EP0518003B1 - Spinnvliesstoff aus thermoplastischen Endlosfilamenten und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a spunbonded nonwoven fabric made from continuous thermoplastic filaments and to a method for its production according to the preamble of claims 1 and 5, known for example from DE-A-3 932 877.
- Biodegradable nonwovens made from staple fibers are known: the use of viscose fibers is described in I. MARINI, General. Nonwovens Report (1986) Vol. 14, No. 4, 214 f.
- biodegradable fibers are natural fibers and natural fiber derivatives. Areas of application are disposable consumer goods such as Children's and incontinence diapers, bed pads, surgical gowns and surgical drapes and plasters.
- Biodegradable is to be understood here and in the following to mean that the fiber or nonwoven material is completely destroyed by microorganisms. These microorganisms are bacteria and fungi that are present in the soil, among other things.
- a disadvantage of the known biodegradable nonwoven fabrics is the anisotropy inherent in all staple fiber products, which is particularly evident in the mechanical properties, e.g. the strength, makes it disadvantageously noticeable: this is different in the longitudinal and transverse directions, and it is easy to see that this limits and makes the properties of use more difficult.
- Another criterion is the consolidation of the biodegradable short fibers, which usually has to be done with additional binders, since natural fibers are known to have no thermoplastic properties. Such binders are critical because of possible skin irritation or problems with wound tolerance; moreover, they are usually not biodegradable.
- spunbond nonwovens made from continuous polymer filaments which have the same strength properties in all directions, are often more hygienic in use because of the smooth surface of the polymers and because of the thermoplastic properties, they can be easily connected to one another by heat, ie welded together.
- the production is described for example in DE-PS 31 51 322, the filament polymer being polypropylene.
- Biodegradable polymers for example thermoplastic cellulose derivatives, previously used for melt spinning to form continuous filaments present difficulties in this process: Just above the melting temperature, these polymers remain so viscous that they cannot be spun into filaments; if the temperature is increased further, decomposition usually occurs immediately. There is therefore only a very narrow temperature band within which spinning can be carried out.
- DE-A-3 932 877 discloses an erosion protection and / or substrate stabilization mat made of at least predominantly degradable synthetic polymer threads.
- the mat can be made of nonwoven.
- the state of the art states that the polymer threads can be connected, welded or glued together at their crossing points.
- the polymer forming the filaments consists of at least 50% by weight polycaprolactone with an average molecular weight of 35,000 to 70,000 and that the welding of the filaments at their crossing point is autogenous, i.e. solely through their thermoplastic, sticky properties during the placement on each other.
- the type of polycaprolactone mentioned is surprisingly processable on conventional melt spinning devices to form endless polymer threads, the process steps of melting, pumping to the nozzles, drawing and cooling by means of tempered air and laying down the finished filaments within the scope of manual skill on the thermal properties of the polymer can be matched.
- a conventional melt spinning plant can be used in any case. It is essential that a finished, consolidated spunbonded nonwoven fabric is already present in the manufacturing process, after deposition, ie no subsequent consolidation step is required, for example by embossing rollers or the like.
- thermoplastic welding occurs automatically at the filament crossing points.
- thermoplastic fibers e.g. Polypropylene, polyethylene, polyamide or polyester
- polycaprolactone specified above in a proportion of at least 50% by weight in the filament-forming polymer allows subsequent thermal consolidation to be dispensed with.
- the filament material consists of the polycaprolactone mentioned. It is easily spinnable to form a continuous filament at 150 to 220 ° C, with no decomposition; furthermore, this material is stretchable after spinning out of the nozzles, a property that other biodegradable polymers do not have.
- the limits of the molecular weight are given by the fact that at smaller values the mass is too wax-like to be still spinnable and at molecular weights over 70,000 the material becomes brittle.
- thermoplastic polymers instead of the pure polycaprolactone.
- Biodegradable two-component systems in the above sense are those which contain polyhydroxybutyrate, polyhydroxybutyrate hydroxyvalerate copolymer, a polylactide or polyester urethane as the second polymer component. Although the materials of these second components are biodegradable, they cannot be spun as a pure substance or only with great technical effort. Only the combination with polycaprolactone makes the mass suitable for conventional melt spinning processes and solves the requirements mentioned in the task.
