высокофункциональный фильерный нетканый материал, состоящий из содержащих частицы волокон, а также способ его изготовления

Формула изобретения

1. Высокофункциональный фильерный нетканый материал, состоящий из волокон на основе нерасплавляемых полимеров, которые содержат одну или несколько функциональных добавок,

отличающийся тем, что

волокна переплетены и сцеплены друг с другом, имеют различную длину с характеристическими отношениями свыше 1000 и образуют прочную композицию нетканого материала,

при этом волокна имеют средний диаметр от 0,1 до 500 мкм, а также отклонения диаметра в пределах одного волокна и/или по отношению друг к другу по меньшей мере 30%,

причем волокна наряду с нерасплавляемым полимером содержат, по отношению к общей массе волокон, более 40% функциональных добавок в твердой и/или в жидкой форме, которые мелко распределены в волокнах.

2. Фильерный нетканый материал по п.1, отличающийся тем, что функциональными добавками являются твердые или жидкие предпочтительно липофильные субстанции, особенно предпочтительно активированный уголь, суперабсорбенты, ионообменные смолы, пьезоэлектрические материалы, материалы с легким переходом из одной фазы в другую, в частности парафины, оксиды металлов, огнезащитные средства, абразивы, цеолиты, слоистые силикаты, модифицированные слоистые силикаты и/или косметические средства.

3. Фильерный нетканый материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что связывающим функциональные добавки нерасплавляемым полимером является натуральный полимер, предпочтительно полисахарид, особенно предпочтительно целлюлоза, производные полисахарида, и/или протеин или производные протеина, и/или формуемый из раствора синтетический полимер, предпочтительно полиакрилнитрил, или сополимер, содержащий единицы акрилнитрила, поливинилалкоголь, полиэтиленоксид, полисульфон и/или метаарамид.

4. Фильерный нетканый материал по меньшей мере по п.1 или 2, отличающийся тем, что он имеет слоистое строение, состоящее из переплетенных между собой механически соединенных элементарных нитей или же волокон.

5. Фильерный нетканый материал по меньшей мере по п.1 или 2, отличающийся тем, что он имеет поверхностную плотность от 2 до 1000 г/м ², предпочтительно от 5 до 500 г/м².

6. Фильерный нетканый материал по меньшей мере по п.1 или 2, отличающийся тем, что он имеет толщину от 0,1 до 20 мм, предпочтительно от 0,5 до 5 мм.

7. Фильерный нетканый материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержание функциональных добавок по отношению к общей массе волокон составляет от 40% по массе до 96% по массе, а при необходимости даже выше.

8. Способ изготовления высокофункционального фильерного нетканого материала по одному или нескольким пп.1-7, отличающийся тем, что

- прядильный раствор, состоящий из одной или нескольких функциональных добавок, растворителя и растворенного в нем полимера, выдавливают из фильеры, при этом отверстия фильеры имеют диаметр от 0,1 до 1,5 мм, предпочтительно от 0,3 до 0,7 мм,

- образованные таким образом полимерные жгуты сразу же после выхода из фильер посредством собственного веса и/или посредством наклонно воздействующего сверху обдувающего потока, интенсивность которого согласована с возможностью вытягивания нитей прядильной смеси, уменьшенной вследствие наличия функциональных добавок, вытягивают в пределах короткого отрезка пути в продольном направлении с образованием элементарных нитей и/или волокон,

- форму которых при переходе в свободное от натяжения пространство, еще перед началом продольной релаксации, стабилизируют при помощи потока воздуха с регулируемой температурой и/или мелких водяных капель путем упрочнения или же гелеобразования и частичной замены растворителя водой, при этом обеспечена возможность стабилизации в месте, более или менее смещенном по отношению к выходу фильеры, и получения таким образом нетканого материала с большим или меньшим количеством склеенных между собой гелеобразных волокон,

- после достижения этого стабилизированного состояния волокна укладывают на сетчатую ленту или на сетчатый барабан с образованием требуемого материала, остаточный растворитель вымывают путем многократных промывок, а затем нетканый материал при необходимости по возможности высушивают.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что растворитель содержит апротонный растворитель или из него состоит.

