DE69815845T2 - Nassgelegtes nylonvlies als material für batterieseparator - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein synthetische, nichtgewebte Materialien, die durch Nasslegeverfahren hergestellt werden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine mit Nylonfasern hergestellte, papierartige Bahn, die als Batterieseparator brauchbar ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Nickel-Cadmium-Batterien bestehen gewöhnlich aus einer aufgewickelten Anode, die mit einer aufgewickelten Anode verschachtelt ist, wobei die aufgewickelte Anode und die aufgewickelte Kathode in einem Elektrolyten in regelmäßigen Abständen voneinander getrennt angeordnet sind. Der Abstand zwischen Anode und Kathode kann nur 0,05 mm betragen. Obwohl es wünschenswert ist, die Kathode und die Anode eng zusammen anzuordnen, um die Belastbarkeit der Batterie zu erhöhen, dürfen die Elektroden sich nicht berühren, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Um dies zu bewerkstelligen, werden aus einem geeigneten Material bestehende Separatoren zwischen Anode und Kathode positioniert, um sie auseinander zu halten. Das Separatormaterial muss gegenüber dem Elektrolyten und den auf den Elektrodenoberflächen auftretenden Reaktionen inert sein.
  • Darüber hinaus sollte das Separatormaterial ausreichend elastisch sein, um sich an die Form der Elektrodenoberflächen anzupassen. Das Separatormaterial sollte auch ausreichend porös sein, um eine ungehemmte Migration von Ionen zwischen den Elektroden zu ermöglichen und dennoch feste Teilchen, die sich von den Elektroden lösen und versuchen, durch den Separator zu gelangen, herauszufiltern. Das Separatormaterial muss weiterhin durch den flüssigen Elektrolyten benetzbar sein, damit das Auftreten trockener Bereiche auf dem Separator-Textilmaterial vermieden wird. Schließlich sollte der Separator die Fähigkeit zum Adsorbieren und Speichern des flüssigen Elektrolyten haben.
  • Separatormaterial aus Gewebe ist nachteilig, weil Gewebe unzureichende Mengen des flüssigen Elektrolyten speichert. Weiterhin können feste, sich von den Elektroden lösende Teilchen durch das Gewebe gelangen, weil die zwischen Kette und Schuss des Gewebes gebildeten Poren groß sind. Solche Teilchen vereinigen sich, bis eine Brücke zwischen Anode und Katode gebildet ist, die einen Kurzschluss in der Batterie verursacht.
  • Im Stand der Technik ist bekannt, dass die obigen Nachteile überwunden werden können, indem ein aus nichtgewebtem Nylon-Textilmaterial bestehendes Batterieseparatormaterial bereitgestellt wird. U.S.-A-3 344 013, Fahrbach, offenbart ein Separatormaterial für Batterien, das ein hochporöses und hochelastisches, strukturell modifiziertes, nichtgewebtes, faserartiges Material umfasst, das entweder aus Nylon-6-(d. h. Polycaprolactam-)Fasern oder Nylon-6-6-(d. h. Polyamid-)fasern oder beiden besteht. Das Separatormaterial wird hergestellt, indem das faserartige Material mit einem aus einer niederprozentigen wässrigen Salzlösung bestehenden Lösungsmittel imprägniert wird, wodurch die vorherige Auflösung von Oberflächenteilen der Nylonfasern bewirkt wird. Das imprägnierte nichtgewebte Material wird dann unter leichtem Druck ausgepresst, um überschüssige Salzlösung daraus zu entfernen und das nichtgewebte Material anfänglich zu stärken, indem die Fasern an ihren oberflächlich gelösten Oberflächenteilen miteinander verschmolzen werden. Dann wird das nichtgewebte Material getrocknet und schließlich durch Erwärmen verfestigt.
  • U.S.-A-5 202 178, Turner, offenbart ein laminiertes Nylon-Batterieseparatormaterial zur Verwendung in Nickel-Cadmium-Batterien. Das Laminat umfasst eine nichtgewebte Bahn aus Nylon-Stapelfasern, die zwischen einem Paar Bahnen aus schmelzgesponnen Nylonfasern angeordnet sind. Die Stapelbahn umfasst Nylon-6- und Nylon-6,6-Fasern. Bei den schmelzgesponnenen Fasern handelt es sich um Nylon 6,6. Die drei Bahnen werden laminiert, indem sie durch einen Satz gewärmter Kalandrierwalzen geleitet werden. Die Höchsttemperatur des Kalandrierwalzensatzes ist höher als die Erweichungstemperatur der Nylon-6-Fasern, aber tiefer als die Schmelztemperatur der Nylon-6,6-Fasern. Beim Abkühlen werden die Bahnen aus schmelzgesponnenen Fasern durch das Wiederverfestigen der Nylon-6-Fasern mit der Stapelbahn verbunden, wodurch das laminierte Batterieseparatormaterial gebildet wird. Nach der bevorzugten Ausführungsform von Turner kann die Menge an Nylon 6 im Bereich von 5–60 Gew.-% liegen, wobei es sich beim Rest um Nylon-6,6-Fasern handelt.
  • U.S.-A-3 615 865, Wetherell, offenbart einen Batterieseparator, der eine nichtgewebte Bahn aus Polypropylenfasern umfasst, die mit Polyacrylsäure verbunden sind. Statt Polypropylenfasern können Polyethylen- oder Polyamidfasern verwendet werden.
