DE60009293T2

DE60009293T2 - Verfahren zur kapillarentwässerung von schaummaterialien und damit hergestellte schaummaterialien

Info

Publication number: DE60009293T2
Application number: DE60009293T
Authority: DE
Inventors: Martin Gerald WEBER; Osman Polat; Joseph Daniel VALERIO; Kofi Aduwusu; Allen Thomas DESMARAIS
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: CA2378785A1; US6240654B1; MXPA02000377A; AR021156A1; EP1194726A1; PE20010657A1; WO2001006192A1; JP2003504505A; US6158144A; EP1194726B1; DE60009293D1; ATE262669T1; JP5084999B2; AU5767500A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf das Trocknen von Schaummaterialien und insbesondere auf das Trocknen von Schaummaterialien unter Verwendung von Kapillarmedien, um Feuchtigkeit abzuführen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Schaummaterialien sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Schaummaterialien umfassen typischerweise eine feste kontinuierliche Phase, welche ein Gerüst wie auch Zellen umfasst. Die Zellen können eine kontinuierliche Phase umfassen, wie sie einer bikontinuierlichen Phase offenzelliger Schäume auftritt.
Die Schäume, die mit der vorliegenden Erfindung nützlich sind, können sich auf sehr dünne, kollabierte (das heißt, nicht expandierte) polymere Schaummaterialien beziehen, die bei Kontakt mit wässrigen Körperfluiden expandieren und solche Fluide absorbieren. Diese absorbierenden polymeren Schaummaterialien umfassen eine hydrophile, flexible, nicht ionisierende polymere Schaumstruktur mit untereinander verbundenen offenen Zellen, die einen spezifischen Oberflächenbereich pro Schaumvolumen von wenigstens etwa 0,025 m²/cc liefert. Die Schaumstruktur hat in sich wenigstens etwa 0,1 Gew.-% eines toxikologisch akzeptablen hygroskopischen, hydrierten Salzes eingebaut. In ihrem kollabierten Zustand hat die Schaumstruktur einen Expansionsdruck von etwa 30.000 Pascal oder weniger. In ihrem expandierten Zustand hat die Schaumstruktur eine Dichte, wenn sie bei 88°F (31,1°C) bis zu ihrer freien Absorptionskapazität mit synthetischem Urin mit einer Oberflächenspannung von 65 ± 5 Dyne/cm gesättigt ist, von etwa 10 bis etwa 50% auf ihrer Trockenbasisdichte in ihrem kollabierten Zustand.
Obwohl spezifische Beispiele variieren werden, hat die Erfahrung gezeigt, dass das Schaummaterial im Allgemeinen in der Lage sein muss, wässrige Fluide von nominalen Oberflächenspannungen gegen einen Gesamtdruck (Desorption plus Schwerkraft) von wenigstens etwa 40 cm, in geeigneter Weise wenigstens etwa 50 cm, noch geeigneter wenigstens etwa 60 cm und äußerst geeignet wenigstens etwa 70 cm anzunehmen.
Die Gesamtkapazität des Schaummaterials ist auch sehr wichtig. Obwohl viele Materialien, wie faserige Bahnen, verdichtet werden können, sodass sie Fluide gegen einen Gesamtdruck von etwa 40 bis 70 cm annehmen, ist die Kapazität oder das Lückenvolumen solcher Komponenten gering, typischerweise geringer als etwa 2 bis 3 g/g bei 40 cm. Eine Verdichtung vermindert auch die Kapazität bei 0 cm. Ferner neigen solche Bahnen dazu, unter Druck (hydrostatischem oder mechanischem) aufgrund einer geringen mechanischen Festigkeit zu kollabieren, was ihre effektiven Kapazitäten weiter verringert. Selbst die im Stand der Technik für die Verwendung als Schaummaterialien beschriebenen absorbierenden Schäume neigen dazu, zusammen zu fallen, wenn sie Drucken ausgesetzt werden, die gleich oder größer als etwa 30 bis 40 cm hydrostatischer Druck betragen. (Der hydrostatische Druck ist gleich dem mechanischen Druck, wobei 1 psi (7 kPa) mechanischer Druck gleich etwa 70 cm hydrostatischer Druck ist.) Dieses Zusammenfallen verringert wiederum wesentlich (üblicherweise um einen Faktor von zwischen etwa 5 und 8) die Nutzkapazität dieser Schäume. Obwohl diese reduzierte Kapazität im Grunde die Verwendung von mehr absorbierendem Material überwunden werden kann, ist dies im Allgemeinen unter den Gesichtspunkten von Kosten und Dünnheit im Allgemeinen unpraktisch.
Ein dritter wichtiger Parameter für ein Schaummaterial ist die Fähigkeit, vor dem Einsaugen wässriger Fluide dünn zu bleiben, sich schnell bei einer Aussetzung gegenüber einem Fluid zu expandieren. Dieses Merkmal ist in größerem Detail beschrieben in US Patent 5,387,207, hier durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Dieses gewährt ein Produkt, welches relativ dünn ist, bis es mit einem Fluid am Ende seines Tragezyklus gesättigt wird. Diese "Dünn-Bis-Nass"-Eigenschaft ist abhängig vom Ausgleich der Kapillardrucke, die innerhalb des Schaums entwickelt werden, und von der Schaumfestigkeit, wie dies beschrieben ist in US Patent 5,387,207.
Es wird angenommen, dass die Fähigkeit der polymeren Schäume der vorliegenden Erfindung, in einem kollabierten, nicht expandierten Zustand zu bleiben, erfolgt, weil die Kapillardrucke, die in der kollabierten Schaumstruktur entwickelt werden, wenigstens gleich der Kraft sind, die durch die elastische Erholungsneigung (das heißt, den Expansionsdruck) des komprimierten Polymers ausgeübt wird. Überraschend bleiben diese kollabierten polymeren Schaummaterialien während der normalen Versand-, Lagerungs- und Benutzungsbedingungen relativ dünn, bis sie schließlich mit wässrigen Körperfluiden benässt werden, wobei sie sich dann expandieren. Wegen ihrer ausgezeichneten Absorptionseigenschaften, einschließlich ihrer kapillaren Fluidtransportfähigkeit, sind diese kollabierten polymeren Schaummaterialien extrem nützlich in absorbierenden Kernen mit hoher Leistungsfähigkeit für absorbierende Artikel, wie Windeln, Erwachsenen-Inkontinenzpads oder -einlagen, Damenbinden und dergleichen. Diese kollabierten polymeren Schaummaterialien sind auch ausreichend flexibel und weich, sodass sie einen hohen Grad an Komfort für den Träger des absorbierenden Artikels bereit stellen.
Solche relativ dünnen, kollabierten polymeren Schaummaterialien sind erhältlich durch Polymerisieren eines spezifischen Typs einer Wasser-In-Öl-Emulsion mit einer relativ kleinen Menge einer Ölphase und einer relativ größeren Menge einer Wasserphase, im Stand der Technik allgemein bekannt als Emulsionen mit hoher innerer Phase oder "HIPE". Die Ölphase dieser HIPE-Emulsionen umfasst von etwa 67 bis etwa 98 Gew.-% einer Monomerkomponente mit: (a) von etwa 5 bis etwa 40 Gew.-% eines im Wesentlichen wasserunlöslichen, monofunktionalen glasigen Monomers; (b) von etwa 30 bis etwa 80 Gew.-% eines im Wesentlichen wasserunlöslichen, monofunktionalen Gummi-Comonomers; (c) von etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% einer im Wesentlichen wasserunlöslichen, polyfunktionalen Vernetzungsmittel-Komponente. Die Ölphase umfasst ferner von etwa 2 bis etwa 33 Gew.-% einer Emulgatorkomponente, die in der Ölphase löslich ist und eine stabile Emulsion für die Polymerisierung bereit stellt. Das Wasser oder die "innere" Phase dieser HIPE-Emulsionen umfasst eine wässrige Lösung, die von etwa 0,2 bis etwa 20 Gew.-% eines wasserlöslichen Elektrolyts enthält. Das Gewichtsverhältnis der Wasserphase zur Ölphase in dieser HIPE-Emulsion kann im Bereich von 12:1 bis etwa 100:1 liegen. Der polymerisierte Schaum ist im Wesentlichen entwässert (mit oder ohne vorherigen Wasch/Behandlungs-Schritten), um ein kollabiertes Schaummaterial bereit zu stellen.
US 5,198,472 offenbart ein Prozess für die kontinuierliche Präparierung von Emulsionen mit hoher innerer Phase, welche geeignet sind für die nachfolgende Polymerisation in polymere Schaummaterialien, die als Absorptionsmittel für wässrige Körperfluide wirken. Die '472 Schäume werden durch Kompression und/oder Erwärmung entwässert.
Das Schaummaterial kann als ein Speicherelement in einem absorbierenden Artikel verwendet werden. Eine wichtige Eigenschaft des Speicherelements ist die Fähigkeit, ein Fluid in sich selbst anzuziehen. Wobei die Überlappung zwischen einer Annahme- oder Verteilungskomponente und dem Speicherelement nur partiell ist, die Speicherkomponente muss selbst in der Lage sein, ein Fluid durch sich selbst hindurch anzusaugen, um effizient zu sein.
Es ist auch wünschenswert, dass das Speicherelement ausreichend fest ist, um während der Benutzung und Herstellung zu überleben, ausreichend flexibel ist, um komfortabel zu sein und einer Herstellung unter Verwendung wirtschaftlich vernünftiger Verfahren für die Massenproduktion zur Verfügung steht.
Verschiedene Techniken wurden im Stand der Technik eingesetzt, um bei der Herstellung des Schaummaterials entstehende Fluide abzuführen. Zum Beispiel ergibt eine Verdunstungstrocknung unter Umgebungsbedingungen (obwohl dies keinen signifikanten Kapitaleinsatz erfordert) nicht zu einer Trocknungsrate, welche Schaummaterialien wirtschaftlich produziert. Eine Infrarottrocknung von Schaummaterialien erfordert eine teure Anlage und kann Feuchtigkeitsgradienten in großen Mengen der Schaummaterialien erzeugen – und dadurch jegliche Einsparungen zerstören. So müssen die Schaummaterialien wirtschaftlich getrocknet werden.
Ferner müssen solche Schäume auf den richtigen Feuchtigkeitsgehalt getrocknet werden. Falls Regionen im Schaum übertrocknet werden, kann ein zufälliges und unkontrolliertes Quellen solcher Regionen auftreten. Ein solches zufälliges Quellen macht es schwierig, die absorbierenden Schaummaterialien zuverlässig in Verbraucherprodukte einzubauen. Ferner macht ein solches zufälliges Quellen schwierig, die ultimative Leistungsfähigkeit solcher Schaummaterialien am Punkte ihrer Verwendung durch den Verbraucher vorher zu sagen. So müssen die Schaummaterialien gleichförmig auf den richtigen Feuchtigkeitsgehalt getrocknet werden.
Dem gemäß existiert ein Bedürfnis im Stand der Technik nach Verfahren, Schaummaterialien wirtschaftlich zu trocknen, insbesondere absorbierende Schaummaterialien, Emulsionsschäume hoher innerer Phase und andere Schäume mit relativ klein bemessenen kapillaren Netzwerken. Ferner besteht ein Bedürfnis im Stand der Technik nach einer gleichförmigen Trocknung relativ großer Mengen solcher Materialien. Schließlich existiert ein Bedürfnis im Stand der Technik nach einer gleichförmigen Trocknung solcher Materialien auf einen gewünschten Feuchtigkeitsgehalt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Abführen von Feuchtigkeit aus einem Schaummaterial, welches vor einer Aushärtung nass ist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines solchen Schaummaterials. Das Schaummaterial liegt in geeigneter Weise in Flächenform vor, obwohl jede andere Form mit wenigstens einer frei liegenden Oberfläche genügen wird. Das Schaummaterial hat Kapillaren und in den Kapillaren enthaltende Feuchtigkeit.
Ein Kapillar-Entwässerungselement ist auch vorgesehen. Das Kapillar-Entwässerungselement wird mit der frei liegenden Oberfläche des Schaummaterials in Kontakt gebracht, wodurch Feuchtigkeit aus dem Schaummaterial in das Kapillar-Entwässerungselement abgeführt wird.
Das Kapillar-Entwässerungselement kann in Form einer Abdeckung für einen Spalt bildende Walzen oder für Endlosbänder sein. Das Kapillar-Entwässerungselement kann Zellulose, Filz oder ein durchlässiges Sieb sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische erhöhte Seitenansicht eines Spalts, der eine einzelne Filzanordnung verwendet, um das Schaummaterial zu entwässern.
2 ist eine schematische erhöhte Seitenansicht ähnlich 1 und weist eine doppelte Filzanordnung auf.
3 ist eine schematische erhöhte Seitenansicht einer Anordnung mit erweitertem Kontakt, wobei der erweiterte Kontakt die in den 1–2 dargestellten Spalte ersetzt.
4 ist eine schematische erhöhte Seitenansicht einer Vorrichtung mit einer Temperaturdifferenz.
5 ist eine schematische erhöhte Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Presse mit erweitertem Spalt.
6 ist eine bruchstückhafte Draufsicht eines Filzes mit einem Rahmenwerk darauf.
7 ist eine schematische erhöhte Seitenansicht einer Kapillar-Entwässerungswalze mit einem Mikroporen-Trocknungsmedium.
8 ist eine graphische Darstellung der Entwässerungsleistung von bis zu sechs aufeinander folgenden Spalte auf drei unterschiedlichen Schaummaterialien.
9 ist eine graphische Darstellung einer Entwässerungsleistung von bis zu sieben unterschiedlichen Spalte auf einem einzelnen Schaummaterial beginnend bei zwei unterschiedlichen Anfangs-Feuchtigkeitsgehalten.
10 ist eine graphische Darstellung der Entwässerungsleistung von fünf unterschiedlichen Spalt-Belastungen auf ein einzelnes absorbierendes Schaummaterial, die über drei unterschiedliche Geschwindigkeiten genommen wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann irgendein Schaummaterial 10 verwenden, welches bei Herstellung nass ist, obwohl dieses besonders anwendbar ist und nützlich ist für ein Schaummaterial 10 mit einem offenen Netzwerk von Kapillaren mit einer Größe von weniger als 200, insbesondere weniger als 100, ganz besonders weniger als 50 und noch bevorzugter weniger als 25 Micron. Irgendein Materialtyp kann für die kontinuierliche Phase des Schaummaterials 10 verwendet werden, wobei Vinylpolymerschäume 10 besonders geeignet sind.
