DE69729078T2

DE69729078T2 - Heterogene schaumstoffmaterialien

Info

Publication number: DE69729078T2
Application number: DE1997629078
Authority: DE
Inventors: Michael Thomas SHIVELY; Allen Thomas DES MARAIS; Collins John DYER; Joseph Keith STONE
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2017-02-22
Also published as: MX9807309A; KR100283465B1; US5869171A; CN1172722C; KR19990087624A; PH11997055757B1; MX204419B; BR9707961A; AU1965397A; DE69729078D1; JP3288717B2; EP0888137B1; WO1997032612A1; ZA971903B; US5817704A; CN1217663A; BR9707961B1; JPH11506803A; TW346393B; CA2248178C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Anmeldung bezieht sich auf flexible, mikroporöse, offenzellige polymere Schaummaterialien mit zwei oder mehreren unterschiedlichen Regionen aus verschiedenen zwischengefügten Schaumtypen, so dass eine gewünschte Mischung von Eigenschaften in einem einzelnen Materialstück bereit gestellt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Flexible offenzellige polymere Schäume sind zur Energieabsorption oder Isolierung (thermisch, akustisch, mechanisch), zur Filtration, Absorption von Fluiden und dergleichen, weit verbreitet. In den meisten Fällen haben die für diese Zwecke erwünschten Schäume relativ homogene Strukturen mit Zellen innerhalb eines gegebenen Größenbereichs, die durch offene "Fenster" oder "Löcher" mit benachbarten Zellen verbunden sind. Unter den verschiedenen Messgrößen solcher Schäume, die für jede Anwendung wichtig sind, befinden sich Zellgröße/Lochgröße und Verteilung, Anisotropie, Verteilung von Zellwänden zu Fenstern und Porosität. Die Anisotropie kann sich aus der relativen Abweichung zwischen der Form aller Zellen im Schaum und einem gewissen geometrischen Ideal ergeben. Im Allgemeinen hat sich die Arbeit damit beschäftigt, Schäume herzustellen, die so homogen und isotrop wie möglich im Hinblick auf die Zellgröße und -form und -dichte sind.
Polyurethanschäume mit einem Dichtebereich sind bekannte Materialien. Zum Beispiel haben die flexiblen Polyurethanschäume als "integrale Außenhaut" hoch dichte Außenhautschichten, die graduell über 1–3 cm in eine weniger dichte Kernregion übergeben. Siehe zum Beispiel Ashida, K.; Iwasaki, K. in "Handbook of Plastic Foams", Landrock, A. H., ED., Noyes, 1995; Kapitel 2, Seiten 56, 64–67, hier durch Bezugnahme mit aufgenommen. Die Gesamtdichten solcher Schäume liegen typischerweise zwischen etwa 200 und 1.100 kg/m³. Diese Schäume zeigen keine getrennten Regionen mit unterschiedlichen zusammengesetzten oder mikrostrukturellen Eigenschaften innerhalb eines einzelnen Stückes. Typischerweise haben diese Schäume höhere Dichten, größere Zellgrößen und/oder größere Lochgrößen, als Schäume, welche für bestimmte Anwendungen vorgezogen werden.
Schäume können aus polymeren Netzwerken hergestellt werden, welche verheddert wurden, um ein ineinander dringendes Netzwerk (IPN) zu bilden. Die IPNs können einige der Eigenschaften beider Polymertypen zeigen. Siehe zum Beispiel Odian G. G "Principles of Polymerisation", dritte Ausgabe, Wiley-Interscience; New York, 1991, New York, Seiten 149–150. Die IPNs beziehen sich nicht an sich darauf, Merkmale im supramolekularen Maßstab (z. B. Dichte oder Zellgröße) zu regulieren.
Laminate oder Sandwich-Strukturen von zwei oder mehr Schaumlagen mit unterschiedlichen Eigenschaften sind auch allgemein bekannt. Siehe zum Beispiel Gibson, L. J.; Ashby, M. F. "Cellulare Solids", Pergamon Press: Oxford, 1988, Kapitel 9. Die Bildung solcher Verbundstoffe benötigt einen zusätzlichen Schritt und kann die Verwendung eines Haftmittels erfordern, welches die Funktionsweise oder das Gewicht des Schaum-Verbundstoffes stören kann und als ein möglicher Punkt für eine Versagung dient.
Die Entwicklung hoch absorbierender Artikel für die Verwendung als Einwegwindeln, Erwachsenen-Inkontinenzpads und -einlagen und Damenbinden ist Gegenstand von erheblichen wirtschaftlichen Interesses. Die Fähigkeit solcher Produkte, Fluide, wie sie in Körperausscheidungen zu finden sind (z. B. Urin, Schweiß, Stuhl und Menstruationsfluide), anzunehmen, zu verteilen und zu speichern, ist offensichtlich kritisch im Hinblick auf ihre Funktion. Historisch gesehen, wurde dies primär erreicht, indem eine Kombination aus Zellulosefasern und darin eingefügten superabsorbierenden Teilchen verwendet wurde (im Allgemeinen leicht vernetzte, teilweise neutralisierte Polyacrylsäure, die ein Gel bildet, wenn sich mit freiem Wasser in Berührung kommt). Diesem Ansatz begegneten jedoch eine Anzahl von Schwierigkeiten hinsichtlich des Erreichens einer effizienten Entfernung des Fluid aus dem Körper des Trägers und Speicherung desselben entfernt vom Träger, und zwar teilweise aufgrund der Schwierigkeit, das richtige Gemischt von Teilchen und Faser zu regulieren und beizubehalten, damit der gewünschte Grad an kapillarem Fluidtransport und die gewünschte Kern-Integrität und -Flexibilität zu schaffen.
Weitere absorbierende Materialien, die in der Lage sind, einen Fluidtransport bereit zu stellen, enthalten bestimmte Typen von polymeren Schäumen in absorbierenden Artikeln für den Zweck des Einsaugens, Weitersaugens und/oder Zurückhaltens von wässrigen Körperfluiden. Siehe zum Beispiel US Patent 3,563,243 (Lindquist), veröffentlicht am 06. Februar 1971 (absorbierendes Pad für Windeln und dergleichen, bei welchem das primäre Absorptionsmittel eine hydrophile Polyurethan-Schaumlage ist); US Patent 4,554,297 (Dabi), veröffentlicht am 19.
November 1985 (Körperfluid absorbierende zellulare Polymere, die in Windeln oder Katamneseprodukten verwendet werden können); US Patent 4,740,520 (Garvey et al.), veröffentlicht am 26. April 1988 (absorbierende Verbundstruktur, wie Windeln, Frauen-Hygieneprodukte und dergleichen, die Schwamm-Absorptionsmittel enthalten, die aus bestimmten Typen super saugenden, vernetzten Polyurethanschäumen hergestellt sind). Diese Schäume können eine Kernintegrität und -Flexibilität bereit stellen, nicht aber den gewünschten Grad an kapillaren Fluidtransport.
Die Verwendung geeigneter absorbierender Schäume in absorbierenden Artikeln, wie Windeln und Katamnesepads, kann Merkmale in Bezug auf Kapillarfluid-Annahme, -Transport und -Speicherung, bereit stellen, die für die Verwendung in absorbierenden Kernen mit hohem Leistungsvermögen benötigt werden. Absorbierende Artikel mit solchen Schäumen können eine wünschenswerte Nass-Integrität besitzen, können einen geeigneten Sitz während der gesamten Tragezeit des Artikels liefern und können Veränderungen in der Form während der Benutzung (z. B. Quellen, Knautschen) minimieren.
Besonders geeignete absorbierende offenzellige Schäume mit geringer Dichte wurden hergestellt aus Emulsionen mit hoher innerer Phase (nachfolgend als "HIPE"s bezeichnet). Siehe zum Beispiel US Patent 5,260,345 (DesMarais et al.), veröffentlicht am 09. November 1993; und US Patent 5,268,224 (DesMarais et al.), veröffentlicht am 07. Dezember 1993. Weitere geeignete absorbierende Schäume sind beschrieben in den parallel anhängigen Anmeldungen U.S.S.N. 08/370,922 (DesMarais et al., eingereicht am 10. Januar 1995); U.S.S.N. 08/370,695 (Stone et al., eingereicht am 10. Januar 1995); U.S.S.N. 08/370,697 (Dyer, eingereicht am 10. Januar 1995); und U.S.S.N. 08/520,793 (DesMarais, eingereicht am 30. August 1995). Der HIPE-Prozess liefert eine leichte Kontrolle über die Zell- und Lochgröße und -Verteilung, die Proportion zwischen Zellwänden und -fenstern und die Porosität in diesen Schäumen. Wenn die HIPE-Schäume in geeigneter Weise behandelt werden, um die Oberfläche dieser Schäume hydrophil zu machen, liefern sie wünschenswerte Fluidhandhabungseigenschaften, einschließlich: (a) relative Saug- und Fluidverteilungs-Eigenschaften, um das eingesaugte Urin oder andere Körperfluid von der anfänglichen Auftreffzone in den ungenutzten Rest der Schaumstruktur weg zu transportieren, damit nachfolgende Schwalle von Fluid aufgenommen werden können; und (b) einer relativ hohen Speicherkapazität mit relativ hoher Fluidkapazität unter Last, das heißt, unter Kompressionskräften. Diese absorbierenden HIPE-Schäume sind auch ausreichend flexibel und weich, um einen hohen Grad an Komfort für den Träger des absorbierenden Artikels bereit zu stellen und können relativ dünn gemacht werden, bis sie nachfolgend durch das absorbierte Körperfluid benässt werden.
Eine wichtige Erscheinung, die mit den Fluidhandhabungseigenschaften eines absorbierenden Schaumes verbunden ist, ist die Kapillarstruktur. Schäume mit größeren Zellgrößen und Lochgrößen neigen dazu, ein Fluid schneller anzunehmen, verteilen aber das Fluid nicht ausreichend gegen die Schwerkraft, noch speichern sie das Fluid wirksam. Umgekehrt sind Schäume mit kleineren Zellgrößen und Lochgrößen in der Lage, ein Fluid gegen die Schwerkraft anzusaugen und das Fluid fest zu speichern, um es von der Haut des Trägers weg zu halten, sind aber typischerweise langsamer bei der Annahme eines Fluids. Wie bereits angegeben, wurden diese gegenteiligen Funktionen in einem absorbierenden Artikel primär durch Schichtung unterschiedlicher Typen getrennter absorbierender Schäume in der Z-Richtung erreicht, welche unterschiedliche Funktionen bereit stellen. Dies führt zu mehr Komplexität und zu höheren Kosten des Verfahrens und kann die gewünschten Produktgestaltungen auf solche begrenzen, welche die Kombination einzelner Teile erlauben. Auch diese Gestaltungen sind dahin gehend beschränkt, in der Lage sein zu müssen, Fluide durch eine Kapillardruckdifferenz zu bewegen, die nur zwischen den Schichten in der "Z-Abmessung" der Artikel vorliegt, das heißt, nicht in der "X-Y-Abmessung" oder innerhalb der Ebene einer gegebenen Schicht.
Eine weitere wichtige Sache ist die Festigkeit bzw. die Beständigkeit gegenüber einer Kompressionsbiegung des Schaums. Schäume mit vergleichsweise hohen Dichten, höheren Tgs (nachfolgend definiert) und/oder höheren Vernetzeranteilen zeigen im Allgemeinen einen größeren Widerstand gegenüber einer Verformung unter Druck. Dies wird auf Kosten der Verwendung von mehr Polymer pro Einheitsvolumen erreicht, was zu einem führt, welcher sich für die praktische Nutzung zu langsam verformt, oder zu einem Schaum, welcher zu brüchig oder unflexibel ist.
Das US patent 5,037,859 offenbart zusammengesetzte Schäume mit einem ersten steifen, mikrozellularen, offenzelligen organischen Polymerschaum mit einer Dichte von etwa 0,015 g/cm³ bis etwa 0,20 g/cm³ und mit einer Porengröße von etwa 1 Micron bis etwa 30 Micron, wobei der erste Schaum eines zweites Polymer mit einer Dichte von etwa 0,015 g/cm³ bis etwa 0,20 g/cm³ oder einen zweiten Polymerschaum mit einer dichte von etwa 0,015 g/cm³ bis etwa 0,20 g/cm³ und einer Porengröße von etwa 0,01 Micron bis etwa 1,0 Micron innerhalb der offenen Zellen des ersten Schaums enthält.
Die WO 97/19129 offenbart ein Verfahren für die Herstellung eines porösen vernetzten Polymerschaums. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens von zwei Wasser-In-Öl-Emulsionen. Polymerschäume können durch dieses Verfahren hergestellt werden, die positive Attribute der einzeln durch Aushärten jeder der Emulsionen gebildeten Schäume zeigen.
Dem gemäß wäre es wünschenswert, in der Lage zu sein, ein offenzelliges polymeres Schaummaterial herzustellen, das die verschiedenen oben aufgelisteten Eigenschaften als unterschiedliche Regionen innerhalb eines Materials kombiniert, das: (1) eine Kombination von Zellgrößen und/oder Lochgrößen in verschiedenen unterschiedlichen Regionen eines einzigen Schaumstückes zeigt, und/oder (2) eine Kombination von Festigkeiten und Flexibilitäten in einem einzigen Schaumstück zeigt und/oder (3) eine Kombination von Energie absorbierenden Eigenschaften in einem einzigen Schaumstück zeigt. Dies kann wenigstens teilweise das Erfordernis umgehen, separate Schaumstücke zu verwenden, um unterschiedlichen Zwecken zu dienen, wodurch die Effizienz und Vereinfachung von Artikeln aus den Gegenständen der vorliegenden Erfindung verbessert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine aus einer HIPE abgeleiteten heterogenen polymeren Schaumstruktur mit untereinander verbundenen offenen Zellen, wobei die heterogene polymere Schaumstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass diese ein oder mehrere Regionen mit einem spezifischen Oberflächenbereich pro Volumen von wenigstens 0,025 m²/cm³ aufweist, der dazu geeignet ist, eine Fluidspeicherung bereit zu stellen, und ferner ein oder mehrere Regionen mit einem spezifischen Oberflächenbereich pro Volumen bis zu 0,06 m²/cm³ aufweist, der dazu geeignet ist, eine Fluidannahme/Verteilung bereit zu stellen, wobei die Schaumstruktur wenigstens zwei unterschiedliche Bereiche aufweisen, die sich um wenigstens 20% im Hinblick auf ein oder mehrere von Polymer-Dichte, Polymer- Zusammensetzung, mittlerer Zellen-Durchmesser oder mittlerer Loch-Durchmesser unterscheiden. Solche heterogenen Schäume haben verschiedene Anwendungen, wie die Energie- und Fluidabsorption, Isolierung und Filtration.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen heterogenen absorbierenden Polymerschaum, der bei Kontakt mit wässrigen Fluiden (insbesondere Körperfluiden wie Urin und Blut), diese Fluide annehmen, verteilen und speichern kann. Vorzugsweise umfasst der heterogene absorbierende Polymerschaum der vorliegenden Erfindung eine hydrophile, flexible, nicht ionische polymere Schaumstruktur aus miteinander verbundenen offenen Zellen.
Ungeachtet dessen, ob der heterogene Schaum der vorliegenden Erfindung relativ hydrophob ist oder ein hydrophiler Schaum ist, der für die Absorption eines wässrigen Fluids geeignet ist, hat der Schaum wenigstens zwei unterschiedliche Regionen, die sich im Hinblick auf ein oder mehrere von Schaumdichte, Polymerzusammensetzung, spezifischen Oberflächenbereich oder Mikrozellular-Morphologie (z. B. Zellgröße, -form oder -verteilung oder Lochgröße) unterscheiden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Erhalten von heterogenen Schäumen, indem Wasser-In-Öl-Emulsionen oder eine HIPE polymerisiert wird. In einem Aspekt nutzt das Verfahren wenigstens zwei unterschiedliche HIPEs, wobei jede Emulsion eine relativ kleine Menge einer Ölphase und eine relativ größere Menge einer Wasserphase aufweist. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:

A) Bilden einer ersten Wasser-In-Öl-Emulsion aus:
1) einer Öl-Phase mit:
a) von etwa 85 bis etwa 98 Gew.-% einer Monomerkomponente, die in der Lage ist, ein Copolymer mit einer Tg von etwa 95°C oder weniger zu bilden, wobei die Monomerkomponente umfasst:
i) von etwa 20 bis etwa 70 Gew.-% wenigstens eines im Wesentlichen wasserunlöslichen monofunktionalen Monomers, das in der Lage ist, ein ataktisches amorphes Polymer mit einer Tg von etwa 25°C oder weniger zu bilden;
ii) von etwa 10 bis etwa 50 Gew.-% von wenigstens einem im Wesentlichen wasserunlöslichen monofunktionalen Comonomer, das in der Lage ist, eine Festigkeit zu verleihen, die derjenigen äquivalent ist, die durch Styrol geliefert wird;
iii) von etwa 5 bis etwa 50 Gew.-% eines ersten im Wesentlichen wasserunlöslichen polyfunktionalen Vernetzungsmittels, ausgewählt aus Divinylbenzolen, Trivinylbenzolen, Divinyltoluolen, Divinylxylolen, Divinylnaphthalinen, Divinylalkylbenzolen; Divinylphenanthrenen, Divinylbiphenylen, Divinyldiphenylmethanen, Divinylbenzylen, Divinylbiphenylen, Divinyldiphenylmethanen, Divinylbenzylradikalen, Divinylphenylethern, Divinyldiphenylsulfiden, Divinylfuranen, Divinylsulfid, Divinylsulfon und Gemischen davon; und
iv) von 0 bis etwa 15 Gew.-% eine zweiten im Wesentlichen Wasserunlöslichen polyfunktionalen Vernetzungsmittels, ausgewählt aus polyfunktionalen Acrylaten, Methacrylaten, Acrylamiden, Methacrylamiden und Gemischen davon; und
b) von etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% einer Emulgatorkomponente, welche löslich ist in der Ölphase und welche in der Lage ist, eine stabile Wasser-In-Öl-Emulsion zu bilden, wobei die Emulgatorkomponente einen primären Emulgator mit wenigstens etwa 40 Gew.-% emulgierenden Komponenten aufweist, die ausgewählt sind aus Diglycerol-Monoestern verzweigter C₁₆-C₂₄ Fettsäuren, linearer ungesättigter C₁₆-C₂₂ Fettsäuren und linearer gesättigter C₁₂-C₁₄ Fettsäuren, Sorbitan-Monoestern verzweigter C₁₆-C₂₄ Fettsäuren, linearer ungesättigter C₁₆-C₂₂ Fettsäuren, linearer gesättigter C₁₂-C₁₄ Fettsäuren, monoaliphatischer Diglycerolether verzweigter C₁₆-C₂₄ Alkohole, linearer ungesättigter C₁₆-C₂₂ Alkohole und linearer gesättigter C₁₂-C₁₄ Alkohole und Gemischen davon; und
2) einer Wasserphase mit einer wässrigen Lösung, die enthält: (a) 0,2 bis 20 Gew.-% eines wasserlöslichen Elektrolyts; und (b) eine effektive Menge eines Polymerisations-Initiators;
3) einem Volumen-Zu-Gewicht-Verhältnis von Wasserphase zu Ölphase im Bereich von etwa 20 : 1 bis etwa 200 : 1;
B) ein optionales Bilden einer zweiten unterschiedlichen Wasser-In-Öl-Emulsion, welche in mindestens einer Beziehung von der ersten Emulsion unterschiedlich ist; aber welche Materialien Bereiche aufweist, die gewählt sind aus denjenigen, die in Abschnitten A) 1), A) 2) und A) 3) aufgelistet sind; und
C) entweder
1) a) Vereinen der erste und zweiten Wasser-In-Öl-Emulsion in einem Bildungs-Behältnis vor der Polymerisierung der Monomer-Komponenten von jeder Wasser-In-Öl-Emulsionen; und
b) Polymerisieren beider Emulsionen, um einen polymeren heterogenen Schaum zu bilden;
2) a) teilweises oder vollständiges Polymerisieren der Monomer-Komponenten in der Öl-Phase der ersten Wasser-In-Öl-Emulsion;
b) Vereinen des Materials aus Schritt C) 2) a) und der zweiten Wasser-In-Öl-Emulsion; und
c) Polymerisieren der zweiten Emulsion und der ersten Emulsion, falls vereint, wenn teilweise ausgehärtet, um einen polymeren heterogenen Schaum zu bilden; oder
3) Erzeugen von nur der ersten Wasser-In-Öl-Emulsion unter Variieren der Verfahrensbedingungen, durch welche sie in regulärer Weise gebildet wird, und zwar unter Verwendung eines einzelnen Emulsions-Bildungs-Kopfes, wie nachfolgend beschrieben wird.

In einer Ausführungsform kann eine der erzeugten Emulsionen in einen Behälter oder in ein Reservoir gegossen werden, das teilweise oder vollständig mit Kugelsegmenten oder Materialstreifen gefüllt ist, die aus einer vorher polymerisierten zweiten Emulsion erzeugt wurde. Diese Kugelsegmente oder Materialstreifen sind durch und durch mit einer wässrigen Lösung gesättigt, sodass sie sich nahe an die Zusammensetzung der wässrigen Phase annähern, die verwendet wird, um die hinzu gegebene Emulsion zu bilden. Das Gemisch wird dann bei einer geeigneten Temperatur ausgehärtet, um eine einen heterogenen Schaum der vorliegenden Erfindung herzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform können Streifensegmenten aus unähnlichem Material unter Verwendung von zwei oder mehr emulsionsbildender Düsen erzeugt werden, die unterschiedliche Emulsionen schichtweise in einem Formungsbehälter ausdrücken; oder durch ein rhythmisches Variieren der die Emulsion erzeugenden Zustände mit der einzelnen Emulsionsdüse. In diesem Fall sorgt die Kontrolle über die relativen Mengendurchsätze beim Gießen und die relativen Anordnungen der zwei Düsen für eine Kontrolle über die räumlichen Beziehungen der zwei (oder mehr) unterschiedlichen Typen von Polymermaterial, das in dem endgültigen ausgehärteten Schaum entwickelt wird.
In einer dritten Ausführungsform wird eine einzelne Emulsion erzeugt, aber eine oder mehrere der Zustände aus Scherung, Wasser-Zu-Öl-Verhältnis, Gießtemperatur und dergleichen werden rhythmisch oder kontinuierlich variiert, sodass Regionen in dem resultierenden Schaum mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt werden. So ist anders als bei den oben beschriebenen zwei Ausführungsformen eine Bildung der optionalen zweiten Emulsion in dieser Ausführungsform nicht notwendig.
