由擠出工藝形成的交聯纖維素產品的製作方法

2023-06-05 08:58:06

專利名稱：由擠出工藝形成的交聯纖維素產品的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及纖維素纖維產品，更特別地，涉及由擠出工藝形成的交聯纖維素纖維產品。
背景技術：
將交聯的纖維素纖維有利地引入各種纖維產品中以增強產品松密度，回彈性，和乾燥度。吸收製品，例如尿布典型地由纖維複合材料形成，該複合材料包括吸收劑纖維如木漿纖維，和可另外包括交聯的纖維素纖維。當引入吸收製品時，這樣的纖維複合材料可提供產品，該產品提供分別由交聯纖維和吸收劑纖維賦予的高液體收集速率和高液體芯吸能力的優點。然而，含有相對高比例的交聯纖維的纖維複合材料具有低的片強度。
包括交聯纖維的片的相對低強度部分是由於伴隨纖維素交聯的氫鍵部位損失。由於它們的化學改性，交聯纖維素纖維具有更少的羥基可用於在纖維之間形成氫鍵。交聯纖維形成纖維問鍵的更低傾向一般阻止它們形成具有任何顯著結構整體性的片或網。
歷史上，已經從水基片形成工藝形成纖維素結構。隨時間的過去，開發空氣成網和泡沫形成工藝以使用新材料和賦予獲得網的改進性能。泡沫形成工藝顯示採用天然或合成來源的長纖維和提供鬆散網的改進能力。氣載工藝提供松密度和柔軟度但有限的強度而沒有高粘結劑含量。交聯的纖維已經用於上述工藝以改進網性能如回彈性，松密度和收集性。交聯纖維先前僅可以捆包中單個交聯的纖維獲得。許多專利提及製備和使用單個交聯的纖維的工藝。因此需要開發消除單個交聯纖維素纖維的步驟的工藝。
個人護理吸收產品，例如，嬰兒尿布、成人失禁產品、和女性護理產品，包括液體收集和/或分布層，它們用於快速收集和然後分布收集的液體到用於保留的貯存芯。為達到快速收集和分布，這些層可包括交聯纖維素纖維，它向層賦予松密度和回彈性。然而，如上所述，包括高比例交聯纖維的網問題在於缺乏結構整體性。結構整體性損失的問題傳統上由如下方式解決在任一薄紙和非織造片之間夾層和採用粘合劑固定包括交聯纖維的網。要求這樣的結構以嘗試保持網整體性。
因此，需要具有包括交聯纖維素纖維的網的有利性能和仍然進一步有利地保持它的結構整體性的纖維素網。本發明嘗試滿足這些需要和提供進一步相關的優點。
發明概述在一個方面，本發明提供包括原位交聯纖維素纖維的交聯纖維素纖維產品。在一個實施方案中，產品進一步包括粘合劑。產品可任選地包括單獨的其它纖維，單獨的吸收材料，和其它纖維和吸收材料。
在本發明的另一方面，提供形成交聯纖維素纖維產品的方法。在一個實施方案中，使用螺杆擠出設備形成產品。在另一個實施方案中，使用旋轉混合擠出設備形成產品。
在進一步的方面，本發明提供包括粘合纖維素纖維產品的吸收製品。可以將產品與一個或多個其他層結合以提供可以引入吸收製品如嬰兒尿布、成人失禁產品和女性護理產品的結構。
附圖簡述本發明的以上方面和伴隨優點會更容易領會，這是由於通過參考以下詳細描述，結合附圖更好地理解它們，其中


圖1是對於密度分別為137g/L，95g/L，66g/L，和41g/L的泡沫，說明作為時間函數的從泡沫液體排出量的圖；圖2是說明製備本發明擠出複合材料的代表性方法的流程圖；圖3A是用於本發明方法的代表性混合設備的圖象；圖3B是圖3A中所示混合設備定子的圖象；圖3C是轉子除去的圖3A混合設備的圖象；圖4是用於本發明說明可以加入各種材料的位置的代表性擠出設備的簡要說明；圖5是比較從(a)美國長葉松纖維和(b)採用檸檬酸和聚丙烯酸共混物交聯的纖維由四種方法泡沫成網，空氣成網，溼法成網，和本發明的擠出工藝製備的纖維複合材料的密度的圖；圖6是說明根據本發明形成的代表性擠出複合材料的孔度分布的圖，該複合材料包括採用聚丙烯酸和檸檬酸共混物(基於纖維的13wt％交聯)交聯的纖維素纖維；圖7是說明代表性泡沫成網複合材料的孔度分布的圖，該複合材料包括採用聚丙烯酸和檸檬酸共混物交聯的纖維素纖維；圖8是說明代表性空氣成網複合材料的孔度分布的圖，該複合材料包括採用聚丙烯酸和檸檬酸共混物交聯的纖維素纖維；圖9是說明代表性溼法成網複合材料的孔度分布的圖，該複合材料包括採用聚丙烯酸和檸檬酸共混物交聯的纖維素纖維；圖10是說明使用自動孔度計對於空氣成網複合材料獲得的吸收和解吸曲線的圖，該複合材料包括美國長葉松纖維；圖11是比較根據本發明形成的代表性擠出複合材料的中點解吸壓力(MDP)的圖(「松纖維」表示包括美國長葉松纖維的複合材料，「預交聯化學B複合材料」表示包括檸檬酸交聯纖維的複合材料，和「原位化學B複合材料」表示包括採用檸檬酸處理和在複合材料中固化的纖維素纖維的複合材料)；圖12是說明對於根據本發明形成的代表性擠出複合材料，交聯化學對中點解吸壓力的效果的圖(「預交聯化學A」表示包括採用聚丙烯酸和檸檬酸共混物交聯的纖維素纖維的複合材料，「預交聯化學B」表示包括檸檬酸交聯纖維的複合材料，「原位化學B」表示包括採用檸檬酸處理和在複合材料中固化的纖維素纖維的複合材料，和「原位化學C」表示包括採用聚丙烯酸處理和在複合材料中固化的纖維素纖維的複合材料)；圖13是說明對於根據本發明形成的代表性擠出複合材料，膠乳含量對作為交聯化學函數的中點解吸壓力的效果的圖(「預交聯化學B」表示包括檸檬酸交聯纖維的複合材料，「預交聯化學B+5％膠乳」表示包括檸檬酸交聯纖維和5％膠乳的複合材料，「原位化學B」表示包括採用檸檬酸處理和在複合材料中固化的纖維素纖維的複合材料，「原位化學B+5％膠乳」表示包括採用檸檬酸處理和在複合材料中固化的纖維素纖維和5％膠乳的複合材料)；圖14是說明原位交聯對根據本發明形成的代表性擠出複合材料拉伸強度效果的圖，該複合材料包括檸檬酸交聯的纖維和聚丙烯酸交聯的纖維(「2％原位」表示包括採用2wt％交聯劑處理的纖維的複合材料，「6％原位」表示包括採用6wt％交聯劑處理的纖維的複合材料，和「6％預交聯」表示包括採用6wt％交聯劑交聯的纖維的複合材料)；圖15是說明膠乳和纖維類型對根據本發明形成的代表性複合材料的強度的效果的圖(「松」表示包括美國長葉松纖維的複合材料，「共混物」表示包括美國長葉松纖維和採用聚丙烯酸和檸檬酸共混物交聯的纖維的50/50共混物的複合材料，和「化學A」表示包括採用聚丙烯酸和檸檬酸共混物交聯的纖維的複合材料)；圖16是說明原位交聯化學和膠乳對根據本發明形成的代表性擠出複合材料拉伸強度效果的圖(「化學B」表示包括檸檬酸交聯纖維的複合材料和「化學C」表示包括聚丙烯酸交聯纖維的複合材料)；圖17是說明泡沫成網複合材料孔度分布的圖；圖18是說明圖17複合材料的中點解吸壓力的圖；圖19是說明泡沫成網複合材料孔度分布的圖；圖20是說明圖19複合材料的中點解吸壓力的圖；圖21是說明根據本發明形成的代表性複合材料(包括美國長葉松纖維的複合材料)的孔度分布的圖22是說明圖21複合材料的中點解吸壓力的圖；圖23是說明根據本發明形成的代表性擠出複合材料(包括美國長葉松纖維和5％膠乳的複合材料)的孔度分布的圖；圖24是說明根據本發明形成的代表性擠出複合材料(包括檸檬酸和聚丙烯酸共混物交聯的纖維與5％膠乳的複合材料)的孔度分布的圖；圖25是說明根據本發明形成的代表性擠出複合材料(包括美國長葉松纖維和檸檬酸和聚丙烯酸共混物交聯纖維的50∶50共混物與5％膠乳的複合材料)的孔度分布的圖；圖26說明與對照複合材料相比，根據本發明形成的代表性擠出複合材料的第四湧出收集速率的圖；圖27是說明根據本發明形成的代表性擠出複合材料(包括檸檬酸和聚丙烯酸共混物交聯纖維與15％膠乳的複合材料)的中點解吸壓力的圖；圖28是說明根據本發明形成的代表性擠出複合材料(包括檸檬酸和聚丙烯酸共混物交聯纖維的複合材料)的中點解吸壓力的圖；圖29是說明泡沫成網複合材料的中點解吸壓力的圖；圖30是說明溼法成網複合材料的中點解吸壓力的圖；和圖31是說明空氣成網複合材料的平均解吸壓力的圖。
