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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf absorbierende Materialien zum Einsatz
als absorbierende Kerne in Artikeln wie Wegwerfwindeln, Hygieneerzeugnissen
für Frauen
und Inkontinenzeinrichtungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf hochdichte, starke, weiche Materialien mit besonders guten Absorbtionseigenschaften.
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Hintergrund der Erfindung
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Absorbierende
Wegwerfartikel wie Windeln, Hygieneerzeugnisse für Frauen, Inkontinenzeinrichtungen
für Erwachsene
und dgl. haben eine allgemeine Akzeptanz gefunden. Um gut zu funktionieren,
müssen solche
absorbierende Artikel Körperflüssigkeiten
schnell absorbieren, diese Flüssigkeiten
innerhalb des und durch den ganzen absorbierenden Artikel hindurch
verteilen und in der Lage sein, diese Körperflüssigkeiten mit ausreichender
Energie zurückzuhalten,
damit die Oberfläche
bei Belastung trocken bleibt. Zusätzlich müssen diese absorbierenden Artikel
ausreichend weich und flexibel sein, um sich in komfortabler Weise
an Körperoberflächen anzupassen
und eine nahe Passung zu Gunsten eines geringen Ausleckens zu ermöglichen.
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Obwohl
der Aufbau einzelner absorbierender Artikel abhängig vom Einsatz variiert,
gibt es bestimmte gemeinsame Elemente oder Komponenten. Ein absorbierender
Artikel enthält
eine flüssigkeitsdurchlässige Oberschicht
oder Innenschicht, welche Innenschicht dazu ausgelegt, mit einer
Körperoberfläche in Berührung zu
kommen. Die Innenschicht besteht aus einem Material, das den ungehinderten
Durchtritt von Flüssigkeit von
dem Körper
in den Kern des Artikels erlaubt. Die Innenschicht selbst sollte
Flüssigkeit
nicht absorbieren und daher trocken bleiben. Der Artikel enthält ferner
eine flüssigkeitsundurchlässige Rückseitenschicht
auf der Außenoberfläche des
Artikels, die dazu ausgelegt ist, das Auslecken von Flüssigkeiten
aus dem Artikel zu verhindern.
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Zwischen
der Innenschicht und der Rückseitenschicht
ist ein absorbierendes Element angeordnet, das im Stand der Technik
als absorbierender Kern bezeichnet wird. Die Funktionen des absorbierenden
Kerns sind die Absorption und das Zurückhalten von Körperflüssigkeiten,
die durch die Innenschicht in den absorbierenden Artikel eintreten.
Da der Ursprung der Körperflüssigkeiten
oft lokalisiert ist, ist es notwendig, Mittel bereitzustellen, um
die Flüssigkeit über die
Abmessungen des absorbierenden Kerns zu verteilen, um das gesamte verfügbare absorbierende
Material vollständig
auszunutzen. Dies wird typischerweise entweder durch ein zwischen
der Innenschicht und dem absorbierenden Kern angeordnetes Verteilungselement
und/oder durch Veränderung
der Zusammensetzung des absorbierenden Kerns selbst erreicht.
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Die
Flüssigkeit
kann sich mit Hilfe einer zwischen der Innenschicht und dem Kern
angeordneten Durchgangs- oder Aufnahmeschicht auf verschiedene Abschnitte
des absorbierenden Kerns verteilen. Wegen der Nähe einer solchen Aufnahmeschicht
zur Körperoberfläche des
Benutzers sollte die Aufnahmeschicht nicht aus Material gebildet
sein, das große
Flüssigkeitsmengen
zurückhält. Der
Zweck der Aufnahmeschicht ist es, einen schnellen Durchtritt und
eine schnelle Verteilung von Flüssigkeit
in den/dem absorbierenden Kern bei minimalen Ausbreiten der Flüssigkeit
in dieser Schicht zu gewährleisten.
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Der
absorbierende Kern ist typischerweise aufgebaut aus einer Zellulose-Holzfasermatrix
bzw. Zellstoff (pulp), die große
Flüssigkeitsmengen
absorbieren kann. Absorbierende Kerne können in vielerlei Weise so
aufgebaut sein, dass ihre Flüssigkeitsabsorptions-
und -zurückhalteeigenschaften
verstärkt
sind. Beispielsweise können
die Flüssigkeitszurückhalteeigenschaften
von absorbierenden Kernen deutlich verstärkt werden durch die Anordnung
superabsorbierender Materialien unter den Fasern des Holz-Zellstoffs.
Superabsorbierende Materialien sind im Stand der Technik allgemein
bekannt als im Wesentlichen wasserunlösliche absorbierende Polymerzusammensetzungen,
die große
Flüssigkeitsmengen
im Verhältnis
zu ihrem Gewicht absorbieren und bei dieser Absorption Hydrogele
bilden können.
Absorbierende Artikel mit Mischungen von Zellstoff und superabsorbierenden
Materialien sind im Stand der Technik bekannt.
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Die
Verteilung der superabsorbierenden Materialien innerhalb eines absorbierenden
Kerns kann gleichmäßig oder
ungleichmäßig sein.
Z. B. kann der der Rückseitenschicht
nächste
Abschnitt eines absorbierenden Kerns (vom Benutzer am weitesten
entfernt) so aufgebaut sein, dass er höhere Anteile superabsorbierender
Materialien enthält
als diejenigen Abschnitte des Kerns, die der Innenseite oder Aufnahmeschicht
benachbart sind. Als weiteres Beispiel kann der dem Ort des Flüssigkeitseintritts
(z. B. Aufnahmezone) nächste Abschnitt
des Kerns so aufgebaut sein, dass er Flüssigkeit in umgebende Abschnitte
des Kerns (z. B. Speicherzone) transportiert (saugt).
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Zusätzlich zum
Vermischen von Zellstoff mit superabsorbierendem Material sind eine
Vielzahl anderer Möglichkeiten
zur Verbesserung der Eigenschaften des Zellstoffs beschrieben worden.
Beispielsweise können Zellstoffplatten
leichter entfasert werden, indem chemische Debonding-Mittel (Mittel
zum Lösen
von Bindungen) verwendet werden (vgl. z. B. US Patent Nr. 3,930,933).
Ferner können
Zellulosefasern von Holz-Zellstoff vor dem Einbringen in ein absorbierendes
Material in Form eines zusammengesetzten Stoffes (composite web)
schnell getrocknet (flash dried) werden (vgl. z. B. U. K. Patentanmeldung
GB 2272916 A, veröffentlicht am
01.06.1994). Weiterhin können
die vereinzelten Zellulosefasern von Holz-Zellstoff vernetzt werden
(vgl. z. B. US Patente Nr. 4,822,453; 4,888,093; 5,190,563 und 5,252,275).
All diese Hilfsmittel haben den Nachteil, beim Zellstoffhersteller
zeitaufwendige, teuere Prozeduren während der Zellstoffherstellungsschritte
notwendig zu machen. Damit führen
all diese Schritte zu wesentlichen Steigerungen der Kosten des Zellstoffs.
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Obwohl
von allen obigen Behandlungsschritten berichtet wird, dass sie die
Absorptionseigenschaft von Zellstoff für absorbierende Kerne verbessern,
gibt es bestimmte Nachteile solcher Behandlungen. Z. B. müssen die
Hersteller der absorbierenden Artikel für den Endgebrauch (z. B. Hygieneprodukte
für Frauen
oder Windeln) mit den Fasern in dem Zellstoff eine Staubbildung
bzw. Flaumbildung (fluff) durchführen,
um die einzelnen in dem Zellstoff gebundenen Fasern zu lösen. Typischerweise
hat der Zellstoff einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt, weswegen
die einzelnen Fasern relativ brüchig
sind, was aufgrund von Faserbrüchen
bei der Staubbildung bzw. Flaumbildung (flufting operation) zu einem
feinen Staub führt.
Wenn der Zellstoffhersteller diese Staub- bzw. Flaumbildung vor
der Auflieferung an den Hersteller des absorbierenden Artikels durchführt, steigern
sich die Transportkosten des Zellstoffs. Zumindest ein Zellstoffhersteller
hat den Versuch gemacht, dieses Problem durch Herstellung von schnellgetrocknetem
Zellstoff ohne chemische Bindemittel in einem engen Bereich von
Basisgewichten der Zellstoffdichte zu lösen (vgl. US Patent Nr. 5,
262,005). Jedoch muss der Hersteller des absorbierenden Artikels
auch bei Verwendung dieses Prozesses den Zellstoff nach dem Einkauf immer
noch bearbeiten.
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Es
hat zahlreiche Versuche der Hersteller von absorbierenden Materialien
gegeben, sehr gut absorbierende, starke, weiche Kernmaterialien
herzustellen. US Patent 4,610,678 beschreibt ein im Luftstrom abgeschiedenes
(air-laid) Material mit hydrophilen Fasern und superabsorbierendem
Material, wobei das Material in einem trockenen Zustand im Luftstrom
abgeschieden und ohne Verwendung irgendwelcher Zusätze von Bindemitteln
verdichtet ist. Dieses Material hat jedoch einen geringen Zusammenhalt
(integrity) und leidet an Herausfallen (shake-out) oder Verlust
wesentlicher Mengen superabsorbierenden Materials. Das US Patent 5,516,569
beschreibt, dass das Herausfallen von superabsorbierendem Material
in im Luftstrom abgeschiedenen Absorptionsartikeln verringert werden
kann durch Hinzufügen
wesentlicher Mengen von Wasser zu dem Material während des Abscheidens im Luftstrom.
Das resultierende Material ist jedoch steif, hat eine niedrige Dichte
und einen hohen Wassergehalt (über
15 Gew.-%). Das US Patent 5,547,541 beschreibt, dass sehr dichte
im Luftstrom abgeschiedene Materialien mit hydrophilen Fasern und
superabsorbierendem Material hergestellt werden können durch
Hinzufügen
von Verdichtungsmitteln zu dem Material. Der Einsatz solcher Mittel erhöht jedoch
die Herstellungskosten des Materials.
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Das
US Patent Nr. 5,562,645 beschreibt absorbierende Materialien mit
niedriger Dichte (Dichte unter 0,25 g/cc). Der Einsatz solcher volumigen
Materialien mit niedriger Dichte erhöht die Kosten bei Transport
und Handhabung. Das US Patent 5,635,239 beschreibt ein absorbierendes
Material mit zwei Komplexbildnern, die bei Befeuchtung wechselwirken,
um einen Komplex zu bilden. Die Komplexbildner sind polymere Olefine.
Die europäische
Patentanmeldung Nr.
EP
0 763 364 A2 beschreibt absorbierendes Material mit kationischen
und anionischen Bindern, die zum Halten des superabsorbierenden
Materials innerhalb des Materials dienen. Der Ein satz solcher Mittel
und Binder erhöht
die Kosten der Herstellung des absorbierenden Materials und verursacht
potentiell Umweltschäden.
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Weiterhin
besteht ein Bedürfnis
nach einem Material, das die Anforderungen an Absorptionsvermögen, Festigkeit
und Weichheit erfüllt,
um als absorbierender Kern in absorbierenden Wegwerfartikeln eingesetzt
zu werden, und gleichzeitig Zeit- und Kosteneinsparungen sowohl
beim Zellstoffhersteller als auch beim Hersteller des absorbierenden
Artikels bietet.
