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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Vliesstoffbahnen und, insbesondere, die Herstellung
von punktgebundenen Vliesstoffbahnen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebundene
Vliesstoffbahnen sind weit verbreitet und bekannt. Solche Materialien
werden in verschiedene Produkte eingearbeitet, wie zum Beispiel
Wegwerfwindeln, Hygieneprodukte für Frauen, medizinische Umhänge und
Faltenwürfe,
Schutzkleidung und Wegwerftücher.
Ein weit verbreitetes Bindungsverfahren umfasst das Führen einer
Faserbahn durch eine beheizten Kalanderspalt, der durch ein zusammenwirkendes
Walzenpaar festgelegt wird. Typischerweise umfast das Kalanderwalzenpaar
eine glatte Gegenwalze und eine profiliierte Prägewalze. Die profilierte Walze
ist aus Metall geformt und ihre äußere Oberfläche wurde
graviert, um eine Vielzahl von individuell erhobenen Flächen, die
mittels dazwischen angeordneter Senken mit Zwischenraum voneinander
angeordnet sind, so dass die Flächen
der Prägewalze
und die äußere Oberfläche der Gegenrolle
eine Vielzahl von diskreten Bereichen formen, wo das Vliesstoffmaterial
zusammengedrückt und
thermisch zusammen geschmolzen wird, um Punktbindungsstellen in
dem Vliesstoffgewebe zu bilden.
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Dieses
Kalanderbindungsverfahren wird seit vielen Jahren erfolgreich in
der Herstellung von Vliesstoff aus herkömmlichen thermoplastischen
Polymeren wie zum Beispiel Polypropylen eingesetzt. Seit kurzem,
mit der Entwicklung von höher
entwickelten Modellen für
Wegwerfwindeln, Schutzkleidung und dergleichen, werden zum Einsatz
in solchen Produkten spezialisierte Vliese entwickelt. Für Vliese,
bei denen vorgesehen ist, dass sie in Kontakt mit der Haut des Trägers kommen,
wie zum Beispiel das Topsheet-Teil einer Wegwerfwindel, werden die
Bahnen zum Beispiel entwickelt, um dem Träger Weichheit und Komfort zu
bieten. Es gibt verschiedene Vorgehensweisen, um das gewünschte Maß an Weichheit
zu bieten. Zum Beispiel, gemäß Winebarger
U.S. Patent 5,057,357, wird die Vliesstoffbahn thermisch gebunden,
indem sie durch zwei nacheinander angeordnete Kalanderspalte geführt wird,
die so gestaltet sind, dass sie ein bestimmtes Muster von Punktbindungen
liefern, welches die Weichheit in dem gebundenen Vlies aufrecht
erhält.
Es ist auch anerkannt, dass die zur Herstellung der Fasern der Vliesstoffbahn
eingesetz ten Polymere die Weichheit des Vliesstoffgewebes beeinflussen
können.
Fowells U.S. Patent 4,644,045 lehrt, dass eine Spinnvliesbahn mit ausgezeichneter
Weichheit von Fasern mit Linearpolyethylen geringer Dichte hergestellt
werden kann. Gessner U.S.Patent 5,108,827 beschreibt die Herstellung
von Vliesstoffbahnen von Mehrkomponentenfasern, die niedriger schmelzende "weichere" Polymerbestandteile,
wie zum Beispiel Polyethylen, enthalten können. Vliesstoffgewebe werden
auch aus Bikomponentenfasern hergestellt, die eine höher schmelzende
Polymerkomponente, wie zum Beispiel Polypropylen, und eine niedriger
schmelzende Polymerkomponente, wie zum Beispiel Polyethylen, enthalten.
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Bei
der Herstellung einer punktgebundenen Vliesstoffbahn mit Fasern,
die ein niedriger schmelzendes "weicheres" Polymer, wie zum
Beispiel Polyethylen enthalten, stößt man jedoch auf ein wesentliches
Problem. Bahnen die aus Fasern eines niedriger schmelzenden Polymermaterials
hergestellt sind, zum Beispiel solche, die unter etwa 140°C schmelzen,
sind sehr schwierig zu binden, da die Temperatur bei der die thermoplastischen
Fasern ausreichend haftbar oder klebrig werden, dass sie binden,
sehr nahe an der Schmelztemperatur des Polymers liegt. Für solche
Bahnen, gibt es einen sehr kleinen "Bereich" von Temperatur-, Zeit- und Druckbedingungen, unter
denen eine annehmbare Bindung eintritt. Bei den hohen Geschwindigkeiten,
die für
die kommerzielle Herstellung von Vliesen gefordert wird, ist es äußerst schwierig,
die Kalanderbedingungen innerhalb des für eine annehmbare Bindung notwendigen
Bereichs aufrecht zu halten. Eine nicht ausreichende Bindung führt zu einer
Bahn mit schlechter Verschleißresistenz,
die sich an Fussel- oder losen Filamenten und schlechten Festigkeitseigenschaften zeigt.