Das Schaummaterial 10 wird in einer im Allgemeinen planaren Flächenform bereit gestellt, wie dies unten beschrieben wird, obwohl das Verfahren der vorliegenden Erfindung anwendbar ist auf irgendeine Ausführungsform des Schaums 10 mit einer frei liegenden Oberfläche 14, mit welcher die unten beschriebene Vorrichtung in Kontakt gebracht werden kann. In Flächenform begrenzt das Schaummaterial 10 eine XY-Ebene mit einer ersten und einer zweiten einander entgegen gesetzten und jeweils frei liegenden Oberfläche. Senkrecht zu den zwei entgegen gesetzten Oberflächen 14 des Schaummaterials 10 erstreckt sich die Z-Richtung, welche die Dicke des Schaummaterials 10 definiert. Die Dicke wird gemessen mit einem Pressfuß von 2,866 Zentimeter Durchmesser und einer beaufschlagten Last von 45 Gramm auf die Probe.
Das Schaummaterial 10 kann in Flächenform mit Breiten bereit gestellt werden, die von 0,1 bis 8 Meter reichen, wobei übliche Breiten im Bereich von 1 bis 4 Meter liegen. Die Dicke des Schaums 10 kann im Bereich von 0,5 bis 20 mm liegen, wobei eine geeignete Dicke im Bereich von 1 bis 6 mm liegt. Im Allgemeinen ist eine geringe Dicke zur Handhabung und zur Annehmlichkeit im Verbraucher-Endprodukt geeignet.
In Flächenform kann das Schaummaterial 10 in einer kontinuierlichen, unbestimmten Länge bereit gestellt werden, so dass der Entwässerungsvorgang als ein kontinuierlicher Prozess durchgeführt werden kann. Alternativ kann in einer weniger geeigneten Ausführungsform das Schaummaterial 10 in diskreten Einzelheiten bereit gestellt werden, und der Entwässerungsprozess kann chargenweise ausgeführt werden.
Polymere Schäume des hier bezeichneten Typs können charakterisiert werden als Strukturen, welche sich ergeben, wenn eine relativ monomerfreie Flüssigkeit als Tröpfchen oder "Bläschen" in einer polymerisierfähigen Monomer enthaltenden Flüssigkeit dispergiert wird, gefolgt von einer Polymerisation der Monomere in der Monomer enthaltenden Flüssigkeit, welche die Tröpfchen umgibt. Die resultierende polymerisierte Dispersion kann in Form einer porösen, verfestigten Struktur vorliegen, welche ein Aggregat von Zellen ist, wobei die Grenzen oder Wände der Zellen festes polymerisiertes Material umfassen. Die Zellen selbst enthalten die relativ monomerfreie Flüssigkeit, welche vor der Polymerisation die Tröpfchen in der flüssigen Dispersion gebildet hatte. Wie nachfolgend vollständiger beschrieben wird, werden die kollabierten polymeren Schaummaterialien, die als Absorptionsmittel in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, typischerweise durch Polymerisieren eines speziellen Typs einer Wasser-In-Öl-Emulsion präpariert. Eine solche Emulsion wird gebildet aus einer relativ kleinen Menge einer polymerisierfähigen, Monomer enthaltenden Ölphase und einer relativ größeren Menge einer relativ monomerfreien Wasserphase. Die relativ monomerfreie diskontinuierliche "innere" Wasserphase bildet somit die dispergierten Tröpfchen, die von kontinuierlichen Monomer enthaltenden Ölphase umgeben werden. Die nachfolgende Polymerisation der Monomere in der kontinuierlichen Ölphase bildet die zellulare Schaumstruktur. Die wässrige Flüssigkeit, die in der Schaumstruktur nach der Polymerisation verbleibt, kann durch Pressen, durch ein thermisches Trocknen und/oder durch Vakuumentwässerung entfernt werden.
Polymere Schäume, einschließlich Schäume, die aus Wasser-In-Öl-Emulsionen präpariert werden, können in ihrem Charakter relativ geschlossen-zellig oder relativ offenzellig sein, in Abhängigkeit davon, ob und/oder in welchem Maße die Zellwände oder Grenzen, das heißt, die Zellfenster, mit polymerem Material gefüllt oder besetzt sind. Die polymeren Schaummaterialien, die absorbierenden Artikeln und Strukturen der vorliegenden Erfindung nützlich sind, sind solche, welche relativ offenzellig sind, dahin gehend, dass die einzelnen Zellen des Schaums zum größten Teil nicht durch polymeres Material der Zellwände vollständig isoliert voneinander sind. So haben die Zellen in solchen im wesentlichen offenzelligen Schaumstrukturen interzellulare Öffnungen oder "Fenster", welche groß genug sind, um einen Fluidtransfer von einer Zelle zur anderen innerhalb der Schaumstruktur ohne Weiteres zuzulassen.
In im Wesentlichen offenzelligen Strukturen des hier nützlichen Typs wird der Schaum im Allgemeinen einen retikulierten Charakter haben, wobei einzelne Zellen durch eine Mehrzahl von untereinander verbundenen, dreidimensional verzweigten Stegen begrenzt sind. Die Stränge aus polymerem Material, welche die verzweigten Stege der offenzelligen Schaumstruktur bilden, können als "Streben" bezeichnet werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist ein Schaummaterial "offenzellig", wenn wenigstens 80% der Zellen in der Schaumstruktur, die wenigstens 1 Micron groß sind, in Fluidkommunikation mit wenigstens einer benachbarten Zelle stehen. Alternativ kann ein Schaummaterial als im Wesentlichen offenzellig angesehen werden, falls dieses ein gemessenes verfügbares Porenvolumen hat, das wenigstens 80% des theoretisch verfügbaren Porenvolumens beträgt, zum Beispiel wie dies bestimmt wird durch das Wasser-Zu-Öl-Gewichtsverhältnis der HIPE-Emulsion, aus welcher das Schaummaterial gebildet wird.
Zusätzlich dazu, dass sie offenzellig sind, können die kollabierten polymeren Schaummaterialien dieser Erfindung hydrophil sein. Die hier vorliegenden Schäume müssen ausreichend hydrophil sein, um dem Schaum zu erlauben, wässrige Körperfluide in den nachher angegebenen Mengen zu absorbieren. Die inneren Oberflächen der hier vorliegenden Schaumstrukturen können mit Hilfe von restlichen Hydrophilisierungsmitteln hydrophil gemacht werden, die in der Schaumstruktur nach der Polymerisation verbleiben, oder mit Hilfe von ausgewählten Post-Polymerisations-Schaumbehandlungsverfahren, welche eingesetzt werden, um die Oberflächenenergie des Materials, welches die Schaumstruktur bildet, zu verändern.
Das Maß, in welchem diese Schaummaterialien "hydrophil" sind, kann durch den "Haftspannung"-Wert quantifiziert werden, der gezeigt wird, wenn sich diese einer absorbierfähigen Testflüssigkeit in Kontakt befinden. Die durch diese Schaummaterialien gezeigte Haftspannung kann experimentell unter Verwendung eines Verfahrens bestimmt werden, in welchem eine Gewichtsaufnahme einer Testflüssigkeit, zum Beispiel eines synthetischen Urins, für eine Probe bekannter Abmessungen und bekanntem spezifischem Oberflächenbereich für die kapillare Ansaugung gemessen wird. Ein solches Verfahren ist beschrieben in größerem Detail im Abschnitt Testverfahren von US Patent 5,387,207, das hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Schaummaterialien, welche als Absorptionsmittel in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, sind im Allgemeinen solche, welche einen Haftspannungswert von etwa 15 bis etwa 65 dyne/cm zeigen, noch geeigneter von etwa 20 bis etwa 65 dyne/cm, wie dies durch die Kapillarabsorption von synthetischem Urin mit einer Oberflächenspannung von 65 ± 5 dyne/cm bestimmt wird.
Die kollabierten polymeren Schaummaterialien der vorliegenden Erfindung sind erhältlich durch und werden üblicherweise erhalten durch ein Polymerisieren einer HIPE-Emulsion, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Dies sind Wasser-In-Öl-Emulsionen mit einer relativ kleinen Menge einer Ölphase und einer relativ größeren Menge einer Wasserphase. Dem gemäß enthält nach der Polymerisation der resultierende Schaum eine wesentliche Menge an Wasser.
Das polymere Schaummaterial der vorliegenden Erfindung kann Restwasser haben, welches sowohl das Hydrationswasser, welches dem darin eingebauten hydroskopischen, hydrierten Salz zugeordnet ist (nachfolgend beschrieben), wie auch in dem Schaum absorbiertes freies Wasser umfasst. Es ist dieses Restwasser (unterstützt durch die hydrierten Salze), von dem angenommen wird, dass dieses Kapillardrucke auf die resultierende kollabierte Schaumstruktur ausübt. Die kollabierten polymeren Schaummaterialien der vorliegenden Erfindung können Restwassergehalte von wenigstens etwa 4%, typischerweise von etwa 4 bis etwa 30% gewichtsanteilig des Schaumes aufweisen, wenn sie unter Umgebungsbedingungen von 72°F (22°C) und 50% relativer Feuchtigkeit gespeichert werden. Geeignete kollabierte polymere Schaummaterialien der vorliegenden Erfindung haben Restwassergehalte von etwa 5 bis etwa 17 Gew.-% des Schaumes.
Polymere Schaummaterialien, die mit der vorliegenden Erfindung nützlich sind, können durch Polymerisation bestimmter Wasser-In-Öl-Emulsionen mit einem relativ hohen Verhältnis einer Wasserphase zur Ölphase präpariert werden. Emulsionen dieses Typs, welche diese relativ hohen Wasser-Zu-Öl-Phasenverhältnisse haben, sind allgemein bekannt im Stand der Technik als Emulsionen mit hoher innerer Phase ("HIPEs" oder "HIPE"-Emulsionen). Die polymeren Schaummaterialien, welche sich aus Polymerisation solcher Emulsionen ergeben, werden hier als "HIPE-Schäume" bezeichnet.
Die chemische Natur, der Aufbau und die Morphologie des Polymermaterials, welches die HIPE-Schaumstrukturen bildet, wird sowohl den Typ als auch die Konzentration der Monomere, Comonomere und Vernetzer bestimmt, die in der HIPE-Emulsion verwendet werden, und durch die Emulsionsbildung- und Polymerisationsbedingungen, die verwendet werden. Ganz egal, welcher spezielle Monomeraufbau, welches Molekulargewicht oder welche Morphologie des Polymermaterials vorliegt, die resultierenden polymeren Schäume werden im Allgemeinen in ihrem Charakter viskoselastisch sein, das heißt, die Schaumstrukturen werden sowohl viskose, das heißt, fluidartige Eigenschaften, als auch elastische, das heißt, federartige Eigenschaften besitzen. Es ist also wichtig, dass das Polymermaterial, welches die zellulare Schaumstruktur bildet, physikalische, rheologische und morphologische Attribute hat, welche unter Benutzungsbedingungen eine geeignete Flexibilität, einen Widerstand gegenüber einer Kompressionsverbiegung und eine Dimensionsstabilität des absorbierenden Schaummaterials verleihen.
Die relativen Mengen der Wasser- und Ölphasen, die verwendet werden, um die HIPE-Schäume zu bilden, sind neben vielen weiteren Parametern wichtig bei der Bestimmung der strukturellen, mechanischen und leistungsmäßigen Eigenschaften der resultierenden polymeren Schäume. Insbesondere kann das Verhältnis von Wasser-Zu-Öl in der schaumbildenden Emulsion die Schaumdichte, die Zellgröße und den spezifischen Oberflächenbereich der Kapillarsaugung des Schaumes und die Abmessungen der Streben, welche den Schaum bilden, beeinflussen. Die Emulsionen, die verwendet werden, um die HIPE-Schäume dieser Erfindung zu präparieren, werden im Allgemeinen Wasser-Zu-Öl-Phasenverhältnisse im Bereich von etwa 12:1 bis etwa 100:1, noch geeigneter von 30:1 bis etwa 75:1, äußerst geeignet von etwa 30:1 bis etwa 65:1 haben.
Nach der Kompression und/oder Entwässerung können sich die Schaummaterialien reexpandieren, wenn sie mit wässrigen Fluiden benässt werden. Überraschend bleiben diese Schaummaterialien in dem kollabierten oder nicht expandierten Zustand für unbestimmte Zeit, wenn sie unter Bedingungen gelagert werden, die für solche Produkte während der Lagerung, der Versendung, der Auslage und vor der Benutzung typisch sind. Nach der Komprimierung und/oder Entwässerung auf ein praktikables Maß haben diese Schaummaterialien Restwasser, dass sowohl das Wasser der Hydration enthält, das verbunden ist mit dem darin eingebauten hygroskopisches, hydrierten Salz, sowie das in dem Schaummaterial absorbierte freie Wasser enthält. Dieses Restwasser (unterstützt durch die hydrierten Salze) soll die Kapillardrucke auf die resultierende kollabierte Schaumstruktur ausüben.
Ein wichtiger Parameter dieser Schaummaterialien ist ihre Einfriertemperatur (Tg). Die Tg repräsentiert den Mittelpunkt des Übergangs zwischen dem glasigen und gummiartigen Zustand des Polymers. Schaummaterialien, die eine höhere Tg haben als die Benutzungstemperatur, können sehr stark sein, können aber sehr steif sein und potentiell anfällig für einen Bruch sein. Solche Schaummaterialien benötigen typischerweise eine lange Zeit, um sich in den expandierten Zustand zu erholen, wenn sie mit wässrigen Fluiden benässt werden, die kälter sind als die Tg des Polymers, nachdem sie in kollabiertem Zustand für verlängerte Zeitspannen gelagert wurden. Die gewünschte Kombination von mechanischen Eigenschaften, spezifischer Festigkeit und Elastizität, erfordert typischerweise einen sehr ausgewählten Bereich von Monomertypen und -anteilen, um diese gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Für die Schaummaterialien der vorliegenden Erfindung kann die Tg des Polymers wenigstens etwa 10°C geringer sein als die Benutzungstemperatur. Dem gemäß werden Monomere so weit wie möglich ausgewählt, die entsprechende Homopolymere mit geringeren Tg's liefern. Die Tg wird hergeleitet aus einer Kurve, die sich aus dem Auftrag von Verlusttangens (tan[δ]) gegen die Temperatur ergibt, und zwar aus einer dynamisch mechanischen Analysemessung (DMA), wie sie beschrieben ist in US Patent 5,633,291 (Dyer et al.), veröffentlicht am 27. Mai 1997, hier durch Bezugnahme mit aufgenommen.
