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Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales strukturiertes Vlies aus Stapelfasern sowie ein Zwischenprodukt und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Vlieses.
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Es sind dreidimensionale Vliesstoffe mit welliger Struktur bekannt, die üblicherweise durch Anwendung einer der folgenden drei Methoden erzeugt werden:
- 1) Structo-Verfahren. Hier wird ein Vliesstoff durch zahnradähnliche Walzen wellenförmig aufgestellt. Dies geschieht, um schwere Vliese für Matratzen oder Polster zu schaffen und wird auch als Vertikallegen bezeichnet: Der gelegte Vliesstoff hat ein Mehrfaches des m2 Gewichts als der Ausgangsvliesstoff.
- 2) Prägeverfahren. Hier wird das Vlies meist in eine erhitzte Form gebracht und beim Abkühlen in der Form erstarrt. Bei dieser Methode wird das Material an Stellen verdichtet und wird hart. Es tritt keine Materialersparnis ein.
- 3) Zusammenfügen von zwei Komponenten. Hier weist eine der Komponenten ein sehr viel höheres Schrumpfvermögen auf als die andere. Der Schrumpfvorgang wird z. B. durch Erhitzen ausgelöst und es entsteht eine ungleichmäßige Struktur.
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Aus der
US 5,223,319 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein bandförmig zugeführter Faserstapel durch einen zwischen zwei gegenläufig rotierenden Walzen ausgebildeten Arbeitsspalt gefördert wird. Die eine Walze ist dabei an ihrer Umfangsfläche mit radial vorstehenden Dornen bestückt, während die andere Walze an ihrer Umfangsfläche mit korrespondierend geformten und angeordneten Vertiefungen versehen ist. Die Drehungen der Walzen sind so synchronisiert, dass die Dornen der einen Walze in die Vertiefungen der anderen Walze greifen. Auf diese Weise wird der durch den Arbeitsspalt geführte Faserstapel dort verdichtet und gleichzeitig mit in regelmäßigen Abständen angeordneten kalottenförmigen Einformungen versehen, die an ihrem höchsten Punkt jeweils eine Durchgangsöffnung aufweisen. Das so erhaltene Vlies wird nicht weiter verfestigt, sondern kann unmittelbar zum Aufnehmen von Öl oder desgleichen verwendet werden.
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Ein Verfahren, bei dem ein bandförmig zugeführter Faserstapel im unverfestigten Zustand mit einer Riefenstruktur versehen und anschließend verfestigt wird, ist aus der
DE 19 57 727 A (=
US 3,616,159 ) bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Faserstapel ebenfalls durch einen Arbeitsspalt zwischen zwei gegenläufig rotierende Walzen geführt, wobei hier die Walzen nach Art von Zahnrädern ausgebildet sind, deren Zähne im Arbeitsspalt in Eingriff miteinander kommen. Auf diese Weise wird die Faserbahn im Arbeitsspalt verdichtet und erhält eine wellenartige Struktur, bei der die an ihrer Ober- und Unterseite ausgebildeten Vertiefungen sich quer zur Längserstreckung des erhaltenen Vlieses erstrecken. Zur Verfestigung wird das Vlies nach dem Einformen der Wellenstruktur mit einem Bindemittel beaufschlagt.
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Ein mit dem Stand der Technik gemäß der
DE 19 57 727 A vergleichbares Verfahren ist aus der
EP 0 810 078 A1 bekannt. Auch dort wird ein verfestigtes Vlies erhalten, das eine wellenförmige Struktur mit Riefengassen aufweist, die sich quer zur Längsrichtung des Vlieses erstrecken.
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Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik hat sich die Aufgabe ergeben, ein dreidimensional strukturiertes, mit einfachen Mitteln herzustellendes Vlies zur Verfügung zu stellen.
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Ebenso sollte ein Zwischenprodukt genannt werden, das die Herstellung eines derartigen Vlieses ermöglicht.
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Schließlich sollte ein Verfahren zur vereinfachten Herstellung eines dreidimensional strukturierten Vlieses angegeben werden.
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In Bezug auf das Vlies hat die Erfindung diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein solches Vlies mindestens die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Ein zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Vlieses geeignetes Zwischenprodukt ist in Anspruch 10 angegeben.