Eine nochmalige Bindung kann ebenso zu schlechten Festigkeitseigenschaften
führen
sowie einem unerwünschten
Verlust an Weichheit. Ein weiteres wesentliches Problem tritt auf,
wenn die Fasern schmelzen und an den Kalanderwalzen kleben bleiben
und dann anfangen, sich um die Walzen des Kalanders zu wickeln.
Diese Umwickelungen um den Kalander verursachen unerwünschte Maschinenstillstandzeiten
und Ausschussmaterial. Solche Kalanderumwickelungen werden oft ausgelöst, wenn
Fasern an den vertieften Senken zwischen den erhobenen Flächenpunkten
haften.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
die zuvor genannten Probleme und bietet einschneidende Verbesserungen
in der Fähigkeit,
gebundene Vliesstoffbahnen herzustellen. Sie ist besonders nützlich und vorteilhaft
in Hinsicht auf das Behandeln des zuvor ge nannten Problems der Bindung
von Fasern oder Filamenten, die niedriger schmelzende Polymermaterialien
enthalten, zum Beispiel solche, die unterhalb von etwa 140°C schmelzen.
Sich aus der vorliegenden Erfindung ergebende Vorteile werden jedoch auch
umgesetzt bei der Bindung von Vliesstoffbahnen, die von verschiedenen
anderen faserformenden, thermoplastischen Polymeren hergestellt
sind.
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Gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung, wird eine Vliesstoffbahn von thermoplastischen
Fasern oder Filamenten gebildet und die Bahn wird in Kontakt gebracht
mit einer gemusterten Prägewalze
mit einer äußeren Oberfläche, die
eine Vielzahl an individuell erhobenen Kalanderflächen einschließt, die
voneinander jeweils durch dazwischen angeordnete Senken getrennt
sind, wobei zumindest die Senken von einer Oberflächenbeschichtung
aus einem Fluorpolymer bedeckt sind. Energie wird auf die Vliesstoffbahn übertragen,
um deren Fasern oder Filamente zum schmelzen zu bringen und um Punktbindungsstellen
in diskreten Bereichen, an denen die Bahn von den erhobenen Kalanderflächen berührt wird,
zu bilden. Vorzugsweise bilden die erhobenen Kalanderflächen von
4 bis 40 Prozent der Oberfläche der
Prägewalze.
Noch bevorzugter ist es, wenn die erhobenen Kalanderflächen in
einer Dichte von 40 bis 500 Flächen
je Square Inch vorhanden sind.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Schritt des Inkontaktbringen
der Vliesstoffbahn mit einer gemusterten Prägewalze dadurch ausgeführt, dass
die Vliesstoffbahn durch einen zwischen einer glatten, oberflächenharten
Gegenwalze und der profilierten Prägewalze gebildeten Kalanderspalt
geführt wird.
In einer anderen Ausführung
wird die gemusterte Prägewalze
in Kombination mit einer Sonotrode eingesetzt, um das Gewebe mittels
Ultraschall in diskreten Bereichen zu binden.
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Walzen,
die eine Oberfläche
mit einer Release-Beschichtung haben, werden in einer Anzahl von
industriellen Verwendungen benutzt, wie zum Beispiel in Kopiermaschinen,
in der Herstellung von beschichtetem Papier und bei Beschichtungs-
und Druckverwendungen. Diese Verwendungen benutzen jedoch typischerweise
Walzen mit glatter Oberfläche.
Die in der Vliesindustrie zur Herstellung eines gebundenen Vliesstoffgewebes
eingesetzten Walzen haben eine profilierte Oberfläche und
werden herkömmlicherweise
hergestellt, durch das Gravieren oder maschinelle Bearbeiten der
Metalloberfläche
einer zylindrischen Walze, um ein Muster von diskreten erhobenen
Flächenbereichen,
die von dazwischen angeordneten Senken umgeben sind, zu bilden.
Die Anmelder haben entdeckt, dass durch die Ausstattung mit einer
Release-Beschichtung, wie einer Fluoropoly merbeschichtung, in den
Senken einer solchen gemusterten Walze, bedeutende Verbesserungen
in der Bindung eines Vliesstoffgewebes erreicht werden. Obwohl die
Beschichtung auch auf die erhobenen Flächen der Walze aufgebracht
werden kann, werden die hauptsächlichen
Vorteile erreicht, wenn die Beschichtung in den Senken vorhanden
ist. Überraschenderweise
erlaubt das Vorhandensein der Beschichtung, dass das Vliesstoffgewebe
auf eine höhere
Temperatur erhitzt werden kann, was zu festeren Bindungen und einer
verbesserten Verschleißresistenz
führt und
das Vorkommen unerwünschter Umwickelungen
um den Kalander ist vermindert.