A. Ölphase-Komponenten
sDie kontinuierliche Ölphase der HIPE-Emulsion umfasst Monomere, die polymerisiert sind, um die feste Schaumstruktur zu bilden. Diese Monomerkomponente enthält eine "glasartiges" Monomer, ein "gummiartiges" Comonomer und ein Vernetzungsmittel. Die Auswahl spezieller Typen und Mengen von ein oder mehreren monofunktionalen Monomeren und Comonomeren und polyfunktionalen Vernetzungsmitteln kann wichtig sein für die Realisation absorbierender HIPE-Schäume mit der gewünschten Kombination aus Struktur, Mechanik und Fluidhandhabungseigenschaften, welche solche Materialien für die Verwendung in der hier vorliegenden Erfindung geeignet machen. Weitere Ölphasenbestandteile umfassen Emulgatoren, Antioxidantien, Pigmente und dergleichen, wie sie im Detail angegeben sind in US Patent 5,563,179, das hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Die Monomerkomponente, die in der Ölphase der HIPE-Emulsionen verwendet wird, umfasst ein oder mehrere monofunktionale Monomere, die dazu neigen, der resultierenden polymeren Schaumstruktur glasartige Eigenschaften zu verleihen. Solche Monomere werden als "glasartige" Monomere bezeichnet und werden für die Zwecke dieser Erfindung definiert als monomere Materialien, welche Homopolymere mit hohem Molekulargewicht (größer als 6000) mit einer Einfriertemperatur Tg über etwa 40°C liefern würden. Diese monofunktionalen glasartigen Monomertypen enthalten auf Methacrylat basierende Monomere (z.B. Methylmethacrylat) und auf Styrol basierende Monomere (z.B. Styrol). Ein geeigneter monofunktionaler glasartiger Monomertyp ist ein auf Styrol basierendes Monomer, wobei Styrol selbst das geeignetste Monomer dieser Art ist. Ein substituiertes, zum Beispiel monosubstituiertes Styrol, wie beispielsweise p-Methylstyrol, kann auch verwendet werden. Das monofunktionale glasartige Monomer wird normalerweise von etwa 5 bis etwa 40 Gew.-%, geeigneter von etwa 10 bis etwa 30 Gew.-% noch geeigneter von etwa 15 bis etwa 25 Gew.-% und äußerst geeignet etwa 20 Gew.-% der Monomerkomponente aufweisen.
Die Monomerkomponente umfasst auch ein oder mehrere monofunktionale Comonomere, welche dazu neigen, der resultierenden polymeren Schaumstruktur gummiartige Eigenschaften zu verleihen. Solche Comonomere werden bezeichnet als "gummiartige" Comonomere und sind für die Zwecke dieser Erfindung definiert als monomere Materialien, welche Homopolymere mit hohem Molekulargewicht (größer als 10.000) mit einer Einfriertemperatur von Tg von etwa 40°C oder geringer erzeugen würden. Monofunktionale gummiartige Comonomere dieses Typs enthalten zum Beispiel die C₄-C₁₂ Alkylacrylate, die C₆-C₁₄ Alkylmethacrylate und Kombinationen solcher Comonomere. Von diesen Comonomeren sind N-Butylacrylat und 2-ethylhexylacrylat am meisten geeignet. Das monofunktionale gummiartige Comonomer wird im Allgemeinen von etwa 30 bis etwa 80 Gew.-%, ganz geeignet von etwa 50 bis etwa 70 Gew.-% und äußerst geeignet von etwa 55 bis etwa 65 Gew.-% der Monomerkomponente enthalten.
Da die Polymerketten, die aus den ein oder mehreren glasartigen Monomeren und gummiartigen Comonomeren gebildet werden, vernetzt sein sollen, enthält die Monomerkomponente auch ein polyfunktionales Vernetzungsmittel. Wie bei den monofunktionalen Monomeren und Comonomeren ist die Auswahl eines speziellen Typs und einer Menge des Vernetzungsmittels sehr wichtig für die eventuelle Realisierung geeigneter polymerer Schäume mit der gewünschten Kombination aus strukturellen, mechanischen und Fluidhandhabungseigenschaften.
In Abhängigkeit des Typs und der Menge der monofunktionalen Monomere und Comonomere, die verwendet werden, und in Abhängigkeit ferner von den gewünschten Eigenschaften der resultierenden polymeren Schäume, können die polyfunktionalen Vernetzungsmittel ausgewählt werden aus einer breiten Vielfalt von polyfunktionalen, geeigneten difunktionalen Monomeren. So kann das Vernetzungsmittel ein aromatisches Divinylmaterial sein, wie beispielsweise Divinylbenzol, wie Divinyltoluol oder Diallylphthalat. Alternativ können aliphatische Divinylvernetzer, wie beliebige der Diacryl- oder Dimethylacryl-Säureester der Polyole, wie beispielsweise 1,6-hexandiol und seine Homologen, verwendet werden. Das zum Präparieren der HIPE-Emulsionen am geeignetsten ermittelte Vernetzungsmittel ist Divinylbenzol. Das Vernetzungsmittel welchen Typs auch immer, wird im Allgemeinen in der Ölphase der Schaum bildenden Emulsionen in einer Menge von etwa 10 bis etwa 40 Gew.-%, noch geeigneter von etwa 15 bis etwa 25 Gew.-% und äußerst geeignet von 20 Gew.-% der Monomerkomponente verwendet.
Der Hauptanteil der Ölphase der HIPE-Emulsionen wird die vorerwähnten Monomere, Comonomere und Vernetzungsmittel umfassen. Es ist wichtig, dass diese Monomere, Comonomere und Vernetzungsmittel im Wesentlichen wasserunlöslich sind, so dass sie primär löslich sind in der Ölphase und nicht in der Wasserphase. Die Verwendung solcher im Wesentlichen wasserunlöslichen Monomere gewährleistet, das HIPE-Emulsionen der geeigneten Eigenschaften und Stabilität realisiert werden.
Die Monomere, Comonomere und Vernetzungsmittel, wie hier verwendet werden, können derart sein, dass der resultierende Polymerschaum in geeigneter Weise nicht toxisch und richtig chemisch stabil ist. Diese Monomere, Comonomere und Vernetzungsmittel sollten eine geringe oder keine Toxizität haben, wenn sie in sehr geringen Restkonzentrationen während der Post-Polymerisations-Schaumbehandlung und/oder der Benutzung vorhanden sind.
Eine weitere wesentliche Komponente der Ölphase ist ein Emulgator, welcher die Formation geeigneter HIPE-Emulsionen erlaubt. Solche Emulgatoren sind solche, welche löslich sind in der Ölphase, die zum Bilden der Emulsion verwendet wird. Emulgatoren, die verwendet werden, sind typischerweise nicht ionisierend und umfassen die Sorbitan-Fettsäureester, die Polyglycerol-Fettsäureester und Kombinationen davon. Geeignete Emulgatoren umfassen Diglycerolmonooleat, Sorbitanlaurat (z.B. SPAN^® 20), Sorbitanoleat (z.B. SPAN^® 80), Kombinationen Sorbitanlaurat und Sorbitanpalmitat (z.B. SPAN^® 40) in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1:1 bis etwa 3:1, und insbesondere Kombinationen von Sorbitanlaurat mit bestimmten Polyglycerol-Fettsäureestern, die nachfolgend beschrieben werden sollen.
Die zur Bildung der HIPE-Emulsionen verwendete Ölphase wird im Allgemeinen von etwa 67 bis etwa 98 Gew.-% der Monomerkomponente und von etwa 2 bis etwa 33 Gew.-% einer Emulgatorkomponente umfassen. Die Ölphase kann von etwa 80 bis etwa 95 Gew.-% einer Monomerkomponente und von etwa 5 bis etwa 20 Gew.-% einer Emulgatorkomponente umfassen.
Zusätzlich zu den Monomer- und Emulgatorkomponenten kann die Ölphase weitere optionale Komponenten enthalten. Eine solche optionale Ölphasenkomponente ist ein in Öl löslicher Polymerisationsinitiator allgemeiner Art, der nachfolgend beschrieben wird. Eine weitere mögliche optionale Komponente der Ölphase ist ein im Wesentlichen in Wasser unlösliches Lösungsmittel für die Monomer- und Emulgatorkomponenten. Ein Lösungsmittel dieses Typs muss natürlich in der Lage sein, den resultierenden polymeren Schaum aufzulösen. Falls ein solches Lösungsmittel verwendet wird, wird dieser im Allgemeinen nicht mehr als etwa 10 Gew.-% der Ölphase umfassen.
B. Wasserphase-Komponenten
Die diskontinuierliche innere Phase der HIPE-Emulsionen ist die Wasserphase, welche im Allgemeinen eine wässrige Lösung ist, die ein oder mehrere gelöste Komponenten enthält. Eine im Wesentlichen gelöste Komponente der Wasserphase ist ein wasserlöslicher Elektrolyt. Der gelöste Elektrolyt in der Wasserphase der HIPE-Emulsion dient dazu, die Neigung der Monomere und Vernetzer zu minimieren, welche primär öllöslich sind, sich auch in der Wasserphase zu lösen. Dies wiederum soll das Maß minimieren, in dem welchem während der Polymerisation der Emulsion Polymermaterial die Zellfenster an den Öl/Wasser-Grenzflächen füllt, die durch die Wasserphasentröpfchen gebildet werden. So wird angenommen, dass das Vorhandensein eines Elektrolyts und die resultierende Ionenfestigkeit der Wasserphase bestimmt, ob und in welchem Maße die resultierenden polymere Schäume offenzellig sein können.
Ein beliebiges Elektrolyt, welches eine ionische Spezies liefert, um eine Ionenfestigkeit der Wasserphase zu verleihen, kann verwendet werden. Geeignete Elektrolyte sind ein-, zwei- oder dreiwertige anorganische Salze, wie wasserlösliche Halide, zum Beispiel Chloride, Nitrate und Sulfate aus Alkalimetallen und Erdalkalimetallen. Beispiele umfassen Natriumchlorid, Kalziumchlorid, Natriumsulfat und Magnesiumsulfat. Kalziumchlorid ist geeignet für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen wird das Elektrolyt in der Wasserphase der HIPE-Emulsionen in einer Konzentration im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 20 Gew.-% der Wasserphase verwendet. Geeigneter wird das Elektrolyt von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-% der Wasserphase umfassen.
Die HIPE-Emulsionen werden typischerweise auch einen Polymerisationsinitiator enthalten. Eine solche Initiatorkomponente wird im Allgemeinen der Wasserphase der HIPE-Emulsionen hinzu gegeben und kann irgendein herkömmlicher wasserlöslicher Initiator mit freiem Radikal sein. Materialien dieses Typs umfassen Peroxygen-Verbindungen, wie Natrium-, Kalium- und Ammoniumpersulfate, Wasserstoffperoxyd, Natriumperacetat, Natriumpercarbonat und dergleichen. Herkömmliche Redox-Initiatorsysteme können auch verwendet werden. Solche Systeme werden gebildet durch Kombinieren der vorstehenden Peroxygen-Verbindungen mit Reduzierungsmitteln, wie Natriumbisulfit, L-Ascorbinsäure oder Eisensalzen.
Das Initiatormaterial kann bis zu 5 Mol prozentbasierend auf der Gesamtmolzahl polymerisierbare Monomere enthalten, die in der Ölphase vorhanden sind. Ganz geeignet umfasst der Initiator von etwa 0,001 bis 0,5 Mol Prozent basierend auf der Gesamtmolzahl polymerisierbarer Monomere in der Ölphase. Wenn es in der Wasserphase verwendet wird, können solche Initiatorkonzentrationen durch Hinzugabe eines Initiators zu der Wasserphase im Maß von etwa 0,005 Gew.-% bis etwa 0,4 Gew.-% und geeignet davon etwa 0,006 Gew.-% bis etwa 0,2 Gew.-% der Wasserphase realisiert werden.
C. Hydrophilisierungsmittel und hydrierbare Salze
Das vernetzte Polymermaterial, welches kollabierte absorbierende Schaumstrukturen bildet, kann im Wesentlichen frei von polaren funktionalen Gruppen auf seiner polymeren Struktur sein. So wird das Polymermaterial, welches die Schaumstrukturoberflächen solcher absorbierender Schäume bildet, unmittelbar nach dem Polymerisationsschritt normalerweise relativ hydrophob in seinem Charakter sein. Dem gemäß können gerade polymerisierte Schäume eine weitere Behandlung benötigen, um die Schaumstrukturoberflächen relativ hydrophiler zu machen, sodass solche Schäume als Absorptionsmittel für wässrige Körperfluide verwendet werden können. Die Hydrophilisation der Schaumoberflächen kann, falls dies notwendig ist, im Allgemeinen durch ein Behandeln der polymerisierten HIPE-Schaumstrukturen mit einem Hydrophilisierungsmittel in einer Weise herbei geführt werden, wie dies vollständig nachfolgend beschrieben wird.
Hydrophilisierungsmittel sind beliebige Materialien, welche die Wasserbenetzbarkeit der polymeren Oberflächen, mit welchen diese in Kontakt stehen und auf welchen sie abgeschieden werden, zu verbessern. Hydrophilisierungsmittel sind im Stand der Technik allgemein bekannt und können grenzflächenaktive Materialien umfassen, insbesondere des nicht ionisierenden Typs. Hydrophilisierungsmittel werden im Allgemeinen in flüssiger Form verwendet und können in einer hydrophilisierenden Lösung aufgelöst oder dispergiert sein, welche auf die HIPE-Schaumstrukturen aufgebracht wird. Auf diese Weise können die Hydrophilisierungsmittel auf den polymeren Oberflächen der HIPE-Schaumstrukturen in Mengen adsorbiert werden, die geeignet sind, um solche Oberflächen im Wesentlichen hydrophil zu machen, aber ohne die gewünschten Flexibilitäts- und Kompressions-Einbiegungseigenschaften des Schaumes zu verändern. In Schäumen, welche mit Hydrophilisierungsmitteln behandelt worden sind, wird das Hydrophilisierungsmittel in die Schaumstruktur derart eingebaut, dass Restmengen des Mittels, welche in der Schaumstruktur verbleiben, im Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 12 Gew.-% des Schaumes betragen.
