DE69319214T2

DE69319214T2 - Verbesserter Partikeln-Sperrvliesstoff

Info

Publication number: DE69319214T2
Application number: DE69319214T
Authority: DE
Inventors: Ruth Lisa Levy; Michael Tod Morman
Original assignee: Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Corp
Priority date: 1992-12-31
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-11-06
Also published as: JPH06220764A; MX9307220A; EP0604737B1; CN1069576C; AU667581B2; CN1089546A; JP3876004B2; EP0604737A1; KR100236752B1; TW251322B; AU5052193A; DE69319214D1; ZA938313B; CN1215660A; US5320891A; CN1041700C; CA2096985A1; KR940015010A; ES2119847T3; BR9305258A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Partikelsperrmaterialien und ein Verfahren zum Herstellen dieser Materialien.
Es gibt viele Arten nichtgewebter Bahnen, die als Partikelsperrmaterialien verwendet werden.
Von nichtgewebten Bahnen aus Fasern mit sehr kleinem Durchmesser oder aus Mikrofasern ist es seit langem bekannt, daß sie luftdurchlässig und dampfdurchlässig sind, während sie relativ undurchlässig gegenüber Partikel und/oder Flüssigkeitstropfen (beispielsweise Aerosolen) bleiben. Geeignete Bahnen aus Fasern mit kleinem Durchmesser können hergestellte werden, indem man nichtelastomere, thermoplastische Polymere unter Verwendung von Fasernformverfahren extrudiert, wie beispielweise Schmelzblasprozesse. Derartige nichtgewebte Bahnen aus schmelzgeblasenen Fasern, hergestellt aus nichtelastomeren Polymeren sind relativ preisgünstig und finden viele Anwendungen in Produkten für eine begrenzte Verwendung oder in wegwerfbaren Produkten, die ausgebildet sind, um als Barrieren gegen teilchenförmige Materialien zu dienen.
Wichtige Anwendungsfälle dieser Materialien enthalten, beispielsweise, medizinische und industrielle Arbeitskleidung, Filtermaterialien und Gesichtsmasken. In den vergangenen Jahren hat man sich verstärkt mit der Filtereffektivität von ärztlichen Gesichtsmasken beschäftigt, wegen der Probleme, die mit erworbenen Immunschwächesyndromen, Tuberkulose und anderen Infektionskrankheiten, die mit Hilfe von Tropfen, die in einer medizinischen Umgebung erzeugt werden, übertragen werden, als auch mit der Verwendung der Laserchirurgie mit der dort auftretenden Aerosolwolke, die durch Verdampfung von Gewebe erzeugt wird, zusammenhängen. In vielen Anwendungsfällen dieser Partikelsperrmaterialien ist es wünschenswert, eine Kombination von Partikelsperreigenschaften und Porosität zu schaffen. Leider war es bisher schwierig, diese Eigenschaften zusammenzubringen, da konventionelle Verfahren zum Erhöhen der Partikelsperreigenschaften gewöhnlich dazu neigen, die Porositat eines Materials zu verringern.
Demgemäß besteht ein Bedarf an einem kostengünstigen Material, das porös und atmend und trotzdem relativ undurchlässige für Partikel und/oder Flüssigkeitstropfen ist.

Definitionen

Die Begriffe "Dehnung" und "Verlängerung", wie sie hier verwendet werden, beziehen sich auf den Unterschied zwischen der anfänglichen Abmessung eines Materials und dieser gleichen Abmessung, nachdem das Material im Anschluß an das Aufbringen einer Belastungskraft gedehnt oder gestreckt wurde. Die prozentuale Dehnung oder Verlängerung kann ausgedrückt werden als [(gedehnte Länge - ursprüngliche Probenlänge)/ursprüngliche Probenlänge] x 100. Wenn beispielsweise ein Material mit einer ursprünglichen Länge von 2,54 cm (1 Zoll) um 2,16 cm (0,85 Zoll), d.h. auf eine gedehnte oder gestreckte Länge von 4,7 cm (1,85 Zoll) ausgedehnt wird, kann man sagen, daß dieses Material eine Dehnung von 85% aufweist.
Der Begriff "nichtgewebte Bahn", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Bahn, die eine Struktur aus individuellen Fasern oder Filamenten aufweist, die ineinandergeschlungen sind, jedoch nicht in einer identifizierbar sich wiederholenden Weise. Nichtgewebte Bahnen wurden in der Vergangenheit durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt, die dem Fachmann bekannt sind, wie beispielsweise Schmelzblasverfahren, Spinnbindungsverfahren und Verfahren zum Herstellen gebundener kardierter Bahnen.
Der Begriff "spinngebundene Bahn", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Bahn aus Fasern und/oder Filamenten mit geringem Durchmesser, die hergestellt wurden durch Extrudieren eines geschmolzenen, thermoplastischen Materials als Filamente aus einer Vielzahl von feinen, gewöhnlich kreisförmigen Kapillaröffnungen in einem Spinnkopf, wobei der Durchmesser der extrudierten Filamente dann schnell verringert wurde, beispielsweise durch nicht-saugunterstütztes oder saugunterstütztes Strömungsmittelziehen oder durch andere gut bekannte Spinnbindungsmechanismen. Die Herstellung von spinngebundenen, nichtgewebten Bahnen wird dargestellt in Patenten wie beispielsweise US-Patent 4 340 563, Appel u.a., US-Patent 3692 618, Dorschner u.a., US-Patent 3 338 992, Kinney, US-Patent 3 341 394, Kenney, US-Patent 3276 944, Levy, US-Patent 3 502 538 Peterson, US-Patent 3 502 763 Hartman, US-Patent 3 542 615, Dobo u.a., und CA-Patent 803 714, Harmon.
Der Begriff "schmelzgeblasene Fasern", wie er hier verwendet wird, bezeichnet Fasern, die durch Extrudieren eines geschmolzenen, thermoplastischen Materials durch eine Vielzahl von feinen, gewöhnlich kreisförmigen Formkapillaren als geschmolzene Stränge oder Filamente in einen Strom aus Hochgeschwindigkeitsgas (beispielsweise Luft) hergestellt wurden, der die Filamente aus geschmolzenen Materialien auszieht, um ihre Durchmesser zu reduzieren, was bis zum Mikrofaserdurchmesser gehen kann. Danach werden die schmelzgeblasenen Fasern durch den Hochgeschwindigkeits-Gasstrom getragen und auf eine Sammelfläche abgelegt, um eine Bahn aus zufällig abgelegten, schmelzgeblasenen Fasern zu bilden. Der Schmelzblasprozeß ist gut bekannt und ist in verschiedenen Patenten und Publikationen beschrieben, einschließlich des NRL-Reports 4364, "Herstellung von superfeinen organischen Fasern" von V.A. Wendt, E.L. Boone und C.D. Fluharty, dem NRL-Report 5265, "Verbesserte Einrichtung für die Herstellung superfeiner, thermoplastischer Fasern" von K.D. Lawrence, R.T. Lukas und J.A. Young, und dem US-Patent 3 849241, erteilt am 19.11.1974, Buntin u.a.
Der Begriff "Mikrofasern", wie er hier verwendet wird, bezeichnet Fasern mit geringem Durchmesser, die einen mittleren Durchmesser von nicht mehr als etwa 100 um, beispielweise einen Durchmesser von etwa 0,5 um bis etwa 50 um aufweisen, wobei Mikrofasern insbesondere auch einen mittleren Durchmesser von etwa 1 um bis etwa 20 um aufweisen können. Mikrofasern mit einem mittleren Durchmesser von etwa 3 um oder weniger werden gewöhnlich als ultrafeine Mikrofasern bezeichnet. Eine Beschreibung eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen ultrafeiner Mikrofasern, ist beispielsweise in der US-Patentanmeldung, Anmeldenummer 07/779 929 mit dem Titel "Nichtgewebte Bahn mit verbesserten Sperreigenschaften", angemeldet am 26.11.1991, zu finden, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
