由挤出工艺形成的交联纤维素产品的制作方法

专利名称：由挤出工艺形成的交联纤维素产品的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及纤维素纤维产品，更特别地，涉及由挤出工艺形成的交联纤维素纤维产品。
背景技术：
将交联的纤维素纤维有利地引入各种纤维产品中以增强产品松密度，回弹性，和干燥度。吸收制品，例如尿布典型地由纤维复合材料形成，该复合材料包括吸收剂纤维如木浆纤维，和可另外包括交联的纤维素纤维。当引入吸收制品时，这样的纤维复合材料可提供产品，该产品提供分别由交联纤维和吸收剂纤维赋予的高液体收集速率和高液体芯吸能力的优点。然而，含有相对高比例的交联纤维的纤维复合材料具有低的片强度。
包括交联纤维的片的相对低强度部分是由于伴随纤维素交联的氢键部位损失。由于它们的化学改性，交联纤维素纤维具有更少的羟基可用于在纤维之间形成氢键。交联纤维形成纤维问键的更低倾向一般阻止它们形成具有任何显著结构整体性的片或网。
历史上，已经从水基片形成工艺形成纤维素结构。随时间的过去，开发空气成网和泡沫形成工艺以使用新材料和赋予获得网的改进性能。泡沫形成工艺显示采用天然或合成来源的长纤维和提供松散网的改进能力。气载工艺提供松密度和柔软度但有限的强度而没有高粘结剂含量。交联的纤维已经用于上述工艺以改进网性能如回弹性，松密度和收集性。交联纤维先前仅可以捆包中单个交联的纤维获得。许多专利提及制备和使用单个交联的纤维的工艺。因此需要开发消除单个交联纤维素纤维的步骤的工艺。
个人护理吸收产品，例如，婴儿尿布、成人失禁产品、和女性护理产品，包括液体收集和/或分布层，它们用于快速收集和然后分布收集的液体到用于保留的贮存芯。为达到快速收集和分布，这些层可包括交联纤维素纤维，它向层赋予松密度和回弹性。然而，如上所述，包括高比例交联纤维的网问题在于缺乏结构整体性。结构整体性损失的问题传统上由如下方式解决在任一薄纸和非织造片之间夹层和采用粘合剂固定包括交联纤维的网。要求这样的结构以尝试保持网整体性。
因此，需要具有包括交联纤维素纤维的网的有利性能和仍然进一步有利地保持它的结构整体性的纤维素网。本发明尝试满足这些需要和提供进一步相关的优点。
发明概述在一个方面，本发明提供包括原位交联纤维素纤维的交联纤维素纤维产品。在一个实施方案中，产品进一步包括粘合剂。产品可任选地包括单独的其它纤维，单独的吸收材料，和其它纤维和吸收材料。
在本发明的另一方面，提供形成交联纤维素纤维产品的方法。在一个实施方案中，使用螺杆挤出设备形成产品。在另一个实施方案中，使用旋转混合挤出设备形成产品。
在进一步的方面，本发明提供包括粘合纤维素纤维产品的吸收制品。可以将产品与一个或多个其他层结合以提供可以引入吸收制品如婴儿尿布、成人失禁产品和女性护理产品的结构。
附图简述本发明的以上方面和伴随优点会更容易领会，这是由于通过参考以下详细描述，结合附图更好地理解它们，其中


图1是对于密度分别为137g/L，95g/L，66g/L，和41g/L的泡沫，说明作为时间函数的从泡沫液体排出量的图；图2是说明制备本发明挤出复合材料的代表性方法的流程图；图3A是用于本发明方法的代表性混合设备的图象；图3B是图3A中所示混合设备定子的图象；图3C是转子除去的图3A混合设备的图象；图4是用于本发明说明可以加入各种材料的位置的代表性挤出设备的简要说明；图5是比较从(a)美国长叶松纤维和(b)采用柠檬酸和聚丙烯酸共混物交联的纤维由四种方法泡沫成网，空气成网，湿法成网，和本发明的挤出工艺制备的纤维复合材料的密度的图；图6是说明根据本发明形成的代表性挤出复合材料的孔度分布的图，该复合材料包括采用聚丙烯酸和柠檬酸共混物(基于纤维的13wt％交联)交联的纤维素纤维；图7是说明代表性泡沫成网复合材料的孔度分布的图，该复合材料包括采用聚丙烯酸和柠檬酸共混物交联的纤维素纤维；图8是说明代表性空气成网复合材料的孔度分布的图，该复合材料包括采用聚丙烯酸和柠檬酸共混物交联的纤维素纤维；图9是说明代表性湿法成网复合材料的孔度分布的图，该复合材料包括采用聚丙烯酸和柠檬酸共混物交联的纤维素纤维；图10是说明使用自动孔度计对于空气成网复合材料获得的吸收和解吸曲线的图，该复合材料包括美国长叶松纤维；图11是比较根据本发明形成的代表性挤出复合材料的中点解吸压力(MDP)的图(“松纤维”表示包括美国长叶松纤维的复合材料，“预交联化学B复合材料”表示包括柠檬酸交联纤维的复合材料，和“原位化学B复合材料”表示包括采用柠檬酸处理和在复合材料中固化的纤维素纤维的复合材料)；图12是说明对于根据本发明形成的代表性挤出复合材料，交联化学对中点解吸压力的效果的图(“预交联化学A”表示包括采用聚丙烯酸和柠檬酸共混物交联的纤维素纤维的复合材料，“预交联化学B”表示包括柠檬酸交联纤维的复合材料，“原位化学B”表示包括采用柠檬酸处理和在复合材料中固化的纤维素纤维的复合材料，和“原位化学C”表示包括采用聚丙烯酸处理和在复合材料中固化的纤维素纤维的复合材料)；图13是说明对于根据本发明形成的代表性挤出复合材料，胶乳含量对作为交联化学函数的中点解吸压力的效果的图(“预交联化学B”表示包括柠檬酸交联纤维的复合材料，“预交联化学B+5％胶乳”表示包括柠檬酸交联纤维和5％胶乳的复合材料，“原位化学B”表示包括采用柠檬酸处理和在复合材料中固化的纤维素纤维的复合材料，“原位化学B+5％胶乳”表示包括采用柠檬酸处理和在复合材料中固化的纤维素纤维和5％胶乳的复合材料)；图14是说明原位交联对根据本发明形成的代表性挤出复合材料拉伸强度效果的图，该复合材料包括柠檬酸交联的纤维和聚丙烯酸交联的纤维(“2％原位”表示包括采用2wt％交联剂处理的纤维的复合材料，“6％原位”表示包括采用6wt％交联剂处理的纤维的复合材料，和“6％预交联”表示包括采用6wt％交联剂交联的纤维的复合材料)；图15是说明胶乳和纤维类型对根据本发明形成的代表性复合材料的强度的效果的图(“松”表示包括美国长叶松纤维的复合材料，“共混物”表示包括美国长叶松纤维和采用聚丙烯酸和柠檬酸共混物交联的纤维的50/50共混物的复合材料，和“化学A”表示包括采用聚丙烯酸和柠檬酸共混物交联的纤维的复合材料)；图16是说明原位交联化学和胶乳对根据本发明形成的代表性挤出复合材料拉伸强度效果的图(“化学B”表示包括柠檬酸交联纤维的复合材料和“化学C”表示包括聚丙烯酸交联纤维的复合材料)；图17是说明泡沫成网复合材料孔度分布的图；图18是说明图17复合材料的中点解吸压力的图；图19是说明泡沫成网复合材料孔度分布的图；图20是说明图19复合材料的中点解吸压力的图；图21是说明根据本发明形成的代表性复合材料(包括美国长叶松纤维的复合材料)的孔度分布的图22是说明图21复合材料的中点解吸压力的图；图23是说明根据本发明形成的代表性挤出复合材料(包括美国长叶松纤维和5％胶乳的复合材料)的孔度分布的图；图24是说明根据本发明形成的代表性挤出复合材料(包括柠檬酸和聚丙烯酸共混物交联的纤维与5％胶乳的复合材料)的孔度分布的图；图25是说明根据本发明形成的代表性挤出复合材料(包括美国长叶松纤维和柠檬酸和聚丙烯酸共混物交联纤维的50∶50共混物与5％胶乳的复合材料)的孔度分布的图；图26说明与对照复合材料相比，根据本发明形成的代表性挤出复合材料的第四涌出收集速率的图；图27是说明根据本发明形成的代表性挤出复合材料(包括柠檬酸和聚丙烯酸共混物交联纤维与15％胶乳的复合材料)的中点解吸压力的图；图28是说明根据本发明形成的代表性挤出复合材料(包括柠檬酸和聚丙烯酸共混物交联纤维的复合材料)的中点解吸压力的图；图29是说明泡沫成网复合材料的中点解吸压力的图；图30是说明湿法成网复合材料的中点解吸压力的图；和图31是说明空气成网复合材料的平均解吸压力的图。
