DE69612402T2

DE69612402T2 - Verbindung von fasermatten mit wärmehärtenden faserbindemittel von bestimmten epoxyharze

Info

Publication number: DE69612402T2
Application number: DE69612402T
Authority: DE
Inventors: George S. Buck
Original assignee: Ramcon-Fiberlok,Inc.
Current assignee: Ramcon-Fiberlok inc Memphis Tenn Us
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: US5804005A; ATE200315T1; US6039821A; TR199802267T2; EP0897431B1; EP0897431A1; ES2159360T3; JP2000509767A; DE69612402D1; CA2254112C; WO1997042367A1; CA2254112A1; AU6486596A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Binden von Nonwoven- Faservliesen mit bestimmten Faserbindemitteln, die dabei erhaltenen Faservliese und verwandte Produkte und Verfahren.

Hintergrund der Erfindung

Vor einigen Jahren wurden Verfahren zur Herstellung von Faservliesen entwickelt, bei denen Fasern mit einem trockenen Faserbindemittel auf Basis von bestimmten thermoplastischen Polymeren in Kontakt gebracht werden. Diese Verfahren sind unter anderem in den folgenden Patenten beschrieben:
US-Patent 3 993 518 (Buck et al., nachstehend als "Buck '518" bezeichnet),
US-Patent 3 997 942 (Buck et al., nachstehend als "Buck '942" bezeichnet),
US-Patent 4 047 991 (Buck et al., nachstehend als "Buck '991" bezeichnet),
US-Patent 4 050 997 (Buck et al., nachstehend als "Buck '997" bezeichnet),
US-Patent 4 051 294 (Buck et al., nachstehend als "Buck '294" bezeichnet),
US-Patent 4 053 673 (Buck et al., nachstehend als "Buck '673" bezeichnet),
US-Patent 4 053 674 (Buck et al., nachstehend als "Buck '674" bezeichnet)
US-Patent 4 211 817 (Buck, nachstehend als "Buck '817" bezeichnet), US-Patent 4 363 680 (Buck et al., nachstehend als "Buck '680" bezeichnet),
US-Patent 4 550 050 (Buck, nachstehend als "Buck '050" bezeichnet), US-Patent 4 457 793, (Buck, nachstehend als "Buck '793" bezeichnet), US-Patent 4 473 428, (Buck et al., nachstehend als "Buck '428" bezeichnet),
US-Patent 4 850 854 (Buck, nachstehend als "Buck '854" bezeichnet) und
US-Patent 4 869 950 (Elsen, nachstehend als, "Eisen" bezeichnet).
Diese bereits bekannten Verfahren haben sich aus einer Reihe von Gründen als sehr nützlich erwiesen. Erstens können in den genannten Verfahren billige Recycle-Fasern verwendet werden. Diese Fasern werden gewonnen aus Kleidungsabfällen, Textilfabrikabfällen und anderen Abfall-Faserprodukten. Diese Materialien werden gelegentlich als "Shoddy (Reißwolle)" bezeichnet. Zweitens sind die patentierten Verfahren wasserfrei, d. h. vollständig trocken, in ihnen wird weder Wasser noch ein Lösungsmittel verwendet. Drittens wird das Faserbindemittel in seiner festen pulverförmigen Form verwendet.
Faservliese, die nach diesen bekannten Verfahren hergestellt sind, werden für die verschiedensten Zwecke verwendet. Sie sind verwendbar als Polster in Matratzen, Möbeln, Sesseln und Automobilsitzen. Sie sind auch verwendbar als Teppich-Unterlage. Tatsächlich können diese Faservliese überall dort verwendet werden, wo Elastizität, Wärmeisolierung, Schallisolierung und/oder Aufpolsterung erwünscht ist. Diese Faservliese können mit anderen Geweben (Stoffen) bedeckt sein oder sie können für das bloße Auge sichtbar sein. Diese Faservliese können nahezu überall dort verwendet werden, wo bisher Gummi bzw. Kautschuk oder Polyurethanschaum verwendet worden ist. Diese Faservliese sind jedoch aus vielen Gründen dem Schaum überlegen, insbesondere weil sie eine längere Gebrauchslebensdauer haben. Wegen ihrer großen Nützlichkeit sind diese bekannten Faservliese kommerziell sehr erfolgreich. Sie werden derzeit weltweit in Mengen von mehr als etwa 25 Millionen Kilogramm, etwa 25 000 Tonnen, pro Jahr hergestellt.
Ein Nachteil ist der verhältnismäßig hohe Schmelzpunkt der thermoplastischen Harze, die als Faserbindemittel verwendet werden. So muss beispielsweise ein Faservlies, das mit einem Dibutylmaleat-Copolymer gebunden ist, auf etwa 195ºC (383ºF) erhitzt werden. Es ist teuer, einen derart hohen Schmelzpunkt beizubehalten wegen der Energiekosten. Ein derart hoher Schmelzpunkt vergrößert auch die Möglichkeit des Auftretens nachteiliger Wärmeeffekte auf Komponenten- bzw. Bestandteile des Faservlieses. Je höher der Schmelzpunkt des thermoplastischen Harzes in dem Faserbindemittel ist, um so größer ist die Gefahr, dass dieses oder andere Bestandteile des Faserbindemittels Feuer fangen.
Unglücklicherweise leiden diese bekannten Faservliese und Verfahren zu ihrer Herstellung unter einer Reihe von Nachteilen. Faservliese, die mit Faserbindemitteln aus Chlor enthaltenden thermoplastischen Harzen gebunden sind, leiden unter einer Reihe von Nachteilen. In diesen Chlor enthaltenden Harzen werden Polymere verwendet, die Vinylchlorid und/oder Vinylidenchlorid umfassen. In diesen Faservliesen besteht die Gefahr, dass eine unerwünschte Freisetzung von Chlorwasserstoffsäure auftritt. Diese Chlorwasserstoffsäure verursacht eine Reihe von Problemen sowohl bei den Verfahren zur Herstellung der Faservliese als auch bei den Verfahren zur Verwendung der resultierenden Faservliese, weil die Chlorwasserstoffsäure, die toxisch und stark korrosiv ist, in der Verfahrensvorrichtung zurückgehalten werden muss. Eine solche Vorrichtung muss mit einem luftdichten Verschluss und mit einem Ventilator ausgestattet sein, um den Verschluss unter einem negativen Luftdruck zu halten. Wenn die Vorrichtung zur Durchführung einer Inspektion, zur Einstellung oder Reparatur geöffnet wird, können die Arbeiter den toxischen HCI-Dämpfen ausgesetzt sein. Die aus der Einheit entweichenden Dämpfe müssen zurückgehalten werden. Wegen der Chlorwasserstoffsäure steigen die Reparaturkosten. Es müssen auch Maßnahmen ergriffen werden, um die Arbeiter zu schützen. Die Chlorwasserstoffsäure muss neutralisiert werden, in der Regel mit Natronlauge (NaOH) oder Kalk (CaO), wobei als Neutralisationsprodukte jeweils unreines Salz (NaCl) und unreines Calciumchlorid (CaCl&sub2;) gebildet werden. Diese Neutralisationsprodukte müssen beseitigt werden in einer Art, die mit einem ausreichenden Umweltschutz vereinbar ist. Diese Beseitigung ist teuer, jedoch lebensnotwendig. Einige Umweltschützer haben behauptet, dass eine Beziehung bestehe zwischen Chlor und der Anwesenheit von Dioxin in der Umwelt.
Obgleich das Chlor in diesen Chlor enthaltenden Faservliesen die resultierenden Faservliese etwas feuerbeständig macht, ist Chlor allein häufig nicht ausreichend. Es ist zu einer üblichen Praxis geworden, die Feuerbeständigkeit der Faservliese durch Zugabe von Antimonoxid, Borsäure, Diammoniumphosphat und/oder Aluminiumoxidtrihydrat zu verbessern. Unglücklicherweise haben diese zugesetzten Materialien die Eigenschaft, das Chlor enthaltende Faserbindemittel zu zersetzen mit einer daraus resultierenden unerwünschten Freisetzung von Chlorwasserstoffsäure. Diese Chlonrwasserstoffsäure muss eingefangen und herausgewaschen werden aus den Abgas-Schornsteinen, um eine unerwünschte Luftverschmutzung zu verhindern. Die Menge der während der Aushärtung des Faservlieses freigesetzten Chlorwasserstoffsäure steigt bei Temperaturen oberhalb 205ºC (400ºF) scharf an. Die Abgas-Nebenprodukte, die während der Faservlies-Aushärtung entstehen, können zu Eintrübungen des Abgases führen, die oberhalb akzeptabler Grenzen liegen. Zur Überwachung und Kontrolle sind teure Emissions-Kontrolleinrichtungen erforderlich.
Nach der Herstellung dieser bekannten Faservliese mit weißen Fasern und Chlor enthaltenden Harzen kann eine Vergilbung der Fasern auftreten. Wenn die Fasern sichtbar sind, nimmt die Verbrauchernachfrage ab.
Es wird angenommen, dass die mit Chlor enthaltenden Faserbindemitteln hergestellten Faservliese des Standes der Technik, wenn sie in Polstern mit Stahlfedern verwendet werden, das Rosten der Federn katalysieren. Dies kann zu einen unerwünschten Quietschen der Federn führen.
Faservliese, die mit Chlor enthaltenden Harzen gebunden sind, wurden für die Verwendung als Polstermaterial für Sitze und Verkleidungen in Automobilen abgelehnt. Die Automobilhersteller fürchten, dass eine Chlorwasserstoffsäure- Freisetzung die gedruckten Schaltungen, die Teil der Computer- und Elektronik-Komponente moderner Automobile sind, beschädigen könnte.
Viele der Faservliese des Standes der Technik, die mit thermoplastischen Harzen gebunden sind, setzen beim Erhitzen einen klebrigen Dampf frei. Dieser klebrige Dampf scheint von den Weichmachern zu kommen, die dem Harz zugemischt worden sind. Beispiele für Weichmacher sind Dioctylphthalat und epoxidiertes Sojabohnenöl. Während des Erhitzungsverfahrens werden diese Weichmacher freigesetzt. Die Weichmacher können in Form eines öligen Rückstandes auf der Oberfläche der Neutralisationslösung kondensieren, wodurch die Beseitigung teuer wird. Sie können auch als klebrige Rückstände kondensieren, die sich in einem Ofenabgas entzünden und einen Brand hervorrufen können. Die Entfernung dieses Rückstandes ist zeitraubend und teuer.
Ein Automobilhersteller hat einen empirischen Test zur Bestimmung der Eignung von Faservliesen für die Verwendung als Unterlage (Polster) unter dem Teppich von Automobilen vorgeschlagen. In diesem empirischen Test wird eine Probe des Faservlieses für eine Zeitdauer von 1 h einer Temperatur von 232ºC (450ºF) ausgesetzt, um eine Erhitzung durch den Abgas-Katalysator durch den Automobilboden hindurch zu simulieren. Nach der Erhitzungsdauer wird die Unterlage geprüft, um zu bestimmen, ob sie (I) einen Geruch entwickelt hat, (2) verfärbt worden ist und (3) ihre Form verloren hat. Die bekannten Faservliese, die mit Chlor enthaltenden Faserbindemitteln gebunden sind, versagen in diesem Test.
Wie in dem Stand der Technik beschrieben, müssen diese bekannten thermoplastischen Bindemittel in Form von kleinen Teilchen verwendet werden. Ein Verfahren besteht darin, Monomere zu polymerisieren, die direkt ein Harz mit der gewünschten Teilchengröße bilden. Die hohen Kosten für dieses Verfahren machen es kommerziell ungeeignet. Ein weniger teures Verfahren besteht darin, das Harz ohne Berücksichtigung der Teilchengröße herzustellen und es dann auf die gewünschte Teilchengröße zu zerkleinern. Unglücklicherweise sind einige dieser bekannten thermoplastischen Bindemittel verhältnismäßig weich und erfordern sehr lange Mahlzeiten (Zerkleinerungszeiten), um die gewünschte Teilchengröße zu erzielen. Wegen ihrer Weichheit neigen die Teilchen eher dazu, sich zu verformen, als zu zerbrechen. Das Mahlen bei kryogenen Temperaturen ist zwar begrenzt erfolgreich, jedoch teuer.
In jüngster Zeit sind die Kosten für alle angegebenen bekannten thermoplastischen Faserbindemittel dramatisch gestiegen. Dieser Anstieg führte zu höheren Kosten für die Produkte, in denen diese bekannten Faservliese verwendet werden, was zur Folge hatte, dass sie durch andere, minderwertigere, weniger teure Produkte ersetzt wurden.
Es wurde viel Mühe darauf verwendet, diese Harze auf wirtschaftliche Weise neu zu formulieren, um ihre Schmelzpunkte zu erniedrigen. Unglücklicherweise hatten diese Versuche nur einen sehr begrenzten Erfolg. Bei einem Versuch wurde ein Copolymer von Vinylidenchlorid und Vinylchlorid durch Einführen weiterer Vinylmonomerer, wie Vinylacetat und Dibutylmaleat, in ein Terpolymer umgewandelt. Es wurde angenommen, dass das resultierende Terpolymer einen Schmelzpunkt haben würde, der niedriger ist als derjenige des Copolymers. In einem weiteren Versuch wurden Gemische oder Legierungen von zwei oder mehr thermoplastischen Harzen verwendet. Ein Versuch zur Verwendung von Polyolefinen war erfolglos wegen der Schwierigkeiten beim Mahlen (Zerkleinern) und der Eigenschaft der Polyolefine, während des Mahlens eher Fasern als kleine Teilchen zu ergeben.
Vor kurzem wurde ein gewisser Erfolg dadurch erzielt, dass das bekannte thermoplastische Faser-Bindemittel mit den Fasern des Faservlieses in Kontakt gebracht wird, indem man es durch ein fertig-geformtes Faservlies hindurchbläst. Die Dicke eines solchen Faservlieses ist jedoch auf etwa 5 cm (2 inches) begrenzt wegen der Neigung des thermoplastischen Faserbindmittels, in das Faservlies nicht vollständig einzudringen. Die Erhöhung der Geschwindigkeit der durch das Faservlies hindurchgeblasenen Luft war nur teilweise erfolgreich. Dieses Verfahren ist daher begrenzt auf solche, in denen vorgeformte Faservliese mit einer Dicke von weniger als 7 cm (3 inches) verwendet werden.
Diese bekannten Faservliese können kaltgeformt, jedoch nicht warmgeformt werden. Bei dem Kaltformverfahren wird das Faservlies erhitzt und in eine kalte Form gelegt, bis sich das Faservlies auf die Temperatur der Form abgekühlt hat. Bei dem Warmformverfahren wird das Faservlies in eine heiße Form gelegt. Nach einer bestimmten Zeit wird das Faservlies aus der heißen Form entnommen. Es gibt eine Nachfrage nach Faservliesen, die entweder warmgeformt oder kaltgeformt werden können.
Auf dem völlig davon verschiedenen, nicht-analogen Gebiet der elektrostatischen Beschichtung tritt ebenfalls eine Reihe von Problemen auf, die mit der Beseitigung der Beschichtungspulver-Abfälle im Zusammenhang stehen. Auf diesem Gebiet wird an das zu beschichtende Substrat, das eine Automobilkarosserie sein kann, ein elektrisches Potential angelegt, das von demjenigen einer Pulverspritzpistole verschieden ist. Das Beschichtungspulver wird mittels der genannten Pistole in einem Gasstrom auf das Substrat aufgesprüht. Ein Teil des Pulvers haftet nicht an dem Substrat und wird als Abfall gesammelt. Ein Teil des Pulvers, das in der Luft mitgenommen wird, wird dann in Filtern als Abfall abgetrennt. Ein Großteil dieses Abfalls kann nicht wiederverwendet werden, ohne die resultierenden Überzüge in nachteiliger Weise zu beeinflussen. Der Abfall muss auf eine umweltverträgliche Weise beseitigt werden. Die Beseitigung dieses Abfalls stellt eine Belastung der Beschichtungfabrik dar. In einigen Fabriken wird der Abfall verbrannt, während andere dafür zahlen, dass er zu einer anerkannten Mülldeponie abtransportiert wird. Heutzutage werden jährlich Millionen von Kilogramm (Ibs) Abfallmaterial in die Umwelt geworfen. Wenn der Abfall verbrannt wird, besteht die Gefahr, dass dies zur Luftverschmutzung beiträgt. Wenn der Abfall auf einer Mülldeponie abgelagert wird, besteht die Gefahr, dass dadurch Trinkwasserquellen verunreinigt werden.
Ein anderes minderwertiges Material oder Abfallmaterial fällt an bei einem Hersteller eines Beschichtungspulvers aufgrund von Defekten, einer schlechten Farbe und/oder der Anwesenheit von Verunreinigungen, die das Material für die Verwendung in der Pulver-Beschichtungsindustrie ungeeignet machen. Bei einem solchen Material treten ähnliche Beseitigungsprobleme auf.

