DE2303180A1 - Poroeser, wasserbestaendiger vliesstoff aus fasern und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

DIP L.-ING. HANS W. GROENING 0 Q Π Ί 1 R ΓΙ

DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN ^

PATENTANWiIIE

S/C 2O - 24

CROT'TN SELLERPACH INTERNATIONAL· INC., San Francisco,

Kalifornien / USA

Poröser., wasserbeständiger Vliesstoff aus Fasern und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft (papierähnliehe) Vliese aus faserartigen Materialien, die eine hone Porosität (hohe durchlässigkeit gegenüber Luft) und eine "iclerstandsfähigkeit gegenüber dem Durchlassen von ^T7asser besitzt. Eine hohe Porosität von wenigstens 300 ccm/Minute, ermittelt unter Verwendung eines Sheffield-Porositätstestgerates, bedeutet, daß das Vlies eine große Anzahl an Leerstellen oder viele Leerstellen enthält, so daß es den Durchgang eines Gases, wie beispielsweise Wasserdampf oder Luft ermöglicht. Das erfindungsgemäße Panier besitzt eine derartig hohe Porosität, daß es sogar den Durchgang von sehr feinteiligen Feststoffen ermöglicht (vgl. das weiter unten folgende Heispiel 2). Eine derartig hohe Porosität in üblichem Papier ist normalerweise mit einer hohen Durcnlässigkeit gegenüber '.'asser verbunden, das erfindungsgemäße Vlies besitzt jedoch den Vorteil, daß es praktisch vollständig wasserbeständig ist. Dies bedeutet, daß !'Tasser {flüssiges Wasser) nicht durch das Vlies hindurchgeht (mit Ausnahme unter Druck). Die Widerstands-

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MÖNCHEN SO, SIEBERTSTK. 1. POSTFACSI P-SUTiO, KABEL·: RHBJESTtM ii.VI, TE-I.-' <;fOli 4? T070'':ft TELUX 3-22839

fähigkeit gegenüber Wasser läßt sich, numerisch als Kosinus des "Wasserkontaktwinkels" bestimmen. Die Penetrationsqeschwindigkeit von Wasser in ein faserartiges Vlies ähnlich Papier ist in einfachen Fällen direkt proportional zu dem Kosinus des Wasserkontaktwinkels. Im Falle des erfindungsgemäßen Vlieses beträgt der Kosinus weniger als O.

Die Kombination aus hoher Porosität mit einer hohen Wasserwiderstandsfähigkeit, die bisher nur bei gewebten Waren festgestellt werden konnte, macht das erfindungsgemäße Vlies für viele Zwecke geeignet. Es kann als Ersatz für wasserbeständige Tücher oder Planen verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung von Zelten und Kleidungsstücken, da es ein Atmen der Zelt- oder Kleidungsstücke ermöglicht und dennoch nicht ohne weiteres von Wasser durchdrungen wird. Legt man einen ausreichenden Druckunterschied an, dann fließt Wasser durch das Vlies, wobei jedoch das Vlies immer noch eine hohe Naß.zugfestigkeit besitzt,die mit seiner Wasserwiderstandsfähigkeit gepaart ist. Das Vlies eignet sich daher als Filterpapier, Filtertuch oder semipermeable Membran. Wird Wasser durch das Vlies infolge eines Druckunterschiedes gesaugt, beispielsweise unter der Einwirkung eines Vakuums, dann widersteht das Vlies dem Druck, da seine Naßzugfestigkeit nicht merklich cregenüber seiner Trockenzugfestigkeit vermindert ist. Demgegenüber macht bei den meisten Papieren die Naßzugfestigkeit weniger als 2 5 % der Trockenzugfestigkeit aus.

Es wurde gefunden, daß ein Vlies, welches eine hohe Porosität mit einer honen Wasserwiderstandsfähigkeit in sich vereinigt, möglich ist, wenn es wenigstens 60 und bis zu 100 Gew.-"=; durch wärmeverbundener Polyolefinfasern enthält. Der Rest der Fasern in dem Vlies besteht aus zellulosehaltigen Paoiererzeuaungsfasern.

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Polyolefinfasern sind bereits häufig besenrieben worden. PoIyolefinstapelfasern werden in der Weise¹ hergestellt, daß ein endloser Polyolefinfaden versponnen und in Rtapellängen zerschnitten wird, wobei jedoch Polyolef instapelfasern eine kleine Oberfläche besitzen. Daher konnten bisher derartige Fasern nicht zur Herstellung von Vliesen (Papier) verwendet werden. T.s sind auch Verfahren zur Herstellung von Polyolefinfasern neben Stapelfasern bekannt geworden, die beispielsweise als Ersatz für zellulosehaltige Paniererzeugungsfasern dienen. P-eispie] sweise ist die Herstellung von Polyolef inf asern beschrieben worden, die eine große Oberfläche besitzen, und zwar wenigstens 1 ra /q und oft bis zu 1OO m /g. In diesem Zusammenhang sei auf die DT-OS 1 951 5 7R (ΒΠ-Pfi 7 39 251), 2 117 3 70 (n^-TS 7fi^r> ^Γ)ΟΚ) \ind 2 227 021 verwiesen, in denen Verfahren zur Fersteiluno- von Polyolef inf asern beschrieben werden. In der 'TL-Of? 72/13 70 7 wird ein anderes Verfahren zur Herstellung derartiger Fasern beschrieben. Alle Polyolefinfasern mit einer

Oberfläche von mehr als 1 ,O m /g, die zu einen Vlies verarbeitet v/erden können, eignen sich zur Herstellunq des erfindungsgomäßen Vlieses.

In der IJHI-PS 7°;0 177 wird ein Verfahren zur V'ärnebehandlung eines Vlieses aus Polyolefinfasern bei einer Terperatur besenrieben, die dazu ausreicht, die Fasern zu verschmelzen und KU integrieren. Dabei wird eine klare Polyolefinfolie erhalten. Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von Polyolefinfolien aus Polyolefinen, deren Molekulargewicht zu hoch ist im ein Extrudieren als Folie zu gestatten. Die thermische Integrierunq der Fasern hat die F>ildung einer im wesentlichen nicht norösen Folie zur Folge. In dem erfindungsgemäßen Vlies werden die Fasern durch Wärme verbunden, jedoch nicht integriert. Auf diese Ueise bleibt die Porosität des Vlieses hoch, *.·.''!.hrf?ηd das Vlies eine ausgezeichnete Wasserwiderstandsfähigkeit >josi tzt.

