KR20190127975A - 다수의 결합 기술로 제조된 연속 필라멘트 셀룰로오스 부직포 - Google Patents

다수의 결합 기술로 제조된 연속 필라멘트 셀룰로오스 부직포 Download PDF

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KR20190127975A
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기젤라 골트할름
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Abstract

본 발명은 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트의 부직포 웹의 하나 이상의 층으로 이루어진 부직포 재료로서, 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트를 결합시키기 위해 , 각 층 내에서 a) 수소 결합, b) 필라멘트 인터밍글링 및 c) 병합된 필라멘트 결합의 3가지 결합 메커니즘 각각이 일어나는 것을 특징으로 하는, 부직포 재료에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 재료의 제조 공정 및 다양한 용도에 관한 것이다.

Description

다수의 결합 기술로 제조된 연속 필라멘트 셀룰로오스 부직포
본 발명은 웹 결합(web bonding)의 개질(modification)에 의해 성질이 향상될 수 있는, 본질적으로 연속 필라멘트 셀룰로오스(essentially continuous filament cellulose)의 결합으로부터 형성된 부직포 웹(nonwoven web)에 관한 것이다. 이러한 웹은 하기 공정들의 조합에 의해 결합된다: 초기 웹 형성 이전 및 동안에 필라멘트의 물리적 인터밍글링(physical intermingling), 필라멘트들 간의 수소 결합(웹 건조 동안 발달됨), 및 병합된 필라멘트(merged filament)를 통한 결합(섬유 형성 및 웹 형성 공정 동안 발달됨). 임의적으로, 웹 형성후 단계, 예를 들어, 하이드로인탱글먼트(hydroentanglement), 니들-펀칭(needle-punching), 접착 결합(adhesive bonding) 및/또는 화학적 결합(chemical bonding)이 또한 이용될 수 있다. 수소 결합은 셀룰로오스 섬유와 물을 다룰 때 자연적으로 발생한다. 부직포 웹의 전체 인장 강도 성능에 대한 수소 결합의 기여는 다른 결합 공정의 기여와 비교하여 작다. 병합된 필라멘트의 정도는 웹을 형성하기 위한 필라멘트의 초기 레이다운(laydown) 이전에 및 동안에 공정 조건의 조정에 의해 조절될 수 있다. 라이어셀-기반 기술에 대하여, 초기 압출 후 및 레이다운 전에, 예를 들어, 분무 시스템을 통한, 필라멘트에 응고액을 도포하는 것이 병합된 필라멘트의 정도에 비해 높은 조절 수준을 발휘하기 위해 이용될 수 있다. 다른 결합 공정과 결합하여, 병합된 필라멘트 결합의 조절은 성질이 향상된 부직포 웹을 산출할 것이다. 이러한 향상은 임의의 단일 결합 기술로 생산할 수 없다.
종래 기술
본질적으로 연속 필라멘트 셀룰로오스를 포함하는 부직포 웹에 대한 결합 메커니즘과 성질 관계에 관한 것이 거의 교시되어 있지 않다.
열가소성 섬유를 포함하는 부직포 웹에 관한 교시는 일부 존재한다. 예를 들어, 미국특허 제4,741,941호에서는 물리적 인탱글먼트(physical entanglement) 및 병합된 필라멘트 둘 모두가 멜트블로운(meltblown) 및 스펀본드(spunbond) 폴리올레핀에 존재하는 것이 제시되어 있다. 미국특허 제5,173,356호에서는 일부 강도 또는 무결성(integrity)을 제공하는 것으로서 물리적 인탱글먼트 및 병합된 또는 융합된 필라멘트 둘 모두가 언급되어 있다.
그러나, 열가소성 물질이 아닌, 셀룰로오스 필라멘트의 특징으로서 병합(merging)이 예상되지는 않는다.
수소 결합은 페이퍼 및 부직포 공정 및 제품 둘 모두에서 사용되는, 셀룰로오스 섬유에 대한 널리 공지된 결합 기술이다. 예를 들어, 미국특허 제6,485,667호에는 오로지 수소 결합에 의해 결합된 부직포 웹을 생산하기 위해 상승된 온도에서 에어레이드 펄프(airlaid pulp)를 압축시키는 것의 이용이 교시되어 있다. 미국특허 제9,309,627호에는 수소 결합된 구조에서 목재 펄프 및 라이어셀 섬유 둘 모두의 사용을 나타내고 있다. 매우 고압 압축을 이용하지만, 매우 낮은 습윤 강도를 야기시키는, 짧은 셀룰로오스 섬유(즉, 본 발명의 본질적으로 연속 재료가 아님)에 대한 병합된 필라멘트 결합이 미국특허 제6,675,702호에서 청구하고 있다. 미국특허 제9,339,581호에는 셀룰로오스 섬유와 열가소성 섬유를 블렌딩하는 것이 수소 결합 및 병합된 필라멘트 결합 둘 모두를 허용한다는 것이 교시되어 있다.