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Kurze Darstellung der
Erfindung
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Die
GB-A-2272916 beschreibt ein konventionelles absorbierendes Material.
Der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht darauf. Erfindungsgemäß hat das
absorbierende Material die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1.
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Bei
einer Ausführungsform
hat ein absorbierendes Material nach der Erfindung ein Basisgewicht
zwischen etwa 200 g/m2 und etwa 400 g/m2, eine Dichte zwischen etwa 0,35 g/cc und
etwa 0,40 g/cc und ein Verhältnis
der Gurley-Steifheit (mg) zur Dichte (g/cc) von weniger als etwa
3700. Das Material ist im Luftstrom abgeschieden als eine untere
Schicht aus Zellstoff, eine mittlere Schicht aus Zellstoff und in
dem Zellstoff angeordnetes superabsorbierendes Material sowie eine
obere Schicht aus Zellstoff. Der Zellstoff hat vorzugsweise einen
Kappa-Wert von weniger als etwa 100. Bei einer Ausführungsform
beinhaltet das absorbierende Material zwischen etwa 40 Gew.-% und
etwa 90 Gew.-% Zellulosefasern und zwischen etwa 10 Gew.-% und etwa
60 Gew.-% superabsorbierendes Material. Solches absorbierendes Material
hat einen Wassergehalt von unter etwa 10 Gew.-%, eine Dichte von über etwa
0,25 g/cc, ein Verhältnis
der Gurley-Steifheit (mg) zur Dichte (g/cc) von unter etwa 3700
und eine Kissenfestigkeit (pad integrity) von mehr als etwa 12 Newton.
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Erfindungsgemäß beinhaltet
das absorbierende Material zwischen etwa 40 Gew.-% und etwa 90 Gew.-%
Zellulosefasern und zwischen etwa 10 Gew.-% und etwa 60 Gew.-% superabsorbierendes
Material. Solches absorbierendes Material hat einen Wassergehalt
von unter etwa 10 Gew.-%, eine Dichte von über etwa 0,25 g/cc, ein Verhältnis der
Gurley-Steifheit (mg) zur Dichte (g/cc) von unter etwa 3700 und
hält nach Schütteln für 10 min über etwa
85 Gew.-% superabsorbierendes Material zurück.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
beinhaltet das absorbierende Material zwischen etwa 40 Gew.-% und
etwa 90 Gew.-% Zellulosefasern und zwischen etwa 10 Gew.-% und etwa 60 Gew.-%
superabsorbierendes Material, einen Wassergehalt von unter etwa
10 Gew.-%, eine Dichte von über
etwa 0,25 g/cc, ein Verhältnis
der Gurley-Steifheit
(mg) zur Dichte (g/cc) von unter etwa 3700, ein Verhältnis der
Kissenfestigkeit (Newton) zur Dichte (g/cc) von über etwa 25,0 und eine Saugverteilung
(wicking distribution) bei 45° und
5 Zoll von über 7
Gramm Salz pro Gramm absorbierendes Material.
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Bei
allen Ausführungsformen
haben vorzugsweise zumindest einige der Zellulosefasern eine relative Kristallinität von unter
etwa 65%.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
hat ein erfindungsgemäßes absorbierendes
Material ein Basisgewicht zwischen etwa 100 g/m2 und
etwa 500 g/m2 und eine Dichte zwischen etwa
0,25 g/cc und etwa 0,50 g/cc. Dieses Material beinhaltet einen Kern
aus Zellulosefasern, die aus Zellstoff mit einem Kappa-Wert von
unter etwa 100 erhalten wurden, und eine auf eine Außenoberfläche des
Kerns aufgebrachte Gewebeschicht (tissue layer). Zumindest einige
der Zellulosefasern haben eine relative Kristallinität von unter
etwa 65%. Der Kern enthält
zwischen etwa 40 Gew.-% und etwa 100 Gew.-% Zellulosefasern und
zwischen etwa 0 Gew.-% und etwa 60 Gew.-% superabsorbierendes Material. Vorzugsweise
enthält
der Kern zwischen etwa 40 Gew.-% und etwa 90 Gew.-% Zellulosefasern
und zwischen etwa 10 Gew.-% und etwa 60 Gew.-% superabsorbierendes
Material. Das Material hat eine Geschmeidigkeit (suppleness) von über etwa
0,7 g–1.
Das Gewebe dieses Materials ist vorzugsweise Crepe-Gewebe.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
hat das absorbierende Material eine Dichte zwischen etwa 0,25 und
etwa 0,5 g/cc und eine Geschmeidigkeit von über etwa 0,7 g–1.
Dieses Material besteht im Wesentlichen aus etwa 40 Gew.-% bis etwa
90 Gew.-% Zellulosefasern, von denen zumindest einige aus Zellstoff
mit einem Kappa-Wert von unter etwa 100 gewonnen worden sind, wobei
zumindest einige der Zellulosefasern eine relative Kristallinität von unter
etwa 65% aufweisen, und zwischen etwa 10 Gew.-% und etwa 60 Gew.-%
superabsorbierendes Material.
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Ein
Material gemäß der Erfindung
weist eine normalisierte Trocknungsenergie (normalized drying power
energy) von zumindest 6000 ergs/g, eine normalisierte Saugenergie
(normalized wicking energy) von zumindest etwa 3000 ergs/g oder
sowohl eine normalisierte Trocknungsenergie von zumindest 6000 ergs/g
und eine normalisierte Saugenergie von zumindest 3000 ergs/g auf.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
hat ein absorbierendes Material gemäß der Erfindung eine Dichte zwischen
etwa 0,25 g/cc und etwa 0,5 g/cc, ein Basisgewicht zwischen etwa
200 g/m2 und etwa 500 g/m2,
eine Geschmeidigkeit von über
etwa 0,7 g–1,
eine normalisierte Trocknungsenergie von zumindest etwa 6000 ergs/g und
eine normalisierte Saugenergie von zumindest etwa 3000 ergs/g. Solches
Material besteht im Wesentlichen aus zwischen etwa 60 Gew.-% und
etwa 90 Gew.-% Zellulosefasern, von denen zumindest einige aus Zellstoff
mit einem Kappa-Wert von unter etwa 100 gewonnen worden sind, wobei
zumindest einige der Zellulosefasern eine relative Kristallinität von unter
etwa 60% haben, zwischen etwa 10 Gew.-% und etwa 40 Gew.-% superabsorbierendem
Material und einer Gewebeschicht mit zwischen etwa 3 Gew.-% und
etwa 20 Gew.-% des absorbierenden Materials. Das Gewebe ist vorzugsweise
Crepe-Gewebe.
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Ein
absorbierendes Material gemäß allen
Ausführungsformen
wird hergestellt unter Verwendung von Zellulosefasern mit einer
relativen Kristallinität
von vorzugsweise unter etwa 60%. Noch bevorzugterer Weise haben
die Zellulosefasern eine relative Kristallinität von unter etwa 50% und noch
bevorzugterer Weise eine relative Kristallinität von unter etwa 40%.
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Zumindest
einige der Zellulosefasern werden gewonnen aus Zellstoff mit einem
Kappa-Wert von unter etwa 75, 50, 25 oder 10. Noch bevorzugterer
Weise ist der Kappa-Wert
geringer als 5 oder 2,5.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
werden zumindest einige der Zellulosefasern in dem Material hergestellt
durch einen Prozess, der den Schritt der Behandlung ei ner flüssigen Suspension
des Zellstoffs bei einer Temperatur zwischen etwa 15°C und etwa
60°C mit
einer wässrigen
Alkalimetallsalzlösung
bei einer Alkalimetallsalzkonzentration zwischen etwa 2 Gew.-% und
etwa 25 Gew.-% der Lösung
für eine
Zeit zwischen etwa 5 min und etwa 60 min beinhaltet. In anderen
Ausführungsformen
sind zumindest einige der Zellulosefasern schnell getrocknet worden.
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Das
erfindungsgemäße Material
hat besondere Absorptionseigenschaften. Das Material hat eine normalisierte
Trocknungsenergie von zumindest 6000 ergs/g. Vorzugsweise liegt
die normalisierte Trocknungsenergie des Materials etwa über 7000,
8000, 9000 oder 10000 ergs/g. Besonders bevorzugter Weise liegt
die normalisierte Trocknungsenergie zwischen etwa 6000 ergs/g und
etwa 16000 ergs/g. Das Material hat eine normalisierte Saugenergie
von zumindest 3000 ergs/g. Vorzugsweise liegt die normalisierte
Saugenergie über etwa
3500, 4000, 5000 oder 7500 ergs/g. Besonders bevorzugter Weise liegt
die normalisierte Saugenergie zwischen etwa 3000 ergs/g und etwa
10000 ergs/g. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
hat das erfindungsgemäße Material
eine normalisierte Trocknungsenergie von zumindest 6000 ergs/g und
ein Saugenergie von zumindest 3000 ergs/g.
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Absorbierendes
Material gemäß der Erfindung
ist geschmeidig. Die Geschmeidigkeit, definiert als Kehrwert der
Steifheit, ist größer als
etwa 0,7 g–1.
Vorzugsweise ist die Geschmeidigkeit größer als etwa 0,8, 0,9 oder
1,0 g–1.
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Das
absorbierende Material hat besonders bevorzugter Weise eine Geschmeidigkeit
von über
etwa 0,7 g–1,
eine normalisierte Trocknungsenergie von über etwa 6000 ergs/g und eine
normalisierte Saugenergie von über
etwa 3000 ergs/g.
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Ein
besonders bevorzugtes absorbierendes Material gemäß dieser
Erfindung hat eine Dichte zwischen etwa 0,35 g/cc und etwa 0,45
g/cc, ein Basisgewicht zwischen etwa 200 g/m2 und
etwa 500 g/m2, eine Geschmeidigkeit von über etwa
0,9 g–1,
eine normalisierte Trocknungsenergie von über etwa 6000 ergs/g und eine
normalisierte Saugenergie von über
etwa 3000 ergs/g.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf absorbierende Artikel, die ein
erfindungsgemäß absorbierendes Material
aufweisen. Vorzugsweise ist der absorbierende Artikel eine Windel,
ein Hygieneprodukt für
Frauen oder eine Inkontinenzeinrichtung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden, zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
einer Einrichtung zum im Luftstrom Abscheiden von absorbierendem
Material gemäß der Erfindung
unter Verwendung von vier Luftstromabscheidungsköpfen gefolgt von einer Einrichtung
zum Verfestigen des im Luftstrom abgeschiedenen Materials.
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2 drei- und vierschichtige
Ausführungsbeispiele
eines absorbierenden Materials gemäß der Erfindung zum Einsatz
als absorbierender Kern in einem Hygieneprodukt für Frauen.
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3 drei- und vierschichtige
Ausführungsbeispiele
eines absorbierenden Materials gemäß der Erfindung zur Verwendung
in einer Windel oder Inkontinenzeinrichtung.
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4 eine schematische Darstellung
einer Einrichtung zum Messen der Saugfähigkeit absorbierenden Materials.
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5 eine Funktionsdarstellung
der Flüssigkeitsabsorption
aufgetragen gegen den Abstand bei einem 45°-Saugtest
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6 eine schematische Darstellung
einer Einrichtung zum Messen der Trocknungskraft absorbierenden
Materials.