Der Begriff "thermoplastisches Material", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Hochpolymer, das erweicht, wenn es Wärme ausgesetzt ist, und ungefähr zu seinem Originalzustand zurückkehrt, wenn es auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Natürliche Substanzen, die dieses Verhalten zeigen, sind beispielsweise Rohgummi und eine Anzahl von Wachsen. Andere beispielhafte thermoplastische Materialien enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Polyvinylchlorid, Polyester, Nylon, Polyfluorkohlenstoffe, Polyäthylen, Polyurethan, Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylalkohol, Caprolactam, sowie Zellulose- und Acrylharze.
Der Begriff "unmittelbar benachbart", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine aneinander anschlagende, aneinander angrenzende oder einander berührende Bedingung. Beispielsweise beziehen sich unmittelbar benachbarte Faserabschnitte auf Bereiche entlang der Länge einer kontinuierlichen Faser, die einander an einer Referenzstelle berühren. Allgemein gesagt, können unmittelbar benachbarte Fasemabschnitte als eine Länge einer Faser beschrieben werden, die innerhalb eines linearen Abstandes von etwa dem 20-fachen des Durchmessers der Faser an der Referenzstelle sind, und die einander an der Referenzstelle berühren. So können beispielsweise unmittelbar benachbarte Faserabschnitte eine Faserlänge innerhalb eines linearen Abstandes von etwa dem 2- bis etwa dem 15-fachen des größten Durchmesser der Faser an der Referenzstelle sein, wobei diese die Referenzstelle berührt.
Der Begriff "wegwerfbar", wie er hier verwendet wird, ist nicht auf Artikel für den Einmalgebrauch begrenzt, sondern bezieht sich ebenfalls auf Artikel, die nach nur wenigen Gebrauchsfällen weggeworfen werden können, wenn sie verschmutzt oder anderweitig unbrauchbar geworden sind.
Der Begriff "Partikeleindringung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den Durchtritt von Partikeln eines bestimmten Größenbereichs durch ein Material. Allgemein gesagt, kann die Partikeleindringung aus der Partikelhaltewirkung des Materials errechnet werden. In prozentualer Form, kann die Partikeleindringung durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Prozentuale Partikeleindringung = 100 x prozentuale Partikelhaltewirkung
Eine hohe Partikelhaltewirkung entspricht im allgemeinen einer niedrigen Partikeleindringung. Die Partikelhaltewirkung kann gemessen werden durch Bestimmung der Luftfilterrückhaltung von trockenen Partikeln unter Verwendung von Versuchen, wie beispielweise das IBR-Versuchsvefahren Nr. E-217, Überarbeitung G (1/15/91), durchgeführt durch Interbasic Resources, Inc., Grass Lake, Michigan. Allgemein gesagt, wird in derartigen Versuchen teilchenförmiges Material auf der zu untersuchenden Seite eines Versuchstextilmaterials in der Luft verteilt, unter Zuhilfenahme eines Gebläses, das die partikelhaltige Luft auf die Oberfläche des Versuchs-Textilmaterials richtet. Die Konzentration von Staubpartikeln in der Atmosphäre an der Versuchsseite und die Konzentration von Staubpartikeln in der Atmosphare auf der gegenüberliegenden Seite des Versuchstextilmaterials (d.h. die Teilchen, die durch das Textilmaterial hindurchgetreten sind) wird für verschiedene Größenbereiche durch einen Partikelzähler gemessen. Eine Partikelhaltewirkung wird berechnet durch die Bestimmung des Konzentrationsunterschiedes und durch anschließendes Dividieren dieses Wertes durch die Konzentration an der Versuchsseite.
Der Begriff "Partikelsperrmaterial", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Material, das einen geeigneten Grad eines Widerstandes gegen das Eindringen von Partikeln und/oder Flüssigkeitstropfen aufweist, während es einen wünschenswerten Grad an Porosität behält. Der Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln und/oder Flüssigkeitstropfen kann bestimmt werden, indem man die Luftfilterrückhaltung trockener Partikel bestimmt und kann ausgedrückt werden als Partikelhaltewirkung oder prozentuale Partikaleindringung. Allgemein gesagt, sollten Partikelsperrmaterialien eine Partikeleindringung von weniger als etwa 50 % an Partikeln aufweisen, die einen spezifischen Durchmesser haben, wenn unter Verwendung eines konventionellen Tests für die Partikelhaltewirkung gemessen wurde. Beispielsweise sollte ein Partikelsperrmaterial eine Partikeleindringung von weniger als etwa 50 % bei Partikeln aufweisen, die größer als etwa 1 um sind. Es ist zu erwarten, daß bei einigen Partikelsperrmaterialien eine Partikeleindringung gemessen werden kann, die größer als etwa 50 % für bestimmte Partikelgrößen unter 1 um unter einer extrem harten Bestimmung der Partikelhaltewirkung (d.h. extremen Testbedingungen) ist.
Der Begriff "α-Übergang", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Phänomen, das in im wesentlichen kristallinen, thermoplastischen Polymeren auftritt. Der α-Übergang bezeichnet den höchsten Temperaturübergang unterhalb der Schmelztemperatur (Tm) und wird oft als Vorschmelzen bezeichnet. Unterhalb des α-Übergangs sind die Kristalle im Polymer fest. Oberhalb des α-Übergangs können Kristalle zu veränderten Strukturen wärmebehandelt werden. Der α-Übergang ist gut bekannt und wurde in Veröffentlichungen wie beispielsweise "Mechanische Eigenschaften von Polymeren und Zusammensetzungen" (Band 1) von Lawrence E. Nielsen und "Polymermonografien", herausgegeben von J. Moraweitz (Band 2 - Polypropylen, von H.P. Frank) beschrieben. Allgemein gesagt, wird der α-Übergang unter Verwendung differentialer Rastercalorimetertechniken auf einer Ausrüstung, wie beispielsweise einem Mettler DSC 30 Differential- Rastercalorimeter, bestimmt. Standardbedingungen für typische Messungen sind die folgenden: Wärmeprofil, 30ºC bis zu einer Temperatur etwa 30ºC oberhalb des Schmelzpunktes des Polymers mit einer Geschwindigkeit von 10ºC/min; Atmosphäre, Stickstoff mit 60 Standardkubikzentimeter (SCC)/min; Probengröße, 3 bis 5 mg.
Der Begriff "Schmelzbeginn bei einem Flüssiganteil von 5%", bezieht aisch auf eine Temperatur, die einer bestimmten Größenordnung einer Phasenumwandlung in einem im wesentlichen kristallinen Polymer nahe seines Schmelzübergangs entspricht. Der Schmelzbeginn tritt bei einer Temperatur auf, die niederiger ist als er Schmelzübergang und die charakterisiert ist durch unterschiedlichen Verhältnisse des Flüssigantells zum Festanteil im Polymer. Der Schmelzbeginn wird bestimmt unter Verwendung von Differential-Rastercalorimetrietechniken auf einer Ausrüstung, wie beispielsweise einem Differential-Rastercalorimeter Mettler DSC 30. Standardbedingungen für typische Messungen sind folgende: Wärmeprofil, 30º bis auf eine Temperatur von etwa 30ºC über dem Schmelzpunkt des Polymers mit einer Geschwindigkeit von 10ºc/min; Atmosphäre, Stickstoff mit 60 Standardkubikzentimeter (SCC)/min; Probengröße, 3 bis 5 mmg.
Der Begriff "eingeschnürtes Material", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf irgendein Material, das in mindestens einer Abmessung durch Verfahren wie beispielsweise Ziehen, eingeengt wurde.

