DE69722657T2

DE69722657T2 - Vernetzte cellulosefasern, eine faserbahn, ein absorbierendes produkt und verfahren zur erhöhung der festigkeit von zusammensetzungen mit hochbauschigen fasern

Info

Publication number: DE69722657T2
Application number: DE69722657T
Authority: DE
Inventors: A. John WESTLAND
Original assignee: Weyerhaeuser Co
Current assignee: Weyerhaeuser Co
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: ATE242352T1; DE69722657D1; EP0946810A1; US5755828A; EP0946810B1; WO1998027262A1; CA2273290A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein vernetzte Cellulosefasern, eine Faserbahn und ein Absorbens-Produkt, das diese vernetzten Fasern enthält, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher vernetzter Fasern und ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit von Zusammensetzungen, die Fasern mit hoher Schüttdichte enthalten. Insbesondere betrifft die Erfindung Cellulosefasern, die modifiziert sind unter Einschluss von freien anhängenden Carbonsäuregruppen, die Produkte, die aus diesen Fasern hergestellt sind, eine verbesserte Festigkeit verleihen.
Hintergrund der Erfindung
Celluloseprodukte, wie Absorbens-Bahnen oder andere Strukturen bestehen aus Cellulosefasern, die ihrerseits aus einzelnen Celluloseketten bestehen. Gewöhnlich werden Cellulosefasern vernetzt, um Produkten, die solche vernetzte Fasern enthalten, vorteilhafte Eigenschaften zu verleihen, wie 1 eine verbesserte Absorbens-Kapazität, Schüttdichte und Spannkraft. Fasern mit hoher Schüttdichte sind im allgemeinen hochvernetzte Fasern und sind durch eine hohe Absorbens-Kapazität und Spannkraft gekennzeichnet.
Vernetzte Cellulosefasern und Methoden zu ihrer Herstellung sind verbreitet bekannt; Tersoro und Willard, Cellulose and Cellulose Derivatives, Bikales und Segal, Herausgeber, Part V, Wiley-Interscience, New York, (1971), Seiten 835–875. Vernetzte Cellulosefasern werden hergestellt durch Behandeln der Fasern mit einem Vernetzungsmittel. Vernetzungsmittel sind im allgemeinen bifunktionelle Verbindungen, die im Zusammenhang mit der Vernetzung von Cellulose eine Hydroxylgruppe einer Cellulosekette kovalent an eine andere Hydroxylgruppe einer benachbarten Cellulosekette binden bzw. kuppeln. Bei einem Vernetzungsverfahren werden Cellulose-Hydroxylgruppen verbraucht und durch Vernetzungsmittel ersetzt (d. h. kovalente Bindungen, die das Vernetzungsmittel an die Cellulosefaser binden). Beispielsweise geht der Verlust von Hydroxylgruppen beim Vernetzen von Cellulose mit einem Carbonsäure-Vernetzungsmittel mit der Bildung von Ester-Bindungen einher.
Die Zugfestigkeit oder Festigkeit der Bahnen von faserartigen Produkten, die sich von Cellulosefasern ableiten, hängt zum großen Teil von Anziehungs-Wechselwirkungen von Faser zu Faser ab. Diese Wechselwirkungen zwischen Fasern umfassen die Wasserstoffbindung zwischen Fasern mit Stellen mit Wasserstoffbindungen. Bei Cellulose umfassen Wasserstoffbindungen in erster Linie die Hydroxylgruppen der einzelnen Celluloseketten.
Im allgemeinen weisen vernetzte Fasern eine größere Absorbens-Kapazität. Schüttdichte und Spannkraft auf als nicht vernetzte oder unbehandelte Cellulosefasern. Entgegengesetzt haben unbehandelte Cellulosefasern aufgrund der Verfügbarkeit ihrer Hydroxylgruppen als Stellen für die Wasserstoffbindung eine größere Bindefähigkeit als andere Cellulosefasern. Dementsprechend weisen zwar faserförmige Produkte, die sich von vernetzten Fasern ableiten, vorteilhafte Absorbens-Eigenschaften auf, jedoch leiden diese Produkte typischerweise an einer unerwünscht niedrigen Zugfestigkeit oder Bahnfestigkeit. Die relativ niedrige Zugfestigkeit liegt in erster Linie an der Verringerung der Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern, die aus der Verringerung der Stellen an den Fasern für Wasserstoffbindungen (d. h. Hydroxylgruppen der Cellulose) beim Vernetzen resultiert. Wie vorstehend erwähnt, reagieren Vernetzungsmittel an den Wasserstoffbindungs-Stellen der Faser, wobei die Stellen in Vernetzungen übergeführt werden, die im allgemeinen nicht wesentlich an der Wasserstoffbindung zwischen den Fasern beteiligt sind. Dementsprechend werden die vorteilhaften Absorbens-Eigenschaften, die vernetzten Fasern zu eigen sind, von einer Verringerung der Bindungsfähigkeit von einer Faser an die andere begleitet.
US-A-5 049 235 betrifft Cellulosefasern, die chemisch mit einem Poly(methylvinylether-comaleat)copolymer und Polyolen modifiziert sind. Die modifizierten Fasern können dazu verwendet werden mehrlagige Absorbens-Materialien durch ein Nasslegeverfahren herzustellen. Die resultierenden Absorbens-Produkte sind geeignet zur raschen Absorption von beträchtlichen Mengen an Wasser oder wässrigen Flüssigkeiten.
Dementsprechend besteht ein Bedürfnis nach Cellulosefasern mit hoher Schüttdichte, die vorteilhafte Absorbens-Eigenschaften haben und zusätzlich eine verstärkte Bindefähigkeit aufweisen, so dass die Festigkeit der Produkte, die solche Fasern enthalten, verbessert wird. Dieses Bedürfnis wird durch die vorliegende Erfindung erfüllt, die weitere entsprechende Vorteile liefert,
Übersicht über die Erfindung
Gemäß einem Merkmal betrifft die vorliegende Erfindung Cellulosefasern, die mit einem Vernetzungsmittel vernetzt sind und eine Polycarbonsäure, die kovalent durch eine Esterbindung an diese Fasern gekuppelt bzw. gebunden ist. Das Vernetzungsmittel hat eine Härtungstemperatur, die niedriger liegt als die Härtungstemperatur der Polycarbonsäure und die Vernetzung liegt zwischen dem Vernetzungsmittel und der Faser vor. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Polycarbonsäure Polyacrylsäure.
Faserbahnen, die derartige Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen enthalten und Absorbens-Materialien, die diese Faserbahnen enthalten, werden ebenfalls umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern mit verstärkter Bindungsfähigkeit bereitgestellt. Das Verfahren ergibt Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen. Bei dem Verfahren werden ein Vernetzungsmittel und eine Polycarbonsäure auf die Fasern aufgebracht und anschließend bei einer ausreichenden Temperatur gehärtet, um die Vernetzung zwischen dem Vernetzungsmittel und den Fasern auszubilden und eine Esterbindung zwischen der Polycarbonsäure und den Fasern herzustellen. Vorzugsweise ist die Esterbindung zwischen der Polycarbonsäure und der Faser als einzelne Esterbindung ausgebildet und nicht als Ausbildung intensiver Estervernetzungen,
Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieses Merkmals der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Cellulosefaserbahn mit hoher Schüttdichte und verstärkter Zugfestigkeit bereitgestellt. Bei dem Verfahren werden unbehandelte Fasern mit Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen kombiniert und zu einer Faserbahn geformt.