문제점
여러 분야에 대해 부직포 웹이 사용되고 있다. 이러한 분야는 유연도(softness), 강성(stiffness), 치수 안정성, 수분 관리(moisture management) 및 다양한 다른 성질들과 관련하여 다양한 요건들을 갖는다. 일부 경우에, 현 부직포 기술로 최적의 성질을 달성할 수 없다. 특히, 현 제품에서 가능하지 않은, 하기 특징들의 조합을 달성하는 것이 요망되고 있다:
● 경량 및 흡수성
● 경량, 흡수성 및 충분한 인장 강도
● 경량, 흡수성, 충분한 강도 및 순도(화학 처리를 이용하지 않음)
● 양호한 강성 및 흡수능
● 양호한 강성, 흡수능 및 빠른 위킹률(wicking rate)
● 허용 가능한 유연도, 드레이프(drape) 및 치수 안정성
● 요망되는 성질을 달성하기 위한 바람직하지 않은 추가적인 화학적 처리 없음
● 생분해성 및/또는 퇴비성, 흡수성 및 경량
● 지속적으로 공급 가능, 흡수성 및 경량
본 발명의 목적은 현재 입수 가능한 것보다 더 넓은 범위의 성질을 제공하는 본질적으로 연속 셀룰로오스 섬유를 포함하는 부직포 웹을 제공하는 것이다. 이는 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트를 결합시키기 위해, 각 층 내에서 a) 물의 존재 하에서 셀룰로오스에서 하이드록실 기의 존재로 인해 자연적으로 제공되는 수소 결합, b) 필라멘트 인터밍글링 및 c) 병합된 필라멘트 결합의 3가지 결합 메커니즘 각각이 일어나는 것을 특징으로 하는, 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트의 부직포 웹의 하나 이상의 층으로 이루어진 부직포 재료에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 층의 수는 1이다. 본 발명의 다른 바람직한 구체예에서, 층의 수는 적어도 2, 바람직하게, 2 내지 10, 더욱 바람직하게, 2 내지 6이다. 본 발명의 가능한 구체예에서, 이러한 층들 중 2개 이상은 병합된 필라멘트 결합, 수소 결합 및 필라멘트 인터밍글링을 이용하여 함께 결합된다. 바람직한 구체예에서, 재료 내의 모든 층들은 동일한 결합 기술에 의해 함께 결합되며, 다른 바람직한 구체예에서, 단지 2 또는 3개의 층은 동일한 기술에 의해 함께 결합되며, 다른 바람직한 구체예에서, 층들을 결합시키기 위해 상이한 기술들이 이용된다. 웹 층과 결합의 조합은 재료 형성(외관), 재료 두께/재료 밀도(제공된 평량에서, 층의 수가 클수록 달성 가능한 두께가 커지고 달성 가능한 밀도가 낮아짐), 재료 공기 다공성(두께와 동일한 추론(reasoning)) 및 재료 인장 성능(층의 두께가 클수록 달성 가능한 재료 인장 강도가 높아짐)에 대한 광범위한 조절을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 부직포 재료는 추가로 하이드로인탱글링되고/거나, 스펀레이싱되고/거나, 니들링되고/거나, 니들펀칭되고/거나, 접착제 및/또는 다른 화학적 결합 기술에 의해 결합된다. 이러한 추가적인 공정은 훨씬 더 넓은 범위의 가능한 물리적 성질 변화를 제공한다. 일 구체예에서, 재료는 추가적인 강도를 제공하고 임의의 느슨한 입자를 제거할 수 있는 하이드로인탱클링에 의해 추가적으로 가공될 수 있다. 이는 의료용 상처 관리 흡수성 패드를 위해 적합한 낮은 입자 카운트를 갖는 강력한 재료를 제공할 것이다. 다른 구체예에서, 재료는 이의 유체 위킹 성질과 조합될 때, 마킹 펜을 위한 생분해성 펠트 첨단으로서 사용될 수 있는 매우 조밀한 구조를 제공할 수 있는 니들펀칭의 추가적인 공정을 겪을 수 있다. 다른 구체예에서, 재료는 치장벽토 재료를 더욱 균일하게 살포하고 벽에 더욱 견고하게 접촉시키기 위해 치장벽토 재료(stucco material)를 위한 매트릭스를 제공하는 구조 재료에서 스크림(scrim)으로서 사용될 수 있는 매우 강성의 구조를 제공할 수 있는 접착 결합의 추가적인 공정을 겪을 수 있다. 상기 구체예 설명은 제한적인 것으로 의도되지 않으며, 이러한 것은 하이드로인탱글링 및/또는 스펀레이싱 및/또는 니들링 및/또는 니들펀칭에 의한, 및/또는 접착제 및/또는 다른 화학적 결합 기술에 의한 추가적인 가공이 본 발명의 보다 광범위한 물리적 성질 개질을 가능하게 하는 방법을 기술하는 것으로 의도된다.
바람직하게, 부직포 재료는 본 발명의 특정 물리적 및 화학적 성질을 부여하거나 향상시키기 위해 화학적 처리 또는 플라즈마 공정(또한, 코로나 공정으로도 공지됨)과 같은 후-처리로 추가로 수행되었다. 일 구체예에서, 재료는 심지어 소수성 재료를 야기시키는, 재료의 물 흡수 용량(water absorbent capacity)을 감소시키는 왁스로 화학적으로 처리될 수 있다. 다른 구체예에서, 재료는 표면에 상이한 화학적 및 물리적 특징을 부여하여 합성 필름에 대한 양호한 접착력을 가능하게 하고, 한 측면 상에 매우 빠른 유체 위킹 성질을 갖는 재료를 형성하고 다른 한 측면 상에 배리어를 가져서 재료를 통해 유체 전달을 방지하는 표면 플라즈마 처리를 겪을 수 있다. 상기 구체예 설명은 제한적인 것으로 의도되지 않으며, 이러한 것은 화학적 처리 및/또는 플라즈마 처리에 의한 추가적인 가공이 본 발명에 따른 더 광범위한 물리적 및 화학적 성질 개질을 가능하게 할 수 있는 방법을 기술하도록 의도된다.