優選實施方案的詳細描述在一個方面，本發明提供粘合的纖維素纖維產品，該產品包括原位交聯的纖維素纖維。在此使用的術語「原位交聯的纖維素纖維」表示已經在網形成期間交聯的纖維素纖維。因此，本發明的產品區別於包括首先形成和然後在網形成工藝期間引入網中的交聯纖維素纖維的常規網。
產品包括原位交聯的纖維素纖維。由於纖維在網形成工藝期間交聯(即，原位)，產品包括纖維內交聯的纖維素纖維(即，含有每個纖維內交聯鍵的纖維)和纖維間交聯的纖維素纖維(即，含有纖維之間交聯鍵的纖維)。產品含有粘合結構並包括纖維內交聯的纖維素纖維，它們通過纖維間交聯鍵進一步交聯到鄰近的纖維。產品具有與纖維內交聯纖維相關的有利松密度和回彈性性能和由在纖維之間粘合賦予結構的結構整體性優點。產品是粘合網，其中交聯纖維和網自身的粘合結構有益於網的回彈性和液體收集性能。
在一個實施方案中，產品可以由如下方式生產(1)形成纖維素纖維的網，所述纖維素纖維的至少一些已經採用交聯劑和(如需要)交聯催化劑處理；(2)乾燥網；和(3)在足以進行交聯的溫度和時間下加熱網。
用於形成本發明產品的合適纖維包括已經交聯劑和(如需要)交聯催化劑處理和然後乾燥而不固化交聯劑的纖維素纖維。這些乾燥和處理的纖維可以引入形成設備用於隨後的產品形成。
許多交聯劑和交聯催化劑(如需要)的任何一種可用於提供本發明的產品。以下是有用交聯劑和催化劑的代表性列舉。以下給出的每篇專利在此以全文明確引入作為參考。
合適的脲基交聯劑包括取代的脲如羥甲基化脲、羥甲基化環狀脲、羥甲基化低級烷基環狀脲、羥甲基化二羥基環狀脲、二羥基環狀脲、和低級烷基取代的環狀脲。具體的脲基交聯劑包括二甲基二羥基脲(DMDHU，1，3-二甲基-4，5-二羥基-2-咪唑啉酮)、二羥甲基二羥基亞乙基脲(DMDHEU，1，3-二羥甲基-4，5-二羥基-2-咪唑啉酮)、二羥甲基脲(DMU，雙[N-羥甲基]脲)、二羥基亞乙基脲(DHEU，4，5-二羥基-2-咪唑啉酮)、二羥甲基亞乙基脲(DMEU，1，3-二羥甲基-2-咪唑啉酮)、和二甲基二羥基亞乙基脲(DDI，4，5-二羥基-1，3-二甲基-2-咪唑啉酮)。
合適的交聯劑包括二醛如C2-C8二醛(如乙二醛)、含有至少一個醛基團的C2-C8二醛酸類似物、和這些醛和二醛酸類似物的低聚物，如在U.S.專利Nos.4,822,453、4,888,093、4,889,595、4,889,596、4,889,597、和4,898,642中描述的那些。其它合適的二醛交聯劑包括在U.S.專利Nos.4,853,086、4,900,324、和5,843,061中描述的那些。
其它合適的交聯劑包括醛和脲基甲醛加合產品。參見，例如，U.S.專利Nos.3,224,926、3,241,533、3,932,209、4,035,147、3,756,913、4,689,118、4,822,453、3,440,135、4,935,022、3,819,470和3,658,613。
合適的交聯劑包括脲的乙二醛加合物，例如，U.S.專利No.4,968,774，和如在U.S.專利Nos.4,285,690、4,332,586、4,396,391、4,455,416、和4,505,712中描述的乙二醛/環狀脲加合物。
其它合適的交聯劑包括羧酸交聯劑如多羧酸。多羧酸交聯劑(如，檸檬酸、丙三羧酸、和丁四羧酸)和催化劑描述於U.S.專利Nos.3,526,048、4,820,307、4,936,865、4,975,209、和5,221,285。包含至少三個羧基的C2-C9多羧酸(如檸檬酸和氧聯二琥珀酸)作為交聯劑的用途描述於U.S.專利Nos.5,137,537、5,183,707、5,190,563、5,562,740、和5,873,979。
聚合多羧酸也是合適的交聯劑。合適的聚合多羧酸交聯劑描述於U.S.專利Nos.4,391,878、4,420,368、4,431,481、5,049,235、5,160,789、5,442,899、5,698,074、5,496,476、5,496,477、5,728,771、5,705,475、和5,981,739。作為交聯劑的聚丙烯酸和相關共聚物描述於U.S.專利Nos.6,306,251、5,549,791、和5,998,511。聚馬來酸交聯劑描述於U.S.專利No.5,998,511。
具體的合適多羧酸交聯劑包括檸檬酸、酒石酸、蘋果酸、琥珀酸、戊二酸、檸康酸、衣康酸、酒石酸酯單琥珀酸、馬來酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚馬來酸、聚甲基乙烯基醚-共-馬來酸酯共聚物、聚甲基乙烯基醚-共-衣康酸酯共聚物、丙烯酸的共聚物、和馬來酸的共聚物。
其它合適的交聯劑描述於U.S.專利Nos.5,225,047、5,366,591、5,556,976、和5,536,369。
合適的催化劑可包括酸性鹽，如氯化銨、硫酸銨、氯化鋁、氯化鎂、硝酸鎂、和含磷酸的鹼金屬鹽。在一個實施方案中，交聯催化劑是次磷酸鈉。
也可以使用交聯劑和催化劑的混合物或共混物。
以足以進行上述纖維內交聯和纖維間交聯的數量將交聯劑施加到纖維素纖維上。施加到纖維素纖維上的數量可以為基於纖維的總重量約1-約10wt％。在一個實施方案中，交聯劑的數量為基於纖維的總重量約4-約6wt％。
形成本發明產品的合適纖維素纖維包括是本領域的技術人員已知的那些，包括任何能夠交聯及從其能夠形成纖維網或層的任何纖維或纖維混合物。
雖然可以從其他來源獲得，纖維素纖維主要取自木漿。本發明所使用的合適的木漿纖維可以從已知的化學方法，例如存在後續漂白或不漂白的牛皮紙製漿法和亞硫酸鹽製漿法獲得。也可以使用熱機械法，化學熱機械法或其組合方法加工木漿纖維。優選以化學方法加工木漿纖維。也可以使用磨碎木料纖維、回收或二次木漿纖維以及漂白或未漂白的木漿纖維。也可以使用軟木或硬木。選擇木漿纖維的詳細情況是本領域的普通技術人員所知曉的。這些纖維也可以從一些公司購買到，包括本發明的受讓人韋爾豪澤公司。例如，本發明可用的由美國長葉松製造的纖維素纖維即可從韋爾豪澤公司購買到，其牌號為CF416，NF405，PL416，FR516和NB416。
本發明可用的木漿纖維也可以在使用前進行預處理。這一預處理可以包括物理處理，例如對纖維進行蒸汽處理或化學處理。
雖然不應解釋為限制性內容，纖維預處理的例子包括使用表面活性劑或修飾纖維表面化學性質的其他液體。其他預處理包括添加抗菌劑、顏料、染料、稠化劑或軟化劑。也可以使用以其他化學品，例如熱塑性和熱固性樹脂預處理的纖維。也可以使用預處理的組合。在形成纖維產品後也可以在後處理過程中進行類似的處理。
也可以按照本發明使用以本領域已知的顆粒粘結劑和/或稠化/軟化助劑處理的纖維素纖維。顆粒粘結劑用於將其他材料，例如高吸收性聚合物以及其他物質粘附在纖維素纖維上。使用適當的顆粒粘結劑和/或稠化/軟化助劑處理的纖維素纖維以及將上述製劑與纖維素纖維結合的工藝公開在下列美國專利中(1)專利號No.5,543,215，題目「粘結顆粒到纖維上的聚合物粘結劑」；(2)專利號No.5,538,783，題目「粘結顆粒到纖維上的非聚合物有機粘結劑」；(3)專利號No.5,300,192，題目「用粘結顆粒到粘結劑上的可再活化粘結劑製造的溼法成網纖維片」；(4)專利號No.5,352,480，題目「使用可再活化粘結劑將顆粒粘結到纖維上的方法」；(5)專利號No.5,308,896,題目「用於高膨體纖維的顆粒粘結劑」；(6)專利號No.5,589,256,題目「增強纖維稠化的顆粒粘結劑」；(7)專利號No.5,672,418，題目「顆粒粘結劑」；(8)專利號No.5,607,759，題目「將顆粒粘結到纖維上」；(9)專利號No.5,693,411，題目「將水溶性顆粒粘結到纖維上的粘結劑」；(10)專利號No.5,547,745，題目「顆粒粘結劑」；(11)專利號No.5,641,561，題目「將顆粒粘結到纖維上」；(12)專利號No.5,308,896，題目「用於高膨體纖維的顆粒粘結劑」；(13)專利號No.5,498,478，題目「聚乙二醇作為纖維粘結劑材料」；(14)專利號No.5,609,727，題目「用於粘結顆粒的纖維產品」；(15)專利號No.5,571,618，題目「粘結顆粒到纖維上的可再活化粘結劑」；(16)專利號No.5,447,977，題目「用於高膨體纖維的顆粒粘結劑」；(17)專利號No.5,614,570，題目「含有帶粘結劑的高膨體纖維的吸收製品」；(18)專利號No.5,789,326，題目「粘結劑處理的纖維」；以及(19)專利號No.5,611,885，題目「顆粒粘結劑」，上述專利在此引入作為參考。
