Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, и способ изготовления такого материала
Изобретение раскрывает усовершенствованный композиционный связанный нетканый материал и способ его получения. Композиционный нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, содержит смесь из хаотически уложенных непрерывных элементарных нитей, натурального волокна и синтетического штапельного волокна, отличается тем, что синтетическое штапельное волокно имеет длину 3-7 мм, предпочтительно - 4-6 мм. Причем в указанном нетканом материале, скрепленном гидроперепутыванием волокон, отсутствуют точки термического скрепления между непрерывными элементарными нитями. Технический результат заявленного изобретения заключается в улучшении свойств материала. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Область использования изобретения
Настоящее изобретение относится к хорошо связанному композиционному нетканому материалу, скрепленному гидроперепутыванием волокон, содержащему смесь непрерывных элементарных нитей, синтетических штапельных волокон и натуральных волокон.
Предпосылки к созданию изобретения
Адсорбирующие нетканые материалы часто используют для удаления разлившейся жидкости и всех видов подтеков в производственных, служебных, офисных и жилых помещениях. Базовые синтетические пластиковые компоненты обычно являются гидрофобными и поглощают масла, смазки, а также в некоторой степени воду за счет капиллярных сил. Для достижения более высокого уровня поглощения воды часто добавляют целлюлозную волокнистую массу. К нетканым материалам, предназначенным для вытирания, предъявляют множество требований. Идеальный вытирающий материал должен быть прочным, адсорбирующим, стойким к истиранию и не должен оставлять большое количество волокон на протираемых поверхностях. Для замены текстильных протирочных материалов, которые все еще составляют большую часть данного рынка, они помимо прочего должны быть мягкими и текстилеподобными на ощупь.
Нетканые материалы, содержащие смеси целлюлозной волокнистой массы и синтетических волокон, могут быть изготовлены обычными бумагоделательными способами (см., например, патент США № 4822452, в котором описан волокнистый холст, сформированный мокрым способом, причем холст содержит натуральные или синтетические волокна штапельной длины и древесную целлюлозную волокнистую массу, используемую в производстве бумаги, причем в композицию добавляют соответствующие загустители).
Гидроперепутывание волокна, или процесс, называемый «спанлейс», - это технология, введенная во время семидесятых годов прошлого столетия (см., например, Канадский патент № 841938). Способ включает формирование волокнистого холста, который формируют по сухому или мокрому способу, после чего волокна перепутывают воздействием на холст очень тонкими струями воды, выпускаемыми под высоким давлением. Несколько рядов водяных струй направляют на волокнистый холст, который поддерживают на перемещаемой сетке. Затем холст с перепутанными в нем волокнами сушат. Волокна, используемые в материале, могут быть синтетическими или восстановленными штапельными волокнами, например из сложного полиэфира, полиамида, полипропилена, вискозы и т.п., целлюлозной волокнистой массой или смесью целлюлозной волокнистой массы и штапельных волокон. Материалы «спанлейс» можно изготавливать высокого качества при разумной стоимости, и они могут обладать высокой стойкостью к истиранию. Их можно использовать, например, в качестве обтирочного материала для домашнего или производственного использования, в качестве одноразовых материалов для оказания медицинской помощи, для санитарно-гигиенических целей и т.д.
В международной заявке WO № 96/02701 описан процесс гидроперепутывания волокон холста, сформированного с использованием вспененной суспензии. Формирование с использованием вспененной суспензии является специальным вариантом мокрого способа формирования, где вода помимо волокна и химических веществ также содержит поверхностно-активное вещество, введение которого обеспечивает возможность создания пены, в которой волокна можно перемешивать с пузырьками пены. Волокна, введенные в волокнистый холст, могут быть целлюлозной волокнистой массой и другими натуральными волокнами, а также синтетическими волокнами.
В Европейских патентах, например ЕР-В-0333211 и ЕР-В-0333228, описан способ гидроперепутывания смеси волокон, в которой один из волокнистых компонентов состоит из волокон, полученных путем распыления расплава полимера, являющихся одним из типов элементарных нитей, получаемых фильерным способом «спанлейд». Основной материал, т.е. волокнистый материал, который подвергают гидроперепутыванию, состоит либо по меньшей мере из двух соединенных предварительно сформированных волокнистых слоев, где по меньшей мере один из слоев состоит из волокон, полученных путем распыления расплава полимера, либо из «совместно сформированного материала», где по существу гомогенную смесь из волокон, полученных путем распыления расплава полимера, и других волокон укладывают аэродинамическим способом на сетку для формирования.
В Европейском патенте ЕР-А-0308320 описан способ сложения предварительно скрепленного холста из непрерывных элементарных нитей с отдельно предварительно скрепленным волокнистым материалом, сформированным по мокрому способу, содержащим целлюлозную волокнистую массу и штапельное волокно, и гидроперепутывания волокон отдельно сформированных волокнистых холстов с образованием ламината. В таком материале волокна различных волокнистых холстов не удается полностью интегрировать друг с другом, так как волокна уже до гидроперепутывания скреплены между собой и обладают только ограниченной подвижностью. В материале отчетливо заметна его двусторонность. Используемое штапельное волокно имеет предпочтительную длину 12-19 мм, но его длина может быть в диапазоне 9,5-51,0 мм.