优选实施方案的详细描述在一个方面，本发明提供粘合的纤维素纤维产品，该产品包括原位交联的纤维素纤维。在此使用的术语“原位交联的纤维素纤维”表示已经在网形成期间交联的纤维素纤维。因此，本发明的产品区别于包括首先形成和然后在网形成工艺期间引入网中的交联纤维素纤维的常规网。
产品包括原位交联的纤维素纤维。由于纤维在网形成工艺期间交联(即，原位)，产品包括纤维内交联的纤维素纤维(即，含有每个纤维内交联键的纤维)和纤维间交联的纤维素纤维(即，含有纤维之间交联键的纤维)。产品含有粘合结构并包括纤维内交联的纤维素纤维，它们通过纤维间交联键进一步交联到邻近的纤维。产品具有与纤维内交联纤维相关的有利松密度和回弹性性能和由在纤维之间粘合赋予结构的结构整体性优点。产品是粘合网，其中交联纤维和网自身的粘合结构有益于网的回弹性和液体收集性能。
在一个实施方案中，产品可以由如下方式生产(1)形成纤维素纤维的网，所述纤维素纤维的至少一些已经采用交联剂和(如需要)交联催化剂处理；(2)干燥网；和(3)在足以进行交联的温度和时间下加热网。
用于形成本发明产品的合适纤维包括已经交联剂和(如需要)交联催化剂处理和然后干燥而不固化交联剂的纤维素纤维。这些干燥和处理的纤维可以引入形成设备用于随后的产品形成。
许多交联剂和交联催化剂(如需要)的任何一种可用于提供本发明的产品。以下是有用交联剂和催化剂的代表性列举。以下给出的每篇专利在此以全文明确引入作为参考。
合适的脲基交联剂包括取代的脲如羟甲基化脲、羟甲基化环状脲、羟甲基化低级烷基环状脲、羟甲基化二羟基环状脲、二羟基环状脲、和低级烷基取代的环状脲。具体的脲基交联剂包括二甲基二羟基脲(DMDHU，1，3-二甲基-4，5-二羟基-2-咪唑啉酮)、二羟甲基二羟基亚乙基脲(DMDHEU，1，3-二羟甲基-4，5-二羟基-2-咪唑啉酮)、二羟甲基脲(DMU，双[N-羟甲基]脲)、二羟基亚乙基脲(DHEU，4，5-二羟基-2-咪唑啉酮)、二羟甲基亚乙基脲(DMEU，1，3-二羟甲基-2-咪唑啉酮)、和二甲基二羟基亚乙基脲(DDI，4，5-二羟基-1，3-二甲基-2-咪唑啉酮)。
合适的交联剂包括二醛如C2-C8二醛(如乙二醛)、含有至少一个醛基团的C2-C8二醛酸类似物、和这些醛和二醛酸类似物的低聚物，如在U.S.专利Nos.4,822,453、4,888,093、4,889,595、4,889,596、4,889,597、和4,898,642中描述的那些。其它合适的二醛交联剂包括在U.S.专利Nos.4,853,086、4,900,324、和5,843,061中描述的那些。
其它合适的交联剂包括醛和脲基甲醛加合产品。参见，例如，U.S.专利Nos.3,224,926、3,241,533、3,932,209、4,035,147、3,756,913、4,689,118、4,822,453、3,440,135、4,935,022、3,819,470和3,658,613。
合适的交联剂包括脲的乙二醛加合物，例如，U.S.专利No.4,968,774，和如在U.S.专利Nos.4,285,690、4,332,586、4,396,391、4,455,416、和4,505,712中描述的乙二醛/环状脲加合物。
其它合适的交联剂包括羧酸交联剂如多羧酸。多羧酸交联剂(如，柠檬酸、丙三羧酸、和丁四羧酸)和催化剂描述于U.S.专利Nos.3,526,048、4,820,307、4,936,865、4,975,209、和5,221,285。包含至少三个羧基的C2-C9多羧酸(如柠檬酸和氧联二琥珀酸)作为交联剂的用途描述于U.S.专利Nos.5,137,537、5,183,707、5,190,563、5,562,740、和5,873,979。
聚合多羧酸也是合适的交联剂。合适的聚合多羧酸交联剂描述于U.S.专利Nos.4,391,878、4,420,368、4,431,481、5,049,235、5,160,789、5,442,899、5,698,074、5,496,476、5,496,477、5,728,771、5,705,475、和5,981,739。作为交联剂的聚丙烯酸和相关共聚物描述于U.S.专利Nos.6,306,251、5,549,791、和5,998,511。聚马来酸交联剂描述于U.S.专利No.5,998,511。
具体的合适多羧酸交联剂包括柠檬酸、酒石酸、苹果酸、琥珀酸、戊二酸、柠康酸、衣康酸、酒石酸酯单琥珀酸、马来酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚马来酸、聚甲基乙烯基醚-共-马来酸酯共聚物、聚甲基乙烯基醚-共-衣康酸酯共聚物、丙烯酸的共聚物、和马来酸的共聚物。
其它合适的交联剂描述于U.S.专利Nos.5,225,047、5,366,591、5,556,976、和5,536,369。
合适的催化剂可包括酸性盐，如氯化铵、硫酸铵、氯化铝、氯化镁、硝酸镁、和含磷酸的碱金属盐。在一个实施方案中，交联催化剂是次磷酸钠。
也可以使用交联剂和催化剂的混合物或共混物。
以足以进行上述纤维内交联和纤维间交联的数量将交联剂施加到纤维素纤维上。施加到纤维素纤维上的数量可以为基于纤维的总重量约1-约10wt％。在一个实施方案中，交联剂的数量为基于纤维的总重量约4-约6wt％。
形成本发明产品的合适纤维素纤维包括是本领域的技术人员已知的那些，包括任何能够交联及从其能够形成纤维网或层的任何纤维或纤维混合物。
虽然可以从其他来源获得，纤维素纤维主要取自木浆。本发明所使用的合适的木浆纤维可以从已知的化学方法，例如存在后续漂白或不漂白的牛皮纸制浆法和亚硫酸盐制浆法获得。也可以使用热机械法，化学热机械法或其组合方法加工木浆纤维。优选以化学方法加工木浆纤维。也可以使用磨碎木料纤维、回收或二次木浆纤维以及漂白或未漂白的木浆纤维。也可以使用软木或硬木。选择木浆纤维的详细情况是本领域的普通技术人员所知晓的。这些纤维也可以从一些公司购买到，包括本发明的受让人韦尔豪泽公司。例如，本发明可用的由美国长叶松制造的纤维素纤维即可从韦尔豪泽公司购买到，其牌号为CF416，NF405，PL416，FR516和NB416。
本发明可用的木浆纤维也可以在使用前进行预处理。这一预处理可以包括物理处理，例如对纤维进行蒸汽处理或化学处理。
虽然不应解释为限制性内容，纤维预处理的例子包括使用表面活性剂或修饰纤维表面化学性质的其他液体。其他预处理包括添加抗菌剂、颜料、染料、稠化剂或软化剂。也可以使用以其他化学品，例如热塑性和热固性树脂预处理的纤维。也可以使用预处理的组合。在形成纤维产品后也可以在后处理过程中进行类似的处理。
也可以按照本发明使用以本领域已知的颗粒粘结剂和/或稠化/软化助剂处理的纤维素纤维。颗粒粘结剂用于将其他材料，例如高吸收性聚合物以及其他物质粘附在纤维素纤维上。使用适当的颗粒粘结剂和/或稠化/软化助剂处理的纤维素纤维以及将上述制剂与纤维素纤维结合的工艺公开在下列美国专利中(1)专利号No.5,543,215，题目“粘结颗粒到纤维上的聚合物粘结剂”；(2)专利号No.5,538,783，题目“粘结颗粒到纤维上的非聚合物有机粘结剂”；(3)专利号No.5,300,192，题目“用粘结颗粒到粘结剂上的可再活化粘结剂制造的湿法成网纤维片”；(4)专利号No.5,352,480，题目“使用可再活化粘结剂将颗粒粘结到纤维上的方法”；(5)专利号No.5,308,896,题目“用于高膨体纤维的颗粒粘结剂”；(6)专利号No.5,589,256,题目“增强纤维稠化的颗粒粘结剂”；(7)专利号No.5,672,418，题目“颗粒粘结剂”；(8)专利号No.5,607,759，题目“将颗粒粘结到纤维上”；(9)专利号No.5,693,411，题目“将水溶性颗粒粘结到纤维上的粘结剂”；(10)专利号No.5,547,745，题目“颗粒粘结剂”；(11)专利号No.5,641,561，题目“将颗粒粘结到纤维上”；(12)专利号No.5,308,896，题目“用于高膨体纤维的颗粒粘结剂”；(13)专利号No.5,498,478，题目“聚乙二醇作为纤维粘结剂材料”；(14)专利号No.5,609,727，题目“用于粘结颗粒的纤维产品”；(15)专利号No.5,571,618，题目“粘结颗粒到纤维上的可再活化粘结剂”；(16)专利号No.5,447,977，题目“用于高膨体纤维的颗粒粘结剂”；(17)专利号No.5,614,570，题目“含有带粘结剂的高膨体纤维的吸收制品”；(18)专利号No.5,789,326，题目“粘结剂处理的纤维”；以及(19)专利号No.5,611,885，题目“颗粒粘结剂”，上述专利在此引入作为参考。
