DE19882922B4

DE19882922B4 - Vliesstoff umfassend schmelzgeblasene Polymerfasern, Verfahren zum Herstellen von Polymerartikeln sowie Verwendung einer Schmelzblasdüse

Info

Publication number: DE19882922B4
Application number: DE19882922T
Authority: DE
Inventors: Michael T. Ga. Morman
Original assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2018-12-23
Also published as: AU2016799A; US6368533B1; WO1999032694A1; GB2348167B; DE19882922T1; KR100552030B1; GB2348167A; GB0017135D0; KR20010033404A; BR9814324A

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Polymerartikeln aus in Wärme aushärtbaren Polymeren, wobei die Polymerartikel ausgewählt sind aus Fasern und Folien, und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer vorpolymeren Mischung eines in Wärme aushärtbaren Polymers, wobei die vorpolymere Mischung in einem fluiden Zustand ist und die vorpolymere Mischung mittels Energie aktivierbar ist, so dass die vorpolymere Mischung, wenn die vorpolymere Mischung mit einer Energiequelle in Berührung gebracht wird, eine irreversible chemische Transformation erfährt, um so ein Post-Reaktions-Polymer zu bilden; Extrudieren der vorpolymeren Mischung durch wenigstens eine Schmelzblasdüse hindurch in einen Gasstrom, um den Polymerartikel zu formen; wobei die Schmelzblasdüse in Kommunikation mit einem kalten Gasstrom steht, welcher die Präpolymermischung bei einer Temperatur hält, bei der weniger als 10% des Vernetzungspotentials innerhalb 1 Minute auftreten, und In-Kontakt-Bringen des Polymerartikels mit einer Energiequelle, nachdem die vorpolymere Mischung die Düse verlassen hat, wobei die Energiequelle die vorpolymere Mischung zur Bildung...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf ein Formen verschiedener Artikel aus in Wärme aushärtbaren Polymeren (Duroplaste) gerichtet. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren gerichtet, in dem in einem ersten Schritt eine Mischung aus duroplastischem Vorpolymer in eine gewünschte Form extrudiert wird und die Mischung anschließend vernetzt wird, um so die verschiedenen Polymerartikel umfassend dünne Folien und Fasern sowie faserige Gewebe zu bilden. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen Vliesstoff, umfassend schmelzgeblasene Polymerfasern sowie die Verwendung einer Schmelzblasdüse.
Hintergrund der Technik
Gegenstände aus Polymeren, wie beispielsweise Fasern und Folien, sind für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen nutzbar. So wurden beispielsweise in der Vergangenheit Fasern und dünne Folien aus thermoplastischen Polymeren zur Herstellung flüssigkeitsabsorbierender Wischer, Handtücher, Berufsbekleidung, medizinischer Bekleidung, medizinischer Textilien und dergleichen mehr verwendet. Solche Gegenstände werden auch in Anwendungen des Freizeitbereichs genutzt, wie beispielsweise zur Herstellung von Zelten und Autoüberzügen. Dünne Folien und Vliesstoffe aus Polymerfasern erfuhren insbesondere auch eine weit verbreitete Nutzung in der Herstellung persönlicher Pflegeartikel, wie beispielsweise Windeln, Hygieneprodukte für Frauen und dergleichen.
Die oben erwähnten Vliesstoffe beziehen sich insbesondere auf Stoffbahnen, die durch Spinnverfahren und durch Schmelzblasverfahren gewonnen werden. Beispielsweise werden Spinnvliesgewebe typischerweise durch Erwärmen eines thermoplastischen Polymerharzes bis auf wenigstens seine jeweilige Erweichungstemperatur hergestellt. Das Polymerharz wird dann durch eine Spinndüse extrudiert, um so kontinuierliche Fasern zu bilden, welche dann anschließend durch eine Faserzugeinheit geführt werden können. Ausgehend von der Faserzugeinheit werden die Fasern auf einer mit Löchern versehenen Oberfläche verteilt, wo sie zu einer Faserstoffbahn geformt werden und dann mittels beispielsweise chemischen, thermischen oder ultrasonischen Mitteln miteinander verbunden werden.
Schmelzgeblasene Erzeugnisse wurden andererseits konventionell mittels Extrusion eines thermoplastischen Polymermaterials durch eine Düse, um so Fasern zu bilden, hergestellt. Sobald die geschmolzenen Polymerfäden die Düse verlassen, verfeinert ein Hochdruckfluid, wie beispielsweise erwärmte Luft oder Dampf, die geschmolzenen Polymerfäden, um feine Fasern zu formen. Umgebende kühle Luft wird in den heißen Luftstrom induziert, die die Fasern kühlt und verfestigt. Die Fasern werden dann nach zufälligem Prinzip auf einer löchrigen oder porigen Oberfläche aufgebracht, um eine Faserstoffbahn zu bilden. Die Faserstoffbahn weist in der hergestellten Form eine Integrität auf, aber kann jedoch zusätzlich auch verklebt werden.
In der Vergangenheit wurden Vliesstoffe und dünne Folien fast ausschließlich aus thermoplastischen Polymeren, wie beispielsweise Nylon, Polyester, Polypropylen und Polyethylen, hergestellt. Derartige Polymere können sich jedoch während der Schmelzverfahrensvorgänge, die zum Formen des Gegenstands angewendet werden, verschlechtern. Beispielsweise werden die Polymere, die zur Herstellung des Produktes verwendet werden, während der Formgebung vieler Polymergegenstände verschiedenen rauhen Bedingungen ausgesetzt, die die Eigenschaften der Polymere negativ beeinflussen können. Beispielsweise während des Extrusions-Vorgangs ist ein Polymer nicht nur verschiedenen äußeren Kräften unterworfen, sondern wird auch auf eine hohe Temperatur erhitzt. Aufgrund dieser Bedingungen können Fasern und Folien, die aus diesen Polymeren hergestellt sind, eine verminderte Festigkeit und Elastizität aufweisen, können spröde werden und können sich gelb verfärben oder anderweitig in ihrer Farbe verschlechtern, was zu einem Produkt mit einer kurzen Haltbarkeit des Produktes und verschlechterten Eigenschaften führen kann.
In der Vergangenheit wurden, um die oben beschriebenen Probleme zu beheben oder zu minimieren, umfangreiche Forschungsaktivitäten unternommen, um die Schmelzstabilität der Polymere zu erhöhen und die physikalischen Eigenschaften und die Spannkraft der Produkte, die aus thermoplastischen Polymeren hergestellt sind, zu verbessern. Leider stiegen, obwohl einige Verbesserungen bezüglich der Polymere erzielt wurden, die Kosten der Polymere.
Da Polymere Thermoplaste sind, die keine permanenten Zwischenverbindungen ausbilden, schmelzen, zersetzen und/oder brennen die Produkte zusätzlich leicht. Produkte, die aus thermoplastischen Elastomeren ohne dauerhafte Zwischenverbindungen hergestellt sind, wiesen darüber hinaus auch verminderte elastische Eigenschaften auf.
Die DE 195 04 671 C beschreibt ein Verfahren zum Schmelzspinnen von Polyurethanen und/oder Polyurethanharnstoff, bei dem (a) ein Prepolymer hergestellt wird, enthaltend ein Reaktionsprodukt aus einem organischen Diisocyanat und einem polymeren Diol durch Vermischen bei 50 bis 150°C, (b) das Temperaturniveau um ca. 5 bis 50 K abgesenkt wird und ein gel- und/oder Schmelzhilfsmittel im flüssigen Zustand zugegeben wird, (c) dieses Prepolymer unter Erhaltung seines schmelzflüssigen Zustandes unter Rühren mit einem Kettenverlängerer versetzt wird, (d) dieses Prepolymer im schmelzflüssigen Zustand einem Extruder zugeführt wird, wobei im Extruder bei erhöhter Temperatur die Polymerisation erfolgt, und (e) diese Polymerschmelze über Spinndüsen zu Polyurethan- und/oder Polyurethanharnstofffäden versponnen wird.