Материалы, полученные путем гидроперепутывания волокон, обладают одним совершенно очевидным недостатком - они очень часто обладают заметно выраженной двусторонностью, т.е. можно четко различить разницу между стороной, обращенной к сетке для формирования, и стороной, обращенной к водяным струям на этапе гидроперепутывания волокон. В некоторых случаях это различие использовали как желательный рисунок, но в большинстве случаев этот факт рассматривали как недостаток. Когда складывают два отдельных слоя и подвергают их процессу гидроперепутывания волокна, обычно с помощью этого этапа процесса невозможно тщательно смешать слои, и они все-таки сохраняются, хотя и оказываются скрепленными друг с другом. При использовании в композиции целлюлозной волокнистой массы получается сторона с большим содержанием целлюлозной волокнистой массы и сторона с небольшим содержанием целлюлозной волокнистой массы, в результате чего свойства материала с двух сторон получаются различными. Это явление особенно отчетливо проявляется при использовании элементарных нитей, сформированных по способу «спанлейд», так как при их формировании наблюдается тенденция к образованию плоского двухмерного слоя, который плохо поддается смешиванию. Некоторые изготовители пытались сначала добавлять слой покрытия и перепутывать волокна с одной стороны холста, а затем переворачивать холст, добавлять другой слой покрытия и перепутывать волокна с другой стороны холста, но большая часть перемещения волокон происходила на очень раннем этапе процесса перепутывания, и этим более сложным способом не удавалось полностью решить проблему.
Другой недостаток материала, скрепленного гидроперепутыванием волокон, в котором использовали холст из элементарных нитей, заключался в том, что было меньшее количество свободных кончиков волокон, так как элементарные нити в принципе не содержат кончиков, и только штапельные волокна и целлюлозные волокна могли вносить свой вклад в обеспечение этого свойства. Особенно наличие кончиков полимерных волокон придавало материалу текстилеподобные свойства на ощупь благодаря их смягчающему действию. Целлюлозная волокнистая масса, часто используемая в композициях, содержала большое количество свободных кончиков, но, так как эти волокна вступали в водородные связи, они не вносили вклад в создание мягкого текстилеподобного ощущения; вместо этого они придавали получаемому материалу значительно большую шероховатость на ощупь. Таким образом, для получения мягкого текстильного материала важно, чтобы материал содержал большое количество текстильного, т.е. синтетического, штапельного волокна.
Задача и наиболее важные отличительные особенности изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного хорошо связанного композиционного нетканого материала, скрепленного гидроперепутыванием волокон, содержащего смесь непрерывных элементарных нитей, синтетического штапельного волокна и натурального волокна, обладающего пониженной двусторонностью, т.е. сходными по внешнему виду и свойствам обеими сторонами.
Задачей настоящего изобретения также является создание хорошо связанного композиционного нетканого материала, скрепленного гидроперепутыванием волокон, содержащего смесь непрерывных элементарных нитей, синтетического штапельного волокна и натурального волокна, обладающего улучшенными текстилеподобными свойствами на ощупь.
Эти задачи могут быть решены путем создания нетканого материала, скрепленного гидроперепутыванием волокон, в котором синтетическое штапельное волокно имеет длину 3-7 мм. Выбор более короткого штапельного волокна в сравнении с ранее использовавшимся позволяет лучше перемешивать и распределять целлюлозную волокнистую массу и штапельное волокно в нетканом материале.
Предпочтительный материал согласно изобретению не содержит термоскреплений между элементарными нитями, что способствует более высокой исходной податливости к перемещению элементарных нитей до их полного скрепления гидроперепутыванием волокон, что, таким образом, обеспечивает возможность более полного перемешивания и внедрения штапельного волокна и волокна целлюлозной волокнистой массы в холст из элементарных нитей.
Предпочтительный материал согласно изобретению содержит смесь из 10-50 мас.% непрерывных элементарных нитей, 5-50 мас.% синтетического штапельного волокна и 20-85% натурального волокна, где все процентные доли указаны в массовом выражении от общей массы нетканого материала. Более предпочтительно, чтобы материал содержал 15-35 мас.% непрерывных элементарных нитей. Более предпочтительно также, чтобы материал содержал 5-25 мас.% синтетического штапельного волокна. Более предпочтительно также, чтобы материал содержал 40-75 мас.% натурального волокна.
Предпочтительным материалом согласно изобретению является материал, в котором непрерывные элементарные нити представляют собой элементарные нити, сформированные по фильерному способу «спанлейд».
Предпочтительным материалом согласно изобретению является материал, в котором непрерывные элементарные нити выбраны из группы, содержащей полипропилен, сложные полиэфиры и полилактиды.
Предпочтительным материалом согласно изобретению является материал, в котором часть композиционного холста из непрерывных элементарных нитей обладает поверхностной плотностью, составляющей самое большее 40 г/м2, еще более предпочтительно - самое большее 30 г/м2.
Предпочтительным материалом согласно изобретению является материал, в котором синтетическое штапельное волокно выбрано из группы, содержащей полиэтилен, полипропилен, сложные полиэфиры, полиамиды, полилактиды, вискозу и лиоцель.
Предпочтительным материалом согласно изобретению является материал, в котором по меньшей мере часть синтетического штапельного волокна является окрашенным волокном, составляющим по меньшей мере 3 мас.% от общей массы нетканого материала, предпочтительно - по меньшей мере 5 мас.%.
Предпочтительным материалом согласно изобретению является материал, в котором натуральное волокно состоит из волокна целлюлозной волокнистой массы, а более предпочтительно - из древесной целлюлозной волокнистой массы.
Предпочтительным материалом согласно изобретению является материал, в котором по меньшей мере часть натурального волокна является окрашенным волокном, составляющим по меньшей мере 3 мас.% общей массы нетканого материала, предпочтительно - по меньшей мере 5 мас.%.
Особенно если используют окрашенное штапельное или натуральное волокно, то очень легко может быть определена пониженная двусторонность. Кончики штапельного волокна, выступающие с обеих сторон нетканого материала, придают его поверхностям повышенную текстилеподобность на ощупь.
Дополнительной задачей изобретения является создание способа изготовления усовершенствованного хорошо связанного композиционного нетканого материала, скрепленного гидроперепутыванием волокна, содержащего смесь непрерывных элементарных нитей, синтетического штапельного волокна и натурального волокна, обладающего пониженной двусторонностью, т.е. сходными по внешнему виду и свойствам обеими сторонами, обладающего также улучшенными текстилеподобными свойствами на ощупь.
