DE19953039A1

DE19953039A1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen oberflächenstrukturierten Halbzeugs aus thermoplastischen Kunststoffen

Info

Publication number: DE19953039A1
Application number: DE19953039A
Authority: DE
Inventors: Werner Wagner
Original assignee: HCD Hygienic Composites Development GmbH
Current assignee: Advanced Design Concepts GmbH
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2001-05-23
Also published as: WO2001032417A1; US6863952B1; AU1391401A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen oberflächenstrukturierten, porösen folienartigen Halbzeugs aus thermoplastischen Kunststoffen. Folgende Verfahrensschritte sind dabei vorgesehen: DOLLAR A - ein thermoplastisches Kunststoffmaterial wird mit einem zu diesem Material heterogen Füller gemischt, in Folienform gebracht und gereckt und damit zu einem permeablen Film verarbeitet, DOLLAR A - das thermoplastische Kunststoffmaterial wird während einer Herstellungsstufe mit einer zweiten porösen Schicht belegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen, oberflächenstrukturierten, porösen folienar tigen Halbzeugs aus thermoplastischen Kunststoffen, mit fol genden Verfahrensschritten:

- ein thermoplastisches Kunststoffmaterial wird mit einem zu diesem Material heterogenen Füller gemischt, in Folienform gebracht und gereckt und damit zu einem permeablen Film verarbeitet, und
- das thermoplastische Kunststoffmaterial wird während einer Herstellungsstufe mit einer zweiten porösen Schicht belegt.

Bekannt ist aus der EP 309 073 A2 ein Verfahren zur Herstel lung dampfdurchlässiger Folien, die aus gereckter Polyolefin- Folie mit einem aufkaschierten HDPE-Vlies bestehen; dabei ist die Polyolefin-Folie zu einem hohen Anteil gefüllt mit einem anorganischen Füllmittel, so daß sich eine Wasserdampf- Durchlässigkeit von wenigstens 1000 g/m² pro Tag ergibt.

Die nach dem bekannten Verfahren hergestellte Folie erfordert neben der eigentlichen Herstellung der Polyolefin-Folie den zusätzlichen Arbeitsgang des Kaschierens des Vlieses mit ei nem Klebstoff. Insbesondere dann, wenn die Vlies-Lage sehr dünn ist, ergeben sich Probleme für den Klebstoff-Auftrag. Die Recycling-Kompatibilität ist schwer zu erreichen und die erforderliche Abbindezeit für den Klebstoff verzögert den Verfahrensablauf.

Es stellt sich damit die Aufgabe, ein verbessertes Verfahrens anzugeben, bei dem die obengenannten Nachteile nicht auftre ten und mit dem es möglich ist, ohne Wechsel der verfahren stechnischen Einheiten die Herstellung eines mehrschichtigen, oberflächenstrukturierten, porösen folienartigen Halbzeugs aus thermoplastischen Kunststoffen vorzunehmen. Dabei soll das Anwendungsgebiete dieser Halbzeuge auf dem Gebiete der Haushalterzeugnisse, der Hygieneerzeugnisse und weiterer An wendungsgebiete liegen, auf denen poröse oder dampfdurchläs sige Folien oder Halbzeuge benötigt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, welches die Merkmale des Anspruches 1 besitzt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenstrukturier ten, folienartigen Halbzeugs aus einem Thermoplasten ist an sich bekannt aus DE 198 12 097 C1. Gemäß dieser Patentschrift wird ein thermoplastisches Kunststoffmaterial in geschmolze nem Zustand oder in Form einer Folie auf eine gegenüber der erwünschten Struktur als Negativstruktur (Matrix) ausgearbei tete Oberfläche mit feinen Kavitäten aufgebracht. Die Matrix- Oberfläche wird von außen oder von innen her einem Unterdruck ausgesetzt, so daß die zu der Matrix gehörenden Kavitäten evakuiert werden. Die Matrix einschließlich der Kavitäten wird vom thermoplastischen Kunststoffmaterial wenigstens teilweise ausgefüllt und das verformte thermoplastische Kunststoffmaterial wird - noch auf der Oberfläche liegend - durch Abkühlung zum Erstarren gebracht, wobei es auf der mit der Oberfläche in Kontakt gebrachten Seite die entsprechende Flächenstruktur annimmt. Nach dem Erstarren wird das Kunst stoffmaterial von der Oberfläche abgezogen, wobei das in die Kavitäten eingebrachte und aus diesen herausgezogene ther moplastische Material einen aus Vorsprüngen bestehenden Flor bildet.