10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что высокофункциональный фильерный нетканый материал дополнительно упрочняют, отделывают и формируют при помощи текстильных процессов, причем упрочнение и отделку нетканого материала производят перед сушкой или после нее.

11. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что высокофункциональный фильерный нетканый материал стабилизируют при помощи иглопрокалывания или упрочнения водяной струей и/или дополнительно химически сшивают.

12. Применение высокофункционального фильерного нетканого материала, состоящего из содержащих функциональные добавки элементарных нитей или же волокон по пп.1-7 для изготовления материалов для одежды, в частности подкладочных материалов, а также технического текстиля, в частности для гигиенических применений, для хирургических прокладок, в качестве несущих материалов для биологически активных веществ или в качестве несущих материалов для композиционных материалов, в качестве материала для строительства и транспорта, в качестве косметического материала или в качестве фильтров с высокой функциональной эффективностью для различных областей применения в зависимости от вида функциональных добавок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к высокофункциональным фильерным нетканым материалам в виде текстильных изделий плоской формы, которые могут изготавливаться непосредственно из растворенных полимеров при помощи известных процессов производства фильерных нетканых материалов и которые состоят из волокон, заполненных жидкими и/или твердыми функциональными добавками. Волокна содержат, по отношению к общей массе волокон, более 40% функциональных добавок и средний диаметр волокон составляет от 0,1 до 500 мкм, а отклонения диаметра в пределах одного волокна или же по отношению друг к другу составляют по меньшей мере 30%. Фильерный нетканый материал отличается высокой функциональностью благодаря очень высокой концентрации функциональных добавок и может находить разностороннее применение, например в качестве подкладочного материала, для гигиенических применений, для хирургических прокладок, в качестве несущих материалов, в качестве материалов для строительства и транспорта, в качестве косметического материала или в качестве фильтров.

Уже известны текстильные изделия плоской формы, снабженные наполнителями, обладающими, например, терморегулирующими, антимикробными или абсорбирующими свойствами.

Применяемыми до сих пор по состоянию техники материалами для описываемых текстильных поверхностей являются структуры, которые после изготовления функциональных волокон перерабатывают посредством по меньшей мере одного дополнительного этапа процесса с образованием текстильной поверхности и/или которые содержат лишь небольшое количество функциональных частиц. Например, в DE 102008045290 А1 описаны волокна, из которых затем изготавливают текстиль, хирургические прокладки, фильтры и т.д. Содержание добавок ограничено исключительно цинковыми белилами (ZnO и ZnS), при этом их доля составляет максимум 30%, а размеры частиц составляют меньше 15 мкм. Упомянуто, что для различных применений нетканого материала содержание частиц может быть также выше, однако не сообщается, каким образом такие нетканые материалы могут быть изготовлены. Целью был не функциональный нетканый материал с высоким содержанием частиц, а моющиеся и окрашиваемые бактерицидные формованные элементы или волокна с контролируемым высвобождением биологически активных веществ при предписанном постоянстве вымывания.

Зачастую в качестве несущего материала применяют термопластичные полимеры, расплавы которых могут быть переработаны в фильерный нетканый материал, например, в ЕР 1199393 А2. Здесь речь идет о фильерном нетканом материале, изготовленном из термопластичных полимеров с гидрофобными добавками. Целью является насыщение гидрофобными добавками поверхности волокон. Это достигается посредством того, что волокна вытягиваются потоком воздуха в такой степени, что средний диаметр волокон равен диаметру частицы или уменьшается максимум до половины диаметра частицы. Доля маточной смеси с добавками составляет от 10% до 20% по массе и не должна быть больше, чтобы не оказывать отрицательного влияния на дальнейшую переработку в кровельные полотна или на применение в гигиенических поясах.

При очень высоком содержании функциональных частиц, составляющем свыше 40%, содержащие частицы элементарные нити или же волокна не могут быть стабильным образом сформованы в нормальных процессах формования элементарных нитей или же волокон, так как имели бы следствие частые обрывы.