Ein Typ eines geeigneten Hydrophilisierungsmittels ist ein nicht irritierender, öllöslicher grenzflächenaktiver Stoff. Solche grenzflächenaktiven Stoffe können alle solche bereits für die Verwendung als Emulgator für die Ölphase in der HIPE-Emulsion beschriebenen umfassen, wie beispielsweise Sorbitanlaurat (z.B. SPAN^® 20) und Kombinationen aus Sorbitanlaurat mit bestimmten Polyglycerol-Fettsäureestern, die nachfolgend beschrieben werden. Solche hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoffe können in den Schaum während einer HIPE-Emulsionsbildung und Polymerisation eingebaut werden oder können durch Behandlung des polymeren Schaums mit einer Lösung oder Suspension des grenzflächenaktiven Stoffes, der in einem geeigneten Träger oder Lösungsmittel aufgelöst oder dispergiert ist, eingebaut werden.
Ein weiteres Material, das benötigt wird, um in die HIPE-Schaumstruktur eingebaut zu werden, ist ein hydrierbares und in geeigneter Weise hygroskopisches oder bei Feuchtigkeit zerfließendes, wasserlösliches anorganisches Salz. Solche Salze umfassen zum Beispiel toxikologisch akzeptable Erdalkalimetallsalze. Materialien dieses Typs und ihre Verwendung in Verbindung mit öllöslichen grenzflächenaktiven Stoffen als das Schaum-Hydrophilisierungsmittel, sind in größerem Detail beschrieben im allgemein übertragenen US Patent Nr. 5,352,711, veröffentlicht am 11. Oktober 1984 für DesMarais, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Geeignete Salze dieses Typs umfassen die Kalziumhalide, wie Kalziumchlorid, welche, wie bereits angemerkt, auch als das Elektrolyt in der Wasserphase der HIPE-Emulsionen verwendet werden kann, die verwendet werden, um die polymeren Schäume zu präparieren.
Hydrierbare anorganische Salze können leicht in die polymere Schäume eingebaut werden, indem die Schäume mit wässrigen Lösungen solcher Salze behandelt werden. Lösungen hydrierbarer anorganischer Salze können im Allgemeinen verwendet werden, um die Schäume nach Vollendung des Verfahrens bzw. als Teil desselben, zum Entfernen der Restwasserphase aus den gerade polymerisierten Schäumen zu behandeln. Der Kontakt der Schäume mit solchen Lösungen wird in geeigneter Weise genutzt, um hydrierbare anorganische Salze, wie Kalziumchlorid in Restmengen von wenigstens etwa 0,1 Gew.-% des Schaumes und typischerweise im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-% und noch geeigneter von etwa 3 bis etwa 8 Gew.-% des Schaumes abzuscheiden.
Eine Behandlung geeigneter Schaumstrukturen, welche relativ hydrophob sind, wenn sie mit Hydrophilisierungsmitteln polymerisiert werden (mit oder ohne hydrierbaren Salzen) wird typischerweise in dem Maße ausgeführt, das notwendig und ausreichend ist, um eine geeignete Hydrophilizität den HIPE-Schäumen zu verleihen. Einige Schäume des HIPE-Emulsionstyps können jedoch in geeigneter Weise hydrophil sein, wenn sie präpariert worden sind, und können in sich ausreichende Mengen hydrierbarer Salze eingebaut haben, sodass sie keine zusätzliche Behandlung mit Hydrophilisierungsmitteln oder hydrierbaren Salzen benötigen. Im Speziellen können solche HIPE-Schäume solche sein, in welchen Sorbitan-Fettsäureester, wie Sorbitanlaurat (z.B. SPAN^® 20) oder Kombinationen aus Sorbitanlaurat mit bestimmten Polyglycerol-Fettsäureestern, die nachfolgend beschrieben werden sollen, als Emulgatoren verwendet werden, die der Ölphase hinzu gegeben werden, und Kalziumchlorid als ein Elektrolyt in der Wasserphase der HIPE-Emulsion verwendet wird. In diesem Fall werden die in ihren polymerisierten Schaumoberflächen mit dem Restemulgator ausreichend hydrophil sein, und die Rest-Wasserphasenflüssigkeit wird ausreichende Mengen von Kalziumchlorid enthalten oder abscheiden, selbst nachdem die polymeren Schäume entwässert worden sind.
Die Behandlung von Schaummaterial mit einem hydrophilisierenden grenzflächenaktiven Stoff ist beschrieben in US Patenten 5,563,179; 5,250,576; 5,292,777, deren Offenbarungen hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
D. Verarbeitungsbedingungen zum Erhalt von HIPE-Schäumen
Die Schaumpräparierung umfasst typischerweise die Schritte: 1) Bilden einer stabilen Emulsion mit hoher innerer Phase (HIPE); 2) Polymerisieren/Aushärten dieser stabilen Emulsion unter Bedingungen, die zum Bilden einer festen polymeren Schaumstruktur geeignet sind; 3) Waschen der festen polymeren Schaumstruktur, um die Ursprungs-Restwasserphase aus der polymeren Schaumstruktur zu entfernen, und, falls notwendig, Behandeln der polymeren Schaumstruktur mit einem Hydrophilisierungsmittel und/oder einem hydrierbaren Salz, um ein benötigtes Hydrophilisierungsmittel/hydrierbares Salz abzuscheiden, und 4) danach Entwässern dieser polymeren Schaumstruktur (geeignet einschließlich Kompression in der Z-Richtung), in dem Maße, das notwendig ist, um ein kollabiertes, unexpandiertes, polymeres Schaummaterial bereit zu stellen, das als ein Absorptionsmittel für wässrige Körperfluide nützlich ist. Diese Verfahren sind im Detail angegeben in dem allgemein übertragenen US Patenten 5,563,179, 5,149,720 (DesMarais et al.), veröffentlicht am 22. September 1992, und 5,827,909 (DesMarais), veröffentlicht am 27. Oktober 1998, welche hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Um relativ dünne, kollabierte, polymere Schaummaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung reproduzierbar zu erhalten, wurde heraus gefunden, dass es besonders wichtig ist, die Emulsionsbildungs- und Polymerisationsschritte in einer Weise auszuführen, dass eine Koaleszens der Wassertröpfchen in der HIPE-Emulsion verringert oder minimiert wird. HIPE-Emulsionen sind nicht immer stabil, insbesondere dann, wenn sie hohen Temperaturbedingungen ausgesetzt werden, um eine Polymerisation und Aushärtung zu bewirken. Wenn die HIPE-Emulsion sich destabilisiert, können sich die in ihr befindlichen Wassertröpfchen zu einem Aggregat zusammensetzen und zusammenwachsen, sodass sie viel größere Wassertröpfchen bilden. Tatsächlich gibt es während der Polymerisation und Aushärtung der Emulsion ein wesentliches Wettrennen zwischen der Verfestigung der Schaumstruktur und der Koaleszenz der Wassertröpfchen. Ein geeignetes Gleichgewicht muss hergestellt werden, derart, dass eine Koaleszenz der Wassertröpfchen reduziert wird, eine Polymerisation und Aushärtung der Schaumstruktur aber noch innerhalb einer vernünftigen Zeit ausgeführt werden kann. (Obwohl eine gewisse Koaleszenz toleriert werden kann, wenn die verbleibenden Wassertröpfchen sehr klein sind, beeinflussen solche nicht gleichförmigen Zellgrößen in dem resultierenden Schaum die Fluidtransporteigenschaften des Schaumes nachteilig, insbesondere seiner Ansaugrate.)
Eine Reduktion der Koaleszenz der Wassertröpfchen in der HIPE-Emulsion führt zu einer kleineren mittleren Zellgröße in der resultierenden Schaumstruktur nach der Polymerisation und Aushärtung. Es wird angenommen, dass diese resultierende kleinere mittlere Zellgröße in dem polymeren Schaummaterial der Schlüsselmechanismus hinter der reproduzierbaren Bildung relativ dünner, kollabierter polymerer Schaummaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
(Gleichförmige kleine Zellgrößen in dem resultierenden Schaum sollen auch zu guten Absorptions- und insbesondere Fluidtransporteigenschaften (z.B. Ansaugung) führen.) Die mittlere Zellgrößenzahl der polymeren Schaummaterialien beträgt etwa 50 Micron oder weniger und liegt typischerweise im Bereich von etwa 5 bis etwa 50 Micron, geeignet davon etwa 5 bis etwa 40 Micron und noch geeigneter von etwa 5 bis etwa 35 Micron, wenn sie unter Bedingungen präpariert werden, die eine Koaleszenz der Wassertröpfchen in der HIPE-Emulsion verringern. Techniken zum reproduzierbaren Verringern der Koaleszenz von Wassertröpfchen in der HIPE-Emulsion werden in größerem Detail in der nachfolgenden Beschreibung der Schritte zur Emulsionsbildung und Polymerisation/Aushärtung zum Erhalt kollabierter polymerer Schäume diskutiert.
Ein geeignetes Verfahren zum Bilden von HIPEs mit einem höheren Grad an Zellgleichförmigkeit umfasst einen kontinuierlichen Prozess, der die jeweiligen Öl- und Wasserphasen kombiniert und emulgiert. In der Mischkammer oder -zone (z.B. einem Zylinder) werden die kombinierten Ströme im Allgemeinen einer geringen Scherbewegung ausgesetzt, die zum Beispiel durch einen Rührstab geeigneter Konfiguration und Abmessung bereit gestellt wird. Die Verwendung einer geringen Scherbewegung führt zu einer höheren Gleichförmigkeit der Zellengrößen in dem HIPE, was zu Schäumen mit verbesserten Saugfähigkeiten führt. Mit einem Rührstab des in dem vorliegenden Verfahren verwendeten Typs, sind sowohl die Geschwindigkeit an der Spitze des Rührstabes (nachfolgend als "Tip-Geschwindigkeit" bezeichnet) als auch die Lücke zwischen der Stabspitze und der Mischkammerwand (nachfolgend als "Stab-Zu-Wand-Lücke" oder "Lücke" bezeichnet) wichtig für die Scherrate. Die Scherrate für Rührstäbe ist hier definiert als die Tip-Geschwindigkeit, geteilt durch die Stab-Zu-Wand-Lücke. Für die Zwecke dieser Erfindung sollte diese variable Kombinations-Scherrate nicht mehr als etwa 6000 s^–1 betragen. Eine Scherung wird typischerweise auf den kombinierten Öl/Wasser-Phasenstrom mit einer Rate von nicht mehr als etwa 5400 s^–1 aufgebracht, noch geeigneter nicht mehr als etwa 5100 s^–1. Typischerweise wird die verwendete Scherrate von etwa 300 bis etwa 6000 s^–1, typischer von etwa 3000 bis etwa 5400 s^–1, noch typischer von etwa 3300 bis etwa 5100 s^–1 betragen. Tip-Geschwindigkeiten sollten von etwa 150 in/sec (381 cm/s) bis etwa 600 in/sec (1524 cm/s), geeigneter von etwa 150 in/sec (381 cm/s) bis etwa 500 in/sec (1270 cm/s) und noch geeigneter von etwa 200 in/sec (508 cm/s) bis etwa 400 in/sec (1016 cm/s) betragen. Eine Stab-Zu-Wand-Lücke sollte zwischen 1% und 6% des Zylinderdurchmessers, in geeigneter Weise zwischen 1% und 4% des Zylinderdurchmessers und noch geeigneter zwischen 1,5% und 4% des Zylinderdurchmessers betragen.
1. Bildung der HIPE-Emulsion
Die HIPE-Emulsion wird gebildet, indem die Ölphasenkomponenten mit den Wasserphasenkomponenten in den vorher angegebenen Gewichtsverhältnissen kombiniert werden. Die Ölphase wird die vorher spezifizierten wesentlichen Komponenten enthalten, wie beispielsweise die jeweiligen Monomere, Comonomere, Vernetzer und Emulgatoren, und kann auch optionale Komponenten enthalten, wie beispielsweise Lösungsmittel und Polymerisationsinitiatoren. Die Wasserphase, die verwendet wird, wird die vorher genannten Elektrolyten als wesentliche Komponente enthalten und kann auch optionale Komponenten, wie wasserlösliche Emulgatoren und/oder Polymerisationsinitiatoren enthalten.
Die HIPE-Emulsion kann aus den kombinierten Öl- und Wasserphasen gebildet werden, indem diese kombinierten Phasen einer Scherbewegung ausgesetzt werden. Eine Scherbewegung wird im Allgemeinen in dem Maße und für eine Zeitspanne aufgebracht, das/die notwendig ist, um eine stabile Emulsion aus der kombinierten Öl- und Wasserphase zu bilden. Ein solches Verfahren kann entweder chargenweise oder in kontinuierlicher Weise durchgeführt werden und wird im Allgemeinen unter Bedingungen ausgeführt, die zum Bilden einer Emulsion geeignet sind, in welcher die Wasserphasentröpfchen in einem solchen Maße dispergiert sind, dass der resultierende Polymerschaum das erforderliche Porenvolumen und die anderen strukturellen Eigenschaften haben wird. Eine Emulgierung der Öl- und Wasserphasenkombination wird häufig die Verwendung einer Misch- oder Rührvorrichtung, wie einen Rührstab, umfassen.
Ein geeignetes Verfahren zum Bilden von HIPE-Emulsionen, welche hier verwendet werden können, umfasst ein kontinuierliches Verfahren zum Kombinieren und Emulgieren der jeweiligen Öl- und Wasserphasen. In einem solchen Verfahren wird ein flüssiger Strom mit der Ölphase gebildet und bei geringer Rate im Bereich von etwa 0,08 bis etwa 1,5 ml/s bereit gestellt. Konkurrierend wird ein Flüssigkeitsstrom mit der Wasserphase ebenfalls gebildet und bei einer geringen Rate im Bereich von etwa 4 bis 50 ml/s bereit gestellt. Bei Fließraten innerhalb der vorstehenden Bereiche werden diese zwei Ströme dann in einer geeigneten Mischkammer oder -zone in einer solchen Weise kombiniert, dass das jeweilige Wasser-Zu-Öl-Phasengewichtsverhältnis, wie es vorher angegeben wurde, angenähert, erreicht und gehalten wird.