- All of the polymer mixtures mentioned and the pure polycaprolactone are easy to dye, have an extensibility of at least 50% and impart a textile character to the spunbonded nonwoven.
- covering fleeces for horticulture and agriculture covering fleeces for horticulture and agriculture; adhesion-promoting adhesive fleece and adhesive between polar and non-polar polymers, for example between polyethylene and polypropylene or polyester and polyamide; iron-on interlining nonwovens in the outer clothing area because of the anisotropic stretching property; technical applications in which permanent hydrophilic properties or antistatic properties are required, e.g. filter materials.
- Polycaprolactone with a melting point of around 60 ° C and an MFI (melt flow index) of 10 g / 10 min at 130 ° C / 2.16 kg is melted at an extruder temperature of 185 ° C.
- the melt temperature of the polymer melt is 203 ° C.
- the air required to stretch the polymer melt emerging from the spinnerets has a temperature of 50 ° C.
- the drawn continuous filaments are caught on a screen belt and wound up without further consolidation.
- the basis weight of the polycaprolactone spunbonded nonwoven is 22 g / m.
- a polymer mixture of 90% polycaprolactone and 10% polyhydroxybutyrate-hydroxyvalerate copolymer with an MFI value of 34 g / 10 min at 190 ° C / 2.16 kg is melted at 182 ° C.
- the polymer melt emerging from the spinnerets is stretched with air at a temperature of around 40 ° C.
- the drawn continuous filaments are caught on a conveyor belt and the nonwoven is wound up without further consolidation.
- the basis weight of the nonwoven is 23 g / m.
- a polymer mixture of 75% polycaprolactone and 25% polyethylene is processed to a spunbonded nonwoven under the same conditions as described in Example 2.
- All spunbonded nonwovens of Examples 1 to 3 are suitable for applications in hygiene products, e.g. as a diaper covering fleece, in agriculture as a mulch film, as an adhesive fleece for the production of textile laminates or for technical applications such as Filter materials.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spinnvliesstoff aus thermoplastischen Endlosfilamenten sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5, bekannt beispielsweise aus DE-A-3 932 877.
- Biologisch abbaubare Faservliesstoffe, die aus Stapelfasern aufgebaut sind, sind bekannt: Dabei wird der Einsatz von Viskosefasern beschrieben in I. MARINI, Allg. Vliesstoff-Report (1986) Vol. 14, Nr. 4, 214 f.
- Diese biologisch abbaubaren Fasern sind Naturfasern und Naturfaserderivate. Anwendungsbereiche sind Einwegsgebrauchsgüter wie z.B. Kinder- und Inkontinenzwindeln, Bettenunterlagen, OP-Kittel und OP-Abdecktücher und Pflasterträger.
- Unter biologisch abbaubar soll hier und im folgenden verstanden werden, daß eine vollständige Zerstörung des Faser- bzw. Vliesstoff-Materials durch Mikroorganismen erfolgt. Diese Mikroorganismen sind Bakterien und Pilze, die u.a. im Erdreich vorhanden sind.
- Nachteilig bei den bekannten biologisch abbaubaren Faservliesstoffen ist die allen Stapelfaserprodukten eigene Anisotropie, was sich insbesondere in den mechanischen Eigenschaften, wie z.B. der Festigkeit, nachteilig bemerkbar macht: Diese ist in Längs- und Querrichtung unterschiedlich, und es ist leicht einzusehen, daß dadurch die Gebrauchseigenschaften eingeschränkt und erschwert werden. Ein weiteres Kriterium ist die Verfestigung der biologisch abbaubaren Kurzfasern, welche meist durch zusätzliche Bindemittel erfolgen muß, da Naturfasern bekanntermaßen keine thermoplastischen Eigenschaften besitzen. Solche Bindemittel sind kritisch wegen möglicherweise auftretender Irritationen auf der Haut oder Problemen der Wundverträglichkeit; zudem sind sie meistens biologisch nicht abbaubar.