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Erzeugen lässt sich ein erfindungsgemäß durch Anwendung eines Verfahrens, das erfindungsgemäß mindestens die in Anspruch 11 angegebenen Arbeitsschritte umfasst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend im Einzelnen erläutert.
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Die Erfindung betrifft einen Vliesstoff, der vor einem Verfestigungsverfahren bereits eine riefenförmige Struktur aufweist. Durch die Riefen können eine höhere Feuchtigkeits- und Partikelaufnahmefähigkeit erzeugt werden.
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Indem das Vlies nicht verdichtet wird, werden weniger Fasern zur Vliesbildung benötigt. Auch Naturfasern können zur Bildung eines solchen strukturierten Vlieses verwendet werden.
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Das strukturierte Vlies kann in einem nachfolgenden Schritt verfestigt werden. Hierbei erfolgt das Verfestigen vorzugsweise anders als durch Luftansaugung.
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Die Vliesbildung ist für Stapelfasern mit einer Feinheit von 0,7 - 70 dtex geeignet und für Stapellängen ab 10 mm. Die Herstellung ist extrem einfach.
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Ein erfindungsgemäßes dreidimensionales strukturiertes Vlies aus Stapelfasern, ist dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer seiner Oberfläche Riefengassen bestehen, die in die mit den Riefengassen versehene Oberfläche eingefräst sind.
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Typisch für ein erfindungsgemäßes Vlies ist daher, dass die erfindungsgemäß vorgesehenen Riefengassen nicht durch Verdrängen von Fasern und damit einhergehende Verdichtung der Fasern in den an die Riefengassen angrenzenden Abschnitten des Vlieses erzeugt werden, sondern dadurch, dass erfindungsgemäß die Riefengassen durch das Entfernen von Fasern gebildet werden. D.h., bei einem fertigen erfindungsgemäßen Vlies befinden sich in dem Dickenabschnitt, in dem die Riefengassen eingeformt sind, im Mittel weniger Fasern als in dem Dickenbereich, in dem keine Riefengassen vorhanden sind.
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Dabei zeichnen sich erfindungsgemäß erzeugte Vliese dadurch aus, dass im direkt an die Riefengassen angrenzenden Bereich des Vlieses die Fasern mehrheitlich parallel zu den Riefengassen ausgerichtet sind. Diese parallele Ausrichtung ergibt sich, wenn in den noch nicht verfestigten Faserstapel die Riefengassen eingefräst werden. Das Fräswerkzeug greift dabei in die jeweils mit den Riefengassen zu versehende Oberfläche, so dass die von ihr ergriffenen Fasern unter Ausbildung der jeweiligen Riefe aus der Oberfläche herausgezogen werden. Damit einhergehend werden die angrenzend an die betreffenden Fasern liegenden, jedoch im Vlies verbleibenden Fasern, die beim fertigen erfindungsgemäßen Vlies die seitlichen Begrenzungsflächen der Riefengassen bilden, in Richtung der Relativbewegung von Fräswerkzeug und Faserstapel ausgerichtet. Ein typisches Kennzeichen erfindungsgemäßer Vliese und dementsprechend auch eines erfindungsgemäßen Zwischenprodukts ist daher die Ausrichtung einer größeren Zahl von nahe der jeweiligen Riefe vorhandenen Fasern in einer parallel zu deren Längserstreckung, d.h. längs des Verlaufs der betreffenden Riefengasse, ausgerichteten Richtung.
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Die unterhalb der Riefengassen verbleibenden Fasern des Faserstapels bleiben durch den Fräsvorgang dagegen weitestgehend unbeeinflusst, so dass ein erfindungsgemäßes Vlies unterhalb der Riefengassen typischerweise eine andere Faserorientierung aufweist als im Bereich der seitlichen Begrenzungsflächen der Riefengassen. So können die Fasern eines erfindungsgemäßen Vlieses unterhalb der Riefengassen beispielsweise in Wirrlage vorliegen.
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Für die praktische Verwendung eignen sich insbesondere solche dreidimensional strukturierte erfindungsgemäße Vliese aus Stapelfasern, bei denen mindestens zehn Riefengassen pro Vliesbreite ausgebildet sind.