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Die Porosität wird unter Verwendung eines Sheffieldtestgerätes bestimmt. Dieses Gerät wird bei der Beschreibung der Testmethode PC 366 beschrieben, die von der Trade Association of the Pulp and Paper Industry.veröffentlicht worden ist.

Die Oberflächenbenetzbarkeit, berechnet anhand des.' Kosinus des Kontaktwinkels wird in dem TAPPI Test T 458 beschrieben. Wird ein Tropfen reinen Wassers vorsichtig auf die Oberfläche eines trockenen Vlieses gebracht, dann schneidet er das Vlies unter einem Winkel, der für die chemischen und nhysikalischen Eigenschaften der Papierkomponenten charakteristisch ist. Der Winkel, den die Luft/Wasser-Grenzfläche beim Schneiden des Vlieses bildet, wird als Kontaktwinkel bezeichnet. Der Kontaktwinkel wird immer durch die Flüssigkeit gemessen.

Die wesentliche Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, ein Vlies aus Fasern durch Wärme zu verbinden, wobei wenigstens 60 und bis zu 100 % der Fasern aus Polyolefinfasern mit einer Oberfläche von wenigstens 1,0m /g bestehen. Unter "Verbinden durch Wärme" soll das Einwirkenlassen von Wärme auf die Fasern verstanden werden, um ihre Temperatur auf wenigstens 120 C zu steigern, wobei die Temperatur nicht so hoch sein sollte, daß unter den vorherrschenden Bedingungen hinsichtlich Druck, Zeit und Verhinderung eines Schrumpfens die Fasern integrieren, d.h. daß die Temperatur nicht so hoch sein sollte, daß die Fasern transparent werden..

Das Verhindern eines Schrumpfens ist bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens von Bedeutung. Das Vlies neigt zu einem Schrumpfen beim Erhitzen. Schrumpft es, dann wird es leicht transparent, und zwar bei relativ niedrigen Temperaturen. Wird das Schrumpfen unterbunden, dann können schärfere Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Druck angewendet werden, ohne daß dabei die Porosität verlorengeht. Die Verhinderuna des Schrumpferis kann mechanisch bewirkt werden, beispielsweise unter Verwendung von Festhalteringen,.wie sie bei der Durch-

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führunq des weiter unten folqenden Beispiels 1 einqesetzt werden. Ist eine mechanische Verhinderung des Schrumpfens unzweckmäßig, da eine derartiqe Maßnahme ein qlatt verlaufendes Produktionsverfahren in technischem Maßstabe behindern würde, dann kann das Schrumpfen durch die Einmengung von zellulosehaltiqen Papiererzeugungsfasern verhindert werden. Nur 10 "s Zellulosehaltiqer Papiererzeuqunqsfasern reichen aus, um ein Hchrumpfen "U verhindern. Der beste Kompromiß zwischen hohem Selluloseqehalt zur Verhinderunq eines Schrumpfens und einem hohen PoIyolefinqehalt zur Erzielung von Hasserwiderstandsfähigkeit lient bei einer¹ Polyolefin : .".ellulose-Gewichtsverhältnis zwischen 90 : 10 und 30 : 20.

Der Druck ist ebenfalls in. Hinblick darauf von P.edeutunq, ob das Erhitzen qerade dazu ausreicht, eine Verbindung durch Uärme zu bewirken und einen porösen Dogen zu erzeuqen, oder ob die Temperatur zu hoch ist, so daß ein undurchlässiqer Bogen gebildet wird. Der Druck hat eine Verfestigung des Vlieses zur Folge und sollte unternalb des Viertes gehalten werden, bei welchem die Vliesdichte 0,3 q/ccn übersteigt. Ts ist besser, die Dichte unterhalb 0,7 g/ccm zu halten.

Das Vlies aus Polyolefinfasern, das aeaebenenfalls auch "ellulosefasern enthält, welches erfindungscremäP. durch T'Tärme .verbunden wird, kann in der Tieise erzeuqt werden, daß eine wässriae Aufschlämmung aus den Polyolefinfasern und etwa vorhandenen "ellulosefasern auf einer durchlöcherten Oberfläche abgelegt wird, beispielsweise dem Draht einer Papiererzeugungsmaschine, worauf das !Jasser von der durchlöcnerten Oberfläcne ablaufen gelassen wird und das Vlies getrocknet wird. Polyolefinfasern bilden nicht ohne weiteres eine stabile wässrige Aufschlämmung. Das Aufschlämmen der Fasern wird dann erleichtert, wenn eine Spur eines hydropnilen, kolloidalen oder polymeren Additivs zugesetzt wird, um die Fasern in Wasser disperqierbar zu machen und ihre Neigung zum Ausflocken in wässrigen Aufschlämmungen zu verhindern. Die Herstellung von in Wasser dispergierbaren

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Polyolefinfasern wird in der DT-OS 22 OR 555, in der P.E-PS 73 7 060 sowie in der ^TtTL-OS 72/12325 beschrieben.

Die T^irkuna der Veränderung der Parameter bezüglich T Druck und Verhinderung eines Schrurrofens geht aus den beigefügten Zeichnungen hervor. Diese Parameter können beliebig variiert werden, um entweder ein durch wärmeverbundenes poröses papierähnliches Polyolefinvlies oder einen wärmeintegrierten Polyolefinbogen zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird eine solche Kombination aus ^7ärme, niederem Druck und Zellulosegehalt in Falle eines Polyolef ins mit · gegebe-* nem Molekulargewicht ausgewählt, das ein Vlies mit einer Sheffieldporosität von mehr als 300 ccm/IIinu te erhalten wird.