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders nützlich und vorteilhaft bei
der Bindung eines Vliesstoffgewebes, das Fasern oder Filamente eines
niedriger schmelzenden Polymers enthält, das zum Beispiel unterhalb
von 140°C
schmilzt, und typischerweise einen sehr schmalen Bindungsbereich
akzeptabler Bindungsbedingungen hat. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Kalanderspalt zwischen einer glatten, oberflächenharten
Gegenwalze und einer damit zusammenwirkenden profilierten Prägewalze
gebildet, wobei die gemusterte Prägewalze einen metallischen
zylindrischen Walzenkern enthält,
der eine äußere Oberfläche mit
einer Vielzahl an erhobenen Kalanderflächen aufweist, die voneinander
jeweils durch dazwischen angeordnete Senken getrennt sind, und die
erhobenen Kalanderflächen
in einer Dichte von 40 bis 500 Flächen je Square Inch (6,2–77,5 Flächen je
Quadratzentimeter) vorhanden sind und von 4% bis 40% der Oberfläche der
Prägewalze
bilden, und die Walze weist eine Hartbindebeschichtung auf, die
an der Oberfläche des
Walzenkerns anhaftet und zumindest die Senken überlagert, und eine Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung,
die an der Bindebeschichtung anhaftet. Die zusammenwirkenden Walzen
werden in entgegengesetzte Richtungen gedreht und der Kalanderspalt
wird bei einer Temperatur von 90° bis
250°C und
bei einem Druck von 50 bis 1500 Pounds je Linear Inch (87 bis 2627
N/cm) aufrecht erhalten, bei Einsatz mit den niedriger schmelzenden
Materialien. Die Vliesstoffbahn wird durch den Kalanderspalt geführt und
deren thermoplastische Fasern oder Filamente werden dabei in diskreten
Bereichen, die mit den erhobenen Kalanderflächen korrespondieren, thermisch
gebunden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung umfasst die Vliesstoffbahn Fasern von wenigstens zwei
verschiedenen Polymeren, die in getrennten Phasen über den Querschnitt
der Faser angeordnet sind. Insbesondere können die Fasern als eine Bikomponentenstruktur
gebildet werden, wie zum Beispiel eine Kern-Mantelstruktur umfassend
einen Mantel aus einem Polymer, das unterhalb von 140°C schmilzt,
und einen Kern aus einem Polymer, das bei einer höheren Temperatur
schmilzt. Die Fasern können
alternativerweise gebildet werden von einer hochdispersen Mischung
von wenigstens zwei verschiedenen nichtmischbaren thermoplastischen
Polymeren, aufweisend ein dominantes kontinuierliches Phasenpolymer,
das einen höheren
Schmelzpunkt hat und in welchem eine diskontinuerliche Phase eines
Polymers mit einem niedrigeren Schmelzpunkt, das unterhalb von 140°C schmilzt,
dispergiert ist, und wobei das diskontinuierliche Phasenpolymer
wenigstens einen Bereich der Oberfläche der Filamente beansprucht.
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Vorteilhafterweise
kann die vorliegende Erfindung bei kommerziell annehmbaren Produktionsgeschwindigkeiten
betrieben werden, ohne dass es zu Kalanderumwickelungen oder anderen
Produktionsproblemen kommt, die herkömmliche Maschinen heimsuchen.
Darüber
hinaus weisen die gemäß der Erfindung
hergestellten Vliesstoffbahnen eine verbesserte Verschleißresistenz
und Festigkeit auf, ein weicheres Gefühl und eine ästhetisch
ansprechende Erscheinung.
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Aus
der vorliegenden Erfindung ergibt sich auch eine Vorrichtung zur
Herstellung einer thermisch gebundenen Vliesstoffbahn, die Mittel
zur Bildung von thermoplastischen Fasern oder Filamenten in einer
Vliesstoffbahn und eine gemusterte Prägewalze, die für den Kontakt
mit der Vliesstoffbahn montiert ist, aufweist. Die profilierte Prägewalze
hat eine äußere Oberfläche, die
eine Vielzahl an individuellen erhobenen Kalanderflächen einschließt, die
jeweils von einander durch dazwischen angeordnete Senken getrennt
sind, wobei wenigstens die Senken von einer Oberflächenbeschichtung
aus einem Fluorpolymer bedeckt sind. Es sind mit der Walze zusammenwirkende
Mittel zur Energieübertragung
auf die Vliesstoffbahn vorgesehen, um deren Fasern oder Filamente
zum schmelzen zu bringen und um Punktbindungsstellen in diskreten
Bereichen, an denen die Bahn von den erhobenen Kalanderflächen berührt wird,
zu bilden.
