DE60221829T2

DE60221829T2 - Multikomponentfasern aus stärke und bioabbaubaren polymeren

Info

Publication number: DE60221829T2
Application number: DE2002621829
Authority: DE
Inventors: Eric Bryan Maineville BOND; Jean Philippe Cincinnati AUTRN; Larry Neil Fairfield MACKEY; Isao Fairfield NODA; Hugh Joseph Cincinnati O'DONNELL
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: EP1397538B2; AU2002259167B2; EP1397538A1; DE60221829T3; EP1397538B1; JP4119260B2; WO2002090630A1; ATE370266T1; US20030092343A1; DE60221829D1; US20120238173A1; US20020168912A1; JP2004530057A; CA2445988C; CA2445988A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft umweltverträglich abbaubare Mehrkomponentenfasern, die Stärke und biologisch abbaubare Polymere und spezifische Konfigurationen der Fasern umfassen. Die Fasern werden verwendet, um Vliesbahnen und Einwegartikel herzustellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es hat viele Versuche gegeben, in der Umwelt abbaubare Artikel aus Fasern herzustellen. Allerdings haben diese aufgrund von Kosten, Schwierigkeiten bei der Verarbeitung und Endnutzungseigenschaften wenig kommerziellen Erfolg gehabt. Viele Zusammensetzungen, die eine ausgezeichnete Abbaubarkeit haben, sind nur begrenzt verarbeitbar. Im Gegensatz dazu weisen Zusammensetzungen, die leichter zu verarbeiten sind, eine verringerte biologische Abbaubarkeit und Dispergierbarkeit auf und können über die Wasserspülung entsorgt werden.
Nützliche Fasern mit einer ausgezeichneten Umwelt-Abbaubarkeit für Vliesartikel sind schwer herzustellen und stellen im Vergleich zu Folien und Laminaten zusätzliche Herausforderungen dar. Dies beruht darauf, dass das Material und die Verarbeitungseigenschaften für Fasern viel stringenter sind als für die Herstellung von Folien, Blasformartikeln und Spritzgussartikeln. Für die Herstellung von Fasern ist die Verarbeitungszeit während der Strukturbildung in der Regel viel kürzer und Fließeigenschaften sind im Hinblick auf die physikalischen und rheologischen Eigenschaften des Materials anspruchsvoller. Die lokale Beanspruchungsrate und Scherrate sind bei der Faserherstellung viel größer als bei anderen Verfahren.
Außerdem ist zum Faserspinnen eine homogene Zusammensetzung erforderlich. Zum Spinnen sehr feiner Fasern sind kleine Defekte, leichte Unregelmäßigkeiten oder eine Nichthomogenität in der Schmelze für ein kommerziell durchführbares Verfahren nicht akzeptabel. Je dünner die Fasern oder je spezifischer die Konfiguration, desto kritischer sind die Verarbeitungsbedingungen und die Auswahl von Materialien.
Zur Herstellung von in der Umwelt abbaubaren Artikeln sind Versuche unternommen worden, natürliche Stärke mittels Standardgeräten und existierender Technologie, die in der Kunststoffindustrie bekannt sind, zu verarbeiten. Da natürliche Stärke im Allgemeinen eine granulöse Struktur aufweist, muss sie „destrukturiert" werden, bevor sie zu Filamenten mit feinem Denier schmelzverarbeitet werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass modifizierte Stärke (einzeln oder als Hauptbestandteil einer Mischung) eine mangelhafte Schmelzdehnbarkeit aufweist, die eine erfolgreiche Herstellung von Fasern, Folien, Schäumen oder dergleichen erschwert. Außerdem ist es schwierig, Stärkefasern zu spinnen, und sie sind aufgrund der geringen Zugfestigkeit, Klebrigkeit und Unfähigkeit, zur Bildung von Vlies miteinander verbunden zu werden, zur Herstellung von Vlies praktisch unbrauchbar.
Zur Herstellung von Fasern, die eine akzeptablere Verarbeitbarkeit und Endanwendungseigenschaften aufweisen, müssen biologisch abbaubare Polymere mit Stärke kombiniert werden. Die Auswahl eines geeigneten biologisch abbaubaren Polymers, das zum Mischen mit Stärke geeignet ist, stellt eine Herausforderung dar. Das biologisch abbaubare Polymer muss gute Spinneigenschaften und eine geeignete Schmelztemperatur aufweisen. Die Schmelztemperatur muss für die Endanwendungsstabilität hoch genug sein, um ein Schmelzen oder eine strukturelle Verformung zu verhindern, jedoch darf sie nicht zu hoch sein, damit eine Schmelztemperatur mit Stärke verarbeitet werden kann, ohne die Stärke zu verbrennen. Diese Anforderungen machen die Auswahl eines biologisch abbaubaren Polymers zur Herstellung von stärkehaltigen Mehrkomponentenfasern sehr schwierig.
Die Form der Stärke kann im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit auch wichtig sein. EP-A-0814184 (Chisso Corporation) offenbart eine biologisch abbaubare Verbundfaser, die Folgendes umfasst:

a) eine erste Komponente, die aus einer Einkomponentenfaser besteht, die durch Schmelzspinnen einer biologisch abbaubaren Polymerzusammensetzung hergestellt wird, die aus einem auf Stärke basierenden Polymer, einem teilweise hydrolysierten Copolymer von Vinylacetat und einem ungesättigten Monomer, das keine funktionelle Gruppen enthält, einem aliphatischen Polyester, einem Zersetzungsbeschleunigungsmittel und einem Weichmacher besteht, und
b) eine zweite Komponente, die aus einem aliphatischen Polyester besteht, wobei die erste Komponente kontinuierlich in der Längsrichtung über mindestens einen Teil der Oberfläche der Faser der zweiten Komponente vorhanden ist. Die auf Stärke basierenden Polymere, die in dieser zitierten Stelle verwendet werden, sind vorzugsweise durch mehrere unterschiedliche Veretherungs- und Veresterungsreaktionen chemisch substituiert. Dieses Dokument offenbart auch die Verwendung der Fasern in Vliesstoffen und Maschenware und in gegossenen Artikeln.

Folglich besteht ein Bedarf an in der Umwelt abbaubaren Mehrkomponentenfasern und kostengünstigen Fasern. Diese Mehrkomponentenfasern bestehen aus Stärke und biologisch abbaubaren Polymeren. Darüber hinaus sollte die Stärke- und Polymerzusammensetzung zur Verwendung in einer herkömmlichen Verarbeitungseinrichtung geeignet sein, die zur Herstellung der Mehrkomponentenfasern genutzt wird. Es besteht auch ein Bedarf an Einwegvliesartikeln, die aus diesen Fasern hergestellt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart in der Umwelt abbaubare Mehrkomponentenfasern. Die Konfiguration der Mehrkomponentenfasern kann Seite an Seite, Mantel/Kern, Tortenstückeeinteilung, Matrix/Fibrillen oder jede beliebige Kombination von Konfigurationen sein. Jeder Bestandteil der Faser umfasst destrukturierte Stärke und/oder ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Vliesbahnen und Einwegartikel, die die in der Umwelt abbaubare Mehrkomponentenfasern umfassen. Die Vliesbahnen können auch andere synthetische oder natürliche Fasern enthalten, die mit den Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung gemischt sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die begleitende Zeichnung besser verständlich, wobei:
1 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Mantel/Kern-Konfiguration zeigen.
2 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Tortenstückeinteilungs-Konfiguration zeigen.
3 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Bandkonfiguration zeigen.
4 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Seite-an-Seite-Konfiguration zeigen.
5 schematische Zeichnungen sind, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Matrix/Fibrillen-Konfiguration zeigen.
6 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer Bandkonfiguration zeigt.
7 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer Mantel/Kern-Konfiguration zeigt.
8 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Mehrkomponentenfaser mit einer in acht Segmente aufgeteilten Tortenstückeinteilungs-Konfiguration zeigt.
9 eine schematische Zeichnung ist, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer Matrix/Fibrillen-Konfiguration zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Alle hierin verwendeten Prozentangaben, Verhältnisse und Anteile sind durch Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausgedrückt, sofern nicht anderweitig angegeben. Beispiele sind in Teilen der Gesamtmenge angegeben.
Die Patentschrift enthält eine detaillierte Beschreibung von (1) Materialien der vorliegenden Erfindung, (2) Konfiguration der Mehrkomponentenfasern, (3) Materialeigenschaften der Mehrkomponentenfasern, (4) Verfahren und (5) Artikeln.
(1) Materialien
Stärke
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Stärke, einem kostengünstigen natürlich vorkommenden Polymer. Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Stärke ist destrukturierte Stärke, die für ein angemessenes Spinnverhalten und angemessene Fasereigenschaften notwendig ist. Thermoplastische Stärke soll destrukturierte Stärke mit einem Weichmacher bedeuten. In den Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung kann die Stärke Teil des thermoplastischen Polymers und der Stärkemischung sein. Ersatzweise kann die Stärke mit einem Weichemacher kombiniert und als eine separate Komponente der Faser verwendet werden. Diese Komponente der Faser muss kein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer umfassen.
Da natürliche Stärke im Allgemeinen eine granulöse Struktur aufweist, muss sie destrukturiert werden, bevor sie schmelzverarbeitet und wie ein thermoplastisches Material gesponnen werden kann. Zur Gelatinisierung kann die Stärke in Gegenwart eines Lösungsmittels, das als ein Weichmacher wirkt, destrukturiert werden. Die Lösungsmittel- und Stärkemischung wird erwärmt, in der Regel unter Druckbedingungen und Scherkraft, um das Gelatinisierungsverfahren zu beschleunigen. Chemische oder enzymatische Mittel können auch verwendet werden, um die Stärke zu destrukturieren, oxidieren oder derivatisieren. Gewöhnlich wird Stärke durch Auflösen der Stärke in Wasser destrukturiert. Eine vollständig destrukturierte Stärke resultiert, wenn keine Klumpen vorhanden sind, die das Faserspinnverfahren beeinflussen.
Geeignete natürlich vorkommende Stärken schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Maisstärke, Kartoffelstärke, Süßkartoffelstärke, Weizenstärke, Sagopalmenstärke, Tapiokastärke, Reisstärke, Sojabohnenstärke, Pfeilwurzelstärke, Farnkrautstärke, Lotusstärke, Maniokstrauchstärke, Wachsmaisstärke, Maisstärke mit hohem Amylosegehalt und im Handel erhältliches Amylosepulver. Stärkemischungen können auch verwendet werden.
Wenngleich alle Stärken hierin nützlich sind, wird die vorliegende Erfindung gewöhnlich mit natürlichen Stärken ausgeführt, die aus landwirtschaftlichen Quellen stammen und die Vorteile haben, dass sie reichlich angeboten werden, leicht wiederaufgefüllt werden können und kostengünstig sind. Natürlich vorkommende Stärken, insbesondere Maisstärke, Weizenstärke und Wachsmaisstärke, sind aufgrund ihrer Preisgünstigkeit und Verfügbarkeit die bevorzugten ausgewählten Stärkepolymere.
Modifizierte Stärke kann auch verwendet werden. Modifizierte Stärke ist definiert als nichtsubstituierte oder substituierte Stärke, deren native Molekularge wichtseigenschaften verändert sind (d.h. das Molekulargewicht wird verändert, jedoch werden nicht unbedingt andere Veränderungen an der Stärke vorgenommen). Wenn modifizierte Stärke gewünscht wird, schließen chemische Modifikationen von Stärke in der Regel Säure- oder alkalische Hydrolyse und oxidative Kettenspaltung ein, um das Molekulargewicht und die Molekulargewichtsverteilung zu verringern. Natürliche, unmodifizierte Stärke weist im Allgemeinen ein sehr hohes durchschnittliches Molekulargewicht und eine breite Molekulargewichtsverteilung auf (z.B. weist natürliche Maisstärke ein durchschnittliches Molekulargewicht von bis zu etwa 60.000.000 Gramm/Mol (g/Mol) auf). Das durchschnittliche Molekulargewicht von Stärke kann für die vorliegende Erfindung durch Säurereduktion, Oxidationsreduktion, enzymatische Reduktion, Hydrolyse (mittels Säure oder alkalisch katalysiert), physikalische/mechanische Degradation (z.B. durch thermomechanischen Energieeintrag der Verarbeitungseinrichtung) oder Kombinationen davon verringert werden. Das thermomechanische Verfahren und das Oxidationsverfahren bieten einen zusätzlichen Vorteil, wenn sie in situ ausgeführt werden. Die genaue chemische Beschaffenheit der Stärke und das Verfahren zur Verringerung des Molekulargewichts sind nicht ausschlaggebend, solange das durchschnittliche Molekulargewicht in einem akzeptablen Bereich liegt. Molekulargewichtsbereiche für Stärke oder Stärkemischungen, die zu der Schmelze hinzugefügt werden, sind von etwa 3.000 g/Mol bis etwa 2.000.000 g/Mol, vorzugsweise von etwa 10.000 g/Mol bis etwa 1.000.000 g/Mol und mehr bevorzugt von etwa 20.000 g/Mol bis etwa 700.000 g/Mol.
