DE10019342B3 - Consolidation of non-woven webs uses gas jets at critical velocity produced by parallel or convergent nozzles - Google Patents

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Abstract

Non-wovens containing fibers or filaments are consolidated by gas jets, which at impact have a density between 2 and 50 kg/m3> and are at a speed equal to the critical velocity at the corresponding static pressure and temperature. The jets are produced by parallel or convergent nozzles. The gas can be superheated steam at 40 [deg]K above static saturation temperature to compensate for the temperature drop in the nozzle. Temperatures above 350 [deg]K can be used to obtain thermal consolidation or shrinkage effects.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfestigung von Faser- und/oder Filamentvliesen durch Beaufschlagung des Vlieses mit Strahlen gasförmiger Medien für die Herstellung von bindemittelfreien, leichten und saugfähigen Vliesstoffen.The The invention relates to a process for the consolidation of fiber and / or Filament nonwovens by exposure of the web with rays of gaseous media for the Production of binder-free, lightweight and absorbent nonwovens.

Es sind bereits Verfahren zur Verfestigung von Vliesen unter Nutzung von fluiden Medien (Wasserstrahlen, Luft bzw. Dampf) bekannt. Die Verfestigung mittels Wasserstrahlen wird industriell angewendet. Die Nutzung von Luft, Dampf bzw. auch Aerosolen ist großtechnisch noch nicht realisiert worden, da die in Patentschriften angegebenen technischen Parameter nicht zu ausreichenden Verfestigungseffekten führten. Dies trifft z. B. auf die vorgeschlagene Behandlung von Vliesen mit Luft bei stoßförmiger Einwirkung oder aus oszillierenden Düsen gemäß US 3 120 463 und 3 3 57 074 zu, wobei konkrete Werte von Druck, Geschwindigkeit und Temperatur des Mediums fehlen. Die Anwendung oszillierender Luftdüsen soll den Coanda-Effekt vermeiden, erniedrigt jedoch den energetischen Wirkungsgrad und ist zur ausreichenden Gesamtverfestigung nicht geeignet.Methods for solidifying nonwovens using fluid media (water jets, air or steam) are already known. The solidification by means of water jets is used industrially. The use of air, steam or even aerosols has not yet been realized industrially, since the technical parameters specified in patent specifications did not lead to sufficient solidification effects. This is true for. B. on the proposed treatment of nonwovens with air at impact action or from oscillating nozzles according to US 3,120,463 and 3,357,074, where specific values of pressure, velocity and temperature of the medium are missing. The use of oscillating air nozzles should avoid the Coanda effect, but lowers the energy efficiency and is not suitable for sufficient overall solidification.

Die Verwendung von Heißluft und Dampf (überhitzt oder Sattdampf) zielt nach US 3 276 944 , 3 360 421, 3 510 389, 3 441 468, 3 616 471, 3 669 788, 3 943 613 und 4 011 124 auf die thermische Verfestigung oder Schrumpfung spezieller Vliesarten aus Faserpolymeren wie Celluloseester, Polypropylen und Polyester ab, so dass die betreffenden vorgeschlagenen Verfahren keine universellen Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.The use of hot air and steam (superheated or saturated steam) aims US 3,276,944 , 3,360,421, 3,510,389, 3,441,468, 3,616,471, 3,669,788, 3,943,613 and 4,011,124 on the thermal consolidation or shrinkage of special nonwoven types of fiber polymers such as cellulose esters, polypropylene and polyester from, so that the relevant proposed methods do not open up any universal application.