Die Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, die zeigt, wie die Porosität mit dem Fasergehalt bei verschiedenen Tenoeraturen variiert.

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die zeigt, wie die Luftdurchlässigkeit mit der Bindetemperatur bei einem 100 "iigen Polyäthylenfasergehalt schwankt.

Fig. 3a, 3b und 3c Photographien von !Jassertropfen auf Vliesen, die bei verschiedenen Temperaturen durch Wärme verbunden .worden sind.

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Kosinus des TJasserkontaktwinkels als.Funktion des Polyolefinfasergenaltes bei verschiedenen Wärmebindungstemperaturen.

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Zugfestigkeit der ei— findungsgemäßen Vliese bei verschiedenen Gehalten an Polyolefinfasern sowie die Wärmebindungstemperaturen.

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Fig. 6 eine graphiscne Darstellung der ITaßzugfestigkeit als Prozentsatz der Trockenzugfestigkeit bei verschiedenen PoIyolefinfasergehalten und Wärmebindungstemperaturen.

Fig. 7 eine granhische Darstellung der Zugfestigkeit als Funktion der I-Järmebindungstemneratur.

Fig. ° eine graphiscne Darstellung der "ugenergieabsorption als Funktion der !"ärmebindungsterriOeratur.

Fig. 9 eine graphiscne Darstellung der Opazität als Funktion der Teinneratur.

Fi". IO eine graphiscne Darstellung der Dichte als Funktion der Temperatur.

Die Polyolefinfasern, die zur Herstellung des durch Wärme verbundenen Vlieses gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden können, können beliebige Polyolefinfasern mit einer Oberfläche

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von nohr als 1 m/τ sein, die als Ersatz für Cellulose bei der T'ani ernerstellung verwendet werden können. Auch die synthetische TTolzoulpe, die in der DT-OP 19 51 5-76 , in der BE-P5 765 506 und 7?4 3C3 sowie in der HL-OR 72/13 7O7 !beschrieben wird, ist b^Foniers geeignet. Das ⁿolyolefin sollte kristallin'sein. Die bevorzugten Polyolefine sind iin wesentlichen lineares Polyäthylen, im wesentlichen isotaktisches Polypropylen sowie "thylen/Propylen-Copolynere.

Die Grobmoronologie und Größen dieser Fasern ähneln sehr der r.robmorpnologi e sowie den Größen von natürlichen zellulosenaltigen Par>iererzeugungsf asern. Die Länge der Fasern schwankt von ungefähr 0,3 bis zu ungefähr 5 mm. Die Fasern weisen in typischer ^T.-7ei .^c;e durchschnittliche Grobf asrigkeiten zwischen un'.'f>n;hr 3 und IO Decigr^xs auf. Die Breite oder der Durchmesser fSifser "asern liegt in typischer Tfeise zwischen ungefähr 20 'inC 1O0.U. Die Fasern können in der Weise aufbereitet werden.

daß sie Größenverteilungen (gemessen durch Standardfaserklassifizierungstests) aufweisen, die ähnlich den Größenverteilungen von Hartholz, Weichholz und/oder Holzschliff sind.

Die Polyolefine können ein hohes Molekulargewicht besitzen. . Das Viskositätsmittel der Molekulargewichte kann bis zu 10 Millionen betragen, wobei jedoch niedrigere Molekulargewichte zwischen 40 000 und 250 O00 im allgemeinen eingehalten werden. In der BE-PS 765 506 wird die Bestimmung des Viskositätsmittels des Molekulargewichts beschrieben.

Die Polyolefinfasern besitzen einen hohen Mahlgrad, der im allgemeinen größer ist als ungefähr 600 ccn Canadian Standard Freeness.

Die große Oberfläche (wenigstens 1 m /g, bestimmt mittels der B.E.T.-Stickstoffabsorptionsmethode) der Polyolefinfasern, die durch die vorstehend geschilderten Verfahren hergestellt worden sind, scheint auf die fibrillare Mikrostruktur zurückzuführen zu sein, die charakteristisch für die erfindungsgemäß eingesetzten Fasern ist und bei Stapelfasern nicht festzustellen ist. Die Mikrostruktur kann aus Makrofibrillen mit Durchmessern zwischen 1 und 20 ,u bestehen. Die Makrofibrillen sind mechanisch als Bündel verflochten, wobei die Bündel die Fasern darstellen. Wahlweise kann die Mikrostruktur aus gerollten Polyolefinfolien, die extrem dünn sind, bestehen, wobei diese Folien bei der Flash-Verdampfung einer Lösung erhalten v/erden. Die Rollen sind dann die Fasern.

Sind die Fasern in einer solchen Weise behandelt worden, daß . sie in Wasser ■ dispergierbar sind und ihre Ausführungsneigung vermindert worden ist, so wie dies in der DT-OS 22 08 555, in der BE-PS 737 060 oder in der NL-OS 72/12 325 beschrieben wird, dann liegen auf den Fasern 0,1 bis 5 Gew.-% des Behandlungsmittels vor, das aus einem anionisch-kationischen Komplex, Stärke oder vorzugsweise Polyvinylalkohol bestehen kann.

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nie Polyolefinfasern besitzen im Gegensatz zu synthetischen Stapelfasern eine große Oberfläche. Beispielsweise besitzen 3 den-Polyäthylenstanelfasern eine Oberfläche von ungefähr
0,2 TiC/q_r während die Oberfläche der erfindungsqemäß eingesetzen Polyolef inf asern (jev/eils durch Gasadsorption gemessen) immer größer als 1 ra /g ist und bis ?.u 100 m"/g oder
darüber betragen Kann.

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Im Gegensatz zu Eellulosefasern, die an Oberfläche heim Trocknen infolge eines Cusammenfaliens der Faser abnimmt, scheinen die erfindungsgemäß eingesetzten Polyolefinfasern nicht zusammenzufallen, so daß die Faseroberfläche von Vliesstoffen, die aus wässrigen Auf schlämmungen erzeugt und in einem Ofen ge-*- trocknet worden sind, im wesentlichen die gleiche ist, wie im Falle von Vliesstoffen, die unter Verwendung von gefriergetrockneten Fasern hergestellt worden sind. Im allgemeinen schwankt die Oberfläche der erfindungsgemäß eingesetzten Polyolefinfasern von ungefähr I bis 10 m /g.

