利用帶離散電荷的親水聚合材料來使材料具有親水性的方法

2023-07-18 09:23:16 2

專利名稱：利用帶離散電荷的親水聚合材料來使材料具有親水性的方法
技術領域：
本發明涉及使具有硬質和軟質表面的材料具有親水性或增加其親水性的方法，更具體地講，本發明涉及通過將高能處理和荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料應用於此類硬質或軟質表面的材料上而使此類材料具有親水性或增加其親水性的方法。
背景技術：
硬質表面材料包括，但不限於金屬、玻璃、木材、石料、玻璃纖維、塑料和盤碟。
軟質表面材料可包括，但不限於織物、服裝、紡織品和薄膜。在某些實施方案中，軟質表面材料可包括一種或多種結構組分，其可包括，但不限於纖維、紗或其它類型的結構組分。纖維可被製成多種結構，包括但不限於無紡織物和織成的或編織的紡織物。
無紡材料被廣泛用於許多類型的產品，包括但不限於諸如尿布、成人失禁製品和婦女衛生製品之類的一次性吸收製品。
很多用合成纖維製成的無紡材料具有疏水性。常常希望對此類無紡材料進行改性以使它們具有親水性。設法使此類無紡材料具有親水性的方法包括使用表面活性劑。也採用高能表面處理來試圖使無紡材料具有親水性。
與表面活性劑相關的常見的局限性是，當已處理過的材料接觸液體時，表面活性劑易於從已處理過的材料上被洗掉。當其用於諸如經受多次諸如體液之類的液體排出的一次性吸收製品之類的製品中時，這可能會減少用表面活性劑處理的無紡材料的效力。常見的與大多數高能表面處理相關的局限性是耐久性，尤其是在熱塑性塑料表面上。通過各種高能表面處理傳遞到熱塑性表面上的部分或全部電荷易於耗散掉。在由纖維構成的材料上與高能表面處理相關的技術局限性典型地超過對同樣材料的薄膜的技術局限性，尤其是但不限於無孔薄膜。
背景專利出版物包括美國專利5,618,622；美國專利5,807,636；美國專利5,814,567；美國專利5,922,161；美國專利5,945,175；美國專利6,060,410；美國專利6,217,687；歐洲專利出版物12513 A1；日本專利出版物JP 55133959 A2；JP 57149363 A2；JP 01141736 A2；JP 05163655 A2；JP07040514 A2；JP 07233269；JP 9272258；JP 10029660 A2；JP 2000239963 A2；JP 2001270023 A2；和PCT出版物WO 93/12931 A1；WO 97/02310和WO01/29118 A1。
前述的背景專利公開之一，美國專利5,945,175，涉及一種用於多孔疏水聚合物底物的耐用親水塗層。該出版物描述了基本均勻的用親水聚合材料塗敷的、在由疏水聚合物構成的疏水聚合材料上的塗層。塗敷在該疏水聚合物底物上的親水聚合材料可以是包含多糖或改性多糖的溶液。至少一部分多孔底物被暴露於「活性反應組分場」中，然後用親水聚合材料處理。多糖分散體和溶液典型地為粘稠的和粘性的材料，其通常為乾燥極其緩慢的凝膠。該公開公開了在包含親水聚合材料的水溶液中浸蘸和浸沒經過電暈處理的織物，或者在爐子中將該織物烘乾約30分鐘，或者採用某些其它方法。
將粘稠和粘性材料應用到一種無紡材料上、並且需要在爐子中將該無紡材料烘乾30分鐘的方法不適合用在用來製造無紡材料或諸如尿布、成人失禁製品和婦女衛生製品之類的一次性吸收製品類型的高速生產線上。
因此，需要提供使包括但不限於聚烯烴無紡材料的材料具有親水性或增加其親水性的方法。
發明概述本發明涉及一種使具有硬質和軟質表面的材料具有親水性或增加其親水性的方法，並且更具體地講，本發明涉及通過將高能處理和荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料應用於此類硬質或軟質表面的材料上而使此類材料具有親水性或增加其親水性的方法。帶有離散電荷的親水聚合物在本文中也可稱為「帶有離散電荷的親水聚合材料」。本文中荷電顆粒和親水聚合物也可稱為「荷電材料」和「荷電組分」。
本發明具有眾多的非限制性實施方案。所有的實施方案，即使它們僅僅被描述成本發明的「實施方案」，都旨在為非限制性的(也就是說，除這些方案之外也可有其它的實施方案)，除非它們在本文中被清楚地描述成限制本發明的範圍。
在一個非限制性的實施方案中，本方法包括以下步驟(a)提供一種由至少某些疏水或邊界親水組分構成(comprised)的材料；(b)對該材料進行高能表面處理以形成已處理過的材料；和(c)將多個荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合物施用到處理過的材料上。
用於步驟(b)中的高能表面處理可包括任何合適的處理，其包括但不限於電暈放電處理、等離子處理、紫外線輻射、離子束處理和電子束處理。在某些實施方案中，荷電顆粒和/或親水聚合物可順序地施用，首先進行兩種處理中的任一種，接著進行另一種處理。在其它的實施方案中，當進行高能表面處理時，可同時施用荷電顆粒和/或帶有離散電荷的親水聚合物。在某些實施方案中，也有可能省掉高能表面處理，所以這樣一種處理為任選的。
