-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Diese Erfindung betrifft Bikomponentenfasern, Netzwerke, Vorgarne und selbsttragende dreidimensionale Produkte, die daraus gebildet sind, und Verfahren zum Herstellen derselben.
-
RÜCKVERWEISUNG AUF DAMIT IN BEZIEHUNG STEHENDE ANMELDUNGEN
-
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen unter 35 U.S.C. § 119(e) der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/901,108, die am 7. November 2013 eingereicht worden ist, deren gesamte Inhalte hier unter Bezugnahme summarisch eingefügt werden, wie wenn sie in vollem Umfang aufgeführt wären.
-
STAND DER TECHNIK
-
Bikomponentenfasern werden im Allgemeinen als sich auf Filamente beziehend verstanden, die durch Extrudieren von zwei Polymersystemen aus derselben Spinndüse hergestellt werden, wobei beide Polymersysteme innerhalb desselben Filaments enthalten sind. Bikomponentenfasern bieten enorme Möglichkeiten zum Erzeugen von Fasern mit verschiedenen erwünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften und geometrischen Konfigurationen, da verschiedene Polymersysteme verwendet werden können, um die Potentiale, die bei einem der Polymersysteme allein nicht vorliegen, auszunutzen. Außerdem können Bikomponentenfasern unter Anwendung eines Schmelzblasverfahrens hergestellt werden, um die extrudierten Fasern innerhalb eines Bereichs erwünschter Querschnittsdurchmesser dünner zu machen.
-
Während Bikomponentenfasern für erwünschte Endzwecke technisch modifiziert werden können, gibt es eine Anzahl von Faktoren, die bei der Auswahl von Polymeren in Betracht gezogen werden können, wie beispielsweise Polymerhaftung, Schmelzpunkte, Schrumpfung, relative Moduli der Polymere und die Endkonfiguration der Faser, um nur einige wenige zu nennen.
-
Ein Anwendungszweck für Bikomponentenfasern ist die Herstellung von Vliesstoffen. Vliesstoffe bezieht sich auf Textilstoffe, die, im Gegensatz zu Geweben, durch chemische, mechanische, Hitze- oder Lösungsmittelbehandlung zusammenbondiert werden. Vliesstoffen mangelt es typischerweise an Festigkeit, es sei denn, sie werden verdichtet oder durch einen Träger oder strukturellen Rahmen verstärkt. So sind, wenn Vliesstoffmaterialien zu dreidimensionalen Produkten (z.B. Filtern) gebildet werden, strukturelle Verstärkungen zum Stützen und Halten der Vliesstoffmaterialien in der erwünschten Gestalt und unter Arbeitsbedingungen (z.B. einem Druck-, Temperaturbereich usw.) benötigt. Derartige strukturelle Verstärkungen können jedoch unerwünscht sein, da sie die Filtriereffizienz beeinträchtigen und Verunreinigungen einführen können.
-
Beispielsweise sind schmelzgeblasene Polypropylen-Monokomponentenfasern bei der Herstellung einer Vielfalt von Produkten, einschließlich Feinpartikelluft- und -flüssigkeitsfiltern und hoch absorptionsfähigen Körperfluidmedien, wie diejenigen, die in Windeln anzutreffen sind, verwendet worden. Derartige Fasern weisen jedoch eine geringe Steifigkeit und sehr geringe Rückverformung, wenn komprimiert, auf. Außerdem sind sie nicht ohne weiteres für das thermische Bondieren geeignet und durch chemische Mittel schwierig zu bondieren. So sind sie zwar für die Herstellung dünner poröser Vliesstoffnetzwerke verwendet worden, sie sind aber nicht kommerziell für die Herstellung von selbsttragenden, dreidimensionalen Artikeln wie Tintenreservoirs, Dochte oder flache oder gewellte Filterblätter oder direkt gebildete Filterrohre, die hohe Zerquetschfestigkeitseigenschaften aufweisen, akzeptabel gewesen.
-
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
-
In einer Ausführungsform umfasst eine schmelzgeblasene Bikomponentenfaser ein erstes thermoplastisches polymeres Material und ein zweites thermoplastisches polymeres Material. Das zweite thermoplastische Material umfasst Poly(m-xyloladipamid). Die schmelzgeblasene Bikomponentenfaser weist eine Mantel-Kern-Konfiguration auf. Der Kern umfasst das erste thermoplastische Material und der Mantel umfasst das zweite thermoplastische polymere Material.
-
Einer ersten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend umgibt der Mantel den Kern vollständig.
-
Einer zweiten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend weist das erste thermoplastische polymere Material einen ersten Schmelzpunkt auf und das zweite thermoplastische polymere Material weist einen zweiten Schmelzpunkt auf. Der erste Schmelzpunkt ist niedriger als der zweite Schmelzpunkt.
-
Einer dritten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend ist das erste thermoplastische polymere Material ein oder mehrere Homo- oder Copolymer(e) von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat.
-
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Vliesstofffasernetzwerk oder -vorgarn mehrere von irgendeiner der vorstehenden schmelzgeblasenen Bikomponentenfasern, die aneinander bondiert sind. Die mehreren der schmelzgeblasenen Bikomponentenfasern können thermisch aneinander an beabstandeten Kontaktstellen zum Definieren einer porösen Struktur thermisch bondiert werden, die im Wesentlichen dem Zusammendrücken widersteht.
