DE60019944T2

DE60019944T2 - Elektrospinnverfahren zur Herstellung von Stärkefilamenten für flexible Strukturen

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Publication number: DE60019944T2
Application number: DE60019944T
Authority: DE
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: AU7221900A; ZA200007425B; EP1217107A1; NZ508818A; RU2201945C2; ATE294882T1; CA2329289A1; EP1217107B1; CA2329289C; ES2241543T3; CZ20004785A3; DE60019944D1; NO20006375D0; JP2002201531A; NO20006375L; SG93288A1; SK19632000A3; AU760124B2; JP3598313B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft flexible Strukturen, die Stärkefilamente aufweisen, und betrifft speziell flexible Strukturen mit unterschiedlichen Bereichen.
Hintergrund der Erfindung
Faserstoffbahnen aus Cellulose wie beispielsweise Papier sind auf dem Gebiet gut bekannt. Faserstoffbahnen geringer Dichte werden heute üblicherwiese für Papierhandtücher, Toilettenpapier, Taschentücher, Servietten, Feuchttücher und dergleichen verwendet. Die große Nachfrage nach derartigen Papiererzeugnissen hat eine Nachfrage nach verbesserten Versionen der Erzeugnisse und der Verfahren zu ihrer Herstellung geschaffen. Um diesen Anforderungen zu genügen müssen die Papierhersteller die Kosten für Maschinen und Rohstoffe mit den Gesamtkosten für die Bereitstellung der Erzeugnisse an den Verbraucher ausbalancieren.
Bei den konventionellen Verfahrensschritten der Papiererzeugung werden Holzcellulosefasern zur Erlangung eines Grades der Faserstoff-Wasseraufnahme aufgeschlossen, zerfasert oder verfeinert, um einen wässrigen Faserbrei zu erzeugen. Die Verfahren zur Erzeugung von Papiererzeugnissen zur Verwendung in Papiertaschentüchern, Handtüchern und Sanitärprodukten umfassen im Allgemeinen die Herstellung einer wässrigen Aufschlämmung und das anschließende Entfernen des Wassers aus der Aufschlämmung, während die Fasern darin unter Erzeugung einer Papierfaserstoffbahn gleichzeitig umgeordnet werden. Nach dem Entwässern wird die Bahn zu einer trockenen Rolle oder Bogenform verarbeitet und möglicherweise in eine Verbraucherabpackung überführt. Um den Entwässerungsprozess zu unterstützen müssen zahlreiche Arten von Maschinen eingesetzt werden, und die Veredlungsarbeiten erfordern einen erheblichen Investitionsaufwand.
Ein anderer Aspekt des konventionellen Betriebs der Papiererzeugung umfasst die Einbeziehung von Additiven in den Faserbrei, um spezielle Endeigenschaften zu erzielen. Beispielsweise werden oftmals in der Papiererzeugung Additive eingesetzt, wie beispielsweise verfestigende Harze, Tenside zum Klebfreimachen, weichmachende Mittel, Pigmente, Latizes, synthetische Mikrokügelchen, Feuerhemmmittel, Farbstoffe, Parfüme, usw. Die wirksame Retention dieser Additive auf der Nasspartie eines Prozesses zur Papiererzeugung stellt für den Hersteller eine Schwierigkeit dar, da dieser Teil, der nicht festgehalten wird, nicht nur einen wirtschaftlichen Verlust erzeugt, sondern auch erhebliche Verschmutzungsprobleme, wenn er Bestandteil der Anlagenabgänge wird. Additive können der Papierbahn auch nach der Entwässerung mit Hilfe von Streich- oder Sättigungsprozessen hinzugefügt werden, wie sie allgemein auf dem Fachgebiet bekannt sind. Diese Prozesse erfordern in der Regel, dass überschüssige Wärmeenergie zum Nachtrocknen des Papiers nach dem Streichen verbraucht wird. Darüber hinaus machen diese Streichsysteme in vielen Fällen erforderlich, dass sie auf Lösemittelbasis gestellt werden, wodurch die Investitionskosten erhöht werden und die Rückgewinnung flüchtiger Materialien erforderlich wird, um den gesetzlichen Bestimmungen zu genügen.
In der Papiererzeugung sind zahlreiche Naturfasern anderer Herkunft als von der Cellulose sowie eine Vielzahl von Synthesefasern zum Einsatz gelangt, wobei alle diese Ersatzstoffe jedoch keinen kommerziell akzeptablen Ersatz für Cellulose gewährt haben, was auf ihre hohen Kosten, geringe Klebeigenschaften, chemische Inkompatibilitäten und Schwierigkeiten bei der Handhabung in den fertigen Systemen zurückzuführen ist. Stärkefilamente sind als Ersatz für Cellulose unter verschiedenen Aspekten des Papiererzeugungsprozesses vorgeschlagen worden, jedoch sind kommerzielle Versuche zur Verwendung derartiger Stärkefilamente erfolglos geblieben. Als Ergebnis werden Papiererzeugnisse immer noch überwiegend ausschließlich aus Cellulosebestandteilen auf Holzbasis hergestellt.
Dementsprechend gewährt die vorliegende Erfindung eine flexible, Stärkefilamente aufweisende Struktur sowie ein Verfahren zur Erzeugung derselben, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen einer Stärkezusammensetzung, aufweisend 10% bis 80 Gew.% modifizierte, aufgeschlossene Stärke und 20% bis 90 Gew.% eines Additivs, worin die Stärke eine massegemittelte relative Molekülmasse von 1.000 bis 2.000.000 hat und worin die Stärkezusammensetzung eine Dehnviskosität von 50 Pa·s bis 20.000 Pa·s hat und eine logarithmische Kapillaritätszahl von mindestens 0,05; und
(b) Elektrospinnen der Stärkezusammensetzung, wodurch die Stärkefilamente mit einer Größe von 0,001 dtex bis 135 dtex erzeugt werden.

Speziell gewährt die vorliegende Erfindung eine flexible Struktur, die eine Vielzahl von Stärkefilamenten aufweist, wobei die Struktur zwei oder mehrere Bereiche mit deutlich intensiven Eigenschaften einer verbesserten Festigkeit, Aufnahmefähigkeit und Weichheit aufweist.
Die vorliegende Erfindung gewährt ebenfalls Verfahren zum Erzeugen von Stärkefilamenten. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zum Erzeugen von Endlos-Stärkefilamenten die Schritte:

Speziell gewährt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Elektrospinnen für die Erzeugung einer Vielzahl von Stärkefilamenten.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine flexible Struktur umfasst eine Vielzahl von Stärkefilamenten. Mindestens ein Teil der Vielzahl von Stärkefilamenten hat eine Größe von etwa 0,001 dtex bis 135 dtex und spezieller von 0,01 dtex bis 5 dtex. Das Schlankheitsverhältnis einer Länge der Hauptachse mindestens einiger der Stärkefilamente zu einem äquivalenten Durchmesser eines Querschnittes senkrecht zur Hauptachse der Stärkefilamente ist größer als 100/1, spezieller größer als 500/1 und noch spezieller größer als 1.000/1 und sogar noch spezieller größer als 5.000/1.
Die Struktur weist mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf, wobei jeder der ersten und zweiten Bereiche mindestens eine gemeinsame intensive Eigenschaft haben, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Dichte, Flächengewicht, Erhöhung, Lichtundurchlässigkeit, Kreppfrequenz und eine beliebige Kombination davon. Mindestens eine der gemeinsamen intensiven Eigenschaften des ersten Bereichs unterscheidet sich im Wert von derjenigen mindestens einer der gemeinsamen intensiven Eigenschaften des zweiten Bereichs.
In einer der Ausführungsformen weist einer der ersten und zweiten Bereiche ein weitgehend kontinuierliches Netzwerk auf und der andere der ersten und zweiten Bereiche weist eine Vielzahl diskreter Bereiche auf, die in dem gesamten weitgehend kontinuierliches Netzwerk verteilt sind. In einer anderen Ausführungsform weist mindestens einer der ersten Bereiche und zweiten Bereiche ein halbkontinuierliches Netzwerk auf.
Die flexible Struktur kann ferner mindestens einen dritten Bereich mit mindestens einer der intensiven Eigenschaften aufweisen, die derjenigen des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs gemeinsam ist und sich im Wert von der intensiven Eigenschaft des ersten Bereichs und intensiven Eigenschaft des zweiten Bereichs unterscheidet. In einer der Ausführungsformen kann mindestens einer der ersten, zweiten und dritten Bereiche ein im Wesentlichen kontinuierliches Netzwerk aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann in mindestens einer der ersten, zweiten und dritten Bereiche diskrete oder diskontinuierliche Flächen aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann mindestens einer der ersten, zweiten und dritten Bereiche weitgehend halbkontinuierliche Flächen aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann mindestens einer der ersten, zweiten und dritten Bereiche eine Vielzahl diskreter Flächen aufweisen, die in dem gesamten weitgehend kontinuierlichen Netzwerk verteilt sind.
In der Ausführungsform, worin die flexible Struktur einen weitgehend kontinuierlichen Netzwerkbereich aufweist und eine Vielzahl von diskreten Flächen in dem gesamten weitgehend kontinuierlichen Netzwerkbereich verteilt ist, kann der weitgehend kontinuierliche Netzwerkbereich eine relativ hohe Dichte im Bezug auf eine relativ geringe Dichte der Vielzahl der diskreten Flächen haben. Wenn die Struktur auf einer horizontalen Bezugsebene angeordnet ist, begrenzt der erste Bereich eine erste Erhöhung und der zweite Bereich erstreckt sich von dem ersten Bereich nach außen, um eine zweite Erhöhung zu begrenzen, die größer ist (relativ zu der horizontalen Bezugsebene) als die erste Erhöhung.
In der Ausführungsform, die mindestens drei Bereiche aufweist, kann der erste Bereich eine erste Erhöhung begrenzen, der zweite Bereich kann eine zweite Erhöhung begrenzen und der dritte Bereich kann eine dritte Erhöhung begrenzen, wenn die Struktur auf einer horizontalen Bezugsebene angeordnet ist. Mindestens eine der ersten, zweiten und dritten Erhöhungen kann von mindestens einer der anderen Erhöhungen verschieden sein, beispielsweise kann die zweite Erhöhung zwischen der ersten Erhöhung und der dritten Erhöhung liegen.
In einer der Ausführungsformen weist der zweite Bereich eine Vielzahl von Kissen auf, wobei ein einzelnes Kissen einen gewölbten Abschnitt aufweisen kann, der sich von der ersten Erhöhung zu der zweiten Erhöhung erstreckt, und einen Auslegerabschnitt, der sich seitlich von dem gewölbten Abschnitt an der zweiten Erhöhung erstreckt. Die Dichte des Stärke-Auslegerabschnittes kann zu mindestens einer Dichte des ersten Bereichs und einer Dichte des gewölbten Abschnittes gleich sein oder von diesen verschieden sein oder kann zwischen der Dichte des ersten Bereichs und der Dichte des gewölbten Abschnittes liegen. Die Auslegerabschnitte sind im typischen Fall im Bezug auf die erste Ebene erhöht, um im Wesentlichen Hohlräume zwischen dem ersten Bereich und den Auslegerabschnitten zu bilden.
Die flexible Struktur wird erzeugt, indem die Vielzahl der Stärkefilamente durch Elektrospinnen hergestellt wird, indem ein Teil zum Formen bereitgestellt wird, das über eine dreidimensionale Filament aufnehmende Seite verfügt, die so strukturiert ist, dass sie eine Vielzahl von Stärkefilamenten darauf aufnimmt, Ablegen der Vielzahl von Stärkefilamenten auf die Filament aufnehmende Seite des Teils zum Formen, wobei die Vielzahl von Stärkefilamenten sich mindestens teilweise dem Muster darauf anpasst; und Ablösen der Vielzahl der Stärkefilamente von dem Teil zum Formen.
Der Teil des Ablegens der Vielzahl der Stärkefilamente auf die Filament aufnehmende Seite des Teils zum Formen kann darin enthalten, dass die Vielzahl von Stärkefilamenten dazu gebracht wird, sich mindestens teilweise dem dreidimensionalen Muster des Teils zum Formen anzupassen. Dieses kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Fluiddruckdifferenz auf die Vielzahl der Stärkefilamente aufgebracht wird.
In einer der Ausführungsformen umfasst der Schritt des Ablegens der Vielzahl von Stärkefilamenten auf das Teil zum Formen das Ablegen der Stärkefilamente in einem spitzen Winkel zu der Filament aufnehmenden Seite des Teils zum Formen, wobei der spitze Winkel etwa 5° bis etwa 85° beträgt.
Das Teil zum Formen weist in einer der Ausführungsformen ein harzhaltiges Gitterwerk auf, das mit einem verstärkenden Element verbunden ist. Das Teil zum Formen kann fluiddurchlässig, fluidundurchlässig oder teilweise fluiddurchlässig sein. Das verstärkende Element kann zwischen der Filament aufnehmenden Seite und mindestens einem Abschnitt der Rückseite des Gitterwerks angeordnet sein. Die Filament aufnehmende Seite kann ein im Wesentlichen kontinuierliches Muster aufweisen, ein im Wesentlichen halbkontinuierliches Muster, ein unterbrochenes Muster oder eine beliebige Kombination davon. Das Gitterwerk kann eine Vielzahl von Öffnungen durch dieses hindurch aufweisen, die kontinuierlich sein können, diskret oder halbkontinuierlich, analog und entgegengesetzt zu dem Muster des Gitterwerks.
In einer der Ausführungsformen wird das Teil zum Formen erzeugt, indem ein verstärkendes Element an einer ersten Erhöhung angeordnet und ein harzhaltiges Gitterwerk mit dem verstärkenden Element in einer unmittelbar gegenüberliegenden Beziehung und sich von dem verstärkenden Element nach außen erstreckend angeordnet wird, um eine zweite Erhöhung zu bilden. Das Teil zum Formen kann eine Vielzahl von verflochtenen Garnen, einen Filz oder eine beliebige Kombination davon aufweisen.
Wenn die Vielzahl der Stärkefilamente auf der Filament aufnehmenden Seite des Teils zum Formen abgelegt wird, haben sie die Neigung aufgrund ihrer Flexibilität und/oder als Ergebnis der Anwendung einer Fluiddruckdifferenz, sich mindestens teilweise dem dreidimensionalen Muster des Teils zum Formen anzupassen, wodurch die ersten Bereiche der Vielzahl der Stärkefilamente erzeugt werden, die von dem gemusterten Gitterwerk gehalten werden, während die zweiten Bereiche der Vielzahl der Stärkefilamente in die Öffnung oder Öffnungen davon ausgelenkt und von dem verstärkenden Element gehalten werden.
In einer der Ausführungsformen weist das Teil zum Formen suspendierte Abschnitte auf. Das harzhaltige Gitterwerk eines solchen Teils zum Formen weist eine Vielzahl von Basisträgern auf, die sich von dem verstärkenden Element nach außen erstrecken, und eine Vielzahl von Auslegerabschnitten, die sich seitlich von den Basisträgern an der zweiten Erhöhung erstrecken, um Hohlräume zwischen den Auslegerabschnitten und dem verstärkenden Element zu bilden, wobei die Vielzahl der Basisträger und die Vielzahl der Auslegerabschnitte in Verbindung miteinander die dreidimensionale, Filament aufnehmende Seite des Teils zum Formen bilden. Ein solches Teil zum Formen kann erzeugt werden, indem mindestens zwei Lagen in einer unmittelbar gegenüberliegenden Beziehung miteinander verbunden werden, so dass die Abschnitte des Gitterwerks der einen Lage mit den Öffnungen in der anderen Lage korrespondieren. Das Teil zum Formen, das die suspendierten Abschnitte aufweist, kann auch durch unterschiedliches Härten der lichtempfindlichen harzhaltigen Lage durch eine Maske hindurch erzeugt werden, die ein Muster hat, welches Flächen unterschiedlicher Lichtundurchlässigkeit aufweist.
Das Verfahren zum Erzeugen der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Schritt zum Verdichten ausgewählter Bereiche der Vielzahl der Stärkefilamente umfassen, indem beispielsweise auf die Vielzahl der Stärkefilamente ein mechanischer Druck aufgebracht wird.
In das Verfahren kann ferner ein Schritt zum perspektivischen Verkürzen der Vielzahl der Stärkefilamente einbezogen sein. Das perspektivische Verkürzen kann erzielt werden durch Kreponieren, durch Mikrokontraktion oder einer Kombination davon.
Das Verfahren zum Elektrospinnen für die Erzeugung von Stärkefilamenten umfasst die Schritte des Bereitstellens einer Stärkezusammensetzung mit einer Dehnviskosität von etwa 50 Pa·s bis etwa 20.000 Pa·s; Elektrospinnen der Stärkezusammensetzung, wodurch Stärkefilamente mit einer Größe von etwa 0,001 dtex bis etwa 135 dtex erzeugt werden. Der Schritt des Elektrospinnens der Stärkezusammensetzung umfasst typischerweise das Elektrospinnen der Stärkezusammensetzung durch eine Düse.
Die Stärke in der Stärkezusammensetzung hat eine massegemittelte relative Molekülmasse von etwa 1.000 bis etwa 2.000.000, und die Stärkezusammensetzung hat eine Kapillaritätszahl von mindestens 0,05 und spezieller mindestens 1,00. In einer der Ausführungsformen weist die Stärkezusammensetzung etwa 20% bis etwa 99 Gew.% Amylopektin auf. Die Stärke in der Stärkezusammensetzung kann eine massegemittelte relative Molekülmasse von etwa 1.000 bis etwa 2.000.000 haben. Die Stärkezusammensetzung kann ein Hochpolymer mit einer massegemittelten relativen Molekülmasse von mindestens 500.000 aufweisen.
Die Stärkezusammensetzung kann etwa 10% bis etwa 80 Gew.% Stärke aufweisen und etwa 20% bis etwa 90 Gew.% Additive. Eine solche Stärkezusammensetzung kann eine Dehnviskosität von etwa 100 Pa·s bis etwa 15.000 Pa·s bei einer Temperatur von etwa 20° bis etwa 180°C haben.
Die Stärkezusammensetzung kann von etwa 20% bis etwa 70 Gew.% Stärke aufweisen und etwa 30% bis etwa 80 Gew.% Additive. Eine solche Stärkezusammensetzung kann eine Dehnviskosität von etwa 200 Pa·s bis etwa 10.000 Pa·s bei einer Temperatur von etwa 20° bis etwa 100°C haben.
Die Stärkezusammensetzung hat die Dehnviskosität von etwa 200 Pa·s bis etwa 10.000 Pa·s und kann eine logarithmische Kapillaritätszahl von etwa 3 bis etwa 50 haben. Spezieller kann die Stärkezusammensetzung, die eine Dehnviskosität von etwa 300 Pa·s bis etwa 5.000 Pa·s hat, eine logarithmische Kapillaritätszahl von etwa 5 bis etwa 30 haben.
In einer der Ausführungsformen weist die Stärkezusammensetzung etwa 0,0005% bis etwa 5 Gew.% eines Hochpolymers auf, das weitgehend mit der Stärke kompatibel ist und eine mittlere Molekülmasse von mindestens 500.000 hat.
Die Stärkezusammensetzung kann ein Additiv aufweisen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Weichmachern und Streckmitteln. Eine solche Stärkezusammensetzung kann ferner etwa 5% bis etwa 95 Gew.% ein von einem Mais deriviertes Protein aufweist, ein von Sojabohne deriviertes Protein, ein von Weizen deriviertes Protein oder eine beliebige Kombination davon.
Das Verfahren zum Erzeugen der Stärkefilamente kann ferner einen Schritt des Verfeinerns der Stärkefilamente mit Luftströmen umfassen.
Die vorliegende Erfindung gewährt ebenfalls ein Verfahren zum Erzeugen einer Stärkefilamente aufweisenden flexiblen Struktur, welches Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen einer Stärkezusammensetzung, aufweisend 10% bis 80 Gew.% modifizierte, aufgeschlossene Stärke und 20% bis 90 Gew.% eines Additivs, worin die Stärke eine massegemittelte relative Molekülmasse von 1.000 bis 2.000.000 hat und wobei die Stärkezusammensetzung eine Dehnviskosität von 100 Pa·s bis 10.000 Pa·s hat und eine logarithmische Kapillaritätszahl von mindestens 0,05;
(b) Bereitstellen eines Teils zum Formen, das über eine dreidimensionale Filament aufnehmende Seite und eine dazu gegenüberliegende Rückseite verfügt, wobei die Filament aufnehmende Seite ein im Wesentlichen kontinuierliches Muster aufweist, ein im Wesentlichen halbkontinuierliches Muster, ein diskretes Muster oder eine beliebige Kombination davon;
(c) Elektrospinnen der Stärkezusammensetzung, wodurch eine Vielzahl von Stärkefilamenten erzeugt wird; und
(d) Ablegen der Vielzahl von Stärkefilamenten auf der Filament aufnehmenden Seite des Teils zum Formen, worin die Stärkefilamente die Form des dreidimensionalen Musters der Filament aufnehmenden Seite annehmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung;
1A eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie 1A-1A von 1;
2 eine schematische Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittansicht einer anderen Ausführungsform der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform eines Teils zum Formen, der zur Erzeugung der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
4A eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie 4A-4A von 4;
5 eine schematische Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des Teils zum Formen, das zur Erzeugung der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
5A eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie 5A-5A von 5;
6 eine schematische Querschnittansicht einer noch anderen Ausführungsform des Teils zum Formen, der zur Erzeugung der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
7 eine schematische Teilansicht im Aufriss von der Seite einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Elektrospinnen und eines Apparates zum Erzeugen einer Stärkefilamente aufweisenden flexiblen Struktur;
7A eine schematische Ansicht entlang der Linie 7A-7A von 7;
8 eine schematische Seitenansicht im Aufriss einer Ausführungsform eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Seitenansicht im Aufriss einer anderen Ausführungsform eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
9A eine schematische Seitenansicht und eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Ansicht eines Fragmentes einer Ausführungsform eines Stärkefilamentes mit unterschiedlichen Querschnittflächen senkrecht zur Hauptachse des Filaments (Längsachse);
10A eine schematische Seitenansicht mehrerer exemplarischer, nicht ausschließender Ausführungsformen einer Querschnittfläche eines Stärkefilamentes;
11 eine schematische Ansicht eines Fragmentes eines Stärkefilamentes mit einer Vielzahl von Kerben entlang mindestens eines Abschnittes der Länge des Filamentes.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die hierin verwendeten Begriffe haben die folgenden Bedeutungen:
"Stärkefilamente aufweisende flexible Struktur" oder einfach "flexible Struktur", ist eine Anordnung, die eine Vielzahl von Stärkefilamenten aufweist, die mechanisch unter Erzeugung eines flächigen Produktes verflochten sind und bestimmte festgelegte mikroskopische geometrische, physikalische und ästhetische Eigenschaften haben.
Ein "Stärkefilament" ist ein schlanker, dünner und hoch flexibler, Stärke aufweisender Gegenstand, der über eine Hauptachse verfügt, die sehr lang ist im Vergleich zu den zwei zueinander orthogonalen Achsen der Faser, die senkrecht zur Hauptachse liegen. Das Schlankheitsverhältnis der Länge der Hauptachse zu einem äquivalenten Durchmesser des Querschnittes des Filamentes senkrecht zur Hauptachse ist größer als 100/1 und spezieller größer als 500/1 und noch spezieller größer als 1.000/1 und noch spezieller größer als 5.000/1. Die Stärkefilamente können eine andere Substanz aufweisen, wie beispielsweise Wasser, Weichmacher und andere wahlweise Additive.
Der Begriff "äquivalenter Durchmesser" wird hierin zur Festlegung einer Querschnittfläche und einer Oberfläche eines einzelnen Stärkefilamentes ohne Rücksicht auf die Form der Querschnittfläche verwendet. Der äquivalente Durchmesser ist ein Parameter, der der Gleichung S=1/4πD² genügt, worin S die Querschnittfläche des Stärkefilamentes ist (ohne Rücksicht auf seine geometrische Form), π=3,14159 und D der äquivalente Durchmesser. Beispielsweise lässt sich der Querschnitt mit einer rechteckigen Form, der von zwei gegenüberliegenden Seiten "A" und zwei gegenüberliegenden Seiten "B" gebildet wird, ausdrücken als: S = A × B. Gleichzeitig kann diese Querschnittfläche als eine Kreisfläche mit dem äquivalenten Durchmesser D ausgedrückt werden. In diesem Fall lässt sich der äquivalente Durchmesser D aus der Formel berechnen: S=1/4πD², worin S die bekannte Fläche des Rechteckes ist. (Selbstverständlich ist der äquivalente Durchmesser eines Kreises der reale Durchmesser des Kreises). Ein äquivalenter Radius ist die Hälfte des äquivalenten Durchmessers.
"Pseudo-thermoplastisch" soll in Verbindung mit "Materialien" oder "Zusammensetzungen" Materialien und Zusammensetzungen bezeichnen, die durch den Einfluss erhöhter Temperaturen, Auflösung in einem geeigneten Lösemittel oder auf andere Art weich gemacht werden bis zu einem solchen Grad, dass sie in einen fließfähigen Zustand gebracht werden können, in welchem sie sich nach Wunsch formen lassen und insbesondere zur Ausformung von Stärkefilamenten verarbeiten lassen, die zur Erzeugung einer flexiblen Struktur geeignet sind. Pseudo-thermoplastische Materialien können beispielsweise unter dem kombinierten Einfluss von Wärme und Druck erzeugt werden. Pseudo-thermoplastische Materialien unterscheiden sich von thermoplastischen Materialien darin, dass das weich werden oder verflüssigen der Pseudo-Thermoplastik durch Weichmacher oder Lösemittel hervorgerufen werden, die vorhanden sind, ohne die es nicht möglich wäre, sie durch irgendeine Temperatur oder Druck in einen weichen oder fließfähigen Zustand zu bringen, der zum Formen erforderlich ist, da Pseudo-Thermoplastiken als solche nicht "schmelzen". Der Einfluss des Wassergehaltes auf die Glasübergangstemperatur und die Schmelztemperatur von Stärke kann mit Hilfe der Differentialscanningkalorimetrie entsprechend der Beschreibung von Zeleznak und Hoseny in "Cereal Chemistry", Bd. 64, Nr. 2, S. 121–124, 1987, gemessen werden. Eine Pseudo-Thermoplastik schmilzt als pseudo-thermoplastisches Material zu einem fließfähigen Zustand.
"Mikrogeometrie" und Permutationen davon beziehen sich auf relativ kleine (d.h. "mikroskopische") Einzelheiten der flexiblen Struktur, wie beispielsweise Oberflächentextur, ohne Rücksicht auf die Gesamtkonfiguration der Struktur anders als bei "Gesamtgeometrie" (d.h. "makroskopisch"). Begriffe, die "makroskopisch" oder "makroskopisches" enthalten, beziehen sich auf eine Gesamtgeometrie einer Struktur oder eines Teils davon unter Berücksichtigung, wann sie in eine zweidimensionale Konfiguration gebracht wurde, z.B. die XY-Ebene. Beispielsweise umfasst auf einem makroskopischen Niveau die flexible Struktur, wenn sie auf eine ebene Oberfläche aufgebracht wird, ein relativ dünnes und ebenes Flächengebilde. Auf mikroskopischem Niveau kann die Struktur jedoch eine Vielzahl erster Bereiche umfassen, die eine erste Ebene mit einer ersten Erhöhung und einer Vielzahl von Gewölben oder "Kissen" bilden, die durchweg und nach außen gerichtet von dem Gitterwerkbereich unter Bildung einer zweiten Erhöhung verteilt sind.
"Intensive Eigenschaften" sind Eigenschaften, die keinen Wert haben, der von einer Zusammenführung von Werten innerhalb der Ebene der flexiblen Struktur abhängt. Eine häufige intensive Eigenschaft ist eine intensive Eigenschaft, die mehr als einen Bereich besitzt. Derartige intensive Eigenschaften der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung schließen ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: Dichte, Flächengewicht, Erhöhung, Lichtundurchlässigkeit und Kreppfrequenz (wenn die Struktur perspektivisch verkürzt werden soll). Wenn beispielsweise eine Dichte eine gemeinsame intensive Eigenschaft zweier unterschiedlicher Bereiche ist, kann der Wert der Dichte in dem einen Bereich von dem Wert der Dichte in dem anderen Bereich verschieden sein. Bereiche (wie beispielsweise ein erster Bereich und ein zweiter Bereich) sind identifizierbare Flächen, die voneinander durch eindeutige intensive Eigenschaften unterscheidbar sind.
"Flächenbezogene Masse" ist das Gewicht (gemessen in "gram force") einer Flächeneinheit der flexiblen Stärkestruktur, wobei die Flächeneinheit in der Ebene der Stärkefilamentstruktur genommen wird. Die Größe und Form der Flächeneinheit, von der das Flächengewicht gemessen wird, ist von den relativen und absoluten Größen und Formen der Bereiche abhängig, die unterschiedliche Flächengewichte haben.
"Dichte" ist das Verhältnis der flächenbezogenen Masse zu einer Dicke (senkrecht zur Ebene der flexiblen Struktur genommen) eines Bereichs. Die scheinbare Dichte ist die flächenbezogene Masse der Probe, dividiert durch die Dicke mit entsprechender Umwandlung der Einheiten, die darin enthalten sind. Die hierin verwendete scheinbare Dichte hat die Einheiten Gramm/Kubikzentimeter (g/cm³).
"Dicke" ist eine makroskopische Dicke einer Probe, die entsprechend der nachfolgenden Beschreibung gemessen wird. Die Dicke sollte von der Höhe der verschiedenen Bereiche unterschieden werden, die ein mikroskopisches Charakteristikum der Bereiche ist.
"Glasübergangstemperatur", T_g, ist die Temperatur, bei der das Material seinen viskosen oder kautschukähnlichen Zustand zu einem harten und relativ spröden Zustand verändert.
"Verarbeitungsrichtung" (oder MD) ist die Richtung parallel zur Fließrichtung der flexiblen Struktur, die mit Hilfe der Fertigungsanlage erzeugt wird. "Quer zur Verarbeitungsrichtung" (oder CD) ist die Richtung senkrecht zur Verarbeitungsrichtung und parallel zur allgemeinen Ebene der flexiblen Struktur, die erzeugt wird.
"X", "Y" und "Z" bezeichnen das übliche kartesische Koordinatensystem, worin die jeweils zueinander senkrechten Koordinaten "X" und "Y" eine XY-Bezugsebene festlegen und "Z" senkrecht zu der XY-Ebene definiert ist. Die "Z-Richtung" bezeichnet jede beliebige Richtung senkrecht zu der XY-Ebene. Analog dazu bedeutet der Begriff "Z-Dimension" eine Dimension, Entfernung oder ein Parameter, die parallel zur Z-Richtung gemessen werden. Wenn ein Element, wie beispielsweise ein Formteil gekrümmt ist oder auf andere Weise aus der Ebene läuft, folgt die XY-Ebene der Konfiguration des Elementes.