Aus der JP 06-158 497 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines schmelzgeblasenen Polyurethan-Vliesmaterials bekannt, bei welchem eine Düse verwendet wird. Dabei erstreckt sich von den Enden von Lippen ein Mündungskanal flach nach außen und reguliert die Schmelzviskosität des Polyurethans auf ungefähr 200 bis ≤ 2000 P. Das Polyurethan wird dann in Fasern überführt, die dann mittels eines Gases, das mit höher Temperatur und Geschwindigkeit aus einem Paar von Luftlippen in der Nähe der Düse geblasen wird, dünner gemacht. Das so erhaltene Vliesmaterial aus schmelzgeblasenem Polyurethan ist geeignet als Material für verschiedene dehnbare Teile von Arbeitshandschuhen, Masken, und Papierwindeln sowie als Basismaterial für Umschläge.
In Anbetracht der oben beschriebenen Nachteile und Mängel besteht gegenwärtig ein Bedarf für einen Ersatz der konventionellen thermoplastischen Polymere, die zur Herstellung von Folien, Fasern und Vliesstoffen verwendet werden. Insbesondere wäre es sehr wünschenswert, wenn neben thermoplastischen Polymeren Polymere verfügbar wären, die dauerhafte Zwischenverbindungen ausbilden, um hieraus Polymergegenstände herstellen zu können. Insbesondere liegt eine Notwendigkeit für ein Austausch-Polymer vor, das bezüglich einiger Anwendungen verbesserte Eigenschaften aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Polymerartikeln gemäß der unabhängigen Patentansprüche 1 und 16 einen Vliesstoff umfassend schmelzgeblasene Polymerfasern gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 22 sowie die Verwendung einer Schmelzblasdüse gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 29 in dem vorgenannten Verfahren zum Herstellen von Polymerartikeln. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Im Allgemeinen ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, Polymergegenstände aus in Wärme aushärtbaren Polymeren (Duroplaste) im Gegensatz zu thermoplastischen Polymeren herzustellen. Von Vorteil ist, daß viele in Wärme aushärtbare Polymere weniger teuer sind als einige herkömmlich verwendete thermoplastische Polymere. Des Weiteren können in Wärme aushärtbare Polymere weniger leicht entflammbar und widerstandsfähiger gegen Chemikalien sein und können bessere elastische Eigenschaften als viele thermoplastische Polymere aufweisen.
Der hier verwendete Begriff eines in Wärme aushärtbaren Polymers (Duroplast) bezieht sich auf Harze, die sich unter dem Einfluß von Wärme in irreversibler Weise von einem schmelzbaren und löslichen Material in ein Material verändern, das infolge der Bildung eines kovalent zwischenverbindenden, thermisch stabilen Netzwerkes nicht-schmelzbar und nicht-löslich ist. Im Gegensatz hierzu erweichen und fließen thermoplastische Polymere unter dem Einfluß von Wärme und Druck, wobei die Veränderungen reversibel sind. Beispiele von in Wärme aushärtbaren Harzen umfassen Carbamide, Phenole, Malamide, Urethane und Epoxidharze.
In der Vergangenheit wurde es nicht für möglich gehalten, in Wärme aushärtbare Polymere in einfacher Weise zu Fasern und Folien zu formen. Insbesondere wurde davon ausgegangen, daß die herkömmliche Verfahrensapparatur, die für thermoplastische Polymere verwendet wird, nicht für die Herstellung von Fasern und Folien aus in Wärme aushärtbaren Polymeren verwendet werden kann. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckte jedoch ein Verfahren, mit dem diese Aufgabe gelöst wird.
Die oben angeführten Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das zur Verfügung Stellen eines Verfahrens zum Formen von Polymergegenständen aus in Wärme aushärtbaren Polymeren erreicht. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Bereitstellens einer Mischung aus in Wärme aushärtbaren Vorpolymers, welches anfänglich in einem fluiden Zustand ist. Die Mischung aus in Wärme aushärtbarem Vorpolymer ist mittels Energie aktivierbar, was bedeutet, daß, wenn die vorpolymere Mischung einer bestimmten Energiequelle ausgesetzt wird, die Mischung eine irreversible chemische Veränderung erfährt und so einen Post-Reaktionszustand des in Wärme aushärtbaren Polymers erhält.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die vorpolymere Mischung durch wenigstens eine Düse hindurch extrudiert, um einen Polymergegenstand zu formen. Nachdem die vorpolymere Mischung die Düse verlassen hat, wird der Polymergegenstand dann durch eine Energiequelle behandelt. Die Energiequelle führt dazu, daß die vorpolymere Mischung erstarrt und/oder erhärtet und den Post-Reaktionszustand des in Wärme aushärtbaren Polymers ausbildet.
Polymergegenstände, die der vorliegenden Erfindung entsprechend hergestellt werden können, sind beispielsweise Folien, Fasern und Vliesstoffe. Gemäß einer Ausführungsform können die Polymergegenstände auf einer löchrigen oder porösen Oberfläche abgelegt werden, während sie geformt werden und nach oder während des in Kontakt Seins mit der Energiequelle. Der hier verwendete Begriff der löchrigen oder porösen Oberfläche bezieht sich auf eine Oberfläche, auf die der Polymergegenstand nach dem Extrudieren gelegt wird, und kann beispielsweise ein bewegbares Sieb oder ein Förderband sein.
Beispiele von in Wärme aushärtbaren Polymeren, die in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Polyurethane, Silikonpolymere, Phenolpolymere, Aminopolymere, Epoxidpolymere und dergleichen. Im Allgemeinen kann jedes in Wärme aushärtbare Polymer verwendet werden, das aus einer mittels Energie aktivierbaren vorpolymeren Mischung hergestellt werden kann.
Die Energiequelle, die zur Konvertierung der vorpolymeren Mischung in das in Wärme ausgehärtete Polymer verwendet wird, kann variieren. Beispielsweise kann gemäß einer Ausführung, sofern die vorpolymere Mischung mittels Wärme aktivierbar ist, die Energiequelle ein erwärmtes oder erhitztes Gas umfassen. Andere Energiequellen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, umfassen ultrasonische Schallwellen, Strahlung, Infrarotstrahlung und Mikrowellenenergie. Im Allgemeinen gilt, daß die zur Aktivierung der vorpolymeren Mischung genutzte Energiequelle generell von der verwendeten, vorpolymeren Mischung und dem in der Mischung enthaltenen Katalysator, sofern ein Katalysator erforderlich ist, abhängt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Formen eines Vliesstoffes aus einem in Wärme ausgehärteten Polymer gerichtet. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Extrudierens einer energetisch aktivierbaren, in Wärme aushärtbaren vorpolymeren Mischung durch eine Düse, um so Fasern zu formen. Die Fasern werden mit einer Energiequelle in Berührung gebracht, wodurch die vorpolymere Mischung zu einer irreversiblen Polymerisation veranlaßt wird und zur Bildung eines in Wärme ausgehärteten Polymers. Hernach werden die Fasern zu einem Vliesstoff geformt, wie beispielsweise durch Ablagerung auf einer löchrigen oder porösen Oberfläche während des Formvorgangs der Fasern.
Die chemische Zusammensetzung der vorpolymeren Mischung kann ein Lösungsmittel oder einen Reaktionsunterstützer umfassen, um die Viskosität der Mischung zur Erleichterung des Extrusionsvorgangs mit hieraus resultierendem höheren Durchsatz und niedrigeren Temperaturen zu erniedrigen. Das Lösungsmittel könnte dazu beitragen, die Ausbildung der Zwischenverbindungen zu verzögern und könnte teilweise oder vollständig während oder nach der Bildung der Faser und/oder des Films verdunsten.
Um zu verhindern, daß die vorpolymere Mischung in der Düse verfestigt, kann die Düse während des Prozesses gekühlt werden. Beispielsweise können Fasern beim Verlassen der Düse zunächst mit einer ersten Gaszone in Verbindung treten, bevor sie mit der Energiequelle in Verbindung treten. Die erste Gaszone kann einen kühlen Luftstrom umfassen, der um die Düse herum strömt und im Großen und Ganzen in derselben Richtung wie die vorpolymere Mischung, die durch die Düse zugeführt wird, strömt. Die Luft wird auf einer Temperatur gehalten, so daß die Ausbildung von Zwischenverbindungen sehr langsam erfolgt. Die flüssige Struktur, entweder in Form einer Faser oder einer Folie, kann somit zu feinen Fasern oder dünnen Folien verfeinert werden.