-
In noch einer anderen Ausführungsform wird ein selbsttragendes, dreidimensionales poröses Element aus dem Vliesstoff-Fasernetzwerk oder Vorgarn gebildet. Das selbsttragende, dreidimensionale poröse Element kann zum Bilden eines Tintenreservoirs, von Dochten für medizinische oder diagnostische Testvorrichtungen, Dochten für Lufterfrischer oder Insektizidspendevorrichtungen oder ein Filter oder Filterelement verwendet werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die polymere Faser ein erstes thermoplastisches polymeres Material und ein zweites thermoplastisches polymeres Material. Das zweite thermoplastische polymere Material umfasst Homo- oder Copolymer(e) von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid.
-
Einer ersten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend ist das erste thermoplastische polymere Material ein oder mehrere Homo- oder Copolymer(e) von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat.
-
Einer zweiten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend ist die Faser eine schmelzgeblasene Bikomponentenfaser.
-
Einer dritten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend weist die schmelzgeblasene Bikomponentenfaser eine Mantel-Kern-Konfiguration auf. Der Kern umfasst das erste thermoplastische polymere Material und der Mantel umfasst das zweite thermoplastische polymere Material.
-
Einer vierten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend umhüllt oder umgibt der Mantel den Kern vollständig.
-
Einer fünften unabhängigen Ausgestaltung entsprechend weist die schmelzgeblasene Bikomponentenfaser eine Konfiguration ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Mantel-Kern, Seite-an-Seite, Mantel-Kern multilobal und bestückt multilobal auf.
-
Einer sechsten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend weist die schmelzgeblasene Bikomponentenfaser eine Seite-an-Seite-Konfiguration auf, die erste und zweite Abschnitte umfasst. Der erste Abschnitt umfasst das erste thermoplastische Material und der zweite Abschnitt umfasst das zweite thermoplastische Material.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Vliesstoffnetzwerk aus heterogenen Fasern eine Mehrzahl von Biomponentenfasern und eine Mehrzahl von Fasern. Die Mehrzahl von Bikomponentenfasern umfasst ein erstes thermoplastisches polymeres Material und ein zweites thermoplastisches polymeres Material, das Homo- oder Copolymer(e) von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid umfasst. Die Mehrzahl von Fasern umfasst ein drittes thermoplastisches polymeres Material.
-
Einer ersten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend weisen das erste und dritte thermoplastische Material jeweils einen Schmelzpunkt auf, der niedriger als der Schmelzpunkt des zweiten thermoplastischen polymeren Materials ist.
-
Einer zweiten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend sind das erste und dritte thermoplastische polymere Material jeweils unabhängig von einem oder mehreren Homo- oder Copolymer(en) von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat ausgewählt.
-
Einer dritten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend umfassen die Bikomponentenfasern jeweils einen Kern, der das erste thermoplastische polymere Material umfasst und einen Mantel, der das zweite thermoplastische polymere Material umfasst, wobei der Mantel den Kern vollständig umgibt.
-
Einer vierten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend umfassen die ersten und dritten thermoplastischen polymeren Materialien dasselbe thermoplastische polymere Material.
-
In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein selbsttragendes, dreidimensionales poröses Element bereitgestellt, das irgendeines der vorhergehenden Vliesstoff-Netzwerke aus heterogenen Fasern umfasst. Die Bikomponentenfasern werden thermisch aneinander und an die Mehrzahl von Fasern an beabstandeten Kontaktpunkten bondiert, um eine poröse Struktur zu definieren, die im Wesentlichen dem Zusammendrücken widersteht.
-
In noch einer weiteren Ausführungsform besteht ein selbsttragendes, dreidimensionales poröses Element aus einem Vliesstoff-Netzwerk aus Fasern, wobei die Fasern Bikomponentenfasern umfassen, die ein erstes thermoplastisches polymeres Material und ein zweites thermoplastisches polymeres Material umfassen. Das zweite thermoplastische polymere Material umfasst Homo- oder Copolymer(e) von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid. In einer Ausführungsform umfasst das poröse Element keinen strukturellen Rahmen oder Kern, der von dem Vliesstoff-Netzwerk von Fasern getrennt ist. In einer anderen Ausführungsform umfasst das poröse Element keine Schichten zusätzlich zu dem Vliesstoff-Netzwerk von Fasern.
-
Einer ersten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend ist ein Schmelzpunkt des ersten thermoplastischen polymeren Materials niedriger als der Schmelzpunkt des zweiten thermoplastischen polymeren Materials.
-
Einer zweiten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend ist das thermoplastische polymere Material ein oder mehrere Homo- oder Copolymer(e) von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat.
-
Einer dritten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend umfassen die Fasern ferner eine Mehrzahl von Fasern umfassend ein drittes thermoplastisches polymeres Material.
-
Einer vierten unabhängigen Ausgestaltung entsprechend ist das dritte thermoplastische polymere Material ein oder mehrere Homo- oder Copolymer(e) von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat.
-
Einer fünften unabhängigen Ausgestaltung entsprechend ist das dritte thermoplastische polymere Material eine Monokomponentenfaser.