본 발명의 특정 구체예에서, 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트의 웹의 적어도 하나, 및 바람직하게, 모두는 라이어셀 필라멘트로 이루어진다.
본 발명에 따른 셀룰로오스 필라멘트 웹은 필라멘트 내에 도입된 첨가제를 함유할 수 있다. 이러한 첨가제뿐만 아니라 라이어셀 재료 내에 이를 도입하는 방법은 원칙적으로, 전문가에게 공지되어 있다. 이러한 첨가제는 재료의 기존의 화학적 및/또는 물리적 성질을 개질시키거나, 재료에 새로운 화학적 및/또는 물리적 성질을 부여하기 위해 사용될 것이다.
셀룰로오스 섬유는 다양한 공정에 의해 생성될 수 있다. 일 구체예에서, 라이어셀 섬유는 원칙적으로, 예를 들어, EP 1093536 B1호, EP 2013390 B1호 및 EP 2212456 B1호로부터 공지된, 멜트블로운 공정에 의해 N-메틸 모르폴린 N-옥사이드(NMMO)에 용해된 셀룰로오스로부터 방사된다. 용어 멜트블로운이 사용되는 경우에, 셀룰로오스가 용액(즉, 용융된 열가소성 수지가 아님)에 용해되고 방사 및 공기 온도가 단지 중간 정도로 상승됨에도 불구하고, 합성 열가소성 섬유의 생산을 위해 사용되는 공정과 비슷하거나 유사한 공정을 지칭하는 것으로서 이해될 것이다(필라멘트는 노즐을 통해 압력 하에서 압출되고, 필라멘트 방향에 대해 실질적으로 평행하게 흐르는 고속/고온 확장 공기에 의해 요망되는 정도까지 신장됨). 이에 따라, 용어 "용액 블로운(solution blown)"은 이러한 부류의 기술에 대해 이미 다소 공통되는 용어 "멜트블로운" 대신에 훨씬 더 적절할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해 두 용어 모두는 동의어로 이용될 수 있다. 다른 구체예에서, 웹은 스펀 본딩 공정에 의해 형성되며, 여기서, 필라멘트는 보다 저온의 공기를 통해 신축된다. 일반적으로, 스펀본드된 합성 섬유는 대개 불연속적인 길이가 더 짧게 되는 멜트블로운 합성 섬유보다 더 길다. 용액 블로운 라이어셀 공정에 의해 형성된 섬유는 확장 공기 속도, 공기 압력, 공기 온도, 용액의 점도, 셀룰로오스 분자량 및 분포 및 이의 조합과 같은 공정 조건에 따라 연속적이거나 불연속적일 수 있다.
일 구체예에서, 부직포 웹을 제조하기 위해, 섬유는 압출 후 그리고 웹 형성 이전에, 분무에 의해 물(또는 물/NMMO 혼합물)과 같은 비-용매와 접촉된다. 섬유는 후속하여 부직포 웹을 형성하기 위해 이동하는 유공 지지체(moving foraminous support) 상에서 흡수되고, 세척되고, 건조된다.
새로이 압출된 라이어셀 용액('용매 스펀(solvent spun)', 단지 예를 들어, 5 내지 15% 셀룰로오스를 함유함)은 '점착성을 나타내고' 변형 가능한 열가소성 필라멘트와 유사한 방식으로 거동한다. 여전히 용매로 팽윤되고 심지어 저압 하에서 '점착성을 나타내는' 표면을 가지면서 새로이-방사된 필라멘트들을 서로 접촉시키는 것은 병합된 필라멘트 결합을 야기시킬 것이며, 여기서, 하나의 필라멘트로부터의 분자는 상이한 필라멘트로부터의 분자와 비가역적으로 혼합한다. 용매가 제거되고 필라멘트의 응고가 완료된 직후에, 이러한 타입의 결합은 불가능하다.
본 발명의 다른 목적은 하기 단계에 의해 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트로 이루어진 부직포 재료의 제조 공정을 제공하는 것이다:
a. 셀룰로오스-함유 방사 용액을 제조하는 단계,
b. 밀접하게 이격된 멜트블로운 제트 노즐을 함유한 적어도 하나의 방적 돌기를 통해 방사 용액을 압출하는 단계,
c. 고속 에어 스트림을 이용하여 압출된 방사 용액을 감쇠시키는 단계,
d. 이동하는 표면[예를 들어, 천공된 벨트 또는 드럼] 상에 웹을 형성하는 단계,
e. 형성된 웹을 세척하는 단계,
f. 세척된 웹을 건조시키는 단계;
여기서, 단계 c 및/또는 d에서, 응고액, 즉, 용해된 셀룰로오스의 응고를 야기시킬 수 있는 액체; 라이어셀 공정에서, 바람직하게, 물 또는 수 중 NMMO의 희석된 용액인 응고액은 병합된 필라멘트 결합을 조절하기 위해 적용된다. 병합된 필라멘트 결합의 양은 필라멘트들이 접촉할 때 필라멘트의 응고 단계에 직접적으로 의존적이다. 보다 조기에 필라멘트가 접촉되는 응고 공정이 수행될수록, 가능한 필라멘트 병합 정도가 더 커진다. 응고액 적용의 배치 및 적용액이 적용되는 속도 둘 모두는 응고 속도를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 여기서 재료에서 일어나는 병합된 필라멘트 결합의 정도(또는 양)이 조절된다.