除天然纤维以外，也可以向产品中加入包括聚合物纤维，例如聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯纤维的合成纤维。合适的合成纤维包括，例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙和人造丝纤维。其他合适的合成纤维包括那些由热塑性聚合物制成的纤维、以热塑聚合物涂敷的纤维素纤维和其他纤维，和其中至少一种组分包括热塑聚合物的多组分纤维。单组分或多组分纤维可以由聚酯、聚乙烯、聚丙烯和其他传统的热塑性纤维材料制成。单组分和多组分纤维可以从商业渠道获得。合适的双组分纤维包括可以从Hoechst-Celanese Company得到的CELBOND纤维。纤维产品也可以包括天然和合成纤维的组合。
在一个实施方案中，产品进一步包括粘合剂。粘合剂用于进一步增强产品的结构整体性。合适的粘合剂包括热塑性材料，如双组分纤维和胶乳，和湿强力剂。当粘合剂是热塑性纤维时，可以将纤维与纤维素纤维结合和然后成形为要采用交联剂处理的网。当粘合剂是湿强力剂时，可以在将网经受纤维交联条件之前将粘合剂施加到网上。
合适的热塑性纤维包括采用热塑性聚合物涂敷的纤维素纤维和其它纤维，和其中至少一种组分包括热塑性聚合物的多组分纤维。可以从聚酯、聚乙烯、聚丙烯、和其它常规热塑性纤维材料制备单组分和多组分纤维。单组分和多组分纤维可以从商业渠道获得。合适的双组分纤维包括可以从Hoechst-Celanese Company得到的CELBOND纤维。
合适的湿强力剂包括带有含氮基团(例如，氨基)的阳离子改性淀粉，例如可从National Starch and Chemical Corp.，Bridgewater，NJ获得的那些产品；胶乳；湿强力树脂，例如聚酰胺-表氯醇树脂(例如，KYMENE 557LX，Hercules，Inc.，Wilmington，DE)，聚丙烯酰胺树脂(例如美国专利No.3,556,932；另一个例子是由American CyanamidCo.，Stanford，CT使用PAREZ 631 NC商品名销售的聚丙烯酰胺)；脲甲醛和蜜胺甲醛树脂以及聚氮丙啶树脂。对造纸领域所使用的湿强力树脂的一般性讨论以及在本发明中的一般性应用见TAPPI专题系列No.29， “纸和纸板中的湿强度”，木浆和造纸工业技术学会(纽约，1965)。
在其它实施方案中，产品可包括其它纤维。其它纤维包括，例如，纤维素纤维，特别是上述木浆纤维，以及大麻纤维、棉纤维、磨木浆纤维、漂白和未漂白纸浆纤维、回收或二次纤维。
对于其中要求液体保留的产品实施方案，产品可进一步包括吸收材料(如，高吸收性聚合物粒子)。在此使用的术语“吸收材料”表示吸收液体和吸收能力一般大于复合材料纤维素纤维组分的材料。优选，吸收材料是可水溶胀的，一般水不溶性聚合物材料，该材料能够吸收至少约5，所需地约20，和优选约100倍或更多倍于它在盐水(如，0.9％盐水)中的重量。吸收材料可以在用于形成复合材料的方法中的分散介质中可溶胀。在一个实施方案中，吸收材料未处理和可在分散介质中溶胀。在另一个实施方案中，吸收材料是涂敷吸收材料，该材料在产品形成工艺期间抗吸水。
吸收材料在产品中的数量可极大地依赖于产品的所需用途而变化。吸收制品，如用于婴儿尿布的吸收芯中吸收材料的存在量，在复合材料中的存在量合适地为基于复合材料的总重量约2-约80wt％，优选约30-约60wt％。
吸收材料可包括天然材料如琼脂、果胶、和瓜尔胶，和合成材料，如合成水凝胶聚合物。合成水凝胶聚合物包括，例如，羧甲基纤维素、聚丙烯酸的碱金属盐、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、乙烯马来酸酐共聚物、聚乙烯基醚、羧丙基纤维素、聚乙烯基吗啉酮(morpholinone)、乙烯基磺酸的聚合物和共聚物、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、和聚乙烯基吡啶等。在一个实施方案中，吸收材料是高吸收性材料。在此使用的“高吸收性材料”表示能够通过溶胀吸收大量流体和形成水合凝胶(即，水凝胶)的聚合物材料。除吸收大量流体以外，高吸收性材料也可在适当压力下保留其体内显著数量的流体。
高吸收性材料一般分成三类淀粉接枝共聚物、交联的羧甲基纤维素衍生物、和改性亲水性聚丙烯酸酯。这样吸收材料的例子包括水解淀粉-丙烯腈接枝共聚物、中和的淀粉-丙烯酸接枝共聚物、皂化的丙烯酸酯-醋酸乙烯酯共聚物、水解的丙烯腈共聚物或丙烯酰胺共聚物、改性的交联聚乙烯醇、中和的自交联聚丙烯酸、交联的聚丙烯酸盐、羧基化纤维素、和中和的交联异丁烯-马来酸酐共聚物。
高吸收性材料可市购，例如，购自Portsmouth，Virginia的聚丙烯酸酯。这些高吸收性聚合物具有各种尺寸，形态，和吸收性能(以商品名IM 3500和IM 3900购自Clariant)。其它高吸收性材料以商标SANWET(由Sanyo Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha提供)，和SXM77(由Stockhausen，Greensboro，North Carolina提供)市场化。其它高吸收性材料描述于U.S.专利No.4,160,059、U.S.专利No.4,676,784、U.S.专利No.4,673,402、U.S.专利No.5,002,814、U.S.专利No.5,057,166、U.S.专利No.4,102,340、和U.S.专利No.4,818,598，所有文献在此明确引入作为参考。引入高吸收性材料的产品如尿布描述于U.S.专利No.3,699,103和U.S.专利No.3,670,731。
用于所述产品的高吸收性材料包括高吸收性粒子和高吸收性纤维。
在一个实施方案中，产品包括对于产品制造目的相对缓慢溶胀和仍然在可接受速率下溶胀而不相反地影响产品或包含产品的任何构造物的吸收特性的高吸收性材料。一般情况下吸收材料越小，材料吸收液体更快速。
在本发明的另一方面，提供形成粘合纤维素纤维产品的方法。可以由挤出工艺形成粘合的纤维素纤维产品。
一般情况下，形成产品的方法包括向形成设备中引入提供产品的组分。一般地，将纤维作为纸浆淤浆(即，纤维在分散介质中的分散体)引入设备。纸浆淤浆可包括干燥纸浆，从不干燥的纸浆，处理的纸浆，或其混合物。纸浆淤浆可具有相对高的稠度，例如，在一个实施方案中约15-约50wt％固体，和在另一个实施方案中约20-约35wt％固体。然后可以将引入混合/挤出设备的纸浆与其它组分结合。对于并不包括向设备中引入交联剂处理的纸浆的实施方案，这些组分包括交联剂和(如需要)交联催化剂。对于包括粘合剂的本发明实施方案，可以将粘合剂加入到在设备中的纸浆淤浆中。也可以将表面活性剂和空气加入到设备中的纸浆中以提供泡沫形成介质。如需要可以加入其它组分，如吸收材料以提供所需的产品。