-
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen werden Fachleuten auf dem Gebiet der Technik aus der folgenden genauen Beschreibung offensichtlich werden. Man sollte sich jedoch im Klaren darüber sein, dass die genaue Beschreibung und spezifischen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angeben, aber zur Veranschaulichung und nicht Einschränkung aufgeführt sind. Viele Änderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung können, ohne vom Geist davon abzuweichen, gemacht werden und die Erfindung umfasst alle derartigen Modifikationen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
-
1 Endprofilansichten verschiedener Konfigurationen von Mantel-Kern-Bikomponentenfasern zeigt.
-
2 eine perspektivische Ansicht einer Form von Mantel-Kern-Bikomponentenfaser ist.
-
3 eine Endprofilansicht einer trilobalen oder „Y“-förmigen Bikomponentenfaser ist.
-
4 Endprofilansichten von Seite-an-Seite-Bikomponentenfasern verschiedener Konfigurationen zeigt.
-
5 eine Endprofilansicht einer bestückten multilobalen Bikomponentenfaser zeigt.
-
6 eine perspektivische Ansicht eines selbsttragenden, dreidimensionalen porösen Elements mit einem hohlen Kern ist.
-
7 eine schematische Ansicht einer Form einer Prozessstraße zum Herstellen von Stäbchen aus Bikomponentenfasern zeigt.
-
8 eine vergrößerte schematische Ansicht eines schmelzgeblasenen Mantel-Kern-Düsenabschnitts der Prozessstraße von 7 ist.
-
9 eine vergrößerte schematische Ansicht eines gespaltenen Düsenelements zum Bilden von Bikomponentenfasern der vorliegenden Erfindung entsprechend ist.
-
10 eine schematische Querschnittsansicht eines Dampfbehandlungsapparats ist, der zum Bondieren und Bilden eines kontinuierlichen porösen Stabs verwendet werden kann.
-
11 eine schematische Ansicht eines alternativen Erhitzungsmittels der Art eines dielektrischen Ofens zum Bondieren und Bilden des kontinuierlichen porösen Stabs ist.
-
Gleiche Zahlen beziehen sich auf gleiche Teile in den gesamten verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
-
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Spezifische, nicht einschränkende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Man sollte sich im Klaren darüber sein, dass derartige Ausführungsformen als Beispiel angegeben werden und nur für eine geringe Anzahl von Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung veranschaulichend sind. Verschiedene Änderungen und Modifikationen, die einem Fachmann auf dem Gebiet der Technik offensichtlich sind, und auf die die vorliegende Erfindung zutrifft, werden als innerhalb des Geists, Umfangs und der Kontemplation der vorliegenden Erfindung liegend, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen weiter definiert ist, betrachtet.
-
Ausführungsformen von polymeren Fasern und Produkten, die aus derartigen Fasern durch thermisches Bondieren hergestellt werden, werden hier offenbart. In einer Ausführungsform sind die polymeren Fasern Bikomponentenfasern, bevorzugt Mantel-Kern-Bikomponentenfasern, die einen Kern aus thermoplastischem polymerem Material und einen Mantel aus Poly(m-xyloladipamid) oder einem Copolymer davon oder Polyphenylensulfid oder einem Copolymer davon aufweisen. In einer anderen Ausführungsform werden die polymeren Fasern nur durch thermische Mittel bondiert.
-
Der Ausdruck „Bikomponente“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die Verwendung von zwei verschiedenen Polymersystemen, die verschiedene chemische Eigenschaften aufweisen und in einzelnen Abschnitten einer Faserstruktur positioniert werden. Verschiedene Konfigurationen der beiden Polymersysteme in Bikomponentenfasern sind möglich, einschließlich Mantel-Kern, Seite-an-Seite, segmentierter Kreis, segmentiertes Kreuz, multilobaler Mantel-Kern und bestückte multilobale Konfigurationen. 1–5 zeigen gewisse der verschiedenen Konfigurationen für die Bikomponentenfasern.
-
In einer Ausführungsform ist die Bikomponentenfaser eine Mantel-Kern-Faser, wobei ein Mantel aus einem Homo- oder Copolymer von Poly(m-xyloladipamid) gesponnen wird, um einen Kern aus relativ billigem, hochfestem, thermoplastischem polymeren Material geringer Schrumpfung, wie beispielsweise Homo- oder Copolymer(e) von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- oder Polybutylenterephthalat vollständig zu umgeben und zu umschließen. In einer anderen Ausführungsform ist die Bikomponentenfaser eine Mantel-Kern-Faser, wobei ein Mantel aus Homo- oder Copolymer von Polyphenylensulfid gesponnen wird, um einen Kern aus relativ billigem, hochfestem, thermoplastischem polymeren Material geringer Schrumpfung wie beispielsweise Homo- oder Copolymer(e) von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- oder Polybutylenterephthalat vollständig zu umgeben und zu umschließen. Die Bikomponentenfaser kann unter Anwendung eines „Schmelzblas“-Faserverfahrens zum Reduzieren der extrudierten Faser auf einen erwünschten Durchmesser hergestellt werden. In einer Ausführungsform ist die extrudierte Bikomponentenfaser stark verringert, um einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 bis etwa 40 Mikron, von etwa 6 bis etwa 25 Mikron oder von etwa 7 bis etwa 15 Mikron aufzuweisen.
-
Der Ausdruck „schmelzgeblasen“, wie hier benutzt, bezieht sich auf die Verwendung eines Hochdruckgasstroms am Ausgang einer Faserextrusionsdüse zum Verringern oder Dünnermachen von Fasern, während sie sich in ihrem geschmolzenen Zustand befinden. Die
US-Patentschriften Nr. 3,595,245 ,
3,615,995 ,
3,972,759 ,
4,795,668 ,
5,607,766 offenbaren Schmelzblasverfahren. Jedes der vorstehenden Patente wird hier unter Bezugnahme als Ganzes eingefügt, wie wenn sie hier vollständig aufgeführt wären.
