EP0885321B1 - Melt-blown-vlies, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Melt-blown-Vlies auf der Basis von Celluloseestern, insbesondere von Celluloseacetat. mit Fasern eines mittleren Faserdurchmessers von weniger als etwa 10 µm, ein zu dessen Herstellung besonders geeignetes Verfahren sowie vorteilhafte Verwendungen des Melt-blown-Vlieses.

Melt-blown-Vliese folgen der ISO-Definition für Vliesstoffe (ISO 9092:1988). Danach wird ein Material als Vliesstoff bezeichnet, wenn a) der Faseranteil mehr als 50% Gewichtsanteil (ausgenommen chemisch aufgeschlossene Pflanzenfasern) beträgt und die Fasern einen Schlankheitsgrad von größer 300 haben oder b) folgende Bedingungen erfüllt sind: 1) der Faseranteil beträgt mehr als 30% Gewichtsanteil (ausgenommen chemisch aufgeschlossene Pflanzenfasern) und die Fasern haben einen Schlankheitsgrad von größer als 300 und 2) die Dichte ist kleiner als 0,40 g/cm³.

Dieser ISO-Vorschrift folgen auch die nachfolgend näher erläuterten Vliese, wobei diese nach dem Melt-blown-Verfahren bzw. einer Schmelzblas-Technik hergestellt werden. Das Melt-blown-Verfahren läßt sich, ohne hierin eine Einschränkung sehen zu wollen, wie folgt darstellen; d.h., die Melt-blown-Filamente, -Fasern und -Vliese werden allgemein wie folgt erzeugt:

Der jeweilige Kunststoff wird in einen Extruder gegeben, in dem er aufgeschmolzen wird. Vom Extruder gelangt die Schmelze in den Spinnkopf, der die Melt-blown-Düse beinhaltet, die zentraler Bestandteil des Verfahrens ist. Hier wird die Schmelze auf die erforderliche Verarbeitungstemperatur gebracht. Die Düse selbst enthält eine Reihe von Kapillarbohrungen. Auf beiden Seiten der Düsenbohrungen befinden sich Öffnungen für die unter Druck stehende Primärprozeßluft. Unterhalb der Düse ist eine Ablegevorrichtung in Form eines angetriebenen Siebbandes oder einer Siebtrommel angeordnet, durch welche die Fasern angesaugt und zu einem Vlies abgelegt werden.

Beim Austritt der Schmelze aus den Düsenbohrungen kommt diese mit sich entspannender heißer Primärprozeßluft mit hoher Geschwindigkeit in Kontakt. Hierbei wird die Schmelze jeder Kapillarbohrung zerrissen und zu einer großen Anzahl von feinen Fasern verstreckt. Bei diesem Prozeß reißen die Filamente vorwiegend zu Fasern ab. Dies steht im Gegensatz zu anderen Spinnvliesprozessen, bei denen ein Faserbruch verhindert werden muß. Durch den Primärprozeßluftstrom wird kalte Umgebungsluft, welche als Sekundärluft bezeichnet wird, angesaugt und an die sich bildenden Fasern und Filamente geleitet. Die erzeugten Filamente und Fasern werden somit unmittelbar unter der Düse abgekühlt. Nachfolgend werden die Fasern auf der oben erwähnten Ablegevorrichtung zu einem Vlies abgelegt und aufgewickelt. Eine Schmelzbindung zwischen den Fasern findet regelmäßig nicht statt. Die Faserlängen liegen in der Regel in der Größenordnung von 5 bis 50 cm. Der Faserdurchmesser ist sehr klein und liegt beispielsweise im Zusammenhang mit der nachfolgend geschilderten Erfindung unter etwa 10µm.

Weitergehende Informationen zum Melt-blown-Verfahren ergeben sich aus der US-PS 3 825 379 (der Exxon Research and Ingeneering Co.) sowie der US-PS 4 714 647 (der Kimberly Clark Corp.).