将产品的组分在设备中结合和混合和然后从设备挤出。然后干燥挤出的纤维素材料和最终由热处理形成产品。产品具有有利的低密度，低到约0.02g/cm3。一般情况下，产品的密度为约0.02-约0.20g/cm3。
如上所述，通过如下方式形成本发明的产品将包括用交联剂和(如需要)交联催化剂和(如包括)粘合剂处理的纤维素纤维的网经受足以进行交联(即固化)和纤维粘合的温度和时间。可以由几种方法进行用于提供产品的交联剂固化。交联典型地要求相对高的温度(180℃)和长反应时间(大于4分钟)。在一个实施方案中，通过在固化烘箱中加热形成产品，其中使高温和大体积空气通过网。在另一个实施方案中，固化发生在已经将网放入用于运输的箱子之后。在此实施方案中，将包含处理的网的箱子通过干燥器(如，窑炉干燥器)以完成交联反应。
本发明的产品可以形成为拉伸网或片，它具有允许纤维网被辊压，传递，和以辊压形式用于随后工艺的结构整体性和片强度。
本发明的产品可以纤维辊压形式提供和容易地引入随后的工艺。产品可以有利地引入各种吸收制品，如尿布，包括一次性尿布和运动短裤；女性护理产品，包括卫生巾、棉塞、和短裤衬垫；成人失禁产品；毛巾料；外科和牙科海绵；绷带；食品托盘垫等。
在一个实施方案中，本发明的方法提供含有纤维内交联纤维和赋予获得复合材料改进性能的纤维间交联纤维的粘合复合材料。如上所述，方法是泡沫形成方法，它使得能够在高固体含量(即，高稠度)下形成复合材料而不需要使用形成导线和排液。在方法中，空气含量和泡沫密度是方法中泡沫的特性。泡沫可以分为稳定或不稳定的。然而，总体上，泡沫是热力学上相对不稳定的。泡沫稳定性依赖于许多因素，包括表面活性剂类型和浓度，温度，稳定剂浓度，和固体的存在。当泡沫中的液体由重力移动到泡沫气泡底部时发生泡沫的崩塌，引起气泡顶上或之间的层变薄到衰坏点。参见，Porter，M.R.Handbood ofSurfactants，第2版，Blackie Academic & Professional(Chapman&Hall)，1994，65-69页。在本发明工艺中，认为泡沫是稳定的。
为进一步理解用于方法的泡沫，泡沫空气含量和泡沫密度的讨论是说明性的。
Wiggins-Teape教导了按体积空气含量至少为65％的泡沫(参见，U.S.专利Nos.3,716,449和3,938,782)。为进行分散，泡沫的空气含量按体积为55-75％(参见，U.S.专利No.3,817,952)或按体积50-70％(参见，U.S.专利No.3,937,273)。在此空气含量范围以外(更高或更低)，泡沫中的固体，如玻璃纤维，纤维素纤维，微粒等聚结。然而，泡沫比从相同固体含量的含水淤浆制备的网或手抄纸提供更大的分散体。Ahlstrom描述了使用按体积25-75％空气含量的改进方法(参见，U.S.专利No.5,904,809)。
然而，在高空气含量(如，大于按体积约75％)下，Wiggins-Teape描述了泡沫粘度上升到其中气泡层中的液体不再从混合物排出(在合理的时间内)的点(如，泡沫是稳定泡沫)。因此，在多孔载体上的形成和从网排出液体，如在造纸机上，是不实际的。在本发明的方法中，高空气含量泡沫是表现如半固体的稳定泡沫且液体的排出较缓慢。由于较少的液体可从泡沫排出(例如，在按体积95％空气含量下，1000ml泡沫仅包含50ml液体)，由液体移动引起的泡沫崩塌(由于重力或施加的抽吸)需要较长的时间。总的排液时间可展示为按指数降低速率，如图1所示。事实上，从未达到完全的液体排出。因此，此长的排液时间和泡沫的刚度或高粘度使常规排液不实际。本发明的方法使用高空气含量泡沫，典型地大于按体积约75％。在一个实施方案中，空气含量大于按体积约90％，和在另一个实施方案中，大于按体积约98％。先前并不实施这样的高空气含量泡沫以生产不要求多孔载体的产品，通过该载体游离液体从网排出。在本发明方法中，泡沫崩塌由温度和/或系统中的吸湿材料引发，吸湿材料吸收足以导致泡沫气泡崩塌的液体。
泡沫密度与空气含量密切相关。在上述参考文献中，描述了在1巴压力下范围为250-500g/l的泡沫密度。通过消除液体排出的需要，更低的泡沫密度可用于形成纤维网(例如，约20-约100g/l的泡沫密度得到按体积约90-约98％的空气含量)。在本发明中，在1巴下约20-约200g/l的泡沫密度是有用的。工艺中形成步骤的消除极大地减少了必须的设备。由于在网形成期间不从发泡材料排出液体，没有典型的白液或再生液体或泡沫需要再加工和再使用。降低的液体/泡沫负荷也降低了产品中液体的数量，导致更经济的干燥。这由检验工艺中成形固体或稠度而说明。
Ahlstrom专利描述了使用稠度至多为12％的纤维的泡沫形成方法在空气含量为按体积25-75％的泡沫中是可能的。本发明的方法使用按体积约15-约50％的纤维稠度。在某些实施方案中，纤维稠度为约30-约50％。在其它实施方案中，纤维稠度为约20-约35％。可以达到在这样高稠度下的纤维脱水。可以在挤出机中采用加入滑动助剂而将高固体纤维污泥进一步脱水。同样，可以在高稠度下采用滑动助剂挤出再生纤维以再生典型地在印刷纸中发现的纤维和填料。在本发明方法中，泡沫用于流化纤维，与加入滑动助剂相反。由异向或同向旋转挤出机中的高速螺杆或旋转混合机/发泡机的高速转子或泵对合适表面活性剂的作用产生泡沫。用于工艺的泡沫包括表面活性剂。合适的表面活性剂是采用约0.01-约5wt％复合材料的表面活性剂浓度，产生约100g/l泡沫密度和约90％空气含量的表面活性剂。在一个实施方案中，表面活性剂是由Croda生产的Incronam 30。
高固体纤维用于本发明的方法。高固体纤维可以从已经脱水到大于约20％稠度的湿纸浆或从通过锤磨机获得的干燥纤维和加入水生产。因此，在本发明方法中，可以在混合设备中混合和发泡高固体组合物，与适当的化学添加剂，包括粘结剂，胶乳，湿强力剂，干强度剂，交联剂，酸，碱，染料，粉末，颜料，聚合物。
本发明的方法使用由泡沫流化的高稠度纤维。本发明代表性方法的总体图见图2。
可以由剪切诱导混合设备达到发泡和混合操作。在一个实施方案中，剪切诱导混合设备是混合机/发泡机，例如，购自E.T.OakesCorporation，Hauppauge，NY的型号8M混合机/发泡机。此设备是旋转混合机和见图3A-C。为流化纤维，采用柱塞将大约在30％固体的纤维加入到设备中，柱塞向转子推动纤维。在其中纤维接触转子的剪切或混合点，注入表面活性剂。发泡的纤维离开进入向模具进料的管子。参见图3A-C，也可以沿转子的径向轴加入空气和其它化学品。可以在转子的前部面和或在后部面上进行化学品加入。转子和定子见图3B和C。在设备中，纤维必须经过的通道是弯曲的，且没有适当的发泡下，纤维堵塞转子。代表性板混合机挤出设备，方法，根据本发明形成的代表性产品，和代表性产品的工作特性描述于实施例2。
在另一个实施方案中，剪切诱导混合设备是挤出设备。一种这样的挤出机是ZSK 58，购自Coperion Corporation，Ramsey NY的超级混炼机。挤出机的一种可能构型见图4。在工艺中，在约20-约40％固体下，将纸浆加入到挤出机中。然后加入表面活性剂以引发发泡。另外的化学品在发泡下游加入，但可以在发泡之前加入。交联剂，(如柠檬酸和催化剂)可以加入和与纤维在挤出机中混合，使制备的纤维用于在产品随后干燥期间的交联。也可以使用粘结剂如KYMENE(购自Hercules，Wilmington DE)和胶乳(购自DuPont，Midland MI或HBFuller，St.Paul MN)。可以加入为固体，液体，或气体形式的化学品和其它粘结剂。如果需要增加发泡和/或空气含量也可以加入空气。代表性双螺杆挤出设备，方法，根据本发明形成的代表性产品，和代表性产品的工作特性描述于实施例1。