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Erfindungsgemäße Vliese, deren Riefengassen maximal 5 mm tief sind, lassen sich dabei nicht nur besonders gut herstellen, sondern zeichnen sich auch durch optimierte Gebrauchseigenschaften aus.
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Aus fertigungstechnischer Sicht erweist es sich als besonders günstig, wenn die Riefengassen parallel zueinander verlaufen. Dabei ist „parallel“ im vorliegenden Text jeweils nicht im streng geometrischen Sinne, sondern im Sinne eines Fachmanns auf dem Gebiet der Textiltechnik zu verstehen. D.h. beispielsweise, dass auch solche Ausgestaltungen, bei denen die Riefengassen nicht exakt parallel verlaufen, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, solange die Riefengassen einen im Grundsatz geradlinige, nebeneinander ausgerichtete Ausrichtung aufweisen.
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Bei einer in diesem Sinne parallelen Ausrichtung der Riefengassen kann zur Erzeugung des Vlieses ein Faserstapel in einer Linearbewegung entlang eines Fräswerkzeugs geführt werden, das gleichzeitig zwei oder mehr der parallel zueinander verlaufenden Riefengassen in die jeweilige Oberfläche des Vlieses einfräst.
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Werden bestimmte Muster oder räumliche Erstreckungen von den Riefengassen verlangt, so können die Riefengassen auch nicht durchgehend, d.h. unterbrochen, ausgebildet sein. Sie können sich also beispielsweise nur über eine Teillänge des jeweiligen erfindungsgemäßen Vlieses erstrecken. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass das Fräswerkzeug nur an einem bestimmten Abschnitt in die Oberfläche des Faserstapels eingesenkt und dann über die jeweilige Länge relativ zu der Oberfläche bewegt wird, bis die Riefengasse die vorgesehene Länge erhalten hat und das Fräswerkzeug wieder von dem Faserstapel abgehoben wird.
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Eine besonders einfache und effektiv durchführbare Herstellweise ergibt sich, wenn bei einem dreidimensional strukturierten erfindungsgemäßen Vlies aus Stapelfasern die Riefengassen über die Länge des Vlieses durchgehend ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung erlaubt es beispielsweise, einen nach Art eines Bandes bereitgestellten Faserstapel kontinuierlich entlang des jeweiligen Fräswerkzeugs zu bewegen.
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Durch die Gestalt des Fräswerkzeugs kann der Verlauf der Riefengassen bestimmt werden. So lassen sich beispielsweise durch Verwendung eines entsprechend geformten Fräswerkzeugs erfindungsgemäße Vliese erzeugen, bei denen die Riefengassen einen wellenförmigen Verlauf aufweisen. Ein solcher Verlauf lässt sich beispielsweise durch Verwendung eines als Walze ausgebildeten Fräswerkzeugs herstellen, bei dem auf der Umfangsfläche der Walze wellenförmig geformte, um die Walze umlaufende Vorsprünge vorgesehen sind.
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Den voranstehenden Erläuterungen entsprechend ist ein im unverfestigten Zustand vorliegendes Zwischenprodukt für die Herstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Vlieses erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt durch einen Stapel von Fasern gebildet ist, bei dem in mindestens eine Oberfläche Riefengassen eingefräst sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gemäß einem der voranstehenden Erläuterungen ausgebildeten Vlieses umfasst demnach folgende Arbeitsschritte:
- a) Bereitstellen eines aus Fasern gebildeten Faserstapels,
- b) Einfräsen von Riefengassen in eine der Oberflächen des Faserstapels,
- c) Verfestigen des mit den Riefengassen versehenen Faserstapels zu dem Vlies.
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Der im Arbeitsschritt a) bereitgestellte Faserstapel kann in jeder konventionellen Weise erzeugt werden. Zum Beispiel eignet sich dazu das Airlay-Verfahren, bei dem die Fasern in einem aerodynamischen Verfahren beispielsweise durch eine Luftströmung zu einem Faserstapel gelegt werden, in dem sie dann beispielsweise in Wirrlage angeordnet sind (s. https://de.wikipedia org/wiki/Vfiesstoff).