Ziele der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Faservliesen anzugeben, das im wesentlichen frei von einem oder mehreren der Nachteile der Verfahren des Standes der Technik ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Faservlies zur Verfügung zu stellen, das im wesentlichen frei von einem oder mehreren der Probleme der Faservliese des Standes der Technik ist.
Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein Verfahren und ein Faservlies bereitzustellen, in denen ein Faserbindemittel verwendet wird, das frei von Chlor ist. Noch ein anderes Ziel besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem keine Chlorwasserstoffsäure freigesetzt wird.
Ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes Verfahren anzugeben, in dem als Faserbindemittel ein leicht verfügbares Recycle-Material verwendet werden kann.
Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes Verfahren anzugeben, in dem ein vorgeformtes Faservlies mit einer Dicke von mehr als etwa 7 mm (114 inch) mit einem Faserbindemittel in Kontakt gebracht und in geeigneter Weise gebunden werden kann.
Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes Verfahren anzugeben, bei dem ein biegebeständiges Faservlies erhalten werden kann durch einfaches Kontrollieren bzw. Steuern der Zeit und der Temperatur, bei der das Faservlies gehärtet wird.
Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes Verfahren anzugeben, bei dem die Teilchen des Faserbindemittels eine größere Affinität gegenüber den Fasern aufweisen als bisher.
Ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes Verfahren anzugeben, bei dem niedrigere Temperaturen als sie bisher möglich waren angewendet werden, was zu Energieeinsparungen führt.
Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Faservlieses anzugeben, das in bezug auf seine Eigenschaften den Faservliesen des Standes der Technik ebenbürtig ist, bei dem jedoch weniger Faserbindemittel verwendet wird.
Ein zusätzliches Ziel besteht darin, verbesserte gebundene Faservliese und Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, wobei in dem Verfahren ein Faserbindemittel verwendet wird, das leicht und billig auf die gewünschte Teilchengröße gemahlen werden kann.
Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes Verfahren anzugeben, bei dem während der Erhitzungsstufe, die während der Faservlies-Formung erforderlich ist, kein klebriger Rückstand abgelagert wird.
Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein Faservlies anzugeben, das sowohl kaltgeformt als auch warmgeformt werden kann. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere wichtig, über ein Verfahren zur Herstellung eines Faservlieses zu verfügen, bei dem kein toxisches Harz wie Phenolformaldehyd erforderlich ist.
Ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes Faservlies zur Verfügung zu stellen, das den Tests für die Verwendbarkeit als Automobilteppich-Unterlage genügt.
Ein weiteres Ziel besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines warmformbaren Faservlieses anzugeben, bei dem die Verwendung von Phenolharzen, die toxische Gase, unerwünschte Gerüche und einen nicht akzeptablen Geruch aus den Aushärtungsöfen ergeben, nicht erforderlich ist.
Die oben genannten und weitere Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch Bereitstellung von verbesserten gebundenen Faservliesen und eines Verfahrens zu ihrer Herstellung, wie es in der nachfolgenden Beschreibung und in den beiliegenden Zeichnungen erläutert, wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Aufrissansicht einer Vorrichtung, die zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Fig. 2 dar;
Fig. 4 zeigt einen Abschnitt einer anderen Vorrichtung, die zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung, in stark vergrößertem Maßstab, des erfindungsgemäßen Rohfaservlieses vor dem Härten, bei dem die Faserbindemittel-Teilchen an dem Faservlies haften;
Fig. 6 stellt eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5 dar, die jedoch das gehärtete Faservlies zeigt, bei dem die Fasern an ihren Überkreuzungsstellen mit dem erfindungsgemäßen Faserbindemittel gebunden sind;
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Warmform- Verfahrens in der Stufe des Verfahrens, bei dem die Form offen ist;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Warmform- Verfahrens, bei dem ein erfindungsgemäßes Faservlies verwendet wird in der Verfahrensstufe, in der die Form geschlossen ist;
Fig. 9 zeigt ein nach dem Verfahren gemäß Fig. 7 und 8 hergestelltes geformtes Faservlies;
Fig. 10 stellt ein Diagramm dar, das die unerwartet höhere Biegebeständigkeit von erfindungsgemäßen Faservliesen im Vergleich zu solchen des Standes der Technik zeigt, wenn die Biegebeständigkeit in der Transversal-Richtung gemessen wird;
Fig. 11 stellt ein Diagramm dar, das die unerwartet höhere Biegebeständigkeit von erfindungsgemäßen Faservliesen im Vergleich zu solchen des Standes der Technik zeigt, wenn die Biegebeständigkeit in der Laufrichtung oder Maschinenlaufrichtung gemessen wird;
Fig. 12 stellt eine Seitenansicht einer Vorrichtung dar, die zur Bestimmung der Faservlies-Biegebeständigkeit verwendet wurde, wie dieser Ausdruck hier verwendet wird;
Fig. 13 stellt eine Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 12 entlang der Linie 13- 13 der Fig. 12 vor der Messung dar;
Fig. 14 stellt eine Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 12 entlang der Linie 13- 13 der Fig. 12 während der Messung dar.