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In
einer spezifischeren Ausgestaltung schließt die Vorrichtung eine glatte,
oberflächenharte Gegenwalze
und eine mit ihr zusammenwirkende gemusterte Prägewalze ein, die einen Kalanderspalt
bilden. Die profilierte Prägewalze
enthält
einen metallischen, zylindrischen Walzenkern, der eine äußere Oberfläche mit
einer Vielzahl an erhobenen Kalanderflächen aufweist, die voneinander
jeweils durch dazwischen angeordnete Senken getrennt sind, wobei
die erhobenen Kalanderflächen
in einer Dichte von 40 bis 500 Flächen je Square Inch (6,2–77,5 Flächen je
Quadratzentimeter) vorhanden sind und von 4% bis 40% der Oberfläche der
Prägewalze
bilden. Die Walze weist eine Hartbindebeschichtung auf, die auf
der Oberfläche
des Walzenkerns anhaftet und zumindest über den Senken aufliegt, und
eine Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung,
die an der Binde beschichtung anhaftet. Es sind Mittel zum Drehen
der Gegenwalze und der Prägewalze
in entgegengesetzte Richtungen vorgesehen, und es sind Mittel vorgesehen
zur Aufrechterhaltung des Kalanderspalts bei einer Temperatur von
90 bis 250 Grad C und bei einem Druck von 50 bis 1500 Pounds je
Linear Inch (87 bis 2627 N/cm). Die Vliesstoffbahn wird durch den Kalanderspalt
geführt
und deren thermoplastische Fasern oder Filamente werden dabei in
diskreten Bereichen, die mit den erhobenen Kalanderflächen korrespondieren,
thermisch gebunden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Nach
der so erfolgten allgemeinen Beschreibung der Erfindung werden nun
die beigefügten Zeichnungen
erläutert,
die nicht unbedingt maßstabsgerecht
gezeichnet sind, und wobei:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Herstellung einer
thermisch gebundenen Vliesstoffbahn gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung ist;
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2A und 2B Querschnittsansichten zweier
Arten von Fasern zeigen, die bei der Bildung von Vliestoffbahnen
gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden;
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3 eine
perspektivische Seitenansicht eines Paares Kalanderwalzen und eines
Teils einer Vliesstoffbahn gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
sehr vergrößerte perspektivische Ansicht
eines Teils einer der in 3 gezeigten Kalanderwalzen ist;
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5 eine
sehr vergrößerte Querschnittsansicht
eines Teils einer Kalanderwalze ist; und
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6 eine
perspektivische Seitenansicht einer Kalanderwalze ist, auf die eine
Plasmabeschichtung aus einem Fluorpolymer aufgebracht ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gezeigt
sind, genauer beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen
verschiedenen Ausgestaltungen verwirklicht werden und sollte nicht
als auf die hier dargelegten Ausgestaltungen beschränkt ausgelegt
werden; vielmehr sind diese Ausgestaltungen vorgesehen, damit diese
Offenbarung sorgfältig und
vollständig
ist, und den Umfang der Erfindung vollständig an die Fachleute übermittelt.
Gleiche Nummer beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.
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Die
vorliegende Erfindung ist gerichtet auf einen Apparat und ein Verfahren
zur Bindung einer Vliesstoffbahn mit einem sich geometrisch wiederholenden
Muster von gebundenen Bereichen. Die gebundenen Bereiche sind von
ungebundenen Bereichen umgeben, so dass ein erkennbares Muster entsteht.
Die individuell gebundenen Bereiche bilden vorzugsweise von 4 bis
40 Prozent der Fläche
der Oberfläche
des Gewebes und können
in Konzentrationen von etwa 40 bis 500 Zonen pro Square Inch (6,2
bis 77,5 pro cm2) vorliegen, bevorzugterweise, gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, etwa 100 bis 300 pro Square
Inch (15,5 bis 46,5 pro cm2). In den gebundenen
Bereichen erweichen die Fasern oder Filamente der Vliesstoffbahn und
verschmelzen miteinander. Die durch die Bindungszonen geschaffenen
Bindungen übertragen nützliche
Eigenschaften auf das Gewebe, wie Bahnfestigkeit, Oberflächenverschleißresistenz
und dimensionale Stabilität.
Da die Fasern oder Filamente an den Bindungsstellen auf eine höhere Temperatur erhitzt
werden können,
ohne dass sie an der Walze kleben, kann eine bessere und vollkommenere Schmelzverbindung
gebildet werden. Das klar erkennbare Bindungsmuster kann auch als
Identifizierungskennzeichen, z.B. zur Identifizierung von Gewebecharakteristiken
oder Herkunftsquelle, benutzt werden und als Ausrichtungs- oder
Begrenzungspunkte zur Unterstützung
bei der Zusammenfügung oder
Produktion von Textilprodukten.