"Weitgehend kontinuierlicher" Bereich (Fläche/Netzwerk/Gitterwerk) bezieht sich auf eine Fläche, in deren Inneren man zwei beliebige Punkte durch eine ununterbrochene Linie verbinden kann, die in der gesamten Länge der Linie vollständig im Inneren dieser Fläche verläuft. Das bedeutet, der weitgehend kontinuierliche Bereich verfügt über eine weitgehende "Kontinuität" in allen Richtungen parallel zu der ersten Ebene und ist lediglich an den Rändern dieses Bereichs begrenzt. Der Begriff "weitgehend" in Verbindung mit kontinuierlich soll darauf hinweisen, dass, obgleich eine absolute Kontinuität bevorzugt ist, geringfügige Abweichungen von der absoluten Kontinuität so lange tolerierbar sein können, wie diese Abweichungen das Verhalten der flexiblen Struktur (oder eines Formteils), wie sie vorgesehen und bemessen wird, nicht merklich beeinträchtigt wird.
"Weitgehend halbkontinuierlicher" Bereich (Fläche/Netzwerk/Gitterwerk) bezeichnet eine Fläche, die insgesamt über "Kontinuität" verfügt, jedoch mindestens eine der Richtungen parallel zu der ersten Ebene, und in welcher Fläche man keine zwei Punkte durch eine ununterbrochene Linie verbinden kann, die vollständig im Inneren dieser Fläche über die gesamte Länge der Linie verläuft. Das halbkontinuierliche Gitterwerk braucht lediglich über Kontinuität in einer Richtung parallel zu der ersten Ebene zu verfügen. In Analogie zu dem vorstehend beschriebenen kontinuierlichen Bereich, können trotz einer absoluten Kontinuität im Großen und Ganzen, jedoch mindestens mit bevorzugten Richtungen, geringfügige Abweichungen von einer solchen Kontinuität so lange tolerierbar sein, wie diese Abweichungen das Verhalten der Struktur (oder das Auslenkungsteil) nicht merklich beeinträchtigen.
"Diskontinuierliche" Bereiche beziehen sich auf diskrete und voneinander getrennte Flächen, die in allen Richtungen parallel zu der ersten Ebene diskontinuierlich sind.
"Saugvermögen" ist die Fähigkeit eines Materials zur Aufnahme von Flüssigkeiten durch verschiedene Mittel, einschließlich kapillare, osmotische, Lösungsmittel- oder chemische Wirkung, und zum Festhalten solcher Flüssigkeiten. Das Saugvermögen kann nach einem hierin beschriebenen Test gemessen werden.
"Flexibilität" ist die Fähigkeit eines Materials oder einer Struktur, sich unter einer vorgegebenen Last ohne zu brechen unabhängig von der Fähigkeit oder Unfähigkeit des Materials oder der Struktur, von selbst in seine Form vor der Verformung zurückzukehren, zu verformen.
"Teil zum Formen" ist ein Strukturelement, das verwendet werden kann, um den Stärkefilamenten einen Halt zu geben, die darauf während eines Verfahrens zur Herstellung der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung abgelegt werden können, sowie als eine formgebende Einheit zum Formen (oder "formpressen") einer gewünschten mikroskopischen Geometrie der flexiblen Struktur der vorliegenden Erfindung. Das Teil zum Formen kann jedes beliebige Element aufweisen, das über die Fähigkeit verfügt, der darauf zu erzeugenden Struktur ein dreidimensionales Muster zu vermitteln, und schließt ohne einschränkend zu sein eine stationäre Platte ein, einen Gurt, eine Vliesstoffbahn und ein Band.
"Verstärkendes Element" ist ein wünschenswertes, jedoch nicht notwendiges Element in einigen Ausführungsformen des Teils zum Formen und dient hauptsächlich dazu, dem Teil zum Formen Zusammenhalt, Stabilität und Haltbarkeit zu vermitteln oder diese zu erleichtern und weist beispielsweise ein harzhaltiges Material auf. Das verstärkende Element kann fluiddurchlässig sein, fluidundurchlässig oder teilweise fluiddurchlässig und kann eine Vielzahl von verflochtenen Garnen aufweisen, ein Filz, einen Kunststoff, ein anderes geeignetes synthetisches Material oder eine beliebige Kombination davon.
"Pressoberfläche" ist eine Oberfläche, die gegen die Filament aufnehmende Seite des Teils zum Formen gepresst werden kann und hat eine Vielzahl von Stapelfilamenten darauf, um die Stärkefilamente, mindestens teilweise, in das Teil zum Formen auszulenken, das über ein dreidimensionales Muster von Vertiefungen/Vorsprünge darin aufweist.
"Decitex" oder "dtex" ist eine Maßeinheit für ein Stärkefilament, ausgedrückt in Gramm pro 10.000 Meter, "g/10.000 m".
"Schmelzspinnen" ist ein Verfahren, mit dem ein thermoplastisches oder pseudothermoplastisches Material in ein faseriges Material unter Anwendung einer verfeinernden Kraft umgewandelt wird. In das Schmelzspinnen können mechanische Längung, Schmelzblasen, Vliesverfestigen und Elektrospinnen einbezogen sein.
"Mechanische Längung" ist der Prozess des Induzierens einer Kraft auf einem Faserfaden, indem er mit einer angetriebenen Oberfläche, wie beispielsweise einer Walze, zum Aufbringen einer Kraft in Kontakt gebracht wird, um auf die Schmelze eine Kraft aufzubringen und dadurch Fasern zu erzeugen.
"Schmelzblasen" ist ein Verfahren zum Erzeugen von Faserbahnen oder -artikel direkt aus Polymeren oder Harzen unter Anwendung von Luft hoher Geschwindigkeit oder einer anderen geeigneten Kraft zum Verfeinern der Filamente. In einem Schmelzblasprozess wird die Kraft zum Verfeinern in Form von Luft hoher Geschwindigkeit beim Austritt des Materials aus der Düse oder der Spinnbrause aufgebracht.
"Vliesverfestigen" umfasst den Prozess, bei dem man die Faser von einer vorbestimmten Distanz unter den Kräften des Fließens und der Schwerkraft fallen lässt und sodann eine Kraft über Luft mit hoher Geschwindigkeit oder eine andere geeignete Quelle aufbringt.
"Elektrospinnen" ist ein Prozess, bei der ein elektrisches Potential als die Kraft zum Verfeinern der Fasern verwendet wird.
"Trockenspinnen" ist üblicherweise bekannt als "Spinnen aus Lösung" und umfasst die Anwendung einer Lösemitteltrocknung zur Stabilisierung der Fasererzeugung. Es wird ein Material in einem geeigneten Lösemittel aufgelöst und auf dem Wege einer mechanischen Längung, des Schmelzblasens, Vliesverfestigens und Elektrospinnens feiner gemacht. Die Faser wird stabil, sobald das Lösemittel verdampft ist.
"Nass-Spinnen" umfasst das Auflösen eines Materials in einem geeigneten Lösemittel und Formen kleiner Fasern auf dem Wege der mechanischen Längung, des Schmelzblasens, Vliesverfestigens und/oder des Elektrospinnens. Sobald die Faser geformt ist, wird sie in ein System zum Ausfällen geführt, das normalerweise ein Bad umfasst, das mit einem geeigneten Lösemittel gefüllt ist und das gewünschte Material zum Erstarren bringt, wodurch Stapelfasern erzeugt werden.
Hochpolymer, das "mit Stärke weitgehend kompatibel" ist, bedeutet, dass das Hochpolymer in der Lage ist, mit Stärke eine weitgehend homogene Mischungszusammensetzung zu bilden (d.h. die Zusammensetzung, die für das bloße Auge durchsichtig oder durchscheinend erscheint), wenn die Zusammensetzung bis zu einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur und/oder ihrer Schmelztemperatur erhitzt wird.
"Schmelztemperatur" bedeutet die Temperatur oder den Temperaturbereich bei oder oberhalb dessen die Stärkezusammensetzung in ausreichender Weise schmilzt oder weich wird, um in der Lage zu sein, zu Stärkefilamenten gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet zu werden. Es gilt als selbstverständlich, dass einige Stärkezusammensetzungen pseudo-thermoplastische Zusammensetzungen sind und als solche kein reines "Schmelzverhalten" zeigen können.
"Verarbeitungstemperatur" bedeutet die Temperatur der Stärkezusammensetzung, bei der die Stärkefilamente der vorliegenden Erfindung, beispielsweise durch Feinung, erzeugt werden können.
Flexible Struktur
Bezug nehmend auf die 1 bis 3, weist eine flexible Struktur 100 pseudo-thermoplastische Stärkefilamente auf, die mindestens einen ersten Bereich 110 und einen zweiten Bereich 120 umfassen. Jeder der ersten und zweiten Bereiche hat mindestens eine gemeinsame intensive Eigenschaft, wie beispielsweise flächenbezogene Masse oder Dichte. Die gemeinsame intensive Eigenschaft des ersten Bereichs 110 unterscheidet sich im Wert von der gemeinsamen intensiven Eigenschaft des zweiten Bereichs 120. Beispielsweise kann die Dichte des ersten Bereichs 110 größer sein als die Dichte des zweiten Bereichs 120.
Die ersten und zweiten Bereiche 110 und 120 der flexiblen Struktur 100 der vorliegenden Erfindung können sich auch hinsichtlich ihrer jeweiligen Mikrogeometrie unterscheiden. In 1 weist der erste Bereich 110 beispielsweise ein weitgehend kontinuierliches Netzwerk auf, welches eine erste Ebene bei einer ersten Erhöhung bildet, wenn die Struktur 100 auf einer ebenen Oberfläche abgelegt ist; während der zweite Bereich 120 eine Vielzahl diskreter Bereiche aufweisen kann, die in dem weitgehend kontinuierlichen Netzwerk insgesamt verteilt sind. Diese diskreten Bereiche können in einigen Ausführungsformen diskrete Hervorwölbungen oder "Kissen" aufweisen, die von dem Netzwerkbereich nach außen gerichtet sind, um eine zweite Erhöhung zu bilden, die größer ist als die erste Erhöhung im Bezug auf die erste Ebene. Es gilt als selbstverständlich, dass Kissen auch ein weitgehend kontinuierliches Muster und ein weitgehend halbkontinuierliches Muster aufweisen können.
In einer der Ausführungsformen kann das weitgehend kontinuierliche Netzwerk über eine relativ hohe Dichte verfügen und die Kissen eine relativ geringe Dichte haben. In einer anderen Ausführungsform kann das weitgehend kontinuierliche Netzwerk über eine relativ geringe flächenbezogene Masse verfügen und die Kissen eine relativ hohe flächenbezogene Masse haben. In noch anderen Ausführungsformen kann das weitgehend kontinuierliche Netzwerk eine relativ geringe Dichte haben und die Kissen eine relativ hohe Dichte haben. Es gilt eine Ausführungsform als mit einbezogen, in der der weitgehend kontinuierliche Netzwerkbereich eine relativ hohe flächenbezogene Masse haben kann und die Kissen eine relativ geringe flächenbezogene Masse haben.
In anderen Ausführungsformen kann der zweite Bereich 120 ein halbkontinuierliches Netzwerk aufweisen. In 2 weist der zweite Bereich 120 diskrete Flächen 122 ähnlich denjenigen auf, wie sie in 1 gezeigt sind; und halbkontinuierliche Flächen 121 erstrecken sich in mindestens einer Richtung, betrachtet in der XY-Ebene (d.h. einer Ebene, die durch den ersten Bereich 110 der Struktur 100 gebildet wird, die auf einer ebenen Oberfläche abgelegt ist).
In der in 2 gezeigten Ausführungsform weist die flexible Struktur 100 einen dritten Bereich 130 mit mindestens einer intensiven Eigenschaft auf, die sie mit der intensiven Eigenschaft des ersten Bereichs 110 und der intensiven Eigenschaft des zweiten Bereichs 120 gemeinsam hat und die in ihrem Wert von denen differiert. Beispielsweise kann der erste Bereich 110 die gemeinsame intensive Eigenschaft mit einem ersten Wert haben, der zweite Bereich 120 kann die gemeinsame intensive Eigenschaft mit einem zweiten Wert haben und der dritte Bereich 130 kann die gemeinsame intensive Eigenschaft mit einem dritten Wert haben, wobei der erste Wert von dem zweiten verschieden sein kann und der dritte Wert von dem zweiten Wert und dem ersten Wert verschieden sein kann.
Wenn die Struktur 100 mindestens 3 verschiedene Bereiche 110, 120, 130 entsprechend der vorstehenden Beschreibung aufweist und auf einer horizonta len Bezugsebene abgelegt ist (z.B. die XY-Ebene), legt der erste Bereich 110 die Ebene mit der ersten Erhöhung fest und der zweite Bereich 120 erstreckt sich von dieser, um die zweite Höhe festzulegen. Es gilt eine Ausführungsform mit einbezogen, in der der dritte Bereich 130 eine dritte Höhe festlegt, worin mindestens eine der ersten, zweiten und dritten Erhöhungen von mindestens einer der anderen Erhöhungen verschieden ist. Beispielsweise kann die dritte Erhöhung zwischen der ersten und zweiten Erhöhung liegen.
Die folgende Tabelle zeigt, ohne auf diese beschränkt zu sein, einige mögliche Kombinationen von Ausführungsformen der Struktur 100, die mindestens 3 Bereiche mit unterschiedlichen intensiven Eigenschaften (d.h. hoch, mittel oder gering) aufweist. Alle diese Ausführungsformen sind in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung einbezogen.
3 zeigt eine andere Ausführungsform der flexiblen Struktur 100 der vorliegenden Erfindung, bei der der zweite Bereich 120 eine Vielzahl von Stärkekissen aufweist, worin mindestens einige der Kissen einen gewölbten Stärkeabschnitt 128 aufweisen und einen Stärke-Auslegerabschnitt 129, der sich von dem gewölbten Stärkeabschnitt 128 erstreckt. Der Stärke-Auslegerabschnitt 129 ist in Bezug auf die XY-Ebene erhöht und erstreckt sich in einem Winkel von dem gewölbten Abschnitt 128 unter Ausbildung weitgehend hohler Zwischenräume oder "Taschen" 115 zwischen dem ersten Abschnitt 110, den davon ausgehenden gewölbten Stärkeabschnitten 128 und den Stärke-Auslegerabschnitten 129.
Zum großen Teil wird aufgrund des Vorhandenseins dieser weitgehend hohlen Taschen 115, die in der Lage sind erhebliche Mengen an Fluid aufzunehmen und zu halten, angenommen, dass die in 3 schematisch dargestellte flexible Struktur 100 für eine vorgegebene flächenbezogene Masse sehr starke Merkmale der Saugfähigkeit zeigt. Die Taschen 115 sind dadurch gekennzeichnet, dass sie darin keine oder eine sehr geringe Menge von Stärkefilamenten enthalten.
Für den Fachmann auf dem Gebiet ist offensichtlich, dass aufgrund des Verfahrens zum Erzeugen der flexiblen Struktur 100 entsprechend der nachfolgenden Diskussion und aufgrund der hochflexiblen Beschaffenheit der Stärkefilamente und der flexiblen Struktur 100 insgesamt eine gewisse Menge an einzelnen Stärkefilamenten, die in den Taschen 115 vorhanden sind, so lange tolerierbar ist, wie diese Stärkefilamente das bemessene Muster der Struktur 100 und dessen vorgesehenen Eigenschaften nicht stört. In diesem Zusammenhang ist der Begriff "weitgehend" hohle Taschen 115 so zu verstehen, dass man erkennt, dass in Folge der hochflexiblen Beschaffenheit der Struktur 100 und einzelner Stärkefilamente, die die Struktur 100 ausmachen, eine gewisse unbedeutende Menge an Stärkefilamenten oder deren Abschnitte in den Taschen 115 angetroffen werden können. Die Dichte der Taschen 115 ist nicht größer als 0,005 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) und spezieller nicht größer als 0,004 g/cm³ und noch spezieller nicht größer als 0,003 g/cm³.
In einem anderen Aspekt ist die flexible Struktur 100, welche die Auslegerabschnitte 129 aufweist, gekennzeichnet durch eine erhöhte Gesamtoberfläche im Bezug auf diejenige der vergleichbaren Struktur, die keine Auslegerabschnitte 129 hat. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist augenscheinlich, dass, je größer die Zahl der einzelnen Auslegerabschnitte 129 und ihre entsprechenden mikroskopischen Oberflächenbereiche ist, um so größer die resultierende mikroskopische spezifische Oberfläche ist (d.h. die resultierende mikroskopische Oberfläche pro Einheit der makroskopischen Gesamtfläche der Struktur, die auf einer ebenen Oberfläche abgelegt ist). Wie der Fachmann auf dem Gebiet ebenfalls erkennen wird, ist das Saugvermögen der Absorptionsoberfläche der Struktur um so größer, je größer die Fläche ist, wenn alle anderen Parameter gleich sind.
In Ausführungsformen der Struktur 100, welche Auslegerabschnitte 129 aufweisen, können die Auslegerabschnitte 129 dritte Bereiche der Struktur 100 aufweisen. Beispielsweise gilt eine Ausführungsform als einbezogen, in der die Dichte der Stärke-Auslegerabschnitte 129 zwischen der Dichte des ersten Bereichs 110 und der Dichte des zweiten Bereichs 120 liegt, welche den/die gewölbten Abschnitt/gewölbten Abschnitte aufweist/aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann die Dichte des gewölbten Abschnittes 128 zwischen einer relativ hohen Dichte des ersten Bereichs 110 und einer relativ geringen Dichte des Auslegerabschnittes 129 liegen. In Analogie dazu kann die flächenbezogene Einheit des Auslegerabschnittes 129 gleich sein, dazwischen liegen oder größer sein als eine oder beide des ersten Bereichs 110 und des gewölbten Abschnittes 128.
Verfahren zum Erzeugen einer flexiblen Struktur
8 und 9 zeigen schematisch zwei Ausführungsformen eines Verfahrens zum Erzeugen einer flexiblen Struktur 100, welche Stärkefilamente aufweist.
Zunächst wird eine Vielzahl von Stärkefilamenten bereitgestellt. Die Erzeugung von Stärkefilamenten für die flexible Struktur 100 gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit Hilfe einer Vielzahl auf dem Fachgebiet bekannter Methoden erfolgen. Beispielsweise können die Stärkefilamente aus pseudo-thermoplastischen schmelzflüssigen Stärkezusammensetzungen mit Hilfe verschiedener Prozesse des Schmelzspinnens erzeugt werden. Die Größen der Stärkefilamente können variieren von etwa 0,001 dtex bis etwa 135 dtex, spezieller von etwa 0,005 dtex bis etwa 50 dtex und noch spezieller von etwa 0,01 dtex bis etwa 5,0 dtex.
Einige Fundstellen, einschließlich die US-P-4 139 699, erteilt an Hernandez et al. am 13. Februar, 1979; die US-P-4 853 168, erteilt an Eden et al. am 1. August, 1989 und die US-P-4 234 480, erteilt an Hernandez et al. am 6. Januar, 1981 und die US-P-5 516 815 und 5 316 578 von Buehler et al. beziehen sich auf Stärkezusammensetzungen zum Erzeugen von Stärkefilament unter Anwendung eines Verfahrens zum Schmelzspinnen. Die schmelzflüssige Stärkezusammensetzung kann durch eine Spinnbrause extrudiert werden, um Filamente mit Durchmessern zu erzeugen, die relativ zu dem Durchmesser der Düsenöffnungen der Spinnbrause vergrößert sind (d.h. in Folge eines Effekts des Extrudatquellens). Die Filamente werden anschließend mechanisch oder thermome chanisch mit Hilfe einer Zieheinheit zur Verringerung des Faserdurchmessers nach unten gezogen.
Auf dem Fachgebiet sind mehrere Vorrichtungen zum Erzeugen von thermoplastischen Vliesstoffstrukturen aus extrudierten Polymeren bekannt und können für die Erzeugung langer flexibler Stärkefilamente geeignet sein. Beispielsweise kann eine extrudierte Stärkezusammensetzung durch eine Spinnbrause (nicht gezeigt) unter Erzeugung eines vertikal orientierten Vorhanges von abwärts verlaufenden Stärkefilamenten gedrückt werden. Die Stärkefilamente können mit Luft in Verbindung mit einem ziehenden oder feiner machenden Luftschlitz vom Saugtyp abgeschreckt werden. Die US-P-5 292 239, erteilt an Zeldin et al. am 8. März, 1994, offenbart eine Vorrichtung, bei der die Turbulenz in dem Luftstrom erheblich verringert wird, um eine gleichförmige und beständige Zugkraft auf die Stärkefilamente aufzubringen. Die Offenbarung dieser Patentschrift wird hierin als Fundstelle für die beschränkten Zwecke der Lehre und Vorrichtung zum Reduzieren der Turbulenz in der Luftströmung bei Erzeugung von Stärkefilamenten einbezogen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich Stärkefilamente aus einer Mischung erzeugen, die Stärke aufweist, Wasser, Weichmacher und andere wahlweise Additive. Beispielsweise kann die geeignete Stärkemischung in eine pseudo-thermoplastische Schmelze in einem Extruder umgewandelt und durch eine Spinnbrause zu einer Streckeinheit weiter befördert werden, die einen vertikal orientierten Vorhang von abwärts laufenden Stärkefilamenten erzeugt. Die Spinnbrause kann eine Baugruppe aufweisen, die in dem Fachgebiet bekannt ist. Die Spinnbrause kann eine Vielzahl von Düsenöffnungen mit Löchern enthalten, die einen Querschnitt haben, der für die Erzeugung von Stärkefilamenten geeignet ist. Die Spinnbrause kann auf das Fließvermögen der Stärkezusammensetzung abgestimmt sein, so dass jede Düsenöffnung den gleichen Durchsatz hat, wenn dieses so gewünscht wird. Alternativ können die Durchflussraten unterschiedlicher Düsen variieren.
Dem Extruder nachgeschaltet kann eine Streckeinheit (nicht gezeigt) angeordnet sein und kann ein oberes Ende aufweisen, ein offenes unteres Ende diesem gegenüber und einen Luftanschlussstutzen für die Zuführung von Druckluft zu den inneren Düsen, der in Abwärtsrichtung orientiert ist. Wenn Druckluft durch die inneren Düsen strömt, wird Luft in das obere Ende der Streckeinheit eingezogen und erzeugt einen sich rasch bewegenden Luftstrom, der in Abwärtsrichtung strömt. Der Luftstrom erzeugt eine Zugkraft an den Stärkefilamenten und bewirkt, dass sie feiner werden oder gestreckt werden, bevor sie aus dem unteren Ende der Streckeinheit austreten.
Es ist jetzt festgestellt worden, dass Stärkefilamente, die für die flexible Struktur 100 geeignet sind, mit Hilfe eines Verfahrens des Elektrospinnens hergestellt werden können, bei dem ein elektrisches Feld an eine Stärkelösung angelegt wird, um einen aufgeladenen Stärkestrahl zu erzeugen. Das Verfahren zum Elektrospinnen ist auf dem Fachgebiet bekannt. Die Dissertation mit dem Titel "The Electro-Spinning Process and Applications of Electro-Spun Fibers" von Doshi, Jayesh, Natwartal, Ph.D., 1994, beschreibt ein Verfahren zum Elektrospinnen und führt eine Untersuchung über die in dem Verfahren beteiligten Kräfte durch. Diese Dissertation nutzt ebenfalls einige kommerzielle Anwendungen von durch Elektrospinnen erzeugten Filamenten. Diese Dissertation wird hierin als Fundstelle für die Zwecke der Beschreibung der Prinzipien der Verfahren des Elektrospinnens einbezogen.
Die US-P-1 975 504 (2. Oktober, 1934); 2 123 992 (19. Juli, 1938); 2 116 942 (10. Mai, 1938); 2 109 333 (22. Februar, 1938); 2 160 962 (6. Juni, 1939); 2 187 306 (16. Januar, 1940) und 2 158 416 (16. Mai, 1939), alle erteilt an Formhals, beschreiben Verfahren zum Elektrospinnen und Anlagen dafür. Andere Fundstellen, die Verfahren zum Elektrospinnen beschreiben, schließen ein: die US-P-3 280 229 (18. Oktober, 1966), erteilt an Simons; 4 044 404 (30. August, 1977), erteilt an Martin et al.; 4 069 026 (17. Januar, 1978), erteilt an Simm et al.; 4 143 196 (6. März, 1979), erteilt an Simm; 4 223 101 (16. September, 1980), erteilt an Fine et al.; 4 230 650 (28. Oktober, 1980), erteilt an Guignard; 4 232 525 (11. November, 1980), erteilt an Enjo et al.; 4 287 139 (1. September, 1981), erteilt an Guignard; 4 323 525 (6. April, 1982), erteilt an Bornat; 4 552 707 (12. November, 1985), erteilt an How; 4 689 186 (25. August, 1987), erteilt an Bornat; 4 798 607 (17. Januar, 1989), erteilt an Middleton et al.; 4 904 272 (27. Februar, 1990), erteilt an Middleton et al.; 4 968 238 (6. November, 1990), erteilt an Satterfield et al.; 5 024 789 (18. Januar, 1991), erteilt an Barry; 6 106 913 (22. August, 2000), erteilt an Scardino et al. und 6 110 590 (29. August, 2000), erteilt an Zarkoob et al. Die Offenbarungen der vorgenannten Patentschriften sind hierin als Fundstelle für die beschränkte Aufgabe der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Verfahren des Elektrospinnens und der Anlage dafür einbezogen.
Obgleich die vorgenannte Fundstelle eine Vielzahl von Verfahren zum Elektrospinnen und Anlagen dafür lehren, gibt es bei ihnen keine Lehre dafür, dass eine Stärkezusammensetzung mit Erfolg verarbeitet und zu dünnen und weitgehend kontinuierlichen Stärkeelementen extrudiert werden kann, die zur Erzeugung der flexiblen Struktur 100 in der vorliegenden Erfindung geeignet sind. In der Natur vorkommende Stärke ist mit Hilfe eines Verfahrens zum Elektrospinnen deshalb nicht verarbeitungsfähig, weil natürliche Stärke in der Regel eine granulare Struktur hat. Es ist jetzt entdeckt worden, dass eine modifizierte, "destrukturierte" Stärkezusammensetzung mit Erfolg unter Anwendung eines Verfahrens zum Elektrospinnen verarbeitet werden kann.