Zusammenfassung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines gebundenen (bondierten) Nonwoven-Faservlieses, das die Stufen umfasst:
1. Bereitstellung eines trockenen, festen, teilchenförmigen latent vernetzbaren wärmehärtbaren Faserbindemittels, bei dem es sich handelt um eine innige Mischung aus
A. einem festen Epoxyharz, das aufweist:
(a) Epoxidgruppen der Formel I:
(b) ein Epoxid-Äquivalentgewicht von mehr als etwa 500;
(c) eine Glasumwandlungstemperatur von mehr als etwa 40ºC;
(d) einen Schmelzpunkt von mehr als etwa 70ºC; und
B. einer koreaktiv wirksamen Menge eines Vernetzungsmittels, das mit den Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagiert, wobei das Faserbindemittel im wesentlichen frei von Lösungsmittel für das Epoxyharz und für das Vernetzungsmittel ist, das Äquivalenzverhältnis A : B zwischen (A) dem Epoxyharz und (B) dem Vernetzungsmittel etwa 1,3 : 1 bis etwa 1 : 1,3 beträgt und das Faserbindemittel im wesentlichen wasserfrei ist, und wobei das Faserbindemittel einen Erweichungspunkt von etwa 40 bis etwa 160ºC, ein Glasplatten-Fließvermögen von etwa 14 bis etwa 150 mm und eine Teilchengröße von etwa 1 bis etwa 200 um hat; und dann
II. Inkontaktbringen der faserbindenden Mengen des Faserbindemittels mit den Fasern unter Bildung eines Rohfaservlieses, bei dem das Faserbindemittel an den Fasern des Faservlieses locker haftet;
III. anschließendes Erhitzen des Rohfaservlieses auf eine Vernetzungs- Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Faserbindemittels, jedoch unterhalb des Seng- oder Schmelzpunktes der Fasern, wodurch das Faserbindemittel schmilzt und zu den Überkreuzungsstellen der Fasern fließt und anschließend das Vernetzungsmittel mit den Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagiert unter Umwandlung des Rohfaservlieses in ein warmvernetztes Faservlies, wobei das Erhitzen des Rohfaservlieses auf eine Temperatur von etwa 100 bis etwa 240ºC für eine ausreichende Zeitspanne oder für etwa 20 s bis etwa 10 min auf eine geeignete Temperatur durchgeführt wird; und
IV. anschließendes Abkühlen des warmvernetzten Faservlieses.
In der vorliegenden Patentanmeldung wird das warmvernetzte Faservlies häufig als vernetztes Faservliese oder halb-halbvernetztes Faservlies bezeichnet, um deutlicher zu unterscheiden zwischen dem Mechanismus des erfindungsgemäßen Verfahrens und demjenigen des Standes der Technik. Es ist jedoch selbstverständlich, dass das Faservlies selbst nur physikalisch vernetzt wird mit den geschmolzenen Faser-Teilchen, die ihrerseits durch die hier beschriebenen chemischen Reaktionen vernetzt worden sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Zeit und die Temperatur der Vernetzungsmittel-Erhitzungsstufe, Stufe III, so eingeschränkt werden, dass das Vernetzungsmittel mit weniger als allen Epoxidgruppen, vorzugsweise mit etwa 5 bis etwa 40 Gew.-% der Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagiert, um dadurch das Rohfaservlies in ein warmes, halbvernetzfes Faservlies umzuwandeln, das anschließend abgekühlt wird. Dieses halb-vernetzte Faservlies wird dann zwischen offene männliche und weibliche Formen gelegt. Die Formen werden geschlossen, wodurch bewirkt wird, dass das halb-gehärtete Faservlies die Form dieser Formen annimmt. Die männliche Form, die weibliche Form und das halb-gehärtete Faservlies werden auf eine Vernetzungs-Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Faserbindemittels, jedoch unterhalb des Seng- oder Schmelzpunktes der Fasern erhitzt, um dadruch das Faserbindemittel zu schmelzen und das Vernetzungsmittel mit den übrigen Epoxidgruppen des Epoxyharzes umzusetzen. Dadurch wird das halbgehärtete Faservlies in ein vollständig gehärtetes Faservlies in Form eines Formkörpers (geformten Gegenstandes) überführt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein gebundenes Nonwoven-Faservlies, das mit einem Faserbindemittel gebundene Fasern umfasst, wobei das Bindemittel umfasst:
A. ein festes Epoxyharz, das aufweist:
(a) Epoxidgruppen der Formel I:
(b) ein Epoxid-Äquivaientgewicht von mehr als etwa 500;
(c) eine Glasumwandlungstemperatur von mehr als etwa 40ºC;
(d) einen Schmelzpunkt von mehr als etwa 70ºC; und
B. eine koreaktive wirksame Menge eines Vernetzungsmittels, das mit den Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagiert, wobei das Faserbindemittel im wesentlichen frei von Lösungsmitteln für das Epoxyharz und für das Vernetzungsmittel ist, das Äquivalenzverhältnis A : B zwischen (A) dem Epoxyharz und (B) dem Vernetzungsmittel etwa 1,3 : 1 bis etwa 1 : 1,3 beträgt,
wobei das Faservlies bei einer Ofentemperatur von 232ºC keinen Formaldehyd oder keine Chlorwasserstoffsäure bildet,
das Faservlies eine Beständigkeit gegen Feuchtigkeit von mehr als 100 h hat, bestimmt nach dem Test 463PB-9-01,
die Fasern bei Temperaturen unterhalb 100ºC nicht schmelzen oder sich nicht zersetzen,
das Faserbindemittel vor dem Binden an die Fasern eine Glasplatten- Fließstrecke von etwa 15 bis etwa 150 mm aufweist und das Faserbindemittel eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 1 bis etwa 200 um hat.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäß verwendbaren Epoxyharze weisen Epoxidgruppen auf, worunter ein oder mehr Reste der Formel 1 zu verstehen sind:
Erfindungsgemäß kann eine große Anzahl von Epoxyharzen verwendet werden. Ein bevorzugtes Epoxyharz, das in den erfindungsgemäßen Faser- Bindemitteln verwendbar ist, ist das Reaktionsprodukt von Bisphnol A und Epichlorhydrin, dargestellt durch die Formel (II), worin "n" im allgemeinen für eine Zahl von etwa 3 bis etwa 12 und vorzugsweise für eine Zahl von etwa 3 bis etwa 7 steht:
Eine weitere bevorzugte Klasse von Epoxyharzen sind diejenigen der Formel III, worin jedes "p" unabhängig ausgewählt wird aus Null oder 1 und worin "q" im allgemeinen steht für eine Zahl von etwa 3 bis etwa 12 und vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 7:
Die Epoxyharze der Formel (11 l) werden häufig als "epoxidierte Phenol- Novolake" oder "EPN-Harze" bezeichnet, wenn "p" für die Zahl Null steht, und sie werden als "epoxidierte Kresol-Novolake" oder "ECN-Harze" bezeichnet, wenn "p" für die Zahl 1 steht. Natürlich können diese Harze auch aus Mischungen von Phenol und Kresol hergestellt werden.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Epoxyharze weisen im allgemeinen ein Epoxid-Äquivalentgewicht von etwa 500 bis etwa 5000 und vorzugsweise von etwa 600 bis etwa 3000 auf. Allgemein gilt, dass dann, wenn sie etwa zwei Epoxygruppen pro Molekül aufweisen, das Molekulargewicht etwa das Doppelte der oben genannten Zahlen beträgt.
Das Epoxyharz hat im allgemeinen eine Glasumwandlungstemperatur, häufig als "Tg" bezeichnet, von mehr als etwa 40ºC, vorzugsweise von mehr als etwa 50ºC, und einen Schmelzpunkt von mehr als etwa 70ºC, vorzugsweise von etwa 80 bis etwa 150ºC.
Das Epoxyharz kann eine stark variierende Teilchengröße aufweisen, so lange es fest ist. Wie auf dem Gebiet der Harze allgemein bekannt, ist dieses Harz ein Gemisch von einzelnen Molekülen, die jeweils ein unterschiedliches Molekulargewicht haben. Das durchschnittliche Molekulargewicht des Epoxyharzes liegt zwischen etwa 1000 und etwa 10000, vorzugsweise zwischen etwa 1200 und 6000. Das Epoxyharz kann linear oder verzweigt sein, vorzugsweise ist es linear. Es ist jedoch nicht vernetzt.
Die in den erfindungsgemäßen Faserbindemitteln verwendbaren Epoxyharze können erhalten werden aus Farbpulverabfall, der erhältlich ist beispielsweise von Farbherstellern und Endverbrauchern von Farbpulvern. Zu Synonymen für Farbpulverabfall gehören Feinteile, übergroße Materialien, verschlissene Materialien, veraltete Materialien, minderwertige Materialien und Materialien außerhalb der Norm, worunter Materialien zu verstehen sind, die nicht einzelnen Normen entsprechen und/oder überholt (veraltet) sind.