Die erfindungsgemäß geeigneten Fasern besitzen einen Entwässerungsfaktor von mehr als 0,2 Sekunden/Gramm, Vorzugsweise mehr als 1,0 Bekunde/Gramm und insbesondere zwischen 1,0 und 10,0 Sekunden/Gramm» Der Entwässerungsfaktor gibt einen Hinweis auf die Entwässerungseiaenschaften der Fasern bezüglich ihrer Fähigkeit, Vliesstoffe unter Anwendung üblicher TJaßverfahren zu bilden.

Der Entwässerungsfaktor wird im wesentlichen gemäß dem TAPPI (Trade Association of the Pulp and Paner Industry)-Test T221 QE3-63 gemessen, wobei eine geringfügige Modifizierung der Berechnungsmethode durchgeführt wird. Ungefähr 10 Gramm einer Faserprobe werden ausgewogen und in Wasser dispergiert, Die Aufschlämmung wird dann in eine Standardplattform überführt, worauf Wasser bis zur Markierung zugefügt wird, Die Aufschlämmung wird durch viermaliges Auf- und Abhewegen des Standardrührers gerührt, worauf der Rührer entfernt wird. Die Wassertemperatur in der Form wird gemessen, worauf das Entwässerungsventil geöffnet wird. Die 3eit zwischen dem Öffnen des Ventils und dem ersten ermittelten Sauggeräusch wird notiert. Die Methode wird dann unter Verwendung von T'Jasser allein (keine Faser) in der Plattform wiederholt, wobei die Temperatur und die Ablaufzeit notiert werden. Der Entwässerungsf^ktor in Sekunden pro Gramm wird anschließend wie

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- ΛΑ -

folgt berechnet:

DF = Id + 0.3 (i - 1) (D-4)j - d + 0.3(^ - 1) (d-4)l

DF = Entwässerungsfaktor, Sekunden/Gramm D = Entwässerungszeit mit Pulpe in der Form, Sekunden d = Entwässerungszeit ohne Pulpe in der Form, Bekunden V„, = Viskosität des Hassers bei der Temperatur T V7 =. Gewicht der zur Durchführung des Tests eingesetzten Fasern in Gramm.

Die Menge (— - 1) ist in dem vorstehend erwähnten TAPPI-Test Τ221-ΟΠ-Γ.3 tSbuliert. Diese Menae wird mit 0,3 multipliziert. Dieser ^T7ert wurde empirisch für die erfindungsgemäß geeigneten Fasern ermittelt.

Aus den vorstehend beschriebenen Polyolefinfasern können feuchte Vliese in üblicher Weise hergestellt werden, das heißt im Labor in einer Handpapierform oder in technischem Maßstabe auf einer Papiermaschine, in dem eine wässrige Aufschlämmung mit den für eine Papierherstellung üblichen Konsistenzen auf eine durchlöcherte Oberfläche gebracht wird, das Wasser ablaufen gelassen wird und getrocknet wird, übliche zellulosehaltige Pulpen können mit Polyolefinfasern in einer Menge bis zu ungefähr 4O Gew.-% der Mischung vermischt werden. Werden mehr als 40 Gew.-% der cellulosehaltigen Fasern verwendet, dann werden die Wasserwirlprstandsfähigkeit und die Porosität in nachteiliger Weise beeinflußt.Auch ist die TIaßzugfestigkeit erheblich geringer.

VTenn auch die Herstellung eines Vliesstoffes im vorliegenden Falle unter Bezugnahme auf eine wässrige Aufschlämmung der Fasern als bevorzugt beschrieben worden ist, so kann die Vliesherstoilunn dennoch auch durch eine Aufbringung aus einem Lösungsnittol odor durch Aufbrinaen aus Luft erfolgen.

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Nachdem der Vliesstoff gebildet ist, wird er getrocknet, Infolge des Vorliegens von Polyäthylenfasern kann das Trocknen mit einer höheren Geschwindigkeit als im Falle von zellulosehaltigen Vliesstoffen infolge der Tatsache durchgeführt werden, daß das Wasser nicht zu fest gehalten wird. Das Trocknen wird bis zu dem Ausmaß durchgeführt, das notwendig ist, um den Feuchtigkeitsgehalt auf ungefähr 5 Gew.-% oder weniger zu reduzieren.

Der getrocknete Vliesstoff wird dann der Einwirkung von Temperaturen ausgesetzt, die dazu ausreichen, eine Wärmebindung bis zu einem solchen Ausmaß zu bewirken, das die gewünschte Porosität, Wasserbeständigkeit und Festigkeit liefert. Im Falle von Polyolefinen mit niederem Molekulargewicht braucht die minimale Bindetemperatur nicht sehr hoch zu sein, um eine zufriedenstellende Bindung zu erzielen. Im Falle einer Faser aus Polyäthylen mit einem Viskositätsmittel des Molekulargewichts von 168 000 reicht eine minimale Bindetemperatur von ungefähr 120 C aus, um die gewünschte Porosität, Wasserbeständigkeit und Festigkeit zu liefern, während bei Verwendung einer Faser aus einem Polyäthylen mit einem Viskositätsmittel des Molekulargewichts von ungefähr 1 Million eine minimale Bindetemperatur von ungefähr 135°C zur Erzielung der gewünschten Festigkeitseigenschaften ausreicht. Diese minimalen Temperaturen liefern eine solche Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit, daß der Kosinus des Wasserkontaktwinkels weniger als 0 ist und eine Sheffieldporosität von mehr als 300 ccm/Minute und eine Naßzugfestigkeit von mehr als 0,25 g/15 mm erzielt werden.

Die maximale Temperatur, die zur Wärmebindung eingehalten wird, Übersteigt im Falle von Polyäthylenen mit sowohl hohem Molekulargewicht als auch¹ niedrigem Molekulargewicht vorzugsweise nicht 160°C. Wird diese Temperatur während der Wärmebindung überschritten, dann neigt das Vlies zu einem Absplittern, wobei Löcher erzeugt werden.