바람직하게, 병합된 필라멘트 결합은 필라멘트 방사 노즐 디자인 및 배열, 및 필라멘트 확장 공기의 구성 및 온도에 의해 추가로 조절된다. 용액이 방사 노즐에서 배출될 때 존재하는 분자 정렬의 정도는 응고 속도에 영향을 미친다. 분자가 더 많이 정렬될수록, 응고 속도는 더 빨라지며, 반대로, 분자가 덜 정렬될수록, 응고 속도는 느려진다. 사용되는 셀룰로오스 원료의 분자량과 함께, 방사 노즐 디자인 및 배열은 방사 노즐의 배출구에서 출발 응고 속도를 결정할 것이다. 추가적으로, 방사 노즐 배출 시에 용액의 냉각(온도 감소) 속도는 또한, 응고 속도에 영향을 미칠 것이다. 냉각 속도가 느릴수록, 응고 속도는 느려지며, 반대로, 냉각 속도가 빠를수록, 응고 속도는 빨라진다. 이에 따라, 필라멘트 확장 공기의 구성은 냉각 속도에 직접적으로 영향을 줄 수 있고, 이에 따라, 응고 속도에 영향을 미쳐서, 가능한 병합된 필라멘트 결합의 달성 가능한 양에 영향을 미친다.
본 발명에 따른 공정의 바람직한 구체예에서, 적어도 2개의 방적 돌기(또한 제트로서 공지됨), 바람직하게, 2 내지 10개, 및 더욱 바람직하게, 2 내지 6개의 방적 돌기는 각각 부직포 웹의 층을 형성하기 위해 배열된 것으로서, 이는 다층 부직포 재료를 얻기 위해 이용된다. 개별 방적 돌기에서 상이한 공정 조건을 적용함으로써, 개별 층들이 상이한 성질을 갖는 다층 부직포 재료를 얻는 것이 더욱 가능하다. 이는 상이한 적용을 위해 본 발명에 따라 부직포 재료를 최적화하는 데 유용할 수 있다. 일 구체예에서, 상부 상의 웹보다 작은 표준 필라멘트 직경을 갖는 각 개별 웹을 가짐으로써 재료의 일 측면에서 다른 측면으로의 필라멘트 직경의 구배를 제공할 수 있으며, 공극 크기(입자 크기 캡쳐)의 구배를 제공하는 공기 여과재로서 사용하기에 적합한 재료를 생성시키는 것이 가능하다. 이는 효율적인 여과 공정을 제공하고, 동일한 평량 및 공극 크기 분포에서 유사한 특징을 갖는 단일 웹과 비교하여 여과재를 가로질러 더 낮은 압력 강하를 야기시킬 것이다.
바람직하게, 필라멘트는 수성 아민 옥사이드 중 셀룰로오스의 용액을 사용하여 방사되며, 응고액은 물이며, 바람직하게, 아민 옥사이드의 함량은 셀룰로오스를 용해시키지 못할 수 있으며, 이는 라이어셀 공정으로도 지칭되며; 이러한 용액의 제조는 원칙적으로, 예를 들어, 미국특허 제6,358,461호, 미국특허 제7,067,444호, 미국특허 제8,012,565호, 미국특허 제8,191,214호, 미국특허 제8,263,506호 및 미국특허 제8,318,318호로부터 공지되어 있으며; 바람직하게, 아민 옥사이드는 NMMO이다.
본 발명은 멜트블로운 또는 스펀본드-타입 공정을 통해 형성된 셀룰로오스 부직포 웹을 기술한다. 형성된 필라멘트는 특히, 초기 웹 형성 전 및 동안에, 공정에서의 다양한 포인트에서 접촉 및/또는 압축 및/또는 인터밍글링으로 처리된다. 높은 비율의 용매가 여전히 존재하는 필라멘트와 상기 용매로 여전히 팽윤되어 있는 필라멘트 간의 접촉은 병합된 필라멘트 결합을 일으킨다. 존재하는 용매의 양뿐만 아니라 온도 및 접촉 압력(예를 들어, 확장 공기로부터 형성됨)은 이러한 결합의 양을 조절한다.
특히, 필라멘트 인터밍글링 및 수소 결합의 양은 병합된 필라멘트 결합의 정도에 의해 제한될 수 있다. 이는 필라멘트 표면적의 감소 및 필라멘트의 가요성 정도의 감소의 결과이다. 예를 들어, 병합된 필라멘트 결합의 정도가 증가할 때, 전체 표면적의 양이 감소되며, 수소 결합을 형성하기 위한 셀룰로오스의 능력은 셀룰로오스 표면 상에 존재하는 하이드록실 기의 양에 직접적으로 의존적이다. 추가적으로, 필라멘트 인터밍글링은 필라멘트가 형성 벨트(forming belt)와 접촉할 때 일어난다. 필라멘트는 형성 벨트보다 더 빠른 속도로 이동한다. 이에 따라, 필라멘트가 벨트와 접촉할 때, 이는 형성 벨트 바로 위에서, 좌우로 및 앞뒤로 휘어지고 흔들릴 것이다. 이러한 휘어짐(buckling) 및 흔들림(swaying) 동안에, 필라멘트는 이웃하는 필라멘트와 인터밍글링할 것이다. 필라멘트가 형성 벨트 전에 접촉하고 병합하는 경우에, 이는 이와 인터밍글링할 수 있는 이웃하는 필라멘트의 수를 제한한다. 추가적으로, 단일 필라멘트와 동일한 가요성 정도를 갖지 않게 형성 벨트와 접촉하기 전에 병합하는 필라멘트는 총 면적을 제한할 것이며, 이를 벗어나는 경우에 필라멘트가 휘어지고 흔들린다.