In der Mischkammer oder -zone werden die kombinierten Ströme im Allgemeinen einer Scherbewegung ausgesetzt, wie sei zum Beispiel durch einen Rührstab von geeigneter Konfiguration und Abmessung bereit gestellt wird. Die Aufenthaltszeiten in der Mischkammer werden häufig im Bereich von 5 bis etwa 30 Sekunden liegen. Sobald die stabile HIPE-Emulsion in flüssiger Form gebildet worden ist, kann sie aus der Mischkammer oder -zone mit einer Fließrate von etwa 5 bis etwa 52 ml/s abgezogen werden. Dieses Verfahren zum Bilden von HIPE-Emulsionen auf dem Wege eines kontinuierlichen Verfahrens ist in größerem Detail beschrieben in US Patent 5,149,720 (DesMarais et al.), veröffentlicht am 22. September 1992, welche durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Beim reduzierbaren Verringern der Koaleszenz der in der HIPE-Emulsion enthaltenen Wassertröpfchen kann man bestimmte Typen von Emulgatorsystemen in der Ölphase verwenden, insbesondere dann, wenn die HIPE-Emulsion bei Temperaturen von etwa 50°C bis etwa 100°C polymerisiert oder ausgehärtet werden soll. Diese Emulgatorsysteme umfassen eine Kombination von Sorbitanlaurat (z.B.
SPAN^® 20) und bestimmten Polyglycerol-Fettsäureestern (PGEs) als Co-Emulgatoren. Das Gewichtsverhältnis von Sorbitanlaurat zu PGE liegt gewöhnlich innerhalb eines Bereichs von etwa 10:1 bis etwa 1:10 und in geeigneter Weise im Bereich von etwa 4.1 bis 1:1.
Die PGEs, die als Co-Emulgatoren mit Sorbitanlaurat besonders nützlich sind, werden gewöhnlicherweise aus Polyglycerolen präpariert, die gekennzeichnet sind durch hohe Anteile von linearen (das heißt, azyklischen) Diglycerolen, reduzierten Anteilen von Tri- oder höheren Polyglycerolen und reduzierten Anteilen von zyklischen Diglycerolen. Geeignete Polyglycerol-Reaktionsmittel (auf Gewichtsbasis) haben gewöhnlich einen linearen Diglycerolanteil von wenigstens etwa 60% (typischerweise im Bereich von etwa 60 bis etwa 90%), einen Tri- oder höheren Polyglycerolanteil von nicht mehr als etwa 40% (typischerweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 40%) und einen zyklischen Diglycerolanteil von nicht mehr als etwa 10% (typischerweise im Bereich von 0 bis etwa 10%). In geeigneter Weise haben diese Polyglycerole einen linearen Diglycerolanteil von etwa 60 bis etwa 80%, einen Tri- oder höheren Polyglycerolanteil von etwa 20 bis etwa 40% und einen zyklischen Diglycerolanteil von nicht mehr als etwa 10%.
Die PGEs, die als Co-Emulgatoren in Sorbitanlaurat besonders nützlich sind, werden auch aus Fettsäurereaktionsmitteln präpariert, die gekennzeichnet durch Fettsäurezusammensetzungen mit höheren Anteilen von kombinierten C₁₂ und C₁₄ gesättigten Fettsäuren und reduzierten Anteilen von anderen Fettsäuren. Geeignete Fettsäure-Reaktionsmittel haben Fettsäurezusammensetzungen, in welchen der kombinierte Anteil von C₁₂ und C₁₄ gesättigter Fettsäuren wenigstens etwa 40% (typischerweise im Bereich von etwa 40 bis etwa 85%) beträgt, wobei der Anteil der C₁₆ gesättigten Fettsäuren nicht mehr als etwa 15% beträgt (typischerweise im Bereich von etwa 5 bis etwa 25%), der kombinierte Anteil von C₁₈ oder höheren gesättigten Fettsäuren nicht mehr als etwa 10% (typischerweise im Bereich von etwa 2 bis etwa 10%) beträgt, der kombinierte Anteil von C₁₀ oder niedriger Fettsäuren nicht mehr als etwa 10% (typischerweise im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 10%) beträgt, wobei der Ausgleich weiterer Fettsäuren primär C₁₈ monoungesättigte Fettsäuren ausmacht. In geeigneter Weise beträgt die Fettsäurezusammensetzung dieser Fettsäuren-Reaktionsmittel wenigstens etwa 65% kombinierter C₁₂ und C₁₄ gesättigter Fettsäuren (typischerweise im Bereich von etwa 65 bis etwa 75%), nicht mehr als etwa 15% C₁₆ gesättigter Fettsäure (typischerweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 15%) nicht mehr als etwa 4% kombinierter C₁₈ oder höher gesättigter Fettsäuren (typischerweise im Bereich von etwa 2 bis etwa 4%) und nicht als etwa 3% C₁₀ oder niedriger Fettsäuren (typischerweise im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 3%).
Die als Co-Emulgatoren mit Sorbitanlaurat nützlichen PGEs sind auch gewöhnlich gekennzeichnet dadurch, dass sie eine minimale Öl-Wasser-Grenzflächenspannung (IFT) verleihen, wobei die Ölphase in der HIPE-Emulsion enthaltene Monomere enthält und die Wasserphase Kalziumchlorid enthält. Geeignete PGE-Co-Emulgatoren verleihen gewöhnlich eine minimale Öl/Wasser-IFT von wenigstens etwa 0,06 dyne/cm, mit einem typischen Bereich von etwa 0,06 bis 1,0 dyne/cm. Besonders geeignete PGEs verleihen eine minimale Öl/Wasser-IFT von wenigstens etwa 0,09 dyne/cm, mit einem typischen Bereich von etwa 0,09 bis etwa 0,3 dyne/cm.
Als Co-Emulgatoren mit Sorbitan-Monolaurat nützliche PGEs können präpariert werden durch Verfahren, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind. Siehe zum Beispiel US Patent 3,637,774 (Babayan et al.), veröffentlicht am 25. Januar 1972 und McIntyre, "Polyglycerol Esters", J. Am. Oil Chem. Soc., Band 56, Nr. 11 (1979), Seiten 835A-840A, welche durch Bezugnahme aufgenommen sind und welche Verfahren zum Präparieren von Polyglycerolen und zum Konvertieren derselben zu PGEs beschreiben. Die PGEs werden typischerweise durch eine Esterifizierung von Polyglycerolen mit Fettsäuren präpariert. Geeignete Kombinationen von Polyglycerolen können präpariert werden durch Mischen von Polyglycerolen, die aus wirtschaftlichen Quellen erhalten werden, oder unter Verwendung bekannter Verfahren synthetisiert werden, wie beispielsweise solche, die beschrieben sind in US Patent 3,637,774. Geeignete Kombinationen von Fettsäuren können durch Mischen von Fettsäuren und/oder Gemischen von Fettsäuren, die aus wirtschaftlichen Quellen erhalten werden, präpariert werden. Beim Herstellen von PGEs, die als Co-Emulgatoren nützlich sind, beträgt das Gewichtsverhältnis von Polyglycerol zu Fettsäure gewöhnlich etwa 50:50 bis 70:30, geeignet von etwa 60:40 bis 70:30.
Typische Reaktionsbedingungen zum Präparieren geeigneter PGE-Co-Emulgatoren umfassen eine Esterifizierung von Polyglycerolen mit Fettsäuren bei Vorhandensein von 0,1 bis 0,2% Natriumhydroxid als Esterifikationskatalysator. Die Reaktion wird initiiert bei Atmosphärendruck bei etwa 210° bis 220°C unter mechanischer Rührung und Stickstoffeinblasung. Wenn die Reaktion fortschreitet, vermindern sich die freien Fettsäuren und wird das Vakuum allmählich auf etwa 8 mm Hg erhöht. Wenn der freie Fettsäurenanteil auf weniger als etwa 0,5% abnimmt, wird der Katalysator dann mit einer Phosphorsäurelösung neutralisiert und das Reaktionsgemisch schnell auf etwa 60°C abgekühlt. Das rohe Reaktionsgemisch kann dann einer Absetzung oder anderen herkömmlichen Reinigungsschritten ausgesetzt werden (z.B. um den nicht in Reaktion gebrachten Anteil von Polyglycerol zu verringern), um die gewünschten PGEs zu erhalten.
2. Polymerisation/Aushärtung der HIPE-Emulsion
Die gebildete HIPE-Emulsion wird im Allgemeinen in einem geeigneten Reaktionsgefäß, einem Behälter oder in einer Region, die polymerisiert oder ausgehärtet werden soll, gesammelt oder in diese gegossen. In einer hier vorliegenden Ausführungsform umfasst das Reaktionsgefäß eine aus Polyethylen hergestellte Wanne, aus welcher das gegebenenfalls polymerisierte/ausgehärtete feste Schaummaterial leicht zur weiteren Verarbeitung entnommen werden kann, nachdem die Polymerisierung/Aushärtung in gewünschtem Maß erfolgt ist. Es ist gewöhnlich wünschenswert, dass die Temperatur, bei welcher die HIPE-Emulsion in das Gefäß gegossen wird, in etwa gleich der Polymerisierung/Aushärtungs-Temperatur ist.
Die Polymerisation/Aushärtungsbedingungen, welchen die HIPE-Emulsion ausgesetzt sein wird, werden in Abhängigkeit von dem Monomer und anderen Zusammensetzungen der Öl- und Wasserphasenemulsion variieren, insbesondere von den verwendeten Emulgatorsystemen und dem Typ und den Mengen der verwendeten Polymerisationsinitiatoren. Häufig jedoch werden Polymerisation/Aushärtungsbedingungen die Beibehaltung der HIPE-Emulsion auf erhöhten Temperaturen über etwa 50°C und sogar über etwa 80°C für eine Zeitspanne im Bereich von etwa 1 bis etwa 48 Stunden umfassen.
Ein fülliger fester polymerer Schaum wird typischerweise erhalten, wenn die HIPE-Emulsion in einem Reaktionsgefäß, wie beispielsweise einer Wanne, polymerisiert/ausgehärtet wird. Dieser füllige polymerisierte HIPE-Schaum wird typischerweise in eine flächenartige Form geschnitten oder in Scheiben zerlegt. Flächengebilde aus polymerisiertem HIPE-Schaum sind leichter während der nachfolgenden Behandlung/Wasch- und Entwässerungsschritte zu verarbeiten sowie zu dem HIPE-Schaum für die Verwendung in absorbierenden Artikeln zu verarbeiten. Der füllige polymerisierte HIPE-Schaum wird typischerweise geschnitten/in Scheiben zerlegt, sodass eine Schnittdicke im Bereich von etwa 0,08 bis etwa 2,5 cm vorliegt. Während einer nachfolgenden Entwässerung führt dies typischerweise zu kollabierten HIPE-Schäumen mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,008 bis etwa 1,25 cm.
3. Behandlung/Waschen des HIPE-Schaumes
Der feste polymerisierte HIPE-Schaum, welcher gebildet wird, wird im Allgemeinen eine flexible, offenzellige poröse Struktur sein, deren Zellen gefüllt sind mit Material der Restwasserphase, die verwendet wurde, um die HIPE-Emulsion zu präparieren. Dieses Material der Restwasserphase, welches im Allgemeinen eine wässrige Lösung aus Elektrolyt, Rest-Emulgator und Polymerisationsinitiator sollte an dieser Stelle wenigstens teilweise aus der Schaumstruktur vor der weiteren Verarbeitung und Verwendung des Schaumes entfernt werden. Die Entfernung des ursprünglichen Wasserphasenmaterials wird üblicherweise ausgeführt, indem die Schaumstruktur komprimiert wird, um die restliche Flüssigkeit auszudrücken, und/oder indem die Schaumstruktur mit Wasser und anderen wässrigen Waschlösungen gewaschen wird. Häufig werden mehrere Komprimierungs- und Waschschritte, zum Beispiel von Z bis 4 Zyklen, verwendet.
Nachdem das ursprüngliche Wasserphasenmaterial aus der Schaumstruktur in dem benötigen Maße entfernt worden ist, kann der HIPE-Schaum, falls notwendig, behandelt werden, zum Beispiel durch ein fortgesetztes Waschen mit einer wässrigen Lösung aus einem geeigneten Hydrophilisierungsmittel und/oder hydrierbaren Salz. Hydrophilisierungsmittel und hydrierbare Salze, welche verwendet werden können, wurden vorher beschrieben und umfassen Sorbitanlaurat (z.B. SPAN^® 20) und Kalziumchlorid. Wie angemerkt, setzt sich die Behandlung der HIPE-Schaumstruktur mit der Lösung aus Hydrophilisierungsmittel/hydrierbarem Salz fort, falls notwendig, bis die gewünschte Menge des Hydrophilisierungsmittels/hydrierbarem Salz eingebaut worden ist und bis der Schaum einen gewünschten Haftspannungswert für eine gewählte Testflüssigkeit zeigt.
