EP1896635B1 - Verfahren zur herstellung von vliesstoffen - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen, bei dem eine Lösung von Cellulosecarbamat in N-Methylmorpholin-N-Oxid durch die Löcher eines Düsenbalkens gedrückt wird und durch einen Luftstrom um ein Vielfaches verstreckt wird. Der gebildete Faservorhang wird auf einem perforierten Transportband abgelegt, gewaschen und getrocknet.
- Nonwovens sind textile Flächengebilde, bei denen die Flächenbildung nicht durch Weben oder Stricken, sondern durch Verhakelung der Fasern mit anschließender Fixierung erfolgt. Wegen der vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten und der im Vergleich zu gestrickten und gewebten Flächengebilden vergleichsweise niedrigen Produktionskosten weisen Nonwovens nach wie vor hohe jährliche Wachstumsraten auf.
- Die Vorteile dieser Vliesmaterialien liegen in einer hohen Feuchtigkeitsaufnahme, die Herstellungsverfahren erlauben eine hohe Variabilität in Dichte und Dicke sowie führen zu einer weitgehenden Flächenisotropie. Aus diesen vorteilhaften Eigenschaften ergeben sich zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten in der Medizin für Hygieneprodukte, z.B. OP-Abdecktücher, Betttücher, Wundabdeckungen Gaze usw., im Haushalt als Wischtücher aller Art und als Dekorationsvliesstoffe, z.B. Tischdecken, Servietten, in der Bekleidungsindustrie als Einlagevliese sowie auch für technische Anwendungen, z.B. Isoliermatten, Abdeckmatten.
- Prinzipiell ist die Vliesbildung aus Kurzfasern, Stapelfasern oder Endlosfilamenten möglich. Die Florbildung für Schnittfasern erfolgt nach dem Trocken- oder auch Nassvliesverfahren. Bei ersterem werden die in Ballenform angelieferten Stapelfasern mittels Krempel oder Karde zum Vlies gekämmt und auf einem Band abgelegt. Beim Nassvliesverfahren erfolgt die Florbildung durch Auftragen einer Suspension aus Faser und Wasser auf ein perforiertes Siebband mit anschließendem Abpressen des Wassers. Die gebildeten Vliese können dann durch Vernadelung, thermische und/oder chemische Behandlung oder auch mittels Wasserstrahl weiter verfestigt werden.
- Bei der Herstellung von Spinnvliesstoffen erfolgt die direkte Verknüpfung von Spinn- und Vliesbildungsprozess. Sowohl Schmelz- und Trockenspinnverfahren als auch Nassspinnverfahren sind für die Vliesbildung auf Basis von Endlosfasern geeignet. Als Ausgangsmaterial für die Vliesstoffe ist eine Vielzahl von faserbildenden Polymeren bekannt. Vliesstoffe aus Endlosmaterialien werden bevorzugt aus Polyester und Polypropylen (Schmelzspinnen - Meltblown Nonwovens) sowie Polyacrylnitril (Nassspinnen - Spunlaid Nonwovens) hergestellt.
- Viskosefasern, d.h. Celluloseregeneratfasern, werden bevorzugt als Kurz- oder Stapelfasern zur Nonwovenher-stellung eingesetzt. Nonwovens auf Basis von Celluloseregeneratfaser besitzen aufgrund ihres Eigenschaftenpotentials einen erheblichen Marktanteil mit einem erwarteten kontinuierlichen Wachstum.
- Da das Viskoseverfahren, nach dem noch immer der größte Teil der Celluloseregeneratfasern hergestellt wird, mit erheblichen Umweltbelastungen, z.B. Schwefelkohlenstoff, Schwefelwasserstoff, Schwermetalle, und hohen Investitionskosten verbunden ist, werden bereits seit Jahren Anstrengungen unternommen, das Viskoseverfahren durch alternative Verfahren abzulösen. Entwickelt wurden Verfahren auf Basis des direkten Lösens von Zellstoff in einem geeigneten Lösungsmittel bzw. alternative Derivatisierungsvarianten ohne Schwefelkohlenstoff. Diese Aktivitäten erstrecken sich auch auf die Herstellung von Nonwovens aus Cellulose.