Die zusammen mit den ausgewählten Epoxyharzen verwendbaren Vernetzungsmittel sind allgemein bekannt. Die Vernetzungsmittel weisen zwei oder mehr reaktive Gruppe auf, die mit den Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagieren. Zu Beispielen für geeignete Vernetzungsmittel gehören: Polycarbonsäuren, Polycarbonsäureanhydride, Polyester mit endständiger Säure, polyfunktionelle Amine, Phenol/Kresol-Novolake, harzartige Phenolharze, beschleunigte und substituierte Dicyandiamid-Derivate und Imidazol/Epoxyharz-Addukte.
Zu Beispielen für geeignete Polycarbonsäuren gehören unter anderem: Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Trimellithsäure, Maleinsäure, Adipinsäure, Decandisäure und Dodecandisäure.
Zu Beispielen für geeignete Polycarbonsäureanhydride gehören unter anderem: Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Trimellithsäureanhydrid, Pyromellitsäuredianhydrid (manchmal als "PMDA" bezeichnet) und Benzophenontetradicarbonsäuredianhydrid (manchmal als "BDTA" bezeichnet).
Die erfindungsgemäß als Vernetzungsmittel verwendbaren Polyester mit endständiger Säuregruppe sind allgemein das Reaktionsprodukt zwischen einem Polyol und einer Polycarbonsäure. Zu verwendbaren Polyolen gehören unter anderem: Ethylenglycol, Diethylenglycol, Neopentylglycol, Propylenglycol, 1,4- Butandiol, Trimethylolpropan und Glycerin. Zu geeigneten Polycarbonsäuren gehören alle diejenigen, die oben aufgezählt worden sind. Bevorzugte Polyester mit endständiger Säuregruppe sind in dem US-Patent 5 321 100 und insbesondere in dessen Beispiel 11, und in dem US-Patent 4 147 737, insbesondere in dessen Beispielen IIa und lila, beschrieben.
Die bevorzugten polyfunktionellen Amine sind sekundäre und tertiäre Amine, die bekannt dafür sind, dass sie mit Epoxygruppen mit den gewünschten Reaktionsgeschwindigkeiten reagieren. Ein geeignetes Amin ist Dicyandiamid. Obgleich es allein verwendet werden kann, wird es üblicherweise zusammen mit einem oder mehreren Imidazolen und/oder einem oder mehreren Imidazolinen verwendet. Zu Beispielen für geeignete Imidazole gehören unter anderem: 2-Methylimidazol, 2-Phenyl-imidazol und 2-Ethyl-4-methyl-imidazol. Zu Beispielen für geeignete Imidazoline gehören unter anderem: 2-Phenyl-imidazolin.
Phenolische Vernetzungsmittel sind ebenfalls dafür bekannt, dass sie mit Epoxyharzen reaktiv sind und sie sind erfindungsgemäß verwendbar. Die bevorzugten phenolischen Vernetzungsmittel sind Novolakharze, die auf die gleiche Weise wirken wie Säure-Vernetzungsmittel. Diese phenolischen Vernetzungsmittel werden hergestellt durch Umsetzung von Formaldehyd und Phenol und/oder Kresol mit einem Säurekatalysator. Bevorzugte phenolische Vernetzungsmittel sind solche der Formel (IV), worin "r" steht für eine Zahl von etwa 1 bis etwa 20, vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 10 und worin jedes "s" unabhängig ausgewählt wird aus der Gruppe Null und 1:
Diese phenolischen Vernetzungsmittel wirken auf ähnliche Weise wie Carbonsäuren. Diese phenolischen Vernetzungsmittel können allein verwendet werden, häufig werden sie jedoch zusammen mit einem Bisphenol-Vernetzungsmittel verwendet. Vorzugsweise wird Bisphenol A als Vernetzungsmittel verwendet, wie nachstehend beschrieben.
Das Vernetzungsmittel kann ein Bisphenol-Vernetzungsmittel sein. Die Synthese dieses Vernetzungsmittels ist allgemein bekannt. Diese Vernetzungsmittel werden aus einem Bisphenol, beispielsweise Bisphenol A, und Epichlorhydrin auf praktisch identische Weise wie die Synthese der Epoxyharze der Formel (II) hergestellt, im Falle dieser Vernetzungsmittel wird jedoch ein Überschuss an Bisphenol verwendet. Die bevorzugten Bisphenol-Vernetzungsmittel sind solche der Formel (V), worin "t" allgemein steht für eine Zahl von etwa 3 bis etwa 12, vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 7:
Das Faserbindemittel kann nach einer großen Vielzahl von allgemein bekannten Verfahren formuliert werden. Ein Verfahren besteht darin, feinteiliges Epoxyharz und feinteiliges Vernetzungsmittel sowie irgendwelche weiteren Bestandteile einfach miteinander zu mischen. Alle Bestandteile werden dann kurz erhitzt, bis sie schmelzen. Die genannten Bestandteile werden anschließend schnell abgekühlt, bevor eine wesentliche Vernetzungs-Reaktion zwischen dem Epoxyharz und dem Vernetzungsmittel auftreten kann. Der genaue Grad, bis zu dem eine Vernetzung stattfinden kann, ist schwer zu bestimmen, er wird jedoch geschätzt, dass weniger als 1% der Epoxidgruppen mit dem Vernetzungsmittel reagiert haben. Die abgekühlten Bestandteile, die häufig in Form einer festen Platte (Folie) vorliegen, werden dann auf die gewünschte Teilchengröße zerkleinert.
Wie in dem Stand der Technik allgemein bekannt, beginnt die Vernetzungsrekation langsam abzulaufen, sobald ein Epoxyharz mit dem Vernetzungsmittel gemischt wird. Niedrigere Temperaturen hemmen die Reaktion, während höhere Temperaturen sie fördern. Wenn die Reaktion fortschreitet, haben die Fachleute drei unterschiedliche Stufen identifiziert, nämlich: die "A-Stufe", in der die Mischung in organischen Lösungsmitteln löslich und schmelzbar ist, worunter zu verstehen ist, dass sie schmilzt und fließt; die "B-Stufe", in der die Mischung schmelzbar, jedoch unlöslich ist; und die "C-Stufe", in der die Mischung sowohl unlöslich als auch nicht schmelzbar ist.
Die erfindungsgemäßen Faser-Bindemittel durchlaufen diese gleichen Stufen. Wenn das Faserbindemittel zuerst mit den Fasern in Kontakt gebracht wird, liegt es in der A-Stufe vor. Wenn das Faserbindemittel teilweise vernetzt ist, liegt es in der B-Stufe vor. Faservliese, die das Faserbindemittel in dieser Stufe enthalten, können warm- oder kaltgeformt werden. Wenn das Faserbindemittel vollständig vernetzt ist, liegt es in der C-Stufe vor.
In dem Faserbindemittel wird das Epoxyharz mit dem Vernetzungsmittel in einem solchen Verhältnis gemischt, dass etwa eine Epoxidgruppe an dem Epoxyharz auf jede Carboxyl- oder Amingruppe an dem Vernetzungsmittel entfällt. Es tritt kein nachteiliger Effekt auf; wenn ein Überschuss von bis zu etwa 30% jedes Rests vorliegt. Das heißt mit anderen Worten, das Äquivalenz-Verhältnis zwischen dem Epoxyharz und dem Vernetzungsmittel beträgt etwa 1,3 : 1 bis etwa 1 : 1,3. Wie allgemein bekannt, muss für eine gegebene Menge eines Epoxyharzes mit einem gegebenen Äquivalentgewicht ein höheres Gewicht der Vernetzungsmittel mit hohem Molekulargewicht verwendet werden als bei monomeren Vernetzungsmitteln.
Unter ausreichender Berücksichtigung der oben genannten Äquivalenz- Verhältnisse liegt das Gewichtsverhältnis zwischen (A) dem Epoxyharz und (B) dem Vernetzungsmittel, nämlich das A : B-Verhältnis, im allgemeinen bei etwa 100 : 3 bis etwa 25 : 75 und vorzugsweise bei etwa 100 : 4 bis etwa 30 : 70.
Die Teilchen des Faserbindemittels haben eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 1 bis etwa 200 um, vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 50 um. Wenn die Teilchen eine Größe haben, die weniger als 10 um beträgt, können sie in vorteilhafter Weise mit Teilchen mit einer größeren Teilchengröße gemischt werden. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße mehr als etwa 40 um beträgt, kann die Ausbeute bei der Herstellung von festen elastischen Faservliesen vermindert sein.
Das Faser-Bindemittel kann in stark variierenden Mengenverhältnissen auf die Fasern aufgebracht werden, das Faserbindemittel macht jedoch im allgemeinen 2 bis 40, vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Fasern und Faser-Bindemittel, aus.
Die erfindungsgemäßen Faser-Bindemittel sind fest; sie sind weder wässrige Lösungen noch Lösungen, in denen andere Lösungsmittel verwendet werden. Sie sind frei von Lösungsmitteln und Wasser.