在不同的實施方案中，本文所描述的方法可在準備被處理的材料的過程的許多不同階段進行。例如，本方法可在以下階段進行在結構組分(例如纖維等)形成如無紡織物、織成的或編織的紡織織物結構之前在其上進行；在完成的結構(例如，硬質表面、薄膜、無紡織物、織成的或編織的紡織織物等)上進行；在將該結構加進一種產品的過程期間進行(例如用來製造諸如尿布、成人失禁製品和婦女衛生製品之類的一次性吸收製品類型的生產線)；或者在包含該結構的製品上進行(例如尿布等)。
荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合物不必是粘稠的或粘性的。在某些非限制性實施方案中，例如適合用於用來製造諸如尿布、成人失禁產品和婦女衛生產品之類的一次性吸收製品的高速生產線上的那些實施方案中，本方法可在少於30分鐘內完成。在某些實施方案中，本方法可在數秒內完成。
本發明也可涉及用於實現這些方法的組合物和用這些方法處理材料所產生的製品。
附圖簡述雖然本說明書以特別指出並清楚地要求保護本發明的權利要求作出結論，但應該相信由下列說明並結合附圖可更好地理解本發明，其中

圖1是示意性的側視圖，其用來圖示說明根據本發明所描述的方法處理的底物的各種實施方案。
發明詳述本發明涉及使材料具有親水性或增加材料的親水性的方法。材料可包括硬質表面材料或軟質表面材料。本發明也可涉及用於實現這些方法的組合物和通過用這些方法處理材料所產生的製品。
硬質表面材料包括，但不限於金屬、玻璃、木材、石料、玻璃纖維、塑料和盤碟。
軟質表面材料可包括，但不限於織物、服裝、紡織品和薄膜。在某些實施方案中，軟質表面材料可包括一種或多種結構組分，其可包括，但不限於纖維、紗或其它類型的結構組分。纖維可被製成無數的結構，其包括但不限於無紡織物和織成的或編織的紡織織物。
纖維可由天然材料、人造材料或它們的組合物構成。天然纖維包括，但不限於諸如羊毛、蠶絲、皮毛和毛髮之類的動物纖維；諸如纖維素、棉花、亞麻、亞麻布和大麻之類的植物纖維；以及某些天然存在的礦物纖維。合成纖維可衍生自天然纖維。衍生自天然纖維的合成纖維的實施例包括但不限於人造絲和溶劑法纖維素短纖維。合成纖維也可衍生自其它的自然資源和礦物資源。衍生自自然資源而不是天然纖維的合成纖維的實施例包括但不限於某些諸如澱粉之類的多糖。衍生自礦物資源的纖維的實施例包括但不限於諸如聚丙烯和聚乙烯纖維之類的聚烯烴纖維。某些合成纖維可由熱塑性或熱固性材料構成。合成纖維樹脂可為均聚物、共聚物、聚合物共混物，或它們的組合。常用的合成纖維樹脂包括但不限於尼龍(聚醯胺)、丙烯酸(聚丙烯腈)、芳族聚醯胺(芳族聚醯胺)、聚烯烴(聚乙烯和聚丙烯)、聚酯、丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、天然橡膠、膠乳和斯潘德克斯彈性纖維(聚氨酯)。該纖維也可為多組分纖維，包括但不限於雙組分纖維。
無紡材料為典型地由纖維製成的呈纖維網型式的一種織物類型。無紡織網被描述於1999年Butler I、Batra SK等人所著的Association of theNonwoven Fabrics Industry出版的Nonwovens Fabrics Handbook，和VaughnEA所著的Association of the Nonwoven Fabrics Industry出版的NonwovenFabric Sampler and Technology Reference中。
無紡織網可通過直接擠出法成形，在成形期間纖維和網恰好在約同一時間點成形；或者通過預成形纖維法(鋪網法)成形，其中在纖維成形之後纖維可在明顯的隨後時間點被鋪進網中。直接擠出方法的實施例包括但不限於紡粘法、熔噴法、溶液紡絲、靜電紡紗，以及其典型地可形成多層的這些方法的組合。鋪網法的實施例包括但不限於溼法成網和幹法成網。幹法成網方法的實施例包括但不限於氣流成網、梳理成網以及典型地可形成多層的這些方法的組合。以上方法的組合生產出一般稱為混合物或合成物的無紡材料。組合的實施例包括但不限於典型地呈層狀的紡粘-熔噴-紡粘(SMS)、紡粘-梳理(SC)、紡粘-氣流(SA)、熔噴-氣流(MA)，以及它們的組合。包括直接擠出在內的組合可在與直接擠出方法大致同一時間點進行結合(例如，SA和MA的紡絲成型和共成型)，或者在隨後的時間點進行結合。在以上的實施例中，可通過每種方法產生一個或多個單層。例如，SMS可能意味著一個三層的「sms」網，一個五層的「ssmms」網，或者其任何合適的變化，其中小寫字母表示單個層，大寫字母表示類似的相鄰各層的堆積。
大部分無紡織網中的大部分纖維典型地定向於與一個或多個其它纖維的至少一部分呈某種程度的相對角度。兩個或多個纖維接觸的位置被稱為接合處。接合處之間可以某種程度的相對角度相鄰或重疊。無紡織網中的纖維典型地被接合到在某些接合處的一個或多個相鄰的纖維上。這包括在每一層內接合纖維和在具有一層以上時在各層之間接合纖維。接合纖維常用的方法包括但不限於機械纏結、化學粘合或它們的組合。纖維接合方法的實施例包括但不限於熱結合、壓力粘合、超聲鍵合、溶劑粘合、縫編法、針刺法和水纏結法。接合方法可任選地包括一種媒介材料。可任選的媒介材料的實施例包括但不限於諸如粘合纖維、溶劑和細絲之類的粘合物。