Die vorstehende Diskussion ist primär auf Schaummaterialen 10 gerichtet, welche dünn bleiben, bis sie von Flüssigkeiten benäßt werden. Geeignete Schaummaterialien 10 dieses Typs können gemäß einem der allgemein übertragenen US Patente Nr. 5,387,207; 5,650,222; 5,652,194; 5,741,581 und 5,744,506, hergestellt werden, wobei diese Patente hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Alternativ können die Schaummaterialien 10, die mit der vorliegenden Erfindung nützlich sind, hydrophil sein und relativ dick bleiben, das heißt, bei Benässung keine wünschenswerte Änderung der Dicke zeigen. Solche Schaummaterialien 10 sind dargestellt in den US Patenten 5,260,345; 5,268,224; 5,331,015; 5,550,167; 5,563,179; 5,571,849; 5,632,737; 5,692,939; 5,849,805; 5,763,499; 5,786,395; 5,795,921; 5,851,648 und 5,873,869, wobei diese Patente hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Alternativ kann die vorliegende Erfindung mit hydrophoben Schaummaterialien 10 verwendet werden. Hydrophobe Schaummaterialien 10 werden allgemein aufgrund ihrer thermisch isolierenden Eigenschaften verwendet. Solche Schaummaterialien 10 sind dargestellt in US Patenten 5,633,291; 5,728,743; 5,753,359 und 5,770,634, welche hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Alternativ kann die vorliegende Erfindung mit heterogenen Schaummaterialien 10 verwendet werden. Heterogene Schaummaterialien 10 sind dargestellt durch US Patent 5,817,704; 5,856,366 und 5,869,171, wobei diese Patente hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Mit Bezug auf 1 wird für das unten beschriebene Verfahren ein Kapillar-Entwässerungselement verwendet. In einer Ausführungsform kann das Kapillar-Entwässerungselement ein Filz 20 sein, wie dies im Stand der Technik zum Trocknen von Papier mit Tissuequalitäten bekannt ist. Geeignete Filze 20 haben typischerweise eine Vliesstofflage 21, die über einer Basis angeordnet ist und mit dieser verbunden ist. Die Basis liefert eine strukturelle Integrität, sodass das Filz 20 in Hochgeschwindigkeits-Vorgängen verwendet werden kann. Es wird vorgezogen, dass die Kapillargröße der Filzlage 21 kleiner ist als die Kapillaren der Schaummaterialien 10, die entwässert werden sollen. Durch eine Korrelation der Kapillargröße der Lage 21 zu der Kapillargröße des Schaummaterials 10 kann eine effiziente und effektive Entwässerung auftreten.
Eine Entwässerung erfolgt, wenn die Kapillaren des Filzes 20 erfolgreich mit den Kapillaren des Schaummaterials 10 zusammenarbeiten hinsichtlich des in dem Schaummaterial 10 enthaltenen Wassers. Nach einer Entwässerung hat das Schaummaterial 10 ein Feuchtigkeitsgehalt von 5 bis 50%, noch bevorzugter etwa 10 bis 20 Prozent. Alle Prozentangaben, die hier beschrieben werden, sind Gewichtsprozentangaben, es sei denn dass dies anders angegeben wird.
Geeignete Materialien für die Lage 21 umfassen Nylon, Polyester und vorzugsweise Wolle. Vorzugsweise hat das Filz 20 eine Flächenmasse und eine Wasserabsorptionskapazität, die groß genug sind, um das Schaummaterial 10 auf den erwünschten Feuchtigkeitsgehalt zu entwässern und dann ein solches Wasser abzustoßen, bevor ein spezieller Teil des Filzes 20 einen weiteren zu entwässernden Bereich des Schaummaterials 10 berührt. Wasser kann aus den Filzen 20 unter bekannten Techniken (nicht gezeigt) ausgedrückt werden. Geeignete Filze 20 sind im Handel erhältlich, wobei sich ein Appleton Mills Filz 20 56260 und McMaster-Carr Filze 20 8755K2 und 8877K42 für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung als geeignet heraus gestellt haben. Weitere geeignete im Handel erhältliche Filze 20 umfassen Ed Best Company Wollfilz 600, Tarnfelt Nylonfilz 2550-23 und das Scapa-Nylonfilz 20 8074-S.
Wie in 1 gezeigt ist, wird das Filz 20 in Kontakt mit einer frei liegenden Oberfläche des zu entwässernden Schaummaterials 10 gebracht. Der Entwässerungsvorgang kann herbei geführt werden, indem zwei parallele und axial drehbare Walzen 22 nebeneinander angeordnet werden, um zwischen sich einen Spalt 24 zu bilden. Das Filz 20 und das Schaummaterial 10 sind in einer seitenweisen Beziehung angeordnet und in dem Spalt 24 angeordnet. Die Walzen 22 werden mit einem Druck im Bereich von 50 bis 8.000 und vorzugsweise von 300 bis 3.000 Pfund pro linearen Inch gegeneinander belastet. Im Allgemeinen wird eine relativ höhere Last des Spalts 24 bevorzugt, solange das Schaummaterial 10 nicht reißt oder bricht.
Das Schaummaterial 10 und das Filz 20 laufen bei konstanten und äquivalenten Oberflächengeschwindigkeiten durch den Spalt 24. Die Oberflächengeschwindigkeit des Schaummaterials 10 und des Filzes 20 sind an die Oberflächengeschwindigkeit des Spaltes 24 angepasst, um ein Unterschleißen, Scheren und Reiben des Filzes 20 oder der Walzen 22 an dem Schaummaterial 10 zu minimieren, wodurch die Chancen eines Reißens oder Brechens des Schaummaterials 10 minimiert wird und eine damit verbundene Stillstandszeit. Für die hier beschriebenen Ausführungsformen haben sich Oberflächengeschwindigkeiten im Bereich von 5 bis 500 und vorzugsweise von 100 bis 250 Fuß pro Minute als geeignet heraus gestellt.
Bedarfsweise können mehrere Spalte 24 verwendet werden, um das Schaummaterial 10 weiter zu entwässern. Im Allgemeinen nimmt die Entwässerung mit der Anzahl von Spalten 24 zu, obwohl die Entwässerungsmenge typischerweise nach drei bis vier Durchgängen durch einen Spalt 24 gebremst wird, wie das unten in den Beispielen diskutiert wird.
Bedarfsweise kann eine oder können beide der Walzen 22 Vakuumwalzen 22 sein. Die Vakuumwalzen 22 können eine Saugkraft im Bereich von 3 bis 20 und vorzugsweise von 12 bis 16 Inch Mercury bereitstellen. Solche Vakuumwalzen 22 verbessern, insbesondere dann, wenn sie in Kontakt mit einer frei liegenden Oberfläche des Schaumes 10 sind, die Entwässerung. Im Allgemeinen hat der Unterdruck nur einen sekundären Effekt auf die Feuchtigkeitsabführung.
Mit Bezug auf 2 kann ein signifikanterer Effekt auf die Feuchtigkeitsabführung erreicht werden, indem zwei Filze 20, ein erstes Filz 20 und ein zweites Filz 20, die in einer Doppelfilzanordnung 20 nebeneinander angeordnet sind, bereit gestellt wird. Das erste Filz 20 und das zweite Filz 20 werden mit der ersten und entgegen gesetzten zweiten Oberfläche 14 des Schaummaterials 10 in Kontakt gebracht. Diese Anordnung sorgt für eine Anordnung als laminiertes Doppelfilz 20 mit einer zentralen Schicht eines Schaumes 10 und zwei außenseitigen Schichten eines Filzes 20. Diese laminierte Doppelfilzanordnung 20 läuft durch einen Entwässerungsspalt 24, wie dies oben beschrieben wird. Das Entwässern mit der Doppelfilzanordnung 20 ist besser gegenüber der Einzelfilzanordnung 20, weil die Feuchtigkeit gleichzeitig von beiden frei liegenden Oberflächen 14 des Schaummaterials 10 abgeführt wird.
Das erste Filz 20 und das zweite Filz 20 können identisch, ähnlich oder völlig unterschiedlich sein. Die Verwendung von unterschiedlichen Filzen 20 wird wahrscheinlich einen Feuchtigkeitsgradienten in der Z-Richtung des Schaummaterials 10 ergeben.
Ein oder mehrere Unterdruckwalzen 24 können mit der Doppelfilzanordnung 20 verwendet werden, wie dies oben für die Einzelfilzanordnung 20 beschrieben ist. Ferner können mehr Spaltanordnung 24 mit der Doppelfilzanordnung 20 verwendet werden. Der Effekt der mehreren Spalte 24 nimmt jedoch bei Verwendung einer Doppelfilzanordnung 20 schneller ab als bei der Einzelfilzanordnung 20.
Mit Bezug auf 3 ist eine Erstreckung der Mehrspaltanordnung 24 dargestellt. In 3 berührt das Filz 20 die frei liegenden Oberflächen 14 des Schaummaterials 10 mit einem länglichen Spalt für eine ausgedehnte Zeitspanne und Länge in Maschinenrichtung, wie dies durch das längliche Kontaktmuster dargestellt ist, anstatt des begrenzten spaltbreiten Kontakts 24, der in 1 und 2 dargestellt ist. Weiter mit Bezug auf 3 erlaubt der längliche Kontaktweg des länglichen Spaltes eine weitere Kapillarentwässerung des Schaummaterials 10. Für die hier beschriebenen Ausführungsformen liegen die Oberflächengeschwindigkeiten im Bereich von 5 bis 500 Fuß pro Minute und liefern eine Kontaktzeit zwischen der frei liegenden Oberfläche des Schaumes 10 und dem Filz 20 von 5 bis 500 Millisekunden.
Die Ausführungsform aus 3 liefert den Vorteil, dass ein Quellen der absorbierenden Schaummaterialien 10 bei Benässung kontrolliert werden kann, wie dies unten in den Beispielen weiter beschrieben wird. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, dass das absorbierende Schaummaterial 10, wenn es in Flächenform bereit gestellt wird, in Z-Richtung mehr quillt als in der XY-Ebene, sodass bei Benässung ein Quellungsgradient auftritt. An solcher Gradient ist wünschenswert, weil, wenn das absorbierende Schaummaterial 10 in allen Richtungen gleichmäßig quillt, in einer Prozentangabe der ursprünglichen Länge, die XY-Ebene des Schaumes 10 in seiner Größe und Geometrie unhandlich werden würde. Durch Bereitstellen eines ausgebreiteten Kontakts und einer ausgebreiteten Aufenthaltszeit während der Entwässerung entwickeln die absorbierenden Schaummaterialien 10 ein Memory, welches der Z-Richtung erlaubt, bei Benässung schneller wieder eingenommen zu werden.
Die Ausführungsform aus 3 liefert einen weiteren Vorteil, dass nämlich eine geringere XY-Schrumpfung des Schaummaterials 10 bei der Entwässerung auftritt. Zum Beispiel kann ein Schaummaterial 10, welches dünn bleibt, bis es von Flüssigkeiten benässt wird und mit einer solchen Anordnung entwässert wird, eine Schrumpfung bei Entwässerung von weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 71/2%, noch bevorzugter weniger als 5%, äußerst bevorzugt weniger als 2 1/2%, gemessen in einer Fläche in der XY-Ebene, zeigen. Diese Ergebnisse liefern einen offensichtlichen Vorteil in wirtschaftlicher Hinsicht und in der Vorsagbarkeit bei der Herstellung. Ein weiteres Detail wird unten in den Beispielen XXII-XXV und in Tabelle III geliefert.
Die XY-Schrumpfung kann ohne Weiteres gemessen werden, indem die planaren rechtwinkligen Abmessungen des Flächengebildes unter Verwendung zum Beispiel eines Handmaßstabes von Starrett oder eines anderen geeigneten Maßstabs, bestimmt werden. Die XY-Abmessungen des Flächengebildes werden gemessen vor und nach der Entwässerung. Es kann notwendig sein, diskrete Punkte zwischen welchen die Messungen in der Maschinenrichtung bei einem kontinuierlichen Entwässerungsprozess durchgeführt werden können, zu markieren oder in anderer Weise festzuhalten. Sobald die XY-Abmessungen bestimmt worden sind, ist die Schrumpfung gegeben durch: [[XY1-XY2)/(XY1)] × 100%, wobei XY₁ die Fläche vor der Entwässerung ist und XY₂ die Fläche nach der Entwässerung ist.
Mit Bezug auf 4 kann in einer alternativen Ausführungsform das Schaummaterial 10 durch eine Vorrichtung 36 mit einem Filz 20 unter Verwendung einer ausgebreiteten Spaltanordnung 24 entwässert werden, wie dies beschrieben wird durch die allgemein übertragene Patentanmeldung WO 98/55689, veröffentlicht am 10. Dezember 1998 in den Namen von Trokhan et al., deren Offenbarung hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Eine solche Vorrichtung 36 hat eine Temperaturdifferenz und eine ausgebreitete Spaltanordnung 24. In dieser Vorrichtung sind zwei Filze 22 zwischen einer erhitzten Seite 62 und einer kalten Seite 61. Die Feuchtigkeit fließt von der erhitzten Seite 62 zur kalten Seite 61, wo diese kondensiert. Diese Anordnung liefert ferner den Vorteil eines ausgebreiteten Spaltkontakts 24, wie oben beschrieben.
Mit Bezug auf 5 kann man, falls dies erwünscht ist, eine Anordnung mit mehr als dem spaltbreiten Kontakt 24 verwenden, der von den Anordnungen in den 1–2 bereit gestellt wird, aber einen geringeren Kontakt, als denjenigen, der durch die Anordnungen der 3–4 bereit gestellt wird. In einer solchen Anordnung kann eine ausgebreitete Spaltpresse 32 verwendet werden. Eine ausgebreitete Spaltpresse 32 nutzt eine Vorrichtung mit zusammen passenden konvexen und konkaven Oberflächen 33, 34. Diese Geometrie liefert einen Kontaktweg und somit eine Aufenthaltszeit über einen Kreisabschnitt der Walze 22, was als Schuhpresse bekannt ist. Eine geeignete Anordnung, die eine ausgebreitete Spaltpresse 32 in Verbindung mit einem Filz 20 mit einem Rahmenwerk 40 verwendet, ist dargestellt im allgemein übertragenen US Patent Nr. 5,795,440, veröffentlicht am 18. August 1998 für Ampulski et al., deren Offenbarung hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Mit Bezug auf 6 kann die Oberfläche 14 des Schaummaterials 10, nach der Aushärtung durch die Textur des Filzes 20 beeinflusst werden. Falls ein Schaummaterial 10 mit einer relativ glatten Oberflächen erwünscht ist, sind die vorerwähnten Einzel- und Doppelfilzanordnungen 20 geeignet und kann ein herkömmliches Filz 20 verwendet werden. Jedoch muss nicht immer einer relativ glatte Oberfläche 14 für das Schaummaterial 10 erwünscht sein. Eine texturierte Oberfläche 14 kann in bestimmten Situationen wünschenswert sein.
Zum Beispiel kann das Schaummaterial 10 mit Rippen oder einer Gelenklinie versehen sein. Die Gelenklinie des Schaummaterials 10 liefert eine kontrollierte Aufwölbung oder Verformung an vorbestimmten Stellen. Eine solche Anordnung kann besonders nützlich sein, wenn das Schaummaterial 10 als Kern eines absorbierenden Artikels verwendet werden soll und sich eine Verformung unter einem beaufschlagten Druck durch den Träger unterzieht.