  • U.S.-A-4 205 122, Miura et al., offenbaren ein Verfahren zur Herstellung eines Batterieseparatormaterials, indem eine wässrige Dispersion von olefinischen Harzfasern einem bahnbildenden Vorgang unterzogen wird, die resultierende nichtgewebte Matte der Bahn getrocknet wird und die getrocknete Matte wärmebehandelt wird, wodurch eine selbsttragende nichtgewebte Matte gebildet wird. Die Trocknungs- und Wärmebehandlung der nichtgewebten Matte kann erfolgen, indem sie durch einen Heißlufttrockner oder "durch Trockner, die in herkömmlichen Papierherstellungsmaschinen, wie einem Trockenzylinder einer Selbstabnahmemaschine, verwendet werden" geleitet wird. Nach der Wärmebehandlung wird die Matte zur Erhöhung der Oberflächenglätte vorzugsweise kalandriert.
  • U.S.-A-4 216 280, Kono et al., offenbart einen Batterieseparator, der Glasfasern umfasst, die ohne die Verwendung eines Bindemittels unter Bildung einer Bahn miteinander verschlungen sind. Zwei Typen Glasfasern werden in Wasser dispergiert und dann durch ein gewöhnliches Papierherstellungsverfahren zu einer Bahn geformt.
  • U.S.-A-4 216 281, O'Rell et al., offenbart einen Batterieseparator, der 30– 70 Gew.-% synthetische Polyolefinpulpe, 15–65 Gew.-% Silicat-Füllstoff und 1–35 Gew.-% langer, aus Polyester oder Glas bestehender Fasern umfasst. Cellulose kann in einer Menge von bis zu 10% eingeschlossen sein. Das Batterieseparatormaterial wird unter Verwendung von standardmäßigen Papierherstellungsgeräten gebildet. Das im 282er-Patent an O'Rell offenbarte Papierherstellungsgerät umfasst einen Pulper, eine Bütte, einen Auflaufkasten und eine Rotoformwalze, die sich im Auflaufkasten dreht, wodurch die Aufschlämmung aufgenommen und eine Bahn gebildet wird. Die Bahn wird von der Rotoformwalze entfernt und über einen Papiermaschinenfilz geleitet. Die Bahn wird von Kalandern gepresst. Die kalandrierte Bahn wird in einen Ofen und dann auf eine Reihe gewärmter Zylinder geführt. Die Zylinder speisen eine Aufwickelstation. In Beispiel 1 wurden die Dampfzylinder mit Oberflächentemperaturen von etwa 132°C (270°F) betrieben. Die Dampfzylinder trockneten die Bahn und erhöhten die Faserbindung.
  • U.S.-A-4 233 379, Gross et al., offenbart einen Batterieseparator, der 30– 80 Gew.-% Perlit-Körner und 20–70 Gew.-% Glasfasern umfasst. Die Zusammensetzungen werden mittels herkömmlicher Papierherstellungstechniken zu Papierbahnen geformt, d. h. die Glasfasern und das Perlit werden zu einer Wasseraufschlämmung dispergiert und vermischt, dann wird die Mischung aus der Wasseraufschlämmung auf einem herkömmlichen Papierherstellungssieb oder -maschinensieb abgeschieden, wie bei einer Langsiebpapiermaschine oder einer Rotoformer-Maschine, wodurch ein mattiertes Papier gebildet wird.
  • U.S.-A-4 279 979, Benson et al., offenbart ein Batterieseparatormaterial. Die faserige Hauptkomponente des Materials ist eine Polyolefinpulpe mit einer Holzpulpe ähnlichen, vorgeschmolzenen, mikrofibrillären Struktur. Bei der faserartigen Nebenkomponente handelt es sich um eine Polyamidfaser mit hoher Zugfestigkeit mit einer Länge von über 6 mm. Das Material wird durch das partielle Schmelzen des mikrofibrillären Polyolefins in der Wärme verbunden. Das bevorzugte Polyamid ist Nylon, wobei die Menge der Nylonfasern vorzugsweise im Bereich von 10–25 liegt, obwohl im Benson-Patent aufgeführt ist, dass 10–50% mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet werden können. Alternativ können Polyolefin-Stapelfasern mit den Polyamidfasern zugegeben werden. Das Bahnmaterial wird nach üblichen Papierherstellungstechniken hergestellt. Die Haupt- und die Nebenfaserkomponente werden miteinander verschlungen, wodurch eine ausreichende strukturelle Unversehrtheit erhalten wird, ohne dass Bindemittel verwendet werden. Die so gebildete Bahn wird normalerweise bei Trocknungstemperaturen von etwa 104°C (220°F) und darüber getrocknet. Auf diese Weise erweicht die Polyolefinpulpe während des Trocknens und überschreitet teilweise ihre Schmelztemperatur, wodurch die Bahn verbunden wird. Dann wird die Dicke des Bahnmaterials durch Kalandrieren vermindert, das auch die Wirkung hat, die Festigkeit des Bahnmaterials zu erhöhen.
  • U.S.-A-4 699 858, Nakao et al., offenbart einen Batterieseparator, der aus einer nichtgewebten Bahn aus Polyamidfasern besteht, wobei das Polyamid ein CONH/CH2-Verhältnis von 1/9 bis 1/12 aufweist.