In einer vierten Ausführungsform wird eine erste unpolymerisierte Emulsion in eine Form eingeführt, die eine zweite Emulsion enthält, welche nicht wesentlich polymerisiert ist. Durch das Einführen der ersten Emulsion aus einer am Boden der Form positionierten Düse, während gleichzeitig die Düse weg gezogen wird, bildet die Emulsion eine Säule oder eine andere geometrische Figur innerhalb der zweiten Emulsion. Das Verfahren wird wiederholt. Scheiben der ausgehärteten Emulsion besitzen somit sich regelmäßig wiederholende Querschnitte der ersten Emulsion in Form der geometrischen Figur, die in der Ebene der Scheibe der zweiten Emulsion eingebettet ist. So werden Regionen unterschiedlicher Eigenschaften in ein Flächenmaterial eingeführt.
In einer fünften Ausführungsform wird eine erste Emulsion (ungehärtet oder gehärtet) in eine Form geformt oder geschnitten, die als eine Form wirkt oder in einer Form für eine zusätzliche Menge einer unterschiedlichen Emulsion sitzt, welche unregelmäßige, nicht planare Querschnitte von inniglich in Kontakt gebrachtem Material in dem endgültig ausgehärteten Produkt liefert.
In einer sechsten Ausführungsform wird eine einzelne Emulsion vor der Polymerisation einer Zentrifugierung ausgesetzt. Die Bedingungen der Zentrifugierung sind mild genug, dass die Wassertröpfchen nicht zerrissen werden und die Emulsion zerstört wird, aber stark genug, um einen Dichtegradienten in der Emulsion auszubilden. Beim Aushärten wird ein Dichtegradient in dem Schaum vorliegen.
Natürlich wird der Fachmann erkennen, dass mehr als zwei unterschiedliche Emulsionen verwendet werden können, um so einen heterogenen Schaum mit Regionen mit mehr als zwei unterschiedlichen Eigenschaften zu schaffen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (250 × Vergrößerung) der ersten Region eines heterogenen Schaumes mit vier Regionen und drei Grenzflächen.
2 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (250 × Vergrößerung) der zweiten Region innerhalb des gleichen heterogenen Schaumes.
3 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (250 × Vergrößerung) der zweiten Grenzfläche des gleichen heterogenen Schaumes, wobei einzelne Gießlinien zwischen der zweiten und der dritten Region hindurch gehen.
4 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (250 × Vergrößerung) der dritten Region innerhalb des gleichen heterogenen Schaumes.
5 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (250 × Vergrößerung) der dritten Grenzfläche des gleichen heterogenen Schaumes, wobei einzelne Gießlinien zwischen der dritten und vierten Region hindurch gehen.
6 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (250 × Vergrößerung) der vierten Region innerhalb des gleichen heterogenen Schaumes.
7 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (30 ×) der ersten von den drei Grenzflächen innerhalb des gleichen heterogenen Schaumes.
8 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (30 ×) der zweiten der drei Grenzflächen innerhalb des gleichen heterogenen Schaumes.
9 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie (30 ×) der dritten der drei Grenzflächen innerhalb der gleichen heterogenen Schäume ist.
10 eine Draufsicht eines Katamneseprodukts mit einem heterogenen Schaum der vorliegenden Erfindung als absorbierendes Element ist.
11 eine aufgeschnittene Darstellung einer Einwegwindel ist, die den absorbierenden Polymerschaum der vorliegenden Erfindung als eine sanduhrförmig gestaltete Fluidspeicherung/Verteilungs-Komponente nutzt, optional in einen absorbierenden Windelkern einer Zweischicht-Konfiguration.
12 der Zeichnungen eine aufgeschnittene Ansicht eines passförmigen Artikels zeigt, wie einem wegwerfbaren Übungshöschen-Produkt, das einen absorbierenden Polymerschaum gemäß der vorliegenden Erfindung als absorbierenden Kern verwendet.
13 der Zeichnungen eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Stückes eines heterogenen Schaumes der vorliegenden Erfindung mit drei unterschiedlichen Regionen ist, wobei die mittlere Region eine relativ großzellige Struktur ist und die zwei äußeren Regionen beide relativ kleinzellige Strukturen sind. Alternativ können die unterschiedlichen Regionen sich im Hinblick auf den spezifischen Oberflächenbereich zur Kapillarsaugung pro Volumen unterscheiden.
14 der Zeichnungen ist eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Stückes eines heterogenen Schaumes der vorliegenden Erfindung mit 5 unterschiedlichen Regionen.
15 der Zeichnungen ist eine perspektivische der gleichen Schaumstruktur, wie derjenigen, die in 13 gezeigt ist, wobei der Schaum c-gefaltet ist, sodass dieser eine Struktur mit einer relativ großzelligen Struktur auf der Oberseite und einer relativ kleinzelligen Struktur auf der Bodenseite liefert. Diese Schaumstruktur ist besonders geeignet für die Verwendung in einem absorbierenden Artikel, wie einem Katamnesepad, und liefert sowohl eine Annahme/Verteilungs-Schicht als auch eine Speicherschicht in einem Schaumstück.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Stückes eines heterogenen Schaumes mit diskontinuierlichen Kügelchen, die in einer diskreten, kontinuierlichen Region angeordnet sind.
17 ist eine Schnittansicht der Seite eines einzelnen Stückes eines heterogenen Schaumes der vorliegenden Erfindung, das diskrete Regionen in der Z-Richtung (das heißt, der Dicke) des Schaumes aufweist.
18 ist eine perspektivische Ansicht des gleichen Stückes eines heterogenen Schaumes, der in 17 gezeigt ist, wieder mit den diskreten Regionen in der Z-Richtung des Schaumes.
19 ist eine Mikrophotographie (250 × Vergrößerung) eines heterogenen Schaumes mit diskreten, nicht miteinander verbundenen Regionen, die in einer kontinuierlichen Region dispergiert sind. Die Mikrophotographie soll an der Grenzfläche der kontinuierlichen und wenigstens einer dispergierten Region aufgenommen sein. Überraschend wird zwischen den Regionen keine Diskontinuität beobachtet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
I. Heterogener Polymerschaum
Die Schäume dieser Erfindung sind heterogene, offenzellige Schäume. Die Heterogenität bezieht sich auf unterschiedliche Regionen innerhalb desselben Schaumes, welche unterschiedlich sind im Hinblick auf einen der Parameter Zellgröße, Lochgröße, Polymerzusammensetzung, spezifischer Oberflächenbereich oder Dichte. Die unterschiedlichen Regionen liegen im Makro-Maßstab vor, typischerweise wenigstens in Millimeter-Abmessungen. Die Schäume haben vorzugsweise eine relativ geringe Dichte mit Aggregatdichten von weniger als etwa 50 kg/m³ (0,050 g/cm³). "Offenzellig" bezieht sich auf Schäume, in welchen der Hauptteil der miteinander verbundenen Zellen in einer offenen Kommunikation zueinander stehen, wie unten vollständiger definiert wird. Diese Schäume werden vorzugsweise aus HIPEs hergestellt, wie dies nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird.
Die allgemeine Nutzbarkeit solcher heterogener Schäume ist breit. Zum Beispiel können Schäume spezifisch formuliert werden, dass sie um eine spezifische Frequenz einer Klangenergie herum bei gegebener Temperatur absorbieren. Zwei Frequenzen können absorbiert werden, indem zwei unterschiedliche, optimierte Schaumschichten sandwichartig zusammen angeordnet werden, was einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt erfordert. Die Schäume der vorliegenden Erfindung können so konstruiert sein, dass sie unterschiedliche Regionen umfassen, die dahin gehend optimiert sind, um zwei oder mehr spezifische Frequenzen herum zu absorbieren, ohne dem Erfordernis einer Laminierung von zwei unähnlichen Schaumstücken.
Bei Filtrationsanwendungen bestimmt die Lochgröße und das Lückenvolumen des Schaumes die Effizienz der Teilchenentfernung sowie der Strömungsdrosselung, die auf das gefilterte Fluid ausgeübt wird. Ein heterogener Schaum der vorliegenden Erfindung kann mit Regionen aus einem mit kleinen Löchern versehenen Material, die Regionen mit einem Material mit größeren Löchern verteilt sind, konstruiert sein, sodass feine Teilchen gefiltert werden, ohne den Fluss des Fluids durch den Filter zu behindern. In einen rezirkulierenden Filtrationssystem werden die feineren Teilchen eventuell durch die mit kleineren Löchern versehenen Regionen des heterogenen Schaumes eingefangen.
Noch ein weiteres ähnliches Konzept richtet sich auf absorbierende Schäume, in welchen ein Schaum mit relativ großer Zellgröße und Lochgröße ein Fluid in einem absorbierenden Artikel schneller absorbieren kann. Solche Schäume sind typischerweise über absorbierenden Schäumen mit relativ kleineren Zellgrößen und Lochgrößen geschichtet, was einen größeren Kapillardruck ausübt und das angenommene Fluid aus der oberen Schicht abführt und dessen Fähigkeit wieder herstellt, mehr Fluid anzunehmen. Die im Stand der Technik allgemein bekannten Verbundstrukturen sind durch die Fähigkeit beschränkt, zwei separaten Materialschichten, einschließlich einem Schaum, in geeigneter Weise und bequem zu verbinden. Die Schäume der vorliegenden Erfindung können so konstruiert sein, dass sie die Eigenschaften von zwei oder mehreren separaten Schaumstücken in einem Material bereitstellen, ohne einem dazwischen geschalteten Verbindungsschritt.
Eine bevorzugte Verwendung der Schäume der vorliegenden Erfindung erfolgt als absorbierende Kernmaterialien in absorbierenden Artikeln für die Verwendung als Einwegwindeln, Erwachsenen-Inkontinenzpads und Einlagen und Damenbinden.
Das Schaummaterial der vorliegenden Erfindung enthält wenigstens zwei Regionen, die sich im Hinblick auf ihren chemischen und/oder physikalischen Aufbau unterscheiden. Wie hier verwendet, bedeuten die Ausdrücke "unterschiedliche Regionen" und "unterschiedliche Schaumregionen", dass sich die Regionen im Hinblick auf ein oder mehrere von Schaumdichte, Polymerzusammensetzung, spezifischer Oberflächenbereich oder Mikrozellular-Morphologie (z. B. Zellgröße, Lochgröße) unterscheiden. Die ein oder mehreren Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Regionen werden ohne Weiteres messbar. Zum Beispiel sollten sich, falls die ein oder mehreren Unterschiede sich auf die Mikrostruktur beziehen, der mittlere Zellendurchmesser oder der mittlere Lochdurchmesser jeder Region um wenigstens etwa 20%, vorzugsweise wenigstens etwa 35%, noch bevorzugter wenigstens etwa 50% unterscheiden. Falls sich die Unterschiede auf die Dichte beziehen, sollten sich die Dichten der unterschiedlichen Regionen um wenigstens etwa 20%, vorzugsweise wenigstens etwa 35%, noch bevorzugter wenigstens etwa 50% unterscheiden. Falls zum Beispiel eine Region eine Dichte von 0,020 g/cm³ hat, sollte eine unterschiedliche Region eine Dichte von wenigstens etwa 0,024 g/cm³ oder weniger als etwa 0,016 g/cm³, vorzugsweise wenigstens etwa 0,027 g/cm³ oder weniger als etwa 0,013 g/cm³ und äußerst bevorzugt wenigstens etwa 0,030 g/cm³ oder weniger als etwa 0,010 g/cm³ haben. Falls die Unterschiede in ihrer Natur abhängig von der Zusammensetzung sind, sollten die Unterschiede eine relative Differenz in wenigstens einer Monomerkomponente von wenigstens etwa 20%, vorzugsweise 35%, noch bevorzugter wenigstens etwa 50% reflektieren. Falls zum Beispiel eine Region aus etwa 10% Styrol in ihrer Formulierung zusammengesetzt ist, sollte eine unterschiedliche Region zusammengesetzt sein aus wenigstens etwa 12%, vorzugsweise wenigstens etwa 15% oder nicht mehr als etwa 8%, vorzugsweise nicht mehr als etwa 5% zusammengesetzt sein. Wenn die Heterogenität auf Unterschieden in der Zellgröße basiert, sollte eine unterschiedliche Region, wenn eine Region Zellen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 100 μm enthält, Zellen mit einem mittleren Durchmesser von weniger als etwa 80 μm, vorzugsweise weniger als etwa 65 μm, äußerst bevorzugt weniger als etwa 50 μm enthalten. Wenn die Heterogenität auf Unterschieden der Lochgröße basiert, sollte eine unterschiedliche Region, falls eine Region Löcher mit einem mittleren Lochdurchmesser von etwa 20 μm enthält, Zellen mit einem mittleren Lochdurchmesser von weniger als etwa 16 μm, vorzugsweise weniger als etwa 13 μm, äußerst bevorzugt weniger als etwa 10 μm enthalten. Häufig werden die Unterschiede so stark hervor gehoben wie möglich, obwohl dies nicht immer wünschenswert ist. Die Unterschiede in den Regionen können alle drei Typen von oben diskutierten Unterschieden in den angegebenen Bereichen umfassen. Es können auch mehr als zwei unterschiedliche Regionen vorhanden sein, in welchen die Unterschiede zwischen den drei oder mehr unterschiedlichen Regionen die gleichen oben diskutierten Unterschiedsbereiche einschließen.
Obwohl die Schäume der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Regionen benötigen, damit sie heterogen sind, können diese Schäume zwischen den Regionen ein Continuum von Eigenschaften besitzen. Das heißt, während in bestimmten Ausführungsformen eine relativ scharfe Änderung der Eigenschaften auftreten wird, wenn sich von einer Region zur nächsten bewegt wird, werden andere Ausführungsformen eine viel allmählichere Änderung der Eigenschaften zwischen den Regionen haben.
Wenn zwei oder mehr Emulsionen verwendet werden, um einen heterogenen Schaum bereit zu stellen, bedeutet der Ausdruck "unterschiedliche Emulsionen", dass die Emulsionen sich in einem solchen Maß unterscheiden werden, dass ihre Polymerisation einen Schaum der vorliegenden Erfindung liefert, das heißt, mit den benötigten unterschiedlichen Regionen. Der Fachmann wird erkennen, dass Aspekte der Emulsionen (z. B. Monomer-Reaktionsmittel, Wasser-Zu-Öl-Verhältnis) und/oder die Bedingungen für ihre Verarbeitung (z. B. Scherraten, Gießtemperatur) verändert werden können, um Schäume mit den benötigten unterschiedlichen Regionen bereit zu stellen. Wenn ein Schaum unter Verwendung einer Emulsion hergestellt wird, werden die Verarbeitungsbedingungen die gewünschten Unterschiede zwischen den Regionen liefern.
Das die Schäume der vorliegenden Erfindung definitionsgemäß unterschiedliche Regionen mit unterschiedlichen Eigenschaften haben, können die Eigenschaften jeder Region am besten unter Verwendung eines homogenen Schaumes gemessen werden, der in der gleichen Weise präpariert wurde. Einige Messtechniken erfordern Probengrößen und -formen, die mit der Anforderung inkompatibel sind, die unterschiedlichen Eigenschaften jeder Region innerhalb des heterogenen Schaumes zu unterscheiden. Messungen an den zusammengesetzten heterogenen Schäumen im Allgemeinen werden definitionsgemäß eine gemittelte Eigenschaft in Bezug auf Volumen oder Oberflächenbereich der unterschiedlichen Regionen reflektieren, sofern die Messungen nicht in einem kleineren Maßstab als der Größe der unterschiedlichen Region selbst durchgeführt wird.
A. Allgemeine Schaumkennzeichen
Die multiregionalen Schäume der vorliegenden Erfindung können ein oder mehrere dispergierte, nicht miteinander verbundene Regionen und eine kontinuierliche Region umfassen. Die ein oder mehreren dispergierten, nicht miteinander verbundenen Regionen können in Form von unregelmäßigen Kugelsegmenten oder als größere unregelmäßige Formen, die in einer kontinuierlichen Region von unähnlichem Schaum eingebettet sind, vorliegen. Alternativ können die unterschiedlichen Regionen abwechselnde Streifen oder Wirbel, kontinuierlichen nur zwei Dimensionen, sein. Im Allgemeinen wird der Schaum aus einer Region eines diskontinuierlich separierten Materials ähnlicher Eigenschaften sein, das in einer Region eines kontinuierlichen Materials mit einem zweiten Satz Eigenschaften dispergiert ist.
Der Verhältnis der Volumen- und/oder Gewichtsfraktionen jeder Region ist offensichtlich wichtig und wird ohne Weiteres variiert. Vorzugsweise wird bei Schäumen mit diskontinuierlichen Segmenten wenigstens etwa 10% des Schaumvolumens die diskontinuierlichen Segmente betreffen, oder der Effekt kann zu klein sein, um günstig zu wirken. Nicht mehr als etwa 90% des Schaumvolumens werden die diskontinuierlichen Segmente sein, oder der Effekt kann die kollektiven Eigenschaften des Verbundschaumes dominieren. Vorzugsweise werden zwischen etwa 20% und 50% des Volumens des Schaumes die diskontinuierlichen Segmentevolumen umfassen. Falls der Schaum aus zwei oder mehr kontinuierlichen Regionen zusammengesetzt ist, jeder mit unterschiedlichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften, werden vorzugsweise zwischen etwa 20% und 80% des Schaumvolumen einen Typ im Ausgleich zu den ein oder mehreren anderen Typen umfassen. Es gibt im Grunde keine Beschränkung hinsichtlich der Anzahl unterschiedlicher Regionen, welche verteilt sein können, um einen gegebenen Schaum der vorliegenden Erfindung bereit zu stellen.
Es gibt mehrere Vorteile durch die Verwendung heterogener Schäume. Wenn ein oder mehrere ungleichmäßige sphärische Regionen in einer kontinuierlichen Region verteilt sind (wie dies in 16 gezeigt ist), können die ein oder mehreren sphärischen Regionen aus einem starken, gering dichten Polymer bestehen, welches druckbeständig ist, welches aber zu brüchig oder in seiner Tg zu hoch ist, um als eine kontinuierliche Lage verwendet zu werden. Ein Verbundschaum bestehend aus ein oder mehreren brüchigen Regionen oder Regionen mit zu hoher Tg, verteilt in einer kontinuierlichen Matrix eines flexiblen, festen absorbierenden Polymers, wird die gewünschten Eigenschaften des Letzteren beibehalten. Der zusammengesetzte Schaum kann mit geringerer Dichte als ein entsprechender homogener Schaum hergestellt werden. Die Dichte des gesamten Schaumes wird die gewichtsanteiligen Mittelwerte der Dichten der unterschiedlichen Regionen reflektieren. Ein solcher Schaum kann Festigkeit aus den starren Abschnitten herleiten, welche eine geringere Tendenz dahin gehend haben, unter Druck zusammen zu fallen. Der kontinuierliche flexible Abschnitt liefert die Flexibilität des gesamten Schaumes, an welchem es dem Schaum fehlen würde, wenn dieser nur aus dem starren Polymer bestehen würde. In einer alternativen Ausführungsform können diskrete, nicht miteinander verbundene Regionen in zwei oder mehreren diskreten kontinuierlichen Regionen verteilt sein.
Zusätzlich zum Modifizieren der Polymereigenschaften der Regionen (z. B. Tg, Dichte, Brüchigkeit), kann die mikrozellulare Struktur ebenso variiert werden. Dies ist besonders nützlich beim Kombinieren mehrerer Typen von Fluidhandhabungseigenschaften in einem Stück eines absorbierenden Schaumes. Zum Beispiel kann ein Schaum mit unterschiedlichen Regionen mit relativ höherem und niedrigerem Fluid-Kapillardruck entwickelt werden. Dies ist besonders verwendbar, wenn die Regionen in dem Schaumstück kontinuierlich verteilt sind und keine diskontinuierlichen Regionen sind. Durch dieses Verfahren werden Materialstreifen mit größeren Zellgrößen und Lochgrößen mit Streifen kleinerer Zellgrößen und Lochgrößen vermischt. (Siehe 13 und 14.) (Natürlich können andere Eigenschaften, wie der spezifische Oberflächenbereich pro Volumen, auch oder alternativ die Unterschiede zwischen Regionen definieren.) Die größere Zell-/Lochgrößen-Region wird für die Fluidannahme und die Saugwirkung geeignet sein, und die größeren Zell-/Lochgrößen-Regionen werden besser geeignet sein für die Fluidverteilung gegen die Schwerkraft und für die Speicherung. Diese Streifen können für eine schnellere Ansaugung entlang einer bevorzugten Richtung in einem absorbierenden Artikel sorgen, wodurch ein Fluid von den Rändern des Artikels weg gehalten wird, was besonders nützlich ist in Katamneseprodukten. In einer Ausführungsform kann der heterogene Schaum einen relativ großen Streifen eines großzelligen, mit großen Löchern versehenen Polymers aufweisen, der zwischen zwei kleineren Streifen eines kleinerzelligen, mit kleinen Löchern versehenen Schaums positioniert ist. (Siehe 13.) Dieser Schaum mit drei Regionen kann dann c-gefaltet werden, um zwei Schichten (Siehe 15) herzustellen, wobei jede einen unterschiedlichen Fluid-Kapillardruck aufweist, was den Schaum zur Fluidbewegung innerhalb eines absorbierenden Artikels ohne Verwendung einer Vielzahl von Abwickelständern für die Materialien geeignet macht.
Alternativ können, wie das in den 17 und 18 gezeigt ist, Schäume der vorliegenden Erfindung derart präpariert werden, dass der Übergang von einer Region zu einer anderen in der Z-Richtung (das heißt, durch die Dicke hindurch) des Schaumes auftritt.
Polymere Schäume gemäß der vorliegenden Erfindung, die in absorbierenden Artikeln und Strukturen nützlich sind, sind solche, welche relativ offenzellig sind. Dies bedeutet, dass die einzelnen Zellen des Schaumes in einer vollständigen, ungehinderten Kommunikation mit benachbarten Zellen stehen. Die Zellen in solchen im Wesentlichen offenzelligen Schaumstrukturen haben interzellulare Öffnungen oder "Fenster" (hier als "Löcher" bezeichnet), die groß genug sind, um einen Fluidtransfer von einer Zelle zu der anderen innerhalb der Schaumstruktur ohne Weiteres zuzulassen.
Diese im wesentlichen offenzelligen Schaumstrukturen werden im Allgemeinen einen retikulierten Charakter haben, wobei die einzelnen Zellen durch eine Mehrzahl von untereinander verbundenen, dreidimensional verzweigten Stegen gebildet werden. Die Stränge des Polymermaterials, welche diese verzweigten Stege bilden, können als "Streben" bezeichnet werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist ein Schaummaterial "offenzellig", wenn wenigstens 80% der Zellen in der Schaumstruktur, die eine Größe von wenigstens 1 μm haben, in Fluidkommunikation mit wenigstens einer benachbarten Zelle stehen.
Bevorzugte polymere Schäume sind nicht nur offenzellig, sondern auch ausreichend hydrophil, damit der Schaum wässrige Fluide in nachfolgend spezifizierten Mengen absorbieren kann. Die inneren Oberflächen der Schaumstrukturen werden durch restliche hydrophilisierende grenzflächenaktive Stoffe und/oder Salze hydrophil gemacht, die in der Schaumstruktur nach der Polymerisation zurück bleiben, oder durch ausgewählte Postpolymerisations-Schaumbehandlungsvorgänge, wie sie nachfolgend beschrieben werden.