除天然纖維以外，也可以向產品中加入包括聚合物纖維，例如聚烯烴、聚醯胺、聚酯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯纖維的合成纖維。合適的合成纖維包括，例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龍和人造絲纖維。其他合適的合成纖維包括那些由熱塑性聚合物製成的纖維、以熱塑聚合物塗敷的纖維素纖維和其他纖維，和其中至少一種組分包括熱塑聚合物的多組分纖維。單組分或多組分纖維可以由聚酯、聚乙烯、聚丙烯和其他傳統的熱塑性纖維材料製成。單組分和多組分纖維可以從商業渠道獲得。合適的雙組分纖維包括可以從Hoechst-Celanese Company得到的CELBOND纖維。纖維產品也可以包括天然和合成纖維的組合。
在一個實施方案中，產品進一步包括粘合劑。粘合劑用於進一步增強產品的結構整體性。合適的粘合劑包括熱塑性材料，如雙組分纖維和膠乳，和溼強力劑。當粘合劑是熱塑性纖維時，可以將纖維與纖維素纖維結合和然後成形為要採用交聯劑處理的網。當粘合劑是溼強力劑時，可以在將網經受纖維交聯條件之前將粘合劑施加到網上。
合適的熱塑性纖維包括採用熱塑性聚合物塗敷的纖維素纖維和其它纖維，和其中至少一種組分包括熱塑性聚合物的多組分纖維。可以從聚酯、聚乙烯、聚丙烯、和其它常規熱塑性纖維材料製備單組分和多組分纖維。單組分和多組分纖維可以從商業渠道獲得。合適的雙組分纖維包括可以從Hoechst-Celanese Company得到的CELBOND纖維。
合適的溼強力劑包括帶有含氮基團(例如，氨基)的陽離子改性澱粉，例如可從National Starch and Chemical Corp.，Bridgewater，NJ獲得的那些產品；膠乳；溼強力樹脂，例如聚醯胺-表氯醇樹脂(例如，KYMENE 557LX，Hercules，Inc.，Wilmington，DE)，聚丙烯醯胺樹脂(例如美國專利No.3,556,932；另一個例子是由American CyanamidCo.，Stanford，CT使用PAREZ 631 NC商品名銷售的聚丙烯醯胺)；脲甲醛和蜜胺甲醛樹脂以及聚氮丙啶樹脂。對造紙領域所使用的溼強力樹脂的一般性討論以及在本發明中的一般性應用見TAPPI專題系列No.29， 「紙和紙板中的溼強度」，木漿和造紙工業技術學會(紐約，1965)。
在其它實施方案中，產品可包括其它纖維。其它纖維包括，例如，纖維素纖維，特別是上述木漿纖維，以及大麻纖維、棉纖維、磨木漿纖維、漂白和未漂白紙漿纖維、回收或二次纖維。
對於其中要求液體保留的產品實施方案，產品可進一步包括吸收材料(如，高吸收性聚合物粒子)。在此使用的術語「吸收材料」表示吸收液體和吸收能力一般大於複合材料纖維素纖維組分的材料。優選，吸收材料是可水溶脹的，一般水不溶性聚合物材料，該材料能夠吸收至少約5，所需地約20，和優選約100倍或更多倍於它在鹽水(如，0.9％鹽水)中的重量。吸收材料可以在用於形成複合材料的方法中的分散介質中可溶脹。在一個實施方案中，吸收材料未處理和可在分散介質中溶脹。在另一個實施方案中，吸收材料是塗敷吸收材料，該材料在產品形成工藝期間抗吸水。
吸收材料在產品中的數量可極大地依賴於產品的所需用途而變化。吸收製品，如用於嬰兒尿布的吸收芯中吸收材料的存在量，在複合材料中的存在量合適地為基於複合材料的總重量約2-約80wt％，優選約30-約60wt％。
吸收材料可包括天然材料如瓊脂、果膠、和瓜爾膠，和合成材料，如合成水凝膠聚合物。合成水凝膠聚合物包括，例如，羧甲基纖維素、聚丙烯酸的鹼金屬鹽、聚丙烯醯胺、聚乙烯醇、乙烯馬來酸酐共聚物、聚乙烯基醚、羧丙基纖維素、聚乙烯基嗎啉酮(morpholinone)、乙烯基磺酸的聚合物和共聚物、聚丙烯酸酯、聚丙烯醯胺、和聚乙烯基吡啶等。在一個實施方案中，吸收材料是高吸收性材料。在此使用的「高吸收性材料」表示能夠通過溶脹吸收大量流體和形成水合凝膠(即，水凝膠)的聚合物材料。除吸收大量流體以外，高吸收性材料也可在適當壓力下保留其體內顯著數量的流體。
高吸收性材料一般分成三類澱粉接枝共聚物、交聯的羧甲基纖維素衍生物、和改性親水性聚丙烯酸酯。這樣吸收材料的例子包括水解澱粉-丙烯腈接枝共聚物、中和的澱粉-丙烯酸接枝共聚物、皂化的丙烯酸酯-醋酸乙烯酯共聚物、水解的丙烯腈共聚物或丙烯醯胺共聚物、改性的交聯聚乙烯醇、中和的自交聯聚丙烯酸、交聯的聚丙烯酸鹽、羧基化纖維素、和中和的交聯異丁烯-馬來酸酐共聚物。
高吸收性材料可市購，例如，購自Portsmouth，Virginia的聚丙烯酸酯。這些高吸收性聚合物具有各種尺寸，形態，和吸收性能(以商品名IM 3500和IM 3900購自Clariant)。其它高吸收性材料以商標SANWET(由Sanyo Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha提供)，和SXM77(由Stockhausen，Greensboro，North Carolina提供)市場化。其它高吸收性材料描述於U.S.專利No.4,160,059、U.S.專利No.4,676,784、U.S.專利No.4,673,402、U.S.專利No.5,002,814、U.S.專利No.5,057,166、U.S.專利No.4,102,340、和U.S.專利No.4,818,598，所有文獻在此明確引入作為參考。引入高吸收性材料的產品如尿布描述於U.S.專利No.3,699,103和U.S.專利No.3,670,731。
用於所述產品的高吸收性材料包括高吸收性粒子和高吸收性纖維。
在一個實施方案中，產品包括對於產品製造目的相對緩慢溶脹和仍然在可接受速率下溶脹而不相反地影響產品或包含產品的任何構造物的吸收特性的高吸收性材料。一般情況下吸收材料越小，材料吸收液體更快速。
在本發明的另一方面，提供形成粘合纖維素纖維產品的方法。可以由擠出工藝形成粘合的纖維素纖維產品。
一般情況下，形成產品的方法包括向形成設備中引入提供產品的組分。一般地，將纖維作為紙漿淤漿(即，纖維在分散介質中的分散體)引入設備。紙漿淤漿可包括乾燥紙漿，從不乾燥的紙漿，處理的紙漿，或其混合物。紙漿淤漿可具有相對高的稠度，例如，在一個實施方案中約15-約50wt％固體，和在另一個實施方案中約20-約35wt％固體。然後可以將引入混合/擠出設備的紙漿與其它組分結合。對於並不包括向設備中引入交聯劑處理的紙漿的實施方案，這些組分包括交聯劑和(如需要)交聯催化劑。對於包括粘合劑的本發明實施方案，可以將粘合劑加入到在設備中的紙漿淤漿中。也可以將表面活性劑和空氣加入到設備中的紙漿中以提供泡沫形成介質。如需要可以加入其它組分，如吸收材料以提供所需的產品。
