DE69322572T2

DE69322572T2 - Faseriger verschleissfester Verbundvliesstoff

Info

Publication number: DE69322572T2
Application number: DE69322572T
Authority: DE
Inventors: William Anthony Dunwoody Georgia 30350 Georger; Mark Francis Huntersville North Carolina 28078 Jones; Thomas Joseph Omro Wisconsin 54963 Kopacz; Gregory Alan Woodstock Georgia 30188 Zelazoski
Original assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2013-08-26
Also published as: CA2089805A1; ZA935967B; KR940009405A; KR100236748B1; MX9306128A; TW253000B; JPH06257055A; AU4877593A; AU672229B2; EG20242A; EP0590307A2; US5350624A; US5508102A; CA2089805C; DE69322572D1; EP0590307A3; EP0590307B1; CN1044015C; CN1087392A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine faserförmige Vliesstruktur, die aus wenigstens zwei verschiedenen Bestandteilen besteht, und auf ein Verfahren zum Herstellen einer faserförmigen Vliesstruktur.
Faserförmige Vliesmaterialien und faserförmige Verbundvliesmaterialien werden verbreitet als Produkte oder als Bestandteile von Produkten verwendet, da sie wohlfeil und mit speziellen Eigenschaften hergestellt werden können. Ein Weg zum Herstellen faserförmiger Verbundvliesmaterialien ist das Vereinigen verschiedener Typen Vliesmaterialien in einem Laminat. Das US-Patent Nr. 3 676 242 beschreibt eine durch Binden eines Faservlieses an einen Kunststoffilm hergestellte laminare Struktur. Das US-Patent Nr. 3 837 995 offenbart mehrfädige faserförmige Vliesmaterialien, die eine oder mehr Schichten aus thermoplastischen Polymerfasern enthalten, die an eine oder mehr Schichten aus Naturfasern größeren Durchmessers autogen gebunden sind.
Ein weiterer Weg ist das Mischen thermoplastischer Polymerfasern mit einem oder mehr Typen faserförmigen Materials und/oder teilchenförmigen Materials. Das Gemisch wird in Form eines faserförmigen Verbundvliesstoffes gesammelt und kann zum Liefern eines zusammenhängenden Verbundvliesmaterials gebunden oder behandelt werden, das aus wenigstens einigen Eigenschaften jedes Bestandteils Vorteil zieht. Das US-Patent Nr. 4 100 324 offenbart einen Vliesstoff, der eine im allgemeinen gleichförmige Mischung aus Holzschliff und schmelzgeblasenen thermoplastischen Polymerfasern ist. Das US-Patent Nr. 3 971 373 offenbart ein Vliesmaterial, das schmelzgeblasene thermoplastische Polymerfasern und einzelne feste Teilchen enthält. Gemäß diesem Patent werden die Teilchen mit den schmelzgeblasenen Fasern in dem Vliesmaterial gleichförmig dispergiert und vermischt. Das US-Patent Nr. 4 429 001 offenbart ein absorbierendes Folienmaterial, das eine Kombination aus schmelzgeblasenen thermoplastischen Polymerfasern und festen superabsorbierenden Teilchen ist. Von den superabsorbierenden Teilchen wird offenbart, daß sie innerhalb eines Vlieses aus den schmelzgeblasenen thermoplastischen Polymerfasern gleichförmig dispergiert sind und physikalisch festgehalten werden.
Der Zusammenhalt vorstehend beschriebener Laminatmaterialien hängt zum Teil von den zum Verbinden der Laminatschichten verwendeten Techniken ab. Ein Nachteil ist, daß einige wirkungsvolle Bindetechniken die Kosten für die Laminatmaterialien und die Komplexität der Herstellungsverfahren erhöhen.
Faserförmige Verbundvliesmaterialien, die eine im allgemeinen gleichförmige Verteilung der Materialbestandteile besitzen, können Nachteile aufweisen, die mit der Anordnung der Bestandteile zusammenhängen. Insbesondere kann eine gleichförmige Verteilung gewisser Fasern und teilchenförmiger Materialien ein Fusseln und/oder eine Teilchenablösung fördern. Ein weiterer Nachteil ist, daß Verbundmaterialien, die große Anteile gleichförmig verteilter teilchenförmiger Materialien oder kleiner Fasern (z. B. Zellstoff) enthalten, im allgemeinen einen geringeren Zusammenhalt aufweisen, da durch den thermoplastischen Polymerfaserbestandteil weniger Festigkeit bereitgestellt wird. Dieses Phänomen ist an einer schlechten Verschleißfestigkeit und Zugfestigkeitseigenschaften im allgemeinen homogener Verbundmaterialien zu erkennen, die große Anteile Zellstoff und/oder teilchenförmige Materialien enthalten. Dieses Problem ist besonders offensichtlich, wenn ein derartiges Verbundvlies zum Aufwischen von Flüssigkeiten oder als feuchtes Wischtuch verwendet wird. Da jedoch Zellstoff und gewisse teilchenförmige Materialien wohlfeil sind und nützliche Eigenschaften liefern können, ist es oft sehr erwünscht, große Anteile dieser Materialien in faserförmige Verbundvliesstrukturen einzuarbeiten.
Demgemäß besteht ein Bedürfnis nach einer faserförmigen Verbundvliesstruktur, die wohlfeil ist, aber gute Verschleißfestigkeit, Zusammenhalt und Naßfestigkeitseigenschaften aufweist. Es besteht ferner ein Bedarf nach einer faserförmigen Verbundvliesstruktur, die einen hohen Zellstoffgehalt aufweist und wohlfeil ist, aber gute Verschleißbeständigkeit, Zusammenhalt und Naßfestigkeitseigenschaften aufweist.
Hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "faserförmige Vliesstruktur" auf eine Struktur aus einzelnen Fasern oder Filamenten, die jedoch nicht in einer identifizierbaren, sich wiederholenden Art und Weise geschichtet sind. Vliesstrukturen wie etwa zum Beispiel Faservliese sind in der Vergangenheit durch eine Vielfalt dem Fachmann bekannter Verfahren einschließlich zum Beispiel Schmelzblas- und Schmelzspinnverfahren, Spinnvliesverfahren und Krempelvliesverfahren hergestellt worden.
Hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "verschleißfeste faserförmige Verbundvliesstruktur" auf eine Kombination aus schmelzgeblasenen thermoplasti schen Polymerfasern und mindestens einem anderen Bestandteil (z. B. Fasern und/oder teilchenförmige Materialien) in Form einer faserförmigen Vliesstruktur, die eine Verschleißfestigkeit liefert, die mindestens etwa 25% größer als die Verschleißfestigkeit eines homogenen Gemisches aus denselben Bestandteilen ist. Die Verschleißfestigkeit kann zum Beispiel mindestens etwa 30% größer als die Verschleißfestigkeit eines homogenen Gemisches aus denselben Bestandteilen sein. Im allgemeinen wird dies durch eine größere Konzentration an schmelzgeblasenen thermoplastischen Polymerfasern in der Nähe der äußeren Oberfläche der faserförmigen Vliesstruktur als im inneren Teil erreicht.
Hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "schmelzgeblasene Fasern" auf Fasern, die durch Extrudieren eines geschmolzenen thermoplastischen Materials durch eine Mehrzahl feiner, üblicherweise kreisförmiger Kapillardüsen als geschmolzene Fäden oder Filamente in einen Hochgeschwindigkeitsgasstrom (z. B. Luft) gebildet wurden, der die Filamente aus geschmolzenem thermoplastischem Material unter Verringern ihres Durchmessers verfeinert, welcher der Durchmesser einer Mikrofaser sein kann. Danach werden die schmelzgeblasenen Fasern durch den Hochgeschwindigkeitsgasstrom mitgeführt und auf einer Sammeloberfläche unter Bilden eines Vlieses aus zufallsverteilt abgelegten schmelzgeblasenen Fasern abgeschieden. Das Schmelzblasverfahren ist wohlbekannt und wird in verschiedenen Patenten und Veröffentlichungen einschließlich des NRL-Reports 4364 "Manufacture of Super Fine Organic Fibers" [Herstellung superfeiner organischer Fasern] von V. A. Wendt, E. L. Boone und C. D. Fluharty; des NRL-Reports 5265 "An Improved Device for the Formation of Super-Fine Thermoplastic Fibers" [Verbesserte Vorrichtung zur Bildung superfeiner thermoplastischer Fasern] von K. D. Lawrence, R. T Lukas und J. A. Young und des US- Patents Nr. 3 849 241 beschrieben.
Hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "Mikrofasern" auf Fasern mit kleinem Durchmesser mit keinem größeren Durchmesser als etwa 100 um (100 Mikron), zum Beispiel mit einem Durchmesser von etwa 0,5 um bis etwa 50 um (etwa 0,5 Mikron bis etwa 50 Mikron); genauer können Mikrofasern auch einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 4 um bis etwa 40 um (etwa 4 Mikron bis etwa 40 Mikron) aufweisen.
Hierin verwendet ist der Ausdruck "Wegwert-" nicht auf Gegenstände zur einmaligen Verwendung oder begrenzten Verwendung eingeschränkt, sondern bezieht sich auch auf Gegenstände, die für den Verbraucher so wohlfeil sind, daß sie weg geworfen werden können, wenn sie nach dem Gebrauch von nur einem Mal oder wenigen Malen verschmutzt sind oder anderweitig unbrauchbar sind.
Hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "Zellstoff" auf faserhaltigen Zellstoff aus natürlichen Quellen wie etwa Holzpflanzen oder Pflanzen, die keine Holzpflanzen sind. Holzpflanzen schließen zum Beispiel Laub- und Nadelbäume ein. Pflanzen, die keine Holzpflanzen sind, schließen zum Beispiel Baumwolle, Flachs, Espartogras, Wolfsmilch, Stroh, Jutehanf und Bagasse ein.
Hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "Porosität" auf die Fähigkeit eines Fluids wie etwa zum Beispiel eines Gases zum Durchgang durch ein Material. Die Porosität kann in Volumeneinheiten je Zeiteinheit je Flächeneinheit, zum Beispiel cm³/s (Kubikfuß je Minute) je cm² (Quadratfuß) Material (z. B. cm³/s/cm² (ft³/Minute/ft²) oder (cfm/ft²), ausgedrückt werden. Die Porosität wurde mittels eines von der Frazier Precision Instrument Company erhältlichen Frazier Air Permeability Testers bestimmt und gemäß der Federal Test Method 5450, Standard Nr. 191 A, gemessen, ausgenommen daß die Probengröße 20,3 cm · 20,3 cm (8" · 8") anstatt 17,8 cm · 17,8 cm (7" · 7") war.
Hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck mittlere Fließporengröße" auf ein Maß des durchschnittlichen Porendurchmessers wie er durch Flüssigkeitsverdrängungstechniken unter Benützen eines von Coulter Electronics Limited, Luton, England, erhältlichen Coulter Porometers und Coulter POROFILTM Testflüssigkeit bestimmt wurde. Die mittlere Fließporengröße wird durch Anfeuchten einer Testprobe mit einer Flüssigkeit mit sehr niedriger Oberflächenspannung (d. h. Coulter POROFILTM) bestimmt. Eine Seite der Probe wird mit Luftdruck beaufschlagt. Wenn der Luftdruck schließlich erhöht wird, wird die Kapillaranziehung des Fluids in den größten Poren überwunden, wodurch die Flüssigkeit aus der Probe hinausgedrückt wird und man Luft durch die Probe hindurchgehen läßt. Bei weiteren Erhöhungen des Luftdrucks leeren sich zunehmend immer kleinere Löcher. Für die feuchte Probe kann eine Beziehung des Flusses gegenüber dem Druck aufgestellt werden und mit den Ergebnissen für die trockene Probe verglichen werden. Die mittlere Fließporengröße wird an dem Punkt gemessen, wo die Kurve, die 50% des Flusses bei der trockenen Probe gegenüber dem Druck darstellt, die Kurve schneidet, die den Fluß bei der feuchten Probe gegenüber dem Druck darstellt. Der Durchmesser der Pore, die sich bei dem jeweiligen Druck öffnet (d. h. die mittlere Fließporengröße) kann aus dem folgenden Ausdruck berechnet werden:
Porendurchmesser (um) = (40τ)/Druck
worin τ = in der Einheit mN/M ausgedrückte Oberflächenspannung des Fluids; der Druck ist der in Pa (Millibar (mbar)) angewandte Druck und die sehr niedrige Oberflächenspannung der zum Befeuchten der Probe verwendeten Flüssigkeit erlaubt anzunehmen, daß der Kontaktwinkel der Flüssigkeit auf der Probe etwa null ist.
Hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "superabsorbierend" auf absorbierende Materialien, die mindestens 10 Gramm wäßrige Flüssigkeit absorbieren können (z. B. destilliertes Wasser je Gramm absorbierendes Material, während es 4 Stunden in die Flüssigkeit eintaucht und im wesentlichen die gesamte absorbierte Flüssigkeit festhält, während es unter einer Kompressionskraft von bis zu etwa 10,4 kPa (1,5 psi) steht).
Hierin verwendet schließt der Ausdruck "im wesentlichen bestehend aus" nicht die Anwesenheit weiterer Materialien aus, die die gewünschten Eigenschaften einer gegebenen Zusammensetzung oder eines Produktes nicht bedeutsam beeinflussen. Beispielhafte Materialien dieser Art schließen Pigmente, Antioxidantien, Stabilisatoren, Tenside, Wachse, Fließförderer, teilchenförmige Materialien oder zum Erhöhen der Verarbeitbarkeit einer Zusammensetzung zugesetzte Materialien ein.
Die vorliegende Erfindung reagiert durch Bereitstellen einer verschleißfesten, faserförmigen Vliesstruktur, die (1) eine Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern mit einer ersten äußeren Oberfläche, einer zweiten äußeren Oberfläche und einem inneren Teil und (2) wenigstens ein weiteres, so mit der Matrix aus den schmelzgeblasenen Fasern verbundenes Material umfaßt, daß die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche der Vliesstruktur mindestens 60 Gew.-% beträgt und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil kleiner als etwa 40 Gew.-% ist. Wünschenswerterweise kann die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche etwa 70 bis etwa 90 Gew.-% sein und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil kann kleiner als etwa 35 Gew.-% sein.
Gemäß der Erfindung weist die faserförmige Vliesstruktur eine Verschleißfestigkeit auf, die mindestens etwa 25% höher als die Verschleißfestigkeit eines homogenen Gemisches aus denselben Bestandteilen ist. Wünschenswerterweise weist die faserförmige Vliesstruktur der vorliegenden Erfindung eine Verschleißfestigkeit auf, die mindestens etwa 30% größer als die Verschleißfestigkeit eines homogenen Gemisches aus denselben Bestandteilen ist. Die faserförmige Vliesstruktur der vorliegenden Erfindung weist zum Beispiel eine Verschleißfestigkeit auf, die von etwa 50% bis etwa 150% mehr als die Verschleißfestigkeit eines homogenen Gemisches aus denselben Bestandteilen reichen kann.
Die Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern ist typischerweise eine Matrix aus schmelzgeblasenen Polyolefinfasern, obschon andere Polymertypen verwendet werden können. Die Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern kann zum Beispiel eine Matrix aus schmelzgeblasenen Polyamid-, Polyester-, Polyurethan-, Polyvinylalkohol- oder Polycaprolactonfasern sein. Wenn die schmelzgeblasenen Fasern Polyolefinfasern sind, können sie aus Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Ethylencopolymeren, Propylencopolymeren, Butylencopolymeren und Gemischen derselben gebildet sein.
Das andere Material, das mit der Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern verbunden ist, kann entsprechend der gewünschten Funktion der verschleißbeständigen, faserförmigen Vliesstruktur ausgewählt werden. Das andere Material kann zum Beispiel Polyesterfasern, Polyamidfasern, Polyolefinfasern, aus Cellulose stammende Fasern (z. B. Zellstoff), Mehrkomponentenfasern, Naturfasern, absorbierende Fasern oder Gemische zweier oder mehrerer derartiger Fasern sein. Wahlweise und/oder zusätzlich können teilchenförmige Materialien wie etwa zum Beispiel Aktivkohle, Ton, Stärken oder Superabsorbentien verwendet werden.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die faserförmige Vliesstruktur an die Verwendung als feuchtes Wischtuch angepaßt, das etwa 100 bis etwa 700% des Trockengewichts an Flüssigkeit enthält. Wünschenswerterweise kann das feuchte Wischtuch etwa 200 bis etwa 450% des Trockengewichts an Flüssigkeit enthalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die faserförmige Vliesstruktur Naßfestigkeitseigenschaften auf, die sie zur Verwendung als feuchtes Wischtuch besonders geeignet machen. Wünschenswerterweise weist die faserförmige Vliesstruktur eine Naßabzugsfestigkeit von mindestens 0,07 kg (0,15 Pfund)und eine Trapezreißfestigkeit von mindestens etwa 0,14 kg (etwa 0,30 Pfund) in wenigstens zwei Richtungen auf. Noch wünschenswerter weist die faserförmige Vliesstruktur eine von etwa 0,07 kg bis etwa 0,09 kg (etwa 0,15 bis etwa 0,20 Pfund) reichende Naßabziehfähigkeit und eine von etwa 0,14 kg bis etwa 0,41 kg (etwa 0,30 bis etwa 0,90 Pfund) reichende Trapeznaßreißfestigkeit in wenigstens zwei Richtungen auf. Allgemein schwanken die Festigkeitseigenschaften entsprechend dem Grundgewicht der faserförmigen Vliesstruktur.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die faserförmige Vliesstruktur ein von etwa 20 bis etwa 500 Gramm je Quadratmeter reichendes Grundgewicht aufweisen. Wünschenswerterweise kann die faserförmige Vliesstruktur ein von etwa 35 bis etwa 150 Gramm je Quadratmeter reichendes Grundgewicht aufweisen. Noch wünschenswerter kann die faserförmige Vliesstruktur ein von etwa 40 bis etwa 90 Gramm je Quadratmeter reichendes Grundgewicht aufweisen. Zwei oder mehr Schichten aus der faserförmigen Vliesstruktur können unter Liefern von Mehschichtmaterialien mit den gewünschten Grundgewichten und/oder funktionellen Eigenschaften kombiniert werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine verschleißfeste faserförmige Vliesstruktur mit geringem Fusseln und hohem Zellstoffgehalt bereitgestellt, die sich aus (1) weniger als etwa 35% des Gesamtgewichts schmelzgeblasenen Fasern, die eine Matrix mit einer ersten äußeren Oberfläche, einer zweiten äußeren Oberfläche und einem inneren Teil bilden, und (2) mehr als etwa 65% des Gesamtgewichts so mit der Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern verbundenen Zellstoffasern zusammensetzt, daß die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche der Vliesstruktur mindestens etwa 60 Gew.-% ist und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil kleiner als etwa 40 Gew.-% ist. Wünschenswerterweise enthält die faserförmige Vliesstruktur etwa 65 bis etwa 95% Zellstoffasern bezogen auf das Gesamtgewicht der Struktur und etwa 5 bis etwa 35% schmelzgeblasene Fasern bezogen auf das Gesamtgewicht der Struktur. Es ist ferner erwünscht, daß die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche der faserförmigen Vliesstruktur etwa 70 bis etwa 90 Gew.-% ist und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil kleiner als etwa 35 Gew.-% ist.
Diese faserförmige Vliesstruktur mit hohem Zellstoffgehalt weist eine Verschleißfestigkeit auf, die mindestens etwa 25% höher als die Verschleißfestigkeit eines homogenen Gemisches derselben Bestandteile ist. Noch wünschenswerter weist die faserförmige Vliesstruktur der vorliegenden Erfindung eine Verschleißfestigkeit auf, die mindestens 30% höher als die Verschleißfestigkeit eines homogenen Gemisches derselben Bestandteile ist. Die faserförmige Vliesstruktur der vorliegenden Erfindung weist zum Beispiel eine Verschleißfestigkeit auf, die von etwa 50% bis etwa 150% höher als die Verschleißfestigkeit eines homogenen Gemisches derselben Bestandteile reichen kann. Die faserförmige Vliesstruktur mit hohem Zellstoffgehalt liefert ferner gemäß der Bestimmung mit Climet-Fusseltest verfahren einen kleineren Fusselverlust als etwa 50 Teilchen mit einer Größe von 10 um (10 Mikron) auf 283,2 cm³ (0,01 ft³) Luft und weniger als etwa 200 Teilchen mit einer Größe von 0,5 um (0,5 Mikron) auf 283,2 cm³ (0,01 ft³) Luft. Der Fusselverlust kann zum Beispiel weniger als etwa 40 Teilchen mit einer Größe von 10 um (10 Mikron) auf 283,2 cm³ (0,01 ft³) Luft und weniger als etwa 175 Teilchen mit einer Größe von 0,5 um (0,5 Mikron) auf 283,2 cm³ (0,01 ft³) Luft sein.
Die verschleißfesten faserförmigen Vliesstrukturen mit hohem Zellstoffgehalt können einen breiten Bereich Grundgewichte aufweisen. Ihr Grundgewicht kann zum Beispiel von etwa 40 bis etwa 500 g reichen. Zwei oder mehr Schichten der faserförmigen Vliesstruktur mit hohem Zellstoffgehalt können unter Liefern von Mehrschichtmaterialien mit den gewünschten Grundgewichten und/oder funktionellen Eigenschaften kombiniert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist diese verschleißfeste, faserförmige Vliesstruktur mit hohem Zellstoffgehalt besonders gut als feuchtes Wischtuch geeignet. Ein derartiges feuchtes Wischtuch kann so wohlfeil hergestellt werden, daß es wirtschaftlich sein kann, das Wischtuch nach einmaligem oder begrenztem Gebrauch wegzuwerfen. Die verschleißfeste, faserförmige Vliesstruktur mit hohem Zellstoffgehalt kann als feuchtes Wischtuch verwendet werden, das etwa 100 bis etwa 700% des Trockengewichts an Flüssigkeit enthält. Wünschenswerterweise kann ein derartiges feuchtes Wischtuch etwa 200 bis etwa 450% des Trockengewichts an Flüssigkeit enthalten.
Fig. 1 ist eine Veranschaulichung einer Apparatur, die zum Bilden einer verschleißfesten, faserförmigen Verbundvliesstruktur verwendet werden kann.
Fig. 2 ist eine Veranschaulichung gewisser Merkmale der in Fig. 1 dargestellten Apparatur.
Fig. 3 ist eine allgemeine Darstellung eines beispielhaften Konzentrationsgradienten der schmelzgeblasenen Fasern für einen Querschnitt einer verschleißfesten, faserförmigen Verbundvliesstruktur.
Fig. 4 ist eine Mikrophotographie einer beispielhaften hochverschleißfesten, faserförmigen Verbundvliesstruktur.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Mikrophotographie der in Fig. 4 dargestellten beispiel haften Verbundvliesstruktur.
Fig. 6 ist eine Mikrophotographie einer beispielhaften, homogenen, faserförmigen Verbundvliesstruktur.
Fig. 7 ist eine vergrößerte Mikrophotographie der in Fig. 6 dargestellten, beispielhaften faserförmigen Verbundvliesstruktur.
Fig. 8 ist eine Mikrophotographie einer beispielhaften, faserförmigen Verbundvlies-Schichtstruktur.
Fig. 9 ist eine vergrößerte Mikrophotographie der in Fig. 8 dargestellten, beispielhaften faserförmigen Verbundvlies-Schichtstruktur.
Wenn sich nun den Figuren, bei denen gleiche Bezugsziffern die gleiche oder gleichwertige Struktur darstellen, und insbesondere Fig. 1 zugewandt wird, ist zu erkennen, daß eine beispielhafte Apparatur zum Bilden einer verschleißfesten, faserförmigen Verbundvliesstruktur durch die Bezugsziffer 10 allgemein dargestellt wird. Beim Bilden der verschleißfesten, faserförmigen Verbundvliesstruktur der vorliegenden Erfindung werden Pellets oder Schnitzel usw. (nicht dargestellt) aus einem thermoplastischen Polymer in einen Pellettrichter 12 eines Extruders 14 eingeführt.
Der Extruder 14 weist eine Extrudierschraube auf (nicht dargestellt), die durch einen herkömmlichen Antriebsmotor (nicht dargestellt) angetrieben wird. Wenn sich das Polymer durch den Extruder 14 vorwärtsbewegt, wird es aufgrund der Umdrehung der Extrudierschraube durch den Antriebsmotor zunehmend auf den Schmelzzustand aufgeheizt. Das Erhitzen des thermoplastischen Polymers auf den Schmelzzustand kann in einer Vielzahl getrennter Schritte bewerkstelligt werden, wobei seine Temperatur allmählich erhöht wird, wenn es sich durch getrennte Heizzonen des Extruders 14 zu den Schmelzblasdüsen 16 beziehungsweise 18 vorwärtsbewegt. Die Schmelzblasdüsen 16 und 18 können noch eine weitere Heizzone sein, wo die Temperatur des thermoplastischen Harzes zum Extrudieren auf einem erhöhten Wert gehalten wird.