  • U.S.-A-5 091 275, Brecht et al., offenbart ein Batterieseparatormaterial aus einer Matte aus Glasmikrofasern und einem Bindemittel. Die Glasmatte wird auf einer herkömmlichen Papierherstellungsmaschine wie einer Langsiebpapiermaschine gebildet. Die Matte wird dann durch ein Imprägnierbad einer wässrigen Mischung eines Bindemittels bewegt.
  • U.S.-A-5 141 523, Catotti et al., offenbart eine elektrochemische Zelle mit Separatorschichten aus nichtgewebten Matten mit 67% Nylon 6,6 und 33% Nylon 6.
  • U.S.-A-5 158 844, Hagens et al., offenbart einen Batterieseparator in Form einer nichtgewebten, faserartigen Bahn aus wasserdispergierbaren Fasern, in die bis zu 65 Gew.-% Fasern mit einem hohen Querschnitts-Aspektverhältnis eingearbeitet sind. Die Fasern mit hohem Aspektverhältnis umfassen zusammendrückbare Hohlfasern und Bandfasern, deren Breite um das 5- oder 10fache höher als ihre Dicke ist. Der Separator wird mittels herkömmlicher Papierherstellungstechniken hergestellt. Die Fasern sind vorzugsweise eine Mischung aus Polyvinylalkohol und Rayon.
  • U.S.-A-5 281 498, Muto et al., offenbart einen folienartigen Batterieseparator für einen Bleiakkumulator. Das Bahnmaterial wird aus Glasfasern auf einer Papierherstellungsmaschine mittels eines Nassverfahrens hergestellt.
  • U.S.-A-5 436 094, Horimoto et al., offenbart eine bauschige, synthetische Pulpenbahn, die als Separator für versiegelte Bleiakkumulatoren brauchbar ist. Die Pulpenbahn enthält 5–95 Gew.-% einer synthetischen Pulpe und 5– 50 Gew.-% eines polymeren Bindemittels. Die Bahn wird hergestellt, indem eine Mischung aus synthetischer Pulpe und einem faserartigen Bindemittel einer Nassablege-Bahnherstellung unterzogen wird, gefolgt von einer Wärmebehandlung. Die Pulpe kann aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Nylon oder anderen Polymeren bestehen. Das Bindemittel kann die Form synthetischer Pulpen, synthetischer Fasern, Verbundfasern vom Hülle-Kern-Typ, Harzpulvern und Emulsionen einnehmen. Der Typ des ausgewählten Bindemittels hängt davon ab, welche Art der synthetischen Pulpe als Hauptmaterial verwendet wird.
  • US-A-5 393 599 beschreibt elastische Fasern, die eine geringe Dehnbarkeit in Maschinenrichtung aufweisen und in Maschinenquerrichtung wesentliche elastische Eigenschaften aufweisen. Bei der Herstellung der Textilmaterialien können Nasslegetechniken sowie Nylonfasern eingesetzt werden.
  • US-A-5 496 603 beschreibt nichtgewebte Bahnmaterialien und Haftklebebänder, die aus solchen nichtegewebten Bahnmaterialien geformt sind. Auf die Produktion können Nasslegeverfahren angewandt werden. Nylonfasern sind jedoch nicht offenbart.
  • US-A-5 508 093 beschreibt ein Schichtprodukt mit einer ersten Schicht, die aus wenigstens einem mit schmelzbaren Bindemittel verfestigten nichtgewebten Material geformt ist, wobei die erste Schicht sowohl Trägerfasern als auch Bindefasern enthält. Unter anderem kann eine Nasslegetechnik zur Herstellung verwendet werden, und als Faser kann Nylon 6,6 verwendet werden.
  • US-A-5 389 471 offenbart die Herstellung einer Polyvinylfasern und Zweikomponentenfasern einschließenden Bahn aus synthetischem Papier zur Verwendung als Separator in einer Batterie. Die Komponenten, die Nylonfasern einschließen können, werden einer Nasslege-Papierherstellungsmaschine zugeführt.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist ein nichtgewebtes Nylon-Batterieseparatormaterial, das durch ein Nassverfahren auf einer Papierherstellungsmaschine gebildet wird. Die Dispersion der Nylonfasern wird durch die Zugabe von Bildungshilfsmitteln wie Tensiden zur Faseraufschlämmung verstärkt.
  • Die aus der Papierherstellungsmaschine austretende Bahn wird mittels Infrarottrocknern teilweise getrocknet und dann in einem Trockenzylinder-Abschnitt vollständig getrocknet. Spezielle Trockenzylinder-Temperaturen sind erforderlich, um das Trocknen und die partielle Verfestigung der Bindefasern zu erleichtern und auch das Kleben des Textilmaterials an den Zylindern zu verhindern. Danach wird das teilweise verfestigte Textilmaterial in einem Kalanderstapel, der das Material drückt und verfestigt, thermisch verfestigt.