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Die
vorliegende Erfindung ist anwendbar auf thermisch gebundene Vliesstoffbahnen,
die durch verschiedene Herstellungsverfahren hergestellt werden,
die allgemein in der Vliesindustrie eingesetzt werden, einschließlich Kardierung,
Luftlegung, Naßlegung,
Schmelzspinnen und Spinnverfestigung oder Kombinationen dieser Verfahren.
Wie gut bekannt ist, werden kardierte, luftgelegte und nassgelegte
Bahnen von Fasern von diskreter Länge, d.h. Stapelfasern gebildet.
Spinnvliesbahnen werden von Fasern mit im Wesentlichen kontinuierlicher
Länge gebildet, das
heißt
kontinuierliche Filamente, die zur Bildung einer Bahn ungeordnet
angeordnet werden.
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Die
Fasern der Vliesstoffbahnen werden von einem oder mehreren thermoplastischen
Polymeren gebildet, die die Fähigkeit
haben, Schmelzverbindungen zu bilden durch die Anwendung von Druck
und Hitze oder Ultraschallenergie. Beispiele solcher Polymere schließen Polyolefine,
wie Polypropylen und Polyethylen ein, Polyester wie Polyethylen-Terephthalat, Nylon
wie Nylon 6 und Nylon 66 und Kombinationen oder Mischungen solcher
Polymere. Die Fasern oder Filamente können vollständig von einem einzigen Polymer
oder von zwei oder mehreren Polymeren gebildet werden, die getrennte
Polymerphasen bilden können.
Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn sie zur
Bindung von Fasern eingesetzt wird, die mittels herkömmlicher
Bindungsmethoden schwierig zu binden sind, wie zum Beispiel niedriger
schmelzende Polymere, die unterhalb von etwa 140°C schmelzen. Beispiele solcher
niedriger schmelzenden Polymere schließen Polyethylen (Polyethylen
hoher Dichte oder HDPE, Polyethylen niedriger Dichte oder LDPE und
Linearpolyethylen niedriger Dichte oder LLDPE) ein. Für Zwecke
dieser Erfindung kann der Schmelzpunkt durch Differenz-Scanning-Kalorimetrie
(DSC) bestimmt werden. Eine Methode zur Messung des Schmelzpunktes
mittels DSC wird von Perkin Elmer von Norwalk Conn. in ihrer Veröffentlichung
DSC 7 Differential Scanning Calorimeter 7 Series Thermal Analysis
System gelehrt.
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Die
vorliegende Erfindung ist auch nützlich bei
Polymeren niedriger Kristallinität,
die niedrige Erweichungspunkte aufweisen, wie zum Beispiel bestimmte
Polypropylen-Copolymere,
Ethylen-Vinylacetat (EVA) und eine Vielfalt von amorphen Materialien,
die als Klebemittel benutzt werden. Die vorliegende Erfindung ist
insbesondere auf Fasern anwendbar, die eine niedriger schmelzende
Polymerkomponente beinhalten, die unterhalb 140°C schmilzt und eine oder mehrere
höher schmelzende Polymerkomponenten.
Die Polymerkomponten sind in getrennten Phasen über den Querschnitt der Faser angeordnet,
um Mehrkomponenten- oder Vielstofffasern zu bilden. Die Fasern können zum
Beispiel Mehrkomponentenfasern sein, wie zum Beispiel in Gessner
U.S. Patent 5,107,827 beschrieben, wo die niedriger schmelzende
Komponente als diskontinuierlich dispergierte Phase in einer kontinuierlichen Phase
eines Polymerbestandteils, welches bei einer höheren Temperatur schmilzt,
vorhanden ist. Alternativ kann die Polymerkomponente eine primäre kontinuierliche
Phase eines niedriger schmelzenden Polymers, wie Polyethylen, beinhalten,
in dem eine oder mehrere höher
schmelzende Polymerkomponenten dispergiert sind. In einer anderen
Ausgestaltung können
die Fasern Vielstofffasern sein, wobei die Polymerkomponente an
spezifischen Stellen innerhalb des Faserquerschnitts angeordnet
sind und sich kontinuierlich entlang der Faserlänge erstrecken. Eine besonders
bevorzugte Form einer Vielstofffaser zum Einsatz in der vorliegenden
Erfindung ist eine Kern-Mantel-Bikomponentenfaser, in der die höher schmelzende
Polymerkomponente in dem Kern vorhanden ist und die niedriger schmelzende
Komponente die Kernkomponente zur Bildung eines Mantels umgibt.
Die Kernkomponente kann aus Polypropylen und der Mantel von Polyethylen
gebildet werden.
