DE19950728A1

DE19950728A1 - Superabsorbierende Fibrillen, aus ihnen gebildete fasrige Schichten und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19950728A1
Application number: DE19950728A
Authority: DE
Inventors: Ivo Edward Ruzek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-04-26
Also published as: WO2001028596A2; WO2001028596A3

Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft Fibrillen, die durch Verspinnung von überhitzten wäßrigen Gelen von superabsorbierenden Polymeren auf Basis von Polyacrylsäure hergestellt werden. Durch eine schlagartige Verdampfung des Wassers aus durch eine Spinndüse extrudierten Fasern, wenn diese den Druckbereich verlassen hatten, kommt es durch die plötzliche Expansion des Wasserdampfes zu einer Zerfaserung des Polymers in sehr feine Fibrillen. Diese können ggf. auf einem beweglichen Siebband zu Flächengebilden abgelegt werden. Superabsorbierende Fibrillen oder aus ihnen erzeugte Flächengebilde können in Saugschichten von hygienischen Artikeln wie Windeln, Binden und dergleichen verwendet werden.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von superabsorbierenden Fibrillen und aus ihnen gebildeten fasrigen Schichten in dem das superabsorbierende Polymer in einem Gewichtsverhältnis von 1 zu 0.5 bis 1 zu 10 mit Wasser zu einem Gel vermischt, das unter Druck auf eine Temperatur von 120 bis 230°C erwärmt und mittels einer Spinnpumpe unter einem Druck, der mindestens dem Wasserdampfdruck bei der Spinntemperatur entspricht durch eine beheizte Spinndüse in einen Expansionsraum in dem ein wesentlich niedererer Druck als der Wasserdampfdruck bei der verwendeten Spinntemperatur herrscht, extrudiert und dabei durch eine schlagartige Wasserdampfexpansion zu feinen Fibrillen zerfasert wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren bei dem das Mischverhältnis des superabsorbierenden Polymeres zu Wasser im Gel 1 zu 0.5 bis 1 zu 2 Gewichtsteile beträgt. Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren, bei dem die Spinntemperatur zwischen 130 bis 200°C liegt. Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren, bei dem in dem der Spinndüse nachgeschalteten Expansionsraum atmosphäricher Druck herrscht.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein verfahren, bei dem die superabsorbierenden Fibrillen auf einem von unten evakuierten und sich bewegenden Siebband zu einem Flächengebilde gelegt werden.

Schliesslich sind Gegenstand der Erfindung superabsorbierende Fibrillen, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden sowie fasrige Schichten die nach diesem Verfahren aus so gebildeten Fibrillen hergestellt werden.

Stand der Technik

Als superabsorbierende Polymere (SAP) werden solche bezeichnet, die eine Fähigkeit besitzen große mengen Wasser an sich zu binden indem sie sich in Gels verwandeln. Als entscheidende Eigenschaften werden bei SAP bewertet das Wasserspeichervermögen, die Speichergeschwindigkeit und Durchlässigkeit für Flüssigkeiten im Gelzustand.

Es wurden verschiedene superabsorbierende Polymere entwickelt und in der einschlägigen Literatur sowie Patenten vorgeschlagen. Weitaus größte Bedeutung kommt dabei SAP auf Basis von Polyacrylsäure (PAA), die man geradezu als SAP des Standes der Technik bezeichnen kann. Die Bezeichnung "Polyacrylsäure" wird hier für Polymere verwendet, die mindestens 50 mol-% Monomereinheiten enthalten und die zwar wasserunlöslich sind, jedoch durch Wasser in großem Ausmaß quellen können. Solche SAP vom Typ Polyacrylsäure schließen vernetzte Polyacrylsäure-Polymere oder Copolymere, mit Stärke gepropfte Polyacrylnitril-Hydrolysate, mit Stärke und Acrylsäure gepropfte vernetzte Polymere sowie Verseifungsprodukte von Copolymeren aus Vinylacetat und Acrylestern. In solchen Polymeren und Copolymeren sind in der Regel 60 bis 90% der in ihnen enthaltenen Carboxylgruppen die Wasserstoffatome durch alkalische Metalle ersetzt.