Эти задачи могут быть решены путем создания способа, включающего этапы формирования холста из непрерывных элементарных нитей на сетке для формирования и напуска сформированной по мокрому способу дисперсии волокна, содержащей синтетическое штапельное волокно и натуральное волокно, поверх упомянутых непрерывных элементарных нитей, с образованием, таким образом, волокнистого холста, содержащего непрерывные элементарные нити, синтетическое штапельное волокно и натуральное волокно, и последующего скрепления гидроперепутыванием волокон волокнистого холста для получения нетканого материала, в котором синтетическое штапельное волокно имеет длину 3-7 мм, а предпочтительно - 4-6 мм.
Предпочтительный альтернативный вариант способа согласно изобретению основан на исключении каких-либо этапов термоскрепления непрерывных элементарных нитей.
Другие предпочтительные альтернативы способа согласно изобретению основаны на использовании типов волокон в массовом процентном содержании, указанном в п.п.1-10 формулы изобретения.
Описание чертежей
Изобретение далее описано со ссылками на некоторые варианты исполнения, представленные на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 схематически показан примерный вариант исполнения устройства для изготовления нетканого материала, скрепленного гидроперепутыванием волокон, согласно изобретению;
на фиг.2 представлена зависимость стойкости к истиранию материала с обеих его сторон от штапельной длины волокна (три композиции из волокна различной штапельной длины);
на фиг.3 представлена зависимость светлости L∗ с обеих сторон материала от штапельной длины волокна (две композиции из волокна различной штапельной длины);
на фиг.4 представлена зависимость степени окрашенности b∗ с обеих сторон материала (две композиции из волокна различной штапельной длины).
Подробное описание изобретения
Усовершенствованный хорошо связанный композиционный нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, содержит смесь непрерывных элементарных нитей, синтетического штапельного волокна и натурального волокна. Эти волокна различного типа определяются следующим образом.
Элементарные нити
Элементарные нити - это очень длинные нити по отношению к их диаметру, в принципе, бесконечные или непрерывные. Их можно изготавливать путем расплавления и экструдирования термопластичного полимера через фильеры, после чего полимер охлаждают предпочтительно путем воздействия потоком воздуха, которым обдувают в продольном направлении полимерные струи и отверждают их, превращая в элементарные нити, которые можно обрабатывать, подвергая вытяжке или гофрированию. На их поверхности можно наносить химические вещества для расширения диапазона свойств.
Элементарные нити можно также изготавливать путем проведения химической реакции раствора веществ, из которых формуют нити, вводимых в реакционную среду, например, путем прядения вискозных элементарных нитей из раствора ксантогената целлюлозы в серную кислоту.
Элементарные нити, формуемые из расплава аэродинамическим способом, изготавливают путем экструдирования расплава термопластичного полимера через мелкие фильеры в виде очень тонких струй и направления сходящихся воздушных потоков к полимерным струям таким образом, чтобы их вытягивать в виде элементарных нитей очень маленького диаметра. Способы изготовления элементарных нитей из расплава аэродинамическим способом описаны, например, в патентах США № 3849241 или 4048364. Волокна могут быть микроволокнами или макроволокнами, в зависимости от их размеров. Микроволокна имеют диаметр до 20 мкм, обычно - 2-12 мкм. Макроволокна имеют диаметр свыше 20 мкм, обычно -
20-100 мкм.
Элементарные нити «спанбонд» изготавливают подобным же способом, но используют более холодные потоки воздуха и вытяжку элементарных нитей производят воздухом так, чтобы нити приобретали соответствующий диаметр. Диаметр нитей обычно составляет более 10 мкм, обычно 10-100 мкм. Способы изготовления элементарных нитей «спанбонд» описаны, например, в патентах США № 4813864 или № 5545371.
Элементарные нити «спанбонд» и элементарные нити, формуемые из расплава полимера аэродинамическим способом, представляют собой группу, называемую элементарными нитями «спанлейд», т.е. элементарными нитями, которые непосредственно после формования укладывают на перемещаемую поверхность для образования холста, который затем в этом же процессе скрепляют. Регулирование «индекса текучести расплава» путем выбора полимеров и температурной кривой является существенной частью регулирования процесса экструдирования и, таким образом, формования элементарных нитей. Элементарные нити «спанбонд» обычно более прочные и равномерные.
Жгут представляет собой еще один источник получения элементарных нитей, обычно являющихся предшествующим продуктом в изготовлении штапельного волокна, но жгут, кроме того, продают и используют как самостоятельный продукт. Как и в случае изготовления элементарных нитей «спанлейд», тонкие струи расплава полимера вытягивают, но вместо укладывания их на перемещаемую поверхность для формирования холста их собирают в жгут для завершения вытяжки. При изготовлении штапельного волокна этот жгут элементарных нитей затем обрабатывают прядильными отделочными веществами, обычно гофрируют, а затем подают в резальное устройство, где с помощью колеса с ножами режут элементарные нити на волокна определенной длины, которые упаковывают в кипы для транспортировки и для использования в виде штапельного волокна. При изготовлении жгута пучки элементарных нитей упаковывают с нанесенными прядильными отделочными веществами или без них в кипы или коробки.
Любой термопластичный полимер, обладающий достаточной связанностью для того, чтобы его можно было подвергать вытяжке описанным способом в расплавленном состоянии, можно, в принципе, использовать для изготовления элементарных нитей, формуемых из расплава аэродинамическим способом, или элементарных нитей «спанбонд». К числу примеров пригодных для этого полимеров можно отнести полиолефины, например полиэтилен и полипропилен, полиамиды, сложные полиэфиры и полилактиды. Можно, конечно, также использовать сополимеры этих полимеров, а также натуральные полимеры с термопластическими свойствами.