使用任一设备，(即，旋转混合机或双螺杆挤出机)，将发泡纤维和添加剂通过模具挤出以形成片或复合网。也可以产生其它形状。将泡沫复合材料挤出到固体输送带上，导线，非织造载体织物上以将网传输到干燥器。然后使用技术如对流干燥，通过空气干燥，碰撞，微波，无线电频率等，干燥(和/或任选地固化)发泡的复合材料。
由本发明方法形成的复合材料包括收集和贮存复合材料。本发明的方法使得能够形成由任何纤维组成的复合材料，具有低密度的复合材料，和包括原位交联纤维的复合材料。对于包括原位交联纤维的复合材料，可以在将纤维加入到挤出机中之前将交联剂加入到纤维中。或者，可以在挤出工艺期间将交联剂加入到混合设备中。
为达到合适的收集性能，收集复合材料具有相对低的密度。收集复合材料也具有合适的吸收和解吸特性，在此称为中点解吸压力(MDP)。
如图5所示，由本发明方法生产的复合材料的密度更小于由其它所述方法形成的复合材料。图5说明在本发明方法和对于两种纤维配料的方法之间的差异。可以典型地在约0.14g/cm3下，采用描述于如下文献的形成纤维素复合材料的泡沫方法生产仅有松的配料PCT/US99/26560，网状吸收复合材料，和PCT/US99/05997，形成凹槽复合材料的方法。在采用传统造纸纤维的湿法成网系统中，依赖于等级密度可为0.1-1.4g/cm3(参见K.Britt的纸浆和纸技术手册，1970，669页)。本发明的方法可从相同的纤维(松)在0.037g/cm3的密度下形成复合材料。此密度小于这样的密度，在后一密度下泡沫成网，或高稀释湿法成网工艺可形成包括交联纤维的复合材料。
密度与孔度分布相关。本发明的方法，本质上由于泡沫的附聚效果和分散效果两者，产生具有宽孔度范围的网。孔度由自动孔度计测量和由从泡沫的显微照片得到的测量值确认。小于750μm的孔度分布可以容易地由购自TRI/Princeton，Princeton，NJ的自动孔度计测量。对于理论、应用、和设备的描述，参见Miller和Tyomkin在Journal ofColloid and Interface Science(162，163-170页，1994)。孔度计通过吸收和解吸循环测试样品。简单地，将预饱和的样品放入仪器中。增加样品腔中的压力，它引起样品中的液体首先从最大的孔排出随后由更小的孔排出。与天平界面相接的计算机监测在每个施加的压力下离开样品的液体数量。在测试最后的压力点之后，系统可相反运行，引起样品吸收液体，它再次由压力跟踪。从此数据，可以确定孔度分布和吸收/解吸滞后。
由几种方法制备的相似网的模式孔度半径，μm，见表1。模式定义为具有最多体积的孔度，它指示发生的最高频率。这些数值指示在由本发明挤出方法形成的复合材料中的模式孔度(得益于最大体积的孔度)大于由其它方法生产的那些。
表1.模式孔度半径(μm)的比较方法 挤出 泡沫 空气成网 湿法成网吸收曲线 330 225 210 250解吸曲线1508898 75上表中的数据来自图6-9所示的孔度分布图。图6-9说明了分别由本发明挤出方法，泡沫形成法，空气成网，和湿法成网工艺形成的代表性复合材料的孔度分布图。每种复合材料的目标基础重量为300g/m2。在这些图中，指示吸收的模式孔度。模式解吸孔度未标出，但可以如对于吸收那样确定。
毛细管解吸压力(CDP)的低数值已经指示为是优选收集复合材料。毛细管解吸压力(CDP)定义为压头，在该压头下在饱和样品中的50％液体已经从样品排出。对于流体收集，8-40cm H2O(一般8-25cm H2O)的毛细管解吸压力数值对于合成泡沫收集流体是有利的(参见，如，U.S.专利No.5,571,849、U.S.专利No.5,550,167、U.S.专利No.5,851,648)。对于流体分布，CDP的12-50cm H2O(一般20-40cm H2O)数值对于良好性能是所需的(参见U.S.专利No.6,013,589)。
如上所述，Miller和Tyomkin显示可从如下图确定毛细管解吸压力从自动孔度计获得的饱和百分比对施加的压力的图。在压力范围内的吸收(摄入)和解吸(保留)曲线得到材料收集和保留液体能力的指示。用于吸收产品如婴儿尿布的收集材料必须能够快速地吸收液体和也有效地再次将它释放到尿布芯中。由自动孔度计测量的毛细管解吸压力称为中点解吸压力(MDP)。MDP可用作材料作为收集材料能力的量度。清楚的是可以选择任何饱和百分比和(为简洁)当它接近曲线的拐点时选择曲线的中点。除了由本发明方法形成的材料以外，无纤维素的材料不能恰好地达到小于14cm H2O的MDP数值。因此，显示更低MDP数值的含纤维素的材料导致改进的收集性能。
在一个实施方案中，本发明的复合材料的MDP数值小于约14cmH2O。在另一个实施方案中，复合材料的MDP数值小于约12cm H2O。在进一步的实施方案中，复合材料的MDP小于约10cm H2O。
为说明纤维素基收集材料的当前性能，考虑由美国长叶松纤维组成的空气成网收集材料。使用TRI自动孔度计，MDP测量为44cmH2O。此数据在图10中展示以显示自动孔度计的输出。
交联纤维素纤维在个人护理吸收产品如婴儿尿布中的使用改进了市场上当前尿布的性能。测试从两种交联纤维制备的几种空气成网衬垫的MDP。从柠檬酸交联的纤维(化学B)制备的衬垫的MDP为24.2cmH2O。从聚丙烯酸/柠檬酸交联的纤维(化学A)制备的衬垫的MDP为14.4-15.9cm H2O。化学C涉及聚丙烯酸交联的纤维。
本发明的方法提供具有改进MDP数值的网。例如，由Oakes混合机/发泡机而不使用交联化学而形成的挤出松纤维网提供18.5cm H2O的MDP数值(相比于空气成网法的44cm H2O)。从由聚丙烯酸和柠檬酸共混物交联的纤维(预交联化学A)形成的挤出网的MDP数值测量为10.5cm H2O(相比于空气成网法的15.2cm H2O)。从柠檬酸交联纤维(预交联化学B)形成的挤出网的MDP数值测量为12.0cm H2O(相比于空气成网法的24.2cm H2O)。
由于网的结构和表面张力效应挤出工艺提供MDP改进。表面张力与压差相关，如Laplace公式所示γ=2σΔPcosθ]]>
其中ΔP＝压差，σ＝表面张力，θ＝接触角，和r＝半径。
如果由于表面活性剂的存在降低表面张力(如在本发明的泡沫挤出工艺中那样)，则在恒定半径下，也必须降低压差(实际上MDP)。但除非抗崩塌，当潮湿时大多数孔崩塌。可以通过纤维间交联增加结构中的粘合和/或粘结剂的加入而得到进一步的改进。如果粘合和纤维回弹性增加，则孔半径不会崩塌，再次得到更低的MDP数值(通过由于崩塌孔半径而最小化压力的升高)。胶乳的加入升高了接触角数值和因此降低余弦。此也在恒定半径下要求MDP的降低。
上述改进在图11和12中图示表示。图11是展示对于本发明方法作为交联化学函数的中点解吸压力的降低。从松纤维，柠檬酸交联纤维，和原位柠檬酸交联纤维(即，已处理加入到混合设备但未采用柠檬酸固化的纤维)形成的挤出复合材料的MDP数值分别为18.5，12.0，和9.8cm H2O。图12是显示对于包括采用聚丙烯酸和柠檬酸共混物交联的纤维(预交联化学A)，柠檬酸交联纤维(预交联化学B)，原位柠檬酸交联纤维(原位化学B)和原位聚丙烯酸交联纤维(原位化学C)的挤出复合材料，增加交联剂对MDP的效果。当增加交联剂数量时，从这些纤维制备的复合材料的MDP数值降低。MDP的降低(从12到9.8cm H2O)由虚线显示，相比于预交联化学B实线。化学C显示甚至更大的MDP降低。
