DE10232078A1

DE10232078A1 - Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Gehalt an Superabsobentien

Info

Publication number: DE10232078A1
Application number: DE10232078A
Authority: DE
Inventors: Werner Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Gehalt an Superabsorbentien, bei dem Fasermaterial, das aus einer thermoplastisch verarbeitbaren Mischung aus superabsorbierendem Polymer und einem synthetischen thermoplastischen Fasermaterial (im folgenden SAP-Fasermischung) verwendet wird. DOLLAR A Eine Mischung aus SAP-Fasermischung und einer zweiten thermoplastischen Polymer-Mischung wird coextrudiert zu Bicomponenten-Filamenten, bei denen, im Fadenquerschnitt gesehen, die SAP-freie Polymermischung den Kern und die SAP-Fasermischung die periphere Umhüllung bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Gehalt an Superabsorbentien, unter wenigstens teilweiser Verwendung eines Fasermaterials, das aus einer thermoplastisch verarbeitbaren Mischung aus superabsorbierendem Polymer und einem synthetischen thermoplastischen Fasermaterial (im folgenden SAP-Fasermischung) hergestellt wird.
Ein solches Verfahren ist aus der EP 0 425 269 A2 bekannt. Nach dem bekannten Verfahren wird in folgenden Verfahrensschritten gearbeitet: Herstellung einer Mischung aus einem synthetischen Polymer und Partikeln eines Suberabsorbens und Verarbeiten im Schmelzspinnverfahren zu Fasern, die Superabsorbentien enthalten.
Die Faserherstellung nach dem aus EP 0 425 269 A2 bekannten Verfahren hat sich jedoch als äußerst schwierig herausgestellt, da die Füllung an Superabsorbentien das Filament, das nach dem Schmelzspinnverfahren hergestellt wird, in seinen Eigenschaften negativ verändert. Das Filament zeigt nur noch eine geringe Reißfestigkeit, die sich sowohl bei der Fadenherstellung als auch bei dem Fertigprodukten, d.h. den Fasern, störend bemerkbar macht. Wegen der hohen Brüchigkeit kann das Filament weder gereckt noch anders weiter verarbeitet werden.
Da aus den Filamenten und den daraus hergestellten Fasern sowohl Gewebe als auch Gewirke hergestellt werden können, als auch Vliese, führten die Instabilität und hohe Bruchneigung der Fasern dazu, dass ein Spinnvlies oder ein gezwirnter Faden kaum herstellbar ist.
Es stellt sich demnach die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Gehalt an Superabsobentien anzugeben, das zu Fasern führt, die sowohl im Bereich von Vliesen als auch für Gewebe und Gewirke in Form von Mono-Fasern als auch Zwirnen (Multi-Filamenten) verwendet werden können.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden ( US 6194630 B1 ), Fasern mit Superabsorbentien dadurch herzustellen, dass ein thermoplastisches polymerisches Material zu Fasern verarbeitet wird und an dieses Material die Suberabsorbentien über eine Thermobindung durch Erhitzen der Polymerfaser gebunden werden. Bei diesem Verfahren ist allerdings nachteilig, dass ein großer Teil der Suberabsorbentien nicht haftet und als Überschuss verbleibt und jeweils wieder neu in das Verfahren eingeführt werden muss. Es lassen sich auch hierbei nur kleine Bruchteile der Mantelfläche einer Faser mit entsprechenden Absorbentien belegen. Es stellt sich demnach die weitere Aufgabe, eine Herstellung anzugeben, bei der eine Faser hergestellt wird, die zum einen gut zu verarbeiten und herzustellen ist und die zum anderen einen hohen Anteil an Suberabsorbentien gebunden hat.
