包含微原纖纖維素的纖絲、纖維無紡纖網(wǎng)以及其制備方法
【專利說明】包含微原纖纖維素的纖竺、纖維無紡纖網(wǎng)從及其制備方法
[0001] 本申請要求于2012年10月31日提交的美國臨時申請第61/720, 510號的優(yōu)先權 權益。
[0002] 發(fā)巧背景
[0003] 本發(fā)明設及的領域是來自可再生資源的纖維素纖絲的制造和用途W(wǎng)及包含該樣 的纖絲的產(chǎn)品。
[0004] 能源和資源保護是關注不斷增加的領域。能源成本持續(xù)上升并且許多材料來源如 石油基材料的成本和可用性持續(xù)受到關注。其中該情況尤其真切的一個領域是在一次性和 半耐久性商品方面，尤其是在用于個人、家庭和商業(yè)應用的消費品的領域中。
[0005] 現(xiàn)今的消費者日常生活通常設及使用該樣的產(chǎn)品，即單次使用的產(chǎn)品或僅僅使用 數(shù)次然后丟棄的產(chǎn)品。該樣的產(chǎn)品的非限制性例子包括但不限于個人護理吸收性制品、衛(wèi) 生相關的產(chǎn)品和用于家庭、企業(yè)和商業(yè)應用的清潔產(chǎn)品。個人護理吸收性制品的例子包括 但不限于尿布、尿布褲、訓練褲、女性衛(wèi)生用品、成人失禁裝置、濕和干擦布（wipers)、結月帶 等等。衛(wèi)生相關的產(chǎn)品包括但不限于清潔措巾（wipes)、化妝和美容措巾和墊。清潔產(chǎn)品包 括但不限于家用措巾和毛巾、紙毛巾（papertowels)、拖把罩等等。
[0006]前述和其他產(chǎn)品中的許多均使用石油基材料，比如在制造用于吸收和/或分配流 體的纖維無紡纖網(wǎng)中采用的聚締姪和其他聚合物基纖絲。例如，個人護理吸收性制品中的 許多層是由聚合物基纖維無紡布制備的。
[0007] 已經(jīng)持續(xù)地努力從而由可持續(xù)資源制備該樣的纖絲和無紡布并且遠離更多的石 油基產(chǎn)品。一個領域已經(jīng)設及由纖維素基的可再生原料制造該樣的纖絲和無紡布。一種熟 知的方法被稱為Lyocell方法，其是需要化學基溶劑（N-甲基嗎咐N-氧化物）來溶解纖維 素W允許它被成型為纖維的方法的許多例子之一。一旦纖維成型，即使用其他化學品比如 胺氧化物來凝結纖維，其后必須在水中洗漆纖維，W去除成型化學品。明顯地，該設及許多 加工步驟、使用另外的化學品，所述另外的化學品花費更多錢來使用、提取和回收，并且該 設及就該方法中使用的化學品的使用和處理而言的潛在環(huán)境問題。所W，期望具有更簡化 的方法，其設及更少的步驟、使用更少的化學品并且因此就制造而言成本更低。本發(fā)明設及 該樣的努力。
[000引 發(fā)巧概巧
[0009]本發(fā)明公開了利用微原纖（microfibrillar)纖維素的纖維素紡織品纖絲，該纖 絲是用非常少的化學添加劑由水基方法制備的，所述水基方法簡化了其用于制造的組分 和加工步驟。不像其他方法，比如上述的Lyocell方法，不需要使用化學品如N-甲基嗎咐 N-氧化物來溶解纖維素原料W便制備可擠出的纖維原液（fiberdope),該纖維原液在成型 之后必須經(jīng)歷另外的化學品的使用和隨后的提取和/或洗漆過程，W去除在纖維成型方法 的初始階段使用的化學品。因此本發(fā)明的方法更多地是物理方法，而不是化學/溶解方法， 例如Lyocell方法的情況。另外，微原纖纖維素可由幾乎無限數(shù)量的、全都是可再生的纖維 素植物原料制備，并且在一些情況下可由其他纖維素基方法的副產(chǎn)物制備。結果，纖絲、纖 維無紡纖網(wǎng)和終端產(chǎn)品可由完全可再生資源，W更少的步驟和更少的化學品制備。該進而 意味著通過本發(fā)明產(chǎn)生的材料可w是在許多產(chǎn)品中用于替換的適當候選物，所述產(chǎn)品目前 依賴于基于石油和其他非可再生基材的纖維和纖維無紡纖網(wǎng)。
[0010] 本發(fā)明的纖絲由纖維素紡織品纖絲前體原液制備，其包含基于前體原液的總重計 約7至約20重量百分比的微原纖纖維素纖維、約0. 2至約3重量百分比的增稠劑和約75 至約95重量百分比的水基溶劑。微原纖纖維素纖維分散在水基溶劑中，而增稠劑溶解在該 溶劑中。前體原液的動態(tài)粘度范圍應為在100秒倒數(shù)（reciprocalseconds)的剪切速率 下約400至約3000帕斯卡秒。
[0011] 在某些實施方案中，其他組分，包括但不限于物理和化學粘合劑，可添加至前體原 液，W改善由前體原液形成的所得纖絲的完整性。