將產品的組分在設備中結合和混合和然後從設備擠出。然後乾燥擠出的纖維素材料和最終由熱處理形成產品。產品具有有利的低密度，低到約0.02g/cm3。一般情況下，產品的密度為約0.02-約0.20g/cm3。
如上所述，通過如下方式形成本發明的產品將包括用交聯劑和(如需要)交聯催化劑和(如包括)粘合劑處理的纖維素纖維的網經受足以進行交聯(即固化)和纖維粘合的溫度和時間。可以由幾種方法進行用於提供產品的交聯劑固化。交聯典型地要求相對高的溫度(180℃)和長反應時間(大於4分鐘)。在一個實施方案中，通過在固化烘箱中加熱形成產品，其中使高溫和大體積空氣通過網。在另一個實施方案中，固化發生在已經將網放入用於運輸的箱子之後。在此實施方案中，將包含處理的網的箱子通過乾燥器(如，窯爐乾燥器)以完成交聯反應。
本發明的產品可以形成為拉伸網或片，它具有允許纖維網被輥壓，傳遞，和以輥壓形式用於隨後工藝的結構整體性和片強度。
本發明的產品可以纖維輥壓形式提供和容易地引入隨後的工藝。產品可以有利地引入各種吸收製品，如尿布，包括一次性尿布和運動短褲；女性護理產品，包括衛生巾、棉塞、和短褲襯墊；成人失禁產品；毛巾料；外科和牙科海綿；繃帶；食品託盤墊等。
在一個實施方案中，本發明的方法提供含有纖維內交聯纖維和賦予獲得複合材料改進性能的纖維間交聯纖維的粘合複合材料。如上所述，方法是泡沫形成方法，它使得能夠在高固體含量(即，高稠度)下形成複合材料而不需要使用形成導線和排液。在方法中，空氣含量和泡沫密度是方法中泡沫的特性。泡沫可以分為穩定或不穩定的。然而，總體上，泡沫是熱力學上相對不穩定的。泡沫穩定性依賴於許多因素，包括表面活性劑類型和濃度，溫度，穩定劑濃度，和固體的存在。當泡沫中的液體由重力移動到泡沫氣泡底部時發生泡沫的崩塌，引起氣泡頂上或之間的層變薄到衰壞點。參見，Porter，M.R.Handbood ofSurfactants，第2版，Blackie Academic Professional(ChapmanHall)，1994，65-69頁。在本發明工藝中，認為泡沫是穩定的。
為進一步理解用於方法的泡沫，泡沫空氣含量和泡沫密度的討論是說明性的。
Wiggins-Teape教導了按體積空氣含量至少為65％的泡沫(參見，U.S.專利Nos.3,716,449和3,938,782)。為進行分散，泡沫的空氣含量按體積為55-75％(參見，U.S.專利No.3,817,952)或按體積50-70％(參見，U.S.專利No.3,937,273)。在此空氣含量範圍以外(更高或更低)，泡沫中的固體，如玻璃纖維，纖維素纖維，微粒等聚結。然而，泡沫比從相同固體含量的含水淤漿製備的網或手抄紙提供更大的分散體。Ahlstrom描述了使用按體積25-75％空氣含量的改進方法(參見，U.S.專利No.5,904,809)。
然而，在高空氣含量(如，大於按體積約75％)下，Wiggins-Teape描述了泡沫粘度上升到其中氣泡層中的液體不再從混合物排出(在合理的時間內)的點(如，泡沫是穩定泡沫)。因此，在多孔載體上的形成和從網排出液體，如在造紙機上，是不實際的。在本發明的方法中，高空氣含量泡沫是表現如半固體的穩定泡沫且液體的排出較緩慢。由於較少的液體可從泡沫排出(例如，在按體積95％空氣含量下，1000ml泡沫僅包含50ml液體)，由液體移動引起的泡沫崩塌(由於重力或施加的抽吸)需要較長的時間。總的排液時間可展示為按指數降低速率，如圖1所示。事實上，從未達到完全的液體排出。因此，此長的排液時間和泡沫的剛度或高粘度使常規排液不實際。本發明的方法使用高空氣含量泡沫，典型地大於按體積約75％。在一個實施方案中，空氣含量大於按體積約90％，和在另一個實施方案中，大於按體積約98％。先前並不實施這樣的高空氣含量泡沫以生產不要求多孔載體的產品，通過該載體游離液體從網排出。在本發明方法中，泡沫崩塌由溫度和/或系統中的吸溼材料引發，吸溼材料吸收足以導致泡沫氣泡崩塌的液體。
泡沫密度與空氣含量密切相關。在上述參考文獻中，描述了在1巴壓力下範圍為250-500g/l的泡沫密度。通過消除液體排出的需要，更低的泡沫密度可用於形成纖維網(例如，約20-約100g/l的泡沫密度得到按體積約90-約98％的空氣含量)。在本發明中，在1巴下約20-約200g/l的泡沫密度是有用的。工藝中形成步驟的消除極大地減少了必須的設備。由於在網形成期間不從發泡材料排出液體，沒有典型的白液或再生液體或泡沫需要再加工和再使用。降低的液體/泡沫負荷也降低了產品中液體的數量，導致更經濟的乾燥。這由檢驗工藝中成形固體或稠度而說明。
Ahlstrom專利描述了使用稠度至多為12％的纖維的泡沫形成方法在空氣含量為按體積25-75％的泡沫中是可能的。本發明的方法使用按體積約15-約50％的纖維稠度。在某些實施方案中，纖維稠度為約30-約50％。在其它實施方案中，纖維稠度為約20-約35％。可以達到在這樣高稠度下的纖維脫水。可以在擠出機中採用加入滑動助劑而將高固體纖維汙泥進一步脫水。同樣，可以在高稠度下採用滑動助劑擠出再生纖維以再生典型地在印刷紙中發現的纖維和填料。在本發明方法中，泡沫用於流化纖維，與加入滑動助劑相反。由異向或同向旋轉擠出機中的高速螺杆或旋轉混合機/發泡機的高速轉子或泵對合適表面活性劑的作用產生泡沫。用於工藝的泡沫包括表面活性劑。合適的表面活性劑是採用約0.01-約5wt％複合材料的表面活性劑濃度，產生約100g/l泡沫密度和約90％空氣含量的表面活性劑。在一個實施方案中，表面活性劑是由Croda生產的Incronam 30。
高固體纖維用於本發明的方法。高固體纖維可以從已經脫水到大於約20％稠度的溼紙漿或從通過錘磨機獲得的乾燥纖維和加入水生產。因此，在本發明方法中，可以在混合設備中混合和發泡高固體組合物，與適當的化學添加劑，包括粘結劑，膠乳，溼強力劑，幹強度劑，交聯劑，酸，鹼，染料，粉末，顏料，聚合物。
本發明的方法使用由泡沫流化的高稠度纖維。本發明代表性方法的總體圖見圖2。
可以由剪切誘導混合設備達到發泡和混合操作。在一個實施方案中，剪切誘導混合設備是混合機/發泡機，例如，購自E.T.OakesCorporation，Hauppauge，NY的型號8M混合機/發泡機。此設備是旋轉混合機和見圖3A-C。為流化纖維，採用柱塞將大約在30％固體的纖維加入到設備中，柱塞向轉子推動纖維。在其中纖維接觸轉子的剪切或混合點，注入表面活性劑。發泡的纖維離開進入向模具進料的管子。參見圖3A-C，也可以沿轉子的徑向軸加入空氣和其它化學品。可以在轉子的前部面和或在後部面上進行化學品加入。轉子和定子見圖3B和C。在設備中，纖維必須經過的通道是彎曲的，且沒有適當的發泡下，纖維堵塞轉子。代表性板混合機擠出設備，方法，根據本發明形成的代表性產品，和代表性產品的工作特性描述於實施例2。
在另一個實施方案中，剪切誘導混合設備是擠出設備。一種這樣的擠出機是ZSK 58，購自Coperion Corporation，Ramsey NY的超級混煉機。擠出機的一種可能構型見圖4。在工藝中，在約20-約40％固體下，將紙漿加入到擠出機中。然後加入表面活性劑以引發發泡。另外的化學品在發泡下遊加入，但可以在發泡之前加入。交聯劑，(如檸檬酸和催化劑)可以加入和與纖維在擠出機中混合，使製備的纖維用於在產品隨後乾燥期間的交聯。也可以使用粘結劑如KYMENE(購自Hercules，Wilmington DE)和膠乳(購自DuPont，Midland MI或HBFuller，St.Paul MN)。可以加入為固體，液體，或氣體形式的化學品和其它粘結劑。如果需要增加發泡和/或空氣含量也可以加入空氣。代表性雙螺杆擠出設備，方法，根據本發明形成的代表性產品，和代表性產品的工作特性描述於實施例1。
