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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine thermoplastische Zusammensetzung.
Die thermoplastische Zusammensetzung umfasst ein nicht umgesetztes
Gemisch aus einem Poly(milchsäure)-Polymer,
einem Polybutylensuccinat-Polymer oder einem Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder einem Gemisch dieser Polymere, und einem Kompatibilisierungsmittel
bzw. Benetzungsmittel. Die thermoplastische Zusammensetzung ist im
Wesentlichen biologisch abbaubar und kann leicht verarbeitet werden.
Die thermoplastische Zusammensetzung kann zur Herstellung von Mehrkomponentenfasern
oder Vliesstrukturen verwendet werden, die zur Herstellung von absorbierenden
Produkten für
den Einmalgebrauch, die Flüssigkeiten,
wie z. B. Körperflüssigkeiten,
absorbieren können,
verwendet werden können.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Absorbierende
Produkte für
den Einmalgebrauch werden in vielen Bereichen verwendet. Bei der
Baby- und Kleinkindpflege wurden z. B. in der letzten Zeit wiederverwendbare
absorbierende Gewebeartikel durch Windeln und Windelhöschen für den Einmalgebrauch
ersetzt. Beispiele für
andere typische absorbierende Produkte für den Einmalgebrauch umfassen
Hygieneartikel für
Damen, wie z. B. Damenbinden oder Tampons, Inkontinenzprodukte für Erwachsene
sowie Körperpflegemittel,
wie z. B. orthopädische
Abdeckungen und Wundabdeckungen. Ein typisches absorbierendes Produkt
für den
Einmalgebrauch umfasst gewöhnlich eine
Struktur aus mehreren Bestandteilen, umfassend eine obere Schicht,
eine Rückseitenschicht
und eine absorbierende Struktur, die zwischen der oberen Schicht
und der Rückseitenschicht
angeordnet ist. Diese Produkte umfassen gewöhnlich ein Befestigungssystem,
mit dem das Produkt an der Person, die das Produkt trägt, fixiert
werden kann.
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Absorbierende
Produkte für
den Einmalgebrauch kommen während
ihrer Verwendung in Kontakt mit Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser,
Urin, Menstruationsblutungen oder Blut. Deshalb werden die Rückseitenmaterialien,
welche die absorbierenden Produkte abdecken, gewöhnlich aus in Flüssigkeit
unlöslichen
Materialien oder aus für
Flüssigkeit
undurchlässige
Materialien, wie z. B. aus Polypropylenfilmen, hergestellt, die
sich durch eine ausreichende Festigkeit und Beständigkeit auszeichnen, so dass
das absorbierende Produkt für den
Einmalgebrauch während
dessen Verwendung unversehrt bleibt und die aufgenommene Flüssigkeit
nicht verliert.
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Obwohl
die gegenwärtig
verwendeten Babywindeln und andere absorbierende Produkte für den Einmalgebrauch
von der Allgemeinheit akzeptiert werden, besteht für spezifische
Anwendungen ein Bedarf an weiteren Verbesserungen. Bei vielen absorbierenden
Produkten für
den Einmalgebrauch ist es z. B. schwierig, die Produkte nach deren
Verwendung zu entsorgen. Wenn man z. B. versucht, absorbierende
Produkte für
den Einmalgebrauch über
eine Toilette in einem Abwassersystem zu entsorgen, führt dies
gewöhnlich
zu einem Verstopfen der Toilette oder der Rohre, welche die Toilette
mit dem Abwassersystem verbinden. Genauer gesagt, die Materialien,
welche das absorbierende Produkt für den Einmalgebrauch abdecken,
zersetzen sich nicht oder werden nicht dispergiert, wenn das Produkt über eine
Toilette entsorgt wird, so dass das absorbierende Produkt für den Einmalgebrauch
auf diese Art und Weise nicht entsorgt werden kann. Wenn die Dicke des
Materials, welches das absorbierende Produkt für den Einmalgebrauch abdeckt,
deutlich verringert wird, um das Gesamtvolumen des absorbierenden
Produktes zu verringern, so dass es eine Toilette oder eine Abwasserleitung
nicht mehr verstopfen kann, führt
dies dazu, dass die Festigkeit des Materials, welches das Produkt
abdeckt, unzureichend wird, so dass die Gefahr besteht, dass die
Abdeckung beim Tragen des Produktes reißt oder Falten bildet.
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Weiterhin
ist die Entsorgung von festem Abfall zu einem weltweiten Problem
geworden. Da die bestehenden Mülldeponien
allmählich
aufgefüllt
werden, besteht ein Bedarf an Produkten für den Einmalgebrauch, deren
Herstellung weniger Rohstoffe verbraucht und die aus wiederverwertbaren
und/oder biologisch abbaubaren Bestandteilen bestehen, so dass die
Produkte nicht über
Mülldeponien
entsorgt werden müssen.
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Folglich
besteht ein Bedarf an neuen Materialien, die bei der Herstellung
von absorbierenden Produkten für
den Einmalgebrauch, die sich bei deren Verwendung durch eine ausreichende
Beständigkeit
und Festigkeit auszeichnen und die nach deren Verwendung effizient
entsorgt werden können,
verwendet werden können.
Das absorbierende Produkt für
den Einmalgebrauch sollte z. B. leicht und effektiv durch Kompostieren entsorgt
werden können.
Alternativ sollte das absorbierende Produkt für den Einmalgebrauch leicht
und effektiv in einem Abwassersystem, in dem es zersetzt wird, entsorgt
werden können.
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Abbaubare
Einkomponentenfasern sind zwar bekannt, es treten jedoch Probleme
bei der Verwendung der Fasern auf. Genauer gesagt, bekannte abbaubare
Fasern haben beim Erwärmen
gewöhnlich
eine unzureichende Formbeständigkeit,
so dass die Fasern beim Erwärmen
schrumpfen, wobei das Schrumpfen durch ein Entspannen der Polymerketten
beim Erwärmen,
z. B. beim thermischen Bonden oder Laminieren, verursacht wird.
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Z.
B. sind Fasern aus Poly(milchsäure)-Polymeren
bekannt, es treten jedoch Probleme bei der Verwendung der Fasern
auf. Genauer gesagt, Poly(milchsäure)-Polymere
zeichnen sich, im Vergleich mit z. B. Polyolefin-Polymeren, durch
eine relativ langsame Kristallisationsgeschwindigkeit aus, so dass
die aliphatischen Polyester-Polymere nicht gut verarbeitet werden
können.
Weiterhin ist die Formbeständigkeit
der Poly(milchsäure)-Polymere beim Erwärmen gewöhnlich unzureichend.
Poly(milchsäure)-Polymere
schrumpfen gewöhnlich
deutlich unter dem Einfluss von Wärme, wobei das Schrumpfen durch
ein Entspannen der Polymerketten beim Erwärmen, z. B. beim thermischen
Bonden oder Laminieren, verursacht wird, wenn nicht ein zusätzlicher
Verarbeitungsschritt, wie z. B. das Aushärten in der Wärme, durchgeführt wird.
Solch ein Aushärten
in der Wärme
beschränkt
die Verwendung der Faser bei der in-situ Herstellung von Vliesstoffen,
wie z. B. bei der Spinnvliesherstellung und beim Meltblow-Verfahren,
da ein Aushärten
in der Wärme
bei diesen Verfahren nur sehr schwer durchzuführen ist.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine thermoplastische
Zusammensetzung bereitzustellen, die gut verarbeitet werden kann,
die gut mit einer Flüssigkeit
benetzt werden kann und die sich beim Erwärmen durch eine gute Formbeständigkeit
auszeichnet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine thermoplastische
Zusammensetzung bereitzustellen, die leicht und effizient zu einer
Faser verarbeitet werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine thermoplastische
Zusammensetzung bereitzustellen, die bei der Herstellung von Vliesstrukturen
verwendet werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Faser
oder eine Vliesstruktur bereitzustellen, die unter Umgebungsbedingungen
leicht abbaubar ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein absorbierendes
Produkt für
den Einmalgebrauch bereitzustellen, das für die Absorption von Flüssigkeiten,
wie z. B. Körperflüssigkeiten,
verwendet werden kann und das Bestandteile umfasst, die unter Umgebungsbedingungen
leicht abbaubar sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine thermoplastische Zusammensetzung,
die im Wesentlichen biologisch abbaubar ist, die leicht hergestellt
werden kann und die leicht zu einem gewünschten Produkt, wie z. B.
einer Faser oder einem Vlies, verarbeitet werden kann.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine thermoplastische
Zusammensetzung, die ein Gemisch aus einem ersten Bestandteil, einem
zweiten Bestandteil und einem dritten Bestandteil umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine thermoplastische Zusammensetzung
bereit, umfassend:
- (a) ein Poly(milchsäure)-Polymer
in einer Menge von mehr als 0 und weniger als 100 Gew.-%,
- (b) ein Polymer, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus einem Polybutylensuccinat-Polymer,
einem Polybutylensuccinatadipat-Polymer und einem Gemisch dieser
Polymere, in einer Menge von mehr als 0 und weniger als 100 Gew.-%,
und
- (c) ein Kompatibilisierungsmittel mit einem Hydrophil-Lipophil-Wert
im Bereich von 10 bis 40 in einer Menge von mehr als 0 bis 15 Gew.-%,
wobei
sich alle Angaben in Gew.-% auf das Gesamtgewicht der Bestandteile
(a), (b) und (c) beziehen. Die Bestandteile (a), (b) und (c) liegen
im Wesentlichen unreagiert nebeneinander vor.
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Eine
Ausführungsform
einer solchen thermoplastischen Zusammensetzung umfasst ein nicht
umgesetztes Gemisch aus einem Poly(milchsäure)-Polymer, einem Polybutylensuccinat-Polymer
oder einem Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder einem Gemisch
dieser Polymere, und einem Kompatibilisierungsmittel für das Poly(milchsäure)-Polymer,
das Polybutylensuccinat-Polymer oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder
das Gemisch dieser Polymere.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Mehrkomponentenfaser,
die im Wesentlichen abbaubar ist, die leicht hergestellt werden
kann und die leicht zu einem gewünschten
Produkt, wie z. B. einem Vlies, verarbeitet werden kann.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Mehrkomponentenfaser,
umfassend ein nicht umgesetztes Gemisch aus einem Poly(milchsäure)-Polymer,
einem Polybutylensuccinat-Polymer oder einem Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder einem Gemisch dieser Polymere, und einem Kompatibilisierungsmittel für das aliphatische
Polyester-Polymer und das Polybutylensuccinat-Polymer oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder das Gemisch dieser Polymere.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vliesstruktur,
umfassend die Mehrkomponentenfaser entsprechend der vorliegenden
Erfindung.
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Eine
Ausführungsform
einer solchen Vliesstruktur ist eine obere Schicht eines absorbierenden
Produktes für
den Einmalgebrauch.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mehrkomponentenfaser.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein absorbierendes
Produkt für
den Einmalgebrauch, umfassend die Mehrkomponentenfaser entsprechend
der vorliegenden Erfindung.