- Oft wird man daher Spinnvliesstoffen aus Endlos-Polymerfilamenten den Vorzug geben, welche in allen Richtungen gleiche Festigkeitseigenschaften aufweisen, oftmals hygienischer im Gebrauch sind wegen der glatten Oberfläche der Polymeren und wegen der thermoplastischen Eigenschaften in einfacher Weise durch Hitze miteinander verbunden, d.h. verschweißt werden können. Die Herstellung ist z.B. beschrieben in DE-PS 31 51 322, wobei das Filament-Polymer Polypropylen ist.
- Bisher für das Schmelzspinnen zu Endlosfilamenten eingesetzte, biologisch abbaubare Polymere, zum Beispiel thermoplastische Zellulosederivate, bereiten bei diesem Verfahren Schwierigkeiten: Knapp oberhalb der Schmelztemperatur bleiben diese Polymeren so viskos, daß sie nicht zu Filamenten spinnbar sind; erhöht man die Temperatur weiter, tritt meist sofort Zersetzung ein. Es verbleibt also ein nur sehr schmales Temperaturband, innerhalb dessen das Verspinnen durchgeführt werden kann.
- DE-A-3 932 877 offenbart eine Erosionsschutz- und/oder Untergrundstabilisationsmatte aus zumindest überwiegend abbaubaren synthetischen Polymerfäden. Die Matte kann aus Vliesstoff bestehen. Als Stand der Technik wird angegeben, daß die Polymerfäden an ihren Kreuzungsstellen miteinander verbunden, verschweißt oder verklebt sein können.
- Ausgehend vom letztgenannten Stand der Technik sowie von der unzureichenden Hitzestabilität biologisch abbaubarer Polymerer beim Verspinnen war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten gattungsgemäßen Spinnvliesstoff anzugeben, dessen biologisch abbaubare Filamente ohne die Problematik des genannten Temperatureinflusses in konventioneller Weise verspinnbar sind. Auf ein Bindemittel soll bei der Verfestigung des Vliesstoffs verzichtet werden können, ferner sollen die Filamente einfärbbar und hydrophil sein.
- Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Spinnvliesstoff aus thermoplastischen Endlosfilamenten gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs, ergänzt durch dessen kennzeichnende Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen und das Herstellungsverfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Allen Lösungsvarianten ist gemeinsam, daß das die Filamente bildende Polymer zu mindestens 50 Gew.-% aus Polycaprolacton mit einem mittleren Molekulargewicht von 35000 bis 70000 besteht und daß die Verschweißung der Filamente an ihrem Kreuzungspunkt autogen, d.h. allein durch deren thermoplastische, klebrige Eigenschaften während der Ablage aufeinander, realisiert ist.
- Die biologische Abbaubarkeit von Polycaprolacton ist seit langem bekannt, jedoch wurde dieser Werkstoff bisher nur zur Herstellung von chirurgischem Nahtmaterial, also relativ groben Garnen, verwendet, wobei ein erschmolzener Faden in Wasser abgeschreckt wurde. Dieses Verfahren hat mit der Technologie des Schmelzspinnens nichts gemein.
- Die genannte Polycaprolacton-Type ist überraschenderweise an konventionellen Schmelzspinn-Vorrichtungen verarbeitbar zu endlosen Polymerfäden, wobei die Verfahrensschritte des Aufschmelzens, des Pumpens zu den Düsen, des Verstreckens und Abkühlens durch temperierte Luft sowie des Ablegens der fertigen Filamente im Rahmen handwerklichen Könnens auf die thermischen Eigenschaften des Polymers abgestimmt werden. Es kann jedoch in jedem Falle eine konventionelle Schmelzspinnanlage verwendet werden. Wesentlich ist, daß beim Herstellungsverfahren, nach dem Ablegen, bereits ein fertiger, verfestigter Spinnvliesstoff vorliegt, d.h., es braucht kein nachträglicher Verfestigungsschritt, zum Beispiel durch Prägewalzen oder dergleichen, zu erfolgen. Durch einfache Optimierung der Schmelztemperatur und der Verstreckungsluft-Temperatur kann erreicht werden, daß zum Zeitpunkt des Ablegens der frischgesponnenen Filamente das Polymer sich noch im Zustand nicht abgeschlossener Kristallisation befindet, was zusammen mit der noch genügend hohen Oberflächentemperatur der Filamente zu einer solchen Klebrigkeit führt, daß eine thermoplastische Verschweißung an den Filament-Kreuzungspunkten von selbst auftritt.