Wenngleich nicht erforderlich, kann substituierte Stärke verwendet werden. Wenn substituierte Stärke gewünscht wird, schließen chemische Modifikationen von Stärke in der Regel Veretherung und Veresterung ein. Substituierte Stärken können für eine bessere Kompatibilität oder Mischbarkeit mit dem thermoplastischen Polymer und Weichmacher gewünscht werden. Allerdings muss dies mit der Reduzierung hinsichtlich ihrer Abbaubarkeitsrate ausgeglichen werden. Der Substitutionsgrad der chemisch substituierten Stärke ist von etwa 0,01 bis 3,0. Ein niedriger Substitutionsgrad von 0,01 bis 0,06 kann bevorzugt werden.
In der Regel liegt Stärke in einer Menge von etwa 1% bis etwa 99%, vorzugsweise von etwa 10% bis etwa 85%, mehr bevorzugt von etwa 20% bis etwa 75% und am meisten bevorzugt von etwa 40% bis etwa 60% der Stärke- und Polymerzusammensetzung oder der gesamten Faser vor. Ersatzweise kann die thermoplastische Stärke (Stärke kombiniert mit einem Weichmacher) bis zu 100% einer Komponente der Mehrkomponentenfaser umfassen. Das Gewicht der Stärke in der Zusammensetzung schließt Stärke und ihren natürlich vorkommenden gebundenen Wassergehalt ein. Der Ausdruck „gebundenes Wasser" bezieht sich auf das Wasser, das in Stärke natürlich vorkommt und vor dem Mischen von Stärke mit anderen Bestandteilen zu finden ist, um die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung herzustellen. Der Ausdruck „freies Wasser" bezieht sich auf das Wasser, das bei der Herstellung der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wird. Ein Fachmann würde erkennen, dass nach dem Vermischen der Bestandteile in einer Zusammensetzung Wasser nicht mehr nach seiner Herkunft unterschieden werden kann. Die Stärke weist in der Regel einen Gehalt an gebundenem Wasser von etwa 5 Gew.-% bis 16 Gew.-% der Stärke auf. Bekanntermaßen kann zusätzliches freies Wasser als das polare Lösungsmittel oder Weichmacher aufgenommen werden und nicht in dem Gewicht der Stärke eingeschlossen sein.
Biologisch abbaubare thermoplastische Polymere
Ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer, das im Wesentlichen mit Stärke kompatibel ist, ist in der vorliegenden Erfindung auch erforderlich. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „im Wesentlichen kompatibel", dass das Polymer bei Erwärmung auf eine Temperatur über der Erweichungs- und/oder Schmelztemperatur der Zusammensetzung dazu fähig ist, nach dem Mischen mit Scherkraft oder Ausdehnung eine im Wesentlichen homogene Mischung mit der Stärke zu bilden. Das verwendete thermoplastische Polymer kann nach dem Er wärmen fließen, um eine verarbeitbare Schmelze zu bilden, und sich als Folge von Kristallisation oder Verglasung wieder verfestigen.
Das Polymer muss eine Schmelztemperatur aufweisen, die niedrig genug ist, um eine bedeutende Degradation der Stärke während des Verbindens zu verhindern, und die für die thermische Stabilität während der Verwendung der Faser hoch genug ist. Geeignete Schmelztemperaturen von biologisch abbaubaren Polymeren sind von etwa 80°C bis etwa 190°C und vorzugsweise von etwa 90°C bis etwa 180°C. Thermoplastische Polymere mit einer Schmelztemperatur von über 190°C können verwendet werden, wenn Weichmacher oder Verdünnungsmittel verwendet werden, um die beobachtete Schmelztemperatur zu senken. Das Polymer muss rheologische Eigenschaften aufweisen, die zum Schmelzspinnen geeignet sind. Das Molekulargewicht des biologisch abbaubaren Polymers muss hoch genug sein, um eine Verflechtung zwischen Polymermolekülen zu bewirken, und dennoch niedrig genug sein, um schmelzspinnbar zu sein. Zum Schmelzspinnen weisen biologisch abbaubare thermoplastische Polymere Molekulargewichte von unter 500.000 g/Mol, vorzugsweise von etwa 10.000 g/Mol bis etwa 400.000 g/Mol, mehr bevorzugt von etwa 50.000 g/Mol bis etwa 300.000 g/Mol und am meisten bevorzugt von etwa 100.000 g/Mol bis etwa 200.000 g/Mol auf.
Die biologisch abbaubaren thermoplastischen Polymere müssen dazu fähig sein, sich recht schnell zu verfestigen, vorzugsweise unter Dehnungsfluss, und eine thermisch stabile Faserstruktur bilden, die in der Regel in bekannten Verfahren als Stapelfasern (Sein-Draw-Verfahren) oder in einem kontinuierlichen Filament-Spinnvliesverfahren zu finden ist.
Die biologisch abbaubaren Polymere, die zum diesbezüglichen Gebrauch geeignet sind, sind diejenigen biologisch abbaubaren Materialien, die dafür anfällig sind, von Mikroorganismen wie Schimmel, Pilzen und Bakterien assimiliert zu werden, wenn das biologisch abbaubare Material in der Erde begraben wird oder mit den Mikroorganismen auf andere Weise in Kontakt tritt, einschließlich des Kontakts unter Um- Weltbedingungen, die zum Wachstum der Mikroorganismen führen. Geeignete biologisch abbaubare Polymere schließen diejenigen biologisch abbaubaren Materialien ein, die mittels aerober oder anaerober Faulungsverfahren oder durch Aussetzung von Umweltelementen wie Sonnenlicht, Regen, Feuchtigkeit und Wind, Temperatur in der Umwelt abbaubar sind. Die biologisch abbaubaren thermoplastischen Polymere können einzeln oder als eine Kombination von Polymeren verwendet werden, sofern die biologisch abbaubaren thermoplastischen Polymere durch biologische und in der Umwelt vorkommende Mittel abbaubar sind.
Zu nicht einschränkenden Beispielen von biologisch abbaubare thermoplastischen Polymeren zum Gebrauch in der vorliegenden Erfindung gehören aliphatische Polyesteramide; aliphatische Polyester von Disäuren/Diolen; modifizierte aromatische Polyester, einschließlich modifizierter Polyethylenterephthalate, modifizierte Polybutylenterephthalate; aliphatische/aromatische Copolyester; Polycaprolactone; Poly(hydroxyalkanoate), einschließlich Poly(hydroxybutyratco-hydroxyvalerat), Polt(hydroxybutyrat-co-hexanoat) oder höhere Poly(hydroxybutyrat-co-alkanoate), wie in US-Patent 5,498,692 an Noda offenbart, Polyester und Polyurethane, die von aliphatischen Polyolen abgeleitet sind (d.h., Dialkanoylpolymere); Polyamide; Polyethylen/Vinylalkohol-Copolymere; Milchsäurepolymere, einschließlich Milchsäurehomopolymere und Milchsäurecopolymere; Lactidpolymere, einschließlich Lactidhomopolymere und Lactidcopolymere; Glycolidpolymere, einschließlich Glycolidhomopolymere und Glycolidcopolymere und Mischungen davon. Bevorzugt sind aliphatische Polyesteramide, aliphatische Polyester von Disäuren/Diolen, aliphatische/aromatische Copolyester, Milchsäurepolymere und Lactidpolymere.
Spezifische Beispiele für aliphatische Polyesteramide, die zum Gebrauch als biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer hierin geeignet sind, schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf aliphatische Polyesteramide, die Reaktionsprodukte einer Synthesereaktion von Diolen, Dicarbonsäuren und Aminocarbonsäuren sind; aliphatische Polyesteramide, die aus der Umsetzung von Milchsäure mit Diaminen und Dicarbonsäuredichloriden gebildet werden; aliphatische Polyesteramide, die aus Caprolacton und Caprolactam gebildet werden; aliphatische Polyesteramide, die durch Umsetzen von säureterminierten aliphatischen Esterprepolymeren mit aromatischen Diisocyanaten gebildet werden; aliphatische Polyesteramide, die durch Umsetzen von aliphatischen Ester mit aliphatischen Amiden gebildet werden; und Mischungen davon. Aliphatische Polyesteramide, die durch Umsetzen von aliphatischen Ester mit aliphatischen Amiden gebildet werden, sind am meisten bevorzugt. Polyvinylalkohol oder seine Copolymere sind auch geeignete Polymere.
Aliphatische Polyesteramide, die Copolymere von aliphatischen Ester und aliphatischen Amiden sind, können dadurch gekennzeichnet sein, dass diese Copolymere im Allgemeinen von etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 40 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% aliphatische Ester und von etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 20 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% aliphatische Amide enthalten. Das durchschnittliche Molekulargewicht dieser Copolymere liegt im Bereich von etwa 10.000 g/Mol bis etwa 300.000 g/Mol, vorzugsweise von etwa 20.000 g/Mol bis etwa 150.000 g/Mol, wie durch die bekannte Gelchromatographietechnik gemessen, die bei der Bestimmung des Molekulargewichts von Polymeren angewendet wird.
Die Copolymere von aliphatischem Ester und aliphatischem Amid der bevorzugten aliphatischen Polyesteramide sind aus Monomeren wie Dialkoholen abgeleitet, einschließlich Ethylenglycol, Diethylenglycol, 1,4-Butandiol, 1,3-Propandiol, 1,6-Hexandiol und dergleichen; Dicarbonsäuren, einschließlich Oxalsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Oxalsäureestern, Bernsteinsäureestern, Adipinsäureestern und dergleichen; Hydroxycarbonsäure und Lactone, einschließlich Caprolacton und dergleichen; Aminoalkoholen, einschließlich Ethanolamin, Propanolamin und dergleichen; cyclischen Lactamen, einschließlich ε-Caprolactam, Laurinlactam und dergleichen; ω-Aminocarbonsäuren, einschließlich Aminocapronsäure und dergleichen; 1:1-Salzen von Dicarbonsäuren und Diaminen, einschließlich 1:1-Salzmischungen von Dicarbonsäuren wie Adipinsäure, Bernsteinsäure und dergleichen, und Diaminen wie Hexamethylendiamin, Diaminobutan und dergleichen und Mischungen davon. Hydroxyterminierte oder säureterminierte Polyester wie säureterminierte Oligoester können auch als die esterbildende Verbindung verwendet werden. Die hydroxyterminierten oder säureterminierten Polyester weisen in der Regel durchschnittliche Molekulargewichte oder mittlere Molmassen von etwa 200 g/Mol bis etwa 10.000 g/Mol auf.
Die aliphatischen Polyesteramide können durch jede beliebige geeignete Synthesetechnik oder stöchiometrische Technik hergestellt werden, die im Stand der Technik zur Bildung von aliphatischen Polyesteramiden mit Monomeren von aliphatischem Ester und aliphatischem Amid bekannt ist. Zu einer typischen Synthese gehört das stöchiometrische Mischen der Ausgangsmonomere, wahlweise das Hinzugeben von Wasser zu der Reaktionsmischung, das Polymerisieren der Monomere bei einer erhöhten Temperatur von etwa 220°C und nachfolgend das Entfernen des Wassers und von überschüssigen Monomeren durch Destillation mittels Vakuum und bei erhöhter Temperatur, was zu einem Endcopolymer eines aliphatischen Polyesteramids führt. Andere geeignete Techniken betreffen Transveresterungs- und Transamidierungs-Reaktionsverfahren. Wie für den Fachmann offensichtlich, kann in den oben beschriebenen Synthesereaktions- und Transveresterungs- oder Transamidierungsverfahren ein Katalysator verwendet werden, wobei geeignete Katalysatoren Phosphorverbindungen, Säurekatalysatoren, Magnesiumacetate, Zinkacetate, Calciumacetate, Lysin, Lysinderivate und dergleichen einschließen.