胶乳，如购自HB Fuller，St.Paul MN的加入，(如基于复合材料总重量的5wt％)也积极地影响MDP和改进收集性能。图13说明单独的胶乳和与原位交联结合的胶乳降低MDP。再次，考虑预交联数据为显示原位交联效果的对照(先前展示为12至9.8cm H2O)。没有原位交联的胶乳效果是12至9.5cm H2O的MDP下降。原位交联和胶乳加入的结合效果将MDP从9.8变成8.3cm H2O。在更高的胶乳水平下，获得甚至更低的MDP数值。作为例子，含有15％胶乳的预交联化学A纤维复合材料的MDP是7.7cm H2O。MDP数值的总结在表2中提供。
表2.代表性挤出复合材料的MDP数值
*仅应用于交联的纤维(E)＝在双螺杆挤出机上制备的样品(O)＝在Oakes混合机/发泡机上制备的样品(E&O)＝包括在Oakes混合机/发泡机或双螺杆挤出机上制备的样品测量根据本发明形成的挤出复合材料的收集速率。如在U.S.专利No.5,460,622和U.S.专利No.4,486,167中所述测量收集速率，每个专利在此引入作为参考。对程序的唯一变化是使用75ml涌出使得总负载接近尿布的总能力，使测试更严格。
将商业尿布购得(Procter & Gamble的PAMPERS)和由指示程序测试第4涌出收集速率。商业尿布对于75ml的第四涌出显示0.44ml/秒的收集速率。此性能表示目前的技术水平。采用化学B(柠檬酸交联的纤维)和C(聚丙烯酸交联的纤维)在4和6％的水平下生产原位交联的收集补片。然后将这些补片插入商业尿布(与对照物相同尺寸和类型的PAMPERS)。以如下方式完成插入。将覆盖料在尿布一端仔细切割和向后剥离以露出商业收集补片和载体棉纸。仔细除去这些材料而不扰乱尿布芯。将与商业补片相同尺寸的代表性挤出补片插入尿布。将覆盖料返回到这的原始位置和密封。
在4％交联剂水平下，依赖于化学类型，第4涌出收集速率为0.48-1.13ml/s。作为第二对照物，也测试预交联纤维。在6％水平下，依赖于基础重量和化学类型，速率为0.36-1.60ml/s。这些数据展示相对于商业尿布对照物和相对于从预交联纤维生产的收集材料，挤出复合材料收集速率的显著改进。当尿布的胯部面积降低，因此降低可用于收集的区域时，此改进是特别重要的。收集数据见表3。
表3.代表性挤出复合材料的收集速率
本发明的挤出复合材料也显示有利的拉伸强度。由于许多测试样品非常薄弱(如空气成网的松软垫)，由水平拉伸方法测量拉伸情况。方法使用固定到恒定速率延伸拉伸机如由Instron提供的那些的下十字头的水平夹具。将10cm×10cm样品夹紧入夹具。对于每个样品将负荷池归零。然后由拉伸机拉动样品。机器测量每个样品的伸长率和断裂负荷。
采用两种不同的化学和在三个水平下生产原位交联的样品。这些样品的拉伸数据见下表和图。清楚的是当原位化学水平增加时，拉伸增加。此增加是纤维间粘合增加的指示。所有的样品(指示为预交联的除外)以相同的方式生产，变化仅在于如表4所示的化学类型和水平。
表4.代表性挤出复合材料的拉伸强度
水平基于纤维重量；使用Oakes混合机/发泡机挤出所有的样品。
依赖于应用的交联化学，当采用原位交联时拉伸增加10-20X。图14说明在原位交联时对挤出复合材料拉伸强度的效果。
胶乳可用于增加挤出复合结构物和网的强度。胶乳和纤维共混物对代表性挤出复合材料强度的效果见图15。胶乳和交联化学对代表性挤出复合材料强度的效果见图16。参考图15和16，采用6％化学的化学B样品的强度是34g/in(BW＝205gsm)。采用5％胶乳的预交联化学B复合材料是94g/in(BW＝157gsm)。采用5％胶乳和6％原位交联的复合材料的拉伸是1065g/in(208gsm)，它比任一单独处理大十倍以上。
在进一步的方面，本发明提供包括交联纤维素纤维产品的吸收制品。产品可以与一个或多个其它层结合以提供可引入吸收制品如婴儿尿布、成人失禁产品、和女性护理产品的结构。实施例实施例1代表性双螺杆挤出设备和方法，和代表性产品和它们的性能特性在此实施例中，描述代表性双螺杆挤出设备，使用所述设备形成产品的方法，使用所述设备由所述方法形成的代表性产品，和代表性产品的性能特性。
实验室测试展示在泡沫介质中挤出纤维网提供增强性能的可能性。考虑到实验室成功，进行中试试验。以下内容描述在本发明方法中使用由Krupp，Werner，和Pfleiderer(KW&P)生产的双螺杆挤出机以提供本发明的代表性产品。
在试验中，采用宽范围的基础重量(～400-2000g/m2)挤出材料的连续网。将双组分纤维(CELBOND T105)加入到系统中以生产具有更强整体性的样品。表面活性剂浓度在两个水平总质量的1％和0.5％下测试。两个水平产生适当的泡沫。泡沫质量相似于来自Oakes试验室单元的那些(板混合机/发泡机，94-99％空气含量，泡沫密度10-60g/l)。关于纤维长度，纤维的打开并不损害纤维。产品质量和性能并不优化，此不能满意地作为采用Oakes系统制备的样品。挤出机单元是紧密的，并且依赖于螺杆直径，可以安装在混凝土板上而没有底脚或桩基。与典型的纸工业相比，小尺寸和工艺的简单也转化成低资金和工程成本。直接向设备中以干燥形式加入SAP的能力是优点。
设备.使用九个机筒ZSK 58mm双螺杆挤出机(KW&P)用于试验。挤出机设置的图见图4。四个Acrison单螺杆进料机用于向挤出机中加入原材料。总计五种不同的螺杆设计用于分散纤维和产生泡沫。不同的螺杆设计描述于如下部分。
图4显示的设备显示几个值得注意的特征。第一个特征是设备的相对尺寸。挤出机含有大约25’×25’的区域。挤出机在主地板上而进料机在第二地板上。每个机筒小于1英尺长。在吸收产品的商业设计中，不需要九个机筒的系统(注意从左边计数，第一个和最后一个机筒不是必须的)。第三个机筒也是任选的。
另一个重要点是简化。此系统基本上是集结入，集结出的操作。进料系统简单，采用已知技术失重进料机。当吸收材料(如高吸收性聚合物，SAP)可以采用干燥形式通过侧进料机直接加入湿纤维流中而没有堵塞时，强调这点。此系统能够容易加工纤维和满足最先两个试验目的的SAP。SAP在工艺适当端以干燥形式的加入保持SAP溶胀到SR1001(购自Stockhausen的轻微交联聚丙烯酸酯)的最小情况。当干燥加入及挤出机中的保留时间在5秒以下时，另一种购自Stockhausen的聚丙烯酸酯，SXM-77，溶胀且不利地影响运行性。
试验详细情况.采用一系列运行进行挤出机试验。这些运行见表7。没有纤维，发泡没有问题，产生的泡沫为96-97％空气含量范围(相比于描述于如下文献的泡沫形成工艺(泡沫成网)的理论最优67％PCT/US99/26560，网状吸收复合材料，和PCT/US99/05997，形成凹槽复合材料的方法，每篇专利在此以全文明确引入作为参考)。泡沫密度是29-30g/l，相比于泡沫成网工艺典型地350g/l。在达到泡沫之后，开始纤维进料。为获得纤维分散，尝试三种不同的螺杆构型。第一种构型具有相当多的高剪切元件。尽管这些元件产生剪切，它们也限制材料的流动(如增加保留时间)。此设计产生一些热量和不能有效分散纤维。第二种设计是没有限制的低剪切设计。此设计能够达到1000rpm螺杆速度而没有显著增加温度。结果是，改进纤维分散。在网中纤维结是仍然可见的。然而，分散好于第一螺杆设计和好于在此试验中达到的的分散，此试验以下识别为1051-XNP。
第三种设计再插入有限数目的更高剪切元件以改进纤维化。这些较少的剪切元件增加温度。
第四种螺杆设计(相似于第二种设计但采用更多的捏合段)允许至多225磅OD纤维/hr(2.5吨/天)的进料。仅加工纤维，此螺杆设计显示为破裂纤维块。降低进料到0.5吨/天使得可以更容易地看出纤维分散。然后安装狭缝模具，它产生大约500g/m2和0.05g/cc(26.6％“埋伏”(couch)固体)的网。