使用任一設備，(即，旋轉混合機或雙螺杆擠出機)，將發泡纖維和添加劑通過模具擠出以形成片或複合網。也可以產生其它形狀。將泡沫複合材料擠出到固體輸送帶上，導線，非織造載體織物上以將網傳輸到乾燥器。然後使用技術如對流乾燥，通過空氣乾燥，碰撞，微波，無線電頻率等，乾燥(和/或任選地固化)發泡的複合材料。
由本發明方法形成的複合材料包括收集和貯存複合材料。本發明的方法使得能夠形成由任何纖維組成的複合材料，具有低密度的複合材料，和包括原位交聯纖維的複合材料。對於包括原位交聯纖維的複合材料，可以在將纖維加入到擠出機中之前將交聯劑加入到纖維中。或者，可以在擠出工藝期間將交聯劑加入到混合設備中。
為達到合適的收集性能，收集複合材料具有相對低的密度。收集複合材料也具有合適的吸收和解吸特性，在此稱為中點解吸壓力(MDP)。
如圖5所示，由本發明方法生產的複合材料的密度更小於由其它所述方法形成的複合材料。圖5說明在本發明方法和對於兩種纖維配料的方法之間的差異。可以典型地在約0.14g/cm3下，採用描述於如下文獻的形成纖維素複合材料的泡沫方法生產僅有松的配料PCT/US99/26560，網狀吸收複合材料，和PCT/US99/05997，形成凹槽複合材料的方法。在採用傳統造紙纖維的溼法成網系統中，依賴於等級密度可為0.1-1.4g/cm3(參見K.Britt的紙漿和紙技術手冊，1970，669頁)。本發明的方法可從相同的纖維(松)在0.037g/cm3的密度下形成複合材料。此密度小於這樣的密度，在後一密度下泡沫成網，或高稀釋溼法成網工藝可形成包括交聯纖維的複合材料。
密度與孔度分布相關。本發明的方法，本質上由於泡沫的附聚效果和分散效果兩者，產生具有寬孔度範圍的網。孔度由自動孔度計測量和由從泡沫的顯微照片得到的測量值確認。小於750μm的孔度分布可以容易地由購自TRI/Princeton，Princeton，NJ的自動孔度計測量。對於理論、應用、和設備的描述，參見Miller和Tyomkin在Journal ofColloid and Interface Science(162，163-170頁，1994)。孔度計通過吸收和解吸循環測試樣品。簡單地，將預飽和的樣品放入儀器中。增加樣品腔中的壓力，它引起樣品中的液體首先從最大的孔排出隨後由更小的孔排出。與天平界面相接的計算機監測在每個施加的壓力下離開樣品的液體數量。在測試最後的壓力點之後，系統可相反運行，引起樣品吸收液體，它再次由壓力跟蹤。從此數據，可以確定孔度分布和吸收/解吸滯後。
由幾種方法製備的相似網的模式孔度半徑，μm，見表1。模式定義為具有最多體積的孔度，它指示發生的最高頻率。這些數值指示在由本發明擠出方法形成的複合材料中的模式孔度(得益於最大體積的孔度)大於由其它方法生產的那些。
表1.模式孔度半徑(μm)的比較方法 擠出 泡沫 空氣成網 溼法成網吸收曲線 330 225 210 250解吸曲線1508898 75上表中的數據來自圖6-9所示的孔度分布圖。圖6-9說明了分別由本發明擠出方法，泡沫形成法，空氣成網，和溼法成網工藝形成的代表性複合材料的孔度分布圖。每種複合材料的目標基礎重量為300g/m2。在這些圖中，指示吸收的模式孔度。模式解吸孔度未標出，但可以如對於吸收那樣確定。
毛細管解吸壓力(CDP)的低數值已經指示為是優選收集複合材料。毛細管解吸壓力(CDP)定義為壓頭，在該壓頭下在飽和樣品中的50％液體已經從樣品排出。對於流體收集，8-40cm H2O(一般8-25cm H2O)的毛細管解吸壓力數值對於合成泡沫收集流體是有利的(參見，如，U.S.專利No.5,571,849、U.S.專利No.5,550,167、U.S.專利No.5,851,648)。對於流體分布，CDP的12-50cm H2O(一般20-40cm H2O)數值對於良好性能是所需的(參見U.S.專利No.6,013,589)。
如上所述，Miller和Tyomkin顯示可從如下圖確定毛細管解吸壓力從自動孔度計獲得的飽和百分比對施加的壓力的圖。在壓力範圍內的吸收(攝入)和解吸(保留)曲線得到材料收集和保留液體能力的指示。用於吸收產品如嬰兒尿布的收集材料必須能夠快速地吸收液體和也有效地再次將它釋放到尿布芯中。由自動孔度計測量的毛細管解吸壓力稱為中點解吸壓力(MDP)。MDP可用作材料作為收集材料能力的量度。清楚的是可以選擇任何飽和百分比和(為簡潔)當它接近曲線的拐點時選擇曲線的中點。除了由本發明方法形成的材料以外，無纖維素的材料不能恰好地達到小於14cm H2O的MDP數值。因此，顯示更低MDP數值的含纖維素的材料導致改進的收集性能。
在一個實施方案中，本發明的複合材料的MDP數值小於約14cmH2O。在另一個實施方案中，複合材料的MDP數值小於約12cm H2O。在進一步的實施方案中，複合材料的MDP小於約10cm H2O。
為說明纖維素基收集材料的當前性能，考慮由美國長葉松纖維組成的空氣成網收集材料。使用TRI自動孔度計，MDP測量為44cmH2O。此數據在圖10中展示以顯示自動孔度計的輸出。
交聯纖維素纖維在個人護理吸收產品如嬰兒尿布中的使用改進了市場上當前尿布的性能。測試從兩種交聯纖維製備的幾種空氣成網襯墊的MDP。從檸檬酸交聯的纖維(化學B)製備的襯墊的MDP為24.2cmH2O。從聚丙烯酸/檸檬酸交聯的纖維(化學A)製備的襯墊的MDP為14.4-15.9cm H2O。化學C涉及聚丙烯酸交聯的纖維。
本發明的方法提供具有改進MDP數值的網。例如，由Oakes混合機/發泡機而不使用交聯化學而形成的擠出松纖維網提供18.5cm H2O的MDP數值(相比於空氣成網法的44cm H2O)。從由聚丙烯酸和檸檬酸共混物交聯的纖維(預交聯化學A)形成的擠出網的MDP數值測量為10.5cm H2O(相比於空氣成網法的15.2cm H2O)。從檸檬酸交聯纖維(預交聯化學B)形成的擠出網的MDP數值測量為12.0cm H2O(相比於空氣成網法的24.2cm H2O)。
由於網的結構和表面張力效應擠出工藝提供MDP改進。表面張力與壓差相關，如Laplace公式所示=2Pcos]]>
其中ΔP＝壓差，σ＝表面張力，θ＝接觸角，和r＝半徑。
如果由於表面活性劑的存在降低表面張力(如在本發明的泡沫擠出工藝中那樣)，則在恆定半徑下，也必須降低壓差(實際上MDP)。但除非抗崩塌，當潮溼時大多數孔崩塌。可以通過纖維間交聯增加結構中的粘合和/或粘結劑的加入而得到進一步的改進。如果粘合和纖維回彈性增加，則孔半徑不會崩塌，再次得到更低的MDP數值(通過由於崩塌孔半徑而最小化壓力的升高)。膠乳的加入升高了接觸角數值和因此降低餘弦。此也在恆定半徑下要求MDP的降低。
上述改進在圖11和12中圖示表示。圖11是展示對於本發明方法作為交聯化學函數的中點解吸壓力的降低。從松纖維，檸檬酸交聯纖維，和原位檸檬酸交聯纖維(即，已處理加入到混合設備但未採用檸檬酸固化的纖維)形成的擠出複合材料的MDP數值分別為18.5，12.0，和9.8cm H2O。圖12是顯示對於包括採用聚丙烯酸和檸檬酸共混物交聯的纖維(預交聯化學A)，檸檬酸交聯纖維(預交聯化學B)，原位檸檬酸交聯纖維(原位化學B)和原位聚丙烯酸交聯纖維(原位化學C)的擠出複合材料，增加交聯劑對MDP的效果。當增加交聯劑數量時，從這些纖維製備的複合材料的MDP數值降低。MDP的降低(從12到9.8cm H2O)由虛線顯示，相比於預交聯化學B實線。化學C顯示甚至更大的MDP降低。