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Genaue Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine thermoplastische Zusammensetzung
mit einem ersten Bestandteil, einem zweiten Bestandteil und einem
dritten Bestandteil. Der Ausdruck "thermoplastisches Material", der hier verwendet
wird, bedeutet ein Material, das beim Erwärmen erweicht und beim nachfolgenden
Abkühlen auf
Raumtemperatur im Wesentlichen in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass,
wenn ein unreagiertes Gemisch aus einem Poly(milchsäure)-Polymer,
einem Polybutylensuccinat-Polymer oder einem Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder einem Gemisch dieser Polymere, und einem Kompatibilisierungsmittel
verwendet wird, eine thermoplastische Zusammensetzung hergestellt
werden kann, die im Wesentlichen abbaubar ist und die leicht zu
Fasern und Vliesstrukturen verarbeitet werden kann, die sich durch
hervorragende mechanische Eigenschaften auszeichnen.
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Der
erste Bestandteil der erfindungsgemäßen thermoplastischen Zusammensetzung
ist ein Poly(milchsäure)-Polymer.
Poly(milchsäure)-Polymere
werden gewöhnlich
bei der Polymerisation von Milchsäure erhalten. Dem Fachmann
ist jedoch klar, dass ein chemisch äquivalentes Material ebenfalls
bei der Polymerisation eines Lactids erhalten wird. Folglich bedeutet
der Ausdruck "Poly(milchsäure)-Polymer", der hier verwendet
wird, ein Material, das bei der Polymerisation von Milchsäure oder
bei der Polymerisation eines Lactids erhalten wurde. Es ist bekannt,
dass Milchsäure
und Lactide asymmetrische Moleküle
sind, die in zwei optischen Isomeren auftreten, die als linksdrehendes
Enantiomer (im Folgenden als "L" bezeichnet) und
als rechtsdrehendes Enantiomer (im Folgenden als "D" bezeichnet) bezeichnet werden. Bei
der Polymerisation eines spezifischen Enantiomeren oder bei der
Polymerisation eines Gemisches aus zwei Enantiomeren ist es möglich, verschiedene
Polymere herzustellen, die chemisch identisch sind aber unterschiedliche
Eigenschaften haben. Genauer gesagt, es wurde herausgefunden, dass
es durch Variation der Stereochemie eines Poly(milchsäure)-Polymers
z. B. möglich
ist, die Schmelztemperatur, die Schmelzrheologie und die Kristallinität des Polymers
zu steuern. Da diese Eigenschaften gesteuert werden können, ist
es möglich,
eine thermoplastische Zusammensetzung und eine Mehrkomponentenfaser
herzustellen, die sich durch die gewünschte Schmelzfestigkeit, die
gewünschten
mechanischen Eigenschaften, die gewünschte Weichheit bzw. Schmierigkeit
und durch die gewünschten
Verarbeitungseigenschaften auszeichnen, so dass es möglich ist,
modifizierte, in der Wärme
ausgehärtete
und gekräuselte
Fasern herzustellen.
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Beispiele
für Poly(milchsäure)-Polymere,
die erfindungsgemäß verwendet
werden können,
umfassen verschiedenste Poly(milchsäure)-Polymere, die von Chronopol
Inc., Golden, Colorado, erhältlich
sind.
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Es
ist bevorzugt, dass das Poly(milchsäure)-Polymer in der thermoplastischen
Zusammensetzung in einer effektiven Menge enthalten ist, so dass
eine thermoplastische Zusammensetzung mit den gewünschten Eigenschaften
erhalten wird. Die Menge an Poly(milchsäure)-Polymer in der thermoplastischen
Zusammensetzung liegt im Bereich von mehr als 0 bis weniger als
100 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 5 Gew.-% bis 95 Gew.-%, besonders
bevorzugt im Bereich von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-% und ganz besonders
bevorzugt im Bereich von 15 Gew.-% bis 85 Gew.-%, wobei sich die
Angaben in Gew.-% auf das Gesamtgewicht des Poly(milchsäure)-Polymers,
des Polybutylensuccinat-Polymers oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers oder
des Gemisches dieser Polymere, und des Kompatibilisierungsmittels,
die in der thermoplastischen Zusammensetzung vorliegen, beziehen.
Das Gewichtsverhältnis
dieser drei Bestandteile in der thermoplastischen Zusammensetzung
hat einen entscheidenden Einfluss auf die gewünschten Eigenschaften der thermoplastischen
Zusammensetzung, wie z. B. auf die Benetzbarkeit, die biologische
Abbaubarkeit, die thermische Stabilität und die Verarbeitbarkeit.
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Der
zweite Bestandteil der erfindungsgemäßen thermoplastischen Zusammensetzung
ist ein Polybutylensuccinat-Polymer, ein Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder ein Gemisch dieser Polymere. Ein Polybutylensuccinat-Polymer
wird gewöhnlich
bei der Kondensationspolymerisation eines Glycols und einer Dicarbonsäure oder
eines Anhydrids davon erhalten. Das Polybutylensuccinat-Polymer
kann ein geradkettiges Polymer oder ein langkettiges verzweigtes
Polymer sein. Ein langkettiges verzweigtes Polybutylensuccinat-Polymer
wird gewöhnlich
erhalten, wenn ein mehrwertiger Bestandteil, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus dreiwertigen oder vierwertigen Polyolen,
Oxycarbonsäuren
und mehrbasigen Carbonsäuren,
verwendet wird. Polybutylensuccinat-Polymere sind bekannt und werden z.
B. in der Veröffentlichung
EP 0 569 153 A2 (Showa Highpolymer
Co., Ltd., Tokyo, Japan) beschrieben. Ein Polybutylensuccinatadipat-Polymer
wird gewöhnlich bei
der Polymerisation mindestens eines Alkylglycols und mehr als einer
aliphatischen mehrwertigen Säure
erhalten. Polybutylensuccinatadipat-Polymere sind ebenfalls bekannt.
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Beispiele
für Polybutylensuccinat-Polymere
und Polybutylensuccinatadipat-Polynere, die erfindungsgemäß verwendet
werden können,
umfassen eine Vielzahl von Polybutylensuccinat-Polymeren und Polybutylensuccinatadipat-Polymeren,
die von Showa Highpolymer Co., Ltd., Tokyo, Japan, unter der Bezeichnung
Bionolle 1903 Polybutylensuccinat-Polymer (ein langkettiges verzweigtes
Polymer) oder Bionolle 1020 Polybutylensuccinat-Polymer (ein im
Wesentlichen geradkettiges Polymer) erhältlich sind.
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Es
ist bevorzugt, dass das Polybutylensuccinat-Polymer, das Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder das
Gemisch dieser Polymere in der thermoplastischen Zusammensetzung
in einer effektiven Menge enthalten ist, so dass eine thermoplastische
Zusammensetzung mit den gewünschten
Eigenschaften erhalten wird. Die Menge an Polybutylensuccinat-Polymer,
an Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder an Gemisch dieser Polymere
in der thermoplastischen Zusammensetzung liegt im Bereich von mehr
als 0 bis weniger als 100 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 5 Gew.-%
bis etwa 95 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 10 Gew.-%
bis 90 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 15 Gew.-%
bis etwa 85 Gew.-%, wobei sich die Angaben in Gew.-% auf das Gesamtgewicht
des Poly(milchsäure)-Polymers,
des Polybutylensuccinat-Polymers oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers
oder des Gemisches dieser Polymere, und des Kompatibilisierungsmittels,
die in der thermoplastischen Zusammensetzung vorliegen, beziehen.
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Es
ist bevorzugt, dass das Poly(milchsäure)-Polymer und das Polybutylensuccinat-Polymer
und/oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer ein geeignetes gewichtsgemitteltes
Molekulargewicht haben, so dass die thermoplastische Zusammensetzung
die gewünschte
Schmelzfestigkeit aufweist und zu einer Faser verarbeitet werden
kann, welche die gewünschte
mechanische Festigkeit hat. Wenn das gewichtsgemittelte Molekulargewicht
der jeweiligen Polymere zu hoch ist, bedeutet dies, dass die Polymerketten
in hohem Ausmaß miteinander
verhakt sind, was dazu führt,
dass die thermoplastische Zusammensetzung schwer zu verarbeiten ist.
Wenn andererseits das gewichtsgemittelte Molekulargewicht der jeweiligen
Polymere zu gering ist, bedeutet dies, dass die Polymerketten nicht
ausreichend miteinander verhakt sind, was dazu führt, dass die thermoplastische
Zusammensetzung eine relativ geringe Schmelzfestigkeit hat, so dass
eine Verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit schwierig ist. Deshalb
liegt das gewichtsgemittelte Molekulargewicht des Poly(milchsäure)-Polymers,
des Polybutylensuccinat-Polymers und/oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers,
die erfindungsgemäß verwendet
werden, jeweils bevorzugt im Bereich von etwa 10000 bis etwa 2000000,
besonders bevorzugt im Bereich von etwa 50000 bis etwa 400000 und
ganz besonders bevorzugt im Bereich von etwa 100000 bis etwa 300000.
Das gewichtsgemittelte Molekulargewicht der Polymere oder der Polymergemische kann
unter Anwendung des Verfahrens bestimmt werden, das im Abschnitt "Testverfahren" beschrieben wird.
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Es
ist ebenfalls bevorzugt, dass das Poly(milchsäure)-Polymer und das Polybutylensuccinat-Polymer und/oder
das Polybutylensuccinatadipat-Polymer einen geeigneten Polydispersitätsindex
haben, so dass die thermoplastische Zusammensetzung die gewünschte Schmelzfestigkeit
aufweist und zu einer Faser verarbeitet werden kann, welche die
gewünschte
mechanische Festigkeit hat. Der Ausdruck "Polydispersitätsindex", der hier verwendet wird, ist ein Wert,
der beim Dividieren des gewichtsgemittelten Molekulargewichts eines
Polymers durch das zahlengemittelte Molekulargewicht des Polymers
erhalten wird. Wenn der Polydispersitätsindex der jeweiligen Polymere
zu hoch ist, kann die thermoplastische Zusammensetzung nur schwer
verarbeitet werden, da die Zusammensetzung dann auch Polymere mit
einem geringen Molekulargewicht umfasst, die beim Spinnen eine unzureichende
Schmelzfestigkeit haben, was dazu führt, dass die Verarbeitungseigenschaften
nicht konstant sind. Deshalb liegt der Polydispersitätsindex
des Poly(milchsäure)-Polymers,
des Polybutylensuccinat-Polymers und/oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers,
die erfindungsgemäß verwendet
werden, jeweils bevor zugt im Bereich von etwa 1 bis etwa 15, besonders
bevorzugt im Bereich von etwa 1 bis etwa 4 und ganz besonders bevorzugt
im Bereich von etwa 1 bis etwa 3. Das zahlengemittelte Molekulargewicht
der Polymere oder der Polymergemische kann unter Anwendung des Verfahrens
bestimmt werden, das im Abschnitt "Testverfahren" beschrieben wird.
