用生物基结合剂聚合物固结纤维性材料的方法、固结的纤维性材料以及水性结合剂溶液与流程

本公开涉及用于固结包含植物基纤维或由植物基纤维组成的纤维性材料的方法。特别地，本公开涉及用生物基结合剂聚合物固结包含植物基纤维或由植物基纤维组成的纤维性材料的方法。本公开还涉及通过该方法获得的固结的纤维性材料、包含生物基结合剂聚合物和酸的水性溶液以及包含通过该生物基结合剂聚合物固结的纤维的非织造材料。

背景技术：

1、通常非织造材料基于生物学原料纤维素，用于将纤维结合在一起并获得期望特征的结合剂总体上为化石基聚合物，使织物部分地为非生物基的。化石基聚合物贡献于具有高水平的湿强度和干强度、吸水容量以及对其计划的应用可能是重要的其它特征的材料。由于化石基聚合物的众所周知和了解的特性，已经难以找到适合用于非织造物的生物基替代物。不幸的是，从化石基结合剂向生物剂结合剂转移的问题是最终材料总体上损失其一些重要特征，例如强度或耐久性。

2、然而，对材料特性的需求将是高的，并且重要的是，材料的特性没有以不合理的程度受损，同时仍然发现更加可持续的解决方案。已知水溶性改性纤维素、例如纤维素醚具有许多期望的性质，例如粘结和吸水性质。然而，利用这些结合剂所看到的缺点是非织造材料变得相当刚性并且损失其大部分伸长率。

3、鉴于上述情况，本公开的目的是借助于环境友好的方法固结纤维性材料，该纤维性材料具有维持的吸收性能以及改善的机械强度和柔性。

技术实现思路

1、上述目的中的一个或更多可以通过根据权利要求1的用于固结纤维性材料的方法、通过该方法固结的根据权利要求15的纤维性材料、根据权利要求16的水性结合剂溶液以及根据权利要求22的非织造材料来实现。本发明的进一步优点和有利特征在以下描述中和从属权利要求中公开。

2、根据第一方面，本公开涉及一种用于固结纤维性材料的方法，该纤维性材料包含植物基纤维或由植物基纤维组成，该植物基纤维例如纤维素纤维和/或聚乳酸(pla)纤维，该方法包括以下步骤；

3、-向纤维性材料施加包含纤维素衍生物和/或其盐以及酸的水性溶液，该水性溶液具有从3至7的范围内、可选地从3至6的范围内、可选地从3至4.5的范围内的ph；以及

4、-干燥结合的纤维性材料，可选地在100℃或更高温度下。

5、用生物基结合剂固结纤维性材料的方法，该纤维性材料包含植物基纤维或由植物基纤维组成，并且根据本文中公开的方法，借助于改进的环境友好方法提供具有改进的湿强度特性和维持的吸收性能的固结的纤维性材料。

6、此外，本发明人已经发现，通过向纤维性材料施加根据本公开的包含纤维素衍生物和/或其盐以及酸的水性溶液，纤维性材料可以在不使用额外的化学品(诸如例如次磷酸盐和其它类似试剂)的情况下固结，这在经济和环境上都是有利的。此外，由于在施加水性溶液之后不洗涤纤维性材料，所以有利的是使用尽可能少的不会为纤维性材料提供益处的化学品。

7、可选地，干燥步骤可以在从100℃至170℃范围内的温度下在至少2秒、至少5秒、至少10秒、至少20秒、或至少50秒、或至少2分钟、或至少5分钟、10分钟、可选地至少15分钟的时间段内进行。干燥的时间可以取决于所使用的干燥技术。干燥可以在从120℃至160℃的范围内的温度下在至少2秒、至少5秒、至少10秒、至少20秒、或至少50秒、或至少2分钟、或至少5分钟、10分钟、可选地至少15分钟的时间期间进行。所制造的纤维性幅材可优选地具有7％或更低的水含量。所制造的纤维性幅材可在干燥后优选地在机器之后直接具有1％或更低的水含量，以确保结合剂的足够的活化/固化以达到期望的拉伸强度水平。