Die bevorzugten aliphatischen Polyesteramide umfassen Copolymerkombinationen von Adipinsäure, 1,4-Butandiol und 6-Aminocapronsäure mit einem Esteranteil von 45%; Adipinsäure, 1,4-Butandiol und ε-Caprolactam mit einem Esteranteil von 50%; Adipinsäure, 1,4-Butandiol und ein 1:1-Salz von Adipinsäure und 1,6-Hexamethylendiamin; und einen säureterminierten Oligoester, der aus Adipinsäure, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexamethylendiamin und ε-Caprolactam hergestellt ist. Diese bevorzugten aliphatischen Polyesteramide haben Schmelzpunkte von etwa 115°C bis etwa 155°C und relative Viskositäten (1 Gew.-% in m-Cresol bei 25°C) von etwa 2,0 bis etwa 3,0 und sind im Handel von der Bayer Aktiengesellschaft mit Sitz in Leverkusen, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung BAK^® erhältlich. Ein spezifisches Beispiel eines im Handel erhältlichen Polyesteramids ist BAK^® 404-004.
Spezifische Beispiele von bevorzugten aliphatischen Polyestern von Disäuren/Diolen, die zum Gebrauch als ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer hierin geeignet sind, schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf aliphatische Polyester, die entweder aus Ringöffnungsreaktionen oder aus der Kondensationspolymerisation von Säuren und Alkoholen hergestellt werden, wobei die mittlere Molmasse dieser aliphatischen Polyester in der Regel im Bereich von etwa 30.000 g/Mol bis etwa 50.000 g/Mol liegt. Die bevorzugten aliphatischen Polyester von Disäuren/Diolen sind Reaktionsprodukte eines C₂-C₁₀-Diols, das mit Oxalsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Suberinsäure, Sebacinsäure, Copolymeren davon oder Mischungen davon umgesetzt wird. Nicht einschränkende Beispiele von bevorzugten Disäuren/Diolen schließen Polyalkylensuccinate wie Polyethylensuccinat und Polybutylensuccinat; Polyalkylensuccinatcopolymere wie Polyethylensuccinat/Adipat-Copolymer und Polybutylensuccinat/Adipat-Copolymer; Polypentamethylsuccinate; Polyhexamethylsuccinate; Polyheptamethylsuccinate; Polyoctamethylsuccinate; Polyalkylenoxalate wie Polyethylenoxalat und Polybutylenoxalat; Polyalkylenoxalatcopolymere wie Polybutylenoxalat/Succinat-Copolymer und Polybutylenoxalat/Adipat-Copolymer; Polybutylenoxalat/Succinat/Adipat-Terpolymere und Mischungen davon ein. Ein Beispiel eines geeigneten im Handel erhältlichen aliphatischen Polyesters von Disäure/Diol ist das Polybutylensuccinat/Adipat-Copolymer, das als die BIONOLLE 1000-Serie und BIONOLLE 3000-Serie von der Showa Highpolymer Company, Ltd., mit Sitz in Tokyo, Japan, vertrieben wird.
Spezifische Beispiele von bevorzugten aliphatischen/aromatischen Copolyestern, die zum Gebrauch als ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer hierin geeignet sind, schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf diejenigen aliphatischen/aromatischen Copolyester, die statische Copolymere sind, die aus einer Kondensationsreaktion von Dicarbonsäuren oder Derivaten davon und Diolen gebildet werden. Geeignete Dicarbonsäuren schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Malon-, Bernstein-, Glutar-, Adipin, Pimelin-, Azelain-, Sebacin-, Fumar-, 2,2-Dimethylglutar-, Suberin-, 1,3-Cyclopentandicarbon-, 1,4-Cyclohexandicarbon-, 1,3-Cyclohexandicarbon-, Diglycol-, Itacon-, Malein-, 2,5-Norbornandicarbon-, 1,4-Terephthal-, 1,3-Terephthal-, 2,6-Naphthoe-, 1,5-Naphthoesäure, Ester, die Derivate davon bilden, und Kombinationen davon. Geeignete Diole schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Ethylenglycol, Diethylenglycol, Triethylenglycol, Tetraethylenglycol, Propylenglycol, 1,3-Propandiol, 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol, 1,3-Butandiol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 1,6-Hexandiol, 2,2,4-Trimethyl-1,6-hexandiol, Thiodiethanol, 1,3-Cyclohexandimethanol, 1,4-Cyclohexandimethanol, 2,2,4,4-Tetramethyl-1,3-cyclobutandiol und Kombinationen davon. Nicht einschränkende Beispiele solcher aliphatischer/aromatischer Copolyester schließen eine 50/50-Mischung von Poly(tetramethylenglutarat-coterephthalat), eine 60/40-Mischung von Poly(tetramethylenglutarat-co-terephthalat), eine 70/30-Mischung von Poly(tetramethylenglutarat-co-terephthalat), eine 85/15-Mischung von Poly(tetramethylenglutarat-co-terephthalat), eine 50/45/5-Mischung von Poly(tetramethylenglutarat-co-terephthalat-co-diglycolat), eine 70/30-Mischung von Poly(ethylenglutarat-co-terephthalat), eine 85/15-Mischung von Poly(tetramethylenadipat-co-terephthalat), eine 85/15-Mischung von Poly(tetramethylensuccinat-co-terephthalat), eine 50/50-Mischung von Poly(tetramethylen-co-ethylenglutarat-co-terephthalat) und eine 70/30-Mischung von Poly(tetramethylen-co-ethylenglutarat-co-terephthalat) ein. Diese aliphatischen/aromatischen Copolyester sind neben anderen geeigneten aliphatischen/aromatischen Polyestern in US-Patent Nr. 5,292,783 , erteilt an Buchanan et al. am 8. März 1994, weiter beschrieben. Ein Beispiel eines geeigneten im Handel erhältlichen aliphatischen/aromatischen Copolyesters ist das Poly(tetramethylenadipat-co-terephthalat), das als EASTAR BIO Copolyester von Eastman Chemical oder als ECOFLEX von BASF vertrieben wird.
Spezifische Beispiele von Milchsäurepolymeren und Lactidpolymeren, die zum Gebrauch als ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer hierin geeignet sind, schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf diejenigen polymilchsäurebasierten Polymere und polylactidbasierten Polymere, die in der Branche im Allgemeinen als „PLA" bezeichnet werden. Folglich werden die Ausdrücke „Polymilchsäure", „Polylactid" und „PLA" austauschbar verwendet, um Homopolymere und Copolymere von Milchsäure und Lactid basierend auf der Polymercharakterisierung der Polymere einzuschließen, die aus einem spezifischen Monomer oder den Polymeren gebildet werden, die aus den kleinsten sich wiederholenden Monomereinheiten bestehen. Mit anderen Worten ist Polylactid ein dimerer Ester von Milchsäure und kann gebildet werden, um kleine sich wiederholende Monomereinheiten von Milchsäure (tatsächlich Reste von Milchsäure) zu enthalten, oder kann durch Polymerisation eines Lactidmonomers hergestellt werden, was dazu führt, dass Polylactid sowohl als ein milchsäureresthaltiges Polymer als auch als ein lactidresthaltiges Polymer bezeichnet wird. Es sei jedoch klargestellt, dass die Ausdrücke „Polymilchsäure", „Polylactid" und „PLA" im Hinblick auf die Art und Weise der Bildung des Polymers nicht einschränkend sein sollen.
Die Polymilchsäurepolymere weisen im Allgemeinen eine sich wiederholende Milchsäurerest-Monomereinheit auf, die der folgenden Formel entspricht:
Die Polylactidpolymere weisen im Allgemeinen die sich wiederholenden Milchsäurerest-Monomereinheiten wie oben beschrieben oder sich wiederholende Lactidrest-Monomereinheiten auf, die der folgenden Formel entsprechen:
In der Regel führt eine Polymerisation von Milchsäure und Lactid zu Polymeren, die mindestens etwa 50 Gew.-% sich wiederholende Milchsäureresteinheiten, Lactidresteinheiten oder Kombinationen davon umfassen. Diese Milchsäure- und Lactidpolymere schließen Homopolymere wie statische und/oder Blockcopolymere von Milchsäure und/oder Lactid ein. Die sich wiederholenden Milchsäurerest-Monomereinheiten können aus L-Milchsäure und D-Milchsäure erhalten werden. Die sich wiederholenden Lactidrest-Monomereinheiten können aus L-Lactid, D-Lactid und meso-Lactid erhalten werden.
Geeignete Milchsäure- und Lactidpolymere schließen diejenigen Homopolymere und Copolymere von Milchsäure und/oder Lactid ein, die ein durchschnittliches Molekulargewicht aufweisen, das im Allgemeinen im Bereich von etwa 10.000 g/Mol bis etwa 600.000 g/Mol, vorzugsweise von etwa 30.000 g/Mol bis etwa 400.000 g/Mol, mehr bevorzugt von etwa 50.000 g/Mol bis etwa 200.000 g/Mol liegt. Ein Beispiel von im Handel erhältlichen Polymilchsäurepolymere schließt verschiedene Polymilchsäuren, die im Handel von der Chronopol Incorporation mit Sitz in Golden, Colorado, erhältlich sind, und Polylactide ein, die unter der Handelsbezeichnung EcoPLA^® vertrieben werden. Beispiele geeigneter im Handel erhältlicher Polymilchsäuren sind NATUREWORKS von Cargill Dow und LACEA von Mitsui Chemical. Bevorzugt ist ein Homopolymer oder Copolymer von Polymilchsäure mit einer Schmelztemperatur von etwa 160°C bis etwa 175°C. Modifizierte Polymilchsäure und unterschiedliche Stereokonfigurationen können auch verwendet werden, wie Poly-L-Milchsäure und Poly-D-Milchsäure mit D-Isomermengen von bis zu 75%.
Je nach dem spezifischen verwendeten Polymer, dem Verfahren und der Endanwendung der Faser kann mehr als ein Polymer gewünscht werden. Es wird bevorzugt, dass zwei unterschiedliche Polymere verwendet werden. Wenn zum Beispiel eine kristallisierbare Polymilchsäure mit einer Schmelztemperatur von etwa 160°C bis etwa 175°C verwendet wird, kann eine zweite Polymilchsäure mit einem niedrigeren Schmelzpunkt und einer niedrigeren Kristallinität als die andere Polymilchsäure und/oder eine höhere Copolymermenge verwendet werden. Ersatzweise kann ein aliphatischer aromatischer Polyester mit kristallisierbarer Polymilchsäure verwendet werden. Wenn zwei Polymere gewünscht werden, müssen sich die Polymere nur durch chemische Stereospezifität oder durch Molekulargewicht unterscheiden.
Hinsichtlich eines Gesichtspunkts der Erfindung kann gewünscht werden, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer zu verwenden, das eine Glasumwandlungstemperatur von weniger als 0°C aufweist. Polymere mit dieser niedrigen Glasumwandlungstemperatur schließen EASTAR BIO und BIONELLE ein.
Die biologisch abbaubaren thermoplastischen Polymere der vorliegenden Erfindung sind in einer Menge vorhanden, um die mechanischen Eigenschaften der Faser zu verbessern, die Verarbeitbarkeit der Schmelze zu verbessern und die Abschwächung der Faser zu verbessern. Die Auswahl des Polymers und die Polymermenge bestimmen auch, ob die Faser thermisch geklebt werden kann, und beeinflussen die Weichheit und Struktur des Endprodukts. Wenn die biologisch abbaubaren thermoplastischen Polymere in der Stärke/Polymer-Mischung vorhanden sind, liegen sie in der Regel in einer Menge von etwa 1 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 10 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, mehr bevorzugt von etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% und am meisten bevorzugt von etwa 40 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% der Faser vor. Ersatzweise kann eine Komponente der Mehrkomponentenfaser bis zu 100% eines oder mehrerer biologisch abbaubarer thermoplastischer Polymere sein, wobei diese Komponente keine Stärke enthält.
Weichmacher
Der Weichmacher kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Stärke zu destrukturieren und zu bewirken, dass die Stärke fließt, d.h., eine thermoplastische Stärke erzeugen. Der gleiche Weichmacher kann verwendet werden, um die Schmelzverarbeitbarkeit zu erhöhen, oder zwei getrennte Weichmacher können verwendet werden. Die Weichmacher können auch die Flexibilität der Endprodukte verbessern, wobei angenommen wird, dass dies auf der Senkung der Glasumwandlungstemperatur der Zusammensetzung durch den Weichmacher beruht. Die Weichmacher sollten vorzugsweise mit den polymeren Komponenten der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen kompatibel sein, so dass die Weichmacher die Eigenschaften der Zusammensetzung wirksam modifizieren können. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „im Wesentlichen kompatibel", dass der Weichmacher bei Erwärmung auf eine Temperatur über der Erweichungs- und/oder Schmelztemperatur der Zusammensetzung dazu fähig ist, eine im Wesentlichen homogene Mischung mit Stärke zu bilden.