纖維和無紡織網可在成形後經受附加處理。對於無紡織網，附加處理通常在纖維彼此接合之後進行(後處理)。附加處理的實施例包括但不限於機械應力、化學添加劑或它們的組合。化學添加劑方法是本領域所熟知的方法。化學添加劑可在個體纖維的一部分的周圍或全部的周圍通過各種技術應用於纖維網的一側或兩側，這些技術可經過不同的時間區間將化學添加劑施用到一部分纖維或網上，或者施用到所有的纖維上或整個網上。化學劑可以以固相、液相、氣相添加，或由於高能表面處理而添加，高能表面處理包括但不限於照射、放射氧化或等離子處理。高能表面處理也可被用來加速在纖維表面上或靠近纖維表面處的材料的化學變化。高能表面處理的實施例包括但不限於電暈放電處理、等離子處理、紫外線輻射處理、離子束處理、電子束處理和包括脈衝雷射在內的某些雷射處理。添加劑或由某些高能表面處理所產生的在纖維表面上或靠近纖維表面的化學變化包括但不限於從靠近表面的空氣氧產生臭氧、表面上游離基或電子或其它部分或完全荷電組分的形成和在表面內準高分子的交聯。
與由纖維構成的材料的高能表面處理有關聯的局限性典型地超過同一材料薄膜、尤其是但不限於無孔薄膜的局限性。不希望被任何特定的理論所限制，主要差別為表面幾何結構。雖然薄膜具有納米水平的三維表面外形，為了與纖維的高能表面處理相比，在更高的尺度上，可將薄膜看作是近似二維的或平面的(長度和寬度遠大於厚度，其僅在邊部變得相關)。包括但不限於纖維織物的纖維的三維幾何結構與薄膜相比，厚度尺寸更加相關。與許多薄膜相比，多個纖維可產生構成表面積的多個交叉平面的或z方向的邊緣。此外，大多數織物具有與可穿過在織物的任一側的多個最外邊的纖維邊緣畫出的假想宏觀平面不相鄰的纖維表面。當然，不相鄰的纖維表面的不同部分常常可被看作是隱蔽區。將高能表面處理或通過高能表面處理產生的任何合成組分在適當的時間內施用到部分或全部滲透隱蔽區是一種與大部分纖維織物有關的局限性。這種類型的局限性有時被稱為遮蔽。相反，由作為纖維織物的同一材料構成的、表面積和納米形貌可與纖維表面積相比的諸如無孔薄膜之類的普通薄膜具有較少的隱蔽區。因此，當經受可比劑量的高能表面處理時，與所述纖維織物相比，所述薄膜表面積所暴露的部分更大。薄膜表面與織物中纖維的表面相比，典型地產生了平均較高的電荷密度。當電荷耗散時，纖維織物的局限性又顯現出來。纖維織物具有較大的表面積，在整個表面積上耗散初始主要位於朝外的纖維表面上的電荷。
無紡織網一般與其它的無紡織網或薄膜相接合形成複合無紡織網。這樣的網可按前述的方法進行接合併且一般被稱作無紡層壓材料。無紡層壓材料的一個非限制性實施例為一個諸如尿布底片之類的一次性吸收製品底片，其中一層無紡材料被連接到一層薄膜例如微孔薄膜上。無紡層壓材料中不同層的長度、寬度、材料等的差異產生了複合的無紡織網。在被切成單個片、典型地被切成成品製品片之前的一次性吸收製品網是無紡層壓網的一個實施例，並且典型地是複合無紡織網的一個實施例。對於本發明的目的而言，包括無紡材料的所有的纖維網被認為是無紡材料，這包括但不限於無紡織網、合成無紡織網、無紡層壓材料和複合無紡織網。
疏水或邊界親水軟質表面包括，但不限於包含疏水或邊界親水結構組分的諸如編織的、織成的和無紡材料之類的紡織材料。編織的、織成的或無紡材料的結構組分可包括紗、細線、纖維、細絲或其它結構組分。某些或所有結構材料可為疏水的、邊界親水的或它們的組合。疏水結構組分為在表面上全部由疏水材料構成或部分由疏水材料構成的那些組分(例如包括部分或全部被疏水鞘環繞的一種或多種材料芯部的多組分纖維)。同樣地，邊界親水結構組分為在表面上全部由邊界親水材料構成或部分由邊界親水材料構成的那些組分。如果一種結構組分在表面上包括疏水材料和邊界親水材料二者，那麼可認為其是疏水的。疏水材料通常為合成的均聚物、共聚物、共混聚合物或它們的組合物。其實施例包括但不限於諸如聚丙烯和聚乙烯之類的聚烯烴、諸如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)之類的某些聚酯，和某些聚醯胺。邊界親水材料通常也為合成的均聚物、共聚物、共混聚合物或它們的組合物。其實施例包括但不限於顯示具有邊界親水性的某些聚酯。顯示具有邊界親水性的聚酯包括最近已經被稱為親水聚酯的聚酯類。一個實施例為PET/支鏈聚乙二醇(支鏈PEG)共聚物例如購自Wellman，Inc.，Charlotte，NC，USA的T870、T289和T801級。另一個實施例為帶有脂族重複單元而不是帶有某些或全部PET的芳族重複單元的聚酯。購自CargillDow Polymers，LLC，Blair Nebraska的包含脂族重複序列的聚交酯(或聚乳酸或PLA)聚合物。購自位於Kingsport Tennessee的Eastman ChemicalCompany的Eastar Bio牌可生物降解的共聚酯，聚四亞甲基己二酸共對苯二酸鹽或PTAT為一個類似的實施例。
雖然表面活性劑可在很多應用場合使纖維具有親水性或增加纖維的親水性的效果良好，在以上所描述的某些疏水或邊界親水材料的情況下，使用表面活性劑存在著明顯的問題，當該材料在使用期間重新潤溼時，例如在傳輸流體的製品中，其包括但不限於紡織品、吸收製品和諸如尿布和其它的失禁和月經製品例如婦女護墊之類的一次性吸收製品，此種製品在使用期間常遭受一次或多次液體的湧出(例如，尿液、月經、汗液或其它的身體排洩物)。使用期間湧出的液體從軟質表面上將表面活性劑衝洗進液相本身。即使液相中的低水平的表面活性劑也降低了液體的表面張力。在液相中降低的表面張力降低了沿著纖維的液體芯吸張力(此處芯吸張力等於表面張力乘以接觸角的餘弦)。較低的芯吸張力會降低芯吸速度，繼而降低通過或沿著多孔纖維的芯吸流量(每單位時間每單位橫截面積的液體量)。對於最終的使用者，芯吸流量的降低可導致液體的處理性能降低。