Auch die US-PS 4 869 275 spricht das Melt-blown-Verfahren zur Herstellung eines Vlieses aus verschiedenen Ausgangsmaterialien an. Als geeignete Ausgangsmaterialien werden Polyolefine (Polypropylen, Polyethylen und Ethylen/Propylen-Copolymere), Polystyrol, Polyester (Polyethylenterephthalat), Nylon (6, 66 und 610), Polymethylenmethacrylate und allgemein auch Celluloseacetat genannt. Aussagen darüber, welchen Substitutionsgrad dieses Celluloseacetat besitzt, wenn es in dem beschriebenen Verfahren eingesetzt wird, finden sich in dieser Patentschrift nicht. Schon der ungewöhnliche Hinweis, daß sogar Celluloseacetat geeignet sei ("even cellulose acetate" / sh. Sp. 5, Abs. 1), deutet darauf hin, daß dieses nur bedingt geeignet ist. Dies steht auch mit den fachmännischen Erkenntnissen in Übereinstimmung, daß das enge Temperaturintervall zwischen Schmelztemperatur und Zersetzungsbereich die Überführung der Celluloseester in verarbeitbare Schmelzen, z.B. beim Cellulosetriacetat, weitgehend ausschließt und bei niedriger schmelzenden Celluloseacetopropionaten noch immer mit beginnender Produktschädigung verbunden ist (vgl. Kunststoffhandbuch 3/1 Hansa-Verlag, 1992, S. 411). Sollte tatsächlich Celluloseacetat zu einem Melt-blown-Vlies bei einer zugrunde zu legenden hohen "Schmelztemperatur" verarbeitet werden, dann wäre damit ein unerwünschter starker Abbau verbunden. Die Abbauprodukte würden bei verschiedenen Verwendungen sehr nachteilig wirken, so insbesondere auch beim Einsatz als Filtermaterialien in Tabakrauchfiltern. Dieser Verwendungszweck wird gerade in der US-PS 4 869 275 herausgestellt. Allerdings wird bei der Beschreibung der besonders praktischen Ausführungsformen Celluloseacetat nicht in Betracht gezogen. Aufgrund der Zersetzung von Celluloseacetat, die nach dem bekannten Verfahren zu erwarten ist, würde die Qualität des erhaltenen Melt-blown-Vlieses auch insofern verschlechtert, als sich kein befriedigender Weißgrad einstellt. Im Hinblick auf die Zersetzung von Celluloseacetaten bei höheren Temperaturen sei bemerkt, daß ab 180°C eine merkliche chemische Zersetzung eintritt, die durch u.a. Bildung von Furfural erkennbar wird.

Nach Beispiel 5 der US-PS 3 509 009 wird ein Teil Celluloseacetat und ein Teil Diethylphthalat (als Weichmacher) bei einer Temperatur von 170°C schmelzversponnen. Hierdurch wird zwar ein Zersetzen des eingesetzten Celluloseesters weitgehend ausgeschlossen, jedoch werden die Produkteigenschaften unerwünschterweise vom Weichmacher dominiert. Ein derartig hoher Weichmachergehalt grenzt die Verwendungseigenschaften dahingehend ein, daß sich ein zu niedriger Schmelzpunkt einstellt sowie Weichmachermigration bzw. -ausschwitzen und -ausdünsten auftreten können.

Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Melt-blown-Vlies der eingangs bezeichneten Art so weiterzubilden, daß es bis zu einer Temperatur von etwa 180°C nicht thermoplastisch ist, einen wünschenswert hohen Reflexionsfaktor bzw. Weißgrad aufweist und, wenn gewünscht, sich zu vorteilhaften Filtermaterialien, insbesondere zu Filtermaterialien von Zigaretten und zur Filtration von Gasen oder Flüssigkeiten, insbesondere von Blut, einsetzen läßt. Darüber hinaus schlägt die Erfindung ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Melt-blown-Vlieses vor.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß es etwa 0 bis 10 Masse-% eines extrahierbaren Weichmachers enthält, einen Reflexionsfaktor (R∞), bestimmt nach DIN 53 145 Teil 1 (1992), von mehr als etwa 60% und der Celluloseester einen Substitutionsgrad DS von etwa 1,5 bis 3,0 aufweist.

Die Erfindung liefert somit Zugang zu Melt-blown-Vliesen aus Celluloseester, die wenig oder sogar keinen Weichmacher enthalten, was bisher nicht für möglich gehalten werden konnte.

Das erfindungsgemäße Melt-blown-Vlies enthält Fasern aus Celluloseestern. Dabei kann es sich beispielsweise um Celluloseacetat, -acetobutyrat, -acetopropionat und -propionat und dergleichen handeln. Bevorzugt wird Celluloseacetat.

Der Substitutionsgrad DS der erfindungsgemäß eingesetzten Celluloseester liegt zwischen etwa 1,5 bis 3,0, insbesondere zwischen etwa 1,7 bis 2,7, wobei der Bereich von etwa 2,2 bis 2,6 ganz besonders bevorzugt wird. Wird der Wert von 1,5 unterschritten, dann ist eine Schädigung des Polymergerüstes durch Dehydratisierung zu befürchten. Zwar läßt sich der angestrebte Erfolg auch mit einem Substitutionsgrad von etwa 3,0 erreichen, jedoch kann bei diesem Wert bereits eine unerwünschte Kristallisation und Phasenseparation eintreten. Diesen unerwünschten Nachteilen kann zwar mit einem höheren Gehalt an extrahierbarem Weichmacher von bis zu etwa 10 Masse-% begegnet werden. Wird jedoch ein niedrigerer Weichmachergehalt angestrebt, dann ist es vorteilhaft, gleichzeitig den Substitutionsgrad DS auf mindestens etwa 2,7, insbesondere mindestens etwa 2,6 zu senken.