Ein zusätzlicher Weichmacher für das biologisch abbaubare thermoplastische Polymer kann vorhanden sein, um die Schmelztemperatur des Polymers zu verringern und die Gesamtkompatibilität mit der thermoplastischen Stärkemischung zu verbessern. Darüber hinaus können biologisch abbaubare thermoplastische Polymere mit höheren Schmelztemperaturen verwendet werden, wenn Weichmacher oder Verdünnungsmittel vorhanden sind, die die Schmelztemperatur des Polymers senken. Der Weichmacher weist in der Regel ein Molekulargewicht von weniger als etwa 100.000 g/Mol auf und kann vorzugsweise ein Blockcopolymer oder statisches Copolymer oder Terpolymer sein, wobei ein oder mehrere der chemischen Spezies mit einem anderen Weichmacher, Stärke, Polymer oder Kombinationen davon kompatibel sind.
Nicht einschränkende Beispiele von nützlichen Hydroxylweichmachern schließen Zuckerstoffe wie Glucose, Saccharose, Fructose, Raffinose, Maltodextrose, Galactose, Xylose, Maltose, Lactose, Mannose, Erythrose, Glycerol und Pentaerythritol; Zuckeralkohole wie Erythritol, Xylitol, Malitol, Mannitol und Sorbitol; Polyole wie Ethylenglycol, Propylenglycol, Dipropylenglycol, Butylenglycol, Hexantriol und dergleichen und Polymere davon und Mischungen davon ein. Als Hydroxylweichmacher sind Poloxomere und Poloxamine hierin auch geeignet. Zum diesbezüglichen Gebrauch geeignet sind auch organische Verbindungen, die eine Wasserstoffbindung bilden und keine Hydroxylgruppe aufweisen, einschließlich Harnstoff und Harnstoffderivate; Anhydride von Zuckeralkoholen wie Sorbitan; tierische Proteine wie Gelatine; pflanzliche Proteine wie Sonnenblumenprotein, Sojabohnenproteine, Baumwollsamenproteine und Mischungen davon. Andere geeignete Weichmacher sind Phthalatester, Dimethyl-und Diethylsuccinat und verwandte Ester, Glyceroltriacetat, Glycerolmono- und -diacetate, Glycerolmono-, -di- und -tripropionate, Butanoate, Stearate, Milchsäureester, Citronensäureester, Adipinsäureester, Stearinsäureester, Ölsäureester und andere erzeugende Säureester, die biologisch abbaubar sind. Aliphatische Säuren wie Ethylenacrylsäure, Ethylenmaleinsäure, Butadienacrylsäure, Butadienmaleinsäure, Propylenacrylsäure, Propylenmaleinsäure und andere auf Kohlenwasserstoff basierende Säuren. Alle Weichmacher können einzeln oder in Mischungen davon verwendet werden. Ein niedermolekularer Weichmacher wird bevorzugt. Geeignete Molekulargewichte betragen weniger als etwa 10.000 g/Mol, vorzugsweise weniger als etwa 5.000 g/Mol und mehr bevorzugt weniger als etwa 1.000 g/Mol.
Bevorzugte Weichmacher schließen Glycerin, Mannitol und Sorbit ein. Die Weichmachermenge hängt von dem Molekulargewicht, der Stärkemenge und der Affinität des Weichmachers im Hinblick auf die Stärke ab. Im Allgemeinen nimmt die Weichmachermenge mit zunehmendem Molekulargewicht der Stärke zu. In der Regel umfasst der Weichmacher, der in der Mehrkomponentenfaser- Endzusammensetzung vorhanden ist, etwa 2% bis etwa 90%, mehr bevorzugt etwa 5% bis etwa 70%, am meisten bevorzugt etwa 10% bis etwa 50%. Der Weichmacher kann in einer oder mehreren der Komponenten vorhanden sein.
Fakultative Materialien
Wahlweise können andere Bestandteile in die Zusammensetzung aufgenommen werden. Diese fakultativen Bestandteile können in Mengen von weniger als etwa 50 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% und mehr bevorzugt von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden sein. Die fakultativen Materialien können verwendet werden, um die Verarbeitbarkeit zu modifizieren und/oder die physikalischen Eigenschaften wie Elastizität, Zugfestigkeit und Modul des Endprodukts zu modifizieren. Andere Vorteile schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Stabilität, einschließlich oxidativer Stabilität, Helligkeit, Flexibilität, Farbe, Elastizität, Bearbeitbarkeit, Verarbeitungshilfsmittel, Viskositätsmodifizierer und Geruchshemmung. Nicht einschränkende Beispiele schließen Salze, Gleitmittel, Kristallisationsbeschleuniger oder -hemmer, Geruchsmaskierungsmittel, Vernetzungsmittel, Emulgatoren, Tenside, Cyclodextrine, Schmiermittel, andere Verarbeitungshilfsmittel, optische Aufheller, Antioxidationsmittel, flammhemmende Mittel, Farbstoffe, Pigmente, Füllstoffe, Proteine und ihre Alkalisalze, Wachse, Klebeharze, Streckmittel und Mischungen davon ein. Gleitmittel können verwendet werden, um zur Verringerung der Klebrigkeit oder des Reibungskoeffizienten in der Faser beizutragen. Auch können Gleitmittel benutzt werden, um die Faserstabilität, insbesondere bei hoher Feuchtigkeit oder hohen Temperaturen, zu verbessern. Ein geeignetes Gleitmittel ist Polyethylen. Bin Salz kann auch zu der Schmelze hinzugefügt werden. Das Salz kann dazu beitragen, die Stärke löslich zu machen, die Entfärbung zu verringern, die Faser auf Wasser reaktionsfreudiger zu machen, oder als ein Verarbeitungshilfsmittel verwendet werden. Ein Salz hat auch die Funktion, zur Verringerung der Löslichkeit eines Bindemittels beizutragen, damit es sich nicht auflöst, jedoch wird sich das Salz auflösen, wenn es in Wasser getaucht oder über die Wasserspülung entsorgt wird, wodurch dann die Auflösung des Bindemittels bewirkt wird und ein wässrigeres reaktionsfreudiges Produkt erzeugt wird. Nicht einschränkende Beispiele von Salzen schließen Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumsulfat, Ammoniumsulfat und Mischungen davon ein.
Andere Zusatzstoffe sind in der Regel mit dem Stärkepolymer als ein Verarbeitungshilfsmittel enthalten und sollen physikalische Eigenschaften wie Elastizität, Trockenzugfestigkeit und Nassfestigkeit der extrudierten Faser modifizieren. Geeignete Streckmittel zum diesbezüglichen Gebrauch schließen Gelatine, pflanzliche Proteine wie Sonnenblumenprotein, Sojabohnenproteine, Baumwollsamenproteine und wasserlösliche Polysaccharide wie Alginate, Carrageenane, Guargummi, Agar-Agar, Gummiarabikum und verwandte Gummistoffe, Pektin, wasserlösliche Derivate von Cellulose wie Alkylcellulose, Hydroxyalkylcellulose und Carboxymethylcellulose ein. Auch können wasserlösliche synthetische Polymere wie Polyacrylsäuren, Polyacrylsäureester, Polyvinylacetate, Polyvinylalkohole und Polyvinylpyrrolidon verwendet werden.
Ferner können Schmiermittelverbindungen hinzugefügt werden, um die Fließeigenschaften des Stärkematerials während der Verfahren, die zur Herstellung der vorliegenden Erfindung angewendet werden, zu verbessern. Die Schmiermittelverbindungen können tierische oder pflanzliche Fette, vorzugsweise in ihrer gehärteten Form einschließen, insbesondere diejenigen, die bei Raumtemperatur fest sind. Zusätzliche Schmiermittelmaterialien schließen Monoglyceride und Diglyceride und Phosphatide, insbesondere Lecithin ein. Für die vorliegende Erfindung schließt eine bevorzugte Schmiermittelverbindung das Monoglycerid Glycerolmonostearat ein.
Weitere Zusatzstoffe, die anorganische Füllstoffe wie die Oxide von Magnesium, Aluminium, Silizium und Titan einschließen, können als kostengünstige Füllstoffe oder Verarbeitungshilfsmittel hinzugefügt werden. Andere anorganische Materialien schließen wasserhaltiges Magnesiumsilikat, Titandioxid, Calciumcarbonat, Ton, Kalk, Bornitrid, Kalkstein, Diatomeenerde, Glimmerglasquarz und Keramiken ein. Daneben können anorganische Salze, einschließlich Alkalimetallsalze, Erdalkalimetallsalze, Phosphatsalze, als Verarbeitungshilfsmittel verwendet werden. Andere fakultative Materialien, die die Wasserreaktionsfahigkeit der thermoplastischen Stärkemischfaser modifizieren, sind auf Stearat basierende Salze wie Natrium, Magnesium, Calcium und andere Stearate sowie ein Kolophoniumbestandteil wie Gummikolophonium.
Andere Zusatzstoffe können in Abhängigkeit der jeweiligen Endanwendung des in Betracht gezogenen Produkts wünschenswert sein. Zum Beispiel ist in Produkten wie Toilettenpapier, Einwegtüchern, Gesichtstüchern und anderen ähnlichen Produkten die Nassfestigkeit ein wünschenswertes Attribut. Folglich wird häufig gewünscht, zu dem Stärkepolymer Vernetzungsmittel hinzuzufügen, die im Stand der Technik als „nassfeste" Harze bekannt sind. Eine allgemeine Abhandlung über die Typen nassfester Harze, die in der Papiertechnik verwendet werden, ist zu finden in TAPPI Monographreihen Nr. 29, Wet Strength in Paper and Paperboard, Technical Association of the Pulp and Paper Industry (New York, 1965). Die nützlichsten nassfesten Harze haben im Allgemeinen einen kationischen Charakter. Polyamid-Epichlorhydrin-Harze sind kationische nassfeste Polyamidamin-Epichlorhydrin-Harze, die sich als besonders nützlich erwiesen haben. Glyoxylierte Polyacrylamidharze haben sich auch als nassfeste Harze als nützlich erwiesen.
Es wurde herausgefunden, dass, wenn ein geeignetes Vernetzungsmittel wie Parez^® zu der Stärkezusammensetzung der vorliegenden Erfindung unter sauren Bedingungen hinzugefügt wird, die Zusammensetzung wasserunlöslich gemacht wird. Nochmals andere wasserlösliche kationische Harze, die bei dieser Erfindung Verwendung finden, sind Harnstoff-Formaldehyd- und Melamin-Formaldehyd-Harze. Die üblicheren funktionellen Gruppen dieser polyfunktionellen Harze sind stickstoffhaltige Gruppen wie Aminogruppen und Methylgruppen, die an Stickstoffgebunden sind. Harze des Polyethylenimintyps können bei der vorliegenden Erfindung auch Verwendung finden. Für die vorliegende Erfindung wird ein geeignetes Vernetzungsmittel zu der Zusammensetzung in Mengen hinzugefügt, die im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, mehr bevorzugt von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% liegen. Die Stärke und Polymere in den Fasern der vorliegenden Erfindung können chemisch verbunden sein, wenn sie in der gleichen Zusammensetzung vorliegen. Die chemische Verbindung kann eine natürliche Folge der Polymerchemie sein oder durch Auswahl bestimmter Materialien bewirkt werden. Dies tritt sehr wahrscheinlich ein, wenn ein Vernetzungsmittel vorhanden ist. Die chemische Verbindung kann durch Veränderungen des Molekulargewichts, NMR-Signale oder andere Verfahren, die dem Stand der Technik entsprechen, beobachtet werden. Vorteile der chemischen Verbindung schließen unter anderem eine verbesserte Wasserempfindlichkeit, eine verringerte Klebrigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften ein.
Andere Polymere wie nicht abbaubare Polymere können in der vorliegenden Erfindung je nach Endanwendung der Faser, Verarbeitung und erforderlicher Degradation oder Fähigkeit, über die Wasserspülung entsorgt zu werden, ebenfalls verwendet werden. Im Allgemeinen verwendete thermoplastische Polymere und Copolymere schließen Polypropylen, Polyethylen, Polyamide, Polyester und Mischungen davon ein. Die Menge nicht abbaubarer Polymere beträgt von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% der Faser. Andere Polymere wie hochmolekulare Polymere mit Molekulargewichten von über 500.000 können auch verwendet werden.