Bevorzugte hydrophile, absorbierende Schäume der vorliegenden Erfindung werden wenigstens eine Region aufweisen, die zur Annahme/Verteilung von Körperfluiden besonders geeignet ist, und wenigstens eine Region, die besonders geeignet ist zur Speicherung von Körperfluiden. Die parallel anhängigen US Anmeldungen Nrn. 08/370,695, eingereicht am 10. Januar 1995 durch Stone et al. (Case 5544), und 08/520,793, eingereicht am 30. August 1995 durch DesMarais (Case 5807), beschreiben Schaumeigenschaften, die besonders geeignet sind zur Fluidannahme/Verteilung. Die parallel anhängige US Anmeldung Nr. 08/563,866, eingereicht am 29. November 1995 durch DesMarais et al. (Case 5541C) beschreibt Schaumeigenschaften, die besonders geeignet sind zur Fluidspeicherung. Der Fachmann wird erkennen, dass die in diesen parallel anhängigen Anmeldungen beschriebenen Eigenschaften ohne Weiteres in Regionen der Schäume der vorliegenden Erfindung je nach Bedarf bereit gestellt werden können. Darüber hinaus sind bevorzugte Bereiche für die in diesen parallel anhängigen Anmeldungen beschriebenen verschiedenen Schaumeigenschaften anwendbar auf bestimmte der vorliegenden hydrophilen Schäume.
Das Maß, in welchem die bevorzugt polymeren Schäume der vorliegenden Erfindung "hydrophil" sind, kann durch den "Adhäsionsspannung"-Wert quantifiziert werden, der sich ergibt, wenn sie sich mit einer absorbierfähigen Testflüssigkeit befinden. Die Adhäsionsspannung, die durch diese Schäume gezeigt wird, kann experimentell unter Verwendung eines Verfahrens bestimmt werden, bei welchem die Gewichtsaufnahme einer Testflüssigkeit, zum Beispiel synthetischem Urin, für eine Probe bekannter Abmessungen und für die Kapillarsaugung spezifische Oberflächenbereich gemessen wird. Ein solches Verfahren wird in größerem Detail beschrieben im Abschnitt Testverfahren des US Patents 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Schäume, welche als Absorptionsmittel in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind im Allgemeinen solche, welche einen Adhäsionsspannungs-Wert von etwa 15 bis etwa 65 Dyne/cm, ganz bevorzugt von etwa 20 bis etwa 65 Dyne/cm, zeigen, wie dies bestimmt wird durch die kapillare Absorption von synthetischem Urin mit einer Oberflächenspannung von 65 ± 5 Dyne/cm. Nach der Kompression oder einer thermischen Trocknung/Vakuum-Entwässerung auf ein praktikables Maß, können diese polymeren Schäume Restwasser aufweisen, das sowohl Hydrationswasser enthält, welches mit dem darin eingebauten hydroskopischen, hydrierten Salz verbunden ist sowie freies Wasser, das in dem Schaum absorbiert ist.
Damit die Schäume der vorliegenden Erfindung für ihre vorgesehene Verwendung flexibel sind, muss wenigstens eine kontinuierliche Region des Schaumes eine geeignete Einfriertemperatur (Tg) zeigen. Die Tg repräsentiert den Mittelpunkt des Übergangs zwischen dem glasigen und gummiartigen Zustand des Polymers. Im Allgemeinen können Schäume, die eine höhere Tg als die Benutzungstemperatur haben, sehr stark sein, werden aber auch sehr steif sein und potentiell anfällig gegen Bruch sein. Vorzugsweise werden Regionen der Schäume der vorliegenden Erfindung, welche entweder eine relativ hohe Tg oder eine überschüssige Brüchigkeit zeigen, diskontinuierlich sein. Da diese diskontinuierlichen Regionen im Allgemeinen auch eine höhere Festigkeit zeigen werden, können sie mit geringeren Dichten hergestellt werden, ohne die Gesamtfestigkeit des zusammengesetzten Schaumes zu beeinträchtigen.
Schäume, die für Anwendungen gedacht sind, welche eine Flexibilität erfordern, sollten wenigstens eine kontinuierliche Region mit einer Tg enthalten, die so niedrig wie möglich ist, solange der gesamte Schaum eine akzeptable Festigkeit bei Benutzungstemperaturen aufweist. Vorzugsweise wird die Tg dieser Region geringer sein als etwa 30°C für Schäume, die bei etwa Umgebungstemperatur-Bedingungen verwendet werden, ganz bevorzugt wird sie geringer als etwa 20°C sein. Für Schäume, die in Anwendungen benutzt werden, in welchen die Benutzungstemperatur höher oder geringer als die Umgebung ist, sollte die Tg der kontinuierlichen Region nicht mehr als 10°C größer als die Benutzungstemperatur sein, vorzugsweise gleich der Benutzungstemperatur sein und äußerst bevorzugt etwa 10°C geringer als die Benutzungstemperatur sein, wenn Flexibilität erwünscht ist. Dem gemäß werden Monomere so viel wie möglich ausgesucht, die entsprechende Homopolymere mit geringeren Tg liefern. Es hat sich heraus gestellt, dass die Kettenlänge der Alkylgruppe und der Acrylat- und Methacrylat-Comonomere länger sein können als dies aus der Tg der homologen Homopolymerreihen voraus gesagt würde. Ganz speziell wurde heraus gefunden, dass die homologen Reihen von Alkylacrylat- oder Methacrylat-Homopolymeren eine minimale Tg bei einer Kettenlänge von 8 Kohlenstoffatomen haben. Im Gegensatz dazu, tritt die minimale Tg der Copolymere der vorliegenden Erfindung bei einer Kettenlänge von etwa 12 Kohlenstoffatomen auf. (Obwohl die mit Alkyl substituierten Styrolmonomere anstelle der Alkylacrylate und Methacrylate verwendet werden können, ist ihre Verfügbarkeit gegenwärtig extrem beschränkt.) Eine Aufzeichnung des Moduls gegen die Temperatur dieser Schäume über einen Temperaturbereich, der den Einfrierübergang enthält, kann offenbarend sein. Die Form dieser Kurve nahe der Tg des Polymers der kontinuierlichen Regionen des Schaumes kann als Funktion der Temperatur entweder einen scharfen oder einen allmählichen Übergang zeigen. Diese Form ist besonders relevant, wenn die Benutzungstemperatur (gewöhnlich Umgebungs- oder Körpertemperatur) des Polymers bei oder nahe der Tg liegt. Zum Beispiel kann eine breitere Glas-Zu-Gummi-Übergangsregion einen unvollständigen Übergang bei Benutzungstemperaturen bedeuten. Typischerweise zeigt ein breiterer Übergang, der bei der Benutzungstemperatur unvollständig ist, dass das Polymer eine größere Steifigkeit haben wird und weniger elastisch sein wird. Umgekehrt wird, wenn der Übergang scharf und bei der Benutzungstemperatur vollständig ist, das Polymer dann eine schnellere Erholung von der Kompression zeigen, wenn es mit wässrigen Fluiden benässt ist. Dem gemäß ist es wünschenswert, die Tg und die Breite der Übergangsregion des Polymers zu steuern, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. (Die Tg und die Breite der Übergangsregion werden aus der Kurve von Verlusttanges gegen Temperatur aus einer Dynamik/Mechanik-Analyse (DMA)-Messung hergeleitet, wie diese nachfolgend im Abschnitt Testverfahren beschrieben wird.)
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Polymer der diskontinuierlichen Regionen des Schaumes Tg's haben, die höher liegen als die Umgebungs- oder Benutzungstemperaturen. Dadurch wird effizient ein Widerstand gegenüber einer Kompressionsbiegung in dem Maße entwickelt, wie solche Segmente innerhalb der kontinuierlichen Matrix eines Materials mit niedrigerer Tg eingebaut sind. Im Allgemeinen wird das Material mit hoher Tg eine Tg von etwa 30°C bis etwa 95°C, vorzugsweise von etwa 35°C bis etwa 75°C und äußerst bevorzugt zwischen etwa 40°C und etwa 60°C haben. Für nicht an oder nahe der Umgebungstemperatur ist die Tg dieser Phase vorzugsweise wenigstens etwa 10°C größer als die Benutzungstemperatur. Die obere Grenze ist wichtig für den nachfolgend beschriebenen Entwässerungsschritt. Im Grunde können sogar diskontinuierliche Regionen mit höherer Tg verwendet werden, wenn eine Entwässerung durch andere Techniken erreicht wird (oder mit unter Druck gesetztem Wasser > 100°C). Der Effekt auf die Festigkeit von weiteren Zunahmen der Tg wird jedoch nicht für Anwendungen bei Raumtemperatur wegen der Form der Kurve des Moduls als Funktion der Temperatur realisiert, welche im Allgemeinen um etwa 50°C über oder unter der tatsächlichen Tg abgeflacht (im Wesentlichen) wurde.
B. Kapillardrucke und -kräfte innerhalb der Schaumstruktur
Bestimmte Schäume der vorliegenden Erfindung werden mit einigen oder allen ihrer Regionen nach der Verarbeitung im kollabierten Zustand verbleiben. Für solche Regionen sind die entwickelten Kapillardrucke wenigstens gleich den Kräften, die durch die elastische Erholung oder das Elastizitätsmodul des komprimierten Polymers in der Region ausgeübt werden. Mit anderen Worten wird der Kapillardruck, der notwendig ist, um die kollabierte Region relativ dünn zu halten, durch die entgegen wirkenden Kraft bestimmt, die durch den komprimierten Polymerschaum ausgeübt wird, wenn dieser versucht "zurückzuspringen". Die elastische Erholungsneigung von Polymerschäumen kann aus Spannungs/Dehnungs-Experimenten abgeschätzt werden, in welchen der expandierte Schaum auf etwa 1/6 (17%) seiner ursprünglichen, expandierten Dicke komprimiert wird und dann in diesem komprimieren Zustand gehalten wird, bis Entspannungswert gemessen wird. Alternativ, und für die Zwecke der vorliegenden Erfindung, wird der Entspannungswert aus Messungen in der Region des Polymerschaums in ihrem kollabierten Zustand abgeschätzt, wenn sich diese in Kontakt mit wässrigen Fluiden, zum Beispiel Wasser, befindet. Dieser alternative Entspannungswert für eine gegebene Schaumregion wird nachfolgend als der "Expansionsdruck" der Region bezeichnet. Der Expansionsdruck für kollabierte polymere Regionen der Schäume der vorliegenden Erfindung beträgt etwa 30 Kilopascal (kPa) oder weniger und typischerweise von etwa 7 bis etwa 20 kPa. Eine detaillierte Beschreibung eines Verfahrens zum Abschätzen des Expansionsdruckes von Schäumen ist ausgeführt im Abschnitt Testverfahren des US Patents 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung hat sich heraus gestellt, dass der spezifische Oberflächenbereich pro Schaumvolumen besonders nützlich ist zum empirischen Definieren von Schaumstrukturen oder von Regionen derselben, die in einem kollabierten Zustand verbleiben. Siehe US Patent 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995, in welchem eine spezifische Fläche pro Schaumvolumen im Detail diskutiert wird. Der "spezifische Oberflächenbereich pro Schaumvolumen" bezieht sich auf den für die Kapillarsaugung spezifischen Oberflächenbereich der Schaumregion mal der Dichte der Region in dem expandierten Zustand. Dieser Wert von spezifischem Oberflächenbereich pro Schaumvolumen wird charakterisiert als "empirisch", dahin gehend, dass dieser abgeleitet wird von (a) dem für die Kapillarsaugung spezifischen Oberflächenbereich, der während des Benässens der getrockneten Schaumstruktur gemessen wird, und (b) der Dichte der expandierten Schaumstruktur nach dem Benässen bis zur Sättigung, anstatt durch eine direkt Messung der getrockneten, kollabierten Schaumstruktur. Die Neigung eines gegebenen polymeren Schaumes oder einer Schaumregion, im kollabierten Zustand zu verbleiben, ist eine Funktion seiner/ihrer Werte von spezifischem Oberflächenbereich pro Schaumvolumen und dem Modul des polymeren Schaumes bzw. der Schaumregion. Vorzugsweise haben sich polymere Schäume gemäß der vorliegenden Erfindung mit ein oder mehreren Regionen mit Werten von spezifischem Oberflächenbereich pro Schaumvolumen von wenigstens etwa 0,025 m²/cm³, vorzugsweise wenigstens etwa 0,05 m²/cm³, äußerst bevorzugt von wenigstens etwa 0,07 m²/cm³ als empirisch dahin gehend heraus gestellt, im Hinblick auf diese Region in einem kollabierten Zustand zu verbleiben (sofern nicht das Polymermodul dieses Schaumes oder dieser Region höher ist als sich dies in vielen Anwendungen als nützlich heraus gestellt hat). Diese Regionen werden besonders für Regionen geeignet sein, die für eine Fluidspeicherung sorgen. (Siehe US Anmeldung Nr. 08/563,866, oben diskutiert, und US Patent 5,387,207.)
Für Regionen, die eine Fluidannahme/Verteilung liefern werden, werden diese Regionen vorzugsweise einen spezifischen Oberflächenbereich pro Volumen von bis zu etwa 0,06 m²/cm³, vorzugsweise von etwa 0,0075 bis etwa 0,06 m²/cm³, ganz bevorzugt von etwa 0,0075 bis etwa 0,04 m²/cm³, äußerst bevorzugt von etwa 0,008 bis etwa 0,02 m²/cm³ haben. (Siehe US Anmeldung Nr. 08/520,793, oben diskutiert.)
Der für die "kapillare Saugung spezifische Oberflächenbereich" ist im Allgemeinen ein Maß des für die Testflüssigkeit zugänglichen Oberflächenbereichs des polymeren Netzwerkes, welches den speziellen Schaum bildet, pro Einheitsmasse des Schaummaterialvolumens (polymeres Strukturmaterial plus restliches Feststoffmaterial). Der für die kapillare Saugung spezifische Oberflächenbereich wird bestimmt sowohl durch die Abmessungen der zellularen Einheiten in dem Schaum oder seiner Regionen als auch durch die Dichte des Polymers und ist somit ein Weg, die Gesamtmenge der Feststoffoberfläche, die durch das Schaumnetzwerk bereit gestellt wird, so weit zu quantifizieren, dass ein solche Oberfläche an der Absorptionsfähigkeit partizipiert.
C. Freie Absorptionskapazität
Eine weitere wichtige Eigenschaft bestimmter absorbierender Schäume der vorliegenden Erfindung ist ihre freie Absorptionskapazität. Die freie Absorptionskapazität" ist die Gesamtmenge eine Testfluids (welches synthetisches Urin, Wasser, Menstruationsfluide oder ein organisches Lösungsmittel sein kann), welche eine gegebene Schaumprobe in ihre zellulare Struktur pro Einheitsmasse Feststoffmaterial in der Probe absorbieren wird. Um in absorbierenden Artikeln zum Absorbieren von wässrigen Fluiden besonders nützlich zu sein, sollten die absorbierenden Schäume der vorliegenden Erfindung eine zusammengefasste freie Absorptionskapazität mit synthetischem Urin von etwa 20 bis etwa 200 ml, vorzugsweise von etwa 40 bis etwa 120 ml synthetisches Urin pro Gramm trockenen Schaummaterials haben. Das Verfahren zum Bestimmten der freien Absorptionskapazität des Schaumes ist beschrieben im Abschnitt Testverfahren des US Patent 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Obwohl diese bevorzugten Bereiche Kapazitäten für alle Schaumzusammensetzungen sind, können bestimmte Schäume der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Regionen aufweisen, die unterschiedliche freie Absorptionskapazitäten haben, die sich aus den oben diskutierten Dichteunterschieden ergeben. Eine gemessene Probe sollte das gleiche Volumenverhältnis der unterschiedlichen Regionen zeigen, wie ein größeres Stück des Schaumes, um eine repräsentative gemessene Kapazität herzuleiten. Alternativ kann die freie Absorptionskapazität an homogenen Segmenten der Schäume gemessen werden und kann dann eine Volmen-Mittelwertberechnung verwendet werden, um den zusammengefassten Wert zu bestimmen.
D. Beständigkeit gegenüber Kompressionsbiegun
Ein wichtiges mechanisches Merkmal für bestimmte Polymerschäume der vorliegenden Erfindung ist ihre Festigkeit in ihrem expandierten Zustand, wie dies bestimmt wird durch die Beständigkeit gegen eine Kompressionsbiegung (RTCD). Die RTCD, die durch die hier vorliegenden Schäume gezeigt wird, ist eine Funktion des Polymermoduls sowie der Dichte und der Struktur des Schaumnetzwerkes. Das Polymermodul wird wiederum bestimmt durch: a) die Polymerzusammensetzung; b) die Bedingungen, unter welchen der Schaum polymerisiert wird (z. B. die Vollständigkeit der erhaltenen Polymerisation, speziell im Hinblick auf eine Vernetzung); und c) das Maß, in welchem das Polymer durch Restmaterial, zum Beispiel Emulgatoren, die in der Schaumstruktur nach der Verarbeitung zurückbleiben, plastifiziert wird. Die RTCD wird typischerweise am gesamten Schaum gemessen (hier bezeichnet als "Aggregat-RTCD"), selbst dann, wenn unterschiedliche Regionen unterschiedliche Werte haben, welche separat gemessen werden können. Ein Schaum, welcher Regionen mit unterscheidbaren Differenzen in der Dichte und/oder im Polymermodul wird RTCD-Eigenschaften zeigen, welche auch eine Funktion der Geometrie solcher Regionen sind. Zum Beispiel wird, wenn ein gestreiftes Muster gebildet wird, das senkrecht zu der Last ausgerichtet ist, der Last durch die stärkeren Schaumregionen widerstanden (höhere Dichte und/oder höheres Modul), während die schwächeren Schaumregionen wenig oder keinen effektiven Widerstand leisten. Ein Schaum, in welchem stärkere Regionen als Teilchensegmente innerhalb eines "Sees" oder weniger flexiblen Schaumes dispergiert sind, wird einer Kompression nur in den schwächeren Regionen widerstehen, bis sie ausreichend kompaktiert sind, sodass das stärkere Teilchenvolumen in Kontakt mit diesen kommt und zu dem Widerstand beiträgt.
Um in vielen Anwendungen nützlich zu sein (wie beispielsweise als absorbierende Schäume in absorbierenden Artikeln, wie Windeln), müssen bestimmte Schäume der vorliegenden Erfindung dahin gehend geeignet sein, einer Verformung oder Kompression durch Kräfte zu widerstehen, denen Sie bei der Benutzung ausgesetzt sind, wenn solche absorbierenden Materialien in die Absorption und Retention von Fluiden einbezogen werden. Schäume, welche keine ausreichende Schaumfestigkeit hinsichtlich der RTCD besitzen, können in der Lage sein, akzeptable Mengen eines Körperfluids unter lastfreien Bedingungen anzunehmen und zu speichern, werden aber zu leicht ein solches Fluid unter Kompressionslast frei geben, die durch eine Bewegung und Aktivität des Benutzers der absorbierenden Artikel, welche den Schaum enthalten, verursacht wird. Die RTCD ist offensichtlich auf relevant bei Verwendungen dieser Schäume in einigen nicht absorbierenden Anwendungen.
Die RTCD, die durch die Polymerschäume der vorliegenden Erfindung gezeigt wird, kann quantifiziert werden, indem die Menge der in einer Schaumprobe, die bei einer spezifischen Temperatur und für eine spezifische Zeitspanne unter einem Grenzdruck gehalten wird, erzeugte Verformung bestimmt wird. Ein Verfahren zum Ausführen dieses speziellen Testtyps ist beschrieben im Abschnitt Testverfahren des US Patents 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Schäume, die als Absorptionsmittel nützlich sind, sind solche, welche eine derartige RTCD zeigen, dass ein Grenzdruck von 5,1 kPa (0,74 psi) eine typische Verformung von 80% oder weniger Kompression der Schaumstruktur erzeugt, wenn sie bis zu ihrer freien Absorptionskapazität mit synthetischem Urin mit einer Oberflächenspannung von 65 ± 5 Dyne/cm gesättigt wurde. Vorzugsweise wird die unter solchen Bedingungen erzeugte Verformung im Bereich von etwa 2 bis etwa 80%, ganz bevorzugt von etwa 4 bis etwa 50%, äußerst bevorzugt von etwa 6 bis etwa 20% betragen. Die RTCD der Schäume der vorliegenden Erfindung, welche nicht absorbierend sind oder nicht für eine Verwendung in absorbierenden Produkten vorgesehen sind, können im trockenen Zustand gut gemessen werden. Der Fachmann wird erkennen, dass die Ausrichtung, die Geometrie und die Volumenfraktion der unterschiedlichen Regionen einen signifikanten Einfluss auf die gemessenen RTCD-Werte aufgrund einer induzierten Anisotropie ausüben werden.
E. Weitere Eigenschaften eines polymeren Schaumes
Schaumzellen und insbesondere Zellen, die durch Polymerisieren einer ein Monomer enthaltenden Ölphase, welche relativ monomerfreie Wasserphasentröpfchen umgibt, gebildet werden, werden häufig im Wesentlichen in ihrer Form sphärisch sein. Die Größe oder der "Durchmesser" solcher sphärischen Zellen ist ein gebräuchlicher Parameter zum Charakterisieren von Schäumen im Allgemeinen. Ebenso wird der Durchmesser der die Zellen verbindenden Löcher beim Charakterisieren solcher Schäume verwendet. Da Zellen und Löcher zwischen Zellen in einer gegebenen Probe eines Polymerschaums nicht notwendigerweise von in etwa der gleichen Größe sind, wird häufig eine mittlere Zellengröße, das heißt, ein mittlerer Zellendurchmesser und/oder eine mittlere Lochgröße spezifiziert. Für Schäume der vorliegenden Erfindung kann jede Region eine unterschiedliche mittlere Zellengröße und/oder eine unterschiedliche Lochgröße besitzen. Jede Region kann auch eine unterschiedliche Verteilung um diesen Mittelwert herum besitzen, zum Beispiel kann eine Region Zellen mit einem mittleren Durchmesser von 130 μm (oder einen mittleren Lochdurchmesser von etwa 26 μm) enthalten, wobei 90% aller definierbaren Zellen zwischen etwa 80 μm und 180 μm (und Löcher zwischen etwa 16 und 36 μm) liegen, während die unterschiedliche Region Zellen mit einem mittleren Durchmesser von 50 μm (oder einem mittleren Lochdurchmesser von etwa 10 μm) enthalten kann, wobei 90% aller definierbaren Zellen zwischen etwa 20 μm und 80 μm (und Löcher zwischen etwa 16 und 36 μm) liegen. Die Verteilungskurven der zwei Regionen können sich überlappen, obwohl die Mittelwerte sehr unterscheidbar sein werden.