Trotz des ungewöhnlich guten Weißgrades, auf den noch eingegangen wird, enthält das erfindungsgemäße Melt-blown-Vlies lediglich bis zu etwa 10 Masse-%, insbesondere etwa 2 bis 8 Masse-%, eines extrahierbaren Weichmachers, insbesondere in Form eines wasserextrahierbaren Weichmachers. Die Erfindung trägt damit den relevanten Verwendungszwecken Rechnung, bei denen der Weichmacheranteil nicht zu hoch sein darf, da das Produkt andernfalls unerwünschterweise durch den Weichmacher dominiert wird. Vielmehr sollen die Produkteigenschaften weitgehend auf den Celluloseester zurückgehen. Die genaue Einstellung des Weichmachergehaltes innerhalb des angegebenen Rahmens von etwa 0 bis 10 Masse-% richtet sich nach dem jeweiligen Verwendungszweck des Vlieses. Demzufolge bleibt es dem Fachmann überlassen, hier im Einzelfall den Weichmacheranteil quantitativ im erfindungsgemäßen Rahmen zu optimieren. So hat es sich bei der Verwendung des Melt-blown-Vlieses in Filterzigaretten als wünschenswert erwiesen, einen Weichmachergehalt von etwa 5 bis 10 Masse-% einzustellen, insbesondere wenn als Weichmacher Triacetin herangezogen wird. So ist es bekannt, daß Triacetin den Geschmack des Tabakrauchs und die spezifischen Retentionen von Celluloseacetat positiv beeinflußt. Ein über 10 Masse-% hinausgehender Weichmachergehalt würde die Verwendungeigenschaften dahingehend eingrenzen, daß sich ein zu niedriger Schmelzpunkt einstellt sowie Weichmachermigration bzw. -ausschwitzen und -ausdünsten und darüber hinaus unerwünschte Verklebungen auftreten können. Ferner würde im Falle der Verwendung in Filterstäben ein hoher Weichmachergehalt einen negativen Einfluß auf die Filterstabhärte haben. Bei Anwendungen, die den lebensmittelrechtlichen Bestimmungen unterliegen, wird der Weichmachergehalt im erfindungsgemäßen Rahmen möglichst niedrig gehalten, insbesondere auf nahe 0 eingestellt. Gleiches gilt für medizinische Anwendungen, wie z.B. in Blutfiltern.

Der im Rahmen der Erfindung eingesetzte Weichmacher muß nicht nur eine Plastifizierungswirkung entfalten. Vielmehr muß der Weichmacher aus dem Melt-blown-Vlies, das nach Abschluß des Herstellungsverfahrens einen über 10 Masse-% liegenden Gehalt an Weichmacher aufweist, so weit mit einem geeigneten Lösungsmittel extrahierbar sein, daß der erfindungsgemäße Rahmen von etwa 0 bis 10 Masse-% eingestellt wird. Dabei sollen die Celluloseester-Fasern in ihrer chemischen und physikalischen Struktur weitgehend unverändert bleiben. Als Weichmacher haben sich als geeignet erwiesen Triacetin, Ethylen- und Propylencarbonat, Zitronensäuretriethylester, Triethylenglykoldiacetat, Carbowax® (Polyethylenglykole eines MW von 200 bis 14000, hergestellt von der Firma UCC, USA) und/oder Sulfolan (Tetrahydrothiophen-1,1-dioxid). Mit besonderem Vorteil wird Triacetin herangezogen, da es sich schnell und effektiv mit Wasser extrahieren läßt.

Der Polymerisationsgrad DP der angesprochenen Celluloseester, insbesondere des Celluloseacetats, ist nicht kritisch und kann in einem relativ weiten Bereich liegen. Es werden jedoch besonders vorteilhafte Ergebnisse erreicht, wenn er zwischen etwa 150 bis 400, insbesondere zwischen etwa 180 bis 350 liegt. Beim Unterschreiten eines Polymerisationsgrades von etwa 150 würde ein zu hoher Anteil an Oligomeren vorliegen, so daß beim Extrahieren des Weichmachers gleichzeitig ein großer Teil des Celluloseesters extrahiert würde. Wird der obere Grenzwert von etwa 400 überschritten, dann wird der Schmelzindex bei dem nachstehend erläuterten Melt-blown-Verfahren zu hoch, wodurch dieses nachteilig beeinflußt werden würde. Dieses Problem könnte sich zwar in Einzelfällen durch Anhebung des Weichmachergehaltes reduzieren, dies würde aber bei der Verwirklichung der Erfindung einen zusätzlichen Aufwand bedeuten, insbesondere im Zusammenhang mit der Entfernung bzw. Rückgewinnung des Weichmachers.