Nach dem Durchlaufen der ersten Gaszone können die Fasern anschließend mittels einer Energiequelle, wie beispielsweise ein erwärmtes oder erhitztes Gas, welches die vorpolymere Mischung zur Ausbildung von Zwischenverbindungen und zur Bildung eines in Wärme ausgehärteten Polymers veranlassen kann, behandelt werden. Das erwärmte oder erhitzte Gas kann wie der erste Gasstrom in der umgebenden Atmosphäre enthalten sein. Nach der Kontaktierung des erwärmten oder erhitzten Gases können die Fasern dann auf der löchrigen oder porösen Oberfläche abgelagert werden, um den Vliesstoff zu formen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann den Fasern oder der Folie während des Formationsprozesses ein fester Zusatz zugesetzt werden. Zusätzlich können Additive hinzugefügt werden, die in die Fasermatrix eingelagert werden oder sich an die Folie angruppieren. Die festen Additive können hierbei Pigmente, Farbstoffe, Trübungsmittel, Zellstofffasern, andere natürliche oder synthetische Fasern oder superabsorbierende Partikel sein. Der hier verwendete Begriff des superabsorbierenden Materials bezieht sich auf Material, das mehr als 20 Gramm Flüssigkeit pro Gramm Feststoff absorbiert. Das feste Additiv kann mit dem Polymerartikel, der geformt wird, während des in Verbindung Stehens mit der Energiequelle verbunden werden. Beispielsweise kann das Additiv, im Falle daß die Energiequelle ein erwärmter oder erhitzter Gasstrom ist, dem Gasstrom beigefügt sein.
Andere Aufgaben und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden detailliert beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine vollständige und zur Umsetzung der Erfindung befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, inklusive der besten Ausführungsform hiervon für einen in seinem Fachgebiet durchschnittlich bewanderten Fachmann, ist insbesondere im nachfolgenden Rest der Beschreibung ausgeführt, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, in denen:
1 eine perspektivische, schematisierte Ansicht zur Illustration einer Ausführungsform eines Verfahren zur Bildung eines Vliesstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht der Düse aus 1 ist;
3 eine schematisierte Schnittansicht der Düse aus 2 mit einer Schnittführung entlang der Linie 2-2 ist;
4 eine schematisierte Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Düse, die in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen kann, ist;
5 eine schematisierte Schnittansicht mit aufgebrochenen Bereichen einer Ausführungsform einer Anordnung zur Beimengung fester Additive in Polymerartikel, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, ist.
Ein wiederholter Gebrauch von Bezugszeichen innerhalb der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen zielt darauf ab, dieselben oder zueinander analoge Elemente der Erfindung zu kennzeichnen.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Ein Fachmann durchschnittlichen Fachkönnens soll die vorliegende Erörterung so verstehen, daß diese lediglich eine Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen darstellt, und nicht dahingehend zu verstehen ist, daß hierdurch die vorliegende Erfindung in ihren hierüber hinaus reichenden Aspekten limitiert würde, wobei diese Aspekte in den exemplarischen Ausführungen in konkreter Weise verwirklicht sind.
Allgemein ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Formen von Polymerartikeln, wie beispielsweise Fasern, Folien und fasrigen Gewebe, aus in Wärme aushärtbaren Polymeren gerichtet. In der Vergangenheit wurden diese Artikeltypen herkömmlich aus thermoplastischen Polymeren hergestellt. Wie oben beschrieben, wurde in der Vergangenheit davon ausgegangen, daß in Wärme aushärtbare Polymere nicht dazu geeignet sind, in Verfahren des Schmelzprozeßtyps, wie beispielsweise Extrusionsverfahren, ohne grundlegende Schwierigkeiten verwendet zu werden. Die vorliegende Erfindung jedoch ist auf eine neue Art und Weise gerichtet, in der in Wärme aushärtbare Polymere in Polymerschmelzverfahrensapparaturen verarbeitet werden können, um so hieraus verschiedene Artikel zu formen.
In vielen Anwendungsfällen bietet der Gebrauch von Artikeln, die aus in Wärme aushärtbaren Polymeren hergestellt sind, vielfältige Vorteile und Vorzüge im Vergleich zu Artikeln, die aus herkömmlichen thermoplastischen Polymeren hergestellt sind. Beispielsweise tendieren in Wärme ausgehärtete Polymere dazu, einen viel höheren Entflammungs- und Hitzewiderstand aufzuweisen als thermoplastische Polymere, was sie in sehr guter Weise für den Gebrauch in schwer oder nicht entflammbaren Kleidungsstücken und Materialien geeignet macht. Viele in Wärme ausgehärtete Polymere weisen zum Teil infolge der Zwischenverbindungen, die auftreten, wenn sich das Polymer bildet, hervorragende elastische Eigenschaften auf. In Wärme ausgehärtete Polymere können auch belastungsfähig und dennoch sehr welch sein. Von besonderem Vorteil ist, daß die meisten in Wärme aushärtbaren Polymere in der Herstellung deutlich günstiger sind als einige herkömmliche thermoplastische Polymere.
In Wärme ausgehärtete Polymere tendieren auch zu einer höheren Resistivität gegenüber Chemikalien als viele thermoplastische Polymere. Insbesondere sind die meisten in Wärme ausgehärteten Polymere, die Zwischenverbindungen ausgebildet haben, in organischen Lösungsmitteln nicht löslich. Diesbezüglich sind in Wärme ausgehärtete Polymere auch gut geeignet zum Gebrauch in Filterprodukten und chemisch resistenten Kleidungsstücken sowie Materialien.
Polymerartikel, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, können in einer nicht begrenzten Anzahl von unterschiedlichen Produkten und Gegenständen verarbeitet sein. Beispielsweise können Folien und Basisgewebe, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, verwendet werden, um Kleidungsstücke, wie beispielsweise Krankenhaus-, Industrie- sowie Sicherheitsbekleidung, Windeln, persönliche Pflegeartikel, Filter, Autoüberzüge, Zelte und dergleichen mehr herzustellen. Es wird davon ausgegangen, daß einige Basisgewebe, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, gute Absorptionseigenschaften und gute Saugeigenschaften aufweisen. Demgemäß können die Gewebe auch dazu verwendet werden, flüssigkeitsabsorbierende Produkte, wie beispielsweise Wischelemente für den häuslichen und den industriellen Gebrauch, herzustellen.
Sehr häufig schließt das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Schritte des Extrudierens einer vorpolymeren Mischung durch eine Düse ein, um so Fasern und Folien zu formen. Nach dem Austreten aus der Düse wird die vorpolymere Mischung dann mittels einer Energiequelle behandelt, die dafür sorgt, daß die Mischung eine irreversible, chemische Veränderung zur Ausbildung eines in Wärme ausgehärteten Polymers vollzieht. Beispielsweise kann mittels der Energiequelle das Ausbilden von Zwischenverbindungen und die Polymerisation innerhalb der Mischung hervorgerufen werden. Das in Wärme aushärtbare Polymer bildet dann eine gelartige Masse und/oder verhärtet sich, um so das gewünschte Objekt zu bilden.
Wie oben erwähnt, sind in Wärme aushärtende Polymere Materialien, die, sobald ein Reaktionsprozeß durchlaufen ist, nicht wieder geschmolzen oder verformt werden können, ohne ihre ursprüngliche molekulare Charakteristik zu zerstören. In Wärme aushärtbare, vorpolymere Harze sind üblicherweise Flüssigkeiten mit einer geringen Viskosität oder Feststoffe mit einem geringen molekularen Gewicht, die zumindest ein Zwischenverbindungen ausbildendes Mittel, das ein Aushärten induziert, enthält. Im Falle von in Wärme aushärtbaren Polymeren bedeutet Aushärten eine dauerhafte chemische Veränderung, die zu unschmelzbaren, unlöslichen Produkten mit einer ausgezeichneten thermischen und dimensionsgerechten Stabilität führt. Von besonderem Vorteil können die Eigenschaften vieler in Wärme aushärtbarer Polymere in gewünschter Weise verändert werden, indem die molekularen Gewichtsbereiche, funktionelle Gruppen und die Konzentrationen der Zwischenverbindungen ausbildenden Mittel, die verwendet werden, um das Polymer zusammenzusetzen, verändert werden.