SAP werden für praktische Anwendungen üblicherweise in Form von Pulver oder feinem Granulat geliefert. Ihre Eigenschaften werden durch Werte des Wasserspeichervermögens, Absorptionsgeschwindigkeit, Permeabilität durch Flüssigkeiten, Gelstabilität in der Zeit und ähnlichen beschrieben.

Es sehr schwierig alle diese Anforderungen zugleich zu befriedigen, da sie zum Teil einander widersprechen. Das ist die Herausforderung der Weiterentwicklung von SAP. So zum Beispiel SAP mit großem Wasserspeichervermögen, d. h. ein Gel mit einem niedrigen Vernetzungsgrad ist ungünstig in der Absorptionsgeschwindigkeit, Permeabilität für Flüssigkeiten und Gelstabilität in geschwollenem Zustand über Zeit. Andererseits SAP das in seiner Absorptionsgeschwindigkeit, Permeabilität für Flüssigkeiten und Gelstabilität über Zeit hervorragend ist, d. h. ein Gel mit einem höheren Vernetzungsgrad, zeigt die Tendenz zu geringerem Wasserspeichervermögen.

Es existieren verschiedene Ansätze die chemische Zusammensetzung der SAP in der Masse oder an der Oberfläche der Partikel zu modifizieren und dadurch das Gleichgewicht zu günstigeren Kombinationen zu verschieben, wie es z. B. in dem USP 5,883,158 beschrieben wird. Solche Maßnahmen sind jedoch umständlich und sie verteuern auch die Herstellung von SAP. Man kann weiterhin günstigere Kombinationen von Eigenschaften durch die Partikelgröße versuchen zu steuern. So läßt sich bei einem hohen Wasserspeichervermögen durch kleinere Partikelgröße die praktische Absorptionsgeschwindigkeit praktisch steigern. Allerdings sind auch auf diesem Wege enge praktische Grenzen gesetzt, da zu kleine Partikel sich in dem Gemisch mit Zellstoff der praktischen Anwendungsform in Saugkörpern, schlecht oder gar nicht verankern lassen und die Neigung zur Migration unerträglich steigt.

Auch wurde es vorgeschlagen aus SAP dünne Folien zu machen, die das Problem der Verankerung und Transportdicke für Flüssigkeiten lösen sollten. Der Nachteil dieser Lösung besteht allerdings darin, dass solche Folien den Flüssigkeitstransport durch sie hindurch praktisch hindern. Sie dürfen folglich nur als unterste Schicht eines Saugkörpers bilden.

Dabei stellen Saugkörper für hygienische Wegwerfartikel, wie Windeln, Binder und dergleichen mehr, aus Gemisch von Zellstoff und SAP mit extrem hohem Wasserspeichervermögen die Hauptanwendung für SAP dar.

Unabhängig von den superabsorbierenden Polymeren ist es bekannt wasserunlösliche bzw. im Wasser nicht quellende Polymere aus ihren in geeigneten organischen Lösungsmitteln hergestellten Gelen zu zerfasern. Bei diesen Verfahren, die z. B. in dem USP 5,707,580, beschrieben sind, werden solche Gele auf überkritische Temperatur, die hinreichend weit über dem Siedepunkt des verwendeten Lösungsmittels liegt, erhitzt und durch eine Spinndüse extrudiert. Beim Verlassen der Düsenbohrung verdampft das Lösungsmittel explosionsartig, wobei das Polymer in feinste Fibrillen zerfasert wird. Es ist einleuchtend, dass durch die Verwendung von organischen Lösungsmitteln es erforderlich ist das ganze Verfahren in einem geschlossenem System durchzuführen. Das verdampfte Lösungsmittel muß kondensiert, regeneriert und gegebenenfalls dem Verfahren zurückgeführt werden. Auf jeden Fall muß gewährleistet werden, dass keine Dämpfe des organischen Lösungsmittels nach außen entweichen und die Umwelt verschmutzen.