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7 eine Funktionsdarstellung
der Flüssigkeitsabsorption
aufgetragen gegen den hydrostatischen Druck bei einem Trocknungskrafttest.
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8 die Darstellung eines
Röntgendiffraktrogramms
von Zellulosefasern in einem absorbierenden Material gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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9 ein zusammengesetztes
Röntgendiffraktrogramm
für verschiedene
Zellulosefasern in absorbierenden Materialien gemäß dieser
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein neues absorbierendes Material, das
sich besonders gut eignet zum Einsatz als Kern in absorbierenden
Artikeln wie Windeln, Hygieneprodukten für Frauen, Inkontinenzeinrichtung
und dgl. Das absorbierende Material kann auch verwendet werden als
absorbierender Kern in einer beliebigen Einrichtung zum Absorbieren
von Körperausscheidungen
(z. B. Urin, Muttermilch, Blut, Serum). Das Material kann also eingesetzt
werden in Brustkissen (Stilleinlagen) für stillende Mütter oder
eingesetzt werden als absorbierendes Material in Chirurgietüchern (z.
B. Handtüchern)
oder Wundverbänden.
Das erfindungsgemäße Material
ist eine Mischung von Zellulosefasern und optional superabsorbierendem
Material in und zwischen den Fasern dieses Zellstoffs. Erfindungsgemäßes Material
bietet eine besondere Kombination von Geschmeidigkeit, Stärke und
Absorptionseigenschaften, die es besonders geeignet zum Einsatz
in absorbierenden Artikeln macht. Erfindungsgemäßes absorbierendes Material
kann direkt von einem Hersteller des absorbierenden Artikels verwendet
werden, ohne dass zusätzliche
Verarbeitungsschritte dieses Herstellers außer dem Schneiden und Falten
in die gewünschte
Größe und Form
für den
absorbierenden Artikel notwendig sind.
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein absorbierendes Material, das weich,
dünn und
sehr dicht ist. Ferner hat das Material verstärkte Absorptionseigenschaften
und hält
superabsorbierendes Material fest eingeschlossen in dem Fasernetzwerk
ohne Einsatz von Wasser, Chemikalien, Binder, Klebstoffen, thermoplastischen Kunststoffen,
thermoplastischen Binderfasern, Komplexbildnern oder dgl. Das absorbierende
Material hat genügend
Zusammenhalt (Festigkeit) zur Verarbeitung auf konventionellen Herstellungseinrichtungen
für Einwegprodukte
ohne Faserbruch.
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Nach
einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein absorbierendes Material,
das zwischen etwa 40 Gew.-% und etwa 100 Gew.-% Zellulosefasern
und zwischen etwa 0 Gew.-% und etwa 60 Gew.-% superabsorbierendes
Material enthält.
Das absorbierende Material hat einen Wassergehalt von unter etwa
10 Gew.-%. Der Begriff "Gew.-%" bedeutet hier das
Substanzgewicht pro Gewichtendmaterial bestimmt unter Raumbedingungen.
Beispielsweise bedeutet 10 Gew.-% superabsorbierendes Material 10
g/m2 superabsorbierendes Material pro 100
g/m2 Basisgewicht des absorbierenden Materials.
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Zellulosefasern
zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Material sind in der Technik
allgemein bekannt und beinhalten Zellstoff, Baumwolle, Flachs und
Torf. Die Erfindung bezieht sich auch darauf, dass in dem absorbierenden
Kern kurzgeschnit tene synthetische Fasern (bis zu 10%) beinhaltet
sind. Zellstoff ist bevorzugt. Zellstoff lässt sich gewinnen aus mechanischen
oder chemo-mechanischen, Sulfit-, Kraft-, Zellstoffbildungs-Ausschuss-Materialien,
organisch gelöstem
Zellstoff (organic solvent pulps), etc. (mechanical or chemi-mechanical,
sulfite, kraft, pulping reject materials, organic solvent pulps).
Sowohl Weichholz- als auch Hartholzsorten sind nützlich. Weichholzzellstoffe
sind bevorzugt. Es ist nicht erforderlich, Zellulosefasern mit chemischen
Debonding-Mitteln, Vernetzungsmitteln und dgl. zu behandeln, um
sie in dem erfindungsgemäßen Material
einzusetzen.
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Wie
oben ausgeführt,
ist eine bevorzugte Zellulosefaser zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Material
Zellstoff aus Holz. Holzzellstoff, der durch einen Prozess gewonnen
worden ist, der den Lignin-Anteil des Holzes reduziert, ist bevorzugt.
Vorzugsweise liegt der Lignin-Anteil des Zellstoffs unter etwa 16%.
Besonders bevorzugter Weise liegt der Lignin-Anteil unter etwa 10%.
Noch bevorzugter Weise liegt der Lignin-Anteil unter etwa 5%. Am
bevorzugtesten ist ein Lignin-Anteil von unter etwa 1%. Wie in der
Technik allgemein bekannt ist, berechnet sich der Lignin-Anteil
aus dem Kappa-Wert des Zellstoffs. Der Kappa-Wert wird bestimmt
mit einer allgemein bekannten Standardtestprozedur (TAPPI Test 265-cm
85). Der Kappa-Wert wurde bei einer Anzahl von Zellstoffen gemessen
und der Lignin-Anteil unter Verwendung des TAPPI Test 265-cm 85
berechnet. Bei Torf wurde ein Kappa-Wert von etwa 104 gefunden und
ein Lignin-Anteil von etwa 13,5%. CTMP-Zellstoff hatte einen Kappa-Wert
von etwa 123 und einen Lignin-Anteil von etwa 16%. Zellstoff gewonnen
aus Weichholz unter Verwendung entweder des Kraft- oder des Sulfitverfahrens
hatte einen Kappa-Wert von etwa 1,1 und einen Lignin-Anteil von
etwa 0,15%. Wenn der letztgenannte Zellstoff mit einem kalten kaustischen
Extraktionsverfahren behandelt wurde, lag der Kappa-Wert bei etwa
0,97 und der Lignin-Anteil bei etwa 0,12%.
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Zum
Einsatz bei der Erfindung werden Zellulosefasern vorzugsweise aus
Holzzellstoff mit einem Kappa-Wert von unter etwa 100 gewonnen.
Noch bevorzugter Weise liegt der Kappa-Wert unter etwa 75, 50, 25 oder
10. Am bevorzugtesten ist ein Kappa-Wert von unter etwa 2,5.
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Es
gibt bestimmte weitere Eigenschaften von Holzzellstoff, die ihn
zum Einsatz in erfindungsgemäßem absorbierenden
Material besonders geeignet machen. In den meisten Holzzellstoffen
hat Zellulose eine hohe relative Kristallinität (über etwa 65%). Im erfindungsgemäßen Material
ist die Verwendung von Holzzellstoff mit einer relativen Kristallinität von unter
etwa 65% bevorzugt. Noch bevorzugter liegt die relative Kristallinität unter etwa
50%. Am bevorzugtesten ist eine relative Kristallinität von unter
etwa 40%. Gleichfalls sind Zellstoffe mit einem erhöhten Faserkräuselwert
bevorzugt.
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Mittel
zum Behandeln von Zellstoffen zur Optimierung dieser Eigenschaften
sind in der Technik allgemein bekannt. Beispielsweise ist die Behandlung
von Holzzellstoff mit flüssigem
Ammoniak zur Verringerung der relativen Kristallinität und Erhöhung des
Faserkräuselwerts
bekannt. Eine Schnelltrocknung erhöht bekanntermaßen den
Faserkräuselwert
von Zellstoff und verringert die Kristallinität. Eine kalte kaustische Behandlung
von Zellstoff erhöht
ebenfalls den Faserkräuselwert
und verringert die relative Kristallinität. Eine chemische Vernetzung
verringert bekanntermaßen
die relative Kristallinität.
Vorzugsweise werden die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Materials
verwendeten Zellulosefasern zumindest teilweise mit einer kalten kaustischen
Behandlung oder Schnelltrocknung gewonnen.
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Eine
Beschreibung des kalten kaustischen Extraktionsprozesses findet
sich in der gemeinsam gehaltenen US Patentanmeldung Nr. 08/370,571,
angemeldet am 18.01.1995, die eine Continuation-In-Part-Anmeldung
zu der US Patentanmeldung Nr. 08/184,377, angemeldet am 21.01.1994,
ist. Der Offenbarungsinhalt dieser beiden Anmeldungen ist in seiner
Gesamtheit hier durch Inbezugnahme inbegriffen.
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Eine
kaustische Behandlung wird, kurz gesagt, typischerweise bei einer
Temperatur von unter etwa 60°C
durchgeführt,
vorzugsweise bei einer Temperatur von unter 50°C und besonders bevorzugter
Weise bei einer Temperatur zwischen etwa 10°C und 40°C. Eine bevorzugte Akalkimetallsalzlösung ist
Natriumhydroxidlösung,
und zwar frisch angesetzt oder als Nebenproduktlösung bei einem Zellstoff- oder
Papiermühlenvorgang,
z. b. hemikaustische weiße
Lauge, oxidierte weiße
Lauge und dgl. (hemicaustiv white liquor, oxidized white liquor).
Andere Alkalimetalle wie Ammoniumhydroxid und Kaliumhydroxid und
dgl. können
verwendet werden. Unter dem Ge sichtspunkt der Kosten ist das bevorzugte
Salz Natriumhydroxid. Die Konzentration der Alkalimetallsalze liegt
typischerweise in dem Bereich zwischen etwa 2 und etwa 25 Gew.-%
der Lösung
und vorzugsweise zwischen etwa 6 und etwa 18 Gew.-%. Zellstoffe
für schnelle
Absorptionsanwendungen mit hohem Durchsatz werden vorzugsweise mit
Alkalimetallsalzkonzentrationen zwischen etwa 10 und etwa 18 Gew.-% behandelt.
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Wie
in der Technik allgemein bekannt ist, ist eine Schnelltrocknung
ein Verfahren zum Trocknen von Zellstoffen, bei dem der Zellstoff
teilweise entwässert,
entstippt (fiberized) und in einen Heißluftstrom gebracht wird, der
die in dem Zellstoff enthaltene Flüssigkeit schlagartig entfernt.
Zusammengefasst wird der Zellstoff mit einer anfänglichen Stoffdichte von 30–45% (mit
55–70%
Wasser) direkt umgewandelt in einen Papierstaub (fluffer) (beispielsweise
Scheibenrefiner, disk refiner), wobei mechanische Einwirkungen verwendet
werden zum Entstippen (fiberize, Aufbrechen und Trennen) und Verteilen
der Fasern für
das Schnelltrocknungssystem. Nach der Entnahme aus der Staubbildungseinrichtung
wird der entstippte Zellstoff in ein Schnelltrocknungssystem eingebracht.