In gleicher Weise trifft das auf Verfahren zu, welche die Behandlung von melt-blown – Fasern mit Gasströmen und Gasstrahlen zur Verstreckung, Ablage und gegebenenfalls anschließender Verfestigung beinhalten. US 4 100 324 beschreibt die Einwirkung von zwei vertikal zueinander gerichteter Gasströme auf diesen Fasertyp, wobei der zur Verwirbelung und Verfestigung der melt-blown – Schichten verwendete sogenannte Sekundärstrom mit geringem Druck- und Geschwindigkeitsniveau wirkt. Die EP 0 608 883 beansprucht für die Verstreckung von melt-blown – Fasern und deren Ablage auf einer Sammeleinrichtung die Verwendung von Heißluft hoher Geschwindigkeit, und in US 4 078 124 dienen Heißluft-Strahlen zur thermischen Verfestigung solcher Fasern.In the same way, this also applies to processes involving the treatment of melt-blown fibers with gas streams and gas jets for drawing, deposition and optionally subsequent solidification. US 4 100 324 describes the effect of two vertically directed gas flows on this type of fiber, the so-called secondary flow used for swirling and solidification of the melt-blown layers having a low pressure and speed level. The EP 0 608 883 claims the use of high velocity hot air for drawing melt-blown fibers and depositing them on a collector US 4,078,124 serve hot air jets for thermal strengthening of such fibers.

In einigen anderen Patenten wird die Anwendung von Luftströmen und -strahlen für Filamentverteilung und -ablage bei der Herstellung von Spinnvliesstoffen ( US 3 798 100 , 4 064 605, EP 0 472 208 B1 oder zur thermischen Verfestigung von Filamentvliesen (US 3 949 130,3 975 224 und 4 093 763) beansprucht. Die Verfahren sind wiederum auf diese Vliesart zugeschnitten und begrenzt, da sie u. a. bestimmte Fasergeometrien („endlose" Länge) und Fasereigenschaften (thermoplastisch) voraussetzen.In some other patents, the use of air streams and jets for filament distribution and deposition in the production of spunbond webs ( US 3,798,100 , 4,064,605, EP 0 472 208 B1 or for the thermal consolidation of filament webs (US Pat. Nos. 3,949,130, 975,224 and 4,093,763). The methods are in turn tailored to this type of fleece and limited, since they require, inter alia, certain fiber geometries ("endless" length) and fiber properties (thermoplastic).

Zur Verbesserung der im Vergleich zu Wasserstrahlen viel geringeren Impulswirkung von Luftstrahlen wird in US 3 751 767 eine Lavaldüse erfindungsgemäß offengelegt, mit der aber trotz > 1,5-father Schallgeschwindigkeit und tiefgekühlter Luft von < –75°C nur eine Vliesverdichtung und keine hinreichende Verfestigung erzielt wird. Darüber hinaus ist die technische Anwendbarkeit wegen der benötigten großen Leistung der Kühlvorrichtung nicht gegeben.In order to improve the much lower impulse effect of air jets compared to water jets US 3,751,767 a Lavaldüse disclosed according to the invention, but with despite> 1.5-father speed of sound and cryogenic air of <-75 ° C only a fleece compaction and not sufficient solidification is achieved. In addition, the technical applicability is not given because of the required great performance of the cooling device.

Das in DE 3 616 196 A1 beanspruchte Verfahren, mit dem aus senkrecht zu einander angeordneten Düsenpaaren Luftstrahlen auf Faserbänder wirken, reicht unter den angegebenen Druckbedingungen von 0,5 bis 8 bar nur zur Verflechtung der Randzonen solcher Flächen aus.This in DE 3 616 196 A1 claimed method, with the effect of air jets on slivers from perpendicular to each other arranged nozzle pairs, is sufficient under the specified pressure conditions of 0.5 to 8 bar only for interweaving the edge zones of such areas.

Das Verfahren zur Verdichtung und Verfestigung von Fasergelegen und -matten, vorgeschlagen in DE 3 715 898 A1 , erfordert eine technisch aufwendige Vorrichtung aus einem profilierten, mit Bohrungen für Fluidstrahlen (vorzugsweise Luft) versehenen Walzenpaar. In dessen Kontaktbereich werden die Strahlen mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Faserschicht mitgeführt und sollen dabei eine verwirbelte Faserstruktur erzeugen. Die dazu erforderlichen Bedingungen für eine ausreichende Impulskraft der Strahlen (Druck und Geschwindigkeit) bleiben aber unberücksichtigt.The method of compaction and consolidation of fiber fabrics and mats proposed in DE 3 715 898 A1 , requires a technically complex device of a profiled, provided with holes for fluid jets (preferably air) pair of rollers. In its contact region, the beams are carried along with the speed of movement of the fiber layer and are intended to produce a swirled fiber structure. However, the necessary conditions for a sufficient momentum of the beams (pressure and speed) remain unconsidered.

