SE501834C2 - Superabsorberande fiber eller fibertyg, förfarande för dess framställning samt absorberande alster innefattande den - Google Patents

Description

501 834 10 15 20 25 30 35 2 dvs vattnet. Detta är svårt då vattnet är hårt bundet till superabsorben- ten.

I ett annat fall, beskrivet i US-A-4,7 21,647, har man låtit en vattenlöslig monomer med dubbelbindningar bilda droppar rimt en hydrofob fiber, där droppama sedan får polymerisera och tvärbinda. Tanken är att superabsorbenten skall omsluta fibem, så att den inte frigörs när den absorberar vätska. Enligt de mätningar som redovisas i patentskriften frigörs mindre än 20 vikts-% av superabsorbenten vid absorptions- processen. Det påpekas vidare att man inte bör fästa absorbent- dropparna fór tätt då detta skulle förstyva fibem.

Ytterligare ett sätt att fasta superabsorbent till fibrer finns beskrivet i WO 90/11181 samt WO 91/10413, enligt vilket man belagt fibrer med ett bindemedel som binder till superabsorbentpartiklar. Bindemedlet kan bestå av exempelvis eten-vinylacetat-sampolymer, etenakrylsyra- sampolymer, polyvinylklorid eller någon härdplast. Bindemedlet sprayas på fibem ett flertal gånger för att nå tillräcklig täckning av fiberns yta. Sedan tillförs absorbentkorn innan bindemedlet har stelnat.

Med denna metod binds mellan 15 och 50 vikts-% superabsorbent baserat på den torra fiberns vikt, vilket även är den storleksordning av bunden superabsorbent som gäller för övriga ovan nämnda metoder.

En annan lösning på problemet anges i US-A-5,002,814, där en partikel av superabsorberande polymer har bundits till flera korta fibrer.

Qppfinninggns ändamål gçh vikfigagtg kännetecken Ändamålet med föreliggande uppfinning är att binda superabsorbent- partiklar till fibrer för att bättre kunna styra fördelningen av super- absorbenten i en fiberstruktur. Adhesionen mellan superabsorbent och fiber bör vara förhållandevis låg för att inte begränsa superabsorben- tens svällutrymme i samband med vätskeabsorption i någon större utsträckning. Dessutom skall bindningen ske utan lösningsmedel, vilket måste avdunsta, och med undvikande av bindemedel som påföres fibem. 10 15 20 25 30 35 501 834 3 Detta har enligt uppfinningen åstadkommits genom att fibem res- pektive åtminstone en del av de i ñbertyget ingående fibrema utgörs av en termoplastisk polymerfiber till vilka fasta partiklar av superabsorbe- rande material termobundits genom att sagda fiber värmts till en temperatur vid vilken åstadkommits adhesion mellan fiber och partiklar.

Syntetfibrer kan vara helt kristallina, dvs innehålla 100% kristallint material, eller de kan innehålla varierande andelar kristallint material. Hög sträckníngsgrad i samband med framställning av fibern ger en hög andel kristallint material. Företrädesvis används enligt uppfinningen delvis kristallina fibrer (0-40%), vilka ger bra adhesion vid en lägre temperatur. För amorfa fibrer talar man om deras mjukningstemperatur eller glasomvandlingstemperatur (Tg).

För fibrer som är delvis kristallina och delvis amorfa kommer vid temperaturer mellan mjukningstemperaturen och den kristallina smältpunkten det amorfa materialet att vara mjukt medan det kristallina materialet fortfarande är hårt. Man erhåller härvid en viss adhesion som dock förbättras om den kristallina smältpunkten överskrids.

Den termoplastiska fibemi det fall denna utgörs av en kristallin eller delvis kristallin fiber har lämpligen en kristallin smältpunkt på högst 300°C, och företrädesvis högst 270°C. I de fall den termoplastiska fibem utgörs av en amorf fiber bör dennas mjukníngs- eller glasomvandlings- temperatur vara högst 100°C.

Fibern kan utgöras av exempelvis en polyoleñn, såsom polyeten eller polypropen, polyester, polyamid, bikomponentfiber, eller en sampoly- mer av eten och akryl-/metakrylsyra eller eten och vinylacetat.

De superabsorberande partiklarna har lämpligen en medelpartikel- storlek upp till 500pm.