Das Trocknungssystem selbst ist aufgebaut aus zwei Stufen, die jeweils
aus zwei Trocknungstürmen
bestehen. Die Faser wird durch die Trocknungstürme mit Hochgeschwindigkeitsheißluft gefördert. Die
Eingangslufttemperatur der ersten Stufe beträgt etwa 240–260°C, während die Eingangslufttemperatur
der zweiten Stufe etwa 100–120°C beträgt. Hinter
jeder Trocknungsstufe werden der Zellstoff und die Heißluft in
einen Zyklonseparator gefördert,
wo die Heißluft,
die nun aus dem Zellstoff verdampfte Feuchtigkeit enthält, vertikal
abgeblasen wird. Die Abblastemperaturen der ersten Stufe betragen
hierbei etwa 100–120°C und die
Abblastemperaturen der zweiten Stufe etwa 90–100°C. Gleichzeitig zieht ein Materialtransportventilator
die Zellstofffasern durch den Zyklonenkonus und in den nächsten Teil
des Systems. Schließlich
wird der getrocknete Zellstoff hinter dem Zyklonenseparator der
zweiten Stufe durch eine Kühlstufe
aus einem Umgebungsluft fördernden
Kühlventilator
und einem Abschlusskühl-Zyklonenseparator
gebracht. Die Aufenthaltszeit in dem gesamten System einschl. beider
Trocknungsstufen der Zyklonentrennung und der Kühlung beträgt bei der verwendeten Transportrate
(1,5 kg Trockenmaterial pro Minute) etwa 30–60 s.
-
Ein
Nachteil bei der Herstellung von schnellgetrockneten Fasern mit
dem beschriebenen System ist die Erzeugung lokalisierter Faserbündel in
dem Enderzeugnis. Faserbündel
entstehen während
des Entstippens (fiberization) des Zellstoffs durch mechanische
Einwirkung innerhalb der Staubbildungseinrichtung. Das obige System
verwendet einen Scheibenrefiner mit zwei gerillten kreisförmigen Tellern
bei einer vorgegebenen Zwischenraumbreite, in diesem Fall 4 mm.
Ein Teller ist in einer festen Position, während der andere Teller mit hoher
Geschwindigkeit rotiert. Der Zellstoff wird in den Zwischenraum
zwischen den beiden Tellern eingebracht, und die Rotation des Tellers
führt zu
einer Trennung der Fasern entlang der Rillen. Nachteiligerweise verfangen
sich bei Entstippen des Zellstoffs einige der einzelnen Fasern miteinander
und bilden kleine Bündel aus
einigen einzelnen Fasern. Wenn diese verfangenen Fasern schnellgetrocknet
werden und die Feuchtigkeit entfernt wird, ziehen sich die Knäuel zusammen
und verhärten
sich, so dass in dem schnellgetrockneten Zellstoff kleine lokalisierte
Faserbündel
entstehen. Eine größere Zahl
dieser lokalisierten Faserbündel
innerhalb des im Luftstrom hergestellten Enderzeugnisses, das mit
dem schnellgetrockneten Zellstoff hergestellt wurde, kann zu einer
Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften und Leistungsfähigkeit
des Erzeugnisses führen.
Die Zahl der lokalisierten Faserbündel lässt sich durch Verwendung von
kaltkaustisch extrahiertem Zellstoff wesentlich verringern.
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Ein
erfindungsgemäßes absorbierendes
Material kann ein beliebiges superabsorbierendes Material enthalten,
wobei solche superabsorbierende Materialien in der Technik allgemein
bekannt sind. Hier bedeutet der Begriff "superabsorbierendes Material" ein im Wesentlichen
wasserunlösliches
Polymermaterial, das große
Flüssigkeitsmengen
im Verhältnis
zu seinem Gewicht absorbieren kann. Das superabsorbierende Material kann
in der Form von Stückgut,
Flocken, Fasern und dgl. vorliegen. Beispielhafte Stückgutformen
sind Granulat, pulverisierte Teilchen, Kugeln, Aggregate und Agglomerate.
Beispielhafte und bevorzugte superabsorbierende Materialien beinhalten
Salze vernetzter Polyacrylsäure,
etwa Natriumpolyacrylat. Superabsorbierende Materialien sind kommerziell
erhältlich
(z. B. Stockhausen GmbH, Krefeld, Deutschland).
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Material zwischen etwa 40 und etwa 100 Gew.-% Zellulosefasern
und vorzugsweise zwischen etwa 60 und etwa 80 Gew.-% Zellulosefasern.
Solches Material enthält
vorzugsweise zwischen etwa 0 und etwa 60 Gew.-% superabsorbierendes
Material und besonders bevorzugter Weise zwischen etwa 20 und 40
Gew.-% superabsorbierendes Material.
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Ein
absorbierendes Material wird hergestellt unter Verwendung von allgemein
in der Technik bekannten Einrichtungen zur Abscheidung im Luftstrom
(vgl. 1). Gemäß 1 werden Zellulosefasern
(z. B. Zellstoff) mit einer Hammermühle zur Vereinzelung der Fasern
verarbeitet. Die vereinzelten Fasern werden mit superabsorbierendem
Granulat in einem Mischsystem 1 (blending system) gemischt
und pneumatisch in eine Reihe von Abscheidungsköpfen 2 (forming heads)
gefördert.
Die Mischung und Verteilung der absorbierenden Materialien lässt sich
für jeden
Abscheidungskopf getrennt steuern. Eine gesteuerte Luftzirkulation
und geflügelte
Bewegungseinrichtungen in jeder Kammer erzeugen eine gleichmäßige Mischung
und Verteilung von Zellstoff und superabsorbierendem Material. Das
superabsorbierende Material kann gründlich und homogen in den gesamten
Stoff eingemischt werden oder nur in bestimmten Schichten enthalten
sein, indem es ausgewählten
Abscheidungsköpfen
zugeführt
wird. Fasern (und superabsorbierendes Material) aus jeder Abscheidungskammer
(forming chamber) werden mit Vakuum auf ein Abscheidungsnetz 3 (forming
wire) abgeschieden, wodurch ein geschichteter absorbierender Stoff
hergestellt wird. Der Stoff wird daraufhin mit geheizten Kalanderwalzen 4 (calendars)
komprimiert, um die gewünschte
Dichte zu erzielen. Der verdichtete Stoff wird mit konventionellen
Wickeleinrichtungen zu einer Walze 5 (roll) aufgewickelt.
Das Abscheidungsnetz 3 ist mit Gewebe bedeckt, um den Materialverlust
zu verringern. Die Gewebeschicht ist vorzugsweise in dem abgeschiedenen
Material beinhaltet.
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Dem
Fachmann sind geeignete Gewebematerialien zum Einsatz in absorbierenden
Erzeugnissen gut bekannt. Beispielhafte und bevorzugte Gewebe bestehen
aus gebleichtem Holzzellstoff und weisen eine Luftdurchlässigkeit
von etwa 273–300
CFM (Kubikfuß-Minute)
auf. Die Zugfestigkeit des Gewebes ist so, dass es bei der Herstellung
und dem Kalandern des absorbierenden Materials den Zusammenhalt
aufrechterhält.
Geeignete MD- und CD-Zugfestigkeiten (Maschinenrichtung und Querrichtung)
in Newton/Meter liegen zwischen etwa 100 und 130 bzw. 40 und 60.
Gewebe zum Einsatz in im Luftstrom abgeschiedenen absorbierenden
Materialien sind kommerziell erhältlich
(z. B. Duni AB, Schweden). Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Gewebe Crepe-Gewebe mit einer ausreichenden Zahl von Crepe-Falten
pro Zoll, die eine Maschinenrichtungs-Elongation zwischen 15 und
30% erlaubt (bestimmt mit dem Testverfahren SCAN P44:81).
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Ein
erfindungsgemäßes absorbierendes
Material hat eine hohe Dichte, und zwar über etwa 0,25 g/cc. Bei bevorzugten
Ausführungsformen
hat das Material eine Dichte in dem Bereich von etwa 0,25 g/cc bis
etwa 0,50 g/cc. Noch bevorzugter Weise liegt die Dichte zwischen
etwa 0,30 g/cc und etwa 0,45 g/cc. Besonders bevorzugter Weise liegt
die Dichte zwischen etwa 0,35 g/cc und etwa 0,45 g/cc.
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Im
Luftstrom abgeschiedene absorbierende Materialien werden typischerweise
mit niedriger Dichte hergestellt. Für höhere Dichtewerte, wie sie bei
der Erfindung bevorzugt sind, werden die im Luftstrom abgeschiedenen
Materialien mit Kalanderwalzen gemäß 1 verfestigt. Die Verfestigung geschieht
mit allgemein bekannten Mitteln. Typischerweise wird eine solche
Verfestigung durchgeführt
bei einer Temperatur von etwa 100°C
und einem Druck von etwa 130 N/mm. Die obere Verfestigungswalze
besteht typischerweise aus Stahl, während die untere Verfestigungswalze
typischerweise eine flexible Walze mit einer Härte von etwa 85 SH D ist. Vorzugsweise
sind sowohl die obere als auch die untere Verfestigungswalze glatt,
obwohl die obere Walze flach graviert sein kann. Wie im Folgenden
und in den Beispielen dargestellt, kann die Verwendung einer gravierten
oberen Walze zur Herstellung von Material mit langsameren Flüssigkeitsabsorptions-Geschwindigkeiten
führen.
Die Bevorzugung eines Kalanderns mit glatten Walzen ist in Anbetracht
der Lehre des US Patents Nr. 5,516,569 überraschend, das darstellt,
dass ein solches Kalandern zu einer erhöhten Gurley-Steifheit und zu
Schäden
an dem absorbierenden Material führt.
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Hochdichtes
absorbierendes Material gemäß der Erfindung,
das superabsorbierendes Material enthält, ist überraschend geschmeidig. Solches
Material hat ein Verhältnis
der Gurley-Steifheit, gemessen in Milligramm (mg), zur Dichte, gemessen
in Gramm pro Kubikzentimeter (g/cc), von unter etwa 4000. Bei bevorzugten
Ausführungsformen
liegt dieses Verhältnis
von Gurley-Steifheit zur Dichte unter etwa 3200 und besonders bevorzugter
Weise unter etwa 3000.
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Die
Gurley-Steifheit misst die Steifheit des absorbierenden Materials.
Je größer der
Wert der Gurley-Steifheit, umso steifer und unflexibler ist das
Material. Der Kehrwert der Gurley-Steifheit, ausgedrückt als inverse
Gramm (g–1),
ist daher ein Maß für die Weichheit,
Biegsamkeit und Flexibilität
des absorbierenden Materials. Der Begriff "Geschmeidigkeit" (suppleness) wird hier zur Beschreibung
dieser Eigenschaften von Weichheit, Flexibilität und Biegsamkeit verwendet.
Die Geschmeidigkeit ist definiert und wird ausgedrückt als der
Kehrwert der Gurley-Steifheit und hat die Einheit g–1.
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Wie
im Folgenden in den Beispielen ausgeführt, wurde die Geschmeidigkeit
bei erfindungsgemäßem absorbierenden
Material sowie bei absorbierenden Kernmaterialien aus zwei kommerziell
erhältlichen
Einwegwindeln bestimmt. Die Geschmeidigkeit wurde bei einer Anzahl
verschiedener Dichten bestimmt. Das erfindungsgemäße Material
war bei jeder getesteten Dichte erheblich geschmeidiger als bestehendes,
kommerziell erhältliches
Material. Das erfindungsgemäße Material
hat eine Geschmeidigkeit von zumindest 0,7 g–1.