Die den Flor bildenden Vorsprünge werden durch Kämmen, Bür sten, Rakeln und/oder Scherquetschen gereckt, wobei die Länge der Vorsprünge um wenigstens das Zweifache der Ursprungslänge vergrößert wird und ein auf wenigstens einer Seite faserartig strukturiertes Halbzeug entsteht, bei dem die Vorsprünge zu Haarfasern gelängt sind.

Versuche haben gezeigt, daß es nicht ausreicht, die in der vorgenannten Patentschrift genannte Folie in ihrer Rezeptur dahingehend zu ändern, daß ihr ein Füller an sich bekannter Art organischen oder anorganischen Ursprungs beigemischt wird, um die Folie nach dem Recken zu einer porösen oder dampfdurchlässigen Folie zu machen. Wenn das Folienmaterial sehr hoch gefüllt wird, das heißt, soviel Füller zugesetzt wird, wie es für die Ausgestaltung der Dampfdurchlässigkeit erforderlich wäre, dann kann die Folienoberfläche bzw. die Schmelze nicht mehr dünnflüssig genug gemacht werden, um die feinen Haarfasern zu erzeugen.

Bei einer zweischichtigen Folie ergibt sich grundsätzlich das Problem, daß eine hochgefüllte Masse zwar eine Folie im ge reckten Zustand mit ausreichender Dampfdurchlässigkeit er gibt, die zweite Schicht, bei der eine Schmelze eingesetzt wird, die zur Härchen-Bildung gemäß dem Stand der Technik ge eignet ist, wiederum nicht bis zur Dampfdurchlässigkeit ge reckt werden kann.

Eine geeignete Velourfolie ergibt sich beispielsweise erst dann, wenn ein Polymermaterial in wenigstens zwei Extrudern vorbereitet und aufgeschmolzen wird, jede Polymeren- Zubereitung einer Düse zugeführt und die aus der Düse austre tende Schmelze in direktem Kontakt mit einer Matrixwalze ge bracht wird. Beispielsweise hat sich hier eine Matrixwalze als geeignet erwiesen, die 1.500 bis 10.000 Bohrungen pro Quadratzentimeter mit einer Tiefe von 250 bis 450 µm bei ei nem Bohrungsdurchmesser von 40 bis 80 µm aufweist.

Als Matrixoberfläche eignet sich vorzugsweise eine Stahlwal ze, die feine Bohrungen genannter Abmessungen trägt. Auch Stahlwalzen mit einer Kunststoffoberfläche können verwendet werden. Feine Bohrungen der vorgenannten Art können durch La ser eingebracht werden.

Die auf die Matrixoberfläche aufgebrachte Schmelze kann in die Kavitäten leichter eingebracht werden, wenn die Kavitä ten, wie an sich bekannt, durch vorheriges Evakuieren oder durch Anlegen eines Vakuums an der Sohle der Kavitäten prak tisch luftleer gemacht werden, so daß die Schmelze in die Ka vitäten eingesogen wird. Nach Abkühlung verfestigt sich die Schmelze und eine Folie kann von der Matrix abgezogen werden. Dabei entsteht zunächst eine zweischichtige Folie, die an ih rer Oberfläche mit einer Vielzahl feiner Noppen ausgestattet ist. Die Noppen können durch entsprechende und an sich be kannte Bearbeitung, insbesondere Kämmen, Bürsten, Rakeln und/oder Scherquetschen gelängt werden.

In einem anderen Verfahren kann eine Folie auch mit Hilfe ei ner bereits vorgefertigten Folie hergestellt werden. Hier wird für die Folie ein Umformwerkzeug verwendet, das aus min destens zwei Walzen besteht, nämlich einer beheizten Stahl walze und als zweiter Walze aus einer Stahlwalze, die mit ei nem Kunststoffmantel versehen ist, in den die Matrix mit den Kavitäten durch einen Laserstrahl eingebracht worden ist.

Auch hier besitzt die Matrix eine Zahl von 200 bis 10.000 feinster Bohrungen pro Quadratzentimeter mit einem Lochdurch messer von 50 bis 80 µm und einer Lochtiefe von etwa 600 µm. Die zu bearbeitende Folie wird im Walzenspalt oder kurz vor her soweit aufgeheizt, daß sie an ihrer Oberfläche zu fließen beginnt. Die Polymerschicht der Vorderseite der Folie wird unter dem Druck im Walzenspalt in die Kavitäten eingedrückt und aufgrund des Überdruckes bei Abziehen der Folie herausge drückt.