Uppfinníngen avser vidare ett forfarande för framställning av den superabsorberande fibern eller fibertyget ifråga, vilket förfarande 501 834 10 15 20 25 30 35 4 kännetecknas av att man bringar fasta partiklar av superabsorberande material i kontakt med en termoplastisk polymerfiber respektive ett fibertyg vilket innehåller termoplastiska polymerfibrer, som värms/värmts till en temperatur vid vilken superabsorbentpartikeln vidhäflzar fibern och att man därefter låter blandningen svalna.

Dessutom avses ett absorberande alster såsom en blöja, dambinda, inkontinensskydd och liknande, vilket utmärks av att det uppvisar minst ett absorptionsskikt innefattande superabsorberande fibrer eller fibertyg enligt uppfimiingen, eventuellt i kombination med andra fibrer, såsom cellulosafibrer.

Bl.. 5 Några utforingsexempel av uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hänvisning till bifogade figurer, varvid Fig. 1 och 2 visar i förstoring fotografier av en fiber med bundna superabsorbentpartiklar av olika storleksfraktioner, Fig. 3 är en absorptionskurva från ett demand wetting försök, Fig. 4-7 är fotografier av en fiber enligt uppfinningen under olika stadier av en absorptionsprocess.

Fig. 8 och 9 visar schematiska långssnitt av en absorptionskropp till ett absorberande alster, såsom blöja, binda, inkontinensskydd eller liknande.

Bggkrigging av gtfgringggggmpgl Vid de nedan redovisade försöken har syntetfibrer av två olika polyme- rer använts, den ena var en eten-akrylsyra-sampolymer, EAA med 5,7 mol% akrylsyra och den andra var en eten-vinylacetat-sampolymer, EVA med 3,1 mol% vinylacetat. Den kristallina smälttemperaturen för EAA-polymeren var ca 94°C och fór EVA-polymeren ca 97°C. Längden på fibrema var ca 1 cm och EAA-fibem hade en grovlek av 21 dtex och 10 15 20 25 30 35 501 834 5 EVA-fibern hade en grovlek av 11 dtex. Den superabsorberande poly- mer som användes var Nippon-Shokubais Aqualic CA W3, som är ett natriumsalt av glest tvärbunden polyakrylsyra.

Superabsorbenten maldes fór att öka mängden partiklar i lämplig stor- lek att fästa på fibrema och fór att undersöka eventuell påverkan på absorptionsegenskapema. Den färdigmalda superabsorbenten siktades fór att få önskad storleksfórdelriing.

För att fästa superabsorbentpartiklar på polymerfibern värmdes en blandning av fibrer och superabsorbentpartiklar till en bestämd temperatur under en viss tid, närmare bestämt l40°C under 10 min.

En testserie med olika fraktioner av superabsorbentpartiklar gjordes fór att studera utseendet hos fibrerna samt vilken mängd absorbent som bundits. Följande fraktioner undersöktes 300-500 pm, 150-300 pm, 90-150 pm och 38-90 pm. Den testade fibem var en EAA-fiber.

Med den minsta fraktionen superabsorbent, 38-90 pm, bands 0,38 gånger fiberns vikt av superabsorbent. Denna faktor beräknades enligt följande: msI-"mf mf där KSF = tal fór mängd bunden superabsorbent m, = vikt for fiber utan superabsorbent ms; = vikt fór fiber med bunden superabsorbent För nästa fraktion, 90-150 pm, bands 2,46 gånger fiberns vikt av super- absorbent. För fraktionerna 150-300 pm band fibern 6,4 gånger sin vikt av superabsorbent och fór den största fraktionen 300-500 pm 16,6 gånger sin vikt av superabsorbent. I Fig. 1 och 2 visas i förstoring fotografier av en EAA-fiber med bundna superabsorbentpartiklar av storleksfiraktionen 90-150 pm respektive 150-300 pm. 501 834 10 15 20 25 30 35 6 Som jämförelse har osiktad och omald superabsorbent bundits till en EAA-fiber, varvid fibern band 13,3 gånger sin vikt av superabsorbenten. Även EVA-fibrer har belagts med superabsorbent av storleksfraktionen 90- 150 um vid samma temperatur, 140°C i 10 min, och det resulterade i ungefär samma mängd bunden superabsorbent, 2,17 gånger, som för EAA-fibern.