Von kritischer Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung im Hinblick auf die verschiedenen Anwendungsbereiche, in denen das erfindungsgemäße Melt-blown-Vlies eingesetzt werden kann, ein Mindestreflexionsfaktor, auch Weißgrad genannt, des Vlieses. Der Reflexionsfaktor bzw. der Weißgrad wird nach DIN 53 145 Teil 1 (1992) entsprechend ISO 2469 (1977) gemessen. Hierbei wird ein Elrephogerät der Firma Zeiß eingesetzt. Eine in 8 Lagen übereinandergelegte Vliesprobe wird dabei mit einer Ullbrichtkugel diffus belichtet und senkrecht zur Probenebene (Meßgeometrie d/0) bei 457 nm (mittels Spektralbandfilter) gemessen. Bezogen wird hier auf den Bariumsulfat-Weißstandard. Der Reflexionsfaktor bzw. Weißgrad liegt im Rahmen der Erfindung bei mehr als 60% , insbesondere bei mehr als 70% oder sogar bei etwa 90%. Der Weißgrad ist insbesondere ein Maß für die Reinheit des erfindungsgemäßen Erzeugnisses. Wäre dieses nämlich bräunlich bzw. gelblich, dann bedeutet das, daß bei der Herstellung unerwünschte und nicht kontrollierbare Zersetzungsprodukte entstanden sind. Die Abnehmer würden deshalb ein derartiges Produkt im Falle der Verwendung in der Zigarettenindustrie ablehnen. Überraschenderweise kann der Nachteil eines unbefriedigenden Weißgrades auch nicht durch die Einarbeitung von Weißpigmenten, wie Titandioxid, während des Herstellungsverfahrens behoben werden. Er ist demzufolge eine besonders klare Aussage über die chemische Reinheit der Celluloseester-Fasern. Dieser Gesichtspunkt spielt in verschiedenen Bereichen eine herausragende Rolle, so beispielsweise bei dem Einsatz des Vlieses im bio-medizinischen Bereich, insbesondere bei der Blutfiltration.

In Einzelfällen kann es von Vorteil sein, daß das Celluloseacetat in Form eines Polymerblends, insbesondere mit aliphatischen Polyestern und/oder acetylierten Stärken, vorliegt. Hiermit lassen sich nicht nur die gewünschten Eigenschaften optimieren, wie beispielsweise die biologische Abbaubarkeit im Zusammenhang mit aliphatischen Polyestern (vgl. hierzu DE-C-39 14 022), sondern es besteht darüber hinaus die Möglichkeit einer Kosteneinsparung. Dies ergibt sich in einem anderen Anwendungsbereich aus der EP-A- 0 622 407, auf die Bezug genommen wird.

Um die mit der Erfindung gewünschten Effekte zu erzielen, muß der Faserdurchmesser, wie er im allgemeinen nach dem Melt-blown-Verfahren erhalten wird, unter etwa 10 µm liegen, insbesondere zwischen etwa 2 bis 8 µm. Der Standarddurchmesser eines nach dem Trockenspinnverfahren erhaltenen Filaments liegt dagegen im allgemeinen zwischen etwa 15 und 40 µm. Fasern eines kleineren Durchmessers haben den Vorteil, daß sie eine größere spezifische Oberfläche und damit auch eine größere Aktivität in den gewünschten Einsatzgebieten, insbesondere bei der Filtration, liefern. Im Rahmen der Erfindung lassen sich ohne weiteres Fasern eines mittleren Faserdurchmessers von weniger als etwa 8 µm einstellen. Der besonders vorteilhafte praktische Bereich liegt zwischen etwa 5 und 8 µm. Beim Faserdurchmesser handelt es sich um den mittleren Durchmesser. Hier wird eine Anzahl von Faser rasterelektronenmikroskopisch vermessen und dann der Mittelwert gebildet.

Grundsätzlich können der nach dem anschließend beschriebenen erfindungsgemäßen Melt-blown-Verfahren erhaltenen Schmelze, falls gewünscht, Aktivsubstanzen beigefügt werden, wie z.B. Agro-Wirkstoffe, Pharma-Wirkstoffe, selektive und andere Filtrationshilfen, z.B. zur selektiven Retention, Aromastoffe, Zusätze zur biologischen Abbaubarkeit, etc. Sie sind vorzugsweise schmelzverträglich.