Genauere Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung betrifft Cellulosefasern mit verstärkter Bindungsfähigkeit und Verfahren, die sich auf derartige Fasern beziehen. Insbesondere betrifft die Erfindung Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen, Produkte, die diese Cellulosefasern enthalten und Verfahren, die sich auf die Herstellung und Verwendung dieser Fasern beziehen. Die erfindungsgemäßen Cellulosefasern weisen eine hohe Absorbens-Kapazität, Schüttdichte und Spannkraft auf und, wenn derartige Fasern statt üblicher vernetzter Fasern in einem Gemisch aus vernetzten Fasern und nicht behandelten Fasern eingesetzt werden, weist die resultierende Bahn eine verstärkte Zugfestigkeit oder Bahnfestigkeit auf.
Gemäß einem Merkmal werden durch die Erfindung Cellulosefasern mit verstärkter Bindekraft bereitgestellt. Diese Fasern umfassen eine Polycarbonsäure, die kovalent an die Cellulosefasern gebunden ist, Durch die kovalent an die Fasern gebundene Polycarbonsäure weisen die erfindungsgemäßen Cellulosefasern freie anhängende Carbonsäuregruppen auf.
Der hier verwendete Ausdruck „freie anhängende Carbonsäuregruppe" bezieht sich auf einen Carbonsäure-Substituenten einer Polycarbonsäure, die nach der teilweisen Härtung der Polycarbonsäure vorhanden ist (d. h. nach der Bildung einer Esterbindung zwischen einer Carbonsäuregruppe einer Polycarbonsäure und einer Hydroxylgruppe der Cellulosefaser). Eine derartige Carbonsäuregruppe hängt an der Polycarbonsäure an und ist frei zur Bildung von Wasserstoffbindungen, beispielsweise mit anderen Fasern. Die erfindungsgemäßen Fasern werden durch „teilweise Härtung" einer Polycarbonsäure in Anwesenheit der Fasern hergestellt, Der Ausdruck „Härtung" bezieht sich auf eine erschöpfende Reaktion eines Agens (z. B. eines Vernetzungsmittels) mit den Fasern, wohingegen teilweise Härtung weniger ist als eine erschöpfende Reaktion. Beispielsweise ist für viele Vernetzungsmittel, einschließlich Polycarbonsäure-Vernetzungsmitteln, eine erschöpfende Reaktion zwischen im wesentlichen sämtlichen Carbonsäuregruppen des Mittels und den Fasern erwünscht und geht entweder mit einer verlängerten Reaktionszeit und/oder einer erhöhten Härtungstemperatur einher. Die teilweise Härtung bezieht sich auf eine nicht-erschöpfende Reaktion, beispielsweise auf die Bindung von weniger als allen und vorzugsweise lediglich von einer einzigen Carbonsäuregruppe einer Polycarbonsäure an eine Faser. Die erschöpfende Reaktion erfolgt bei der Härtungstemperatur einer Verbindung und die nicht-erschöpfende Reaktion oder lediglich partielle Härtung erfolgt bei einer Temperatur unter der Härtungstemperatur. Das Ausmaß der Härtung ist auch eine Funktion der Zeit während der ein härtbares Mittel bei einer gegebenen Härtungstemperatur erwärmt wird.
Der Fachmann auf dem Gebiet der Polycarbonsäuren erkennt, dass die Polycarbonsäuren, die erfindungsgemäß geeignet sind, auf den Fasern in einer Vielfalt von Formen vorliegen können, beispielsweise als freie Säureform oder Salze davon. Obwohl die Form der freien Säure bevorzugt ist, sei erwähnt, dass alle derartigen Formen in den Rahmen der Erfindung fallen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfassen geeignete Polycarbonsäuren solche mit einem Molekulargewicht von mindestens etwa 500 g/Mol, vorzugsweise innerhalb des Molekulargewichtsbereichs von etwa 500 bis etwa 25000 g/Mol, bevorzugter von etwa 1000 bis etwa 10000 g/Mol und am bevorzugtesten von etwa 1500 bis etwa 5000 g/Mol.
Die Polycarbonsäure kann eine polymere Polycarbonsäure sein. Geeignete polymere Polycarbonsäuren umfassen homopolyrnere und copolymere Polycarbonsäuren. Beispiele für homopolymere Polycarbonsäuren umfassen Polyacrylsäure, Polyasparaginsäure, Polyglutaminsäure, Poly(3-hydroxybuttersäure) und Polymaleinsäure. Beispiele für copolymere Polycarbonsäuren umfassen Polyacrylsäure-Copolymere, wie Poly(acrylamidco-acrylsäure), Poly(acrylsäure-co-maleinsäure), Poly(ethylen-co-acrylsäure) und Poly(1-vinylpyrrolidon-co-acrylsäure), sowie andere Polycarbonsäure-Copolymere, einschließlich Poly(ethylen-co-methacrylsäure), Poly(methylmethacrylat-co-methacrylsäure), Poly(methylvinylether-comaleinsäure), Poly(styrol-co-maleinsäure), Poly(3-hydroxybuttersäure-co-3-hydroxyvaleriansäure) und Poly(vinylchlorid-co-vinylacetat-co-maleinsäure). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die polymere Polycarbonsäure Polyacrylsäure. Gemäß einer bevorzugten anderen Ausführungsform ist die polymere Polycarbonsäure ein Copolymer von Acrylsäure und vorzugsweise ein Copolymer von Acrylsäure und einer anderen Säure, beispielsweise Maleinsäure. Die vorstehenden Beispiele für Polycarbonsäuren sind in verschiedenen Molekulargewichten und Molekulargewichtsbereichen im Handel erhältlich.
Die vorstehenden Polycarbonsäuren können allein oder in Kombination mit anderen verwendet werden unter Bildung der erfindungsgemäßen Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen.
Zur Verdeutlichung der chemischen und strukturellen Eigenschaften der erfindungsgemäß geeigneten Polycarbonsäure und insbesondere der Beziehung zwischen Molekulargewicht, Länge und Anzahl der Carbonsäuregruppen der Polycarbonsäure, ist ein Beispiel für eine repräsentative Polycarbonsäure die Polyacrylsäure. Wie vorstehend festgestellt, umfasst die an die erfindungsgemäßen Fasern gekuppelte Polycarbonsäure Polyacrylsäuren mit Molekulargewichten von mindestens etwa 500 g/Mol, vorzugsweise im Molekulargewichtsbereich von etwa 1000 bis etwa 15000 g/Mol und besonders bevorzugt von etwa 1500 bis etwa 5000 g/Mol. Dementsprechend umfasst die Polycarbonsäure Polyacrylsäuren mit mehr als etwa 7 Acrylsäureresten (wiederkehrende Acrylsäureeinheiten in dem Polymer), vorzugsweise von etwa 10 bis etwa 200 Acrylsäureresten und besonders bevorzugt von etwa 20 bis etwa 70 Acrylsäureresten. Dementsprechend umfasst die Polycarbonsäure Polyacrylsäuren mit mehr als etwa 7 Carbonsäuregruppen, vorzugsweise von etwa 10 bis etwa 200 Carbonsäuregruppen und besonders bevorzugt von etwa 20 bis etwa 70 Carbonsäuregruppen. Die Polycarbonsäure ist polyfunktionell und hat die Fähigkeit eine relativ große Anzahl von Carbonsäuregruppen bereitzustellen, die brauchbar sind zur Wasserstoffbindung zwischen den Fasern und zur Erhöhung der Festigkeit der Faserbahnen, Webs und Matten, die derartige Fasern enthalten.