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Innerhalb des vorstehend angegebenen Wärmebindungstemperaturbereichs wird nur eine geringfügige Wirkung auf die Porosität der Bahn bei tiefen Rindungstemperaturen ausgeübt. In überraschender Weise wird jedoch die Porosität bei höheren Bindetemperaturen zwischen ungefähr 140 und 160⁰C erhöht. Dies geht deutlicher aus Fig. 2 hervor, welche die Beziehung zwischen der Luftdurchlässigkeit und der Bindetemperatur bei einem Wasserdruckunterschied von 12 mm (0,5 inch) zeigt, und zwar gemessen nach der ASTM Standard Testmethode D737-69.

Der wichtigste Faktor, welcher die Vliesporosität beeinflußt, ist der auf das Vlies ausgeübte Druck. Wird nur wenig oder überhaupt kein Druck ausgeübt, dann erhält man ein sehr poröses

2 Vlies. Hohe Drucke von bis zu ungefähr 70 kg/cm (1000 psi) machen den Bogen praktisch nicht porös, d.h. die Sheffieldnorosität beträgt praktisch 0. Jedoch beträgt die Wasserdamnf-

2 durchlassqeschwindigkeit (WTR) imner noch ungefähr 0,1 g/^45 cm / 24 Stunden, und zwar sogar bei dieser geringen Porosität. Die Vliese werden nahezu nicht porös, wenn die Vliesdichte auf mehr als ungefähr 0,8 g/ccm kompaktiert oder verfestigt wird.

Daher sollte der Druck geringer sein als derjenige,der eine Verdichtung oder Verfestigung bis zu einem solchen Ausmaß zur Folge hat, daß die Vliesdichte ungefähr 0,3 g/ccm übersteigt. Vorzugsweise wird eine Dichte zwischen ungefähr 0,2 und 0,7 g/ccm aufrechterhalten. Drucke, die unterhalb dem Druck liegen, der eine derartige Verdichtung oder Verfestigung zur Folge hat, stehen in einer direkten Beziehung zur Porosität des erhaltenen P-oaons. Je größer der Druck ist, desto weniger porös ist der Bogen. Die Porosität läßt sich in einfacher Weise zur Erzielung des gewünschten Uertes steuern. Eine derartige Steuerung eignet sich insbesondere bei der Herstellung von bestimmten Produkten, wie beispielsweise Filterpapieren oder semipermeablen Membranen.

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Während der Wärmebindung der erfindungsgemäß hergestellten Vliese ist es zweckmäßig, das Vlies zur Verhinderung einer Schrumpfung festzuhalten. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Vliese vollständig aus Polyolefinfasern hergestellt werden. Im Falle von Vliesen, die mehr als ungefähr 10 Gew.-% Zellulosefasern enthalten, ist ein derartiges Festhalten weniger notwendig. In der Praxis ist es daher zweckmäßig, zwischen ungefähr 10 und ungefähr 4O Gew.-% "ellulosefasern in das Vlies einzumischen.

Die porösen und wasserbeständigen erfindungsgemäßen Vliese können als Filtermedien eingesetzt werden, beispielsweise in Form von Filterpapieren oder -tüchern oder semipermeablen Membranen, wie sie derzeit im Gebrauch sind. Sie können ferner für solche Zwecke verwendet werden, denen derzeit wassei— feste Tücher oder Planen zugeführt werden, beispielsweise zur Herstellung von Zelten und wasserbeständigen Bekleidungsstücken. Außerdem können, die Vliese zum Verpacken verwendet werden, wenn ein poröses und wasserbeständiges Verpackungsmaterial erforderlich ist. Es kommt auch ein Laminieren auf andere Materialien, wie beispielsweise Papier, Filme oder Folien in Frage.

Polyäthylenfasern mit hohem und niederem Molekulargewicht mit einer großen Oberfläche werden zur Herstellung von Ilandfolien gemäß vorliegender Erfindung verwendet.

Beispiel 1

Es werden Polyäthylenfasern mit hohem Molekulargewicht verwendet, die gemäß dem in der RE-PS 765 5O6 beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind. Die Fasern besitzen folgende Eigenschaften:

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Polyäthylen:

Viskositätsmittel des Molekulargewichts: 1 075 (Intrinsxkviskositat = 7,5 dl/g) Schmelzpunkt: 136°C

Fasern:

Oberfläche (Gasadsorption): 4,0 m²/g Faserklassifizierung (TAPPI Test T233 SU 64): Auf einem 20 mesh-Sieb 0,8 Gew.-% auf einem 35 mesh-Sieb 11,5 Gew.-r% auf einem 65 mesh-Sieb 26,5 Gew.-% auf einem 150 mesh-Sieb 31,5 Gew.-% auf einem 270 mesh-Sieb 9,9 Gew.-% durch ein 2 70 mesh-Sieb 19,8 Gew.-% Canadian Standard Freeness: 700 ecm (TAPPI Test T232 SU 68): 1,4 mm. Durchschnittliche Grobfasrigkeit: 12,0 Durchschnittliche Länge (TAPPI Test T 234 SU 68): 1,4 mm Durchschnittliche Grobfasrigkeit (TAPPI Test T 234 SU 6 7): 12,0 Deeigrexs
F,ntwässerungsfaktor: 0,89 Sek/g.

Die Polyäthylenfasern mit niederem Molekulargewicht entsprechen dem Typ, welcher gemäß der in der holländischen Offenlegungsschrift 72/12 707 beschriebenen Methode hergestellt worden sind. Sie besitzen folgende Eigenschaften:

Polyäthylen:

Viskositätsmittel des Molekulargewichts: 168 (Intrinsikvxskositat =2,2 dl/g).