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Es versteht sich hier von selbst, dass, wie voranstehend bereits mehrfach erwähnt, der erfindungsgemäß bereitgestellte Faserstapel auch als Band vorliegen kann, das im kontinuierlichen Durchlauf in erfindungsgemäßer Weise verarbeitet wird.
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Hierbei hat es sich als besonders auch im Hinblick auf die geometrisch exakte Ausformung der erfindungsgemäß erzeugten Riefengassen herausgestellt, wenn die Länge der Fasern mindestens 10 mm beträgt.
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Für das Einfräsen der Riefengassen in den unverfestigten Faserstapel kann im Arbeitsschritt b) eine um eine Rotationsachse drehende Walze vorgesehen werden, die mit einer Garnierung versehen ist. Diese Garnierung greift bei der Fräsbearbeitung in die zu bearbeitende Oberfläche des Faserstapels und reist die in ihren Eingriffsbereich geratenden Fasern aus der Oberfläche hinaus. Hierzu kann die Garnierung in Form einer Garnitur vorliegen oder aus Stiften, aus Häkchen oder aus Scheiben bestehen.
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Beispielsweise kann der Faserstapel für das Einfräsen der Riefengassen durch Unterdruck auf einer Siebfläche gehalten werden. Dieser Unterdruck führt zu keiner dauerhaften Verdichtung des Faserstapels, so dass nach dem Wegfall des Unterdrucks der Faserstapel sich wieder entspannt und in einer Dichte vorliegt, die im Wesentlichen gleich seiner ursprünglichen Dichte ist.
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Der in geeigneter, beispielsweise in der voranstehend erläuterten Weise durch Unterdruckbeaufschlagung gehaltene Faserstapel wird an einer rotierenden Walze entlang bewegt, an deren Umfangsfläche durch geeignet geformte Vorsprünge eine kranzförmige Struktur ausgebildet ist. Die mit der zu bearbeitenden Oberfläche in Eingriff kommenden Vorsprünge der rotierenden Walze schleudern dann aus dem Vlies heraus Fasern, die abgesaugt und dem Prozess der Faserstapelbildung in einer dem Fräsvorgang vorgelagerten Stufe des Herstellungsprozesses zugeführt werden können.
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Eine besonders einfache Verfahrensweise ergibt sich dabei dann, wenn die Riefengassen in einer Materiallaufrichtung in den Faserstapel eingefräst werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Faserstapel als Faserband vorliegt, das kontinuierlich entlang des Fräswerkzeugs geführt wird. Die Materiallaufrichtung entspricht dabei typischerweise der Längsrichtung des Faserstapels. Riefengassen, die sich in der Materiallaufrichtung des Faserstapels erstrecken, lassen sich besonders einfach mit Hilfe eines walzenförmigen Fräswerkzeugs erzeugen, dessen Rotationsachse quer zur Materiallaufrichtung des Faserstapels ausgerichtet ist.
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Die auf das Einfräsen der Riefengassen folgende Verfestigung des Vlieses kann auf jede bekannte Weise erfolgen. Eine Verfestigung mit Unterstützung durch Luftabsaugung sollte jedoch vermieden werden, weil dadurch eine unerwünschte Verdichtung des Vlieses eintreten würde. Optimalerweise wird die Verfestigung so durchgeführt, dass die Dichte des Vlieses nach der Verfestigung im Wesentlichen gleich der Dichte vor dem Verfestigen ist, es also im Zuge der Verfestigung allenfalls zu einer unwesentlichen Verdichtung des Vlieses kommt.
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So kann im Arbeitsschritt c) die Verfestigung des Faserstapels zu dem Vlies durch Auftrag eines Klebstoffs erfolgen, der die Fasern miteinander verklebt. Alternativ oder ergänzend kann im Arbeitsschritt c) die Verfestigung des Faserstapels zu dem Vlies auch durch Beaufschlagung mit Hitze erfolgen, so dass aneinander anliegende Fasern im Bereich ihrer Kontaktzone mindestens teilweise aufschmelzen und durch den miteinander verschmelzenden Werkstoff der Fasern eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fasern entsteht. Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, die es erlauben, ein Vlies ohne Luftabsaugung und damit einhergehende Verdichtung zu verfestigen, sind: Wasserstoffverfestigung, Klebstoffauftrag, Schaumauftrag, Kalandrieren, Heißluftbehandeln, Schmelzen von Bindefasern, Vernadeln, Walken, Mikrowellenerhitzung, Infraroterhitzung, Sprühauftrag von Klebstoffen, Ultraschallschweißen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
- 1 zeigt ein Vlies im Querschnitt in Produktions(lauf)richtung.