Das erfindungsgemäße Melt-blown-Vlies läßt sich vorteilhafterweise dadurch herstellten, daß ein Celluloseester, insbesondere Celluloseacetat, eines Substitutionsgrades DS von etwa 1,5 bis 3,0, insbesondere von etwa 1,7 bis 2,7, mit einem Weichmacher in einem Masse-Verhältnis von etwa 2:1 bis 1:4 unter Erwärmen gemischt und in eine Schmelze überführt wird, wobei die Mischung aus Weichmacher und Celluloseester einen Schmelzindex MFI (210/2.16) nach DIN 53 735 von etwa 400 bis 5 g/10 min, insbesondere 300 bis 50 g/10 min, aufweist, die Schmelze in einer Melt-blown-Spinneinrichtung zu einem Melt-blown-Vlies verarbeitet und anschließend der Weichmacher bis zu einem Anteil von etwa 0 bis 10 Masse-% mit einem Lösungsmittel für den Weichmacher extrahiert wird. Um die Ausgangsmaterialien in eine Schmelze zu überführen, werden diese vorzugsweise auf eine Temperatur von mehr als etwa 100°C erwärmt. Die besonders geeignete Schmelztemperatur hängt vom Einzelfall ab und läßt sich vom Fachmann rein handwerklich ermitteln. Jedoch sollte eine Temperatur von 240°C nicht überschritten werden, da sonst unerwünschte Zersetzungserscheinungen auftreten.

Das erfindungsgemäß erhaltene Melt-blown-Vlies weist, wie gezeigt, einen niedrigen Anteil an extrahierbaren Weichmacher von etwa 0 bis 10 Masse-% auf. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird ein Zersetzen des eingesetzten Celluloseesters weitgehend ausgeschlossen. Dabei ist es nicht erforderlich, zur Vermeidung unerwünschter oxidativer Vorgänge in einer Schutzgasatmosphäre zu arbeiten. Von Vorteil ist es, wenn die Schmelze unmittelbar nach ihrer Herstellung dem Melt-blown-Verfahren unterworfen wird, da andernfalls unerwünschte Abbaureaktionen auftreten können. Somit liegt ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß es kontinuierlich durchgeführt werden kann. So erfolgt das Mischen und das Spinnen vorteilhafterweise in einem einzigen Arbeitsgang, indem die Mischung des Extruders sofort der Melt-blown-Düse zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit in bezug auf die Verfahrensführung eine deutliche Vereinfachung dar.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Melt-blown-Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn das Masse-Verhältnis von Weichmacher zu Celluloseester auf etwa 3:2 bis 2:3, demzufolge bei der praktischen Ausführungsform vorzugsweise auf etwa 1:1, eingestellt wird, was auch der Forderung der US-PS 3 509 009 entspricht. Jedoch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung im Verfahrensablauf von der Lehre nach der US-PS 3 509 009 dadurch, daß sie zwingend den Einsatz eines geeigneten Lösungsmittels für den Weichmacher vorsieht. Demzufolge wird erfindungsgemäß ein Lösungsmittel zur Extraktion des Weichmachers verwendet, das jedoch die chemische und physikalische Struktur der Celluloseester-Fasern nicht beeinträchtigt.

Die Art des Vermischens von Weichmacher und Celluloseester, gegebenenfalls mit weiteren Additiven, unterliegt keinen wesentlichen Beschränkungen. Es hat sich gezeigt, daß das Mischen von Celluloseester und Weichmacher besonders vorteilhaft in einem Zweischneckenextruder durchgeführt wird. Darin erreicht man die zum optimalen Vermischen der Ausgangsmaterialien notwendige Scherung, was zu einer besonders vorteilhaften Homogenisierung der Ausgangsmaterialien führt. Dabei wird es bevorzugt, einen gleichlaufenden Zweischneckenextruder zu verwenden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der Melt-blown-Spinneinrichtung dann besonders vorteilhaft gesteuert, wenn an der Spinndüse und dem Spinnkopf der Spinneinrichtung eine Temperatur von etwa 180 bis 240 °C, insbesondere von etwa 200 bis 230°C, eingestellt wird. Wird der Wert von etwa 180°C unterschritten, dann kann das zu einer nicht ausreichenden Feinheit des Verfahrensprodukts führen. Bei Überschreiten des oberen Grenzwertes von 240°C setzt ein unerwünschter Abbau ein.