Die Glasplatten-Vliesstrecke ist eine signifikante Eigenschaft von erfindungsgemäß verwendbaren Faserbindemitteln. Die Glasplatten-Vliesstrecke wird bestimmt durch Pressen des Faserbindemittels in eine Form zur Bildung einer Pille oder eines Zylinders mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Höhe von 6 mm. Dieser Zylinder wird auf eine heiße Platte mit einer Temperatur von 190ºC (3750F) unter einem Winkel von 35º gegenüber der Horizontalen gelegt. Die Länge des Streifens, der von dem Zylinder innerhalb 1 min gebildet wird, wird als "Fließvermögen auf einer heißen Platte" bezeichnet. Ein Faserbindemittel in der C-Stufe, das überhaupt nicht mehr fließt, weist ein Glasplatten- Fließvermögen von 12 mm, das ist der Durchmesser des Zylinders, auf. Faserbindemittel in der frühen A-Stufe können Glasplatten-Fließvermögen von mehr als 160 mm aufweisen. Das Glasplatten-Fließvermögen stellt ein einfaches und beques Verfahren zur Bestimmung des Grades der Vernetzung zwischen den Epoxyharzen und dem Vernetzungsmittel dar. Der beschriebene Test kann auch eine Faserbindemittel-Eigenschaft zeigen, welche das Faserbindemittel für die erfindungsgemäße Verwendung optimal macht. Die erfindungsgemäßen Faserbindemittel weisen im allgemeinen Glasplatten-Vliesstrecken von etwa 15 bis etwa 150 mm, vorzugsweise von etwa 35 bis etwa 125 mm, auf. Andere Fachleute auf diesem Gebiet beziehen sich gelegentlich auf "das Fließen auf einer heißen Platte" als "Glasplatten-Schmelze-Fließvermögen" oder "Schmelzfluss".
Den Harzen können Füllstoffe zugesetzt werden. Füllstoffe sind im allgemeinen billiger als Harze. Dadurch ist es möglich, ein gefülltes Harz zu niedrigeren Kosten zu verkaufen als ein Faserbindemittel, das frei von einem Füllstoff ist. Obgleich Füllstoffe in den erfindungsgemäßen Faserbindemitteln nicht vorhanden zu sein brauchen, führen sie, wenn sie vorhanden sind, zu neuen und unerwarteten Ergebnissen. Es ist möglich, gefüllte Faserbindemittel zu verwenden und die gleichen Faservlies-Eigenschaften zu erzielen wie mit ungefüllten Faserbindemitteln. Obgleich dieser Effekt nicht völlig erklärbar ist, wird angenommen, dass nach der Zerkleinerung des gefüllten Harzes Teilchen des Füllstoffs aus der Oberfläche des Faserbindemittel-Teilchens herausragen, Beim Erhitzen dieser Teilchen entsteht jedoch eine neue und neuartige Struktur. Offensichtlich schmilzt die Mischung aus dem Epoxyharz und dem Vernetzungsmittel und fließt, wobei sie das Füllstoff-Teilchen vollständig umgibt. Diese Struktur kann man sich vorstellen als eine konzentrische Kugel, wobei das geschmolzene, klebrige Faserbindemittel, das dann in der A-Stufe oder in der frühen B-Stufe vorliegt, einen Überzug auf der Außenseite bildet. Dieser Überzug ist vollständig ausreichend, um die Bindung mit den Fasern zu bewirken.
Die Teilchen des Füllstoffs haben eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 1 bis etwa 200 um, vorzugsweise von etwa 5 bis 15 um. Kleinere Teilchengrößen sind zwar erfindungsgemäß funktionsfähig, sie können jedoch zu Umweltproblemen führen, weil sie eingeatmet werden können.
Im allgemeinen sind die Füllstoffe anorganisch und in Wasser unlöslich. Salze von starken Säuren und schwachen Basen sind ebenso geeignet wie Salze von schwachen Säuren und schwachen Basen. Siliciumdioxid, Aluminosilicate und Aluminiumoxid sind alle geeignete Verbindungsklassen. Zu Beispielen für bevorzugte Füllstoffe gehören unter anderem Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Eisenoxide, Ruß und Titandioxid.
Das Faser-Bindemittel kann eine große Vielzahl von weiteren Zusätzen enthalten. Zu Beispielen für Zusätze gehören unter anderem: Katalysatoren, Farbstoffe, Pigmente, Fließkontrollmittel, flammwidrig machende Mittel, selbstauslöschend machende Agentien, Trocknungsmittel und alle Arten von Zusätzen, die hier für bekannte Zwecke verwendet werden. Es kann jeder beliebige Katalysator verwendet werden, der dafür bekannt ist, dass er die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen der Epoxidgruppe und der aktiven Gruppe des Vernetzungsmittels beschleunigt oder verzögert. Zu Beispielen für solche Katalysatoren gehören unter anderem: tertiäre Amine, Aminosäuren und quaternäre Phosphonium-Verbindungen. Zu Beispielen für flammwidrig machende Agentien gehören: Borsäure, Monoammoniumphosphat, Diammoniumphosphat und Aluminiumoxidmtrihydrat. Diese Zusätze können in Form von Flüssigkeiten oder Teilchen vorliegen, so lange das Faserbindemittel fest bleibt, die gewünschte Teilchengröße hat und keine nachteiligen Effekte darauf ausgeübt werden.
Die Fasern können auf eine große Vielzahl von Arten mit dem Faserbindemitteln in Kontakt gebracht werden. Die Fasern können lose sein, in Form einer dünnen Bahn oder in Form eines Vlieses vorliegen. Das Faserbindemittel kann unter dem Einfluss der Schwerkraft auf die Fasern aufgestreut werden oder es kann in einem Gasstrom oder Dampfstrom, zweckmäßig in Luft, mitgerissen werden. Es ist jedes Verfahren geeignet, mit dem die gewünschte Menge an Faserbindemittel zweckmäßig auf dem Faservlies verteilt werden kann.
Es ist eine große Vielzahl von Fasern erfindungsgemäß verwendbar, z. B. sowohl natürliche als auch synthetische Fasern. Zu natürlichen Fasern gehören Baumwolle, Wolle, Jute und Hanf. Zu synthetischen Fasern gehören diejenigen aus Polyester, Nylon, Acryl, Rayon, Glas und Polypropylen. Tatsächlich sind beliebige Fasern oder Fasermischungen verwendbar, z. B. solche, in denen die Fasern neu und ungebraucht sein können, die als jungfräuliche Fasern bekannt sind, oder solche, die Abfall sind, regeneriert sind und aus Kleiderverschnitten, aus der Faserherstellung oder aus der Textilverarbeitung stammen und nicht schmelzen oder sich bei einer Temperatur unterhalb 100ºC (212ºF) nicht zersetzen. Die bevorzugten Fasern sind solche mit einem Denier von 1 bis 22, obgleich auch feinere und gröbere Fasern gelegentlich verwendbar sind.
Das Erhitzen des rohen Faservlieses, das die Fasern und ungehärtetes (nichtvernetztes) Faserbindemittel enthält, kann erzielt werden auf irgendeine geeignete Weise, beispielsweise durch Infrarot-, Ultraviolett- oder Mikrowellenbestrahlung, am zweckmäßigsten wird sie jedoch durchgeführt mit heißer Luft, die durch das Faservlies hindurchgeleitet wird. Diese heiße Luft wird auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Faserbindemittels, jedoch unterhalb der Temperatur, bei der die Fasern in nachteiliger Weise beeinflusst werden, erhitzt. Zu nachteiligen Effekten gehören das Versengen oder Brennen von Cellulose- oder Wollfasern oder das Schmelzen und das Schrumpfen von Kunstharzfasern. Das Erhitzen wird im allgemeinen bei einer Temperatur von etwa 100 bis etwa 240ºC (212-465ºF) für eine Zeitspanne durchgeführt, die es dem Faserbindemittel erlaubt, zu den Überkreuzungsstellen der Fasern zu fließen und dort zu vernetzen. Dies wird im allgemeinen innerhalb von etwa 20 s bis etwa 10 min. in der Regel von etwa 1 bis 5 min. erreicht. Durch dieses Erhitzen wird das Rohfaservlies in ein warmgehärtetes Faservlies umgewandelt.
Nach Beendigung der Erhitzungsstufe wird das warmgehärtete Faservlies abgekühlt, vorzugsweise auf Raumtemperatur, unter Anwendung irgendeiner der sehr zahlreichen Methoden. Das Faservlies kann zwischen Abschreckwalzen hindurchgeführt werden, es kann Luft durch das Faservlies geleitet werden, das Faservlies kann in eine Kühlkammer gelegt werden oder es können irgendwelche anderen Methoden zum Abkühlen des Faservlieses angewendet werden.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist eine für die praktische Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung 10 dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Öffner oder ein Garnat 11, einen Faserbindemittel-Spender 12, einen Überkreuzlegungs-Mechanismus 13 und, wie in Fig. 2 dargestellt, einen Ofen 14. Das Garnat 11 umfasst einen Einlasskanal 18 für die Zuführung von Bulk-Fasern zu der sich drehenden Trommel 19 des Garnats 11. Das Garnat 11 ist auch mit einer Vielzahl von Zahnwalzen 21, 22, 23, 24, 25 ausgestattet, die zusammen mit den Zähnen (nicht dargestellt) auf der Trommel 19 die Bulk-Fasern 20 ergreifen und sie in eine Bahn 31 umwandeln, die an der Trommel 19 haftet. Die Bahn 31, die an der Trommel 19 haftet, wird auf die Trommel 28 übertragen, von der sie mittels eines Kamms 29 entnommen wird. Die Bahn 31, die nun nur noch zwischen 1 und 100 Fasern dicke ist und kaum selbsttragend ist, wird in den Faserbindemittel- Spender eingeführt. Während sie sich in dem Faserbindemittel-Spender 12 befindet, kommt die Bahn 31 mit Teilchen 33, 34 des Faserbindemittels in Kontakt. Die Struktur und Funktion des Spenders 12 wird in den US-Patenten Buck' 680 und Buck '428 näher beschrieben.