놀랍게도, 높은 수준의 필라멘트 병합의 조절은 주요 공정 변수를 변경시킴으로써 달성될 수 있다는 것이 확인되었다. 또한, 적어도 일부 응고된 셀룰로오스 필라멘트의 물리적 인터밍글링은 웹을 형성하기 위해 특히 초기 필라멘트 레이다운(filament laydown)에서, 비-용매와의 초기 접촉 후에 일어날 수 있다. 이는 초기 필라멘트 형성 및 초기 레이다운 동안 본질적으로 연속 필라멘트기 측면으로 이동하는 가능성으로부터 발생한다. 물리적 인터밍글링의 정도는 유공 지지체(foraminous support)(형성 벨트)에서 잔류 확장 공기 속도(residual extension air velocity)와 같은 공정 조건에 의해 영향을 받는다. 이는 셀룰로오스 스테이플 섬유로부터 유래된 웹의 생산에서 사용되는 인터밍글링과는 완전히 상이하다. 스테이플 섬유에 대하여, 추가적인 공정 단계, 예를 들어, 캘린더링(calendaring)은 웹이 형성된 후에 적용된다. 여전히 일부 잔류 용매를 함유한 필라멘트는 약하고, 부드럽고, 손상되기 쉽다. 이에 따라, 이러한 단계에서 결합의 정도 및 타입을 조절하는 것과 조합하여, 공정 조건이 필라멘트 및 웹 손상을 일으킬 수 있는 타입이 아닌 것이 필수적이다. 임의적으로 압축과 함께, 세척되었지만 건조되지 않은 부직포의 초기 건조는 필라멘트들 간에 추가적인 수소 결합이 발생하게 할 것이다. 온도, 압축 압력 또는 수분 수준의 변경은 이러한 수소 결합 정도를 조절할 수 있다. 이러한 처리는 인터밍글링 또는 병합된 필라멘트 결합에 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 부직포 재료는 후속 결합/처리 이전에 건조된다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 각 결합 타입의 백분율은 2개 이하의 압축 단계를 갖는 공정을 이용하여 조절되며, 여기서, 이러한 압축 단계들 중 하나는 본 발명의 공정의 단계 d 후에 수행되며, 여기서, 방사된 필라멘트는 여전히 용매로 팽윤되어 있으며, 이러한 압축 단계 중 하나는 본 발명의 공정의 단계 e 전에 또는 단계 e에서 수행되며, 여기서, 모든 용매 또는 용매의 대부분이 제거되며, 웹은 물로 습윤화된다. 상기에서 논의된 바와 같이, 방사된 용액의 응고의 조절은 병합된 필라멘트 결합의 정도를 조절하는 인자이다. 이러한 바람직한 구체예는 달성 가능한 병합된 필라멘트 결합의 실제 양을 더욱 증가시키기 위해 추가적인 압축 단계가 필라멘트 레이다운 후에 사용될 수 있는 상태까지 응고 속도를 감소시키는 것에 관한 것이다. 달성 가능한 최대 필라멘트 결합을 모든 필라멘트를 본질적으로 필름-유사 구조 내에 갖는 상태로서 보는 것이 도움이 될 수 있다.
본 발명은 병합된 필라멘트 결합, 물리적 인터밍글링 및 수소 결합이 독립적으로 조절될 수 있는 공정 및 제품을 기술한다. 그러나, 병합된 필라멘트 결합의 정도는 일어날 수 있는 물리적 인터밍글링 및 수소 결합의 정도를 제한할 수 있다. 또한, 다층 웹 제품의 생산을 위하여, 공정 조건은 층들 간의 이러한 결합 메커니즘을 최적화하기 위해 조정될 수 있다. 이는 요망되는 경우에, 층들의 박리의 용이성을 변화시키는 것을 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이 독립적으로 셋팅되는 병합된 필라멘트, 인터밍글링 및 수소 결합 이외에, 추가적인 결합/처리 단계가 임의적으로 첨가될 수 있다. 웹이 여전히 물로 습윤화되거나 건조되는(완전 또는 일부) 동안에 이러한 결합/처리 단계가 일어날 수 있다. 이러한 결합/처리 단계는 추가적인 결합 및/또는 다른 웹 성질 개질을 부가할 수 있다. 이러한 다른 결합/처리 단계는 하이드로인탱글링 또는 스펀레이싱, 니들링 또는 니들펀칭, 접착제 또는 화학적 결합을 포함한다. 당업자에게 익숙한 바와 같이, 웹에 대한 다양한 후처리가 또한, 특정 제품 성능을 달성하기 위해 적용될 수 있다. 반대로, 후처리가 요구되지 않는 경우, 예를 들어, 후-처리 하이드로인탱글링 단계에서 발생하는 바와 같이, 생산 동안 제거되지 않는 본 발명의 웹에 직접적으로 마무리 및 다른 화학적 처리를 적용하는 것이 가능하다.