降低液相中的表面張力也會增加其將打算疏水的織物表面潤溼的能力。在原來的疏水織物被潤溼之後，其能夠開始顯示具有親水的性質。將會排斥諸如水之類的流體的疏水表面可以通過芯吸張力、重力、壓力梯度力或其它的力穿過或沿著製品傳遞該流體。一個實施例為一個尿布的SMS阻擋腿箍，在大多數的使用條件下，純粹的尿液無法很容易地透過它。尿液受到表面活性劑的汙染所降低的表面張力可使其能夠潤溼並穿過後面的所述SMS織物。這會使最終的使用者產生滲漏的感覺。
為了改進液體潤溼軟質表面的程度，降低液體表面張力的方案會更持久地增加材料的表面能。已經發現，已經經受高能表面處理並且帶有很多荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合物施用到其上的材料將會更持久地增加表面能。在某些實施方案中，這樣一種方法將會產生處理過的材料，其表面張力將降低到最低限度，並且不具有表面活性，或者具有最低限度的表面活性。
如果增加某些纖維的一部分的表面能，高能表面處理可包括但不限於電暈放電處理、等離子處理、紫外線輻射處理、離子束處理、電子束處理、包括脈衝雷射在內的某些雷射處理和其它輻射技術。在某些實施方案中，小心避免對於待處理材料的負面影響是可取的。
荷電顆粒本文所用的荷電顆粒可以是帶正電荷、帶負電荷，或它們可包含同時正電荷和負電荷。荷電顆粒可為任何合適的尺寸。荷電顆粒的尺寸範圍可從納米大小的顆粒、最大尺寸(例如，直徑)小於或小於等於約750mm(納米)的顆粒開始到較大尺寸的顆粒不等。應當理解，在整個說明書中給出的每一限定值將包括每一個下限或上限，視具體情況而定，即如同該下限或上限在本文中也有明確表示一樣。在本說明書中給出的每一範圍將包括包含在該較大數值範圍內的所有較小的範圍，即如同該較小的範圍在本文中也有明確表示一樣。
如果希望在施用了荷電顆粒的材料上看不見這些顆粒，則納米顆粒具有優勢。這些顆粒的尺寸可在使其施用到的材料仍具有親水性的任何尺寸及以下的範圍內。在某些實施方案中，例如當將施用了荷電顆粒的材料封裝在吸收製品的內部時，如果將處理過的材料暴露出來，則某些荷電顆粒為可見的可能並不重要。在某些實施方案中，在將顆粒施用到纖維材料的場合，顆粒的尺寸小於或等於其所施用的纖維的寬度(例如直徑)是可取的。在某些實施方案中，顆粒尺寸小於或等於約10微米，或尺寸小於10微米的任何微米數，包括但不限於小於或等於約5微米是可取的。荷電顆粒尺寸可以全部在某個範圍之內，或它們可以包括混合在一起的粒徑範圍。
荷電顆粒可包括任何一種合適的材料或多種合適的材料。荷電顆粒可包含天然或合成材料。荷電顆粒可以是有機的或無機的。荷電顆粒可以不溶解於水和其它介質。荷電顆粒可以是光敏的或非光敏的。光敏顆粒為需要紫外線或可見光激活因而顆粒變得更加親水的顆粒。
可選擇作為荷電顆粒的合適的材料包括但不限於以下材料諸如膠乳之類的有機顆粒；諸如氧化物、矽酸鹽、碳酸鹽和氫氧化物之類的無機顆粒，包括某些層狀粘土礦物和無機金屬氧化物。
適用於本文的層狀粘土礦物包括在綠土、陶土、伊利石、亞氯酸鹽、綠坡縷石和混合層狀粘土的地質類別中的那些礦物。綠土包括蒙脫石、膨潤土、葉蠟石、鋰蒙脫石、滑石粉、鋅蒙脫石、囊脫石、滑石、貝得石、鉻高嶺石和蛭石。陶土包括高嶺石、地開石、珍珠陶土、葉蛇紋石、蠕陶土、多水高嶺土、indellite和溫石絨。伊利石包括漂雲母、白雲母、鈉雲母、金雲母和黑雲母。亞氯酸鹽包括綠泥間蛭石、葉綠泥石、片矽鋁石、須藤綠泥石、葉綠泥石和斜綠泥石。綠坡縷石包括海泡石和polygorskyte。混合的層狀粘土包括鈉板石和黑雲母蛭石。這些層狀粘土礦物的變體和同構體提供了獨特的應用。
層狀粘土礦物可以天然存在的或是合成的。層狀粘土礦物包括天然的或合成的鋰蒙脫石、蒙脫石和膨潤土。商業鋰蒙脫石的典型來源為來自美國的Southern Clay Products，Inc.的LAPONITETM；美國R.T.Vanderbilt的Veegum Pro和Veegum F和美國Baroid Division，National Read Comp.的Barasyms、Macaloids和Propaloids。
天然粘土礦物典型地以層狀矽酸鹽礦物形式存在，並很少以非晶質礦物形式存在。層狀矽酸鹽礦物具有排列成二維網狀結構的SiO4四面體片。一種2∶1類型層狀矽酸鹽礦物具有幾個至幾十個矽酸鹽片的分層結構，矽酸鹽片具有一個三層結構，其中一個鎂八面體片或一個鋁八面體片被夾在兩片二氧化矽四面體片之間。
一可膨脹的層狀矽酸鹽片具有負電荷，並且該電荷通過鹼金屬和/或鹼土金屬陽離子的存在中和。綠土或可膨脹的雲母可散布於水中以形成具有觸變性的溶膠。此外，通過與不同的陽離子有機或無機化合物反應，可形成綠土型粘土的複合物變體。這樣一種有機複合物的一個實施例為一種親有機物質的粘土，其中通過陽離子交換引入了二甲基二(十八烷基)銨離子(季銨離子)，並且已經進行了工業化生產並用作塗料的膠凝劑。
諸如層狀含水矽酸鹽、層狀含水鋁矽酸鹽、氟矽酸鹽、雲母蒙脫石、水滑石、鋰鎂矽酸鹽和鋰鎂氟矽酸鹽之類的納米產品是常見的。鋰鎂矽酸鹽的取代變體的一個實施例為羥基部分地被氟取代的情形。鋰和鎂也可部分地被鋁取代。事實上，鋰鎂矽酸鹽可用選自由鎂、鋁、鋰、鐵、鉻、鋅以及它們的混合物組成的任何元素所同構取代。