Nach dem Abkühlung entsteht auf der Folie eine feine Noppen struktur. Diese kann durch Kämmen, Bürsten, Rakeln und/oder Scherquetschen um wenigstens das Zweifache der Ursprungslänge vergrößert werden, so daß die Vorsprünge zu Haarfasern ge längt sind.

Bei dem neuen Verfahren werden vorzugsweise zwei Rezepturen für die Schmelzen verwendet. Die nicht mit dem Velour ausge stattete Trägerfolie enthält einen größeren Anteil an Füllern als die mit dem Velour ausgestattete Vorderseite der Folie. Als Füller dienen beispielsweise Calciumcarbonat oder Barium sulfat, die der Trägerfolie mit einem Anteil von 40 bis 50 Gew.-% beigemischt werden, während die Folienschicht der Vor derseite nur 20 bis 30 Gew.-% desselben Füllers enthält. Die feingemahlenen anorganischen Füller, deren Korngröße vorzugs weise 3 bis 5 µm beträgt, können mit hydrophobisierenden oder oberflächenaktiven Stoffen, wie Calciumstearat, versetzt sein, die das Einarbeiten in die Kunststoffmasse erleichtern.

Als Füller eignen sich organische und/oder anorganische Stof fe mit geringer Affinität zu dem und mit einer signifikant geringeren Elastizität als der umgebende thermoplastische Kunststoff. Füller können ausgewählt werden aus der Gruppe Calciumcarbonat, Talkum, Ton, Kaolin, Quarz, Diatomeenerde, Magnesiumcarbonat, Bariumcarbonat, Magnesiumsulfat, Barium sulfat, Calciumsulfat, Zinkoxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Glaspulver oder Zeolith.

Als Polymere zur Herstellung der Folien werden bevorzugt Po lyolefine verwendet, wie Polyethylen oder Polypropylen, Mi schungen der genannten Polymere, Copolymere sowie Mischungen aus Homopolymeren und Copolymeren. Es können jedoch auch Kunststoffe auf Basis anderer Thermoplasten, wie Polyestern, Copolyestern, Polyamiden, Polyetherestern, Polyetheraminen, Polyvinylalkoholen, Polyvinylalkanolen sowie Mischungen oder Copolymere der genannten Polymergruppen verwendet werden.

Durch einen anschließenden Reckprozeß bei geeigneter Mischung wird erreicht, daß der zweischichtigen Folie sowohl eine Ve lourfläche als auch eine Wasserdampfdurchlässigkeit ver schafft wird. Das Verstrecken der Folie geschieht in Maschi nenrichtung oder in beiden Richtungen, wenn es sich um eine bereits vorgefertigte Schlauchblasform-Folie handelt. Bei ge gossenen oder direkt auf der Matrix erkalteten Folien erfolgt die Streckung vorzugsweise in der Querrichtung zur Maschinen laufrichtung. Um die Streckung in Maschinenlaufrichtung zu erreichen, wird die Velourfolie nach dem Längen der Härchen über zwei Rollen geschickt, die mit unterschiedlichen Umlauf geschwindigkeiten laufen. Die zweite Rolle wird etwas schnel ler gefahren und zieht damit die Folie in Maschinenlaufrich tung in eine Streckung.

Um eine Streckung quer zur Maschinenlaufrichtung zu errei chen, wird das Verstrecken in Streckrahmen angewandt. Eine andere Art des Streckens verwendet Walzen, die links und rechts steigend mit ineinandergreifenden Elementen die Folien partiell verstrecken. Dabei wird die eine Walze fixiert in ihrem Lager gehalten und angetrieben. Die Gegenwalze taucht vorzugsweise mindestens 2 mm in die fixierte Walze ein, je nach dem erforderlichen Verstreckungsgrad. Die Eintauchtiefe der Walzen ist veränderbar. Die Zähne der Oberwalze werden gegen Anschlag gefahren, um Schäden an den Zähnen der unteren Walze zu vermeiden. Es ist nichterforderlich, die Oberwalze anzutreiben, da eine Kraftübertragung durch die zu verstrec kende Folie erfolgt.