병합된 필라멘트 결합의 정도의 변화는 유연도, 강성, 치수 안정성 및 다양한 다른 성질들과 관련하여 부직포 셀룰로오스 웹에 대해 특징적인 독특한 성질을 제공한다. 성질들은 또한, 초기 웹 형성 전 및 동안에 물리적 인터밍글링의 정도를 변경시킴으로써 개질될 수 있다. 또한, 수소 결합에 영향을 미치는 것이 가능하지만, 웹 성질에 대한 이의 요망되는 효과는 미미하다. 추가적으로, 성질들은 하이드로인탱글링, 니들펀칭, 접착 결합 및/또는 화학적 결합과 같은 추가적인 결합/처리 단계를 포함함으로써 추가로 조정될 수 있다. 각 타입의 결합/처리는 부직포 웹에 이점을 제공한다. 예를 들어, 하이드로인탱글링은 약간의 강도를 부가하고 웹을 유연하게 할 뿐만 아니라 벌크 밀도를 잠재적으로 변경시킬 수 있으며, 니들링(needling)은 통상적으로, 더 높은 평량을 위해 이용되고, 추가적인 강도를 제공하기 위해 이용되며; 연마 물질, 점착부여제, 또는 심지어 표면 윤활제와 같은, 접착 및 화학적 결합은 강도 및 표면 처리 둘 모두를 부가할 수 있다.
종래 기술, 예를 들어, 미국특허 제6,675,702호에는, 100% 셀룰로오스 섬유 또는 필라멘트에 대하여, 수소 결합 및 병합된 필라멘트 결합이 독립적이지 않고 관련이 있다는 것을 교시하고 있다. 즉, 수소 결합에 크게 영향을 미치지 않으면서 병합된 필라멘트 결합을 조작하는 것은 불가능하다. 본 발명은 하기 중요한 웹 결합 특징들의 독립적인 조절을 가능하게 한다: 병합된 필라멘트, 웹 형성시 인터밍글링, 수소 결합 및 임의적인 추가적 다운스트림 가공. 병합된 필라멘트 결합의 조작은 주로 부직포 웹의 성질에 영향을 주기 위해 변경될 수 있다.
본 발명의 다양한 실행으로부터 생성된 제품은 하기 최종 용도(이로 제한되지 않음)에 대해 최적이다:
● 와이프(wipe); 건조, 습윤, 세척, 소독제, 개인 관리
● 필터; 공기 및 액체
● 드라이어 시트
● 염료 캐쳐 시트
● 미용 안면 마스크
● 상처 관리 흡수성 층
● 수분 관리 층; 일회용 및 재사용 가능한 유아용 기저귀, 여성 위생 패드 및/또는 성인 요실금 제품.
이에 따라, 본 발명의 다른 목적은 세척제, 살균제, 탈취제, 소독제, 보습제 및 화장품 제거제로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 첨가함으로써 습윤 세척 와이프(cleaning wet wipe)를 제작하기 위한 본 발명에 따른 부직포 재료의 용도이다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 다양한 가정용, 설비용 및 산업용 세척, 폴리싱 또는 표면 준비 적용을 위한 건조 세척 와이프(dry cleaning wipe)를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 물 및/또는 오일 흡수가 요구되는 다양한 세척 적용을 위한 건조 세척 와이프를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 최종적으로 건조 상태로 패키징되고 사용 직전에 물-활성화될 수 있는 세척 와이프를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 공기 여과재 또는 액체 여과재를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 부직포 재료를 대전 방지제, 4차 유연제 및/또는 왁스와 같은 화학물질 중 적어도 하나로 함침시킴으로써 드라이어 시트(dryer sheet)를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 상처 관리 흡수성 층을 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 부직포 재료를 약제학적 활성 성분으로 후처리함으로써 상처 관리 흡수성 층을 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 일회용 또는 재사용 가능한 유아용 기저귀, 여성 위생 패드 및/또는 성인 요실금 제품을 위한 수분 관리 층을 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 탄화된 웹을 제작하기 위한 탄화(carbonization)를 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 공지된 화학적 및 폴리머 염료 이동 억제제, 염료 흡수제 및 스캐빈저, 표백 및 산화제 또는 다른 화학물질로 이루어진 작용제의 군으로부터의 하나 이상의 작용제로의 함침에 의해 염료 캐쳐 시트(dye catcher sheet)를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 다양한 피부 관리 및 미용 로션 또는 액체가 함침된 미용 안면 마스크 시트를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부직포 재료는 추가로 건조 상태로 패키징되고 사용 직전에 물-활성화될 수 있는 미용 안면 마스크를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 하기에서 실시예에 의해 예시될 것이다. 이러한 실시예는 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다. 본 발명은 또한, 동일한 발명 개념을 기초로 한 임의의 다른 구체예를 포함한다.
실시예
하기에서 논의되는 모든 샘플을 23℃(±2℃) 및 50%(±5%) 상대습도에서 24시간 동안 컨디셔닝하였다.
실시예 1:
셀룰로오스 부직포 웹을 하기 단계에 의해 생산하였다:
● 10% 셀룰로오스를 함유한 라이어셀 방사 용액을 공지된 방법을 이용하여 제조하는 단계,
● 방사 용액을 밀접하게 배치된 멜트블로운 제트 노즐을 통해 연장하고, 다시 공지된 방법을 이용하여, 고속 에어 스트림을 이용하여 감쇠하는 단계,
● 웹을 이동 벨트 상에서 형성시키고, 세척하고, 건조시켜, 40 gsm의 웹 중량 및 대략 5 마이크론의 비병합된 필라멘트의 평균 직경을 제공하는 단계.
웹의 제조 동안에, 5가지의 상이한 초기 응고 분무 양을 필라멘트 압출과 초기 웹 형성 사이에 적용하였다. 웹 샘플을 5가지 적용 수준 각각에서 수집하였다.