Wesentliches Element eines Verfahrens, beschrieben in EP 0 400 581 , bildet die Kombination kalter oder heißer Luftstrahlen mit einer Absaugvorrichtung unmittelbar unter der Vliesstelle, wo die Luftstrahlen auftreffen. Dabei wird die plötzliche Volumenzunahme des gasförmigen Mediums durch den Druckverlust im Vlies ausgenutzt. Gleichwohl erfolgt auch hier keine Angabe der für das Verfestigungsprinzip relevanten Druck- und anderen Bedingungen.Essential element of a procedure described in EP 0 400 581 , forms the combination of cold or hot air jets with a suction device just below the nonwoven point where the air jets impinge. The sudden volume increase of the gaseous medium is exploited by the pressure loss in the fleece. At the same time, however, there is no indication of the pressure and other conditions relevant to the consolidation principle.

Schließlich ist die WO 95/06 769 anzuführen. Eine Anordnung voneinander getrennter Strahlen, vorzugsweise Dampf (auch im überhitzten Zustand), verwirbelt und/oder schmilzt Fasern vorgelegter Vliese, die aus wenigstens einer thermoplastischen Komponente zusammengesetzt sind. Die Anwendung des Verfahrens ist also – wie in anderen Fällen – an das Vorhandensein solcher Fasern gebunden. Die Geometrie der Strahlen und ihre Geschwindigkeit beim Düsenaustritt sind an die Wasserstrahltechnologie angelehnt. Damit werden die kritischen Bedingungen im Zustand des Dampfes, auch hinsichtlich Druck und Temperatur, jedoch nicht realisiert.Finally is to cite WO 95/06 769. A Arrangement of separate beams, preferably steam (also in the overheated State), swirls and / or melts fibers of laid nonwovens, composed of at least one thermoplastic component are. The application of the method is therefore - as in other cases - to the Presence of such fibers bound. The geometry of the rays and their speed at the nozzle exit are based on the waterjet technology. This will be the critical conditions in the state of vapor, also in terms of pressure and temperature, but not realized.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, bei dem der Einsatz von gasförmigen Arbeitsmedien zur Verfestigung von Vliesen einem wesentlich höheren Verbindungseffekt und eine effektivere Herstellung von verfestigten Vliesstoffen gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht.task The invention is to provide a method in which the use of gaseous Working media for the consolidation of nonwovens a much higher connection effect and a more effective production of consolidated nonwovens over the State of the art allows.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.According to the invention Problem solved by the features of claim 1. The dependent claims include especially cheap Embodiments of the method according to the invention.

Überraschenderweise hat sich bei Prinzipversuchen gezeigt, daß bei Verwendung von Gasstrahlen zur Vliesverfestigung maximale Impulswirkung dann erreicht wird, wenn die Dichte in den Gasstrahlen zwischen 2 und 50 kg/m3 und eine Geschwindigkeit eingestellt wird, die der dem Ruhedruck und der Ruhetemperatur der Gase entsprechenden kritischen Geschwindigkeit gleichkommt.Surprisingly, it has been shown in principle experiments that when using gas jets for web bonding maximum pulse effect is achieved when the density in the gas jets between 2 and 50 kg / m 3 and a speed is set, which corresponds to the static pressure and the rest temperature of the gases equal to critical speed.

Durch den Einsatz von gasförmigen Arbeitsmedien wird im Vergleich zur Wasserstrahlverfestigung eine Vereinfachung der Prozeßgestaltung durch Wegfall der Vliesstoff trocknung und der Wasseraufbereitung und somit eine Einsparung an Energieaufwendungen erreicht. Die spezifischen Festigkeiten der Vliesstoffe bei der Verwendung von Gasen als Arbeitsmedium sind unter Berücksichtigung des Druckniveaus annähernd vergleichbar mit denen der Wasserstrahlverfestigung.By the use of gaseous Working media becomes one compared to hydroentanglement Simplification of process design by Elimination of nonwoven fabric drying and water treatment and thus achieved a saving in energy costs. The specific ones Strengths of the nonwovens in the use of gases as the working medium are under consideration approaching the pressure level comparable to those of hydroentanglement.