在取得样品和机器数据之后，在约50％水平下加入SR1001。侧进料机运行完整而没有SAP进料问题。将此复合材料(BW～1100g/m2，密度～0.11g/cc)通过模具头挤出和取得样品(39％“埋伏”固体)。容量数值是16g/g。当尝试SXM-77时，除去所有的游离水分和产生SAP和纤维的干燥块。这是在先前试验(1050-XNP)中看到的相同结果。
由于网可以采用模具生产，采用SAP在更低的基础重量下生产样品以与先前制备和测试的泡沫成网材料比较。也加入双组分纤维CELBOND T105以增加整体性。也可以向系统中加入湿强力剂KYMENE，双组分纤维的替代。产生低基础重量的材料。表面活性剂水平从1％降低到总质量的0.5％而没有不利的效果。经验上，水可利用性是比表面活性剂总量更为限制性的因素。
采用第五种螺杆设计使用一些三叶元件形成含有和没有CELBOND T105的其他低基础重量材料。材料显示具有更少的结。进行产量研究，它确定此螺杆限制纤维进料到700磅/hr(现状如此)或约1170磅/小时总质量(假定40％固体和50％SAP)。
纤维质量/分散结果螺杆设计和产量.测试从几种螺杆轴设计的材料的样品的结百分比和纤维长度。这两个测试典型地由小实验室使用以评价锤磨机效率。这些工具用于评价不同的螺杆设计。根据声波分级数据，表5指示设计5轻微好于设计4。在任一设计中，未切割纤维，如由纤维长度数据证明。
表5.对于螺杆设计4和5的纤维质量比较
其它数据指示设计2是效率最小的而随后的设计改进纤维分散。
固体含量.固体百分比在25-65％范围内测量，但并不遵循根据材料平衡的预测值(17-47％范围)。除一个以外的所有测量值指示比理论值更高的固体，它指示样品可能没有完全干燥。
容量结果.对包含37-46％SAP含量的样品测量在约11-17g/g负荷数值下的容量。考虑高基础重量和由于恒定的模具狭缝尺寸而增加密度，容量值是合理的。
表面活性剂水平.使用的三个表面活性剂(购自Croda的Incronam30)水平是5.0，7.5和10.0(现状如此)磅/hr。从水萃取物的表面张力值指示表面活性剂存在于表面上和容易除去。对于三个表面活性剂水平(5.0，7.5和10.0磅/hr)表面张力值是40.7，40.4，和35.5达因/cm。由于发泡在所有水平下是成功的和在此工艺中没有“洗涤”步骤，可以采用更低水平的表面活性剂以降低残余表面活性剂的水平。更低水平的表面活性剂可增强产品的收集性能。在泡沫成网的网中使用Incronam 30或Dehyton K的典型萃取物表面张力值是40-43达因/cm。
收集/孔度分布/中值解吸压力.由Edana测试方法，新市场纸浆标准测量收集。对于100mL的第一到第三剂量，Procter & GamblePAMPERS对照物的收集时间分别是27秒，60秒，和85秒。代表性样品的收集性能指示过量表面活性剂的存在。对于所有样品第一剂量收集时间是30-70秒。一般情况下，第二和第三剂量耗时长于300秒(5分钟)。
在图中给出代表性产品的孔度分布和中值解吸压力。
孔度分布(PSD)和中值解吸压力(MDP)并不超越表面活性剂水平提供关于收集性能的另外洞察力。以上图17-20显示在此试验期间生产的两个更低基础重量样品的PSD和MDP。当与图21和22比较时，1051-XNP样品非常相似于在Oakes上在实施例2所述实验室研究期间生产的那些。MDP数据并不显示在两个研究之间的任何差异。运行17和19的MDP数值分别测量为17.2cm H2O和16.2cm H2O，而在Oakes工艺中100％松的数值是16.5cm H2O。
与相似泡沫成网材料的比较.下表6显示根据本发明的材料相对于泡沫成网制备材料的比较。显著的差异是密度和对垂直芯吸的获得效果。尽管木绒纸浆(美国长叶松)含量存在差异，容量数值相似。甚至没有优化，1051-XNP材料可比于泡沫成网制备的材料。
表6.1051-XNP和泡沫成网(943和946)样品的比较
产量.产量研究指示可以通过58mm机器加工～450 OD磅/小时(5吨/天)的总质量。
表7.代表性挤出复合材料的总结
实施例2代表性板混合机挤出设备和方法，和代表性产品和它们的性能特性在此实施例中，描述代表性板混合机挤出设备，使用所述设备形成产品的方法，使用所述设备由所述方法形成的代表性产品，和代表性产品的性能特性。
板混合机/挤出工艺是对用于制备复合芯材料的传统形成技术的一个替代。在此实施例中，Oakes混合机/发泡机(Oakes连续混合头，E.T.Oakes Corporation，Hauppauge，NY)用于产生可挤出泡沫，从该泡沫通过简单模具头由挤出制备网。使用三种纤维配料美国长叶松纸浆纤维(CPine)，柠檬酸处理的纤维素纤维(XLA)，和这两种纤维的50∶50共混物。购自H.B.Fuller Company的PD8161胶乳，以5wt％，10wt％，和15wt％的水平用作粘合和回弹性助剂。
在此使用的术语“EXPRO”表示本发明的挤出工艺和由工艺形成的产品。
结果展示如下内容。所述设备和方法可在低于其它目前工艺的密度下将松纤维和处理的纤维形成网。这些产品的平均孔度半径对于挤出网经由传统工艺形成的网更大。相对于目前的材料产品具有改进的收集情况。产品比采用传统工艺形成的目前材料显示更为低的中值解吸压力。挤出工艺具有原材料或产品的最小废料。
概述.在此实施例中，CPine，XLA，和PD8161胶乳用于形成具有不同纤维配料和胶乳含量的样品。样品描述见表8。
表8.挤出复合样品描述
Oakes设定.为生产这些样品，使用如图3A-C所示的实验室设备。具体的机器和运行规定以下给出。
一般情况下，在30％稠度下将所需的纸浆纤维，与2wt％作为滑动助剂的Polyox(4百万分子量聚环氧乙烷)一起通过柱塞进料机加入到混合机/发泡机中。通过柱塞进料机将其它添加剂如空气，表面活性剂和胶乳加入到位于Oakes设备上的注入口。目前的系统是批量操作系统，它在集结入，集结出基础上操作而基本没有废料。由纸浆进料速率和输送机速度控制样品的目标基础重量(300g/m2)。
孔度分布.采用TRI自动孔度计测量孔度分布。在此讨论几个例子。在此选择的三个样品代表在三种配料中看到的差异松(实施例2，图23)，XLA(实施例6，图24)，和50∶50共混物(实施例10，图25)。
在图24中，注意曲线中向每个曲线更高平均半径的转变。此是从松向交联纤维变化的指示。图25，共混物样品，显示在图23和24中看到那些之间的中间模式值。更大的平均半径是形成更松散网的更坚硬交联纤维的结果和也由于由结构的支撑。在曲线以下的面积是样品中总体积的指示，因此是样品容量的指示。这来自如下事实PSD曲线是从自动孔度计获得的累积体积图表的衍生物。因此可以根据它们对孔度的影响评价纤维配料，而孔度又影响所述结构的体积或容量。
然而，关于收集，最好仅根据模式孔度比较工艺。这些数值列于表1。这些数值指示本发明的挤出工艺产生四种测试工艺的最大孔度。
收集.收集性能典型地是基于多剂量测试的结果。第四涌出结果，是最严格的条件，通常用作性能指示物。在此研究中样品的第四涌出结果见表9中的概述数据表。
一般情况下，XLA结果是最有希望的。这些结果在图26中给出。这些数据显示相对于目前的尿布对照物，收集速率由单独的XLA改进。当胶乳存在时，结果继续相对于对照物和相对于1012-XNP的性能而改进。第四涌出结果不是唯一的改进。所有的涌出(1-4)显示相对于对照物改进收集速率。
中值解吸压力.尽管对于收集材料快速地收集流体是重要的，材料也必须能够容易地将它释入到吸收剂芯中。释放流体的此能力由中值解吸压力判断。这是其中在自动孔度计上测试期间50％收集流体已经从样品除去的压力。
从柠檬酸交联纤维形成的复合材料的MDP大约为20-22cm H2O。从纤维如XLA形成的复合材料仅能够达到16-19cm H2O的MDP数值。图29显示其中XLA用于生产1012-XNP中的样品的实施例。在此MDP是17cm H2O。