Fasern:

2 Oberfläche (Gasadsorption): 7,8 m /g, Faserklassifikation ·

auf einem 20 mosh-Sieb 1,6 Gew.~° auf ojnem 35 mesh-Hieb 31,5 Gew.~%

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-U-

auf einem 6 5 mesh-Sieb 37,3 Gew.-%
auf einem 150 mesh-Sieb 18,7 Gew.-%
auf einem 2 70 mesh-Sieb 5,G Gew.-S
durch ein 2 70 mesh-Sieb 4,3 Gew.-%
Grobfasrigkeit: 11,0 Decigrexs
Entwässerungsfaktor: 1,0 Sek/g.

Diese Fasern sind mit 1,0 Gew.-% Polyvinylalkohol gemäß der holländischen Offenlegungsschrift 72/10 56 7 behandelt worden.

Die vorstehend beschriebenen Polyäthylenfasern werden entweder allein oder in Mischung mit einer gebleichten Erle-Kraftpulpe verwendet, die auf einer Canadian Standard Freeness von 150 ecm vermählen worden ist. Handbögen werden nach der TAPPI Standardmethode T 205 M-5R hergestellt. Die erhaltenen Ilandbögen mit einem Durchmesser von 158 mm (6 1/4 inches) werden von den Draht abgenommen und in eine verchromte Form überführt. Löschpapier wird gegen die obere Fläche des Ilandbogens gelegt, worauf die Form, die Fandfolie und das Löschpapier bei Zimmertemperatur während einer Zeitspanne von 15 Sekunden und einem Druck von 28 kg/cm" (400 psi) naßverpreßt werden. Die Bögen werden dann umgedreht, worauf das Verpressen wiederholt wird. Dann werden die JBögen auf einem Rotationstrockner bei einer Temperatur von 105⁰C während einer Zeitspanne von 4 Minuten getrocknet. Die getrockneten Bögen werden dann in eine verchromte Form (caul) gegeben» und unter Verwendung von TAPPI Standardfesthalteringen festgehalten. Die festgehaltenen Bögen werden dann in einem Ofen während einer Zeitspanne von 8 bis 10 Minuten bei der ausgewählten Wärmebindungstemperatur einer Wärmebindung unterzogen. Die Bögen werden in festgehaltenem Zustand abgekühlt und von den Festhalteringen zum Testen entnommen.

Die Bögen werden auf ihre Porosität in einem Sheffield-Standardporositätstestgeräts getestet. Die Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, welche die Wirkung des Polyäthylenfasergehaltes sowie der Wärmebindetemperatur im Falle von

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■ Al- -

Fasern mit hohem Molekulargewicht (1 075 000) auf die Sheffieldpoxosität zeigt. Dieser Fig. ist zu entnehmen, daß bei einem Polyäthylenfasergehalt von 60 % oder darüber die Sheffieldporosität größer als 300 ccm/Minute ist und bei einem höheren Polyäthylenfasergehalt auf dem Sheffieldinstrument unmeßbar wird. Die Fig. 2 zeigt die Wirkung der Wärmebindetemperatur auf die Luftdurchlässigkeit im Falle von Fasern mit hohem Molekulargewicht als auch niederem Molekulargewicht (168 OOO).

Beispiel 2

Eine Ilandfolie, die aus Fasern mit hohem Molekulargewicht gemäß Beispiel 1 erzeugt-worden ist und 100 Gew.-% Polyäthylenfasern enthält und außerdem bei einer Temperatur von 153 C wärmegebunden worden ist, wird auf dem Boden eines kreisförmigen Saugtrichters gelegt, der den gleichen Durchmesser besitzt wie der Bogen, worauf der Trichter auf einen Saugkolben aufgesetzt wird. Ungefähr 1OO ecm einer Aufschlämmung aus TiO^-Pigmentteilchen (10 Gew.-%) werden in den Trichter gegossen. Bis zum Beginn des Saugens wird kein Wasser abgezogen. Unmittelbar nach Beginn des Saugens wird die Aufschlämmung durch das Vlies mit einer sehr hohen Geschwindigkeit abgesaugt, wobei praktisch 100 % der chen durch das Vlies laufen. Im Handel erhältliche TiO„-Pigmente besitzen einen Durchmesser (wobei kugelförmige Teilchen angenommen werden) zwischen ungefähr 0,2 und 0,3 .u, woraus hervorgeht, daß die Porengröße des Vlieses größer als ungefähr 0,2 ,u ist.

Beispiel 3

Dieses Beispiel zeigt, wie die Porosität der erfindungsgemäßen Vliese durch Druck oder durch eine Vliesverfestigung modifiziert werden kann. Vliese, welche 1OO % Polyäthylen-

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fasern mit hohem Molekulargewicht enthalten (vgl. Beispiel 1) werden hergestellt. Ein Vlies wird nach der in Beispiel 1 beschriebenen Weise bei 153°C wärmegebunden und besitzt eine Dichte von 0,38 g/ccm sowie eine Pheffieldnorosität, die nicht gemessen werden kann (über 400 ccm/Minute). ^as andere Vlies ist unter einem Druck von 70 kg/cm (lOOO nsi) während einf^r Zeitspanne von 5 Minuten bei 149°C wärmegebunden worden und besitzt eine Dichte von Ο,ΡΟ g/ccm sowie eine Sheffieldporosität von praktisch O. Aus den Vliesen werden Beutel durch Heißsiegeln hergestellt, worauf ungefähr 25 ecm des roten Farbstoffs Paranol S-RL,hergestellt von der iiyanza Corporation, in jeden Beutel durch Heißsiegeln eingeschlossen werden. Die den Farbstoff enthaltenden Beutel v/erden jeweils in IJasserbecher gegeben. Der Beutel, der aus einem Vlies hergestellt worden ist, das nicht verpreßt worden ist, läßt eine sofortige Diffusion des Farbstoffes in dem Recher zn. Her andere Beutel, der fius dein Vliesstoff hergestellt worden ist, der vernreßt worden ist, läßt keine merkliche Diffusion des Farbstoffes *während der eingehaltenen Zeitspanne zu.

Beispiel 4 .