Die gemeinsam erteilte Patentanmeldung unter dem Titel "Melt Processible Starch Composition ((In der Schmelze verarbeitbare Stärkezusmmensetzung))" (Larry Neil Mackey et al., Aktenzeichen #7967R), angemeldet mit dem Anmeldedatum der vorliegenden Patentanmeldung, offenbart eine Stärkezusammensetzung, die zur Erzeugung der Stärkefilamente geeignet ist, wie sie in der flexiblen Struktur 100 der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Diese Stärkezusammensetzung weist Stärke auf, die eine massegemittelte relative Molekülmasse im Bereich von etwa 1.000 bis etwa 2.000.000 hat und ein Hochpolymer enthalten kann, das weitgehend mit Stärke kompatibel ist und eine massegemittelte relative Molekülmasse von mindestens 500.000 hat. In einer der Ausführungsformen kann diese Stärkezusammensetzung etwa 20% bis etwa 99 Gew.% Amylopektin aufweisen. Die Offenbarung dieser gemeinsam übertragenen Patentanmeldung ist hiermit als Fundstelle einbezogen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Stärkepolymer mit Wasser, Weichmachern und anderen Additiven gemischt werden und eine resultierende Schmelze kann verarbeitet werden (beispielsweise extrudiert werden) und so konfiguriert werden, dass Stärkefilamente erzeugt werden, die für die flexible Struktur der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Die Stärkefilamente können Stärke von Spurenmengen bis zu 100% aufweisen oder mit Stärke und anderen geeigneten Materialien vermischt werden, wie beispielsweise Cellulose, synthetische Materialien, Proteine und jede beliebige Kombination davon.
In Stärkepolymere können natürlich vorkommende Stärke einbezogen sein, physikalisch modifizierte Stärke oder chemisch modifizierte Stärke. Geeignete, natürlich vorkommende Stärken schließen beispielsweise die Folgenden ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: Maisstärke, Kartoffelstärke, Süßkartoffelstärke, Weizenstärke, Sagopalmstärke, Tapiokastärke, Reisstärke, Sojabohnenstärke, Pfeilwurzstärke, gebrochene Stärke, Lotusstärke, Wachsmaisstärke, amylosereiche Stärke und kommerzielles Amylosepulver. Natürlich vorkommende Stärken und speziell Maisstärke, Kartoffelstärke und Weizenstärke sind wegen ihrer Verfügbarkeit die Stärkepolymere der Wahl.
Physikalisch modifizierte Stärke wird erzeugt, indem ihre dimensionale Struktur verändert wird. Physikalisch modifizierte Stärke kann α-Stärke einschließen, fraktionierte Stärke, mit Feuchtigkeit und Wärme behandelte Stärke und mechanisch behandelte Stärke.
Chemisch modifizierte Stärke kann erzeugt werden durch Reaktion ihrer OH-Gruppen mit Alkylenoxiden und anderen Ether-, Ester-, Urethan-, Carbamat- oder Isocyanat erzeugenden Substanzen. Hydroxyalkyl-, Acetyl- oder Carbamat-Stärken und Mischungen davon befinden sich unter den Ausführungsformen von chemisch modifizierten Stärken. Der Substitutionsgrad der chemisch modifizierten Stärke beträgt 0,05 bis 3,0 und spezieller 0,05 bis 0,2.
Ein natürlicher Wassergehalt kann von etwa 5% bis etwa 16 Gew.% und spezieller von etwa 8% bis etwa 12 Gew.% betragen. Der Amylosegehalt der Stärke beträgt von 0% bis etwa 80% und spezieller von etwa 20% bis etwa 30%.
Dem Stärkepolymer kann ein Weichmacher zugesetzt werden, um die Glasübergangstemperatur der herzustellenden Stärkefilamente herabzusetzen, wodurch ihre Flexibilität erhöht wird. Darüber kann das Vorhandensein des Weichmachers die Schmelzeviskosität verringern, was wiederum den Prozess der Schmelzextrusion erleichtert. Bei dem Weichmacher handelt es sich um eine organische Verbindung, die mindestens über eine Hydroxyl-Gruppe verfügt, wie beispielsweise ein Polyol. Als geeignet haben sich Sorbit erwiesen, Mannit, D-Glucose, Polyvinylalkohol, Ethylenglykol, Polyethylenglykol, Propylenglykol, Polypropylenglykol, Saccharose, Fructose, Glycerin und Mischungen davon. Die Beispiele für Weichmacher schließen Sorbit ein, Saccharose und Fructose in Mengen im Bereich von etwa 0,1 % bis etwa 70 Gew.% und spezieller etwa 0,2% bis etwa 30 Gew.% und noch spezieller etwa 0,5% bis etwa 10 Gew.%.
In das Stärkepolymer lassen sich typischerweise andere Additive als Verarbeitungshilfen und zur Modifikation der physikalischen Eigenschaften einbeziehen, wie beispielsweise der Elastizität, der Trockenzugfestigkeit und der Nassfestigkeit der extrudierten Stärkefilamente. Additive liegen im typischen Fall in Mengen im Bereich von 0,1% bis 70 Gew.% bezogen auf nichtflüchtige Bestandteile vor (was bedeutet, dass die Menge unter Ausschluss flüchtiger Substanzen berechnet wird, wie beispielsweise Wasser). Die Beispiele für Additive schließen die Folgenden ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: Harnstoff, Harnstoff-Derivate, Vernetzungsmittel, Emulgiermittel, Tenside, Gleitmittel, Proteine und ihre Alkalisalze, biozersetzbare synthetische Polymere, Wachse, niedrig schmelzende synthetische thermoplastische Polymere, klebrig machende Harze, Streckmittel und Mischungen davon. Beispiele für biozersetzbare synthetische Polymere schließen die Folgenden ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: Polycaprolacton, Polyhydroxybutyrate, Polyhydroxyvalerate, Polylactide und Mischungen davon. Andere Additive schließen optische Aufheller ein, Antioxidantien, Flammhemmmittel, Farbstoffe, Pigmente und Füllstoffe. In der vorliegenden Erfindung kann ein Additiv, das Harnstoff in Mengen im Bereich von 0,5% bis 60 Gew.% aufweist, vorteilhaft in die Stärkezusammensetzung einbezogen werden.
Geeignete Streckmittel zur Verwendung hierin schließen ein: pflanzliche Proteine, wie beispielsweise Maisprotein, Sonnenblumenprotein, Sojabohnenproteine, Baumwollsamenproteine; sowie wasserlösliche Polysaccharide, wie beispielsweise Alginate, Irish Moos, Guarmehl, Agar, Gummi arabicum und verwandte Gummisubstanzen sowie Pektin; und wasserlösliche Derivate von Cellulose, wie beispielsweise Alkylcellulosen, Hydroxyalkylcellulosen, Carboxymethylcellulose, usw. Ebenfalls lassen sich wasserlösliche synthetische Polymere verwenden, wie beispielsweise Polyacrylsäuren, Polyacrylsäureester, Polyvinylacetate, Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidon, usw.
Zur Verbesserung der Fließeigenschaften des Stärkematerials während des Prozesses der vorliegenden Erfindung können ferner Verbindungen als Gleitmittel zugesetzt werden. Die Gleitmittel-Verbindungen können tierische oder pflanzliche Fette einschließen und bevorzugt in ihrer hydrierten Form, speziell solche, die bei Raumtemperatur fest sind. Zusätzliche Gleitmittelmaterialien schließen Monoglyceride ein und Diglyceride sowie Phosphatide und speziell Lecithin. Für die vorliegende Erfindung wird eine Gleitmittelverbindung als vorteilhaft angesehen, in die ein Monoglycerid, Glycerinmonostearat einbezogen sind.
Als kostengünstige Füllstoffe oder Verarbeitungshilfen können weitere Additive zugesetzt werden, einschließlich anorganische Füllstoffe, wie beispielsweise die Oxide von Magnesium, Aluminium, Silicium und Titan.
Darüber hinaus können als Verarbeitungshilfen anorganische Salze zugesetzt werden, einschließlich Alkalimetallsalze, Erdalkalimetallsalze, Phosphatsalze, usw.
Je nach der speziellen Endanwendung des vorgesehenen Produktes können andere Additive wünschenswert sein. Beispielsweise ist in Produkten, wie z.B. Toilettenpapier, Einweghandtücher, Taschentücher und in anderen ähnlichen Produkten, die Nassfestigkeit ein wünschenswertes Merkmal. Daher ist es oftmals wünschenswert, dem Stärkepolymer Vernetzungsmittel zuzusetzen, die auf dem Fachgebiet als "nass-feste" Harze bekannt sind.
Eine allgemeine Dissertation über die Arten von nass-festen Harzen, die in der Papiertechnik zum Einsatz gelangen, finden sich in den TAPPI-Monographien der Reihen Nr. 29, "Wet Strength in Paper and Paperboard", Technical Association of the Pulp and Paper Industry (New York, 1965), die hiermit als Fundstelle einbezogen ist. Die am meisten verwendbaren nass-festen Harze sind generell von kationischem Charakter gewesen. Polyamid-Epichlorhydrinharze sind nass-feste kationische Polyamidamin-Epichlorhydrinharze, die sich als besonders nützlich erwiesen haben. Geeignete Vertreter derartiger Harze wurden in der US-P-3 700 623, erteilt am 24. Oktober, 1972, und der 3 772 076, erteilt am 13. November, 1973, beide von Keim, beschrieben worden. Eine kommerzielle Quelle für ein verwendbares Polyamid-Epichlorhydrinharz ist Hercules, Inc. of Wilmington, Delaware, das derartige Harze unter dem Warenzeichen Kymene^TM vertreibt.
Von glyoxylierten Polyacrylamidharzen hat sich ebenfalls erwiesen, dass sie als nass-feste Harze von Nutzen sind. Diese Harze wurden in der US-P-3 556 932, erteilt am 19. Januar, 1971 an Coscia, et al. und in der 3 556 933, erteilt am 19. Januar, 1971 an Williams et al. beschrieben. Eine der kommerziellen Quellen für glyoxylierte Polyacrylamidharze ist Cytec Co. of Stanford, Connecticut, die eines dieser Harze unter dem Warenzeichen Parez^TM 631 NC vertreiben.
Noch andere wasserlösliche kationische Harze, die in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangen können, sind Harnstoff-Formaldehyd- und Melamin-Formaldehydharze. Die häufigeren funktionellen Gruppen dieser polyfunktionellen Harze sind Stickstoff enthaltende Gruppen, wie beispielsweise Amino-Gruppen und Methyl-Gruppen, die sich an einem Stickstoff befinden. Harze vom Polyethylenimin-Typ können ebenfalls in der vorliegenden Erfindung eine Nutzanwendung finden. Darüber hinaus lassen sich in der vorliegenden Erfindung temporär nass-feste Harze verwenden, wie beispielsweise Caldas 10 (hergestellt von Japan Carlit) und CoBond 1000 (hergestellt von der National Starch and Chemical Company).
Für die vorliegende Erfindung ist eines der Vernetzungsmittel das nassfeste Harz Kymene^TM in Mengen im Bereich von etwa 0,1 % bis etwa 10 Gew.% und spezieller von etwa 0,1 % bis etwa 3 Gew.%.
Um geeignete Stärkefilamente für die flexible Struktur 100 der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, sollte die Stärkezusammensetzung ein bestimmtes rheologisches Verhalten während der Verarbeitung zeigen, wie beispielsweise eine Dehnviskosität und eine bestimmte Kapillaritätszahl. Selbstverständlich bestimmt die Art der Verarbeitung (Elektrospinnen) die erforderlichen rheologischen Eigenschaften der Stärkezusammensetzung.
Die extensionale oder Dehnviskosität (η_e) bezieht sich auf die Dehnfähigkeit der Schmelze der Stärkezusammensetzung und ist bei extensionalen Prozessen, wie beispielsweise der Erzeugung von Stärkefilamenten von Bedeutung. Die Dehnviskosität schließt drei Typen ein, die von der Verformungsart der Zusammensetzung abhängen: uniaxiale oder einfache Dehnviskosität, biaxiale Dehnviskosität und reine Scher-Dehnviskosität. Die uniaxiale Dehnviskosität ist besonders wichtig bei uniaxialen extensionalen Prozessen, wie beispielsweise der mechanischen Lähmung, dem Schmelzblasen, der Vliesver festigung und dem Elektrospinnen. Die anderen zwei Dehnviskositäten sind bei der biaxialen Dehnung oder bei Formprozessen zur Herstellung von Folien, Schäumen, Flächengebilden oder Bauteilen von Bedeutung.
Bei dem konventionellen Faserspinnen von thermoplastischen Stoffen, wie beispielsweise Polyolefinen, Polyamiden und Polyestern, gibt es eine starke Korrelation zwischen der Dehnviskosität und Scherviskosität dieser konventionellen thermoplastischen Materialien und Blends davon, d.h. die Spinnbarkeit des Materials kann einfach über die Scherviskosität der Schmelze bestimmt werden, obgleich die Spinnbarkeit eine Eigenschaft ist, die hauptsächlich von der Dehnviskosität der Schmelze bestimmt wird. Die Korrelation ist verhältnismäßig robust, so dass die Faserindustrie beim Auswählen und Formulieren von in der Schmelze spinnbaren Materialien auf die Scherviskosität der Schmelze zurückgreift. Die Dehnviskosität der Schmelze ist als ein technisches Mittel zum Screening nur selten angewendet worden.
Es ist daher überraschend festzustellen, dass die Stärkezusammensetzungen der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise eine solche Korrelation zwischen Scher- und Dehnviskositäten zeigen. Die Stärkezusammensetzungen zeigen hierin ein Schmelzflussverhalten, das für ein nicht-Newtonsches Fluid typisch ist und können als solche ein Kaltverfestigungsverhalten zeigen, d.h. die Dehnviskosität nimmt mit Erhöhung der Spannung oder Verformung zu.
Wenn beispielsweise zu einer Stärkezusammensetzung ein nach der vorliegenden Erfindung ausgewähltes Hochpolymer zugegeben wird, bleibt die Scherviskosität der Zusammensetzung relativ unverändert oder nimmt sogar geringfügig ab. Auf der Grundlage der konventionellen Lehre wäre zu erwarten, dass eine solche Stärkezusammensetzung eine verminderte Verarbeitungsfähigkeit in der Schmelze zeigen würde, und es war nicht zu erwarten, dass sie sich für Schmelzdehnprozesse eignen würde. Allerdings war es überraschend festzustellen, dass die Stärkezusammensetzung hierin eine deutliche Zunahme der Dehnviskosität zeigt, wenn sogar nur eine geringe Menge von Hochpolymer zugesetzt wird. Demzufolge wurde hierin festgestellt, dass die Stärkezusammensetzung eine erhöhte Schmelzdehnbarkeit hat und für Schmelzdehnprozesse geeignet ist und speziell solche Prozesse unter Einbeziehung des Schmelzblasens, Vliesverfestigens und Elektrospinnens.
Eine Stärkezusammensetzung, die eine Scherviskosität, gemessen nach der hierin offenbarten Testmethode, von weniger als etwa 30 Pascal Sekunden (Pa·s) und spezieller von etwa 0,1 Pa·s bis 10 Pa·s und noch spezieller von etwa 1 bis etwa 8 Pa·s, ist hierin in den Prozessen der Schmelzeausdünnung verwendbar. Einige Stärkezusammensetzungen können hierin über eine geringe Schmelze viskosität verfügen, so dass sie in herkömmlichen Anlagen der Polymerverarbeitung gemischt, gefördert oder auf andere Weise verarbeitet werden können, wie sie im typischen Fall für viskose Fluids angewendet werden, z.B. ein stationärer Mischer, der mit Dosierpumpe und Spinnbrause ausgestattet ist. Die Scherviskosität der Stärkezusammensetzung kann wirksam über das Molekulargewicht und die Molmassenverteilung der Stärke, über das Molekulargewicht des Hochpolymers und die Menge der zur Anwendung gelangenden Weichmacher und/oder Lösemittel modifiziert werden. Es wird angenommen, dass die Verringerung der mittleren relativen Molekülmasse der Stärke eine wirksame Möglichkeit ist, die Scherviskosität der Zusammensetzung zu verringern.
In einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben in der Schmelze verarbeitbare Stärkezusammensetzungen eine Dehnviskosität im Bereich von etwa 50 Pa·s bis etwa 20.000 Pa·s und spezieller von etwa 100 Pa·s bis etwa 15.000 Pa·s und noch spezieller von etwa 200 Pa·s bis etwa 10.000 Pa·s und noch spezieller von etwa 300 Pa·s bis etwa 5.000 Pa·s und selbst noch spezieller von etwa 500 Pa·s bis etwa 3.500 Pa·s bei einer vorgegebenen Temperatur. Die Dehnviskosität wird nach einer Methode berechnet, die nachfolgend in dem Abschnitt "Berechnungsmethoden" erläutert wird.
Das rheologische (einschließlich die Dehnviskosität) Verhalten der Stärkezusammensetzung können viele Faktoren beeinflussen. Diese Faktoren schließen die Folgenden ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: die Menge und der Typ von Polymerkomponenten, die zur Anwendung gelangen, die Molmasse und Molmassenverteilung der Komponenten und einschließlich der Stärke und der Hochpolymere, der Amylosegehalt der Stärke, die Menge und der Typ von Additiven (z.B. Weichmacher, Streckmittel, Verarbeitungshilfen), der Typ der Verarbeitung (z.B. Schmelzblasen oder Elektrospinnen) und die Verarbeitungsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Verformungsgeschwindigkeit und relative Feuchtigkeit, sowie im Fall von nicht-Newtonschen Materialien die Vorgeschichte der Verformung (d.h. eine Abhängigkeit von der zeitlichen Vorgeschichte oder der vorangegangenen Belastung). Einige Materialien können sich kalt verfestigen, d.h. ihre Dehnviskosität nimmt mit Erhöhung der Belastung zu. Es wird angenommen, dass dieses auf ein Strecken eines verflochtenen Polymernetzwerkes zurückzuführen ist. Wenn die Spannung aus dem Material herausgenommen wird, erholt sich das gestreckte, verflochtene Polymernetzwerk zu einem niedrigeren Belastungsniveau, was von der Zeitkonstanten der Relaxation abhängt, die eine Funktion der Temperatur, der Molmasse des Polymers, der Konzentration des Lösemittels oder Weichmachers und anderer Faktoren ist.
Das Vorhandensein und die Eigenschaften von Hochpolymeren können einen bedeutenden Einfluss auf die Dehnviskosität der Stärkezusammensetzung haben. Die Hochpolymere, die zur Verbesserung der Dehnbarkeit der Schmelze der in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangenden Stärkezusammensetzung verwendet werden, sind im typischen Fall weitgehend lineare Polymere mit hohem Molekulargewicht. Darüber hinaus sind Hochpolymere, die mit Stärke weitgehend kompatibel sind, am wirksamsten zur Verbesserung der Dehnbarkeit der Schmelze der Stärkezusammensetzung.
Es ist festgestellt worden, dass für die extensionalen Schmelzprozesse verwendbaren Stärkezusammensetzungen typischerweise in ihrer Dehnviskosität um einen Faktor von mindestens 10 zunehmen, wenn der Zusammensetzung ein ausgewähltes Hochpolymer zugesetzt wird. Im typischen Fall zeigen die Stärkezusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eine Zunahme der Dehnviskosität um einen Faktor von etwa 10 bis etwa 500 und spezieller von etwa 20 bis etwa 300 und noch spezieller von etwa 30 bis 100, wenn ein ausgewähltes Hochpolymer zugesetzt wird. Je höher die Konzentration des Hochpolymers ist, um so größer ist die Zunahme der Dehnviskosität. Ein Hochpolymer kann zugesetzt werden, um die Dehnviskosität auf einen Wert von 200 bis 2.000 Pa·s bei einer Hencky-Belastung von 6 einzustellen. Beispielsweise kann als Bestandteil der Stärkezusammensetzung ein Polyacrylamid mit einer relativen Molekülmasse (MW) von 1 Million bis 15 Millionen mit einer Konzentration von 0,001 bis 0,1 % zugesetzt werden.
Der Typ und die Menge der Stärke, die zum Einsatz gelangt, können ebenfalls einen Einfluss auf die Dehnviskosität der Stärkezusammensetzung haben. In der Regel nimmt die Dehnviskosität mit abnehmendem Gehalt der Amylose der Stärke zu. Ebenfalls nimmt in der Regel die Dehnviskosität mit Zunahme des Molekulargewichts der Stärke innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs zu. Schließlich nimmt die Dehnviskosität in der Regel mit Erhöhung der Konzentration der Stärke in den Zusammensetzungen zu. (Umgekehrt nimmt die Dehnviskosität in der Regel mit Zunahme der Konzentration des Additivs in den Zusammensetzungen ab).
Die Temperatur der Stärkezusammensetzung kann die Dehnviskosität der Stärkezusammensetzung stark beeinflussen. Für die Aufgaben der vorliegenden Erfindung lassen sich alle konventionellen Maßnahmen zum Kontrollieren der Temperatur der Stärkezusammensetzung nutzen, wenn dieses für einen speziellen, zum Einsatz gelangenden Prozess geeignet ist. In den Ausführungsformen, bei denen die Stärkefilamente durch Extrusion durch eine Düse erzeugt werden, kann beispielsweise die Temperatur einen starken Einfluss auf die Dehnviskosität der Stärkezusammensetzungen haben, die durch die Düse extrudiert werden. Im Allgemeinen nimmt die Dehnviskosität der Stärkezusammensetzung ab, wenn die Temperatur der Stärkezusammensetzung zunimmt. Die Temperatur der Stärkezusammensetzung kann im Bereich von etwa 20° bis etwa 180°C und spezieller von etwa 20° bis etwa 90°C und noch spezieller von etwa 50° bis etwa 80°C liegen. Es gilt als selbstverständlich, dass das Vorhandensein oder das Fehlen von Feststoffen in der Stärkezusammensetzung deren erforderliche Temperatur beeinflussen können.
Das Trouton-Verhältnis (Tr) kann verwendet werden, um die Dehnströmung darzustellen. Das Trouton-Verhältnis wird als der Quotient aus der Dehnviskosität (η_e) und der Scherviskosität (η_s) definiert: Tr = ηe(ε•, t)/ηs,darin ist die Dehnviskosität η_e abhängig von der Verformungsgeschwindigkeit (ε^•) und der Zeit (t). Bei einer Newtonschen Flüssigkeit hat das Trouton-Verhältnis bei uniaxiale Dehnung einen konstanten Wert von 3. Bei einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit, wie beispielsweise bei Stärkezusammensetzungen ist hierin die Dehnviskosität von der Verformungsgeschwindigkeit (ε^•) und der Zeit (t) abhängig. Es ist außerdem festgestellt worden, dass in der Schmelze verarbeitungsfähige Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung typischerweise ein Trouton-Verhältnis von mindestens etwa 3 haben. Im typischen Fall liegt das Trouton-Verhältnis im Bereich von etwa 10 bis etwa 5.000 und speziell von etwa 20 bis etwa 1.000 und spezieller von etwa 30 bis etwa 500, wenn bei Verarbeitungstemperatur und Dehngeschwindigkeit von 700 s^–1 bei einer Hencky-Belastung von 6 gemessen wird.
Die Anmelder haben ebenfalls festgestellt, dass in den Ausführungsformen, in denen die Stärkefilamente durch Extrusion erzeugt werden, die inhärente Kapillaritätszahl (Ca) der Stärkezusammensetzung, wenn sie die Extrusionsdüse passiert, für die Verarbeitungsfähigkeit der Schmelze von Bedeutung ist. Die inhärente Kapillaritätszahl ist eine Zahl, die das Verhältnis der Kräfte der viskosen Flüssigkeit zu den Kräften der Oberflächenspannung darstellt. In der Nähe des Austritts aus einer Kapillardüse zerreißt das flüssige Filament zu Tröpfchen, wenn die viskosen Kräfte nicht deutlich größer sind als die Kräfte der Oberflächenspannung, was üblicherweise bezeichnet wird als "Zerstäubung". Die Kapillaritätszahl wird nach der folgenden Gleichung berechnet: Ca = (ηs•Q)/(π•r2•σ)worin η_s die Scherviskosität in Pa·s ist und bei einer Schergeschwindigkeit von 3.000 s^–1 gemessen wird; Q ist der Volumenstrom durch die Kapillardüse in m³/s; r ist der Radius der Kapillardüse in Metern (bei nichtrunden Düsen kann das Äquivalent Durchmesser/Radius verwendet werden); und σ ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit in Newton pro Meter.
Da entsprechend der vorstehenden Beschreibung die Kapillaritätszahl auf die Scherviskosität bezogen ist, wird sie in ähnlicher Weise von den gleichen Faktoren beeinflusst, die die Scherviskosität beeinflussen. Wie hierin verwendet, beschreibt der Begriff "inhärent" ((logarithmisch)) in Verbindung mit der Kapillaritätszahl oder der Oberflächenspannung Eigenschaften einer Stärkezusammensetzung, die nicht von äußeren Faktoren beeinflusst werden, wie beispielsweise bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes. Der Begriff "effektiv" bezeichnet die Eigenschaften der Stärkezusammensetzung, die von Außenfaktoren beeinflusst worden sind, wie beispielsweise bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes.
In einer der Ausführungsformen haben die in der Schmelze verarbeitungsfähigen Stärkezusammensetzungen eine inhärente Kapillaritätszahl, beim Passieren der Düse von mindestens 0,01 und eine effektive Kapillaritätszahl von mindestens 1,0. Aus Stabilitätsgründen muss die Kapillaritätszahl ohne Elektrostatik größer sein als 1 und bei einer robusten Stabilität des zu erzeugenden Filamentes bevorzugt größer als 5. Ohne Einbeziehung der Elektrostatik wirkt eine Ladungsabstoßung dem Einfluss der Oberflächenspannung entgegen, so dass die inhärente Kapillaritätszahl, gemessen ohne eine vorhandene elektrische Aufladung, kleiner sein kann als 1. Wenn ein elektrisches Potential an dem zu erzeugenden Filament anliegt, nimmt die effektive Oberflächenspannung ab und die effektive Kapillaritätszahl erhöht sich auf der Grundlage der folgenden Gleichungen:
Obgleich sich die Kapillaritätszahl in unterschiedlichen Formen ausdrücken lässt, lautet eine repräsentative Gleichung, die zur Bestimmung der logarithmischen Kapillaritätszahl eines Materials verwendet werden kann: Cainhärent = ηs•v/σworin sind:

Ca_inhärent: eine logarithmische Kapillaritätszahl
η_s: die Scherviskosität der Flüssigkeit
v: die lineare Geschwindigkeit der Flüssigkeit
σ: die Oberflächenspannung der Flüssigkeit

Was die vorliegende Erfindung betrifft, hatte eine repräsentative Probe die folgende Zusammensetzung und die folgenden Eigenschaften: Zusammensetzung

Purity Gum 59 von der National Starch Inc.	40,00%
deionisiertes Wasser	59,99%

Superfloc N-300 LMW von Cytec	0,01 % Polyacrylamid mit hohem Molekulargewicht
Durchlauftemperatur	120°F
Scherviskosität bei 3.000 s^–1	0,1 Pa·s
Düsendurchmesser	0,0254 cm
lineare Geschwindigkeit	0,236 m/s
inhärente Oberflächenspannung	72 dyn/cm

Im Versuch wird dieses Material ohne eine elektrostatische Ladung auf dem Fluid durch die Düsenspitze strömen, kleine Tröpfchen bilden und anschließend unter der Schwerkraft zu diskreten Tröpfchen herabfallen. In dem Maße wie ein elektrisches Potential an dem System erhöht wird, werden die Tropfen kleiner und beginnen in Richtung auf den Erdungsmechanismus beschleunigt zu werden. Wenn das elektrische Potential (bei dieser Probe 25 Kilovolt) einen kritischen Wert erreicht, bildet sich an der Spitze der Düse kein Tropfen mehr und es wird eine kleine kontinuierliche Faser aus der Düsenspitze ausgestoßen. Damit hat das angelegte elektrische Potential die Kräfte der Oberflächenspannung überwunden, indem der Kapillar-Fehlermodus eliminiert ist. Die effektive Kapillaritätszahl ist jetzt größer als 1. Laborversuche mit der beschriebenen Lösung und dem Versuchsaufbau erzeugten weitgehend kontinuierliche Fasern. Die Fasern wurden auf einem Vakuumsieb in Form einer Fasermatte aufgenommen. Die Analyse mit Hilfe der Lichtmikroskopie zeigte, dass die resultierenden Fasern zusammenhängend waren und Durchmesser im Bereich von 3 bis 5 μm hatten.
In einigen Ausführungsformen kann die inhärente Kapillaritätszahl mindestens 1 betragen, spezieller von 1 bis 100 und noch spezieller von etwa 3 bis etwa 50 und noch spezieller von etwa 5 bis etwa 30.
Die Stärkezusammensetzung wird hierin in einem fließfähigen Zustand verarbeitet, der im typischen Fall bei einer Temperatur auftritt, die mindestens gleich oder höher ist als die "Schmelztemperatur". Der Temperaturbereich der Verarbeitung wird daher durch die "Schmelztemperatur" der Stärkezusammensetzung bestimmt, die nach der hierin detailliert beschriebenen "Testmethode" gemessen wird. Die Schmelztemperatur der Stärkezusammensetzung reicht hierin von etwa 20° bis etwa 180°C und spezieller von etwa 30° bis etwa 130°C und noch spezieller von etwa 50° bis etwa 90°C. Die Schmelztemperatur der Stärkezusammensetzung ist eine Funktion des Amylosegehaltes der Stärke (ein höhere Amylosegehalt erfordert eine höhere Schmelztemperatur), des Wassergehalts, des Gehalts an Weichmacher und des Typs des Weichmachers.
Beispielhafte uniaxiale extensionale Prozesse, die für die Stärkezusammensetzungen geeignet sind, schließen das Schmelzspinnen, das Schmelz blasen und das Vliesverfestigen. Diese Prozesse wurden detailliert beschrieben in den US-P-4 064 605, erteilt am 27. Dezember, 1977 an Akiyama et al.; US-P-4 418 026, erteilt am 29. November, 1983 an Blackie et al.; 4 855 179, erteilt am 8. August, 1989 an Bourland et al.; 4 909 976, erteilt am 20. März, 1990 an Cuculo et al.; 5 145 631, erteilt am 8. September, 1992 an Jezic; 5 516 815, erteilt am 14. Mai, 1996 an Buehler et al. und US-P-5 342 335, erteilt am 30. August, 1994 an Rhim et al.
Schematisch wird in den 7, 8 und 9 ein Apparat 10 zum Herstellen von Stärkefilamenten gezeigt, die sich für die flexible Struktur 100 der vorliegenden Erfindung eignen. Der Apparat 10 kann beispielsweise einen Einschnecken- oder Doppelschneckenextruder mit Verdrängerpumpe aufweisen oder eine Kombination davon, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Stärkelösung kann einen Gesamtgehalt an Wasser, d.h. Hydratationswasser plus zugesetztes Wasser, im Bereich von etwa 5% bis etwa 80% und spezieller im Bereich von etwa 10% bis etwa 60% bezogen auf das Gesamtgewicht des Stärkematerials haben. Das Stärkematerial wird bis zu erhöhten Temperaturen erhitzt, die ausreichend sind, um eine pseudo-thermoplastische Schmelze zu erzeugen. Eine solche Temperatur ist typischerweise höher als die Glasübergangstemperatur und/oder Schmelztemperatur des erzeugten Materials. Die pseudo-thermoplastischen Schmelzen der Erfindung sind polymere Fluids, die eine von der Schergeschwindigkeit abhängige Viskosität haben, wie auf dem Gebiet bekannt ist. Die Viskosität nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit sowie mit zunehmender Temperatur ab.
Das Stärkematerial kann in einem geschlossenen Volumen in Gegenwart einer geringen Konzentration Wasser erhitzt werden, um das Stärkematerial in eine pseudo-thermoplastische Schmelze zu überführen. Bei dem geschlossenen Volumen kann es sich um einen geschlossenen Behälter handeln oder das Volumen wird durch die abdichtende Wirkung des Beschickungsmaterials erzeugt, wie es in der Schnecke der Extrusionsanlage vorkommt. Die in dem geschlossenen Behälter erzeugten Drücke schließen Drücke in Folge des Dampfdruckes des Wassers sowie Drücke ein, die in Folge der Kompression der Materialien in der Schnecke/dem Zylinder des Extruders erzeugt werden.
Zur Verringerung der Viskosität der pseudo-thermoplastischen Schmelze kann ein Katalysator zum Aufspalten der Kette verwendet werden, der das Molekulargewicht dadurch verringert, dass die Glykosid-Bindungen in den Stärke-Makromolekülen aufgespalten werden, was zu einer Verringerung der mittleren relativen Molekülmasse der Stärke führt. Geeignete Katalysatoren schließen anorganische und organische Säuren ein. Geeignete anorganische Säuren schließen ein: Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und Borsäure sowie die Halbsalze mehrbasischer Säuren, z.B. NaHSO₄ oder NaH₂PO₄, usw. Geeignete organische Säuren schließen ein: Ameisensäure, Essigsäure, Propansäure, Butansäure, Milchsäure, Glykolsäure, Oxasäure, Citronensäure, Weinsäure, Itaconsäure, Succinsäure und andere organische Säuren, die auf dem Gebiet bekannt sind und einschließlich Halbsalze der mehrbasischen Säuren. In der vorliegenden Erfindung können vorteilhaft Salzsäure, Schwefelsäure und Citronensäure und einschließlich Mischungen davon verwendet werden.
Die Verringerung des Molekulargewichts der zur Anwendung gelangenden nicht modifizierten Stärke kann um einen Faktor von 2 bis 5.000 und spezieller um einen Faktor von 4 bis 4.000 erfolgen. Die Konzentration von Katalysatoren liegt im Bereich von 10^–6 bis 10^–2 Mol Katalysator pro Mol Anhydroglucose-Einheit und spezieller zwischen 0,1 × 10^–3 bis 5 × 10^–3 Mol Katalysator pro Mol Anhydroglucose-Einheit der Stärke.
In 7 wird die Stärkezusammensetzung dem Apparat 10 zur Erzeugung der Stärkefilamente durch Elektrospinnen zugeführt, die bei der Erzeugung der flexiblen Struktur 100 der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Der Apparat 10 umfasst ein Gehäuse 11, das so aufgebaut und konfiguriert ist, um die Stärkezusammensetzung 17 aufzunehmen (Pfeil A, die darin gehalten und zu Stärkefilamenten 17a durch eine Düse 14 eines Extruderkopfes 13 extrudiert werden kann (Pfeil D). Es kann ein ringförmiger Hohlraum 12 vorgesehen werden, um eine Heizflüssigkeit in den Umlauf zu bringen (Pfeile B und C), mit der die Stärkezusammensetzung bis zu einer gewünschten Temperatur erhitzt werden kann. Andere Mittel zum Beheizen sind auf dem Fachgebiet gut bekannt, wie beispielsweise solche, die eine Elektroheizung verwenden, Impulsfeuerung, Wasser- und Dampfheizung, usw., die zum Erhitzen der Stärkezusammensetzung zur Anwendung gelangen können.
Das elektrische Feld kann direkt an die Stärkelösung angelegt werden, wie beispielsweise über eine elektrisch geladene Sonde, oder an das Gehäuse 11 und/oder an dem Extruderwerkzeug 13. Nach Erfordernis kann das Teil zum Formen 200 mit elektrisch entgegengesetzter Ladung elektrisch aufgeladen werden, um die zu extrudierenden Stärkefilamente aufzuladen. Alternativ kann das Teil zum Formen geerdet werden. Die Potentialdifferenz kann 5 bis 60 kV und spezieller 20 bis 40 kV betragen.
Sodann kann auf das Teil zum Formen 200 eine Vielzahl extrudierter Stärkefilamente abgelegt werden, wobei das Teil zum Formen in einem bestimmten Abstand von dem Apparat 10 läuft. Dieser Abstand sollte ausreichend groß sein, um zu ermöglichen, dass die Stärkefilamente gestreckt und anschließend getrocknet werden und gleichzeitig bei einer unterschiedlichen Aufladung zwischen den Stärkefilamenten gehalten werden, die an der Strahldüse 14 und dem Teil zum Formen 200 austreten. Für diese Aufgabe kann ein Luftstrom zum Trocknen auf die Vielzahl der Stärkefilamente aufgebracht werden, um zu bewirken, dass die Vielzahl von Stärkefilamenten in einem Winkel abgelenkt werden. Dadurch würde man die Möglichkeit haben, einen Mindestabstand zwischen der Strahldüse 14 und dem Teil zum Formen 200 aufrecht zu erhalten und damit für die Aufgaben des gleichzeitigen Aufrechterhaltens einer Ladungsdifferenz dazwischen, um die Länge eines Abschnittes der Filamente zwischen der Düse und dem Teil zum Formen 200 auf ein Maximum zu bringen, und damit für die Aufgaben eines wirksamen Trocknens der Filamente. In einer solchen Anordnung lässt sich das Teil zum Formen 200 in einem Winkel relativ zur Richtung der Faserfilamente anordnen, wenn sie aus der Strahldüse 14 (Pfeil D in 7) austreten.
Wahlweise kann Luft zum Verfeinern in Kombination mit einer elektrostatischen Kraft angewendet werden, um die Streckkraft bereitzustellen, die dazu führt, dass die Stärkefilamente verfeinert oder gestreckt werden, bevor sie auf das Teil zum Formen 200 abgelegt werden. 7A zeigt schematisch eine exemplarische Ausführungsform des Extruderkopfes, der für Luft zum Verfeinern ausgestattet ist mit einer kreisrunden Düse 15, die die Strahldüse 14 umgibt, sowie 3 anderen Düsen 16, die um die Strahldüse 14 mit 120° gleichmäßig beabstandet sind. Als einbezogen in die vorliegende Erfindung gelten selbstverständlich auch andere Anordnungen der Luft zum Verfeinern, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Stärkefilamente ein Feinheitsmaß im Bereich von etwa 0,01 Decitex bis etwa 135 Decitex und spezieller von etwa 0,02 Decitex bis etwa 30 Decitex und noch spezieller von etwa 0,02 Decitex bis etwa 5 Decitex haben. Die Stärkefilamente können über verschiedene Querschnittformen verfügen, in die die Folgenden einbezogen sind, ohne auf diese beschränkt zu sein: kreisförmig, oval, rechteckig, dreieckig, sechseckig, kreuzähnlich, sternförmig, unregelmäßig sowie beliebige Kombinationen davon. Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird selbstverständlich sein, dass eine solche Vielzahl von Formen mit Hilfe unterschiedlicher Formen der Düsenöffnungen erzeugt werden kann, um die Stärkefilamente herzustellen.
10A zeigt schematisch und jedoch ohne Beschränkung einige mögliche Querschnittflächen der Stärkefilamente. Die Querschnittfläche des Stärkefilaments ist eine senkrecht zu der Hauptachse des Stärkefilaments stehende Fläche mit einem Umfang, der durch die Außenseite des Stärkefilaments in einer Ebene des Querschnittes gebildet wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Lichtundurchlässigkeit der flexiblen Struktur 10, welche die Stärkefilamente aufweist, um so größer ist, je größer die Oberfläche des Stärkefilamentes ist (bezogen auf die Längeneinheit oder das Gewicht davon). Daher wird angenommen, dass ein Maximieren der Oberfläche der Stärkefilamente durch Erhöhung des äquivalenten Durchmessers des Stärkefilaments nützlich sein kann, um die Lichtundurchlässigkeit der resultierenden flexiblen Struktur 100 der vorliegenden Erfindung zu erhöhen. Eine der Möglichkeiten zur Erhöhung des äquivalenten Durchmessers der Stärkefilamente umfasst das Erzeugen von Stärkefilamenten, die nicht kreisrunde, mehrseitige Querschnittformen haben.
Darüber hinaus müssen die Dicke und/oder die Querschnittfläche durch die gesamte Länge des Filaments oder eines Teils davon nicht gleichförmig sein. 10 zeigt beispielsweise schematisch ein Fragment des Stärkefilaments mit einer unterschiedlichen Querschnittfläche entlang seiner Länge. Derartige unterschiedliche Querschnittflächen können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass der Druck im Inneren einer Düse variiert wird oder mindestens eines der Merkmale der Luft zum Dämpfen oder der Trocknungsluft in einem Prozess zum Schmelzblasen oder einer Kombination von Prozessen des Schmelzblasens und Elektrospinnens verändert wird (wie beispielsweise Geschwindigkeit, Richtung, usw.).
Einige Stärkefilamente können über "Kerben" verfügen, die in bestimmten Abständen entlang der Länge des Filamentes oder eines Teils davon verteilt sind. Derartige Schwankungen der Querschnittfläche des Stärkefilamentes entlang der Länge des Filaments unterstützen vermutlich die Flexibilität der Filamente, verbessern die Fähigkeit der Filamente, sich miteinander in der zu erzeugenden flexiblen Struktur 100 zu verflechten und beeinflussen positiv die Weichheit und Flexibilität der zu erzeugenden resultierenden flexiblen Struktur 100. Die Kerben oder andere günstige Unregelmäßigkeiten in den Stärkefilamenten können erzeugt werden, indem die Stärkefilamente mit einer Oberfläche in Kontakt gebracht wird, die entsprechend der nachfolgenden Beschreibung scharte Kanten oder Vorsprünge hat.
Der nächste Verfahrensschritt umfasst das Bereitstellen eines Teils zum Formen 200. Das Teil zum Formen 200 kann einen mit Muster versehenen Zylinder (nicht gezeigt) oder ein anderes Teil zur Mustererzeugung umfassen, wie beispielsweise einen Fördergurt oder ein Band. Das Teil zum Formen 200 umfasst eine das Filament kontaktierende Seite 201 und eine Rückseite 202 gegenüber der das Filament kontaktierenden Seite 201. Eine Fluiddruckdifferenz (beispielsweise ein Vakuumdruck, der unterhalb des Förderriemens oder innerhalb des Zylinders vorhanden sein kann) kann sie Stärkefilamente in die Muster des Teils zum Formen drücken, um unterscheidbare Bereiche im Inneren der zu erzeugenden flexiblen Struktur zu erzeugen.
Im Verlaufe des Verfahrens zum Herstellen der Struktur 100 der vorliegenden Erfindung werden die Stärkefilamente auf der das Filament kontaktierenden Seite 201 abgelegt. Die zweite Seite 202 kontaktiert typischerweise die Anlage, wie beispielsweise Stützrollen, Führungsrollen, Vakuumapparat, usw., nach den speziellen Erfordernissen des Prozesses. Die das Filament kontaktierende Seite 201 umfasst ein dreidimensionales Muster von Vorsprüngen und/oder Vertiefungen. Im typischen Fall (obgleich nicht notwendigerweise) ist dieses Muster nicht regellos und wiederholt sich. Das dreidimensionale Muster der das Filament kontaktierenden Seite 201 kann ein weitgehend kontinuierliches Muster (4) aufweisen, ein weitgehend halbkontinuierliches Muster (5), ein eine Vielzahl von diskreten Vorsprüngen aufweisendes Muster (5) oder eine beliebige Kombination davon. Wenn die Vielzahl der Stärkefilamente auf der das Filament kontaktierenden Seite 201 des Teils zum Formen 200 abgelegt wird, passt sich die Vielzahl der flexiblen Stärkefilamente mindestens teilweise dem Formmuster des Teils zum Formen 200 an.
Das Teil zum Formen 200 kann ein Förderband oder Band aufweisen, das makroskopisch monoplanar ist, wenn es in einer XY-Bezugsebene liegt, worin die Z-Richtung senkrecht zu der XY-Ebene steht. In ähnlicher Weise lässt sich die flexible Struktur 100 als eine makroskopische Monoebene vorstellen, die in einer zu der XY-Ebene parallelen Ebene liegt. Senkrecht zu der XY-Ebene ist die Z-Richtung, entlang der sich ein Dickenmaß oder eine Dicke der flexiblen Struktur 100 oder Erhöhungen der unterschiedlichen Bereiche des Teils zum Formen 200 oder der flexiblen Struktur 100 erstrecken.
Nach Erfordernis kann das ein Fördergut aufweisende Teil zum Formen 200 als ein Pressfilz ausgeführt werden. Ein geeigneter Pressfilz zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich nach den Lehren der folgenden Patentschriften erzeugen: US-P-5 549 790, erteilt am 27. August, 1996 an Phan; 5 556 509, erteilt am 17. September, 1996 an Trokhan et al.; 5 580 423, erteilt am 3. Dezember, 1996 an Ampulski et al.; 5 609 725, erteilt am 11. März, 1997 an Phan; 5 629 052, erteilt am 13. Mai, 1997 an Trokhan et al.; 5 637 194, erteilt am 10. Juni, 1997 an Ampulski et al.; 5 674 663, erteilt am 7. Oktober, 1997 an McFarland et al.; 5 693 187, erteilt am 2. Dezember, 1997 an Ampulski et al.; 5 709 775, erteilt am 20. Januar, 1998 an Trokhan et al.; 5 776 307, erteilt am 7. Juli, 1998 an Ampulski et al.; 5 795 440, erteilt am 18. August, 1998 an Ampulski et al.; 5 814 190, erteilt am 29. September, 1998 an Phan; 5 817 377, erteilt am 6. Oktober, 1998 an Trokhan et al.; 5 846 379, erteilt am 8 Dezember, 1998 an Ampulski et al.; 5 855 739, erteilt am 5. Januar, 1999 an Ampulski et al. und 5 861 082, erteilt am 19. Januar, 1999 an Ampulski et al. In einer alternativen Ausführungsform kann das Teil zum Formen 200 als ein Pressfilz nach den Lehren der US-P-5 569 358, erteilt am 29. Oktober, 1996, an Cameron, ausgeführt werden.
Eine der Hauptausführungsformen des Teils zum Formen 200 umfasst ein harzhaltiges Gitterwerk 210, das mit einem verstärkenden Element 250 verbunden ist. Das harzhaltige Gitterwerk 210 kann bestimmte vorausgewählte Muster haben. Beispielsweise zeigt 4 das weitgehend kontinuierliche Gitterwerk 210 mit einer Vielzahl von Öffnungen 220, die hindurch gehen. In einigen Ausführungsformen kann das verstärkende Element 250 für Fluid weitgehend durchlässig sein. Das für Fluid durchlässige verstärkende Element 250 kann ein Siebgewebe aufweisen oder ein mit Öffnung versehenes Element, einen Filz oder eine beliebige Kombination davon. Die Abschnitte des verstärkenden Elements 250, die in die Öffnungen 220 des Teils zum Formen 200 eingreifen, verhindern, dass Stärkefilamente durch das Teil zum Formen 200 hindurch gehen, und verringern dadurch das Auftreten von Nadellöchern in der resultierenden flexiblen Struktur 100. Sofern man kein textiles Gewebe für das verstärkende Element 250 verwenden möchte, kann ein Vliesstoffelement, ein Sieb, ein Netz, ein Pressfilz oder eine Platte oder Folie mit einer Vielzahl von Löchern darin für den angemessenen Halt und Festigkeit des Gitterwerks 210 sorgen. Geeignete verstärkende Elemente 250 lassen sich entsprechend der US-P-5 496 624, erteilt am 5. März, 1996, an Stelljes, et al., 5 500 277, erteilt am 19. März, 1996, an Trokhan et al. und 5 566 724, erteilt am 22. Oktober, 1996, an Trokhan et al. erzeugen.