Es kann auch eine große Vielzahl anderer Verfahren angewendet werden, um das Faserbindemittel mit den Fasern in Kontakt zu bringen. Bei einem anderen Verfahren wird der Kontakt zwischen den Fasern und dem Faserbindemittel hergestellt, nachdem die Fasern geöffnet und aus einem gepressten Ballen herausgezogen worden sind und in dem Zustand vorliegen, in dem sie in einem Luftstrom mitgenommen werden und bevor sie auf einem Sieb oder in einem Schlitz eines Luftablagerungs-Systems für die Herstellung von Nonwoven- Faservliesen abgelagert werden. Luftablagerungs-Systeme dieses Typs sind im Handel unter den Bezeichnungen Schirp, Rando Web, DOA und anderen bekannt. Ein weiteres geeignetes Verfahren, nach dem die Fasern mit dem Faserbindemittel in Kontakt gebracht werden können, ist in dem US-Patent 3 765 971 (Fleissner) beschrieben.
Anstatt die Fasern mit dem Faserbindemittel in Kontakt zu bringen, während die Faser in Form einer Bahn vorliegen, wie vorstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, kann das Nonwoven-Faservlies in seine endgültige Form überführt werden und das teilchenförmige Faserbindemittel kann durch das gesamte Faservlies hindurchgeblasen werden. Es wurde überraschend gefunden, dass die erfindungsgemäßen Faserbindemittel in diese Faservliese besser eindringen als dies bei den bekannten Faserbindemitteln der Fall ist. Außerdem wird ein größerer Prozentsatz des Faserbindemittels in dem Faservlies zurückgehalten als bei Verwendung der bekannten Faserbindemittel. Alle diese Kontaktier-Verfahren sind erfindungsgemäß verwendbar, solange das Kontaktieren wirkungsvoll ist.
In den Fig. 1 und 2 gelangt dann die Bahn 39 zu der Fördereinrichtung 41 und von da zu der Fördereinrichtung 42. Am unteren Ende der Fördereinrichtung 42 ist ein Läufer 43 befestigt, der sich auf der Bahn 44 hin- und herbewegt.
Die Fördereinrichtung 42 ist oberhalb und in einem rechten Winkel zu der anderen Fördereinrichtung 45 angeordnet. Die Vorrichtung 10 wird so eingestellt, dass die Geschwindigkeit der Fördereinrichtung 42 um das Mehrfache höher ist als die Geschwindigkeit der Fördereinrichtung 45. Aufgrund dieser Geschwindigkeits-Differenz wird die Bahn 39 auf der Fördereinrichtung 45 überkreuz hin- und hergelegt, so dass ein Rohfaservlies 47 gebildet wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Rohfaservlies 47 zwischen einem oberen porösen Band 49 und einem unteren porösen Band 50 hindurchgeführt (vgl. Fig. 3). Während das Rohfaservlies 47 zwischen den Bändern 49, 50 gehalten wird, wird es in den Ofen 14 eingeführt.
Wie in der Fig. 3 dargestellt, ist der Ofen 14 mit einer Heizeinrichtung 52 ausgestattet, in der die Temperatur mittels eines Thermostaten 53 eingestellt werden kann. Der Ofen 14 ist auch mit einer Luftzirkulations-Einrichtung, beispielsweise einem Ventilator (nicht dargestellt) ausgestattet, der bewirkt, dass die Heißluft in der durch die Pfeile 55 und 56 angegebenen Richtung zirkuliert. Diese Heißluft erhitzt und schmilzt die Teilchen 33, 34 des Faserbindemittels, so dass sie zu den Überkreuzungsstellen der Fasern fließen, und außerdem werden sie dadurch vernetzt, wodurch das Faserbindemittel hart wird. Das resultierende Produkt ist das schließlich vollständig vernetzte oder teilweise vernetzte Faservlies 58, je nach Temperatur des Ofens 14 und Zeitspanne, während der das Faservlies in dem Ofen 14 gehalten wird.
In der Fig. 4 ist ein alternativer Teilchenspender 12' dargestellt, der die Position des Teilchenspenders 12 der Fig. 1, 2 und 3 einnimmt. In dem Spender 12' liegt ein Rohfaservlies 4T zwischen zwei perforierten Bändern 60, 62 vor. Luftströme, die durch die Pfeife 64, 66 dargestellt sind, werden durch das Faservlies 47' hindurchgeführt. Diese Luftströme sind mit Teilchen aus dem Faserbindemittel beladen. Die Teilchen haften locker an den Fasern des Faservlieses 47'. Es wurde gefunden, dass die erfindungsgemäßen Faserbindemittel eine bessere Haftung an den Fasern des Rohfaservlieses 4T haben als die thermoplastischen Faserbindemittel des Standes der Technik.
Wie in der Fig. 5 dargestellt, haften Teilchen, beispielsweise die Teilchen 33, 34 aus ungehärtetem Faserbindemittel, an den Fasern 20, 20', 20" des Rohfaservlieses 47, 47'. In der Fig. 6 sind die Teilchen nach dem Erhitzen, beispielsweise die Teilchen 33, 34, geschmolzen und zu den Überkreuzungsstellen der Fasern 20, 20', 20" gewandert. Dieses Erhitzen hat auch dazu geführt, dass das Epoxyharz des Faserbindemittels mit dem Vernetzungsmittel des Faserbindemittels reagiert, um auf diese Weise diese wärmehärtbare Zusammensetzung zu vernetzen. Die Biegungs-Beständigkeit und die Elastizität des Faservlieses sind direkt proportional zum Grad der Vernetzung. Eine geringe Menge Vernetzungsmittel ergibt ein weiches elastisches Faservlies. Wenn das Harz mit dem Vernetzungsmittel vollständig reagiert hat, d. h. wenn das Faserbindemittel im C-Zustand vorliegt, weist das Faservlies eine maximale Härte und Festigkeit auf. Wenn alle übrigen Variablen gleich sind, kann der Grad der Vernetzung durch die Temperatur und Dauer des Erhitzens zur Durchführung der Vernetzung kontrolliert bwz. gesteuert werden. Niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten ergeben eine geringere Vernetzung, während höhere Temperaturen und längere Zeiten eine stärkere Vernetzung ergeben.
Die Fig. 7 erläutert das Warmverformen von erfindungsgemäßen Faservliesen. Diese Faservliese können warmverformt werden, wenn die Zeit und Temperatur der Erhitzungsstufe, der Stufe III, so begrenzt sind, dass das Vernetzungsmittel mit weniger als allen Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagiert. In diesem Fall ist das resultierende Produkt ein halbvernetztes Faservlies 47". Das halbvernetzte Faservliese 47" wird zwischen eine offene männliche Form 70 und eine offene weibliche Form 72 gelegt. Die männliche Form 70 ist mit Durchgängen 74, 76, ausgestattet, die ein erhitztes Fluid, beispielsweise Wasserdampf oder heißes Öl, aufnehmen können. In entsprechender Weise weist die weibliche Form 72 einen Durchgang auf, der ein Fluid aufnehmen kann. Eine oder beide Formen können mit irgendeiner arideren geeigneten Einrichtung, beispielsweise einer elektrischen Widerstandsheizung, erhitzt werden.
Wie in Fig. 8 dargestellt, werden die Formen 70, 72 geschlossen, was dazu führt, dass das halbvernetzte Faservlies 47" die Form der Formen 70, 72 annimmt. Heißes Öl oder Wasserdampf wird unter Druck durch die Durchgänge 74, 76, 78 hindurchgeführt, wodurch die Formen 70, 72 erhitzt werden und somit das halbvernetzte Faservlies 47" auf die Vernetzungs-Temperatur erhitzt wird. Diese Vernetzungs-Temperatur liegt oberhalb des Schmelzpunktes des Faserbindemittels, jedoch unterhalb des Seng- oder Schmelzpunktes der Fasern, wodurch das Vernetzungsmittel mit den übrigen Epoxid-Gruppen des Epoxyharzes weiter reagiert. Dadurch wird das halbvernetzte Faservlies 47" in ein vollständig vernetztes Faservlies 47''' in Form eines Form-Gegenstandes 47''' umgewandelt, wie in Fig. 9 dargestellt.
Die Fig. 12, 13 und 14 zeigen die Art, in der die Biegefestigkeit bestimmt wird. Die Fig. 12 und 13 zeigen eine Vorrichtung 88, die eine Skala 90 umfasst, mit einer Klammer 92 auf einer drehbaren Welle 94, die parallel zur Skala 90 etwa 20 cm (8 inches) oberhalb derselben montiert ist. Das Faservlies 58 ist in der Klammer 92 angeordnet und wird oberhalb und außerhalb des Kontakts mit der Skala 90 gehalten, wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt. Um die Biegebeständigkeit zu messen, wird die Welle 94 um eine volle Umdrehung gedreht, wie in Fig. 14 dargestellt, und die höchste Ablesung auf der Skala 90 wird notiert. In diesen Tests hat das Faservlies 58 eine Breite von 30 cm (12 inches) und eine Länge von 30 cm (12 inches).