- 2 zeigt einen Ausschnitt des Vlieses gemäß 1 in Draufsicht
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Das Vlies V weist Riefengassen R auf, die in das Vlies V mit einer Tiefe t eingefräst worden sind. in 1 sind dabei durch Punkte die Faserquerschnitte von Fasern F1,F2 angedeutet, die durch die Riefenfräsung in Materiallaufrichtung ML parallel zu den Riefengassen R ausgerichtet sind.
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Unterhalb der Frästiefe t hat das Vlies V eine beliebige Struktur. So können dort die Fasern F3 ein Wirrvlies oder ein mehrlagiges getäfeltes Vlies bilden.
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Die Riefengassen R werden durch eine schnell drehende, hier nicht dargestellte Walze, die mit einer Garnierung versehen ist, erzeugt. Die Garnierung kann aus einer Garnitur, Stiften, Häkchen oder Scheiben bestehen.
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Zur Herstellung des Vlieses V wird als Zwischenprodukt ein in konventioneller Weise beispielsweise durch das Airlay-Verfahren erzeugter, bandförmiger Faserstapel bereitgestellt, in dem die Fasern F1,F2,F3 in Wirrlage vorliegen.
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In Folge der Fräsbearbeitung der mit den Riefengassen R zu versehenden Oberfläche O des Vlieses V werden die Fasern, die sich im Bereich der zu erzeugenden Riefengassen R befinden, von der Garnitur der rotierenden Walze aus der Oberfläche des Faserstapels gerissen. Gleichzeitig werden aufgrund der Relativbewegung zwischen den im Faserstapel verbleibenden Fasern F1,F2,F3, der Garnitur des Werkzeugs und/oder der herausgerissenen Fasern die Fasern F1,F2, die die jeweilige Riefengasse R seitlich begrenzen, in eine bezogen auf den geradlinigen Verlauf der Riefengassen R parallele Ausrichtung gebracht. Die in den bezogen auf die Oberfläche O tieferen Dickenregionen des Vlieses V vorhandenen Fasern F3 verbleiben dagegen in der ursprünglichen Wirrlage, so dass insbesondere auch unterhalb der Riefengassen R Fasern F3 in Wirrlage vorliegen.
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Nach dem Fräsen der Riefengassen R kann das Vlies V durch Anwendung einer der voranstehend bereits erwähnten, für diesen Zweck aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verfestigt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Vlies V zeichnet sich somit dadurch aus, dass es, um eine dreidimensionale Struktur aufzuweisen, Riefengassen R hat. Die Riefengassen R werden gefräst. Die die Riefengassen R seitlich begrenzenden Fasern F1,F2 sind parallel zum Verlauf der jeweiligen Riefengassen R ausgerichtet.
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Die Erfindung betrifft dementsprechend ein dreidimensionales strukturiertes Vlies V, das aus Stapelfasern F1,F2,F3 gebildet ist. Um ein solches Vlies V mit einfachen Mitteln und minimiertem Bedarf an für die Erzeugung benötigten Fasern F1,F2,F3 herstellen zu können, schlägt die Erfindung vor, an mindestens einer der Oberflächen O des Faserstapels Riefengassen R vorzusehen, die in die Oberfläche O eingefräst sind.
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Bezugszeichenliste
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- F1,F2
- Fasern in paralleler Ausrichtung zu den Riefengassen R
- F3
- Fasern in Wirrlage
- ML
- Materiallaufrichtung
- O
- Oberfläche des Vlieses V
- R
- Riefengassen
- T
- Tiefe der Riefengassen
- V
- Vlies
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5223319 [0003]
- DE 1957727 A [0004, 0005]
- US 3616159 [0004]
- EP 0810078 A1 [0005]