-
MAP MX Nylon, Güte S6011 und S6003LD (verschiedene Güten von Poly(m-xyloladipamid)), die von Mitsubishi Gas Chemical Americas, Inc., hergestellt werden, können als mantelbildendes Material verwendet werden. Der Höchstschmelzpunkt (HSP) von Poly(m-xyloladipamid) beträgt 237°C, was wesentlich über dem von Polypropylen (166°C), Nylon 6 (Polycaprolactam) (220°C) und Polybutylenterephthalat (223°C) liegt. Polyphenylensulfid hat einen Schmelzpunkt von 280°C, was ebenfalls wesentlich über dem der oben erwähnten Polymere und auch über dem von Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)) liegt.
-
In einer spezifischen Ausführungsform umfassen die Mantel-Kern-Bikomponentenfasern einen kontinuierlichen Mantel aus einem Polymer von hohem Schmelzpunkt über einem Kern aus Polymer von niedererem Schmelzpunkt und geringer Schrumpfung. Bei einem Beispiel dieser Ausführungsform kann ein Mantel aus Homo- oder Copolymer(en) von Poly(m-xyloladipamid) über einem Polymerkern aus Nylon 6 (Polycaprolactam), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat bereitgestellt werden. Bei einem anderen Beispiel dieser Ausführungsform kann ein Mantel aus einem Polyphenylensulfid über einem Polymerkern aus Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat bereitgestellt werden. Derartige Fasern, insbesondere, wenn sie schmelzgeblasen sind, sind für die Herstellung von Netzwerken oder Vorgarnen und Elementen daraus, die für verschiedene kommerzielle Anwendungen nützlich sind, geeignet.
-
Mit Bezug auf Ausführungsformen von Bikomponentenfasern ist man sich im Klaren, dass irgendeines der Mantelmaterialien (z.B. Homo- und Copolymer(en) von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid) in Kombination mit irgendeinem der Kernmaterialien aus einem thermoplastischen polymeren Material (z.B. Homo- und Copolymeren von thermoplastischen Polymeren, wie Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat verwendet werden kann. Es ist nicht kritisch, Mantel- und Kernmaterialien zu benutzen, die dieselbe Schmelzviskosität aufweisen, da jedes Polymer einzeln beim Vorgang für die schmelzgeblasene Bikomponentenfaser hergestellt wird. Es kann jedoch wünschenswert sein, ein Kernmaterial mit einem Schmelzindex auszuwählen, der ähnlich dem Schmelzindex des Mantelpolymers ist oder nötigenfalls die Viskosität des Mantelpolymers zu modifizieren, so dass sie derjenigen des Kernmaterials ähnlich ist, um die Verträglichkeit im Schmelzextrusionsvorgang durch die Biokomponentendüse sicherzustellen. Zusatzmittel können in das Polymer vor der Extrusion eingearbeitet werden, um die Fasern und daraus hergestellte Produkte mit erwünschten Eigenschaften, wie beispielsweise erhöhter Hydrophilizität oder Hydrophobizität, zu versehen.
-
In den Ausführungsformen, wo ein Copolymer von Poly(mxyloladipamid) oder Polyphenylensulfid verwendet wird, kann das Copolymer derart ausgewählt werden, dass sein Schmelzpunkt höher ist als ein Schmelzpunkt des zweiten Abschnitts (z.B. Kerns) der Bikomponentenfaser.
-
1–5 zeigen die verschiedenen Konfigurationen, die mit Bikomponentenfasern möglich sind. Man wird sich im Klaren darüber sein, dass die relativen Verhältnisse der Bikomponentenfasern nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind und dass sie nur dargestellt sind, um die relative räumliche Beziehung zwischen den beiden Abschnitten der Bikomponentenfasern zu zeigen.
-
1–3, die verschiedene Konfigurationen von Mantel-Kern-Bikomponentenfaser zeigen. Die Größe der Faser und die relativen Verhältnisse der Mantel- und Kernabschnitte sind zur veranschaulichenden Klarheit übertrieben worden. 1 zeigt Bikomponentenfasern, die fünf verschiedene Mantel-Kern-Konfigurationen aufweisen (10A–E), die einen Kern verschiedener Gestalten und Positionen (14A–E) umfassen, der vollständig von einem Mantel (12A–E) umgeben ist. 2 zeigt eine Bikomponenten-Mantel-Kern-Faser 20 mit einem Kern 25, der vollständig von einem Mantel 22 umgeben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumen des Kerns etwa 50–80 % des Gesamtvolumens der Mantel-Kern-Bikomponentenfaser und das Volumen des Mantels beträgt etwa 20–50 % des Gesamtvolumens der Mantel-Kern-Bikomponentenfaser. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumen des Kerns etwa 60–80 % des Gesamtvolumens der Mantel-Kern-Bikomponentenfaser und das Volumen des Mantels beträgt etwa 20–40 % des Gesamtvolumens der Mantel-Kern-Bikomponentenfaser. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumen des Kerns etwa 70–85 % des Gesamtvolumens der Mantel-Kern-Bikomponentenfaser und das Volumen des Mantels umfasst 15–30 % des Gesamtvolumens der Mantel-Kern-Bikomponentenfaser.