Jede Schmelzblasdüse ist so aufgebaut, daß zwei Ströme aus verfeinerndem Gas je Düse unter Bilden eines einzigen Gasstroms zusammenlaufen, der die geschmolzenen Fäden 20 mitführt und verfeinert, wenn die Fäden 20 aus kleinen Löchern oder Öffnungen 24 in der Schmelzblasdüse austreten. Die geschmolzenen Fäden 20 werden zu Fasern oder in Abhängigkeit vom Verfeinerungsgrad zu Mikrofasern mit einem kleinen Durchmesser verfeinert, der üblicherweise kleiner als der Durchmesser der Öffnungen 24 ist. So weist jede Schmelzblasdüse 16 und 18 einen entsprechenden einzelnen Gasstrom 26 und 28 auf, der mitgeführte und verfeinerte Polymerfasern enthält. Die Polymerfasern enthaltenden Gasströme 26 und 28 werden zum Zusammenlaufen an der Auftreffzone 30 ausgerichtet.
Den beiden Strömen 26 und 28 der thermoplastischen Polymerfasern oder Mikrofasern 24 werden an der Auftreffzone 30 ein oder mehr Typen Zusatzfasern 32 (und/oder teilchenförmiges Material) zugesetzt. Die Einführung der Zusatzfasern 32 in die beiden Ströme 26 und 28 der thermoplastischen Polymerfasern 24 ist so ausgelegt, daß sie eine abgestufte Verteilung der Zusatzfasern 32 innerhalb der vereinigten Ströme 26 und 28 der thermoplastischen Polymerfasern erzeugt. Dies kann durch Zumischen eines zweiten Gasstromes 34, der die Zusatzfasern 32 enthält, zwischen den beiden Strömen 26 und 28 der thermoplastischen Polymerfasern 24 bewerkstelligt werden, so daß alle drei Gasströme in kontrollierter Weise zusammenlaufen.
Eine Apparatur zum Bewerkstelligen dieser Zumischung kann eine herkömmliche Schlagwalzenanordnung 36 einschließen, die eine Mehrzahl Zähne 38 aufweist, die daran angepaßt sind, eine Matte oder Vlies 40 aus Zusatzfasern in die einzelnen Zusatzfasern 32 aufzutrennen. Die Matte oder das Vlies 40 aus Zusatzfasern, die der Schlagwalze 36 zugeführt werden, kann eine Lage Zellstoffasern (falls ein Zweikomponentengemisch aus thermoplastischen Polymerfasern und Zellstoffzusatzfasern gewünscht wird), eine Matte aus Stapelfasern (falls ein Zweikomponentengemisch aus thermoplastischen Polymerfasern und Stapelzusatzfasern gewünscht wird) oder sowohl eine Lage Zellstoffasern als auch eine Matte aus Stapelfasern sein (falls ein Dreikomponentengemisch aus thermoplastischen Polymerfasern, Stapelzusatzfasern und Zellstoffzusatzfasern gewünscht wird). Bei Ausführungsformen, wo zum Beispiel ein absorbierendes Material gewünscht wird, sind die Zusatzfasern 32 absorbierende Fasern. Die Zusatzfasern 32 können im allgemeinen aus der Gruppe ausgewählt werden, die eine oder mehr Polyesterfasern, Polyamidfasern, aus Cellulose stammende Fasern wie etwa zum Beispiel Rayonfasern und Holzschliffasern, Mehrkomponentenfasern wie etwa zum Beispiel Mehrkomponentenfasern mit ummanteltem Kern, Naturfasern wie etwa Seidefasern, Wollefasern oder Baumwollfasern oder elektrisch leitfähige Fasern oder Gemische aus zwei oder mehr derartigen Zusatzfasern einschließen. Andere Typen Zusatzfasern 32 wie etwa zum Beispiel sowohl Polyethylenfasern und Polypropylenfasern als auch Gemische aus zwei oder mehr Typen Zusatzfasern 32 können benützt werden. Die Zusatzfasern 32 können Mikrofasern sein oder die Zusatzfasern 32 können Makrofasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 300 um (300 Mikron) bis etwa 1000 um (1000 Mikron) sein.
Die Lagen oder Matten 40 aus Zusatzfasern 32 werden der Schlagwalze 36 durch eine Walzenanordnung 42 zugeführt. Nachdem die Zähne 36 der Schlagwalze 26 die Matte aus Zusatzfasern 40 in getrennte Zusatzfasern 32 aufgetrennt haben, werden die einzelnen Zusatzfasern 32 dem Strom aus thermoplastischen Polymerfasern oder Mikrofasern 24 durch eine Düse 44 zugeführt. Ein Gehäuse 46 umschließt die Schlagwalze 36 und stellt einen Durchgang oder Spalt 48 zwischen dem Gehäuse 46 und der Oberfläche der Zähne 38 der Schlagwalze 36 bereit. Ein Gas, zum Beispiel Luft, wird dem Durchgang oder Spalt 46 zwischen der Oberfläche der Schlagwalze 36 und dem Gehäuse 48 durch einen Gaskanal 50 zugeführt. Der Gaskanal 50 kann im allgemeinen am Abzweig 52 der Düse 44 und des Spalts 48 in den Durchgang oder Spalt 46 eintreten. Das Gas wird in ausreichender Menge zugeführt, um als Medium zum Befördern der Zusatzfasern 32 durch die Düse 44 zu dienen. Das aus dem Gaskanal 50 zugeführte Gas dient ferner als Hilfe beim Entfernen der Zusatzfasern 32 aus den Zähnen 38 der Schlagwalze 36. Das Gas kann durch irgendeine herkömmliche Anordnung wie etwa zum Beispiel ein Luftgebläse (nicht dargestellt) zugeführt werden. Es ist zu erwarten, daß Additive und/oder andere Materialien dem Gasstrom zum Behandeln der Zusatzfasern zugesetzt oder damit mitgeführt werden können.
Allgemein werden die einzelnen Zusatzfasern 32 durch die Düse 44 mit etwa der Geschwindigkeit transportiert, mit der die Zusatzfasern 32 die Zähne 38 der Schlagwalze 36 verlassen. Mit anderen Worten behalten die Zusatzfasern 32 beim Verlassen der Zähne 38 der Schlagwalze 36 und Eintreten in die Düse 44 im allgemeinen ihre Geschwindigkeit sowohl in der Größenordnung als auch Richtung von dem Punkt an, wo sie die Zähne 38 der Schlagwalze 36 verließen, bei. Eine derartige Anordnung, die in größerer Einzelheit im US-Patent Nr. 4 100 324 erörtert wird, ist beim wesentlichen Verringern einer Faserbeflockung behilflich.
Die Breite der Düse 44 sollte in einer Richtung ausgerichtet sein, die im allgemeinen zur Breite der Schmelzblasdüsen 16 und 18 parallel ist. Wünschenswerterweise sollte die Breite der Düse 44 etwa dieselbe sein wie die Breite der Schmelzblasdüsen 16 und 18. Üblicherweise sollte die Breite der Düse 44 die Breite der Lagen oder Matten 44, die der Schlagwalze 36 zugeführt werden, nicht überschreiten. Allgemein ist es erwünscht, daß die Länge der Düse 44 so kurz ist, wie es die Konstruktion der Einrichtung erlaubt.
Die Schlagwalze 36 kann durch ein herkömmliches Einspritzsystem für teilchenförmiges Material unter Bilden einer Verbundvliesstruktur 54 ersetzt werden, die verschiedene teilchenförmige Zusatzmaterialien enthält. Eine Kombination sowohl aus teilchenförmigen Zusatzmaterialien als auch Zusatzfasern kann den thermoplastischen Polymerfasern vor der Bildung der Verbundvliesstruktur 54 zugesetzt werden, falls dem in Fig. 1 veranschaulichten System ein herkömmliches Einspritzsystem für teilchenförmiges Material hinzugefügt wurde. Die teilchenförmigen Materialien können zum Beispiel Aktivkohle, Ton, Stärken und/oder hydrokolloide teilchenförmige Materialien (Hydrogel) sein, die gemeinhin als Superabsorbentien bezeichnet werden.
Fig. 1 veranschaulicht weiter, daß der die Zusatzfasern 32 mitführende Zusatzgasstrom 34 so zwischen den Strömen 26 und 28 der thermoplastischen Polymerfasern ausgerichtet ist, daß die Ströme sich an der Auftreffzone 30 berühren. Die Geschwindigkeit des Zusatzgasstroms 34 wird üblicherweise so eingestellt, daß sie größer als die Geschwindigkeit jedes Stromes 26 und 28 der thermoplastischen Polymerfasern 24 ist, wenn sich die Ströme an der Auftreffzone 30 berühren. Dieses Merkmal unterscheidet sich von vielen herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von Verbundmaterialien. Diese herkömmlichen Verfahren beruhen auf einer Belüftungswirkung, wo ein Strom aus Zusatzmaterial mit niedriger Geschwindigkeit in einen Strom aus thermoplastischen Polymerfasern mit hoher Geschwindigkeit unter Verstärken des Wirbelmischens hineingezogen wird, was zu einem homogenen Verbundmaterial führt.
Anstelle eines homogenen Verbundmaterials ist die vorliegende Erfindung auf eine Vliesstruktur gerichtet, bei der die Bestandteile als eine abgestufte Verteilung aufweisend beschrieben werden können. Obschon die Erfinder nicht an eine bestimmte Arbeitstheorie gebunden werden sollten, wird angenommen, daß das Einstellen der Geschwindigkeit des Zusatzgasstromes 34 in der Weise, daß sie höher als die Geschwindigkeit jedes Stromes 26 und 28 der thermoplastischen Polymerfasern 24 ist, wenn die Ströme sich an der Auftreffzone 30 kreuzen, die Wirkung aufweisen kann, daß während deren Zumischung und Vereinigung zwischen der Auftreffzone 30 und einer Sammeloberfläche eine abgestufte Verteilung der faserförmigen Bestandteile erreicht werden kann.
Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Gasströmen kann derart sein, daß die Zusatzfasern 32 mit den Strömen der thermoplastischen Polymerfasern 26 und 28 in einer solchen Weise verbunden werden, daß die Zusatzfasern 32 allmählich und nur teilweise innerhalb der thermoplastischen Polymerfasern 24 verteilt werden. Zu erhöhten Produktionsraten sollten die Gasströme, die die thermoplastischen Polymerfasern 24 mitführen und verfeinern, allgemein eine vergleichsweise hohe Anfangsgeschwindigkeit, zum Beispiel von etwa 61 m/s bis über 305 m/s (etwa 200 Fuß bis über 1000 Fuß je Sekunde) aufweisen. Die Geschwindigkeit dieser Gasströme erniedrigt sich jedoch rasch, wenn sie sich ausdehnen und von der Schmelzblasdüse entfernt werden. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit dieser Gasströme an der Auftreffzone durch Einstellen des Abstandes zwischen der Schmelzblasdüse und der Auftreffzone gesteuert werden. Der Gasstrom 34, der die Zusatzfasern 32 mitfährt, weist verglichen mit den Gasströmen 26 und 28, die die schmelzgeblasenen Fasern mitführen, eine niedrige Anfangsgeschwindigkeit auf. Durch Einstellen des Abstandes von der Düse 44 zur Auftreffzone 30 (und des Weges, den die Gasströme 26 und 28 der schmelzgeblasenen Fasern zurücklegen müssen) kann die Geschwindigkeit des Gasstromes 34 so geregelt werden, daß sie höher als die der Gasströme 26 und 28 der schmelzgeblasenen Fasern ist.
Aufgrund der Tatsache, daß die thermoplastischen Polymerfasern 24 üblicherweise zum Zeitpunkt des Einarbeitens der Zusatzfasern 32 in die Ströme 26 und 28 der thermoplastischen Polymerfasern noch halb geschmolzen und klebrig sind, sind die Zusatzfasern 32 üblicherweise nicht nur mechanisch mit der durch die thermoplastischen Polymerfasern 24 gebildeten Matrix verfilzt, sondern auch thermisch an die thermoplastischen Polymerfasern 24 gebunden oder damit vereinigt.
Zum Überführen des Verbundstromes 56 der thermoplastischen Polymerfasern 24 und der Zusatzfasern 32 in eine Verbundvliesstruktur 54, die sich aus einer zusammenhängenden Matrix aus den thermoplastischen Polymerfasern 24 mit den darin verteilten Zusatzfasern 32 zusammensetzt, ist eine Sammelvorrichtung im Weg des Verbundstromes 56 angeordnet. Die Sammelvorrichtung kann ein durch Walzen 60 in herkömmlicher Weise angetriebenes Endlosband 58 sein, das sich wie durch den Pfeil 62 in Fig. 1 angezeigt dreht. Andere Sammelvorrichtungen sind dem Fachmann wohlbekannt und können anstelle des Endlosbandes 58 benützt werden. Es kann zum Beispiel eine mit Löchern versehene, sich drehende Walzenanordnung benützt werden. Die vermischten Ströme aus thermoplastischen Polymerfasern und Zusatzfasern werden als zusammenhängende Fasermatrix auf der Oberfläche des Endlosbandes 58 unter Bilden des Verbundvlieses 54 gesammelt. Vakuumkästen 64 sind beim Rückhalten der Matrix auf der Oberfläche des Bandes 58 behilflich. Das Vakuum kann auf etwa 2,54 bis etwa 10,2 cm (etwa 1 bis 4 Zoll) Wassersäule eingestellt werden.