В различных областях текстильной промышленности имеется повышенная потребность в волокнистых материалах с дополнительными функциональными полезными свойствами для конечного потребителя, которые, кроме того, должны экономично изготавливаться и легко перерабатываться. Областями применения таких волокнистых материалов являются, например, применение в качестве подкладочных материалов в швейной промышленности, в качестве технического текстиля, например, для гигиенических применений, для хирургических прокладок, в качестве несущих материалов, в качестве материалов для строительства и транспорта, в качестве косметических материалов или в качестве фильтров, например, для фильтрации сточных вод или отводимого воздуха и связывания веществ, содержащихся в воздухе и воде.

Изделия плоской формы с функциональными добавками принципиально могут быть изготовлены либо посредством образования плоскости в цепочке текстильных технологических процессов, либо посредством образования нетканого материала из волокон, снабженных функциональными добавками, покрытия плоских текстильных структур дисперсиями добавок или введения твердых или жидких функциональных добавок в уже изготовленные структуры нетканых материалов.

Волокна с содержанием функциональных добавок более 40% по массе не могут стабильно формоваться в нормальных процессах формования волокон, так как следствием являются частые обрывы волокон. Хотя этот недостаток может частично устраняться при использовании функциональных волокон, которые изготавливаются способом формования из раствора, для последующих текстильных процессов образования плоскости в любом случае требуется по меньшей мере один дополнительный этап переработки.

Таким образом, производимыми до сих пор по состоянию техники материалами, относящимися к функциональным текстильным поверхностям, являются структуры, которые после отдельного изготовления функциональных волокон были переработаны в текстильную поверхность посредством по меньшей мере одного дополнительного этапа процесса и/или которые содержат лишь малое количество функциональных частиц. Вследствие отдельного процесса изготовления нетканого материала высоконаполненные волокна подвергаются дополнительной нагрузке и поэтому повреждаются и удовлетворяют лишь качественно более низким требованиям в отношении функциональности или же механической стойкости.

Целью настоящего изобретения является предоставить в распоряжение разносторонне применимое изделие плоской формы, состоящее из содержащих частицы элементарных нитей и волокон и обладающее высокой функциональной эффективностью в различных областях применения в зависимости от вида функциональных частиц, при этом содержащие частицы элементарные нити или же волокна содержат более 40% по массе функциональных добавок и имеют средний диаметр от 0,1 до 500 мкм. Изделия плоской формы уже непосредственно после укладки должны иметь такую прочность, чтобы они были пригодны для дальнейшей переработки или же для непосредственного применения. Благодаря высокому содержанию функциональных добавок эти изделия плоской формы должны обладать такими функциональными свойствами, которые достигаются в противном случае лишь при помощи дополнительных этапов процесса, например покрытия или обработки поверхности.

Согласно изобретению эти задачи решены посредством того, что непосредственно в процессе формования из раствора нерасплавляемых полимеров в растворителях, снабженного одной или несколькими функциональными добавками, при помощи процесса производства фильерного нетканого материала непрерывно вырабатывают высокофункциональное текстильное изделие плоской формы. Неожиданным образом без дополнительных этапов процесса надежно и воспроизводимо могут изготавливаться текстильные изделия плоской формы, содержащие более 40% по массе добавок, которые обладают постоянной функциональностью в течение всего срока службы текстильного изделия плоской формы. Также было обнаружено, что волокна нетканого материала согласно изобретению имеют отклонения диаметра в пределах одного волокна или относительно друг друга по меньшей мере 30% и благодаря этому обладают высокой способностью к самоссвязыванию посредством сцеплений и переплетений волокон.

В соответствии с этим предметом настоящего изобретения является высокофункциональный фильерный нетканый материал, состоящий из волокон на основе нерасплавляемых полимеров, содержащих одну или несколько функциональных добавок, который отличается тем, что волокна переплетены и сцеплены друг с другом, имеют различную длину с характеристическими отношениями свыше 1000 и образуют прочную композицию нетканого материала, при этом волокна имеют средний диаметр от 0,1 до 500 мкм, а также отклонения диаметра в пределах одного волокна и/или относительно друг друга по меньшей мере 30%, причем волокна наряду с нерасплавляемым полимером содержат, по отношению к общей массе волокон, более 40% функциональных добавок в твердой и/или в жидкой форме, которые мелко распределены в волокнах.