Bei der Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsmedium werden neben Faserverdichtungen und -verwirbelungen auch thermische Effekte erzielt. Wegen der hohen Sattdampftemperaturen sind dabei hohe Arbeitsgeschwindigkeiten möglich.at the use of water vapor as a working medium in addition to fiber compaction and Verwirbelungen also achieved thermal effects. Because of the high Saturated steam temperatures are high working speeds possible.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen inThe Invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. The associated Drawings show in

1 das Verfahrensprinzip der Vliesverfestigung mittels Luft oder Wasserdampf in schematischer Darstellung, 1 the process principle of nonwoven bonding by means of air or water vapor in a schematic representation,

2 die Oberfläche eines unverfestigten und eines mit Luft verfestigten Vliesstoffes, 2 the surface of an unconsolidated and an air-bonded nonwoven fabric,

3 die Oberfläche eines mit Wasserdampf verfestigten Vliesstoffes in zwei verschiedenen Vergrößerungen. 3 the surface of a steam-bonded nonwoven fabric in two different magnifications.

Das Verfahrensprinzip der Vliesverfestigung mittels gasförmiger Medien ist in der 1 dargestellt. Das zu verfestigende Faser- und/oder Filamentvlies wird auf einer durchlässigen Transportvorrichtung, die mit einem Drahtgewebe bespannt ist, dem Düsenbalken zugeführt. Möglich ist auch, das Vlies zwischen zwei Drahtgeweben fixiert zuzuführen. Der Düsenbalken enthält eine Vielzahl Düsenbohrungen, deren Querschnitt über die gesamte Düsenlänge konstant ist oder sich zum Düsenaustritt hin reduziert, d.h., der kleinste Düsenquerschnitt befindet sich am Düsenaustritt. Alternativ kann auch eine Breitschlitzdüse eingesetzt werden. Als Arbeitsmedium werden Luft- oder Wasserdampf dem Düsenbalken zugeführt, wobei der Druck und die Temperatur ständig überwacht werden.The process principle of nonwoven bonding by means of gaseous media is in the 1 shown. The fibrous and / or filament nonwoven to be consolidated is fed to the nozzle bar on a permeable transport device, which is covered with a wire mesh. It is also possible to supply the fleece fixed between two wire meshes. The nozzle bar contains a large number of nozzle bores whose cross section is constant over the entire nozzle length or which reduces towards the nozzle outlet, ie the smallest nozzle cross section is located at the nozzle outlet. Alternatively, a slot die can also be used. As a working medium, air or water vapor are supplied to the nozzle bar, wherein the pressure and the temperature are constantly monitored.

Bei der Verwendung von gasförmigen Medien zur Vliesverfestigung strömt der Gasstrahl mit Schallgeschwindigkeit aus der Düse aus, wenn sich der engste Düsenquerschnitt am Düsenaustritt befindet. Druck, Dichte und Temperatur im austretenden Gasstrahl nehmen die sogenannten kritischen Werte an, die sich aus den physikalischen Bedingungen im Ruhezustand ableiten lassen.at the use of gaseous Media for web consolidation flows the gas jet with speed of sound out of the nozzle, when the narrowest nozzle cross-section at the nozzle exit located. Pressure, density and temperature in the exiting gas jet assume the so-called critical values resulting from the physical Derive conditions at rest.