In der Vergangenheit wurden in Wärme aushärtbare Polymere nicht in herkömmlichen zur Extrusion von Thermoplasten verwendeten Apparaturen eingesetzt, um Fasern und Folien zu bilden, da hier die Möglichkeit gegeben war, daß das Polymer in der Apparatur Zwischenverbindungen ausbildet und verfestigt. Des Weiteren waren in der Vergangenheit nur wenige Mechanismen zur Kontrolle der Ablaufgeschwindigkeit, mit der das in Wärme ausgehärtete Polymer während der Verarbeitung der in Wärme aushärtbaren vorpolymeren Mischung gebildet wird, verfügbar.
Um die oben beschriebenen Probleme teilweise oder ganz zu beheben, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf den Extrusionsvorgang einer in Wärme aushärtbaren vorpolymeren Mischung gerichtet, die während und/oder unmittelbar nach dem Formen der Polymerartikel ausgehärtet wird. Die Apparatur zur Verarbeitung thermoplastischen Polymers, die in dem Schmelzblasverfahren verwendet wird, ist in dem Verfahren besonders nützlich, da die Polymerartikel, die geformt werden, nicht in physischem Kontakt mit irgendeinem festen Teil der Apparatur stehen, bis daß der Artikel geformt wurde.
Im Spezielleren ist die vorliegende Erfindung auf die Verwendung einer vorpolymeren Mischung, die mittels Energie aktivierbar ist, gerichtet, was bedeutet, daß die vorpolymere Mischung nicht in nennenswertem Umfang Zwischenverbindungen ausbildet, aushärtet oder reagiert und so ein in Wärme ausgehärtetes Polymer bildet, ohne zuerst mittels irgendeiner Art von Energiequelle behandelt worden zu sein. Auf diese Art und Weise kann die vorpolymere Mischung sicher durch die Extrusionsapparatur und die Düse hindurch extrudiert werden, ohne in der Apparatur zu verfestigen.
Die zur Umwandlung der vorpolymeren Mischung zu einem verfestigten, in Wärme ausgehärteten Polymer erforderliche Wärmequelle kann variieren und wird von den Bestandteilen, die in der vorpolymeren Mischung enthalten sind, abhängen, insbesondere davon, ob in der Mischung ein Katalysator enthalten ist. Beispielsweise kann die vorpolymere Mischung aktiviert und zur Polymerisation veranlaßt werden, wenn sie Wärme, ultrasonischen Schallwellen, Strahlung, wie beispielsweise Gamma-Strahlung, Infrarotstrahlung, Mikrowellen und dergleichen ausgesetzt ist.
In einer Ausführung kann die vorpolymere Mischung beispielsweise mittels Wärme aktivierbar sein, so daß die Mischung polymerisiert und/oder Zwischenverbindungen ausbildet, sobald sie mit einer Wärmequelle, wie beispielsweise ein erwärmter oder erhitzter Luft- oder Dampfstrom, behandelt wird. In dieser Ausführungsform ist die vorpolymere Mischung bei Raumtemperatur oder bei Erwärmung bis unterhalb ihrer Zwischenverbindung-Ausbildungs-Temperatur in einem fluiden Zustand existent. Solange die vorpolymere Mischung in einem flüssigen Zustand vorliegt, kann diese durch eine Düse zugeführt werden und zu verschiedenen Formen, wie beispielsweise Fasern und Folien, extrudiert werden. Nach der Extrusion durch die Düse können die geformten Polymerartikel einer erwärmten oder erhitzten Gasquelle ausgesetzt werden, die heiß genug ist, das Ausbilden von Zwischenverbindungen zu initiieren und die vorpolymere Mischung zur Verfestigung und somit zur Ausbildung eines in Wärme ausgehärteten Polymerartikels zu veranlassen.
Von besonderer Bedeutung ist, daß die vorpolymere Mischung durch die Wärmequelle nicht erwärmt werden sollte, bevor sie die Düse verlassen hat. Dementsprechend kann, der Erfindung gemäß, die Düse, sofern erforderlich, gekühlt werden oder unterhalb einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden. Beispielsweise kann während des Extrusionsverfahrens ein kühler Luftstrom durch die Düse zirkulieren. Der Begriff der kühlen Strömung bezieht sich hierbei auf ein Gas, das sich auf einer Temperatur befindet, die für eine Polymerisation der vorpolymeren Mischung in nennenswertem Umfang und eine Ausbildung eines in Wärme ausgehärteten Polymers nicht ausreicht. Insbesondere bezieht sich gemäß einer Ausführungsform ein kühler Strom auf einen Gasstrom, der die vorpolymere Mischung unterhalb einer Temperatur, bei welcher ungefähr 10% der gesamten potentiellen Zwischenverbindungen der Mischung in ungefähr 1 Minute auftritt, hält.
Obwohl in erster Linie abhängig von der Viskosität kann die vorpolymere Mischung teilweise zwischenverbunden werden, sobald sie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Düse extrudiert wurde. In den meisten Anwendungsfällen sollte die gesamte potentielle Anzahl an Zwischenverbindungen, die in der vorpolymeren Mischung auftreten dürfen, während des Extrusionsvorgangs weniger als ungefähr 10% sein. Sobald es einer Energiequelle ausgesetzt ist, sollte die Ausbildung von Zwischenverbindungen ziemlich schnell erfolgen. Beispielsweise sollten sich bei den meisten Extrusionsverfahren wenigstens 50% der Zwischenverbindungen in weniger als ungefähr 10 Sekunden einstellen, sobald die vorpolymere Mischung mit einer Energiequelle in Verbindung gebracht wird oder wurde.
Beispiele für in Wärme aushärtbare Polymere, die aus Energie-aktivierbaren vorpolymeren Mischungen hergestellt werden, umfassen Polyurethane, wie beispielsweise Urethanpolyester, Silikonpolymere, Phenolpolymere, Aminopolymere, Epoxidpolymere, Bismaleinimide, Polyimide und Furanpolymere. Man geht davon aus, daß aus der obigen Liste Polyurethane und Silikonpolymere vielleicht für den Gebrauch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren am geeignetsten sind. Oftmals werden in Wärme aushärtbare vorpolymere Mischungen wenigstens einen Polymervorläufer und ein Aushärtmittel enthalten. Der Vorläufer/(die Vorläufer) kann/(können) über Wärme aktivierbar sein, wodurch die Notwendigkeit für einen Katalysator entfallen würde. Durch das gewählte Aushärtmittel wird nicht nur die Art der Energiequelle, die zur Ausbildung des in Wärme erhärteten Polymers erforderlich ist, festgelegt, sondern auch die sich ergebenden Eigenschaften des in Wärme ausgehärteten Polymers beeinflußt.
Beispiele für Aushärtmittel sind neben anderen katalytischen Aushärtmitteln aliphatische Amine, aromatische Amine, saure Anhydride.
Wie oben erwähnt, sind Polyurethane besonders gut für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet. Polyurethane weisen eine großartige Elastizität und Festigkeit sowie eine großartige Abriebfestigkeit auf, sind widerstandsfähig gegenüber Lösungsmitteln und gegenüber Sauerstoffalterung und besitzen aufgrund ihrer viskoelastischen Natur exzellente Stoßabsorptionseigenschaften. Insbesondere können Polyurethane eine Dehnungsfähigkeit von über 100%, besonders bevorzugt von über 175% aufweisen.