각 샘플에서 병합된 필라멘트의 정도를 하기 방법에 의해 평가하였다:
● 웹의 1 cm × 1 cm 샘플(23℃(±2℃) 및 50%(±5%) 상대 습도에서 24시간 동안 컨디셔닝됨)을 현미경 슬라이드 상의 커버 슬립 아래에 마운팅하고, 추가적으로, 62.6 g 프레임으로 유지시켰다(도 1 참조). 도 1은 현미경 검사를 위해 고정 프레임을 갖는 웹 샘플의 제조를 도시한 것이다. 이를 이후에, 100배의 배율의 광학 현미경을 통해 시험하였다. 샘플의 이미지로부터, 1 mm × 1 mm 제곱의 웹을 무작위로 선택하고, 이러한 사각형 안에 2개의 대각선을 도시하였다.
● 대각선으로 교차하는 300 마이크론의 깊이로 보여지는 필라멘트의 수(개별 및 병합된 번들로서)를 계수하고, 이러한 개별 필라멘트 각각 및 병합된 번들의 직경을 측정하였다(도 2 참조). 도 2는 웹 샘플 평가 면적(1), 크기 1 mm × 1 mm; 평가선 (2) - 이러한 선을 교차하는 모든 필라멘트가 계수되고 측정됨; 및 평가선을 교차하는 단일 필라멘트 또는 병합된 필라멘트 번들(3)의 예를 갖는 '균등 평균 필라멘트 직경' 인자(샘플 크기 1 mm × 1 mm 사각형, 100배 배율)를 평가하기 위한 방법의 예시를 도시한 것이며; 이에 따라, 균등 직경을 측정하였다. 이러한 데이터를 이후에, 이용하여 '균등 평균 필라멘트 직경' 인자를 계산하였다(직경 측정치의 합을 측정된 항목의 수로 나눔).
● 본 공정을 예시적인 결과의 달성을 보장하기 위해 동일한 웹 및 결합된 개별 데이터의 2개의 추가 샘플에 대해 반복하였다.
'균등 평균 필라멘트 직경' 인자가 개별 필라멘트의 평균 직경과 비교하여 높을수록, 존재하는 병합된 필라멘트의 비율이 더 많다. 개별 필라멘트의 평균 직경과 밀접한 '균등 평균 필라멘트 직경' 인자는 병합된 필라멘트의 매우 낮은 발생률을 지시한다.
웹의 샘플을 23℃(±2℃) 및 50%(±5%) 상대 습도에서 컨디셔닝하고, 이후에, 인장 성질 및 강성에 대해 시험하였다. 인장 성질을 표준 방법 DIN EN 29 073 part 3/ISO 9073-3에 따라 측정하였으며, 20 cm보다 8 cm의 클램핑 길이를 사용하였다. 강성을 1/4인치 슬롯 폭, 스테인렌스강 표면, 1000 g 빔과 함께, 표준 방법 WSP 90.3에 따라, "Handle-o-meter"(예를 들어, Thwing-Albert Instrument Co(14 West Collings Avenue West Berlin, NJ 08091, USA)로부터 입수 가능함)를 이용하여 측정하였다.
결과는 표 1에 나타낸 바와 같다. 샘플 참조번호 1.3은 '표준'이며, 이에 대해 다른 시험 결과가 비교된다.
표 1:
Figure pct00001
결과는, 응고 분무의 감소가 '균등 평균 필라멘트 직경'에 의해 측정한 경우에, 필라멘트 병합의 정도를 증가시킴을 나타낸다. 이는 웹 성질의 변화에 의해 달성된다. 이러한 실시예에서, 인장 강도 및 강성은 증가되며, 신율(elongation)이 감소되며, 필라멘트 병합은 증가한다.
실시예 2:
노즐 간의 거리가 실시예에서 사용되는 멜트블로운 제트의 2배라는 단일한 차이와 함께, 웹 생산을 실시예 1에 제공된 조건에서 수행하였다. 웹 샘플을 실시예 1에서의 것과 동일한 방식으로 분석하였다.
결과는 표 2에 나타낸 바와 같다. 샘플 시험 결과는 실시예 1로부터의 표준 샘플 1.3의 것과 비교된다.
표 2:
Figure pct00002
결과는, 이러한 작업 조건에서, 노즐 간격의 증가가 필라멘트 병합의 정도를 감소시키고, 높은 수준의 초기 응고 분무와 결합될 때, '균등 평균 필라멘트 직경' 기술에 의해 측정한 경우 단지 매우 낮은 양의 병합된 필라멘트를 웹에 제공함을 나타낸다. 웹 성질에서의 트렌드(trend)는 실시예 1에서 확인된 것과 유사하다.

Claims (29)

  1. 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트(essentially continuous cellulosic filament)의 부직포 웹(nonwoven web)의 하나 이상의 층으로 이루어진 부직포 재료(nonwoven material)로서,
    본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트를 결합시키기 위해, 각 층 내에서 a) 수소 결합, b) 필라멘트 인터밍글링(filament intermingling) 및 c) 병합된 필라멘트 결합(merged filament bonding)의 3가지 결합 메커니즘 각각이 일어나는 것을 특징으로 하는, 부직포 재료.
  2. 제1항에 있어서, 층의 수가 적어도 2개, 바람직하게 2 내지 10개, 더욱 바람직하게, 2 내지 6개의 범위인 부직포 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2개 이상의 층이 병합된 필라멘트 결합, 수소 결합 및 필라멘트 인터밍글링을 이용하여 함께 결합된 부직포 재료.