Beim Einsatz von Wasserdampf als weiteres mögliches gasförmiges Arbeitsmedium zur Vliesverfestigung wird dieser überhitzt, damit trotz der bei der Entspannung des Dampfes stattfindenden Temperaturabsenkung keine Kondensatbildung im Vliesstoff erfolgt. Bei dieser Verfahrensführung wird erreicht, daß das Vlies kein Wasser aufnimmt und somit keine zusätzliche Trocknung erforderlich ist. Bei der Verwendung von Wasserdampf können außerdem Faser/Filamentverwirbelungen mit thermischen Verfestigungseffekten kombiniert werden.At the Use of water vapor as another possible gaseous working medium for nonwoven bonding this is overheated, so despite the at the relaxation of the steam taking place temperature reduction none Condensation takes place in the nonwoven fabric. In this procedure is achieved that Fleece absorbs no water and thus no additional drying required is. When using steam, fiber / filament swirls can also occur combined with thermal consolidation effects.

Die spezifischen Festigkeiten der Vliesstoffe bei der Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsmedium sind unter Berücksichtigung des Druckniveaus annähernd vergleichbar mit denen der Wasserstrahlverfestigung.The specific strengths of nonwovens in the use of Water vapor as a working medium are taking into account the pressure levels nearly comparable to those of hydroentanglement.

Beispiel 1:Example 1:

Ein Polyesterfaservlies mit einer Flächenmasse von 40 g/m2 wird mit aus Düsenbohrungen austretenden Druckluftstrahlen beaufschlagt. Die Bohrungen haben einen Abstand voneinander von 1 mm und sind so gestaltet, daß sich der engste Düsenquerschnitt am Düsenaustritt befindet. Der Bohrungsdurchmesser beträgt an der engsten Stelle 0,1 mm. Die aus den Düsen austretenden Luftstrahlen erreichen eine Geschwindigkeit von 320 m/s. Entsprechend dem eingestellten Ruhedruck haben die Luftstrahlen eine Dichte von 37 kg/m3 und der kritische Druck beträgt etwa 27 bar. Bei Arbeitsgeschwindigkeiten von 20 m/min und beidseitiger Beaufschlagung des Vlieses mit der Druckluft werden mittlere spezifische Festigkeiten von ca. 2,5 Nm2/g erreicht. Die Vliesstruktur vor und nach der Verfestigung ist in der 2 dargestellt.A polyester fiber fleece with a surface mass of 40 g / m 2 is exposed to emerging from nozzle holes compressed air jets. The holes are spaced from each other by 1 mm and are designed so that the narrowest nozzle cross-section is located at the nozzle exit. The bore diameter is 0.1 mm at the narrowest point. The air jets emerging from the nozzles reach a speed of 320 m / s. According to the set static pressure, the air jets have a density of 37 kg / m 3 and the critical pressure is about 27 bar. At working speeds of 20 m / min and two-sided loading of the web with the compressed air mean specific strengths of about 2.5 Nm 2 / g are achieved. The nonwoven structure before and after solidification is in the 2 shown.

Beispiel 2:Example 2:

Ein Polypropylenfaservlies mit einer Flächenmasse von 80 g/m2, das auch mit niedrigschmelzenden Bindefasern gemischt sein kann, wird mit überhitzten Wasserdampf mit einem Ruhedruck von 10 bar und einer Ruhetemperatur von 495°K beaufschlagt. Der Dampf erreicht beim Durchströmen der Düsen eine kritische Geschwindigkeit von 570 m/s. Die Dichte der komprimierten Gasstrahlen beträgt 2,15 kg/m3. Das Vlies wird verfestigt (Bild 3), die mittlere spezifische Festigkeit beträgt 2,2–2,8 Nm2/g. Eine Trocknung des Vliesstoffes ist nicht erforderlich, da trotz der bei der Expansion des Dampfes beim Durchtritt durch die Düsen erfolgten Abkühlung die zum kritischen Druck zugehörige Sattdampftemperatur nicht unterschritten wird.A polypropylene fiber fleece with a basis weight of 80 g / m 2 , which may also be mixed with low-melting binder fibers, is exposed to superheated steam at a rest pressure of 10 bar and a quiescent temperature of 495 ° K. The steam reaches a critical velocity of 570 m / s as it flows through the nozzles. The density of the compressed gas jets is 2.15 kg / m 3 . The fleece is solidified (Figure 3), the average specific strength is 2.2-2.8 Nm 2 / g. A drying of the nonwoven fabric is not required because despite the cooling carried out during the expansion of the steam when passing through the nozzles, the saturated steam temperature associated with the critical pressure is not undershot.