Vorzugsweise ist die Geschmeidigkeit größer als 0,8, 0,9 oder 1,0 g–1.
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In
Anbetracht seiner Geschmeidigkeit ist erfindungsgemäßes absorbierendes
Material fest. Die Kissenfestigkeit ist ein allgemein bekanntes
Maß für die Festigkeit
absorbierenden Materials. Erfindungsgemäßes Material zeigt eine hohe
Festigkeit (hohe Kissenfestigkeit) über einen weiten Bereich von
Dichten (vgl. folgende Beispiele). Bei einer beliebigen gegebenen
Dichte im Bereich von 0,25–0,50
g/cc zeigt das erfindungsgemäße Material
eine erheblich höhere
(zwei- bis dreimal größere) Kissenfestigkeit
als das getestete kommerziell erhältliche Material.
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Erfindungsgemäßes absorbierendes
Material lässt
sich in einem breiten Bereich von Basisgewichten ohne nachteilige
Beeinflussung der Weichheit oder Festigkeit herstellen. Das Material
kann somit ein Basisgewicht in dem Bereich zwischen etwa 50 g/m2 und etwa 700 g/m2 haben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
liegt das Basisgewicht zwischen etwa 100 g/m2 und
etwa 500 g/m2 und besonders bevorzugter
Weise zwischen etwa 100 g/m2 und etwa 250
g/m2 oder zwischen etwa 350 g/m2 und
etwa 450 g/m2.
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Zusätzlich zur
Geschmeidigkeit und Festigkeit hat das erfindungsgemäße absorbierende
Material hervorragende Absorptionseigenschaften im Vergleich zu
bestehenden Materialien. Die Absorptionseigenschaften der Materialien
können
in verschiedener Weise ausgewertet werden. Für die Hersteller absorbierender
Artikel ist die Fähigkeit
des Materials von besonderer Bedeutung, große Flüssigkeitsmengen bei Belastung
zu absorbieren und diese Flüssigkeit
von dem Punkt des Flüssigkeitseintritts
weg zu verteilen.
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Die
Saugfähigkeit
(wicking) ist die Fähigkeit
eines absorbierenden Materials, Flüssigkeit von dem Punkt des
Flüssigkeitseintritts
wegzubringen und diese Flüssigkeit
in dem gesamten Material zu verteilen. Erfindungsgemäßes absorbierendes
Material hat überraschend
vorteilhafte Saugeigenschaften im Vergleich zu absorbierenden Kernen
aus kommerziell erhältlichen
absorbierenden Artikeln (z. B. Huggies® oder
Pampers® Windeln).
Wie im Einzelnen in den folgenden Beispielen beschrieben saugten
zwei Ausführungsformen
der Erfindung wesentliche Flüssigkeitsmengen über 152,4
mm (6 Zoll) vom Punkt des Flüssigkeitseintritts
aus. Bei einem Basisgewicht von 400 g/m2 und
20 Gew.-% superabsorbierendem Material betrug die 45°-Saugverteilung bei
127,0 mm (5 Zoll) 8 g Flüssigkeit
pro Gramm Material. Das gleiche Material hatte eine Saugverteilung bei
177,8 mm (7 Zoll) von ungefähr
1,7 g Flüssigkeit. Ähnliche
Saugeigenschaften ergaben sich bei 600 g/m2 Basisgewicht
und 40 Gew.-% absorbierendem Material gemäß der Erfindung. Im Gegensatz
dazu hatten absorbierende Kerne aus Huggies®- oder
Pampers®-Windeln
eine Saugverteilung bei 152,4 mm (6 Zoll) von weniger als 1 g Flüssigkeit
pro Gramm Material. Keiner der kommerziell erhältlichen Windelkerne verteilte
wesentliche Flüssigkeitsmengen
jenseits von 152,4 mm (6 Zoll).
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Die
Saugfähigkeit
eines absorbierenden Materials kann besser gekennzeichnet werden
durch Ausdrücken
der Saugeigenschaften über
die gesamte Länge
eines Testmusters. Wie im Einzelnen in den folgenden Beispielen
dargestellt, lässt
sich durch Berechnen der Gesamtmenge von absorbierter und aufgesaugter
Flüssigkeit
pro Testmuster (Berechnen der Flächen
unter einem Graphen der absorbierten Flüssigkeit über dem Abstand) eine Saugenergie
(die Kapazität
des absorbierenden Materials, zu absorbieren) berechnen. Da die Absorption
eine Funktion des Anteils an superabsorbierendem Material ist, kann
diese Energie auf den Anteil an superabsorbie rendem Material normiert
werden. Der resultierende Wert wird hier als "normalisierte Saugenergie" bezeichnet und hat
die Einheit ergs/g. Wie im Folgenden im Beispiel 6 dargestellt,
wurde die normalisierte Saugenergie sowohl für absorbierende Materialien
gemäß der Erfindung
als auch kommerziell erhältliche
absorbierenden Materialien bestimmt. Die Daten zeigen, dass ein
erfindungsgemäßes absorbierendes Material
eine normalisierte Saugenergie von zumindest etwa 3000 ergs/g hat.
Vorzugsweise liegt die normalisierte Saugenergie über etwa
3500, 4000, 5000 oder 7500 ergs/g. Besonders bevorzugter Weise liegen
die normalisierten Saugenergien des erfindungsgemäßes absorbierenden
Materials zwischen etwa 3000 und etwa 10000 ergs/g. Diese Werte
sind erheblich größer als
die mit anderen Materialien erzielten Werte.
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Es
ist wichtig, dass zum Einsatz in Artikeln wie Windeln, Hygieneprodukten
für Frauen
und Inkontinenzeinrichtungen ausgelegte absorbierende Materialien
Flüssigkeit
auch bei einem hydrostatischen Druckgradienten absorbieren können. Ein
Maß für diese
Absorptionsfähigkeit
ist die Trocknungskraft, die die Absorption von Flüssigkeit
bei einem auf die Flüssigkeitsquelle
ausgeübten
negativen hydrostatischen Druck misst. Der Trocknungskraft-Test
ist allgemein beschrieben bei Burgeni et al, Textile Research Journal,
37: 362, 1967, und im Einzelnen im folgenden Beispiel 7. Wie bei
der Saugenergie, lässt
sich durch Berechnen der Gesamtmenge während des Trocknungskraft-Tests
absorbierter Flüssigkeit
(Berechnen der Fläche
unter einem Graphen der absorbierten Flüssigkeit über dem Druck) die durch das
getestete Material geleistete Arbeit berechnen. Hier wird der Begriff "Trocknungsenergie" auf diese Trocknungsarbeit
bezogen. Die Einheit der Trocknungsenergie ist ergs/g. Die in Bezug
auf den Gehalt an superabsorbierendem Material korrigierte Trocknungsenergie
wird hier als "normalisierte
Trocknungsenergie" bezeichnet.
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Die
normalisierte Trocknungsenergie wurde für erfindungsgemäße absorbierende
Materialien sowie eine Anzahl kommerziell erhältlicher Materialien bestimmt.
Die Daten zeigen, dass das erfindungsgemäße absorbierende Material eine
normalisierte Trocknungsenergie von zumindest 6000 ergs/g hat. Vorzugsweise
liegt die normalisierte Trocknungsenergie über etwa 7000, 8000, 9000 oder
10000 ergs/g. Besonders bevorzugter Weise hat das erfindungsgemäße Material
eine normalisierte Trocknungsenergie zwischen etwa 6000 und etwa
16000 ergs/g.
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Die
spezifische Kombination aus Festigkeit, Absorptionsvermögen und
Geschmeidigkeit dieses absorbierenden Materials hat besondere Vorteile
für einen
Hersteller absorbierender Artikel. Typischerweise kauft ein solcher
Hersteller Zellstoff und muss diesen bei der Herstellung des Endprodukts
(z. B. Windeln, Damenbinde) im laufenden Verfahren (on-line) in
seiner Herstellungsfabrik verarbeiten. Diese Verarbeitungsschritte können ein
Entfasern (defibering) des Zellstoffs, das Zufügen von superabsorbierendem
Material und dgl. beinhalten. Bei einem on-line-System ist die Geschwindigkeit,
mit der diese Schritte durchgeführt
werden können,
durch den langsamsten der verschiedenen Schritte beschränkt. Ein
Beispiel für
solche Verarbeitungsschritte (z. B. Entfasern) erfordernden Zellstoff
ist beschrieben in dem US Patent Nr. 5,262,005.
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Die
Notwendigkeit, dass der Hersteller vorhandene Materialien on-line
entfasert oder anderweitig verarbeitet, bedeutet, dass der Gesamtproduktionsprozess
wesentlich komplexer wird. Ferner muss der Hersteller die für solche
Verarbeitungsschritte notwendige technische Ausstattung kaufen,
warten und betreiben. Damit steigen die Gesamtproduktionskosten.
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Erfindungsgemäßes absorbierendes
Material kann ohne Notwendigkeit solcher Verarbeitungsschritte direkt
in einen gewünschten
absorbierenden Artikel eingebracht werden. Der Hersteller des absorbierenden Artikels
muss das erfindungsgemäße Material
in keiner Weise entfasern oder anderweitig behandeln, außer es in
die gewünschte
Form zu bringen. In dieser Weise kann der Hersteller den Verarbeitungsprozess
beschleunigen und wesentliche Kosten- und Zeiteinsparungen realisieren.
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Das
erfindungsgemäße Material
kann als Einzelschicht aus gemischten Zellulosefasern und superabsorbierendem
Material hergestellt werden oder als eine Mehrzahl Schichten im
Luftstrom abgeschieden werden. Bei einer anderen Ausführungsform
wird das Material in zwei Schichten hergestellt. Jeder der Schichten kann
Zellulosefasern und superabsorbierendes Material enthalten, obwohl
es bevorzugt ist, das superabsorbierende Material auf eine Schicht
zu begrenzen. Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Material ist in drei oder vier
Schichten im Luftstrom abgeschieden. Diese Schichten beinhalten
eine Unterschicht, eine oder zwei Mittelschichten und eine Oberschicht.
Bevorzugte Ausführungsformen
mit drei und vier Materialschichten sind im Folgenden dargestellt.
Das superabsorbierende Material kann in beliebigen oder allen Schichten
enthalten sein. Die Konzentration (Gew.-%) des superabsorbierenden
Materials in den jeweiligen Schichten kann genauso variieren wie
die Art des verwendeten superabsorbierenden Materials. Materialien
mit fünf
oder mehr Schichten sind bei der Erfindung ebenfalls möglich.
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Eine
unerwartete Eigenschaft des erfindungsgemäßen Materials ist seine Fähigkeit,
superabsorbierendes Material bei mechanischer Belastung zurückzuhalten.
Im Gegensatz zu konventionell hergestellten Kernmaterialien hält das erfindungsgemäße Material über 85 Gew.-%
seines Gehalts an superabsorbierendem Material bei 10 min heftigem
Schütteln
(vgl. etwa Beispiel 4) zurück.
Vorzugsweise hält
erfindungsgemäßes Material über 90%,
noch bevorzugter Weise über
95% und besonders bevorzugter Weise über 99% seines superabsorbierenden
Materials unter diesen mechanischen Belastungen zurück.