Die Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen, die erfindungsgemäß gebildet werden, umfassen eine Polycarbonsäure, die vorzugsweise ein Molekulargewicht von mindestens etwa 500 g/Mol aufweist, kovalent durch eine Esterbindung an eine Cellulosefaser gebunden. Obwohl die erfindungsgemäß geeignete Polycarbonsäure kein Vernetzungsmittel ist, ist ersichtlich, dass die Bildung mehrerer Esterbindungen zwischen einer Polycarbonsäure und einer oder mehreren Celluloseketten oder Fasern auftreten kann und daher fällt eine derartige Bindung zwischen der Polycarbonsäure und den Fasern in den Rahmen der Erfindung, Beispielsweise kann die Polycarbonsäure eine einzige Esterbindung zu einer Cellulosekette, zwei oder mehrere Esterbindungen mit einer Kette oder zwei oder mehrere Esterbindungen zwischen zwei oder mehreren Ketten oder Fasern bilden. In jedem Falle weist nach der kovalenten Bindung an die Faser die Polycarbonsäure mindestens fünf freie anhängende Carbonsäuregruppen auf.
Polymere Polyacrylsäure-Vernetzungsmittel für Cellulosefasern wurden beschrieben; vergleiche beispielsweise US-A-5 549 791 von Herron et al. Diese Polyacrylsäure-Vernetzungsmittel wurden als besonders geeignet zur Bildung von vernetzenden Esterbindungen mit Cellulosefasern gefunden. Im Gegensatz zu üblichen Vernetzungsmitteln, die temperaturempfindlich sind, ist Polyacrylsäure bei hohen Temperaturen stabil und daher können diese Vernetzungsmittel erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden, um effektiv und wirksam hochvernetzte Fasern zu ergeben. Im allgemeinen dringen diese Polyacrylsäure-Vernetzungsmittel in das Innere der einzelnen Fasern ein und werden anschließend gehärtet, wobei man die mit dem Vernetzungsmittel behandelten Fasern erhöhten Temperaturen aussetzt (z. B. ein Acryl/Malein-Copolymer wird gehärtet bei etwa 188°C, 370°F) während etwa 8 Minuten und ein Polyacrylsäurepolymer wird gehärtet bei etwa 190°C, 375°F während etwa 30 Minuten). Es resultiert die Bildung von vernetzenden Bindungen zwischen den Fasern. Wie im Patent von Herron festgestellt, verleihen derart vernetzte Fasern eine erhöhte Spannkraft und Absorbens-Kapazität an Strukturen, die diese Fasern enthalten.
Im Gegensatz zu der von Herron beschriebenen Behandlung mit Polyacrylsäure-Vernetzungsmitteln werden erfindungsgemäß die Polycarbonsäuren keinen erhöhten Härtungstemperaturen ausgesetzt, um eine erschöpfende Vernetzung von Polycarbonsäure mit Fasern zu ergeben. Vielmehr wird erfindungsgemäß die Polycarbonsäure bei einer beträchtlich niedrigeren Temperatur gehärtet, um den gegenteiligen Effekt zu ergeben, nämlich um eine kovalente Bindung der Carbonsäure an die Fasern zu ergeben und gleichzeitig ausreichend freie Carbonsäuregruppen (d. h. nicht vernetzt) aufrecht zu erhalten, um den Fasern vorteilhafte Bindungseigenschaften und Faserstrukturen, die diese Fasern enthalten, Festigkeit zu verleihen. Erfindungsgemäß wird die Polycarbonsäure optimal kovalent an die Faser durch eine einzige Carbonsäuregruppe gebunden, wobei eine einzige Esterbindung zwischen der Faser und der Polycarbonsäure ausgebildet wird. Die Reaktion durch eine einzige Carbonsäuregruppe ermöglicht es den verbleibenden Carbonsäuregruppen der Polycarbonsäure an den Wechselwirkungen zwischen den Fasern (z. B. Wasserstoffbindung) in Faser-Zusammensetzungen teilzunehmen, wodurch die Festigkeit derartiger Zusammensetzungen erhöht wird. Daher sind, obwohl erfindungsgemäß, wie bei Herron beschrieben, Polycarbonsäure in Cellulosefasern eingearbeitet wird, die resultierenden Produkte aufgrund der unterschiedlichen Behandlungen und Ziele verschieden. Herron verwendet Polyacrylsäure als Vernetzungsmittel. Die Erfindung verwendet Polycarbonsäure als Festigungsmittel zur Erhöhung der Bindungsfestigkeit der Fasern. Die Auswirkung der Härtungstemperatur auf die Festigkeit der Faserbahnen, die die erfindungsgemäßen Fasern enthalten, wird im Beispiel 2 beschrieben.
Die Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen weisen eine wirksame Menge an Polycarbonsäure auf, die kovalent an die Fasern durch eine Esterbindung gebunden ist. Dies bedeutet, dass die Polycarbonsäure ausreicht, um eine Verbesserung der Festigkeit (z. B. Zugfestigkeit, Bahnfestigkeit) in Zusammensetzungen (z. B. Faserbahnen, Webs, Matten), die die Cellulosefasern, an die Polycarbonsäure kovalent gebunden ist, enthalten, im Vergleich mit üblichen Fasern, die derartige freie anhängende Carbonsäuregruppen nicht enthalten, zu ergeben. Wie im Beispiel 1 beschrieben, weisen Faserbahnen, die aus einer Kombination von unbehandelten Fasern und Fasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen (d. h. DMDHEU vernetzt/Polyacrylsäure) hergestellt sind, eine verbesserte Zugfestigkeit im Vergleich mit Faserbahnen auf, die aus nicht behandelten und vernetzten Fasern hergestellt wurden, die keine anhängenden Carbonsäuregruppen (d. h. DMDHEU vernetzt) enthalten, Im allgemeinen werden die Cellulosefasern mit einer ausreichenden Menge an Polycarbonsäure behandelt, so dass eine wirksame Menge an Polycarbonsäure kovalent an die Fasern gebunden wird.
Die Polycarbonsäure ist vorzugsweise auf den Fasern in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-% des Gesamtgewichts der Fasern vorhanden. Bevorzugter ist die Polycarbonsäure in einer Menge von etwa 1 bis etwa 6 Gew.-% des Gesamtgewichts der Fasern vorhanden und gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform in einer Menge von etwa 2 bis etwa 4 Gew.-% des Gesamtgewichts der Fasern. Bei weniger als etwa 0,1 Gew.-% Polycarbonsäure wird keine beträchtliche Verbesserung der Bindungsfähigkeit festgestellt und bei mehr als etwa 10 Gew,-% beginnen die Fasern unvorteilhaft brüchig zu werden.