7

Der Begriff "einschürbares Material", wie er hier verwendet wird, bedeutet jedes Material, das eingeschnürt werden kann.
Der Begriff "Dehnungsrichtung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die Richtung, in der das Material gedehnt wird.
Der Begriff "prozentuale Einschnürung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf das Verhältnis, das bestimmt wird durch Messen der Differenz zwischen der Abmessung vor dem Einschüren und der eingeschnürten Abmessung eines einschnürbaren Materials, und einem anschließenden Dividieren dieser Differenz durch die Abmessung des einschnürbaren Materials vordem Einschnüren; wobei diese Zahl mit 100 multipliziert wird. Beispielsweise kann die prozentuale Einschnürung durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
Prozentuale Einschnürung = [(Abrnessung vor dem Einschnüren x eingeschnürte Abmessung)/Abmessung vor dem Einschnüren] x 100
Der Begriff "bestehend im wesentlichen aus", wie er hier verwendet wird, schließt nicht die Anwesenheit von zusätzlichen Materialien aus, die die gewünschten Eigenschaften einer vorgegebenen Zusammensetzung oder eines Produktes nicht wesentlich beeinflussen. Beispielhafte Materialien dieser Art können einschließen, ohne Begrenzung, Pigmente, Antioxidantien, Stabilisierer, oberflächenaktive Mittel, Wachse, Fließmittel, Teilchen oder Materialien, die zugesetzt wurden, um die Verarbeitbarkeit der Zusammensetzung zu verbessern.
Die WO90/03258 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines rückkehrbar eingeschnürten Materials. Um ein rückkehrbar eingeschnürtes Material herzustellen, wird die Bahn zunächst zum Ausbilden der Kräuselungen und Knicke und für eine Neuorientierung der Fasern unter Spannung gesetzt und danach wird die gespannte Bahn erhitzt, um dem Polymer eine zusätzliche Kristallisation zu verleihen. Das dadurch hergestellte Material ist elastisch in einer Richtung senkrecht zur Zugrichtung. Das Verfahren dieser Druckschrift soll nicht zu permanent abschnittsweise reduzierten Faserdurchmessern führen, wobei diese permanente Verformung zu einer Verlängerung der Fasern führen würde und dadurch die elastischen Eigenschaften verringern würde, die erreicht werden sollen.
Die vorliegende Erfindung erfüllt die obenbeschriebenen Anforderungen durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines nichtgewebten Materials mit einem verbesserten Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt die folgenden Verfahrensschritte (1) Aufheizen eines nichtgewebten Materials, das schmelzgeblasene, thermplastische Polymerfasem enthält, auf eine Temperatur, bei der der Spitzenwert der Gesamtenergie, der durch die Bahn absorbiert wird, mindestens 250 % größer ist als der durch die Bahn bei Raumtemperatur absorbierte Wert; (2) Aufbringen einer Zugkraft, um das erwärmte, nichtgewebte Material einzuschnüren, so daß mindestens ein Bereich der individuellen schmelzgeblasenen Fasern Abschnitte aufweist, wo der Faserdurchmesser wesentlich geringer als der Durchmesser der unmittelbar benachbarten Abschnitte ist; und (3) Abkühlen des eingschnürten, nichtgewebten Materials.
Allgemein gesagt, kann die nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen, thermoplastischen Polymerfasern auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der Spitzenwert der gesamten, durch die Bahn absorbierten Energie mindestens etwa 250 % größer ist, als der durch die Bahn bei Raumtemperatur absorbierte Wert. Beispielsweise kann die Bahn auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der der Spitzenwert der Gesamtenergie, die durch die Bahn absorbiert wird, von etwa 300 % bis mehr als etwa 1000 % größer ist, als der durch die Bahn bei Raumtemperatur absorbierte Wert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt das Verfahren ein nichtgewebtes Material, das aus mindestens einer Bahn aus schmelzgeblasenen, thermoplastischen Polymerfasern besteht, in der mindestens ein Teil der individuellen, schmelzgeblasenen Fasern Abschnitte aufweist, wo der Faserdurchmesser wesentlich geringer als der Durchmesser unmittelbar benachbarter Abschnitte ist, so daß das Eindringen von Teilchen um mindestens etwa 10 % mehr verringert wird, als bei einer identischen, nichtgewebten Bahn, bei der die schmelzgeblasenen Fasern eine derartige Änderung im Faserdurchmesser nicht zeigen.
Beispielsweise kann das nichtgewebte Partikelsperrmaterial so angepaßt werden, daß es das Eindringen von Partikeln um etwa 15 bis 50 % oder mehr verringert, als bei einer identischen, nichtgewebten Bahn, bei der die schmelzgeblasenen Fasern eine derartige Änderung im Faserdurchmesser nicht zeigen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, hat das nichtgewebte Partikelsperrmaterial mit einem verbesserten Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln, etwa die gleiche Porosität wie ein identisches, nichtgewebtes Material, das nicht auf diese Weise behandelt wurde, um individuelle schmelzgeblasene Fasern mit Abschnitten herzustellen, in denen der Faserdurchmesser wesentlich geringer als der Durchmesser unmittelbar benachbarter Abschnitte ist. Allgemein gesagt, sollten die Abschnitte der individuellen, schmelzgeblasenen Fasern, die eine Verringerung des Durchmessers zeigen, einen Durchmesser von mindestens etwa 10 % geringer als die unmittelbar benachbarten Faserabschnitte haben. Beispielsweise können die gezogenen oder verringerten Bereiche einen Durchmesser von etwa 10 bis etwa 90 % geringer als die unmittelbar benachbarten Faserabschnitte haben. Als weiteres Beispiel, können die gezogenen oder verringerten Abschnitte einen Durchmesser von etwa 20 bis etwa 50 % weniger als die unmittelbar benachbarten Faserabschnitte haben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, kann das Material eine Porosität haben, die etwa 6 (m³/min)/m² oder 20 (ft³/min)/ft2,, also CFM/ft² aufweisen. Beispielsweise kann das Partikelsperrmaterial eine Porosität im Bereich von etwa 7,5 bis etwa 45 m³/min/m² (25 bis etwa 150 CFM/ft²) aufweisen. Als weiteres Beispiel kann das Partikelsperrmaterial eine Porosität im Bereich von etwa 9 bis etwa 22,5 m³/min/m² (30 bis etwa 75 CFM/ft²) aufweisen.
Das Partikelsperrmaterial und/oder die Laminate dieser Materialien können ein Flächengewicht von etwa 6 bis etwa 400 g pro Quadratmeter (gsm) aufweisen. Beispielsweise kann das Flächengewicht im Bereich von etwa 20 bis etwa 150 g pro Quadratmeter liegen.
Die schmelzgeblasenen Fasern des Materials können schmelzgeblasene Mikrofasern enthalten. Bevorzugt haben mindestens etwa 50 % (auf der Basis der Anzahl der Fasern) bestimmt durch eine analytische Bildanalyse, der schmelzgeblasenen Mikrofasern einen mittleren Durchmesser von weniger als 5 um. Beispielsweise können etwa 50 % der schmelzgeblasenen Fasern ultrafeine Mikrofasern mit einem mittleren Durchmesser von etwa 3 um oder weniger sein. Als weiteres Beispiel, können von etwa 60 % bis etwa 100 % der schmelzgeblasenen Mikrofasern einen mittleren Durchmesser von weniger als 5 um haben oder können ultrafeine Mikrofasern sein. Die schmelzgeblasenen Fasern werden aus einem thermoplastischen Polymer hergestellt, das beispielsweise ein Polyolefin, ein Polyester oder ein Polyamid sein kann. Wenn das Polymer ein Polyolefin ist, kann es Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten, Äthylencopolymere, Propylencopolymere, Butencopolymere und/oder Mischungen dieser Materialien sein. Die nichtgewebte Bahn kann ebenfalls eine Mischung aus schmelzgeblasenen Fasern und einem oder mehreren Sekundärmaterialien sein, wie beispielsweise Textilfasern, Holzpulpefasern, Teilchen oder suberabsorbierende Materialien. Wenn die schmelzgeblasenen Fasern aus einem Polyolefin hergestellt sind, findet die obenbeschriebene Wärmebehandlung gewöhnlich bei einer Temperatur statt, die im Bereich oberhalb des α-Übergangs des Polymers bis etwa 10% unterhalb des Beginns des Schmelzens bei einem Flüssiganteil von 5% liegt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere Schichten des Partikelsperrmaterials mit einer oder mehreren anderen Schichten eines Materials verbunden werden, um ein mehrschichtiges Laminat zu bilden. Die anderen Schichten können beispielsweise sein gewebte Textilmaterialien, gewirkte Textilmaterialien, gebundene, cardierte Bahnen, Bahnen aus kontinuierlichen Filamenten (beispielsweise spinngebundene Bahnen), schmelzgeblasene Faserbahnen und Kombinationen daraus.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, können eine oder mehrere Schichten des Partikelsperrmaterials mit einer oder mehreren anderen Schichten des Partikelsperrmaterials kreuzgefaltet werden, um ein mehrschichtiges Laminat zu bilden.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen eines beispielhaften, verbesserten, nichtgewebten Partikelsperrmaterials unter Verwendung einer Reihe von Dampfkannen.
Fig. 2 + 3 sind Mikroskopfotografien eines beispielhaften, einschnürbaren Materials vor der Behandlung.
Fig. 4 + 5 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines beispielhaften, einschnürbaren Materials vor der Behandlung.
Fig. 6 + 7 sind Mikroskopfotografien eines beispielhaften, einschnürbaren Materials das erhitzt, eingeschnürt und dann abgekühlt wurde, während es im eingeschnürten Zustand gehalten wurde.
Fig. 8 + 9 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 30ºC erhitzt und dann gedehnt wurde.
Fig. 10 + 11 sind vergrößerte Mikroskofotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 80ºC erhitzt und dann gedehnt wurde.
Fig. 12 + 13 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 105ºC erhitzt und dann gedehnt wurde.
Fig. 14 + 15 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 130ºC erhitzt und dann gedehnt wurde.