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Erfindungsgemäß ist es
bevorzugt, dass das Poly(milchsäure)-Polymer,
das Polybutylensuccinat-Polymer und das Polybutylensuccinatadipat-Polymer
biologisch abbaubar sind. Wenn dies der Fall ist, ist die thermoplastische
Zusammensetzung, welche diese Polymere, entweder in Form einer Faser
oder in Form einer Vliesstruktur, enthält, im Wesentlichen abbaubar,
wenn sie entsorgt und der Luft und/oder Wasser ausgesetzt wird.
Der Ausdruck "biologisch
abbaubares Material",
der hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das in Gegenwart
natürlich
vorkommender Mokroorganismen, z. B. in Gegenwart von Bakterien,
Pilzen oder Algen, zersetzt wird.
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Erfindungsgemäß ist es
ebenfalls bevorzugt, dass das Poly(milchsäure)-Polymer, das Polybutylensuccinat-Polymer
und das Polybutylensuccinatadipat-Polymer kompostierbar sind. Wenn
dies der Fall ist, ist die thermoplastische Zusammensetzung, welche
diese Polymere, entweder in Form einer Faser oder in Form einer
Vliesstruktur, enthält,
im Wesentlichen kompostierbar, wenn sie entsorgt und der Luft und/oder
Wasser ausgesetzt wird. Der Ausdruck "kompostierbares Material", der hier verwendet
wird, bedeutet ein Material, das in einer Kompostiervorrichtung
biologisch zersetzt wird, wobei es, mit der gleichen Geschwindigkeit
wie bekannte kompostierbare Materialien, in Kohlendioxid, Wasser,
anorganische Verbindungen und Biomasse zerfällt.
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Der
Ausdruck "hydrophobes
Material", der hier
verwendet wird, bedeutet ein Material mit einem Kontaktwinkel für Wasser
an Luft von mindestens 90°.
Andererseits bedeutet der Ausdruck "hydrophiles Material", der hier verwendet wird, ein Material
mit einem Kontaktwinkel für
Wasser an Luft von weniger als 90°.
Die Verfahren zur Bestimmung der Kontaktwinkel werden im Abschnitt "Testverfahren" beschrieben. Bezüglich allgemeiner
Informationen zu Kontaktwinkeln und den Verfahren zur Bestimmung
von Kontaktwinkeln wird z. B. auf die Veröffentlichung von Robert J.
Good und Robert J. Stromberg, Ed., in "Surface and Colloid Science – Experimental
Methods", Band II,
(Plenum Press, 1979), verwiesen.
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Es
ist bevorzugt, dass das Poly(milchsäure)-Polymer, das Polybutylensuccinat-Polymer,
das Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder das Gemisch dieser Polymere
in der Schmelze verarbeitbar sind. Die Polymere, die erfindungsgemäß verwendet
werden, haben deshalb bevorzugt einen Schmelzindex im Bereich von etwa
1 g pro 10 Minuten bis etwa 600 g pro 10 Minuten, besonders bevorzugt
einen Schmelzindex im Bereich von etwa 5 g pro 10 Minuten bis etwa
200 g pro 10 Minuten und ganz besonders bevorzugt einen Schmelzindex im
Bereich von etwa 10 g pro 10 Minuten bis etwa 150 g pro 10 Minuten.
Der Schmelzindex eines Materials kann mit dem ASTM-Testvertahren
D 1238-E bestimmt
werden.
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Der
Ausdruck "Faser" oder "faserartiges Material", der hier verwendet
wird, bedeutet ein Material, bei dem das Verhältnis Länge/Durchmesser größer als
etwa 10 ist. Andererseits bedeutet der Ausdruck "Nichtfaser" oder "nicht faserartiges Material" ein Material, bei
dem das Verhältnis
Länge/Durchmesser
etwa 10 oder kleiner ist.
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Das
Poly(milchsäure)-Polymer
und das Polybutylensuccinat-Polymer und/oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer
sind, einzeln oder im Gemisch miteinander, gewöhnlich hydrophobe Materialien.
Da es bevorzugt ist, dass die thermoplastische Zusammensetzung entsprechend
der vorliegenden Erfindung und die Fasern, die aus der erfindungsgemäßen thermoplastischen
Zusammensetzung hergestellt wurden, hydrophile Materialien sind,
muss ein weiterer Bestandteil in der erfindungsgemäßen thermoplastischen
Zusammensetzung verwendet werden, welcher der Zusammensetzung hydrophile
Eigenschaften verleiht. Es ist ebenfalls erforderlich, dass die
Verarbeitbarkeit des Poly(milchsäure)-Polymers
und des Polybutylensuccinat-Polymers und/oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers
verbessert wird, da diese Polymere nicht identisch und deshalb in
einem gewissen Maß miteinander
unverträglich
(bzw. inkompatibel) sind, was sich nachteilig auf die Verarbeitbarkeit
des Gemisches dieser Polymere auswirkt. Es ist z. B. manchmal schwierig,
das Poly(milchsäure)-Polymer
und das Polybutylensuccinat-Polymer
und/oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer miteinander zu vermischen
und ein homogenes Gemisch herzustellen. Deshalb wird erfindungsgemäß ein Kompatibilisierungsmittel
verwendet, welches die effektive Herstellung und Verarbeitung der
thermoplastischen Zusammensetzung mit dem Poly(milchsäure)-Polymer
und dem Polybutylensuccinat-Polymer und/oder dem Polybutylensuccinatadipat-Polymer
ermöglicht.
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Der
dritte Bestandteil der erfindungsgemäßen thermoplastischen Zusammensetzung
ist ein Kompatibilisierungsmittel für das Poly(milchsäure)-Polymer
und das Polybutylensuccinat-Polymer und/oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer.
Die Kompatibilisierungsmittel, die erfindungsgemäß verwendet werden können, umfassen
gewöhnlich
einen hydrophilen Bereich, der mit dem Poly(milchsäure)-Polymer
und den hydrophilen Bereichen des Polybutylensuccinat-Polymers oder
des Polybutylensuccinatadipat-Polymers verträglich ist, und einen hydrophoben
Bereich, der mit den hydrophoben Bereichen des Polybutylensuccinat-Polymers oder
des Polybutylensuccinatadipat-Polymers verträglich ist. Diese hydrophilen
und hydrophoben Bereiche des Kompatibilisierungsmittels liegen gewöhnlich in
Form von separaten Blöcken
vor, d. h. das Kompatibilisierungsmittel kann eine Zweiblockstruktur
oder eine Struktur mit statistisch verteilten Blöcken sein. Es ist bevorzugt,
dass das Kompatibilisierungsmittel als Weichmacher und als Mittel,
welches die Kohäsion
zwischen den verschiedenen Polymeren verbessert, wirkt, so dass
die thermoplastische Zusammensetzung besser hergestellt und verarbeitet
werden kann. Es ist bevorzugt, dass das Kompatibilisierungsmittel
als oberflächenaktives Mittel
in einem Material, das aus der thermoplastischen Zusammensetzung
hergestellt wurde, wie z. B. in einer Faser oder in einem Vlies,
wirkt, wodurch der Kontaktwinkel für Wasser an Luft des verarbeiteten
Materials verändert
wird. Der hydrophobe Bereich des Kompatibilisierungsmittels kann
z. B. ein Polyolefin, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen, sein.
Der hydrophile Bereich des Kompatibilisierungsmittels kann Ethylenoxid,
ein Ethoxylat, ein Glycol, einen Alkohol oder eine Kombination davon
enthalten. Beispiele für
erfindungsgemäß verwendbare
Kompatibilisierungsmittel umfassen die ethoxylierten Alkohole UNITHOX®480
und UNITHOX®750
sowie die Säureamidethoxylate
UNICID®,
die von Petrolite Corporation, Tulsa, Oklahoma, erhältlich sind.
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Es
ist bevorzugt, dass das Kompatibilisierungsmittel ein geeignetes
gewichtsgemitteltes Molekulargewicht hat, so dass die thermoplastische
Zusammensetzung die gewünschte
Schmelzfestigkeit aufweist und zu einer Faser verarbeitet werden
kann, welche die gewünschte
mechanische Festigkeit hat. Wenn das gewichtsgemittelte Molekulargewicht
des Kompatibilisierungsmittels zu hoch ist, kann das Kompatibilisierungsmittel nicht
ausreichend mit den anderen Bestandteilen der thermoplastischen
Zusammensetzung vermischt werden, da die Viskosität des Kompatibilisierungsmittels
dann so hoch ist, dass es nicht die zum Vermischen erforderliche
Beweglichkeit bzw. Mobilität
besitzt. Wenn andererseits das gewichtsgemittelte Molekulargewicht des
Kompatibilisierungsmittels zu gering ist, kann das Kompatibilisierungsmittel
nicht ausreichend mit den anderen Bestandteilen der thermoplastischen
Zusammensetzung vermischt werden, da die Viskosität des Kompatibilisierungsmittels
dann so gering ist, dass die Zusammensetzung nicht verarbeitet werden
kann. Deshalb liegt das gewichtsgemittelte Molekulargewicht des
Kompatibilisierungsmittels, das erfindungsgemäß verwendet wird, bevorzugt
im Bereich von etwa 1000 bis etwa 100000, besonders bevorzugt im
Bereich von etwa 1000 bis etwa 50000 und ganz besonders bevorzugt
im Bereich von etwa 1000 bis etwa 10000. Das gewichtsgemittelte
Molekulargewicht eines Materials kann unter Anwendung des Verfahrens
bestimmt werden, das im Abschnitt "Testverfahren" beschrieben wird.
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Es
ist bevorzugt, dass das Hydrophil-Lipophil-Gleichgewichtsverhältnis bzw.
der Hydrophil-Lipophil-Wert (HLB-Verhältnis) des Kompatibilisierungsmittels
in einem geeigneten Bereich liegt. Das HLB-Verhältnis eines Materials beschreibt
die relativen hydrophilen Eigenschaften des Materials. Das HLB-Verhältnis wird berechnet,
indem man das gewichtsgemittelte Molekulargewicht des hydrophilen
Bereichs durch das gesamte gewichtsgemittelte Molekulargewicht des
Materials dividiert und das Ergebnis dann mit 20 multipliziert.
Wenn der HLB-Wert zu gering ist, führt die Zugabe des Kompatibilisierungsmittels
gewöhnlich
nicht zu einer Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften. Wenn
der HLB-Wert andererseits zu hoch ist, kann das Kompatibilisierungsmittel
nicht ausreichend mit den anderen Bestandteilen der thermoplastischen
Zusammensetzung vermischt werden, da es mit den anderen Bestandteilen
chemisch inkompatibel ist und eine andere Viskosität aufweist.
Deshalb liegt der Hydrophil-Lipophil-Wert des Kompatibilisierungsmittels,
das erfindungsgemäß verwendet
wird, bevorzugt im Bereich von etwa 10 bis 40, besonders bevorzugt
im Bereich von 10 bis 20 und ganz besonders bevorzugt im Bereich
von 12 bis 16.