LAPONITETM，鋰鎂矽酸鹽具有下式[MgwLixSi8O20OH4-yFy]z-其中w＝3至6，x＝0至3，y＝0至4，z＝12-2w-x，並且總的負點陣電荷通過反離子進行平衡；並且其中反離子選自由以下經過挑選的Na+、K+、NH4+、Cs+、Li+、Mg++、Ca++、Ba++、N(CH3)4+以及它們的混合物。(如果LAPONITETM用陽離子有機化合物進行「改性」，那麼「反離子」會被看作是任何陽離子有機基團(R))。
市售的LAPONITETM有很多等級或變體以及同晶形取代。商業鋰蒙脫石的實施例為LAPONITE BTM、LAPONITE STM、LAPONITE XLSTM、LAPONITE RDTM、LAPONITE XLGTM和LAPONITE RDSTM。LAPONITEXLSTM具有以下特性分析(幹基)SiO259.8％，MgO 27.2％，Na2O 4.4％，Li2O 0.8％，結構H2O 7.8％，外加焦磷酸四鈉(6％)；比重為2.53；容積密度為1.0。
某些合成的鋰蒙脫石，例如LAPONITE RDTM，不含任何氟。用氟取代羥基的同晶形取代會產生稱為鈉鎂鋰氟矽酸鹽的合成粘土。這些作為LAPONITETM和LAPONITE STM進行銷售的鈉鎂鋰氟矽酸鹽，按重量計可含有多達約10％的氟化物離子。LAPONITE STM含有約6％的焦磷酸四鈉作為添加劑。
取決於應用情況，對於制定用於實現本發明的所需組合物的性質，LAPONITETM的變體和同晶形取代的使用提供了很好的適應性。LAPONITETM的單個片晶在其外面被荷以負電荷並且具有很高的表面結合水濃度。當傳送水或水/表面活性劑或水/醇/表面活性劑載體介質時，表面可被改性為親水的表面。取決於實施方案(例如在軟質表面的情況下)，這樣的表面可顯示具有令人驚訝的和顯著改進的可潤溼性、透溼性、舒適性。
無機金屬氧化物通常屬於兩組-光敏和非光敏顆粒。光敏金屬氧化物顆粒的一般實施例包括氧化鋅和氧化鈦。光敏金屬氧化物顆粒需要可見光(例如氧化鋅)或紫外光(TiO2)進行光敏化。
無機金屬氧化物可以為天然存在的或合成的二氧化矽或氧化鋁基的顆粒。很多天然存在的資源例如高嶺石和鋁土礦中含有鋁。天然存在的氧化鋁資源通過Hall方法或Bayer方法進行加工以生產所需的所期望的氧化鋁類型。氧化鋁的各種形式以水鋁礦、水鋁石和水軟鋁石的形式從生產商例如Condea，Inc購買。
非光敏金屬氧化物顆粒不使用紫外光或可見光來產生所需效果。非光敏金屬氧化物顆粒的實施例包括但不限於二氧化矽、氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂和水軟鋁石氧化鋁納米顆粒，以及混合金屬氧化物顆粒，其包括但不限於綠土、滑石粉和水滑石。
水軟鋁石氧化鋁([Al(O)(OH)]n)為水分散性的無機金屬氧化物，其可具有各種粒徑或粒徑範圍，包括從約2nm至小於或等於約750nm的平均粒徑分布。以商品名Disperal P2TM供應的平均粒徑分布狀態為約25mm和以商品名Dispal14N4-25供應的平均粒徑狀態為分布約140nm的水軟鋁石氧化鋁納米顆粒可購自North American Sasol，Inc。
「膠乳」為水不溶性的聚合物顆粒的膠狀分散體，顆粒形狀通常呈球狀。本發明所用的「納米膠乳」為粒徑小於或等於約750nm的膠乳。納米膠乳可通過乳液聚合作用來形成。「乳液聚合作用」為利用表面活性劑將膠乳分散進水中以形成穩定的乳劑並繼之進行聚合作用的一種方法。所產生的顆粒的尺寸範圍為約2至約600nm。
帶有離散電荷的親水聚合材料本方法可使用親水聚合物(或親水聚合材料)代替荷電顆粒，或者在荷電顆粒的基礎上使用親水聚合物。親水聚合物應該具有與之相關聯的離散電荷(或者一個或多個荷電團)；包含具有強偶極的親水聚合物；或包含具有離散電荷和強偶極矩二者的親水聚合物；或它們可以包含不同於多糖的親水聚合物類型。親水聚合物也可包括包含離散電荷的去汙聚合物，特別是具有磺酸根的那些聚合物。應當理解的是，根據本文所描述的方法，如果本文使用短語「帶有離散電荷的親水聚合物」，任何此類引用將同樣適用於以上提到的其它的聚合物類，例如具有強偶極的聚合物和不同於多糖的親水聚合物。
親水聚合物可以是合成的(與多糖相反，多糖典型地為天然的或諸如糖和澱粉之類的天然多糖材料的衍生物)。親水聚合物可為非多糖。然而，本發明可利用以上所述的第一類親水聚合物，並且不排斥使用某些其它類型的親水聚合物，其包括但不限於第二類或其它類中的親水聚合物。
帶有離散電荷的親水聚合物可以是陽離子、陰離子或兩性離子。當提及親水聚合物具有強偶極時，這指的是它們的官能團的偶極矩，而不是整個聚合物的偶極。親水聚合物可具有任何合適的分子量。在某些實施方案中，為了便於應用，希望親水聚合物的分子量比多糖和多糖衍生物的分子量低，並且縮短乾燥時間。在某些實施方案中，希望親水聚合物的分子量小於或等於約500,000道爾頓，或者是小於500,000的任何數目或數目範圍(包括但不限於200,000至300,000道爾頓)。
親水聚合物可以是均聚物、無規共聚物、嵌段共聚物或接枝共聚物。親水聚合物可以是直鏈的、支鏈的或樹枝狀的。
聚陽離子作為舉例說明，聚陽離子類可包含分子量範圍為幾百道爾頓至幾十萬道爾頓的兩種或多種季銨基。季銨基可以是環的部分或它們可以是無環的。其實施例包括但不限於聚紫羅烯、聚二甲基二烯丙基氯化銨、二甲胺-環氧氯丙烷共聚物和咪唑-環氧氯丙烷共聚物。