Die Verbundstruktur 54 ist zusammenhängend und kann vom Band 58 als selbsttragendes Vliesmaterial abgenommen werden. Allgemein weist die Verbundstruktur eine zum Verwenden ohne irgendwelche Nachbehandlungen wie etwa z. B. Musterbinden ausreichende Festigkeit und Zusammenhalt auf. Gewünschtenfalls kann ein Paar Quetschwalzen oder Musterbindungswalzen zum Binden von Teilen des Materials verwendet werden. Obschon eine derartige Behandlung den Zusammenhalt der Verbundvliesstruktur 54 verbessern kann, neigt sie auch dazu, die Struktur zusammenzudrücken und zu verdichten.
Unter bezug auf Fig. 2 der Zeichnungen wird ein, schematisches Diagramm eines in Fig. 1 beschriebenen Verfahrensbeispiels dargestellt. Fig. 2 stellt Verfahrensvariablen heraus, die den Typ des hergestellten faserförmigen Verbundvlieses beeinflussen. Ferner werden verschiedene Bildungsabstände dargestellt, die den Typ der faserförmigen Verbundvliesstruktur beeinflussen.
Die Schmelzblasdüsenanordnungen 16 und 18 sind so befestigt, daß sie in einem Winkel eingestellt werden können. Der Winkel wird von einer Ebenentangente an die beiden Düsen gemessen (Ebene A). Im allgemeinen ist Ebene A zur Bildungsoberfläche (d. h. das Endlosband 58) parallel. Typischerweise ist jede Düse in einem Winkel (θ) eingestellt und so angebracht, daß die Ströme 26 und 28 der aus den Düsen erzeugten und durch das Gas mitgeführten Fasern und Mikrofasern sich in einer Zone unter Ebene A (d. h. die Auftreffzone 30) kreuzen. Wünschenswerterweise kann Winkel θ von etwa 30 bis etwa 75 Grad reichen. Noch wünschenswerter kann Winkel θ von etwa 35 bis etwa 60 Grad reichen. Es ist sogar weiter erwünscht, daß Winkel θ von etwa 45 bis etwa 55 Grad reicht.
Die Schmelzblasdüsenanordnungen 16 und 18 sind durch einen Abstand (α) voneinander getrennt. Im allgemeinen kann Abstand α bis etwa 40,6 cm (16 Zoll) reichen. Abstand α kann zum Herstellen eines offenen, voluminösen Materials, das etwas schwächer und weniger zusammenhängend als die bei kürzeren Abständen hergestellten Materialien ist, sogar noch größer als 40,6 cm (16 Zoll) eingestellt werden. Wünschenswerterweise kann α von etwa 12,7 cm (5 Zoll) bis etwa 25,4 cm (10 Zoll) reichen. Noch erwünschter kann α von etwa 16,5 (6,5) bis etwa 22,9 cm (9 Zoll) reichen. Es ist wichtig, daß der Abstand α zwischen den Schmelzblasdüsen und dem Winkel θ jeder Schmelzblasdüse den Ort der Auftreffzone 30 bestimmt.
Der Abstand von der Auftreffzone 30 zur Spitze jeder Schmelzblasdüse (d. h. Abstand X) sollte so eingestellt sein, daß die Dispersion jedes Stroms 26 und 28 aus Fasern und Mikrofasern auf ein Minimum zurückgeführt wird. Dieser Abstand kann zum Beispiel von etwa 0 bis etwa 40,6 cm (etwa 0 bis etwa 16 Zoll) reichen. Wünschenswerterweise sollte dieser Abstand größer als 6,4 cm (2,5 Zoll) sein. Der Abstand von der Spitze jeder Schmelzblasdüsenanordnung kann zum Beispiel von etwa 6,4 bis 15,2 cm (2,5 bis 6 Zoll) aus der Entfernung zwischen den Düsenspitzen (α) und dem Winkel (θ) durch Benützen der Formel
X = α /(2 cos θ)
bestimmt werden.
Im allgemeinen kann die Dispersion des Verbundstroms 56 durch Wählen eines entsprechenden senkrechten Bildungsabstandes (d. h. Abstand β), bevor der Strom 56 mit der Bildungsoberfläche 58 in Berührung gelangt, auf ein Mindestmaß zurückgeführt werden. β ist der Abstand von den Schmelzblasdüsenspitzen 70 und 72 zur Bildungsoberfläche 58. Ein kürzerer senkrechter Bildungsabstand ist im allgemeinen erwünscht, um die Dispersion auf Mindestmaß zurückzuführen. Dies muß gegen das Bedürfnis, daß sich die extrudierten Fasern aus ihrem klebrigen, halbgeschmolzenen Zustand verfestigen, bevor sie mit der Bildungsoberfläche 58 in Berührung gelangen, abgewogen werden. Der senkrechte Bildungsabstand (β) kann zum Beispiel von etwa 7,6 bis etwa 38,1 cm (etwa 3 bis etwa 15 Zoll) von der Schmelzblasdüsenspitze reichen. Der senkrechte Bildungsabstand (β) kann zum Herstellen eines offenen, voluminösen Materials, das etwas schwächer und weniger zusammenhängend als das bei kürzeren Abständen hergestellte Material ist, auf noch größer als 38,1 cm (15 Zoll) eingestellt werden. Wünschenswerterweise kann dieser senkrechte Abstand (β) etwa 17,8 bis etwa 27,9 cm (etwa 7 bis etwa 11 Zoll) von der Düsenspitze betragen.
Ein wichtiger Bestandteil des senkrechten Bildungsabstands β ist der Abstand zwischen der Auftreffzone 30 und der Bildungsoberfläche 58 (d. h. Abstand Y). Die Auftreffzone 30 sollte so angeordnet sein, daß die zusammengelegten Ströme nur eine Mindestentfernung (Y) zum Erreichen der Bildungsoberfläche 58 zurücklegen müssen, um die Dispersion der mitgeführten Fasern und Mikrofasern auf ein Mindestmaß zurückzuführen. Der Abstand (Y) von der Auftreffzone zur Bildungsober fläche kann zum Beispiel von etwa 0 bis etwa 30,5 cm (etwa 0 bis etwa 12 Zoll) reichen. Wünschenswerterweise kann der Abstand (Y) von der Auftreffzone zur Bildungsoberfläche von etwa 7,6 bis etwa 17,8 cm (etwa 3 bis etwa 7 Zoll) reichen. Der Abstand von der Auftreffzone 30 und der Bildungsoberfläche 58 kann aus dem senkrechten Bildungsabstand (β), der Entfernung zwischen den Düsenspitzen (α) und dem Düsenwinkel (θ) unter Benützen der Formel:
Y = β - ((α/2) · cos θ)
bestimmt werden. Mit Gas mitgeführte Zusatzfasern werden über einen Strom 34, der aus einer Düse 44 austritt, zur Auftreffzone geführt. Im allgemeinen ist die Düse 44 so angeordnet, daß ihre senkrechte Achse zur Ebene A (d. h. die Ebenentangente an die Schmelzblasdüsen 16 und 18) im wesentlichen senkrecht angeordnet ist.
In einigen Fällen kann es erwünscht sein, den Zusatzluftstrom 34 zu kühlen. Ein Kühlen des Zusatzluftstromes kann das Abschrecken der geschmolzenen oder klebrigen schmelzgeblasenen Fasern beschleunigen und kürzere Abstände zwischen der Schmelzblasdüsenspitze und der Bildungsoberfläche liefern, die dazu verwendet werden können, die Faserdispersion auf ein Mindestmaß zurückzuführen und die abgestufte Verteilung der Verbundstruktur zu verstärken. Die Temperatur des Zusatzluftstromes 22 kann zum Beispiel auf etwa -9,5 bis 29,5ºC (etwa 15 bis etwa 85 Grad Fahrenheit) gekühlt werden.
Durch Ausgleichen der Ströme 26 und 28 aus schmelzgeblasenen Fasern und des Zusatzluftstroms 34, der gewünschten Düsenwinkel (θ) der Schmelzblasdüsen, des senkrechten Bildungsabstandes (β), des Abstandes (α) zwischen den Schmelzblasdüsen, des Abstandes (X) zwischen der Auftreffzone und den Schmelzblasdüsenspitzen und des Abstandes (Y) zwischen der Auftreffzone und der Bildungsoberfläche ist es möglich, eine kontrollierte Vereinigung der Zusatzfasern mit den Strömen der schmelzgeblasenen Fasern unter Erzeugen einer faserförmigen Verbundvliesstruktur mit einer größeren Konzentration an schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe ihrer äußeren Oberflächen und einer geringeren Konzentration an schmelzgeblasenen Fasern (d. h. eine größere Konzentration an Zusatzfasern und/oder teilchenförmigen Materialien) im inneren Teil der faserförmigen Verbundvliesstruktur bereitzustellen.
Eine allgemeine Darstellung eines beispielhaften Konzentrationsgradienten der schmelzgeblasenen Fasern für einen Querschnitt wie etwa eine faserförmige Verbundvliesstruktur wird in Fig. 3 veranschaulicht. Kurve E stellt die Konzentration der schmelzgeblasenen Polymerfasern dar und Kurve F stellt die Zellstoffkonzentration dar.
Unter Bezug auf Fig. 4-9 sind diese Figuren Rasterelektronenmikrophotographien verschiedener faserförmiger Verbundvliesstrukturen, die etwa 40 Gew.-% schmelzgeblasene Polypropylenfasern und etwa 60 Gew.-% Holzschliff enthalten. Genauer ist Fig. 4 eine 20,7-fache (lineare Vergrößerung) Mikrophotographie einer beispielhaften hochverschleißfesten faserförmigen Verbundvliesstruktur. Fig. 5 ist eine 67,3-fache (lineare Vergrößerung) Mikrophotographie der in Fig. 4 dargestellten beispielhaften Verbundvliesstruktur. Wie aus Fig. 4 und 5 ersehen werden kann, ist die Konzentration schmelzgeblasener Fasern in der Nähe der oberen und unteren Oberfläche (d. h. äußere Oberflächen) der Struktur größer. Schmelzgeblasene Fasern sind ebenfalls im inneren Teil der Struktur, aber in viel niedrigeren Konzentrationen verteilt. So ist zu ersehen, daß die Struktur von Fig. 4 und 5 als Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern beschrieben werden kann, mit der Zusatzfasern so in kontrollierter Weise vereinigt sind, daß die Konzentration schmelzgeblasener Fasern in der Nähe der äußeren Oberflächen der Struktur höher und im inneren Teil der Struktur niedriger ist.
Obschon die Erfinder nicht an eine besondere Arbeitstheorie gebunden werden sollten, wird angenommen, daß die Struktur von Fig. 4 und 5 eine kontrollierte oder nicht-homogene Verteilung von Zusatzfasern schmelzgeblasenen Fasern innerhalb der vorstehend beschriebenen Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern darstellt. Während die Verteilung von Zusatzfasern innerhalb der Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern keinem genauen Stufenmuster zu folgen scheint, scheint ein Querschnitt der Struktur zunehmende Konzentrationen schmelzgeblasener Fasern, die sich ihren äußeren Oberflächen annähern, und abnehmende Konzentrationen schmelzgeblasener Fasern, die sich ihren inneren Teilen nähern, zu zeigen. Von dieser Verteilung wird angenommen, daß sie besonders vorteilhaft ist, da obschon die Konzentration schmelzgeblasener Fasern in den inneren Teilen der Struktur verringert ist, noch immer ausreichende Mengen schmelzgeblasener Fasern vorhanden sind, so daß die Vliesstruktur viele der gewünschten Festigkeits- und Zusammenhaltseigenschaften einer im allgemeinen homogenen Struktur aufweist, während ferner aufgrund der Anwesenheit hoher Konzentrationen schmelzgeblasener Fasern in der Nähe der äußeren Oberfläche der Struktur die erwünschten Verschleißfestigkeitseigenschaften bereitgestellt werden.
Fig. 6 ist eine 20,7-fache (lineare Vergrößerung) Mikrophotographie einer bei spielhaften homogenen faserförmigen Verbundvliesstruktur. Fig. 7 ist eine 67,3- fache (lineare Vergrößerung) Mikrophotographie der in Fig. 6 dargestellten beispielhaften homogenen Verbundvliesstruktur. Die in Fig. 6 und 7 dargestellte Verbundstruktur ist ein im wesentlichen homogenes Gemisch aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern und Holzschliff. Das homogene Gemisch ist ein Beispiel des Materialtyps, der typischerweise durch Benützen herkömmlicher Techniken zum Herstellen faserförmiger Verbundvliesstoffe hergestellt wurde. Wie aus Fig. 6 und 7 offensichtlich ist sind schmelzgeblasene Fasern und Holzschliff über alle Abschnitte der Verbundstruktur gleichförmig verteilt. Die Verteilung der schmelzgeblasenen Fasern ist in der Nähe der äußeren Oberflächen der Struktur im wesentlichen dieselbe wie in ihren inneren Teilen.
Fig. 8 ist eine 20,7-fache (lineare Vergrößerung) Mikrophotographie einer in Fig. 8 dargestellten beispielhaften schichtförmigen faserförmigen Verbundvliesstruktur. Fig. 9 ist eine 67,3-fache (lineare Vergrößerung) Mikrophotographie einer in Fig. 8 dargestellten beispielhaften schichtförmigen faserförmigen Verbundvliesstruktur. Die in Fig. 8 und 9 dargestellte Verbundstruktur enthält getrennte Schichten aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern, zwischen denen sich eine getrennte Schicht aus Holzschliff befindet. Die Mikrophotographien zeigen, daß schmelzgeblasene Fasern im inneren Teil der schichtförmigen Verbundstruktur im wesentlichen abwesend sind.