Vliese, die O, 20, 40, 60, 80 und 100 ?■; der in Beispiel 1 beschriebenen Polyäthylenfasern mit hohen Molekulargewicht enthalten, v/erden hergestellt und bei io^r> C, 121 C und r3^r> C in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise wärmegebunden. Ein Tropfen destilliertes Wasser wird auf jedes Vlies aufgebracht, worauf der Kontaktwinkel gemessen wird. Der P'ontaktwinkel wird als derjenige Winkel bestimmt, den die Grenzfläche Luft/Wasser, welche den Bogen schneidet, bildet. Dieser Winkel wird immer durch die Flüssigkeit gemessen. Der Kosinus c'es Wasserkontaktwinkels (cos Θ) wird dann berechnet, da normalerweise die Eindringungsgeschwindigkeit des Wassersin einen Rogen proportional des Kosinus des Kontaktwinkels ist. Die Fig. 3a, 3b und 3c sind Photogranhien von Wassertropfen auf Vliesen, welche 100 % Polyäthylenfasern enthalten und boi

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1O5 ⁰C, 121°C bzw. 135°C wärmegebunden worden sind. Die !•"ig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Wirkung des Uärmebdndungsgrades sowie des Polyäthylenfasergehaltes auf den Kosinus des Wasserkontaktwinkels zeigt. Man sieht, daß bei einer Wärmebindungstemperatur von 135 C und bei einem Polyäthylenfaseraehalt von 60 % und darüber der Kosinus des Wasserkontaktwinkels weniger als O im Falle der eingesetzten Polyäthylenfasern mit hohem Molekulargewicht ist. Daraus geht hervor, daß es sich um einen sehr gut wasserbeständigen Bogen handelt.

Beispiel 5

Aus den Polyäthylenfasern mit hohem Molekulargewicht, die in Pieisniel 1 beschrieben worden sind, werden Vliese hergestellt und wie in Beispiel 1 wärmeqebunden. Die Vliese werden während einer Zeitspanne von IO Minuten in Hasser mit Zimmertemperatur eingetaucht, zur Entfernung von überschüssigem Wasser getrocknet und in einer Instronzugfestigkeitstestvorrichtung getestet. Die Ergebnisse werden qraphisch durch die Fig. 5 wiedergegeben. Man sieht, daß im Falle der Verwendung von Polyäthylenfasern mit hohem Molekulargewicht nur bei einem Fasergehalt von 60 % und darüber sowie bei einer Wärmebindungstemperatur von 135°C die üaßzugfestigkeit größer als die von normalem Zellulose enthaltenden Papier ist (vgl. den 0 %-Polyäthylenfasergehalt in der graphischen Darstellung). Die Fig. 6 zeigt die Naßzugfestigkeit in Prozent der Trockenzugfestigkeit des Vlieses. Man sieht, daß einer Erhöhung des Polyäthylenfasergehaltes auf mehr als 60 % die Heziehung merklich verbessert wird, und daß bei hohen Gehalten (OO % oder darüber) die Naßzugfestigkeit im wesentlichen ]OO % der Trockenzugfestigkeit beträgt.

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Beispiel 6

Dieses Beispiel zeigt die Bedeutung der Verhinderung eines Schrumpfens von 100 % Polyäthylenfasern enthaltenden Vliesen während des Wärmebindens. Vliese werden aus den in Beispiel 1 beschriebenen Fasern mit hohem Molekulargewicht hergestellt, wobei sie 100 % der beschriebenen Fasern enthalten. Diese Bögen v/erden dann ohne Festhalten zur Verhinderung eines Schrumufens wärmegebunden. Andere Vliese werden in einem kreisförmigen Standard TAPPI Festhaltering eingespannt, der den äußeren Rand des Vlieses festhält. Dann wird nach der in Beispiel 1 beschriebenen Methode die Tiärmebindung durchgeführt. Die nicht festgehaltenen Vliese schrumpfen von einem Durchmesser von 158 mm auf einen Durchmesser von ungefähr 39 mm und sind wellig und faltig. Die festgehaltenen Vliese behalten ihre ursprüngliche Größe bei und besitzen die "Higenschaften der Vliese mit einem Gehalt von 100 ?5 Polyäthylenfasern, die im Zusammenhang mit den anderen Beisnielen angegeben worden sind. Die Zugabe von nur ungefähr IO % Sellulosefasern verbessert dieses Schrunrofen während des Wärmebindens merklich, so daß die Verwendung von Mischungen mit Zellulose dann vorzuziehen ist, wenn ein Verhindern der Schrumpfung auf andere Weise Schwierigkeiten bereitet.

Beispiel 7

Dieses Beispiel zeigt die Wirkung eines Verpressens oder einer-Vliesverfestigung auf die Porosität der erfindungsgemäßen Vliese. Tlandfolien aus Polyäthylenfasern mit hohem Molekulargewicht gemäß Beispiel 1, die 100 % Polyäthylenfasern enthalten und bei 153°C wärmegebunden sind, werden auf einem Kalander (Stahlwalze gegen Papierwalze) verpreßt. Jeder Boaen wird zweimal durch den Kalander geschickt. Die Böaen werden dann auf ihre Luftdurchlässigkeit (ASTM D73 7-69) getestet. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengefaßt.

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Druck	kg/cm
O
5	»25
35	.8
125

Luftdurchlässigkeit

m /Minute	,75
O.	,35
O.	,22
O.
O

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß die Porosität der erfindungsgemäßen Vliese in einfacher Weise bis zu jedem gewünschten Grad durch Anwendung eines entsprechenden Druckes gesteuert werden kann.

Die Festigkeit der erfindungsgemäßen Vliese gemäß Beispiel 1 als Funktion der Wärmebindetemperatur ist graphisch durch die Fig. 7 und 8 wiedergegeben. Die Fig. 8 zeigt, daß die erfindungsgemäßen Bögen sehr "zäh" sein können (d.h. daß sie eine hohe Zugenergieabsorption zeigen).

Die erfindungsgemäß eingesetzten Fasern sind weiß und undurchsichtig. Die Fig. 9 zeigt, daß die Opazität auf einen ziemlich guten Wert bei der hohen Wärmebindetemperatur gehalten werden kann, d.h. daß die Vliese nicht durchsichtig werden.