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1 zeigt
einen Teil einer Vorrichtung 10 zur Herstellung einer thermisch
gebundenen Vliesstoffbahn 12 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung, wobei die Bahn eine Spinnvliesbahn ist. Genauer gesagt,
in dieser Ausgestaltung ist die Bahn 12 aus in ungeordneter
Weise angeordneten Bikomponentenfilamenten 13 gebildet,
die mittels eines Paares von Extrudern 62 aufbereitet werden, die
zwei verschiedene Polymermaterialien 68, 70 von Trichtern 64 zu
einer Bikomponenten-Spinndüse 14 führen. Die
beiden Materialien verbinden sich in der Spinndüse zur Bildung einer Kern-Mantel-Konfiguration. Spinndüsen zur
Herstellung von Bikomponentenfilamenten sind unter Fachleuten sehr
bekannt und werden daher hier nicht im Einzelnen beschrieben. In
einer bekannten Ausgestaltung, umfasst zum Beispiel die Spinndüse ein Gehäuse um ein
Spinnpaket herum, das eine Vielzahl von vertikal gestapelten Platten
umfasst, die ein Raster von Öffnungen
haben, die angeordnet sind, um Fließpfade zu schaffen, um die
beiden Polymere getrennt zu den faserformenden Öffnungen in der Spinndüse zu lenken.
Die faserformenden Öffnungen
sind in einer oder mehreren Reihen angeordnet und, wenn die Polymere durch
die Spinndüse 14 extrudiert
sind, erzeugen die Öffnungen
einen nach unten ausgestreckten Vorhang von Filamenten 13.
Wenn die Filamente 13 aus der Spinndüse 14 austreten kommen
sie von einer oder beiden Seiten des Filamentenvohanges aus in Kontakt
mit einem Kühlgas 72,
welches typischerweise Luft ist und das Filament zumindest teilweise rasch
abkühlt.
Typischerweise wird das Kühlgas 72 im
Allgemeinen senkrecht zur Länge
der Filamente 13 bei einer Geschwindigkeit von etwa 30
bis etwa 120 Metern pro Minute und zwar bei einer Temperatur von
etwa 7°C
bis etwa 32°C
gerichtet. Außerdem kann
eine Faserzieheinheit oder Saugeinheit 74 unterhalb der
Spinndüse 14 platziert
werden, um die Filamente 13 zu ziehen und verdünnen. Die
Filamente sind im Allgemeinen kontinuierlich und haben Durchmesser,
die größer sind
als etwa 7 Mikron und, genauer, zwischen etwa 10 und 30 Mikron.
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Die
Filamente 13 werden in einer im Wesentlichen ungeordneten
Weise auf ein sich bewegendes Beförderungsband 15 gelagert,
dass zur Gestaltung der Bahn 12 mittels einer herkömmlichen
Antriebsquelle (nicht gezeigt) über
eine Reihe von Walzen 16 gelenkt wird. Geeignete Saugmittel 20 können unter dem
Beförderungsband 15 vorhanden
sein, in einem Abstand zu der Spinndüsenzusammenfügung 14,
um das Absetzen der Filamente 13 zu unterstützen. Es sollte
beachtet werden, dass, obwohl eine allein stehende Spinndüsenzusammenfügung und
eine einlagige Filamentbahn gezeigt werden, es möglich ist, zusätzliche
Reihenspinnzusammenfügungen
zur Bildung einer schwereren Bahn oder einer mehrlagigen Bahn vorzusehen.
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Die
sich vorwärts
bewegende Bahn 12 läuft vom
Beförderungsband 15 und
wird hinein in und durch einen Druckspalt 21 gelenkt, der
durch Kalanderwalzen 18, umfassend eine erhitzte Prägewalze 22 und
eine oberflächenharte
Gegenwalze 24, gebildet wird. Die Prägewalze 22 wird innen
auf herkömmliche
Weise aufgeheizt, zum Beispiel durch Zirkulation von Wärmeträgerflüssigkeit
durch das Innere der Walze. Die Gegenwalze 24 kann auf ähnliche
Weise ebenso erhitzt werden. Die Zeit-, Temperatur- und Druckbedingungen
am Kalanderspalt sind ausreichend, die Fasern oder Filamente so
zu erhitzen, dass bewirkt wird, dass sie schmelzen und sich miteinander
verbinden, und so – entsprechend
der Profilierung der Prägewalze – diskrete
Schmelzverbindungsstellen schaffen. Die Bahn 12 wird bis
hinter die Kalanderwalzen 18 geführt, zum Beispiel bis zur Aufwickelwalze 56.
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In
einer nicht gezeigten, alternativen Ausführung kann die Energie, die
zur Herstellung von Schmelzverbindungen der Fasern oder Filamente benötigt wird,
von einer Ultraschallquelle geliefert werden, wie einer Sonotrode,
die anstelle der Gegenwalze 24 gegenüber der Prägewalze 22 angebracht ist.