In mehreren US-Patentschriften wie beispielsweise der US-P-5 275 700 und 5 954 097, wurden verschiedene Typen des für Fluid durchlässigen verstärkenden Elementes 250 beschrieben. Das verstärkende Element 250 kann einen Filz aufweisen, der auch als "Pressfilz" bezeichnet wird, wie er in der konventionellen Papiererzeugung zur Anwendung gelangt. Das Gitterwerk 210 kann auf das verstärkende Element 250 aufgebracht werden nach der Lehre der US-P-5 549 790, erteilt am 27. August, 1996, an Phan; 5 556 509, erteilt am 17. September, 1996, an Trokhan et al.; 5 580 423, erteilt am 3. Dezember, 1996, an Ampulski et al.; 5 609 725, erteilt am 11. März, 1997, an Phan; 5 629 052, erteilt am 13. Mai, 1997, an Trokhan et al.; 5 637 194, erteilt am 10. Juni, 1997, an Ampulski et al.; 5 674 663, erteilt am 7. Oktober, 1997, an McFarland et al.; 5 693 187, erteilt am 2. Dezember, 1997, an Ampulsi et al.; 5 709 775, erteilt am 20. Januar, 1998, an Trokhan et al.; 5 795 440, erteilt am 18. August, 1998 an Ampulski et al.; 5 814 190, erteilt am 29. September, 1998 an Phan; 5 817 377, erteilt am 6. Oktober, 1998, an Trokhan et al. und 5 846 379, erteilt am 8. Dezember, 1998 an Ampulski et al.
Alternativ lässt sich das verstärkende Element 250 für Fluid undurchlässig machen. Das für Fluid undurchlässige verstärkende Element 250 kann beispielsweise ein polymeres harzhaltiges Material aufweisen, das mit den zur Erzeugung des Gitterwerks 210 des Teils zum Formen 200 der vorliegenden Erfindung identisch ist oder von diesen verschieden ist; ein Kunststoffmaterial, ein Metall; jedes beliebige geeignete in der Natur vorkommende oder synthetische Material oder eine beliebige Kombination davon. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist offensichtlich, dass das für Fluid undurchlässige verstärkende Element 250 das Teil zum Formen 10 dazu bringt, in seiner Gesamtheit ebenfalls für Fluid undurchlässig zu sein. Es gilt als selbstverständlich, dass das verstärkende Element 250 für Fluid teilweise durchlässig und für Fluid teilweise undurchlässig sein kann, d.h. ein gewisser Teil des verstärkenden Elementes 250 kann für Fluid durchlässig sein, während ein anderer Teil des verstärkenden Elementes 250 für Fluid undurchlässig sein kann. Das Teil zum Formen 200 kann in seiner Gesamtheit für Fluid durchlässig sein, für Fluid undurchlässig sein oder für Fluid teilweise durchlässig sein. In einem für Fluid teilweise durchlässigen Teil zum Formen 200 ist lediglich ein Teil oder Teile eines makroskopischen Bereichs oder Bereiche des Teils zum Formen 200 für Fluid durchlässig.
Auf Wunsch kann das eine Jacquard-Bindung aufweisende verstärkende Element 250 genutzt werden. Veranschaulichende Gurte, welche die Jacquard-Bindung aufweisen, finden sich in den US-P-5 429 686, erteilt am 4.7.95 an Chiu, et al.; 5 672 248, erteilt am 30.9.97 an Wendt et al.; 5 746 887, erteilt am 5.5.98 an Wendt et al. und 6 017 417, erteilt am 25.1.00 an Wendt et al., deren Offenbarungen hiermit als Fundstelle für die begrenzte Aufgabe einbezogen sind, eine wichtige Konstruktion der Jacquard-Bindung zu zeigen. In die vorliegende Erfindung einbezogen ist das Teil zum Formen 200, welches eine das Filament kontaktierende Seite 201 mit einem Jacquard-Bindungsmuster aufweist. Ein derartiges Jacquard-Bindungsmuster kann als ein Teil zum Formen 500, ein Teil zum Formen 200, eine Pressoberfläche, usw. genutzt werden. Von einer Jacquard-Bindung wird in der Literatur berichtet, dass sie dort besonders nützlich ist, wo man nicht wünscht, eine Struktur in einem Walzenspalt zusammenzudrücken oder einzudrücken, was typischerweise beispielsweise bei der Übertragung auf eine Yankee-Trockentrommel auftritt.
Nach der vorliegenden Erfindung können eine, mehrere oder alle Öffnungen 220 des Teils zum Formen 200 "blind" oder "geschlossen" sein, wie in der US-P-5 972 813, erteilt an Polat et al. am 26. Oktober, 1999, beschrieben wird. In der unmittelbar vorstehend zitierten Patentschrift werden Polyurethan- Schaumstoffe, Kautschuk und Silicon beschrieben, die sich verwenden lassen, um die Öffnungen 220 für Fluid undurchlässig zu machen.
Eine in 6 gezeigte Ausführungsform des Teils zum Formen 200 weist eine Vielzahl suspendierter Abschnitte 219 auf, die sich (im typischen Fall seitlich) von einer Vielzahl von Basisabschnitten 211 erstreckt. Die suspendierten Abschnitte 219 sind von dem verstärkenden Element 250 erhoben, um Hohlräume 215 zu bilden, in die die Stärkefilamente der vorliegenden Erfindung ausgelenkt werden können, um die Auslegerabschnitte 129 zu bilden, wie unter Bezugnahme auf 3 vorstehend beschrieben wurde. Das die suspendierten Abschnitte 219 aufweisende Teil zum Formen 200 kann eine mehrlagige Struktur haben, die aus mindestens zwei Lagen (211, 212) gebildet wird, die miteinander in einer unmittelbar gegenüberliegenden Beziehung angeordnet sind (6). Jede der Lagen kann eine Struktur aufweisen, die ähnlich derjenigen ist, wie sie in mehreren Patentschriften vorstehend beschrieben wurde. Jede der Lagen (211, 212) kann über mindestens eine Öffnung (220, 4, 4A) verfügen, die sich zwischen der Oberseite und der Unterseite erstrecken. Die verbundenen Lagen sind so angeordnet, dass die mindestens eine Öffnung einer Lage überlagert ist (in senkrechter Richtung zur allgemeinen Ebene des Teils zum Formen 200) mit einem Abschnitt des Gitterwerks der anderen Lage, wobei der Abschnitt den suspendierten Abschnitt 219 bildet, wie er vorstehend beschrieben wurde.
Eine andere Ausführungsform des Teils zum Formen, welches eine Vielzahl suspendierter Abschnitte aufweist, lässt sich mit Hilfe eines Verfahrens des differentiellen Härtens einer Lage eines photoempfindlichen Harzes oder eines anderen härtbaren Materials durch eine Maske hindurch ausführen, welche transparente Bereiche und lichtundurchlässige Bereiche aufweist. Die lichtundurchlässigen Bereiche weisen Bereiche mit unterschiedlicher Opazität auf, wie beispielsweise Bereiche mit relativ hoher Opazität (nicht transparent, z.B. schwarz) und Bereiche mit relativ geringer und teilweiser Opazität (d.h. es gibt eine gewisse Transparenz).
Wenn die härtbare Lage, die eine das Filament aufnehmende Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, an härtender Strahlung durch die Maske angrenzend an der das Filament aufnehmenden Seite der Beschichtung hindurch exponiert wird, schirmen die nicht transparenten Bereiche der Maske erste Gebiete der Beschichtung vor der härtenden Strahlung ab, um ein Härten der ersten Gebiete der Beschichtung durch die gesamte Dicke der Beschichtung hindurch auszuschließen. Die partiell lichtundurchlässigen Bereiche der Maske schirmen die zweiten Gebiete der Beschichtung lediglich teilweise ab, um zu ermöglichen, dass die härtende Strahlung die zweiten Gebiete bis zu einer vorbestimmten Dicke kleiner als die Dicke der Beschichtung zu erlauben (beginnend von der das Filament aufnehmenden Seite der Beschichtung in Richtung auf die zweite Seite davon). Die transparenten Bereiche der Maske lassen dritte Gebiete der Beschichtung unabgeschirmt, um der härtenden Strahlung das Härten der dritten Gebiete durch die gesamte Dicke der Beschichtung hindurch zu ermöglichen.
Dementsprechend lässt sich das ungehärtete Material von einem teilweise geformten Teil zum Formen entfernen. Das resultierende gehärtete Gitterwerk hat eine das Filament kontaktierende Seite 201, die von der das Filament aufnehmenden Seite der Beschichtung und einer Rückseite 202 gebildet wird, die aus der zweiten Seite der Beschichtung gebildet wird. Das resultierende Gitterwerk hat eine Vielzahl von Basisträgern 211, die die Rückseite 202 ausmachen und aus den dritten Gebieten der Beschichtung und einer Vielzahl der suspendierten Abschnitte 219 gebildet sind, welche die Bahn kontaktierende Seite 201 aufweisen und aus den zweiten Gebieten der Beschichtung gebildet sind. Die Vielzahl der Basisträger können ein weitgehend kontinuierliches Muster aufweisen, ein weitgehend halbkontinuierliches Muster, ein diskontinuierliches Muster oder eine beliebige Kombination davon, wie vorstehend diskutiert wurde. Die suspendierten Abschnitte 219 erstrecken sich in einem Winkel (im typischen Fall nicht notwendigerweise von etwa 90°) von der Vielzahl der Basisträger und sind von der Rückseite 202 des resultierenden Gitterwerks unter Bildung von Hohlräumen zwischen den suspendierten Abschnitten und der Rückseite 201 beabstandet. Die Hohlräume 215 werden im typischen Fall, wenn das Teil zum Formen 200, das ein verstärkendes Element 250 aufweist, verwendet wird, zwischen den suspendierten Abschnitten 219 und dem verstärkenden Element 250 gebildet, was am Besten in 6 dargestellt ist.
Der nächste Schritt umfasst das Ablegen der Vielzahl von pseudo-thermoplastischen Stärkefilamenten auf der das Filament kontaktierenden Seite 201 des Teils zum Formen 200, wie schematisch in den 7 bis 9 gezeigt wird, und die Vielzahl der Stärkefilamente dazu zu bringen, dass sie mindestens teilweise die Form des dreidimensionalen Musters des Teils zum Formen 200 annehmen. Bezug nehmend auf eine Ausführungsform, die schematisch in 7 gezeigt ist, werden die Stärkefilamente 17b beim Austritt aus der Streckeinheit auf der dreidimensionalen, das Filament kontaktierenden Seite 201 eines Teils zum Formen 200 abgelegt. In einem großtechnischen kontinuierlichen Verfahren weist das Teil zum Formen 200 einen endlosen Fördergurt auf, der kontinuierlich in einer Verarbeitungsrichtung MD entsprechend der schematischen Darstellung in den 7 bis 9 läuft. Die Stärkefilamente können sodann miteinander verbunden und miteinander mit Hilfe einer Vielzahl konventioneller Methoden verflochten werden. In der Offenbarung der US-P-5 688 468, erteilt an Lu am 18. November, 1997, wird ein Verfahren und ein Apparat zum Erzeugen einer vliesverfestigten Vliesstoffbahn aus Filamenten mit reduziertem Durchmesser gelehrt.
In einigen Ausführungsformen braucht die Vielzahl von Stärkefilamenten nicht zuerst auf den Teil zum Formen 10 abgelegt werden, sondern auf einem formenden Teil 500, wie schematisch in 9 gezeigt wird. Dieser Schritt ist optional und kann genutzt werden, um die Gleichförmigkeit der flächenbezogenen Masse der Vielzahl von Stärkefilamenten in der gesamten Breite der zu erzeugenden Struktur 10 zu verbessern. Das formende Teil 500 weist ein Sieb auf und gilt als in der vorliegenden Erfindung mit einbezogen. In einer exemplarischen Ausführungsform von 9 läuft das formende Teil 500 in Verarbeitungsrichtung über Rollen 500a und 500b. Das formende Teil ist für Fluid durchlässig und es befindet sich ein Vakuumapparat 550 unterhalb des formenden Teils 500, welches eine Vielzahl der darauf abgelegten Stärkefilamente eine Fluiddruckdifferenz anlegt und eine mehr oder weniger gleichmäßige Verteilung der Stärkefilamente in der gesamten aufnehmenden Oberfläche des formenden Teils 500 fördert.
Nach Erfordernis kann das formende Teil 200 auch angewendet werden, um verschiedene Unregelmäßigkeiten in den Stärkefilamenten zu erzeugen und speziell auf der Oberfläche der Filamente. Beispielsweise kann eine Filament aufnehmende Seite des formenden Teils eine Vielzahl scharfer Kanten (nicht gezeigt) aufweisen, die so strukturiert sind, dass sie die noch relativ weichen Stärkefilamente, die darauf abgelegt sind, eindrücken, um Kerben (schematisch dargestellt in 11) oder andere Unregelmäßigkeiten in den Stärkefilamenten zu erzeugen, die für die herzustellende flexible Struktur 100 entsprechend der vorstehenden Beschreibung nützlich sein können.
In der Ausführungsform nach 9 kann die Vielzahl von Filamenten von dem formenden Teil 500 auf das Teil zum Formen 200 mit Hilfe beliebiger konventioneller Maßnahmen übertragen werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, wie beispielsweise mit Hilfe eines Vakuumschuhs 600, der einen Unterdruck anlegt, welcher ausreichend ist um zu bewirken, dass die Vielzahl der auf dem formenden Teil 500 angeordneten Stärkefilamente sich davon trennen und an dem Teil zum Formen 200 haften.
Es gilt als mit einbezogen, dass in dem kontinuierlichen Verfahren zum Erzeugen der flexiblen Struktur 100 das Teil zum Formen 200 eine lineare Geschwindigkeit haben kann, die kleiner ist als diejenige des formenden Teils 500. Die Anwendung einer solchen Geschwindigkeitsdifferenz an den Übertra gungsstellen ist auf den Gebieten der Papiererzeugung allgemein bekannt und kann für eine sogenannte "Mikrokontraktion" angewendet werden, von der typischerweise angenommen wird, dass sie wirksam ist, wenn sie auf konsistenzschwache Nassbahnen aufgebracht wird. Die US-P-4 440 597, deren Offenbarung hiermit als Fundstelle für den Zweck der Beschreibung des grundlegenden Mechanismus der Mikrokontraktion einbezogen ist, beschreibt detailliert die "Nass-Mikrokontraktion". Verkürzt lässt sich sagen, dass die Nass-Mikrokontraktion das Übertragen der Bahn mit einer geringen Faserkonsistenz von einem ersten Teil (wie beispielsweise einem löcherigen Teil) auf einen zweiten Teil (wie beispielsweise die Schleife eines lockeren Gewebes) umfasst, das sich langsamer bewegt als das erste Teil. Es wird jetzt angenommen, dass, wenn die Stärkefilamente gebildet werden können und die Vielzahl der Stärkefilamente in einem ausreichend flexiblen Zustand für die Zeit der Übertragung von einem sich relativ langsamer bewegenden Träger (wie beispielsweise das formende Teil 500) auf einen sich relativ schneller bewegenden Träger (wie beispielsweise das Teil zum Formen 200) gehalten werden kann, kann es möglich sein die Vielzahl von Stärkefilamenten effektiv einer Mikrokontraktion zu unterziehen, wodurch die zu erzeugende flexible Struktur 100 perspektivisch verkürzt werden kann. Die Geschwindigkeit des Teils zum Formen 200 kann um etwa 1% bis etwa 25% größer sein als diejenige des formenden Teils 500.
9A zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung, worin die Stärkefilamente auf den Teil zum Formen 200 in einem Winkel A abgelegt werden können, der 1° bis 89° und spezieller etwa 5° bis etwa 85° beträgt. Es wird angenommen, dass diese Ausführungsform besonders günstig dann ist, wenn das Teil zum Formen 200 verwendet wird, das suspendierte Abschnitte 219 hat. Ein derartiges "winkliges" Ablegen der ersten Stärkefilamente 17a auf dem Teil zum Formen 200 macht die zwischen den suspendierten Abschnitten 219 und dem verstärkenden Element 250 gebildeten Hohlräume 215 leichter zugänglich für lange und flexible Stärkefilamente 17a und unterstützt die Stärkefilamente, die leichter die Hohlräume 215 ausfüllen können. In 9A sind die Stärkefilamente 17a auf dem Teil zum Formen 200 in zwei Schritten abgelegt, so dass beide Arten der Hohlräume 219 – zulaufseitige Hohlräume 215a und ablaufseitige Hohlräume 215b – von der winkligen Ablegung der Filamente auf dem Teil zum Formen 200 Nutzen ziehen können. In Abhängigkeit von der speziellen Geometrie des Teils zum Formen 200 und speziell der Geometrie und/oder Orientierung seiner suspendierten Abschnitte 219 kann der zulaufseitige Winkel A gleich dem ablaufseitigen Winkel B sein oder von diesem verschieden sein.
Sobald die Vielzahl von Stärkefilamenten auf der das Filament kontaktierenden Seite 201 des Teils zum Formen 200 abgelegt ist, passt sich die Vielzahl von Filamenten mindestens teilweise dem dreidimensionalen Muster an. Darüber hinaus lassen sich zahlreiche Mittel einsetzen, um die Anpassung der Stärkefilamente an das dreidimensionale Muster des Teils zum Formen 200 herbeizuführen oder zu unterstützen. Eine der Methoden umfasst das Aufbringen einer Fluiddruckdifferenz auf die Vielzahl der Stärkefilamente. Diese Methode kann besonders dann vorteilhaft sein, wenn das Teil zum Formen 200 für Fluid durchlässig ist. Beispielsweise kann ein Vakuumapparat 550, der eine Rückseite 202 des für Fluid durchlässigen Teils zum Formen 200 angeordnet ist, einen Unterdruck an das Teil zum Formen 200 anlegen und damit an die Vielzahl der darauf abgelegten Stärkefilamente (8). Unter dem Einfluss des Unterdruckes können einige der Stärkefilamente in die Öffnungen 220 und/oder die Hohlräume 215 des Teils zum Formen 200 ausgelenkt oder auf andere Weise zur Anpassung an dessen dreidimensionales Muster gebracht werden.
Es wird angenommen, dass alle drei Bereiche der flexiblen Struktur 100 generelle eine äquivalente flächenbezogene Masse haben. Durch das Auslenken eines Teils der Stärkefilamente in die Öffnungen 220 kann man die Dichte der resultierenden Kissen 120 in Bezug auf die Dichte der ersten eingedrückten Bereiche 110 verringern. Die Bereiche 110, die nicht in die Öffnungen 220 ausgelenkt sind, können durch Zusammendrücken der flexiblen Struktur in einem Kompressionseinzug zusammengedrückt werden. Eingedrückt ist die Dichte der eingedrückten Bereiche 110 relativ zu der Dichte der Kissen 120 und der Dichte des dritten Bereichs 130 erhöht. Die Dichten der Bereiche 110, die nicht in die Öffnungen 220 ausgelenkt sind, und die Dichte des dritten Bereichs 130 sind größer als die Dichte der Kissen 120. Der dritte Bereich 130 wird möglicherweise eine zwischen denen der eingedrückten Bereiche 110 und der Kissen 120 liegenden Dichte haben.