Polyurethane können aus einer vorpolymeren Mischung hergestellt sein, die ein Isocyanat, ein Polyol und ein Aushärtmittel, wie beispielsweise ein Diamin, enthalten. Das Polyol, das in der Mischung enthalten ist, kann ein Polyether oder ein Polyester sein. Polyester ergeben im Allgemeinen ein Produkt mit einer besseren Biegsamkeit, während Polyether Polymere erzeugen, die chemisch resistenter und hydrolytisch stabiler sind. Beispiele für Energie-aktivierbare vorpolymere Mischungen auf der Basis eines oder mehrerer Polyurethane, die in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind in den U.S.-Patenten 3 933 759 A , 4 952 659 A , 4 332 716 A , 4 474 934 A , die durch den Bezug hierauf hiermit in ihrer Gesamtheit alle miteinbezogen sind, offenbart.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zielt in erster Linie darauf ab, Fasern und Folien aus in Wärme aushärtbaren bzw. ausgehärteten Polymeren herzustellen. Gemäß einer Ausführungsform können die Fasern, die hergestellt werden, dazu verwendet werden, um fasrige Gewebe, wie beispielsweise Vliesstoffe, herzustellen. Insbesondere können schmelzgeblasene und spinngebundene (,spunbonded') Vliesstoff hergestellt werden. Die zum Schmelzblasen verwendete Apparatur kann jedoch besser zur Verwendung mit der vorpolymeren Mischung angepaßt werden als die zur Spinnbindung verwendete Apparatur. Speziell wird davon ausgegangen, daß Faserbruch während der Extrusion auftreten kann wenn die vorpolymeren Mischungen verwendet werden. Faserbruch kann einen dramatisch nachteiligen Einfluß auf den Prozeß des Spinnbindens haben. In einem Schmelzblasprozeß jedoch kann Faserbruch auftreten, ohne einen wesentlichen nachteiligen Einfluß auf das Verfahren auszuüben aufgrund der Tatsache, daß sich das Polymer während des Scmelzblasvorgangs automatisch wieder zusammenbindet oder wieder auffädelt.
Die Schmelzblasdüse zeigt auch eine Schar flüssiger, als Vorläufer ausgebildeter Elementarfasern, die leicht und einheitlich mittels der Energiequelle behandelt werden können. Die zur Spinnbindung verwendete Apparatur schwächt Elementarfäden dadurch, daß an das verfestigte Ende des Elementarfadens eine Zugkraft angelegt wird. Faserbruch beeinflußt somit die Tauglichkeit des Verfahrens in großem Maße. Eine Schmelzblasapparatur, die betrieben wird, um kontinuierliche Fasern herzustellen, kann ein Vliesstoff aus Fasern ähnlich den spinngebundenen Fasern formen, welche dann thermisch walzgeprägt werden können, um Verbindungspunkte zu bilden, um so ein dem Spinngebundenen ähnliches Material zu ergeben.
Zum Zwecke der beispielhaften Erläuterung wird im Folgenden Bezug auf das in den 1–5 dargestellte Verfahren genommen, in denen eine Apparatur zum Schmelzblasen und ein Verfahren zum Formen von Vliesstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Schmelzblasverfahren schließen im Allgemeinen das Extrudieren einer polymeren Mischung durch eine Vielzahl von mit kleinen Durchmessern versehenen Kapillaren einer Schmelzblasdüse hinein in einen Gasstrom, der im Großen und Ganzen in dieselbe Richtung strömt wie die extrudierten Fäden, so daß die extrudierten Fäden geschwächt, d. h. gezogen oder gelängt, werden, um so ihren Durchmesser auf Fasergröße oder Mikrofasergröße zu reduzieren, ein. Der Gasstrom lenkt die Fasern auf eine löchrige oder poröse Oberfläche, wie beispielsweise ein Bandsieb oder eine Siebtrommel, wo die Fasern einen fest zusammenhängenden, fasrigen Vliesstoff bilden.
Bezugnehmend auf 1 ist hier in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Vliesstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie dargestellt wird aus einem trichterförmigen Vorratsbehälter 10 eine vorpolymere Mischung einem Extruder 12 zugeführt. Wie oben beschrieben, ist die vorpolymere Mischung ein mittels Energie aktivierbares Vorpolymer, das in ein in Wärme ausgehärtetes Polymer (Duroplast) umgewandelt werden kann. Die Temperatur der vorpolymeren Mischung in dem Extruder 12 kann in Abhängigkeit von den Bestandteilen, die in der Mischung enthalten sind, und dem speziellen Anwendungsfall variieren. Jedoch sollte die Temperatur unterhalb des Punktes sein, an dem das Vorpolymer anfängt in größerem Umfang zu reagieren und so das in Wärme ausgehärtete Polymer zu bilden. Durch Betätigung einer Drehschraube, die in dem Extruder angeordnet ist, wird auf die vorpolymere Mischung Druck appliziert. Insbesondere wird die vorpolymere Mischung durch die Druck applizierende Aktion der Drehschraube vorwärts zu einer Schmelzblasdüse 14 befördert.
Die Schmelzblasdüse 14 erstreckt sich im Allgemeinen über eine Distanz, die ungefähr gleich der Breite 16 des Vliesstoffes 18, der mit dem Verfahren hergestellt werden soll, ist.
Bezugnehmend auf die 3 und 4 weist die Schmelzblasdüse 14 einen Extrusionsschlitz 20 auf, dem die vorpolymere Mischung aus dem Extruder 12 zugeführt wird. Die vorpolymere Mischung gelangt durch den Extrusionsschlitz 20 und durch die Vielzahl von mit kleinen Durchmessern versehenen Kapillaren 22, die die Düse 14 in einer linearen Anordnung verlassen, wie am Besten in 2 dargestellt, und die über die Spitze 24 der Düse 14 hinausreichen, um letzlich als flüssige Fäden 26 aus den Kapillaren 22 hervorzutreten.
Neben dem wie in 2 dargestellten Beeinhalten einer Vielzahl von kleinen Kapillaren kann die Schmelzblasdüse 14 alternativ einen durchgängigen Schlitz dort aufweisen, wo die Kapillaren angeordnet sind. Der kontinuierliche Schlitz kann beispielsweise zum Extrudieren der vorpolymeren Mischung zu einer Folie verwendet werden. Alternativ kann der Schlitz dazu verwendet werden, Fäden zu formen, sofern die extrudierte vorpolymere Mischung mit Luft, die mit hoher Geschwindigkeit strömt, in Berührung kommt, sobald die Mischung den Schlitz verläßt.
Wie oben beschrieben ist es während des Verfahrens wichtig, daß die vorpolymere Mischung nicht in nennenswertem Umfang in dem Extruder 12 oder der Schmelzblasdüse 14 Zwischenverbindungen ausbildet und verfestigt. In einer Ausführungsform, insbesondere wenn die vorpolymere Mischung mittels Wärme aktivierbar ist, kann es wünschenswert, die Düse 14 zu kühlen. Diesbezüglich schließt die Düse 14 die Gaseinlässe 28 und 30, die dazu dienen, einen kühlen Gasstrom aus den Gasquellen 32 und 34 um die Düsenspitze 24 herum zuzuführen, mit ein. Das Gas tritt bei den Einlässen 28 und 30 in die Düse 14 ein und folgt dem Pfad, der im Großen und Ganzen mittels der Pfeile 36 und 38 in 3 angezeigt ist, durch zwei Kammern 40 und 42 und weiter hindurch zu den engen Durchlässen oder Spalten 44 und 46, um so mit den extrudierten flüssigen Fasern 26, sobald diese aus den Kapillaren 22 der Düse 14 austreten, in Kontakt zu kommen und diese zu verfeinern. Die Kammern 40 und 42 sind so ausgeführt, daß das kühle Gas die Kammern verläßt und durch die Gaspassagen 44 und 46 strömt, um so eine kühle Gaszone 29 zu bilden. Das kühlende Gas dient auch zur Verfeinerung der Fasern, während diese geformt werden.
In der Vergangenheit wurden beim Schmelzblasen von thermoplastischen Polymeren die Kammern 40 und 42 in solcher Weise angepaßt, um einen erwärmten Gasstrom zur Verfeinerung der Fasern aufzunehmen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch bei der Verwendung von in Wärme aushärtbaren Polymeren ein Gasstrom durch die Passagen gefördert, der ausreichend kühl ist, um das Vorpolymer nicht zu einer nennenswerten Reaktion zu veranlassen.