在一個進一步的說明中，聚陽離子組分可包含兩個或更多胺基。胺基可以是伯胺、仲胺、叔胺，或它們的混合物。胺基可以是環的部分或者它們可以是無環的。其實施例包括但不限於聚乙烯亞胺、聚丙烯胺、聚乙烯胺、聚烯丙基胺、聚二烯丙基胺、聚醯氨基胺、聚異丁烯酸胺基烷基酯、聚賴氨酸以及它們的混合物。
聚陽離子組分也可為一種至少一個胺基被至少一個其它官能團取代的改性聚胺。其實施例包括乙氧基化的和烷氧基化的聚胺和烷基化的聚胺。
兩性離子兩性離子類可包含帶有至少一個季胺化的胺基的兩個或多個胺基和至少一個被一個或多個能夠負載一個陰離子電荷的部分取代的胺基。
在一個進一步的說明中，兩性離子類可包含帶有至少一個被能夠負載一個陰離子電荷的一個或多個部分取代的胺基的兩個或多個胺基。其實施例包括聚胺氧化物、氧化的乙氧基化的聚乙烯亞胺、羧甲基化的聚乙烯亞胺、馬來酸酐化聚乙烯亞胺、乙氧基化的聚乙烯亞胺硫酸鹽。
聚陰離子聚陰離子組分可包含水溶性陰離子團，其包括但不限於羧化物、磺酸根、硫酸根、磷酸根、膦酸酯，以及它們的混合物。其實施例包括但不限於聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚馬來酸酯、聚衣康酸酯、聚天冬氨酸、聚乙醛酸、聚乙烯硫酸酯、聚乙烯磺酸酯、聚苯乙烯磺酸酯、萘磺酸或苯酚磺酸的醛縮合物、包含磺基間苯二酸的共聚酯、包含對苯二酸酯和磺化丙烯基乙氧基化基團的共聚酯、包含二醇磺酸的共聚酯、聚2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸及其共聚物。
帶有強偶極的親水聚合材料帶有一個強偶極的親水聚合材料可包含帶有諸如醯胺基之類的高偶極矩的單體基。其實施例包括但不限於聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯醯胺、聚乙烯基唑啉，以及它們的共聚物。
其它荷電材料除荷電顆粒和/或帶有離散電荷的親水聚合材料之外，可將多價無機鹽用於本方法的某些實施方案中。多價無機鹽可起到錨定劑的作用或可增強荷電顆粒和/或帶有離散電荷在表面上的吸附性。多價無機鹽可選自Ca+2、Mg+2、Ba+2、Al+3、Fe+2、Fe+3、Cu+2，以及它們的混合物，其中造當的陰離子被用來平衡電荷。
圖1可用來說明根據本發明所述的方法處理的底物的幾種非限制性的實施方案。在圖1中，底物用參考字母A表示。參考字母B為「底漆」或「底層」。參考字母C可用來指在底層的頂部進行的處理(例如「活性」處理)。底漆或底層可被荷上正電，或荷上負電。處理「C」可被荷上正電或荷上負電。應當理解的是，圖1僅僅是示意圖，並且通過本發明所述的方法形成的結構不限於形成例如圖1所示的間層型排列結構。例如，在某些實施方案中，「層」可以是看不見的。在其它的實施方案中，「層」實際上將由分布在底物表面上和/或內部的很多顆粒構成。在其它的實施方案中，可具有超過圖1所示的「層」或處理的數目。
在不同的實施方案中，可將高能處理看作是底層或底漆。可供選擇地，底層或底漆可以是荷電顆粒或帶有離散電荷的聚合材料。在這些實施方案中，所述處理，參考字母C，可包括荷電顆粒或帶有離散電荷的聚合材料。
因此，作為一種兩步方法，通過利用顆粒包括諸如LAPONITETM之類的納米顆粒作為底層或底漆，然後用帶有離散電荷的親水聚合物處理荷負電的表面，可增加表面(或底物)的親水改性。如果需要，可增加另外的納米顆粒和帶有離散電荷的親水材料的塗層，例如在包括兩步以上的方法中提供相同的交錯層。
在其它的實施方案中，例如，已經進行了高能處理的底物可用參考字母A表示。在這樣一種實施方案的某一形式中，荷電顆粒可在高能處理過的表面上起底漆/底層(層B)的作用。隨後可用帶有離散電荷的親水材料處理以形成層C(例如，氧化鋁後面是聚陰離子類)。在這樣一種實施方案的另一種形式中，帶有離散電荷的親水聚合物可被用作在高能處理過的表面上(層A)的底漆/底層(層B)，其隨後用荷電顆粒進行處理以形成「層」C(例如，聚二烯丙基二甲基氯化銨後面是LAPONITETM)。其它的實施方案可使用荷電顆粒和其它荷電親水類的組合。
LAPONITETM和乙氧基化的、季銨化的低聚胺的順序分層導致接觸角的減小，並且增強了已處理過表面的分片/潤溼性。因此，納米粘土加上帶有離散電荷的親水聚合物的組合物可用來提供用於改變表面的親水/親脂特性的新技術。同樣，氧化鋁和親水陰離子聚合物的順序分層導致已處理過的表面的分片/潤溼性的增強。因此，無機金屬氧化物加上帶有電荷的親水聚合物的組合物可用來提供改變表面的親水/親脂特性的新技術。
在其它的實施方案中，在將顆粒施用到表面上之前，可用本文所描述的其它材料，例如帶有離散電荷的親水聚合材料或其它荷電材料，對本發明所描述的任何顆粒進行改性。然後，可將這些改性的顆粒施用到已經進行或沒有進行高能處理的表面上。
在用於本文組合物的某些實施方案中，表面活性劑為任選成分。在作為潤溼劑的組合物中，表面活性劑對促進顆粒和/或聚合材料散布到表面上是有用的。為了提高組合物的噴射特性並使包括顆粒在內的塗料組合物分布更加均勻，當組合物被用來處理疏水軟質表面或者當組合物在一個噴劑分配器中進行應用時，表面活性劑為可選成分。塗料組合物的散開也可使其乾燥的更快，以便處理過的材料可更快地投入使用。當將表面活性劑用於組合物中時，其可按有效量添加以促進塗料組合物的應用。合適的表面添加劑可選自以下物質，包括陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑、兩性表面活性劑、兩性的表面活性劑、兩性離子表面活性劑以及它們的混合物。合適的非離子、陰離子、陽離子、兩性的、兩性離子的和半極性的非離子表面活性劑的實施例公開於美國專利5,707,950和5,576,282中。
荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料可以任何合適的方式施用到待處理的表面(或底物)上，其包括但不限於將荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料加入一種組合物中，並將該組合物施用到待處理的表面上。該組合物可呈任何形式，例如液體(含水的或不含水的)、顆粒、糊劑、粉末、噴劑、泡沫、片劑、凝膠等等。
荷電顆粒和/或親水聚合材料可以任何合適的數量(最高100％)加入這樣一種組合物中。例如，在某些實施方案中，該組合物可以親水聚合材料的純100％溶液噴射。
該組合物可以任何合適的量施用到待處理的表面上。在將該組合物施用到具有軟質表面的材料上的某些實施方案中，該組合物可以按材料重量的約0.05％和約10％範圍內的量施用。組合物的量也可屬於包括但不限於在約0.1％和約10％之間，在約0.2％和約5％之間和在約0.2％和約2％之間的這樣一個範圍內的任何較窄的範圍之列。
組合物可以以任何合適的方式施用到待處理的表面上，其包括但不限於通過在洗滌和/或漂洗工序添加塗料組合物，通過噴射、浸漬、塗漆、擦拭、印刷或任何其它方式。如果通過噴射將組合物施用到材料上，組合物的粘度應該適於噴射(例如，組合物應該為液體)，或者如果組合物呈諸如凝膠之類的某些其它的形式，組合物應該能夠被剪切變稀以形成能夠進行噴射的液體。組合物可被施用到材料的表面上，並且如果材料是多孔的，其可被施用到材料的內部。
該組合物可以但不必基本均勻地塗敷到其施用的材料上。組合物可完全蓋住一個表面或其一部分(例如，連續塗層，其包括在表面上形成薄膜的那些塗層)，或者其可以只蓋住部分表面，例如烘乾後，在表面上的有效區域中露出縫隙的那些塗層(例如，不連續的塗層)。後一種類可包括但不限於在一個顆粒間可具有間隔的表面上，覆蓋和未覆蓋顆粒的部分和顆粒分布的網絡。另外，當本發明所描述的組合物或塗料被描述成施用到一個表面上時，應當理解它們不必施用到或者蓋住整個表面。例如，即使只是施用塗料來使表面的一部分改性，其將會被看成是施用到一個表面上。
在不同的實施方案中，本發明所描述的方法可以在很多不同的利用被處理材料的工序階段執行。例如，本方法可在以下階段執行在它們形成諸如無紡織物、織成的或編織的紡織織物之類的結構之前在結構組分上(例如纖維等)；在完成的結構上(例如，硬質表面、薄膜、無紡織物、織成的或編織的紡織織物等)；在將該結構併入一個產品的過程期間(例如用來製造諸如尿布、成人失禁製品和婦女衛生製品之類的一次性吸收製品類型的生產線)；或者，在在結構本身上(例如在無紡材料上)，或在包含該結構的製品上(例如尿布)。
在一些非限制性的實施方案中，例如適合用在用來製造諸如尿布、成人失禁製品和婦女衛生製品之類的一次性吸收製品類型的高速生產線上的那些實施方案，本方法可在少於30分鐘內、或在少於30分鐘的任何分鐘數內進行。在某些實施方案中，本方法可在約數秒內、包括小於或等於60秒的任何秒數內進行。為加速乾燥，可將底物加熱到低於其熔化溫度的任何溫度。
在某些情況下，希望將某些這樣的處理應用到軟質表面的兩側。另外，可考慮這個任選步驟可以是與應用荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料到待處理的材料上分開的預處理步驟，或可將這兩個步驟結合起來。
如前面所討論的那樣，因高能表面處理產生的部分或全部電荷隨時間而耗散，並且維持在纖維性熱塑性表面上的部分或全部電荷是一個常見的局限性。然而，在一個非限制性的實施例中，已經發現，可用將電暈處理與荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料相結合將更耐久的電荷放到材料上，以便在經過一段時間後或在多次流體浸蝕後，水基流體繼續被吸引到材料上。使用荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料與高能表面處理共同作用可將所述處理的瞬時性質轉換為更持久的性質。
已經受高能表面處理和具有沉澱在其上的很多荷電顆粒和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料的材料可適用於很多用途，其包括但不限於用來在諸如包含疏水或邊界親水纖維的衣服之類的製品中、在用於擦拭硬質和軟質表面的製品中、以及在包括一次性吸收製品在內的吸收製品的各部分中傳送液體。用於擦拭硬質或軟質表面的製品可包括預潤溼擦拭物和乾擦拭物。預潤溼擦拭物可浸透諸如溼擦拭物之類的一種或多種液體或未完全浸透諸如潮溼擦拭物之類的一種或多種液體。擦拭物可以是一次性的或可重複使用的。擦拭物類型的實施例包括但不限於諸如嬰兒擦拭物、婦女擦拭物、肛門擦拭物和面部擦拭物之類的皮膚擦拭物；諸如地板擦拭物、家具擦拭物和浴室擦拭物之類的家庭清潔擦拭物和汽車擦拭物。一次性吸收製品的各部分包括但不限於頂片、捕獲層、分配層、芯吸層、貯存層、吸收芯、吸收芯包裝和容納結構。