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Auch
bei Herstellung in mehreren Schichten ist die Gesamtdicke des hergestellten
Materials gering. Die Dicke kann variieren zwischen etwa 0,5 mm
und etwa 2,5 mm. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke
zwischen etwa 1,0 mm und etwa 2,0 mm und besonders bevorzugter Weise
zwischen etwa 1,25 mm und etwa 1,75 mm.
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Eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen absorbierenden
Materials ist besonders geeignet zur Verwendung in Hygieneprodukten
für Frauen
(vgl. 2). Ein solches
Material hat ein Basisgewicht zwischen etwa 100 g/m2 und
etwa 250 g/m2 und eine Dichte zwischen etwa
0,25 g/cc und 0,5 g/cc. Vorzugsweise liegt die Dichte zwischen etwa
0,3 g/cc und etwa 0,45 g/cc und besonders bevorzugter Weise bei
etwa 0,4 g/cc.
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Bei
einer Ausführungsform
ist ein Material zur Verwendung in einem Hygieneprodukt für Frauen
in drei Schichten im Luftstrom abgeschieden: Eine Unterschicht aus
Zellstoff (ohne superabsorbierendes Material) mit einem Basisgewicht
von etwa 25 g/m2; eine Mittelschicht mit
einem Basisgewicht von etwa 150 g/m2, die zwischen
etwa 10 g/m2 und etwa 30 g/m2 superabsorbierendes
Material und zwischen etwa 120 g/m2 und
etwa 140 g/m2 Zellstoff enthält; und
eine Oberschicht aus Zellstoff (ohne superabsorbierendes Material)
mit einem Basisgewicht von etwa 25 g/m2.
Relativ zu dem Gesamtbasisgewicht des Materials liegt der Anteil
des superabsorbierenden Materials zwischen etwa 5 und etwa 15 Gew.-%
(g/m2 superabsorbierendes Material pro g/m2 Material). Vorzugsweise liegt der Anteil
des superabsorbierenden Materials zwischen etwa 7,5 Gew.-% und etwa
12,5 Gew.-% des Materials. Besonders bevorzugter Weise enthält das Material
etwa 10 Gew.-% superabsorbierendes Material. Somit enthält die Mittelschicht
des Material vorzugsweise zwischen etwa 15 g/m2 und etwa
25 g/m2 superabsorbierendes Material und
zwischen etwa 125 g/m2 und etwa 135 g/m2 Zellstoff und besonders bevorzugter Weise
etwa 20 g/m2 superabsorbierendes Material
und etwa 130 g/m2 Zellstoff. Die Mittelschicht
mit Zellstoff und superabsorbierendem Material kann abgeschieden
werden als homogene Mischung oder als heterogene Mischung, bei welcher
sich der Anteil des superabsorbierenden Materials in Abhängigkeit von
der Entfernung zu der Unterschicht verändert.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist das Material in vier Schichten im Luftstrom abgeschieden. Bei dieser
Ausführungsform
ist die oben erwähnte
Mittelschicht ersetzt durch zwei Mittelschichten: Eine erste Mittelschicht
benachbart zur Oberschicht und eine zweite Mittelschicht benachbart
zur Unterschicht. Sowohl die erste als auch die zweite Mittelschicht
beinhalten unabhängig
voneinander zwischen etwa 10 und etwa 30 g/m2 superabsorbierendes
Material und zwischen etwa 40 g/m2 und etwa
65 g/m2 Zellstoff. Wenn gewünscht wird, absorbierte
Flüssigkeit
von der Oberseite des Hygieneprodukts für Frauen wegzuhalten (d. h.
von der Oberfläche
des Artikels in nächster
Nähe zu
dem Benutzer weg), wird die Menge superabsorbierendes Material in
der ersten und zweiten mittleren Schicht so eingestellt, dass es
einen höheren
Anteil von superabsorbierendem Material in der zweiten mittleren
Schicht gibt. Das superabsorbierenden Material in der ersten und
das in der zweiten mittleren Schicht können gleich oder können verschieden
sein.
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Eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen absorbierenden
Materials ist besonders geeignet zur Verwendung in Windeln und Inkontinenzprodukten
(3). Da solche Artikel
erwartungsgemäß große Mengen
weniger viskoser Flüssigkeit
absorbieren und zurückhalten
müssen
als ein Hygieneartikel für
Frauen, ist ein solches Material schwerer und hat somit ein bevorzugtes
Basisgewicht zwischen etwa 350 g/m2 und etwa
450 g/m2. Die Gesamtdichte des Materials
liegt zwischen etwa 0,3 g/cc und 0,5 g/cc. Vorzugsweise liegt die
Gesamtdichte zwischen etwa 0,25 g/cc und etwa 0,45 g/cc und besonders
bevorzugter Weise bei etwa 0,4 g/cc.
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In ähnlicher
Weise wie oben beschrieben kann ein zur Verwendung in Windeln geeignetes
Material in zwei, drei oder vier Schichten im Luftstrom abgeschieden
sein. Wenn drei Schichten verwendet werden, hat die Unterschicht
ein Basisgewicht von etwa 50 g/m2, die Mittelschicht
ein Basisgewicht von etwa 300 g/m2, wobei
diese zwischen etwa 40 g/m2 und etwa 200
g/m2 superabsorbierendes Material und zwischen
etwa 100 g/m2 und etwa 260 g/m2 Zellstoff
enthält,
und eine Oberschicht mit einem Basisgewicht von etwa 50 g/m2. Vorzugsweise enthält die Mittelschicht zwischen
etwa 70 g/m2 und etwa 170 g/m2 superabsorbierendes
Material und zwischen 130 g/m2 und etwa
230 g/m2 Zellstoff. Besonders bevorzugter
Weise enthält
die Mittelschicht etwa 80 g/m2 superabsorbierendes
Material und etwa 220 g/m2 Zellstoff oder
etwa 160 g/m2 superabsorbierendes Material
und etwa 140 g/m2 Zellstoff. Die Mittelschicht
mit Zellstoff und superabsorbierendem Material kann abgeschieden
werden als homogene Mischung oder als heterogene Mischung, bei welcher
der Anteil des superabsorbierenden Materials abhängig von der Entfernung zu
der Unterschicht variiert.
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Bei
einer Vierschicht-Ausführungsform
ist die Mittelschicht ersetzt durch eine erste und einer zweite Mittelschicht
mit der obigen Anordnung. Sowohl die erste als auch die zweite Mittelschicht
enthalten unabhängig
voneinander zwischen etwa 20 g/m2 und etwa
100 g/m2 superabsorbierendes Material und
zwischen etwa 50 g/m2 und etwa 130 g/m2 Zellstoff. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
hat die zweite Mittelschicht einen höheren Anteil superabsorbierendes
Material als die erste Mittelschicht. In dieser Weise hat das hergestellte absorbierende
Material eine Tendenz, absorbierte Flüssigkeit von der Körperoberfläche des
Benutzers des Artikels wegzuhalten. Das superabsorbierenden Material
in der ersten und das in der zweiten Mittelschicht können gleich
oder verschieden sein.
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Erfindungsgemäßes superabsorbierendes
Material kann einzeln oder als Mehrfachlagen-Struktur in einen absorbierenden
Artikel eingebaut sein. Möglichkeiten
zur Herstellung von Mehrfachlagen-Strukturen durch Falten sind in
der Technik allge mein bekannt. Beispielsweise kann ein Fachmann
mit dem erfindungsgemäßen absorbierenden
Material vor dem Einbau in einen absorbierenden Artikel eine "C"-, "G"- oder "Z"-Faltung
durchführen.
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Die
folgenden Beispiele illustrieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
und sollen die Beschreibung und die Ansprüche in keiner Weise einschränken.
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Beispiel 1
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Entsprechend
der obigen Prozedur wurde mit einem kalt-kaustisch extrahierten
Zellstoff ein absorbierendes 400 g/m2-Material
hergestellt. Die Gesamtzusammensetzung des Stoffs war 60% Zellstoff
und 40% Stockhausen T5318 als superabsorbierendes Material. Die
Gurley-Steifheitswerte des superabsorbierenden Materials sowie von
absorbierenden Kernen aus kommerziell erhältlichen Windeln wurden unter
Verwendung eines Gurley-Steifheittestgeräts (Modell Nr. 4171E) von Gurley
Precission Instruments aus Troy, NY, gemessen. Das Instrument misst
das zur Erzeugung einer vorgegebenen Ablenkung eines Teststreifens
bestimmter Abmessungen, der an einem Ende befestigt ist und eine
an dem anderen Ende angebrachte konzentrierte Last hält, erforderliche
von außen
angelegte Moment. Die kommerziellen Kernmaterialien wurden verdichtet,
um einen zu dem erfindungsgemäßen Material
vergleichbaren Dichtebereich zu erzielen. Die Resultate werden in "Gurley-Steifheits"-Werten in Einheiten
von mm angegeben. Anzumerken ist, dass mit höherer Steifheit des Materials
dieses weniger flexibel und daher weniger weich ist. Tabelle 1 zeigt
die Resultate dieses Tests.
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Tabelle
1
Auswirkung der Dichte auf die Gurley-Steifheit
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Beispiel 2
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Es
wurden erfindungsgemäß absorbierende
Materialien hergestellt mit Basisgewichten von 400 g/m2 und
600 g/m2, die 20 bzw. 40 Gew.-% superabsorbierendes
Material enthielten. Unter Verwendung eines von M/K Systems aus
Danvers, MA, hergestellten GATS-Systems wurden Saugeigenschaften
des Materials und eines Kerns aus einer Huggies®-Windel
gemessen. 4 zeigt den
Aufbau des Tests. Eine 45°-Saugtestzelle ist
an der Absorptionsmessvorrichtung befestigt. Die Testzelle besteht
im Wesentlichen aus einer kreisförmigen
Flüssigkeitszuführeinheit
für die
Proben und 45°-Rampen.
Die Flüssigkeitszuführeinrichtung
weist eine rechteckige Wanne auf, und der Flüssigkeitspegel wird von der
Messeinheit auf konstanter Höhe
gehalten. Die Probe wurde hergestellt mit Abmessungen von 1'' × 12''. Die Probe wurde entlang ihrer Länge nach
jedem Zoll markiert. Die Probe wurde dann auf die Rampe der Testzelle
gebracht, wobei sichergestellt wurde, dass eine der Kanten der Probe
in die Wanne eintaucht. Der Test wurde für 30 min durchgeführt. Die
Probe wurde nach dem festgelegten Zeitraum entfernt und entlang
den markierten Abständen
aufgeschnitten. Die zerschnittenen Stücke wurden in vorab gewogene
Aluminiumwaagschalen gelegt. Die Waagschalen mit nassen Proben wurden
wieder gewo gen und dann im Ofen auf ein konstantes Gewicht getrocknet.
Durch einen richtigen Massenausgleich bei den Daten lässt sich
die Absorption in der Probe bei jedem Zoll bestimmen. Die folgende
Tabelle 2 zeigt die Resultate des Tests:
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Die
Daten zeigen, dass der erfindungsgemäße absorbierende Stoff die
Fähigkeit
hat, große
Flüssigkeitsmengen
sehr schnell von der Flüssigkeitsquelle
weg zu transportieren.