膠乳，如購自HB Fuller，St.Paul MN的加入，(如基於複合材料總重量的5wt％)也積極地影響MDP和改進收集性能。圖13說明單獨的膠乳和與原位交聯結合的膠乳降低MDP。再次，考慮預交聯數據為顯示原位交聯效果的對照(先前展示為12至9.8cm H2O)。沒有原位交聯的膠乳效果是12至9.5cm H2O的MDP下降。原位交聯和膠乳加入的結合效果將MDP從9.8變成8.3cm H2O。在更高的膠乳水平下，獲得甚至更低的MDP數值。作為例子，含有15％膠乳的預交聯化學A纖維複合材料的MDP是7.7cm H2O。MDP數值的總結在表2中提供。
表2.代表性擠出複合材料的MDP數值
*僅應用於交聯的纖維(E)＝在雙螺杆擠出機上製備的樣品(O)＝在Oakes混合機/發泡機上製備的樣品(EO)＝包括在Oakes混合機/發泡機或雙螺杆擠出機上製備的樣品測量根據本發明形成的擠出複合材料的收集速率。如在U.S.專利No.5,460,622和U.S.專利No.4,486,167中所述測量收集速率，每個專利在此引入作為參考。對程序的唯一變化是使用75ml湧出使得總負載接近尿布的總能力，使測試更嚴格。
將商業尿布購得(Procter Gamble的PAMPERS)和由指示程序測試第4湧出收集速率。商業尿布對於75ml的第四湧出顯示0.44ml/秒的收集速率。此性能表示目前的技術水平。採用化學B(檸檬酸交聯的纖維)和C(聚丙烯酸交聯的纖維)在4和6％的水平下生產原位交聯的收集補片。然後將這些補片插入商業尿布(與對照物相同尺寸和類型的PAMPERS)。以如下方式完成插入。將覆蓋料在尿布一端仔細切割和向後剝離以露出商業收集補片和載體棉紙。仔細除去這些材料而不擾亂尿布芯。將與商業補片相同尺寸的代表性擠出補片插入尿布。將覆蓋料返回到這的原始位置和密封。
在4％交聯劑水平下，依賴於化學類型，第4湧出收集速率為0.48-1.13ml/s。作為第二對照物，也測試預交聯纖維。在6％水平下，依賴於基礎重量和化學類型，速率為0.36-1.60ml/s。這些數據展示相對於商業尿布對照物和相對於從預交聯纖維生產的收集材料，擠出複合材料收集速率的顯著改進。當尿布的胯部面積降低，因此降低可用於收集的區域時，此改進是特別重要的。收集數據見表3。
表3.代表性擠出複合材料的收集速率
本發明的擠出複合材料也顯示有利的拉伸強度。由於許多測試樣品非常薄弱(如空氣成網的鬆軟墊)，由水平拉伸方法測量拉伸情況。方法使用固定到恆定速率延伸拉伸機如由Instron提供的那些的下十字頭的水平夾具。將10cm×10cm樣品夾緊入夾具。對於每個樣品將負荷池歸零。然後由拉伸機拉動樣品。機器測量每個樣品的伸長率和斷裂負荷。
採用兩種不同的化學和在三個水平下生產原位交聯的樣品。這些樣品的拉伸數據見下表和圖。清楚的是當原位化學水平增加時，拉伸增加。此增加是纖維間粘合增加的指示。所有的樣品(指示為預交聯的除外)以相同的方式生產，變化僅在於如表4所示的化學類型和水平。
表4.代表性擠出複合材料的拉伸強度
水平基於纖維重量；使用Oakes混合機/發泡機擠出所有的樣品。
依賴於應用的交聯化學，當採用原位交聯時拉伸增加10-20X。圖14說明在原位交聯時對擠出複合材料拉伸強度的效果。
膠乳可用於增加擠出複合結構物和網的強度。膠乳和纖維共混物對代表性擠出複合材料強度的效果見圖15。膠乳和交聯化學對代表性擠出複合材料強度的效果見圖16。參考圖15和16，採用6％化學的化學B樣品的強度是34g/in(BW＝205gsm)。採用5％膠乳的預交聯化學B複合材料是94g/in(BW＝157gsm)。採用5％膠乳和6％原位交聯的複合材料的拉伸是1065g/in(208gsm)，它比任一單獨處理大十倍以上。
在進一步的方面，本發明提供包括交聯纖維素纖維產品的吸收製品。產品可以與一個或多個其它層結合以提供可引入吸收製品如嬰兒尿布、成人失禁產品、和女性護理產品的結構。實施例實施例1代表性雙螺杆擠出設備和方法，和代表性產品和它們的性能特性在此實施例中，描述代表性雙螺杆擠出設備，使用所述設備形成產品的方法，使用所述設備由所述方法形成的代表性產品，和代表性產品的性能特性。
實驗室測試展示在泡沫介質中擠出纖維網提供增強性能的可能性。考慮到實驗室成功，進行中試試驗。以下內容描述在本發明方法中使用由Krupp，Werner，和Pfleiderer(KWP)生產的雙螺杆擠出機以提供本發明的代表性產品。
在試驗中，採用寬範圍的基礎重量(～400-2000g/m2)擠出材料的連續網。將雙組分纖維(CELBOND T105)加入到系統中以生產具有更強整體性的樣品。表面活性劑濃度在兩個水平總質量的1％和0.5％下測試。兩個水平產生適當的泡沫。泡沫質量相似於來自Oakes試驗室單元的那些(板混合機/發泡機，94-99％空氣含量，泡沫密度10-60g/l)。關於纖維長度，纖維的打開並不損害纖維。產品質量和性能並不優化，此不能滿意地作為採用Oakes系統製備的樣品。擠出機單元是緊密的，並且依賴於螺杆直徑，可以安裝在混凝土板上而沒有底腳或樁基。與典型的紙工業相比，小尺寸和工藝的簡單也轉化成低資金和工程成本。直接向設備中以乾燥形式加入SAP的能力是優點。
設備.使用九個機筒ZSK 58mm雙螺杆擠出機(KWP)用於試驗。擠出機設置的圖見圖4。四個Acrison單螺杆進料機用於向擠出機中加入原材料。總計五種不同的螺杆設計用於分散纖維和產生泡沫。不同的螺杆設計描述於如下部分。
圖4顯示的設備顯示幾個值得注意的特徵。第一個特徵是設備的相對尺寸。擠出機含有大約25』×25』的區域。擠出機在主地板上而進料機在第二地板上。每個機筒小於1英尺長。在吸收產品的商業設計中，不需要九個機筒的系統(注意從左邊計數，第一個和最後一個機筒不是必須的)。第三個機筒也是任選的。
另一個重要點是簡化。此系統基本上是集結入，集結出的操作。進料系統簡單，採用已知技術失重進料機。當吸收材料(如高吸收性聚合物，SAP)可以採用乾燥形式通過側進料機直接加入溼纖維流中而沒有堵塞時，強調這點。此系統能夠容易加工纖維和滿足最先兩個試驗目的的SAP。SAP在工藝適當端以乾燥形式的加入保持SAP溶脹到SR1001(購自Stockhausen的輕微交聯聚丙烯酸酯)的最小情況。當乾燥加入及擠出機中的保留時間在5秒以下時，另一種購自Stockhausen的聚丙烯酸酯，SXM-77，溶脹且不利地影響運行性。
試驗詳細情況.採用一系列運行進行擠出機試驗。這些運行見表7。沒有纖維，發泡沒有問題，產生的泡沫為96-97％空氣含量範圍(相比於描述於如下文獻的泡沫形成工藝(泡沫成網)的理論最優67％PCT/US99/26560，網狀吸收複合材料，和PCT/US99/05997，形成凹槽複合材料的方法，每篇專利在此以全文明確引入作為參考)。泡沫密度是29-30g/l，相比於泡沫成網工藝典型地350g/l。在達到泡沫之後，開始纖維進料。為獲得纖維分散，嘗試三種不同的螺杆構型。第一種構型具有相當多的高剪切元件。儘管這些元件產生剪切，它們也限制材料的流動(如增加保留時間)。此設計產生一些熱量和不能有效分散纖維。第二種設計是沒有限制的低剪切設計。此設計能夠達到1000rpm螺杆速度而沒有顯著增加溫度。結果是，改進纖維分散。在網中纖維結是仍然可見的。然而，分散好於第一螺杆設計和好於在此試驗中達到的的分散，此試驗以下識別為1051-XNP。
第三種設計再插入有限數目的更高剪切元件以改進纖維化。這些較少的剪切元件增加溫度。
第四種螺杆設計(相似於第二種設計但採用更多的捏合段)允許至多225磅OD纖維/hr(2.5噸/天)的進料。僅加工纖維，此螺杆設計顯示為破裂纖維塊。降低進料到0.5噸/天使得可以更容易地看出纖維分散。然後安裝狹縫模具，它產生大約500g/m2和0.05g/cc(26.6％「埋伏」(couch)固體)的網。