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Es
ist bevorzugt, dass das Kompatibilisierungsmittel in der thermoplastischen
Zusammensetzung in einer geeigneten Menge vorliegt, so dass die
thermoplastische Zusammensetzung die gewünschten Eigenschaften, wie
z. B. den gewünschten
Wärmeschrumpfungsgrad
und die gewünschten
Kontaktwinkel, aufweist. Gewöhnlich
reicht eine minimale Menge an Kompatibilisierungsmittel aus, um
ein effektives Vermischen und Verarbeiten mit den anderen Bestandteilen
in der thermoplastischen Zusammensetzung zu ermöglichen. Wenn zu viel Kompatibilisierungsmittel
zugegeben wird, können
Probleme bei der Verarbeitung der thermoplastischen Zusammensetzung
auftreten, oder die verarbeitete thermoplastische Zusammensetzung
weist nicht die gewünschten
Eigenschaften auf, wie z. B. den gewünschten Kontaktwinkel bzw.
Fortschreitranswinkel oder den gewünschten Rückzugsrandwinkel. Das Kompatibilisierungsmittel
ist in der thermoplastischen Zusammensetzung in einer Menge von
mehr als 0 bis 15 Gew.-%, bevorzugt in einer Menge im Bereich von 0,5
Gew.-% bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt in einer Menge im Bereich
von 1 Gew.-% bis 13 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt in einer Menge
im Bereich von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% und insbesondere bevorzugt
in einer Menge im Bereich von 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% enthalten, wobei
sich die Angaben in Gew.-% auf das Gesamtgewicht des Poly(milchsäure)-Polymers,
des Polybutylensuccinat-Polymers oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers
oder des Gemisches dieser Polymere, und des Kompatibilisierungsmittels,
die in der thermoplastischen Zusammensetzung vorliegen, beziehen.
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Die
thermoplastische Zusammensetzung umfasst die zuvor beschriebenen
wesentlichen Bestandteile, aber die thermoplastische Zusammensetzung
ist nicht auf Zusammensetzungen beschränkt, die nur diese Bestandteile
enthalten, und kann weitere Bestandteile enthalten, die sich nicht
nachteilig auf die Eigenschaften der thermoplastischen Zusammensetzung
auswirken. Beispiele für
Materialien, die als zusätzliche
bzw. optionale Bestandteile verwendet werden können, umfassen Pigmente, Antioxidationsmittel,
Stabilisatoren, oberflächenaktive
Mittel, Wachse, Materialien, die das Fließverhalten verbessern, feste
Lösungsmittel,
Weichmacher, Keimbildner, teilchenförmige Materialien und andere
Materialien, welche die Verarbeitbarkeit der thermoplastischen Zusammensetzung
verbessern. Wenn die thermoplastische Zusammensetzung solche zusätzlichen
Bestandteile enthält,
ist es bevorzugt, dass die zugegebene Menge an optionalen Bestandteilen
weniger als etwa 10 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als etwa
5 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt weniger als etwa 1 Gew.-%
beträgt,
wobei sich die Angaben in Gew.-% auf das Gesamtgewicht des Poly(milchsäure)-Polymers,
des Polybutylensuccinat-Polymers oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers
oder des Gemisches dieser Polymere, und des Kompatibilisierungsmittels,
die in der thermoplastischen Zusammensetzung vorliegen, beziehen.
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Die
thermoplastische Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden Erfindung
umfasst ein Gemisch aus dem Poly(milchsäure)-Polymer, dem Polybutylensuccinat-Poly mer
oder dem Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder dem Gemisch dieser
Polymere, und dem Kompatibilisierungsmittel, sowie wahlweise zusätzliche
Bestandteile. Es ist erforderlich, dass das Poly(milchsäure)-Polymer,
das Polybutylensuccinat-Polymer oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder das Gemisch dieser Polymere, und das Kompatibilisierungsmittel
im Wesentlichen in nicht umgesetztem Zustand, d. h. im Wesentlichen
unreagiert nebeneinander vorliegen, so dass die erfindungsgemäße thermoplastische
Zusammensetzung die gewünschten
Eigenschaften aufweist. Folglich sind das Poly(milchsäure)-Polymer,
das Polybutylensuccinat-Polymer oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder das Gemisch dieser Polymere, und das Kompatibilisierungsmittel
individuelle Bestandteile der thermoplastischen Zusammensetzung.
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Das
Poly(milchsäure)-Polymer
und das Polybutylensuccinat-Polymer, das Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder das Gemisch dieser Polymere bilden gewöhnlich separate Bereiche oder
Domänen
innerhalb der thermoplastischen Zusammensetzung. Wenn die relative
Menge eines der Materialien, ausgewählt aus dem Poly(milchsäure)-Polymer,
dem Polybutylensuccinat-Polymer oder dem Polybutylensuccinatadipat-Polymer
und dem Gemisch dieser Polymere, in der thermoplastischen Zusammensetzung
groß ist,
kann das Material, das in der Zusammensetzung in einer relativ großen Menge
vorliegt, eine im Wesentlichen kontinuierliche Phase bilden. Andererseits
bildet ein Polymer, das in der thermoplastischen Zusammensetzung
in einer relativ kleinen Menge enthalten ist, eine im Wesentlichen
diskontinuierliche Phase, wodurch separate Bereiche oder Domänen innerhalb
der kontinuierlichen Phase des Polymers, das in einer großen Menge
enthalten ist, entstehen, wobei die kontinuierliche Phase des Polymers,
das in einer großen
Menge enthalten ist, das Polymer, das in einer kleinen Menge enthalten
ist, einschließt.
Der Ausdruck "einschließt", der hier verwendet wird,
bedeutet, dass die kontinuierliche Phase des Polymers, das in einer
großen
Menge enthalten ist, die separaten Bereiche oder Domänen aus
dem Polymer, das in einer kleinen Menge enthalten ist, einkapselt
bzw. umschließt.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der thermoplastischen Zusammensetzung oder der Mehrkomponentenfaser
entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das
Poly(milchsäure)-Polymer eine
im Wesentlichen kontinuierliche Phase und das Polybutylensuccinat-Polymer,
das Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder das Gemisch dieser Polymere
eine im Wesentlichen diskontinuierliche Phase bildet, wobei das Poly(milchsäure)-Polymer
die Bereiche oder Domänen
aus dem Polybutylensuccinat-Polymer,
dem Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder dem Gemisch dieser Polymere
im Wesentlichen einschließt.
Entsprechend dieser Ausführungsform
ist es bevorzugt, dass das Poly(milchsäure)-Polymer in der thermoplastischen Zusammensetzung
oder in der Mehrkomponentenfaser in einer Menge im Bereich von 75
Gew.-% bis 90 Gew.-% vorliegt und dass das Polybutylensuccinat-Polymer,
das Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder das Gemisch dieser Polymere in der thermoplastischen Zusammensetzung
oder in der Mehrkomponentenfaser in einer Menge im Bereich von 5
Gew.-% bis 20 Gew.-% vorliegt, wobei sich die Angaben in Gew.-%
auf das Gesamtgewicht des Poly(milchsäure)-Polymers, des Polybutylensuccinat-Polymers
oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers oder des Gemisches dieser
Polymere, und des Kompatibilisierungsmittels, die in der thermoplastischen
Zusammensetzung oder in der Mehrkomponentenfaser vorliegen, beziehen.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden das Poly(milchsäure)-Polymer,
das Polybutylensuccinat-Polymer oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer
oder das Gemisch dieser Polymere, und das Kompatibilisierungsmittel
trocken miteinander vermischt, um ein trockenes Gemisch der thermoplastischen
Zusammensetzung zu erhalten, und das trockene Gemisch der thermoplastischen
Zusammensetzung wird bevorzugt geschüttelt, gerührt oder auf eine andere Art
und Weise gemischt, um das Poly(milchsäure)-Polymer, das Polybutylensuccinat-Polymer
oder das Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder das Gemisch dieser
Polymere, und das Kompatibilisierungsmittel effektiv miteinander
zu vermischen, um ein im Wesentlichen homogenes Trockengemisch zu
erhalten. Das Trockengemisch kann dann z. B. in einem Extruder in
der Schmelze gemischt werden, um das Poly(milchsäure)-Polymer, das Polybutylensuccinat-Polymer oder
das Polybutylensuccinatadipat-Polymer oder das Gemisch dieser Polymere,
und das Kompatibilisierungsmittel effektiv und gleichmäßig miteinander
zu vermischen, wobei ein im Wesentlichen homogenes geschmolzenes
Gemisch erhalten wird. Das im Wesentlichen homogene geschmolzene
Gemisch kann dann abgekühlt
und pelletiert werden. Alternativ kann das im Wesentlichen homogene
geschmolzene Gemisch direkt einer Spinnvorrichtung oder einer anderen
Vorrichtung zur Herstellung einer Faser oder einer Vliesstruktur
zugeführt
werden. Beispiele für
alternative Verfahren zum Mischen der erfindungsgemäß verwendeten
Bestandteile umfassen das Verwischen des Poly(milchsäure)-Polymers
und des Polybutylensuccinat- Polymers
oder des Polybutylensuccinatadipat-Polymers oder des Gemisches dieser
Polymere, und das nachfolgende Vermischen des erhaltenen Gemisches
mit dem Kompatibilisierungsmittel in z. B. einem Extruder, in welchem
die Bestandteile dann miteinander vermischt werden. Es ist ebenfalls
möglich,
alle Bestandteile gleichzeitig in der Schmelze miteinander zu vermischen.
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Andere
Verfahren zum Vermischen der erfindungsgemäß verwendeten Bestandteile,
die dem Fachmann bekannt sind, können
ebenfalls angewandt werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Mehrkomponentenfaser,
die aus der erfindungsgemäßen thermoplastischen
Zusammensetzung hergestellt wurde. Der Einfachheit halber wird die
erfindungsgemäße Faser
im Folgenden anhand einer Mehrkomponentenfaser beschrieben, die
nur die wesentlichen drei Bestandteile umfasst. Die Mehrkomponentenfaser
entsprechend der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf eine
Faser beschränkt,
die nur diese drei Bestandteile umfasst.
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Wenn
die thermoplastische Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden
Erfindung zu einer Mehrkomponentenfaser verarbeitet wird, bildet
das Polymer, das in der Zusammensetzung in einer relativ großen Menge
vorliegt, mindestens einen Bereich der Oberfläche der Mehrkomponentenfaser.
Solch ein Bereich an der Oberfläche
der Mehrkomponentenfaser ermöglicht
das thermische Bonden der Mehrkomponentenfaser an andere Fasern,
die ebenfalls erfindungsgemäße Mehrkomponentenfasern
sind oder andere Fasern sein können.
Folglich kann die erfindungsgemäße Mehrkomponentenfaser
verwendet werden, um mehrere Fasern in der Wärme miteinander zu verkleben,
um ein faserartiges Material ohne Gewebestruktur, wie z. B. ein
Vliesmaterial, herzustellen.