- Das sog. "Bemliese"-Verfahren, bei dem Baumwollinters nach dem Cuproammoniumverfahren zu Vlies verformt wird, ist eines der ersten vorgeschlagenen Spinnvliesverfahren zur Herstellung von cellulosischen Nonwovens aus Endlosfilamenten (
US 3,833,438 ). - Die Verformung von Schmelzen synthetischer Polymere durch Extrusion der Schmelze durch feine Düsenlöcher in einen in Faserrichtung strömenden Gasstrom, durch den die Faser abgekühlt und dabei gezogen und auf ein Mehrfaches ihrer Länge verstreckt wird, ist ein seit längerem bekanntes Verfahren zur Nonwoven-Herstellung. Dieser auch als "Schmelzblasen" (meltblown) bezeichnete Prozess ist geeignet für die Herstellung von Mikrofasern. In der europäischen Patentschrift
EP 0 920 548 B1 wird die Anwendung des Schmelzblasens auch für Lösungen von Cellulose in Amin-Oxiden, bevorzugt N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMO), beansprucht. Das Verfahren wird stark durch die Viskosität der Cellulose/NMMO-Lösung beeinflusst, diese wiederum wird durch das Polymer(Cellulose), das Molekulargewicht (DP der Cellulose) sowie die Konzentration bestimmt. - Ein weiteres bekanntes, umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von cellulosischen Fasern und Formkörpern basiert auf dem Ausfällen von Cellulosecarbamat aus einer Lösung dieses Cellulosederivats in Natronlauge (
EP 57 105 EP 178 292 - Die
WO 88/05090 - Aus der
WO 2005/080661 ist ein Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen bekannt, bei dem eine lyotrope Lösung von Cellulosecarbamat in N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMNO) mittels Extrusion durch einen mehrere Öffnungen enthaltenden Düsenbalken über einen Luftspalt in ein Fällbad zu mehreren Endlosfäden versponnen wird, die im Anschluss durch Anströmen mit gasförmigem Medium und/oder Fluid verwirbelt werden. Ebenso betrifft dieWO 2005/080661 derartige Vliesstoffe sowie deren Verwendung. - Nachteilig für die Produktivität aller Cellulose-Nassspinnverfahren, insbesondere auch des NMMO- und des Carbamatverfahrens ist die geringe Feststoffkonzentration der Cellulose in der Spinnlösung, die in der Regel 8 bis 12 % beträgt.
- Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen aus Cellulosecarbamat bereitzustellen, das bei guten Produkteigenschaften den Ansprüchen hinsichtlich geringer Investitions- und Produktionskosten sowie geringer Umweltbelastung genügt.
- Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Schmelzblasverfahren gelöst, bei dem eine Spinnlösung bei erhöhter Temperatur durch einen Düsenblock gepresst wird, die aus den Düsenlöchern austretende Fasern durch einen temperierten Luftstrom gezogen und dabei verstreckt und abgekühlt werden und durch besprühen mit Wasser koaguliert werden. Anschließend werden die Fasern auf einer Transportvorrichtung unter Ausbildung eines Wirrgeleges abgelegt, wobei die Einzelfasern selbstbindend sind. Im Anschluss wird das Lösungsmittel durch Waschen entfernt.
- Besonderes Merkmal des Verfahrens ist es dabei, dass als Spinnlösung eine Lösung von Cellulosecarbamat in N-Methylmorpholin-N-Oxid verwendet wird.
- Lösungen von Cellulosecarbamat in NMMO können vergleichbar zu entsprechenden Cellulose-Lösungen verformt werden. Die Vorteile des Cellulosecarbamats im Vergleich zur Cellulose liegen in einer verbesserten Löslichkeit in NMMO, so dass bei höheren Konzentrationen gearbeitet werden kann. Daraus resultieren eine höhere Durchsatzleistung sowie geringere Kosten bei der Lösungsmittelrückgewinnung.
- Überraschend wurde nun gefunden, dass aus Lösungen von Cellulosecarbamat in NMMO nach dem Schmelzblasverfahren Vliesstoffe mit im Vergleich zu Cellulose höherer Festigkeit und höherer Wasseraufnahme hergestellt werden können, die diese Vliese besonders geeignet machen für den Einsatz in Hygieneartikeln für die Medizin, für Haushaltsartikel aber auch als Dekorationsvliesstoffe.
- Der eingesetzte Düsenblock weist vorzugsweise mindestens 20, bevorzugt 150 bis 1500 und besonders bevorzugt 500 bis 1000 Düsenlöcher pro Meter Düsenbreite auf. Hinsichtlich des Durchmessers der Düsenlöcher sind dabei Durchmesser von 0,05 bis 1 mm und besonders von 0,3 bis 0,5 mm bevorzugt.
- Die Spinnlösungstemperatur bei der Extrusion liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 80 und 130 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 90 bis 110 °C. Dabei beträgt die Spinnlösungsfördermenge zwischen 0,25 bis 2,5, besonders bevorzugt 0,75 bis 1,5 g pro Düsenloch und Minute.
- Der für das Abziehen der Fasern von der Düse eingesetzte Luftstrom wird vorzugsweise auf 100 bis 190 °C aufgeheizt, besonders bevorzugt soll sich im Düseninneren eine Lufttemperatur von 120 bis 160 °C einstellen. Der durch den Luftstrom im Düseninneren erzeugte Druck liegt bevorzugt bei 3 bis 150 MPa (0,03 bis 1,5 bar), besonders bevorzugt zwischen 15 und 80 MPa (0,15 und 0,8 bar).