Eine andere Walzenanordnung besteht aus einem Walzenpaar, das links- und rechtsgerichtete Einfräsungen aufweist, die zahn radartig ineinander greifen. Die Einfräsungen sind an ihrer Außenseite gerundet und haben sehr fein ausgearbeitete Stege von etwa 0,7 mm Dicke. Beide Walzen haben einen Durchmesser von 200 bis 250 mm. Die Eintauchtiefe beträgt maximal 3 bis 6 mm, wobei eine Arbeitstiefe von etwa 2 bis 2,5 mm bevorzugt wird.

Ein zweites Walzenpaar sorgt für eine CD-Verstreckung. Hier wird gegenüber der genannten Vorrichtung mit einer Versetzung um 90° gearbeitet. Der Walzendurchmesser ist ebenfalls 200 bis 250 mm. Die Stegdicke beträgt 0,78 mm. Die maximale Ein dringtiefe beträgt 6 mm. Für das Folienmaterial bleibt auf beiden Seiten der Folienbahn ein Spielraum von ca. 0,4 bis 0,5 mm. Je nach Verstreckung ist die Eindringtiefe bei der Umformung etwa 2 bis 2,5 mm. Die Verstreckung erfolgt in al len Fällen bei üblicher Zimmertemperatur, das heißt etwa zwi schen 25 bis 30°C. Die Meter-Leistung pro Minute ist ver gleichsweise sehr hoch.

Die Folie wird durch die Verstreckung breiter und dünner, das heißt, eine ca. 80 µm dicke Polyethylen-Folie mit einem Qua dratmeter-Gewicht von 80 Gramm wird nach der Streckung etwa 55 bis 60 Gramm pro Quadratmeter wiegen. Eine quergestreckte Folie mit einer Ausgangsdicke von etwa 60 µm wiegt nach der Streckung etwa 42 g pro Quadratmeter. Die Wasserdampfdurch lässigkeit beträgt je nach Verstreckungsgrad 1.500 bis 3.000 g/m².Tag, gemessen nach ASTM E 96 E, Meßtemperatur 37°C.

Die Zähne der Walzen können auch unter einem bestimmten Win kel versetzt arbeiten oder senkrecht Zulauf oder in Lauf ar beiten. Das Bild der Folie kann entsprechend bis Spiels der Walzen und die dabei erzeugte Streckung verändert werden. Hervorzuheben ist, daß der textile Griff der Velourfolie durch den Verstreckungsprozess praktisch nicht verändert wird, da die Codedichte der auf der Folienfläche vorhandenen Noppen das Aussehen und den Griff der Folie auch nach dem Verstrecken praktisch unverändert bleiben.

Bei einer Streckung sowohl in Maschinenrichtung als auch quer dazu ergibt sich für die Folie optisch ein geometrisches Bild einer gewebeartigen Kette-Schuß-Struktur. Wird diagonal ge reckt, entsteht ein interessantes satinartiges Aussehen der fertigen Folie.

Zur Erläuterung des Verfahrens wird ein Beispiel gebracht:

Auf einer Doppeldüsen-Extrusionsanlage wird eine zweischich tige Polyethylenfolie erzeugt, die eine Vorderschicht aus re lativ leicht fließendem Polyethylen und eine Rückenschicht aus einem zäheren, weniger gut fließenden Polyethylen auf weist. Beide Schichten werden gefüllt mit einem Calciumcarbo nat der mittleren Korngröße 1,0 µm, das mit Calciumstearat oberflächenbehandelt wurde. Die Polyethylenmasse der Vorder schicht enthält 20 bis 30 Gew.-% Calciumcarbonat, während die Rückenschicht 50 Gew.-% Calciumcarbonat als Füller enthält.

Beide Folienschichten haben dieselbe Dicke; die gesamte Dicke beträgt 60 µm bis 80 µm.

Für die Vorderschicht wurde eine Mischung aus 70 Teilen eines Polyethylens mit einem Schmelzindex von 30, gemessen nach ASTM D 1238, und mit einer Dichte von 0,885 g/cm³, gemessen nach ASTM D 792, mit 30 Teilen eines Polyethylen-Harzes auf Basis eines Ethylen-Octan-Harzes mit einem Schmelzindex von 30 und einer Dichte von 0,902 g/cm³ nach ASTM D 792, oberflä chenbehandeltem Calciumstearat mit 22 Gew.-%, sowie bekannten Stabilisatoren und Pigmenten, versetzt und vorgranuliert. Dieses Polymergemisch wurde in einem Extruder aufgeschmolzen und der Doppeldüse zugeführt.