Försök har även orts att belägga fibern vid andra temperaturer men med samma storleksfraktion av superabsorbenter. Den fraktion som användes var 90-150 um och fibrerna var EAA-fibrer. Vid en uppvärm- ning till 110°C bands endast 0,26 gånger trots att tiden förlängdes upp till 30 minuter. Endast en mindre del av fibems yta var belagd med superabsorbent. Vid uppvärmning till en högre temperatur, 170°C i 10 min, bands 2,7 gånger fibems vikt.

Vid högre temperaturer, mycket påtagligt vid 170°C, binder super- absorbentpartiklarna inte bara till fibern utan även till varandra och bildar större agglomerat. Då omald superabsorbent använts minskar detta problem väsentligt, vilket förmodligen beror på att superabsor- bentpartiklarna uppvisar en hydrofob ytmodifiering, vilken försvinner vid malning.

Mängden superabsorbent som binds till fibrerna beror således på uppvärmningstemperatur och partikelstorlek. Temperaturens inverkan verkar vara liten efter det att tillräckligt hög temperatur uppnåtts fór att hela fiberytan skall börja binda superabsorbent. Detta sker när fibems kristallina smältpunkt har överskridits.

Vid inblandning av fibrer med vidhäftande superabsorbentpartiklar i en cellulosafiberstruktur kunde man inte märka några fria partiklar som fallit genom strukturen. Andra iakttagelser som vittnar om tillräcklig adhesion är att om ñbern dras ut till exempelvis sin dubbla längd är fortfarande nästan alla superabsorbentpartiklar bundna till fibern. 10 15 20 25 30 35 501 834 Abggrptigngmåininggr 1. Tepåsemetoden Doppabsorption fór de båda komponenterna samt fór den färdiga fibem med bundna superabsorbentpartiklar har mätts med tepåsemetoden.

Enligt denna metod läggs provet i en påse på ca 5x5 cm som fórsluts runt om. Påsen läggs därefter i en skål med ett överskott av 0,9% natriumkloridlösning, varvid provet får svälla fritt i påsen. Prov- mängden får inte vara så stor att absorptionen begränsas av påsens storlek. Vid vissa tidpunkter tas provet upp ur saltlösningen, får rinna av i 1 minut och vägs därefter. Efter den sista mätningen centrifugeras påsen vid 1,5 gi 10 min varefter den vägs fór att ge ett värde på reten- tionen, dvs förmågan att behålla den absorberade vätskan under tryckbelastning.

Ur vikten av påsarna kan man beräkna absorptionen enligt nedanstående formel: mm-mb(l+At)-ms A,= ms där A, = absorptionsfórmågan hos provet Ab: absorptionsfórmågan hos tepåsens material mm: vikt av tepåse med prov efter absorption m, = vikt av tom, torr tepåse m, = vikt av torrt prov Retentionen har beräknats som absorptionsfórmågan efter centrifuge- ring dividerat med absorptionsfórmågan före centrifugering. Beräk- ningen har orts på medelvärdet av fyra påsar i en provserie.

Vid mätningen på fria fibrer användes en provvikt på ca 0,1 g per påse, vilket är drygt en femtedel av påsens vikt. För superabsorbenten använ- des ca 0,2 g per påse. Mätningama på fibrer med bundna superabsor- 501 834 10 15 8 bentpartiklar gjordes med en provstorlek baserad pà mängd bunden superabsorbent. Denna provstorlek var ca 0,1 g per påse. Storleks- fraktionen var 90-150 um. I nedanstående tabell 1 redovisas resultatet av dessa mätningar.