Текстильные изделия плоской формы, применимые в зависимости от вида функциональных добавок в различных областях использования, состоят из содержащих добавки волокон, которые содержат, соответственно по отношению к общей массе волокон, от 40% до 96% функциональных добавок, а при необходимости, даже и более, и имеют средний диаметр от 0,1 до 500 мкм. Предпочтительно содержание функциональных добавок составляет, по отношению к общей массе волокон, от 40% до 90%.

Придаваемыми материалу постоянными функциями добавок являются, например, электропроводность, абсорбирование, ионообмен, антибактериальное действие, регулирование температуры, огнезащита, абразивное действие или обеспечение восстановления или же их комбинации.

Функциональными добавками являются, в частности, активированный уголь, суперабсорбенты, ионообменные смолы, материалы с легким переходом из одной фазы в другую, оксиды металлов, огнезащитные средства, абразивы, цеолиты, слоистые силикаты, например бентониты или модифицированные слоистые силикаты, косметические средства или их смеси. В качестве функциональных добавок могут также вводиться жидкие липофильные субстанции, например парафины, воски или масла. Добавочно в меньших концентрациях могут вводиться один или несколько дополнительных компонентов, например наносеребро или красители, или также биологически активные вещества, например фармацевтические субстанции или инсектициды.

При этом объемное содержание функциональных добавок (обозначаемых в связи с настоящим изобретением также как функциональные частицы или функциональные материалы) в прядильной смеси предпочтительно выбирают таким, что оно составляет в филаментах или же волокнах воздушной влажности, образующих нетканый материал, свыше 50% основного объемного компонента. В особом варианте выполнения, в котором диаметр функциональных частиц составляет примерно 1/4 среднего диаметра филамента или же волокна фильерного нетканого материала воздушной влажности, достигнуто, что отдельные частицы в филаментах или же волокнах имеют точки соприкосновения и, таким образом, функциональные свойства могут формироваться благоприятным образом.

Изготовление содержащих добавки изделий плоской формы, состоящих из содержащих частицы элементарных нитей или же волокон, осуществляют посредством процесса производства фильерного нетканого материала. В процессе образования волокон применяют содержащий полимеры прядильный раствор с добавками, при этом растворителем предпочтительно является апротонный растворитель. В качестве растворителя, в частности для целлюлозы, пригодны прежде всего N-метил-морфолин-N-оксид или же N-метил-морфолин-N-оксид-моногидрат, ионные жидкости, например 1-этил-3-метил-имидазол-ацетат, 3-этил-1-метил-имидазол-хлорид или 3-бутил-1-метил-имидазол-хлорид, диметилформамид, диметилацетамид или диметилсульфоксид, смешанные с хлоридом лития или NaOH-тиомочевинной водой, или, при необходимости, их смеси. Прядильный раствор с функциональными добавками и растворенным полимером подвергают экструзии, при этом отверстия фильер имеют диаметр от 0,1 до 1,1 мм, предпочтительно от 0,3 мм до 0,7 мм.