在取得樣品和機器數據之後，在約50％水平下加入SR1001。側進料機運行完整而沒有SAP進料問題。將此複合材料(BW～1100g/m2，密度～0.11g/cc)通過模具頭擠出和取得樣品(39％「埋伏」固體)。容量數值是16g/g。當嘗試SXM-77時，除去所有的游離水分和產生SAP和纖維的乾燥塊。這是在先前試驗(1050-XNP)中看到的相同結果。
由於網可以採用模具生產，採用SAP在更低的基礎重量下生產樣品以與先前製備和測試的泡沫成網材料比較。也加入雙組分纖維CELBOND T105以增加整體性。也可以向系統中加入溼強力劑KYMENE，雙組分纖維的替代。產生低基礎重量的材料。表面活性劑水平從1％降低到總質量的0.5％而沒有不利的效果。經驗上，水可利用性是比表面活性劑總量更為限制性的因素。
採用第五種螺杆設計使用一些三葉元件形成含有和沒有CELBOND T105的其他低基礎重量材料。材料顯示具有更少的結。進行產量研究，它確定此螺杆限制纖維進料到700磅/hr(現狀如此)或約1170磅/小時總質量(假定40％固體和50％SAP)。
纖維質量/分散結果螺杆設計和產量.測試從幾種螺杆軸設計的材料的樣品的結百分比和纖維長度。這兩個測試典型地由小實驗室使用以評價錘磨機效率。這些工具用於評價不同的螺杆設計。根據聲波分級數據，表5指示設計5輕微好於設計4。在任一設計中，未切割纖維，如由纖維長度數據證明。
表5.對於螺杆設計4和5的纖維質量比較
其它數據指示設計2是效率最小的而隨後的設計改進纖維分散。
固體含量.固體百分比在25-65％範圍內測量，但並不遵循根據材料平衡的預測值(17-47％範圍)。除一個以外的所有測量值指示比理論值更高的固體，它指示樣品可能沒有完全乾燥。
容量結果.對包含37-46％SAP含量的樣品測量在約11-17g/g負荷數值下的容量。考慮高基礎重量和由於恆定的模具狹縫尺寸而增加密度，容量值是合理的。
表面活性劑水平.使用的三個表面活性劑(購自Croda的Incronam30)水平是5.0，7.5和10.0(現狀如此)磅/hr。從水萃取物的表面張力值指示表面活性劑存在於表面上和容易除去。對於三個表面活性劑水平(5.0，7.5和10.0磅/hr)表面張力值是40.7，40.4，和35.5達因/cm。由於發泡在所有水平下是成功的和在此工藝中沒有「洗滌」步驟，可以採用更低水平的表面活性劑以降低殘餘表面活性劑的水平。更低水平的表面活性劑可增強產品的收集性能。在泡沫成網的網中使用Incronam 30或Dehyton K的典型萃取物表面張力值是40-43達因/cm。
收集/孔度分布/中值解吸壓力.由Edana測試方法，新市場紙漿標準測量收集。對於100mL的第一到第三劑量，Procter GamblePAMPERS對照物的收集時間分別是27秒，60秒，和85秒。代表性樣品的收集性能指示過量表面活性劑的存在。對於所有樣品第一劑量收集時間是30-70秒。一般情況下，第二和第三劑量耗時長於300秒(5分鐘)。
在圖中給出代表性產品的孔度分布和中值解吸壓力。
孔度分布(PSD)和中值解吸壓力(MDP)並不超越表面活性劑水平提供關於收集性能的另外洞察力。以上圖17-20顯示在此試驗期間生產的兩個更低基礎重量樣品的PSD和MDP。當與圖21和22比較時，1051-XNP樣品非常相似於在Oakes上在實施例2所述實驗室研究期間生產的那些。MDP數據並不顯示在兩個研究之間的任何差異。運行17和19的MDP數值分別測量為17.2cm H2O和16.2cm H2O，而在Oakes工藝中100％松的數值是16.5cm H2O。
與相似泡沫成網材料的比較.下表6顯示根據本發明的材料相對於泡沫成網製備材料的比較。顯著的差異是密度和對垂直芯吸的獲得效果。儘管木絨紙漿(美國長葉松)含量存在差異，容量數值相似。甚至沒有優化，1051-XNP材料可比於泡沫成網製備的材料。
表6.1051-XNP和泡沫成網(943和946)樣品的比較
產量.產量研究指示可以通過58mm機器加工～450 OD磅/小時(5噸/天)的總質量。
表7.代表性擠出複合材料的總結
實施例2代表性板混合機擠出設備和方法，和代表性產品和它們的性能特性在此實施例中，描述代表性板混合機擠出設備，使用所述設備形成產品的方法，使用所述設備由所述方法形成的代表性產品，和代表性產品的性能特性。
板混合機/擠出工藝是對用於製備複合芯材料的傳統形成技術的一個替代。在此實施例中，Oakes混合機/發泡機(Oakes連續混合頭，E.T.Oakes Corporation，Hauppauge，NY)用於產生可擠出泡沫，從該泡沫通過簡單模具頭由擠出製備網。使用三種纖維配料美國長葉松紙漿纖維(CPine)，檸檬酸處理的纖維素纖維(XLA)，和這兩種纖維的50∶50共混物。購自H.B.Fuller Company的PD8161膠乳，以5wt％，10wt％，和15wt％的水平用作粘合和回彈性助劑。
在此使用的術語「EXPRO」表示本發明的擠出工藝和由工藝形成的產品。
結果展示如下內容。所述設備和方法可在低於其它目前工藝的密度下將松纖維和處理的纖維形成網。這些產品的平均孔度半徑對於擠出網經由傳統工藝形成的網更大。相對於目前的材料產品具有改進的收集情況。產品比採用傳統工藝形成的目前材料顯示更為低的中值解吸壓力。擠出工藝具有原材料或產品的最小廢料。
概述.在此實施例中，CPine，XLA，和PD8161膠乳用於形成具有不同纖維配料和膠乳含量的樣品。樣品描述見表8。
表8.擠出複合樣品描述
Oakes設定.為生產這些樣品，使用如圖3A-C所示的實驗室設備。具體的機器和運行規定以下給出。
一般情況下，在30％稠度下將所需的紙漿纖維，與2wt％作為滑動助劑的Polyox(4百萬分子量聚環氧乙烷)一起通過柱塞進料機加入到混合機/發泡機中。通過柱塞進料機將其它添加劑如空氣，表面活性劑和膠乳加入到位於Oakes設備上的注入口。目前的系統是批量作業系統，它在集結入，集結出基礎上操作而基本沒有廢料。由紙漿進料速率和輸送機速度控制樣品的目標基礎重量(300g/m2)。
孔度分布.採用TRI自動孔度計測量孔度分布。在此討論幾個例子。在此選擇的三個樣品代表在三種配料中看到的差異松(實施例2，圖23)，XLA(實施例6，圖24)，和50∶50共混物(實施例10，圖25)。
在圖24中，注意曲線中向每個曲線更高平均半徑的轉變。此是從松向交聯纖維變化的指示。圖25，共混物樣品，顯示在圖23和24中看到那些之間的中間模式值。更大的平均半徑是形成更鬆散網的更堅硬交聯纖維的結果和也由於由結構的支撐。在曲線以下的面積是樣品中總體積的指示，因此是樣品容量的指示。這來自如下事實PSD曲線是從自動孔度計獲得的累積體積圖表的衍生物。因此可以根據它們對孔度的影響評價纖維配料，而孔度又影響所述結構的體積或容量。
然而，關於收集，最好僅根據模式孔度比較工藝。這些數值列於表1。這些數值指示本發明的擠出工藝產生四種測試工藝的最大孔度。
收集.收集性能典型地是基於多劑量測試的結果。第四湧出結果，是最嚴格的條件，通常用作性能指示物。在此研究中樣品的第四湧出結果見表9中的概述數據表。
一般情況下，XLA結果是最有希望的。這些結果在圖26中給出。這些數據顯示相對於目前的尿布對照物，收集速率由單獨的XLA改進。當膠乳存在時，結果繼續相對於對照物和相對於1012-XNP的性能而改進。第四湧出結果不是唯一的改進。所有的湧出(1-4)顯示相對於對照物改進收集速率。
中值解吸壓力.儘管對於收集材料快速地收集流體是重要的，材料也必須能夠容易地將它釋入到吸收劑芯中。釋放流體的此能力由中值解吸壓力判斷。這是其中在自動孔度計上測試期間50％收集流體已經從樣品除去的壓力。
從檸檬酸交聯纖維形成的複合材料的MDP大約為20-22cm H2O。從纖維如XLA形成的複合材料僅能夠達到16-19cm H2O的MDP數值。圖29顯示其中XLA用於生產1012-XNP中的樣品的實施例。在此MDP是17cm H2O。