8、干燥步骤可在将水性溶液施加到纤维性幅材的步骤之后直接进行。

9、纤维素衍生物可以是羧甲基纤维素，并且其盐可以是羧甲基纤维素钠。

10、纤维性材料可以是气流成网、湿法成网、泡沫形成的、梳理的非织造物或者包含植物基纤维或由植物基纤维组成的类似材料。

11、可替代地，可在形成材料幅材的步骤之前，用水性溶液预处理纤维性材料。

12、酸可以是单质子酸。

13、水性溶液可进一步包含ph控制剂。为了将该水性溶液的ph调节到所要求的范围，例如如果添加较少量的酸，可以向该溶液添加ph控制剂。

14、酸可以是羧酸。

15、羧酸可以是一元羧酸，可选地为乳酸或水杨酸。本发明人已惊奇地发现，单羧酸，并且特别是乳酸和水杨酸，借助于使用生物基结合剂的方法给固结的纤维性材料提供关于改进的湿强度特性的益处。乳酸可以为d-乳酸、l-乳酸或d/l乳酸中的任一种，或其共混物。

16、羧酸可以为聚羧酸，即具有两个或更多个羧基，可选地为柠檬酸。

17、水性溶液可以包含一种或更多酸，例如一元羧酸和聚羧酸的混合物。

18、该方法可以包括向纤维性材料添加生物基增塑剂、例如甘油的步骤。增塑剂可以在将纤维素衍生物溶解在水性溶液中之后以及在将酸添加到水性溶液中之后被添加到水性溶液。

19、纤维素衍生物和/或其盐与酸的比率可以为1.2：1起，例如从1.2：1至150：1的范围内，例如从1.5：1至140：1的范围内或从1.7：1至6：1的范围内或从1.7：1至5：1的范围内。本文中所呈现的纤维素衍生物和/或其盐与酸的比率赋予固结的纤维性材料就湿拉伸强度而言的最佳特性。

20、酸的量可以在水性结合剂溶液总质量的从0.01重量％至3重量％的范围内，可选地在水性结合剂溶液总质量的从0.05重量％至2重量％的范围内，可选地在水性结合剂溶液总质量的从0.1重量％至1.5重量％的范围内。

21、纤维素衍生物和/或其盐的量可以在水性结合剂溶液总质量的从0.4重量％至6重量％的范围内，可选地在水性结合剂溶液总质量的从0.5重量％至5重量％的范围内，例如从0.8重量％至3重量％的范围内。

22、纤维素衍生物和/或其盐可以具有从0.65至1的置换度(ds)，可选地从0.65至0.9的ds。纤维素衍生物可以为具有从0.65至1的ds、可选地从0.65至0.9的ds的cmc和/或其盐。已经发现这提供具有改进的湿拉伸强度的用生物基结合剂固结的纤维性材料。纤维素衍生物的ds是每个基本单元附着的取代基的数目。ds可以通过本领域已知的任何技术来测量。例如，取决于待测试的cmc的类型，置换度(包括本文中公开的那些)可以通过标准astm方法d 1439-97“羧甲基纤维素钠”并且使用测试方法a或b测量。可替代地，可以使用以下分析方法：已知重量的cmc的样品被烧成灰分，即，在650℃下加热45分钟，然后冷却至25℃；然后将冷却的样品溶解在具有80℃的温度的蒸馏水中以形成样品混合物；然后将样品混合物冷却至70℃，并且随后通过使用甲基红作为指示剂用0.1n硫酸滴定。置换度(ds)通过以下公式计算，其中b是酸消耗的量(ml)并且g是样品的重量(克)：

23、

24、水性溶液可通过喷涂施加。水性溶液可以替代地通过涂覆来施加。在形成材料幅材之前或者在已经形成材料幅材之后，可以将该水性溶液添加到植物基纤维的纤维混合物/与该纤维混合物混合。