Fig. 16 + 17 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 150ºC erhitzt und dann gedehnt wurde.
Fig. 18 ist eine grafische Darstellung der Temperatur über der absorbierten Gesamtenergie bei der Belastungspitze, gemessen während der Wärmebehandlung eines beispielhaften Partikelsperrmaterials.
Gemäß Fig. 1 der Zeichnung ist bei 10 ein beispielhafter Prozeß zum Herstellen eines verbesserten, nichtgewebten Partikelsperrmaterials schematisch dargestellt (d.h. ein nichtgewebtes Material mit einem verbesserten Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln). Fig. 1 stellt ein Verfahren dar, bei dem eine Wärmebehandlung durchgeführt wird unter Verwendung einer Reihe von erhitzten Trommeln oder Dampfkannen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wird ein nichtgewebtes, einschnürbares Material 12 von einer Zufuhrrolle 14 abgewickelt und bewegt sich in der durch den zugeordneten Pfeil angegebenen Richtung, wenn die Zufuhrrolle 14 sich in der durch den zugeordneten Pfeil angegebenen Richtung dreht.
Das nichtgewebte, einschnürbare Material kann durch einen oder mehrere Schmelzblasverfahren hergestellt werden und kann direkt durch den Walzspalt 16 geleitet werden ohne zuerst auf einer Zufuhrrolle 14 gelagert zu werden.
Das einschnürbare Material 12 gelangt über eine Reihe erhitzter Trommeln (beispielsweise Dampfkannen) 16 bis 26 in einer Reihe von umgekehrt S-förmigen Schleifen. Die Dampfkannen 16 bis 26 haben gewöhnlich einen äußeren Durchmesser von etwa 61 cm (24 Zoll) obwohl Kannen mit anderen Größen verwendet werden können. Die Kontaktzeit oder Verweilzeit des einschnürbaren Materials auf den Dampfkannen, um eine Wärmebehandlung zu verursachen, hängt ab von Faktoren, wie beispielsweise die Temperatur der Dampfkanne, die Art und/oder das Flächengewicht des Materials und dem Durchmesser der schmelzgeblasenen Fasern im Material. Die Kontaktzeit sollte ausreichend sein, um das nichtgewebte, einschnürbare Material 12 auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der der Spitzenwert der durch das einschnürbare Material absorbierten Gesamtenergie mindestens etwa 250 % größer ist als der Wert, der durch das einschnürbare Material 12 bei Raumtemperatur absorbiert wird. So sollte beispielsweise die Kontaktzeit ausreichend sein, das nichtgewebte, einschnürbare Material 12 auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der der Spitzenwert der durch das einschnürbare Material absorbierten Gesamtenergie mindestens etwa 275 % größer ist als der Wert, der durch das einschnürbare Material bei Raumtemperatur absorbiert wird. Als weiteres Beispiel, kann das einschnürbare Material auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der der Spitzenwert der durch das einschnürbare Material absorbierten Gesamtenergie von etwa 300% größer bis zu mehr als etwa 1000 % größer ist als der Wert, der durch das einschnürbare Material bei Raumtemperatur absorbiert wird.
Die vorliegende Erfindung kann durchgeführt werden unter Verwendung von Polymeren, wie beispielsweise Polyolefinen, Polyester und Polyamide. Beispielhafte Polyolefine enthalten eines odere mehrere der folgenden Materialien Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten, Äthylencopolymere, Propylencopolymere und Butencopolymere. Polypropylene, die als geeignet festgestellt wurden, enthalten beispielsweise ein Polypropylen, das bei der Himont Comoration unter der Warenbezeichnung PF-015 erhältlich ist, und ein Polypropylen, das bei der Exxon Chemical Company unter der Warenbezeichnung Exxon 3445G erhältlich ist. Die chemischen Eigenschaften dieser Materialien sind bei ihren entsprechend Herstellern erhältlich.
Generell kann gesagt werden, daß dann, wenn das nichtgewebte, einschnürbare Material 12 eine nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen, thermoplastischen Polymerfasern ist, hergestellt aus einem Polyolefin, wie beispielsweise Polypropylen, die Verweilzeit auf den Dampfkannen ausreichend sein sollte, um die schmelzgeblasenen Fasern auf eine Temperatur zu ewärmen, die im Bereich von oberhalb des α-Übergangs des Polymers bis etwa 10 % unterhalb dem Beginn des Schmelzens bei einem Flüssiganteil von 5% liegt.
Beispielsweise kann eine nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern über ein Reihe von Dampfkannen geführt werden, die auf eine gemessene Oberflächentemperatur von etwa 90 bis etwa 150ºC (194 bis 302ºF) aufgeheizt sind, in einer Kontaktzeit von etwa 1 bis etwa 300 Sekunden, um das gewünschte Aufheizen der Bahn sicherzustellen. Alternativ und/oder zusätzlich dazu, kann die nichtgewebte Bahn durch Infrarotstrahlung, Mikrowellen, Ultraschallenergie, eine Flamme, heiße Gase, heiße Flüssigkeiten und dgl. aufgeheizt werden. Beispielsweise kann die nichtgewebte Bahn durch einen heißen Ofen geleitet werden.
Obwohl die Erfinder nicht auf eine spezielle Theorie festgelegt werden sollten, wird angenommen, daß das Aufheizen einer nichtgewebten Bahn aus schmelzgeblasenen, thermoplastischen, nicht-elastomeren, im wesentlichen kristallinen Polymerfasern auf eine Temperatur über dem α-Übergang des Polymers vor dem Aufbringen einer Zugkraft wichtig ist. Oberhalb des α-Übergangs können Kristalle in den Polymerfasern zu modifizierten Strukturen wärmebehandelt werden, die nach dem Abkühlen der in einem gespannten Zustand bleibenden Fasern den Partikeleindringwiderstand (d.h. den Widerstand gegen ein Eindringen durch Partikel) einer aus derartigen Fasern zusammengesetzten, nichtgewebten Bahn verbessern. Es wird weiterhin angenommen, daß die schmelzgeblasenen Fasern nicht auf eine Temperatur erhitzt werden sollten, die größer ist als der Schmelzbeginn des enthaltenen Polymers bei einem Flüssiganteil von 5 %. Bevorzugt sollte die Temperatur mehr als 10 % unterhalb der Temperatur liegen, die bestimmt wurde für den Schmelzbeginn bei einem Flüssiganteil von 5 % des Polymers. Ein Weg, eine sich der oberen Grenze der Aufheizung annähernde Temperatur grob abzuschätzen besteht darin, die Schmelztemperatur des Polymers (ausgedrückt in Grad Kelvin) mit 0,95 zu multiplizieren.
Inbesondere wird angenommen, daß das Aufheizen der schmelzgeblasenen Fasern innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs die Fasern während des Einschnürens auszieht, statt daß sie unter Wirkung der Zugkraft übereinandergleiten. Diese Ausziehkraft wird über die schmelzgeblasenen Fasern verteilt, so daß mindestens ein Teil der individuellen, schmelzgeblasenen Fasern Abschnitte aufweisen, wo der Faserdurchmesser merklich geringer als der Durchmesser der unmittelbar benachbarten Abschnitte ist. Man glaubt, daß die verkleinerten Abschnitte der einzelnen schmelzgeblasenen Fasern mit dem verbesserten Widerstand gegen ein Eindringen von Partikeln zusammenhängen. Diese Veränderung im Faserdurchmesser kann in Rasterelektronenmikroskop- Fotografien des nichtgewebten Partikelsperrmaterials beobachtet werden. Allgemein gesagt, sollte die Abschnitte der einzelnen schmelzgeblasenen Fasern, die einen verringerten Durchmesser zeigen, einen Durchmesser von mindestens etwa 10 % unter dem der unmittelbar benachbarten Faserbereiche aufweisen. So können beispielsweise die gezogenen oder verringerten Bereiche einen Durchmesser von etwa 10 bis etwa 95 % weniger als die unmittelbar benachbarten Faserbereiche aufweisen. Als weiteres Beispiel, können die gezogenen oder verringerten Bereiche einen Durchmesser von etwa 10 bis etwa 50 % geringer als die unmittelbar benachbarten Faserbereiche aufweisen.
Zusätzlich verändert die Auszugskraft die allgemeine Orientierung der schmelzgeblasenen Fasern in der nichtgewebten Bahn aus einer zufälligen Anordnung in eine etwas orientierte oder lineare Anordnung. Man glaubt, daß diese Orientierung der Fasern eine Veränderung in der Geometrie der Poren in der nichtgewebten Bahn verursacht. Man glaubt, daß das Kontrollmaterial Poren enthält, die eher kreisförmig in der Form sind. Nach der Wärmebehandlung und dem Dehnen glaubt man, daß diese Poren eine eher längliche oder langgestreckte Ausbildung zeigen, die etwa die gleiche Querschnittsfläche umfaßt. Da man glaubt, daß die kleinste Dimension der Poren sich verringert, ohne daß die Gesamtfläche der Poren verändert wird, wird die verschmälerte Pore ein größeres Hindernis gegen den Durchtritt eines Partikels und/oder eines Flüssigkeitstropfens werden, ohne daß die Fläche verringert wird, die für den Durchtritt von Gas oder einem anderen Strömungsmittel (beispielsweise Flüssigkeit) zur Verfügung steht, das den Partikel transportiert.
Man ist der Meinung, daß die ausgezogenen Bereiche der individuellen schmelzgeblasenen Fasern und die modifizierte Porengeometrie des behandelten, nichtgewebten Materials allein oder in Kombination, das behandelte, nichtgewebte Material so verändert, daß die Partikeleindringung um mindestens etwa 10 % mehr gegenüber einer identischen, nichtgewebten Bahn verringert wird, die nicht behandelt wurde, um die obenbeschriebene Veränderung im Faserdurchmesser und/oder in der Faserorientierung zu erzeugen.
Die nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Fasern kann hergestellt werden unter Verwendung konventioneller Schmelzblasverfahren. Bevorzugt enthalten die schmelzgeblasenen Fasern der nichtgewebten Bahn schmelzgeblasene Mikrofasern, um verbesserte Partikelsperreigenschaften zu erhalten. Beispielsweise können mindestens etwa 50 %, bestimmt durch eine analytische Bildanalyse, der schmelzgeblasenen Mikrofasern einen mittleren Durchmesser von weniger als etwa 5 um aufweisen. Als weiteres Beispiel, können mindestens etwa 50 % der schmelzgeblasenen Fasern ultrafeine Mikrofasern sein, die einen mittleren Durchmesser von weniger als etwa 3 um aufweisen können. Als weiteres Beispiel können von etwa 60 % bis etwa 100 % der schmelzgeblasenen Mikrofasern einen mittleren Durchmesser von weniger als 5 um haben oder ultrafeine Mikrofasern sein.