Für die Polycarbonsäuren mit Molekulargewichten von etwa 1000 bis etwa 15000 g/Mol entspricht der bevorzugte Bereich der Polycarbonsäure auf den Fasern (d. h, von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-% der gesamten Fasern) einem Bereich von etwa 0,001 bis etwa 0,20 Mol-% Polycarbonsäure (basierend auf dem Molekulargewicht von 162 g/Mol für eine Anhydroglukose-Einheit). Dementsprechend ist erfindungsgemäß die Menge an Polycarbonsäure auf den Fasern beträchtlich geringer als für die bisher beschriebenen mit Polycarbonsäure mit niedrigem Molekulargewicht vernetzten Fasern mit einer wirksamen Menge von Vernetzungsmittel im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 10 Mol-% (vergleiche z. B. US-A-5 137 537; 5 183 707 und 5 190 563).
Die Polycarbonsäure kann auf die Fasern zur kovalenten Bindung durch jegliche Methode zur Herstellung von behandelten Fasern aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Polycarbonsäure mit den Fasern in Kontakt gebracht werden, wenn eine Faserbahn durch ein die Polycarbonsäure enthaltendes Bad geführt wird. Alternativ fallen auch andere Methoden zum Auftrag der Polycarbonsäure, einschließlich Sprühen oder Sprühen und Pressen oder Tauchen und Pressen mit einer Polycarbonsäurelösung in den Rahmen der Erfindung.
Die erfindungsgemäßen Fasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen sind Cellulosefasern, die mit einem Vernetzungsmittel vernetzt wurden. Die Vernetzungsmittel haben eine Härtungstemperatur unter der der Polycarbonsäure, d. h. unter etwa 160°C (320°F). Die Verwendung von Vernetzungsmittel mit Härtungstemperaturen unter der Temperatur der Polycarbonsäure ermöglicht die volle Härtung des Vernetzungsmittels, wobei die Polycarbonsäure (wie vorstehend beschrieben) lediglich teilweise gehärtet wird. Bevorzugte Vernetzungsmittel umfassen Harnstoff-Derivate, beispielsweise methylolierter Harnstoff, methylolierte cyclische Harnstoffe, methylolierte niedrig Alkyl-substituierte cyclische Harnstoffe, Dihydroxy-cyclische Harnstoffe, niedrig Alkyl-substituierte-dihydroxy-cyclische Harnstoffe, methylolierte Dihydroxy-cyclische Harnstoffe. Andere bevorzugte Vernetzungsmittel umfassen Dimethyldihydroxyharnstoff (DMDHU, 1,3-Dimethyl-4,5-dihydroxy-2-imidazolidinon). Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff (DMDHEU, 1,3-dihydroxymethyl-4,5-dihydroxy-2-imidazolidinon), Dimethylolharnstoff (DMU, Bis[N-hydroxymethyl]harnstoff), Dihydroxyethylenharnstoff (DHEU 4,5-Dihydroxy-2-imidazolidinon), Dimethylolethylenharnstoff (DMEU, 1,3-Dihydroxymethyl-2-imidazolidinon), Dimethyldihydroxyethylenharnstoff (DDI, 4,5-Dihydroxy-1,3-dimethyl-2-imodazolidinon) und Maleinsäureanhydrid. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Vernetzungsmittel Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff (DMDHEU). Vernetzungs-Katalysatoren können in Kombination mit dem Vernetzungsmittel verwendet werden, um die Ausbildung der Vernetzung zu fördern.
Im allgemeinen können die erfindungsgemäßen Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen hergestellt werden durch Auftrag einer Polycarbonsäure, wie vorstehend beschrieben, und eines Vernetzungsmittels mit einer Härtungsfemperatur unter der Härtungstemperatur der Polycarbonsäure auf Cellulosefasern und anschließendes Härten der Polycarbonsäure und des Vernetzungsmittels bei einer Temperatur, die ausreicht eine Vernetzung zwischen dem Vernetzungsmittel und den Fasern zu bilden und eine Esterbindung zwischen der Polycarbonsäure und den Fasern zu bilden. Erfindungsgemäß ist eine derartige Esterbindung zwischen der Polycarbonsäure und den Fasern keine erschöpfende Esterbildung wie bei der Vernetzung von Fasern. Die zur Bildung der Esterbindung ausreichende Temperatur ist niedriger als die Härtungstemperatur des Vernetzungsmittels und variiert unter anderem mit der spezifischen Säure und dem Feuchtigkeitsgehalt der Fasern. Für die als Beispiel genannte Säure. Polyacrylsäure, ist die Temperatur, die zur Esterbildung ausreicht, im Bereich von etwa 160°C (320°F) bis etwa 193°C (380°F). Die Verwendung eines Katalysators, wie vorstehend beschrieben, zur Förderung der Vernetzung und der Bildung der Esterbindung zwischen der Polycarbonsäure und der Cellulosefaser bei dieser Methode ist wahlfrei und kann die zur Bewirkung der Bildung der Esterbindung erforderliche Temperatur verringern. Zwar können Katalysatoren verwendet werden, um die Härtungstemperatur sowohl des Vernetzungsmittels als auch der Polycarbonsäure im Rahmen der Erfindung effektiv zu verringern, jedoch führt die Verwendung von Katalysatoren vorzugsweise nicht zu einer erschöpfenden Vernetzung der Polycarbonsäuren mit den Fasern.
Die erfindungsgemäßen Cellulosefasern können auch mit Hilfe eines Katalysators hergestellt werden. Bei einer derartigen Methode wird der Katalysator auf die Cellulosefasern in analoger Weise wie der Auftrag der Polycarbonsäuren auf die Fasern, wie vorstehend beschrieben, durchgeführt. Der Katalysator kann auf die Fasern vor, nach oder gleichzeitig mit der Polycarbonsäure aufgetragen werden. Dementsprechend liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen, welches die Härtung des Vernetzungsmittels und der Polycarbonsäure in Anwesenheit oder Abwesenheit eines Katalysators umfasst.
Im allgemeinen fördert der Katalysator die Bildung von Bindungen zwischen dem Vernetzungsmittel und/oder der Polycarbonsäure und den Cellulosefasern. Der Katalysator bewirkt die erhöhte Bildung einer Esterbindung (d. h. der Anzahl der gebildeten Bindungen) bei einer vorgegebenen Härtungstemperatur.
Geeignete Katalysatoren umfassen jeglichen katalysator, der die Geschwindigkeit der Bildung einer Bindung zwischen dem Vernetzungsmittel und/oder der Polycarbonsäure, wie vorstehend beschrieben, und den Cellulosefasern erhöht. Bevorzugte Katalysatoren umfassen Alkalimetallsalze von Phosphor-enthaltenden Säuren, wie Alkalimetallhypohposphite, Alkalimetallphosphite, Alkalimetallpolyphosphonate, Alkalimetallphosphate und Alkalimetallsulfonate. Besonders bevorzugte Katalysatoren umfassen Alkalimetallpolyphosphonate, wie Natriumhexametaphosphat und Alkalimetallhypophosphite, wie Natriumhypophosphit. Wenn ein Katalysator zur Förderung der Bindung verwendet wird, ist der Katalysator typischerweise in einer Menge im Bereich von etwa 5 bis etwa 20 Gew.-% der Polycarbonsäure vorhanden. Vorzugsweise ist der Katalysator in einer Menge von etwa 10 Gew.-% der Polycarbonsäure vorhanden.