Eine Anzahl von Techniken zum Bestimmen der mittleren Zellengröße und der mittleren Lochgröße von Schäume ist verfügbar. Die nützlichste Technik zum Bestimmen der Zellgröße und der Lochgröße in Schäumen umfasst jedoch eine einfache Messung basierend auf der abtastenden Elektronenmikrophotographie einer Schaumprobe. 1 zeigt zum Beispiel eine typische HIPE-Schaumstruktur gemäß der vorliegenden in ihrem expandieren Zustand. Über der Mikrophotographie ist ein Maßstab angeordnet, der eine Abmessung von 100 μm darstellt. Ein solcher Maßstab kann verwendet werden, um die mittlere Zellengröße auf dem Wege eines Bildanalyseverfahrens zu bestimmen oder durch eine einfache optische Annäherung oder Mittelung.
Die Zell- und Lochgrößenmessungen, die hier angegeben sind, basieren auf der mittleren Zellgrößenzahl und mittleren Lochgrößenzahl des Schaumes in seinem expandierten Zustand, zum Beispiel, wie in 1 gezeigt.
Bevorzugte Schäume der vorliegenden Erfindung haben ein oder mehrere Regionen, die zur Annahme eines Fluids mit einem mittleren Zellendurchmesser von etwa 20 bis etwa 200 μm, vorzugsweise von etwa 50 bis etwa 190 μm und äußerst bevorzugt von etwa 80 bis etwa 180 μm geeignet sind; und eine mittlere Lochgröße von etwa 5 bis etwa 45 μm, vorzugsweise von etwa 8 bis etwa 40 μm und äußerst bevorzugt von etwa 20 bis etwa 35 μm. Diese Schäume werden auch vorzugsweise ein oder mehrere Fluidspeicherregionen mit einem mittleren Zellendurchmesser von nicht mehr als etwa 50 μm haben, vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 35 μm; und eine mittlere Lochgröße von nicht mehr als etwa 10 μm, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 7 μm.
Die "Schaumdichte" (das heißt, in Gramm Schaum pro Kubikzentimeter Schaumvolumen in Luft) wird hier auf Trockenbasis spezifiziert. Die Schaumdichte der vorliegenden Schäume wird typischerweise an dem gesamten Schaum gemessen, selbst dann, wenn unterschiedliche Regionen unterschiedliche Werte haben können, welche separat gemessen werden können. Die Aggregatdichte eines Schaumes mit zwei oder mehr unterschiedlichen Regionen eines Polymers mit unterschiedlichen Dichten würde einfach die über das Volumen gemittelte Dichte von jeder Fläche sein. Typischerweise wird die Aggregatdichte im Bereich von zwischen etwa 0,04 g/cm³ und 0,01 g/cm³ liegen, während die Dichten der unterschiedlichen Regionen weiter variieren können. Ganz speziell werden Regionen, in welchen sehr harte aber gering dichte Segmente vorhanden sind, typischerweise zwischen etwa 0,02 und 0,005 g/cm³ liegen. Regionen mit flexiblerem Schaum werden typischerweise zwischen etwa 0,05 und 0,02 g/cm³ haben. Als ein Beispiel könnte ein Schaum der vorliegenden Erfindung 30 seines Volumens als brüchiger fester Schaum mit einer Dichte von 0,01 g/cm³ und 70% seines Volumens aus einem flexiblen Schaum mit einer Dichte von 0,03 g/cm³ haben. Die berechnete Aggregatdichte dieses Schaumes würde etwa 0,024 g/cm³ betragen.
Das Verfahren zum Messen der Aggregat-Schaumdichte ist beschrieben im US Patent 5387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Die Menge der absorbierten wasserlöslichen Restmaterialien, zum Beispiel Restsalze und Flüssigkeit, die in dem Schaum geblieben ist, beispielsweise nach der HIPE-Polymerisation, nach dem Waschen und/oder nach der Hydrophilisierung, wird bei der Berechnung und beim Festhalten der Schaumdichte vernachlässigt. Die Schaumdichte umfasst jedoch wasserunlösliche Restmaterialien, wie Emulgatoren, die in dem polymerisierten Schaum vorhanden sind. Solche Restmaterialien können eine signifikante Masse zum Schaummaterial beitragen.
Bevorzugte absorbierende Schäume werden im Allgemeinen besonders wünschenswerte und nützliche Handhabungs- und Absorptionseigenschaften in Bezug auf ein wässriges Fluid haben. Die Fluidhandhabungs- und Absorptionseigenschaften, die für absorbierende Schäume und Regionen derselben am relevantesten sind, sind: A) die Rate der vertikalen Ansaugung eines Fluids durch die Schaumstruktur oder durch Regionen der Schaumstruktur hindurch; B) die Absorptionskapazität des Schaumes und der Regionen desselben an spezifischen Referenz-Saughöhen; C) die Fähigkeit einer Region der absorbierenden Schaumstrukturen, ein Fluid aus einer anderen Region abzuleiten (abzutrennen), und D) die Fähigkeit der absorbierenden Schaumstrukturen, ein Fluid aus begleitenden absorbierenden Strukturen, mit welchen der Schaum in Kontakt stehen kann, abzuleiten (abzutrennen).
Die vertikale Ansaugung, das heißt, die Fluidansaugung in einer Richtung gegen die Schwerkraft, ist ein besonders erwünschtes Leistungsattribut für hier vorliegende absorbierende Schäume. Diese Schäume werden häufig in absorbierenden Artikeln in einer Weise verwendet, derart, dass das zu absorbierende Fluid innerhalb des Artikels von einer relativ unteren Position zu einer relativ höheren Position innerhalb des absorbierenden Kerns des Artikels bewegt werden muss. Das eine schnelle Ansaugung im Gegensatz dazu stehen kann, einen hohen Kapillardruck zu haben, können Schäume mit unterschiedlichen Regionen, die jeweils eine maximierte Eigenschaft haben, vorgezogen werden. Dem gemäß ist die Fähigkeit spezifischer Regionen innerhalb der Schäume, ein Fluid schnell gegen die Schwerkräfte anzusaugen, besonders relevant für ihre Funktionsweise als absorbierende Komponenten in absorbierenden Artikeln.
Eine vertikale Ansaugung wird bestimmt, indem die Zeit gemessen wird, die für eine gefärbte Testflüssigkeit (z. B. synthetisches Urin) in einem Reservoir benötigt wird, um eine vertikale Strecke von 5 cm durch einen Teststreifen eines Schaumes von spezifischer Größe hindurch gesaugt zu werden. Das vertikale Saugverfahren ist beschrieben in größerem Detail im Abschnitt Testverfahren des US Patents 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995, wird aber bei 31°C ausgeführt, statt bei 37°C. Um in absorbierenden Artikeln zum Absorbieren von Urin besonders nützlich zu sein, werden wenigstens bestimmte der unterschiedlichen Regionen der Schaum-Absorptionsmittel der vorliegenden Erfindung vorzugsweise synthetisches Urin (65 ± 5 Dyne/cm) auf eine Höhe von 5 cm mit nicht mehr als etwa 30 Minuten saugen. Insbesondere saugen die unterschiedlichen Regionen der bevorzugten Schaum-Absorptionsmittel der vorliegenden Erfindung ein synthetisches Urin auf eine Höhe von 5 cm mit nicht mehr als etwa 5 Minuten.
Der Test zur Vertikalansaugung-Absorptionskapazität misst die Menge eines Testfluids pro Gramm absorbierender Schaum, die innerhalb jeweils eines Inch (2,54 cm) eines vertikalen Abschnitts derselben, in dem Vertikalansaugung-Test verwendeten Standardgröße-Schaumprobe gehalten wird. Eine solche Bestimmung wird im Allgemeinen durchgeführt, nachdem die Probe ein Testfluid bis zu einem Beharrungszustand vertikal angesaugt hat (z. B. nach etwa 18 Stunden). Wie der Vertikalansaugungs-Test, ist auch der Vertikalansaugungs-Absorptionskapazitätstest in größerem Detail beschrieben im Abschnitt Testverfahren des US Patents 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995.
Eine weitere wichtige Eigenschaft für nützliche absorbierende Schäume gemäß der vorliegenden Erfindung ist ihr Kapillar-Absorptionsdruck. Der Kapillar-Absorptionsdruck bezieht sich auf die Fähigkeit des Schaumes, ein Fluid vertikal anzusaugen. [Siehe P. K. Chatterjee und H. V. Nguyen in "Absorbency", Textile Science and Technology, Band 7; P. K. Chatterjee, Ed.; Elsevier: Amsterdam, 1985; Kapitel 2.] Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Kapillar-Absorptionsdruck von Interesse die hydrostatische Druckhöhe, bei welcher die vertikal angesaugte Fluidladung 50% der freien Absorptionskapazität unter Gleichgewichtsbedingungen bei 31°C beträgt. Die hydrostatische Druckhöhe wird dargestellt durch eine Fluidsäule (z. B. synthetisches Urin) mit der Höhe h.
Um besonders nützlich in absorbierenden Artikeln zum Absorbieren von wässrigen Fluiden zu sein, werden wenigstens bestimmte Regionen der bevorzugten absorbierenden Schäume der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen einen Kapillar-Absorptionsdruck von wenigstens etwa 10 cm haben. (Schäume der vorliegenden Erfindung haben typischerweise Absorptionsdrucke von etwa 18 bis etwa 45 cm.) Da es nicht leicht ist, experimentell einen Kapillar-Absorptionsdruck eines Aggregats mit den heterogenen Schäumen dieser Erfindung zu messen, in welchen sich die Heterogenität auf die Zellengröße oder den Oberflächenbereich oder die Hydrophilizität bezieht, werden diese Eigenschaften an homogenen Schäumen gemessen, die identisch zu den unterschiedlichen Regionen der heterogenen Schäume präpariert werden. Es kann zum Beispiel höchst wünschenswert sein, einen Schaum zu haben, wie er in 13 dargestellt ist, bei welchem die außenseitigen Regionen (42 und 44) unterschiedliche Regionen umfassen, in welchen ein Kapillar-Absorptionsdruck 30 cm beträgt, und die zentrale Region (46) einen Kapillar-Absorptionsdruck von etwa 10 cm hat. Dies führt zu einer Struktur, die zu einer schnellen Annahme im Zentrumsbereich und einer nachfolgenden Fluidbewegung aus dem Bereich durch Kapillarwirkung zu äußeren Bereichen in der Lage ist.
II. Herstellung polymerer Schäume aus HIPEs mit relativ hohen Wasser-Zu-Öl-Verhältnissen
A. Allgemeines
Polymere Schäume gemäß der vorliegenden Erfindung können durch eine Polymerisation bestimmter Wasser-In-Öl-Emulsionen präpariert werden, die ein relativ hohes Verhältnis von Wasserphase zur Ölphase haben, wie sie allgemein bekannt sind im Stand der Technik als "HIPEs". Polymere Schaummaterialien, welche aus der Polymerisation solcher Emulsionen resultieren, werden nachfolgend als "HIPE-Schäume" bezeichnet. Die Offenbarung betreffend der Ausgangsmaterialien, der Prozessbedingungen, etc. zum Präparieren der Schäume der vorliegenden Erfindung können sich auf eine Emulsion beziehen. Es sei jedoch verstanden, dass die Schäume der vorliegenden Erfindung aus wenigstens zwei solcher HIPEs gebildet werden können, solange die HIPEs sich ausreichend unterscheiden, um die unterschiedlichen Regionen der vorliegenden Schäume zu liefern. Wenn zwei oder mehr unterschiedliche Emulsionen verwendet werden, wird jede Emulsion unten beschriebene Materialien umfassen, und zwar in den angegebenen Bereichen, wird aber offensichtlich sich unterscheiden, sodass sie getrennt wahrnehmbar sind.
Die relativen Mengen der Wasser- und Ölphasen, die verwendet werden, um die HIPEs zu bilden, sind neben weiteren Parametern wichtig bei der Bestimmung der strukturellen, mechanischen und leistungsmäßigen Eigenschaften der resultierenden Polymerschäume. Insbesondere kann das Verhältnis von Wasser zu Öl in der bzw. in den jeweiligen Emulsionen die Dichte, die Zellengröße und den für die Kapillarsaugung spezifischen Oberflächenbereich der entsprechenden Regionen des Schaumes und die Abmessungen der Streben, welche die Regionen des Schaumes bilden, beeinflussen. Die Emulsionen) die verwendet werden/wird, um die heterogenen HIPE-Schäume der vorliegenden Erfindung zu präparieren, werden/wird im Allgemeinen ein Verhältnis von Volumen zu Gewicht der Wasserphase zur Ölphase im Bereich von etwa 20 : 1 bis etwa 150 : 1, vorzugsweise von etwa 30 : 1 bis etwa 75 : 1, äußerst bevorzugt von etwa 40 : 1 bis etwa 65 : 1 haben. Die allgemeine Präparierung der HIPE-Schäume ist im Detail beschrieben im US Patent 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995.
1. Ölphase-Komponenten
Die kontinuierliche Ölphase der HIPEs umfasst Monomere, die so polymerisiert sind, dass sie feste Schaumstruktur bilden. Diese Monomerkomponente ist so formuliert, dass sie in der Lage ist, ein Copolymer mit einer Tg von etwa 35°C oder niedriger zu bilden, und zwar in Abhängigkeit davon, welche unterscheidbare Phase in solchen Ausführungsformen gebildet werden soll, in welchen Regionen mit unterschiedlichen Tgs erwünscht sind. Wenn solche Unterschiede erwünscht sind, wird typischerweise die Region mit niedriger Tg eine Tg von etwa 0° bis etwa 30°C haben und wird die Region mit hoher Tg eine Tg von etwa 35° bis etwa 95°C haben. (Das Verfahren zum Bestimmen der Tg durch die Dynamik/Mechanik-Analyse (DMA) ist nachfolgend im Abschnitt Testverfahren beschrieben.) Die Monomerkomponente enthält: (a) wenigstens ein monofunktionales Monomer, dessen ataktisches amorphes Polymer eine Tg von etwa 25°C oder niedriger hat (siehe Brandup, J.; Immergut, E. H. "Polymer Handbook", zweite Ausgabe, Wiley-Interscience, New York, NY, 1975, III-139.); (b) wenigstens ein monofunktionales Comonomer, um die Festigkeit oder die Reißbeständigkeit des Schaumes zu verbessern; (c) ein erstes polyfunktionales Vernetzungsmittel; und (d) optional ein zweites polyfunktionales Vernetzungsmittel. Die Auswahl spezieller Typen und Mengen eines oder mehrerer monofunktionaler Monomere und Comonomere und eines oder mehrerer polyfunktionaler Vernetzungsmittel kann wichtig sein für die Realisierung der HIPE-Schäume mit der gewünschten Kombination von Struktur-, Mechanik- und Fluidhandhabung (wenn absorbierende Schäume gewünscht sind)-Eigenschaften, welche solche Materialien für die Verwendung in der hier vorliegenden Erfindung geeignet machen.
Die Monomerkomponente umfasst ein oder mehrere Monomere, die dazu neigen, der resultierenden polymeren Schaumstruktur gummiartige Eigenschaften zu verleihen. Solche Monomere können ataktische amorphe Polymere mit hohem Molekulargewicht (größer als 10.000) mit Tgs von etwa 25°C oder niedriger erzeugen. Monomere dieses Typs umfassen zum Beispiel die (C₄-C₁₄) Alkylacrylate, wie Butylacrylat, Hexylacrylat, Octylacrylat, 2-ethylhexylacrylat, Nonylacrylat, Decylacrylat, Dodecyl (Lauryl) Acrylat, Isodecylacrylat, Tetradecylacrylat; Aryl und Alkalrylacrylate, wie Benzylacrylat und Nonylphenylacrylat; die (C₆-C₁₆) Alkylmethacrylate, wie Hexylmethacrylat, Octylmethacrylat, Nonylmethacrylat, Decylmethacrylat, Isodecylmethacrylat, Dodecyl (Lauryl) Methacrylat, Tetradecylmethacrylat, Acrylamide, wie N-Octadecylacrylamid, (C₄-C₁₂) Alkylstyrole, wie p-n-Octylstyrol, Isopren, Butadien, 1,3-pentadien, 1,3,7-octatrien, β-Myrcen und Kombinationen solcher Monomere. Von diesen Monomeren werden Isodecylacrylat, Dodecylacrylat und 2-ethylhexylacrylat am meisten bevorzugt. Die ein oder mehreren monofunktionalen Monomere umfassen im Allgemeinen 20 bis etwa 70 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 40 bis etwa 65 Gew.-% der Monomerkomponente.
Die in der Ölphase der HIPEs verwendete Monomerkomponente umfasst auch ein oder mehrere monofunktionale Comonomere, die in der Lage sind, der resultierenden Region der polymeren Schaumstruktur eine Festigkeit zu verleihen, in etwa gleich derjenigen, die durch Styrol geliefert wird. Festere Schaumregionen zeigen die Fähigkeit, sich im Wesentlichen ohne Versagen zu verformen. Diese mnofunktionalen Comonomertypen können auf Styrol basierende Comonomere Enthalten (z. B. Styrol und Ethylstyrol) oder andere Monomertypen, wie Methylmethacrylat, in welchen das betreffende Homopolymer als beispielhaft für die Zähigkeit bekannt ist. Das bevorzugte monofunktionale Comonomer dieses Typs ist ein auf Styrol basierendes Monomer, wobei Styrol und Ethylstyrol die am meisten bevorzugten Monomere dieser Art sind. Das monofunktionale "Zähigkeit verleihende" Comonomer wird normalerweise von etwa 10 bis etwa 50 Gew-%., vorzugsweise von etwa 15 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%, äußerst bevorzugt von etwa 18 Gew.-% bis etwa 22 Gew.-% der Monomerkomponente umfassen.
In bestimmten Fällen kann das "Zähigkeit verleihende" Comonomer auch dem resultierenden Polymer die erwünschten gummiartigen Eigenschaften verleihen. Die C₄-C₁₂ Alkylstyrole und insbesondere das p-n-Octylstyrol, sind Beispiele solcher Comonomere. Für solche Comonomere wird die Menge, die in der Monomerkomponente enthalten sein kann, die kombinierte Menge des typischen Monomers und Comonomers sein.
Die Monomerkomponente enthält auch ein erstes (und optional zweites) polyfunktionales Vernetzungsmittel. Wie bei den monofunktionalen Monomeren und Comonomeren ist die Auswahl des speziellen Typs und der Menge der Vernetzungsmittel sehr wichtig für die mögliche Realisierung bevorzugter Polymerschäume mit der gewünschten Kombination aus strukturellen, mechanischen und fluidhandhabenden Eigenschaften.
Das erste polyfunktionale Vernetzungsmittel kann ausgewählt werden aus einer breiten Vielfalt von Monomeren mit zwei oder mehr aktivierten Vinylgruppen, wie Divinylbenzolen, Trivinylbenzolen, Divinyltoluolen, Divinylxylolen, Divinylnaphthalenen, Divinylalkylbenzolen, Divinylphenantrenen, Divinylbiphenylen, Divinyldiphenylmethanen, Divinylbenzylen, Divinylphenylethern, Divinyldiphenylsulfiden, Divinylfuranen, Divinylsulfid, Divinylsulfon und Mischungen davon. Divinylbenzol ist typischerweise erhältlich als ein Gemisch mit Ethylstyrol in Anteilen von etwa 55 : 45. Diese Anteile können so modifiziert werden, dass die Ölphase mit der einen oder der anderen Komponente angereichert ist. Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, das Gemisch mit der Ethylstyrolkomponente anzureichern, während gleichzeitig die Menge des Styrols in dem Monomergemisch verringert wird. Das bevorzugte Verhältnis von Divinylbenzol zu Ethylstyrol beträgt von etwa 30 : 70 bis 55 : 45, äußerst bevorzugt von etwa 35 : 65 bis etwa 45 : 55. Der Einschluss höherer Anteile von Ethylstyrol verleiht die benötigte Zähigkeit, ohne die Tg des resultierenden Copolymers in dem Maße zu erhöhen, wie dies Styrol tut. Dieses erste Vernetzungsmittel kann im Allgemeinen in der Ölphase des HIPE in einer Menge von etwa 5 bis etwa 50 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 12 bis etwa 35 Gew.-%, äußerst bevorzugt von etwa 12 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% der Monomerkomponente (berechnet auf einer 100% Basis für den aktiven Teil des Vernetzers in einem Gemisch) enthalten sein.
Das optionale zweite Vernetzungsmittel kann ausgewählt werden von polyfunktionalen Acrylaten, Methacrylaten, Acrylamiden, Methacrylamiden und Gemischen davon. Diese umfassen Di-, Tri- und Tetra-Acrylate sowie Di-, Tri- und Tetra-Methacrylate, Di-, Tri- und Tetra-Acrylamide sowie Di-, Tri- und Tetra-Methacrylamide; und Mischungen dieser Vernetzungsmittel. Geeignete Acrylat- und Methacrylat-Vernetzungsmittel können hergeleitet werden aus Diolen, Triolen und Tetraolen, die enthalten 1,10-decandiol, 1,8-octandiol, 1,6-hexandiol, 1,4-butandiol, 1,3-butandiol, 1,4-butendiol, Ethylenglycol, Diethylenglycol, Trimethylolpropan, Pentaerythritol, Hydroquinon, Catechol, Resorcinol, Triethylenglycol, Polyethylenglycol, Sorbitol und dergleichen. (Diacrylamid- und Methacrylamid-Vernetzungsmittel können hergeleitet werden aus den äquivalenten Diaminen, Triaminen und Tetraminen). Die bevorzugten Diole haben wenigstens 2, ganz bevorzugt wenigstens 4, äußerst bevorzugt 6 Kohlenstoffatome. Dieses zweite Vernetzungsmittel kann im Allgemeinen in der Ölphase der HIPE in einer Menge Von 0 bis etwa 15 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 7 bis etwa 13 Gew.-% der Monomerkomponente enthalten sein.
Ohne durch Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass dieses zweite Vernetzungsmittel eine homogenere vernetzte Struktur erzeugt, die eine Festigkeit effizienter entwickelt, als wenn sie den ersten oder den zweiten Vernetzer alleine in vergleichbaren Anteilen verwenden würde. Der zweite Vernetzer hat auch den Affekt einer Verbreiterung der Glas-Zu-Gummi-Übergangsregion. Dieser breitere Übergang kann so zugeschnitten werden, dass spezifische Festigkeits-, Elastizitäts- und/oder Energieabsorptionsanforderungen bei Benutzungstemperaturen erfüllt werden, indem die relative Menge der verwendeten zwei Vernetzertypen gesteuert wird. So wird ein Schaum mit nur dem ersten Typ eines Vernetzers einen relativ schärferen Übergang zeigen, was nützlich sein kann, wenn eine höhere Elastizität erwünscht ist und wenn die Tg sehr nahe an der Benutzungsendtemperatur liegt. Dies ist besonders nützlich bei Schallabsorptionsanwendungen, in welchen der Schaum eine Schall- oder mechanische Vibrationsenergie um eine Optimalfrequenz herum bei einer gegebenen Temperatur in Abhängigkeit von der Form und dem Maximum dieses Übergangs absorbieren wird. Eine Zunahme der Menge des zweiten Vernetzers dient dazu, den Übergang zu verbreitern, selbst dann, wenn die tatsächliche Übergangstemperatur selbst nicht verändert wird.