- Dies ist deshalb überraschend, weil bei üblichen thermoplastischen Fasern, wie z.B. Polypropylen, Polyethylen, Polyamid oder Polyester, stets ein Verfestigen durch nachträgliches Erhitzen und Prägen notwendig ist; nur das oben spezifizierte Polycaprolacton in einem Mengenanteil von mindestens 50 Gew.-% im filamentbildenden Polymeren erlaubt den Verzicht auf eine nachträgliche thermische Verfestigung.
- Die Lösung der gestellten Aufgabe sowie den ebengenannten Vorteil erreicht man in einfacher Weise dadurch, daß das Filamentmaterial aus dem genannten Polycaprolacton besteht. Es ist leicht verspinnbar zu einem Endlosfilament bei 150 bis 220 °c, wobei keine Zersetzung eintritt; ferner ist dieser Werkstoff nach dem Ausspinnen aus den Düsen verstreckbar, eine Eigenschaft, die andere biologisch abbaubare Polymere nicht besitzen.
- Die Grenzen des Molekulargewichts sind dadurch gegeben, daß bei kleineren Werten die Masse zu wachsartig ist, um noch verspinnbar zu sein, und bei Molekulargewichten über 70 000 der Werkstoff spröde wird.
- Eine weitere Verbesserung des Spinnverhaltens und des sich Selbstverfestigens während der Ablage wird erreicht, in dem man anstelle des reinen Polycaprolactons dieses in Abmischung mit anderen thermoplastischen Polymeren verarbeitet. Man wird dabei zweikomponentigen Polymermischungen den Vorzug geben, wobei das Polycaprolacton zu mindestens 50 %, auf das Gesamtgewicht bezogen, vorhanden sein muß. Biologisch vollständig abbaubare Zweikomponenten-Systeme im obigen Sinne sind solche, die als zweite Polymerkomponente Polyhydroxybutyrat, Polyhydroxybutyrathydroxyvalerat-Copolymer, ein Polylactid oder Polyesterurethan enthalten. Die Werkstoffe dieser zweiten Komponenten sind zwar biologisch abbaubar, jedoch nicht oder nur mit großem technischen Aufwand als reiner Stoff verspinnbar. Erst die Kombination mit Polycaprolacton macht die Masse für konventionelle Schmelzspinnverfahren geeignet und löst die in der Aufgabenstellung genannten Anforderungen.
- Weiterhin wurde überraschend gefunden, daß konventionelle, spinnbare Polymere, wie Polyethylen, Polypropylen, Polyamid oder Polyester, in Mischung mit Polycaprolacton nach dem Verspinnen selbstverfestigend sind.
- Auch diese Werkstoffkombination löst damit die gestellte Aufgabe vollständig, insbesondere auch im Hinblick auf die Abbaubarkeit, da das entstehende Polymerengemisch sich überraschenderweise als zum größten Teil biologisch abbaubar erweist, im Gegensatz zu den reinen Polyolefinen, Polyamiden oder Polyestern, die in dieser Hinsicht ein inertes Verhalten zeigen.
- Alle genannten Polymermischungen sowie das reine Polycaprolacton sind leicht anfärbbar, besitzen eine Dehnbarkeit von mindestens 50 % und vermitteln dem Spinnvliesstoff einen textilen Charakter.
- Es ist möglich, die Flächengewichte des fertigen Spinnvliesstoffs nach Wunsch von 10 bis 120 g/m zu variieren.
- Weitere Vorteile sind eine permanente Hydrophilie und dadurch ein antistatisches Verhalten.
- Als Anwendungsgebiete sind neben Hygiene und Medizin möglich: Abdeckvliese für Gartenbau und Landwirtschaft; haftvermittelndes Klebevlies und Adhäsiv zwischen polaren und unpolaren Polymeren, z.B. zwischen Polyethylen und Polypropylen oder Polyester und Polyamid; aufbügelbare Einlagevliesstoffe im Oberbekleidungsbereich wegen der anisotropen Dehnungseigenschaft; technische Anwendungen, in denen permanent hydrophile Eigenschaften oder antistatische Eigenschaften gefordert sind, z.B. Filtermaterialien.