-
Es ist zu beobachten, dass bei jeder der in 1–2 dargestellten Ausführungsformen die Außenfläche der Faser im Wesentlichen zylindrisch ist. Man sollte sich jedoch im Klaren darüber sein, dass die Außenfläche der Bikomponentenfasern nicht so beschränkt ist, eine zylindrische Gestalt anzunehmen und dass andere Außenflächengestalten möglich sind. Beispielsweise kann eine multilobale Gestalt, wie in 3 dargestellt, bereitgestellt werden. Die Bikomponentenfaser von 3 ist noch spezifischer eine trilobale oder „Y“-förmige Faser 20a, die einen Mantel 22a und einen Kern 24a umfasst. Ungeachtet der Gestalt umfasst der Mantel ein Homo- oder Copolymer von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid, das bevorzugt das Kernmaterial eines thermoplastischen Homo- oder Copolymers vollständig umgibt.
-
4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform von Bikomponentenfasern, die zum Herstellen der Netzwerke, Vorgarne oder selbsttragender, dreidimensionaler poröser Elemente, die hier offenbart werden, verwendet werden können. Die Bikomponentenfasern (40A–C) sind Variationen der Seite-an-Seite-Konfiguration, wobei jedes der beiden Polymersysteme bloßgelegt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der erste Faserabschnitt (42A–C) Homo- oder Copolymere von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid umfassen und der zweite Faserabschnitt (44A–C) kann ein anderes thermoplastisches polymeres Material, wie beispielsweise Homo- oder Copolymere von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann der zweite Faserabschnitt (44A–C) Homo- oder Copolymere von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid umfassen und der erste Faserabschnitt (42A–C) kann ein anderes thermoplastisches polymeres Material, wie beispielsweise Homo- oder Copolymere von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat umfassen.
-
Der Hauptunterschied zwischen den beiden vorhergehenden Ausführungsformen besteht aus dem relativen Verhältnis oder Volumen der beiden Faserabschnitte in 40A–C und so den relativen Verhältnissen der beiden verschiedenen Polymersysteme. In der Bikomponentenfaser 40A sind das Volumen der ersten und zweiten Abschnitte und so die beiden Polymersysteme im Wesentlichen gleich.
-
In der Bikomponentenfaser von 40B und 40C spiegeln die beiden Ausführungsformen die verschiedenen Mengen der beiden Polymersysteme, die vorliegen können, wider. In einer Ausgestaltung der Ausführungsform, nämlich der Bikomponentenfaser von 40B, beträgt das Volumen des ersten Faserabschnitts 42B etwa 80–95 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser und das Volumen des zweiten Faserabschnitts 44B beträgt etwa 5–20 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser.
-
In der Bikomponentenfaser von 40C beträgt das Volumen des ersten Faserabschnitts 42C etwa 65–80 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser und das Volumen des zweiten Faserabschnitts 44C beträgt etwa 20–35 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser.
-
In einer Ausführungsform beträgt das Volumen des ersten Faserabschnitts (42B oder 42C) etwa 50–80 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser und das Volumen des zweiten Faserabschnitts (44B oder 44C) beträgt etwa 20–50 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser. In einer anderen Ausführungsform beträgt das Volumen des ersten Faserabschnitts (42B oder 42C) etwa 60–80 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser und das Volumen des zweiten Faserabschnitts (44B oder 44C) beträgt etwa 20–40 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser. In einer weiteren Ausführungsform beträgt das Volumen des ersten Faserabschnitts (42B oder 42C) etwa 70–85 % des Gesamtvolumens der Bikomponentenfaser und das Volumen des zweiten Faserabschnitts (44B oder 44C) beträgt etwa 15–30 % des Gesamtvolumens der Mantel-Kern-Bikomponentenfaser.
-
5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer bestückten multilobalen Bikomponentenfaser 60, die zum Herstellen der Netzwerke, Vorgarne oder selbsttragenden, dreidimensionalen porösen Elemente, die hier offenbart sind, verwendet werden kann. Die multilobale Bikomponentenfaser 60 umfasst eine Mehrzahl von Bestückungen 62 und einen mittigen Körper 64. In einer Ausführungsform kann die Bestückung 62 Homo- oder Copolymere von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid umfassen und der mittige Körper 64 kann ein anderes thermoplastisches polymeres Material, wie beispielsweise Homo- oder Copolymere von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann der mittige Körper 64 Homo- oder Copolymere von Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid umfassen und die Bestückungen 62 können ein anderes thermoplastisches polymeres Material wie beispielsweise Homo- oder Copolymere von Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 6,6 (Poly(hexamethylenadipamid)), Polypropylen- und/oder Polybutylenterephthalat umfassen.