25、根据第二方面，本公开涉及通过根据第一方面的方法获得的纤维性材料。

26、纤维性材料可以是气流成网、湿法成网、泡沫形成的或梳理的纤维性材料。其可以是非织造材料。

27、纤维性材料可以包括一种或几种类型的植物基纤维，例如，纤维性材料可以是纤维素纤维和pla纤维的混合物。

28、根据第三方面，本公开涉及包含纤维素衍生物和/或其盐以及酸的水性结合剂溶液，该水性溶液具有从3至7范围内的ph，可选地从3至6范围内的ph，可选地从3至4.5范围内的ph。

29、纤维素衍生物可以为羧甲基纤维素，并且其盐可以是羧甲基纤维素钠。

30、酸可以为羧酸，可选地为一元羧酸。

31、水性溶液可进一步包含ph控制剂。

32、纤维素衍生物与酸的比率可以为1.2：1起，可选地在从1.2：1至150：1的范围内，例如在从1.5：1至140：1的范围内或在从1.7：1至6：1的范围内或在从1.7：1至5：1的范围内。

33、酸的量可以在水性结合剂溶液总质量的从0.01重量％至3重量％的范围内，可选地在水性结合剂溶液总质量的从0.05重量％至2重量％的范围内。可选地，在水性结合剂溶液总质量的从0.1重量％至1.5重量％的范围内。

34、纤维素衍生物和/或其盐的量可以在水性结合剂溶液总质量的从0.4重量％至6重量％的范围内，可选地在水性结合剂溶液总质量的从0.5重量％至5重量％的范围内，例如从0.8重量％至3重量％的范围内。

35、纤维素衍生物和/或其盐可以具有从0.65至1的置换度(ds)，可选地从0.65至0.9的置换度。

36、根据第四方面，本公开涉及包含植物基纤维的非织造材料，该植物基纤维在羧酸的存在下通过生物基结合剂聚合物被固结在一起，该生物基结合剂聚合物为与具有如根据nwsp 110.4r0(15)测量的100n/m或更大的在机器方向(md)上的湿最大拉伸强度以及100n/m或更大的横向方向(cd)上的湿最大拉伸强度的非织造物结合的纤维素衍生物和/或其盐，例如羧甲基纤维素或其盐。

37、根据第五方面，本公开涉及包含植物基纤维的非织造材料，该植物基纤维在羧酸的存在下通过生物基结合剂聚合物被固结在一起，该生物基结合剂聚合物为纤维素衍生物和/或其盐，例如羧甲基纤维素和/或其盐，其中非织造材料具有如本文中公开的方法测量的从3.5至5.5范围内的ph。

38、些纤维可以为植物基或人造的纤维素纤维或聚乳酸(pla)纤维。纤维素纤维包括粘胶纤维和莱赛尔纤维，并且非织造材料可以包括一种或更多类型的纤维，例如植物基纤维的混合物。植物基纤维的示例是纤维素纸浆纤维、棉花、木棉、以及乳草；叶纤维，例如剑麻、蕉麻、菠萝、和新西兰大麻；或韧皮纤维，例如亚麻、大麻、黄麻和洋麻。

39、如在本文中使用的术语“纤维素纸浆纤维”包括来自化学纸浆(例如牛皮纸、硫酸盐或亚硫酸盐)、机械纸浆、热机械纸浆、化学机械纸浆和/或化学热机械纸浆(缩写为ctmp)的纸浆纤维。可以使用来源于落叶(硬木)和针叶(软木)两者的纸浆。纤维还可来自非木质植物，例如谷类稻草、竹子、黄麻或剑麻。这些纤维或纤维的一部分可以是再循环纤维，该再循环纤维可以属于以上类别中的任何或全部。

40、纤维可以是原纤化纤维，其中直接来自原料的纤维被压制成旨在获得单独的纤维的方法。这可以机械地(梳理、精炼)和/或借助于温度和/或化学品(例如纸浆，诸如tmp、ctmp、bctmp、kraft等)进行。然后，另一方面，纤维可以是再生纤维素或pla，其是可以由纺丝染料生产连续长丝的纤维。