  • Das obige nass gelegte Produkt ergibt im Vergleich zum trocken gelegten Produkt eine gleichmäßigere Bahn. Insgesamt wird die Bildung eines nass gelegten Produkts gegenüber trocken gelegten Qualitäten außerordentlich verbessert. Die Deckung mit Faser über die Bahn ist zufälliger und nicht gerichtet wie bei einem trocken gelegten Produkt. Durch eine gleichmäßigere Bahn wird die Absorption von Kaliumhydroxid in einer Nickel-Cadmium- Batterie verbessert. Aufgrund dieser verbesserten Adsorption ist die Lebensdauer der Batterie verlängert. Die verstärkte Absorption von Kaliumhydroxid wird erreicht, ohne dass eine Notwendigkeit für ein Auftragen des Tensids nach dem Trocknen besteht.
  • Darüber hinaus hat der Fasereintrag einen relativ niedrigen Prozentwert an Nylon-6-Bindefasern. Es ist festgestellt worden, dass der Batterieseparator sich bei höheren Mengen an Nylon 6 schneller zersetzt. Die Verminderung der Nylon-6-Bindefaser soll die Lebensdauer der Batterie und die Anzahl der möglichen Wiederaufladungen erhöhen.
  • Diese Erfindung hat auch den Vorteil, dass mit der Bildung von trockenen Bahnen zusammenhängende Herstellungskosten entfallen.
  • Beim nichtgewebten Batterieseparatormaterial gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Verbundmaterial, das zwei Typen von Nylon-6,6-Stapelfasern und Nylon-6-Bindefasern umfasst. Die Nylon-6-Bindefasern schmelzen bei einer Temperatur von 223°C (433°F). Bevor die Bahn in den Trockenzylinderabschnitt eintritt, läuft sie durch Infrarottrockner, um mit dem Abtreiben von Feuchtigkeit von der Bahn zu beginnen. Die Nylon-6-Bindefasern erweichen bei einer Temperatur, die niedriger als diejenige ist, der die nassgelegte Bahn im Trockenzylinderabschnitt unterzogen wird. Die teilweise verfestigte Bahn wird auf eine Rolle aufgewickelt und zu den Kalanderwalzen transportiert. Beim Durchführen der teilweise verfestigten Bahn durch die gewärmten Kalanderwalzen schmelzen die Nylon-6-Bindefasern. Die Bahn ist vollständig verfestigt, wenn die Nylon-6-Bindefasern beim Abkühlen verschmelzen.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des Fasereintrags bestehen die Stapelfasern aus Nylon 6,6 mit zwei verschiedenen Titern, und die Bindefasern bestehen aus Nylon 6. Die Nylon-6-Bindefasern stellen vorzugsweise bis zu 10 bis 40 Gew.-% des Fasereintrags dar, wobei die Nylon-6,6-Fasern mit verschiedenem Titer in äquivalenten Mengen den Rest des Eintrags ausma chen. Alternativ können die Nylon-6-Bindefasern durch Nylon-12/6,6-Bikomponentenfasern ersetzt werden. Die Nylon-12/6,6-Bikomponentenfasern machen vorzugsweise bis zu 5 bis 40 Gew.-% des Fasereintrags aus, wobei die Prozentwerte der beiden Nylon-6,6-Fasern mit verschiedenem Titer in äquivalenten Mengen den Rest des Eintrags darstellen. Diese Bikomponentenfasern haben eine Hülle aus Nylon 12 und einen Kern aus Nylon 6,6. Nach einer weiteren Variation kann der Fasereintrag 1 bis 10 Gew.-% Polyvinylalkohol-Fasern einschließen, um die Erzeugung von Festigkeit der Bahn während des Kalandrierens zu unterstützen. Der Prozentwert der beiden Nylon-6,6-Fasertypen mit verschiedenem Titer kann durch gleiche Mengen der Polyvinylalkohol-Fasern ersetzt werden, wodurch der Prozentwert der Nylon-6-Bindefasern oder der Nylon-12/6,6-Bikomponentenfasern unverändert bleibt.
  • Die Komponentenfasern werden mit Wasser zu einer homogenen Mischung vereinigt und unter Verwendung eines Nasslegeverfahrens zu einer Matte geformt. Durch die thermische Verfestigung der Matte unter geregelten Temperatur- und Druckbedingungen wird ein papierartiges Material hoher Festigkeit gebildet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung der Masse oder des Eintrags zur Herstellung des Verbundmaterials der Erfindung.
  • 2 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bildung und Trocknung einer zur Herstellung des Verbundmaterials verwendeten Bahn.
  • 3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur thermischen Verfestigung der Bahn unter Bildung des Verbundmaterials der Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Fasereintrag 10 bis 40 Gew.-% Nylon-6-Bindefasern, 30 bis 45 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern mit einem ersten Titer und 30 bis 45 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern mit einem zweiten Titer, der höher als der erste Titer ist. Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Fasereintrag 5 bis 40 Gew.-% Nylon-12/6,6-Bikomponentenfasern, 30 bis 47,5 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern mit einem ersten Titer und 30 bis 47,5 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern mit einem zweiten Titer, der höher als der erste Titer ist. Die Nylon-12-Hülle der Bikomponentenfasern schmilzt bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Nylon-6,6-Materials, wodurch eine vorherige Verfestigung der Bahn im dampferhitzten Trockenabschnitt ermöglicht wird. Nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Fasereintrag 10 bis 40 Gew.-% Nylon-6-Bindefasern, 25 bis 44,5 Gew.-% Nylin-6,6-Fasern mit einem ersten Titer, 25 bis 44,5 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern mit einem zweiten Titer, der höher als der erste Titer ist, und 1 bis 10 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern. Die Polyvinylalkoholfasern werden vorzugsweise mit 3 Gew.-% mit dem Zweck zugegeben, der Bahn vor der endgültigen Verfestigung im Kalandrierstapel eine anfängliche Verfestigung zu verleihen. Nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Fasereintrag 5 bis 40 Gew.-% Nylon-12/6,6-Bikomponentenfasern, 25 bis 47 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern mit einem ersten Titer, 25 bis 47 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern mit einem zweiten Titer, der höher als der erste Titer ist, und 1 bis 10 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern.