Натуральные волокна
Существует много типов натуральных волокон, которые можно использовать; особенно пригодны волокна, которые обладают способностью поглощать воду и свойствами, способствующими формированию связанного полотна. Среди натуральных волокон пригодными к использованию являются преимущественно целлюлозные волокна, например волокна покрова семян, например хлопка; капок, молочай; волокна из листьев, например сизаля, абаки (манильской пеньки), ананаса и новозеландской конопли; лубяные волокна, например лен, пенька, джут, кенаф; целлюлозная волокнистая масса.
Древесная целлюлозная волокнистая масса особенно пригодна для использования, причем для этого подходят волокна как из мягкой древесины, так и из твердой древесины; можно также использовать восстановленное волокно. Волокно целлюлозной волокнистой массы из мягкой древесины имеет длину около 3 мм, из твердой древесины - около 1,2 мм, а восстановленное волокно имеет длину в этих же пределах и содержит даже еще более короткие волокна.
Штапельное волокно
Используемое штапельное волокно можно изготавливать из тех же материалов и теми же способами, что и элементарные нити, рассмотренные выше. Другими пригодными штапельными волокнами являются волокна, изготавливаемые из регенерированной целлюлозы, например вискозы и лиоцеля.
Их можно обрабатывать прядильными отделочными веществами и гофрировать, но это не обязательно для процессов, предпочтительно используемых при изготовлении материала, описанного в настоящем изобретении.
Прядильную отделку и гофрирование обычно производят для облегчения переработки волокна сухим способом, например процесса чесания, и/или придания определенных свойств, например гидрофильности, материалу, состоящему только из этих волокон, например нетканому материалу для наружного слоя пеленки.
Резание жгута из элементарных нитей обычно выполняют для получения волокон одной длины, которую можно изменять путем варьирования расстояний между ножами резального колеса. В зависимости от предполагаемого назначения используют волокна различной длины, в пределах 25-50 мм, для изготовления термоскрепляемых нетканых материалов. В нетканых материалах, получаемых по мокрому способу с гидроперепутыванием волокон, обычно используют волокно со штапельной длиной 12-18 мм или еще более короткое - до 9 мм.
Прочность материалов, изготавливаемых по традиционной мокрой технологии формирования с гидроперепутыванием волокон, и их свойства, например стойкость поверхности к истиранию, повышаются с увеличением длины используемого волокна (из того же полимера и при той же толщине волокна). При использовании элементарных нитей вместе со штапельным волокном и целлюлозной волокнистой массой прочность материала по большей части определяется прочностью элементарных нитей.
Процесс
Один общий пример способа изготовления материала согласно настоящему изобретению проиллюстрирован на фиг.1, и он включает следующие этапы:
обеспечение бесконечной сетки 1 для формирования, на которую могут быть уложены элементарные нити 2; удаление избыточного количества воздуха отсасыванием сквозь сетку для формирования для образования предшествующего холста 3;
продвижение сетки для формирования с элементарными нитями на ней к станции 4 для формирования холста мокрым способом, где напускают суспензию, содержащую смесь натурального волокна 5 и штапельного волокна 6 поверх и частично вглубь предшествующего холста из элементарных нитей, а избыток воды отводят сквозь сетку для формирования;
продвижение сетки для формирования с элементарными нитями и смесью волокон к станции 7 для гидроперепутывания волокон, где элементарные нити и волокна перемешивают, плотно переплетают друг с другом и скрепляют с образованием нетканого полотна 8 путем воздействия множеством тонких струй воды, выпускаемых под высоким давлением, ударяющих по волокнам для их перемешивания и гидроперепутывания, а воду, используемую для гидроперепутывания, отводят сквозь сетку для формирования;
продвижение сетки для формирования к станции сушки (не показана), где нетканое полотно сушат;
последующее продвижение нетканого полотна к станции накатывания полотна в рулон, разрезания, упаковки и т.д.
«Полотно» из элементарных нитей
Согласно варианту исполнения, проиллюстрированному на фиг.1, элементарные нити 2, изготавливаемые путем экструдирования расплава термопластичных гранул, укладывают непосредственно на сетку 1 для формирования, где им предоставляют возможность образовывать нескрепленную структуру полотна 3, в котором элементарные нити можно относительно свободно перемещать относительно друг друга. Этого достигают предпочтительно путем обеспечения относительно большого расстояния между фильерами и сеткой 1 для формирования, чтобы элементарные нити можно было охладить до их укладки на сетку для формирования, в результате чего нижний уровень температуры их слипания оказывается в значительной степени пройденным. Альтернативно охлаждение элементарных нитей до их укладки на сетку для формирования производят некоторыми другими способами, например путем использования множества источников воздуха 10 для охлаждения элементарных нитей после их вытяжки в предпочтительной степени.
Воздух, используемый для охлаждения и вытяжки элементарных нитей, отсасывают сквозь сетку для формирования, чтобы предоставить возможность элементарным нитям следовать с воздушным потоком к ячейкам сетки для формирования и осаждаться на ней. Для отсоса воздуха необходимо создавать достаточное разрежение. Скорость элементарных нитей при их укладке на сетку для формирования намного выше скорости перемещения сетки для формирования, в результате чего элементарные нити образуют хаотически располагающиеся петли и перегибы при укладке их на сетке для формирования с образованием очень хаотически ориентированного предшествующего полотна.
Поверхностная плотность сформированного полотна 3 из элементарных нитей должна находиться в пределах 2-50 г/м2.
Мокрый способ формирования
Из целлюлозной волокнистой массы 5 и штапельного волокна 6 готовят суспензию обычным способом, либо в виде суспензии из их смеси, либо сначала отдельно готовят отдельные суспензии, а затем смешивают и вводят обычные добавки, применяемые в бумагоделательном производстве, например агенты для повышения прочности в мокром и/или сухом состоянии, удерживающие агенты, диспергаторы для формирования хорошо смешанной суспензии целлюлозной волокнистой массы и штапельного волокна в воде.
Смесь подают в напорный ящик 4, расположенный над сеткой 1 для формирования, из которого ее напускают на нескрепленное предшествующее полотно 3 из элементарных нитей, в котором элементарные нити можно свободно перемещать.