Parallel zur Verdrängung und Verdichtung der Fasern infolge der kinetischen Energie der auftreffenden Dampfstrahlen sind Faserverschmelzungen, die erheblich zur Vliesverfestigung beitragen, feststellbar. Die Vliesstruktur ist in der 3 dargestellt.Parallel to the displacement and compaction of the fibers due to the kinetic energy of the impinging jets, fiber fusions that significantly contribute to web consolidation are detectable. The fleece structure is in the 3 shown.

Claims (7)

Verfahren zur Verfestigung von Faser- und/oder Filamentvliesen durch Beaufschlagung des Vlieses mit Strahlen gasförmiger Medien, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Strahlen in einem kritischen Ausströmzustand befinden und zur Erreichung maximaler Impulswirkung beim Auftreffen auf die Faser-/Filamentoberfläche eine Dichte von 2–50 kg/m3 und eine Geschwindigkeit aufweisen, die der dem Ruhedruck und der Ruhetemperatur des Gases entsprechenden kritischen Geschwindigkeit gleichkommt, und welche durch Düsen erzeugt werden, deren Querschnitt über die gesamte Düsenlänge konstant ist oder sich zum Düsenaustritt reduziert, wobei der kleinste Düsenquerschnitt sich am Düsenaustritt befindet.Process for solidifying fiber and / or filament nonwovens by exposing the nonwoven material to jets of gaseous media, characterized in that the jets are in a critical outflow state and to achieve maximum momentum when hitting the fiber / filament surface has a density of 2-50 kg / m 3 and have a speed equal to the static pressure and the quiescent temperature of the gas corresponding critical velocity, and which are generated by nozzles whose cross-section over the entire nozzle length is constant or reduced to the nozzle outlet, the smallest nozzle cross-section at Nozzle outlet is located. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium Wasserdampf verwendet wird, dessen Temperatur zur Kompensation der bei der Durchströmung der Düsen stattfindenden Entspannung des Dampfes und der damit verbundenen Beschleunigung um mindestens 40°K über der zum Ruhedampfdruck gehörenden Sattdampftemperatur liegen muß.Method according to claim 1, characterized in that that as Working medium water vapor is used, its temperature for Compensation of the occurring during the flow through the nozzle relaxation of the steam and the associated acceleration by at least 40 ° K above the to Resting steam pressure belonging Saturated steam temperature must be. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung gasförmiger Arbeitsmedien mit einer Temperatur über 350°K zusätzlich zur mechanischen Verfestigung auch thermische Verfestigungs- und Schrumpfeffekte bei Verwendung geeigneter Faser-/Filamentmaterialien erzielt werden können.Method according to Claims 1 and 2, characterized that at Use gaseous Working media with a temperature above 350 ° K in addition to mechanical hardening also thermal hardening and shrinkage effects when using suitable Fiber / filament materials can be achieved. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfestigungsverfahren gleichzeitig zur Strukturierung oder Oberflächenmodifizierung textiler Flächengebilde genutzt werden kann.Method according to Claims 1 to 3, characterized that this Solidification process simultaneously for structuring or surface modification textile fabrics can be used. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung günstiger Verfestigungseffekte gitterartige oder andere durchbrochene Strukturen zwischen Düsenaustritt und zu verfestigendem Material angeordnet sein können.Method according to Claims 1 to 4, characterized that to Achieving cheaper Hardening effects lattice-like or other openwork structures between nozzle exit and can be arranged to be solidified material. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch einzelne Fasern bzw. Filamente an ein Vlies bzw. anderes textiles Flächengebilde gebunden werden können.Method according to Claims 1 to 5, characterized that too individual fibers or filaments to a fleece or other textiles sheet can be tied. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur gleichzeitigen Vliesbildung und Vliesverfestigung genutzt werden kann.Method according to Claims 1 to 6, characterized that this Process for simultaneous web formation and web bonding can be used.
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