在某些實施方案中，當根據測試方法一節中的透溼試驗進行測試時，在測試液體湧出三次或任何更高的液體浸蝕次數之後，其包括但不限於在測試液體湧出5次之後以及在測試液體湧出10次之後，以這樣一種方式處理的材料的液體透溼時間少於或等於約10秒，優選地，小於或等於約6秒，更優選地，小於或等於約3秒。
在散開30秒之後，不管它們是否已經經受高能表面處理，為了使其具有親水性起見已經用本發明所描述的塗料組合物處理過的材料可產生與水具有小於或等於90°，或小於90°，或小於90°的任何角度，包括但不限於45°的前接觸角。
下列實施例旨在說明本發明，而不是旨在限制或限定其範圍。除非另有說明，本發明使用的所有的份數、百分數和比率均以百分重量表示。
實施例經過實驗室電暈處理器(型號為BD-20AC，由Electro-Technic ProductsInc.，USA製造)處理的SMS聚丙烯無紡材料(13克每平方米)和塗料組合物的透溼結果記錄於下表中(其中組合物的餘量包含水)。
1Southern Clay Products，Inc.
2Sasol North America，Inc.
3Aldrich，cat# 52，237-6。(材料由供應商標上「很低的分子量」)4Acusol 480N，Rohm Haas測試方法除非另外聲明，所有試驗均在標準試驗室條件(50％溼度和在73°F(23℃))下進行。
接觸角採用First Ten Angstroms，USA製造的FTA200 Dynamic Contact AngleAnalyzer測量動態接觸角。在試樣底物上滴上一滴測試溶液。當該液滴沿著底物表面滲開時進行數字視頻錄像，並且FTA200軟體測量作為時間函數的液體與底物的接觸角。
液體透溼試驗利用Lenzing AG，Austria製造的Lister型透溼儀器測量液體透溼時間。試驗過程基於標準的EDANA(European Disposables And NonwovensAssociation)法150.3-96，將測試試樣放置在由十層濾紙(從EmpiricalManufacturing Co.，Inc.，7616 Reinhold Drive，Cincinnati，OH 45237，USA購買的Ahlstrom Grade 632或者等價物)構成的吸收墊上。在一個典型的實驗中，不用換吸收墊，以一分鐘的間隔將三次連續湧出的5ml測試液體(0.9％鹽水溶液)施用到無紡材料試樣上並且記錄下各自的透溼時間。
在本說明書中提及的所有專利、專利申請(和針對其公布的任何專利，以及任何相應出版的外國專利申請)和出版物的公開內容均引入本發明以作參考。然而，並未明確地承認引入本文以供參考的任何文獻提出或公開了本發明。
儘管已用具體實施方案描述了本發明，但顯而易見的是，本領域的技術人員可在不背離本發明的宗旨和保護範圍的情況下進行各種變化和修改。另外，儘管在對本發明進行說明時對本發明的某些具體實施方案一同作了說明，但是應當理解，這只是用於舉例說明而非限制，本發明的範圍僅由所附的權利要求書定義，該範圍應為本發明現有技術所允許的最大範圍。
權利要求
1.使材料具有親水性或增加材料的親水性的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供材料；(b)對所述材料進行高能表面處理以形成處理過的材料；和(c)將至少一種親水聚合材料施用到所述處理過的材料上，所述親水聚合材料包括至少一種以下材料帶有離散電荷的親水聚合材料；帶有強偶極矩的親水聚合材料；或不同於多糖基材料的親水聚合材料。
2.權利要求1的方法，其中所述材料包括織物材料。
3.權利要求2的方法，其中所述織物材料包括無紡材料。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其中步驟(b)中進行的高能表面處理包括選自下列的處理電暈放電處理；等離子處理；紫外線輻射；離子束處理；電子束處理；和雷射處理。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其中步驟(b)和(c)順序地發生。
6.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其中步驟(b)和(c)同時發生。
7.如權利要求1至6中任一項所述的方法，其中在步驟(c)之後，所述處理過的材料的表面變得具有親水性並且與水的前接觸角小於90°。
8.一種材料，所述材料具有軟質表面和在其上的給所述材料提供親水改性的表面的至少一種親水聚合材料，所述親水聚合材料包括至少一種以下材料帶有離散電荷的親水聚合材料；帶有強偶極矩的親水聚合材料；和不同於多糖基材料的親水聚合材料。
9.如權利要求8所述的可透過的材料，其中根據所述液體透溼試驗，在測試液體湧出三次後，所述材料的液體透溼時間小於或等於10秒。
10.如權利要求8或9中任一項所述的吸收性無紡材料。
全文摘要
本發明公開了使具有硬質和軟質表面的材料具有親水性或增強其親水性的方法。本方法涉及通過將高能處理和荷電顆粒 和/或帶有離散電荷的一種或多種親水聚合材料應用於此類材料上使此類材料具有親水性。
文檔編號B05D3/14GK1625624SQ03802903
公開日2005年6月8日 申請日期2003年1月17日 優先權日2002年1月30日
發明者羅納德·D·克拉默, 羅伯特·H·羅爾博, 約翰·D·卡特, 卡爾·E·瑟米爾 申請人:寶潔公司