Auf die im Rahmen der Erfindung einsetzbaren Weichmacher wurde vorstehend bereits eingegangen, insbesondere auf den vorteilhaften Einsatz des wasserextrahierbaren Weichmachers in Form von Triacetin. Im Falle eines wasserextrahierbaren Weichmachers wird dabei das erhaltene Melt-blown-Vlies zur Extraktion des Weichmachers einfach in ein Wasserbad geleitet. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich hier mit dem besonderen Vorteil ausführen, daß ein normales Wasserbad (etwa Raumtemperatur), d.h. ohne Aufheizen, zur Extraktion herangezogen werden kann. Bei hohem Weichmachergehalt ist die Anwendung eines heißen Extrahierbades sogar von Nachteil, da das Melt-blown-Vlies dann einen solchen Schmelzbereich aufweist, daß dessen Struktur beeinträchtigt bzw. sogar zerstört wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das die Melt-blown-Spinneinrichtung verlassende Vlies auf eine Ablagevorrichtung, insbesondere in Form eines Siebs bzw. Siebbandes oder einer Siebtrommel, überführt, zur Einstellung der gewünschten Stärke gepreßt und dann der Weichmacher extrahiert wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Extraktion vor dem Verpressen durchzuführen. Wenn gewünscht, kann das Melt-blown-Vlies beim Pressen auch strukturiert werden. Das Strukturieren erfolgt, um die für die spätere Verwendung vorteilhafte Struktur zu erhalten, beispielsweise im Falle der Verwendung in Zigarettenfiltern eine Längsriffelung, verbunden mit einer Oberflächenvergrößerung.

Schließlich kann es in Einzelfällen von Vorteil sein, bei der Ausbildung des Melt-blown-Vlieses gleichzeitg Filamente, insbesondere Celluloseacetat-Filamente, einzubringen.

Hier bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten, die in der DE 35 21 221 detailliert beschrieben sind. Es wird diesbezüglich ausdrücklich auf diese verwiesen. Im allgemeinen führt die Einverleibung von Filamenten zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Zugfestigkeit, des Materials.

Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn das die Spinneinrichtung verlassende Melt-blown-Vlies zur Ausbildung eines Verbundgebildes auf einen Träger, insbesondere in Form eines Vlieses aus einem Celluloseacetat-Filtertow, einem flächig aufbereiteten Filtertow oder aus Papier, abgelegt wird. Im Falle der Verwendung eines Trägervlieses kann der Fachmann, je nach Endverwendungszweck, das jeweils geeignete Vlies problemlos ermitteln. Beispielsweise wäre im Falle der Weiterverwendung des erfindungsgemäßen Melt-blown-Vlieses in Filterzigaretten vorzugsweise von einem Celluloseacetat-Vlies auszugehen. In Frage kommen aber auch beliebige geschlossene Träger, wie beispielsweise das bereits erwähnte Papier. Die jeweils erhaltenen Verbundgebilde können zur Regulierung ihrer Stärke vorteilhafterweise gepreßt und/oder strukturiert werden.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das angestrebte Melt-blown-Vlies hergestellt werden kann, ohne daß es besonderer Zusatzstoffe, wie beispielsweise irgendwelchen Verarbeitungshilfsmitteln, bedarf.

Aufgrund der angesprochenen Eigenschaften eignet sich das erfindungsgemäße Melt-blown-Vlies besonders vorteilhaft als Filtermaterial. Dabei wird das Vlies z.B. in Tabakrauchfiltern, insbesondere in Zigarettenfiltern, und hier besonders in Doppelfiltern für Ultraleichtzigaretten, zur Filtration von Gasen und Flüssigkeiten, wie beispielsweise Sterilfiltration von Getränken sowie ganz besonders vorteilhaft zur Filtration von Blut herangezogen.

Wird das erfindungsgemäße Melt-blown-Vlies in Zigarettenfiltern verwendet, dann sind diese leicht desintegrierbar. Des weiteren führt ein niedriger Substitutionsgrad DS des Celluloseesters, insbesondere des Celluloseacetats, zu einer besonders günstigen biologischen Abbaubarkeit.

Die erfindungsgemäßen Filtermaterialien zeigen nicht nur eine bessere Filterwirkung als die bisher bekannten Materialien, sondern sie erfüllen auch uneingeschränkt die geschmacklichen Anforderungen. Dies gilt insbesondere für Celluloseacetat in Verbindung mit einem Restgehalt an Triacetinweichmacher.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen noch näher erläutert.