Целлюлозная волокнистая масса и штапельное волокно отстаиваются на сетке для формирования и элементарных нитях. Некоторое количество волокна проникает между элементарными нитями, но основная его масса остается поверх холста из элементарных нитей.
Избыточное количество воды отсасывают сквозь полотно из элементарных нитей, уложенных на сетку для формирования, и сквозь сетку для формирования посредством вакуумных ящиков, расположенных под сеткой для формирования.
Гидроперепутывание
Волокнистое полотно из непрерывных элементарные нитей, штапельное волокно и целлюлозную волокнистую массу перепутывают воздействием струй жидкости, когда они находятся на сетке для формирования, и волокна интенсивно перемешивают и скрепляют с образованием композиционного нетканого материала 8. Подробное описание процесса гидроперепутывания волокна приведено в Канадском патенте № 841938.
На станции 7 для гидроперепутывания волокон различные типы волокон перепутывают и получают композиционный нетканый материал 8, в котором все типы волокон оказываются существенно гомогенно перемешанными и связанными друг с другом. Тонкие подвижные элементарные нити структуры «спанлейд» оказываются обвитыми и перепутанными между собой и другими волокнами, в результате чего получается материал, обладающий очень высокой прочностью. Затраты энергии, требуемой для гидроперепутывания волокон, относительно небольшие, т.е. волокно в материале легко поддается гидроперепутыванию. Затраты энергии на гидроперепутывание волокон приблизительно составляют около 50-500 кВтч/т.
Предпочтительно элементарные нити предшествующего полотна 3 не должны быть скреплены, например, термоскреплением или гидроперепутыванием до укладки целлюлозной волокнистой массы 5 и штапельного волокна 6 на станции 4. Элементарные нити должны быть полностью свободны для перемещения относительно друг друга для предоставления возможности штапельному волокну и волокну целлюлозной волокнистой массы смешивания и проникновения внутрь холста из элементарных нитей во время процесса гидроперепутывания. Точки термоскрепления между элементарными нитями в холсте из элементарных нитей в этой части процесса действовали бы как препятствия, останавливающие штапельные волокна и волокна целлюлозной волокнистой массы и препятствующие перепутыванию вблизи этих точек скрепления, так как они удерживали бы элементарные нити в неподвижном состоянии вблизи точек термоскрепления. «Эффект сита», создаваемый полотном, усиливался бы, и в результате получался бы материал с более выраженной двусторонностью. Под словами «отсутствие термоскрепления» подразумевается, что по существу отсутствуют точки, где бы элементарные нити были подвержены воздействию тепла и давления, например между нагретыми валами, в результате чего некоторые из элементарных нитей, прижатых друг к другу, были бы доведены до размягчения и/или расплавления и деформации в точках контакта. Некоторое количество точек скрепления может появиться, особенно при формовании волокна распылением расплава полимера, в результате остаточной клейкости в момент укладки, но в этих точках контакта не будет деформации, и эти точки скрепления, вероятно, будут столь непрочными, что их можно разорвать напором струй воды, которыми воздействуют на волокна для их гидроперепутывания.
Прочность материала, скрепленного гидроперепутыванием волокон, состоящего только из штапельного волокна и целлюлозной волокнистой массы, зависит в большой мере от количества точек перепутывания каждого волокна; следовательно, предпочтительно использовать длинные штапельные волокна и длинные волокна целлюлозной волокнистой массы. При использовании элементарных нитей прочность материала по большей части определяется элементарными нитями и достигается достаточно быстро путем гидроперепутывания. Таким образом, большая часть энергии при гидроперепутывании расходуется на перемешивание элементарных нитей и волокон для достижения хорошей связанности. Применение нескрепленной открытой структуры из элементарных нитей согласно изобретению позволяет сильно повысить легкость этого перемешивания.
Волокна 5 целлюлозной волокнистой массы являются нерегулярными, плоскими, скрученными и извитыми и становятся пластичными в мокром состоянии. Эти свойства позволяют достаточно легко их перемешивать и перепутывать и также забивать в полотно из элементарных нитей и/или более длинных штапельных волокон. Таким образом, целлюлозную волокнистую массу можно использовать с предварительно скрепленным полотном из элементарных нитей, даже с предварительно скрепленным полотном, которое можно перерабатывать как нормальное полотно путем скатывания в рулон и раскатывания, даже если оно все еще не обладает окончательной прочностью для его использования в качестве материала для вытирания.
Полимерные волокна 6, поскольку они по большей части имеют круглое сечение, постоянный диаметр и скользкую поверхность, плохо поддаются воздействию воды. Из-за этого их сложнее перемешивать и понуждать к проникновению в предварительно скрепленное полотно из элементарных нитей и они имеют тенденцию оставаться сверху. Для получения достаточного количества точек скрепления гидроперепутыванием волокон для надежного удерживания полимерных волокон в полотне из элементарных нитей требуется использовать достаточно длинное штапельное волокно. Таким образом, можно использовать в основном штапельное волокно длиной 12-18 мм, самое маленькое до 9 мм длиной, о чем было сказано выше, с полотном из элементарных нитей, которые были предварительно скреплены между собой.
С помощью способа согласно изобретению, предложенному в данной заявке, можно использовать значительно большую подвижность нескрепленного полотна из элементарных нитей для облегчения вовлечения полимерных штапельных волокон и, таким образом, использовать значительно более короткое волокно такого вида. Можно использовать волокно длиной 2-8 мм, а предпочтительно - 3-7 мм, даже еще более предпочтительно - 4-6 мм.
Станция 7 гидроперепутывания волокон может содержать несколько поперечных балок с рядами сопел, из которых направляют очень тонкие струи воды под очень высоким давлением на волокнистое полотно для гидроперепутывания волокон. Давление струй воды может быть отрегулировано таким образом, чтобы оно соответствовало определенной кривой распределения давления, чтобы было различное давление в различных рядах сопел.