BEISPIELE

Messungen der Zugfestigkeit und Längung an Proben wurden unter Benützen eines Instron Universaltestinstruments Modell 1122 gemäß dem Verfahren 5100 des Federal Test Method Standards Nr. 191A durchgeführt. Die Zugfestigkeit bezieht sich auf die Höchstbelastung oder -kraft (d. h. Spitzenbelastung), die erfahren wird, während die Probe bis zum Bruch gelängt wird. Messungen der Spitzenbelastung wurden bei feuchten Proben in Maschinen- und quer zur Maschinenrichtung durchgeführt. Die Ergebnisse werden bei Proben, die in der Breite 2,54 cm (1 Zoll) und Länge 15,24 cm (6 Zoll) messen, in der Einheit kg (Pfund) ausgedrückt.
Die Trapezreißfestigkeiten von Proben wurden gemäß dem ASTM Standard Test D 1117-14 gemessen, ausgenommen daß die Reißbelastung als das Mittel aus einer ersten und der höchsten Spitzenbelastung anstatt dem Mittel aus der niedrigsten und höchsten Spitzenbelastung berechnet wird.
Aus Probenstoff abgelöste Teilchen und Fasern wurden durch einen Climent-Fus seltest gemäß dem INDA Standard Test 160.0-83 gemessen, ausgenommen daß die Probengröße 15,2 cm auf 15,2 cm (6 Zoll auf 6 Zoll) anstatt 17,8 cm auf 20,3 cm (7 Zoll auf 8 Zoll) war.
Wasserabsorptionskapazitäten von Proben wurden gemäß der Federal Specification Nr. UU-T-595C an Industrie- und Anstaltshandtüchern und Wischpapieren gemessen. Die Absorptionskapazität bezieht sich auf die Kapazität eines Materials, Flüssigkeit über einen Zeitraum zu absorbieren, und steht mit der Gesamtmenge Flüssigkeit in Beziehung, die von einem Material an seinem Sättigungspunkt zurückgehalten wird. Die Absorptionskapazität wird durch Messen der Gewichtszunahme einer Materialprobe, die aus der Absorption einer Flüssigkeit folgt, bestimmt. Die Absorptionskapazität kann durch die folgende Gleichung in Prozent als das Gewicht der absorbierten Flüssigkeit dividiert durch das Probengewicht ausgedrückt werden:
Gesamtabsorptionskapazität = [(Gewicht der gesättigten Probe -Probengewicht)/Probengewicht] · 100
Der "Wasserwert" oder "Absorptionswert" bezieht sich auf den Wert, mit derb ein Wassertropfen durch eine glatte, ebene Materialprobe absorbiert wird. Die Wasserwert wurde gemäß dem TAPPI Standardverfahren T432-SU-72 mit den folgenden Änderungen bestimmt: 1) drei getrennte Tropfen werden bei jeder Probe bestimmt und 2) fünf Proben werden anstatt zehn getestet.
Wasseraufsaugwerte von Proben wurden gemäß TAPPI-Verfahren UM451 gemessen. Der Aufsaugwert bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der Wasser in senkrechter Richtung durch einen Streifen aus einem absorbierenden Material gezogen wird.
Der statische und dynamische Reibungskoeffizient (C. O. F.) von Proben wurde gemäß ASTM 1894 gemessen.
Die Abziehfestigkeit oder der Zusammenhalt von Proben in Z-Richtung wurde mittels eines Abziehfestigkeitstests gemessen, der dem ASTM Standardtest D- 2724.13 und der Methode 5951, Federal Test Method Standard Nr. 191A, mit den folgenden Ausnahmen entspricht: 1) die Abziehfestigkeit eines Materials wird als die mittlere Spitzenbelastung aller untersuchter Proben berechnet, 2) die Probengröße ist 5,1 cm 15,2 cm (2 Zoll · 6 Zoll) und 3) die Meßlänge wird auf 2,54 cm (1 Zoll) eingestellt.
Die Becherquetschtesteigenschaften von Proben wurden gemessen. Der Becher quetschtest bewertet die Stoffsteifheit durch Messen der Spitzenbelastung, die ein halbkugelförmiger Fuß von 4,5 cm Durchmesser benötigt, um ein Stück Stoff von 19,1 cm · 19,1 cm (7,5 Zoll · 7,5 Zoll), das zu einem umgekehrten, 6,5 cm hohen Becher von ungefähr 6,5 cm Durchmesser geformt ist, zu quetschen, während der becherförmige Stoff von einem Zylinder mit ungefähr 6,5 cm Durchmesser umgeben ist, um eine gleichförmige Verformung des becherförmigen Stoffs aufrecht zu erhalten. Der Fuß und der Becher wurden ausgerichtet, um eine Berührung zwischen den Becherwänden und dem Fuß zu vermeiden, was die Spitzenbelastung beeinflussen könnte. Die Spitzenbelastung wurde mittels einer von der Schaevitz Company, Tannsauken, New Jersey, erhältlichen Belastungszelle Modell FTD-G- 500 (Bereich 500 Gramm) gemessen, während sich der Fuß mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,64 cm (0,25 Zoll) je Sekunde (38,1 cm (15 Zoll) je Minute) absenkte.
Die Grundgewichte der Proben wurden im wesentlichen gemäß ASTM D-3776-9 mit den folgenden Änderungen bestimmt: 1) die Probengröße war 10,2 cm · 10,2 cm (4 Zoll · 4 Zoll) im Quadrat und 2) wurden insgesamt 9 Proben gewogen. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit wurde aus der Flüssigkeitsverteilung innerhalb eines Stapels feuchter Tücher bestimmt. Die Wanderung der Flüssigkeit wurde mittels eines Stapels von 80 nassen Wischtüchern gemessen, die durch maschinelle Umwandlung oder von Hand hergestellt wurden. Jedes Wischtuch maß etwa 19,1 cm · 19,1 cm (7,5 Zoll auf 7,5 Zoll) und wies eine Z-Faltenanordnung auf. Die Wischtücher wurden mit einer Lösung getränkt, die etwa 97 Gew.-% Wasser, etwa 1 Gew.-% Propylenglykol und etwa 0,6 Gew.-% PEG-75 Lanolin enthielt. PEG-75 Lanolin ist von der Henkel Corporation, Cincinnati, Ohio, erhältlich. Sobald die Wischtücher einen stabilisierten Flüssigkeitszusatz von etwa 330 Prozent bezogen auf das Trockengewicht jedes Wischtuchs erhalten hatten, wurden die Wischtücher zur Lagerung in einen Wischtuchtrog gelegt. Nach einem Zeitraum von etwa 30 Tagen wurden die Wischtücher entnommen und der gesamte Stapel wurde gewogen. Jedes Wischtuch wurde getrennt gewogen und an seinen ursprünglichen Platz im Stapel zurückgelegt. Der Stapel wurde in einen Ofen gestellt und getrocknet. Nachdem die Wischtücher getrocknet waren, wurde der gesamte Stapel und jedes einzelne Wischtuch zum Erhalten des Trockengewichtes gewogen. Der Feuchtigkeitszusatz jedes Wischtuchs wurde durch Anwenden der Formel:
Feuchtigkeitszusatz = (Feuchtgewicht - Trockengewicht)/Trockengewicht · 100 berechnet.
Die Daten für den Feuchtigkeitszusatz wurden in einer Kurve mit der Position im Wischtuchstapel (1-80) auf der x-Achse und dem Feuchtigkeitszusatz (in Prozent ausgedrückt) auf der y-Achse graphisch dargestellt. Daten von fünf Wischtüchern am oberen (1-5) und unteren (76-80) Ende wurden aufgrund eines Übertrocknens im Ofen verworfen. Von der Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitszusatz und den Stapelpositionen wurde angenommen, daß sie linear ist. Eine Gerade wurde aus den Datenpunkten mittels linearer Regression erzeugt. Der Anstieg dieser Geraden ist als Flüssigkeitswanderungsrate definiert. Zum Aufrechterhalten einer verhältnismäßig gleichförmigen Flüssigkeitsverteilung innerhalb eines Wischtuchstapels ist eine niedrige Flüssigkeitswanderungsrate (d. h. ein niedriger Anstieg) erwünschter als eine hohe Flüssigkeitswanderungsrate (d. h. ein hoher Anstieg).
Das Testen der Verschleißfestigkeit wurde an einem von Custom Scientific Instrument Company, Cedar Knoll, New Jersey, erhältlichen Stoll Quartermaster Universal Wear Tester Modell Nr. CS-22C SC1 ausgeführt. Proben wurden Verschleißkreisläufen unter einem Kopfgewicht von etwa 227 g (0,5 Pfund) ausgesetzt. Der Schleifkopf wurde mit einem 0,32 cm (1/8 Zoll) dicken Stück eines von McMaster Carr, Elmhurst, Illinois, erhältlichen federnden Kautschuks (Katalognummer 8630K74) hoher Dichte belastet. Neues Verschleißmittel wurde durch Laufen über zwei Proben über 1000 Kreisläufe eingefahren. Die Tests wurden ausgeführt bis auf der Probe die erste, vollständig lose Faser-"Pille" gebildet war, das heißt bis zur Anwesenheit einer Faser-"Pille", die von der Testoberfläche leicht mit einem Dom entfernt werden konnte. Das Testen wurde ungefähr alle dreißig Kreisläufe zum Untersuchen der Testoberfläche auf Faser-"Pillen" angehalten. Die Verschleißfestigkeit wird als die Zahl der Kreisläufe angegeben, die zur Bildung einer vollständig losen Faser-"Pille" erforderlich ist, und ist ein Mittelwert auf der Grundlage von Tests an 15 Proben.

BEISPIEL 1

Faserförmige Verbundvliesstrukturen, die entstippten Holzschliff und schmelzgeblasene Polypropylenfasern enthielten, wurden gemäß dem vorstehend beschriebenen allgemeinen Verfahren hergestellt und in FIGS. 1 und 2 veranschaulicht. Der entstippte Holzschliff war ein von der Weyerhaeuser Corporation unter der Handelsbezeichnung Weyerhaeuser NF-405 erhältliches Gemisch aus etwa 80 Gew.-% gebleichtem Weichholz-Kraftzellstoff und etwa 20 Gew.-% gebleichtem Hartholz-Kraftzellstoff. Das Polypropylen war von der Himont Chemical Company unter der Handelsbezeichnung Himont PF-015 erhältlich. Schmelzgeblasene Fasern wurden durch Extrudieren des Polypropylens zu geschmolzenen Fäden mit einer Geschwindigkeit von etwa 40,9 kg/Stunde (90 Ib/Stunde) je Düse bei einer Extrusionstemperatur von 260ºC (500 Grad F) gebildet. Die geschmolzenen Fäden wurden in einem Luftstrom mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 283200 -306800 cm³/s (600-650 Standardkubikfuß je Minute (scfm)) und einer Temperatur von 277ºC (530 Grad F) verfeinert.