Nach der Bildung der Faser kann die Faser weiter behandelt werden oder der gebundene Stoff kann behandelt werden. Eine hydrophile oder hydrophobe Veredelung kann hinzugefügt werden, um die Oberflächenenergie und chemische Beschaffenheit des Stoffes einzustellen. Zum Beispiel können hydrophobe Fasern mit Benetzungsmitteln behandelt werden, um die Absorption von wässrigen Flüssigkeiten zu ermöglichen. Bin gebundener Stoff kann auch mit einer topischen Lösung behandelt werden, die Tenside, Pigmente, Gleitmittel, Salze oder andere Materialien enthält, um die Oberflächeneigenschaften der Faser weiter einzustellen.
(2) Konfiguration
Die Mehrbestandteilfasern der vorliegenden Erfindung können in vielen verschiedenen Konfigurationen vorliegen. Wie hier verwendet, ist Bestandteil definiert als die chemische Spezies von Materie oder das Material. Wie hier verwendet, ist Mehrbestandteilfaser definiert als eine Faser, die mehr als eine chemische Spezies oder Material enthält. Im Allgemeinen können Fasern eine Monokomponenten- oder Mehrkomponentenkonfiguration aufweisen. Wie hier verwendet, ist Komponente definiert als ein separater Teil der Faser, der mit einem anderen Teil der Faser in einer räumlichen Beziehung steht. Der Ausdruck Mehrkomponente, wie hier verwendet, ist definiert als eine Faser mit mehr als einem separaten Teil, die miteinander in räumlicher Beziehung stehen. Der Ausdruck Mehrkomponente schließt Bikomponente ein, was definiert ist als eine Faser mit zwei getrennten Teilen, die miteinander in räumlicher Beziehung stehen. Die unterschiedlichen Komponenten von Mehrkomponentenfasern sind in im Wesentlichen unterschiedlichen Bereichen über den Querschnitt der Faser angeordnet und erstrecken sich kontinuierlich entlang der Länge der Faser.
Spinnvliesstrukturen, Stapelfasern, hohle Fasern, geformte Fasern wie multilobale Fasern und Mehrkomponentenfasern können alle mittels der Zusammensetzungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Die Bikomponenten- und Mehrkomponentenfasern können in einer Seite-an-Seite-, Mantel/Kern-, Tortenstückeinteilungs-, Band-, Matrix/Fibrillen-Konfiguration oder jeder beliebigen Kombination davon vorliegen. Der Mantel kann um den Kern kontinuierlich oder nichtkontinuierlich sein. Das Verhältnis des Gewichts des Mantels zu dem Kern beträgt von etwa 5:95 bis etwa 95:5. Die Fasern der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Geometrien aufweisen, die runde, elliptische, sternförmige, rechteckige und andere verschiedene Exzentrizitäten einschließen.
Die Fasern der vorliegenden Erfindung können auch spaltbare Fasern sein. Ein rheologisches, thermisches und differentiales Verfestigungsverhalten können potenziell eine Spaltung bewirken. Eine Spaltung kann auch durch ein mechanisches Mittel wie Ringwalzen, Spannung oder Beanspruchung, Verwendung eines Schleifmittels oder differentiales Strecken und/oder durch Fluid induzierte Verformung wie hydrodynamische oder aerodynamische Verformung eintreten.
Mehrere Mikrofibrillen können auch aus der vorliegenden Erfindung folgen. Die Mikrofibrillen sind sehr feine Fasern, die in einem Monokomponenten- oder Mehrkomponentenextrudat mit mehreren Bestandteilen enthalten sind. Die mehreren Polymermikrofibrillen weisen eine kabelähnliche Struktur auf und verlaufen innerhalb der Faser der Länge nach, also entlang der Faserachse. Zur Bildung der Mikrofibrillen in der vorliegenden Erfindung ist eine Polymermenge erforderlich, die ausreicht, um eine co-kontinuierliche Phasenmorphologie zu erzeugen, so dass die Polymermikrofibrillen in der Stärkematrix gebildet werden. In der Regel werden mehr als 15%, vorzugsweise von etwa 15% bis etwa 90%, mehr bevorzugt von etwa 25% bis etwa 80% und mehr bevorzugt von etwa 35% bis etwa 70% Polymer gewünscht. Eine „co-kontinuierliche Phasenmorphologie" liegt vor, wenn die Mikrofibrillen im Wesentlichen länger als der Durchmesser der Faser sind. Mikrofibrillen weisen in der Regel einen Durchmesser von etwa 0,1 Mikrometern bis etwa 10 Mikrometern auf, während die Faser in der Regel einen Durchmesser von etwa (dem 10-fachen der Mikrofibrille) 10 Mikrometern bis etwa 50 Mikrometern aufweist. Neben der Polymermenge muss das Molekulargewicht des thermoplastischen Polymers hoch genug sein, um eine ausreichende Verflechtung zur Bildung von Mikrofibrillen zu bewirken. Das bevorzugte Molekulargewicht beträgt von etwa 10.000 bis etwa 500.000 g/Mol. Die Bildung der Mikrofibrillen zeigt auch, dass die resultierende Faser nicht homogen ist, sondern dass Polymermikrofibrillen in der Starkematrix gebildet werden. Die Mikrofibrillen, die aus dem abbaubaren Polymer bestehen, verstärken die Faser mechanisch, um die Gesamtzugfestigkeit zu ver bessern und die Faser thermisch klebbar zu machen. Ersatzweise können Mikrofibrillen durch gemeinsames Spinnen der Stärke- und Polymerschmelze ohne Phasenvermischung erhalten werden, wie in einer Matrix-/Fibrillen-Bikomponentenkonfiguration. In einer Matrix/Fibrillen-Konfiguration können mehrere hundert feine Fasern vorhanden sein.
Es gibt viele verschiedene Kombinationen für die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung. Eine Stärke/Polymer-Mischung kann sowohl der Mantel als auch der Kern sein, wobei eine der Komponenten mehr Stärke oder Polymer enthält als die andere Komponente. Die Stärke in der Stärke/Polymer-Mischung kann je nach der gewünschten Verwendung der Mehrkomponentenfaser in jeder beliebigen geeigneten Menge vorliegen. Ersatzweise kann die Stärke/Polymer-Mischung der Mantel sein, wobei der Kern reines Polymer oder reine Stärke ist. Die Stärke/Polymer-Zusammensetzung könnte auch der Kern sein, wobei der Mantel reines Polymer oder reine Stärke ist. Zum Beispiel können Bikomponentenfasern bei Verwendung der Fasern in einem thermischen Klebeverfahren mit einem Kern aus reiner Stärke gewünscht werden, wobei der Mantel entweder reines Polymer oder eine Stärke/Polymer-Mischung enthält. Diese Konfiguration ermöglicht eine hohe biologische Abbaubarkeit und geringe Kosten aufgrund des hohen Stärkegehalts, wobei die Faser jedoch noch immer thermisch geklebt werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann beliebige Variationen der Bikomponentenfasern in einer Mantel-Kern-Konfiguration aufweisen. Zum Beispiel kann der Kern oder der Mantel Mikrofibrillen enthalten. Der Mantel kann um den Kern kontinuierlich oder nichtkontinuierlich sein. Die Mantel-Kern-Konfiguration kann auch in Mehrkomponentenfasern zu finden sein. Es kann mehr als einen Mantel um den Kern geben. Zum Beispiel kann ein innerer Mantel den Kern umgeben, wobei ein äußerer Mantel den inneren Mantel umgibt. Als Alternative könnte der Kern eine Matrix/Fibrillen-Konfiguration oder eine Tortenstückeinteilungs-Konfiguration aufweisen.
Die genaue Konfiguration der gewünschten Mehrkomponentenfaser hängt von der Verwendung der Faser ab. Ein Hauptvorteil der Mehrkomponentenfaser im Vergleich zu der Monokomponentenfaser ist, dass es eine räumliche Steuerung im Hinblick auf die Anordnung der Stärke und/oder Polymers in der Faser gibt. Dies ist zum Ermöglichen des thermischen Klebens, Verringern der Klebrigkeit der Stärke und für andere daraus folgende Eigenschaften der Faser vorteilhaft. Eine bevorzugte Konfiguration ist eine Bikomponentenfaser, bei der Stärke in dem Kern und das thermoplastische Polymer in dem Mantel enthalten ist. Diese Konfiguration trägt dazu bei, dass die Stärke eine verbesserte langfristige Stabilität aufweist, indem die Stärke vor Alterung, Entfärbung, Schimmel und anderen Dingen in der Umwelt geschützt wird. Auch verringert diese besondere Konfiguration das potenzielle Klebrigkeitsgefühl der Stärke und ermöglicht, dass die Faser leicht thermisch gebunden werden kann. Die Mehrkomponentenfasern können als eine ganze Faser verwendet werden oder die Stärke kann entfernt werden, um nur das thermoplastische Polymer zu verwenden. Die Stärke kann durch Bindeverfahren, hydrodynamische Verflechtung, Nachbehandlung wie mechanische Verformung oder Auflösen in Wasser entfernt werden. Die Fasern mit entfernter Stärke können in Vliesartikeln verwendet werden, die besonders weich sein und/oder bessere Schutzeigenschaften aufweisen sollen. Da Stärke außerdem ein kostengünstiges Material ist, sind Stärke- und Polymerfasern mit entfernter Stärke kostengünstigere Fasern.
1 sind schematische Zeichnungen, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Mantel/Kern-Konfiguration darstellen. Die Komponenten X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
1A zeigt eine konzentrische Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den festen Kern umfasst und die Komponente Y den kontinuierlichen Mantel umfasst.
1B zeigt eine Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den festen Kern umfasst und die Komponente Y den geformten kontinuierlichen Mantel umfasst.
1C zeigt eine Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den hohlen Kern umfasst und die Komponente Y den kontinuierlichen Mantel umfasst
1D zeigt eine Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den hohlen Kern umfasst und die Komponente Y den geformten kontinuierlichen Mantel umfasst.
1E zeigt eine Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den festen Kern umfasst und die Komponente Y den diskontinuierlichen Mantel umfasst.
1F zeigt eine Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den festen Kern umfasst und die Komponente Y den diskontinuierlichen Mantel umfasst.
1G zeigt eine Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den hohlen Kern umfasst und die Komponente Y den diskontinuierlichen Mantel umfasst.
1H zeigt eine Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den hohlen Kern umfasst und die Komponente Y den diskontinuierlichen Mantel umfasst.
1I zeigt eine exzentrische Mantel/Kern-Konfiguration, wobei die Komponente X den festen Kern umfasst und die Komponente Y den kontinuierlichen Mantel umfasst.
2 sind schematische Zeichnungen, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Tortenstückeinteilungs-Konfiguration darstellen. Die Komponenten X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
2A zeigt eine feste, in acht Segmente aufgeteilte Tortenstückeinteilungs-Konfiguration.
2B zeigt eine hohle, in acht Segmente aufgeteilte Tortenstückeinteilungs-Konfiguration. Diese Konfiguration ist eine geeignete Konfiguration zur Herstellung spaltbarer Fasern.
3 ist eine schematische Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Bandkonfiguration darstellt. Die Komponenten X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
4 sind schematische Zeichnungen, die einer Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Seite-an-Seite-Konfiguration zeigen. Die Komponenten X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
4A zeigt eine Seite-an-Seite-Konfiguration.
4B zeigt eine Seite-an-Seite-Konfiguration mit einer gerundeten angrenzenden Linie. Die zwei Komponenten treffen sich an der angrenzenden Linie. Die Komponente Y ist ein einer größeren Menge vorhanden als die Komponente X.
4C ist eine Seite-an-Seite-Konfiguration, wobei die Komponente Y auf beiden Seiten der Komponente X mit einer gerundeten angrenzenden Linie positioniert ist.
4D ist eine Seite-an-Seite-Konfiguration, wobei die Komponente Y auf beiden Seiten der Komponente X positioniert ist.
4E ist eine geformte Seite-an-Seite-Konfiguration, wobei die Komponente Y an den Spitzen von Komponente X positioniert ist.
5 sind schematische Zeichnungen, die eine Querschnittsansicht einer Bikomponentenfaser mit einer Matrix/Fibrillen-Konfiguration darstellen. Die Komponenten X und Y können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
5A ist eine feste Matrix/Fibrillen-Konfiguration, wobei die Komponente X von der Komponente Y umgeben ist. Die Komponente X weist eine dreieckige Form auf.
5B ist eine feste Matrix/Fibrillen-Konfiguration, wobei die Komponente X von der Komponente Y umgeben ist.