Альтернативно волокнистое полотно можно до гидроперепутывания в нем волокон передавать на вторую сетку для формирования. В этом случае полотно можно также перед передачей подвергать гидроперепутыванию в нем волокон с помощью первой станции гидроперепутывания, содержащей одну или большее число балок с рядами сопел.
Сушка и другие процессы
Мокрое полотно 8 после гидроперепутывания в нем волокон затем сушат, и этот процесс можно выполнять на обычном оборудовании для сушки полотен, предпочтительно таких типов, которые используют для сушки легких (газовых) материалов, например на сушильной машине с прососом воздуха или на сушильной машине «Янки». Материал после сушки обычно скатывают в первичные рулоны перед последующей переработкой.
Материал затем перерабатывают известными способами, разрезая на куски соответствующих размеров и упаковывая.
Структуру материала можно изменять последующей обработкой, например микрогофрированием, горячим каландрированием, тиснением и т.п. В материал можно также вводить различные добавки, например агенты для повышения прочности в мокром состоянии, связующие, латексы, разрыхлители и т.п.
Нетканый материал
Композиционный нетканый материал согласно изобретению можно изготавливать с общей поверхностной плотностью 20-120 г/м2, а предпочтительно - 50-80 г/м2. Использование нескрепленных элементарных нитей обеспечивает возможность улучшения перемешивания штапельного волокна таким образом, что даже короткое волокно можно достаточно хорошо перепутать с образованием точек скрепления для надежного удерживания его в полотне. Использование более короткого штапельного волокна будет способствовать повышению качества материала, так как оно имеет большее количество кончиков на 1 г волокна и его легче перемещать в направлении оси Z (перпендикулярно плоскости полотна). Большее количество кончиков волокон будет выступать из поверхности полотна, таким образом улучшая текстилеподобные свойства материала на ощупь.
Надежное закрепление позволит в результате получить материал, обладающий очень высокой стойкостью к истиранию. Как видно из примеров, штапельное волокно может быть смесью волокон из различных полимеров с различной длиной и линейной плотностью и различных цветов.
Предусмотрено также добавление в композиционный нетканый материал определенной доли синтетического штапельного волокна длиннее 7 мм и даже длиннее 12 мм. Эта определенная доля может достигать 10 мас.% от количества синтетического штапельного волокна короче 7 мм. Никаких особых преимуществ, однако, не отмечается при таком добавлении. Это позволяет преимущественно повысить прочность нетканого материала, но прочность значительно легче регулировать количеством элементарных нитей.
Изобретение, конечно, не ограничено вариантами исполнения, проиллюстрированными на чертежах и описанными выше и в примерах, но может быть дополнительно модифицировано в пределах объема изобретения, продекларированного в формуле изобретения.
Примеры
Ряд материалов, полученных путем гидроперепутывания волокон согласно изобретению из различных композиций волокон, был изготовлен и испытан по интересующим параметрам.
Специальные виды испытаний
Определение стойкости к истиранию на приборе Taber.
Материал, который надлежит испытывать, прикрепляют к пластине, и колеса с абразивом устанавливают таким образом, чтобы они «пробегали по кругу» по материалу согласно стандарту ASTM D 3884-92 (ASTM - Американское общество по испытанию материалов) с некоторыми модификациями, вызванными тем, что требуется испытывать тонкий недолговечный материал и не напольные покрытия, для испытания которых была первоначально предназначена данная методика. Модификации состоят в использовании колес Calibrase CS-10, но без дополнительных грузов, и в том, что производят только 200 оборотов. Достигнутый путем истирания износ сравнивают с внутренним стандартом, где 1 означает «износ до лоскутков», а 5 - «визуально воздействие не заметно». Использовали прибор типа Abraser 5151 компании Taber Industries (США, шт. Нью-Йорк, г. Н. Тонованда).
Определение светлости L* и окрашенности b*
Материал, который надлежит подвергнуть испытаниям, освещали «уличным дневным светом» и производили замеры колориметром Color Touch компании Technidyne (США, шт. Индиана, г. Нью Олбени).
Значения величин L*, a*, b*, Color Space L* (светлость) и b* (голубизна) по CIE (CIE - Международная комиссия по освещению /МКО/ - прим. перевод.) испытываемого материала определяли согласно методике Cielab 1976 (Цветовая система МКО), использовали стандартный осветитель D65 (по CIE), описанный в стандарте ISO 10526 (ISO - Международная организация по стандартизации - прим. перевод.), и CIE 1964 дополнительный стандарт колориметрический наблюдатель CIE 1964, описанный в стандарте ISO/CIE 10527, определяли значение путем измерения при условиях, аналогичных указанным в стандарте ISO 5631.
Эта система предназначена для описания и спецификации цвета, основанных на коррекции замеренных колориметрических величин по отношению к человеческому восприятию так называемого обычного наблюдателя.
Замеренные по CIE трехцветные значения преобразовывали в значения L* и b* по CIE согласно следующим уравнениям, где Y и Z (значения, полученные на колориметре), выраженные в процентах:
L* = 116(Y/100)1/3- 16;
b* = 200[(Y/100)1/3 - (Z/118232)1/3 ].
Способ дополнительно описан в брошюре «Измерение и контроль оптических свойств бумаги», второе издание, компания Technidyne Corp., 1996 г.
Этим испытаниям подвергли образцы нетканого материала согласно изобретению и эталонные образцы, причем обозначали две стороны образцов: сеточную поверхность, т.е. сторону нетканого материала, обращенную к сетке для формирования, на которую укладывали элементарные нити, штапельное волокно и целлюлозную волокнистую массу, и свободную поверхность, т.е. сторону нетканого материала, с которой укладывали различные волокна.