Die Fig. 10 zeigt, daß die Dichte der erfindungsgemäßen Vliese unterhalb der kritischen Dichte (0,7 bis 0,8 g/ccm) gehalten wird, an welcher die Porosität auf einen Sheffieldwert von praktisch 0 abfällt, und zwar auch bei höheren Wärmebindetemperaturen .

Die erfindungsgemäßen Vliese besitzen ferner eine größere Dimensionsstabilität (gemessen als prozentuale Längenveränderung) unter allen relativen Feuchtigkeitsbedingungen als übliche Bögen aus gebleichtem Kraftpapier. Bögen aus 1OO ⁿ-, Polyäthylenfasern zeigen unter allen relativen Feuchtigkcitsbedingungen (d.h. relativen Feuchtigkeiten von O bis 1OO ^r\) eine ο ",ige Länqenvernnderuna.

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Die angegebenen Sheffieldporositätstests werden unter Verwendung eines Sheffieldporositätstestgerätes mit einem 2B mm Kopf durchgeführt.

Beispiel 8

Dieses Beispiel zeigt die Verwendung von Polypropylenfasern zur Herstellung von erfindungsgemäßen Vliesen. Eine Handfolie wird nach der in Beispiel 1 beschriebenen Methode aus einer Mischung aus 80 % Polypropylenfasern, die den in Beispiel 1 beschriebenen Polyäthylenfasern ähneln, und 20 % gebleichten Erlekraftfasern hergestellt. Das Vlies wird bei 172°C wärmegebunden. Das Polypropylen besitzt einen Schmelzpunkt von 166°C und eine Intrinsikviskosität (n) von 1,65. Der erhaltene Handbogen besitzt eine Luftdurchlässigkeit von 1.344 Liter/Minute (48 cubic feet/min.}, einen Wasserkontaktwinkel von 120° sowie eine Opazität von 0,135 nkg/0,09 m² (1,0 ft.lb/ft²) Man sieht, daß im Falle von Polypropylenvliesen die Wärmebindetemperatur höher als im Falle von Polyäthylenvliesen sein kann und bis zu 180 C betragen kann.

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Claims (17)

Patentansprüche

1. Poröser,wasserbeständiger Vliesstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus unaefähr ^O bis 100 Gew.-% Polyolefinfasern nit einer Grobmorphologie und Größe ähnlich zellulosehaltigen Papiererzeugunasfasern und einer Oberfläche von mehr als 1,0 in²/g sowie bis zu ungefähr 40 Gew.-% zellulosehaltigen Papiererzeugungsfasern besteht, wobei die Sheffieldr>orosität größer als ungefähr 300 ccm/Minute ist und der Kosinus des Tasserkontaktv/inkels weniger als ο beträgt.

?. Vliesstoff nach Ansnruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Dichte weniger als 0,8 q/ccn beträgt.

3. Vliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die 'Taßsuqfestigkeit ungefähr 20 bis 1OO % der Trockenzugfestigkeit beträat.

4. Vliesstoff nach AnsOruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die "Taßzugfestigkeit zwischen ungefähr 0,25 und 1,0 kg/15 inm liegt.

5. Vliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zellulosehaltigen Papiererzeugungsfasern ungefähr 10 bis ungefähr 40 Gew.-% des Vliesstoffes ausmachen.

fi. Vliesstoff nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die ^olyolefinfasern Längen zwischen unaefähr O,3 bis ungefähr 5,0 ram aufweisen und eine durchschnittliche Grobfasrigkeit von ungefähr 3 bis ungefähr 10 Decigrexs besitzen.

7. Vliesstoff nach Anspruch 1, dadurch aekennzeich.net, daß dir» Oberfläche der ^polyolefinfaser zwischen 1 ,O n'"/g und un-100 i"2/q liegt.

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8. Vliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefinfasern aus Polyäthylen, Polypropylen oder einem Copolymeren aus Äthylen und Propylen bestehen.

9. Vliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Polyolefinfasern aus einem Polyolefin mit einem Viskositätsmittel des Molekulargewichts zwischen ungefähr 40 000 und 250 000 gebildet worden sind.

10. Vliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefinfasern eine Canadian Standard Freeness von mehr als ungefähr 600 ecm besitzen.

11. Verfahren zur Herstellung eines porösen wasserbeständigen Vliesstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vlies aus Polyolefinfasern mit einer Grobmorphologie und Größe ähnlich natürlichen zellulosehaltigen Papiererzeugungsfasern sowie einer Oberfläche von mehr als 1,0 m /g und bis zu 40 Gew.-%, bezogen auf das Vlies, aus zellulosehaltigen Papiererzeugungsfasern hergestellt und das Vlies bei einer Temperatur wärmegebunden wird, die dazu ausreicht, eine·Naßzugfestigkeit zu erzeugen, die wenigstens 20 % der Trockenzugfestigkeit beträgt, wobei jedoch die Temperatur unterhalb der Temperatur liegt, die ein Rissigwerden verursacht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß -das Vlies während der Wärmebindung an einem Schrumpfen gehindert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies in der Weise gebildet wird, daß die Fasern auf eine durchlöcherte Oberfläche aus einer wässrigen Aufschlämmung aufgebracht werden, das Wasser ablaufen gelassen wird und das Vlies auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als ungefähr 5 Gew.-% getrocknet wird.

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ar

14. Verfahren nach. Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

2 das Vlies der Einwirkung eines Druckes bis zu ungefähr 70 kg/cm (1000 psi) ausgesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Polyolefinfasern aus Polyäthylenfasern bestehen und die Wärmebindung bei einer Temperatur von ungefähr 120 bis ungefähr 160°C durchgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Polyolefin aus Polypropylen besteht, wobei das Wärmebinden bei einer Temperatur von 120 bis 18O°C durchgeführt wird.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 11, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmebinden unter einem.-positiven Druck durchgeführt wird, wobei der Druck auf einen solchen Wert begrenzt ist, bei welchem das Vlies zu einer Dichte von mehr als O,2 g/ccm verfestigt wird.

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