- Polycaprolacton mit einem Schmelzpunkt um 60°C sowie einem MFI-Wert (melt flow index) von 10 g/10 min bei 130°C/2,16 kg wird bei einer Extrudertemperatur von 185°C aufgeschmolzen. Die Massetemperatur der Polymerschmelze beträgt 203°C. Die zur Verstreckung der aus den Spinndüsen austretenden Polymerschmelze benötigte Luft hat eine Temperatur von 50°C.
- Die verstreckten Endlosfilamente werden auf einem Siebband aufgefangen und ohne weitere Verfestigung aufgewickelt. Das Flächengewicht des Polycaprolacton-Spinnvliesstoffs beträgt 22 g/m.
- Eine Polymermischung aus 90 % Polycaprolacton und 10 % Polyhydroxybutyrat-Hydroxyvalerat-Copolymer mit einem MFI-Wert von 34 g/10 min bei 190°C/2,16 kg wird bei 182°C aufgeschmolzen. Die aus den Spinndüsen austretende Polymerschmelze wird mit Luft vertreckt, deren Temperatur um 40°C liegt. Die verstreckten Endlosfilamente werden auf einem Transportband aufgefangen und der Vliesstoff ohne weitere Verfestigung aufgewickelt. Das Flächengewicht des Vliesstoffs beträgt 23 g/m.
- Eine Polymermischung aus 75 % Polycaprolacton und 25 % Polyethylen wird unter den gleichen Bedingungen, wie in Beispiel 2 beschrieben, zu einem Spinnvliesstoff verarbeitet.
- Alle Spinnvliesstoffe der Beispiele 1 bis 3 eignen sich für Anwendungen in Hygieneprodukten, z.B. als Windelabdeckvliese, in der Landwirtschaft als Mulchfolie, als Klebevlies für die Herstellung von textilen Laminaten oder für technische Anwendungen, wie z.B. Filtermaterialien.
Claims (5)
- Spinnvliesstoff aus thermoplastischen Endlosfilamenten, welcher zu mindestens 50 Gew.-% aus biologisch abbaubarem Polymer besteht und dessen Filamente an ihren Kreuzungspunkten miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das biologisch abbaubare Polymer aus Polycaprolacton mit einem mittleren Molekulargewicht von 35000 bis 70000 besteht und daß die Verschweißung der Filamente an ihren Kreuzungspunkten allein durch die Thermoplastizität des Filamentpolymers, ohne Vorhandensein eines zusätzlichen Bindemittels, realisiert ist.
- Spinnvliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlosfilamente zur Gänze aus Polycaprolacton bestehen.
- Spinnvliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlosfilamente aus einer zweikomponentigen Polymerenmischung bestehen, wobei die eine Komponente das Polycaprolacton, die andere biologisch abbaubares Polyhydroxybutyrat, Polyhydroxybutyrat-hydroxyvalerat-Copolymer, ein Polylactid oder ein Polyesterurethan ist.
- Spinnvliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlosfilamente aus einer zweikomponentigen Polymermischung bestehen, deren eine Komponente das Polycaprolacton, deren andere Komponente Polyethylen, Polypropylen, Polyamid oder ein Polyester ist.
- Verfahren zur Herstellung eines Spinnvliesstoffs nach Anspruch 1 bis 4, wobei das verwendete polymere Material oder die Materialmischung aufgeschmolzen, mittels Pumpen den Düsen zugeführt, durch die Düsen versponnen, durch temperierte Luft verstreckt und abgekühlt sowie als Filamente zu einem Spinnvlies abgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man ein polymeres Material oder eine Materialmischung aufschmilzt, welche mindestens 50 Gew.-% biologisch abbaubares Polycaprolacton mit einem mittleren Molekulargewicht von 35000 bis 70000 enthält, und daß man die Schmelztemperatur sowie die Verstreckungsluft-Temperatur so einstellt, daß die Filamente zum Zeitpunkt des Ablegens noch eine solch hohe Oberflächentemperatur und damit Klebrigkeit aufweisen, daß eine thermoplastische Verschweißung an den Filament-Kreuzungspunkten von selbst eintritt, ohne daß nach dem Ablegen ein zusätzlicher Verfestigungsschritt erfolgt.
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