5C ist eine hohle Matrix/Fibrillen-Konfiguration, wobei die Komponente X von der Komponente Y umgeben ist.
6 ist eine schematische Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer Bandkonfiguration darstellt. Die Komponenten X, Y und Z können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
7 ist eine schematische Ansicht, die eine Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer konzentrischen Mantel/Kern-Konfiguration darstellt, wobei die Komponente X den festen Kern umfasst, die Komponente Y den inneren kontinuierlichen Mantel umfasst und die Komponente Z den äußeren kontinuierlichen Mantel umfasst. Die Komponenten X, Y und Z können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
8 ist eine schematische Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Mehrkomponentenfaser mit einer festen, in acht Segmente aufgeteilten Tortenstückeinteilungs-Konfiguration darstellt. Die Komponenten X, Y, Z und W können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
9 ist eine schematische Zeichnung, die einer Querschnittsansicht einer Trikomponentenfaser mit einer festen Matrix/Fibrillen-Konfiguration darstellt. Die Komponente X umgibt die einzige Matrix/Fibrille, die Komponente Y umfasst, und die mehreren Matrix/Fibrillen, die Komponente Z umfassen. Die Komponenten X, Y und Z können eine thermoplastische Stärke, ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer oder eine Mischung der Stärke und des Polymers sein.
(3) Materialeigenschaften
Die Mehrkomponentenfasern, die in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind in der Umwelt abbaubar. „In der Umwelt abbaubar" ist definiert als biologisch abbaubar, desintegrierbar, dispergierbar, über die Wasserspülung entsorgbar oder kompostierbar oder eine Kombination davon. In der vorliegenden Erfindung sind die Mehrkomponentenfasern, Vliesbahnen und Artikel in der Umwelt abbaubar. Folglich können die Fasern ohne weiteres und sicher entweder in existierenden Kompostiereinrichtungen entsorgt werden oder können über die Wasserspülung entsorgbar sein und sicher und ohne umweltschädliche Folgen für die bestehenden Abwasserinfrastruktursysteme den Abfluss hinunter gespült werden. Die Umwelt-Abbaubarkeit der Fasern der vorliegenden Erfindung bietet eine Lösung für das Problem der Anhäufung solcher Materialien in der Umwelt nach ihrer Verwendung als Einwegartikel. Die Eignung der Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung, über die Wasserspülung entsorgt zu werden, bietet dem Verbraucher bei Verwendung in Einwegprodukten wie Tüchern und Damenhygieneartikeln zusätzlichen Komfort und Diskretion. Wenngleich biologische Abbaubarkeit, Desintegrierbarkeit, Dispergierbarkeit, Kompostierbarkeit und Eignung, über die Wasserspülung entsorgt zu werden, jeweils unterschiedliche Kriterien haben und durch unterschiedliche Prüfungen gemessen werden, erfüllen die Fasern der vorliegenden Erfindung mehr als eines dieser Kriterien. Die spezifische Konfiguration der Mehrkomponentenfaser kann ihre Abbaurate in der Umwelt beeinflussen. Da zum Beispiel Stärke in der Regel schneller als das Polymer abgebaut wird, wird eine Bikomponentenfaser mit einer hohen Stärkemenge in dem Mantel sehr schnell abgebaut.
Biologisch abbaubar ist mit der Bedeutung definiert, dass, wenn die Materie einer aeroben und/oder anaeroben Umgebung ausgesetzt wird, das Endziel eine Reduzierung auf monomere Bestandteile aufgrund mikrobieller, hydrolytischer und/oder chemischer Wirkungen ist. Unter aeroben Bedingungen führt der biologische Abbau zur Umwandlung des Materials in Endprodukte wie Kohlendioxid und Wasser. Unter anaeroben Bedingungen führt der biologische Abbau zur Umwandlung der Materialien in Kohlendioxid, Wasser und Methan. Das biologische Abbaubarkeitsverfahren wird oft als Mineralisierung beschrieben. Biologische Abbaubarkeit bedeutet, dass alle organischen Bestandteile der Fasern schließlich durch biologische Aktivität der Zersetzung unterliegen.
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher standardisierter biologischer Abbaubarkeitsverfahren, die sich mit der Zeit durch verschiedene Organisationen und in verschiedenen Ländern etabliert haben. Wenngleich Prüfungen hinsichtlich der spezifischen Prüfbedingungen, Bewertungsverfahren und gewünschten Kriterien variieren, besteht eine akzeptable Übereinstimmung zwischen unterschiedlichen Protokollen, so dass sie wahrscheinlich zu ähnlichen Schlussfolgerungen für die meisten Materialien führen. Für die aerobe biologische Abbaubarkeit hat die American Society for Testing and Materials (ASTM) den ASTM D 5338-92: Test methods for Determining Aerobic Biodegradation of Plastic Materials Under Controlled Composting Conditions etabliert. Die Prüfung misst den Prozentanteil von Prüfmaterial, das als eine Funktion von Zeit mineralisiert, indem die Kohlendioxidmenge überwacht wird, die als Folge der Assimilation von Mikroorganismen in Gegenwart aktiven Komposts, der bei einer thermophilen Temperatur von 58°C gehalten wird, freigesetzt wird. Das Prüfen der Kohlendioxiderzeugung kann durch elektrolytische Respirometrie ausgeführt werden. Andere Standardprotokolle wie 301B der Organisation für wirtschaftliche Zu sammenarbeit und Entwicklung (OECD) können auch angewendet werden. Standardprüfungen zum biologischen Abbau in Abwesenheit von Sauerstoff sind in verschiedenen Protokollen wie dem ASTM D 5511-94 beschrieben. Diese Prüfungen werden angewendet, um die biologische Abbaubarkeit von Materialien in einer Behandlungseinrichtung für anaeroben festen Abfall oder Sanitärmülldeponie zu simulieren. Allerdings sind diese Bedingungen für die Art von Einweganwendungen, die für die Mehrkomponentenfasern und Vliesstoffe in der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, weniger relevant.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung bauen sich recht schnell biologisch ab. Mengenmäßig ist dies im Hinblick auf den Prozentanteil von Material definiert, das nach einer gegebenen Zeit in Kohlendioxid umgewandelt wird. Die Fasern der vorliegenden Erfindung, die x% Stärke und y% biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer und wahlweise andere Bestandteile enthalten, bauen sich unter den folgenden Standardbedingungen, die die Faser aufweist, aerob und biologisch ab: eine Umwandlung von x/2% in Kohlendioxid in weniger als 10 Tagen und eine Umwandlung von (x + y)/2% in Kohlendioxid in weniger als 60 Tagen. Eine Desintegration tritt ein, wenn das faserige Substrat die Fähigkeit hat, schnell zu fragmentieren und sich in Fraktionen aufzubrechen, die klein genug sind, um bei der Kompostierung nach dem Sieben nicht unterscheidbar zu sein oder beim Spülen eine Abflussrohrverstopfung zu verursachen. Ein desintegrierbares Material ist auch spülbar. Die meisten Protokolle für Desintegrierbarkeit messen den Gewichtsverlust von Prüfmaterialien über die Zeit, wenn diese verschiedenen Matrices ausgesetzt werden. Sowohl aerobe als auch anaerobe Desintegrationsprüfungen werden angewendet. Der Gewichtsverlust wird durch die Menge an faserigem Prüfmaterial bestimmt, das nach der Abwasser- und Schlammaussetzung der Materialien nicht mehr auf einem 18 maschigen Sieb mit 1-Millimeter-Öffnungen gesammelt wird. Zur Desintegration bestimmt die Differenz zwischen dem Gewicht der Anfangsprobe und dem Trockengewicht der Probe, die auf einem Sieb wiedergewonnen wird, die Desintegrationsrate und das Desintegrationsausmaß. Die Prüfungen hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit und Desintegration sind sehr ähnlich, da sie in einer ähnlichen oder der gleichen Prüfumgebung ausgeführt werden. Zur Bestimmung der Desintegration wird das Gewicht des restlichen Materials gemessen, während für die biologische Abbaubarkeit die abgegebenen Gase gemessen werden.
Die Fasern der vorliegenden Erfindung desintegrieren schnell. Mengenmäßig ist dies definiert als der relative Gewichtsverlust jedes Bestandteils nach einer gegebenen Zeit. Die Fasern der vorliegenden Erfindung, die x% Stärke und y% biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer und wahlweise andere Bestandteile enthalten, desintegrieren aerob, wenn sie unter Standardbedingungen aktiviertem Schlamm in Gegenwart von Sauerstoff ausgesetzt werden, so dass die Fasern Folgendes aufweisen: einen Gewichtsverlust von x/2% in weniger als 10 Tagen und einen Gewichtsverlust von (x + y)/2% in weniger als 60 Tagen. Vorzugsweise weisen die Fasern einen Gewichtsverlust von x/2% in weniger als 5 Tagen und einen Gewichtsverlust von (x + y)/2% in weniger als 28 Tagen, mehr bevorzugt einen Gewichtsverlust von x/2% in weniger als 3 Tagen und einen Gewichtsverlust von d(x + y)/2% in weniger als 21 Tagen, noch mehr bevorzugt einen Gewichtsverlust von (x/1,5)% in weniger als 5 Tagen und einen Gewichtsverlust von (x + y)/1,5% in weniger als 21 Tagen und am meisten bevorzugt einen Gewichtsverlust von x/1,2% in weniger als 5 Tagen und einen Gewichtsverlust von (x + y)/1,2% in weniger als 21 Tagen auf.
Die Fasern der vorliegenden Erfindung sind auch kompostierbar. ASTM hat Prüfverfahren und Spezifikationen zur Kompostierbarkeit entwickelt. Die Prüfung misst drei Merkmale: biologische Abbaubarkeit, Desintegration und Nichtvorhandensein von Ökotoxizität. Prüfungen zur Messung der biologischen Abbaubarkeit und Desintegration sind oben beschrieben. Zur Erfüllung der biologischen Abbaubarkeitskriterien zur Kompostierbarkeit muss das Material mindestens etwa eine 60%ige Umwandlung in Kohlendioxid innerhalb von 40 Tagen erreichen. Für die Desintegrationskriterien muss das Material einen Rest von weniger als 10% des Prüfmaterials auf einem 2-Millimeter-Sieb in der tatsächlichen Form und Dicke aufweisen, die es in dem entsorgten Produkt hätte. Zur Bestimmung des letzten Kriteriums, des Nichtvorhandenseins von Ökotoxizität, dürfen die Nebenprodukte des biologischen Abbaus keine negativen Auswirkungen auf die Samenkeimung und das Pflanzenwachstum haben. Eine Prüfung dieses Kriteriums ist in OECD 208 beschrieben. Das International Biodegradable Products Institute wird ein Logo zur Kompostierbarkeit herausgeben, sobald bestätigt wird, dass ein Produkt die ASTM 6400-99-Spezifikationen erfüllt. Das Protokoll folgt der deutschen Norm DIN 54900, die die maximale Dicke jedes beliebigen Materials bestimmt, das eine vollständige Zersetzung innerhalb eines Kompostierzyklus ermöglicht.
Die hierin beschriebenen Fasern werden in der Regel zur Herstellung von Einwegvliesartikeln verwendet. Die Artikel sind in der Regel über die Wasserspülung entsorgbar. Der Ausdruck „über die Wasserspülung entsorgbar", wie hier verwendet, bezieht sich auf Materialien, die sich in einem septischen Entsorgungssystem wie einer Toilette auflösen, dispergieren, desintegrieren und/oder zersetzen können, um beseitigt zu werden, wenn sie die Toilette hinunter gespült werden, ohne die Toilette oder irgendein anderes Abwasserrohr zu verstopfen. Die Fasern und die resultierenden Artikel können auch wasserreaktionsfreudig sein. Der Ausdruck wasserreaktionsfreudig, wie hier verwendet, bedeutet, dass, wenn sie in Wasser gelegt werden oder über eine Wasserspülung entsorgt werden, eine beobachtbare und messbare Veränderung eintreten wird. Typische Beobachtungen schließen die Feststellung von Quellung, Auseinanderziehen, Auflösung des Artikels oder die Beobachtung einer allgemein geschwächten Struktur ein.