- Die Düsenaustrittsgeschwindigkeit beträgt bevorzugt 1 bis 20 m/min, besonders bevorzugt jedoch 3 bis 10 m/min. Durch den anliegenden Heißluftstrom werden die extrudierten Fäden vorzugsweise auf das 50- bis 800-fache ihrer Länge nach dem Düsenaustritt verstreckt, was zu Spinngeschwindigkeiten von bis zu 10000 m/min führt.
- Einzelfaserdurchmesser deutlich kleiner 10 µm und Einzelfasertiter kleiner 1 dtex können durch die entsprechende Einstellung der Verstreckungsbedingungen erreicht werden.
- Mindestens 10 cm unterhalb der Düse wird der sich bildende Faserflor mit Wasser oder mit einem NMMO/Wassergemisch mit einem NMMO-Gehalt von vorzugsweise höchstens 20 %, bevorzugt 5 bis 15 %, besprüht und so koaguliert.
- Der Faserflor wird mit hoher Geschwindigkeit auf einem perforierten Band abgelegt, dadurch kommt es zum Verhaken der Faser und es wird ein Vlies gebildet, das so gute mechanische Eigenschaften besitzt, dass die nachfolgenden Operationen wie Waschen mit einem unter hohem Druck stehenden Wasserstrahl, Abpressen und Trocknen ohne zusätzliche Verfestigung des Vlieses durchgeführt werden können.
- In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens enthält die Spinnlösung von 5 bis 20 Gew.-% Cellulosecarbamat. Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Spinnlösung 20 bis 30 Gew.-% Cellulosecarbamat enthält. In letzterem Fall erhält man so eine Lösung von Cellulosecarbamat in NMMO, die überraschenderweise ein lyotropes Verhalten aufweist, d.h. das Cellulosecarbamat liegt in einem flüssigkristallinen Zustand vor. Hieraus ergibt sich dann die besonders vorteilhafte Anwendung, dass die Moleküle beim Verspinnen infolge der Scherung im Düsenkanal nahezu perfekt in Faserrichtung ausgerichtet werden, wodurch die Fasern eine außerordentlich hohe Orientierung und damit eine sehr hohe Festigkeit besitzen.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann so ein Cellulosecarbamatvliesstoff aus einem Wirrgelege aus Endlosfäden bzw. aus durch Reißen von Einzelkapillaren entstehenden Fasern mit endlicher Länge bereitgestellt werden.
- Die nach dem beanspruchten Verfahren hergestellten Vliesstoffe besitzen vorzugsweise Flächengewichte zwischen 20 und 500 g/m2 haben bevorzugt ein Wasserrückhaltevermögen von mindestens 180 % und nach dem Konditionieren Festigkeiten in Längsrichtung von mindestens 350 N/m und in Querrichtung von mindestens 120 N/m bei einem Flächengewicht von 33 g/m2.
- Verwendung finden die erfindungsgemäßen Vliesstoffe vorzugsweise in der Medizin, insbesondere als Operationsabdecktücher, Betttücher, Wundabdeckungen, Gaze oder Wattepads. Ebenso sind die Vliesstoffe auch als Hygienestoffe oder als Wischtücher im Haushalt einsetzbar. Ein weiteres Anwendungsfeld der erfindungsgemäßen Vliesstoffe sind Dekorationsvliesstoffe, insbesondere Tischdecken, Servietten oder Vorhänge sowie Einlagevliese in der Bekleidungsindustrie.
- Wird das Cellulosecarbamat in einer Menge eingesetzt, die eine lyotrope Lösung wie oben beschrieben ermöglicht, ist es ebenso möglich, die erfindungsgemäßen Vliesstoffe als Verstärkungsmaterial einzusetzen.
- Anhand der nachfolgenden Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hierin beschriebenen Ausführungsvarianten zu beschränken.
- 180 g Cellulosecarbamat (DP-Cuen 453) werden in einem Kneter mit 2430 g einer 50%igen wässrigen NMMO-Lösung versetzt, diese Lösung durch Abdestillieren von Wasser bei einem Vakuum von 8MPa (80 mbar) bis zum NMMO-Monohydrat aufkonzentriert und dabei das Cellulosecarbamat aufgelöst. Die gebildete Spinnlösung hat einen Cellulosecarbamatgehalt von 12 %. Die Spinnlösung mit einer Temperatur von 90 °C wird über ein 50 µm Filter filtriert und mittels Spinnpumpe durch eine 15 cm breite Düse mit 60 Düsenlöchern vom Durchmesser 0,48 mm mit einer Fördermenge von 0,9 g/Loch/min gedrückt. Die aus den Düsenlöchern mit einer Geschwindigkeit von 4 m/min austretenden Fasern werden durch vorbeiströmende auf 125 °C erwärmte Luft auf das 459fache ihrer Länge verstreckt, mit einem Gemisch aus 7,5 % NMMO/92,5% Wasser ca. 20 cm unterhalb der Düse besprüht und auf einem Förderband mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min abgelegt, Das gebildete Vlies wird mit einem scharfen Wasserstrahl gewaschen, abgequetscht und unter Spannung bei Zulassung eines Schrumpfes von 12 % getrocknet.