Im allgemeinen können die erfindungsgemäßen Cellulosefasern hergestellt werden mittels eines Systems und einer Vorrichtung, wie in der US-A-5 447 977 von Young Sr. et al. beschrieben, auf die hier in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird. Kurz gesagt werden die Fasern mittels eines Systems und einer Vorrichtung hergestellt, welche eine Fördereinrichtung zum Transport einer Matte von Cellulosefasern durch eine Faser-Behandlungszone umfasst; einen Applikator zum Auftrag einer Behandlungssubstanz, wie eines Vernetzungsmittels und einer Polycarbonsäure aus einer Quelle für die Fasern in der Faser-Behandlungszone; einen Fibrisator zur vollständigen Trennung der einzelnen Cellulosefasern, die die Matte bilden, unter Bildung eines Faserausstoßes, der aus im wesentlichen ungebrochenen Cellulosefasern besteht; und einen Trockner, der an den Fibrisator gekuppelt ist zur Flash-Verdampfung restlicher Feuchtigkeit und zur Härtung des Vernetzungsmittels und der Polycarbonsäure unter Bildung von trockenen und gehärteten Fasern.
Der hier verwendete Ausdruck „Matte" betrifft jegliche ungewebte Bahnstruktur, die Cellulosefasern oder andere Fasern enthält, die nicht kovalent aneinander gebunden sind. Die Fasern umfassen Fasern, die aus Holzpulpe oder anderen Quellen, einschließlich Baumwollfasern, Hanf, Gräsern, Schilfrohr, Getreidespelze, Maisstängeln oder anderen geeigneten Quellen für Cellulosefasern, die zu einer Bahn gelegt werden können, erhalten werden. Die Matte von Cellulosefasern liegt vorzugsweise in einer ausgebreiteten Bahnform vor und kann eine von mehreren ballenförmigen Bahnen von bestimmter Größe oder eine kontinuierliche Rolle sein.
Jede Matte von Cellulosetesern wird durch eine Fördereinrichtung, beispielsweise ein Förderband oder eine Reihe von angetriebenen Walzen, transportiert. Die Fördereinrichtung führt die Matten durch die Faser-Behandlungszone.
In der Faser-Behandlungszone werden das Vernetzungsmittel und Polycarbonsäure auf die Cellulosefasern aufgetragen. Das Vernetzungsmittel und die Polycarbonsäure werden vorzugsweise auf eine oder beide Oberflächen der Matte aufgetragen unter Verwendung von jeglicher der Vielzahl im Stand der Technik bekannter Methoden, einschließlich Sprühauftrag, Walzen oder Tauchen. Nachdem die Materialien auf die Matte aufgetragen wurden, können die Materialien gleichmäßig über die Matte verteilt werden, beispielsweise durch Leiten der Matte durch ein Walzenpaar.
Nach Behandeln der Fasern mit dem Vernetzungsmittel und der Polycarbonsäure wird die imprägnierte Matte fibrisiert durch Beschicken der Matte durch eine Hammermühle. Die Hammermühle dient zur Trennung der Matte in ihre einzelnen Cellulosefaser-Komponenten, die anschließend in einen Trockner geblasen werden.
Der Trockner hat zwei aufeinanderfolgende Funktionen; zuerst wird Restfeuchtigkeit aus den Fasern entfernt und zweitens erfolgt eine Härtung des Vernetzungsmittels und der Polycarbonsäure entsprechend der Erfindung. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Trockner eine erste Trocknungszone zur Aufnahme der Fasern und zur Entfernung von Restfeuchtigkeit aus den Fasern über eine Flash-Trocknungsmethode und eine zweite Trocknungszone zur Härtung. Alternativ werden in einer anderen Ausführungsform die behandelten Fasern durch einen Flash-Trockner geblasen, um Restfeuchtigkeit zu entfernen und anschließend in einen Ofen übergeführt, worin die behandelten Fasern anschließend erfindungsgemäß gehärtet werden.
Vernetzte Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen führen zu vorteilhaften Absorbens-Eigenschafts-Charakteristika von vernetzten Fasern, einschließlich hoher Kapazität, Schüttdichte und Spannkraft im Vergleich mit nicht vernetzten Fasern. Da darüber hinaus die Fasern mit einem Vernetzungsmittel, das bei niedriger Temperatur härtet, vernetzt sind, wird die Vernetzung bei einer Temperatur unter der Härtungstemperatur der Polycarbonsäure erzielt, wodurch die Vernetzung jeglicher Polycarbonsäure auf ein Minimum herabgesetzt wird. Dementsprechend werden, obwohl die Wasserstoffbindungs-Stellen durch das Vernetzungsmittel verbraucht wurden, durch die teilweise gehärtete Polycarbonsäure-Komponente mit hoher Härtungstemperatur Wasserstoftblndungs-Stellen zu den Fasern im Vernetzungsverfahren gefügt. Diese Wasserstoffbindungs-Stellen umfassen die freien anhängenden Carbonsäuregruppen der teilweise gehärteten Polycarbonsäure. Die vernetzte Faser dieser Ausführungsform, die bei einer Temperatur unter der Härtungstemperatur der Polycarbonsäure (d. h. der Temperatur bei der eine erschöpfende Vernetzung erfolgt) gehärtet wurden, haben eine erhöhte Anzahl an freien anhängenden Carboxylgruppen im Vergleich mit Fasern, die mit dem Vernetzungsmittel allein oder bei einer höheren Härtungstemperatur mit der Polycarbonsäure allein gehärtet wurden.
Die erfindungsgemäßen Fasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen können zu Bahnen oder Matten mit einer hohen Absorbenskapazität, Schüttdichte, Spannkraft und erhöhter Zugfestigkeit geformt werden. Beispielsweise können diese Fasern mit anderen Fasern, wie vernetzten und unvernetzten Fasern, einschließlich Fasern mit hoher Schüttdichte, kombiniert werden, Die Bahnen und Matten, die Fasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen enthalten, können in eine Vielzahl von Absorbens-Produkten eingebracht werden, beispielsweise Papierbahnen, Einwegwindeln, Inkontinenz-Produkte für Erwachsene, Hygienebinden und Produkte für die weibliche Hygiene, wie Tampons, Bandagen und Watte (meat pad)-Produkte,
Es wurde festgestellt, dass bei der Verwendung von vernetzten Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen gemäß der Erfindung zum Ersatz üblicher vernetzter Cellulosefasern in einer Bahn oder einem Web aus vernetzten Fasern und nicht vernetzten Fasern die Zugfestigkeit der Bahn verbessert werden kann. Wie vorstehend festgestellt, führen die freien anhängenden Carbonsäuregruppen zu Stellen mit Wasserstoffbindungen, wodurch die Bindungsfähigkeit der Fasern an andere Fasern verbessert wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Faserbahn mit hoher Schüttdichte mit verstärkter Zugfestigkeit bereitgestellt. Bei dem Verfahren werden unbehandelte Fasern mit den erfindungsgemäßen Cellulosefasern (d. h. vernetzten Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen) kombiniert und anschließend zu einer Bahn oder einer Matte geformt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben die Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen etwa 1 bis etwa 4 Gew,-% Polycarbonsäure auf den Fasern, wobei die Polycarbonsäure teilweise bei einer Temperatur von etwa 149°C (300°F) bis etwa 171°C (340°F) gehärtet wurde. Die Cellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen sind in einer Menge von etwa 20 bis etwa 100 und bevorzugt von etwa 30 bis etwa 60 Gew.-% der gesamten kombinierten Fasern zur Bildung der Bahn vorhanden. Die nach der Methode erzeugte Bahn mit hoher Schüttdichte weist eine erhöhte Zugfestigkeit im Vergleich mit einer Bahn auf, die in gleicher Weise aus Fasern mit hoher Schüttdichte hergestellt wurde, die keine freien anhängenden Carbonsäuregruppen aufweisen.