Die nichtgewebte Bahn kann weiterhin eine Mischung aus schmelzgeblasenen Fasern und einem oder mehreren Sekundärmaterialien sein. Als Beispiel einer derartigen nichtgewebten Bahn wird auf die US-Patente 4 100 324 und 4803 117 verwiesen, deren Inhalt in ihrer Gesamtheit jeweils durch Bezugnahme eingeschlossen wird, bei denen schmelzgeblasene Fasern und andere Materialien miteinander vermischt wurden, um eine einzige, kohärente Bahn aus zufällig verteilten Fasern zu bilden. Derartige Mischungen können hergestellt werden, indem man Fasern und/oder Teilchen dem Gasstrom zufügt, in dem die schmelzgeblasenen Fasern getragen werden, so daß eine innige, verschlungene Mischung der schmelzgeblasenen Fasern und der anderen Materialien vor dem Sammeln der schmelzgeblasenen Fasern auf einer Sammeleinrichtung stattfindet, um eine kohärente Bahn aus zufällig verteilten schmelzgeblasenen Fasern und anderen Materialien zu bilden. Geeignete Materialien die in derartigen nichtgewebten Verbundbahnen verwendet werden können, enthalten beispielsweise Holzpulpefasern, Stapelfasern aus natürlichen und synthetischen Quellen (z.B. Baumwolle, Wolle, Asbest, Rayon, Polyester, Polyamid, Glas, Polyolefin, Zellulosederivate und dgl.), Multikomponentfasern, absorbierende Fasern, elektrisch leitende Fasern und Teilchen, wie beispielsweise Aktivkohle/Kohlenstoff, Tone, Stärken, Metalloxide, superabsorbierende Materialien und Mischungen dieser Materialien. Andere Arten nichtgewebter, zusammengesetzter Bahnen können verwendet werden. Zum Beispiel kann eine hydraulisch verschlungene, nichtgewebte zusammengesetzte Bahn verwendet werden, wie sie beispielsweise in den US-Patenten 4 931 355 und 4 950 531, beide von Radwanski,.u.a., offenbart sind, wobei der Inhalt dieser Patente hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Von den Dampfkannen gelangt das erhitzte, einschnürbare Material 12 durch den Spalt 28 einer S-Rollenanordnung 30 in einem umgekehrt S-förmigen Weg, wie durch die den Stapelrollen 32 und 34 zugeordneten Drehrichtungspfeilen angegeben. Nach der S-Rollenanordnung 30 gelangt das erhitzte, einschnürbare Material 12 durch den Spalt 36 einer Antriebsrollenanordnung 38, die aus den Antriebsrollen 40 und 42 gebildet ist. Da die lineare Umfangsgeschwindigkeit der Rollen der S-Rollenanordnung 30 auf einen Wert eingeregelt wird, der geringer ist als die lineare Umfangsgeschwindigkeit der Rollen der Antriebsrollenanordnung 38, wird das erhitzte, einschnürbare Material 12 zwischen der S-Rollenanordnung und dem Spalt der Antriebsrollenanordnung 38 unter Zugspannung gesetzt. Durch das Einstellen des Unterschieds in der Geschwindigkeit der Rollen, wird das erhitzte, einschnürbare Material 12 so unter Zugspannung gesetzt, daß es sich um einen vorbestimmten Wert einschnürt, und wird in einem derartig zuggespannten, eingeschnürten Zustand gehalten, während es abgekühlt wird. Andere Faktoren, die das Einschnürverhalten des erhitzten, einschnürbaren Materials beeinflussen, sind der Abstand zwischen den die Zugspannung aufbringenen Rollen, die Anzahl der Zugschritte und die Gesamtlänge des erhitzten Materials, das unter Zugspannung gehalten wird. Das Abkühlen kann durch die Verwendung eines Kühlmittels, wie beispielsweise Kühlluft oder Wassersprühnebel, erleichtert werden. Allgemein gesagt, ist der Unterschied in den Geschwindigkeiten der Rollen ausreichend, um das erhitzte, einschnürbare Material 12 auf eine Breite einschnüren zu lassen, die mindestens etwa 10 % geringer als ihre originale Breite (d.h. bevor die Zugkraft aufgebracht wurde) ist. Beispielsweise kann das erhitzte, einschnürbare Material 12 auf eine Breite eingeschnürt werden, die um etwa 15 % bis etwa 50 % geringer ist als sein ursprüngliche Breite.
Die vorliegende Erfindung zieht auch die Verwendung anderer Verfahren zum Setzen des erhitzten, einschnürbaren Materials 12 unter Zugspannung in Betracht; beispielsweise Spannrahmen oder andere Dehnungseinrichtungen in Maschinenquerrichtung, die das einschnürbare Material 12 in anderen Richtungen expandieren, so beispielsweise in der Maschinenquerrichtung, so daß nach dem Abkühlen das sich ergebende Material 44 einen verbesserten Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln zeigt.
Insbesondere schnürt das Verfahren der vorliegenden Erfindung das nichtgewebte Material so ein, daß Bereiche der schmelzgeblasenen Fasern derart ausgezogen werden, daß mindestens ein Teil der einzelnen schmelzgeblasenen Fasern Abschnitte haben, wo der Faserdurchmesser wesentliche geringer als der Durchmesser in unmittelbar benachbarten Abschnitten ist, ohne die Porosität des Materials zu gefährden. Schmelzgeblasene Faserbahnen neigen dazu, sich dem Einschnüren und Ausziehen zu widersetzen, wegen ihres hochverschlungenen Netzwerkes feiner Fasern. Es ist das gleiche hochverschlungene Netzwerk, das durchlässig ist für Luft und Wasserdampf und doch relativ undurchlässig für Partikel ist. Großformatige Änderungen in diesem Fasernetzwerk, wie beispielsweise Risse oder Löcher, würden das Eindringen von Partikeln erlauben.
Es wurde festgestellt, daß das Erwärmen der schmelzgeblasenen Faserbahn, wie oben beschrieben, das Einschnüren des erwärmten Materials, um eine Faserorientierung und/oder ausgezogene oder verschmälerte Berejche in den einzelnen schmelzgeblasenen Fasern zu erzeugen, und dann das Abkühlen des eingeschnürten Materials, die Partikeleindringung um mindestens etwa 10 % mehr verringern kann, verglichen mit einer identischen, nichtgewebten Bahn, bei der die schmelzgeblasenen Fasern keine derartige Faserorientierung und/oder Veränderung des Faserdurchmessers aufweisen, ohne daß man die gewünschte Porosität der schmelzgeblasenen Faserbahn opfern muß. Allgemein gesagt, erzeugt das Verfahren der vorliegenden Erfindung keine Risse oder Löcher, die den Widerstand des Teilchensperrmaterials gegen das Eindringen von Partikein merklich reduzieren würden. Versuche, ein Partikelsperrmaterial zu erzeugen, das schmelzgeblasene Fasern mit den oben beschriebenen Veränderungen des Durchmessers in Abwesenheit von Wärme zeigten, waren im allgemeinen nicht erfolgreich.
Alternativ und/oder zusätzlich können die Partikelsperrmaterialien der vorliegenden Erfindung mit einem Flächengewicht von beispielsweise etwa 51 g pro Quadratmeter, einen Widerstand gegen das Eindringen durch Partikel aufweisen, ausgedrückt als Partikeleindringung, von weniger als etwa 4 % bei Partikeln mit einem mittleren Durchmesser, der zwischen etwa 1,5 um bis zu größer als etwa 10 um beträgt. So können beispielsweise derartige Partikelsperrmaterialien eine Partikeleindringung von weniger als etwa 2 % bei Partikeln mit einem mittleren Durchmesser aufweisen, der von etwa 1,5 um bis etwa 7 um reicht. Derartige Partikelsperrmaterialien können weiterhin eine Partikeleindringung von weniger als etwa 50 % aufweisen, bei Partikeln mit einem mittleren Durchmesser, der größer als etwa 0,09 um ist. Beispielsweise kann ein derartiges Partikelsperrmaterial eine Partikeleindringung von weniger als etwa 40 % aufweisen, bei Partikein mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von etwa 0,09 bis etwa 1 um. Als ein weiteres Beispiel, kann das Partikelsperrmaterial eine Partikeleindringung von weniger als etwa 50% bei Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von größer als etwa 0,1 um aufweisen. Beispielsweise kann ein Partikelsperrmaterial mit einem Flächengewicht von etwa 51 g/m² eine Partikeleindringung von weniger als etwa 40 % oder mehr für Partikel aufweisen, die einen mittleren Durchmesser im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 1 um haben.
Weiterhin kann das Partikelsperrmaterial der vorliegenden Erfindung eine Porosität aufweisen, die etwa 6 m³/min/m² (20 ft³/min/ft² oder CFM/ft²) übersteigen. Beispielsweise kann das Paritkelsperrmaterial eine Porositat im Bereich von etwa 7,5 bis etwa 30 m³l/min/m² (25 bis etwa 100 CFM/ft²) aufweisen. Als weiteres Beispiel, kann das Partikelsperrmaterial eine Porosität im Bereich von etwa 9 bis etwa 22,5 m³/min/m² (30 bis etwa 75 CFM/ft²) aufweisen.
Bevorzugt hat das Partikelsperrmaterial ein Flächengewicht von etwa 6 bis etwa 400 g pro Quadratmeter. Beispielsweise kann das Flächengewicht im Bereich von etwa 10 bis 150 g pro Quadratmeter liegen. Als weiteres Beispiel, kann das Flächengewicht im Bereich von etwa 15 bis etwa 90 g pro Quadratmeter liegen. Die Partikelsperreigenschaften erhöhen sich im allgemeinen mit dem Anstieg des Flächengewichts. In der Vergangenheit waren höhere Flächengewichte erforderlich, um einen ausreichenden Grad von Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen von Partikeln zu erzeugen. Das Partikelsperrmaterial der vorliegenden Erfindung zeigt einen ausreichenden Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln bei relativ geringen Flächengewichten (d.h. etwa 10 g pro Quadratmeter bis etwa 30 g pro Quadratmeter). Dies wird teilweise durch das Aufheizen des Materials vor dem Aufbringen der Zugkräfte bewirkt, um die Wahrscheinlichkeit von Löchern und Rissen zu reduzieren, die gewöhnlich in Partikelsperrmaterialien mit niedrigen Gewicht vorhanden sind, und die die Partikelsperreigenschaften zerstören. Man ist weiterhin der Meinung, daß sowohl die ausgezogenen Bereiche der einzelnen schmelzgeblasenen Fasern als auch die modifizierte Porengeometrie des behandelten, nichtgewebten Materials, allein oder in Kombination, einen verbesserten Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln bieten. Obwohl der Einschnürprozeß dazu führen kann, das Flächengewicht des nichtgewebten Materials zu erhöhen, ist die Erhöhung im allgemeinen sehr gering, insbesondere verglichen mit der Verringerung der Partikeleindringung, die durch das eingeschnürte Material erzeugt wird. So können beispielsweise einige Materialien einen Anstieg des Flächengewichts von etwa 15 % oder weniger aufweisen, während ein Abfall der Partikeleindringung geschaffen wird, der sehr viel größer ist als 15 % (d.h. 25 %, 50 % und mehr).