Alternativ kann ein Schaummaterial 10 mit einem kontinuierlichen Netzwerk einer relativ größeren Dicke und diskreten Taschen oder Blindlöchern von geringerer Dicke innerhalb des kontinuierlichen Netzwerks wünschenswert sein. Die diskreten Taschen können ein Volumen zum Einfangen, Immobilisieren und sogar zum Entwässern von Stuhlmaterial bereit stellen, falls das Schaummaterial 10 als ein Windelkern verwendet wird. Alternativ kann das Schaummaterial 10 mit diskreten Regionen von größerer Dicke und mit einem kontinuierlichen Netzwerk relativ geringerer Dicke versehen sein. Alternativ kann irgendein gewünschtes Muster mit mehreren Dicken in der Textur verwendet werden.
Bedarfsweise können beide Oberflächen 14 des Schaummaterials 10 mit einer Textur versehen sein. Der Fachmann wird erkennen, dass, wenn zwei frei liegende Oberflächen 14 des Schaummaterials 10 mit einer Textur versehen sind, die Texturen auf jeder frei liegenden Oberfläche 14 gleich oder alternativ unterschiedlich sein können – abhängig von der gewünschten Anwendung.
Eine Textur auf der ersten, der zweiten oder der ersten und der zweiten frei liegenden Oberfläche 14 des Schaumes 10 kann wie folgt vorgesehen sein. Das Filz 20 kann ein Rahmenwerk 40 haben, das sich von der Lage 21 nach außen erstreckt. Das Rahmenwerk 40 kann ein lichtempfindliches Harz umfassen, welches das gewünschte Muster aufweist. Das gewünschte Muster kann ein kontinuierliches, halb kontinuierliches, diskretes oder irgendein anderes Muster sein, das vom Fachmann in Betracht gezogen wird. Das Rahmenwerk 40 steht von der Lage 21 des Filzes 20 nach außen vor und verschiebt ungehärtetes Schaummaterial 10. Die Regionen des Schaummaterials 10, welche die Lage 21 des Filzes 20 berühren, werden wie oben beschrieben entwässert. Die Regionen des Schaummaterials 10, welche das Rahmenwerk 40 berühren, können in sich das eingedruckte Muster aufweisen. Filze 20 mit einem Rahmenwerk 40, die mit der vorliegenden Erfindung dahin gehend nützlich sind, eine Textur in der Oberfläche 14 des Schaummaterials 10 bereit zu stellen, werden beschrieben durch die allgemein übertragenen US Patent Nr. 5,549,790, veröffentlicht am 27. August 1996 für Phan; 5,556,509, veröffentlicht am 17. September 1996 für Trokhan et al.; 5,580,423, veröffentlicht am 03. Dezember 1996 für Ampulski et al.; 5,609,725, veröffentlicht am 11. März 1997 für Phan; 5,629,052, veröffentlicht am 13. Mai 1997 für Trokhan et al.; 5,637,194, veröffentlicht am 10. Juni 1997 für Ampulski et al.; 5,674,663, veröffentlicht am 07. Oktober 1997 für McFarland et al.; 5,693,187, veröffentlicht am 02. Dezember 1997 für Ampulski et al.; 5,709,775, veröffentlicht am 20. Januar 1998 für Trokhan et al.; 5,776,307, veröffentlicht am 07. Juli 1998 für Ampulski et al; 5,795,440, veröffentlicht am 18. August 1998 für Ampulski et al.; 5,814,190, veröffentlicht am 29. September 1998 für Phan; 5,817,377, veröffentlicht am 06. Oktober 1998 für Trokhan et al.; 5,846,379, veröffentlicht am 08. Dezember 1998 für Ampulski et al.; 5,855,739, veröffentlicht am 05. Januar 1999 für Ampulski et al. und 5,861,082, veröffentlicht am 19. Januar für Ampulski et al., wobei deren Offenbarungen durch Bezugnahme hier mit aufgenommen sind.
Es ist klar, dass beim Absorbieren von Wasser die Textur in dem Schaummaterial 10 verschwinden wird und das Schaummaterial 10 in seine ursprüngliche Geometrie vor Aushärtung zurück kehren wird. Deshalb werden bei Absorption von Flüssigkeiten die Gelenklinien, das kontinuierliche Netzwerk oder andere Oberflächentopographien verschwinden.
Mit Bezug auf 7 muss das Kapillar-Entwässerungselement überhaupt kein Filz 20 sein. In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Kapillar-Entwässerungselement eine Walze 22 sein, die eine Abdeckung 23 mit einem Kapillarmedium aufweist. Das Kapillarmedium kann Kapillarporen haben, welche Wasser aus dem Schaummaterial 10 durch Kapillarsaugung abführen. Die Walze 22 kann einen Unterdruck haben, welcher geringer ist als der Durchschlagdruck der Kapillarporen, wie dies dargestellt ist im allgemein übertragenen US Patent Nr. 4,556,450, veröffentlicht am 03. Dezember 1985 für Chuang et al., dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Beim Betrieb wird die erste frei liegende Oberfläche 14 des Schaummaterials 10 in Kontakt mit der Kapillar-Entwässerungswalze 22 gebracht. Das Schaummaterial 10 kann mit der Kapillar-Entwässerungswalze über einen ausgedehnten Kreisabschnitt im Bereich von etwa 20 Grad bis etwa 310 Grad in Kontakt bleiben.
Bedarfsweise kann das Kapillar-Entwässerungselement eine Begrenzungsöffnung für einen Luftstrom durch den Schaum 10 und das Trocknungselement hindurch bereit stellen. Die Begrenzungsöffnung kann als eine Walzenabdeckung 23 ausgeführt sein, wie sie oben beschrieben wurde. Eine geeignete Begrenzungsöffnungs-Walzenabdeckung 23 ist ein Laminat mit einem Mikroporenmedium.
Die Abdeckung 23 umfasst eine Mehrzahl von Schichten, mit jeweils aufeinander folgend abnehmender Porengröße. Die Schicht mit den kleinsten Poren ist in Kontakt mit der frei liegenden Oberfläche des Schaummaterials 10 angeordnet. Die Schichten mit größeren Poren sind nacheinander weg vom zu entwässernden Schaummaterial 10 angeordnet und verleihen dem Laminat eine strukturelle Steifigkeit. Bedarfsweise kann ein solches Mikroporenmedium mit mehreren Zonen versehen sein, einer ersten Zone mit einem Kapillar-Entwässerungsabschnitt, der auf weniger als einem Durchschlagvakuum gehalten wird, wie dies oben beschrieben wurde, und ein oder mehreren aufeinander folgenden Zonen, in welchen das Vakuum größer ist als der Durchschlagdruck. Geeignete Kapillar-Trocknungselement mit Begrenzungsöffnung sind dargestellt in den allgemein übertragenen US Patenten Nr. 5,274,930, veröffentlicht am 04. Januar 1994 für Ensign et al.; 5,437,107, veröffentlicht am 01. August 1995 für Ensign et al.; 5,539,996, veröffentlicht am 30. Juli 1996 für Ensign et al.; 5,581,906, veröffentlicht am 10. Dezember 1996 für Ensign et al.; 5,584,126, veröffentlicht am 17. Dezember 1996 für Ensign et al; 5,584,128, veröffentlicht am 17. Dezember 1996 für Ensign et al. und 5,625,961, veröffentlicht am 06. Mai 1997 für Ensign et al., deren Offenbarungen hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Noch einmal mit Bezugnahme auf die 1–2 sollte klar sein, dass verschiedene weitere Kapillar-Entwässerungselemente für die Walze 22 verwendet werden können. Zum Beispiel können feste Walzen 22 überdeckt sein, sodass ein Filzumfang 20 bereit gestellt wird, wie dies oben beschrieben ist. Das Filz 20 kann ein herkömmliches Filz 20 oder ein Filz 20 mit einem Rahmenwerk 40 darauf sein. Natürlich können ein oder beide der Walzen 22 mit einem solchen Filz 20 bzw. einer solchen Abdeckung 23 versehen sein. Der Fachmann wird erkennen, dass eine Kombination von Walzen 22, eine mit einem herkömmlichen Filz 20 und eine mit einem 20 mit einem Rahmenwerk 40 darauf, verwendet werden kann sowie zwei ähnliche oder identische Walzen 22. Ferner ist es nicht notwendig, dass beide Walzen 22 eine Kapillar-Entwässerungsfähigkeit haben.
In noch einer weiteren Alternative können die eine oder mehreren Walzen 22 mit dem Kapillar-Entwässerungselement einstückig ausgebildet sein. Zum Beispiel könnten die eine oder mehreren gesamten Walzen 22 aus einem Filz 20 konstruiert sein, nur mit Ausnahme einer Welle aus einem festen und steifen Material, was notwendig ist, um die Drehung der einen oder mehreren Walzen 22 zu übertragen.
Bedarfsweise könnte das gehärtete Schaummaterial 10 vorgekürzt sein. Ein Vorkürzen des Schaummaterials 10 könnte den Vorteil einer Energieabsorption liefern, insbesondere dann, wenn das Schaummaterial 10 sich einer Spannung in der Maschinenrichtung unterzieht. Eine Vorkürzung kann durch Kreppen herbei geführt werden. Während des Kreppens wird das Schaummaterial 10 an einer steifen Oberfläche angehaftet, wie beispielsweise an einer der Walzen 22, die oben beschrieben wurde. Eine Abstreichklinge, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, wird verwendet, um das Schaummaterial 10 abrupt von der steifen Oberfläche im Kreppverfahren zu entfernen. Das Kreppen kann herbei geführt werden gemäß dem übertragenen US Patent Nr. 4,919,756, veröffentlicht am 24. April 1992 für Sawdai, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Alternativ kann das Vorkürzen herbei geführt werden, indem das Schaummaterial 10 von einer ersten sich bewegenden Oberfläche zu einer anderen, sich langsamer bewegenden Oberfläche übertragen wird. Die Übertragung des Schaummaterials 10 von einer sich bewegenden Oberfläche zu einer zweiten sich bewegenden Oberfläche mit einer geringeren Oberflächengeschwindigkeit verursacht eine Vorkürzung des Schaummaterials 10. Das Vorkürzen in dieser Weise kann herbei geführt werden, wie dies beschrieben ist im allgemein übertragenen US Patent Nr. 4,440,597, veröffentlicht am 03. April 1984 für Wells et al., dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Natürlich wird ähnlich wie bei dem oben angegebenen Oberflächen-Textureffekt ein vorgekürztes Schaummaterial 10 beim Absorbieren von Wasser oder anderen Flüssigkeiten zu seiner ursprünglichen Geometrie zurückkehren. So würde eine Vorkürzen nur ein temporäres Phänomen sein und nur solange anhalten, wie das Schaummaterial 10 sich in einem trockenen Zustand befindet.
Das Schaummaterial 10 kann aus einem einstückigen Flächengebilde zusammengesetzt sein, welches als eine einheitliche Struktur geformt ist, wie dies oben beschrieben wurde. Alternativ kann das Schaummaterial 10 aus einzelnen Teilchen zusammengesetzt sein. Solches Schaummaterial 10 kann in Form von Einzelteilchen auf ein Formungssieb gelegt werden. Die Teilchen können eine Größe im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 10 mm haben. Die Teilchen werden dann auf das Filz 20 übertragen und komprimiert, wobei die Teilchen des Schaummaterials 10 durch Kapillarkräfte zusammen gehalten werden.
Bedarfsweise können mehrere Flächengebilde aus Schaummaterial 10 für eine gleichzeitige und parallele Entwässerung übereinander gestapelt werden. Diese Anordnung liefert den Vorteil, dass mehrere Flächengebilde gleichzeitig entwässert werden können, ohne dass zur Steigerung des Durchsatzes zusätzliche Linien benötigt werden. Die Anordnung mit einer Mehrzahl von gestapelten Lagen des Schaummaterials 10 kann einen Gradienten in der finalen Feuchtigkeitsverteilung zwischen den Flächengebilden im Zentrum des Stapels und den äußersten Flächengebilden, welche das Filz 20 berühren, erzeugen. So würde eine solche Anordnung mit Schaummaterialien mit einer relativ hohen Flüssigkeitsdurchlässigkeit besser arbeiten.
Weitere Materialien könnten für das Kapillar-Entwässerungselement 20 verwendet werden. Zum Beispiel könnte das Kapillar-Entwässerungselement 20 aus Zellulose hergestellt werden. Das zelluloseartige Kapillar-Entwässerungselement 20 kann verstärkt werden und eine laminierte Konstruktion aufweisen. Gewebelagen des Laminats, wie sie in der Bandherstellungstechnik bekannt sind, könnten vorgesehen sein. Das zelluloseartige Kapillar-Entwässerungselement 20 wird aus Festigkeitsgründen auf die Gewebelagen abgelegt. Diese Anordnung liefert den Vorteil, dass das Kapillar-Entwässerungselement 20 deponierbar ist. Ein neues Kapillar-Entwässerungselement 20, das so zugeschnitten ist, dass es verschiedene Eigenschaften hat, könnte in der laminierten Konstruktion bedarfsweise übereinander gelegt werden.
Verschiedene Ausführungsformen und/oder Einzelmerkmale sind hier offenbart. Alle Kombinationen solcher Ausführungsformen und Merkmale sind möglich und können zu bevorzugten Ausführungen dieser Erfindung führen.
BEISPIELE
Beispiele I-VI
Mit Bezug auf 8 wurden sechs Proben gefahren, um die Effekte der Durchgangszahlen durch die ein oder mehreren Entwässerungsspalte 24 an drei unterschiedlichen Typen eines absorbierenden Schaummaterials 10 zu testen.
Beispiel I-II wurden an einem absorbierenden Schaummaterial 10 mit einem anfänglichen Wasser-Zu-Öl-Verhältnis von 45:1 gefahren.
Beispiele III-IV wurden an einem absorbierenden Schaummaterial 10 mit einem anfänglichen Wasser-Zu-Öl-Verhältnis von 30:1 gefahren.
Beispiele V-VI wurden an einem absorbierenden Schaummaterial 10 mit einem anfänglichen Wasser-Zu-Öl-Verhältnis von 16:1 gefahren.