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2A und 2B zeigen
zwei Beispiele eines Querschnitts von Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung.
Insbesondere zeigen die 2A und 2B Fasern,
die von wenigstens zwei verschiedenen Polymeren gebildet werden,
die in getrennten Phasen im Querschnitt der Faser angeordnet sind. 2A zeigt
eine Kern-Mantel Bikomponentenstruktur mit einem Kern 26 aus
einem mit einem höheren Schmelzpunkt
behafteten Polymer, wie zum Beispiel Polypropylen, und einen Mantel 28 aus
einem mit einem niedrigeren Schmelzpunkt behafteten Polymer, wie
zum Beispiel Polyethylen. Die Eigenschaften des Kerns 26 und
Mantels 28 sind, wie unten ausgeführt, für bestimmte Herstellungsprozesse
vorteilhaft. 2B zeigt eine Mehrkomponentenfaser,
die gebildet ist von einer hoch dispergierten Mischung von wenigstens
zwei verschiedenen nichtmischbaren thermoplastischen Polymeren,
in der eine diskontinuierliche Phase 32 eines mit niedrigerem
Schmelzpunkt behafteten Polymers in einer dominanten kontinuierlichen
Polymerphase 30 eines mit höherem Schmelzpunkt behafteten
Polymers dispergiert ist. Die diskontinuierliche Phase 32 beansprucht
wenigstens einen Bereich der Faseroberfläche.
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Die 3 und 4 zeigen
Ansichten der Prägewalze 22 und
der Gegenwalze 24 gemäß einer Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung. Die Prägewalze 22 besteht
aus Metall und hat einer äußere Oberfläche, die
eine Vielzahl von erhobenen Kalanderflächen 34 festlegt.
Die Flächen 34 sind
voneinander durch dazwischen angeordnete Senken 36 getrennt,
um ein sich wiederholendes Muster auf die Bahn 12 zu übertragen,
während
die Bahn durch den Spalt 21 gelenkt wird. Die Flächen bilden
von etwa 4% bis 40% der Oberfläche
der Prägewalze 22.
Für hygienische
Anwendungen, wie zum Beispiel Topsheets einer Windel, bilden die
Flächen
vorzugsweise eine Bindungsfläche
von etwa 10% bis 30% bei einer Dichte von etwa 100 bis 300 Flächen pro Square
Inch (15,5 bis 46,5 pro cm2). Die Prägewalze 22 kann
von gut bekannten Materialien hergestellt sein, wie zum Beispiel
Stahl, durch Gravieren der äußeren Oberfläche der
Walze, um die Vielzahl von Flächen 34 gemäß einem
sich geometrisch wiederholenden Muster festzulegen.
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Die
Prägewalze 22 hat
eine harte, feste, nichthaftende Oberflächenbeschichtung 38 aus
einem Fluorpolymermaterial, das dauerhaft an die Walzenoberfläche gebunden
ist. Die Beschichtung sollte wenigstens die Senken 36 bedecken,
kann aber entsprechend sowohl die Flächen 34 als auch die
dazwischen angeordneten Senken 36 bedecken. Die Oberflächenbeschichtung 38 umfasst
vorzugsweise ein Fluorpolymer, wie zum Beispiel das Polytetrafluorethylenpolymer,
das von DUPONT unter der Marke TEFLONTM verkauft
und hergestellt wird. Andere geeignete Fluorpolymere beinhalten
Hexafluorpropylen, Monochlortrifluorethylen oder Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer.
Die beschichtete Prägewalze 22 hat
vorzugsweise eine Rockwell C Härte
von 35 oder höher,
und am besten 45 oder höher.
Wie unter Fachleuten bekannt ist, setzt der Rockwell C Härteprüfung einen
Diamantkegel ein, der bei 150 kg gegen die Oberfläche eines
Materials geladen wird, und die Tiefe des Eindringens des Kegels
wird mittels einer Prüfmaschine
gemessen und auf eine Rockwellhärtenummer
umgerechnet. Zum Erreichen der gewünschten Oberflächenhärte wird vorzugsweise
eine Hartbindebeschichtung 40 unmittelbar auf die gravierte
Walzenoberfläche
aufgebracht, und die Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung 38 wird
auf die Bindebeschichtung 40 aufgebracht. Beispiele geeigneter
Hartbindebeschichtungen schließen
ein keramische Zusammensetzungen, Karbide, Molybdenium, Nickel-Chrom,
rostfreien Stahl und Nickel. Die Bindebeschichtung 40 bietet eine
gute Anhaftung an die Oberfläche
der Stahlwalze und haftet auch an der Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung 38.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Teilbereichs der Prägewalze 22,
deren äußere Oberfläche über den
Flächen 34 und
dazwischen angeordneten Senken 36 mit der Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung 38 beschichtet
ist. Außerdem zeigt 5 eine
Hartbindebeschichtung 40, die an der Oberfläche der
Walze 22 anhaftet und zwischen die Oberflächenbeschichtung 38 und
die Walze geschoben ist, wobei die Oberflächenbeschichtung an der Bindebeschichtung