Die Herstellung und Eigenschaften einer Faserbahn, die aus vernetzten Fasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen hergestellt wurde unter Verwendung eines repräsentativen Vernetzungsmittel (d. h. Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff) und einer Polycarbonsäure (d. h. Polyacrylsäure) sind in den Beispielen 1 und 2 beschrieben. Wie in den Beispielen gezeigt, erhöht die Einarbeitung einer derartigen vernetzten Faser in eine Faserbahn den Zugfestigkeitsindex der Bahn. Im Beispiel 1 wurden Bahnen aus einer Mischung von vernetzten Fasern und unbehandelten Fasern (2 : 1 ) (vergleiche z. B. Beispiel 1 , Tabelle 1 ) hergestellt. Bei diesen Mischungen erhöht der Zusatz von etwa 0,5 bis etwa 1 ,0 Gew.-% einer repräsentativen Polycarbonsäure, Polyacrylsäure mit einem Molekulargewicht von 10000 g/Mol, zu einer vernetzten Cellulosefaser (4 Gew.-% Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff) den Zugfestigkeitsindex um etwa 100 , bezogen auf Bahnen mit der gleichen Mischung von vernetzten und unbehandelten Fasern (d. h. Fasern, die allein mit DMDHEU vernetzt wurden in Abwesenheit einer Polycarbonsäure).
Beispiel 2 beschreibt die Wirkung des Polycarbonsäuregehalts und der Härtungstemperatur auf Faserbahnen, in die die erfindungsgemäßen Fasern eingearbeitet wurden. Im allgemeinen wird durch Erhöhung des Polycarbonsäuregehalts in den Fasern die Festigkeit der Bahnen, die diese Fasern eingearbeitet enthalten, erhöht und eine Erhöhung der Härtungstemperatur der erfindungsgemäßen Fasern verringert die Festigkeit der diese Fasern enthaltenden Faserbahnen.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung ohne sie zu beschränken.
BEISPIELE
Im allgemeinen können die erfindungsgemäßen Cellulosefasern und Produkte, die diese Fasern enthalten, nach einem System und einer Vorrichtung, wie beschrieben in der US-A-5 447 977 von Young Sr. et al., hergestellt werden.
BEISPEL I
Herstellung und Eigenschaften von Faserbahnen, die aus vernetzten Fasern mit freien anhängenden Polvcarbonsäuregruppen gebildet wurden
In diesem Beispiel werden die Herstellung und Eigenschaften von Faserbahnen beschrieben, die aus vernetzten Fasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen geformt wurden. Dieses Beispiel zeigt, dass eine Polycarbonsäure zu anderen Faser-Vernetzungssystemen gefügt werden kann, um die Bindungsfähigkeit der Fasern in Bahnen oder Matten zu verbessern.
Bei dem Verfahren wurden Faserbahnen, die aus einzelnen Cellulosefasern (Weyerhaeuser Co., New Bern, NC) zusammengesetzt waren mit Polyacrylsäure mit einem Molekulargewicht von 10000 g/Mol (HF-05, Rohm & Haas) und Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff (DMDHEU) in verschiedenen Verhältnissen gemäß der nachstehenden Verfahrensweise behandelt.
Kurz gesagt wurde eine Faserbahn mittels einer Walze durch ein konstant wiederaufgefülltes Bad einer wässrigen Lösung geführt, die die Polycarbonsäure und DMDHEU, eingestellt auf Konzentrationen um den gewünschten Gehalt an Polyacrylsäure (z. B. etwa 0,25 bis etwa 1,0 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung) und DMDHEU (z. B. etwa 2 bis etwa 4 Gew,-% der gesamten Zusammensetzung) zu erzielen, zusätzlich zu der Faserbahn enthielt. Die behandelte Faserbahn wurde anschließend durch einen Walzenspalt geführt, der so eingestellt war, dass ausreichend Lösung entfernt wurde, um eine Faserbahn mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 50% zu ergeben. Nach dem Durchlaufen des Walzenspalts wurde die nasse Faserbahn fibrisiert durch Beschicken der. Bahn durch eine Hammermühle. Die resultierenden Fasern wurden durch einen Flash-Trockner zu einem Cyclon geblasen, wo die behandelten Cellulosefasern gesammelt wurden. Die Härtung der behandelten Fasern erfolgte durch Einführen der Fluff-Fasern in einen Laboratoriumsofen und Erhitzen auf etwa 165,5°C (330°F) während etwa 5 Minuten.
Die vernetzten Fasern wurden anschließend zu unbehandelten Southern- Pine-Kraftpulpe-Fasern (NB416, Weyerhaeuser Co., Federal Way, WA) mit einem Faser-zu-Faser-Verhältnis von 2 : 1 (behandelt : unbehandelt) gefügt. Die resultierenden kombinierten Fasern wurden anschließend zu handgeformten Bahnen gebildet unter Verwendung einer Standard-TAPPI-Handbogen-Form. Der Zugfestigkeitsindex dieser Handbögen wurde unter Verwendung eines Instron Tensile Testing Instruments bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1. Zugfestigkeitsindex von Faserbdhnen, die mit Kombinationen von Polyacrylsäure (PAA) und Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff (DMDHEU) vernetzt wurden.
Wie in der vorstehenden Tabelle 1 gezeigt, erhöht der Zusatz von Polyacrylsäure zu Cellulosefasern, vernetzt mit einem repräsentativen auf Harnstoff basierenden Vernetzungsmittel, DMDHEU, die Zugfestigkeit der Bahnen, in die diese vernetzten Fasern eingearbeitet sind. Bei einer konstanten DMDHEU-Vernetzung (z. B. 4 Gew.-%) erhöht die Vergrößerung der Menge an Polyacrylsäure (z. B. von 0 auf 1 Gew.-%) die Zugfestigkeit der Bahnen, die aus diesen Fasern hergestellt werden. Beispielsweise haben Bahnen, die aus vernetzten Fasern mit etwa 0,5 bis 1 ,0 Gew.-% Polyacrylsäure auf der Faser hergestellt wurden, eine Zugfestigkeit, die etwa doppelt so groß ist wie die von Bahnen, die in gleicher Weise aus Fasern hergestellt wurden, die allein mit DMDHEU vernetzt wurden.