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Das
thermische Verarbeiten der verschiedenen Bestandteile wird bevorzugt
bei einer Schergeschwindigkeit im Bereich von etwa 100 s–1 bis
etwa 50000 s–1,
besonders bevorzugt bei einer Schergeschwindigkeit im Bereich von
etwa 500 s–1 bis
etwa 5000 s–1,
ganz besonders bevorzugt bei einer Schergeschwindigkeit im Bereich
von etwa 1000 s–1 bis etwa 3000 s–1 und
insbesondere bevorzugt bei einer Schergeschwindigkeit von etwa 1000
s–1 durchgeführt. Das
thermische Verarbeiten der verschiedenen Bestandteile wird bevorzugt
bei einer Temperatur im Bereich von etwa 100°C bis etwa 500°C, besonders
bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von etwa 150°C bis etwa
300°C und
ganz besonders bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von etwa
175°C bis
etwa 250°C
durchgeführt.
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Verfahren
zur Herstellung von Mehrkomponentenfasern sind bekannt und müssen deshalb
hier nicht genau beschrieben werden. Beispiele für das Schmelzspinnen von Polymeren
umfassen das Herstellen von kontinuierlichen Fäden, wie z. B. die Spinnvliesherstellung
oder das Meltblow-Verfahren, und das Herstellen von nicht kontinuierlichen
Fäden,
wie z. B. die Herstellung von Stapelfasern und kurzen Fasern. Bei
der Spinnvliesherstellung oder bei dem Meltblow-Verfahren wird die
thermoplastische Zusammensetzung extrudiert und einem Verteiler
zugeführt,
wo die thermoplastische Zusammensetzung in eine Spinndüsenplatte
eingebracht wird. Die gesponnenen Fasern werden dann abgekühlt, verfestigt
und unter Anwendung eines Verfahrens zur aerodynamischen Vliesbildung
verarbeitet, um ein herkömmliches
Vliesmaterial zu erhalten. Bei der Herstellung von Stapelfasern
und kurzen Fasern, die nicht direkt zu einer Vliesstruktur verarbeitet
werden, werden die gesponnenen Fasern abgekühlt, verfestigt und gezogen,
wobei gewöhnlich
eine mechanische Walzenvorrichtung verwendet wird, um Fäden mit
einem bestimmten Durchmesser zu erhalten, die dann gesammelt werden. Danach
kann die Faser bei einer Temperatur unterhalb ihrer Erweichungstemperatur "kaltgezogen" werden, wobei eine
Faser mit dem gewünschten
Durchmesser erhalten wird, und die Faser wird dann gekräuselt oder texturiert
und auf die gewünschte
Faserlänge
zugeschnitten.
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Die
Mehrkomponentenfasern können
zerschnitten werden, um relativ kurze Fasern zu erhalten, wie z. B.
Stapelfasern, die gewöhnlich
eine Länge
im Bereich von etwa 25 bis etwa 50 mm haben, oder kurze Fasern, die
noch kürzer
sind und gewöhnlich
eine Länge
von weniger als etwa 18 mm haben.
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Die
erhaltenen Mehrkomponentenfasern entsprechend der vorliegenden Erfindung
zeichnen sich bevorzugt durch verbesserte hydrophile Eigenschaften
aus, d. h. der Kontaktwinkel für
Wasser an Luft ist verringert. Der Kontaktwinkel für Wasser
an Luft einer Faserprobe kann entweder als Kontaktwinkel bzw. Fortschreitrandwinkel
oder als Rückzugsrandwinkel
gemessen werden, abhängig
vom Testverfahren. Der Kontaktwinkel bzw. Fortschreitrandwinkel
(d. h. der Kontaktwinkel beim Ausbreiten einer Flüssigkeit)
gibt einen Hinweis auf das anfängliche
Verhalten eines Materials gegenüber
einer Flüssigkeit,
wie z. B. Wasser. Der Rückzugsrandwinkel
(d. h. der Kontaktwinkel beim Zurückweichen einer Flüssigkeit)
gibt einen Hinweis darauf, wie sich ein Material verhält, das
mit einer Flüssigkeit
in Kontakt gebracht wurde. Ein geringerer Rückzugsrandwinkel bedeutet,
dass das Material beim Kontakt mit einer Flüssigkeit hydrophiler wurde
und in der Lage ist, Flüssigkeiten
zu transportieren. Sowohl die gemessenen Kontaktwinkel bzw. Fortschreitrandwinkel
als auch die gemessenen Rückzugsrandwinkel
bestätigen
die verbesserten hydrophilen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Mehrkomponentenfasern.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Kontakt- bzw.
Fortschreitrandwinkel der Mehrkomponentenfaser weniger als etwa
80°, bevorzugt
weniger als etwa 75°, besonders
bevorzugt weniger als etwa 70°,
ganz besonders bevorzugt weniger als etwa 60° und insbesondere bevorzugt
weniger als etwa 50° beträgt, wobei
der Kontakt- bzw. Fortschreitrandwinkel entsprechend dem Verfahren
bestimmt wird, das im Abschnitt "Testverfahren" beschrieben wird.
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Entsprechend
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Rückzugsrandwinkel
der Mehrkomponentenfaser weniger als etwa 60°, bevorzugt weniger als etwa
55°, besonders
bevorzugt weniger als etwa 50°,
ganz besonders bevorzugt weniger als etwa 45° und insbesondere bevorzugt
weniger als etwa 40° beträgt, wobei
der Rückzugsrandwinkel
entsprechend dem Verfahren bestimmt wird, das im Abschnitt "Testverfahren" beschrieben wird.
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Entsprechend
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Differenz
zwischen dem Kontaktwinkel bzw. Fortschreitrandwinkel und dem Rückzugsrandwinkel,
gewöhnlich als "Kontaktwinkel-Hysterese" bezeichnet, so klein
wie möglich
ist. Die Differenz zwischen dem Kontakt- bzw. Fortschreitrandwinkel
und dem Rückzugsrandwinkel
der Mehrkomponentenfaser beträgt
bevorzugt weniger als etwa 30°,
besonders bevorzugt weniger als etwa 25°, ganz besonders bevorzugt weniger
als etwa 20° und insbesondere
bevorzugt weniger als etwa 10°.
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Typische
Poly(milchsäure)-Polymermaterialien
schrumpfen oft bei der nachfolgenden thermischen Verarbeitung. Der
Grund für
dieses Schrumpfen in der Wärme
ist eine thermisch induzierte Kettenentspannung der Polymersegmente
in der amorphen Phase und in der unvollständig kristallisierten Phase.
Um dieses Problem zu umgehen ist es bevorzugt, den Kristallisationsgrad
des Poly(milchsäure)-Polymermaterials
vor dem Bonden zu erhöhen,
so dass die thermische Energie zum Schmelzen des Materials und nicht
zum Entspannen der Ketten und zum Umordnen der unvollständigen Kristallstruktur
verwendet wird. Zu diesem Zweck wird das Material gewöhnlich thermisch
behandelt. Wenn die hergestellten Materialien, wie z. B. Fasern,
beim Erreichen einer Bondwalze der Wärme ausgesetzt werden, tritt
kein deutliches Schrumpfen der Fasern auf, da die Fasern bereits
in einem vollständig
bzw. hochgradig orientierten Zustand vorliegen. Entsprechend der
vorliegenden Erfindung ist solch ein zusätzlicher Verfahrensschritt
nicht erforderlich, da die erfindungsgemäße Mehrkomponentenfaser eine
spezifische Zusammensetzung besitzt. Die Zugabe des Polybutylensuccinat-Polymers,
des Polybutylensuccinatadipat-Polymers oder des Gemisches dieser
Polymere, und des Kompatibilisierungsmittels führt dazu, dass die Mehrkomponentenfaser
in der Wärme
weniger schrumpft, verglichen mit einer Faser, die nur aus einem
Poly(milchsäure)-Polymer hergestellt
wurde.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schrumpft die Mehrkomponentenfaser bei
einer Temperatur von etwa 90°C
um weniger als etwa 15%, bevorzugt um weniger als etwa 10% und besonders
bevorzugt um weniger als etwa 5%, wobei der Schrumpfungsgrad berechnet
wird, indem die Differenz zwischen der ursprünglichen und der letztendlichen
Faserlänge
berechnet wird, diese Differenz durch die ursprüngliche Faserlänge dividiert
wird und das Ergebnis mit 100 multipliziert wird. Das Verfahren
zur Bestimmung des Schrumpfungsgrades einer Faser wird im Abschnitt "Testverfahren" beschrieben.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt
der Schrumpfungsgrad der Mehrkomponentenfaser bevorzugt weniger
als etwa 5% bei einer Temperatur von etwa 90°C; in diesem Fall tritt eine
Wellenbildung auf, welche die Oberfläche der Vliesstruktur vergrößert, da
das Schrumpfen der Mehrkomponentenfaser zu einer 3-dimensionalen
Struktur des Vliesmaterials führt.
Diese Wellenbildung der Vliesstruktur verbessert die Weichheit und
den Transport einer Flüssigkeit
in z-Richtung der Vliesstruktur.
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Es
ist bevorzugt, dass die Mehrkomponentenfaser eine erforderliche
mechanische Festigkeit aufweist, wie z. B. eine verbesserte Bruchfestigkeit
und einen verbesserten Modul, so dass die Mehrkomponentenfaser während ihrer
Verwendung nicht beschädigt
bzw. zerstört
wird. Entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Mehrkomponentenfaser,
die unter Verwendung der erfindungsgemäßen thermoplastischen Zusammensetzung
hergestellt wurde, sowohl eine verbesserte Bruchfestigkeit als auch
einen verbesserten Modul aufweist, verglichen mit einer Faser, die
nur aus einem Poly(milchsäure)-Polymer
hergestellt wurde. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Mehrkomponentenfaser,
die unter Verwendung der erfindungsgemäßen thermoplastischen Zusammensetzung
hergestellt wurde, eine Bruchfestigkeit aufweist, die mindestens
dem zweifachen der Bruchfestigkeit einer Mehrkomponentenfaser entspricht,
die nur aus einem Poly(milchsäure)-Polymer
hergestellt wurde.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt
die Bruchfestigkeit der Mehrkomponentenfaser mehr als etwa 10 MPa,
bevorzugt mehr als etwa 15 MPa, besonders bevorzugt mehr als etwa
20 MPa und ganz besonders bevorzugt bis zu etwa 100 MPa.
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Entsprechend
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt
der Modul der Mehrkomponentenfaser weniger als etwa 150 MPa, bevorzugt
weniger als etwa 125 MPa und besonders bevorzugt weniger als etwa
100 MPa.
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Die
Mehrkomponentenfasern entsprechend der vorliegenden Erfindung können in
Produkten für
den Einmalgebrauch, umfassend absorbierende Produkte für den Einmalgebrauch,
wie z. B. Windeln, Inkontinenzprodukte für Erwachsene und Bettauflagen;
in Hygieneartikeln für
Damen, wie z. B. Damenbinden oder Tampons; und in anderen absorbierenden
Produkten, wie z. B. Wischtüchern,
Lätzchen,
Wundabdeckungen und chirurgischen Abdeckungen und Tüchern, verwendet
werden. Folglich betrifft ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung
ein absorbierendes Produkt für
den Einmalgebrauch, welches die erfindungsgemäße Mehrkomponentenfaser enthält.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Mehrkomponentenfasern zu einer
faserartigen Matrix verarbeitet und in ein absorbierendes Pro dukt
für den
Einmalgebrauch eingebracht. Die faserartige Matrix kann in einer
beliebigen Form vorliegen, wie z. B. in Form eines faserartigen Vlieses.