-
7 bis 11 veranschaulichen schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung, die zum Herstellen einer Bikomponentenfaser und zum Verarbeiten derselben zu kontinuierlichen, dreidimensionalen, porösen Elementen verwendet wird, die daraufhin aufgeteilt werden können, um beispielsweise Tintenreservoirelemente, die in Markier- oder Schreibinstrumente eingebaut werden sollen, oder Tabakrauchfilterelemente, die in Filterzigaretten oder dergleichen eingebaut werden sollen, zu bilden. Die Verarbeitungsstraße insgesamt wird allgemein durch die Bezugsnummer 30 in 7 bezeichnet. In der gezeigten Ausführungsform werden die Bikomponentenfasern selbst in line mit der Vorrichtung, die zum Verarbeiten der Fasern zu porösen Elementen benutzt wird, hergestellt. Eine derartige Anordnung ist bei den Schmelzblastechniken wegen der geringen Standfläche der Vorrichtung, die für diesen Vorgang erforderlich ist, praktisch. Während das In-line-Verarbeiten kommerzielle Vorteile aufweist, sollte man sich im Klaren darüber sein, dass Bikomponentenfasern und Netzwerke oder Vorgarne, die aus derartigen Fasern gebildet werden, im breitesten Sinne getrennt hergestellt und zu verschiedenen Produkten in getrennten oder sequentiellen Arbeitsgängen verarbeitet werden können.
-
Ob in line oder getrennt, können die Fasern selbst unter Anwendung von Standardfaserspinntechniken zum Bilden von Mantel-Kern-Bikomponentenfilamenten wie beispielsweise bei Powell,
US-Patentschriften Nr. 3,176,345 oder
3,192,562 oder Hills,
US-Patentschrift Nr. 4,406,850 (die ‘345-, ‘562- und ‘850-Patente, deren Gegenstände hier in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme eingefügt werden) hergestellt werden. Beispielsweise wird auf die oben erwähnten Patente
‘245 ,
‘995 und
‘759 sowie Schwarz,
US-Patentschriften Nr. 4,380,570 und
4,731,215 und Lohkamp et al.,
US-Patentschrift Nr. 3,825,379 (Patente ‘570, ‘215 bzw. ‘379, deren Gegenstände hier in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme eingefügt werden) Bezug genommen. Diese Bezugnahmen werden als für Techniken und Apparate zum Bilden von Bikomponentenfasern und Schmelzblasen zum Reduzieren veranschaulichend betrachtet, die verwendet werden können und nicht als diese einschränkend ausgelegt werden sollen.
-
Jedenfalls ist eine Form einer Mantel-Kern-Schmelzblasdüse in
8 und
9 bei
35 schematisch vergrößert gezeigt. Geschmolzenes mantelbildendes Polymer
36 und geschmolzenes kernbildendes Polymer
38 werden in die Düse
35 eingespeist und daraus durch einen Stapel von vier gespaltenen Polymerverteilungsplatten, die schematisch bei
40,
42,
44 und
46 in
9 gezeigt sind, die vom im oben erwähnten Patent
‘850 besprochenen Typ sein können, extrudiert.
-
Unter Anwendung von Schmelzblastechniken und einer Vorrichtung wie im Patent
‘759 veranschaulicht, werden geschmolzene Bikomponenten-Mantel-Kern-Fasern
50 in einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom, der bei
52 schematisch gezeigt ist, extrudiert, der die Fasern
50 dünner macht, wodurch die Herstellung feiner Bikomponentenfasern von ungefähr
12 Mikron oder weniger ermöglicht wird. Bevorzugt wird ein schematisch bei
54 gezeigter Wasserschleier quer zur Extrusionsrichtung und Verdünnung der schmelzgeblasenen Bikomponentenfasern
50 gerichtet. Der Wasserschleier kühlt die Fasern
50 zum Verbessern der Verflechtung der Fasern, während er das Bondieren der Fasern aneinander an dieser Stelle beim Verarbeiten minimiert, wodurch der flauschige Charakter der faserförmigen Masse beibehalten und die Produktivität erhöht wird.
-
Falls erwünscht, kann eine reaktive Appretur in den Wasserschleier eingearbeitet werden, um die Poly(m-xyloladipamid)- oder Polyphenylensulfid-Faseroberfläche hydrophiler oder „benetzbarer“ zu machen. Selbst ein Gleitmittel oder Tensid kann dem faserförmigen Netzwerk auf diese Weise zugegeben werden, obwohl, im Gegensatz zu gesponnenen Fasern, die ein Gleitmittel zum Minimieren der Reibung und Statik bei darauffolgenden Streckarbeiten erfordern, schmelzgeblasene Fasern im Allgemeinen derartige Oberflächenbehandlungen nicht benötigen. Die Möglichkeit, derartige Zusatzmittel zu vermeiden, ist beispielsweise bei medizinischen Diagnostikvorrichtungen besonders wichtig, wo diese nicht dazugehörigen Materialien die Materialien, die getestet werden, beeinträchtigen oder damit reagieren können.
-
Andererseits kann selbst für gewisse medizinische Anwendungen eine Behandlung der Fasern oder der dreidimensionalen Elemente, entweder so wie sie gebildet werden oder daraufhin, notwendig oder wünschenswert sein. Während das resultierende Produkt ein poröses Element sein kann, das ein Gas wie Luft ohne weiteres hindurchlässt, ist es durch eine Oberflächenbehandlung oder die Verwendung eines richtig compoundierten mantelbildenden Polymers möglich, die Fasern hydrophob zu machen, so dass in Abwesenheit von extrem hohen Drucken es zum Ausschließen des Durchgangs einer ausgewählten Flüssigkeit funktionieren kann. Eine derartige Eigenschaft ist dann besonders wünschenswert, wenn ein poröses Element, beispielsweise als Belüftungsfilter in einer Pipettenspitze oder in einem Injektionssystem für intravenöse Lösung verwendet wird. Die Materialien zum derartigen Behandeln der Faser sind allgemein bekannt und die Anwendung derartiger Materialien an der Faser oder dem porösen Element, wie sie gebildet werden, liegt innerhalb des Fachkönnens des Stands der Technik.