Walzenzellstoff wurde in einer herkömmlichen Schlageinheit entstippt. Einzelne Zellstoffasern wurden in einem Luftstrom mit einem Druck von etwa 0,183 kg/cm² (2,6 Pfund je Quadratzoll) suspendiert. Die beiden, die mitgeführten schmelzgeblasenen Fasern enthaltenden Luftströme trafen unter den angegebenen Bedingungen auf den Zellstoffasern enthaltenden Luftstrom auf und bewirkten einen Zusammenschluß der Ströme in unterschiedlichem Ausmaß. Die vereinigten Ströme wurden auf ein Formsieb gerichtet und die vereinigten Fasern wurden mit Hilfe eines Vakuums unter dem Sieb in Form eines Verbundmaterials gesammelt. Das Verbundmaterial wurde durch Wärme- und Druckanwendung auf eine mit einem Muster versehene Bindungswalze und eine Gegenwalze verbunden. Die mit einem Muster versehene Bindungswalze wurde bei einem Druck von etwa 8,76 kg/cm (49 Pfund je linearem Zoll) betrieben, um mit einem Bindungsmuster mit einer Oberfläche von etwa 8,5% zu versehen. Das Binden fand statt, während sich die Bindungswalze bei einer Temperatur von etwa 190 Grad Celsius befand und sich die Gegenwalze bei einer Temperatur von 170 Grad Celsius befand.
Die besonderen Eigenschaften und Struktur des Verbundmaterials schwankten entsprechen den Änderungen bei den Verfahrensvariablen. Die Verfahrensvariablen, die zum Herstellen der verschiedenen Materialien dieses Beispiels verändert wurden, waren (1) der Abstand zwischen den beiden Düsenspitzen (d. h. Abstand α) und (2) der Winkel der Düsenspitzen (d. h. Düsenwinkel θ).
Das Material wurde so eingestellt, daß es ein Verhältnis Zellstoff zu Polymer von etwa 65 Gew.-% Zellstoff und etwa 35 Gew.-% Polymer aufwies. Das Verhältnis Zellstoff/Polymer wurde mittels eines Massenausgleichs festgesetzt. Dieser Massenausgleich beruhte auf der in das Verfahren eingeführten Zellstoffmenge und Polymermenge. Unter der Annahme, daß aller in das Verfahren eingeführter Zellstoff und alles Polymer in ein Verbundmaterial eingeführt werden, kann das Zellstoff/Polymer-Verhältnis des Verbundes berechnet werden. Zum Beispiel enthält das vorstehend beschriebene Verfahren zwei Schmelzblasdüsen. Jede Düse verarbeitet Polymer zu Schmelzgeblasenem mit einer Dauergeschwindigkeit von etwa 40,9 kg/Stunde (90 Ibs/Stunde) (für eine Gesamtpolymerrate von etwa 81,7 kg/h)). Da das Verbundmaterial ein Zellstoff/Polymer-Verhältnis von 65/35 (d. h. etwa 65 Gew.-% Zellstoff und etwa 35 Gew.-% Polymer) aufweisen sollte, wurde die Zellstoffzufuhr in das Verfahren zu etwa 180 · (65/35) berechnet. Somit wurde die Zellstoffzufuhr in das Verfahren zu etwa 151,6 kg/Stunde (334 Ibs/Stunde) eingestellt.
Zum Überprüfen der Verfahrenseinstellungen wurden die Bestandteile des Verbundmaterials getrennt gebildet und anschließend gewogen. In dieser Situation war ein Verbundmaterial mit einem Zellstoff/Polymer-Verhältnis von 65135 und einem Grundgewicht von 72 g erwünscht. Das Verfahren wurde zuerst ohne dem Entstipper Zellstoff zuzusetzen betrieben, so daß ein Schmelzblasfaservlies mit dem angegebenen Polymerzusatz gebildet wurde. Das Blasvlies wies ein Grundgewicht von etwa 39 g auf. Zellstoff wurde dem Verfahren mit dem berechneten Durchsatz zugesetzt, so daß ein Verbund aus schmelzgeblasenen Fasern und Zellstoff erzeugt wurde. Der Verbund wies ein Gesamtgrundgewicht von etwa 72 g auf, was einem Zellstoff/Polymer-Verhältnis von etwa 65/35 entsprach. Das Zellstoff/Polymer-Verhältnis kann bei normalem Verfahrensbetrieb leicht vom Zielwert abweichen, sollte aber im allgemeinen unter 5 bis 10 Prozent des Zielwerts fallen. Dies kann αus den in Tabelle 1 mitgeteilten Zellstoff/Polymer-Verhältnissen ersehen werden, die mittels analytischer Bildanalyse bestimmt wurden.
Eine Beschreibung der Verfahrensbedingungen und der gemäß diesem Beispiel hergestellten Materialien wird in Tabelle 1 und 2 angegeben. TABELLE 1 VERFAHRENSBEDINGUNGEN TABELLE 2 PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN
* CD = Maschinenquerrichtung, MD = Maschinenrichtung
Aus Tabelle 1 und 2 ist zu erkennen, daß die faserförmigen Verbundvliesstrukturen und ihre damit verbundenen physikalischen Eigenschaften durch Ändern des Düsenwinkels und des Abstands zwischen den Schmelzblasdüsenspitzen verändert werden können. Als der Abstand zwischen den Schmelzblasdüsenspitzen 16,5 cm (6,5 Zoll) war, erzeugte ein Düsenwinkel von 55 Grad ein "abgestuftes" Material, das heißt, es wurde ein Material erzeugt, das in der Nähe seiner äußeren Oberflächen reich an Polymerfasern war und eine zellstoffreiche innere Region aufwies. Dieses abgestufte Material wird in den Mikrophotographien von Fig. 4 und 5 dargestellt. Wie zu erkennen ist gibt es keine scharf getrennte Zellstoffschicht, die gegen eine sich vollständig aus schmelzgeblasenen Fasern zusammensetzende Schicht versetzt ist. Statt dessen liegt eine sich allmählich ändernde Mischung von Bestandteilen vor, die als ein regelmäßiger, schrittweiser Übergang der Faserkonzentration von der zellstoffreichen inneren zu der an Polymerfasern reichen äußeren Region zu erkennen ist. Wie vorstehend angemerkt, wird angenommen, daß diese sich allmählich ändernde Mischung von Bestandteilen der Struktur einen gewünschten Zusammenhalt und eine Festigkeit liefert. Das abgestufte Material weist zum Beispiel Trapezreißfestigkeiten und Abziehfestigkeiten auf, die den durch die homogene Struktur erhaltenen erwünschten Werten entsprachen. Obschon jedes Probenmaterial nach der Bildung gebunden wurde, können die abgestuften Materialien wegen der Festigkeit und des Zusammenhalts der Struktur ohne Binden oder andere Nachbehandlungen verwendet werden.
Die abgestufte Struktur liefert auch eine erfolgreiche Vereinigung hoher Werte an kleinen Zusatzfasern (z. B. Zellstoff) und/oder teilchenförmigen Materialien, während verglichen mit homogenen Strukturen und Schichtstrukturen eine erhöhte Verschleißfestigkeit bereitgestellt wird. Die abgestufte Struktur liefert ferner erwünschte Werte für den Teilchen/Faser-Einfang oder Teilchen/Faser-Rückhalt. Dies ist bei einem Vergleich der Climet-Fusseltestergebnisse offensichtlich. Obschon die Erfinder nicht an eine besondere Betriebstheorie gebunden werden sollten, wird angenommen, daß die überlegenen Ergebnisse des abgestuften Materials (1) dem innigen Mischen, Verfilzen und in gewissem Maß dem Punktbinden klebriger, teilweise geschmolzener schmelzgeblasener Fasern an das Zusatzmaterial und (2) der Einschlußwirkung zuzuschreiben sind, die durch eine hohe Konzentration schmelzgeblasener Fasern in der Nähe der äußeren Oberflächen der Struktur bereitgestellt wird. Obschon die hohen Konzentrationen an schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe der äußeren Oberflächen den Faser-/Teilchenverlust verringern, ist es wichtig, daß sie keine Auswirkung auf die Handhabungsfähigkeiten des Materials als Flüssigkeit zu haben scheinen, wie durch die Messung der Absorptionskapazität, des Absorptionswerts und des Aufsaugwerts gezeigt wird.
Als der Düsenwinkel auf etwa 50 Grad geändert wurde, wurde ein homogenes Material erzeugt, das heißt ein Material mit einer im allgemeinen gleichförmigen Verteilung schmelzgeblasener Fasern und Zellstoff über die faserförmige Vliesstruktur. Dieses homogene Material ist in den Mikrophotographien von Fig. 6 und 7 dargestellt.
Als der Düsenwinkel auf etwa 75 Grad geändert wurde, wurde eine schichtförmige, faserförmige Vliesstruktur erzeugt, das heißt ein Material, das eine Ober- und Unterschicht aus schmelzgeblasenen Fasern aufweist, zwischen denen sich eine Zellstoffschicht befindet, die im wesentlichen frei von schmelzgeblasenen Fasern ist. Diese schichtförmige faserförmige Vliesstruktur wird in den Mikrophotographien von Fig. 8 und 9 dargestellt.
Obschon diese schichtförmige, faserförmige Verbundvliesstruktur praktisch alle ihre polymeren Fasern an ihren äußeren Oberflächen und praktisch ihr gesamter Zellstoff in ihrem inneren Teil aufweist, wies die schichtförmige Struktur trotz der Musterbindung der Struktur schlechte Festigkeitseigenschaften, Verschleißfestigkeit und Zellstoffeinfang auf. Es wird angenommen, daß die in der schichtförmigen Struktur vorhandenen scharf definierten Konzentrationszonen nicht den Wert der Vereinigung zwischen den Bestandteilen liefern können, der durch die abgestufte Struktur erzielt wird.