Wie in 3 dargestellt, umfaßt die Düse 14 ein Paar Luftplatten 48 und 50. Die Position der Luftplatten 48 und 50 kann relativ zum Gehäuse 52 der Düsenspitze justiert werden, um so die Breite 54 der Gasdurchlaßpfade 44 und 46 zu erweitern oder zu verengen, so daß das Gasvolumen, das in einem bestimmten Zeitraum die Gasdurchlaßpfade passiert, variiert werden kann, ohne die Geschwindigkeit des Gases zu variieren. Des Weiteren können die Gasplatten 48 und 50 nach oben und unten justiert werden, um so eine „zurückversetzte” Düsenspitzenkonfiguration oder eine „vorstehende” Düsenspitzenkonfiguration vorliegen zu haben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Fasern, nachdem die erzeugten Fasern die erste Gaszone 29 verlassen haben, anschließend mittels einer Energiequelle behandelt werden, wodurch die vorpolymere Mischung zur Bildung des in Wärme ausgehärteten Polymers veranlaßt wird. So betreten beispielsweise gemäß einer Ausführung die Fasern, sofern die vorpolymere Mischung mittels Wärme aktivierbar ist, eine zweite Gaszone 55, in der sie mit einem erwärmten oder erhitzten Gas, wie beispielsweise von der Umgebung induziert, erwärmte oder erhitzte Luft oder Dampf, in Berührung kommen. Im Falle daß eine Strahlungsenergiequelle verwendet wird, kann die Behandlung beginnen, sobald das Vorpolymer die Düse gerade verläßt und wenn die flüssigen Fasern noch in der kühlen Luftzone sind. Der Ort der Behandlung und die Intensität muß kontrolliert werden, um so sicherzustellen, daß die erwünschte Faser- oder Folienverdünnung erzielt wird.
Innerhalb der zweiten Gaszone vollzieht die vorpolymere Mischung wenigstens teilweise eine irreversible Veränderung, um so das in Wärme ausgehärtete Polymer zu bilden. Es sollte jedoch so verstanden werden, daß neben der Verwendung eines erwärmten oder erhitzten Gasstroms die Fasern in der Zone 55 auch mit anderen Energiequellen, wie beispielsweise einer Strahlung oder ultrasonischen Schallwellen, in Kontakt gebracht werden können.
Nochmals bezugnehmend auf 1 werden die Fasern 26, nachdem sie einmal mit einer Energiequelle in Kontakt gebracht wurden, auf einer Sammelvorrichtung abgelegt, die gemäß der dargestellten Ausführung als ein löchriges oder poröses Endlosband 56, angetrieben durch die Walzen 57, ausgeführt ist. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Fasern 26 im Wesentlichen kontinuierlich. Es sollte jedoch so verstanden werden, daß die Fasern auch in einer im Wesentlichen unterbrochenen Formgebung geformt werden können, indem die Geschwindigkeit der mit den Fasern in Kontakt tretenden Gase, die Aufmachung und Zusammensetzung der vorpolymeren Mischung und die Temperatur der verschiedenen Gaszonen variiert wird. Das löchrige oder poröse Band 56 kann eine oder mehrere Vakuumboxen umfassen, die unter der Oberfläche angeordnet sind, um das Halten der Fasern auf dem Band zu unterstützen. Zuletzt werden die Fasern als fasriger Vliesstoff 18 auf der löchrigen oder porösen Oberfläche 56, die, wie mit dem Pfeil 58 angedeutet, rotiert, gesammelt.
Wie dargestellt, kann gemäß einer Ausführungsform der gebildete Vliesstoff 18 von der löchrigen oder porösen Oberfläche 56 mittels eines Paares von Klemmrollen 60 und 62, die so entworfen sein können, daß die miteinander verwickelten Fasern des Vliesstoff zusammengedrückt werden, um so die Integrität des Vliesstoffes zu verbessern, entfernt werden. Sofern die Zwischenverbindungen ausbildende Reaktion nicht zu weit fortgeschritten ist, können die Fasern dauerhaft durch den Druck deformiert werden. Sofern eine der Rollen 60 oder 62 ein Prägemuster aufweist, werden lediglich die Fasern unterhalb des Musters deformiert. Hoher Druck führt dazu, daß die Fasern in einem Punkt verschmelzen, welcher eine Verbingungsstelle ergibt, sobald die Reaktion abgeschlossen ist.
Danach kann der Vliesstoff zu einer Lagerung transportiert werden, kann einem getrennten Verfahren, wie beispielsweise, sofern die Ausbildung der Zwischenverbindungen nicht zu weit fortgeschritten ist, einem Prägeverfahren, zugeführt werden, oder kann anderweitig wie gewünscht verwendet werden.
Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform der Vliesstoff, der auf der löchrigen oder porösen Oberfläche 56 geformt wurde, einem Prägeverfahren mit einem Prägemuster unterzogen werden, um die Fasern verstärkt miteinander zu verbinden, um weitere Zwischenverbindungen in dem Polymer auszubilden und/oder um das Erscheinungsbild des Vliesstoffes zu verbessern. Beispielsweise kann das Prägeverfahren erfolgen, nachdem die vorpolymere Mischung Zwischenverbindungen entsprechend wenigstens 10% ihres Potential ausgebildet hat und insbesondere in einem Bereich von ungefähr 25% bis ungefähr 90% ihres Potentials.
Mischungen verschiedener Fasern, wie beispielsweise in Wärme aushärtbare Polymere (Duroplaste) und Thermoplaste oder eine in Wärme aushärtbare Polymermischung A mit einer verschiedenartigen in Wärme aushärtbaren Polymermischung B, können auch verwendet werden, um der vorliegenden Erfindnung gemäß Vliesstoff zu formen. Verschiedenartige Mischungen von Polymeren können ein gutes Verbinden ermöglichen, um so einen spinngebundenen (,spunbond') Vliesstofftyp zu formen. Im ersten Fall würde das Thermoplast schmelzen und so eine gute Verbindungsstelle um die durch Zwischenverbindungen miteinander verbundenen Fasern des in Wärme aushärtbaren Polymers zu bilden. Im zweiten Fall könnte die Mischung B langsamer reagieren als die Mischung A, so daß das Prägen B dazu zwingen würde, eine Verbindungsstelle um Faser A auszubilden.
Von besonderem Vorteil können die Eigenschaften des sich ergebenden Polymers während der Bildung der in Wärme ausgehärteten Polymerfasern kontrolliert und fein eingestellt werden. Beispielsweise können bei vielen in Wärme aushärtbaren Polymeren die Eigenschaften der Polymere variiert werden, indem die Reaktionsrate kontrolliert wird. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann die Reaktionsrate durch ein Variieren der Gastemperatur, des Gasdruckes und der Gasgeschwindigkeit kontrolliert werden.
Bezugnehmend auf 4 ist hier eine alternative Ausführungsform einer Schmelzblasdüsenkonfiguration dargestellt. Wie in dieser Ausführungsform dargestellt, umfaßt die Düse neben Gaseinlässen 28 und 30 auch Gaseinlässe 64 und 66. Die Gaseinlässe 64 und 66 sind so ausgelegt, daß sie ein erwärmtes oder erhitztes Gas aufnehmen und bilden eine erwärmte oder erhitzte Gaszone 55, die mit den Fasern in Berührung kommt und die vorpolymere Mischung dazu veranlaßt zu polymerisieren.
Gemäß dieser Ausführungsform umfaßt die Düse auch anpassbare Luftplatten 65 und 67, die dazu verwendet werden können, die Größe der Gaseinlässe 64 und 66 entsprechend zu verändern. Ähnlich im Vergleich zu den Luftplatten 48 und 50 können auch die Luftplatten 65 und 67 dazu verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Gases, das durch die Düse strömt, anzupassen.
Besonders vorteilhaft können die Heißgasstrahlen, die durch die Gaseinlässe 64 und 66 strömen, dazu dienen, die Viskosität der flüssigen Fasern zu erniedrigen, um so die Fasern besser zu ziehen und auszurichten, bevor die Reaktion zu weit in Richtung auf Reaktionsabschluß fortgeschritten ist. Letztlich können die Heißgasstrahlen nicht nur eine Ausbildung des in Wärme aushärtbaren Polymers verursachen, sondern auch die Festigkeit der Fasern erhöhen.