Ialmfll Abs efter Abs eflzer Abs efter Abs efter Retention Prov 1 min g/g 5 min g/g 30 min g/g 60 min g/g % EAA-fiber 18,8 15,8 16,7 17,8 0 EVA-fiber 17,4 17,6 16,2 16,0 0 Siktad omald 39,9 42,1 41,6 41,4 56 superabsorb Siktad mald superabsorb 50,3 53,2 52,3 52,1 68 Siktad mald superabsorb 51,4 52,6 52,0 52,0 68 som värmts till 140°C i 10 min Siktad mald superabsorb 51,0 51,5 50,9 51,0 æ som värmts till 170°C i 10 min EAA-fiber med bunden 40,0 40,1 39,8 39,4 62 superabs tillverkad vid 140°C i 10 min EAA-fiber med bunden 39,8 40,7 40,2 40,0 62 superabs tillverkad vid 170°C i 10 min EVA-fiber med bunden 40,7 39,5 38,8 38,9 G) superabs tillverkad vid 140°C i 10 min För att kunna utvärdera absorptionen hos de färdiga fibrerna med fästade superabsorbentpartiklar har ett jämforelsevärde for absorptionsformågan, beräknat ur fibrernas och absorbentens absorption tagits fram. Detta värde har beräknats enligt följande: Ai = vfArl' VsAPAsAP där A; V: = teoretiskt jämfórelsevärde fór absorptionsfórmåga = absorptionsfórmågan hos fibern 10 15 20 25 501 834 9 ASM, = absorpüonsförmågan hos superabsorbentpartiklar av samma storleksfraktion och med samma termiska historia Vf = viktsfraküon fiber VSM, = viktsfraktion superabsorbent Detta beräknade värde har sedan jämförts med det absorptionsvärde, As, som beräknats ur hela provets vikt såsom nämnts tidigare. Denna jämförelse finns sammanställd i Tabell 2 nedan.

T ll2Ex rimn ll h rik in "r n 1 min 5 min 30 min 60 min Releniim g/g g/g g/s g/g % EVA vsAP=0,6826 A, 40,7 39,5 38,8 38,9 60 140°C v.=0,3174 A, 41 41 41 41 59 EAA vm,=0,7100 A, 40,0 40,1 39,8 39,4 62 140°C v,=O,2900 A, 42 42 42 42 60 EAA vS^p=0,7344 A, 39,8 40,7 40,2 40,0 62 170°C vr-O,2656 A, 42 42 Q 42 62 2. Demand wetting Absorptionsförmågan under belastning har mätts med en s k demand wetting-metod. Provet belastas ovanifrån och vätskan får tränga upp i provet genom ett glasfilter som provkroppen ligger på. Man använder sig av ett hydrostatiskt undertryck som uppkommer genom att glas- filtrets överyta är belägen på en högre nivå än ytan på den reservoar som vätskan kommunicerar med. Som vätska användes 0,9 vikts-% natriumkloridlösning och under-trycket var 0,2 kPa. Provbelastningen var cyklisk med 10 min intervall. Under det första intervallet var belastningen 7,5 kPa, under det andra 0,57 kPa och under det sista intervallet åter 7,5 kPa. Provkroppen bestod av en 5 mm tjock platta med en diameter på 50 mm och var uppbyggd av luftlagd cellulosafluíf. 501 834 10 15 20 25 30 35 10 Absorptionen under belastning har mätts på provkroppar i form av ett fibemätverk. Mätningarna gjordes på fyra olika prover: ren cellulosa, cellulosa luftblandad med superabsorbentpartiklar av storleksfrak- tionen 90-150 pm, cellulosa luftblandad med fibrer med bundna super-- absorbentpartiklar av samma storleksfmktion som de fria partiklarna och cellulosa med ett lager av samma fibrer som ovan. Cellulosa- fibrerna var CTMP-fluíf och den fiber som användes var EAA-fibrer som hade tillverkats vid 140°C i 10 min.

I Fig. 3 ses absorberad mängd saltlösning som funktion av tiden för två olika prov, ett bestående av cellulosafibrer luftblandade med fria super- absorbentpartiklar samt ett bestående av cellulosafibrer luftblandade med superabsorbent bunden till fiber. Den övre kurvan gäller fór cellu- losa med fria superabsorbentpartiklar och den undre fór cellulosa med fibrer med bundna superabsorbentpartiklar. Belastningen på provet sänktes från 7,5 kPa till 0,57 kPa efter 10 min och belastades igen med 7,5 kPa efter 20 min. Kurvan för fibrer med bundna superabsorbent- partiklar i ett lager i fluffen låg ca 1,5 ml under kurvan fór provet med den luftblandade fiber. Dessa värden finns inte redovisade i Fig. 3. iv inr n Förloppet fór själva absorptionen har studerats genom att man låtit en fiber absorbera vattendroppar från ena änden under tiden som den videofilmats via ett mikroskop. Droppen väter superabsorbenten och sprider sig över fiberns längd, se Fig. 4, varefter gelbildning sker, Fig. 5. I Fig. 6 visas fibern efter att ha absorberat en betydligt större mängd lösning. Om fibern får ligga framme och lufttorka kommer superabsor- bentpartiklarna att torka och man ser att de har släppt från fibern, Fig. 7.