ANALYTISCHE BILDANALYSE

Die Konzentrationen der schmelzgeblasenen Polymerfasern und Zellstoffasern in der Nähe der äußeren Oberflächen und in den inneren Teilen der Proben wurden durch analytische Bildanalyse bestimmt. Bei dieser analytischen Technik wurden für jede Seite dreier quadratischer Proben von 1,27 cm (½ Zoll) Rasterelektronenmikrophotographien bei 100-facher (linear) Vergrößerung angefertigt. Die Rasterelektronenmikrophotographien wiesen eine Sichttiefe von ungefähr 150 um auf. Jede Mikrophotographie wies eine Fläche von etwa 1000 um · 700 um auf und war von einem 5 · 5-Raster überlagert, das jede Mikrophotographie in 25 Abschnitte unterteilte. Jede Fläche war durch 1000 um getrennt. Die Menge an Zellstoffasern und die Länge der Zellstoffasern wurde für jede Fläche in der Mikrophotographie visuell aufgezeichnet.
Die Dichte der Zellstoffasern wurde zu etwa 1,2 Gramm/cm³ angenommen. Die Polypropylendichte wurde zu etwa 0,91 Gramm/cm³ angenommen. Der durchschnittliche Zellstoffaserdurchmesser wurde für die Flächenberechnungen zu etwa 50 um angenommen. Die Volumen- und Masseberechnungen nahmen an, daß jede Zellstoffaser einen Querschnitt aufwies, der etwa 10 um · 70 um maß.
Die Dicke jeder Probe wurde an mit einer Rasierklinge abgeschnittenen Querschnitten gemessen, die mittels einfallendem Licht hochkant betrachtet wurden. Säure wurde zum Extrahieren der Cellulose (z. B. Holzschliff) aus der Probe verwendet. Das Zellstoff/Polymer-Verhältnis der gesamten Probe (d. h. das Zellstoff/Polymer-Gesamtverhältnis) wurde durch Vergleichen des Anfangsprobengewichts (Zellstoff und Polymer enthaltend) zum Trockengewicht der säurebehandelten Probe (mit entferntem Zellstoff) bestimmt.
Die Zellstoffverhältnisse für eine Probenoberfläche bezogen sich auf die stereologe Äquivalenz von Flächenprozent zu Volumenprozent. Diese Annahme gestattet das Berechnen von Massenverhältnissen für eine Probenoberfläche unter Verwenden der Fläche und Dichte. Ein Zellstoff/Polymer-Verhältnis für den inneren (nicht die Oberflächenschicht) Teil der Probe wurde mittels der folgenden Formel berechnet:
Rc = (H&sub0; · R&sub0; - (Hs · (Rs1 = Rs2))/Hc
worin:
Rc = Zellstoff/Polymer-Verhältnis für den inneren (nicht die Oberflächenschicht oder zentralen) Teil
Hc = Höhe des inneren (nicht die Oberflächenschicht oder zentralen) Teils
R&sub0; = Zellstoff/Polymer-Verhältnis für die gesamte Probe (durch Säureextraktion bestimmt)
H&sub0; = Höhe der gesamten Probe
Rs1 = Zellstoff/Polymer-Verhältnis für die erste Oberflächenschicht (bestimmt durch analytische Bildanalyse)
Rs2 = Zellstoff/Polymer-Verhältnis für die zweite Oberflächenschicht (bestimmt durch analytische Bildanalyse)
Hs = Höhe der vereinigten Oberflächenschichten (vereinigte Sichttiefen der Rasterelektronenmikrophotographien).
Die in Tabelle 1 und 2 beschriebenen Proben wurden wie vorstehend beschrieben analysiert. Die Zellstoff/Polymer-Verhältnisse für die Proben werden in Tabelle 3 mitgeteilt. TABELLE 3 ZELLSTOFF/POLYMER-VERHÄLTNISSE
Die abgestufte Struktur, die als ein Beispiel der vorliegenden Erfindung dient, wies ein gesamtes Zellstoff/Polymer-(Gesamt)Verhältnis von 60/40 und eine durchschnittliche Polymerfaserkonzentration in ihren äußeren Oberflächenbereichen (d. h. innerhalb des Gesichtsfeldes der Rasterelektronenmikrophotographie) von etwa 73% auf. Nach der Berechnung wies die abgestufte Struktur in ihren inneren Teilen eine Polymerfaserkonzentration von 35% auf.