Noch Bezug nehmend auf 1A kann man sich vorstellen, dass die flexible Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung über drei verschiedene Dichten verfügt. Der Bereich der höchsten Dichte wird die hohe Dichte des zusammengedrückten Bereichs 110 sein. Der zusammengedrückte Bereich 110 entspricht in der Position und Geometrie dem Gitterwerk 210 des Teils zum Formen 200. Der Bereich der geringsten Dichte der flexiblen Struktur 100 wird derjenige der Kissen 120 sein und entspricht in Position und Geometrie den Öffnungen 220 des Teils zum Formen 200. Der dritte Bereich 130 wird entsprechend den Synklinen 230 in dem Teil zum Formen 200 eine Dichte haben, die zwischen derjenigen der Kissen 120 und des eingedrückten Bereichs 110 liegt. Die "Synklinen" 230 sind Oberflächen des Gitterwerks 210, deren Vektorkomponente in Z-Richtung sich von der das Filament aufnehmenden Seite 201 des Teils zum Formen 200 in Richtung auf dessen Rückseite 202 erstreckt. Die Synklinen 230 laufen nicht vollständig durch das Gitterwerk 210 hindurch, wie das bei den Öffnungen 220 der Fall ist. So kann man sich die Differenz zwischen einer Synkline 230 und den Öffnungen 220 als die Öffnung 220 vorstellen, die ein hindurchgehendes Loch im Gitterwerk 210 repräsentiert, während eine Synkline 230 ein blindes Loch, einen Riss, Spalt oder Kerbe im Gitterwerk 210 darstellt.
Die drei Bereiche der Struktur 100 gemäß der vorliegenden Erfindung kann man sich so vorstellen, dass sie auf drei verschiedenen Höhen angeordnet sind. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Höhe eines Bereiches auf seinen Abstand von einer Bezugsebene (d.h. XY-Ebene). Zur Erleichterung lässt sich die Bezugsebene als eine Horizontale anschaulich machen, worin der Höhenabstand von der Bezugsebene vertikal ist. Die Höhe eines speziellen Bereichs der Stärkefilamentstruktur 100 kann unter Anwendung beliebiger kontaktfreier Messvorrichtungen gemessen werden, die für eine solche Aufgabe geeignet sind und auf dem Fachgebiet gut bekannt sind. Eine besonders geeignete Messvorrichtung ist ein berührungsloser Laser-Verschiebungssensor mit einer Strahlgröße von 0,3 × 1,2 mm bei einer Weite von 50 mm. Geeignete berührungslose Laser-Verschiebungssensoren werden von der Idec Company als Modelle MX1A/B vertrieben. Alternativ ist ein kontaktgebundenes Tastermessgerät auf dem Fachgebiet bekannt, das zur Messung unterschiedlicher Höhen eingesetzt werden kann. Ein solches Tastermessgerät wurde in der an Carstens erteilten US-P-4 300 981 beschrieben, deren Offenbarung hiermit als Fundstelle einbezogen ist. Die Struktur 100 gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf die Bezugsebene mit dem eingedrückten Bereich 110 in Kontakt mit der Bezugsebene gesetzt. Die Kissen 120 in dem dritten Bereich 130 laufen vertikal von der Bezugsebene weg. Unterschiedliche Erhöhungen der Bereiche 110, 120 und 130 können auch unter Verwendung des Teils zum Formen 200 erzeugt werden, das über unterschiedliche Tiefen oder Erhöhungen seines dreidimensionalen Musters verfügt, wie es schematisch in 5A gezeigt ist. Derartige dreidimensionale Muster mit unterschiedlichen Höhen/Tiefen können erzeugt werden, indem vorgewählte Abschnitte des Teils zum Formen 200 zur Verringerung ihrer Höhe geschliffen werden. Außerdem kann das ein härtbares Material aufweisende Teil zum Formen 200 unter Verwendung einer dreidimensionalen Maske erzeugt werden. Durch Verwendung einer dreidimensionalen Maske, die unterschiedliche Tiefen/Höhen in ihren Tiefen/Höhen aufweist, kann man ein entsprechendes Gitterwerk 210 erzeugen, das ebenfalls über unterschiedliche Höhen verfügt. Andere konventionelle Methoden zum Erzeugen von Oberflächen mit unter schiedlicher Höhe können für die vorgenannten Aufgaben zur Anwendung gelangen.
Zur Verbesserung möglicher negativer Auswirkungen einer plötzlich anliegenden Fluiddruckdifferenz durch einen Vakuumapparat 550 (8 und 9) oder einen Vakuumschuh 600 (9) der einige der Filamente oder Teile davon in der gesamten Menge durch das Teil zum Formen 200 drücken könnte und dann zur Erzeugung sogenannter Nadellöcher in der resultierenden flexiblen Struktur führen würde, lässt sich die Rückseite des Teils zum Formen unter Erzeugung mikroskopischer Oberflächenunregelmäßigkeiten "texturieren". Derartige Oberflächenunregelmäßigkeiten können in einigen Ausführungsformen des Teils zum Formen 200 vorteilhaft sein, da sie die Bildung eines Vakuumabschlusses zwischen der Rückseite 202 des Teils zum Formen 200 und eine Oberfläche der Anlage zur Papiererzeugung verhindern (wie beispielsweise die Oberfläche des Vakuumapparates), wodurch eine "Leckage" dazwischen geschaffen wird und damit unerwünschte Folgen der Anwendung eines Unterdruckes in einem Luftdurchtrocknungsprozess zur Erzeugung der flexiblen Struktur 100 der vorliegenden Erfindung gemildert wird. Andere Methoden zur Erzeugung einer solchen Leckage wurden in den US-P-5 718 806, 5 741 402, 5 744 007, 5 776 311 und 5 885 421 offenbart.
Die Leckage kann auch unter Anwendung sogenannter "Methoden der differentiellen Lichttransmission" erzeugt werden, wie sie in den US-P-5 624 790, 5 554 467, 5 529 664, 5 514 523 und 5 334 289 beschrieben wurden. Das Teil zum Formen kann erzeugt werden, indem eine Schicht eines photoempfindlichen Harzes auf ein verstärkendes Element aufgebracht wird, das über lichtundurchlässige Abschnitte verfügt, und anschließend die Beschichtung an Licht einer aktivierenden Länge durch eine Maske mit transparenten und lichtundurchlässigen Bereichen und auch durch das verstärkende Element hindurch exponiert wird.
Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung von Unregelmäßigkeiten auf der Rückseite umfasst die Verwendung einer texturierten Oberfläche zum Formen oder einer texturierten Sperrschichtfolie entsprechend der Beschreibung in den US-P-5 364 504, 5 260 171 und 5 098 522. Das Teil zum Formen kann erzeugt werden, indem ein photoempfindliches Harz über und durch das verstärkende Element hindurch gegossen wird, während das verstärkende Element sich über eine texturierte Oberfläche bewegt, wonach die Beschichtung an Licht einer aktivierenden Wellenlänge durch eine Maske hindurch exponiert wird, die über transparente und lichtundurchlässige Bereiche verfügt.
Derartige Möglichkeiten, wie ein Vakuumapparat 550 zum Anlegen eines Unterdruckes (d.h. eines Druckes, der kleiner ist als der Atmosphärendruck) an eine Vielzahl von Filamenten durch das für Fluid durchlässige Teil zum Formen 200 hindurch, oder ein Gebläse (nicht gezeigt) zum Anlegen eines Überdruckes an die Vielzahl von Elementen, können zur Anwendung gelangen, um die Auslenkung der Vielzahl von Filamenten in das dreidimensionale Muster des Teils zum Formen zu erleichtern.
Darüber hinaus wird in 9 schematisch ein wahlweiser Schritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gezeigt, worin die Vielzahl der Stärkefilamente mit einem flexiblen flächigen Material 800 bedeckt wird, wobei der Schritt ein Endlosband umfasst, das sich um die Rollen 800a und 800b bewegt und mit der Vielzahl der Filamente in Kontakt gelangt. Das bedeutet, die Vielzahl der Filamente wird sandwichartig für eine bestimmte Zeitdauer zwischen dem Teil zum Formen 200 und dem flexiblen flächigen Material 800 eingeschlossen. Das flexible flächige Material 800 kann über eine Luftdurchlässigkeit verfügen, die kleiner ist als die des Teils zum Formen 200, und kann in einigen Ausführungsformen luftundurchlässig sein. Die Aufbringung einer Fluiddruckdifferenz P auf das flexible Flächengebilde 800 bewirkt eine Auslenkung mindestens eines Teils des flexiblen Flächengebildes in Richtung auf das dreidimensionale Muster des Teils zum Formen 200 und in einigen Fällen in dieses hinein, wodurch die Vielzahl der Stärkefilamente zu einer genauen Formanpassung an das dreidimensionale Muster des Teils zum Formen gezwungen wird. Die US-P-5 893 965, deren Offenbarung hiermit als Fundstelle einbezogen ist, beschreibt eine prinzipielle Anordnung einer Anlage und eines Verfahrens zum Nutzen des flexiblen flächigen Materials.
Zusätzlich oder alternativ zu der Fluiddruckdifferenz kann auch mechanischer Druck angewendet werden, um die Erzeugung des dreidimensionalen mikroskopischen Musters der flexiblen Struktur 100 der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Ein solcher mechanischer Druck kann mit Hilfe jeder geeigneten Oberfläche zum Pressen erzeugt werden, die beispielsweise die Oberfläche einer Rolle oder die Oberfläche eines Bandes aufweist. 8 zeigt zwei exemplarische Ausführungsformen einer Oberfläche zum Pressen. Es können ein Paar oder mehrere Paare von Druckwalzen 900a und 900b sowie 900c und 900d verwendet werden, um die auf dem Teil zum Formen 200 angeordneten Stärkefilamente vollständiger zur Anpassung an dessen dreidimensionalem Muster zu zwingen. Der durch die Druckwalzen ausgeübte Druck kann nach Erfordernis phasenverschoben werden, so dass beispielsweise der zwischen den Walzen 900c und 900d erzeugte Druck größer sein kann als derjenige zwischen den Walzen 900a und 900b. Alternativ oder zusätzlich kann ein endloses Andruck band 950, das über die Rollen 950a und 950b läuft gegen einen Teil der Filamentseite 201 des Teils zum Formen 200 gedrückt werden, um die flexible Struktur 100 dazwischen einzudrücken.
Die Druckfläche kann glatt sein oder kann von sich aus ein dreidimensionales Muster haben. In dem letzteren Fall kann die Druckfläche als eine Prägevorrichtung verwendet werden, um in der flexiblen Struktur 100 charakteristische Mikromuster von Vorsprüngen und/oder Vertiefungen in Zusammenwirkung mit oder unabhängig von dem dreidimensionalen Muster des Teils zum Formen 200 zu erzeugen. Darüber hinaus kann die Druckfläche verwendet werden, um auf der zu erzeugenden flexiblen Struktur 100 eine Vielzahl von Additiven abzuscheiden, wie beispielsweise Weichmacher und Drucktinte. Es können konventionelle Methoden, wie beispielsweise eine Farbrolle 910 oder Sprühvorrichtung (oder Brause) 920 angewendet werden, um eine Vielzahl von Additiven direkt oder indirekt auf der zu erzeugenden flexiblen Struktur 100 abzuscheiden.
Die Struktur 100 kann wahlweise perspektivisch verkürzt werden, wie es in der Fachwelt bekannt ist. Das Verkürzen kann durch Kreponieren der Struktur 100 von einer festen Oberfläche und spezieller von einem Zylinder erfolgen, wie beispielsweise dem in 9 schematisch dargestellten Zylinder 290. Das Kreponieren erfolgt mit einem Rakel 292, wie er auf dem Gebiet gut bekannt ist. Das Kreponieren kann entsprechend der US-P-4 919 756, erteilt am 24. April, 1992 an Sawdai, erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann das perspektivische Verkürzen über eine Mikrokontraktion entsprechend der vorstehenden Beschreibung erzielt werden.
Die flexible Struktur 100, die perspektivisch verkürzt wurde, ist typischerweise in Verarbeitungsrichtung dehnfähiger als in Querrichtung dazu und lässt sich um Gelenklinien, die durch den Prozess des perspektivischen Verkürzens erzeugt werden, mühelos biegen, wobei sich die Gelenklinien im Allgemeinen quer zur Verarbeitungsrichtung erstrecken, d.h. entlang der Breite der flexiblen Struktur 100. Die flexible Struktur 100, die nicht kreponiert und/oder auf andere Weise perspektivisch verkürzt worden ist, gilt als in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung mit einbezogen.
Unter Verwendung der flexiblen Struktur 100 der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von Produkten hergestellt werden. Die resultierenden Produkte können Anwendung finden in Filtern für Luft, Öl und Wasser; in Filtern für Staubsauger; in Rußfiltern; in Gesichtsmasken; Kaffeefiltern; in Beuteln für Tee oder Kaffee; als Wärmedämmstoffe und Schalldämmstoffe; für Vliesstoffe zum einmaligen Gebrauch von Sanitärerzeugnissen, wie beispielsweise Windeln, Damenbinden und Inkontinenzartikel; biozersetzbare textile Flächengebilde für verbesserte Feuchtigkeitsaufnahme und weiches Tragen, wie beispielsweise Mikrofasergewebe oder atmungsfähige Gewebe; eine elektrostatisch aufgeladene, strukturierte Faserbahn zum Aufnehmen und Entfernen von Staub; Verstärkungen und Faserbahnen für Hartpapiere, wie beispielsweise Einwickelpapier, Schreibpapier, Zeitungen, Wellpappe; sowie Faserbahnen für Papier mit Tissue-Qualität, wie beispielsweise Toilettenpapier, Papierhandtücher, Servietten und Taschentücher; für medizinische Anwendungen, wie beispielsweise chirurgische Verbände, Wundverband, Bandagen, Heftpflaster und selbstauflösendes chirurgisches Nahtmaterial; sowie für zahnmedizinische Anwendungen, wie beispielsweise Zahnseide und Zahnbürstenborsten. In die flexible Struktur können außerdem geruchsaufnehmende Substanzen einbezogen sein, Termitenabwehrmittel, Insektizide, Rodentizide und dergleichen für spezielle Anwendungen. Das resultierende Produkt saugt Wasser und Öl auf und kann zum Aufwischen von verschüttetem Öl oder Wasser oder zur kontrollierten Wasserrückhaltung und -abgabe bei landwirtschaftlichen oder gärtnerischen Anwendungen. Die resultierenden Stärkefilamente oder Faserbahnen können außerdem in andere Materialien eingebaut werden, wie beispielsweise Sägemehl, Holzpulpe, Kunststoffe und Beton, um Verbundmaterialien zu erzeugen, die sich als Baustoffe verwenden lassen, wie beispielsweise Wände, Träger, Spanplatten, Trockenbauplatten und Hinterfüllungen sowie Deckenplatten; für andere medizinische Anwendungen, wie beispielsweise Gussmaterial und Aussteifungen und Zungendrücker; sowie in Kaminholz für dekorative und/oder Brennzwecke.
Prüfmethoden
A. Scherviskosität
Die Scherviskosität der Zusammensetzung wird unter Anwendung eines Kapillarrheometers (Modell Rheograph 2003, hergestellt von Goettfert) gemessen. Die Messungen werden unter Verwendung einer Kapillardüse mit einem Durchmesser D von 1,0 mm und einer Länge von 30 mm (d.h., L/D=30) ausgeführt. Die Düse ist an dem unteren Ende eines Zylinders angebracht, der bei Testtemperatur (t) im Bereich von 25° bis 90°C gehalten wird. Eine Probezusammensetzung, die bis zur Testtemperatur vorgeheizt ist, wird in dem Zylinderabschnitt des Rheometers geladen und füllt den Zylinderabschnitt weitgehend aus (es werden etwa 60 g Probe verwendet). Der Zylinder wird bei der vorgegebenen Testtemperatur (t) gehalten. Sofern sich nach dem Laden Luftbläschen zur Oberfläche bewegen, wird vor Ausführung des Tests eine Verdichtung vorgenommen, um die Probe von der eingeschlossenen Luft zu befreien. Die Probe wird programmiert von einem Kolben aus dem Zylinder durch die Kapillardüse mit vorgewählten Geschwindigkeiten durchgestoßen. Sobald die Probe von dem Zylinder durch die Kapillardüse geht, erfährt die Probe einen Druckabfall. Aus dem Druckabfall werden eine scheinbare Scherviskosität und die Durchflussrate der Probe durch die Kapillardüse berechnet. Sodann wird log (scheinbare Viskosität) gegen log (Scherrate) aufgetragen und die Kurve nach dem Exponentialgesetz η=Ky^n–1 angepasst, worin K eine Materialkonstante ist, γ ist die Scherrate. Die aufgezeichnete Scherviskosität der Zusammensetzung ist hierin eine Extrapolation auf eine Scherrate von 3000 s^–1 unter Anwendung der exponentiellen Gleichung.
B. Dehnviskosität
Die Dehnviskosität wird unter Anwendung eines Kapillarrheometers (Model Rheograph 2003, hergestellt von Goettfert) gemessen. Die Messungen werden unter Anwendung einer halb-hyperbolischen Düsenbemessung mit einem Anfangsdurchmesser (D_Anfang) von 15 mm, einem Enddurchmesser (D_End) von 0,75 mm und einer Länge (L) von 7,5 mm ausgeführt.
Die halb-hyperbolische Form der Düse wird mit Hilfe von zwei Gleichungen bestimmt. Darin sind Z= axialer Abstand vom Anfangsdurchmesser, worin D(z) der Durchmesser der Düse im Abstand von z von D_Anfang ist;
Die Düse ist an dem unteren Ende des Zylinders angebracht, der bei einer festen Testtemperatur (t) gehalten wird, die der Temperatur entspricht, bei der die Stärkezusammensetzung verarbeitet werden soll. Die Testtemperatur (Verarbeitungstemperatur) ist eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes einer Probe der Stärkezusammensetzung. Die Probe der Stärkezusammensetzung wird bis zu der Düsentemperatur vorerhitzt, in den Zylinderabschnitt des Rheometers geladen und füllt den Zylinderabschnitt weitgehend aus Sofern nach dem Beladen Luftbläschen an die Oberfläche treten, wird vor der Ausführung des Tests eine Verdichtung ausgeführt, um die schmelzflüssige Probe von der eingeschlossenen Luft zu befreien. Die Probe wird programmiert durch einen Kolben aus dem Zylinder durch die hyperbolische Düse bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit durchgestoßen. Sobald die Probe aus dem Zylinder durch die Düsenöffnung tritt, erfährt die Probe einen Druckabfall. Aus dem Druckabfall wird eine scheinbare Dehnviskosität berechnet sowie die Durchflussrate der Probe durch die Düse nach der folgenden Gleichung: Dehnviskosität = (Delta P/Dehngeschwindigkeit/Eh)•10+5)worin die Dehnviskosität in Pascal-Sekunden angegeben ist, Delta P ist der Druckabfall in Bar, die Dehngeschwindigkeit ist die Durchflussrate der Probe durch die Düse in 1/Sekunden und E_h ist die dimensionslose Hencky-Belastung. Die Hencky-Belastung ist die von der Zeit abhängige oder von der Vorgeschichte abhängige Belastung. Die Belastung, die für eine Fluidelement in einem nicht-Newtonschen Fluid auftritt, hängt von dessen kinematischer Vorgeschichte ab, d.h.:
Die Hencky-Belastung (E_h) bei diesem Aufbau beträgt 5,99 und wird durch die folgende Gleichung bestimmt Eh = In[(DAnfang/DEnde)2]
Die scheinbare Dehnviskosität wird als Funktion der Dehngeschwindigkeit von 250^–1 unter Anwendung der exponentiellen Beziehung aufgezeichnet. Eine detaillierte Offenbarung der Messungen der Dehnviskosität unter Anwendung einer halb-hyperbolischen Düse findet sich in der US-P-5 357 784, erteilt am 25. Oktober, 1994 an Collier, deren Offenbarung hiermit als Fundstelle einbezogen ist.
C. Relative Molekülmasse und Molmassenverteilung