Samtliga bilder, Fig. 4-7, föreställer en EAA-fiber med bundna superabsorbentpartiklar av storleksfraktionen 90-150 um som har tillverkats vid 140°C i 10 min. Även EVA-fibrer har studerats på samma sätt med samma resultat. 10 15 20 25 30 35 501 834 11 Vid absorptionsprocessen bryts bindningen mellan superabsorbent- partiklar och fiber. Detta medför att superabsorbentens absorptions- förmåga vid fri svällning inte påverkas av att den binds till en fiber, vilket även visats genom ovan angivna beräkningar av absorptionen ur superabsorbentens och fiberns absorption. Absorptionsmätningarna med demand-wetting metoden visar att proven med fibrer med bundna superabsorbentpartiklar absorberar något långsammare än proven med fria partiklar. Troligen beror detta på att fibrema med super- absorbenter förstorar fibernätverkets porer varför absorptionen i provet sker långsammare.

För att superabsorbentpartiklarna skall lossna under absorption av vätska skall ej permanenta bindningar utnyttjas, så att vätskan eller den kraft som uppkommer då superabsorbenten sväller får super- absorbentpartiklama att lossna från fibem. Därigenom förhindras gelblockering. Exempel på lämpliga bindningar kan vara olika typer av fysikaliska (van der Waals-krafter) och joniska bindningar.

De fysikaliska bindningarna skall vara av sådan karaktär att god adhesion uppkommer mellan fiber och superabsorbentpartiklar. I de exempel som angivits ovan utnyttjas syra-basinteraktion samt möjlig- het till dimerbildning mellan akrylsyragrupper. Diffusion av molekyl- kedjor över gränsytan mellan fiber och superabsorbent bidrar också till adhesionen men bör vara begränsad så att den inte förhindrar super- absorbentpartiklama att lossna efter absorption.

Fiberpolymeren skall väta superabsorbentpartiklarna så att god kontakt uppnås. Kontaktvinkeln 9 mellan polymersmältan och superabsorbentpartikeln bör vara lägre än 90°.

I de försök som redovisats ovan har använts fibrer av sampolymererna EAA och EVA. Det är naturligtvis möjligt att använda andra termo- plastiska fibrer, såsom polyolefiner, t ex polyeten, polypropen etc. Även bikomponentfibrer med en kärna av t ex polyester eller polypropen och ett hölje av t ex polyeten, som har en lägre kristallin smältpunkt än materialet i kärnan, är lämpliga att använda. 501 834 10 15 20 25 30 35 12 Uppfinningen kan även tillämpas på ovävt fibertyg, s k nonwoven, i vilket åtminstone en del av de ingående fibrerna utgörs av termo- plastiska polymerfibrer av ovan angivet slag. Superabsorbentpartiklar- na fästs fästs till fibrema i fibertyget på motsvarande sätt som till lösa fibrer, dvs fibertyget värms till en temperatur vid vilken superabsor- bentpartiklarna vidhäftar de termoplastiska fibrerna i fibertyget. De termoplastiska fibrerna utgörs företrädesvis av bikomponentfibrer, men även andra termoplastiska fibrer kan användas.

Begreppet superabsorbentpartiklar skall i sammanhanget ges en relativt vid tolkning och skall anses innefatta såväl superabsorbent- korn, som granuler, flingor och korta fibrer. Den kemiska samman- sättningen av superabsorbenten kan även varieras, varvid det är möjligt att använda vilken som helst partikelformig superabsorbent som befunnits ha för ändamålet lämpliga absorptionsegenskaper.

Naturligtvis kan även blandningar av olika superabsorbenter användas.