Пример 1
Полотно шириной 0,4 м из элементарных нитей, сформированных по способу «спанлейд», укладывали на сетку для формирования, которую перемещали со скоростью 20 м/мин так, что элементарные нити не склеивались друг с другом. Нескрепленное полотно из элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», слегка уплотняли и передавали на вторую сетку для добавления компонентов, формируемых по мокрому способу. Используя напорный ящик шириной 0,4 м, дисперсию волокна, содержавшую целлюлозную волокнистую массу и короткое штапельное волокно, напускали поверх нескрепленного полотна из элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд»; избыток воды дренировали и отсасывали.
Нескрепленное полотно из элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», и волокна, уложенные по мокрому способу, затем перемешивали и скрепляли между собой воздействием струй жидкости, используя три коллектора при давлении 7,0 кН/м2. Гидроперепутывание волокон производили со свободной стороны, и целлюлозную волокнистую массу и короткие штапельные волокна, таким образом, перемещали вглубь и смешивали интенсивно с холстом из элементарных нитей. Энергия, затраченная на гидроперепутывание волокон, составляла 300 кВтч/т.
В конце процесса материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, обезвоживали и затем высушивали, используя барабанную сушилку с прососом воздуха.
Общая поверхностная плотность композиционного материала, состоявшего из элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», штапельного волокна и целлюлозной волокнистой массы, составляла 80 г/м2.
Композиция композиционного материала состояла из 25 мас.% полипропиленовых элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», 10 мас.% короткого полипропиленового штапельного волокна и 65 мас.% химической целлюлозной волокнистой массы. Линейную плотность элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», измеряли на сканирующем электронном микроскопе и установили, что она составляла 2,3 дтекс. Композиционный материал был изготовлен с использованием короткого полипропиленового штапельного волокна с линейной плотностью 1,7 дтекс различной штапельной длины - 6, 12 и 18 мм соответственно.
Значение стойкости к истиранию поверхности, измеренное с помощью прибора для определения стойкости к истиранию компании Taber со свободной стороны (см. фиг.2), указывало на то, что материал, изготовленный с использованием волокна со штапельной длиной 6 мм, был лучше, особенно со свободной стороны, отстоявшей от сетки для формирования, соответствующих материалов, изготовленных с использованием короткого штапельного волокна длиной 12 и 18 мм.
Пример 2
Условия Примера 1 повторили с использованием короткого штапельного полипропиленового волокна, окрашенного в голубой цвет, для изучения процессов перемешивания и интегрирования штапельных волокон с элементарными нитями, уложенными по способу «спанлейд», и целлюлозной волокнистой массы в зависимости от длины штапельного волокна. Общая поверхностная плотность композиционного материала составляла около 80 г/м2, а композиция состояла из 25 мас.% элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд»; 10 мас.% короткого штапельного волокна и 65 мас.% химической целлюлозной массы. Линейная плотность элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», составляла 2,3 дтекс. Длина голубого короткого штапельного волокна составляла 6 мм и 18 мм соответственно, а линейная плотность - 1,7 дтекс.
Когда материалы рассматривали визуально, было очевидно, что свободная сторона, первоначально содержавшая 10 мас.% голубого короткого штапельного волокна, была более голубой (или темной) в сравнении со стороной, обращенной к сетке для формирования. Светлость и цвет материалов определяли, используя колориметр модели Color Touch компании Technidyne. Сеточная сторона всегда была светлее свободной стороны (см. значения светлости L* на фиг.3), что указывает на то, что большее количество окрашенных волокон оставалось на стороне, куда они были первоначально уложены. Сравнение композиций, изготовленных с использованием штапельного волокна длиной 6 мм, с полученными при использовании штапельного волокна длиной 18 мм показало, что разница между двумя сторонами была меньше у образцов с волокном длиной 6 мм и что более короткое волокно легче мигрировало в направлении другой стороны. Так как значения окрашенности b* определяли с помощью прибора, то были получены сходные результаты (см. фиг.4), которые показали, что разница в окраске двух сторон была меньше при использовании штапельного волокна длиной 6 мм вместо волокна длиной 18 мм, что указывало на то, что более короткое волокно обладало способностью более легко мигрировать в направлении другой стороны.
Результаты, таким образом, подтвердили, что более короткое штапельное волокно лучше интегрируется с нескрепленной структурой из элементарных нитей, сформированных способом «спанлейд».
Пример 3
Условия Примера 1 повторили с использованием короткого штапельного вискозного волокна для изучения процессов перемешивания и интегрирования вискозного штапельного волокна с элементарными нитями, сформированными по способу «спанлейд», и целлюлозной волокнистой массой в сравнении с полипропиленовым штапельным волокном. Общая поверхностная плотность композиционного материала составляла около 47 г/м2, а композиция состояла из 25 мас.% элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», 10 мас.% короткого вискозного штапельного волокна и 65 мас.% химической целлюлозной волокнистой массы.
Линейная плотность короткого вискозного штапельного волокна составляла 1,7 дтекс, и оно имело длину 6 мм.
Холст подвергали гидроперепутыванию в нем волокон; энергия, затраченная на гидроперепутывание, составляла 400 кВтч/т.
Пример 4
Условия Примера 1 повторили с использованием короткого штапельного полипропиленового волокна черного цвета для изучения процессов перемешивания и интегрирования штапельного волокна с элементарными нитями, уложенными по способу «спанлейд», и целлюлозной волокнистой массой в зависимости от длины штапельного волокна. Общая поверхностная плотность композиционного материала составляла около 68 г/м2, а композиция состояла из 25 мас.% элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», 10 мас.% короткого штапельного волокна и 65 мас.% целлюлозной волокнистой массы.
Черное короткое полипропиленовое штапельное волокно имело линейную плотность 1,7 дтекс и длину 6 мм.
Полотно подвергали гидроперепутыванию в нем волокон; энергия, затраченная на гидроперепутывание, составляла 400 кВтч/т.