Der Hauptteil der Ölphase der HIPEs wird die vorerwähnten Monomere, Comonomere und Vernetzungsmittel umfassen. Es ist wesentlich, dass diese Monomere, Comonomere und Vernetzungsmittel im Wesentlichen wasserunlöslich sind, sodass sie primär in der Ölphase und nicht in der Wasserphase löslich sind. Eine Verwendung solcher im Wesentlichen wasserunlöslichen Monomere gewährleistet, dass HIPEs mit geeigneten Eigenschaften und geeigneter Stabilität realisiert werden. Es ist natürlich in höchstem Maße vorzuziehen, dass die Monomere, Comonomere und Vernetzungsmittel, die hier verwendet werden, von solcher Art sind, dass der resultierende heterogene Polymerschaum in geeigneter Weise nicht toxisch und in geeigneter Weise chemisch stabil ist. Diese Monomere, Comonomere und Vernetzungsmittel sollten vorzugsweise eine geringere oder keine Toxizität haben, falls sie in sehr geringen Restkonzentrationen während der Post-Polymerisations-Schaumverarbeitung und/oder der Benutzung vorhanden sind.
Eine weitere wesentliche Komponente der Ölphase der HIPEs ist eine Emulgatorkomponente, die wenigstens einen primären Emulgator umfasst. Als geeignete primäre Emulgatoren haben sich solche heraus gestellt, welche: (1) in der Ölphase der HIPE löslich sind; (2) eine minimale Ölphase/Wasserphase-Grenzflächenspannung (IFT) von etwa 0,06 bis etwa 5 Dyne/cm, vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 3 Dyne/cm zeigen; (3) eine kritische Aggregatkonzentration (CAC) von etwa 5 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise etwa 3 Gew.-% oder weniger liefern; (4) HIPEs bilden, die ausreichend stabil sind gegenüber einer Koaleszenz bei der relevanten Tröpfchengröße und den relevanten Verfahrensbedingungen (z. B. HIPE-Formations- und Polymerisationstemperaturen); und (5) wünschenswerterweise eine hohe Konzentration von ein oder mehreren "grenzflächenaktiven" Komponenten haben, die in der Lage sind, die Grenzflächenspannung zwischen der Ölphase und der Wasserphase der HIPE zu senken. Obwohl nicht durch Theorie gebunden, wird angenommen, dass die Konzentration der grenzflächenaktiven Komponenten ausreichend hoch sein muss, um wenigstens in etwa eine Monoschichtabdeckung der inneren Ölphasentröpfchen bei den bevorzugten Tropfengrößen, Wasser : Ölverhältnisse und Emulgatoranteile zu erhalten. Typischerweise gilt für diese primären Emulgatoren: (6) sie haben Schmelztemperaturen und/oder Übergangstemperaturen von einer festen zur einer flüssig kristallinen Phase von etwa 30°C oder weniger; (7) sie sind in Wasser dispersibel; (8) sie sind im Wesentlichen wasserunlöslich oder partizipieren wenigstens nicht in der Wasserphase unter den Benutzungsbedingungen. Es wird vorgezogen, dass der primäre Emulgator eine ausreichende Benetzbarkeit bereit stellt, wenn er auf einer hydrophoben Oberfläche verteilt wird (z. B. dem polymeren Schaum), derart, dass der voraus laufende Kontaktwinkel von synthetischem Urin kleiner ist als (vorzugsweise wesentlich kleiner als) 90°. (Das Verfahren der Messung für IFT und CAC ist beschrieben nachfolgend im Abschnitt Testverfahren.) Diese primären Emulgatoren hydrophilisieren vorzugsweise auch den resultierenden Polymerschaum. Diese primären Emulgatoren umfassen typischerweise wenigstens etwa 40%, vorzugsweise wenigstens etwa 50%, noch bevorzugter wenigstens etwa 70% von emulgierenden Komponenten, ausgewählt aus Diglycerolmonoestern verzweigter C₁₆-C₂₄ Fettsäuren, linearen ungesättigten C₁₆-C₂₂ Fettsäuren oder linearen gesättigten C₁₂-C₁₄ Fettsäuren, wie Diglycerolmonooleat (das heißt, Diglycerolmonoester aus C18:1 Fettsäuren), Diglycerolmonomyristat, Diglycerolmonoisostearat und Diglycerolmonoester der Kokosnuss-Fettsäuren; Sorbitanmonoester verzweigter C₁₆-C₂₄ Fettsäuren, lineare ungesättigte C₁₆-C₂₂ Fettsäuren und lineare gesättigte C₁₂-C₁₄ Fettsäuren, wie Sorbitanmonooleat, Sorbitanmonomyristat und Sorbitanmonoester, die hergeleitet werden aus Kokosnuss-Fettsäuren; Diglycerolmonoaliphatether verzweigter C₁₆-C₂₄ Alkoholen, lineare ungesättigte C₁₆-C₂₂ Alkohole und lineare gesättigte C₁₂-C₁₄ Alkohole und Mischungen dieser emulgierenden Komponenten. Die bevorzugten primären Emulgatoren sind Diglycerolmonooleat (z. B. vorzugsweise größer als etwa 40%, vorzugsweise größer als etwa 50%, äußerst bevorzugt größer als etwa 70% Diglycerolmonooleat), Sorbitanmonooleat (z. B. vorzugsweise größer als etwa 40%, ganz bevorzugt größer als etwa 50%, äußerst bevorzugt größer als etwa 70% Sorbitanmonoleat) und Diglycerolmonoisostearat (z. B. vorzugsweise größer als etwa 40%, ganz bevorzugt größer als etwa 50%, äußerst bevorzugt als etwa 70% Diglycerolmonoisostearat).
Diglycerolmonoester linearer gesättigter, linearer ungesättigter und verzweigter Fettsäuren, die als Emulgatoren in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, können durch eine Esterifizierung von Diglycerol mit Fettsäuren unter Verwendung von im Stand der Technik allgemein bekannten Verfahren präpariert werden. Siehe zum Beispiel das Verfahren zum Präparieren von Polyglycerolestern, das offenbart ist in US Patent 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Diglycerol kann im Handel erhalten werden oder kann aus Polyglycerolen separiert werden, die einen hohen Anteil Diglycerol haben. Lineare gesättigte, lineare ungesättigte und verzweigte Fettsäuren können im Handel erhalten werden. Das gemischt Esterprodukt der Esterifizierungsreaktion kann fraktionell unter Vakuum ein oder mehrmals destilliert werden, um Destillationsfraktionen zu erhalten, die einen sehr hohen Anteil an Diglycerolmonoestern haben.
Lineare gesättigte, lineare ungesättigte oder verzweigte Diglycerolmonoaliphatether können auch präpariert werden und ihre Zusammensetzung unter Verwendung von im Stand der Technik allgemein bekannten Verfahren bestimmt werden. Sie auch US Patent Nr. 5,500,451, veröffentlicht am 19. März 1996 durch Goldman et al.
Sorbitanester linearer, verzweigter und ungesättigter Fettsäuren können im Handel erhalten werden oder unter Verendung von Verfahren präpariert werden, die im Stand der Technik bekannt sind. Siehe zum Beispiel US Patent 4,103,047 (Zaki et al.), veröffentlicht am 25. Juli 1978, insbesondere Spalte 4, Zeile 32 bis Spalte 5, Zeile 13. Das Gemisch des Sorbitanesterprodukts kann fraktionell im Vakuum destilliert werden, um Zusammensetzungen zu erhalten, die einen hohen Anteil an Sorbitanmonoester haben. Sorbitanesterzusammensetzungen können durch Verfahren bestimmt werden, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind, wie durch eine Gelpermeationschromatographie für kleine Moleküle. Siehe die parallele US Anmeldung, amtliches Aktenzeichen Nr. 08/514,346, welche die Verwendung dieses Verfahrens für Polyglycerolmonoaliphatether beschreibt.
Zusätzlich zu diesen primären Emulgatoren, können sekundäre Emulgatoren optional in der Emulgatorkomponente enthalten sein. Diese sekundären Emulgatoren sind wenigstens zusammen mit dem primären Emulgator in der Ölphase löslich und können enthalten sein, um: (1) die Stabilität der HIPE gegenüber einer Koaleszenz der dispergierten Wassertröpfchen, insbesondere bei höheren Wasser-Zu-Öl-Verhältnissen und höheren HIPE-Formantions- und Polymerisationstemperaturen zu erhöhen, (2) die minimale IFT zwischen Öl- und Wasserphase zu modifizieren, dass sie in dem Bereich von etwa 0,06 bis etwa 5 Dyne/cm liegt, (3) die CAC der Emulgatorkomponente zu senken oder (4) die Konzentration der grenzflächenaktiven Komponenten zu erhöhen. Geeignete sekundäre Emulgatoren können Zwitterionentypen sein, einschließlich der Phosphatidylcholine und Phosphatidylcholin enthaltenden Zusammensetzung, wie die Lecithine und Aliphatbetaine, wie Laurylbetain; kationische Typen, einschließlich der langkettigen C₁₂-C₂₂ dialiphatischen, kurzkettigen C₁-C₄ dialiphatischen quartärnären Ammoniumsalze, wie Ditallowdimethylammoniumchlorid, Bistridecyldimethylammoniumchlorid und Ditallowdimethylammoniummethylsulfat, die langkettigen C₁₂-C₂₂ Dialkanoyl(Alkenoyl)-2-hydroxyethyl, kurzkettigen C₁-C₄ dialiphatischen quartärnären Ammoniumsalze, wie Ditallowyl-2-hydroxyethyldimethylammoniumchlorid, Die langkettigen C₁₂-C₂₂ dialiphatischen Imidazolinium-quartärnären Ammoniumsalze, wie Methyl-1-tallowamidoethyl-2-tallowimidazoliniummethylsulfat und Methyl-1-oleylamidoethyl-2-oleylimidazoliniummehtylsulfat, die kurzkettigen C₁-C₄ dialiphatischen, langkettigen C₁₂-C₂₂ monoaliphatischen Benzyl-quartärnären Ammoniumsalze, wie Dimethylstearylbenzylammoniumchlorid und Dimethyltallowbenzylammoniumchlorid, die langkettigen C₁₂-C₂₂ Dialkyl(Alkenoyl)-2-Aminoethyl, kurzkettigen C₁-C₄ monoaliphatischen, kurzkettigen C₁-C₄ monohydroxyaliphatischen quartärnären Ammoniumsalze, wie Ditallowyl-2-aminoethylmethyl 2-Hydroxypropylammnoniummethylsulfat und Dioleyl-2-aminoethylmethyl 2-Hydroxyethylammnoniummehtylsulfat; anionische Typen, einschließlich der dialiphatischen Ester von Natriumsulfosuccinsäure, wie das Dioctylester der Natriumsulfosuccinsäure und das Bistridecylester der Natriumsulfosuccinsäure, die Aminsalze der Dodecylbenzolsulfonsäure; und Mischungen dieser sekundären Emulgatoren. Diese sekundären Emulgatoren können im Handel erhalten werden oder unter Verwendung der im Stand der Technik bekannten Verfahren präpariert werden. Die bevorzugten sekundären Emulgatoren sind Ditallowdimethylammoniummethylsulfat und Ditallowdimethylammoniummethylchlorid. Wenn diese optionalen sekundären Emulgatoren in der Emulgatorkomponente enthalten sind, ist dies typischerweise mit einem Gewichtsverhältnis von primären zu sekundären Emulgatoren von etwa 50 : 1 bis etwa 1 : 4, vorzugsweise von etwa 30 : 1 bis etwa 2 : 1.
Die Ölphase, die dazu verwendet wird, die HIPEs zu bilden, umfasst etwa 85 bis etwa 98 Gew.-% der Monomerkomponente und von etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% der Emulgatorkomponente. Vorzugsweise wird die Ölphase von etwa 90 Gew.-% bis etwa 97 Gew.-% der Monomerkomponente und von etwa 3 bis etwa 10 Gew.-% der Emulgatorkomponente umfassen. Die Ölphase kann auch weitere optionale Komponenten enthalten. Eine solche optionale Komponente ist ein Öl löslicher Polymerisationsinitiator des allgemeinen Typs, der für die Fachleute des Standes der Technik allgemein bekannt ist, wie dieser beschrieben ist in US Patent 5,290,820 (Bass et al.), veröffentlicht am 01. März 1994.
Eine bevorzugte optionale Komponente ist ein Antioxidanzmittel, wie ein Hindered Amine Light Stabilizer (HALS), wie beispielsweise ein bis-(1,2,2,5,5-pentamethylpiperidinyl)Sebacat (Timuvin-765^®) oder ein Hindered Phenole Stabilizer (HPS), wie beispielsweise Irganox-1076^® und t-butylhydroxyquinon. Eine weitere optionale Komponente ist ein Plastifizierer, wie Dioctylazelat, dioctylsebacat oder Dioctyladipat. Weitere optionale Komponenten umfassen Füllstoffe, Farbstoffe, Fluoreszenzmittel, Trübungsmittel, Kettentransfermittel und dergleichen. Bestimmte dieser Komponenten können in einer Ölphase oder der anderen eingebaut sein, wenn zwei Ölphasen verwendet werden, um die heterogene HIPE und den nachfolgenden Schaum zu bilden, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
2. Wasserphasenkomponenten
Die diskontinuierliche innere Wasserphase der HIPE(s) ist im Allgemeinen eine wässrige Lösung mit ein oder mehreren gelösten Komponenten. Eine wesentliche gelöste Komponente der Wasserphase ist ein wasserlöslicher Elektrolyt. Der gelöste Elektrolyt minimiert die Neigung der Monomere, Comonomere und Vernetzer, die primär öllöslich sind, sich auch in der Wasserphase aufzulösen. Dies wiederum soll das Maß minimieren, in welchem Polymermaterial die Zellfenster an den Öl/Wasser-Grenzflächen füllt, die durch die Wasserphasentröpfchen während der Polymerisation gebildet werden. So soll das Vorhandensein des Elektrolyts und die resultierende Ionenstärke der Wasserphase festlegen, ob und in welchem Maß die resultierenden bevorzugten Polymerschäume offenzellig sein können.
Irgendein Elektrolyt, der in der Lage ist, der Wasserphase eine Ionenstärke zu verleihen, kann verwendet werden. Bevorzugte Elektrolyte sind ein-, zwei- oder dreiwertige anorganische Salze, wie dies wasserlöslichen Halide, zum Beispiel Chloride, Nitrate und Sulfate der Alkalimetalle und Erdalkalimetalle. Beispiele umfassen Natriumchlorid, Kalziumchlorid, Natriumsulfat und Magnesiumsulfat. Kalziumchlorid ist das am meisten bevorzugte für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen wird der Elektrolyt in der Wasserphase der HIPE(s) in einer Konzentration im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 20 Gew.-% der Wasserphase verwendet. Ganz bevorzugt wird der Elektrolyt von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-% der Wasserphase umfassen, und äußerst bevorzugt von etwa 2 bis etwa 5 Gew.-% der Wasserphase.
Die HIPE(s) werden auch typischerweise eine effektive Menge eines Polymerisationsinitiators enthalten. Eine solche Initiatorkomponente wird im Allgemeinen der Wasserphase der HIPE(s) hinzu gegeben und kann irgendein herkömmlicher wasserlöslicher Initiator mit einem freien Radikal sein. Diese umfassen Persauerstoffverbindungen, wie Natrium-, Kalium- und Annoniumpersulfate, Wasserstoffperoxid, Peroxyacetinsäure, Natriumperborat, Kaliummonopersulfat, Natriumpercarbonat und dergleichen. Herkömmliche Redox-Initiatorsysteme können auch verwendet werden. Solche Systeme werden gebildet, indem die vorstehenden Persauerstoffverbindungen mit Reduzierungsmitteln, wie Natriumbisulfit, L-Ascorbinsäure oder Eisensalzen kombiniert werden.
Der Initiator kann bis zu etwa 10 Molprozent basierend auf der gesamten Molzahl der polymerisierbaren Monomere, die in der Ölphase vorhanden sind, vorliegen. Ganz bevorzugt liegt der Initiator in einer Menge von etwa 0,001 bis etwa 10 Molprozent basierend auf der gesamten Molzahl der polymerisierbaren Monomere in der Ölphase vor.
3. Hydrophilisieren der grenzflächenaktiven Stoffe und hydrierbaren Salze
Das die HIPE-Schaumstruktur bildende Polymer kann vorzugsweise im Wesentlichen frei sein von polaren funktionalen Gruppen. Dies bedeutet, dass der Polymerschaum einen relativ hydrophoben Charakter haben wird. Diese hydrophoben Schäume können dort Anwendung finden, wo die Absorption hydrophober Fluide erwünscht ist, oder wo eine Wasserbeständigkeit erwünscht ist (z. B. bei Filter- oder Schalldämpfungsanwendungen zum Beispiel). Verwendungen dieser Art umfassen solche, bei welchen ölige Komponenten mit Wasser vermischt werden und es erwünscht ist, die ölige Komponente zu separieren und zu isolieren, wie beispielsweise im Falle von Ölverschmutzungen.
Wenn diese Schäume als Absorptionsmittel für wässrige Fluide, wie Saftverunreinigungen, Milch, Blut und Urin, verwendet werden, benötigen sie im Wesentlichen eine Behandlung dahin gehend, dass der Schaum relativ mehr hydrophil gemacht wird. Dies kann herbei geführt werden, indem der HIPE-Schaum mit einem hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoff einer nachfolgend vollständiger beschriebenen Weise behandelt wird.
Diese hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoffe können irgendein Material sein, das die Wasserbenetzbarkeit der polymeren Schaumoberfläche verbessert. Sie sind im Stand der Technik allgemein bekannt und können eine Vielfalt von grenzflächenaktiven Stoffen, vorzugsweise des nicht ionisierenden Typs, enthalten. Sie werden im Allgemeinen in einer flüssigen Form vorliegen und können in einer hydrophilisierenden Lösung aufgelöst oder dispergiert sein, die auf die HIPE-Schaumoberfläche aufgetragen wird. Auf diese Weise können die hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoffe durch die bevorzugten HIPE-Schäume in Mengen adsorbiert werden, die dazu geeignet sind, die Oberflächen derselben im Wesentlichen hydrophil zu machen, ohne aber gewünschten Flexibilitäts- und Kompressionseinbiegungseigenschaften des Schaumes zu beeinträchtigen. Solche grenzflächenaktiven Stoffe können alle solche umfassen, die vorher für die Verwendung als Ölphasenemulgator für die HIPE beschrieben wurden, wie beispielsweise Diglycerolmonooleat, Sorbitanmonooleat und Diglycerolmonoisostearat. Solche hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoffe können in den Schaum während der HIPE-Formation und -Polymerisation eingebaut werden oder können durch eine Behandlung des polymeren Schaumes mit einer Lösung oder einer Suspension des grenzflächenaktiven Stoffes in einem geeigneten Träger oder Lösungsmittel eingebaut sein. In bevorzugten Schäumen ist der hydrophilisierende grenzflächenaktive Stoff derart eingebaut, dass Restmengen des grenzflächenaktiven Stoffes, die in der Schaumstruktur verbleiben, im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 10 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 0,5 bis etwa 6 Gew.-% des Schaumes betragen.
Ein weiteres Material, das typischerweise in die HIPE-Schaumstruktur eingebaut werden kann, ist ein hydrierbares und vorzugsweise hygroskopisches oder zerfließendes, wasserlösliches anorganisches Salz. Solche Salze umfassen zum Beispiel toxikologisch akzeptable Erdalkalimetallsalze. Salze dieses Typs und ihre Verwendung mit öllöslichen grenzflächenaktiven Stoffen als Schaumhydrophilisierungsmittel ist in größerem Detail beschrieben im US Patent 5,352,711 (DesMarais), veröffentlicht am 04. Oktober 1994. Bevorzugte Salze dieses Typs umfassen die Kalziumhalide, wie Kalziumchlorid, das, wir vorher angemerkt, auch als Wasserphasenelektrolyt in der HIPE verwendet werden kann.
Hydrierbare anorganische Salze können leicht eingebaut werden, indem die Schäume mit wässrigen Lösungen solcher Salze behandelt werden. Diese Salzlösungen können im Allgemeinen verwendet werden, um die Schäume nach Beendigung des Verfahrens, oder als ein Teil desselben, zum Entfernen der Restwasserphase aus den gerade polymerisierten Schäumen verwendet werden. Die Behandlung von Schäumen mit solchen Lösungen lagert vorzugsweise hydrierbare anorganische Salze, wie Kalziumchlorid, in Restmengen von wenigstens etwa 0,01 Gew.-% des Schaumes und typischerweise im Bereich von etwa 0,01 bis 12 Gew-%., vorzugsweise von etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-% des Schaumes ab. Eine Behandlung dieser relativ hydrophoben Schäume mit hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoffen (mit oder ohne hydrierbaren Salzen) wird typischerweise in dem Maße ausgeführt, wie es notwendig ist, dem Schaum eine geeignete Hydrophilizität zu verleihen. Zum Beispiel können die Schäume in einer Lösung aus 0,5% Pegosperse 200 ML und 0,05% Kalziumchlorid gewaschen werden, um einen vollständig benetzbaren Schaum herzustellen. Solche Schäume des bevorzugten HIPE-Typs sind jedoch in geeigneter Weise hydrophil so wie sie präpariert wurden, können aber darin ausreichende Mengen hydrierbarer Salze aufweisen, sodass keine zusätzliche Behandlung mit hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoffen oder hydrierbaren Salzen erforderlich ist. Insbesondere umfassen solche bevorzugten HIPE-Schäume solche, bei welchen bestimmte Ölphasenemulgatoren, wie sie vorher beschrieben wurden, und Kalziumchlorid in der HIPE verwendet werden. In solchen Fällen wird der Polymerschaum in geeigneter Weise hydrophil und wird eine restliche Wasserphasenflüssigkeit enthalten, die ausreichende Mengen von Kalziumchlorid enthält oder abscheidet, um den Schaum hydrophil zu machen, selbst nachdem der Polymerschaum entwässert oder getrocknet wurde, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
B. Verarbeitungsbedingungen zum Erhalten von heterogenen HIPE-Schäumen
Die Schaumpräparierung umfasst typischerweise die Schritte: 1) Bilden zwei unterschiedlicher Emulsionen mit hoher innerer Phase; und 2) entweder (a) Kombinieren der zwei Emulsionen vor der Polymerisation beider Emulsionen und dann Polymerisieren der Ölphase der beiden Emulsionen gleichzeitig, oder (b) teilweises oder vollständiges Polymerisieren der Ölphase einer der Emulsionen, Kombinieren des resultierenden Polymers mit der anderen Emulsion, gefolgt durch ein Polymerisieren der zweiten Emulsion und der ersten Emulsion, falls sie kombiniert sind, wenn sie teilweise ausgehärtet sind. Alternativ kann die Schaumpräparierung umfassen 1) ein Bilden einer einzelnen Emulsion und ein rhythmisches oder kontinuierliches Variieren von Bedingungen, wie Scherrate, Gießtemperatur, etc.; und 2) Polymerisieren der resultierenden Emulsion. In beiden Fällen umfassen optionale Schritte 3) ein Waschen der festen polymeren Schaumstruktur, um die ursprüngliche Restwasserphase aus dem Schaum zu entfernen, und, falls notwendig, ein Behandeln des Schaumes mit einem hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoff und/oder einem hydrierbaren Salz, um einen/ein benötigten benötigtes hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoff/hydrierbares Salz abzuscheiden, und 4) danach ein Entwässern dieser polymeren Schaumstruktur.