Beispiele I, III und V verwendeten das vorerwähnte Nylonfilz 10. Beispiele II, IV und VI verwendeten das vorerwähnte Wollfilz 20.
Jedes der Beispiele I-VI liefen bei einem Druck im Spalt 24 von 1600 pli, einer Geschwindigkeit von 100 ft./min und einem Entwässerungsvakuum von 3 in. Hg. 8 zeigt, dass für jedes der drei Probenpaare des absorbierenden Schaummaterials 10 das Wollfilz 20 eine bessere Entwässerung als das Nylonfilz 20 lieferte.
8 zeigt auch, dass die Entwässerung (das heißt, die Feuchtigkeitsabnahmen) mit dem ersten Durchgang durch den Spalt 24 zunahmen und für das Schaummaterial 10 der Beispiele I-II mit den zweiten bis dritten Durchgängen zunahmen. Im Allgemeinen zeigen die Beispiele III-VI aber, dass die zweiten bis sechsten Durchgänge durch die Entwässerungsspalte 24 nur einen geringen, falls überhaupt einen Effekt auf die Entwässerung dieser Schaummaterialien 10 ausübten. So scheint es, dass der Entwässerungsvorteil von mehreren Spalten 24 abhängt von dem spezifischen Schaummaterial 10, das in Betracht kommt.
Beispiele VII-XII
Mit Bezug auf 9 untersuchen die Beispiele VII-XII den Effekt der Anzahl der Durchgänge auf die Entwässerung ausgehend von zwei unterschiedlichen Anfangsfeuchtigkeitswerten. Die Beispiele VII-IX hatten einen anfänglichen Feuchtigkeitswert von 97%. Die Beispiele X-XII hatten einen anfänglichen Feuchtigkeitswert von 69%. Jedes der Beispiele VII-XII verwendete das Schaummaterial 10 der Beispiele I-II bei einer Geschwindigkeit von 20 ft./min., einer Kompression von 240 pli und einem Vakuumdruck von 12,5 in. Hg unter Verwendung eines Nylonfilzes 20. Die Beispiele VII-IX verwendeten eine Kontrolle ohne Filz im Spalt 24, einen Einzelfilz bzw. Doppelfilze 20. Die Beispiele IX-XII verwendeten eine Kontrolle, einen Einzelfilz 20 bzw. eine Doppelfilzanordnung 20.
Die Beispiele VII-IX zeigen, dass bei Verwendung selbst nur eines Einzelfilzes 20 bei einer Last von 240 pli am Spalt 24 zu geringeren Feuchtigkeitswerten als bei der Kontrolle führt und dass Doppelfilze 20 Einzelfilze 20 überbieten. Ferner nimmt die Feuchtigkeitsabführung bei einem Spalt 24 und einer Last von 240 pli mit jedem aufeinander folgenden Durchgang durch den Spalt 24 zu. Diese Ergebnisse unterscheiden sich von denjenigen der obigen Beispiele I-IV.
Ohne durch Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass der Unterschied in der Feuchtigkeitsabführung bei aufeinander folgenden Spalten 24 in den Beispielen VII-XII auftritt wegen der geringeren Last (240 pli) von Spalt 24 als sie in den Beispielen I-VI (1600 pli) verwendet wurde. So scheint der Entwässerungseffekt bei mehreren Durchgängen durch einen Spalt 24 in einer umgekehrten Beziehung zu den Kompressionslastkräften des Spalts 24 zu stehen.
Beispiele XIII-XV
Mit Bezug auf 10 zeigen die Beispiele XIII-XV den Effekt der Last am Spalt 24 für einen einzelnen Spalt 24 bei drei unterschiedlichen Anlagengeschwindigkeiten. Beispiel II hatte eine Anlagengeschwindigkeit von 20 ft./min, Beispiel XIV hatte eine Anlagengeschwindigkeit von 50 ft./min. Beispiel XV hatte eine Anlagengeschwindigkeit von 100 ft./min. Beispiele XII-XV verwendeten das Schaummaterial 10 der Beispiele I-II und VII-XII bei einem anfänglichen Feuchtigkeitsgrad von 97%, eine Anordnung eines doppelten Wollfilzes 20 und einen Vakuumdruck von 3 in. Hg.
10 zeigt, dass der Effekt der Geschwindigkeit auf die Wasserabführung vernachlässigbar ist über den Bereich von 300-1600 pli bei Geschwindigkeiten von 50 und 100 ft./min. Für Kompressionslasten von weniger als 800 pli ergibt eine Geschwindigkeit von 20 ft/min geringere Feuchtigkeitswerte als bei Geschwindigkeiten von 50 und 100 ft./min. Feuchtigkeitswerte bei Kompressionslasten von größer als etwa 800 pli sind im Wesentlichen äquivalent und somit unabhängig von der Geschwindigkeit.
Ohne durch Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die Konvergenz der Entwässerungskurven bei größeren Lasten am Spalt 24 auftritt, weil die Fließwege in den Kapillaren des absorbierenden Schaummaterials 10 kurvenreich werden. Bei geringeren Lasten am Spalt 24 ist die längere Aufenthaltszeit bei einer Geschwindigkeit von 20 ft./min nicht groß genug, um eine größere Wasserabführung zu verursachen.
Beispiele XVI-XVIII
Die Beispiele XVI-XVIII testeten Feuchtigkeitswerte bei einem Einzeldurchgang für drei absorbierende Schaummaterialien 10, wie oben in den Beispielen I-II, III-IV bzw. V-VI beschrieben wurden, unter Verwendung der drei unterschiedlichen Filze 20.
Die Beispiele XVI-XVIII liefen bei einer Geschwindigkeit von 20 ft./min durch einen einzelnen Spalt 24, der bei 300 pli belastet war, unter Verwendung eines Vakuums von 16 in. Hg. Die Daten sind in Tabelle I zusammengefasst. TABELLE I
Tabelle I verifiziert, dass das Wollfilz 20 die Nylon- und Polyesterfilze 20 für jedes der drei Schaummaterialien 10 übertrifft. Die Polyester- und Nylonfilze 20 zeigten eine allgemein äquivalente Leistung hinsichtlich des Schaummaterials 10 der Beispiele XVI und XVIII. Im Beispiel XVII übertraf das Nylonfilz 20 das Polyesterfilz 20. Für die Anordnung des Doppelfilzes 20 lieferten alle Beispiele XVI-XVIII geringere Feuchtigkeitsgehalte als das Einzelfilz 20.
Beispiele XIX-XXI
Mit Bezug auf Tabelle 2 wurde das Schaummaterial 10 der Beispiele I-II, VII-XII und XII-XV in Anordnungen eines Einzel- und Doppel-Nylonfilzes 20 getestet, um den Effekt der Anzahl der Durchgänge auf die Dicke in Z-Richtung zu bestimmen. Ein Druck im Spalt 24 von 240 pli wurde verwendet mit einem Vakuum von 16 in. Hg bei einer Geschwindigkeit von 20 ft./min. Die Anfangsdicke betrug 0,185 Inch.
Für jedes der Beispiele XIX-XXI mit der Anordnung eines Einzelfilzes 20 reduzierte Die Kontrolle (ohne Filz 20) die Dicke signifikant. Die Differenz in der Dickenreduktion zwischen ein und drei Durchgängen durch die Spalte 24 wurde nicht als signifikant ermittelt. Noch trat eine signifikante weitere Reduktion der Dicke bei sechs Durchgängen durch den Spalt 24 auf.
TABELLE II
Beispiele XXII-XXV.
Die Beispiele XXII-XXV testen die Effekt der Entwässerung auf eine Schrumpfung in der X-Y-Ebene. Beispiele XII-XXV verwendeten das gleiche Schaummaterial 10, wie in den Beispiele I-II, VII-XII, XII-XV und XIX-XXI bei einem anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt von 97% und einem Vakuumdruck von 3 in. Hg und unter Verwendung einer Anordnung mit einem Doppel-Wollfilz 20. Vier Zustände wurden unter Verwendung eines Druckes im Spalt 14 von 300 und 1600 pli und von Geschwindigkeiten von 20 und 100 ft./min gefahren.
Tabelle III zeigt, dass bei einer konstanten Last am Spalt 24 eine Zunahme der Geschwindigkeit zu einer gesteigerten Schrumpfung führt. Ohne durch Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die größere Aufenthaltszeit im Spalt 24 bei relativ langsamerer Geschwindigkeit von 20 ft./min das Schaummaterial 10 dazu veranlasst, mehr eingespannt zu sein, sodass eine geringere Schrumpfung auftritt. Der Effekt der Last auf den Spalt 24 scheint weniger signifikant zu sein als derjenige der Geschwindigkeit. Eine höhere Kompressionslast korreliert leicht mit einer geringeren Schrumpfung. TABELLE III
Figurenbeschreibung
8

Moisture Level, wt.% – Feuchtigkeitsgehalt, Gew.-%
Number of Passes – Anzahl von Durchgängen
Examplel/Nylon felt – Beispiel 1/Nylonfilz
Example 2/Wool felt – Beispiel 2/Wollfilz
Example 3/Nylon felt – Beispiel 3/Nylonfilz
Example 4/Wool felt – Beispiel 4/Wollfilz
Example 5/Nylon felt – Beispiel 5/Nylonfilz
Example 6/Wool felt – Beispiel 6/Wollfilz

9

Moisture Level, wt.% – Feuchtigkeitsgehalt, Gew.-%
Number of Passes – Anzahl von Durchgängen
Example 7/Control – Beispiel 7/Kontrolle
Example 8/Single felt – Beispiel 8/Einzelfilz
Example 9/Double felt – Beispiel 9/Doppelfilz
Example 10/Control – Beispiel 10/Kontrolle
Example 11/Single felt – Beispiel 11/Einzelfilz
Example 12/Double felt – Beispiel 12/Doppelfilz

10

Moisture Level, wt.% – Feuchtigkeitsgehalt, Gew.-%
Compression Load, pli – Kompressionslast, pli
Example 13/20 fpm – Beispiel 13 /20 fpm
Example 14/50 fpm – Beispiel 14/50 fpm
Example 15/100 fpm – Beispiel 15/100 fpm

Claims

Verfahren zur Entfernung von Feuchtigkeit aus einem Schaummaterial durch Bereitstellen eines Schaummaterials, wobei das Schaummaterial mindestens eine freie Oberfläche, Kapillaren und darin enthaltene Feuchtigkeit aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Entwässerungs-Elements; und Bringen des Entwässerungs-Elements in Kontakt mit der freien Oberfläche des Schaummaterials, wodurch die Feuchtigkeit aus dem Schaummaterial entfernt werden kann; dadurch gekennzeichnet, dass das Entwässerungs-Element ein Kapillar-Entwässerungs-Element ist.
Verfahren zur Entfernung von Feuchtigkeit aus einem Schaummaterial gemäß Anspruch 1, durch Bereitstellen eines Schaummaterials mit einer ersten gegenüberliegenden Oberfläche, die eine XY-Ebene definiert, und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche, die zu dieser parallel ist, wobei das Schaummaterial Kapillaren mit darin enthaltener Feuchtigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines länglichen Spalts, wobei der längliche Spalt erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen aufweist, die benachbart zueinander angeordnet sind, um den länglichen Spalt zwischen diesen zu bilden; wobei das Kapillar-Entwässerungs-Element aus der ersten und/oder zweiten gegenüberliegenden Oberfläche besteht; Einbringen des Schaummaterials in den länglichen Spalt; und Entfernen des Schaummaterials aus dem länglichen Spalt, in welchem Feuchtigkeit aus dem Schaummaterial entfernt wird und das Schaummaterial eine Schrumpfung in der XY-Ebene von weniger als 10 % hervorbringt.
Verfahren zur Entfernung von Feuchtigkeit aus einem Schaummaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen des Kapillar-Entwässerungs-Elements in Form einer axial rotierbaren Walze, wobei das Kapillar-Entwässerungs-Element peripherisch angeordnete Kapillarporen aufweist, die durch dieses verlaufen, wobei Feuchtigkeit, die mit der Peripherie der Walze in Verbindung steht, in die Kapillarporen eintreten kann; und Anordnen des Schaummaterials auf der Peripherie des Kapillar-Entwässerungs-Elements.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens eines Kapillar-Entwässerungs-Elements ein Bereitstellen eines endlosen Filzes umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bringen des Kapillar-Entwässerungs-Elements in Kontakt mit der freien Oberfläche des Schaums umfasst ein Bereitstellen zweier axial rotierbarer Walzen; benachbartes Anordnen der Walzen, um einen Spalt zwischen diesen zu bilden; Bereitstellen eines endlosen Filzes für das Kapillar-Entwässerungs-Element; Platzieren des Kapillar-Entwässerungs-Elements und des Schaumstoffmaterials in gegenüberliegender Beziehung; Einbringen des Kapillar-Entwässerungs-Elements und des Filzes in den Spalt, der durch die zwei Walzen gebildet ist; und Bewegen des Kapillar-Entwässerungs-Elements und des Schaummaterials relativ zu den Walzen.
Verfahren gemäß Anspruch 5, ferner umfassend die Schritte des Bereitstellens eines zweiten endlosen Filzes, so dass ein erster endloser und ein zweiter endloser Filz vorliegen; Anordnen des ersten endlosen Filzes benachbart zu der ersten freien Oberfläche des Schaummaterials; Anordnen des zweiten endlosen Filzes benachbart zu der zweiten freien Oberfläche des Schaummaterials, um dadurch ein Laminat zu bilden; und Einbringen des Laminats in den Spalt, wodurch Wasser von der ersten freien Oberfläche und der zweiten freien Oberfläche des Schaummaterials in den ersten Filz beziehungsweise in den zweiten Filz überführt werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens der Walze mit peripheren Kapillaren ein Halten der peripheren Kapillaren unter einem Unterdruck umfasst, der kleiner als der Durchbruchdruck der Kapillaren ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei ungleichen Filze in gegenüberliegender Beziehung angeordnet sind, um einen länglichen Spalt bereitzustellen, wobei das Schaummaterial in den länglichen Spalt bringbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrumpfung in der XY-Ebene kleiner als 5% ist.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 4, 5, 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens des Kapillar-Entwässerungs-Elements ein Bereitstellen eines Filzes umfasst, der eine Wattierung und ein sich außerhalb der Wattierung erstreckendes Rahmenwerk umfasst.