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Ökonomisches und praktisches Partikelsperrmaterial für einen noch anderen Zweck als daß es erlaubt, daß ein nichtgewebtes Partikelsperrmaterial mit niedrigem Gewicht wirksam und effektiver einsetzbar ist.
Das Partikelsperrmaterial der vorliegenden Erfindung kann weiterhin mit einer oder mehreren Schichten eines anderen Materials verbunden werden, um ein mehrschichtiges Laminat zu bilden. Die anderen Schichten können beispielsweise gewebte Textilmaterialien, gewirkte Textilmaterialien, gebundene, cardierte Bahnen, Bahnen aus kontinuierlichen Filamenten, Bahnen aus schmelzgeblasenen Fasern und Kombinationen daraus sein. Bevorzugt haben die anderen Materialien etwa den gleichen oder auch einen größeren Grad der Porösität, wie das Partikelsperrmaterial. Wenn beispielsweise das Partikelsperrmaterial eine Porosität von mehr als etwa 6m³/min/m² (20 CFM/ft²) aufweist, sollten die anderen Materialschichten ebenfalls eine Porosität von mindestens etwa 6m³/min/m² (20 CFM/ft²) aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere Schichten des Partikelsperrmaterials mit einer oder mehreren anderen Schichten des Partikelsperrmaterials überlegt werden, um ein mehrschichtiges Laminat zu bilden. Beispielsweise können die Schichten in Querrichtung gefaltet werden, so daß die allgemeinen Richtungen der Faserorientierung (d.h. die Maschinenrichtungen) jedes Textilmatenals im wesentlichen rechtwinklig sind. In anderen Ausführungsbeispielen können die Schichten übereinandergelegt werden, so daß die allgemeinen Richtungen der Faserorientierung zwischen jeder Schicht einen Winkel zwischen 0 und 90º bilden.
Man ist der Meinung, daß die Variierung der Richtungen der Faserorientierung in jeder Schicht in dem mehrschichtigen Laminat den Widerstand des Laminats gegen das Eindringen von Partikeln verbessert. Wie oben beschrieben, erzeugt die Faserorientierung in jeder Schicht eine Änderung in der Geometrie der Poren in der nichtgewebten Bahn. Nach der Wärmebehandlung und dem Dehnen nimmt man an, daß diese Poren eine mehr längliche oder langgestreckte Ausbildung annehmen, die etwa die gleiche Querschnittsfläche enthält. Da man der Meinung ist, daß die engste Abmessung der Poren verringert wird, ohne daß man die allgemeine Fläche der Pore verändert, wird die verengte Pore zu einem größeren Hindernis für den Durchtritt eines Partikels und/oder eines Flüssigkeitstropfens, ohne die Fläche zu verringern, die für den Durchtritt von Gas oder anderen Strömungsmitteln zur Verfügung steht, das den Partikel enthält. Allgemein gesagt, ist man der Meinung, daß die orientierten, länglichen Poren in jeder Schicht des Laminats in einem sehr beschränkten Sinne analog eines polarisierenden Films sein könnten. Durch Veränderung der allgemeinen Richtung der Faserorientierung zwischen jeder Schicht, um einen Winkel zwischen 0 und 90º zu bilden, ist man der Meinung, daß der Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln des Laminats modifiziert werden kann, zumindest in geringem Grad, so daß unterschiedliche Widerstände bei unterschiedlichen Orientierungswinkeln erzeugt werden könnten.
Die Fig. 2 bis 9 sind Rasterelektronenmikroskop-Fotografien nichtgewebter Bahnen aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wurden. Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Materialien sind nichtgewebte Bahnen aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern mit 51 g/m², hergestellt unter Verwendung einer konventionellen Schmelzblasverfahrensausrüstung.
Insbesondere sind die Fig. 2 und 3 50-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografien einer nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern. Fig. 4 ist eine 5000-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografle eines Bereichs der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Materials. Fig. 5 ist eine 1000-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografie eines Bereichs der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Materials.
Die Fig. 6 und 7 sind Raserelektronenmikroskop-Fotografien von Materialien, die auf eine spezifische Temperatur erhitzt, bei dieser Temperatur gedehnt, und dann in gedehntem Zustand abgekühlt wurden. Das in den Fig. 6 und 7 gezeigte Textilmaterial wurde aus einer nichtgewebten Bahn (ungebunden) mit 51 g/m² aus schmelzgeblasenen Fasern hergestellt, die unter Verwendung einer konventionellen Schmelzblas-Verfahrenseinrichtung hergestellt wurden. Das nichtgewebte Material wurde über eine Reihe von auf eine Temperatur von etwa 100ºC aufgeheizten Dampfkannen mit einer Gesamtkontaktzeit von etwa 20 Sekunden geführt. Eine Zugkraft wurde aufgebracht, um das erhitzte, nichtgewebte Material um etwa 30 % einzuschnüren (d.h. ein Einschnüren von etwa 30 %) und das eingeschnürte, nichtgewebte Material wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, während es in dem eingeschnürten Zustand gehalten wurde.
Insbesondere sind die Fig. 6 und 7 50-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografien des Partikelsperrmaterials, zusammengesetzt aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern und behandelt wie oben beschrieben. Verglichen mit den Fig. 2 und 3 haben die schmelzgeblasenen Fasern des Partikelsperrmaterials eine weniger zufällige Anordnung und scheinen über die Breite der Fotografie orientiert zu sein.
Die Fig. 8 bis 17 sind Rasterelektronenmikroskop-Fotografien von Materialien, die auf verschiedene Temperaturen aufgeheizt und dann bei diesen Temperaturen bis zum Bruch gedehnt wurden. Die Rasterelektronenmikroskop-Fotografien sind an Stellen nahe des Bruchbereichs aufgenommen. Die spezifischen Bedingungen und Verfahren, die verwendet wurden, um die Materialien herzustellen, sind in Beispiel 1 erläutert. Das in den Fig. 8 bis 17 gezeigte Material war eine nichtgewebte Bahn (ungebunden) von 51 g/m² aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern, die unter Verwendung einer herkömmuchen Schmelzblasverfahrensausrüstung hergestellt wurden.
Insbesondere sind die Fig. 8 und 9 vergrößerte Mikroskopfotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 30ºC erhitzt und dann gedehnt wurde. Die Fig. 8 ist eine 100-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografle eines Bereichs dieses Materials. Fig. 9 ist eine 1000-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografie eines Bereichs dieses Materials.
Die Fig. 10 und 11 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 80ºC aufgeheizt und dann gedehnt wurde. Die Fig. 10 und 11 sind 1000-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografien eines Bereichs des Materials.
Die Fig. 12 und 13 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 105ºC aufgeheizt und dann gedehnt wurde. Fig. 12 ist eine 1500-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografie eines Bereichs des Materials. Fig. 13 ist eine 1000-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografle eines Bereichs des Materials.
Die Fig. 14 und 15 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines einschnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von etwa 130ºC erhitzt und dann gedehnt wurde. Fig. 14 ist eine 700-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografie eines Bereichs des Materials. Fig. 15 ist eine 3000-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografie eines Bereichs des Materials.
Die Fig. 16 und 17 sind vergrößerte Mikroskopfotografien eines einsohnürbaren Materials, das auf eine Temperatur von 150ºC erhitzt und dann gedehnt wurde. Die Fig. 16 und 17 sind 1000-fache (Linearvergrößerung) Mikroskopfotografien eines Bereichs des Materials.
Vergleicht man die schmelzgeblasenen Polypropylenfasern der Fig. 8, 9,16 und 17 mit den schmelzgeblasenen Propylenfasern der Fig. 10 bis 15, zeigt sich, daß die schmelzgeblasenen Polypropylenfasern der Fig. 10 bis 15 kleine Abschnitte aufweisen, in denen der Faserdurchmesser geringer ist als der Durchmesser der umgebenden Bereiche. Es scheint, daß die schmelzgeblasenen Polypropylenfasern tatsächlich ausgezogen oder verlängert wurden, während die Zugkraft auf die erhitzten Fasern ausgeübt wurde. Obwohl die Erfinder nicht auf eine spezielle Theorie der Wirkung festgelegt werden sollten, ist man der Meinung, daß die Anwesenheit der gezogenen Abschnitte auf den einzelnen schmelzgeblasenen Polypropylenfasern (zusammen mit der Faserorientierung in der nichtgewebten Bahn) ein Anzeichen ist, daß die schmelzgeblasene Polypropylenfasern auf eine Temperatur erhitzt wurden, die im Bereich von oberhalb des α-Übergangs des Polypropylens bis etwa 10 % unterhalb des Beginns des Schmelzens bei einem Flüssiganteil von 5 % liegt, gedehnt wurden, um die gewünschte ausgezogenen Abschnitte in den einzelnen schmelzgeblasenen Fasern (und/oder eine Faserorientierung) zu erreichen, und dann abgekühlt wurden, so daß die Partikeleindringung sich um mindestens etwa 10 % mehr verringert verglichen mit einer identischen, nichtgewebten Bahn, in der die schmelzgeblasenen Fasern nicht die Faserorientierung und/oder die Veränderung des Faserdurchmessers aufweisen.