Die vorgenannten Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 unter Anwendung folgender Verfahrensschritte:

– Bereitstellung der SAP-Fasermischung,
– Bereitstellung einer zweiten thermoplastischen Polymer-Mischung,
– Coextrusion beider Mischungen zu Bicomponenten-Filamenten, bei denen, im Fadenquerschnitt gesehen, die SAP-freie Polymermischung den Kern und die SAP-Fasermischung die periphere Umhüllung bilden,
– Nachbearbeiten und/oder Schneiden der Filamente auf die gewünschte Faserlänge.

Insbesondere sollte die Coextrusion so durchgeführt werden, dass die aus der SAP-Fasermischung bestehende Umhüllung 10 bis 50% der Querschnittsfläche der Bicomponenten-Filamente einnimmt.
Für die Herstellung des Kerns und der Grundmasse der SAP-Fasermasse werden thermoplastische Polymere ausgewählt aus der Gruppe Polyolefine, Polyamide, Polyurethane, extrudierbarer Polyvinylalkohole, Polyetherester oder andere spinnfähige Polymere.
Der Kern der Bicomponenten-Filamente kann aus einem Polyolefin, einer Mischung aus Polyolefinen oder aus Copolymeren mehrerer Polyolefine, vorzugsweise Polyethylen und Polypropylene und/oder Polyethylene, wiederum vorzugsweise lineare Polyethylene niedriger Dichte, bestehen.
Ähnliches gilt für das thermoplastische Polymer der SAP-Fasermischung.
Die Füllung der SAP-Fasermischung sollte 5 bis 50 Gewichts-% der Endmischung aus einem Superabsorber bestehen; letzterer sollte eine mittlere Korngröße von 1 bis 50 μm besitzen.
Eine Verbesserung der Wasseraufnahmegeschwindigkeit ergibt sich, wenn der SAP-Fasermischung vor dem Extrudieren ein Hydrophilisierungsmittel beigefügt wird.
Auch kann zur Verbesserung des Wasserübergangs die Außenfläche der Mantelschicht gegenüber einer glatten Zylinderschicht vergrößert werden.
Die gewonnenen Filamente können in üblicher Weise verstreckt, gecrimpt und geschnitten werden. Wasserkontakt muß dabei vermieden werden.
Verwendungsbeispiele sind für die hergestellten Bicomponenten-Fasern absorbierende Vliese, Zusatz zu nicht mit SAP-Granulaten versehenen Faserprodukten, insbesondere Airlaid-Vliesen aus Cellulose-Fasern. Weiter Verwendungszwecke sind in den Beispielen beschrieben.
Die zu einer Filament-Herstellung verwendeten Polymere erlauben auch ein Schmelzspinnverfahren, bei dem man von der Schmelze in einem Arbeitsgang zu einem Spinnvlies gelangt.
Eine Schmelzspinnanlage muss dabei für das Bicomponenten-Spinnen mit zwei Extruderanlagen ausgerüstet sein. Die bei den Extruder arbeiten auf einen Kopf und bilden ein Bicomponenten-Filament aus. Die Filamente treten als Filament-Vorhang aus dem Düsenkopf aus, werden von der Kühlluft erfasst und nach unten geführt. Dabei werden die Filamente abgekühlt und verstreckt. Der Filament-Vorhang gelangt über eine Saugwalze auf ein Transportband, welche ihn auf dem Band festhält und mit dem Band weiterführt. Eine Anpresswalze sorgt für eine leichte Vorfixierung des Vlieses. Das Vlies wird vom Band abgezogen und in einem Walzenspalt zwischen einer Prägewalze und einer Glattwalze durch Prägung endfixiert.
Ein so erzeugtes Spinnvlies zeigt gute Festigkeitseigenschaften und kann in verschiedenen Flächengewichten erzeugt werden. Es stellt wegen seines hohen Gehaltes an Superabsorbern beispielsweise ein wichtiges Ausgangsprodukt dar für Anwendungen im Hygienebereich, in der Medizin, für Spezialverpackungen beim Transport von exsudierenden Lebensmitteln und für technische Bereiche, bei denen es auf eine Feuchtigkeitsaufnahme ankommt.