Die Festigkeit von Bahnen, die Fasern, behandelt mit Polyacrylsäure und DMDHEU enthielten, hergestellt wie vorstehend beschrieben, in Kombination mit unbehandelten Faserpulpen (NB416 und NF405, Weyerhaeuser Co., Federal Way WA) wurde ebenfalls bestimmt. Zwei Vernetzungssysteme von Polyacrylsäure und Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff wurden zur Herstellung der behandelten Fasern verwendet: (1) PAA : DMDHEU (1 : 1); und (2) PAA : DMDHEU (1 : 3). Die Bahnen wurden hergestellt durch Kombinieren der vernetzten und unbehandelten Fasern im Verhältnis 2 : 1 (vernetzt : unvernetzt) (bezeichnet als PAA : DMDHEU (1 : 1) und PAA : DMDHEU (1 : 3) in der nachstehenden Tabelle 2). Eine Kontrollbahn, hergestellt aus DMDHEU-vernetzten Fasern und unbehandelten Fasern (2 : 1) wurde ebenfalls zu Vergleichszwecken hergestellt (in der nachstehenden Tabelle 2 als DMDHEU bezeichnet). Für diese Bahnen wurden die Bruchlasf, der Zugfestigkeitsindex und die prozentuale Festigkeitssteigerung in Bezug auf Fasern, die allein mit DMDHEU vernetzt wurden, in der Tabelle 2 zusammengestellt.
Tabelle 2. Festigkeit von Faserbahnen, vernetzt mit Kombinationen von Polyacrylsäure (PAA) und Dimethyldihydroxyharnstoff (DMDHEU).
Wie in der Tabelle 2 gezeigt, führt die Zugabe von Polyacrylsäure zu dem DMDHEU-Vernetzungsmittel zu einer verstärkten Bahnfestigkeit im Vergleich mit Bahnen, die aus mit DMDHEU allein vernetzten Fasern hergestellt wurden. Für Bahnen, die aus vernetzten Fasern in denen das Verhältnis von Polyacrylsäure zu DMDHEU 1 : 1 ist, wird die Bahnfestigkeit um etwa 30% erhöht (z. B. 36 Erhöhung für NB416 und 28% Erhöhung für NB405) im Vergleich mit Bahnen, die aus Fasern hergestellt wurden, die allein mit DMDHEU vernetzt waren. Eine Verringerung der Menge an Polyacrylsäure in den vernetzten Fasern, bezogen auf DMDHEU-Vernetzungsmittel, scheint zu einer Verringerung der Festigkeit der Bahnen zu führen, die diese Fasern enthalten (z. B. 17% Steigerung für PAA : DMDHEU (1 : 3) im Vergleich mit 36% Steigerung für PAA : DMDHEU (1 : 1 )).
BEISPIEL 2
Wirkung des Polyacrvlsäureaehalts und der Härtungstemperatur auf Faserbahnen, die aus vernetzten Fasern mit freien anhängenden
Carbonsäuregruppen geformt wurden
Dieses Beispiel veranschaulicht die Wirkung des Polyacrylsäuregehalts und der Härtungstemperatur auf die Schüttdichte, die Absorptionskapazität und die Zugfestigkeit von Faserbahnen, die aus den vernetzten Fasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen geformt wurden.
Es wurde ein Test für die Absorptionsfähigkeit an einem Testkissen durchgeführt, durch Aufzeichnen des ursprünglichen Trockengewichts der Probe (W₁) in Gramm. Anschließend wird das Testkissen auf ein Draht-Stützsieb gelegt und in synthetischen Urin getaucht, eine Salzlösung, die 135 meq/l Natrium, 8,6 meq/l Calcium, 7,7 meq/l Magnesium, 1,95 Gew.-% Harnstoff (bezogen auf das Gesamtgewicht) plus andere Bestandteile enthält, die von National Scientific unter dem Handelsnamen RICCA erhältlich ist, und in horizontaler Lage während 10 Minuten gehalten. Die Kissen werden aus der synthetischen Urinlösung entfernt und können fünf Minuten lang abtropfen. Anschließend werden die Kissen 5 Minuten unter einer Belastung von 6,89 × 103 Pa (1,0 psi) gehalten. Das nasse Kissen wird erneut gewogen (W₂) in Gramm. Die Gesamtaufnahmefähigkeit unter Belastung wird als W₂ – W₁ angegeben. Die Kapazitätseinheit unter Belastung wird berechnet durch Division der Gesamtkapazität durch das Trockengewicht (W₂ – W₁/W₁).
Ein Zugfestigkeits-Integritätstest wird am trockenen Kissen durchgeführt an einem quadratischen Testkissen von 101,6 mm (4 Inch) mal 101,6 mm (4 Inch) durch Klammern des trockenen Testkissens längs zwei gegenüber liegenden Seiten. Etwa 3 Inch Kissenlänge bleiben sichtbar zwischen den Klammern bestehen. Die Probe wird vertikal in einer Instron-Testvorrichtung gezogen und die Zugfestigkeit wird gemessen und in N/m angegeben. Die Zugfestigkeit wird umgewandelt in den Zugfestigkeitsindex, Nm/g, durch Dividieren der Zugfestigkeit durch das Basisgewicht g/m².
In dieser Probe war Polyacrylsäure (PAA) mit Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff (DMDHEU) in verschiedenen Verhältnissen kombiniert und auf eine Faserbahn, wie vorstehend in Beispiel 1 beschrieben, aufgebracht. Bei einem Set von Untersuchungen wurden die resultierenden behandelten Fasern dann bei 165,5°C (330°F) gehärtet, einer Temperatur, die das DMDHEU-Vernetzungsmittel vollständig härtet, jedoch das PAA nur teilweise härtet (d. h. PAA ist kovalent an die Fasern gebunden, wobei die Polycarbonsäure noch frei anhängende Carbonsäuregruppen beibehält), unter Bildung von mit DMDHEU vernetzten Fasern. Unbehandelte Fasern (NB416) wurden anschließend zu den vernetzten Fasern in einem Faser-zu-Faser-Verhältnis von 2 : 1 (vernetzt : unbehandelt) gefügt und zu Handbahnen, wie vorstehend in Beispiel 1 beschrieben, geformt, Die Schüttdichte, Absorptionskapazität und Zugfestigkeit der Handbögen wurde anschließend für die verschiedenen DMDHEU : PAA-Kombinationen bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 zusammengestellt.
Tabelle 3. Wirkung des Polyacrylsäuregehalts auf die Festigkeit der Faserbahn
Die Ergebnisse zeigen, dass Polyacrylsäure zu einem Pulpenfaser-Vernetzungssystem gefügt werden kann, um die Bindungsfähigkeit der Fasern zu Bahnen oder Matten zu verbessern. Für das vorstehend verwendete DMDHEU-Vernetzungssystem lag der größte Anstieg der Bahnfestigkeit für Fasern mit einem Polyacrylsäuregehalt bei etwa 1 bis etwa 2 Gew.-% der gesamten behandelten Fasern.