  • Die bevorzugten Fasereinträge gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform sind wie folgt: (1) 40 Gew.-% Nylon-6-Bindefasern (1,7 dtex × 12 mm), 30 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern (0,7–0,9 d × 1/2 inch) und 30 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern (3,0 d × 3/4 inch); und (2) 10 Gew.-% Nylon-6-Bindefasern (1,7 dtex × 12 mm), 45 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern (0,7 d × 1/2 inch) und 45 Gew.-% Nylon-6,6-Fasern (3,0 d × 3/4 inch).
  • Ein nichtgewebtes Batterieseparatormaterial wird durch ein Nasslegeverfahren in einer herkömmlichen Papierherstellungsmaschine gebildet. Dann wird das nichtgewebte Material unter geregelten Temperatur- und Druckbedingungen thermisch verfestigt. Nach dem Verfahren der Erfindung wird eine nass gelegte Matte des Verbundmaterials bei Temperaturen im Bereich von 65– 162,8°C (150–325°F) getrocknet und dann thermisch kalandriert, wobei die Walzen auf Temperaturen im Bereich von 121–232°C (250–450°F) erwärmt sind und Spaltdrücke von 10,3–17,2 bar (15–250 psi) vorliegen. Das Gewicht pro Masseneinheit des Verbundstoffs nach dem thermischen Kalandrieren kann in Abhängigkeit von der gewählten Bahnzusammensetzung und den gewählten Kalandrierbedingungen von 60 bis 85 g/m2 variiert werden, um einen bestimmten Satz physikalischer Eigenschaften zu bewirken. Nylon-Stapelfasern mit 0,2 bis 3,0 d können verwendet und mit verschiedenen Verhältnissen vermischt werden, um gewünschte physikalische Eigenschaften zu bewirken.
  • 1 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Herstellung der Masse oder des Eintrags zur Herstellung des Verbundstoffs gemäß der bevorzugten Ausführungsform. Eine Charge Nylonfasern wird in einem Wasser enthaltenden Hydropulper 10 hergestellt. Bei der Herstellung der Aufschlämmung wird das Wasser gerührt, Tensid wird zugegeben, und die Nylonfasern werden in der folgenden Reihenfolge dem Eintrag zugegeben: (1) 3,0 d × 3/4 Inch Nylon-6,6-Stapelfasern; (2) 0,7 d × 1/2 Inch Nylon-6,6-Stapelfasern und (3) Nylon-6-Bindefasern. Beim bevorzugten Tensid handelt es sich um F-108, bei dem es sich um ein Polyoxypropylen-Polyoxyethylen-Block-Copolymer handelt. Das Tensid F-108 ist von der BASF Corporation kommerziell erhältlich und wird mit 4,53 kg (10 pounds) auf 45,4 m3 (12 000 gallons) Wasser zugegeben. Nachdem alle Fasern zum Eintrag gegeben worden sind, wird der Eintrag etwa 2 bis 5 min lang gemischt, um die Nylonfasern zu dispergieren. Ein Bahnbildungshilfsmittel, z. B. ein anionisches Polyacrylamid, wird zum Eintrag gegeben. Bei der bevorzugten Formulierung handelt es sich um Reten 235, das ein anionisches Acrylamid-Copolymer ist. Reten 235 wird von Hercules Inc. bezogen. 400 gallons Reten 235 werden zu 0,3% auf 12 000 gallons Wasser zugegeben. Danach wird die Aufschlämmung für einen Zeitraum vermischt, der ausreichend ist, um die Nylonfasern gleichmäßig zu dispergieren. Eine Sichtprüfung ist erforderlich, um festzustellen, wann die Fasern vollständig getrennt und gut dispergiert sind.
  • Bei der Alternative werden, statt 1514 l (400 gallons) Reten 235 zuzugeben, 12,1 l (3,2 gallons) Nalco 7534 Polyacrylamid von Nalco, Inc., und 181,7 l (48 gallons) I-14-Acrylamid von Parachem zum Eintrag gegeben.
  • Das Wasservolumen und die Fasermenge sind so, dass die Konsistenz des Eintrags im Hydropulper 10 einen Feststoffgehalt von etwa 3,6% aufweist. Nachdem die Fasern gleichmäßig dispergiert wurden, wird die Faseraufschlämmung über das Ventil 12 zum Mischbehälter 14 transportiert. Im Mischbehälter 14 wird die Nylonfaser-Aufschlämmung zur erwünschten Konsistenz, d. h. einem Feststoffgehalt von etwa 0,9%, verdünnt, indem Wasser bis 45,4 m3 (12 000 gallons) zugegeben wird. Nachdem die Nylonfaser-Aufschlämmung im Mischbehälter 14 ausreichend vermischt wurde, wird die Aufschlämmung über das geöffnete Ventil zum Maschinenbehälter 18 transportiert, wo die Aufschlämmung auf eine Konsistenz eines Feststoffgehalts von etwa 0,6% weiter verdünnt wird. Danach wird die Aufschlämmung über das Ventil 20 zur bahnbildenden Maschine transportiert.