Die Zugfestigkeit einer Stärkefaser beträgt etwa 15 Megapascal (MPa). Die Fasern der vorliegenden Erfindung weisen eine Zugfestigkeit von mehr als etwa 20 MPa, vorzugsweise mehr als etwa 35 MPa und mehr bevorzugt mehr als etwa 50 MPa auf. Die Zugfestigkeit wird mit Hilfe einer Instron-Prüfmaschine gemäß einem Verfahren, das in dem ASTM-Standard D 3822-91 beschrieben ist, oder einer gleichwertigen Prüfung gemessen.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung sind nicht spröde und weisen eine Zähigkeit von mehr als 2 MPa auf. Die Zähigkeit ist definiert als der Bereich unter der Spannungs-Beanspruchungskurve, wobei die Messlänge des Prüflings 25 mm mit einer Beanspruchungsrate von 50 mm pro Minute beträgt. Elastizität oder Dehnbarkeit der Fasern kann auch erwünscht sein.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung können thermisch verklebbar sein, wenn genug Polymer vorhanden ist. Thermisch verklebbare Fasern sind für die mit Druck beaufschlagten Wärme- und Durchluftheißklebeverfahren erforderlich. Eine thermische Klebefähigkeit wird in der Regel erreicht, wenn das Polymer in einer Menge von mehr als etwa 15 Gew.-%, vorzugsweise mehr als etwa 30 Gew.-%, am meisten bevorzugt mehr als etwa 40 Gew.-% und am meisten bevorzugt mehr als etwa 50 Gew.-% der Faser vorhanden ist. Wenn folglich ein sehr hoher Stärkegehalt in dem Mantel vorhanden ist, kann die Faser eine verringerte Tendenz zur thermischen Klebefähigkeit aufweisen.
Eine „stark abgeschwächte Faser" ist definiert als eine Mehrkomponentenfaser mit einem hohen Ziehverhältnis. Das Fasergesamtziehverhältnis ist als das Verhältnis der Faser bei ihrem maximalen Durchmesser (der in der Regel unmittelbar nach dem Austreten der Kapillaren folgt) zu dem Durchmesser der Endfaser bei ihrer Endanwendung definiert. Das Fasergesamtziehverhältnis über entweder Stapel-, Spinnvlies- oder Schmelzblasverfahren ist größer als etwa 1,5, vorzugsweise größer als 5, mehr bevorzugt größer als 10 und am meisten bevorzugt größer als 12. Dies ist notwendig, um die taktilen Eigenschaften und nützliche mechanische Eigenschaften zu erreichen.
Vorzugsweise weist die stark abgeschwächte Mehrkomponentenfaser einen Durchmesser von weniger als etwa 200 Mikrometern auf. Mehr bevorzugt weist die Faser einen Durchmesser von 100 Mikrometern oder weniger, noch mehr bevorzugt 50 Mikrometern oder weniger und am meisten bevorzugt weniger als 30 Mikrometern auf. Fasern, die gewöhnlich zur Herstellung von Vliesstoffen verwendet werden, weisen einen Durchmesser von etwa 5 Mikrometern bis etwa 30 Mikrometern auf. Der Faserdurchmesser wird durch die Spinngeschwindigkeit, den Massedurchsatz und die Mischungszusammensetzung gesteuert.
Die Vliesprodukte, die aus den Mehrkomponentenfasern hergestellt werden, weisen auch bestimmte mechanische Eigenschaften auf, insbesondere Festigkeit, Flexibilität, Weichheit und Absorptionsvermögen. Maße der Festigkeit schließen die Trocken- und/oder Nasszugfestigkeit ein. Flexibilität steht mit Steifheit in Beziehung und kann zur Weichheit beitragen. Weichheit ist im Allgemeinen als ein physiologisch wahrgenommenes Attribut beschrieben, das sowohl mit Flexibilität als auch mit Struktur in Beziehung steht. Das Absorptionsvermögen betrifft die Fähigkeit der Produkte, Flüssigkeiten aufzunehmen, sowie die Fähigkeit, sie zurückzuhalten.
(4) Verfahren
Der erste Schritt bei der Herstellung einer Mehrkomponentenfaser ist der Schritt des Verbindens oder Mischens. In dem Verbindungsschritt werden die Rohmaterialien erwärmt, in der Regel unter Scherkraft. Das Scheren in Gegenwart von Wärme führt zu einer homogenen Schmelze mit sachgerechter Auswahl der Zusammensetzung. Die Schmelze wird dann in einem Extruder angeordnet, in dem Fasern gebildet werden. Eine Sammlung von Fasern wird mittels Wärme, Druck, chemischem Bindemittel, mechanischer Verflechtung und Kombinationen davon miteinander kombiniert, was zur Bildung einer Vliesbahn führt. Das Vlies wird dann in einen Artikel umgesetzt.
Verbinden
Es ist das Ziel des Verbindungsschritts, eine homogene Schmelzzusammensetzung herzustellen, die die Stärke, das Polymer und/oder den Weichmacher umfasst. Wenn ein Bestandteil hergestellt wird, der nur Stärke oder nur Polymer und nicht beides ist, wird der Verbindungsschritt modifiziert, um der gewünschten Zusammensetzung gerecht zu werden. Vorzugsweise ist die Schmelzzusammensetzung homogen, was bedeutet, dass eine gleichmäßige Verteilung in großem Umfang vorliegt und dass keine getrennten Bereiche vorhanden sind.
Die resultierende Schmelzzusammensetzung sollte im Wesentlichen frei von Wasser sein, um Fasern zu spinnen. Im Wesentlichen frei ist als keine wesentlichen Probleme wie die Bildung von Blasen, die die Faser schließlich zerbrechen können, verursachend definiert. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an freiem Wasser weniger als etwa 1%, mehr bevorzugt weniger als etwa 0,5% und am meisten bevorzugt weniger als 0,1%. Der Gesamtwassergehalt schließt das gebundene und freie Wasser ein. Um diesen geringen Wassergehalt zu erreichen, kann es sein, dass die Stärke und Polymere vor der Verarbeitung getrocknet werden müssen und/oder während der Verarbeitung ein Vakuum angewendet wird, um sämtliches freies Wasser zu entfernen. Vorzugsweise wird die thermoplastische Stärke vor dem Spinnen bei 60°C getrocknet.
Im Allgemeinen kann jedes beliebige Verfahren, das Wärme, Mischen und Druck anwendet, angewendet werden, um das biologisch abbaubare Polymer, die Stärke und den Weichmacher zu kombinieren. Die genaue Reihenfolge des Mischens, der Temperaturen, Mischgeschwindigkeiten oder Zeit und Geräte ist nicht entscheidend, sofern die Stärke nicht bedeutend degradiert und die resultierende Schmelze homogen ist.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Mischen einer Mischung von Stärke und zwei Polymeren ist wie folgt:

1. Das Polymer mit einer höheren Schmelztemperatur wird über seinen Schmelzpunkt erwärmt und gemischt. In der Regel ist dies 30°C–70°C über seiner Schmelztemperatur. Die Mischzeit beträgt von etwa 2 bis etwa 10 Minuten, vorzugsweise um 5 Minuten. Das Polymer wird dann in der Regel auf 120°C–140°C abgekühlt.
2. Die Stärke wird vollständig destrukturiert. Die Stärke kann durch Auflösen in Wasser bei 70°C–100°C bei einer Konzentration von 10–90% Stärke je nach dem Molekulargewicht der Stärke, der gewünschten Viskosität der destrukturierten Stärke und der Zeit, die zum Destrukturieren gestattet ist, destrukturiert werden. Im Allgemeinen sind etwa 15 Minuten ausreichend, um die Stärke zu destrukturieren, allerdings können je nach Bedingungen 10 Minuten bis 30 Minuten notwendig sein. Gegebenenfalls kann ein Weichmacher zu der destrukturierten Stärke hinzugefügt werden.
3. Das abgekühlte Polymer aus Schritt 1 und die destrukturierte Stärke aus Schritt 2 werden dann kombiniert. Das Polymer und die Stärke können in einem Extruder oder einem Chargenmischer mit Scherkraft kombiniert werden. Die Mischung wird in der Regel auf etwa 120°C–140°C erwärmt. Dies führt zur Verdampfung sämtlichen Wassers. Falls das gesamte Wasser abgetrennt werden soll, sollte die Mischung gemischt werden, bis das gesamte Wasser entfernt ist. In der Regel dauert das Mischen in diesem Schritt von etwa 2 bis etwa 15 Minuten, in der Regel etwa 5 Minuten. Eine homogene Mischung von Stärke und Polymer wird gebildet.
4. Danach wird ein zweites Polymer zu der homogenen Mischung aus Schritt 3 hinzugefügt. Dieses zweite Polymer kann bei Raumtemperatur oder nach dem Schmelzen und Mischen hinzugefügt werden. Die homogene Mischung aus Schritt 3 wird bei Temperaturen von etwa 100°C bis etwa 170°C weiter vermischt. Temperaturen über 100°C sind nötig, um zu verhindern, dass sich Feuchtigkeit bildet. Falls der Weichmacher nicht in Schritt 2 hinzugefügt worden ist, kann er nun hinzugefügt werden. Die Mischung wird weiter vermischt, bis sie homogen ist. Dies wird beobachtet, wenn keine getrennten Bereiche festgestellt werden. Die Mischzeit beträgt im Allgemeinen von etwa 2 bis etwa 10 Minuten, gewöhnlich um 5 Minuten.

Die am meisten bevorzugte Mischvorrichtung ist ein Zweischneckenextruder mit einer Vielzahl von Mischzonen und Injektionsstellen. Die Vielzahl von Injektionsstellen kann verwendet werden, um die destrukturierte Stärke und das Polymer hinzuzufügen. Ein Zweischnecken-Chargenmischer oder ein Einschneckenextrusionssystem können auch verwendet werden. Sofern ein ausreichendes Mischen und Erwärmen erreicht wird, ist das bestimmte Gerät nicht entscheidend.
Ein alternatives Verfahren zum Verbinden der Materialien ist durch Hinzufügen des Weichmachers, der Stärke und des Polymers zu einem Extrusionssystem, in dem sie bei schrittweise zunehmenden Temperaturen gemischt werden. Zum Beispiel können in einem Zweischneckenextruder mit sechs Erwärmungszonen die ersten drei Zonen auf 90°C, 120°C und 130°C erwärmt werden und die letzten drei Zonen über den Schmelzpunkt des Polymers erwärmt werden. Diese Vorgehensweise führt zu einer minimalen thermischen Degradation der Stärke und dazu, dass die Stärke voll destrukturiert wird, bevor sie mit den thermoplastischen Materialien sorgfältig vermischt wird.
Ein anderes Verfahren ist die Verwendung eines Polymers, das bei einer höheren Temperatur schmilzt, und die Injektion der Stärke ganz am Ende des Verfahrens. Die Stärke befindet sich nur für sehr kurze Zeit bei einer höheren Temperatur, die nicht ausreicht, um sie zu verbrennen.
Spinnen
Die vorliegende Erfindung wendet das Verfahren des Schmelzspinnens an. Beim Schmelzspinnen liegt kein Masseverlust in dem Extrudat vor. Schmelzspinnen unterscheidet sich von anderen Spinnarten wie Nass- oder Trockenspinnen aus einer Lösung, wobei ein Lösungsmittel beseitigt wird, indem das Extrudat verflüchtigt oder verteilt wird, was zu einem Masseverlust führt.
Das Spinnen wird bei 120°C bis etwa 230°C, vorzugsweise 185°C bis etwa 190°C ausgeführt. Faserspinngeschwindigkeiten von mehr als 100 Metern/Minu te sind erforderlich. Vorzugsweise beträgt die Faserspinngeschwindigkeit von etwa 1.000 bis etwa 10.000 Metern/Minute, mehr bevorzugt von etwa 2.000 bis etwa 7.000 und am meisten bevorzugt von etwa 2.500 bis etwa 5.000 Metern/Minute. Die Polymerzusammensetzung muss schnell gesponnen werden, um Sprödigkeit in der Faser zu vermeiden.
Kontinuierliche Fasern können durch Spinnvliesverfahren oder Schmelzblasverfahren hergestellt werden oder nichtkontinuierliche Fasern (Stapelfasern) können hergestellt werden. Die verschiedenen Verfahren zur Faserherstellung können auch kombiniert werden, um eine Kombinationstechnik zu erzeugen.