Образованные таким образом жгуты сразу же после выхода из фильер под действием собственного веса и/или воздействующего наклонно сзади воздушного потока, интенсивность которого согласована с возможностью вытягивания нитей прядильной смеси, уменьшенной вследствие наличия функциональных частиц, сужаются в пределах короткого участка пути в продольном направлении с образованием элементарных нитей и волокон характеристическими отношениями более 1000, предпочтительно более 5000 и совсем предпочтительно более 40000. Возникающие при этом обрывы волокон не приводят к прерыванию процесса и не оказывают отрицательного воздействия на процесс образования нетканого материала. Они приводят к тому, что в нетканом материале имеют место волокна с различной длиной и варьирующимся диаметром. Затем форма волокон стабилизируется (при переходе в пространство с отсутствием натяжения) еще перед началом продольной релаксации. Это происходит посредством перевода полимера из растворенного состояния в по меньшей мере частично нерастворенное состояние, либо путем испарения растворителя в потоке воздуха с регулируемой температурой, либо при помощи потока мелких капель, в частности воды или апротонной жидкости, путем гелеобразования и возможно осуществимой замены растворителя. После достижения не способного к склеиванию состояния волокна или же элементарные нити укладывают на сетчатой ленте или сетчатом барабане с образованием требуемого материала, который также может быть подвергнут покрытию и уплотнен посредством отсасывания. Насыщенную растворителем избыточную воду отделяют, а остаточный растворитель вымывают путем многократных промывок, а затем, при необходимости, полученный материал может быть подвергнут сушке, при этом вследствие происходящего при этом обратного сжатия полимера функциональные частицы в образующих нетканый материал филаментах и/или волокнах взаимно усиленно контактируют и соединяются, определяя свойства материала.

Непосредственно растворенным и связывающим частицы полимером является нерасплавляемый полимер, то есть полимер, у которого точка размягчения лежит выше точки разложения. Предпочтительно, это представитель группы натуральных полимеров, например полисахариды, особенно предпочтительно целлюлоза, производные полисахаридов или протеин или же производные протеина, и/или полимеры из группы формуемых из раствора синтетических полимеров, например полиакрилнитрил, поливинилалкоголь, полиэтиленоксид, полисульфон, метаарамид или их сополимеры.

Полученный таким образом влажный фильерный нетканый материал может быть упрочнен, отделан и сформирован посредством текстильных процессов (иглопрокалывания, упрочнения водяной струей, химического связывания), при этом упрочнение и отделка материала может осуществляться перед сушкой или после нее. За этим может следовать дополнительная обработка, например, посредством авиважа, импрегнирования или при помощи ионных активных веществ.

Под фильерным нетканым материалом понимают непосредственно уложенный после экструзии в неориентированном слое материал, состоящий из волокон и бесконечных волокон, при этом также несколько слоев может быть уложено друг на друга. Смесь, состоящая из волокон и бесконечных волокон, образуется вследствие обрывов волокон после фильеры, которые являются следствием высокого содержания частиц и которые однако не приводят к прерыванию процесса. Кроме того, фильерный нетканый материал, изготовленный способом согласно изобретению, состоит не только из волокон различной длины, но и сами волокна по длине или по отношению друг к другу имеют различные толщины. Толщина волокна определяется различными факторами, например концентрацией раствора, скоростью обдувания, видом полимера, размерами частиц, а также взаимодействием добавок с другими компонентами раствора и содержанием добавок. При укладке переплетенные и сцепленные друг с другом волокна и элементарные нити образуют прочную нетканую композицию. Характерными являются возникающие вследствие высокого содержания частиц, размера частиц и обрывов волокон неравномерности среднего диаметра волокон, которые очень легко можно визуально определить под микроскопом.

Преимущество изготовления изделия плоской формы из растворов полимеров по сравнению с изготовлением из расплавов полимеров состоит в том, что содержание частиц может быть несравненно выше, так как в исходном растворе наряду с полимером и добавками имеется также растворитель, который в более поздний момент времени затем удаляют. Используется то обстоятельство, что когезионные силы настолько велики, что обрыв происходит лишь редко, однако сетчатая структура растворенного полимера одновременно сохраняет свою способность к скольжению, чтобы частицы при экструзии и вытягивании могли скользить друг по другу. Кроме того, для дополнительной переработки могут использоваться различные гелеобразные состояния волокон и элементарных нитей, которые возникают вследствие замены растворителя водой.

Высокофункциональный фильерный нетканый материал имеет поверхностную плотность от 2 до 1000 г/м², предпочтительно от 5 до 500 г/м ², и толщину от 0,01 до 20 мм, предпочтительно от 0,05 до 5 мм. Он обладает приданными ему постоянными дополнительными функциями, например функциями электропроводности, абсорбирования, ионообмена, антибактериальными, регулирования температуры, огнезащиты, абразивными, функциями восстановления или их комбинациями.