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Weitere
Untersuchungen wurden durchgeführt
mit einem erfindungsgemäßen Material
mit 400 g/m2 Basisgewicht, 0,40 g/cc Dichte,
40 Gew.-% superabsorbierendem Material (C11, C12 und C13) und den
absorbierenden Kernen aus kommerziell erhältlichen Huggies®- und
Pampers®-Windeln
sowie mit kommerziellen Rollwaren von Buckeye Absorbent Produkts
(Delta, British Columbia, Kanada) (Zorb Core Thermal Bond Product
Code 44500) und Concert Fabrication LTEE (Thurso, Quebec, Kanada)
(Concert Product Code 280). Die Resultate dieser Untersuchungen
sind in der folgenden Tabelle 3 zusammengefasst.
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Die
Resultate zeigen die hervorragenden Saugfähigkeiten eines erfindungsgemäßen absorbierenden Materials
im Vergleich zu kommerziell erhältlichem
Material. Es ergibt sich, dass erfindungsgemäßes Material wesentliche Flüssigkeitsmengen über einen
Abstand von mehr als 177,8 mm (7'') saugt. Im Gegensatz
dazu zeigt keines der kommerziell erhältlichen Materialien eine Verteilung
von wesentlichen Flüssigkeitsmengen über diese
Strecke.
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Beispiel 3
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Es
wurde eine Reihe von Proben hinsichtlich des Zusammenhalts der absorbierenden
Kerne in einem Bereich von Materialdichten zwischen etwa 0,20 g/cc
und etwa 0,50 g/cc untersucht. Der Test wurde durchgeführt auf
einer Instron Universal Testing Machine. Im Wesentlichen misst der
Test die zum Durchstoßen
durch die Testprobe erforderliche Last wie beschrieben in der PFI-Methode
von 1981. Eine Testprobe mit Abmessungen von 50 × 50 mm wird an dem Instron-Gerät mit einer
geeigneten Befestigungsvorrichtung festgeklemmt. Ein Kolben mit
20 mm Durchmesser bewegt sich mit der Geschwindigkeit von 50 mm/min
und durchstößt die ruhende
Probe. Die zum Durchstoßen
der Probe erforderliche Kraft wird gemessen. Die folgende Tabelle
4 zeigt die Resultate des Tests.
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Tabelle
4
Dichte abhängig
vom Kernzusammenhalt
-
Die
obigen Daten zeigen deutlich, dass das erfindungsgemäße absorbierende
Material fester als die konventionellen absorbierenden Kerne in
den kommerziellen Windeln ist.
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Beispiel 4
-
Zur
Bestimmung der Menge von lose gehaltenem superabsorbierenden Material
in verschiedenen absorbierenden Materialien wurde das Material in
einem Ro-Tap-Siebschüttelgerät (Ro-Tab
Sieve Shaker), hergestellt von W. S. Tyler Co., Cleveland, OH, geschüttelt. Es
wurden absorbierende Kerne aus kommerziellen Windeln, Huggies® Ultratrim
und Pampers® Babydry
Stretch mit etwa 40 Gew.-% superabsorbierendem Materialgranulat
vorsichtig entfernt und in ein 28er Maschensieb (Tyler Serie) gelegt.
Zusätzliche
Siebe mit 35er Maschen und 150er Maschen wurden an dem ersten Sieb
befestigt und so eine Säule
zunehmend feiner Siebe hergestellt. Diese Siebsäule wurde an einem Ende abgedeckt,
um den Verlust von Fasern und/oder superabsorbierendem Material
zu verhindern. Die Siebsäule
wurde in den Schüttler
gebracht und 10 min bewegt. Die Menge der aus den absorbierenden
Kernen freigeschüttelten
superabsorbierenden Materialgranulatkörner, das "freie superabsorbierende Material", wurde durch Kombinieren
des in jedem Sieb enthaltenen Rests und Abtrennen der Zellulosefasern
von dem superabsorbierenden Material bestimmt. In vergleichbarer
Weise wurden Vergleichsdaten für
ein erfindungsgemäßes absorbierendes
Material mit 40% superabsorbierendem Material ermittelt. Das Material
wurde wie bei Beispiel 1 hergestellt.
-
Die
Daten in Tabelle 5 zeigen, dass das erfindungsgemäße absorbierende
Material 100% der superabsorbierenden Materialgranulatkörner zurückhält, während die
kommerziellen Kerne aus den Huggies®- und Pampers®-Produkten
ungefähr
16,6 Gew.-% und 29,5 Gew.-% des gesamten in dem Kern enthaltenen
superabsorbierenden Materials verloren.
-
Tabelle
5
Bestimmung des freien superabsorbierenden Materials in absorbierenden
Kernen
-
Beispiel 5
-
Gemäß Beispiel
1 hergestelltes absorbierendes Material wurde mit glatten und gravierten
(strukturierten) Walzen kalandert, um eine gewünschte Dichte zu erzielen.
Die Absorptionskapazität
des Materials in Abhängigkeit
von verschiedenen angelegten Drücken
wurde gemessen durch Auflegen eines bekannten Gewichts auf die Oberseite
des absorbierenden Materials, wobei das bekannte Gewicht einen bestimmten
Druck auf das absorbierende Material ausübt, dann Berühren des
absorbierendes Materials mit einer Standard-(0,9%)Salzlösung und
das Material Flüssigkeit
Absorbierenlassen, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Die
folgende Tabelle 6 zeigt die Resultate des Tests:
-
Tabelle
6
Wirkung von Prägung
auf die Absorptionskapazität
-
Aus
den Testdaten ist offensichtlich, dass die Absorption des Materials,
das mit den strukturierten Walzen kalandert wurde, geringer ist
als die des mit glatten Walzen kalanderten Materials. Die strukturierten
Walzen prägen
das Material im Wesentlichen. Die geringere Absorption kann verursacht
sein durch Schäden
an den superabsorbierenden Materialpartikeln oder durch das Einführen sehr
hochverdichteter Bereiche in das Material als Folge des Prägens. Schäden an superabsorbierenden
Materialgranulatkörnern
und die Erzeugung hochverdichteter Zonen in dem absorbierenden Material
können
eine negative Auswirkung auf die Absorptionskapazität haben.
Daher ist es bevorzugt, das Material mit einer glatten Walze zu
kalandern.
-
Beispiel 6
-
Unter
Verwendung der Prozeduren von Beispiel 2 wurde eine 45°-Saugabsorption
bestimmt. Die folgenden Probengruppen wurden getestet: a) absorbierendes
Material nach der Erfindung mit einem Basisgewicht von etwa 400
g/m2, einer Dichte von etwa 0,4 g/cc und
verschiedenen Anteilen an superabsorbierendem Material von etwa
15 Gew.-% (Probe C11), 28 Gew.-% (C12), 39 Gew.-% (C1) und 42 Gew.-%
(C13); b) thermisch gebundener, im Luftstrom abgeschiedener Papierstaub
(fluff), erhalten von Concert Fabrication, LTEE (Concert Fabrication
LTEE Produktcode 500, 280, 130) oder Buckeye Absorbent Products
(Zorb Core, thermisch gebunden, Produktcode 44500); der aus einer
Huggies®-Windel
entnommene absorbierende Kern und der aus einer Pampers®-Windel
entnommene absorbierende Kern. Die Proben C11, C12 und C13 wurden
mit 100% kalt-kaustisch behandelten Fasern hergestellt. Die Probe
C1 wurde hergestellt mit einer Mischung aus 50% kaltkaustisch behandelten
Faser und 50% nicht kalt-kaustisch behandelten Fasern. Bei jeder
Probe wurde die absorbierte Flüssigkeitsmenge
pro Gramm Probe aufgetragen über
dem Abstand vom Ursprung (Flüssigkeitsquelle).
Ein typischer Graph ist in 5 gezeigt.
Die Fläche
unter der Kurve wurde berechnet und unter Verwendung der folgenden
Formel:
[(y1)(x2 – x1) + 0.5(y2 – y1)(x2 – x1) + (y2)(x3 – x2) + 0.5(y3 – y2)(x3 – x2) + ... + (yn)(xn – xn–1)
+ 0.5(yn – yn–1)(xn – xn–1)],
wobei xi der Abstand bei i-ten Zoll ist
und yi die Absorption beim i-ten Zoll.
-
Diese
Fläche
wurde dann multipliziert mit der Gravitationskonstanten (981 cm/s2) und dem Sinus von 45°, um den Energiewert in ergs/g
zu ermitteln. Der ermittelte Energiewert wurde auf das superabsorbierende Material
normalisiert durch Dividieren durch den prozentualen Anteil an superabsorbierendem
Material (% SAP). Die Resultate dieser Untersuchungen sind in der
folgenden Tabelle 7 zusammengefasst.
-
-
Die
Daten zeigen, dass das erfindungsgemäße Material im Vergleich zu
den anderen Materialien eine überlegende
Saugleistung zeigt.
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Beispiel 7
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Es
wurden verschiedene erfindungsgemäße absorbierende Materialien
sowie kommerziell erhältliche absorbierende
Materialien (vgl. Beispiel 6 oben) untersucht, um ihre Fähigkeit
zur Absorption von Flüssigkeiten gegenüber einem
negativen hydrostatischen Druckgradienten zu bestimmen. Zur Bestimmung
der Absorptionsfähigkeit
des Materials (im Folgenden als normalisierte Trocknungsenergie
bezeichnet) wurde der allgemein bekannte Trocknungskrafttest (Referenz:
Burgeni et al, Textile Research Journal, 37 1967 362) verwendet.
Die Absorption wird gemessen unter variierenden hydrostatischen
Drucksäulen
(Zug). Die Trocknungsenergie wird aus den Absorptionsdaten ermittelt.
-
Die
Absorption der Proben wurde bei verschiedenen negativen hydrostatischen
Drücken
gemessen, d. h. bei negativen hydrostatischen Säulen. Der negative hydrostatische
Druck übt
auf die Probe eine Saugkraft aus. Das absorbierende Material muss
genügend
positive Kraft ausüben,
um zur Absorption von Flüssigkeit
die negative Saugkraft zu überwinden.
Die positive Kraft resultiert aus dem Kapillardruck der Fasermatrix und
dem osmotischen Druck des superabsorbierenden Polymers. Wenn das
absorbierende Material Flüssigkeit
aufnimmt, nimmt der positive Druck ab. Es wird ein Punkt erreicht,
an dem die zum Ausgleichen der Saugkraft notwendige positive Kraft
unzureichend wird. Dieser Punkt wird als Gleichgewichtsabsorption
bezeichnet und stellt die Grenze der Absorption dar. Der hydrostatische
Druck wird systematisch in 5 cm-Schritten von 35 cm bis 1 cm Wasser
verringert, wobei die Gleichgewichtsabsorption bei jedem hydrostatischen
Zugwert gemessen wird. Bei einem hydrostatischen Zugwert von etwa
1 cm Wasser ist das Fasernetzwerk vollständig mit der Testflüssigkeit
gesättigt
und das superabsorbierende Polymermaterial vollständig hydriert.
Dieser Punkt stellt die maximale Absorption dar.
-
Eine
schematische Illustration eines Instruments für Messungen zu dieser Charakterisierung
ist in 6 dargestellt.