  • 2 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bildung und Trocknung einer bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundstoffs eingesetzten Bahn. Die homogene Faseraufschlämmung wird vom Kopfbehälter 26 aufgenommen. Im Kopfbehälter hat die Aufschlämmung die Konsistenz eines Feststoffgehalts von etwa 0,05%. Eine Bahn 32 wird von der Maschine 28 mittels eines Nasslegeverfahrens gemäß herkömmlicher Papierherstellungstechniken gebildet. Vorzugsweise handelt es sich bei der Maschine 28 um eine Langsieb-Papiermaschine mit geneigtem Sieb. Alternativ können ein Rotoformer, eine Langsieb-Papiermaschine mit Zylinder oder eine Langsieb-Papiermaschine mit ebenem Sieb verwendet werden. Die Temperatur, die in der Langsieb-Papiermaschine mit geneigtem Sieb auf die Fasern einwirkt, liegt im Bereich von 21,1–29,4°C (70–85°F). Danach gelangt die Bahn 32 durch ein Paar Nasspresswalzen 34, die überschüssiges Wasser von der Bahn entfernen. Die Bahn tritt dann in einen Infrarottrockner 36 ein. Nach einem Vortrocknen im Infrarottrockner-Abschnitt tritt die Bahn in einen Trockenzylinder-Abschnitt 38 ein, der einen Stapel Trockenzylinder umfasst. Die Temperaturen der Trockenzylinder sollten in den in Tabelle 1 aufgeführten Bereichen liegen.
  • TABELLE 1 – Trockenzylinder-Temperaturen
    Figure 00130001
  • Die obigen spezifischen Temperaturen sind erforderlich, um das Trocknen und die partielle Verfestigung der Bindefasern zu erleichtern und darüber hinaus ein Haften an den Zylindern zu verhindern. Wenn die Bahn über die Trockenzylinder geleitet wird, erweicht das Nylon 6 und beginnt zu schmelzen, wodurch die Verfestigung der Nylon-6- und der Nylon-6,6-Fasern beginnt. Der Hauptumfang der Verfestigung erfolgt, während die Bahn durch die ersten acht Trockenzylinder läuft. Die Temperatur der Zylinder wird beim Durchlaufen der Bahn verringert, um ein Schrumpfen zu minimieren. Die getrocknete Bahn 32 wird dann zur Weiterverarbeitung auf einer Rolle 40 aufgewickelt.
  • Ein hochfestes und verfestigtes Verbundmaterial wird erhalten, indem die getrocknete Bahn 32 in einem Kalanderstapel 42 thermisch verfestigt wird, wie in 3 dargestellt ist. In der Prozessstraße wird die Bahn 32 von der Rolle 40 abgewickelt und vorzugsweise der Führungsrolle 44 zum Spalt zwischen einem Stapel Kalanderwalzen 42A–42D geführt. Die Kalanderwalzen 42A–42D, die vorzugsweise aus Stahl bestehen, werden auf eine Temperatur erwärmt und auf einem Kompressionsdruck im Bereich von 121– 232°C (250–450°F) und 800–1000 pli (1 pound = 0,45 kg, 1 Inch = 2,54 cm) gehalten. Die Werte der Dicke reichen von 0,0127–0,025 cm (5 bis 10 mil), und die Werte der Luftdurchlässigkeit reichen von 25 bis 200 cfm (1 cf = 0,028 m3), wobei die Walzen einen Temperaturbereich von 121–232°C (250–450°F) aufweisen. Bevorzugte Ergebnisse werden bei einer Temperatur von etwa 204°C (400°F) und einem Druck von 800 pli (1 pound = 0,45 kg, 1 inch = 2,54 cm) erhalten. Alternativ könnten die Walzen mit Baumwolle gefüllt oder teflonbeschichtet sein, um die Bindung der Faser zu verbessern. Nach der thermischen Verfestigung in den Kalanderwalzen berührt die Bahn die Führungsrolle 48 und wird dann auf einer Rolle 50 aufgewickelt.
  • In der Alternative kann die Bahn teilweise um eine (in 3 mit gestrichelten Linien dargestellte) Rolle 46 gewickelt werden, die auf eine Temperatur von etwa 93,3–148,9°C (200–300°F) erwärmt ist, und dann zwischen den Kalanderwalzen durchgeführt werden. Die gewärmte Rolle 46 wärmt die Bahn vor, bevor sie in die Kalander-Walzenspalt eintritt. Ein Vorwärmen ermöglicht eine höhere Geschwindigkeit der Produktionsstraße.
  • In Tabelle 2 sind die physikalischen Eigenschaften der bevorzugten Ausführungsform mit 60 Gew.-% Nylon 6,6 und 40 Gew.-% Nylon 6 sowohl vor als auch nach der thermischen Verfestigung aufgeführt.