  4. 제1항에 있어서, 추가로 하이드로인탱글링(hydroentangled)되고/거나 스펀레이스(spunlaced)되고/거나 니들링(needled)되고/거나 니들펀칭(needlepunched)되고/거나, 접착제 및/또는 다른 화학적 결합 기술에 의해 결합된, 부직포 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 후처리 화학처리 또는 플라즈마 공정으로 추가로 수행된 부직포 재료.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의, 및 바람직하게, 모든, 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트의 웹이 라이어셀 필라멘트(lyocell filament)로 이루어진 부직포 재료.
  7. 본질적으로 연속 셀룰로오스 필라멘트로 이루어진 부직포 재료를 제조하는 방법으로서,
    a. 셀룰로오스-함유 방사 용액(spinning solution)을 제조하는 단계,
    b. 밀접하게 이격된 멜트블로운 제트 노즐(closely-spaced meltblown jet nozzle)을 함유한 적어도 하나의 방적 돌기(spinneret)를 통해 상기 방사 용액을 압출시키는 단계,
    c. 고속 에어 스트림을 이용하여 압출된 방사 용액을 감쇠시키는(attenuation) 단계,
    d. 이동 표면 상에 웹을 형성하는 단계,
    e. 형성된 웹을 세척하는 단계,
    f. 세척된 웹을 건조시키는 단계를 포함하며,
    단계 c 및/또는 단계 d에서, 병합된 필라멘트 결합을 조절하기 위해 응고액(coagulation liquor)이 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 병합된 필라멘트 결합이 필라멘트 방사 노즐 배열 및 필라멘트 확장 공기(filament extension air)의 구성에 의해 추가로 조절되는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 필라멘트 인터밍글링 및 수소 결합의 양이 병합된 필라멘트 결합의 정도에 의해 제한될 수 있는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 각 결합 타입의 백분율이 2개 이하의 압축 단계를 갖는 공정을 이용하여 조절되며, 이러한 압축 단계들 중 하나는 단계 d 후에 수행되며, 여기서, 방사된 필라멘트는 여전히 용매로 팽윤되며, 이러한 압축 단계들 중 하나는 단계 e 이전 또는 단계 e에서 수행되며, 여기서, 모든 용매 또는 대부분의 용매는 제거되며 웹이 물로 습윤화된 방법.
  11. 제7항에 있어서, 부직포 재료가 하이드로인탱글링, 스펀레이싱, 니들링, 니들펀칭, 접착제 또는 다른 화학적 결합 기술로 이루어진 공정들의 군으로부터의 적어도 하나의 공정으로 처리되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 부직포 재료가 후속 결합/처리 이전에 건조되는 방법.
  13. 제7항에 있어서, 필라멘트가 수성 아민 옥사이드 중 셀룰로오스의 용액을 사용하여 방사되며, 응고액은 물이며, 바람직하게, 셀룰로오스를 용해시킬 수 없는 아민 옥사이드의 함량을 갖는 방법.
  14. 제7항에 있어서, 적어도 2개, 바람직하게, 2 내지 10개, 더욱 바람직하게 2 내지 6개 범위의 방적 돌기가 이용되며, 부직포 웹의 층을 형성하기 위해 배열되는 각 하나는 다층 부직포 재료를 얻기 위해 이용되는 방법.
  15. 세척제, 살균제, 탈취제, 소독제, 보습제, 화장품 제거제 및 물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 첨가함으로써 세척 습윤 와이프(cleaning wet wipe)를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  16. 다양한 가정용, 설비용 및 산업용 세척, 연마 또는 표면 준비 적용을 위한 건조 세척 와이프(dry cleaning wipe)를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  17. 물 및/또는 오일 흡수가 요구되는 다양한 세척 적용을 위해 건조 세척 와이프를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  18. 적어도 하나의 화학적 첨가제를 첨가함으로써, 최종적으로 건조 상태로 패키징되고 사용하기 직전에 액체-활성화될 수 있는 본질적으로 건조 로션 포뮬레이션(essentially dry lotion formulation)으로 코팅될 수 있는 세척 와이프를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  19. 공기 여과재(air filtration media)를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  20. 액체 여과재를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  21. 대전 방지제, 4차 유연제, 및/또는 왁스의 화학물질의 군 중 적어도 하나로 부직포 재료를 함침시킴으로써 드라이어 시트(dryer sheet)를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  22. 상처 관리 흡수성 층(wound care absorbent layer)을 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  23. 부직포 재료를 항박테리아성 화학물질 또는 다른 약제학적 활성 성분으로 후처리함으로써 상처 관리 흡수성 층을 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  24. 일회용 유아용 기저귀, 여성 위생 패드 및/또는 성인 요실금 제품을 위한 수분 관리 층(moisture management layer)을 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  25. 재사용 가능한 유아용 기저귀, 여성 위생 패드 및/또는 성인 요실금 제품을 위한 수분 관리 층을 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  26. 탄화된 웹(carbonized web)을 제작하는 탄화를 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  27. 공지된 화학적 및 폴리머 염료 이동 억제제, 염료 흡수제 및 스캐빈저(scavenger), 표백 및 산화제 또는 다른 화학물질로 이루어진 작용제의 군으로부터의 하나 이상의 작용제로의 함침에 의한 염료 캐쳐 시트(dye catcher sheet)를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  28. 다양한 피부 관리 및 미용 로션(beauty lotion) 또는 액체로 함침된 미용 안면 마스크 시트(beauty face mask sheet)를 제작하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
  29. 추가로 건조 상태로 패키징되고 화장품 성분, 또는 물의 후처리에 의해 사용하기 직전에 액체-활성화될 수 있는 제28항의 미용 안면 마스크(beauty care facial mask)의 제작을 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 부직포 재료의 용도.
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