使用擠出工藝，從檸檬酸交聯纖維單獨形成的複合材料的MDP值降低到10.5cm H2O(參見圖28)。膠乳的加入改進MDP到7.7cmH2O(參見圖27)。根據採用表9所示纖維配料的MDP範圍，可以使用這些纖維、膠乳和擠出工藝控制MDP為8-17cm H2O。
這些結果顯示不同的工藝在密度和孔度分布方面形成不同的結構。這些結構差異，以及表面特性，也影響中值解吸壓力。
圖29，30，和31顯示由三種不同工藝形成的複合材料的MDP。圖31顯示從識別為46-01和46-02的兩批XLA纖維製備的空氣成網墊。這些墊的密度為0.06g/cm3但並不含有任何表面活性劑以抑制MDP(14-16cm H2O)。圖29如先前所述是泡沫形成的複合材料。儘管具有更低的密度，但MDP略微高於空氣成網的樣品。圖30顯示溼法成網複合材料的MDP。此材料的MDP為18.5並具有相似於泡沫形成的樣品的密度。如圖27和28所見，由擠出工藝形成的樣品顯示更低的MDP數值。
拉伸.拉伸中的變化遵循期望的傾向(1)當松含量增加時，張力增加；(2)當交聯纖維含量增加時，張力降低；和(3)當膠乳含量增加時，張力增加。採用Instron使用水平夾具測量這些樣品。
結果可以總結如下。當使用松纖維或交聯纖維時，擠出網的密度低於形成吸收網的其它工藝。擠出網的平均孔度半徑越大，提供增強的收集性能。擠出工藝能夠使用松纖維和交聯纖維生產具有改進MDP的網，它指示此材料會更容易地釋放液體到貯存芯中。擠出工藝能夠加入膠乳和其它添加劑到網中而沒有噴霧和沒有廢料情況。
膠乳和纖維共混物對擠出複合材料強度的效果見圖15。
表9.代表性拉伸複合材料性能
a在由空氣成網/SAP芯圍繞的目前Procter Gamble PAMPERS中測試樣品。將同樣的商業尿布作為對照。
b選擇最接近300g/m2的樣品用於測試。平均基礎重量指示工藝設定值(纖維進料和輸送機速度)的接近程度以達到目標基礎重量。
cXLA纖維(WTC)dXLA纖維(CMF)實施例3代表性產品的性能特性在此實施例中，描述根據本發明形成的代表性產品的性能特性。
將本發明代表性產品的中間吸收壓力(MUP)，中間解吸壓力(MDP)，和卡規徑測量，並與常規空氣形成網比較。標準化的結果見表10。在表10中，XLA表示採用檸檬酸交聯的纖維素纖維的空氣形成網，XLB表示採用檸檬酸和聚丙烯酸纖維結合物交聯的纖維素纖維的空氣形成網，EXPRO-D表示採用檸檬酸交聯的纖維素纖維的複合材料，EXPRO-E表示從採用檸檬酸處理的纖維素纖維形成的本發明產品，和EXPRO-F表示從採用檸檬酸和聚丙烯酸結合物處理的纖維素纖維和膠乳形成的本發明產品。在300gsm基礎重量下測試所有的樣品。
表10.中間吸收壓力，中間解吸壓力，和卡規徑
將本發明代表性產品的收集速率，和再溼量，和拉伸強度測量，並與常規空氣形成網比較。標準化的結果見表11。在表11中，XLA表示採用檸檬酸交聯的纖維素纖維的空氣形成網，XLB表示採用檸檬酸和聚丙烯酸纖維結合物交聯的纖維素纖維的空氣形成網，EXPRO-D表示採用檸檬酸交聯的纖維素纖維的泡沫形成複合材料，和EXPRO-E表示從採用檸檬酸處理的纖維素纖維形成的本發明產品。在300gsm基礎重量下測試所有的樣品。
表11.收集速率，再溼量，和拉伸強度
儘管已經說明和描述了本發明的優選實施方案，理解其中可以進行各種變化而不背離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種纖維素纖維複合材料的製備方法，包括(a)在混合設備中結合纖維素纖維與表面活性劑；(b)在設備中產生包括纖維素纖維、表面活性劑和空氣的泡沫；和(c)從設備擠出泡沫以提供纖維素纖維複合材料。
2.權利要求1的方法，其中與表面活性劑結合的纖維素纖維的固體含量大於約15％。
3.權利要求1的方法，其中與表面活性劑結合的纖維素纖維的固體含量小於約50％。
4.權利要求1的方法，其中混合設備包括板混合機擠出設備。
5.權利要求1的方法，其中混合設備包括雙螺杆擠出設備。
6.權利要求1的方法，其中基於泡沫的體積，泡沫按體積計的空氣含量大於約75％。
7.權利要求1的方法，其中基於泡沫的體積，泡沫按體積計的空氣含量大於約90％。
8.權利要求1的方法，其中基於泡沫的體積，泡沫按體積計的空氣含量大於約98％。
9.權利要求1的方法，其中泡沫的密度大於約20g/L。
10.權利要求1的方法，其中泡沫的密度小於約100g/L。
11.權利要求1的方法，其中基於複合材料的重量，表面活性劑的存在量為約0.01-約5wt％。
12.權利要求1的方法，進一步包括乾燥所擠出的纖維素纖維複合材料。
13.權利要求1的方法，其中泡沫進一步包括交聯劑。
14.權利要求13的方法，進一步包括加熱所擠出的複合材料以提供粘合的複合材料。
15.權利要求1的方法，其中泡沫進一步包括膠乳。
16.權利要求15的方法，進一步包括加熱所擠出的複合材料以提供粘合的複合材料。
17.權利要求1的方法，其中泡沫進一步包括熱塑性纖維。
18.權利要求17的方法，進一步包括加熱所擠出的複合材料以提供粘合的複合材料。
19.權利要求1的方法，其中纖維素纖維包括採用交聯劑處理的纖維素纖維。
20.權利要求19的方法，進一步包括加熱所擠出的複合材料以提供粘合的複合材料。
21.權利要求1的方法，其中泡沫進一步包括溼強力劑。
22.權利要求21的方法，進一步包括加熱所擠出的複合材料以提供粘合的複合材料。
23.權利要求1的方法，其中纖維素纖維包括交聯的纖維素纖維。
24.權利要求1的方法，其中泡沫進一步包括吸收材料。
25.一種纖維素纖維複合材料，包括粘合的交聯纖維素纖維，複合材料的中點解吸壓力小於約14cm H2O。
26.權利要求25的複合材料，中點解吸壓力小於約12cm H2O。
27.權利要求25的複合材料，中點解吸壓力小於約10cm H2O。
28.權利要求25的複合材料，密度小於約0.10g/cm3。
29.權利要求25的複合材料，密度大於約0.02g/cm3。
30.權利要求25的複合材料，其第四湧出液體收集速率大於約0.4mL/秒。
31.權利要求25的複合材料，其中交聯的纖維素纖維包括聚丙烯酸交聯纖維。
32.權利要求25的複合材料，其中交聯的纖維素纖維包括採用檸檬酸和聚丙烯酸共混物交聯的纖維素纖維。
33.權利要求25的複合材料，其中交聯的纖維素纖維包括採用交聯劑預處理和在複合材料形成期間固化的纖維素纖維。
34.權利要求25的複合材料，其中交聯的纖維素纖維包括在複合材料形成期間採用交聯劑處理的纖維素纖維。
35.權利要求25的複合材料，其中交聯的纖維素纖維包括纖維內交聯的纖維素纖維和纖維間交聯的纖維素纖維。
36.權利要求25的複合材料，進一步包括熱塑性纖維。
37.權利要求36的複合材料，其中熱塑性纖維包括雙組分纖維。
38.權利要求25的複合材料，進一步包括膠乳。
39.權利要求25的複合材料，進一步包括溼強力劑。
40.權利要求25的複合材料，進一步包括吸收材料。
41.一種泡沫，包括纖維素纖維、表面活性劑和空氣，其中泡沫按體積計的空氣含量大於約75％。
全文摘要
本發明提供擠出的纖維素纖維產品。在一個實施方案中，產品包括原位交聯的纖維素纖維。在另一個實施方案中，產品進一步包括粘合劑。產品可任選地包括其它纖維和吸收材料。也描述了纖維素纖維產品和包括纖維素纖維產品的吸收製品的製備方法。
文檔編號A61F5/44GK1474895SQ01818849
公開日2004年2月11日 申請日期2001年11月14日 優先權日2000年11月14日
發明者彼得·A·格利夫, 塔裡·M·格朗, M 格朗, 彼得 A 格利夫 申請人:韋爾豪澤公司