  • TABELLE 2 – Physikalische Eigenschaften der Ausführungsform mit 40 Gew.-% Nylon 6
    Figure 00150001
  • Standards of the Technical Association of the Pulp and Paper Industry ("TAPPI"), Technology Park, Atlanta, Georgia.
  • In Tabelle 3 sind die physikalischen Eigenschaften der bevorzugten Ausführungsform mit 90 Gew.-% Nylon 6,6 und 10 Gew.-% Nylon 6 sowohl vor als auch nach der thermischen Verfestigung aufgeführt.
  • TABELLE 3 – Physikalische Eigenschaften der Ausführungsform mit 10 Gew.-% Nylon 6
    Figure 00150002
  • Der kalandrierte Verbundstoff weist eine Mikrostruktur auf, bei der die Fasergrenzflächen aufgrund des Schmelzens des Nylon-6-Bindefasermaterials verschmolzen sind. Nylon 6 hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Nylon-6,6-Stapelfasern. Das Kalandrieren der Verbundbahn bewirkt eine Verminderung des Faserzwischenraums, d. h. durch eine Kompression und Verfestigung der Faser. Die Dichte des Bahnmaterials und die Flachheit (Ebenheit) der Oberfläche des Bahnmaterials werden im Kalandrierverfahren wesentlich verbessert.
  • Zum Beispiel ist es für gewöhnliche Praktiker offensichtlich, dass Nylon-Bindefasern, die von den hier aufgeführten verschieden sind, verwendet werden können, solange dieses Nylon-Bindefasermaterial einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als derjenige der Nylon-Stapelfasern ist, und eine ausreichende Verfestigung dieser Nylon-Stapelfasern unter Bildung einer nichtgewebten Bahn mit einer hohen Zugfestigkeit ergibt. Darüber hinaus können Nylon-Stapelfasern von 0,2 bis 3,0 d verwendet und in verschiedenen Verhältnissen vermischt werden, um die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu bewirken. Der Bereich und die Mischung von Bindefasern kann auch variiert werden, um gewünschte physikalische Eigenschaften zu bewirken. Weiterhin können die physikalischen Eigenschaften sowie die Gebrauchseigenschaften des Bahnmaterials geändert werden, um durch das Einstellen der Eintrag-Zusammensetzung und des Eintrag-Verhältnisses sowie der Kalandrierparameter zu einem bestimmten Satz physikalischer Spezifikationen zu passen. Die Länge und der Titer der Nylonfasern kann mit der Maßgabe variiert werden, dass die Luftdurchlässigkeit der kalandrierten Bahn im Bereich von 75–200 cfm (1 cf = 0,028 m3) liegt. Bahn-Grundgewichte können in Abhängigkeit von der Faserzusammensetzung der Bahn und den gewählten Kalandrierbedingungen auch von 60 bis 85 g/m2 variieren, wodurch ein bestimmter Satz physikalischer Eigenschaften bewirkt wird. Der hiernach aufgeführte Anspruchssatz soll alle diese Variationen und Modifikationen umfassen.

Claims (19)

  1. Nichtgewebte Bahn, die durch folgende Schritte erhältlich ist: Bilden eines Fasereintrags, der folgende Faserzusammensetzung aufweist: 10 bis 40 Gew.-% Nylon 6-Bindefasern und 60 bis 90 Gew.-% Nylon 6,6-Stapelfasern; Mischen des Fasereintrags zum Verteilen der Nylon 6-Bindefasern und der Nylon 6,6-Stapelfasern; Ablegen des Fasereintrags auf einer Papiermaschine 10 zum Bilden einer nass abgelegten Bahn; Entfernen des Wassers von der nass abgelegten Bahn; und Thermoverfestigen der nass abgelegten Bahn auf den Wasserentfernungsschritt hin, wobei das 15 Thermoverfestigen bei Temperaturen ausgeführt wird, die die Nylon 6-Bindefasern zum Schmelzen bringen, ohne die Nylon 6,6-Stapelfasern zum Schmelzen zu bringen.
  2. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 1, wobei die 20 Nylon 6,6-Fasern einen ersten Typ Nylon 6,6-Stapelfaser mit einem ersten Denier und einen zweiten Typ Nylon 6,6-Stapelfaser mit einem zweiten Denier umfassen, der von dem ersten Denier verschieden ist. 25 3. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 2, wobei der erste Denier ca. 0,7 und der zweite Denier ca. 3,0 beträgt.
  3. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 2, wobei der erste Typ Nylon 6,6-Fasern 30–45 Gew.-% der Faserzusammensetzung und der zweite Typ Nylon 6,6-Fasern 30–45 Gew.-% der Faserzusammensetzung umfasst.
  4. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 1, wobei das Thermoverfestigen durch Kalandrieren mit erhitzten Kalanderwalzen durchgeführt wird.
  5. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 1, wobei der Wasserentfernungsschritt durch Trocknen in einem Infrarottrockner, gefolgt vom Trocknen auf einem Trocknerdosenstapel, durchgeführt wird.