In einigen Situationen kann es auch wünschenswert sein, feste Additive in die extrudierten Fasern 26 und den Vliesstoff 18 einzuarbeiten. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, eine oder mehrere Fasern, wie beispielsweise Baumwollfasern, Zellstofffasern; Polyesterfasern oder andere Arten von Fasern oder aus Partikeln bestehende Stoffe in die Matrix des in Wärme aushärtbaren bzw. ausgehärteten Polymers einzuarbeiten. Andere Additive, die in Fasern aus in Wärme aushärtbaren bzw. ausgehärteten Polymeren eingearbeitet werden können, umfassen super-absorbierende Materialien und verschiedene Füllstoffe.
Bezugnehmend auf 5 ist hier eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Einarbeitung fester Additive in die Fasern der vorliegenden Erfindung bei 70 dargestellt. Auf das Verfahren, das in 5 dargestellt ist, wird üblicherweise als ein Kobildungsverfahren wie in den U.S. Patenten 4 100 432 A , und 4 663 220 A , die beide durch die Bezugnahme vollständig hierin mit aufgenommen sind, offenbart, Bezug genommen.
Wie in der Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, gezeigt, wird nach der Formation der Fasern 26 ein Strom von festen Additiven 72 im Allgemeinen gleichmäßig in den Faserstrom injektiert. Die Verteilung der festen Additive 72 in die Fasern 26 kann erzielt werden durch das Zusammenführen eines Gasstroms, der die festen Additive enthält, mit dem Faserstrom. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können das Trägergas und das feste Additiv erwärmt werden und können neben dem Verbinden des festen Additivs mit den Fasern dazu verwendet werden, um die vorpolymere Mischung zu polymerisieren oder auszuhärten.
Die Vorrichtung zum Erzielen dieser Verbindung umfaßt eine herkömmliche Picker-Rolle 74, die eine Vielzahl von Zähnen 76 aufweist, die derart ausgeführt und angepaßt sind, um eine Matte, einen Klumpen oder eine Platte eines Ausgangsmaterials 78 in individuelle Einzelteile 72 zu separieren. Das Ausgangsmaterial 78 wird der Picker-Rolle 74 durch eine Walzen- oder Rollenelementeanordnung zugeführt. Nachdem die Zähne 76 der Picker-Rolle 74 das Ausgangsmaterial in diskrete Teile separiert haben, werden die Teile zu den schmelzgeblasenen Fasern 26 hin durch eine formende Rohrleitung oder Düse 82 hindurch befördert.
Ein Gehäuse 84 umschließt die Picker-Rolle 74 und sieht einen Durchgang oder Spalt 86 zwischen dem Gehäuse 84 und der Oberfläche der Picker-Rolle 74 vor. Ein Gas, wie beispielsweise Luft, wird dem Durchgang oder dem Spalt 86 zwischen der Oberfläche der Picker-Rolle 74 und dem Gehäuse 84 mittels einer Gasleitung 88 zugeführt. Die Gasleitung 88 kann bei der Verbindungsstelle 90 der formenden Rohrleitung oder Düse 82 und dem Durchgang 86 in den Durchgang oder Spalt 86 einmünden. Das Gas wird in ausreichender Menge zugeführt, um als Mittel für die Beförderung des festen Additivs 72 von den Zähnen 76 der Picker-Rolle 74 weg und durch die formende Rohrleitung oder Düse 82 mit einer Geschwindigkeit annähernd der Geschwindigkeit der Zähne 76 der Picker-Rolle 74 zu dienen.
Die Höhe 94 der formenden Rohrleitung oder Düse 82 kann relativ zu der Düsenspitze 24 justiert werden, um die Eigenschaften des kogebildeten Produktes zu variieren. Eine Variation des Abstandes 96 der Spitze 98 der Düse 82 von der Düsenspitze 24 führt auch zu einer Variation des letztendlich kogebildeten Produktes. Die Höhe 94 und der Abstand 96 wird auch abhängig von dem Material, das den Fasern hinzugegeben wird, variieren.
Wie in 5 dargestellt, kann sich der Gasstrom, der das feste Additiv 72 trägt, in eine Richtung bewegen, die im Allgemeinen senkrecht zu der Richtung der Bewegung der Fasern 26 ist. Andere Winkel des Aufeinandertreffens der zwei Ströme können jedoch in Abhängigkeit der besonderen Anwendung verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Polymerartikeln aus in Wärme aushärtbaren Polymeren, wobei die Polymerartikel ausgewählt sind aus Fasern und Folien, und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer vorpolymeren Mischung eines in Wärme aushärtbaren Polymers, wobei die vorpolymere Mischung in einem fluiden Zustand ist und die vorpolymere Mischung mittels Energie aktivierbar ist, so dass die vorpolymere Mischung, wenn die vorpolymere Mischung mit einer Energiequelle in Berührung gebracht wird, eine irreversible chemische Transformation erfährt, um so ein Post-Reaktions-Polymer zu bilden; Extrudieren der vorpolymeren Mischung durch wenigstens eine Schmelzblasdüse hindurch in einen Gasstrom, um den Polymerartikel zu formen; wobei die Schmelzblasdüse in Kommunikation mit einem kalten Gasstrom steht, welcher die Präpolymermischung bei einer Temperatur hält, bei der weniger als 10% des Vernetzungspotentials innerhalb 1 Minute auftreten, und In-Kontakt-Bringen des Polymerartikels mit einer Energiequelle, nachdem die vorpolymere Mischung die Düse verlassen hat, wobei die Energiequelle die vorpolymere Mischung zur Bildung des ausgehärteten Post-Reaktions-Polymers veranlasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polymerartikel Fasern sind, des Weiteren umfassend den Schritt des Ablegens der Fasern auf eine löchrige oder poröse Oberfläche, wobei die Fasern mit der Energiequelle in Berührung gebracht werden, während die Fasern auf der Oberfläche abgelegt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, in welchem das Post-Reaktions-Polymer ein Polyurethan umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, in welchem das Post-Reaktions-Polymer ein Silikonpolymer umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, in welchem die Energiequelle ein erwärmtes oder erhitztes Gas umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, in welchem die Energiequelle Ultraschallwellen, Gammastrahlung, Infrarotstrahlung oder Mischungen hieraus umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, in welchem der Polymerartikel die Düse verlassend zuerst mit einer kühlen Gaszone in Berührung kommt bevor er mit dem erwärmten oder erhitzten Gas in Berührung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mittels Energie aktivierbare, in Wärme aushärtbare, vorpolymere Mischung durch die Schmelzblasdüse extrudiert wird um Fasern zu formen; des Weiteren umfassend den Schritt des Formens der Fasern zu einem Vliesstoff.
Verfahren gemäß Anspruch 8, in welchem die Energiequelle ein erwärmtes oder erhitztes Gas umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, in welchem die Fasern die Düse verlassend zuerst durch eine erste Gaszone geführt werden, bevor sie mit dem erwärmten oder erhitzten Gas in Kontakt kommen, wobei sich die erste Gaszone auf einer Temperatur befindet, die für die vorpolymere Mischung nicht ausreichend ist, um in nennenswertem Umfang zu dem in Wärme ausgehärteten Polymer zu konvertieren.
Verfahren gemäß Anspruch 10, in welchem die erste Gaszone von einem die Düse umgebenden Strom aus Gas geschaffen wird, wobei der Strom aus Gas in dieselbe Richtung strömt wie die vorpolymere Mischung.
Verfahren gemäß Anspruch 11, in welchem das erwärmte oder erhitzte Gas in einem zweiten Gasstrom enthalten ist, wobei der zweite Gasstrom in dieselbe Richtung strömt wie der erste Gasstrom.
Verfahren gemäß Anspruch 8, in welchem das in Wärme aushärtbare bzw. ausgehärtete Polymer ein Silikonpolymer oder ein Polyurethan umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, in welchem die Fasern, die Düse verlassend, auf einer löchrigen oder porösen Oberfläche abgelegt werden, um den Vliesstoff zu formen.