Die allgemeinen Vorgehensweisen zur HIPE-Bildung, Polymeraushärtung, Schaum-Auswaschung und Schaum-Entwässerung sind beschrieben im US Patent 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995, und US Patent 5,149,720 (DesMarais et al.), veröffentlicht am 22. September 1992. Obwohl nicht im US Patent 5,387,207 spezifisch diskutiert, kann die Temperatur der wässerigen Waschlösung wichtig sein. Es ist allgemein erwünscht, dass sie größer ist als die höchste Tg einer unterschiedlichen Region des Schaumes. Siehe auch die parallel anhängige US Anmeldung, amtliches Aktenzeichen Nr. 08/370,694, eingereicht am 10. Januar 1995 durch T. DesMarais (Case Nr. 5543), welche einen verbesserten kontinuierlichen Prozess mit einer Rezirkulationsschleife für die HIPE(s) beschreibt. Die Verwendung einer solchen Rezirkunlationsschleife beim Präparieren der vorhandenen Schäume ist primär nützlich, wenn die unterschiedlichen Emulsionen aus unterschiedlichen Mischhöhen gegossen werden.
III. Verwendungen polymerer Schäume
A. Allgemeines
Heterogene polymere Schäume gemäß der vorliegenden Erfindung sind weit verbreitet in Anwendungen, die einschließen eine Energieverteilung (z. B. akustische und mechanische Isolierung), eine thermische Isolierung (siehe parallel anhängige US Patentanmeldungen Nummern 08/472,447, eingereicht am 07. Juni 1995 von Dyer et al. und 08/484,727, eingereicht am 07. Juni 1995 von DesMarais et al.), eine Filtration und absorbierenden Kerne in absorbierenden Artikeln. Diese Schäume können auch verwendet werden als Sorbtionsmittel für umweltverschmutzendes Öl, als absorbierende Komponenten in Bandagen oder Verbänden, um Farbe auf verschiedene Oberflächen aufzutragen, in Staubmop-Köpfen, in feuchten Mop-Köpfen, in Ausgabeeinrichtungen für Fluide, in Verpackungen, in Schuhen, in Geruchs/Feuchtigkeits-Sorbtionsmittels, in Kissen, in Handschuhen und für viele weitere Verwendungen.
B. Absorbierende Artikel
Die heterogenen polymeren Schäume der vorliegenden Erfindung sind besonders nützlich als wenigstens ein Teil der absorbierenden Strukturen (z. B. als absorbierende Kerne) für verschiedene absorbierende Artikel. Die Verwendung des Ausdrucks "absorbierender Artikel" ist hier als ein Verbraucherprodukt gemeint, das in der Lage ist, signifikante Mengen von Urin oder anderen Fluiden (das heißt, Flüssigkeiten) zu absorbieren, wie wässriges Stuhlmaterial (Durchfall), ausgeschieden durch einen inkontinenten Träger oder Benutzer des Artikels. Beispiele solcher absorbierender Artikel umfassen Einwegwindeln, Inkontinenzwäsche, Katamneseeinrichtungen, wie Tampons und Damenbinden, wegwerfbare Übungshöschen, Betteinlagen und dergleichen. Die hier vorliegenden absorbierenden Schaumstrukturen sind besonders geeignet für die Verwendung in Artikeln, wie Windeln, Inkontinenzpads oder -wäsche, Kleidungsschutz und dergleichen. Strukturen und repräsentative absorbierende Artikel, wie Kinderwindeln, sind in größerem Detail beschrieben in US 5,387,207 , (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Die alternativen Materialien und Ausführungsformen, die darin beschrieben werden, sind auch auf die vorliegende Erfindung anwendbar.
Mehrschichtige absorbierende Kerne können gemäß der parallel anhängigen US Anmeldung, amtliches Aktenzeichen Nr. 08/521,556 hergestellt werden (Gary Dean Lavon et al.), eingereicht am 30. August 1995 (Case Nr. 5547R), in welcher die Fluidspeicherung/Neuverteilungs-Lage einen absorbierenden Schaum gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Anzahl diskreter Schaumlagen zu vereinfachen, die verwendet werden muss, um diese mehrschichtigen Verbundstoffe zu bilden. Zum Beispiel kann ein Schaum, wie er in 13 mit einem Annahmematerial in der Region 46 und ein Speichermaterial in den Regionen 42 und 44 gezeigt ist, C-gewickelt sein, sodass eine mehrlagige Ausbildung aus einem einzigen heterogenen Schaumstück hergestellt wird. Alternativ kann ein Schaum, wie er in 14 gezeigt ist, in welcher die Regionen 52 und 56 in geeigneter Breite, Mikrostruktur und Oberflächenbereich pro Volumen vorliegen, um als Annahmematerial zu dienen, und die Regionen 53, 54 und 55 von geeigneter Breite, Mikrostruktur und Oberflächenbereich pro Volumen vorliegen, um als ein Speichermaterial zu dienen, S-gewickelt sein, um einen Speicherkern aus 5 Lagen aus einem einzigen heterogenen Schaumstück herzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Artikel mit einem heterogenen Schaum der vorliegenden Erfindung ein in 10 gezeigtes Katamnesepad. Dieses Katamnesepad 10 ist aus einer fluiddurchlässigen primären Decklage 12, einem absorbierenden Kern, der aus einer optionalen Fluidannahmeschicht 14 gebildet wird, die allgemein als eine "sekundäre Decklage" bezeichnet wird, ein absorbierendes Fluidspeicherelement 16, hergestellt aus ein oder mehreren polymeren Schäumen gemäß der vorliegenden Erfindung, und einer fluidundurchlässigen Außenlage 18 konstruiert. Die Außenlage 18 und die Decklage 12 sind angrenzend an die wäscheseitige Oberfläche bzw. die körperseitige Oberfläche des Pads 10 positioniert und sind vorzugsweise miteinander verbunden. Zum Beispiel können die Außenlage 18 und die Decklage 12 durch ein Haftmittel aneinander befestigt sein.
Die Außenlage 18 ist undurchlässig für Fluide (z. B. Menstruationsfluide) und wird vorzugsweise hergestellt aus einem dünnen Kunststofffilm, obwohl andere flexible, flüssigkeitsundurchlässige Materialien auch verwendet werden können. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck "flexibel" auf Materialien, die nachgiebig sind und sich ohne Weiteres an die allgemeine Form und Kontur des menschlichen Körpers anpassen werden. Die Auslage 18 verhindert, dass Ausscheidungen, die in die absorbierende Struktur absorbiert und aufgenommen sind, Artikel benässen, welche die Damenbinde 10 berühren, wie Höschen, Schlafanzüge und Unterwäsche. Die Außenlage 18 kann ein Gewebe- oder Vliesstoffmaterial, polymere Filme, wie thermoplastische Filme aus Polyethylen oder Polypropylen, oder Verbundmaterialien, wie filmbeschichtetes Vliesstoffmaterial umfassen. Vorzugsweise ist die Außenlage ein Polyethylenfilm mit einer Dicke von etwa 0,012 mm (0,5 mil) bis etwa 0,051 mm (2,0 mil). Beispielhafte Polyethylenfilme werden hergestellt durch Clopay Corporation aus Cincinnati, Ohio, unter der Bezeichnung P18-0401, und durch Ethyl Corporation, Visqueen Division, aus Terre Haute, Indiana, unter der Bezeichnung XP-39385. Die Außenlage ist vorzugsweise geprägt und/oder mattiert, um ein mehr kleidungsähnliches Erscheinungsbild zu schaffen. Ferner kann die Außenlage 18 Dämpfen erlauben, aus dem absorbierenden Kern zu entweichen (das heißt, atmungsfähig zu sein), und gleichzeitig noch zu verhindern, Ausscheidungen durch die Außenlage 18 hindurch zu lassen.
Die Decklage 12 ist nachgiebig, weichfühlig und nicht störend für die Haut des Trägers. Ferner ist die Decklage 12 fluiddurchlässig und erlaubt Fluiden (z. B. Menstruationsfluiden), ohne Weiteres durch ihre Dicke hindurch zu dringen. Eine geeignete Decklage 12 kann aus einem breiten Bereich von Materialien hergestellt werden, wie Gewebe- und Vliesstoffmaterialien; polymere Materialien, wie mit Öffnungen versehene geformte thermoplastische Filme, mit Öffnungen versehene Kunststofffilme und hydrogeformte thermoplastische Filme; poröse Schäume; retikulierte Schäume; retikulierte thermoplastische Filme; und thermoplastische Scrims. Geeignete Gewebe- und Vliesstoffmaterialien können aus natürlichen Fasern (z. B. Holz- oder Baumwollfasern) zusammengesetzt werden, aus synthetischen Fasern (z. B. polymeren Fasern, wie Polyester, Polypropylen oder Polyethylenfasern) oder aus einer Kombination aus natürlichen und synthetischen Fasern.
Bevorzugte Decklagen für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung werden ausgewählt aus Vliesstoff-Decklagen mit hohem Loft und aus mit Öffnungen versehenen Film-Decklagen. Mit Öffnungen versehene, geformte Filme sind besonders bevorzugt für die Decklage, weil sie für Körperausscheidungen durchlässig sind und noch nicht absorbierend sind und eine verringerte Neigung dahin gehend haben, Fluiden zu erlauben, durch sie hindurch zurück zu gelangen und die Haut des Trägers neu zu benässen. So bleibt die Oberfläche des geformten Films, die sich in Kontakt mit dem Körper befindet, trocken, wodurch eine Körperbeschmutzung verringert wird und ein komfortableres Gefühl für den Träger erzeugt wird. Geeignete geformte Filme sind beschrieben in US Patent 3,929,135 (Thompson), veröffentlicht am 30. Dezember 1975; US Patent 4,324,246 (Mullane et al.), veröffentlicht am 12. April 1982; US Patent 4,342,314 (Radel et al.), veröffentlicht am 03. August 1982; US Patent 4,463,045 (Ahr et al.), veröffentlicht am 31. Juli 1984; und US 5,006,394 (Baird), veröffentlicht am 09. April 1991. Besonders bevorzugte, mit Mikroöffnungen versehene geformte Film-Decklagen sind offenbart in US Patent 4,609,518 (Curro et al.), veröffentlicht am 02. September 1986 und US Patent 4,629,643 (Curro et al.), veröffentlicht am 16. Dezember 1986. Die bevorzugte Decklage für die vorliegende Erfindung ist der geformte Film, der in ein oder mehreren der obigen Patente beschrieben wird und auf Damenbinden von The Procter & Gamble Company aus Cincinnati, Ohio, als "DRI-WEAVE" vermarktet wird.
Die körperseitige Oberfläche der geformten Film-Decklage kann hydrophil sein, um einer Flüssigkeit zu helfen, durch die Decklage schneller hindurch zu gelangen, als wenn die körperseitige Oberfläche nicht hydrophil wäre, um so die Wahrscheinlichkeit zu vermindern, dass ein Menstruationsfluid aus der Decklage ausfließt, statt durch sie hindurch zu fließen und von der absorbierenden Struktur absorbiert zu werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein grenzflächenaktiver Stoff in die polymeren Materialien der geformten Film-Decklage eingebaut, wie dies beschrieben ist in der US Patentanmeldung, amtliches Aktenzeichen Nr. 07/794,745 "Absorbent Article Having A Nonwoven and Apertured Film Coversheet", eingereicht am 19. November 1991 durch Aziz et al. Alternativ kann die körperseitige Oberfläche der Decklage hydrophil gemacht werden, indem sie mit einem grenzflächenaktiven Stoff behandelt wird, wie dies beschrieben ist in dem oben erwähnten US 4,950,254 .
Bei der Benutzung kann das Pad 10 durch eine Halte- oder Befestigungseinrichtung (nicht gezeigt) an Ort und Stelle gehalten werden, wie dies für solche Zwecke allgemein bekannt ist. Vorzugsweise wird das Pad 10 in der Unterwäsche des Benutzers oder im Höschen platziert und damit durch einen Befestiger, wie ein Haftmittel, fest gelegt. Das Haftmittel liefert ein Mittel zum Befestigen des Pads im Schrittbereich des Höschens. So wird ein Bereich oder die Gesamtheit der äußeren Oberfläche der Außenlage 18 mit einem Haftmittel beschichtet. Irgendein Haftmittel oder Kleber, der im Stand der Technik für solche Zwecke verwendet wird, kann hier als das Haftmittel verwendet werden, wobei druckempfindliche Haftmittel bevorzugt werden. Bevor das Pad 10 für die Benutzung angeordnet wird, ist das druckempfindliche Haftmittel typischerweise mit einem entfernbaren Abziehstreifen abgedeckt, um das Haftmittel vor einem Austrocknen oder Anhaften an einer anderen Oberfläche als dem Schrittbereich des Höschens von der Benutzung zu bewahren.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Artikel mit einem heterogenen Schaum der vorliegenden Erfindung eine Einwegwindel. Einwegwindeln mit den absorbierenden Schaumstrukturen der vorliegenden Erfindung können hergestellt werden, indem herkömmliche Windel-Herstellungstechniken verwendet werden, indem aber die Holzzellstoff-Faserbahn ("Luftfilz") oder modifizierte Zellulosekern-Absorptionsmittel, die typischerweise in herkömmlichen Windeln verwendet werden, durch ein oder mehrere Schaumstrukturen der vorliegenden Erfindung ersetzt oder ergänzt werden. Schaumstrukturen der vorliegenden Erfindung können somit in Windeln in einer einzigen oder in verschieden mehrlagigen Kernkonfigurationen verwendet werden, wie dies vorher beschrieben wurde. Eine repräsentative Ausführungsform einer Einwegwindel der vorliegenden Erfindung ist durch 11 der Zeichnungen dargestellt. Eine solche Windel umfasst einen absorbierenden Kern 20 mit einer optionalen oberen Fluidannahmeschicht 21 und einer unteren Fluidspeicherung/Neuverteilungsschicht 22 mit einer absorbierenden heterogenen Schaumstruktur der vorliegenden Erfindung. Eine Decklage 23 ist über und gleich erstreckend mit einer Seite des Kerns angeordnet und eine flüssigkeitsundurchlässige Außenlage 24 ist über und gleich erstreckend mit der Seite des Kerns angeordnet, die der durch die Decklage überdeckten Seite entgegen gesetzt ist. Die Außenlage hat äußerst bevorzugt eine Breite, die größer ist als diejenige des Kerns, wodurch Seitenrandbereiche der Außenlage geschaffen werden, welche sich über den Kern hinaus erstrecken. Die Windel ist vorzugsweise in einer Sanduhr-Konfiguration konstruiert.
Ein weiterer Typ eines absorbierenden Artikels, welcher die absorbierenden Schaumstrukturen der vorliegenden Erfindung verwenden kann, umfasst formpassende Produkte, wie Übungshöschen. Solche formpassenden Artikel werden im Allgemeinen ein flexibles Vliesstoffsubstrat enthalten, das in einem Chassis in Form einer Einlage oder von Shorts zugeschnitten ist. Eine absorbierende Schaumstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann dann im Schrittbereich eines solchen Chassis befestigt sein, um als ein absorbierender "Kern" zu dienen. Dieser absorbierende Kern wird häufig mit einer Tissuehülle oder einem anderen flüssigkeitsdurchlässigen Vliesstoffmaterial umwickelt. Eine solche Kernumwicklung dient somit als "Decklage" für den formpassenden absorbierenden Artikel.
Das flexible Substrat, welches das Chassis des formpassenden Artikels bildet, kann Textilstoff oder Papier oder andere Arten von Vliesstoffsubstrat oder geformten Filmen umfassen und kann elastisch gemacht sein oder in anderer Weise streckbar sein. Beinbänder oder Taillenbänder solcher Übungshöschen-Artikel können in herkömmlicher Weise elastisch gemacht sein, um den Sitz des Artikels zu verbessern. Ein solches Substrat wird im Allgemeinen relativ flüssigkeitsundurchlässig gemacht oder wenigstens nicht vollständig flüssigkeitsdurchlässig gemacht, indem eine Oberfläche desselben behandelt oder beschichtet wird oder indem diese dieses Befestigungssubstrat mit einem anderen relativ flüssigkeitsundurchlässigen Substrat laminiert wird, um dadurch das gesamte Chassis relativ flüssigkeitsundurchlässig zu machen. In diesem Fall dient das Chassis selbst als die "Außenlage" für den formpassenden Artikel. Typische Übungshöschen-Produkte dieser Art sind beschrieben in US Patent 4,619,649 (Roberts), veröffentlicht am 28. Oktober 1986.
Ein typischer formpassender Artikel in Form eines wegwerfbaren Übungshöschen-Produkts ist in 12 der Zeichnungen gezeigt. Ein solches Produkt umfasst eine äußere Schicht 30, die mit einer inneren Schicht 31 durch Haftung entlang der Umfangszone derselben befestigt ist. Zum Beispiel kann die innere Schicht 31 mit der äußeren Schicht 30 entlang des Umfangs eines Beinbandbereichs 32, entlang des Umfangs des anderen Beinbandbereichs 33 und entlang des Umfangs eines Taillenbandbereichs 34 befestigt sein. An dem Schrittbereich des Artikels ist ein im Wesentlichen rechtwinkliger absorbierende Kern 35 mit einer absorbierenden heterogenen Schaumstruktur der vorliegenden Erfindung befestigt.
C. Zusammengesetzte Schäume
Wie oben diskutiert, bestehen zahlreiche Möglichkeiten im Hinblick auf die Anordnung der diskreten Regionen innerhalb eines gegebenen zusammengesetzten Schaumes. Der Fachmann wird erkennen, dass im Lichte der hier vorliegenden Lehren Routine-Experimente Schäume mit verschiedenen Qualitäten liefern werden, in Abhängigkeit von gewünschter Endnutzung. Als Solches werden deshalb vier repräsentative Schaum-Ausführungsformen in den 13, 14, 16 und 17/18 gezeigt und diskutiert, wobei nicht beabsichtigt ist, dass der Schutzbereich der Erfindung irgendwie auf diese Ausführungsform beschränkt wird.
Mit Bezug auf 13 ist ein heterogener Schaum 14 mit sich wiederholenden Streifen gezeigt. Insbesondere hat ein Schaumstück 40 eine Region 46 aus relativ großzelligem Material, das zwischen zwei Regionen 42 und 44 positioniert ist, beide aus relativ kleinzelligem Material. Die Regionen 42 und 44 können entweder gleich sein oder sie können unterschiedlich sein. Wie dargestellt, ist das rechtwinklige Schaumstück 40 für die Verwendung als ein absorbierender Kern für ein Katamneseprodukt geeignet. Die relativ großzellige Region 46 wird eine schnelle Annahme und Verteilung eines ausgeschiedenen Körperfluids erlauben, während die kleinzelligen Regionen 42 und 44 eine Leckage an den Seiten des Produkts verhindern werden. Gekrümmte Linien 47 und 48 zeigen optionale ausgeschnittene Regionen, die vorgezogen werden können, wenn ein Schaumstück 40 als ein absorbierendes Kernmaterial in einer Windel verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Annahme/Verteilungs-Region 46 eine relativ kleinere spezifische Fläche pro Volumen haben, als die Speicherregionen 42 und 44.
Der in 14 gezeigt Schaum ist ähnlich demjenigen, der in 13 gezeigt ist, hat aber fünf unterschiedliche Regionen, anstatt drei. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine zentrale Region 54 relativ großzelliges Material umfassen, welches für eine schnelle Annahme eines Körperfluids geeignet ist. Die äußeren Regionen 52 und 56 werden vorzugsweise relativ kleinzelliges Material, wieder darum, um eine Leckage eines Fluids aus den Seiten des entsprechenden Produkts zu verhindern. Die Regionen 43 und 55 werden beide vorzugsweise ein Material umfassen, das Zellgrößen hat, die kleiner sind als die Region 54, aber größer als in den Regionen 52 und 56. Als Kern für ein Frauen-Hygienepad können äußere Regionen 52 und 56 Lochgrößen haben, die kleiner sind als 8 μm, um einen Durchgang roter Blutzellen in die äußeren Ränder des Produkts auszuschließen, was dem Verbraucher einen unmittelbaren Seitenaustritt und ein Versagen signalisieren könnte. Solche Regionen werden ein freies Fluid aus den Menstruationsfluiden absorbieren, ohne rote Blutzellen und die anhaftende Farbe hindurch zu lassen.
Der in den 17 und 18 gezeigte Schaum ist beispielhaft für eine Ausführungsform, in welcher die unterschiedlichen Regionen in der Z-Richtung geschichtet sind. 17 ist eine Seitenansicht eines Schaumes 70 mit einer oberen Region 72 und einer unteren Region 74. 18 ist eine perspektivische Ansicht, die wiederum eine obere Region 72 und eine untere Region 74 zeigt. Dieser Schaumtyp ist besonders geeignet als ein absorbierendes Material, wie eine Windel, in welcher eine obere Region 72 ein Annahmematerial ist und die untere Region 74 ein Speichermaterial ist. Ein Schaum mit Regionen, die in der Z-Richtung geschichtet sind, kann durch Gießen einer Emulsion gebildet werden, sodass eine Region 74 in einer Form ausgebildet wird und gleichzeitig oder sequentiell eine zweite Emulsion hinzu gegeben wird, um die Region 72 auszubilden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Region 72 eine relativ geringere spezifische Oberfläche pro Volumen haben als die Region 74, was der Region 74 erlauben wird, ein Fluid aus der Region 72 abzuführen.
IV. Testverfahren
Viele der verwendeten Testverfahren benötigen eine größere Probe aus homogenem Material, als sie in den heterogenen Schäumen der vorliegenden Erfindung vorhanden ist. Die Messung der Eigenschaften der unterschiedlichen Regionen muss dann erhalten werden, indem eine Probe der unterschiedlichen Emulsionsströme genommen wird, diese identisch ausgehärtet wird und diese dazu verwendet wird, die spezifischen unabhängigen Eigenschaften der heterogenen Regionen des Schaumes zu bestimmen.