Die durch das Verfahren hergestellten Fasern können sowohl zur Herstellung von gewebten als auch von gewirkten Materialien verwendet werden, bei denen eine hohe Wasserabsorption erwünscht ist. Sie können zur Herstellung von Vliesen verwendet werden als auch als Beimischung zu anderen, nicht Superabsorbentien enthaltenden Fasermaterialien, wie beispielsweise Cellulose-Fasern, wobei durch Erwärmung die Polymerbestandteile anschmelzen und eine Bindungswirkung zustande kommt.
Superabsorbentien, die relativ spröde sind und daher auch bis auf eine gewünschte Korngröße zu vermahlen sind, können durch Herstellung und Polymerisation von Acrylsäure und Stärke in einem wässrigen Medium hergestellt werden, wobei ein polyfunktionelles Monomer, wie beispielsweise N,N-alkylene-bis-acrylamid, als Vernetzungsagens eingesetzt wird. Ein solches Verfahren ist in dem US-Patent 4 076 663 beschrieben. Superabsorbentien können auch durch inverse Polymerisation von Acrylsäure hergestellt werden, wobei hier noch eine polyfunktionale Komponente verwendet wird, wie beispielsweise Epichlorhydrin. Weitere Superabsorbentien sind beschrieben in den US-Patenten 4 654 039, 3 669 103 und 3 670 731. Beschreibungen weiterer superabsorbierendem Polymere finden sich in den U.S.-Schriften 4 076 663 und 4 340 706.
Die in der Größe von 5 bis 40 μm vorliegenden suberabsorbierenden Kristalle haben eine Körngröße, die es erlaubt, sie in entsprechende Fäden und Filamente einzubauen. Die Superabsorbention quellen auf, wenn sie Wasser oder wässrige Flüssigkeiten aufnehmen. Dieses Aufquellen wird auch bei den Filamenten und Fasern beobachtet, die nach dem Verfahren hergestellt sind. Um eine bessere Zugänglichkeit der Flüssigkeiten zu den Absorber-Oberflächen zu ermöglichen, wird hier ein hydrophilisierendes Mittel zugesetzt.
Verfahren zur Herstellung von Bicomponenten-Fasern mit Hilfe von Coextrusionen sind bekannt. Es sei beispielsweise hingewiesen auf die US-Patentschrift 5 405 682, bei der ein Vlies beschrieben wird, das aus Mehrkomponenten-Filamenten hergestellt wird, die aus einer Mischung von Polyolefinen und elastischem, thermoplastischem Material bestehen.
Das Material kann anschließend wie im üblichen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden. Wesentlich ist, das eine inerte Atmosphäre, zumindest trockene Atmosphäre, verwendet wird, so dass kein Wasser an die Superabsorbentien gelangen kann.
Die Wasseraufnahme bei den später daraus hergestellten Produkten hängt ab vom Gehalt an Superabsorbentien und deren Konsistenz und Quellfähigkeit.
Insbesondere ist bei der Verwendung derartiger Produkte an Hygiene-Produkte, wie Windeln, Inkontinenz-Produkte, Monatsbinden und dergleichen gedacht. Es ist aber auch möglich, das Material als Wasser aufsaugendes Mittel, insbesondere im Bereich der Lebensmittel-Technologie zu verwenden.
Die folgenden Beispiele geben an, in welchen Bereichen die Produkte hergestellt und verwendet werden.
Typische Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden beschrieben.
Beispiel 1
Ein Polypropylen mit einem MFI von 26 bis 35, gemessen bei 230°C und 2,16 kp Belastung ausgewählt. Das Polypropylen hat eine Molekulargewichtsverteilung, die kleiner als 3,5 ist. Die Dichte beträgt 0,92. Es wurden folgende, im Handel befindlichen Produkte verwendet: Hostalen PPU 1780F, alternativ Hymont Moplen H 22 A 225 Exxon PD 3445 oder Hüls Vestolen TPCX 2000.
