbahn 10 Gew.-% bis 100 Gew.-% Polylactid-Fasern und 0 Gew.-% bis 90 Gew.-% Zellstofffasern enthält und die Polylactid-Fasern und Zellstofffasern in einem Prägemuster aus punkt- oder linienförmigen Prägebereichen fusioniert sind.
Faserstoffbahn nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie formstabil ist und mittels Formgebungsverfahren in eine dreidimensionale Form überführt werden kann.
Faserstoffbahn nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungsverfahren ein Tiefziehverfahren ist.
Faserstoffbahn nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungsverfahren ein Rohrherstellungsverfahren ist.
Verwendung einer Faserstoffbahn nach einem der Ansprüche 14 bis 17 zur Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern, wie Schalen, Rohren usw.