-
Zusätzlich kann ein Strom von teilchenförmigem Material, wie beispielsweise granulärer Aktivkohle oder ähnliches (nicht gezeigt) in die faserförmige Masse geblasen werden, während sie aus der Düse austritt, wodurch eine ausgezeichnete Gleichförmigkeit durch die Turbulenz, die durch die Hochdruckluft, die bei der Schmelzblastechnik verwendet wird, verursacht wird. Desgleichen kann ein flüssiges Zusatzmittel, wie beispielsweise ein Aromastoff oder dergleichen, auf die faserförmige Masse auf dieselbe Weise gesprüht werden.
-
Die schmelzgeblasene faserförmige Masse wird kontinuierlich als willkürlich dispergiertes verwirrtes Netzwerk oder Vorgarn
60 auf einem Förderband, das schematisch bei
61 in
7 gezeigt ist (oder einer herkömmlichen mit Sieb bedeckten Vakuumsammeltrommel, wie im Patent
‘759 zu sehen ist, hier nicht gezeigt), das das faserförmige Netzwerk von der mitgeschleppten Luft trennt, um weiteres Verarbeiten zu ermöglichen, aufgefangen. Das Netzwerk oder das Vorgarn
60 der schmelzgeblasenen Bikomponentenfasern liegt in einer Form vor, die für das direkte Verarbeiten ohne darauffolgendes Dünnermachen oder Kräuselung induzierende Verarbeitung geeignet ist.
-
Im Rest der Verarbeitungsstraße, die in
7 zu sehen ist, können Apparate verwendet werden, die bei der Herstellung von weichgemachten Celluloseacetat-Tabakrauchfilterelementen bekannt sind, obwohl geringe Modifikationen bei einzelnen Elementen davon erforderlich sein können, um das Wärmebondieren der Fasern zu erleichtern. Ein beispielhafter Apparat ist beispielsweise bei Berger,
US-Patentschriften Nr. 4,869,275 ,
4,355,995 ,
3,637,447 und
3,095,343 (Patente ‘275, ‘995, ‘447 und ‘343, deren Gegenstände hier in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme eingeschlossen werden) gezeigt. Das Netzwerk oder Vorgarn schmelzgeblasener Mantel-Kern-Bikomponentenfasern
60 ist an diesem Punkt nicht bondiert oder sehr leicht bondiert und wird durch Abquetschwalzen
62 in eine Stopfwerkdüse
64 gezogen, wo es geballt, wie bei
66 zu sehen ist, und in eine Stabform
68 in einer Heizvorrichtung
70 angesammelt wird, die eine Heißluft- oder Dampfdüse, wie bei
70a in
10 gezeigt (des in Patent
‘343 offenbarten Typs) oder einen dielektrischen Ofen, wie bei
70b in
11 gezeigt, umfassen kann. Das Heizmittel erhöht die Temperatur des gesammelten Netzwerks oder Vorgarns auf über etwa 90 °C, um den Stab auszuhärten, wobei das Mantelmaterial zuerst erweicht wird, um die Fasern an ihren Kontaktstellen aneinander zu bondieren und dann das Mantelmaterial zu kristallisieren. Das Element
68 wird dann durch Luft oder dergleichen in der Düse
72 gekühlt, um einen stabilen und relativ selbsttragenden hochporösen Faserstab
75 herzustellen. Diese können aus einem Netzwerk des flexiblen thermoplastischen faserigen Materials gebildet werden, das ein zusammenverbundenes Netzwerk von stark dispergierten kontinuierlichen Fasern umfasst, die willkürlich hauptsächlich in Längsrichtung orientiert und aneinander an Kontaktstellen bondiert sind, um einen hohen Oberflächenbereich und eine sehr hohe Porosität bereitzustellen, bevorzugt über 70 %, bei mindestens einem Hauptteil, und wobei bevorzugt alle der Fasern Bikomponentenfasern sind, die ein kontinuierliches Mantelmaterial aus Homo- oder Copolymer(en) aus Poly(m-xyloladipamid) oder Polyphenylensulfid umfassen und wobei die Elemente bei Temperaturen über 100 °C dimensionsstabil sind.
-
Das Verfahren zum Herstellen derartiger im Wesentlichen selbsttragender längsgezogener Elemente umfasst das Kombinieren von Bikomponenten-Extrusionstechnologie mit Schmelzblasreduzierung, um ein Netzwerk oder Vorgarn von stark verwickelten feinen Fasern mit einem bondierbaren Mantel bei niedrigerer Temperatur als dem Schmelzpunkt des Kernmaterials herzustellen. Das Netzwerk oder Vorgarn wird gesammelt und erhitzt, um die Fasern an ihren Kontaktstellen zu bondieren.
-
Für Tintenreservoirs braucht das Bondieren der Fasern nur ausreichend Festigkeit bereitzustellen, um den Stab zu bilden und die Porenstruktur beizubehalten. Wahlweise kann, je nach seiner Endanwendung, der poröse Stab 75 mit einem Kunststoffmaterial auf herkömmliche Weise (nicht gezeigt) beschichtet oder in eine Kunststofffolie oder Papierumwicklung 76, wie bei 78 schematisch gezeigt, gewickelt werden, um einen umwickelten porösen Stab 80 herzustellen. Der kontinuierlich hergestellte poröse Faserstab 80, gleichgültig, ob umwickelt oder nicht, kann durch einen Standardschneidkopf 82 hindurchgeführt werden, an welcher Stelle er in vorgewählte Längen geschnitten und in einer automatischen Verpackungsmaschine abgelegt wird.
