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Dokumentenidentifikation DE102005029793B4 26.04.2007
Titel Vliesstoffe, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Ebeling, Horst, Dr. Dipl.-Ing., 14727 Premnitz, DE;
Fink, Hans-Peter, Dr. Dipl.-Phys., 14513 Teltow, DE;
Doß, Michael, Dipl.-Phys., 14476 Golm, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 80339 München
DE-Anmeldedatum 27.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005029793
Offenlegungstag 28.12.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse D04H 1/56(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

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. Ebenso betrifft die Erfindung derartige Vliesstoffe sowie deren Verwendung.

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). Cellulosecarbamat wird bei der Umsetzung von Cellulose mit Harnstoff bei erhöhter Temperatur gebildet und lässt sich in kalter verdünnter Natronlauge lösen.

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, Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen aus Cellulosecarbamat bereitzustellen, das bei guten Produkteigenschaften den Ansprüchen hinsichtlich geringer Investitions- und Produktionskosten sowie geringer Umweltbelastung genügt. Ebenso war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vliesstoffe mit überlegenen Produkteigenschaften bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vliesstoffe mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 24 bis 28 werden Verwendungen des erfindungsgemäßen Vliesstoffs angegeben.

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, wobei die Spinnlösung 20 bis 30 Gew.-% Cellulosecarbamat enthält, wodurch die Lösung überraschenderweise ein lyotropes Verhalten zeigt, d.h. das Cellulosecarbamat liegt in einem flüssig-kristallinen 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.

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 0,03 bis 1,5 bar, besonders bevorzugt zwischen 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 &mgr;m 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.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Cellulosecarbamatvliesstoff aus einem Wirrgelege aus Endlosfäden bzw. aus durch Reißen von Einzelkapillaren entstehenden Fasern mit endlicher Länge bereitgestellt, das nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 herstellbar ist.

Die nach dem beanspruchten Verfahren hergestellten Vliesstoffe besitzen vorzugsweise Flächengewichte zwischen 20 und 500 g, 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.


Anspruch[de]
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 und die Spinnlösung 20 bis 30 Gew.-% Cellulosecarbamat enthält, wodurch die Lösung ein lyotropes Verhalten zeigt.
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 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 &mgr;m 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. Vliesstoff aus einem Wirrgelege von Fasern aus Cellulosecarbamat hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Vliesstoff nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff ein Flächengewicht von 20 bis 500 g/m2 aufweist. Vliesstoff nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff eine Wasserrückhaltevermögen von mindestens 180 % besitzt. Vliesstoff nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff eine Festigkeit in Längsrichtung von mindestens 250 N/m aufweist. Vliesstoff nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff eine Festigkeit in Querrichtung von mindestens 80 N/m aufweist. Vliesstoff nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Cellulosecarbamat einen Substitutionsgrad DS von 0,1 bis 1,5 aufweist. Verwendung des Vliesstoffs nach einem der Ansprüche 18 bis 23 in der Medizin, insbesondere als Operationsabdecktücher, Betttücher, Wundabdeckungen, Gaze oder Wattepads. Verwendung des Vliesstoffs nach einem der Ansprüche 18 bis 23 als Hygienestoffe oder als Wischtücher im Haushalt. Verwendung des Vliesstoffs nach einem der Ansprüche 18 bis 23 als Dekorationsvliesstoffe, insbesondere Tischdecken, Servietten oder Vorhänge. Verwendung des Vliesstoffs nach einem der Ansprüche 18 bis 23 als Einlegevliese in der Bekleidungsindustrie. Verwendung des Vliesstoffs nach einem der Ansprüche 18 bis 23 als Verstärkungsmaterial.






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