Aufgabenstellung

Diese Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht SAP in eine sehr feine fasrige Form zu überführen, die einerseits eine Kombination von hohem Wasserspeichervermögen von wenig vernetzten Acrylsäure-Polymeren und Copolymeren mit ausreichender Absorptionsgeschwindigkeit, die allerdings auf physikalischem Wege, nämlich durch sehr feine Verteilung von SAP in Form von Fibrillen erreicht.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man wäßrige SAP-Gels, die 50 bis 1000 Gew.-% Wasser bezogen auf SAP auf Temperaturen von 120 bis 230°C erwärmt (Spinntemperatur) und mittels einer Zahnradpumpe unter einem Druck, der mindestens dem Wasserdampfdruck bei der Spinntemperatur entspricht, oder höher ist durch eine beheizte Spinndüse (eine Metallplatte, die mit kleinen Bohrungen versehen ist) in einen Expansionsraum extrudiert, in dem ein wesentlich niederer Druck als der Wasserdampfdruck bei der verwendeten Spinntemperatur herrscht. Das Gel, in dem sich das Wasser in einem überkritischen Zustand befindet und spontan explosionsartig verdampft, wird zerfasert, so dass es superfeine Fibrillen bildet, die bei einer richtigen Temperaturführung nur geringe Wassermengen enthalten. Das spontan und explosionsartig verdunstete Wasser belastet die Atmosphäre des Expansionsraumes nicht mit Schadstoffen und kann gegebenenfalls frei entweichen. Daher ist es möglich, das Verfahren in einem offenem Raum zu betreiben, so dass im Expansionsraum atmosphärischer Druck herrscht.

Dennoch ist es günstig die im Gel enthaltene Wassermenge so gering wie nur möglich zu halten. So habe es sich gezeigt, dass sie auf nur 50 bis 200 Gew.-% bezogen auf das Polymer begrenzt bleibt.

Ebenfalls vorteilhaft ist es die Spinntemperatur in einen Bereich von 130 bis 200°C enger zu fassen.

Superfeine Fibrillen aus SAP, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, werden durch eine besonders große Oberfläche gekennzeichnet. Dadurch wird die Wasseraufnahme begünstigt. Durch ihre weit verzweigte Form werden diese Fibrillen in tragenden Substraten, z. B. im zerfaserten Zellstoff einfach und gut verankert und sie neigen nicht zu einer Migration.

Es ist jedoch möglich die nach diesem Verfahren hergestellten superfeinen SAP-Fibrillen auf einem laufenden Siebband in der Form eines Flächengebildes abzulegen. Ein solches Flächengebilde besitzt als finaler Wasserspeicher hervorragende Eigenschaften, so dass es als ein Bestandteil von hochwertigen Saugschichten verwendet werden kann.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß in Verbindung mit Polyacrylsäure SAP keine organischen Lösungsmittel verwendet werden müssen, sondern das die SAP mit Wasser Gele bilden, die sich unter entsprechenden Bedingungen verspinnen lassen. Die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel ist wirtschaftlich sehr günstig, weil das nach dem Spinnvorgang verdunstete Wasser nicht umständlich regeneriert werden braucht und die Umwelt gar nicht gefährdet wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von superabsorbierenden Fibrillen und aus ihnen gebildeten fasrigen Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass superabsorbierende Polymere in einem Gewichtsverhältnis von 1 zu 0.5 bis 1 zu 10 mit Wasser zu einem Gel vermischt, das unter Druck auf eine Temperatur von 120 bis 230°C erwärmt und mittels einer Spinnpumpe unter einem Druck, der mindestens dem Wasserdampfdruck bei der Spinntemperatur entspricht, durch eine beheizte Spinndüse in einen Expansionsraum, in dem ein wesentlich niedererer Druck als der Wasserdampfdruck bei der verwendeten Spinntemperatur herrscht, extrudiert und dabei durch eine schlagartige Wasserdampfexpansion zu feinen Fibrillen zerfasert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischverhältnis des superabsorbierenden Polymeres zu Wasser im Gel 1 zu 0.5 bis 1 zu 2 Gewichtsteile beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinntemperatur zwischen 130 bis 200°C liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Expansionsraum atmosphärischer Druck herrscht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die superabsorbierenden Fibrillen auf einem von unten evakuierten und sich bewegenden Siebband zu einem Flächengebilde gelegt wird.

6. Superabsorbierende Fibrillen hergestellt nach den Ansprüchen 1 bis 5.

7. Fasrige Schichten aus superabsorbierenden Fibrillen hergestellt nach den Ansprüchen 1 bis 5.