Beispiel 1

Eine Zugkraft wurde aufgebracht, um eine Probe eines Partikelsperrmaterials einzuschnüren, die unter speziellen Umgebungsbedingungen gehalten wurde. Bruchstellen und/oder Löcher bei einem niederigen Grad des Einschnürens würden eine Verringerung der Partikelsperreigenschaften anzeigen. Alle Proben wurden in der gleichen Ausrüstung in der gleichen Umweltkammer untersucht.
Das untersuchte, nichtgewebte Partikelsperrmaterial war eine nichtgebundene, nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern mit einem Flächengewicht von etwa 51 g/m². Ein Probe mit den Maßen von etwa 7,5 cm (3 Zoll) x 15 cm (6 Zoll) (die 15 cm oder 6 Zoll-Länge verlief parallel zur Maschinenrichtung (MD) der Probe) wurde in die Klauen eines Universalversuchsgerätes Instron Modell 1122 mit den Abmessungen 7,5 cm (3 Zoll) x 2,5 cm (1 Zoll) (d.h. jede Klaue war 7,5 cm oder 3 Zoll breit x 2,5 cm oder 1 Zoll hoch) eingesetzt. Die Klauen wurden durch eine Umweltkammer Instron Modell 3111, Reihe 808, (die ein Fenster in der Tür hatte) während des Versuchs umgeben, so daß die Probenumgebung (Temperatur) kontrolliert werden konnte. Die Umweltkammer wurde auf eine gewünschte Temperatur vorab eingestellt und zu einem Ausgleich gebracht. Ein Thermometer wurde verwendet, um eine genaue Temperaturablesung sicherzustellen.
Nachdem die Klauen beladen wurden, wurde die Probe in der Kammer für mindestens drei Minuten belassen, um die Probe aufzuheizen und der Kammer Zeit zu lassen, den Ausgleich zu finden.
Eine Videokamera wurde in Position bewegt, so daß die Probe durch ein Fenster in der Kammer beobachtet werden konnte. Der Abstand von der Kameralinse zur Probe lag bei etwa 30 cm (12 Zoll). Es wurde eine Makrolinse verwendet und so eingestellt, daß sie die Probe vergrtßerte. Die Kamera wurde angeschaltet, und lief für etwa 5 Sekunden, um ein Ablesen der Probenbreite bei Null Spannung zu schaffen, bevor das Querhaupt des Instron gestartet wurde. Die folgenden Messungen mit dem Instron wurden für jede Probe durchgeführt: (1) Spitzenbelastung, Spitzenverlängerung und Spitzenwert der absorbierten Gesamtenergie; und (2) Bruchlast, Bruchverlängerung und absorbierte Gesamtenergie beim Bruch. Der Zugversuch wurde unter Verwendung der Instron-Versuchseinrichtung durchgeführt, im wesentlichen gemäß der Methode 5100 des Federal Test Method Standard No. 191A. Die Einspannlänge der Probe wurde auf 7,5 cm (3 Zoll) und die Querhauptgeschwindigkeit auf 30 cm (12 Zoll) pro Minute festgesetzt. Das Videokameraband wurde auf einem Standbild-Bandspieler abgespielt. Die Standbildeinstellung wurde verwendet, so daß die Probenweite direkt vom Sichtmaßstab gemessen werden konnte. Eine Messung wurde durchgeführt bei Betrachtung des Bandes der ungespannten Probe (d.h. vor dem Starten der Instron-Versuchseinrichtung). Das Band wurde bis zu einer Stelle vorgespult, an der die Probe brach und dann einige Bilder zurückgespult, bis zu dem Punkt direkt vor dem Bruch der Probe. Eine minimale Probenbreite wurde direkt vom Sichtmaßstab gemessen.
Bezüglich der Zugeigenschaften bezieht sich die Belastung auf die Kraft oder den Widerstand, der auftritt, während die Probe verlängert wird. Die Spitzenbelastung bezieht sich auf die maximal festgestellte Belastung beim Verlängern der Probe. Die Bruchbelastung bezieht sich auf die Belastung, die am Bruch oder dem Versagen der Probe festgestellt wurde. Wie hier verwendet, wird die Belastung in Einheiten der Kraft (d.h. Pfund- Kraft) für Proben mit Abmessungen von 7,5 cm (3 Zoll) Breite x 15 cm (6 Zoll) Länge ausgedrückt.
Die absorbierte Gesamtenergie bezieht sich auf die Gesamtfläche unter Spannung über der Dehnung (d.h. Belastung über Dehnung)-Kurve bis auf eine spezifische Belastung. Der Spitzenwert der absorbierten Gesamtenergie ist der Gesamtbereich unter einer derartigen Kurve bis zum Bruchpunkt oder zur Maximalbelastung. Die absorbierte Gesamtenergie beim Bruch ist die gesamte Fläche unter einer derartigen Kurve bis zur Belastung beim Bruch oder dem Versagen der Probe. Die absorbierte Gesamtenergie wird ausgedrückt in Einheiten der Arbeit/(Länge)², wie beispielsweise Nm/m² (Zoll x Pfund- Kraft)/(Zoll)².
Die Verlängerung oder die Dehnung bezieht sich auf ein Verhältnis, bestimmt durch Messen der Differenz zwischen der anfänglichen, unverlängerten Messung (d.h. der Länge) einer nichtgewebten Bahn und ihrer verlängerten Messung in einer bestimmten Abmessung und Dividieren dieser Differenz durch die anfängliche, unverlängerte Messung der nichtgewebten Bahn in dieser gleichen Richtung. Dieser Wert wird mit 100 % multipliziert, wenn die Verlängerung prozentual ausgedrückt wird. Der Spitzenwert der Verlängerung ist die Verlängerung, die gemessen wurde, wenn das Material bis zum Spitzenwert der Belastung gedehnt wurde. Die Bruchverlängerung ist die Verlängerung, die gemessen wurde, wenn das Material bis zum Bruch oder zum Versagen gedehnt wurde.
Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung der Zugfestigkeitseigenschaften eines ungebundene Materials (d.h. einer nichtgewebten Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern-Flächengewicht 51 g/m²) gemessen in Versuchen, die bei Temperaturen von 30ºC, 55ºC, 82ºC, 95ºC, 105ºC, 130ºC und 150ºC durchgeführt wurden. TABELLE 1
Es wurde festgestellt, daß das Aufheizen der Proben vor dem Aufbringen der Zugkraft einen merklichen Effekt auffast alle der gemessen Variablen ausübte. Allgemein gesagt, wurde gefunden, daß den Partikelsperrmaterialien (d.h. den nichtgewebten Bahnen aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern) ein verbesserterwiderstand gegen das Eindringen von Partikeln verliehen werden konnte, ohne ihre Porosität zu verringern, indem man die nichtgewebten Bahnen aus Polypropylenfasern auf eine Temperatur aufheizte, bei der der Spitzenwert der durch die nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern abbsorbierten Energie mindestens etwa 250 % größer ist als der Wert, der durch die nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern bei Raumtemperatur absorbiert wird; eine Zugkraft aufbringt, um die aufgeheizte, nichtgewebte Bahn einzuschnüren, um eine Faserorientierung und ausgezogene Bereiche in einzelnen schmelzgeblasenen Fasern zu erzeugen, und die eingeschnürte, nichtgewebte Bahn abkühlt. Es wurde festgestellt, das es wünschenswert ist, die nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der der Spitzenwert der durch die nichtgewebte Bahn absorbierten Gesamtenergie mindestens etwa 275 % größer als der durch die nichtgewebte Bahn bei Raumtemperatur absorbierte Wert ist. Beispielsweise kann die nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der der Spitzenwert der durch die nichtgewebte Bahn absorbierten Gesamtenergie im Bereich von etwa 300 % größer bis mehr als etwa 1000 % größer als der Wert ist, der durch die nichtgewebte Bahn bei Raumtemperatur absorbiert wird.
Das Aufheizen verringert die Spitzenbelastung merklich, während es die Spitzendehnung (ausreichend, um die Zähigkeit oder TEA zu erhöhen) und die Einschnürung merklich erhöht. Die erhöhte Zähigkeit der Proben bei höheren Temperaturn zeigt eine verringerte Verfahrensempfindlichkeit an. Nur ein kleiner Wert zusätzlicher Energie ist notwendig, um die Bahn bei Raumtemperatur zu brechen, während bei erhöhten Temperaturen die Bahn wesentlich unempfindlicher reagiert. Die Wirkungen des Aufheizens ergeben sich aus Fig. 18, die eine grafische Darstellung der Temperatur über der absorbierten Gesamtenergie bei Spitzenbelastung ist, aufgezeichnet aus den Daten der Tabelle 5 für die ungebundene, nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenem Polpropylen. In Fig. 18 wurde angenommen, daß die nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenem Polypropylen, aufgeheizt auf den Schmelzpunkt des Polypropylens (d.h. 165ºC) keinen meßbaren Wert für den Spitzenwert der absorbierten Gesamtenergie hat.
Allgemein gesagt, ist man der Meinung, daß dieser Temperaturbereich, in dem der Spitzenwert der absorbierten Gesamtenergie ansteigt (d.h. der ansteigenden Zähigkeit) etwa den Temperaturen entspricht, die im Bereich von oberhalb des α-Übergangs bis etwa 10% unterhalb des Beginns des Schmelzens mit einem Flüssiganteil von 5 %, bei Polypropylen liegt.