Die faserartigen Vliesmaterialien können nur aus den erfindungsgemäßen Mehrkomponentenfasern bestehen,
oder sie können
aus den erfindungsgemäßen Mehrkomponentenfasern
und anderen Fasern bestehen. Die Länge der Fasern hängt von
der Verwendung des absorbierenden Produktes ab. Wenn sich die Fasern
z. B. in Wasser, wie z. B. in einer Toilette, zersetzen sollen,
ist es bevorzugt, dass die Länge
der Fasern etwa 15 mm oder weniger beträgt.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das absorbierende Produkt für den Einmalgebrauch
eine für
Flüssigkeit
durchlässige
obere Schicht, eine Rückseitenschicht,
die mit der oberen Schicht verbunden ist, und eine absorbierende
Struktur, die zwischen der für
Flüssigkeit
durchlässigen
oberen Schicht und der Rückseitenschicht
angeordnet ist, wobei die für
Flüssigkeit durchlässige obere
Schicht die erfindungsgemäßen Mehrkomponentenfasern
umfasst.
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Die
absorbierenden Produkte und Strukturen entsprechend der vorliegenden
Erfindung kommen während
deren Verwendung gewöhnlich
mehrfach mit einer Körperflüssigkeit
in Kontakt. Es ist bevorzugt, dass die erfindungsgemäßen Produkte
und Strukturen während
deren Verwendung mehrfach größere Mengen
an Körperflüssigkeit
aufnehmen können.
Die Flüssigkeitsaufnahme
kann zu unterschiedlichen Zeiten stattfinden.
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Testverfahren
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Schmelztemperatur
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Die
Schmelztemperatur eines Materials wurde mit dem DSC-Verfahren (Kalorimetrie
mit Differentialabtastung) bestimmt. Zur Bestimmung der Schmelztemperaturen
wurde die DSC-Vorrichtung Thermal Analyst 2910 Differential Scanning
Calorimeter, ausgestattet mit einer Kühlvorrichtung mit flüssigem Stickstoff,
in Kombination mit dem Programm Thermal Analyst 2200 analysis software
(Version 8.10), beide erhältlich
von T. A. Instruments Inc., New Castle, Delaware, verwendet.
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Die
Materialproben, die getestet wurden, lagen entweder in Form von
Fasern oder in Form von Pellets vor. Die Proben sollten nicht direkt
angefasst, sondern mit einer Pin zette oder einem anderen Werkzeug
gehandhabt werden, um eine Verunreinigung der Proben zu vermeiden,
was zu falschen Ergebnissen führen würde. Wenn
die Materialproben Fasern waren, wurden die Fasern zerschnitten
und in einen Aluminiumtiegel gelegt, und wenn die Materialproben
Pellets waren, wurden die Pellets in einen Aluminiumtiegel gelegt,
und dann wurden die Proben mit einer Genauigkeit von 0,01 mg abgewogen,
wobei eine Analysenwaage verwendet wurde. Falls erforderlich, wurde
die Materialprobe in dem Tiegel mit einem Deckel abgedeckt.
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Die
DSC-Vorrichtung wurde unter Verwendung eines Indiummetall-Standards
kalibriert, und es wurde eine Korrektur der Basislinie durchgeführt, wie
im Handbuch der DSC-Vorrichtung
angegeben. Eine Materialprobe wurde in die Testkammer der DSC-Vorrichtung
eingebracht, und ein leerer Tiegel wurde als Referenz verwendet.
Bei allen Tests wurde der Testkammer Stickstoff (technische Qualität) mit einer
Geschwindigkeit von 55 cm3/Minute zugeführt. Das
Erwärmungs-
und Abkühlungsprogramm
umfasste 2 Zyklen, beginnend mit dem Abkühlen der Kammer auf –75°C, bis ein
Gleichgewichtszustand erreicht war, dann das Erwärmen auf 220°C mit einer
Geschwindigkeit von 20°C/Minute,
dann das erneute Abkühlen
auf –75°C mit einer
Geschwindigkeit von 20°C/Minute,
und dann das erneute Erwärmen
auf 220°C
mit einer Geschwindigkeit von 20°C/Minute.
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Die
Ergebnisse wurden unter Verwendung des Analysesoftwareprogramms
verarbeitet, wobei die Glasübergangstemperatur
(Tg) anhand der Wendepunkte und der endothermen und exothermen Peaks
der Kurve identifiziert und quantifiziert wurde. Die Glasübergangstemperatur
entsprach der Fläche
auf der Linie, wo sich die Steigung deutlich ändert, und dann wurde die Schmelztemperatur
automatisch berechnet.
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Scheinbare
Viskosität
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Zur
Bestimmung der scheinbaren Viskosität bzw. der rheologischen Eigenschaften
der Materialproben wurde das Kapillarrheometer Gattffert Rheograph
2003 capillary rheometer, in Kombination mit der WinRHEO (Version
2.31)-Analysensoftware, beide erhältlich von Gottfert Company,
Rock Hill, South Carolina, verwendet. Die Kapillarrheometervorrichtung
umfasste einen 2000 bar (200 MPa) Druckwandler und eine Rundlochkapillardüse (30 mm
Länge/130
mm aktive Länge/1
mm Durchmesser/0 mm Höhe/180° Krümmung).
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Wenn
bekannt war oder sich bei einem Test ergab, dass die Materialprobe
Wasser bzw. Feuchtigkeit aufnehmen konnte, wurde die Materialprobe
mindestens 16 Stunden lang in einem Vakuumofen oberhalb der Glasübergangstemperatur,
d. h. oberhalb von 55 oder 60°C
für Poly(milchsäure)materialien,
bei einem Vakuum von mindestens 15 Inch Quecksilber (51 kPa) getrocknet,
während
dem Ofen Stickstoffgas mit einer Geschwindigkeit von mindestens
30 standard cubic feet (0,85 m3) pro Stunde
zugeführt
wurde.
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Nachdem
das Instrument aufgewärmt
worden war und der Druckwandler kalibriert worden war, wurde die
Materialprobe portionsweise in die Säule eingebracht, wobei das
Harz jedesmal unter Verwendung eines Stabes in die Säule eingebracht
wurde, um ein gleichmäßiges Schmelzen
während
des Tests sicherzustellen. Nachdem die Materialprobe eingebracht
worden war, wurde sie vor dem Test 2 Minuten lang aufgewärmt, so dass
sichergestellt war, dass die Probe bei dem Test vollständig geschmolzen
war. Das Kapillarrheometer nimmt die Messdaten automatisch auf und
bestimmt die scheinbare Viskosität
(in Pa·s)
bei 7 scheinbaren Schergeschwindigkeiten (in s–1):
50, 100, 200, 500, 1000, 2000 und 5000. Wenn die erhaltene Kurve
ausgewertet wird, ist es wichtig, dass die Kurve relativ konstant
verläuft.
Wenn von einem Punkt zu einem anderen Punkt wesentliche Abweichungen
von der gewöhnlichen
Kurvenform auftreten, möglicherweise
bedingt durch den Einschluss von Luft in der Säule, sollte der Test wiederholt
werden, um die erhaltenen Ergebnisse zu bestätigen.
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Die
erhaltene Rheologiekurve der scheinbaren Schergeschwindigkeit gegen
die scheinbare Viskosität gibt
einen Hinweis darauf, wie sich die Materialprobe bei dieser Temperatur
in einem Extrusionsprozess verhält.
Es sind insbesondere die Werte der scheinbaren Viskosität bei einer
Schergeschwindigkeit von mindestens 1000 s–1 von
Interesse, da dies die typischen Bedingungen sind, die in herkömmlichen
Extrudern zum Spinnen von Fasern auftreten.
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Molekulargewicht
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Die
Gaspermeationschromatographie (GPC-Verfahren) wurde angewandt, um
die Molekulargewichtsverteilung der Proben, wie z. B. die von Poly(milchsäure), deren
gewichts gemitteltes Molekulargewicht (Mw)
im Bereich von etwa 800 bis etwa 400000 liegt, zu bestimmen.
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Die
GPC-Vorrichtung umfasste zwei analytische Säulen (PLgel Mixed K linear
5 micron, 7,5 × 300 mm),
die in Reihe angeordnet waren. Die Temperatur der Säule und
die des Detektors betrug 30°C.
Die mobile Phase war Tetrahydrofuran (THF) in HPLC-Qualität. Die Pumpgeschwindigkeit
betrug 0,8 ml pro Minute bei einem Injektionsvolumen von 25 μl. Die Gesamtdauer
der Bestimmung betrug 30 Minuten. Es muss beachtet werden, dass
etwa alle 4 Monate eine neue analytische Säule, etwa jeden Monat eine
neue Schutzsäule
und etwa jeden Monat ein neues Filter für den Probeneinlass installiert
werden muss.
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Standards
aus Polystyrolpolymeren, erhältlich
von Aldrich Chemical Co., sollten in einem Lösungsmittel aus Dichlormethan
(DCM) : THF (10 : 90), beide in HPLC-Qualität, gelöst werden, um Standards mit
einer Konzentration von 1 mg/ml zu erhalten. Verschiedene Polystyrolstandards
können
miteinander vermischt werden, vorausgesetzt, dass sich ihre Peaks
beim Chromatographieren nicht überschneiden.
Es sollte eine Reihe von Standards für Molekulargewichte von etwa
687 bis 400000 hergestellt werden. Beispiele für Standardgemische mit Aldrich-Polystyrolen
mit unterschiedlichen gewichtsgemittelten Molekulargewichten umfassen: Standard
1 (401340; 32660; 2727), Standard 2 (45730; 4075), Standard 3 (95800;
12860) und Standard 4 (184200; 24150; 687).
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Dann
muss ein Stammstandard zum Überprüfen hergestellt
werden. Löse
10 g eines Poly(milchsäure)-Standards
mit einem Molekulargewicht von 20000, Katalog #19245, erhältlich von
Polysciences Inc., in 100 ml DCM mit HPLC-Qualität in einem Glasgefäß mit Deckel
unter Verwendung eines Schwingmischers (mindestens 30 Minuten lang).
Gieße
das Gemisch auf eine saubere, trockene Glasplatte, lass das Lösungsmittel verdampfen,
bringe die Glasplatte in einen vorgewärmten Vakuumofen mit einer
Temperatur von 35°C
ein und trockne das Gemisch etwa 14 Stunden lang in einem Vakuum
von 25 mm Quecksilber (3,3 kPa). Entferne dann die Polymilchsäure) aus
dem Ofen und schneide den Film in kleine Streifen. Mahle die Proben
sofort in einer Mühle
(mit einem 10 Mesh Sieb) und achte darauf, dass nicht zu viel Probe
in die Mühle
eingebracht wird, was die Mühle
blockieren könnte.