- Vliesparameter:
- Flächengewicht: 36 g/m2
- Festigkeit längs (konditioniert): 356 N/m
- Festigkeit quer (konditioniert): 120 N/m
- Wasserrückhaltevermögen (DIN 53814): 192%
- 150 g PHK-Zellstoff (DP-Cuen 840) werden in einem Kneter mit 1945 g einer 50%igen wässrigen NMMO-Lösung versetzt, diese Lösung durch Abdestillieren von Wasser bei einem Vakuum von 8 MPa (80 mbar) bis zum NMMO-Mono-hydrat aufkonzentriert und dabei der Zellstoff aufgelöst. Die gebildete Spinnlösung hat einen Cellulosegehalt von 8 %. Die Spinnlösung mit einer Temperatur von 90 °C wird über ein 50 µm Filter filtriert und mittels Spinnpumpe durch eine 15 cm breite Düse mit 60 Düsenlöchern vom Durchmesser 0,48 mm mit einer Fördermenge von 0,9 g/Loch/min gedrückt. Die aus den Düsenlöchern mit einer Geschwindigkeit von 4 m/min austretenden Fasern werden durch vorbeiströmende auf 125 °C erwärmte Luft auf das 459fache ihrer Länge verstreckt, mit einem Gemisch aus 7,5 % NMMO/92,5 % Wasser ca. 20 cm unterhalb der Düse besprüht und auf einem Förderband mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min abgelegt. Das gebildete Vlies wird mit einem scharfen Wasserstrahl gewaschen, abgequetscht und unter Spannung bei Zulassung eines Schrumpfes von 12 % getrocknet.
- Das gebildete Vlies aus Regeneratcellulose hatte folgende Parameter:
- Flächengewicht: 37 g/m2
- Festigkeit längs (konditioniert): 133 N/m
- Festigkeit quer (konditioniert): 45 N/m
- Wasserrückhaltevermögen (DIN 53814): 145 %
Claims (19)
- Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen nach dem Schmelzblasverfahren, bei dem- eine Spinnlösung bei erhöhter Temperatur durch einen Düsenblock gepresst wird,- die aus dem Düsenblock austretenden Fasern mit einem temperierten Luftstrom angeströmt werden, wobei es zu einer Verstreckung der Fasern mit anschließender Abkühlung kommt,- die Fäden durch Besprühen mit Wasser koaguliert werden,- die Fasern auf einer Transportvorrichtung unter Ausbildung eines Wirrgeleges abgelegt werden und- das Lösungsmittel durch Waschen entfernt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Spinnlösung eine Lösung von Cellulosecarbamat in N-Methylmorpholin-N-Oxid verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenblock mindestens 20, insbesondere von 150 bis 1500 Düsenlöcher pro Meter aufweist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Düsenlöcher von 0,05 bis 1 mm beträgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnlösungstemperatur in der Düse 80 bis 130 °C beträgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnlösungsfördermenge von 0,25 bis 1,5 g pro Düsenloch und Minute beträgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom eine Temperatur von 100 bis 190 °C aufweist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass durch den Luftstrom in der Düse ein Druck von 3 bis 150 MPa (0,03 bis 1,5 bar) eingestellt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsgeschwindigkeit der Fasern von 1 bis 20 m/min beträgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden durch den Luftstrom um den Faktor 50 bis 800 verstreckt werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spinngeschwindigkeit im Bereich von 150 bis 10000 m/min liegt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen Durchmesser von maximal 20 µm aufweisen. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Feinheit von maximal 2,5 dtex aufweisen. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mindestens 10 cm unterhalb der Düse mit Wasser oder einem Gemisch aus N-Methylmorpholin-N-Oxid und Wasser besprüht werden. - Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch von 0,5 bis 20 Gew.-% N-Methylmorpholin-N-Oxid enthält. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern auf einem perforierten Transportband abgelegt werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Waschen durch einen Wasserstrahl mit hohem Druck erfolgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff nach dem Waschen abgepresst und/oder getrocknet wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnlösung von 5 bis 20 Gew.-% Cellulosecarbamat enthält. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnlösung 20 bis 30 Gew.-% Cellulosecarbamat enthält.
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