Beispiel 2

An einer Kontrollprobe und einem wärmebehandelten, schmelzgeblasenen Partikelsperrmaterial wurden spezielle physikalische Eigenschaften gemessen. Das Kontroll- Partikelsperrmaterial war eine ungebundene, nichtgewebte Bahn von 51 g/m² aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern. Dieses Material wurde auf 230ºF (110ºC) erhitzt und dann um etwa 30 % eingeschnürt, um das wärmebehandelte Partikelsperrmaterial herzustellen.
Versuchsmessungen für das Napfverziehen wurden durchgeflihrt, um die Flexibilität der Probe zu bestimmen. Der Napfverzieh-Versuch schätzt die Textilsteifigkeit ab, indem er die Spitzenbelastung mißt, die erforderlich ist, damit ein halbkugelförmiger Fuß von 4,5cm Durchmesser ein 23 x 23 cm (9 Zoll x 9 Zoll)-Stück eines Textilmaterials, das zu einem umgekehrten Napf mit etwa 6,5 cm Durchmesser x 6, 5 cm Länge geformten wurde verziehen kann, während das napiförmig geformte Textilmaterial durch einen Zylinder mit etwa 6,5 cm Durchmesser umgeben ist, um eine gleichmäßig Verformung des napfförmigen Textilmaterials sicherzustellen. Der Fuß und der Napf sind zueinander ausgerichtet, um einen Kontakt mit den Napfwänden und dem Fuß zu verringern, was die Spitzenbelastung beeinflussen könnte. Die Spitzenbelastung wird gemessen, während sich der Fuß mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,6 cm (0,25 Zoll) pro Sekunde (38 cm oder 15 Zoll pro Minute) abwärts bewegt, unter Verwendung einer Lastzelle Modelll FTD-G-500 (500 Grammbereich) erhältlich bei der Schaevitz Company, Tennsauken, New Jersey.
Das Flächengewicht jeder Materialprobe wurde im wesentlichen nach dem Verfahren 5041 des Federal Test Method Standard No. 191A bestimmt.
Die Porosität wurde unter Verwendung eines Luftdurchlässigkeitstesters nach Frazier erhältlich bei der Frazier Precision Instrument Company bestimmt und gemaß der Federal Test Method 5450, Standard No. 191A gemessen, mit der Ausnahme, daß die Probengröße 20 x 20 cm (8 Zoll x 8 Zoll) anstelle von 18 x 18 cm (7 Zoll x 7 Zoll) betrug. Die Porosität kann in Einheiten des Volumens pro Zeiteinheit pro Flächeneinheit ausgedrückt werden, beispielsweise in m³/min/m² (Kubikfuß pro Minute pro Quadratfuß des Materials, d.h. ft³/min/ft² oder CFM/ft²).
Messungen des effektiven, äquivalenten Durchmesser dieser Poren im Partikelsperrmaterial wurden durchgeführt. Die Porengrößen wurden bestimmt durch Flüssigkeitsverlagerungstechniken unter Verwendung eines Coulter Porometers und einer Coulter PO- ROFIL -Versuchsflüssigkeit, erhältlich bei Coulter Electronics Limited, Luton, England. Die Hauptströmungsporengröße wird durch Benetzung der Versuchsprobe mit einer Flüssigkeit bestimmt, die eine sehr niedrige Oberflächenspannung hat (d.h. Coulter- POROFIL ). Auf eine der Seite der Probe wird ein Luftdruck angelegt. Gegebenenfalls, wenn der Luftdruck erhöht wird, wird die kapillare Anziehungskraft des Strömungsmittels in den größen Poren überwunden, was die Flüssigkeit austreibt und es der Luft gestattet, durch die Probe hindurchzutreten. Mit einem weiteren Anstieg des Luftdrucks werden zunehmend kleinere und noch kleinere Löcher frei. Ein Verhältnis Strömung gegen Druck der nassen Probe kann bestimmt und mit den Ergebnissen der trocknen Probe verglichen werden. Die Hauptströmungsporengröße wird an derienigen Stelle gemessen, wo die Kurve, die 50% der Strömung der trockenen Probe über den Druck darstellt, die Kurve schneidet, die die Strömung der nassen Probe über den Druck darstellt. Der Durchmesser der Pore, die sich bei diesen bestimmtem Druck Öffnet (d.h. die Hauptströmungsporengröße) kann bestimmt werden durch die folgende Gleichung:
Porendurchmesser (um) = (40 τ)/Druck
wobei τ = die Oberflächenspannung des Strömungsmittels, ausgedrückt in mN/M; der Druck der aufgebrachte Druck ist, ausgedrückt in mbar; und die sehr niedrige Oberflächenspannung der zum Benetzen der Probe verwendeten Flüssigkeit es gestattet, anzunehmen, daß der Kontaktwinkel der Flüssigkeit auf der Probe etwa Null ist.
Die Partikelabhaltewirkung wurde bestimmt durch Interbasic Resources, Inc., Grass Lake, Michigan, gemäß dem IBR Versuchsverfahren No. E-217, Überarbeitung G (1/15/91). Der Versuch bestimmte die Luftfilterrückhaltewirkung trockener Partikel verteilt in reiner Luft durch einen einmal durchlaufenen Beanspruchungstest. Ein Suspensionskonzentrat von Kontaminanten wurde in einen Luftförderstrom injiziert, der auf die Versuchsprobe gerichtet war. Die Partikelgrößenverteilung wurde sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Versuchsfilters gemessen. Trockenen Kontaminanten waren erhältlich bei A.C. Spark Plug Division der General Motors Corporation in einer feinen Qualität (0,09 bis 1,0 um) und einer groben Qualität (1,5 bis > 10,0 um). Die Partikelgrößenverteilung für die Partikel feiner Qualität wurde bestimmt unter Verwendung eines Teilchenzählsystems nach HIAC/Royco 5109, erhältlich bei der HIAC/Royco-Abteilung Pacific Scientific Company. Die Partikelgrößenverteilung für die Partikel der groben Qualität wurde bestimmt unter Verwendung eines HIAC/Royco LD 400 Sensors, S/N 9002-020, erhältlich bei der HIAC/Royco-Abteilung der Pacific Scientific Company. Die Versuche wurden bei Raumtemperatur unter einer Luftströmung von 0,112 m³ (4 Standardkubikfuß) pro Minute durch eine kreisförmige Probe mit einem Durchmesser von etwa 90 mm (d.h. etwa 17,4 m³/min/m² oder 58 CFM/ft²) durchgeführt.
Die allgemeinen Eigenschaften des Kontroll-Partikelsperrmaterials und des wärmbehandelten Partikelsperrmaterials sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Tabellen 3 und 4 enthalten die Ergebnisse der Partikelsperruntersuchung des Kontroll-Partikelsperrmaterials und des wärmebehandelten Partikelsperrmaterials. Allgemein gesagt, sollte ein Partikelsperrmaterial etwa das gleiche Flächengewicht wie das Kontrollmaterial und eine wesentlich geringere Partikeleindringung (d.h. stark verbesserte Partikelsperreigenschaften) aufweisen. TABELLE 2 TABELLE 3 TABELLE 4
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, Abwandlungen oder Änderungen können durchgeführt werden, ohne vom Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines nichtgewebten Materials mit einem verbesserten Widerstand gegen das Eindringen von Partikeln, wobei das Verfahren umfaßt:

ein Aufheizen einer nichtgewebten Bahn, die schmelzgeblasene, thermoplastische Polymerfasern enthalt, auf eine Temperatur, bei der der Spitzenwert der durch die Bahn absorbierten Gesamtenergie mindestens etwa 250 % größer als der Wert ist, der durch die Bahn bei Raumtemperatur absorbiert wird;

ein anschließendes Aufbringen einer Zugkraft, um die erhitzte, nichtgewebte Bahn einzuschnüren und den Faserdurchmesser von Abschnitten von mindestens einem Teil der einzelnen schmelzgeblasenen Fasern bleibend zu reduzieren;

und ein Abkühlen der eingeschnürten, nichtgewebten Bahn, um ein nichtgewebtes Material herzustellen, das Fasern enthalt, die Abschnitte haben, wo der Faserdurchmesser merklich geringer als der Durchmesser unmittelbar benachbarter Abschnitte ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die schmelzgeblasenen, thermoplastischen Polymerfasern ein Polymer umfassen, das ausgewahlt ist aus der Gruppe, die aus Polyolefinen, Polyester und Polyamide besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Polyolefln aus der Gruppe ausgewahlt ist, die aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten, Äthylencopolymere, Propylencopolymeren und Butencopolymeren.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die schmelzgeblasenen, thermoplastischen Polymerfasern schmelzgeblasene Polyolefinfasern umfassen, und wobei eine nichtgewebte Bahn dieser Fasern auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die im Bereich von oberhalb des α-Übergangs dieses Polymers bis etwa 20 % unterhalb des Schmelzbeginns bei einem Flüssiganteil von 5 % liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die schmelzgeblasenen, thermoplastichen Polymerfasern schmelzgeblasene Polypropylenfasern umfassen, und wobei eine nichtgewebte Bahn aus diesen Fasern auf eine Temperatur erhitzt wird, die im Bereich von etwa 105 bis etwa 145ºC liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern auf eine Temperatur erhitzt wird, die im Bereich von etwa 110 bis 140ºC liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine nichtgewebte Bahn aus schmelzgeblasenen Polypropylenfasern auf eine Temperatur erhitzt wird, die im Bereich von etwa 120 bis etwa 125ºC liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zugbelastungskraft ausreichend hoch ist, um die nichtgewebte Bahn auf eine Einschnürbreite einzuschnüren, die mindestens etwa 10% gering ist als die Breite der nichtgewebten Bahn vor dem Aufbringen der Zugbelastungskraft.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zugbelastungskraft ausreichend ist, die nichtgewebte Bahn auf eine Einschnürbreite einzuschnüren, die von etwa 15 % bis etwa 50 % geringer ist als die Breite der nichtgewebten Bahn vor dem Aufbringen der Zubelastungskraft.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die nichtgewebte Bahn durch Infrarotstrahlung, Dampfkannen, Mikrowellen, Ultraschallenergie, Flammen, heiße Gase und heiße Flüssigkeit aufgeheizt wird.

11. Nichtgewebtes Material mit mindestens einer Bahn aus nichtelastomeren, schmelzgeblasenen, thermoplastischen Polymerfasern, bei der mindestens ein Teil der einzelnen schmelzgeblasenen Fasern Abschnitte aufweisen, wo der Faserdurchmesser merklich geringer als der Durchmesser unmittelbar benachbarter Abschnitte ist, und mit einem Wert der Partikeleindringung, der um mindestens 10 % verringert wurde, verglichen mit dem Wert der Partikeleindringung einer identischen, nichtgewebten Bahn, in der die schmelzgeblasenen Fasern diese Abschnitte mit verringertem Durchmesser nicht zeigen.

12. Nichtgewebtes Material nach Anspruch 11, wobei die Partikeleindringung geringer als 50% bei Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von größer als etwa 0,1 um ist.

13. Nichtgewebtes Material nach Anspruch 11, wobei die Partikeleindringung geringer als etwa 40% bei Partikeln mit einem mittleren Durchmessser größer als etwa 0,1 um ist.

14. Nichtgewebtes Material nach Anspruch 11, wobei die Partikeleindringung geringer als etwa 5 % bei Partikeln mit einem mittleren Durchmesser größer als etwa 1,5 um ist.

15. Nichtgewebtes Material nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die schmelzgeblasenen Fasern schmelzgeblasene Mikrofasern enthalten.

16. Nichtgewebtes Material nach Anspruch 15, wobei mindestens etwa 50 %, bestimmt durch eine analytische Bildanalyse, der schmelzgeblasenen Mikrofasern einen mittleren Durchmesser von weniger als 5 um aufweisen.

17. Nichtgewebtes Material nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die nichtelastomeren, schmelzgeblasenen, thermoplastischen Polymerfasern ein Polymer umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyoleflnen, Polyester und Polyamiden besteht.

18. Nichtgewebtes Material nach Anspruch 17, wobei das Polyolefin ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten, Äthylencopolymere, Propylencopolymere und Butecopolymere.

19. Nichtgewebtes Material nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die nichtgewebte Bahn aus nichtelastomeren, schmelzgeblasenen, thermoplastischen Polymerfasern ferner eines oder mehrere Sekundärmaterialien enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Textilfasern, Holzpulpefasern, Teilchen und superabsorbierenden Materialien besteht.

20. Nichtgewebtes Material nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei die nichtgewebte Bahn ein Flächengewicht von etwa 60 bis etwa 400 g/m² aufweist.

21. Mehrschichtiges Material enthaltend mindestens eine Schicht des nichtgewebten Materials nach einem der Ansprüche 11 bis 20 und mindestens eine andere Schicht.

22. Mehrschichtiges Material nach Anspruch 21, wobei die andere Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus gewebten Textilmaterialien, gewirkten Textilmaterialien, gebundenen, cardierten Bahnen, Bahnen aus kontinuierlichen, spinngebundenen Filamenten, Bahnen aus schmelzgeblasenen Fasern und Kombinationen daraus.

23. Mehrschichtiges Material nach Anspruch 21, enthaltend mindestens eine andere Schicht aus einem nichtgewebten Material nach Anspruch 11, die so angeordnet ist, daß ein Winkel einer Hauptorientierung der Fasern zwischen jeder der Lagen im Bereich von etwa 0 bis etwa 90º liegt.