Das Polypropylen wird in einen Aufschmelzextruder mit 20 bis 40 Gewichts-% Superabsorber auf der Basis Polyacrylat (Fabrikat FAVOR^®, Hersteller: Stockhausen GmbH und Co. KG, Krefeld) versetzt, vermischt und aufgeschmolzen. Dabei werden die Komponenten homogen und innig durchmischt. Der dem Polypropylen zugesetzte Superabsorber weist eine Korngröße von unter 50 Mikrometer auf. Durch Wahl der entsprechenden Extrusionsfilter kann die Korngröße berücksichtigt werden.
Die Schmelze wird einer Granulier-Vorrichtung zugeführt, wobei jeder Kontakt mit Wasser vermieden wird. Es wird ausschließlich Luftkühlung verwendet. Das gewonnene Granulat kann aufbewahrt werden und in einem Verfahren zur Herstellung einer Bicomponenten-Fasern eingesetzt werden.
Als Kern-Polymer dient Low Density-Polypropylen.
Die zum Spinnen notwendigen und bekannten Zusätze werde den Polymeren hinzugefügt. Es handelt sich um Gleitmittel, Füllmittel, Pigmente, Stabilisatoren und dergleichen in angemessenen Mengen.
Die beiden Polymere werden jeweils in einem Extruder aufgeschmolzen und den entsprechenden Extruder-Schnecken zugeführt. Unter Druck gelangt der Polymerstrom zu den Spinndüsen, die ein Bicomponenten-Filament coextrudieren (vgl. US-Patent 5 162 074).
Ein mehrschichtiges Filament wird nach dem Austritt aus der Düse vom Kühlluftstrom erfasst und gezielt abgekühlt. Auf dem Wege nach unten wird das Filament über Galetten ge führt, nachverstreckt, gecrimmt und zu Stapelfasern der Länge 4 bis 6 mm geschnitten.
Diese so hergestellten Fasern stellen ein neuartiges Superabsorber-Produkt dar und können zu einem Vlies verarbeitet werden.
Beispiel 2
In einem Versuchs-Doppelkammer-Extruder wird eine Mischung aus 200 g granuliertem und fein gemahlenem Low Density-Polyethylen mit 125 g eines fein gemahlenen und auf eine Korngröße kleiner als 7,5 μm abgesiebten Superabsorber der Marke FAVOR (Stockhausen GmbH und Co. KG, Krefeld) gemischt. Diese Mischung, im folgenden als SAP-Fasermischung bezeichnet, wird in die erste Extruder-Kammer eingeführt und aufgewärmt.
Für die Kernlage werden 300 g granuliertes Low Density-Polyethylen derselben Provenienz wie vorgenannt in die zweite Extruder-Kammer eingefüllt. Beide Extruder-Kammern und Schnecken werden samt Inhalt auf die erforderliche Extrusionstemperatur des Polyethylen aufgewärmt (ca. 180°C). Bei dieser Temperatur schmilzt das Superabsorber-Granulat noch nicht.
Die beiden Schmelzen werden über die Extruder-Schnecke einem gemeinsamen Coextrusionsmundstück zugeführt und zu Filamenten mit einer konzentrischen Anordnung von Kern und Mantel coextrudiert. Hierbei wird ein Filament mit 18 μm Durchmesser hergestellt, bei dem der Kern 60% und der Mantel 40% der Querschnittsfläche einnehmen.
Das Material wird zu Fäden der Länge 10 cm geschnitten und gehäufelt. Anschließend, nach der Abkühlung, wird das geschnittene Material mit destilliertem Wasser in Verbindung gebracht. Es ist in der Lage, mehr als 80% seines Gewichtes an Wasser aufzunehmen.