In einem anderen Set von Versuchen wurden mit PAA : DMDHEU behandelte Fasern (d. h. 4% DMDHEU, 1% PAA) bei verschiedenen Temperaturen gehärtet (d. h. 171°C (340°F), 182°C (360°F), 193°C (380°F)) und anschließend mit unbehandelten Fasern kombiniert und zu Bahnen wie vorstehend beschrieben geformt. Eine Kontrollbahn, die aus mit DMDHEU vernetzter Faser und unbehandelten Fasern bestand, wurde ebenfalls zu Vergleichszwecken hergestellt. Für diese Bahnen wurden die Schüttdichte, die Absorptionskapazität und der Zugfestigkeitsindex gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 4 zusammengestellt.
Tabelle 4. Wirkung der Härtungstemperatur auf die Festigkeit von Faserbahnen
Die Ergebnisse zeigen, dass bei einem Anstieg der Härtungstemperatur für die mit Polyacrylsäure behandelten Fasern eine vollständigere Reaktion zwischen der Polyacrylsäure und den Cellulosefasern erfolgt, was zur Verfügbarkeit von weniger Carboxylgruppen zur Festigung der Bindung in der Bahn führt. Die Ergebnisse zeigen allgemein an, dass für diese Polyacrylsäure enthaltenden Bahnen ein Verlust an Bahnfestigkeit bei Steigerung der Härtungstemperatur auftritt.

Claims

Vernetzte Zellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen, umfassend mit einem Vernetzungsmittel vernetzte Zellulosefasern und eine an die Fasern kovalent gebundene Polycarbonsäure, worin das Vernetzungsmittel eine Härtungstemperatur unter der Härtungstemperatur der Polycarbonsäure hat und worin die Polycarbonsäure freie anhängende Carbonsäuregruppen an die Fasern liefert und worin die Vernetzung zwischen dem Vernetzungsmittel und den Fasern vorliegt,
Fasern nach Anspruch 1, worin die Polycarbonsäure durch eine Esterbindung kovalent an die Fasern gebunden ist.
Fasern nach Anspruch 1, worin die Polycarbonsäure ein Molekulargewicht im Bereich von etwa 500 bis etwa 20000 g/Mol aufweist.
Fasern nach Anspruch 1, worin die Polycarbonsäure ein Molekulargewicht im Bereich von etwa 1500 bis etwa 5000 g/Mol aufweist.
Fasern nach Anspruch 1, worin die Polycarbonsäure Polyacrylsäure ist.
Fasern nach Anspruch 1, worin die Polycarbonsäure auf den Fasern in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-% der Fasern vorhanden ist.
Fasern nach Anspruch 1, worin jede Polycarbonsäure mindestens etwa 5 freie anhängende Carbonsäuregruppen an die Fasern verleiht.
Fasern nach Anspruch 1, worin das Vernetzungsmittel Maleinsäureanhydrid ist.
Fasern nach Anspruch 1, worin das Vernetzungsmittel ein auf Harnstoff basierendes Vernetzungsmittel ist,
Fasern nach Anspruch 9, worin das auf Harnstoff basierende Vernetzungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe von Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff, Dimethylolharnstoff. Dihydroxyethylenharnstoff, Dimethylolethyienharnstoff, Dimethyldihydroxyethylenharnstoff und Gemischen davon,
Fasern nach Anspruch 1, worin das Vernetzungsmittel ein Gemisch aus Maleinsäureanhydrid und einem auf Harnstoff basierenden Vernetzungsmittel ist.
Faserbahn, umfassend Zellulosefasern, die mit einem Vernetzungsmittel vernetzt sind und eine kovalent an die Fasern gebundene Polycarbonsäure, worin das Vernetzungsmittel eine Härtungstemperatur unter der Härtungstemperatur der Polycarbonsäure hat und worin die Polycarbonsäure freie anhängende Carbonsäuregruppen an die Fasern liefert und worin die Vernetzung zwischen dem Vernetzungsmittel und den Fasern vorliegt.
Faserbahn nach Anspruch 12, worin die Polycarbonsäure Polyacrylsäure ist.
Faserbahn nach Anspruch 12, die darüber hinaus nicht-vernetzte Zellulosefasern enthält,
Faserbahn nach Anspruch 14, worin die nicht-vernetzten Zellulosefasern in einer Menge von etwa 10 bis etwa 80 Gew.-% der gesamten Fasern vorliegen.
Absorbensmaterial, umfassend Zelluiosefasern, die mit einem Vernetzungsmittel vernetzt sind und eine an die Fasern kovalent gebundene Polycarbonsäure, worin das Vernetzungsmittel eine Härtungstemperatur unter der Härtungstemperatur der Polycarbonsäure aufweist und worin die Polycarbonsäure freie anhängende Carbonsäuregruppen an die Fasern verleiht und worin die Vernetzung zwischen dem Vernetzungsmittel und den Fasern vorliegt.
Absorbensmaterial nach Anspruch 16, worin die Polycarbonsäure Polyacrylsäure ist,
Absorbensmaterial nach Anspruch 16, das darüber hinaus nicht-vernetzte Zellulosefasern enthält,
Verfahren zur Herstellung von vernetzten Zellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen, umfassend: Anwendung einer Polycarbonsäure; Anwendung eines Vernetzungsmittels mit einer Härtungstemperatur unter der Härtungstemperatur der Polycarbonsäure auf die Zellulosefasern; und Härten der Polycarbonsäure und des Vernetzungsmittels bei einer Temperatur, die ausreicht, um eine Vernetzung zwischen dem Vernetzungsmittel und den Fasern sowie eine Esterbindung zwischen der Polycarbonsäure und den Fasern zu bewirken, um vernetzte Zellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 19, worin die Polycarbonsäure und das Vernetzungsmittel bei einer Temperatur gehärtet werden, die ausreicht, um eine Vernetzung zwischen dem Vernetzungsmittel und den Fasern und eine Esterbindung zwischen der Polycarbonsäure und den Fasern zu bewirken, welches das Erwärmen auf etwa die Härtungstemperatur des Vernetzungsmittels umfasst,
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem darüber hinaus vor dem Härten eine wirksame Katalysatormenge zu den Zellulosefasern gefügt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Zellulosefaserbahn mit hoher Schüttdichte mit erhöhter Zugfestigkeit, umfassend: die Kombination von unbehandelten Fasern und vernetzten Zellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen, Zellulosefasern, die mit einem Vernetzungsmittel vernetzt sind und eine kovalent an die Fasern gebundene Polycarbonsäure, worin das Vernetzungsmittel eine Härtungstemperatur unter der Härtungstemperatur der Polycarbonsäure hat und worin die Polycarbonsäure freie anhängende Carbonsäuregruppen an die Fasern verleiht und worin die Vernetzung zwischen dem Vernetzungsmittel und den Fasern erfolgt; und Formen der kombinierten Fasern zu einer Bahn, um eine Zellulosefaserbahn mit hoher Schüttdichte mit erhöhter Zugfestigkeit zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 22, worin die vernetzten Zellulosefasern mit freien anhängenden Carbonsäuregruppen in einer Menge von etwa 20 bis etwa 90 Gew.-% der gesamten Fasern vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 22, worin die nicht-behandelten Fasern Fasern mit hoher Schüttdichte umfassen.