A. Dynamische mechanische Analyse (DMA)
Die DMA wird dazu verwendet, die Tgs von Polymeren, einschließlich polymerer Schäume, zu bestimmen. Die Proben der Schäumen werden in Blöcke von 3–5 mm Dicke geschnitten und 3 bis 4 mal in destilliertem Wasser gewaschen, wobei das Fluid durch Rollenspalte zwischen jedem Waschvorgang ausgedrückt wird. Die resultierenden Schaumblöcke dürfen in der Luft trocknen. Die getrockneten Schaumscheiben werden ausgehärtet, sodass Zylinder von 25 mm Durchmesser erhalten werden. Diese Zylinder werden analysiert unter Verwendung eines dynamischen mechanischen Analysegeräts Rheometrics RSA-II, das unter Verwendung von parallelen Platten von 25 mm Durchmesser in einem Kompressionsmodus eingestellt ist. Die verwendeten Geräteparameter waren wie folgt:
Temperaturschritt von ca. 85°C bis –40°C in Schritten von 2,5°C Vollsaugintervalle zwischen Temperaturwechseln von 125–160 Sekunden Dynamische Verformung, eingestellt auf 0,1% bis 1,0% (üblich 0,7%) Frequenz, eingestellt auf 1,0 rad/s
Auto-Dehnung, eingestellt im Betriebsmodus, in dem die statische Kraft der dynamischen Kraft nachläuft, wobei die anfängliche statische Kraft auf 5 g eingestellt ist.
Die Einfriertemperatur wird an der Maximumstelle der Kurve des Verlusttangens gegen die Temperatur genommen. Die Tg wird in geeigneter Weise nur an einem homogenen Teil des heterogenen Schaumes gemessen oder von einem repräsentativen Stück eines homogenen Schaumes, das unter den gleichen Bedingungen wie die Region des heterogenen Schaumes präpariert wurde.
B. Widerstand gegenüber einer Kompressionsbiegung (RTCD)
Der Widerstand gegenüber einer Kompressionsbiegung kann quantifiziert werden, indem die Menge der Verformung gemessen wird (% Verringerung der Dicke), die in einer Schaumprobe erzeugt wird, welche mit synthetischem Urin gesättigt und expandiert wurde, nachdem ein Grenzdruck von 0,74 psi (5,1 kPa) auf die Probe ausgeübt wurde, wie dies beschrieben ist im Abschnitt Testverfahren des US Patent 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Die Messungen der Beständigkeit gegen eine Kompressionsbiegung werden typischerweise an der gleichen Probe zusammen mit der Messung der freien Absorptionskapazität und des Expansionsfaktors durchgeführt, wie dies unten beschrieben wird.
C. Freie Absorptionskapazität
Die freie Absorptionskapazität kann quantifiziert werden, indem die Menge des in eine Schaumprobe absorbierten synthetischen Urins gemessen wird, welche mit synthetischem Urin gesättigt und expandiert wurde. Die Messungen der freien Absorptionskapazität werden typischerweise an der gleichen Probe zusammen mit den Messungen des Widerstands gegen eine Kompressionsbiegung und dem Expansionsfaktor durchgeführt, wie dies beschrieben ist im Abschnitt Testverfahren des US Patents 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995.
D. Grenzflächenspannung (IFT) Verfahren (Spinning Drop)
Die Grenzflächenspannung (IFT) wird gemessen bei 50°C, durch das Spinning-Drop-Verfahren, wie dies beschrieben ist in US Patent 5,387,207 (Dyer es al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995, mit Annahme dessen, dass: (1) das Monomergemisch, das beim Präparieren der Ölphase verwendet wird, enthält Styrol, Divinylbenzol (55% technische Qualität), 2-ethylhexylacrylat und 1,4-butandioldimethacrylat, in einem Gewichtsverhältnis von 14 : 14 : 60 : 12; (2) die Konzentration des Emulgators mit einer Ölphase durch Verdünnung von einer oberen Konzentration von im Wesentlichen etwa 5–10 Gew.-% nach unten auf eine Konzentration, in welcher die IFT auf einen Wert zunimmt, der wenigstens etwa 10 Dyne/cm größer ist als die minimale IFT bzw. etwa 18 Dyne/cm, je nachdem was geringer ist, variiert wird; (3) eine glatte Linie durch einen Ausdruck einer Kurve IFT gegen den Logarithmus der Emulgatorkonzentration dazu verwendet wird, die minimale IFT zu bestimmen; (4) die kritische Aggregatkonzentration (CAC) bestimmt wird, indem der im Wesentlichen lineare Bereich der IFT im Ausdruck den Logarithmus der Konzentration extrapoliert wird (das heißt, der Bereich der Kurve, der typischerweise dazu verwendet wird, den Oberflächenbereich pro Molekül an der Grenzfläche zu berechnen, siehe zum Beispiel Rosen, M. J. "Surfactants and Interfacial Phenomena", zweite Ausgabe; Wiley & Sons: New York, 1989; Seiten 64–69), auf eine höhere Konzentration; die Emulgatorkonzentration auf dieser entsprechend der minimalen IFT extrapolierten Linie wird als die CAC genommen. Im Allgemeinen wird eine obere Emulgatorkonzentration von etwa 5–10 Gew.-% verwendet. Wünschenswerter Weise beträgt die verwendete obere Emulgatorkonzentration wenigstens etwa das Doppelte (höchst wünschenswert wenigstens etwa das Dreifache) der CAC des Emulgators. Für Emulgatoren mit einer Löslichkeit in der Ölphase bei Umgebungstemperatur von weniger als 5 Gew.-% kann die obere Konzentrationsgrenze verringert werden, solange diese Konzentration noch wenigstens etwa das Doppelte der CAC des Emulgators bei 50°C ist.
E. Kapillare Absorptionsdrucke
Eine Kurve einer kapillaren Absorptions-Isotherme wird erzeugt unter Verwendung des Vertikalansaugung-Absorptionskapzitätstests, der beschrieben ist im Abschnitt Testverfahren des US Patents 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995, nur bei 31.°C statt bei 37°C. Die Kurve ist ein Ausdruck der Absorptionskapazität jedes Segments als eine Funktion der angesaugten Höhe, und zwar unter Verwendung der Strecke von der Oberseite des Wasserreservoirs zu dem Mittelpunkt jedes Segments für die Höhe h. Der Kapillar-Absorptionsdruck wird als die Höhe des Schaumes genommen, die eine halbe Absorptionskapazität in Bezug auf die freie Absorptionskapazität des Schaumes hat.
V. Spezifische Beispiele
Diese Beispiele zeigen die spezifische Präparierung von Schäumen aus HIPEs gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beispiel 1
Präparierung eines heterogenen Schaums aus zwei HIPE-Strömen
HIPE-Präparierung
Eine wässrige Phase wird präpariert mit den in Tabelle 1 gezeigten Inhaltsstoffen. Zwei organische Phasen werden präpariert unter Verwendung der in den Tabellen 2 und 3 gezeigten Inhaltsstoffe
Tabelle 1. Zusammensetzung einer wässrigen Phase der HIPE
Tabelle 2. Zusammensetzung einer ersten organischen Phase für eine HIPE
Tabelle 3. Zusammensetzung der zweiten organischen Phase für eine HIPE
(Tinuvin 765 ist ein bis(1,2,2,5,5-pentamethylpeperidinyl)sebacat. Dieser Diglycerolmonooleat-Emulgaor wird präpariert gemäß dem allgemeinen Verfahren zum Präparieren von Polyglycrolestern, das beschrieben ist in US Patent 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Eine Polyglycerolzusammensetzung mit etwa 97% oder mehr Diglycerol und 3% oder weniger Triglycerol (Solvay Performance Chemicals; Greenwich, Conn.) wird mit Fettsäuren esterifiziert, die eine Fettsäurezusammensetzung haben aus etwa 71% C18:1, 4% C18:2, 9% C16:1, 5% C16:0 und 11% anderen Fettsäuren (Emersol-233L, Emery/Henkel) in einem Gewichtsverhältnis von Polyglycerol : Fettsäure von etwa 60 : 40, unter Verwendung von Natriumhydroxid als Katalysator bei etwa 225°C unter Bedingungen einer mechanischen Rührung, Stickstoff durch Perlung und allmählicher Vakuumzunahme, mit einer nachfolgenden Neutralisation mit Phosphorsäure, einem Abkühlen auf etwa 85°C und einem Setzenlassen, um den Anteil unreagierter Polyglycerole zu reduzieren. Das Polyglycerolester-Reaktionsprodukt wird zuerst fraktionell destilliert durch zwei CMS-15A zentrifugalen Molekular-Destillierkolben, die in Reihe verbunden sind, um die Anteile unreagierter Polyglycerole und Fettsäuren zu verringern, und dann durch die Destillierkolben zurück destilliert werden, um Destillationsfraktionen mit hohem Anteil von Diglycerol-Monoestern zu erhalten. Typische Bedingungen für den abschließenden Destillationsvorgang sind eine Zuführrate von etwa 15 lb/hr, ein Entgaser-Vakuum von etwa 21–26 Micron, ein Glockengefäß-Vakuum von etwa 6–12 Micron, eine Zuführtemperatur von etwa 170°c und eine Resttemperatur von etwa 180°C. Die Destillationsfraktionen mit hohem Anteil von Diglycerol-Monoestern werden kombiniert, was ein Reaktionsprodukt ergibt (wie dies bestimmt wird durch eine superkritische Fluid-Chromatographie) aus etwa 50% Diglycerolmonooleat, 27% anderen Diglycerol-Monoestern, 20% Polyglycerolen und 3% anderen Polyglycerol-Estern. Der resultierende Diglycerol-Monooleat-Emulgator verleiht einen minimalen Ölphasen/Wasserphasen-Grenzflächenspannungswert von etwa 1,0 Dyne/cm und hat eine kritische Aggregatkonzentration von etwa 0,9 Gew.-%. Nach dem Mischen darf das Reaktionsprodukt sich über Nacht absetzen. Die überstehende Flüssigkeit wird abgezogen und in der Ölphase als der Emulgator beim Bilden der HIPE verwendet. (Etwa 20 g eines klebrigen Restes wird entsorgt.)) Separate Ströme von zwei Ölphasen ((25°C) und einer abgeteilten Wasserphase werden zu separaten dynamischen Mischvorrichtungen zugeführt, wie das beschrieben ist in größerem Detail im US Patent 5,387,207 (Dyer et al.), veröffentlicht am 07. Februar 1995. Ein geeignetes Mischen separater kombinierter Ströme in dynamischen Mischvorrichtungen wird mit Hilfe von separaten Rührstäben in separaten Mischzylindern erreicht.
Separate HIPEs werden hergestellt aus den zwei oben beschriebenen Ölphasen und separaten Strömen der gemeinsamen Wasserphase (siehe auch oben) und in einem Behälter geliefert, typischerweise eine runde Polypropylenwanne, 17 in (43 cm) im Durchmesser und 7,5 in (10 cm) Höhe, mit einem konzentrischen Einsatz, hergestellt aus Celcon-Kunststoff, welcher unterhalb der Austrittsdüsen der zwei Mischkammern dreht. Der Einsatz ist 5 in (12,7 cm) im Durchmesser an der Basis und 4,75 in (12 cm) im Durchmesser an seiner Oberseite und ist 6,75 in (17,14 cm) hoch. Der Behälter ist bis etwa 0,5 Inch von der Oberseite gefüllt, und das Polymer wird in einem Raum, der auf einer Temperatur von 65°C für bis zu 18 Stunden gehalten wird, ausgehärtet. Die Geometrie dieses spezifischen Füllschemas führt zu sequentiellen Schichten der HIPE aus den zwei Düsen, die übereinander ausgegeben werden, was dazu führt das Schaumstreifen einer Region integriert ineinander passen mit Streifen der zweiten und weiteren Regionen. Obwohl die HIPE-Viskosität hoch ist, kann eine geeignete geformte Verteilereinrichtung an der Austrittsdüse angebracht sein, um eine gleichmäßige Ausgabe der HIPE in das Gefäß sicher zu stellen. Die Anzahl von gebildeten Streifen wird durch die Gießrate als Funktion der Drehrate des Aufnahmebehälters und seines Volumens gesteuert, sodass steuerbare Schäume ausgegeben werden, die zugeschnitten werden können, um zum Beispiel die in den 13 und 14 dargestellten Schaum-Verbundstoff zu liefern. Die relative Dicke jedes Streifens wird durch die relative Ausgaberate der HIPE aus jeder Emulsionsdüse gesteuert. In diesem spezifischen Beispiel wird der HIPE-Strom aus Tabelle 2 ausgegeben mit 10 lb/min, wobei sein dynamischer Rührstab bei 1200 rpm und einer Gießtemperatur von 54°C bei einem Verhältnis von Wasser : Öl von 50 : 1 arbeitet, und zwar unter Verwendung des dreieckigen Verteilers am Ausgang, um eine gleichmäßige Verteilung über die Breite des Gefäßes (Region A) sicher zu stellen. Der HIPE-Strom aus Tabelle 3 wird mit 5 lb/min ausgegeben, wobei sein Rührstab bei 400 rpm mit einer Gießtemperatur von 66° bei einem Verhältnis von Wasser : Öl von 100 : 1 (Region B) arbeitet. Das Ergebnis nach dem Polymerisieren, Trocknen und Zuschneiden ist ein Schaum mit abwechselnden Scheiben mit den in Tabelle 4 beschriebenen Eigenschaften.
Tabelle 4.
Beispiel 2
Mischen der HIPEs aus Beispiel, um einen chemisch heterogenen Schaum zu bilden.
Die in Beispiel HIPE-Ströme werden in eine Aufnahmegefäß in der gleichen Rate abgegeben und unter Verwendung der gleichen Bedingungen für Temperatur und dem dynamischen Mischvorgang präpariert. Dies erzeugt einen Schaum mit einer Heterogenität hinsichtlich seiner chemischen Natur, während er identisch ist in der mikrozellularen Morphologie und den Verhältnissen von Wasser : Öl. In einem spezifischen Beispiel werden beide Ströme bei einem Verhältnis von Wasser-Zu-Öl von 50 : 1 unter Verwendung eines dynamischen Rührstabes, der mit 120 rpm dreht, bei einer Ausgaberate von 6,0 lb/min in einem mit 2 rpm drehenden Gefäß gemischt. Nach dem Aushärten und Zuschneiden, wie dies nachfolgend beschrieben wird, liefert dies einen Schaum, wie er in 14 gezeigt ist, in welchen unterschiedliche Regionen 40 und 42/44 Tgs von 0°C und 70°c und Dichten von 0,20 g/cm³ haben.
Beispiel 3
Mischen von HIPEs des Beispiels 1 um einen mikrostrukturellen heterogenen Schaum zu bilden
Zwei HIPE-Ströme, wie in Beispiel 1, werden an das Aufnahmegefäß unter Verwendung unterschiedlicher Bedingungen für die Temperatur und den dynamischen Mischvorgang ausgegeben. Dies für zu einem Schaum mit einer Heterogenität hinsichtlich einer chemischen Natur und mikrozellularen Morphologie. Das Verhältnis von Wasser : Öl wird bei 50 : 1 für beide HIPE-Ströme festgehalten, um die gleiche Dichte im Schaum zu bewahren. Im einfachsten Beispiel werden die Raten, bei welchen jede HIPE gebildet wird, identisch sein, sodass das relative Volumenverhältnis, dass durch die zwei chemisch unterschiedlichen HIPEs eingenommen werden, 50 : 50 beträgt. Die chemische Zusammensetzungsdifferenz zwischen den zwei HIPEs führt nach dem Aushärten zu einem Polymer mit unterschiedlichen Regionen, wobei die Eigenschaften, wie die Tg, die Steifigkeit, die Beständigkeit gegenüber einer Kompressionsbiegung und dergleichen, unterschiedliche sind, wie dies in Beispiel 2 ist. Zudem sind die mikrostrukturellen Eigenschaften, zum Beispiel die Zellengröße, der unterschiedlichen Regionen in diesem Falle unterschiedlich. Die HIPE, welche die Ölphase aus Tabelle 2 verwendet, wird in Beispiel 1 hergestellt. Die HIPE, die die Ölphase aus Tabelle 3 verwendet, wird in einem Verhältnis von Wasser-Zu-Öl von 50 : 1 hergestellt, und zwar unter Verwendung eines dynamischen Rührstabes, der bei 400 rpm mit einer Ausgaberate von 3,0 lb/min in dem bei 2 rpm drehenden Gefäß dreht. Nach dem Aushärten und Zuschneiden, wie oben beschrieben, erzeugt diese einen Schaum, wie er in 13 gezeigt, in welchem unterschiedliche Regionen 46 und 42/44 die in Tabelle 5 gezeigten Eigenschaften haben.
Tabelle 5
Zahlreiche Variationen sind möglich, einschließlich einer, welcher die so gebildeten HIPEs kompositionsidentisch sind, zum Beispiel wird jede separate HIPE unter Verwendung der Ölphase aus Tabelle 2 hergestellt, wird aber unter unterschiedlichen Bedingungen gebildet, um Regionen innerhalb des resultierenden Schaums mit unterschiedlicher Dichte und mittleren Zellendurchmessern bei gleicher chemischer Zusammensetzung und Tg zu schaffen.
Beispiel 4
Bilden eines heterogenen Schaumes aus einem einzelnen HIPE-Strom
In diesem Beispiel wird eine einzelne HIPE unter Verwendung der Ölphase aus Tabelle 2 in einem einzigen Mischgerät gebildet. Während des Verlaufs des Füllens des zylindrischen Gefäßes wird eine Scherkraft aufgebracht, die über die Zeit variiert wird. Während der anfänglichen Stufen des Befüllens beträgt die Scherrate 4300 s^–1, die über die Zeit auf 180 s^–1/Minute abnimmt, sodass die gebildete Emulsion, die bei jeder aufeinander folgenden Rotation des Gefäßes gebildet wird, einer progressiv geringeren Scherung ausgesetzt war. Am Ende des Befüllens war die Scherrate auf 1400 s^–1 gesenkt. (Siehe parallel anhängige US Anmeldung 08/520,793 (DesMarais, eingereicht am 30. August 1995) für eine Diskussion von Verarbeitungsbedingungen, die eine Scherrate beeinflussen.) Dies führt zu einem Schaum (nach dem Aushärten und Zuschneiden), wie demjenigen, der in 14 gezeigt, in welchem Schichten 52 bis 56 progressiv größere Zellen zeigen. Der Schaum dieses Beispiels ist ferner in den Mikrophotographien der 1–8 gezeigt.
Beispiel 5
Bilden eines heterogenen Schaumes aus einem einzelnen HIPE-Strom, der mit bereits ausgehärteten HIPE-Schaumteilchen kombiniert wird
In diesem Beispiel wird HIPE aus dem Ölstrom in Tabelle 3 mit einem Wasser : Öl-Verhältnis von 80 : 1, einem dynamischen Mischer von 400 rpm bei 6,0 lb/min erzeugt. Diese HIPE wird vorher ausgehärtet. Der resultierende Schaum wird in Schaumteilchen von etwa 2 mm Durchmesser gemahlen. Diese Schaumteilchen, die noch mit wässriger Phase gesättigt sind, werden dann in das Gefäß von 17'' Durchmesser gelegt, das oben dem Beispiel 2–4 beschrieben wurde, sodass sie etwa das Volumen dieses Gefäßes zur Hälfte füllen. Eine zweite HIPE wird aus der Ölphase aus Tabelle 2 mit einem Wasser : Öl-Verhältnis von 40 : 1, einem dynamischen Mischer mit 400 rpm bei 6,0 lb/min, hergestellt. Diese wird in das mit dem bereits geformten HIPE-Schaum gefüllte Gefäß gegeben und mit Hand vermengt. Dieses Gemisch wird dann wie vorher ausgehärtet. Der resultierende Schaum hat die in 16 gezeigt Struktur, in welcher die getrennten Regionen 64 in stärkeren, weniger dichten Schaum mit höherer Tg aufweisen und die kontinuierliche Region 62 den flexibleren, höher dichten Schaum mit geringer Tg aufweist. Die Dichte des Verbundstoffs beträgt 0,017 g/cm³. Die RTCD dieses Schaums ist höher als die RTCD eines homogenen Schaumes, der aus der Ölphase in Tabelle 2 hergestellt wird. Eine beaufschlagte Belastung komprimiert den Schaum, bis die harten Stellen der Region 64 im Wesentlichen in Kontakt kommen, wobei dann einer weiteren Kompression widerstanden wird. Die Flexibilität dieses Schaumes ist höher als die Flexibilität eines homogenen Schaumes, der aus der Ölphase in Tabelle 3 hergestellt wird. Die Flexibilität ergibt sich aus der kontinuierlichen Region 62, in welcher die steifen Schaumelemente 64 schwimmen, ohne die Flexibilität zu beeinflussen. Überraschend offenbart eine mikroskopische Untersuchung solcher Schäume keine erkennbaren strukturellen Defekte an der Grenzfläche zwischen der Region 62 und den Regionen 64. (Siehe 19, welche eine Mikrophotographie ist, die an der Grenzfläche der Region 62 und wenigstens einer diskreten Region 64 aufgenommen wurde.) Der Fachmann wird erkennen, dass, da keine erkennbaren strukturellen Defekte beobachtet wurden an der Grenzfläche zwischen der kontinuierlichen und den dispergierten Regionen, bestimmte hier beschriebene Verfahren (insbesondere dieses Beispiel 5) beim Bereitstellen eines homogenen Schaumes aus variierenden Mengen vorgeformter Schaumfragmente nützlich sein kann. Das heißt, die oben genannten Schaumstücke würden polymerisierte Schaumfragmente bilden und würden mit einer unpolymerisierten Emulsion kombiniert werden, die derjenigen identisch ist, die ursprünglich verwendet wurde, um die Schaumfragmente zu bilden. Vor der vorliegenden Erfindung hätte man ein solches Verfahren nicht für nützlich angesehen, dahin gehend, homogene Schäume bereit zu stellen, die vorgeformte Materialfragmente enthalten.
In einer alternativen Ausführungsform zum Bilden eines heterogenen Schaumes der vorliegenden Erfindung können zwei oder mehr HIPEs mit den vorgeformten Teilchen kombiniert werden, um mehrere kontinuierliche Regionen mit darin dispergierten steifen Schaumelementen zu schaffen.
Beispiel 6
Eine Windel wird in Übereinstimmung mit Beispiel II des US Patents 5,387,207 (Dyer et al.) konstruiert, veröffentlicht am 07. Februar 1995, unter Verwendung der absorbierenden Speicher/Verteilungs-Schicht eines heterogenen Schaumes eines der obigen Beispiele 1–5.
Beispiel 7
Katamnesepad hergestellt mit einem heterogenen Schaum
Ein Schaum wird im Wesentlichen präpariert, wie dies beschrieben ist im Beispiel 3, mit einer Dicke der unterschiedlichen Regionen basierend auf der unterschiedlichen Zellengröße, die in etwa 3 cm beträgt. Die Bedingungen jeder Region sind unten in Tabelle 6 gezeigt.