Beispiel 3
In einem Versuchs-Doppelkammer-Extruder wie in Beispiel 1 wird eine Mischung aus 180 g Low Density-Polyethylen mit 120 g Acrylat-Superabsorber, wie in Beispiel 1 genannt, gemischt. Diese SAP-Fasermischung wird in die erste Extruder-Kammer eingeführt und aufgewärmt.
Für die Kernlage werden 300 g fein gemahlenes Polypropylen in die zweite Extruder-Kammer eingefüllt. Beide Extruder-Kammern und Schnecken werden samt Inhalt auf die erforderliche Extrusionstemperatur des Polypropylens aufgewärmt (ca. 225° C). Bei dieser Temperatur schmilzt das Superabsorber-Granulat noch nicht.
Die beiden Schmelzen werden über die Extruder-Schnecken einem gemeinsamen Coextrusionsmundstück zugeführt und zu Filamenten mit einer konzentrischen Anordnung von Kern und Mantel coextrudiert. Bei dem Coextrusionsmundstück ist die Innenseite der außen Peripherie so konturiert, dass sich eine von der Zylinder vom abweichende und vergrößerte Mantelaußenfläche ergibt. Es wird ein Filament mit 15 mμ Durchmesser hergestellt, bei dem der Kern 70% und der Mantel 30% der Querschnittsfläche einnehmen.
Das Material wird gehäufelt abgelegt, wobei sich eine spinnvliesartige Anordnung ergibt. Das Extrudat lässt sich ohne weiteres und ohne unerwünschte Unterbrechung extrudieren. Es ist nach Abkühlung in der Lage, mehr als 80% seines Gewichtes an Wasser aufzunehmen.
Beispiel 4
In einem Versuchs-Doppelkammer-Extruder wird eine Mischung aus 250 g eines Copolymer aus Polyethylen und Ethylen-Vinyl-Acetat mit 125 g eines fein gemahlenen und auf eine Korngröße kleiner als 7,5 μm abgesiebten Superabsorber aus einem Copolymer aus 91 Acrylsäure und 9 % Stärke, vernetzt mit N,N'-Methylen-bis-acrylamid (vergl. US Patent 4 076 663) gemischt. Dieser Mischung, im folgenden als SAP-Fasermischung bezeichnet, wird in die erste Extruder-Kammer eingeführt und mit 0,5 Gew.-% eines nichtionischen Hydrophilisierungsmittels (Stantex der Cognis GmbH) gemischt und erwärmt.
Für die Kernlage werden 300 g granuliertes plastifizierbares Polyurethan in die zweite Extruder-Kammer eingefüllt. Beide Extruder-Kammern und Schnecken werden samt Inhalt auf die erforderliche Extrusionstemperatur des Polyethylen aufgewärmt (ca. 180°C). Bei dieser Temperatur schmilzt das Superabsorber-Granulat noch nicht.
Die beiden Schmelzen werden über die Extruder-Schnecke einem gemeinsamen Coextrusionsmundstück zugeführt und zu Filamenten mit einer konzentrischen Anordnung von Kern und Mantel coextrudiert. Hierbei wird ein Filament mit 14 μm Durchmesser hergestellt, bei dem der Kern 50 % und der Mantel 50% der Querschnittsfläche einnehmen.
Das Material wird zu Fäden der Länge 25 cm geschnitten und gehäufelt. Anschließend, nach der Abkühlung, wird das geschnittene Material mit destilliertem Wasser in Verbindung gebracht. Es ist in der Lage, mehr als 80% seines Gewichtes an Wasser aufzunehmen. Dabei geht die Wasseraufnahme schneller vor sich als bei den Fasern gemäß Beispiel 1 und 2.
Beispiel 5
Das Material des Beispiels 2 oder 3 wird zunächst verstreckt, dann gekrimpt und auf eine Faserlänge von 4 bis 6 cm geschnitten. Es wird anschließend Cellulose-Fasern (Pulpe-Fasern aus nordischen Hölzern, gebleicht) zu 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse, beigefügt und in einem Airlaid-Verfahren gelegt und durch Kalander mit einem Druck von 5 MPa verdichtet. Anschließend erfolgt eine Erhitzung auf 180°C. Die mit Superabsorber angereicherten Bicomponenten-Fasern wirken sowohl als Bindemittel als auch als Absorptionsmittel.