Lagere einige Gramm der gemahlenen Probe in ei nem trockenen Glasgefäß in einem
Exsikkator, der restliche Teil der Probe kann in einem Gefrierschrank
in einem ähnlichen
Glasgefäß gelagert
werden.
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Es
ist wichtig, dass vor jeder neuen Messreihe ein neuer Standard zum Überprüfen hergestellt
wird, da das Molekulargewicht stark von der Konzentration der Probe
abhängt,
insbesondere sollte beim Abwiegen und bei der Herstellung sorgfältig gearbeitet
werden. Um den Standard zum Überprüfen herzustellen,
wiege 0,0800 g ± 0,0025
g des Poly(milchsäure)-Referenzstandards
mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht von 200000 in einem
sauberen, trockenen Szintillationsfläschchen ab. Dann gebe, unter
Verwendung einer Vollpipette oder einer geeichten variablen Pipette,
2 ml DCM in das Gefäß und verschließe das Gefäß dicht.
Löse die
Probe vollständig.
Rühre die
Probe unter Verwendung eines Schwingmischers, wie z. B. unter Verwendung
der Vorrichtung Thermolyne Roto Mix (Typ 51300) oder einer ähnlichen
Mischvorrichtung, falls erforderlich. Um zu bewerten, ob sich die
Probe gelöst
hat, halte das Gefäß in einem
Winkel von 45° gegen Licht.
Dreh das Gefäß langsam
um und beobachte die Flüssigkeit,
wie sie die Glaswand herunterläuft.
Wenn der Boden des Gefäßes nicht
eben erscheint, hat sich die Probe nicht vollständig gelöst. Es kann einige Stunden
dauern, bis sich die Probe gelöst
hat. Nachdem sich die Probe gelöst
hat, gebe, unter Verwendung einer Vollpipette oder einer geeichten
variablen Pipette, 18 ml THF dazu, verschließe das Gefäß dicht und mische das Gemisch.
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Zu
Beginn der Herstellung der Probe werden 0,0800 g ± 0,0025
g der Probe in einem sauberen, trockenen Szintillationsfläschchen
abgewogen (beim Abwiegen und bei der Herstellung sollte sorgfältig gearbeitet
werden). Gebe, unter Verwendung einer Vollpipette oder einer geeichten
variablen Pipette, 2 ml DCM in das Gefäß und verschließe das Gefäß dicht.
Löse die
Probe vollständig
unter Anwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Herstellung
des Standards zum Überprüfen. Gebe
dann, unter Verwendung einer Vollpipette oder einer geeichten variablen
Pipette, 18 ml THF dazu, verschließe das Gefäß dicht und mische das Gemisch.
-
Beginne
die Bestimmung durch Testinjektion einer Standardzubereitung, um
zu bestimmen, ob das System im Gleichgewicht ist. Wenn das System
im Gleichgewicht ist, injiziere die Standardzubereitungen. Danach
injiziere zuerst die Standardzubereitung zum Überprüfen und dann die Probenzubereitungen.
Injiziere die Standardzubereitung nach jeder 7. Probeninjektion
und am Ende des Tests. Stelle sicher, dass nicht mehr als zwei Injektionen
aus dem gleichen Gefäß stammen,
und diese zwei Injektionen dürfen
nicht länger
als 4,5 Stunden auseinanderliegen.
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Es
gibt 4 Qualitätskontrollparameter,
mit denen die Ergebnisse bewertet werden können. Erstens, der Korrelationskoeffizient
der Regression 4. Ordnung, berechnet für jeden Standard, sollte nicht
weniger als 0,950 und nicht mehr als 1,050 betragen. Zweitens, die
relative Standardabweichung aller gewichtsgemittelten Molekulargewichte
der Standardzubereitungen zum Überprüfen sollte
nicht mehr als 5,0 betragen. Drittens, der Mittelwert der gewichtsgemittelten
Molekulargewichte der Standardinjektionen zum Überprüfen sollte nicht mehr als 10%
von dem gewichtsgemittelten Molekulargewicht der ersten Standardinjektionen
zum Überprüfen abweichen.
Viertens, bestimme die Lactidreaktion der 200 μg/ml-Standardinjektion unter
Verwendung eines SQC-Diagramms. Die Reaktion muss, unter Verwendung
der Kontrolllinien des Diagramms, innerhalb der definierten SQC-Parameter
liegen.
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Berechne
die Molekularstatistik auf der Grundlage der Kalibrierungskurve,
erhalten unter Verwendung der Polystyrol-Standardzubereitungen und
den Konstanten für
Polymilchsäure)
und Polystyrol in THF bei 30°C.
Diese sind: Polystyrol (K = 14,1·105, α = 0,700)
und Poly(milchsäure)
(K = 54,9·105, α =
0,639).
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Schrumpfen
der Fasern in der Wärme
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Die
erforderliche Vorrichtung für
die Bestimmung der Wärmeschrumpfung
schließt
ein: einen Konvektionsofen (Laborofen 160 DM von Thelco, zu beziehen
von Precision and Scienitific Inc., Chicago, Illinois), Beschwerungsgewichte
(sinker weights) mit 0,5 g (+/– 0,05
g), ½ Inch-(1,3
cm)-Befestigungsmittel (binder dips), Abdeckband, Diagrammpapier
mit Quadraten von wenigstens ¼ Inch
(0,64 cm), Schaumstoff-Plakattafel (11 × 14 Inch; 28 × 36 cm)
oder einen gleichwertigen Träger
zum Anbringen des Diagrammpapiers und der Proben. Der Konvektionsofen
sollte eine Temperatur von etwa 90°C erzeugen können.
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Faserproben
werden bei ihren jeweiligen Spinnbedingungen schmelzgesponnen. Im
Allgemeinen wird ein 30-fädiges
Bündel
bevorzugt und mechanisch gezogen, um Fasern mit einem Düsen-Längenverhältnis (jetstretch
ratio) von bevorzugt 50 oder darüber
zu erzeugen. Nur Fasern mit dem gleichen Düsen-Längenverhältnis können hinsichtlich ihrer Wärmeschrumpfung
miteinander verglichen werden. Das Düsen-Längenverhältnis einer Faser ist das Verhältnis der
Geschwindigkeit der Streckwalze (drawdown roll) dividiert durch
die lineare Extrusionsgeschwindigkeit (Weg/Zeit) des geschmolzenen
Polymers, das aus der Spinndüse
austritt. Die gesponnene Faser wird normalerweise mit einer Spulmaschine
auf eine Spule aufgewickelt. Das aufgewickelte Faserbündel wird
in 30 Einzelfäden
geteilt, wenn nicht bereits ein 30-fädiges Bündel hergestellt worden ist,
und in 9 Inch (23 cm) lange Abschnitte geschnitten.
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Das
Diagrammpapier wird auf die Plakattafel aufgeklebt, wobei eine Kante
des Diagrammpapiers auf die Kante der Plakattafel ausgerichtet wird.
Ein Ende des Faserbündels
wird mit Band verklebt, d. h. nicht mehr als das letzte Inch (2,5
cm). Das mit Band verklebte Ende wird an der Plakattafel an der
Kante befestigt, an der das Diagrammpapier ausgerichtet ist, so
dass die Kante der Befestigungseinrichtung über einer der horizontalen
Linien auf dem Diagrammpapier liegt und das Faserbündel festgehalten
wird (das mit Band verklebte Ende sollte kaum sichtbar sein, da
es unter dem Befestigungsmittel festgehalten wird). Das andere Ende
des Bündels
wird straff gezogen und parallel zu den vertikalen Linien auf dem
Diagrammpapier ausgerichtet. Dann wird 7 Inch (17,8 cm) von dem
Punkt nach unten, an dem das Befestigungsmittel die Faser hält, das
0,5 g-Beschwerungsgewicht um das Faserbündel festgeklemmt. Der Anbringungsvorgang
wird für
jedes Exemplar wiederholt. Normalerweise können jeweils drei Exemplare
angebracht werden. Markierungen können auf dem Diagrammpapier
hergestellt werden, um die ursprünglichen
Positionen der Beschwerungsgewichte anzuzeigen. Die Muster werden
bei einer Temperatur von etwa 90°C
so in den Ofen eingebracht, dass die Proben vertikal hängen und
die Plakattafel nicht berühren.
In Zeitintervallen von 5, 10 und 15 Minuten wird die neue Position der
Beschwerungsgewichte auf dem Diagrammpapier schnell markiert, und
die Proben werden in den Ofen zurückgegeben.
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Nachdem
die Prüfung
abgeschlossen ist, wird die Plakattafel abgenommen, und die Abstände zwischen
dem Ausgangspunkt (an dem das Befestigungsmittel die Faser hielt)
und den Markierungen bei 5, 10 und 15 Minuten werden mit einem Lineal
gemessen, das eine 1/16 Inch (0,16 cm)-Unterteilung aufweist. Drei Exemplare
pro Probe werden empfohlen. Es werden die Mittelwerte, die Standardabweichung
und die prozentuale Schrumpfung berechnet. Die prozentuale Schrumpfung
wird berechnet, indem die Differenz von ursprünglicher Länge und gemessener Länge durch
die ursprüngliche
Länge dividiert
und mit 100 multipliziert wird. Wie in den vorliegenden Beispielen
beschrieben und in allen Ansprüchen
verwendet, stellt der Wärmeschrumpfungswert
den Betrag der Wärmeschrumpfung
dar, die eine Faserprobe bei einer Temperatur von etwa 90°C über einen
Zeitraum von ungefähr
15 Minuten aufweist, der entsprechend dem obenstehenden Prüfverfahren
bestimmt wird.
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Kontaktwinkel
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Die
Vorrichtung umfasst eine dynamische Kontaktwinkel-Analysevorrichtung
vom Typ DCA-322 sowie die Software WinDCA (Version 1.02), die beide
von ATI-CAHN Instruments, Inc. in Madison, Wisconsin bezogen werden
können.
Die Prüfung
wurde an der "A"-Schlaufe mit einem
daran angebrachten Waagschalengehänge durchgeführt. Die
Kalibrierungen sollten monatlich für den Motor und täglich für die Waage
(mit 100 mg Gewicht) erfolgen, wie dies im Handbuch vorgegeben ist.
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Thermoplastische
Zusammensetzungen werden zu Fasern gesponnen, und das Freifall-Proben-Düsen-Längenverhältnis (freefall
sample jetstretch) 0) wird für
die Bestimmung des Kontaktwinkels verwendet. Während der Faserherstellung
sollte darauf geachtet werden, dass ein Kontakt mit der Faser bei
der Handhabung auf ein Minimum verringert wird, um zu gewährleisten,
dass die Verunreinigung auf einem Minimum beschränkt wird. Die Faserprobe wird
an der Drahtaufhängung
mit Scotch-Klebeband so angebracht, dass sich 2–3 cm Faser über das
Ende der Aufhängung
hinaus erstrecken. Dann wird die Faserprobe mit einer Rasierklinge
so abgeschnitten, dass sich 1,5 cm über das Ende der Aufhängung erstrecken.