anhaftet. Die Bindebeschichtung 40 ist jedoch nicht notwendig,
und die Oberflächenbeschichtung 38 kann
direkt an die Prägewalze 22 gebunden
werden. In beiden Fällen
haben die Oberflächenbeschichtung 38 und
die Bindebeschichtung 40 jeweils eine Dicke von nicht mehr
als etwa 5 Mils (0,13 mm), für
eine Beschichtungsgesamtdicke von vorzugsweise nicht mehr als etwa
10 Mils (0,26 mm).
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Die
Bindebeschichtung 40 und die Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung 38 werden
vorteilhafterweise durch ein Plasmasprühbeschichtungsverfahren auf
die Walze aufgebracht. 6 verdeutlicht in schematischer
Weise ein Verfahren zum Aufbringen der Oberflächenbeschichtung 38 und/oder
Bindebeschichtung 40 auf die Walze mittels Plasmasprühbeschichtung.
Insbesondere unterliegt die Prägewalze 22 einem
Plasmasprühbeschichtungsverfahren,
bei dem von einem Plasmabrenner 42 ein Hochtemperaturplasmastrahl 44 auf
die Oberfläche der
Prägewalze
gerichtet wird. Der Plasmastrahl 44 kann Temperaturen zwischen
10.000 Grad und 50.000 Grad F erreichen. Pulver der Oberflächenbeschichtung 38 oder
der Bindebeschichtung 40 wird von einer Zufuhr 48 in
den Plasmastrahl 44 eingespritzt, wo es schnell erhitzt
wird und auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Das geschmolzene
Pulver trifft auf der Oberfläche
der Prägewalze 22 auf
und kühlt
schnell ab und bildet eine Beschichtung. Vorteilhafterweise, wird
das Plasmasprühverfahren
als ein "kaltes
Verfahren" bezeichnet,
weil die Temperatur des Substrats, das heißt der Prägewalze 22, während der
Verarbeitung niedrig gehalten werden kann, was die Walze vor Schädigung,
metallurgischen Änderungen
und Verzerrungen der Walzenoberfläche schützt. Plasmabrenner sind in
der Technik bekannt, wie zum Beispiel von ESAB Welding and Cutting
Products of Florence, South Carolina, hergestellte Plasmasprühbrenner.
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Die
Temperatur des durch die Prägewalze 22 und
die Gegenwalze 24 gebildeten Spaltes 21 sowie der
Spaltdruck sollten so ausgewählt
und aufrecht erhalten werden, dass die die Bahn 12 bildenden
Fasern wirksam gebunden werden, ohne schädliche Nebenerscheinungen hervorzurufen,
wie zum Beispiel übermäßiges Schmelzen,
das Flusenbildung und eine verringerte Lebensdauer der Bahn hervorruft.
Das Vorhandensein der Fluorpolymer-Oberflächenbeschichtung auf der Walze
ermöglicht
es, den Kalander bei einer erheblich höheren Temperatur zu betreiben,
als es mit einer bloßen
Metallgra vurwalze möglich
wäre, ohne
unerwünschte
Wickelungen um den Kalander. Der Kalander kann in der Tat bei einer Temperatur
betrieben werden, die weit über
der Schmelztemperatur der niedriger schmelzenden Polymerkomponente
liegt. Dies führt
dazu, das der Bereich der wirksamen Bindung erheblich verbreitert
ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung, die Kern-Mantel Bikomponentenfasern
einsetzt, die einen Polypropylenkern und einen Polyethylenmantel
umfassen, wird der Spalt 21 bei einer Temperatur von etwa
90–160 Grad
C aufrecht erhalten, und bei einem Druck von etwa 50–1500 Pounds
pro Linear Inch (87 bis 2627 N/cm) aufrecht erhalten.
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Ein
Fachmann wird an viele Abänderungen und
andere Ausführungen
der Erfindung denken, auf die sich diese Erfindung bezieht und die
die Vorteile der in den vorangehenden Beschreibungen und dazugehörigen Zeichnungen
dargestellten Lehren haben. Daher ist davon auszugehen, dass die
Erfindung nicht auf die spezifischen, offenbarten Ausgestaltungen
begrenzt sein soll und dass Abänderungen
und andere Ausführungen
unter den Rahmen der beigefügten
Ansprüche
fallen sollen. Obwohl hier spezifische Ausdrücke benutzt werden, werden
sie in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn benutzt und nicht
zu Begrenzungszwecken.