Beispiele

Die Erfindung ist besser verständlich unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele, in denen alle Teile und Prozentsätze, wenn nichts anderes angegeben ist, auf das Gewicht bezogen sind. Diese Beispiele sollen den Fachmann auf diesem Gebiet lehren, wie die vorliegende Erfindung praktisch durchzuführen ist und sie stellen nach dem derzeitigen Kenntnisstand die beste Ausführungsform zur Durchführung der vorliegenden Erfindung dar:

Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert die Synthese eines bevorzugten, erfindungsgemäß verwendbaren Faserbindemittels. Ln diesem Faserbindemittel wird "Epon 1007", ein handelsübliches Epoxyharz, verwendet. Dieses Faserbindemittel enthält einen Füllstoff.
Die folgenden Mengen der angegebenen Bestandteile werden wie angegeben miteinander kombiniert.
Die Komponenten A, B, C und D werden bei Raumtemperatur gründlich miteinander gemischt und dann in einen Extruder eingeführt, in dem Wärme, Reibung und Druck in Kombination für eine gründliche Durchmischung der Bestandteile und eine gründliche Benetzung des Calciumcarbonats mit den übrigen Bestandteilen sorgen. Die Temperatur in dem Extruder wird bei 140ºC gehalten, wobei ein heißes Extrudat aus dem Extruder austritt. Dieses Extrudat wird dann schnell abgekühlt, indem man es durch den Spalt zwischen zwei rotierenden Kühlwalzen hindurchführt, aus dem es in Form einer Folie austritt. Die Folie wird auf einem wassergekühlten Band aus rostfreiem Stahl weiter abgekühlt. Nachdem die Folie vollständig abgekühlt worden ist, wird sie zerkleinert und klassiert zur Herstellung eines Faserbindemittels, als "Faserbindemittel 1" bezeichnet, mit einer Teilchengröße von etwa 20 um, das erfindungsgemäß verwendbar ist.

Beispiel 2

Dieses Beispiel erläutert die Synthese eines anderen bevorzugten, erfindungsgemäß verwendbaren Faserbindemittels. In dem Faserbindemittel wird "Epon 1009F" verwendet, ein Epoxyharz, das von dem in Beispiel 1 verwendeten verschieden ist. Dieses Faserbindemittel enthält keinen Füllstoff.
Es werden die folgenden Mengen der angegebenen Komponenten in der angegebenen Weise miteinander kombiniert.
Das Epoxyharz, nämlich "Epon 1009F", ist im Handel erhältlich von der Firma Shell Chemical Company ("Shell"), 3200 Southwest Freeway, Houston Texas 77027. Es handelt sich dabei um das Produkt der Umsetzung von Bisphenol A mit Epichlorhydrin, das der Formel Il entspricht, worin "n" für eine Zahl von 12 bis 16 steht. Es hat ein Epoxid-Äquivalentgewicht von etwa 3000, bestimmt nach dem Shell-Verfahren HC-427C-81 unter Verwendung von Perchlorsäure. Eine 40 gew.-%ige Lösung dieses Epoxyharzes in Methylethylketon hat eine Viskosität von etwa 150 cP, bestimmt nach dem Shell-Verfahren HC-397A-87 bei 25ºC. Es hat einen Schmelzpunkt von 135ºC.
Die Bestandteile A und B werden bei Raumtemperatur gründlich miteinander gemischt und dann über einen Zeitraum von 3 min auf eine Temperatur von 140ºC schnell erhitzt, wobei ein Schmelzen auftritt unter Bildung einer geschmolzenen Masse. Diese geschmolzene Masse wird 30 s lang verknetet, wobei man eine gründliche Mischung seiner Bestandteile erhält. Die geschmolzene Masse wird dann schnell abgekühlt, indem man sie durch den Spalt zwischen zwei rotierenden Walzen, die auf Raumtemperatur abgekühlt sind, hindurchführt, wobei man eine selbsttragende Folie erhält. Diese selbsttragende Folie wird dann zerkleinert und klassiert zur Herstellung eines Faserbindemittels, hier als "Faserbindemittel 2" bezeichnet, das eine Teilchengröße von etwa 35 um hat und erfindungsgemäß verwendbar ist.

Beispiel 3

Dieses Beispiel erläutert die Synthese eines erfindungsgemäßen Faserbindemittels unter Verwendung eines Epoxyharzes der Formel II und eines Polyesters mit endständiger Säure.
Die folgenden Mengen der angegebenen Bestandteile werden in der angegebenen Weise miteinander kombiniert.
Der Bestandteil A hat ein Epoxid-Äquivalentgewicht von 800.
Der Bestandteil B weist eine Säurezahl von 69 auf. Er wird hergestellt nach dem Verfahren des Beispiels IIIa, wie es in der Spalte 7 ab Zeile 52 bis Zeile 59 des US-Patents 4 147 737 beschrieben ist.
Der Bestandteil C hat eine Teilchengröße von 5 um.
Die Bestandteile A, B, C und D werden in einen Extruder eingeführt, in dem sie gründlich miteinander vermischt werden und durch den Zylinder des Extruders bei einer Temperatur von 100ºC in einen Spalt von Walzen, die auf 10ºC abgekühlt worden sind, gepresst werden unter Bildung einer Folie. Die Folie wird dann auf eine Teilchengröße von 25 um zerkleinert und wird hier als "Faserbindemittel 3" bezeichnet.

Beispiel 4

Dieses Beispiel erläutert die Synthese eines erfindungsgemäßen Faserbindemittels unter Verwendung eines Epoxyharzes mit Amin-Vernetzungsmitteln.
Die folgenden Mengen der folgenden Bestandteile werden wie angegeben miteinander kombiniert.
Der Bestandteil A hat ein Epoxd-Äquivalentgewicht von 750.
Der Bestandteil D weist eine Teilchengrößen von 5 um auf.
Die Bestandteile A, B, C, D und E werden in einen Extruder eingeführt, in dem sie gründlich miteinander gemischt und durch den Zylinder der Extruders bei einer Temperatur von 90ºC in den auf 10ºC abgekühlten Walzenspalt gepresst werden zur Herstellung einer Folie. Die Folie wird dann bis auf eine Teilchengröße von 10 um zerkleinert und wird hier als "Faserbindemittel 4" bezeichnet.