Die homogene Mischung kann auf einem im Handel erhältlichen Schmelzspinngerät zu Mehrkomponentenfasern schmelzgesponnen werden. Das Gerät wird auf der Grundlage der gewünschten Konfiguration der Mehrkomponentenfaser ausgewählt. Ein im Handel erhältliches Schmelzspinngerät ist von Hills, Inc., mit Sitz in Melbourne, Florida, erhältlich. Die Temperatur zum Spinnen liegt im Bereich von etwa 100°C bis etwa 230°C. Die Verarbeitungstemperatur wird durch die chemische Beschaffenheit, Molekulargewichte und die Konzentration jeder Komponente bestimmt. Die gesponnenen Fasern können mit Hilfe herkömmlicher Zugwalzenwindesysteme oder durch Luftwiderstandsabschwächungsvorrichtungen gesammelt werden. Wenn das Zugwalzensystem benutzt wird, können die Fasern durch Ziehen nach der Extrusion bei Temperaturen von etwa 50 bis etwa 140°C weiter ausgerichtet werden. Die gezogenen Fasern können dann gekräuselt und/oder geschnitten werden, um nichtkontinuierliche Fasern (Stapelfasern) zu bilden, die in einem Kardierverfahren, luftgelegten oder fluidgelegten Verfahren verwendet werden.
(5) Artikel
Die Mehrkomponentenfasern können durch verschiedene Bindeverfahren in Vliesstoffe umgewandelt werden. Kontinuierliche Fasern können mittels Technologien der Spinnvliesart zu einer Bahn gebildet werden, während Stapelfasern mittels Kardiertechnologien, Luftlegungs- oder Nasslegungs-Technologien des Industriestandards zu einer Bahn gebildet werden können. Typische Bindeverfahren schließen Folgendes ein: Kalandrierverfahren (Druck und Wärme), Durchluftheißklebeverfahren, mechanische Verflechtung, hydrodynamische Verflechtung, Nadelstanzen und chemisches Binden und/oder Harzbinden. Das Kalandrierbindeverfahren, Durchluftheißklebeverfahren und chemische Bindeverfahren sind die bevorzugten Bindeverfahren für die Stärke- und Polymer-Mehrkomponentenfasern. Thermisch klebbare Fasern sind für die Druckheißklebe- und Durchluftheißklebeverfahren erforderlich.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung können auch mit anderen synthetischen oder natürlichen Fasern verbunden oder kombiniert werden, um Vliesartikel herzustellen. Die synthetischen oder natürlichen Fasern können in dem Bildungsverfahren miteinander verbunden werden oder in diskreten Schichten verwendeten werden. Geeignete synthetische Fasern schließen Fasern aus Polypropylen, Polyethylen und Polyester, Polyacrylate und Copolymere davon und Mischungen davon ein. Natürliche Fasern schließen Cellulosefasern und Derivate davon ein. Geeignete Cellulosefasern schließen diejenigen ein, die aus jedem beliebigen Baum oder Vegetation abgeleitet sind, einschließlich Hartholzfasern, Weichholzfasern, Hanffaser und Baumwolle. Auch eingeschlossen sind Fasern, die aus verarbeiteten natürlichen Celluloseressourcen wie Rayon hergestellt sind.
Die Mehrkomponentenfasern der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um, unter anderen geeigneten Artikeln, Vliesstoffe herzustellen. Vliesartikel sind definiert als Artikel, die mehr als 15% mehrerer Fasern enthalten, die kontinuierlich oder nichtkontinuierlich sind und/oder physikalisch oder chemisch aneinander gebunden sind. Das Vlies kann mit zusätzlichen Vliesstoffen oder Folien kombiniert werden, um ein geschichtetes Produkt zu erzeugen, das entweder einzeln oder als eine Komponente in einer komplexen Kombination anderer Materialien wie als eine Babywindel oder eine Damenbinde benutzt wird. Bevorzugte Artikel sind Einwegvliesartikel. Die resultierenden Produkte können in Filtern für Luft, Öl und Wasser; Staubsaugerfiltern; Ofenfiltern; Gesichtsmasken; Kaffeefiltern, Tee- oder Kaffeebeuteln; Wärmeisolationsmaterialien und Geräuschisolationsmaterialien; Vliesstoffen für Einweghygieneprodukte wie Windeln, Damenbinden und Inkontinenzartikeln; biologisch abbaubaren Textilstoffen zur verbesserten Feuchtigkeitsabsorption und Trageweichheit wie Mikrofasern oder atmungsaktiven Stoffen; einer elektrostatisch geladenen strukturierten Bahn zum Auffangen und Entfernen von Staub; Verstärkungen und Bahnen für hartes Papier wie Einpackpapier, Schreibpapier, Zeitungspapier, gewellte Pappe und Bahnen für Papiertücher wie Toilettenpapier, Papierhandtücher, Servietten und Gesichtstücher; medizinischen Verwendungen wie OP-Tüchern, Wundumschlägen, Bandagen, Hautpflastern und selbstauflösenden Fäden; und dentalen Verwendungen wie Zahnseide und Zahnbürstenborsten Verwendung finden. Die faserige Bahn kann auch Geruchsabsorptionsmittel, Mittel gegen Termiten, Insektizide, Rodentizide und dergleichen für spezifische Verwendungen einschließen. Das resultierende Produkt absorbiert Wasser und Öl und kann bei der Öl- oder Wasserfleckenreinigung oder der gesteuerten Wasserretention und -freisetzung für landwirtschaftliche Anwendungen und Gartenanbauanwendungen Verwendung finden. Die resultierenden Stärkefasern oder Faserbahnen können auch in andere Materialien wie Sägemehl, Holzfaserstoff, Kunststoffe und Beton aufgenommen werden, um Verbundmaterialien zu bilden, die als Baumaterialien wie Wände, Stützbalken, gepresste Pappe, trockene Wände und Träger und Deckenplatten; medizinische Verwendungen wie Gipsverbände, Schienen und Zungenspatel; und in Kaminholzblöcke für dekorative und/oder Brennzwecke aufgenommen werden. Bevorzugte Artikel der vorliegenden Erfindung schließen Einwegvliesstoffe für Hygieneanwendungen und medizinische Anwendungen ein. Hygieneanwendungen schließen Artikel wie Tücher; Windeln, insbesondere die Oberschicht oder Unterschicht; und Damenbinden oder -Produkte, insbesondere die Oberschicht, ein.
Beispiele
Die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulichen die Mehrkomponentenkonfigurationen der vorliegenden Erfindung. Die Materialmenge für das Polymer und die Stärke sind in Anteilen der Komponente angegeben. Die Komponenten weisen ein Masseverhältnis von 50:50 auf. Die Stärken, die in den nachstehenden Beispielen verwendet wurden, sind StarDri 100, StaDex 10, StaDex 15, StaDex 65, alle von Staley. Das kristalline PLA weist eine intrinsische Viskosität von 0,97 dL/g mit einer optischen Rotation von –14,2 auf. Das amorphe PLA weist eine intrinsische Viskosität von 1,09 dL/g mit einer optischen Rotation von –12,7 auf.
Beispiel 1 Mantel/Kern-Bikomponentenfaser: Die Mischung für den Kern wird mittels 70 Teilen StarDri 100, 10 Teilen Esstar Bio und 30 Teilen Sorbital verbunden. Die Mischung für den Mantel wird mittels 30 Teilen StarDri 100, 70 Teilen Esstar Bio und 20 Teilen Sorbital verbunden. Jeder Bestandteil wird gleichzeitig zu einem Extrusionssystem hinzugefügt, wobei sie bei schrittweise zunehmenden Temperaturen vermischt werden. Diese Vorgehensweise minimiert die thermische Degradation der Stärke, die eintritt, wenn die Stärke für bedeutende Zeiträume auf über 180°C erwärmt wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht auch, dass die Stärke vor dem sorgfältigen Mischen der thermoplastischen Materialien vollständig destrukturiert wird.
Beispiel 2 Mantel/Kern-Bikomponentenfaser: Die Mischung für den Mantel enthält kristallines PLA. Die Mischung für den Kern wird wie in Beispiel 1 mittels 30 Teilen StaDex 65, 50 Teilen amorphes PLA und 20 Teilen Sorbital verbunden.
Beispiel 3 Hohle in acht Segmente aufgeteilte Tortenstückeinteilungs-Bikomponentenfaser: Die Mischung für das erste Segment enthält Esstar Bio. Die Mischung für die zweite Komponente wird wie in Beispiel 1 mittels 70 Teilen StarDri 100, 10 Teilen Esstar Bio und 30 Teilen Sorbital verbunden.
Beispiel 4 Mantel/Kern-Bikomponentenfaser: Die Mischung für den Kern enthält kristallines PLA. Die Mischung für den Mantel wird wie in Beispiel 1 unter Verwendung von 30 Teilen StaDex 10, 15 Teilen amorphes PLA, 45 Teilen kristallines PLA und 15 Teilen Sorbital verbunden.
Beispiel 5 Seite-an-Seite-Bikomponentenfaser: Die Mischung für das erste Segment enthält Bionelle. Die Mischung für die zweite Komponente wird wie in Beispiel 1 unter Verwendung von 70 Teilen StarDri 100 und 30 Teilen Sorbital verbunden.
Beispiel 6 Mantel/Kern-Bikomponentenfaser: Die Mischung für das Mantelsegment enthält Bionelle. Die Mischung für den Kern wird wie in Beispiel 1 unter Verwendung von 50 Teilen StaDex 15 und 50 Teilen Sorbital verbunden.
Beispiel 7 Mantel/Kern-Bikomponentenfaser: Die Mischung für den Kern enthält kristallines PLA. Die Mischung für den Mantel wird wie in Beispiel 1 unter Verwendung von 70 Teilen StarDri 100 und 30 Teilen Sorbital verbunden. Nach dem Spinnen der Bikomponentenfaser wird der stärkehaltige Mantel in Wasser aufgelöst. Die verbleibende PLA-Faser kann dann zur Herstellung einer Vliesbahn verwendet werden. Die aufgelöste Stärke und das Wasser können in den Kreislauf zurückgeführt und wieder verwendet werden.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene weitere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Umweltverträglich abbaubare Mehrkomponentenfaser, umfassend i) eine destrukturierte Stärke mit einem Molekulargewicht im Bereich von 3000 g/Mol bis 2.000.000 g/Mol; und ii) ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer mit einem Molekulargewicht von weniger als 500.000 g/Mol, das mit der destrukturierten Stärke im Wesentlichen kompatibel ist; wobei die Faser eine Konfiguration aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Kern/Mantel, Matrix/Fibrillen, Band, Segmented Pie, Seite an Seite und Kombination davon; und wobei jeder Bestandteil der Mehrkomponentenfaser die destrukturierte Stärke und/oder das biologisch abbaubare thermoplastische Polymer umfasst.
Umweltverträglich abbaubare Mehrkomponentenfaser nach Anspruch 1, wobei ein Bestandteil Folgendes umfasst: a. die destrukturierte Stärke; b. das biologisch abbaubare thermoplastische Polymer; und c. einen Weichmacher.
Umweltverträglich abbaubare Mehrkomponentenfaser nach Anspruch 1, wobei ein Bestandteil die destrukturierte Stärke umfasst und ein zweiter Bestandteil das biologisch abbaubare thermoplastische Polymer umfasst.
Umweltverträglich abbaubare Bikomponentenfaser nach Anspruch 1 mit einer Kern/Mantel-Konfiguration, wobei: der Mantel die destrukturierte Stärke und einen Weichmacher umfasst; und der Kern das biologisch abbaubare thermoplastische Polymer umfasst.
Umweltverträglich abbaubare Bikomponentenfaser nach Anspruch 1 mit einer Kern/Mantel-Konfiguration, wobei: der Mantel das biologisch abbaubare thermoplastische Polymer umfasst; und der Kern die destrukturierte Stärke und einen Weichmacher umfasst.
Umweltverträglich abbaubare Mehrkomponentenfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das biologisch abbaubare thermoplastische Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: aliphatischen Polyesteramiden; aliphatischen Polyestern von Disäuren/Diolen; modifizierten aromatischen Polyestern; aliphatischen/aromatischen Copolyestern; Polycaprolactonen; Poly(hydroxyalkanoaten); Polyestern und Polyurethanen, die aus aliphatischen Polyolen abgeleitet sind; Polyamiden; Polyethylen/Vinylalkohol-Copolymeren; und Kombinationen davon.
Umweltverträglich abbaubare Mehrkomponentenfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Faser einen Durchmesser von weniger als 200 Mikrometern aufweist.
Umweltverträglich abbaubare Mehrkomponentenfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Faser gespalten werden kann.
Vliesbahn, umfassend die umweltverträglichen Mehrkomponentenfasern, wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert.
Vliesbahn nach Anspruch 9, wobei die umweltverträglich abbaubaren Mehrkomponentenfasern mit anderen synthetischen oder natürlichen Fasern gemischt und miteinander verbunden sind.
Einwegartikel, umfassend die Vliesbahnen, wie in Anspruch 9 oder Anspruch 10 definiert.