-
Durch Unterteilen des kontinuierlichen porösen Stabs werden eine Mehrzahl einzelner poröser Elemente gebildet, von denen eines in 6 bei 90 als einen hohlen Kern 92 aufweisend schematisch veranschaulicht ist. Jedes Element 90 umfasst einen längsgezogenen luftdurchlässigen Körper aus feinen schmelzgeblasenen Bikomponentenfasern, wie bei 20 in 1 gezeigt, die an ihren Kontaktstellen bondiert sind, um ein stark poröses, selbsttragendes Element von hohem Oberflächenbereich zu definieren, das ausgezeichnete kapillare Eigenschaften aufweist, wenn es als Reservoir oder Docht verwendet wird und einen gewundenen interstitiellen Weg für den Durchgang eines Gases oder einer Flüssigkeit bereitstellt, wenn es als Filter verwendet wird. Man sollte sich im Klaren darüber sein, dass Elemente 90, die dieser Erfindung entsprechend hergestellt werden, keine gleichförmige Konstruktion im Ganzen aufzuweisen brauchen, wie in 6 veranschaulicht.
-
BEISPIEL
-
Schmelzgeblasene Filterröhrchen, die aus Monokomponentennylon 6-(Polycaprolactam-)Faser („Monokomponentenfasermatrix“) und aus Mantel-Kern-Bikomponentenfasern (Mantel: Poly(m-xyloladipamid) und Kern: Nylon 6) („Bikomponentenfasermatrix“) hergestellt wurden, wurden geprüft, um das Ausmaß, in dem die Fasermatrizes Druck durch die Wanddicke der Filter widerstanden haben, zu vergleichen. Beide Filterröhrchen hatten dieselbe Fasergröße und -dichte. Messergebnisse der maximalen Belastung (Pfund) und Steifigkeit (Pfund/Zoll) wurden aus einer physikalischen Instron-Testmaschine (Tabelle 1) erhalten.
-
Um die Festigkeit der Fasermatrizes zu testen, wurden drei (3) rechteckige Prismenproben aus drei (3) willkürlichen Positionen jedes Filters geschnitten. Der obere Teil der rechteckigen Prismen stellte den Außendurchmesser des Filters und die Unterseite stellte den Innendurchmesser dar. Jede Probe wurde auf der Instronmaschine getestet, die eine senkrechte Kraft auf die obere Fläche der rechteckigen Prismen oder die Außenseite des Filters aufbrachte, was die gleiche Richtung der Fluidströmung durch die Filter unter normalen Arbeitsbedingungen ist. Die erhöhte Steifigkeit und Festigkeit der Bikomponentenfasermatrix wird durch die Messwerte der maximalen Belastung und Steifigkeit aufgezeigt. Die Bikomponentenfasermatrix zeigte das 4,4-fache der durchschnittlichen maximalen Belastung und das 2,5-fache der durchschnittlichen Steifigkeit der Monokomponentenfasermatrix auf. TABELLE 1
| Probe | Maximale Belastung (Pfund) | Steifigkeit (Pfund/Zoll) |
| Mono-komponentenfasermatrix Nylon 6 | | |
| 1
2
3 | 9,0
13,9
11,6 | 40,6
57,5
81,2 |
| Durchschnitt: | 11,5 | 59,8 |
| Bikomponentenfasermatrix Mantel: Poly(m-xyloladipamid). Kern: Nylon 6 | | |
| 1
2
3 | 50,1
48,3
54,1 | 141,9
145,6
163,5 |
| Durchschnitt | 50,8 | 150,3 |
-
Diese beträchtlich höheren Werte, die für die maximale Belastung und Steifigkeit erhalten worden sind, weisen darauf hin, dass die Bikomponentenfasermatrix ihre Matrixstruktur und Porengrößenverteilung unter viel stärkeren Kräften und Drucken im Vergleich mit der Monokomponentenfasermatrix und daher ihr Filtriervermögen beibehalten kann, ohne begleitende negative Auswirkung auf die Druckabnahme über den Filter. Im Gegensatz dazu neigt die Monokomponentenfasermatrix unter Kraft viel mehr dazu, zusammenzubrechen, wodurch sie ihre Porenstruktur und Porengrößenverteilung verliert und daher als Filter versagt und eine gewaltige Zunahme des Druckabfalls verursacht, wodurch der Filter für seinen ursprünglichen Zweck grundsätzlich nutzlos wird.
-
Die nichteinschränkenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die hier beschrieben und beansprucht sind, sollen bezüglich des Umfangs nicht durch die spezifischen, hier offenbarten Ausführungsformen beschränkt werden, da diese Ausführungsformen als Veranschaulichungen verschiedener Ausgestaltungen der Erfindung dienen sollen. In der Tat werden verschiedene Modifikationen der Erfindung zusätzlich zu den hier gezeigten und beschriebenen den Fachleuten auf dem Gebiet der Technik aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich werden. Derartige Modifikationen sollen auch innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche fallen.