Tabelle 6
Ein kontinuierliches Stück wird in Scheiben von 3 cm Dicke und 9 cm Breite geschnitten. Die Breite wird so geschnitten, dass sie die Region mit größerer Zellengröße in der Mittel enthält, die umgrenzt wird auf jeder Seite in eine Region mit einem Material mit kleinerer Zellengröße. (In der Praxis können die Regionen mit kleinerer Zellengröße in einer solchen Rate gegossen werden, dass diese 6 cm dick ist, sodass Stücke aus einer breiten Lage eines solchen Schaumes in geeigneter Weise geschnitten werden können.) Das kontinuierliche Stück wird auf eine Rolle aufgenommen und einem Pad-Herstellungsvorgang zugeführt, wo es in eine "C"-Form gefaltet wird, indem die äußeren Segmente von 3 cm unter das zentrale Segment von 3 cm gebogen wird. Der Schaum wird dann in eine 20 cm Länge geschnitten und in einem Pad unter einer Decklage und auf der Oberseite einer Außenlage mit einer geeigneten Haftmittelauftragung angeordnet, um dieses in dieser Konstruktion zu befestigen. Dies liefert eine Schicht mit einer schnelleren Fluidannahme auf der Oberseite und eine Schicht mit einem größeren Kapillardruck, welche das Fluid aus der oberen Schicht effektiv abführen kann, wie dies beschrieben ist in der parallelen US Patentanmeldung, amtliches Aktenzeichen Nr. 08/542,497, eingereicht am 13. Oktober 1995 durch Dyer et al. (Case Nr. 5546R), die aber aus einer Lage von einer einzelnen Rolle konstruiert wird.
Beispiel 8
Tampon, hergestellt mit heterogenem Schaum
Ein Tampon wird aus einem Schaum konstruiert, der im Wesentlichen so präpariert wird, wie dies im Beispiel 3 beschrieben ist, mit einer Dicke der unterschiedlichen Regionen basierend auf den unterschiedlichen Zellengrößen, die etwa 3 cm beträgt. Die Bedingungen jeder Region sind in Tabelle 7 unten gezeigt.
Tabelle 7
Ein kontinuierliches Stück wird in Scheiben von 1,5 cm Dicke und 6 cm Breite geschnitten. Das kontinuierliche Stück wird auf eine Rolle aufgenommen und zu einem Tamponkern-Herstellungsvorgang geführt, wo dieses in eine Röhre geformt wird, indem die Region 1 um die Region 2 herum gebogen wird. Der Schaum wird dann in eine 10 cm Länge geschnitten und innen in einer äußeren fluiddurchlässigen Decklage mit einer geeigneten Haftmittelauftragung angeordnet, um diesen in dieser Konstruktion festzulegen. Dies liefert eine Schicht mit einer schnelleren Fluidannahme außenseitig mit einer Schicht mit größerem Kapillardruck, welche ein Fluid von der oberen (äußeren) Schicht effektiv abführen kann, wie dies beschrieben ist in der parallelen US Patentanmeldung, amtliches Aktenzeichen Nr. 08/542,497, eingereicht am 13. Oktober 1995 für Dyer et al. (Case Nr. 5546R), die aber aus einzelnen Lage einer einzelnen Rolle konstruiert wird.
Beispiel 9
Ein heterogener Schaum für die Verwendung in der Filtration
Der Schaum aus Beispiel 4 wird auf eine Dicke von 5 mm zugeschnitten und in Wasser gewaschen, um den größten Teil der Restsalze zu entfernen, und wird dann getrocknet. Die kontinuierlichen Scheiben des Schaumes werden in Stücke von 10 cm × 10 cm geschnitteen und mit einem äußeren Kartonaußenteil verstärkt, welches den äußeren 1 cm des Schaumes auf beiden Seiten überdeckt. Dieses Außenteil stützt die Ränder des Materials. Das Stück wird in einen Luftstrom eingesetzt, der durch ein Plenum hindurch geht. Die gröberzellige Region fängt größere Teilchen und lässt den Luftstrom mit relativ wenig Widerstand durch. Die feinerzellige Region fängt kleiner Teilchen und lässt den Luftstrom mit größerem Widerstand durch.
Beispiel 10
Ein heterogener Schaum für die Verwendung als Schallisolierung Der Schaum aus Beispiel 5 wird auf eine Dicke von 5 mm zugeschnitten und in Wasser gewaschen, um den größten Teil der Restsalze zu entfernen, und wird dann getrocknet. Die kontinuierlichen Schaumscheiben werden in Stücke von 2 cm × 20 cm zugeschnitten. Die Ränder dieser Stücke können bedarfsweise verstärkt werden, wie dies in Beispiel 9 beschrieben ist. Diese Stücke können dann an einer Wand befestigt werden, die eine Lärm erzeugende Einrichtung von einem Aufenthaltsraum trennt. Weil die Teilchenstücke in diesem Schaum eingebettet sind, wird dieser wahlweise eine Frequenz absorbieren, und wird das kontinuierliche Segment dieses Schaumes in gewisser Weise selektiv eine weitere Frequenz absorbieren, sodass ein breiteres Frequenzabsorptionsprofil erhalten wird, ähnlich demjenigen, welches erhalten werden würde aus zwei laminierten homogenen Schäumen, die von diesen Emulsionen separat hergestellt wurden.
Beipiel 11
Bilden eines heterogenen Schaumes aus drei HIPE-Strömen
Zwei HIPEs-Ströme werden aus der in Tabelle 2 beschriebenen Ölphase hergestellt, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist. Das Öl wird in zwei Ströme unterteilt, Strom A und Strom B, um separat in zwei HIPEs gemischt zu werden, welche in ihrer Zusammensetzung identisch sind, welche sich aber in der Wassertröpfchengröße unterscheiden. Der Strom A wird durch einen dynamischen Rührstab gemischt, der bei 400 rpm bei 66°C Emulsionstemperatur arbeitet, und zwar mit einem Verhältnis von Wasser : Öl von 45 : 1 bei 5 lbs/min, gemischt. Der Strom B wird durch einen dynamischen Rührstab, der bei 1600 rpm und 66°C Emulsionstemperatur arbeitet, gemischt, und zwar bei einem Verhältnis von Wasser : Öl von 60 : 1 bei 10 lbs/min. Der Strom B wird ferner gleichmäßig in zwei Ströme unterteilt. Anstatt in ein Rotationsgefäß geliefert zu werden, wie dies in den vorstehenden Beispielen beschrieben ist, werden die drei Ströme in ein langes rechtwinkliges Bett geliefert, wobei der Strom A in das Zentrum der Schleuse geliefert wird und der Strom B in jedes äußere Drittel der Schleuse geliefert wird. Das rechtwinklige Bett ist 45 cm breit und 30 cm tief auf einer sich bewegenden Bahn. Die Länge des Bettes ist unbestimmt und kann eine kontinuierliche Schleife sein. Der Bereich des mit den HIPEs gefüllten Bettes wird allmählich in einen Ofen bewegt, um die Temperatur auf 66°C zu halten, die zum Aushärten der HIPEs in ein Polymer geeignet ist. Dies erzeugt einen Barren eines HIPE-Schaumes von unbestimmter Länge, aus welchem Segmente geschnitten werden können, die für die Verwendung in Windeln oder Katamneseeinrichtungen und dergleichen geeignet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden sanduhrförmige Windelsegmente auf eine geeignete Dicke (z. B. 5 mm) zugeschnitten und aus der Bahn entlang ihrer Breite (45 cm Abmessung) geschnitten. Diese geschnittenen Segmente werden einen Schaum haben, der für eine schnelle Fluidannahme in der Schrittregion der Windel geeignet ist, und einen Schaum, der für die Speicherung des Fluids in den hinteren und vorderen Regionen der Windel geeignet ist. Ein Fluid, das in die Schrittregion eingeführt wird, wird durch die Kapillarkraft gegen die Schwerkraft in die vordere und die hintere Region gezogen.

Claims

Heterogene polymere Schaumstruktur miteinander verbundener offener Zellen, die als mindestens ein Teil der absorbierenden Strukturen für absorbierende Artikel verwendbar ist, die durch mindestens eine Wasser-in-Öl-Emulsion erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur mindestens zwei unterschiedliche Bereiche aufweist, die sich um mindestens 20% unterscheiden im Hinblick auf ein oder mehrere von Polymer-Dichte, Polymer-Zusammensetzung, durchschnittlichem Zellen-Durchmesser oder durchschnittlichem Loch-Durchmesser, wobei die heterogene polymere Schaumstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen oder mehrere Bereiche mit einer spezifischen Oberfläche pro Volumen von mindestens 0,025 m²/cm³ aufweist, die angepasst sind, um für eine Fluid-Speicherung zu sorgen, und ferner einen oder mehrere Bereiche mit einer spezifischen Oberfläche pro Volumen von bis zu 0,06 m²/cm³ aufweist, die angepasst sind, um für eine Fluid-Erfassung/Verteilung zu sorgen.
Heterogener Schaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die unterschiedlichen Bereiche unterscheiden im Hinblick auf Oberflächeneigenschaften und ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum eine Gesamt-Dichte von weniger als 0,05 g/cm³ aufweist.
Heterogener Schaum nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum umfasst a) einen kontinuierlichen Bereich und diskrete unverbundene Bereiche, die in dem kontinuierlichen Bereich verteilt sind; oder b) der Schaum mindestens zwei diskrete kontinuierliche Bereiche aufweist.
Heterogener Schaum nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bereich 20 bis 80% des Gesamtvolumens des Schaums aufweist.
Heterogener Schaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterschiedlicher Bereich eine durchschnittliche Lochgröße von 1 bis 7 μm aufweist und ein zweiter unterschiedlicher Bereich eine durchschnittliche Lochgröße von 5 bis 45 μm aufweist, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass sich die durchschnittlichen Lochgrößen für die zwei Bereiche um mindestens 20% unterscheiden.
Absorbierende heterogene, hydrophile, polymere Schaumstruktur miteinander verbundener offener Zellen, die als mindestens ein Teil der absorbierenden Strukturen für absorbierende Artikel verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum mindestens zwei unterschiedliche Bereiche aufweist, die sich um mindestens 20% unterscheiden im Hinblick auf ein oder mehrere von Polymer-Dichte, Polymer-Zusammensetzung oder Mikrozell-Morphologie, wobei die heterogene polymere Schaumstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen oder mehrere Bereiche mit einer spezifischen Oberfläche pro Volumen von mindestens 0,025 m²/cm³ aufweist, die angepasst sind, um für eine Fluid-Speicherung zu sorgen, und ferner einen oder mehrere Bereiche mit einer spezifischen Oberfläche pro Volumen von bis zu 0,06 m²/cm³ aufweist, die angepasst sind, um für eine Fluid-Erfassung/Verteilung zu sorgen.
Heterogener Schaum nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum umfasst a) einen kontinuierlichen Bereich und diskrete unverbundene Bereiche, die in dem kontinuierlichen Bereich verteilt sind; oder b) der Schaum mindestens zwei diskrete kontinuierliche Bereiche aufweist.
Heterogener Schaum nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen von jedem Bereich zwischen 20 und 80% des Gesamtvolumens des Schaums liegt und ferner dadurch gekennzeichnet, dass die verteilten, unverbundenen Bereiche aus im wesentlichen dem gleichen Material gebildet sind, das einen Tg von 30°C bis 95°C aufweist, der kontinuierliche Bereich einen Tg von weniger als 50°C aufweist und sich die Tgs für die kontinuierlichen und verteilten unverbundenen Bereiche um mindestens 20% unterscheiden.
Schaum nach Anspruch 7, der eine Länge und eine Breite aufweist und ferner drei unterschiedliche kontinuierliche Bereiche aufweist, wobei die Bereiche derart longitudinal verlaufen, dass zwei äußere Bereiche vorliegen, die benachbart zu einem mittleren Bereich sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei äußeren Bereiche den gleichen durchschnittlichen Zellen-Durchmesser aufweisen, und wobei der mittlere Bereich einen mittleren Zellen-Durchmesser aufweist, der mindestens 20% größer, vorzugsweise mindestens 50% größer als der mittlere Zellen-Durchmesser von jedem der äußeren Bereiche ist.
Polymerer Schaum nach Anspruch 7, wobei der Schaum aus mindestens einer monomeren Verbindung erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich die unterschiedlichen Bereiche darin unterscheiden, dass: 1) sie nicht aus den gleichen Monomer-Komponenten gebildet sind; oder 2) falls sie aus den gleichen Monomer-Komponenten gebildet sind, sich die relative Menge von mindestens einer Monomer-Komponente um mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 35% unterscheidet.
Heterogene polymere Schaumstruktur miteinander verbundener offener Zellen, die als mindestens ein Teil der absorbierenden Strukturen für absorbierende Artikel verwendbar ist, wobei die Schaumstruktur mindestens zwei unterschiedliche Bereiche aufweist und durch das Verfahren hergestellt ist, das die Schritte umfasst: A) Bilden einer ersten Wasser-in-Öl-Emulsion aus: 1) einer Öl-Phase mit: a) 85 bis 98 Gew.-% einer Monomer-Komponente, die in der Lage ist, ein Copolymer mit einem Tg von 95°C oder weniger zu bilden, wobei die Monomer-Komponente umfasst: i) 20 bis 70 Gew.-% von mindestens einem im wesentlichen wasserunlöslichen monofunktionalen Monomer, das in der Lage ist, ein ataktisches amorphes Polymer mit einem Tg von 25°C oder weniger zu bilden; ii) 10 bis 50 Gew.-% von mindestens einem im wesentlichen wasserunlöslichen monofunktionalen Comonomer, das in der Lage ist, eine Festigkeit zu verleihen, die gleich derjenigen ist, die durch Styrol geliefert wird; iii) 5 bis 50 Gew.-% eines ersten im wesentlichen wasserunlöslichen polyfunktionalen Vernetzungsmittels, das gewählt ist aus Divinylbenzolen, Trivinylbenzolen, Divinyltoluolen, Divinylxylolen, Divinylnaphthalinen, Divinylalkylbenzolen, Divinylphenanthrenen, Divinylbiphenylen, Divinyldiphenylmethanen, Divinylbenzylradikalen, Divinylphenylethern, Divinyldiphenylsulfiden, Divinylfuranen, Divinylsulfid, Divinylsulfon und Gemischen davon; und iv) 0 bis 15 Gew.-% eines zweiten im wesentlichen wasserunlöslichen polyfunktionalen Vernetzungsmittels, das gewählt ist aus polyfunktionalen Acrylaten, Methacrylaten, Acrylamiden, Methacrylamiden, und Gemischen davon; und b) 2 bis 15 Gew.-% einer Emulgier-Komponente, welche in der Öl-Phase löslich ist und in der Lage ist eine stabile Wasser-in-Öl-Emulsion zu bilden, wobei die Emulgier-Komponente einen primären Emulgator mit mindestens 40 Gew.-% von Emulgierungs-Komponenten aufweist, die gewählt sind aus Diglycerol-Monoestern verzweigter C₁₆-C₂₄ Fettsäuren, linearer ungesättigter C₁₆-C₂₂ Fettsäuren und linearer gesättigter-C₁₂-C₁₄ Fettsäuren, Sorbitan-Monoestern verzweigter C₁₆-C₂₄ Fettsäuren, linearer ungesättigter C₁₆-C₂₂ Fettsäuren, linearer gesättigter-C₁₂-C₁₄ Fettsäuren, Diglycerol-Monoaliphat-Ethern verzweigter C₁₆-C₂₄ Alkohole, linearer ungesättigter-C₁₆-C₂₂ Alkohole, und linearer gesättigter-C₁₂-C₁₄ Alkohole und Gemischen davon; und 2) einer Wasser-Phase mit einer wässerigen Lösung, die enthält: (a) 0,2 bis 20 Gew.-% eines wasserlöslichen Elektrolytes; und (b) eine wirksame Menge eines Polymerisations-Initiators; 3) einem Volumen-zu-Gewicht-Verhältnis von Wasser-Phase zu Öl-Phase in dem Bereich von 20 : 1 bis 200 : 1; B) optionales Bilden einer zweiten unterschiedlichen Wasser-in-Öl-Emulsion, welche in mindestens einer Beziehung von der ersten Emulsion unterschiedlich ist; und C) entweder 1) a) Vereinen der ersten und zweiten Wasser-in-Öl-Emulsion in einem Bildungs-Behältnis vor der Polymerisierung der Monomer-Komponenten in der Öl-Phase von jeder der Wasser-in-Öl-Emulsionen; und b) Polymerisieren beider Emulsionen, um einen polymeren heterogenen Schaum zu bilden; 2) a) teilweises oder vollständiges Polymerisieren der Monomer-Komponenten in der Öl-Phase der ersten Wasser-in-Öl-Emulsion; b) Vereinen des Materials aus Schritt C) 2) a) und der zweiten Wasser-in-Öl-Emulsion; und c) Polymerisieren der zweiten Emulsion und der ersten Emulsion, falls vereint, wenn teilweise ausgehärtet, um einen polymeren heterogenen Schaum zu bilden; oder 3) Erzeugen von nur der ersten Wasser-in-Öl-Emulsion, während die Verfahrens-Bedingungen verändert werden, durch welche diese in einer gesteuerten Weise gebildet wird, entweder rhythmisch oder kontinuierlich unter Verwendung eines einzelnen Emulsions-Bildungs-Kopfes, um einen heterogenen Schaum zu bilden, wobei die heterogene polymere Schaumstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen oder mehrere Bereiche mit einer spezifischen Oberfläche pro Volumen von mindestens 0,025 m²/cm³ aufweist, die angepasst sind, um für eine Fluid-Speicherung zu sorgen, und ferner einen oder mehrere Bereiche mit einer spezifischen Oberfläche pro Volumen von bis zu 0,06 m²/cm³ aufweist, die angepasst sind, um für eine Fluid-Erfassung/Verteilung zu sorgen.
Absorbierender Artikel mit einer Decklage, einer Außenlage und einem absorbierenden Kern, der zwischen der Decklage und der Außenlage angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der absorbierende Kern den heterogenen Schaum nach einem der Ansprüche 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12 umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer polymeren Schaumstruktur miteinander verbundener offener Zellen, die als mindestens ein Teil der absorbierenden Strukturen für absorbierende Artikel verwendbar ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: A) Bilden einer ersten Wasser-in-Öl-Emulsion aus: 1) einer Öl-Phase mit: a) 85 bis 98 Gew.-% einer Monomer-Komponente, die in der Lage ist, ein Copolymer mit einem Tg von 95°C oder weniger zu bilden, wobei die Monomer-Komponente umfasst: i) 20 bis 70 Gew.-% von mindestens einem im wesentlichen wasserunlöslichen monofunktionalen Monomer, das in der Lage ist ein ataktisches amorphes Polymer mit einem Tg von 25°C oder weniger zu bilden; ii) 10 bis 50 Gew.-% von mindestens einem im wesentlichen wasserunlöslichen monofunktionalen Comonomer, das in der Lage ist Festigkeit zu verleihen, die gleich derjenigen ist, die durch Styrol geliefert wird; iii) 5 bis 50 Gew.-% eines ersten im wesentlichen wasserunlöslichen polyfunktionalen Vernetzungsmittels, das gewählt ist aus Divinylbenzolen, Trivinylbenzolen, Divinyltoluolen, Divinylxylolen, Divinylnaphthalinen, Divinylalkylbenzolen, Divinylphenanthrenen, Divinylbiphenylen, Divinyldiphenylmethanen, Divinylbenzylradikalen, Divinylphenylethern, Divinyldiphenylsulfiden, Divinylfuranen, Divinylsulfid, Divinylsulfon und Gemischen davon; und iv) 0 bis 15 Gew.-% eines zweiten im wesentlichen wasserunlöslichen polyfunktionalen Vernetzungsmittels, das gewählt ist aus polyfunktionalen Acrylaten, Methacrylaten, Acrylamiden, Methacrylamiden, und Gemischen davon; und b) 2 bis 15 Gew.-% einer Emulgier-Komponente, welche in der Öl-Phase löslich ist und in der Lage ist eine stabile Wasser-in-Öl-Emulsion zu bilden, wobei die Emulgier-Komponente einen primären Emulgator mit mindestens 40 Gew.-% von Emulgierungs-Komponenten aufweist, die gewählt sind aus Diglycerol-Monoestern verzweigter C₁₆-C₂₄ Fettsäuren, linearer ungesättigter-C₁₆-C₂₂ Fettsäuren und linearer gesättigter C₁₂-C₁₄-Fettsäuren, Sorbitan-Monoestern verzweigter-C₁₆-C₂₄ Fettsäuren, linearer ungesättigter-C₁₆-C₂₂ Fettsäuren, linearer gesättigter-C₁₂-C₁₄ Fettsäuren, Diglycerol-Monoaliphat-Ethern verzweigter-C₁₆-C₂₄ Alkohole, linearer ungesättigter-C₁₆-C₂₂ Alkohole, und linearer gesättigter-C₁₂-C₁₄ Alkohole und Gemischen davon; und 2) einer Wasser-Phase mit einer wässerigen Lösung, die enthält: (a) 0,2 bis 20 Gew.-% eines wasserlöslichen Elektrolytes; und (b) eine wirksame Menge eines Polymerisations-Initiators; 3) einem Volumen-zu-Gewicht-Verhältnis von Wasser-Phase zu Öl-Phase in dem Bereich von 20 : 1 bis 200 : 1; B) optionales Bilden einer zweiten unterschiedlichen Wasser-in-Öl-Emulsion, welche in mindestens einer Beziehung von der ersten Emulsion unterschiedlich ist; aber welche Materialien und Bereiche aufweist, die gewählt sind aus denjenigen, die in Abschnitten A) 1), A) 2) und A) 3) aufgelistet sind, C) entweder 1) a) Vereinen der ersten und zweiten Wasser-in-Öl-Emulsion in einem Bildungs-Behältnis vor der Polymerisierung der Monomer-Komponenten von jeder der Wasser-in-Öl-Emulsionen; und b) Polymerisieren beider Emulsionen, um einen polymeren heterogenen Schaum zu bilden; 2) a) teilweises oder vollständiges Polymerisieren der Monomer-Komponenten in der Öl-Phase der ersten Wasser-in-Öl-Emulsion; b) Vereinen des Materials aus Schritt C) 2) a) und der zweiten Wasser-in-Öl-Emulsion; und c) Polymerisieren der zweiten Emulsion und der ersten Emulsion, falls vereint, wenn teilweise ausgehärtet, um einen polymeren heterogenen Schaum zu bilden; oder 3) Erzeugen von nur der ersten Wasser-in-Öl-Emulsion, während die Verfahrens-Bedingungen verändert werden, durch welche diese in einer gesteuerten Form gebildet wird unter Verwendung eines einzelnen Emulsions-Bildungs-Kopfes, wobei die heterogene polymere Schaumstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen oder mehrere Bereiche mit einer spezifischen Oberfläche pro Volumen von mindestens 0,025 m²/cm³ aufweist, die angepasst sind, um für eine Fluid-Speicherung zu sorgen, und ferner einen oder mehrere Bereiche mit einer spezifischen Oberfläche pro Volumen von bis zu 0,06 m²/cm³ aufweist, die angepasst sind, um für eine Fluid-Erfassung/Verteilung zu sorgen.