Beispiel 1

Celluloseacetat mit einem DP von 220 und einem DS von 2,5 wurde mittels einer gravimetrischen Dosiervorrichtung in die Einfüllöffnung der 1. Zone eines gleichläufigen 2-Schnecken-Laborextruders mit dem Schneckendurchmesser von 25 mm, einer Länge von 48 D und 15 Zonen gegeben. In der 2. Zone wurde Triacetin als Weichmacher im Verhältnis 2:3 (1:1,5) mittels einer Hubkolbenpumpe zugeführt. Die Temperaturen der Zonen betrugen in der 1. und 2. Zone 30 in der 3. 110, in der 4. 150°C. Die Temperaturen der Zonen 5-11 wiesen 150 und die Zonen 12-15 175°C auf. Bei einer Schneckendrehzahl von 150 UPM wurde eine homogene Schmelze erhalten. Die so erhaltene Schmelze wurde über eine Runddüse kontinuierlich in einen Strang überführt und dieser unter die Schmelztemperatur abgekühlt und mit Hilfe eines Stranggranulators in zylindrische Granulate von 2 mm Durchmesser und 3 mm Länge zerkleinert. Das so erhaltene Granulat wurde einer Melt-Blown Labor-Spinneinrichtung, bestehend aus Extruder, Zwischenblock, Schmelzerohr, Spinnkopfdüse, Heißlufteinrichtung, Ablage und Wickler zugeführt. Die Temperaturen im Extruder der Melt-Blown Labor-Spinneinrichtung wurden von 100°C am Eingang auf 170°C am Extruderaustritt gesteigert. Der Zwischenblock und das Schmelzerohr waren auf 200°C eingestellt. Die Temperatur im Spinnkopf betrug 230°C. Die Lufttemperatur betrug 265°C. Die Luftmenge war auf 70 m³/h eingestellt. Bei diesen Verfahrensparametern stellte sich ein Schmelzedruck von 125 bar ein. Der Massedurchsatz betrug 7,7 kg/h. Die mit der Spinneinrichtung erzeugten Fasern wurden auf einem Ablageband abgelegt und kontinuierlich so unter der Spinneinrichtung abgezogen, daß ein Flächengewicht von 132 g/m² erhalten wurde. Mittels einer Aufwickeleinrichtung wurde das Vlies zu einer Rolle aufgewickelt. Die Vliesrolle wurde anschließend einer mit Wasser gefüllten Wascheinrichtung bestehend aus zwei hintereinander geschalteten Trögen zugeführt und der im Vlies enthaltene Weichmacher bis auf einen Restgehalt von 0,3 % ausgewaschen. Das Vlies wurde anschließend mit einer Trocknungsvorrichtung bei 160°C bis auf einen Restfeuchtegehalt von 4,8 % getrocknet. Der mittlere Faserdurchmesser des so erhaltenen Vlieses lag bei 8,4 µm. Der Reflexionsfaktor (R∞) betrug, bezogen auf den Bariumsulfat-Weißstandard, 65 %.

Beispiel 2

Celluloseacetat mit einem DP von 220 und einem DS von 2,5 wurde mittels einer gravimetrischen Dosiervorrichtung in die Einfüllöffnung der 1. Zone eines gleichläufigen 2-Schnecken Laborextruders mit dem Schneckendurchmesser von 25 mm einer Länge von 48 D und 15 Zonen gegeben. In der 3. Zone wurde Triacetin als Weichmacher im Verhältnis 3:2 (1,5:1,0) mittels einer Hubkolbenpumpe zugeführt. Die Temperaturen betrugen in der 1. und 2. Zone 50 in der 3. 100 und in der 4. Zone 120°C. Die Temperaturen der Zonen 5-10 wiesen 140 und die Zonen 11-15 150°C auf. Der Massedurchsatz betrug 3,2 kg/h. Bei einer Schneckendrehzahl von 190 UPM wurde eine homogene Schmelze erhalten. Die so erhaltene Schmelze wurde direkt einer unter Beispiel 1 beschriebenen Labor-Melt-Blown-Spinneinrichtung zugeführt, die jedoch im Unterschied zu Beispiel 1 keinen Extruder mehr benötigte, da das zu verarbeitende Material bereits als Schmelze vorlag. In diesem Falle war die Melt-Blown Spinneinheit direkt dem gleichläufigen 2-Schnecken-Laborextruder nachgeschaltet.Der Zwischenblock und das Schmelzerohr waren auf 170°C eingestellt. Die Temperatur im Spinnkopfdüse betrug 210°C, Lufttemperatur 255°C. Die Luftmenge war auf 60 m³/h eingestellt. Bei diesen Verfahrensparametern stellte sich ein Schmelzedruck lediglich von 73 bar ein. Die mit der Spinneinrichtung erzeugten Fasern wurden auf einem Ablageband abgelegt und kontinuierlich so unter der Spinneinrichtung abgezogen, daß sich ein Flächengewicht von 176 g/m² ergab. Das auf diese Weise erhaltene Vlies wurde direkt in eine wie in Beispiel 1 beschriebene Wascheinrichtung geführt und der im Vlies enthaltene Weichmacher bis auf einen Restgehalt von 5,5 % ausgewaschen. Das Vlies wurde anschließend mit einer Trocknungsvorrichtung bei 150°C bis auf einen Restfeuchtegehalt von 6,3 % getrocknet. Der mittlere Faserdurchmesser des so erhaltenen Vlieses lag bei 5,7µm. Der Reflexionsfaktor (R∞) betrug, bezogen auf den Bariumsulfat-Weißstandard, 74 %.