BEISPIEL 2

Entstippten Holzschliff und schmelzgeblasene Polypropylenfasern enthaltende faserförmige Verbundvliesstrukturen wurden gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen und in Fig. 1 und 2 veranschaulichten allgemeinen Verfahren hergestellt. Der entstippte Holzschliff war ein von der Weyerhaeuser Corporation unter der Handelsbezeichnung Weyerhaeuser NF-405 erhältliches Gemisch von etwa 80 Gew.- % gebleichtem Weichholz-Kraftzellstoff und etwa 20 Gew.-% gebleichtem Hartholz-Kraftzellstoff. Das Polypropylen war von der Himont Chemical Company unter der Handelsbezeichnung Himont PF-015 erhältlich. Schmelzgeblasene Fasern wurden durch Extrudieren des Polypropylens zu geschmolzenen Fäden mit einer Geschwindigkeit von etwa 40,9 kg/Stunde (90 Ib/Stunde) je Düse bei einer Extrusionstemperatur von 271ºC (520 Grad F) gebildet. Die geschmolzenen Fäden wurden in einem ersten Luftstrom mit einer Fließgeschwindigkeit von 377600 cm³/s (800 scfm) und einer Temperatur von 277ºC (530 Grad F) verfeinert.
Walzenzellstoff wurde in einer herkömmlichen Schlageinheit entstippt. Einzelne Zellstoffasern wurden in einem zweiten Luftstrom mit einem Druck von etwa 102 cm (40 Zoll) Wassersäule suspendiert. Die beiden ersten, die mitgeführten schmelzgeblasenen Fasern enthaltenden Luftströme trafen unter den angegebenen Bedingungen auf den zweiten Luftstrom auf und bewirkten einen Zusammenschluß der Ströme in unterschiedlichem Ausmaß. Die vereinigten Ströme bewegten sich weiter auf ein Formsieb zu und die Fasern wurden in Form eines Verbundmaterials gesammelt, das eine größere Konzentration schmelzgeblasener Fasern um seine Oberflächen herum und eine niedrigere Konzentration schmelzgeblasener Fasern (d. h. mehr Zellstoff) in seinen inneren Abschnitten aufwies. Die speziellen Eigenschaften und die Struktur des Verbundmaterials schwankten entsprechend den Änderungen bei den Verfahrensvariablen und Materialvariablen.
Die Verfahrensvariablen, die zum Herstellen der verschiedenen Materialien dieses Beispiels verändert wurden, waren (1) der Abstand zwischen den beiden Düsenspitzen (d. h. der Abstand α) und (2) der Winkel der Düsenspitzen (d. h. Düsenwinkel θ). Die Materialvariable, die geändert wurde, war das Zellstoff-zu-Polymer- Verhältnis. Das Zellstoff/Polymer-Verhältnis wurde wie in Beispiel 1 beschrieben bestimmt und bestätigt.
Die verschiedenen hergestellten faserförmigen Verbundvliesstrukturen werden in Tabelle 4 aufgeführt. Diese Strukturen wurden getestet, um zu bestimmen, wie die mittlere Fließporengröße des Verbundvlieses durch Verfahrensänderungen beeinflußt wurde. Die Strukturen wurden ferner getestet, um zu bestimmen, wie gut sie in der Lage sind, eine gleichförmige Flüssigkeitsverteilung innerhalb eines sich aus einzelnen Lagen der Verbundstruktur zusammensetzenden Stapels aufrecht zu erhalten. Ein derartiger Aufbau ist üblich, wenn die faserförmigen Verbundvliesstrukturen zum Gebrauch als feuchte Wischtücher verpackt sind. Derartige Packungen können nahezu unbegrenzt gelagert werden und müssen eine im wesentlichen gleichförmige Feuchtigkeitsverteilung innerhalb des gelagerten Stapels aufrecht erhalten. Das heißt, das obere Ende des Stapels sollte nicht austrocknen und die Flüssigkeit sollte sich nicht im unteren Ende des Stapels sammeln. Die Ergebnisse dieses Testens werden in Tabelle 4 als Flüssigkeitswanderungswert mitgeteilt. TABELLE 4
Wie vorstehend beschrieben können die faserförmige Verbundvliesstruktur und ihre damit zusammenhängenden Eigenschaften zum Erfüllen der geforderten Produktmerkmale verändert werden. In einem Trog mit nassen Tüchern ist es wichtig, überall im Stapel eine gleichmäßige Feuchtigkeitsverteilung aufrecht zu erhalten. Ohne eine gleichmäßige Feuchtigkeitsverteilung trocknet der obere Teil des Stapels aus und wird der untere Teil des Stapels gesättigt.
Es ist gefunden worden, daß die Feuchtigkeitsverteilung in einem Trog mit Wischtüchern verbessert werden kann, wenn Teile der Struktur in der Nähe der äußeren Oberflächen einen größeren Prozentsatz Polymermikrofasern aufweisen. Dies erhöht die relative Menge sehr kleiner Poren, das heißt Poren mit einer mittleren Fließporengröße unter 35 um (35 Mikron). Dies kann im allgemeinen in dem vorstehend beschriebenen Verfahren durch Einstellen des Abstandes zwischen den Düsenspitzen (d. h. Abstand a) auf mehr als 22,86 cm (9 Zoll) bewerkstelligt werden. Ein verhältnismäßig großer Abstand zwischen den Düsenspitzen entspricht einer größeren Verlangsamung des die mitgeführten und verfeinerten Fasern transportierenden Luftstromes. Dies verringert das Ausmaß der Vermischung, die zwischen dem Zellstoff und den schmelzgeblasenen Fasern in der Auftreffzone stattfindet. Außerdem erniedrigt ein größerer Abstand zwischen den Schmelzblasdüsenspitzen die Auftreffzone (Stelle, an der sich die Luftströme treffen) auf eine Position näher zum Formnetz. Dieser verkürzte Abstand begrenzt die zum Vermischen der Fasern verfügbare Zeit. Die beiden Verfahrensänderungen erzeugen eine abgestufte Verteilung des Zellstoffs mit der Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern. Die Teile der Struktur in der Nähe der Oberflächen weisen einen größeren Prozentsatz Polymermikrofasern auf, der die relative Menge kleiner Poren erhöht.

Claims

1. Verschleißfeste faserförmige Verbundvliesstruktur umfassend:

eine Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern mit einer ersten äußeren Oberfläche, einer zweiten äußeren Oberfläche und einem inneren Teil und

wenigstens ein weiteres Material, das so mit der Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern vereinigt ist, daß die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche der Vliesstruktur mindestens etwa 60 Gew.-% beträgt und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil weniger als etwa 40 Gew.-% beträgt.

2. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 1, wobei der Verbund eine Verschleißfestigkeit aufweist, die mindestens etwa 30% größer als die eines homogenen Gemisches derselben Bestandteile ist.

3. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 2, wobei der Verbund eine Verschleißfestigkeit aufweist, die etwa 50 bis etwa 150% größer als die eines homogenen Gemisches derselben Bestandteile ist.

4. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 1, wobei die Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern eine Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Polyolefinfasern, Polyamidfasern, Polyesterfasern, Polyurethanfasern, Polyvinylalkoholfasern, Polycaprolactonfasern und Gemischen derselben besteht.

5. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 4, wobei die Polyolefinfasern aus einem Polyolefin gebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Ethylencopolymeren, Propylencopolymeren, Butylencopolymeren und Gemischen derselben besteht.

6. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 1, wobei das weitere Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyesterfasern, Polyamidfasern, Polyolefinfasern, aus Cellulose stammenden Fasern, Mehrkomponentenfasern, Naturfasern, absorbierenden Fasern oder Gemischen aus zwei oder mehr besagten Fasern besteht.

7. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 1, wobei die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche etwa 70 bis etwa 90 Gew.-% beträgt und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil kleiner als etwa 35 Gew.-% ist.

8. Verbundvliesmaterial umfassend wenigstens zwei Schichten der verschleißfesten faserförmigen Verbundvliesstruktur gemäß Anspruch 1.

9. Feuchtes Wischtuch umfassend die faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 1, wobei das feuchte Wischtuch etwa 100 bis etwa 700% des Trockengewichts an Flüssigkeit enthält.

10. Feuchtes Wischtuch von Anspruch 9, wobei das feuchte Wischtuch etwa 200 bis etwa 450% des Trockengewichts an Flüssigkeit enthält.

11. Feuchtes Wischtuch von Anspruch 9, wobei das feuchte Wischtuch eine Naßabziehfestigkeit von mindestens etwa 0,068 kg (0,15 Pfund) und eine Trapeznaßreißfestigkeit in wenigstens zwei Richtungen von mindestens etwa 0,136 kg (0,30 Pfund) aufweist.

12. Feuchtes Wischtuch von Anspruch 11, wobei das feuchte Wischtuch eine von etwa 0,068 bis etwa 0,091 kg (etwa 0,15 bis etwa 0,20 Pfund) reichende Naßabziehfestigkeit und eine von etwa 0,136 bis etwa 0,409 kg (etwa 0,30 bis etwa 0,90 Pfund) reichende Trapeznaßreißfestigkeit in wenigstens zwei Richtungen aufweist.

13. Feuchtes Wischtuch von Anspruch 9, wobei das feuchte Wischtuch ein von etwa 20 bis etwa 500 Gramm je Quadratmeter reichendes Grundgewicht aufweist.

14. Verschleißfeste, faserförmige Verbundvliesstruktur mit hohem Zellstoffgehalt umfassend:

weniger als etwa 35% des Gesamtgewichts an schmelzgeblasenen Fasern, die eine Matrix mit einer ersten äußeren Oberfläche, einer zweiten äußeren Oberfläche und einem inneren Teil bilden, und

mehr als etwa 65% des Gesamtgewichts an Zellstoffasern, die so mit der Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern vereinigt sind, daß die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche der Vliesstruktur mindestens etwa 60 Gew.-% beträgt und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil kleiner als etwa 40 Gew.-% ist.

15. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 14, wobei der Verbund einen gemäß Climent-Fusseltrockentestverfahren bestimmten kleineren Fusselverlust als etwa 50 Teilchen von 10 um (10 Mikron) Größe je 283,2 cm³ (0,01 ft³) Luft und weniger als etwa 200 Teilchen von 0,5 um (0,5 Mikron) Größe je 283,2 cm³ (0,01 ft³) Luft aufweist.

16. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 14, wobei der Verbund eine Verschleißfestigkeit aufweist, die mindestens etwa 30% größer als die eines homogenen Gemisches derselben Bestandteile ist.

17. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 16, wobei der Verbund eine Verschleißfestigkeit aufweist, die etwa 50 bis etwa 150% größer als die eines homogenen Gemisches derselben Bestandteile ist.

18. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 14, wobei die Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern eine Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Polyolefinfasern, Polyamidfasern, Polyesterfasern, Polyurethanfasern, Polyvinylalkoholfasern, Polycaprolactonfasern und Gemischen derselben besteht.

19. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 18, wobei das Polyolefin aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Ethylencopolymeren, Propylencopolymeren, Butylencopolymeren und Gemischen derselben besteht.

20. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 14, wobei der Zellstoffgesamtgehalt der Struktur von etwa 65 bis etwa 95% bezogen auf das Gesamtgewicht der Struktur reicht.

21. Faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 14, wobei die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche etwa 70 bis etwa 90 Gew.-% beträgt und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil kleiner als etwa 20 Gew.-% ist.

22. Verbundvliesmaterial umfassend wenigstens zwei Schichten der verschleißbeständigen faserförmigen Verbundvliesstruktur mit hohem Zellstoffgehalt gemäß Anspruch 14.

23. Feuchtes Wischtuch umfassend die faserförmige Verbundvliesstruktur von Anspruch 14, wobei das feuchte Wischtuch etwa 100 bis 700% des Trockengewichts an Flüssigkeit enthält.

24. Feuchtes Wischtuch von Anspruch 23, wobei das feuchte Wischtuch etwa 200 bis etwa 450% des Trockengewichts an Flüssigkeit enthält.

25. Feuchtes Wischtuch von Anspruch 23, wobei das feuchte Wischtuch eine Naßabziehfestigkeit von mindestens etwa 0,068 kg (0,15 Pfund) und eine Trapeznaßreißfestigkeit in wenigstens zwei Richtungen von mindestens etwa 0,136 kg (0,30 Pfund) aufweist.

26. Feuchtes Wischtuch von Anspruch 25, wobei das feuchte Wischtuch eine von etwa 0,068 bis etwa 0,091 kg (etwa 0,15 bis etwa 0,20 Pfund) reichende Naßabziehfestigkeit und eine von etwa 0,136 bis etwa 0,409 kg (etwa 0,30 bis etwa 0,90 Pfund) reichende Trapeznaßreißfestigkeit in wenigstens zwei aufweist.

27. Feuchtes Wischtuch von Anspruch 23, wobei das feuchte Wischtuch ein von etwa 20 bis etwa 500 Gramm je Quadratmeter reichendes Grundgewicht aufweist.

28. Verfahren zum Herstellen einer verschleißfesten faserförmigen Verbundvliesstruktur umfassend das:

Bereitstellen eines sich unter Bilden einer Auftreffzone schneidenden ersten und zweiten Stromes aus schmelzgeblasenen thermoplastischen Polymerfasern, Einführen eines Stromes aus Zusatzmaterial zwischen den ersten und zweiten Strom aus schmelzgeblasenen thermoplastischen Polymerfasern und in die Auftreffzone unter Bilden eines Verbundstromes und

Sammeln des Verbundstromes auf einer Formfläche als Matrix aus schmelzgeblasenen thermoplastischen Polymerfasern mit so mit der Matrix aus schmelzgeblasenen Fasern vereinigtem Zusatzmaterial, daß die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern in der Nähe jeder äußeren Oberfläche der Vliesstruktur mindestens etwa 60 Gew.-% ist und die Konzentration der schmelzgeblasenen Fasern im inneren Teil kleiner als etwa 40.-% ist.