  6. Nichtgewebte Bahn, die durch folgende Schritte erhältlich ist: Bilden eines Fasereintrags, der folgende Faserzusammensetzung aufweist: 5 bis 40 Gew.-% Bikomponentenfasern mit einem Nylon 6,6-Kern und einem Mantel, der aus Nylon-Bindematerial hergestellt ist, das eine Schmelztemperatur aufweist, die geringer ist als die Schmelztemperatur von Nylon 6, 6, und 60 bis 95 Gew.-% Nylon 6,6-Stapelfasern; Mischen des Fasereintrags zum Verteilen der Bikomponentenfasern und der Nylon 6,6-Stapelfasern; Ablegen des Fasereintrags auf einer Papiermaschine zum Bilden einer nass abgelegten Bahn; Entfernen des Wassers von der nass abgelegten Bahn; und Thermoverfestigen der nass abgelegten Bahn auf den Wasserentfernungsschritt hin, wobei das Thermoverfestigen bei Temperaturen ausgeführt wird, die das Nylon-Bindematerial zum Schmelzen bringen, ohne die Nylon 6,6-Stapelfasern zum Schmelzen zu bringen.
  7. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 7, wobei die Nylon 6,6-Fasern einen ersten Typ Nylon 6,6-Stapelfaser mit einem ersten Denier und einen zweiten Typ Nylon 6,6-Stapelfaser mit einem zweiten Denier umfassen, der von dem ersten Denier verschieden ist.
  8. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 8, wobei der erste Denier ca. 0,7 und der zweite Denier ca. 3,0 beträgt.
  9. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 8, wobei der erste Typ Nylon 6,6-Fasern 30–45 Gew.-% der Faserzusammensetzung und der zweite Typ Nylon 6,6-Fasern 30–45% der Faserzusammensetzung umfasst.
  10. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 7, wobei das Thermoverfestigen durch Kalandrieren mit erhitzten Kalanderwalzen durchgeführt wird.
  11. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 7, wobei der Wasserentfernungsschritt durch Trocknen in einem Infrarottrockner, gefolgt vom Trocknen auf einem Trocknerdosenstapel, durchgeführt wird.
  12. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 7, wobei das Nylonbindematerial Nylon 12 ist.
  13. Nichtgewebte Bahn, die durch folgende Schritte erhältlich ist: Bilden eines Fasereintrags, der folgende Faserzusammensetzung aufweist: 10 bis 40 Gew.-% Nylon 6-Bindefasern, 50 bis 89 Gew.-% Nylon 6,6-Stapelfasern und 1 bis 10 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern; Mischen des Fasereintrags zum Verteilen der Nylon 6- Bindefasern, der Nylon 6,6-Stapelfasern und der Polyvinylalkoholfasern; Ablegen des Fasereintrags auf einer Papiermaschine zum Bilden einer nass abgelegten Bahn; Entfernen des Wassers von der nass abgelegten Bahn; und Thermoverfestigen der nass abgelegten Bahn auf den Wasserentfernungsschritt hin, wobei das Thermoverfestigen bei Temperaturen ausgeführt wird, die die Nylon 6-Bindefasern zum Schmelzen bringen, ohne die Nylon 6,6-Stapelfasern zum Schmelzen zu bringen.
  14. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 14, wobei die Nylon 6,6-Fasern einen ersten Typ Nylon 6,6-Stapelfaser mit einem ersten Denier und einen zweiten Typ Nylon 6,6-Stapelfaser mit einem zweiten Denier umfassen, der von dem ersten Denier verschieden ist.
  15. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 14, wobei der Wasserentfernungsschritt durch Trocknen in einem Infrarottrockner, gefolgt vom Trocknen auf einem Trocknerdosenstapel durchgeführt wird.
  16. Nichtgewebte Bahn, die durch folgende Schritte erhältlich ist: Bilden eines Fasereintrags, der folgende Faserzusammensetzung aufweist: 5 bis 40 Gew.-% Bikomponentenfasern mit einem Nylon 6,6-Kern und einem Mantel, der aus Nylon-Bindematerial hergestellt ist, das eine Schmelztemperatur aufweist, die geringer ist als die Schmelztemperatur von Nylon 6,6, 50 bis 94 Gew.-% Nylon 6,6-Stapelfasern und 1 bis 10 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern; Mischen des Fasereintrags zum Verteilen der Bikomponentenfasern, der Nylon 6,6-Stapelfasern und der Polyvinylalkoholfasern; Ablegen des Fasereintrags auf einer Papiermaschine zum Bilden einer nass abgelegten Bahn; Entfernen des Wassers von der nass abgelegten Bahn; und Thermoverfestigen der nass abgelegten Bahn auf den Wasserentfernungsschritt hin, wobei das Thermoverfestigen bei Temperaturen ausgeführt wird, die das Nylon-Bindematerial zum Schmelzen bringen, ohne die Nylon 6,6-Stapelfasern zum Schmelzen zu bringen.
  17. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 17, wobei die Nylon 6,6-Fasern einen ersten Typ Nylon 6,6-Stapelfaser mit einem ersten Denier und einen zweiten Typ Nylon 6,6-Stapelfaser mit einem zweiten Denier umfassen, der von dem ersten Denier verschieden ist.
  18. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 17, wobei der Wasserentfernungsschritt durch Trocknen in einem Infrarottrockner, gefolgt vom Trockenen auf einem Trocknerdosenstapel, durchgeführt wird.
  19. Nichtgewebte Bahn nach Anspruch 17, wobei das Nylonbindematerial Nylon 12 ist.
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