41、非织造材料可以具有根据nwsp 110.4r0(15)测量的至少6％、可选地至少7％的在机器方向(md)上伸长率以及至少6％、可选地至少7％的在横向方向(cd)上的伸长率。

42、非织造材料可以为气流成网非织造材料。

43、纤维素衍生物可以为羧甲基纤维素或其盐，可选地为羧甲基纤维素钠。

44、羧酸可以是一元羧酸或多元羧酸，例如柠檬酸。

45、非织造材料被定义为被热学地、机械或化学地结合在一起并且从而不像纺织织物那样被针织也不被编织的纤维幅材或片材。取决于原料的选择以及制造方法，非织造材料的外观和特性可以非常不同，并且每种非织造材料被设计用于特定应用。尽管织物的性能可能不同，但通常使用具有吸收性、强度、伸长和耐用性的非织造材料。

46、非织造材料的制造开始于将纤维布置成幅材结构。该布置可以以不同的方式执行，一些可能的方法是气流成网、湿法成网和纺丝成网幅材形成等。还可以使用宽范围的不同植物基纤维并且它们可以是合成纤维或天然纤维中的任一种，例如合成的或天然的纤维素纤维和/或聚乳酸纤维。

47、由于幅材自身的成形具有有限的强度，有必要将其固结并将纤维结合在一起以增强其强度。这可以通过热、机械或化学结合来完成，并且再一次方法的选择取决于最终产品的所希望的特性。当热结合幅材时，合成纤维的热塑性特性被利用为在加热下形成结合。合成纤维可以为幅材纤维本身或为了将幅材结合在一起的唯一目的而将组分添加到幅材中。在机械结合中，纤维通过纤维间摩擦彼此物理结合，纤维间摩擦是通过针刺或水刺缠结实现的。

48、替代地，当通过化学结合使幅材固结时，添加特殊的结合剂以产生结合的形成。存在将结合剂施加至幅材的不同方法，包括喷涂、涂覆或浸渍。通常，在商业产品中使用的结合剂是通过乳液聚合生产的化石基聚合物，通常被称为胶乳结合剂。然而，由于生产更可持续的非织造材料的兴趣正在增长，生物基和可生物降解的结合剂的研究和应用也在增长。然而，目前几乎没有可获得的生物基商业选择。

49、不同的纤维、幅材形成方法和结合方法不仅影响最终性能，而且还有可能用精加工处理进一步定制织物。对于某些非织造材料，吸水性能是关键参数。然而，具有良好的湿拉伸强度和干拉伸强度、适当的伸长率以及合适的基重也是重要的。为了获得这些期望的特性，化学结合的非织造物可以含有某种化石基聚合物，其对材料的拉伸强度具有充分证明的效果。当现在从化石基聚合物转移焦点以试图找到一种生物可降解替代物时，一个大的挑战是找到一种生物可降解结合剂，该结合剂仍有助于牢固且耐用的最终材料。

50、纤维素醚是重要的和高度商业化的纤维素衍生物。纤维素醚的最显著的特性是它们在水中是良好可溶的，但是它们中的大部分也是无毒的并且无气味和无味的，使得它们适合于食品和皮肤接触。然而，它们还在油漆、建筑材料和纺织品中用作溶液增稠剂、结合剂和成膜剂。此外，纤维素醚的吸湿性能已用于超吸收性材料领域中。

51、商业上，最重要的纤维素醚是阴离子醚羧甲基纤维素(cmc)。由于其阴离子性质，cmc在低ds下易于溶于水中。当对纤维素纤维执行羧甲基化作用时，纤维获得增强的亲水特性以及高的结合强度。增强的亲水特性有助于更大的可塑性，意味着其获得更大的柔性，并且还增加了结合面积。通常以其钠形式使用cmc。其它重要的纤维素醚是甲基或乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素(hpmc)和羟乙基纤维素(hec)。hec具有与cmc类似的特性，并且正如cmc一样，目前用于例如对于超吸收性材料的制备的领域。