Verfahren gemäß Anspruch 9, in welchem das erwärmte oder erhitzte Gas ein festes Additiv, das in den Vliesstoff zugesetzt wird, enthält.
Verfahren zum Herstellen eines Polymerartikels aus einem in Wärme aushärtbaren Polymer, wobei der Polymerartikel ausgewählt ist aus Fasern und Folien, die folgenden Schritte umfassend: Extrudieren einer mittels Energie aktivierbaren, in Wärme aushärtbaren, vorpolymeren Mischung durch eine Schmelzblasdüse hindurch in einen Gasstrom, um den Polymerartikel zu formen; wobei die Schmelzblasdüse in Kommunikation mit einem kalten Gasstrom steht, welcher die Präpolymermischung bei einer Temperatur hält, bei der weniger als 10% des Vernetzungspotentials innerhalb 1 Minute auftreten, um so einen Polymerartikel zu formen, wobei die in Wärme aushärtbare, vorpolymere Mischung so zusammengestellt ist, dass sie Zwischenverbindungen ausbildet und ein in Wärme ausgehärtetes Polymer bildet, sobald sie mit einer Energiequelle in Kontakt gebracht wird, wobei die vorpolymere Mischung während der Extrusion so auf einer Temperatur gehalten wird, dass die vorpolymere Mischung weniger als ungefähr 10% ihres Potentials an möglichen Zwischenverbindungen in 1 Minute ausbildet; und Aussetzen der zu dem Polymerartikel geformten Präpolymermischung gegenüber einer Energiequelle in einem Umfang, der dazu führt, dass mehr als 10% des Zwischenverbindungs-Ausbildungs-Potentials der vorpolymeren Mischung in weniger als ungefähr 10 Sekunden auftreten.
Verfahren gemäß Anspruch 16, in welchem der Polymerartikel eine Vielzahl von Fasern umfasst, und in welchem das Verfahren des Weiteren den Schritt des Ablegens der Fasern auf einer löchrigen oder porösen Oberfläche, um einen Vliesstoff zu bilden, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 17, in welchem die vorpolymere Mischung, die zur Bildung der Fasern verwendet wird, in einem Umfang von weniger als ungefähr 90% ihres Zwischenverbindungs-Ausbildungs-Potentials Zwischenverbindungen ausgebildet hat, wenn die Fasern zu dem Vliesstoff verarbeitet werden, und in welchem das Verfahren des Weiteren den Schritt des Prägens des Vliesstoffes umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, in welchem die vorpolymere Mischung, die in dem Vliesstoff enthalten ist, vor dem Schritt des Prägens in einem Umfang von etwa 75% ihres Zwischenverbindungs-Ausbildungs-Potentials Zwischenverbindungen ausgebildet hat.
Verfahren gemäß Anspruch 18, in welchem die vorpolymere Mischung, die in dem Vliesstoff enthalten ist, vor dem Schritt des Prägens in einem Umfang von etwa 50% ihres Zwischenverbindungs-Ausbildungs-Potentials Zwischenverbindungen ausgebildet hat.
Verfahren gemäß Anspruch 16, in welchem das in Wärme aushärtbare Polymer ein Material umfasst, das aus einer Gruppe bestehend aus einem Polyurethan, einem Silikonpolymer, einem Phenolpolymer, einem Aminopolymer und einem Epoxidharz ausgewählt ist.
Vliesstoff, umfassend schmelzgeblasene Polymerfasern, wobei die Polymerfasern aus einem extrudierten, in Wärme ausgehärteten Polymer hergestellt sind, wobei das in Wärme ausgehärtete Polymer ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polyurethan, einem Silikonpolymer und Mischungen hieraus umfasst, hergestellt durch die folgenden Schritte: Bereitstellen einer vorpolymeren Mischung eines in Wärme aushärtbaren Polymers, wobei die vorpolymere Mischung in einem fluiden Zustand ist und die vorpolymere Mischung mittels Energie aktivierbar ist, so dass die vorpolymere Mischung, wenn die vorpolymere Mischung mit einer Energiequelle in Berührung gebracht wird, eine irreversible chemische Transformation erfährt, um so ein Post-Reaktions-Polymer zu bilden; Extrudieren der vorpolymeren Mischung durch wenigstens eine Schmelzblasdüse hindurch in einen Gasstrom, um den Polymerartikel zu formen; wobei die Schmelzblasdüse in Kommunikation mit einem kalten Gasstrom steht, welcher die vorpolymere Mischung bei einer Temperatur hält, bei der weniger als 10% des Vernetzungspotentials innerhalb 1 Minute auftreten; In-Kontakt-Bringen des Polymerartikels mit einer Energiequelle, nachdem die vorpolymere Mischung die Düse verlassen hat, wobei die Energiequelle die vorpolymere Mischung zur Bildung des ausgehärteten Post-Reaktions-Polymers veranlasst; und Formen der Fasern zu einem Vliesstoff.
Vliesstoff gemäß Anspruch 22, in welchem die Polymerfasern nicht unterbrochen sind.
Vliesstoff gemäß Anspruch 22, in welchem die Polymerfasern unterbrochen sind.
Vliesstoff gemäß Anspruch 22, in welchem wenigstens eine Seite des Vliesstoffes mit einem Prägeverfahren bearbeitet wurde.
Vliesstoff gemäß Anspruch 22, in welchem der Vliesstoff des weiteren Polymerfasern hergestellt aus einem thermoplastischen Polymer umfasst.
Vliesstoff gemäß Anspruch 26, in welchem wenigstens eine Seite des Stoffes mit einem Prägeverfahren mit einem Prägemuster bearbeitet wurde, wobei das Prägemuster Verbindungspunkte schafft, in welchen die thermoplastischen Polymerfasern mit den in Wärme aushärtbaren bzw. ausgehärteten Polymerfasern verbunden werden.
Vliesstoff gemäß Anspruch 22, in welchem der Vliesstoff Polymerfasern, die aus einem ersten extrudierten, in Wärme ausgehärteten Polymer hergestellt sind, und Polymerfasern, die aus einem zweiten extrudierten, in Wärme ausgehärteten Polymer hergestellt sind, enthält.
Verwendung einer Schmelzblasdüse in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Schmelzblasdüse folgendes umfasst: ein Reservoir zur Aufbewahrung einer Polymermischung, wobei das Reservoir in Verbindung mit einer Düsenöffnung, durch die die Polymermischung hindurch extrudiert wird, steht; ein erstes Paar von Gasdurchlasspfaden die Düsenöffnung umgebend, wobei die Gasdurchlasspfade so konfiguriert sind, um ein erstes Paar korrespondierender Gasströme so auszurichten, dass sie mit der Polymermischung in Verbindung kommen, sobald die Mischung die Düsenöffnung verlässt, wobei die Gasströme eine erste Gaszone bilden, durch die die Polymermischung hindurchtritt; und ein zweites Paar von Gasdurchlasspfaden, welches neben dem ersten Paar von Gasdurchlasspfaden angeordnet ist, wobei das zweite Paar von Gasdurchlasspfaden so konfiguriert ist, dass sie ein zweites korrespondierendes Paar von Gasströmen im Großen und Ganzen in derselben Richtung ausrichten wie das erste Paar von Gasströmen, das das erste Paar von Gasdurchlasspfaden verlässt, wobei die Gasströme, die das zweite Paar von Gasdurchlasspfaden verlassen, eine zweite Gaszone bilden, durch die die extrudierte Polymermischung hindurchtritt, nachdem sie durch die erste Gaszone hindurchgetreten ist.
Verwendung gemäß Anspruch 29, in welcher das erste Paar von Gasdurchlasspfaden eine verstellbare Größe aufweist.
Verwendung gemäß Anspruch 30, in welcher das zweite Paar von Gasdurchlasspfaden auch eine verstellbare Größe aufweist.
Verwendung gemäß Anspruch 29, in welcher die Düsenöffnung eine Vielzahl von Kapillaren aufweist.
Verwendung gemäß Anspruch 29, in welcher die Düsenöffnung einen durchgängigen Schlitz aufweist.