[0012] 一旦形成，在一種實施方案中，基于纖絲的總干重，纖維素紡織品纖絲可包含約80 至約99. 5重量百分比的微原纖纖維素纖維和約20至約0. 5重量百分比的增稠劑。當計算 形成的纖絲的干百分比時，該百分比基于干成分的總重并且不包括任何殘留的水分。因此， 例如，如果纖絲或樣品的總重為110克，包括80克的微原纖纖維素、20克的增稠劑和10克 的殘留的水分，那么干重百分比是按重量計80%的微原纖纖維素和按重量計20%的增稠 劑。
[0013] 在供選擇的實施方案中，基于纖絲的總干重，纖維素紡織品纖絲可由約75至約99 重量百分比的微原纖纖維、約20至約0. 5重量百分比的增稠劑和0. 5至約5百分比的其他 組分組成。另一組分的一個例子是粘合劑。
[0014] 如此形成的纖絲在干燥狀態(tài)下一般將具有約5至約50微米的直徑?？筛淖兝w絲 的長度，W滿足具體的終端需要。纖絲可由長度通常為約6至約50毫米的短纖維形成，但 是根據(jù)使用的纖絲擠出方法可形成更長更連續(xù)的纖絲W及因此本質上更連續(xù)的纖絲，比如 結合烙噴和紡粘成型方法出現(xiàn)的纖絲，也考慮是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，長度小得多、低 于通常用于短纖維目的那些的纖絲還可W針對另外的用途來成型。
[0015] 典型地，增稠劑的粘均分子量（Mv)將為約200, 000至約2, 000, 000,其可根據(jù)所討 論的材料，通過工業(yè)中使用的標準方法測定。盡管許多增稠劑可適用于形成纖絲，但是增稠 劑可選自聚環(huán)氧己燒、聚己締化咯燒酬、納米晶體纖維素、半纖維素和納米淀粉。
[0016] 為了形成根據(jù)本發(fā)明的纖絲和所得的纖維無紡纖網(wǎng)，必須首先形成如上所述的前 體原液的水基分散系，并且然后混合至在100秒倒數(shù)（S4)的剪切速率下約400至約3000 帕斯卡秒（PaS)的粘度。一般而言，對于擠出纖絲，紡絲過程期間的剪切速率將為約50至 約200秒倒數(shù)。一旦在上述粘度和剪切速率范圍內(nèi)，前體原液即可使用纖絲模具擠出，或W 其他方式在成型表面上成型為纖絲并且然后干燥。如此形成的纖絲可然后經(jīng)歷其他加工步 驟，比如切割或切斷成更小的纖絲長度W及卷邊（crimping)，W增加它們的體積。
[0017] 利用更大的多壓出機頭或其他類型的擠出孔和裝置，前體原液可被擠出為多個纖 絲，然后將所述纖絲W隨機型式沉積至表面上W形成纖維無紡纖網(wǎng)，然后將所述纖網(wǎng)干燥 并且如果需要，則進行進一步的加工。例如，在干燥過程之前、期間或之后，纖維無紡纖網(wǎng)可 經(jīng)歷粘合和/或纏結過程，W進一步改善總體纖網(wǎng)的強度和完整性。在一種形式的粘合過 程中，光滑和壓花的巧光漉（calenderroll)之一或二者可用于改變?nèi)绱诵纬傻睦w維無紡 纖網(wǎng)的表面質地和外觀，或賦予壓花設計W改變無紡布的美學性質，或為其提供更多的= 維特性和體積。由于形成的纖絲對水的親和性，其可更適于使用非水基的纏結過程，比如針 刺或空氣纏結過程。但是，可w添加少量的水，如通過噴水，至所形成的纖絲/無紡布，隨后 用壓花/巧光漉進一步壓緊/壓花。一般而言，添加的水量應基于水和纖絲/無紡布的重 量，與添加水之前纖絲/無紡布重量相比不大于按重量計5%。
[0018] 一形成纖絲，認為它們的內(nèi)部強度至少部分基于纖絲它們本身內(nèi)的氨鍵。但是，應 認識到該初始完整性可能通過其他處理增加，比如通過用另外的粘合劑如膠水和聚合物涂 料來表面涂布纖絲或所得的纖維無紡纖網(wǎng)。
[0019] 所得的纖絲可用于多種應用。它們可單獨使用或它們可與其他纖維（天然和合成 纖維二者）混合，W形成具有另外性能的纖維無紡纖網(wǎng)。另外，其他組分可作為前體原液的 一部分添加至纖絲或在形成纖絲之后，在纖絲已經(jīng)充分干燥之前或之后添加至纖絲。例如， 超吸收性材料可纖維或粒子形式添加至纖絲或與纖絲一起形成高容量結構，比如纖維 無紡纖網(wǎng)，其可用于吸收體液比如尿、月經(jīng)和糞便物質。其他組分，比如染料、色素、處理物 質和激活顆粒物可添加至前體原液或一經(jīng)形成的纖絲?？勺鳛榍绑w原液的或形成的纖絲 一部分來添加至纖絲的處理物質可包括但不限于阻燃劑、聚合物涂料和表面張力改性劑等 等。
[0020] 包含根據(jù)本發(fā)明的纖維素紡織品纖絲的纖維無紡纖網(wǎng)可單獨使用或結合