I fig. 8 och 9 visas schematiskt två utfóringsexempel på absorptions- kroppar 1 eller skikt till absorptionskroppar avsedda för absorberande alster såsom blöjor, bindor, inkontinensskydd och liknande. I exemplet enligt fig. 8 är superabsorberande fibrer 2 enligt uppfinningen blan- dade med andra fibrer 3, t ex cellulosafibrer. De superabsorberande fibrerna 2 och cellulosafibrerna 3 kan blandas och formas till en absorptionskropp genom ex vis en konventionell luftläggningsprocess.

I exemplet enligt fig. 9 är de superabsorberande fibrema 2 applicerade som ett skikt mellan omgivande skikt av andra fibrer 3, t ex cellulosa- fibrer. Man kan i detta fall tänka sig att fibrerna 2 är bundna till varandra och bildar ett ñbertyg. De omgivande fiberskikten 3 kan alternativt utgöras av tissueskikt.

Lokaliseringen av de superabsorberande fibrerna 2 i absorptions- kroppen kan varieras så att vissa partier innehåller större andel av de superabsorberande fibrema än andra partier. De superabsorberande fibrerna 2 enligt uppfinningen kan även kombineras med andra super- absorbenter.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 501 834 13 Egjggntkrgv

1. Superabsorberande fiber eller fibertyg, k ä n n e te c k n a d a v att fibem respektive åtminstone en del av de i fibertyget ingående fibrerna utgörs av en termoplastisk polymerfiber till vilken fasta partiklar av superabsorberande material termobundits genom att sagda polymer- fiber värmts till en temperatur vid vilken åstadkommits adhesion mellan fiber och partiklar.

2. Fiber eller fibertyg enligt krav 1, k ä n n e te c k n a d a v att den termoplastiska polymerfibem åtminstone delvis består av ett kristallint material och har en kristallin smältpunkt på högst 300°C, företrädesvis högst 270°C.

3. Fiber eller fibertyg enligt krav 1, k ä n n e te c k n a d a v att den termoplastiska fibem består av ett amorft material med en mjuknings- temperatur på högst 100°C.

4. Fiber eller fibertyg enligt krav 2 eller 3, kä n n e te c kn a d a v att den termoplastiska polymerfibem är en polyolefin, t ex polyeten eller polypropen, en polyester eller en polyamid.

5. Fiber eller fibertyg enligt krav 2 eller 3, k ä n n e te c k n a d a v att den termoplastiska polymerfibern är en bikomponentfiber.

6. Fiber eller fibertyg enligt krav 2 eller 3, k ä n n e te c kn a d a v att den termoplastiska polymerfibern är en sampolymer av eten och akryl- eller metakrylsyra eller en sampolymer av eten och vinylacetat.

7. Fiber eller fibertyg enligt något eller några av föregående krav, k ä n n e te c k n a d a v att partiklarna har en medelpartikelstorlek mindre än 500|.im.

8. Sätt att framställa en superabsorberande fiber eller fibertyg enligt krav 1,kä nneteckn at av att man bringar fasta partiklar av superabsorberande material i kontakt med en termoplastisk polymer- 501 834 10 15 20 25 14 fiber respektive ett ñbertyg vilket innehåller en termoplastisk fiber, vilken värms/värmts till en temperatur vid vilken superabsorbent- partiklarna vidhäítar fibem och att man därefter låter blandningen svalna.

9. Sättenligtkrav8,känn eteckn at av attmanidetfall den termoplastiska fibem åtminstone delvis består av ett kristallint material värmer fibem till en temperatur överstigande fibems kristallina smältpunkt.

10. Sätten1igtkrav8,kän netec kn at av attmani detfallden termoplastiska fibem består av ett amorft material värmer fibem till en temperatur överstigande dess mjukningstemperatur.

11. Absorberande alster såsom en blöja, dambinda, inkontinensskydd och liknande, k ä n n e t e c k n a d a v att det uppvisar minst ett absorptionsskikt (1) innehållande superabsorberande fibrer (2) eller fibertyg enligt något eller några av kraven 1-7.

12. Absorberande alster enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a d a v att de superabsorberande fibrema (2) är blandade med andra fibrer (3), t ex cellulosafibrer.

13. Absorberande alster enligt patentkrav 11, k ä n n e t e c k n a d a v att de superabsorberande fibrema (2) eller fibertyget är applicerade i ett skikt mellan lager av andra fibrer (3), t ex cellulosafibrer, alternativt mellan tissuelager.