Пример 5
Условия Примера 1 повторили с использованием голубого короткого штапельного вискозного волокна и белого короткого полипропиленового штапельного волокна для изучения процессов перемешивания и интегрирования штапельного волокна с элементарными нитями, уложенными по способу «спанлейд», и целлюлозной волокнистой массы. Общая поверхностная плотность композиционного материала составляла около 80 г/м2, а композиция состояла из 25 мас.% элементарных нитей, уложенных по способу «спанлейд», 5 мас.% короткого голубого вискозного штапельного волокна, короткого белого полипропиленового штапельного волокна и 65 мас.% целлюлозной волокнистой массы.
Голубое короткое штапельное волокно имело линейную плотность 1,7 дтекс и длину 6 мм. Белое короткое полипропиленовое штапельное волокно имело линейную плотность 1,2 дтекс и длину 6 мм.
Полотно подвергали гидроперепутыванию в нем волокон; энергия, затраченная на гидроперепутывание, составляла 300 кВтч/т; затем полотно переносили на рисунчатую сетку для формирования и ему сообщали рисунок, расходуя энергию на гидроперепутывание волокон, составлявшую 135 кВтч/т.
Механические свойства образцов в Примерах 3-5 представлены в Таблице 1. Свойства были удовлетворительными и показали, что уменьшенную двусторонность и лучшую стойкость к истиранию можно достигнуть без ухудшения других свойств.
| Таблица 1 | |||
| Пример | 3 | 4 | 5 |
| Энергия, затраченная на гидроперепутывание волокна, кВтч/т | 400 | 400 | 300+135 |
| Поверхностная плотность, г/м2 | 47,1 | 68,2 | 79,8 |
| Толщина при давлении 2кПа, мкм | 339 | 421 | 478 |
| Объемность при давлении 2кПа, см3/г | 7,2 | 6,2 | 6,0 |
| Жесткость при растяжении, в продольном направлении, Н/м | 10901 | 27429 | 31090 |
| Жесткость при растяжении, в поперечном направлении, Н/м | 1214 | 2237 | 2727 |
| Прочность при растяжении в сухом состоянии, в продольном направлении, Н/м | 934 | 1694 | 1989 |
| Прочность при растяжении в сухом состоянии, в поперечном направлении, Н/м | 533 | 933 | 1059 |
| Относительное удлинение, в продольном направлении, % | 115 | 49 | 45 |
| Относительное удлинение, в поперечном направлении, % | 156 | 131 | 119 |
| Работа при разрыве, в продольном направлении, Дж/м2 | 1022 | 905 | 1028 |
| Работа при разрыве, в поперечном направлении, Дж/м2 | 589 | 817 | 876 |
| Удельная работа при разрыве, Дж/г | 16,5 | 12,6 | 11,9 |
| Прочность при растяжении в мокром состоянии, в продольном направлении, Н/м | 1647 | ||
| Прочность при растяжении в мокром состоянии, в поперечном направлении, Н/м | 832 |
1. Композиционный, связанный нетканый материал (8), скрепленный гидроперепутыванием волокон, содержащий смесь из хаотически уложенных непрерывных элементарных нитей (3), натурального волокна (5) и синтетического штапельного волокна (6), отличающийся тем, что синтетическое штапельное волокно имеет длину 3-7 мм, предпочтительно 4-6 мм, причем в указанном нетканом материале, скрепленным гидроперепутыванием волокон, отсутствуют точки термического скрепления между непрерывными элементарными нитями (3).
2. Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, по п.1, отличающийся тем, что смесь состоит из 10-50 мас.%, а предпочтительно 15-35 мас.%, непрерывных элементарных нитей (3), 20-85 мас.%, а предпочтительно 40-75 мас.%, натурального волокна (5) и 5-50 мас.%, а предпочтительно 5-25 мас.%, синтетического штапельного волокна (6), где все долевые части выражены в массовых процентах от общей массы нетканого материала.
3. Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, по п.1, отличающийся тем, что элементарные нити представляют собой элементарные нити, сформированные фильерным способом "спанлейд".
4. Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, по п.3, отличающийся тем, что непрерывные элементарные нити выбраны из группы, состоящей из полипропилена, сложных полиэфиров и полилактидов.
5. Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, по п.1, отличающийся тем, что часть композиции из непрерывных элементарных нитей (3) имеет поверхностную плотность не более 40 г/м2, а предпочтительно не более 30 г/м2.
6. Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, по п.1, отличающийся тем, что синтетическое штапельное волокно (6) выбрано из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена, сложных полиэфиров, полиамидов, полилактидов, вискозы и лиоцеля.
7. Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, по п.1, отличающийся тем, что часть синтетического штапельного волокна (6) окрашена, и она составляет по меньшей мере 3 мас.% от общей массы нетканого материала, а предпочтительно по меньшей мере 5 мас.%.
8. Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, по п.1, отличающийся тем, что натуральное волокно (5) состоит из целлюлозной волокнистой массы, а предпочтительно - из древесной целлюлозной волокнистой массы.
9. Нетканый материал, скрепленный гидроперепутыванием волокон, по п.1, отличающийся тем, что часть натурального волокна (5) окрашена, и она составляет по меньшей мере 3 мас.% от общей массы нетканого материала, а предпочтительно по меньшей мере 5 мас.%.
10. Способ изготовления нетканого материала (8), включающий этапы формирования полотна из непрерывных элементарных нитей (3) на сетке (1) для формирования и напуска дисперсии (4) волокна по мокрому способу формирования, содержащей синтетическое штапельное волокно (5) и натуральное волокно (6), поверх упомянутых непрерывных элементарных нитей, и формирования, таким образом, волокнистого полотна, содержащего непрерывные элементарные нити, синтетическое штапельное волокно и натуральное волокно, с последующим гидроперепутыванием волокнистого полотна для получения нетканого материала (8), отличающийся тем, что синтетическое штапельное волокно имеет длину 3-7 мм, а предпочтительно 4-6 мм, причем в нетканом материале, скрепленным гидроперепутыванием волокон, отсутствуют точки термического скрепления между непрерывными элементарными нитями (3).