Ein zweiter Extruder wurde mit einem HDD-Polyethylen be schickt, welches 45 Gew.-% Calciumcarbonat der im Beispiel erwähnten Art enthält und einen Schmelzindex von 2,1 dg/min und eine Dichte von 0,920 g/cm³ vor dem Zumischen des Calci umcarbonats aufweist.

Die zweischichtige Folie wird dann nach dem Chillroll- Verfahren hergestellt. Die gekühlte Folie wird mit Umfor mungswerkzeugen in eine Velourfolie überführt. Es entsteht so eine Polyethylen-Folie mit deutlichem Velour-Charakter. Diese Folie wird in Maschinenrichtung um 30 bis 50% und in Quer richtung dazu um 25 bis 60% gestreckt, so daß sie eine feine Mikroporosität erhält. Nach der Verstreckung bei einer Tempe ratur von 25 bis 30 Grad Celsius hat die Velourfolie eine Wasserdampfdurchlässigkeit von 2.500 g/m².Tag, gemessen nach ASTM E 96 E.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen oberflä chenstrukturierten, porösen folienartigen Halbzeugs aus thermoplastischen Kunststoffen, mit folgenden Verfahrens schritten:

- ein thermoplastisches Kunststoffmaterial wird mit einem zu diesem Material heterogenen Füller gemischt, in Folienform gebracht und gereckt und damit zu einem permeablen Film verarbeitet,
- das thermoplastische Kunststoffmaterial wird während einer Herstellungsstufe mit einer zweiten porösen Schicht belegt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- zwei Schichten eines thermoplastischen, mit einem heteroge nen Füllers versehen Kunststoffmaterials in geschmolzenem Zustand oder in Form einer Folie und einer Schmelze oder in Form von zwei aufeinander liegenden Folien auf eine in ih rer Temperatur einstellbare, gegenüber der erwünschten Struktur als Negativstruktur (Matrix) ausgearbeitete Ober fläche mit feinen Kavitäten, insbesondere Bohrungen, aufge bracht werden,
- die Matrix einschließlich der Kavitäten vom thermoplasti schen Kunststoffmaterial der einen Schicht wenigstens teil weise ausgefüllt wird,
- das verformte thermoplastische Kunststoffmaterial der einen Schicht - noch auf der Oberfläche liegend - durch Abkühlung zum Erstarren gebracht wird, wobei es auf der mit der Ober fläche in Kontakt gebrachten Seite die entsprechende Flä chenstruktur annimmt,
- nach dem Erstarren das Kunststoffmaterial beider Schichten von der Oberfläche abgezogen wird, wobei das in die Kavitä ten eingebrachte und aus diesen herausgezogene thermopla stische Material einen aus Vorsprüngen bestehenden Flor bildet,
- die den Flor bildenden Vorsprünge durch Kämmen, Bürsten, Rakeln und/oder Scherquetschen gereckt werden, wobei die Länge der Vorsprünge um wenigstens das Zweifache der Ur sprungslänge vergrößert wird und ein auf wenigstens einer Seite faserartig strukturiertes Halbzeug entsteht, bei de nen die Vorsprünge zu Haarfasern gelängt sind,
- vor, während und/oder nach dem Recken der Vorsprünge das Zwischenprodukt in der Fläche gereckt wird, wobei aufgrund der Ablösung der heterogenen Füllerteilchen aus ihrer Umge bung das Halbzeug permeabel wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe: Polyolefine, Polyester, Polyamide, Polyetherester, Polye theramine, Polyvinylalkohole, Polyvinylalkanole, sowie be kannten Mischungen und Copolymerisaten aus den vorgenannten Polymeren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Füller organische und/oder anorganische Stoffe mit geringer Affinität zu dem und eine signifikant geringere Elastizität als der umgebende thermoplastische Kunststoff besitzen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Füller solche ausgewählt sind aus der Gruppe Calciumcarbonat, Talkum, Ton, Kaolin, Quarz, Diatomeenerde, Magnesiumcarbonat, Bariumcarbonat, Magnesi umsulfat, Bariumsulfat, Calciumsulfat, Zinkoxid, Magnesiu moxid, Titandioxid, Glaspulver, Zeolith.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füller mit einem hydrophobisieren den Mittel behandelt sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Füller organische Partikel verwen det werden, die jeweils zu dem sie umgebenden thermoplasti schen Material heterogen sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten unterschiedliche Mengen und/oder unterschiedliche Arten an Füllern enthal ten.