Beispiel 6
Filamente gem. Beispiel 4 werden als Filamente ausgesponnen, auf dem Wege nach unten gekühlt, verstreckt und auf ein endloses Transportband abgelegt. Es wird nach bekannten Verfahren ein Spinnvlies hergestellt, verfestigt und aufgewickelt. Das Spinnvlies hat eine ausreichende Festigkeit zur Verarbeitung in Hygiene-Artikeln und besitzt darüber hinaus typische Superabsorber-Eigenschaften.
In ähnlicher Weise kann auch ein mit Meltblown-Spinnverfahren durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Gehalt an Superabsorbentien, unter wenigstens teilweiser Verwendung eines Fasermaterials, das aus einer thermoplastisch verarbeitbaren Mischung aus superabsorbierendem Polymer und einem synthetischen thermoplastischen Fasermaterial (im folgenden SAP-Fasermischung) hergestellt wird, mit folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellung der SAP-Fasermischung, – Bereitstellung einer zweiten thermoplastischen Polymer-Mischung, – Coextrusion beider Mischungen zu Bicomponenten-Filamenten, bei denen, im Fadenquerschnitt gesehen, die SAP-freie Polymermischung den Kern und die SAP-Fasermischung die periphere Umhüllung bilden – Nachbearbeiten und/oder Schneiden der Filamente auf die gewünschte Faserlänge.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Coextrusion derart erfolgt, daß die aus der SAP-Fasermischung bestehende Umhüllung 10 bis 50% der Querschnittsfläche der Bicomponenten-Filamente einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Herstellung des Kerns verwendeten thermoplastischen Polymere ausgewählt werden aus der Gruppe Polyolefine, Polyamide, Polyester, Polyurethane, extrudier- und verspinnbare Polyalkohole, Polyethere ster oder spinnfähige Polymere.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern der Bicomponenten-Filamente aus einem Polyolefin, einer Mischung aus Polyolefinen oder aus Copolymeren mehrerer Polyolefine gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern der Bicomponenten-Filamente aus Polyethylen, vorzugsweise einem linearen Polyethylen niedriger Dichte, einem Polypropylen oder ein Polyethylen-Polypropylen-Copolymerisat besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer der SAP-Fasermischung ausgewählt wird aus der Gruppe der Polyamide, Polyester, Polyurethane, extrudierbarer Polyalkohole, Polyetherester oder anderer spinnfähiger Polymere.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer der SAP-Fasermischung aus einem Polyolefin-Ethylenvinylacetat, vorzugsweise Polypropylen-Ethylenvinylacetat, gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer der SAP-Fasermischung aus einem Polyolefin, einer Mischung aus Polyolefinen oder aus Copolymeren mehrerer Polyolefine gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SAP-Fasermischung 5 bis 50 Gewichts-% eines Superabsorbers enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SAP-Fasermischung einen Superabsorber mit einer mittleren Korngröße von 1 bis 50 μm enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SAP-Fasermischung vor dem Extrudieren ein wärmebeständiges Hydrophilisierungsmittel beigefügt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Mantelschicht gegenüber einer glatten Zylinderschicht vergrößert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die coextrudierten Filamente verstreckt werden.
Verwendung der gemäß den vorhergehenden Verfahrensansprüchen hergestellten Bicomponenten-Fasern zur Herstellung eines absorbierenden Vlieses.
Verwendung der gemäß den vorhergehenden Verfahrensansprüchen hergestellten Bicomponenten-Fasern als Zusatz zu nicht mit SAP-Granulaten versehenen Faserprodukten, insbesondere Airlaid-Vliesen aus Cellulose-Fasern.