使用挤出工艺，从柠檬酸交联纤维单独形成的复合材料的MDP值降低到10.5cm H2O(参见图28)。胶乳的加入改进MDP到7.7cmH2O(参见图27)。根据采用表9所示纤维配料的MDP范围，可以使用这些纤维、胶乳和挤出工艺控制MDP为8-17cm H2O。
这些结果显示不同的工艺在密度和孔度分布方面形成不同的结构。这些结构差异，以及表面特性，也影响中值解吸压力。
图29，30，和31显示由三种不同工艺形成的复合材料的MDP。图31显示从识别为46-01和46-02的两批XLA纤维制备的空气成网垫。这些垫的密度为0.06g/cm3但并不含有任何表面活性剂以抑制MDP(14-16cm H2O)。图29如先前所述是泡沫形成的复合材料。尽管具有更低的密度，但MDP略微高于空气成网的样品。图30显示湿法成网复合材料的MDP。此材料的MDP为18.5并具有相似于泡沫形成的样品的密度。如图27和28所见，由挤出工艺形成的样品显示更低的MDP数值。
拉伸.拉伸中的变化遵循期望的倾向(1)当松含量增加时，张力增加；(2)当交联纤维含量增加时，张力降低；和(3)当胶乳含量增加时，张力增加。采用Instron使用水平夹具测量这些样品。
结果可以总结如下。当使用松纤维或交联纤维时，挤出网的密度低于形成吸收网的其它工艺。挤出网的平均孔度半径越大，提供增强的收集性能。挤出工艺能够使用松纤维和交联纤维生产具有改进MDP的网，它指示此材料会更容易地释放液体到贮存芯中。挤出工艺能够加入胶乳和其它添加剂到网中而没有喷雾和没有废料情况。
胶乳和纤维共混物对挤出复合材料强度的效果见图15。
表9.代表性拉伸复合材料性能
a在由空气成网/SAP芯围绕的目前Procter & Gamble PAMPERS中测试样品。将同样的商业尿布作为对照。
b选择最接近300g/m2的样品用于测试。平均基础重量指示工艺设定值(纤维进料和输送机速度)的接近程度以达到目标基础重量。
cXLA纤维(WTC)dXLA纤维(CMF)实施例3代表性产品的性能特性在此实施例中，描述根据本发明形成的代表性产品的性能特性。
将本发明代表性产品的中间吸收压力(MUP)，中间解吸压力(MDP)，和卡规径测量，并与常规空气形成网比较。标准化的结果见表10。在表10中，XLA表示采用柠檬酸交联的纤维素纤维的空气形成网，XLB表示采用柠檬酸和聚丙烯酸纤维结合物交联的纤维素纤维的空气形成网，EXPRO-D表示采用柠檬酸交联的纤维素纤维的复合材料，EXPRO-E表示从采用柠檬酸处理的纤维素纤维形成的本发明产品，和EXPRO-F表示从采用柠檬酸和聚丙烯酸结合物处理的纤维素纤维和胶乳形成的本发明产品。在300gsm基础重量下测试所有的样品。
表10.中间吸收压力，中间解吸压力，和卡规径
将本发明代表性产品的收集速率，和再湿量，和拉伸强度测量，并与常规空气形成网比较。标准化的结果见表11。在表11中，XLA表示采用柠檬酸交联的纤维素纤维的空气形成网，XLB表示采用柠檬酸和聚丙烯酸纤维结合物交联的纤维素纤维的空气形成网，EXPRO-D表示采用柠檬酸交联的纤维素纤维的泡沫形成复合材料，和EXPRO-E表示从采用柠檬酸处理的纤维素纤维形成的本发明产品。在300gsm基础重量下测试所有的样品。
表11.收集速率，再湿量，和拉伸强度
尽管已经说明和描述了本发明的优选实施方案，理解其中可以进行各种变化而不背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种纤维素纤维复合材料的制备方法，包括(a)在混合设备中结合纤维素纤维与表面活性剂；(b)在设备中产生包括纤维素纤维、表面活性剂和空气的泡沫；和(c)从设备挤出泡沫以提供纤维素纤维复合材料。
2.权利要求1的方法，其中与表面活性剂结合的纤维素纤维的固体含量大于约15％。
3.权利要求1的方法，其中与表面活性剂结合的纤维素纤维的固体含量小于约50％。
4.权利要求1的方法，其中混合设备包括板混合机挤出设备。
5.权利要求1的方法，其中混合设备包括双螺杆挤出设备。
6.权利要求1的方法，其中基于泡沫的体积，泡沫按体积计的空气含量大于约75％。
7.权利要求1的方法，其中基于泡沫的体积，泡沫按体积计的空气含量大于约90％。
8.权利要求1的方法，其中基于泡沫的体积，泡沫按体积计的空气含量大于约98％。
9.权利要求1的方法，其中泡沫的密度大于约20g/L。
10.权利要求1的方法，其中泡沫的密度小于约100g/L。
11.权利要求1的方法，其中基于复合材料的重量，表面活性剂的存在量为约0.01-约5wt％。
12.权利要求1的方法，进一步包括干燥所挤出的纤维素纤维复合材料。
13.权利要求1的方法，其中泡沫进一步包括交联剂。
14.权利要求13的方法，进一步包括加热所挤出的复合材料以提供粘合的复合材料。
15.权利要求1的方法，其中泡沫进一步包括胶乳。
16.权利要求15的方法，进一步包括加热所挤出的复合材料以提供粘合的复合材料。
17.权利要求1的方法，其中泡沫进一步包括热塑性纤维。
18.权利要求17的方法，进一步包括加热所挤出的复合材料以提供粘合的复合材料。
19.权利要求1的方法，其中纤维素纤维包括采用交联剂处理的纤维素纤维。
20.权利要求19的方法，进一步包括加热所挤出的复合材料以提供粘合的复合材料。
21.权利要求1的方法，其中泡沫进一步包括湿强力剂。
22.权利要求21的方法，进一步包括加热所挤出的复合材料以提供粘合的复合材料。
23.权利要求1的方法，其中纤维素纤维包括交联的纤维素纤维。
24.权利要求1的方法，其中泡沫进一步包括吸收材料。
25.一种纤维素纤维复合材料，包括粘合的交联纤维素纤维，复合材料的中点解吸压力小于约14cm H2O。
26.权利要求25的复合材料，中点解吸压力小于约12cm H2O。
27.权利要求25的复合材料，中点解吸压力小于约10cm H2O。
28.权利要求25的复合材料，密度小于约0.10g/cm3。
29.权利要求25的复合材料，密度大于约0.02g/cm3。
30.权利要求25的复合材料，其第四涌出液体收集速率大于约0.4mL/秒。
31.权利要求25的复合材料，其中交联的纤维素纤维包括聚丙烯酸交联纤维。
32.权利要求25的复合材料，其中交联的纤维素纤维包括采用柠檬酸和聚丙烯酸共混物交联的纤维素纤维。
33.权利要求25的复合材料，其中交联的纤维素纤维包括采用交联剂预处理和在复合材料形成期间固化的纤维素纤维。
34.权利要求25的复合材料，其中交联的纤维素纤维包括在复合材料形成期间采用交联剂处理的纤维素纤维。
35.权利要求25的复合材料，其中交联的纤维素纤维包括纤维内交联的纤维素纤维和纤维间交联的纤维素纤维。
36.权利要求25的复合材料，进一步包括热塑性纤维。
37.权利要求36的复合材料，其中热塑性纤维包括双组分纤维。
38.权利要求25的复合材料，进一步包括胶乳。
39.权利要求25的复合材料，进一步包括湿强力剂。
40.权利要求25的复合材料，进一步包括吸收材料。
41.一种泡沫，包括纤维素纤维、表面活性剂和空气，其中泡沫按体积计的空气含量大于约75％。
全文摘要
本发明提供挤出的纤维素纤维产品。在一个实施方案中，产品包括原位交联的纤维素纤维。在另一个实施方案中，产品进一步包括粘合剂。产品可任选地包括其它纤维和吸收材料。也描述了纤维素纤维产品和包括纤维素纤维产品的吸收制品的制备方法。
文档编号A61F5/44GK1474895SQ01818849
公开日2004年2月11日 申请日期2001年11月14日 优先权日2000年11月14日
发明者彼得·A·格利夫, 塔里·M·格朗, M 格朗, 彼得 A 格利夫 申请人:韦尔豪泽公司