В особом варианте выполнения в раствор полимера могут быть также интегрированы имеющие форму частиц порообразователи, например Глауберова соль. В изготовленном фильерном нетканом материале порообразователи приводят затем во время процесса промывки к образованию фильерного нетканого материала, состоящего из высокопористых волокон и элементарных нитей, который по сравнению с плоскими губками имеет намного большую поверхность.

Применение высокофункционального фильерного нетканого материала, состоящего из содержащих частицы элементарных нитей или же волокон, простирается от материалов для одежды, например теплосберегающих или выделяющих биологически активные вещества подкладочных материалов, до технического текстиля с высокой функциональной эффективностью для различных областей применения в зависимости от вида функциональных частиц, например для гигиенических применений, в качестве хирургических прокладок, в качестве несущих материалов для биологически активных веществ или в качестве несущих материалов в композиционных материалах, в качестве материалов для строительства и транспорта, в качестве косметических материалов или в качестве фильтров, например, для фильтрования и связывания содержащихся в воздухе и в воде веществ, таких как фосфаты, нитраты и соединения аммиака и азота. Благодаря особому проявлению функциональных свойств, обусловленному высокой концентрацией добавок, эти нетканые материалы пригодны также для покрытых композиционных материалов, комбинированных с другими изделиями плоской формы. Это может осуществляться посредством того, что высокофункциональный фильерный нетканый материал образуют во время его изготовления на другом уже имеющемся изделии плоской формы.

Последующие примеры служат для иллюстрации изобретения. При этом проценты следует понимать как проценты по массе, если не указано иначе или если это непосредственно не очевидно из содержания.

(Сравнительный) пример 1:

В 1,5 кг 9% раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксид-моногидрате (NMMO-моногидрат) было подвергнуто дисперсии 0,1 кг молотой ионообменной смолы (сильно основная анионообменная смола) с диаметром частиц D₉₉=14,8 мкм и подвергнуто гомогенизации при 90°С в течение 30 мин. Затем прядильный раствор при помощи шестеренного прядильного насоса был подведен при 95°С к фильере (1200 отверстий с диаметром 0,3 мм) и подвергнут формованию. Однако надежное формование через воздушный зазор (I=10 мм) было невозможно и на выходе из фильеры образовывались склейки выходящих жгутов раствора. Некоторые из образующихся элементов волокна были полностью освобождены от раствора, насколько это было возможно, и разрезаны до длины штапельного волокна 40 мм, при этом описанные склейки, если это получалось, были отделены. Волокна были обработаны 1% раствором хлорида натрия и подвергнуты сушке при 55°С до постоянства массы. Вторичное формование с образованием пряжи было невозможно. Образование нетканого материала было возможно лишь условно, при этом наблюдалось большое количество коротких волокон и чрезвычайное укорочение волокон. Нерегулярные свободные участки нетканого материала не могли быть подвергнуты дальнейшей переработке или же использованию. Упрочнение при помощи иглопрокалывания с целью стабилизации было невозможным, так как нетканый материал при этом полностью разрушался и распадался.

Пример 2

Раствор целлюлозы, изготовленный согласно примеру 1, был подвергнут упрочнению при помощи процесса формования методом горячего выдувания (выдувание раствора) при температуре раствора 95°С, обдувания горячим воздухом при температуре 80°С и обрызгивания водяным туманом непосредственно на выходе из фильерного узла, и сформирован с образованием нетканого материала путем укладки на сетчатую ленту. Процесс формования протекал стабильно, и полученный нетканый материал после полного удаления растворителя и сушки при 60°С мог без затруднений использоваться в качестве ионообменного нетканого материала. Функциональный нетканый материал был механически настолько стабильным, что он мог быть разрезан в размер и помещен в установку для обработки воды. Также было возможным дополнительное иглопрокалывание и, таким образом, дополнительное уплотнение без повреждения при этом нетканого материала.