Claims (27)

1. Melt-blown-Vlies auf der Basis von Celluloseestern, insbesondere von Celluloseacetat, mit Fasern eines mittleren Faserdurchmessers von weniger als etwa 10 µm, dadurch gekennzeichnet, daß es etwa 0 bis 10 Masse-% eines extrahierbaren Weichmachers enthält, einen Reflexionsfaktor (R∞), bestimmt nach DIN 53 145 Teil 1 (1992), von mehr als etwa 60% und der Celluloseester einen Substitutionsgrad DS von etwa 1,5 bis 3,0 aufweist.
2. Melt-blown-Vlies nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weichmacher wasserextrahierbar ist.
3. Melt-blown-Vlies nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Weichmacher in Form von Triacetin, Ethylen- und Propylencarbonat, Zitronensäuretriethylester, Triethylenglykoldiacetat, Polyethylenglykol mit niedrigem Molekulargewicht und/oder Sulfolan vorliegt.
4. Melt-blown-Vlies nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Substitutionsgrad DS etwa 1,7 bis 2,7, insbesondere etwa 2,2 bis 2,6, beträgt.
5. Melt-blown-Vlies nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Celluloseester einen Polymerisationsgrad DP von etwa 150 bis 400, insbesondere etwa 180 bis 350, besitzt.
6. Melt-blown-Vlies nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Weichmacher etwa 2 bis 8 Masse-% beträgt.
7. Melt-blown-Vlies nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsfaktor (R∞) mehr als etwa 70% beträgt.
8. Melt-blown-Vlies nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Celluloseacetat in Form eines Polymerblends, insbesondere mit aliphatischen Polyestern und/oder acetylierten Stärken, vorliegt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Melt-blown-Vlieses nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Celluloseester, insbesondere Celluloseacetat, eines Substitutionsgrades DS von etwa 1,5 bis 3,0, insbesondere von etwa 1,7 bis 2,7, mit einem Weichmacher in einem Masse-Verhältnis von etwa 2:1 bis 1:4 unter Erwärmen gemischt und in eine Schmelze überführt wird, wobei die Mischung aus Weichmacher und Celluloseester einen Schmelzindex MFI (210/2.16) nach DIN 53 735 von etwa 400 bis 5 g/10 min, insbesondere 300 bis 50 g/10 min, aufweist, die Schmelze in einer Melt-blown-Spinneinrichtung zu einem Melt-blown-Vlies verarbeitet und anschließend der Weichmacher bis zu einem Anteil von etwa 0 bis 10 Masse-% mit einem Lösungsmittel für den Weichmacher extrahiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Masse-Verhältnis von Weichmacher zu Celluloseester auf etwa 3:2 bis 2:3 eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur beim Mischen des Weichmachers mit dem Celluloseester auf etwa 140 bis 180°C eingestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur am Spinnkopf und der Düse der Melt-blown-Spinneinrichtung auf etwa 180 bis 240°C, insbesondere etwa 200 bis 230°C, eingestellt wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen von Cellulose und Weichmacher in einem gleichlaufenden Zweischneckenextruder durchgeführt wird.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein wasserextrahierbarer Weichmacher verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erhaltene Melt-blown-Vlies zur Extraktion des Weichmachers in ein Wasserbad geleitet wird.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das die Melt-blown-Spinneinrichtung verlassende Vlies auf eine Ablagevorrichtung überführt, zur Einstellung der gewünschten Stärke gepreßt und dann extrahiert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Melt-blown-Vlies beim Pressen strukturiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Melt-blown-Vlies auf ein Sieb bzw. ein Siebband oder eine Siebstrommel abgelegt wird.
19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausbildung des Melt-blown-Vlieses gleichzeitg Filamente, insbesondere Celluloseacetat-Filamente, eingebracht werden.
20. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Spinneinrichtung verlassende Melt-blown-Vlies zur Ausbildung eines Verbundgebildes auf einen Träger abgelegt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Vlies aus einem Celluloseacetat-Filtertow, einem flächig aufbereiteten Filtertow oder aus Papier ist.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundgebilde zur Regulierung seiner Stärke gepreßt und/oder strukturiert wird.
23. Verwendung eines Melt-blown-Vlieses nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 als Filtermaterial.
24. Verwendung eines Melt-blown-Vlieses nach Anspruch 23 in Tabakrauchfiltern. insbesondere in Zigarettenfiltern.
25. Verwendung eines Melt-blown-Vlieses nach Anspruch 24 in Doppelfiltern für Ultraleichtzigaretten.
26. Verwendung eines Melt-blown-Vlieses nach Anspruch 23 zur Filtration von Gasen oder Flüssigkeiten.
27. Verwendung eines Melt-blown-Vlieses nach Anspruch 26 zur Filtration von Blut.