Ein Lichtmikroskop wird verwendet, um den durchschnittlichen Durchmesser
(3 bis 4 Messungen) entlang der Faser zu bestimmen.
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Die
Probe an der Drahtaufhängung
wird an dem Waagschalengehänge
an Schlaufe "A" aufgehängt. Die
Eintauchflüssigkeit
ist destilliertes Wasser, und sie wird für jede Probe ausgetauscht.
Die Parameter der Probe (d. h. Faserdurchmesser) werden eingegeben,
und mit der Prüfung
wird begonnen. Der Tisch bewegt sich um 151,75 μm/s vorwärts, bis die Eintauchtiefe
Null erfasst ist, bei der die Faser mit der Oberfläche des destillierten
Wassers in Kontakt kommt. Von der Eintauchtiefe Null ausgehend bewegt
sich die Faser 1 cm in das Wasser hinein, verbleibt dort 0 Sekunden
und wird dann sofort um 1 cm zurückgezogen.
Die automatische Analyse des Kontaktwinkels, die durch die Software
durchgeführt
wird, bestimmt den Rückzugs-
und den Fortschreitrandwinkel der Faserprobe aufgrund von Standardberechnungen,
die im Handbuch angegeben sind. Kontaktwinkel von 0 oder < 0 zeigen an, dass
die Probe vollständig
benetzbar geworden ist. Fünf
Exemplare jeder Probe werden geprüft, und eine statistische Analyse
für die
Durchschnitts-, die Standardabweichung und den Abweichungskoeffizienten
werden berechnet. Wie in den vorliegenden Beispielen beschrieben
und in allen Ansprüchen
verwendet, stellt der Wert des Kontakt- bzw. Fortschreitrandwinkels
den Fortschreitrandwinkel von destilliertem Wasser an einer Faserprobe
dar, der entsprechend dem obenstehenden Prüfverfahren bestimmt wird. Desgleichen
stellt, wie in den vorliegenden Beispielen beschrieben und in allen
Ansprüchen
verwendet, der Wert des Rückzugsrandwinkels
den Rückzugsrandwinkel
von destilliertem Wasser an einer Faserprobe dar, der entsprechend
dem obenstehenden Prüfverfahren
bestimmt wird.
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Mechanische
Eigenschaften
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Für ein geeignetes
Verfahren zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften der Faser
können
ein Zugprüfer
(tensile testet) von Sintech (SINTECH 1113) und die Software Testworks
3.03 eingesetzt werden, die beide von MTS System Co., Cary, North
Carolina, bezogen werden können.
Geräte
und Software, die über im
Wesentlichen äquivalente
Fähigkeiten
verfügen,
können
ebenfalls eingesetzt werden. Die Faserprüfung wird unter Verwendung
einer 10 Pound- (4,5 kg) Messdose und von Faserklemmen (fiber grips)
ausgeführt.
Es ist wichtig, über
Klemmen zu verfügen,
die zum Prüfen
von Fasern bestimmt sind. Zahlreiche Konstruktionen, die diesen
Zweck erfüllen,
können
von MTS System Co. bezogen werden. Alle Faserprüfungen werden unter Verwendung
einer Messlänge
von 1 Inch (2,5 cm) und einer Geschwindigkeit der Trennung der Klemmen
von 500 mm/min durchgeführt.
Ein Bündel
aus 30 Fasern wird in die Klemmen eingefädelt, wobei darauf geachtet wird,
dass Gelegenheiten zur Verunreinigung auf ein Minimum verringert
werden. Ein extrapolierter Durchmesser für das Faserbündel wird
anhand des durchschnittlichen Durchmessers der einzelnen Fasern
bestimmt, der über
Lichtmikroskopie bestimmt wird, und in einen theoretischen Durchmesser
für das
Faserbündel
umgewandelt, so als handle es sich um eine einzelne Faser. In jedem
Versuch wird das Faserbündel
gedehnt, bis es zum Reißen
kommt, und die Software erzeugt ei ne Spannungs-Dehnungs-Kurve und
berechnet die mechanischen Eigenschaften für die Probe. Mechanische Eigenschaften,
die bei der Untersuchung von Interesse sind, sind die Zerreißspannung
und die prozentuale Dehnung beim Reißen. Fünf Exemplare werden geprüft, und
eine statistische Analyse wird durchgeführt. Bei jedem Versuch wird
die Faser solange gedehnt, bis es zum Reißen kommt, und die Software
erzeugt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve und berechnet die gewünschten
mechanischen Eigenschaften für
die Probe. Zu den mechanischen Eigenschaften können beispielsweise der Elastizitätsmodul,
die Zerreißspannung
und die prozentuale Dehnung bzw. Streckung beim Reißen gehören.
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BEISPIELE
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In
den folgenden Beispielen wurden verschiedene Materialien als Bestandteile
zur Herstellung von thermoplastischen Zusammensetzungen und Mehrkomponentenfasern
verwendet. Diese Materialien und deren Eigenschaften sind in Tabelle
1 angegeben.
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Die
Proben 1 und 2 sind Poly(milchsäure)
(PMS)-Polymere, erhältlich
von Chronopol Inc., Golden, Colorado.
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Ein
Polybutylensuccinat (PBS), erhältlich
von Showa Highpolymer Co., Ltd., Tokyo, Japan, unter der Bezeichnung
Bionolle 1020 polybutylene succinate, wurde verwendet.
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Ein
langkettiges verzweigtes Polybutylensuccinat (PBS), erhältlich von
Showa Highpolymer Co., Ltd., Tokyo, Japan, unter der Bezeichnung
Bionolle 1903 polybutylene succinate, wurde verwendet.
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Das
Kompatibilisierungsmittel, das in den Beispielen verwendet wurde,
war ein Produkt von Petrolite Corporation, Tulsa, Oklahoma, erhältlich unter
der Bezeichnung UNITHOX®480 ethoxylated alcohol,
mit einem zahlengemittelten Molekulargewicht von etwa 2250, einem
Ethoxylatgehalt von etwa 80 Gew.-% und einem HLB-Wert von etwa 16.
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Beispiel 1
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Unter
Verwendung verschiedener Mengen an Poly(milchsäure)-Polymer, Polybutylensuccinat
und Kompatibilisierungsmittel wurden verschiedene thermoplastische
Zusammensetzungen hergestellt. Die verschiedenen Bestandteile wurden
zuerst trocken miteinander vermischt und dann in einem Zweischneckenmischer
mit gegeneinander rotierenden Schnecken in der Schmelze miteinander
vermischt, um die Bestandteile intensiv miteinander zu vermischen.
Das Mischen in der Schmelze umfasste das teilweise oder vollständige Schmelzen
der Bestandteile in Kombination mit dem Schereffekt der rotierenden
Mischerschnecken. Diese Bedingungen führen zu einem optimalen Vermischen
und sogar zu einem Dispergieren der Bestandteile in der thermoplastischen
Zusammensetzung. Bei diesem Verfahrensschritt kann ein Zweischneckenextruder,
wie z. B. die Vorrichtung Haake Rheocord 90, erhältlich von Haake GmbH, Karlsruhe,
Deutschland, oder ein Brabender-Doppelschneckenmischer (Kat.-Nr.
05-96-000), erhältlich
von Brabender Instruments, South Hackensack, New Jersey, oder ein
anderer vergleichbarer Doppelschneckenextruder verwendet werden.
Nach dem Extrudieren der Schmelze wurde die geschmolzene Zusammensetzung
unter Verwendung einer Kühlwalze
bzw. Kühloberfläche, die
mit einer Flüssigkeit
gekühlt
wurde, und/oder durch Zu fuhr von Kühlluft, die über das
Extrudat geleitet wurde, abgekühlt.
Die abgekühlte
Zusammensetzung wurde dann pelletiert und zu Fasern verarbeitet.
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Das
Verarbeiten dieser Harze zu Fasern und Vliesmaterialien wurde unter
Verwendung einer Vorrichtung mit einem Extruder mit einem Durchmesser
von 0,75 Inch (1,9 cm) mit einer Schnecke mit einem Verhältnis L
: D (Länge
: Durchmesser) von 24 : 1 und mit drei Heizzonen durchgeführt, welche
die Harze vom Extruder in eine Spinnvorrichtung, welche die vierte
Heizzone bildete und welche eine statische Mischeinheit vom Typ
Koch®SMX
mit einem Durchmesser von 0,62 Inch (1,6 cm) enthielt, erhältlich von
Koch Engineering Company Inc., New York, New York, und dann in den
Spinnkopf (fünfte
Heizzone) und durch eine Spinnplatte beförderte, wobei die Spinnplatte
eine Vielzahl von kleinen Löchern
umfasste, durch welche das geschmolzene Polymer extrudiert wurde.
Die Spinnplatte, die verwendet wurde, hatte 15 bis 30 Löcher, wobei
jedes Loch einen Durchmesser von 20 Mil (0,51 mm) hatte. Die Temperaturen
der verschiedenen Heizzonen sind nacheinander in Tabelle 2 in der
Spalte "Extrusionstemperaturen" angeben. Die Fasern
wurden mit Luft mit einer Temperatur im Bereich von 13°C bis 22°C abgeschreckt,
mit einer mechanischen Ziehwalze abgezogen und einer Aufwickelvorrichtung,
um die Fasern zu sammeln, oder einer Faserverarbeitungsvorrichtung
zum Herstellen einer Spinnvliesstruktur oder zum Bonden, oder einer
Vorrichtung zum Behandeln der Fasern in der Wärme oder einer anderen Verarbeitungsvorrichtung,
bevor die Fasern gesammelt wurden, zugeführt.
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Dann
wurde der Kontaktwinkel der Fasern und das Schrumpfungsverhalten
der Fasern in der Wärme bestimmt.
Die Zusammensetzung der verschiedenen Fasern und die Ergebnisse
der Bestimmungen sind in Tabelle 3 angegeben.
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Dem
Fachmann ist klar, dass die vorliegende Erfindung in vielfältiger Art
und Weise modifiziert werden kann. Die genaue Beschreibung der Erfindung
und die Beispiele, die zuvor angegeben wurden, veranschaulichen
lediglich die Erfindung und beschränken die Erfindung in keinster
Weise; die Erfindung wird nur durch den Schutzumfang der beiliegenden
Patentansprüche
beschränkt. Tabelle
2
Probe
# | Extrusionstemperaturen |
1 | 150/175/155/160/160 |
2 | 180/185/185/190/190 |
3 | 150/155/160/170/170 |
4 | 150/150/160/170/170 |
5 | 150/150/160/170/170 |
6 | 175/185/190/195/200 |
7 | 170/175/180/185/190 |
8 | 190/205/205/210/210 |
9 | 175/185/190/195/200 |
10 | 175/185/190/195/200 |
11 | 165/175/175/185/185 |
12 | 165/175/175/185/185 |
13 | 165/175/175/185/185 |
14 | 180/190/190/195/200 |
15 | 160/165/170/170/175 |
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