Die massegemittelte relative Molekülmasse (Mw) und die Molmassenverteilung (MWD) von Stärke wurden mit Hilfe der Gelpermeationschromatographie (GPC) unter Anwendung einer Mischbettsäule bestimmt. Die Geräteteile sind folgende:

Pumpe:	Waters Model 600E
Systemsteuerteil:	Waters Model 600E

Autosampler:	Waters Model 717 Plus
Säule:	PL-Gel 20 μm gemischte A-Säule (Molekulargewicht des Gels liegt im Bereich von 1.000 bis 40.000.000) mit einer Länge von600 mm und einem Innendurchmesser von 7,5 mm
Detektor:	Waters Model 410 Differential Refractometer GPC Software Waters Millennium^® Software

Die Säule wird mit Dextran-Standards mit Molmassen von 245.000, 350.0, 480.000, 805.000 und 2.285.000 kalibriert. Diese Standards der Dextran-Kalibrierung sind verfügbar bei der American Polymer Standards Corp., Mentor, OH. Die Kalibrierungsstandards werden hergestellt durch Auflösen der Standards in der mobilen Phase, um eine Lösung von etwa 2 mg/ml anzusetzen. Die Lösung kann sich über Nacht ungestört absetzen. Anschließend wird diese leicht verwirbelt und durch ein Spritzenfilter (5 μm Nylon-Membran, Spartan-25, verfügbar bei VWR) unter Verwendung einer Spritze (5 ml, Norm-Ject, verfügbar bei VWR) filtriert.
Die Stärkeprobe wird angesetzt, indem zunächst eine Mischung von 40 Gew.% Stärke in Leitungswasser hergestellt wird und so lange erhitzt wird, bis die Mischung erstarrt. Anschließend werden 1,55 g der erstarrten Mischung zu 22 g der mobilen Phase zugegeben, um eine 3 mg/ml-Lösung anzusetzen, die durch Rühren für 5 min hergestellt wird und die Mischung in einem Ofen für eine Stunde bei 105°C gegeben wird, die Mischung aus dem Ofen entnommen wird und auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Die Lösung wird unter Verwendung der Spritze und des Spritzenfilters entsprechend der vorstehenden Beschreibung filtriert.
Die filtrierte Standard- oder Probelösung wird in dem Autosampler aufgenommen, um vorangegangene Testsubstanzen in einer 100 μl-Injektionsschleife auszuspülen, wonach das momentane Testmaterial in die Säule gespritzt wird. Die Säule wird bei 70°C gehalten. Die aus der Säule eluierte Probe wird im Vergleich zum Hintergrund der mobilen Phase mit Hilfe eines bei 50°C gehaltenen Differentialbrechzahldetektor und mit der im Bereich von 64 eingestellten Empfindlichkeit gemessen. Die mobile Phase ist DMSO mit 0,1% Gewicht/Volumen darin aufgelöstem LiBr. Die Durchflussrate wird bei 1,0 ml/min eingestellt und im isokratischen Mode gehalten (d.h. die mobile Phase ist während des Durchlaufs konstant). Jeder Standard oder Probe wird durch die GPC drei Mal durchgeschickt und die Ergebnisse gemittelt.
Die Molmassenverteilung (MWD) wird folgendermaßen berechnet: MWD = massegemittelte relative Molekülmasse/zahlengemittelte relative Molekülmasse
D. Thermische Eigenschaften
Die thermischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Stärkezusammensetzungen werden unter Anwendung eines TA-Instruments DSC-2910 bestimmt, das mit einem Indium-Metallstandard kalibriert worden war und der eine Schmelztemperatur (beim Einsetzen) von 156,6°C und eine Schmelzwärme von 6,80 Kalorien pro Gramm hat, wie aus der chemischen Literatur zu entnehmen ist. Es wird die standardgemäße DSC-Betriebsweise nach dem Betriebshandbuch des Herstellers angewendet. Aufgrund der Entwicklung von flüchtiger Substanz (z.B. Wasserdampf) aus der Stärkezusammensetzung während einer DSC-Messung wird eine Schale mit großem Volumen, die mit einer O-Ringdichtung ausgestattet, verwendet, um das Austreten flüchtiger Substanzen aus der Probenschale zu verhindern. Die Probe und eine inerte Referenz (im typischen Fall die leere Schale) werden mit der gleichen Geschwindigkeit in einer kontrollierten Umgebung erhitzt. Wenn eine tatsächliche oder scheinbare Phasenänderung in der Probe auftritt, misst das DSC-Instrument den Wärmestrom zu oder von der Probe in Abhängigkeit von demjenigen der inerten Referenz. Das Instrument wird mit einem Computer zum Steuern der Testparameter zusammengeschaltet (d.h. die Geschwindigkeit des Heizens/Kühlens) sowie zur Aufnahme, Berechnung und Aufzeichnung der Daten.
Die Probe wird in eine Schale eingewogen und mit einem O-Ring und einem Deckel verschlossen. Eine typische Probengröße beträgt 25 bis 65 mg. Die verschlossene Schale wird in das Instrument gesetzt und der Computer für die thermische Messung wie folgt programmiert:

1. Kalibrieren bei 0°C;
2. Halten für 2 min bei 0°C;
3. Erhitzen bei 10°C/min bis 120°C;
4. Halten für 2 min bei 120°C;
5. Kühlen bei 10°C/min bis 30°C;
6. Kalibrieren bei Umgebungstemperatur für 24 Stunden, wobei die Probenschale aus dem DSC-Instrument herausgenommen werden kann und für diese Dauer in eine kontrollierte Umgebung bei 30°C gegeben wird;
7. die Probenschale in das DSC-Instrument zurückgeben und bei 0°C Kalibrieren;
8. Halten für 2 min;
9. Erhitzen bei 10°C/min bis 120°C;
10. Halten für 2 min bei 120°C;
11. Kühlen bei 10°C/min bis 30°C und Kalibrieren; sowie
12. Entnehmen der verwendeten Probe.

Der Computer berechnet die Ergebnisse der thermischen Analyse als differentieller Wärmestrom (ΔH) in Abhängigkeit von der Temperatur oder Zeit und zeichnet dieses auf. Im typischen Fall ist der differentielle Wärmestrom normiert und wird auf Gewichtsbasis aufgezeichnet (d.h. Kalorien/mg). Wo die Probe einen scheinbaren Phasenübergang zeigt, wie beispielsweise eine Phasenumwandlung zweiter Ordnung, kann eine Ableitung der ΔHf(Zeit/Temperatur)-Kurve eingesetzt werden, um die Glasübergangstemperatur leichter bestimmen zu können.
E. Wasserlöslichkeit
Es wird eine Probenzusammensetzung durch Mischen der Komponente unter Erhitzen und Rühren hergestellt, bis eine weitgehend homogene Mischung gebildet worden ist. Die schmelzflüssige Zusammensetzung wird zu einer dünnen Folie gegossen, indem sie über eine Teflon^®-Platte ausgebreitet und bei Umgebungstemperatur gekühlt wird. Sodann wird die Folie in einem Ofen bei 100°C vollständig getrocknet (d.h. es befindet sich kein Wasser in der Folie/Zusammensetzung). Die getrocknete Folie wird sodann auf Raumtemperatur kalibriert. Die kalibrierte Folie wird zu kleinen Pellets gemahlen.
Um den prozentualen Feststoff in der Probe zu bestimmen, werden 2 bis 4 g der gemahlenen Probe in eine zuvor gewogene Metallschale gegeben und das Gesamtgewicht der Schale und der Probe aufgezeichnet. Die gewogenen Schale und Probe werden für 2 Stunden bei 100°C in einen Ofen gegeben und anschließend herausgenommen und sofort gewogen. Der prozentuale Feststoffgehalt wird wie folgt berechnet: Feststoffe = (Trockenmasse der gemahlenen Probe & Schale – Gewicht der Schale)·100/(erstes Gewicht der gemahlenen Probe & Schale – Gewicht der Schale)
Um die Löslichkeit der Probenzusammensetzung zu bestimmen, wurden 10 g der gemahlenen Probe in ein 250ml-Becherglas eingewogen. Es wird deionisiertes Wasser zugegeben, um das Gesamtgewicht auf 100 g zu bringen. Die Probe und das Wasser werden auf einer Rührplatte für 5 min gemischt. Nach dem Rühren werden mindestens 2 ml der gerührten Probe in ein Zentrifugenröhrchen gegossen. Es wird für 1 Stunde bei 20.000g bei 10°C zentrifugiert. Der Überstand der zentrifugierten Probe wird aufgenommen und die Brechzahl abgelesen. Die prozentuale Löslichkeit der Probe wird wie folgt berechnet: % löslicher Feststoff = (Brechzahl #)·1.000/% Feststoffe
F. Dicke
Vor dem Testen wird die Folienprobe bei einer relativen Feuchtigkeit von 48% bis 50% und einer Temperatur von 22° bis 24°C so lange konditioniert, bis ein Feuchtegehalt von etwa 5% bis etwa 16% erreicht ist. Der Feuchtegehalt wird mit Hilfe der TGA (thermogravimetrische Analyse) bestimmt. Bei der thermogravimetrischen Analyse wird ein hoch auflösendes TGA2950-"Termogravimetric Analyzer" von der TA Instruments verwendet. Es werden näherungsweise 20 mg Probe in eine TGA-Schale eingewogen. Unter Einhaltung der Hinweise des Herstellers werden die Probe und die Schale in die Einheit eingesetzt und die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 10°C/min bis 250°C erhöht. Der prozentuale Feuchtegehalt in der Probe wird anhand des Gewichtsverlustes und des Anfangsgewichts wie folgt bestimmt: Feuchte = (Ausgangsgewicht – Gewicht bei 250°C)·100/Ausgangsgewicht
Die vorkonditionierten Proben wurden zu einer Größe geschnitten, die größer als die Größe des Fußes war, der zum Messen der Dicke verwendet wurde. Der zu verwendende Fuß ist ein Kreis mit einer Fläche von 3,14 in.².
Die Probe wird auf eine horizontale ebene Oberfläche gesetzt und eingeschlossen zwischen der ebenen Oberfläche und einem Belastungsfuß mit einer horizontalen Belastungsfläche, wobei die Belastungsfläche des Belastungsfußes eine kreisrunde Fläche von etwa 3,14 in.² ist und einen begrenzenden Druck von etwa 15 g/cm² (0,21 psi) auf die Probe aufbringt. Die Dicke ist der resultierende Spalt zwischen der ebenen Oberfläche und der Belastungsfläche des Belastungsfußes. Derartige Messungen können auf einem elektronischen Dickenmessgerät "VIR Electronic Thickness Tester Model II" erhalten werden, das bei Thwing-Albert, Philadelphia, PA, verfügbar ist. Die Dickenmessung wird wiederholt und mindestens 5 Mal aufgezeichnet. Das Ergebnis wird in "mil" angegeben.
Die Summe der bei den Dicketests aufgezeichneten Ablesungen wird durch die Zahl der aufgezeichneten Ablesungen dividiert. Das Ergebnis wird in "mil" angegeben.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Endlos-Stärkefilamenten, welches Verfahren die Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer Stärkezusammensetzung, aufweisend 10% bis 80 Gew.% modifizierte, aufgeschlossene Stärke und 20% bis 90 Gew.% eines Additivs, worin die Stärke eine massegemittelte relative Molekülmasse von 1.000 bis 2.000.000 hat und worin die Stärkezusammensetzung eine Dehnviskosität von 50 Pa·s bis 20.000 Pa·s hat und eine logarithmische Kapillaritätszahl von mindestens 0,05; und (b) Elektrospinnen der Stärkezusammensetzung, wodurch die Stärkefilamente mit einer Größe von 0,001 dtex bis 135 dtex erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Stärkezusammensetzung eine logarithmische Kapillaritätszahl von mindestens 1 hat.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem der Schritte der Bereitstellung einer Stärkezusammensetzung die Bereitstellung einer Stärkezusammensetzung umfasst, worin 20% bis 99 Gew.% Amylopektin sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Stärkezusammensetzung eine Dehnviskosität von 100 Pa·s bis 15.000 Pa·s hat.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Stärkezusammensetzung 20% bis 70 Gew.% Stärke aufweist und 30% bis 80 Gew.% Additive und worin die Stärkezusammensetzung eine Dehnviskosität von 200 Pa·s bis 10.000 Pa·s hat.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Stärkezusammensetzung eine Dehnviskosität von 200 Pa·s bis 10.000 Pa·s und eine logarithmische Kapillaritätszahl von 3 bis 50 hat.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Stärkezusammensetzung eine Dehnviskosität von 300 Pa·s bis 5.000 Pa·s und eine Kapillarzahl von 5 bis 30 hat
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem der Schritt der Bereitstellung einer Stärkezusammensetzung das Bereitstellen einer Stärkezusammensetzung umfasst, die ferner 0,0005% bis 5 Gew.% eines Hochpolymers mit einer mittleren relativen Molekülmasse von mindestens 500.000 aufweist, wobei das Hochpolymer mit der Stärke weitgehend kompatibel ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem das Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Weichmachern und Streckmitteln.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Stärkezusammensetzung ferner 5% bis 95 Gew.% eines Proteins aufweist, wobei das Protein ein von Mais deriviertes Protein aufweist, ein von Sojabohnen deriviertes Protein, ein von Weizen deriviertes Protein oder eine beliebige Kombination davon.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, ferner umfassend einen Schritt des Verfeinerns der Stärkefilamente mit Luftströmen.
Verfahren zum Herstellen einer flexible, Stärkefilamente aufweisenden Struktur, welches Verfahren die Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer Stärkezusammensetzung, aufweisend 10% bis 80 Gew.% modifizierte, aufgeschlossene Stärke und 20% bis 90 Gew.% eines Additivs, worin die Stärke eine massegemittelte relative Molekülmasse von 1.000 bis 2.000.000 hat und wobei die Stärkezusammensetzung eine Dehnviskosität von 100 Pa·s bis 10.000 Pa·s hat und eine logarithmische Kapillaritätszahl von mindestens 0,05; (b) Bereitstellen eines Teils zum Formen, das über eine dreidimensionale Filament aufnehmende Seite und eine dazu gegenüberliegende Rückseite verfügt, wobei die Filament aufnehmende Seite ein im Wesentlichen kontinuierliches Muster aufweist, ein im Wesentlichen halbkontinuierliches Muster, ein diskretes Muster oder eine beliebige Kombination davon; (c) Elektrospinnen der Stärkezusammensetzung, wodurch eine Vielzahl von Stärkefilamenten erzeugt wird; und (d) Ablegen der Vielzahl von Stärkefilamenten auf der Filament aufnehmenden Seite des Teils zum Formen, worin die Stärkefilamente die Form des dreidimensionalen Musters der Filament aufnehmenden Seite annehmen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Stärkezusammensetzung ferner ein Hochpolymer mit einer massegemittelten relativen Molekülmasse von mindestens 500.000 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, bei welchem der Schritt des Elektrospinnens der Stärkezusammensetzung das Elektrospinnen der Stärkezusammensetzung durch eine Düse umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend einen Schritt des Verfeinerns der Stärkefilamente mit Luft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welchem der Schritt der Bereitstellung eines Teils zum Formen das Bereitstellen eines Teils zum Formen umfasst, das zu einem kontinuierlichen Durchlauf in Faserlaufrichtung strukturiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei welchem der Schritt der Bereitstellung eines Teils zum Formen das Bereitstellen eines Teils zum Formen umfasst, das mit Hilfe eines verstärkenden Elementes geformt ist, das auf einer ersten Erhöhung angeordnet ist, und ein Harzgerippe, das mit dem verstreckenden Element in einer unmittelbar gegenüberliegenden Beziehung verbunden ist und von dem verstärkenden Element unter Bildung einer zweiten Erhöhung nach außen ragt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem das Teil zum Formen für Fluid durchlässig ist und eine Vielzahl von verflochtenen Garnen, einen Filz oder eine beliebige Kombination davon aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem das Harzgerippe eine Vielzahl von Basisträgern aufweist, die sich von dem verstärkenden Element nach außen erstrecken, und eine Vielzahl von Auslegerabschnitten, die sich seitlich von den Basisträgern in der zweiten Erhöhung unter Erzeugung von Hohlräumen zwischen den Auslegeabschnitten und dem verstärkenden Element erstrecken, worin die Vielzahl von Basisträgern und die Vielzahl von Auslegerabschnitten in Kombination die dreidimensionale Filament aufnehmende Seite des Teils zum Formen bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei welchem der Schritt des Ablegens der Vielzahl von Stärkefilamenten auf die Filament aufnehmende Seite des Teils zum Formen das Anlegen einer Fluiddruckdifferenz an der Vielzahl von Stärkeelementen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Bereitstellens einer Stärkezusammensetzung ferner ein Hochpolymer umfasst.