Wie 6 zeigt, weist das
Instrument eine Flüssigkeitsquelle
sowie eine einstellbare Probenkammer auf. Die Flüssigkeitsquelle weist ein Flüssigkeitsreservoir
mit konstantem Pegel zusammen mit einem Versor gungsreservoir auf.
Das gesamte Flüssigkeitsreservoir
ist als Bauteil auf einer Waage angeordnet, um eine Bestimmung der
Masse des Flüssigkeitsverlusts
oder -gewinns des Flüssigkeitsreservoirs
durchzuführen.
Die Flüssigkeitsquelle
ist über
eine Röhre
mit der einstellbaren Probenkammer verbunden. Die einstellbare Mehrfachanschlusskammer
(erhältlich
bei M-K Systems aus Danvers, MA) weist eine feste Halterung auf, auf
der ein Filterpapier (Whatman # 5) und eine Probe absorbierendes
Material liegt. Die feste Halterung zusammen mit dem Filter und
der Probe sind an einer Vorrichtung befestigt, die ein Anheben und
Absenken der Probenhöhe
relativ zu der Höhe
der Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsreservoir
erlaubt. Wenn das Niveau der Probe und der Probenkammer das gleiche
wie der Pegel des Konstantpegel-Flüssigkeitsreservoirs ist, gibt
es eine hydrostatische Drucksäule
von 0 in Bezug auf die Probe. Wenn das Probenniveau über den
Flüssigkeitspegel in
dem Konstantpegel-Flüssigkeitsreservoir
angehoben wird, wird an die Probe eine negative hydrostatische Drucksäule angelegt.
Die Größe der hydrostatischen
Drucksäule
entspricht der Höhendifferenz
zwischen der Probe und dem Flüssigkeitsreservoir
gemessen in cm.
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Die
verschiedenen Proben absorbierenden Materials wurden in dem Instrument
angeordnet, und es wurden Flüssigkeitsabsorptionsmessungen
in einem Bereich von hydrostatischen Drücken durchgeführt. Die bei
jedem Druck absorbierte Flüssigkeitsmenge
(normalisiert auf Probentrockengewicht) wurde über dem hydrostatischen Druck
aufgetragen. Ein typischer Graph ist in 7 gezeigt. Die Fläche unter der Kurve von Punkt
A bis Punkt Y wird integriert. Die Trocknungsenergie (ergs/g) ist
als diese Fläche
definiert. Die normalisierte Trocknungsenergie ist definiert als
der Trocknungsenergiewert dividiert durch den Prozentwert des superabsorbierenden
Materials in der Probe. Die Resultate dieser Untersuchungen sind
in der folgenden Tabelle 8 zusammengefasst.
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Die
Daten in Tabelle 8 zeigen, dass erfindungsgemäßes Material im Vergleich zu
kommerziell erhältlichen
Materialien vergleichbarer Dichte eine bessere normalisierte Trocknungsenergie
zeigt.
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Beispiel 8
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Die
Proben aus den Beispielen 6 und 7 wurden hinsichtlich ihrer Geschmeidigkeit
analysiert. Es wurden Gurley-Steifheitsmessungen mit den Prozeduren
des Beispiels 1 durchgeführt.
Die Daten aus diesen Untersuchungen sind in der folgenden Tabelle
9 zusammengefasst.
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Tabelle
9
Geschmeidigkeit
-
Die
Daten in Tabelle 9 zeigen, dass ein erfindungsgemäßes hochdichtes
Material eine mit kommerziell erhältlichen Proben mit geringer
Dichte vergleichbare Geschmeidigkeit hat.
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Beispiel 9
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Aus
kommerziellen Huggies®- und Pampers®-Windeln
wurden vorsichtig die absorbierenden Kerne entnommen. Die Kerne
wurden geschnitten auf 35,88 cm Länge und 9,53 cm Breite (141/8'' × 3¾''). Die absorbierenden Kerne wurden auf
1,0 mil (1000stel Zoll) Polyethylen gelegt und mit einer nicht-gewebten
Abdeckung bedeckt (PGI Thermal Bonded Nonwooven Cover, thermisch
gebundene nicht-gewebte Abdeckung). In vergleichbarer Weise wurde
ein erfindungsgemäßes Material
(Basisgewicht 400 g/m2, Dichte 0,40 g/cc,
40 Gew.-% superabsorbierendes Material (Mischung aus kalt-kaustisch
extrahiertem und nicht kalt-kaustisch extrahiertem Zellstoff) auf
Polyethylen gelegt und abgedeckt. Alle Proben wurden hinsichtlich
Flüssigkeitsaufnahme
und Rücknässen unter
Verwendung von allgemein in der Technik bekannten Standardprozeduren
getestet. Diese Tests messen die Absorptionsmenge von Mehrfachflüssigkeitseinträgen (insults)
in ein absorbierendes Produkt oder Material und die Flüssigkeitsmenge
der Rücknässung bei
3,45 kPa, (0,5 psi) Last. Dieses Verfahren ist geeignet für alle Typen
absorbierenden Materials, insbesondere solche für Urinanwendungen.
-
Kurz
gesagt wird eine festgelegte Menge Salzlösung von einem absorbierenden
Produkt oder Material absorbiert. Die Absorption wird aufgezeichnet,
und es folgt eine 30-minütige
Absorptions- und Saugphase. Es wird dann für 2 min ein Filterpapier und
eine 3,45 kPa (0,5 psi) Last auf die Testprobe gebracht. Die Flüssigkeitsaufnahmezeit
und das Volumen des Rücknässens werden
aufgezeichnet. Dieser Absorptions- und Rücknässprozess wird dreimal wiederholt.
Jeder Wert wird zusammen mit dem Mittelwert und der Standardabweichung
aufgezeichnet. Dieser Test misst die Absorptionsrate und die Absorptionskapazität. Der Test
wird dreifach durchgeführt,
um die Resultate zu verifizieren. Bei der vorliegenden Untersuchung
wurden 50 ml Salzlösung
als Flüssigkeitslast
verwendet. Zusätzlich
zur Bestimmung der Aufnahmezeiten und Rücknässmassen nach der dritten Beaufschlagung
(insult), wird die Saugstrecke für
jede Probe berechnet. Die Resultate dieser Untersuchungen sind in
der folgenden Tabelle 10 zusammengefasst.
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Tabelle
10
Aufnahme- und Rücknässtest
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Es
ergibt sich aus den Daten der Tabelle 10, dass das erfindungsgemäße Material
trotz verringertem Probengewicht eine größere Saugstrecke und einen
niedrigeren Rücknässwert als
kommerziell erhältliche
Materialien zeigte.
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Beispiel 11: Röntgenbeugungsuntersuchungen
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Röntgenbeugung
(XRD) ist eine Technik zur Bestimmung atomarer und molekularer Strukturen
kristalliner Materialien. Für
die XRD-Analyse wird die Probe mit einem Röntgenstrahl bestrahlt (typischerweise
CuKa-Röntgenstrahlung).
Die Kristallebenen und einzelne Atome innerhalb der Kristallebenen
streuen und beugen den Röntgenstrahl.
Jede kristalline Substanz erzeugt ein individuelles Beugungsmuster,
das im Wesentlichen einen "Fingerabdruck" der kristallinen
Struktur der Verbindung darstellt. Beugungsmuster werden entweder
auf einem Filmstreifen oder als computerisiertes Spektrum wiedergegeben.
Es werden Vergleiche gezogen zu Referenzmustern aus Datenbanken,
etwa den JCPDS (Joint Comittee on Powder Diffraction Standards, Vereinigtes
Komitee für
Pulverbeugungsstandards)-Dateien, um die Verbindung zu identifizieren.
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Die
relative Kristallinität
von vier, in den absorbierenden Materialien verwendeten Zellulosefasern
wurde mit XRD-Analyse bestimmt. Die vier Proben wurden durch das
Kraftverfahren aus Südkiefern-Holz (Southern
Pine wood) hergestellt. Alle Proben wurden auf eine Dichte von 0,35–0,40 g/cc
und ein Basisgewicht von 350–450
g/m2 komprimiert. Eine Kontrollprobe (A)
war weder kalt-kaustisch extrahiert noch schnellgetrocknet. Eine
zweite Probe (B) wurde aus wie zuvor beschrieben schnellgetrocknetem
Zellstoff hergestellt. Eine dritte Probe (C) wurde aus Zellstoff
herge stellt, der extrahiert wurde mit einer kalten, 13 Gew.-%igen
Lösung von
NaOH. Eine vierte Probe (D) wurde aus mit einer kalten, 16 Gew.-%igen
NaON-Lösung
extrahiertem Zellstoff hergestellt.
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Aus
jeder Probe wurde ein 25 mm Quadrat von Material ausgeschnitten,
und die Ecken wurden abgerundet, um eine kreisförmige Probe mit ungefähr 25 mm
Durchmesser herzustellen. Jede kreisförmige Probe wurde dann auf
einem Aluminiumteller mit doppelseitigem Band montiert. Der Aluminiumteller
hatte ungefähr 25
mm Durchmesser und 1 mm Dicke. Der Aufbau aus Teller und Probe wurde
dann in einen quadratischen Halter gebracht und durch einen Rückhaltering
an der Stelle gehalten. Mit dem Rückhaltering wurde die für die richtige
Quellen-Proben-Geometrie notwendige Probenhöheneinstellung durchgeführt. Jede
Probe wurde dann mit Kupferstrahlung von 2°–40° 2θ, einer Beschleunigungsspannung
von 46 keV, einem Bestrahlungsstrom von 40 mA, einer Schrittweite
von 0,5° 2θ und einer
Datenaufnahmezeit von 2 s pro Schritt Röntgen bestrahlt. Die Proben
wurden ferner während
der Analyse gedreht. Von jeder Probe wurden Röntgenbeugungsdiagramme ermittelt. 8 ist ein typisches Röntgenbeugungsdiagramm
von Beispiel B.
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Die
relative prozentuale Kristallinität der Proben wurde aus den
Daten jedes Beugungsdiagramms berechnet. Die bei der Berechnung
angewendeten Prinzipien sind in 8 dargestellt.
Als erster Berechnungsschritt wird eine Linie x-y tangential zu
der Basislinie bei 7° und
32° gezogen.
Als Zweites wurde eine tangential zu den Minima der Ausschläge laufende
Kurve konstruiert. Die Fläche
unter dieser Kurve (ANCP) wird bezeichnet
als die nicht-kristalline Peakfläche
bzw. -ausschlagfläche
(Non-Crystalline Peak area). Die Fläche über dieser Kurve (ACP) wird als die kristalline Peakfläche bezeichnet
(Crystalline Peak area). Die relative Kristallinität wird dann
berechnet als [kristalline Peakfläche (ACP)
dividiert durch Gesamtfläche
(ACP + ANCP)] × 100. Die
Werte für
ACP und ANCP können mit
irgendwelchen in der Technik bekannten Mitteln bestimmt werden.
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Die
Resultate der obigen Untersuchungen sind in 9 dargestellt und in der folgenden Tabelle
11 zusammengefasst.
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-
Aus
den Daten in Tabelle 11 ergibt sich, dass sowohl die kalte kaustische
Extraktion als auch die Schnelltrocknung die relative Kristallinität des Zellstoffs
erheblich verringern.