Beispiel 5

Dieses Beispiel erläutert die Synthese eines erfindungsgemäßen Faserbindemittels, in dem ein Novolak als Epoxyharz verwendet wird.
Die folgenden Mengen der angegebenen Bestandteile werden in der angegebenen Weise miteinander kombiniert.
Der Bestandteil A ist ein Harz der Formel III, worin "p" für Null und "q" für 4 stehen.
Der Bestandteil D hat eine Teilchengrößen von weniger als 1 um.
Der Bestandteil E hat eine Teilchengröße von 10 um.
Der Bestandteil F ist ein Copolymer von 2-Ethylhexylacrylat und n-Butylacrylat, die in einem Molverhältnis von 1 : 1 miteinander gemischt sind, mit einem Molekulargewicht von 3000.
Die Bestandteile A, B, C, D, E und F werden gründlich miteinander gemischt und dann in einen Extruder eingeführt, in dem sie geschmolzen und durch den Zylinder des Extruders mit einer Temperatur von 90ºC in den auf 10ºC abgekühlten Walzenspalt gepresst werden unter Bildung einer Folie. Die Folie wird dann auf eine Teilchengröße von 35 um zerkleinert und sie wird hier "Faserbindemittel 5" bezeichnet.

Beispiel 6

Dieses Beispiel erläutert die Synthese eines erfindungsgemäßen Faserbindemittels unter Verwendung eines Epoxyharzes zusammen mit einem phenolischen Vernetzungsmittel und einem Bisphenol-Vernetzungsmittel.
Die folgenden Mengen der angegebenen Bestandteile werden in der angegebenen Weise miteinander kombiniert.
Der Bestandteil A hatt ein Epoxyäquivalentgewicht von 750.
Der Bestandteil B, das epoxidierte Phenolnovolakharz, ist ein solches der Formel III, worin "p" für Null und "q" für 4 stehen.
Das Phenolharz des Bestandteils C ist ein solches der Formel V, worin "t" für 3 steht. Die Mischung enthält auch einen Katalysator und freies Bisphenol A. Der Bestandteil D hat eine Teilchengröße von 5 um.
Die Bestandteile A, B, C, D und E werden gründlich miteinander gemischt und dann in einen Extruder eingeführt, in dem sie geschmolzen und durch den Zylinder des Extruders mit einer Temperatur von 90ºC in den auf 10ºC abgekühlten Walzenspalt gepresst werden unter Bildung einer Folie. Die Folie wird dann auf eine Teilchengröße von 15 um zerkleinert und wird hier als "Faserbindemittel 6" bezeichnet.

Beispiele 7 bis 19

Diese Beispiele erläutern die Synthese von erfindungsgemäß verwendbaren Faserbindemitteln unter Verwendung von handelsüblichen bekannten Epoxyharzen und handelsüblichen bekannten Vernetzungsmitteln, die von den oben verwendeten verschieden sind.
Das Verfahren des Beispiels 1 wird wiederholt unter Verwendung der gleichen Mengen, der gleichen Bestandteile, unter Anwendung der gleichen Zeiten und Bedingungen, jedoch mit der Ausnahme, dass (a) das Epoxyharz des Beispiels 1 durch das Epoxyharze der Tabelle 1, Spalte 2, ersetzt wird und (b) das Dicyandiamid durch das Vernetzungsmittel in der Tabelle 1, Spalte 3, ersetzt wird. Das Epoxyharz (A) wird mit dem Vernetzungsmittel (B) in einem A : B- Gewichtsverhältnis gemischt, wie es in der Spalte 4 der nachfolgenden Tabelle angegeben ist. Es werden ähnliche Faserbindemittel erhalten. Tabelle 1
Die Epon-Epoxyharze der Beispiele 7 bis 15 sind erhältlich von der Firma Shell. Epon 2002 ist ein Epoxyharz. Es handelt sich dabei um ein Addukt von Epichlorhydrin und Bisphenol A, das eine Struktur der Formel II und ein Epoxid- Äquivalentgewicht von etwa 675 bis etwa 760 hat.
Epon 1004 ist ein Epoxyharz. Es handelt sich dabei um ein Addukt von Epichlorhydrin mit Bisphenol A, das eine Struktur der Formel II hat. Epon 2012 ist ein Epoxyharz. Es handelt sich dabei um ein Addukt von Epichlorhydrin und Bisphenol A, das mit einem epoxidierten Phenolnovolak modifiziert worden ist, um die Funktionalität zu verbessern. Es weist ein Epoxid-Äquivalentgewicht von etwa 510 bis etwa 570 auf.
GT 7013 ist ein erfindungsgemäß verwendbares Epoxyharz. Es ist erhältlich von der Firma Ciba Geigy Corp., 281 Fields Lane, Brewster, NY 10509.
Die "EpiCure"-Vernetzungsmittel sind erhältlich von der Firma Shell. "Epicure 101" ist ein Amin-Vernetzungsmittel, das nach Aussage seines Herstellers schnellere Aushärtungen ergibt als sie mit Dicyandiamid erzielbar sind. Es weist eine Alkalinität von etwa 3,5 meg/g, eine Schmelzviskoität von 40 Poise, gemessen bei 150ºC, auf.
"McWhorter 30-3051" ist ein säurefunktionelles Polyesterharz mit einer Säurezahl zwischen 85 und 100. Es ist erhältlich von der Firma McWhorter Technologies, 1028 Third Street South, Minneapolis, MN 55415.
Die "Uralac"-Vernetzungsmittel sind säurefunktionelle Polyesterharze. Sie sind erhältlich von der Firma DSM Resins US Inc., 31 Columbia Nitrogen Road, Augusta, GA, 30903.
Die "Crylcoat"-Vernetzungsmittel sind erhältlich von der Firma UCB Corporation, 200 Lake Park Drive, Smyrna, GA 30080.
Das "Crylcoat 340" ist ein Polyester mit endständiger Säure mit einer Tg von 62ºC (144ºF) und einer Säurezahl von 70.
Die "Rucote"-Vernetzungsmittel sind erhältlich von der Firma Ruco Polymer Corporation, New South Road, Hicksville, NY 11802. Rucote 551 ist ein Polyester mit endständiger Säure, der eine Viskosität von 25 Poise, gemessen bei 200ºC, eine Hydroxylzahl von weniger als 10 und eine Säurezahl von 85 sowie ein Säureäquivalentgewicht von 660 aufweist.

Beispiel 20

Dieses Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Verfahren, in dem das Faserbindemittel des Beispiels 1 verwendet wird.
In dem hier unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen Verfahren wird das "Faserbindemittel 1" verwendet. Die Teilchen aus dem Faserbindemittel werden in dem Spender 12 so verteilt, dass das resultierende Faservlies 58 einen Faserbindemittel-Gehalt von 15 Gew.-% hat, bezogen auf das Gewicht des resultierenden Faservlieses 58, d. h. bezogen auf das Gesamtgewicht von Fasern und Faserbindemittel. Das Faservlies wird hergestellt aus einer Mischung von gleichen Teilen Baumwollfasern und Poly(ethylenterephthalat)-polyester-Fasern. Der Ofen 14 wird bei einer Temperatur von 175ºC (350ºF) gehalten. Es wurde kein Auftreten von Chlorwasserstoffsäure- Dämpfen, die aus dem Ofen 14 kamen, festgestellt.

Beispiele 21, 22 und 23

Diese erfindungsgemäßen Beispiele erläutern, dass es möglich ist, durch Anwendung verschieder Ofentemperaturen die Zugfestigkeit und die Biegesteifheit zu kontrollieren bzw. zu steuern.
Das Verfahren des Beispiels 20 wird wiederholt unter Verwendung der gleichen Mengen, Bestandteile, unter Anwendung der gleichen Zeiten und Bedingungen, jedoch mit der Ausnahme, dass die Ofentemperaturen diejenigen waren, wie sie in der Tabelle 2, Spalte 4, angegeben sind.

Beispiel 24

Dieses Vergleichsbeispiel ist nicht repräsentativ für die vorliegende Erfindung. Dieses Beispiel zeigt vielmehr bestimmte unerwünschte Eigenschaften, wenn das Faserbindemittel ein solches gemäß Stand der Technik auf Basis von thermoplastische Polymeren anstatt eines der wärmehärtbaren Faserbindemittel der vorliegenden Erfindung auf Basis eines Epoxyharzes ist.
Das Verfahren des Beispiels 20 wird wiederholt unter Verwendung der gleichen Mengen, Bestandteile, unter Anwendung der gleichen Zeiten und Bedingungen, jedoch mit der Ausnahme, dass (a) das Faserbindemittel durch eine gleiche Gewichtsmenge eines Copolymers von Vinylidenchlorid und Vinylchlorid (VDC-VC) ersetzt wurde, und (b) die Ofentemperaturen diejenigen waren, wie sie in Spalte 4 der Tabelle 2 angegeben sind.
Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben. In der Spalte 2 bezeichnet "I" das in der Spalte 1 angegebene erfindungsgemäße Beispiel, während "C" ein Beispiel bezeichnet, das nicht ein erfindungsgemäßes Beispiel, sondern ein Vergleichsbeispiel ist. Tabelle 2
Aus der Tabelle 2 ist zu ersehen, dass nur das bekannte thermoplastische, Vinylidenchlorid-Vinylchlorid enthaltende Faserbindemittel des Beispiels 24 Chlorwasserstoffsäure abgibt. Die erfindungsgemäßen wärmehärtbaren Faserbindemittel der Beispiele 21, 22 und 23 tuen das nicht. Keine Chlorwasserstoffsäure ist festzustellen aus den erfindungsgemäßen Faserbindemitteln selbst bei einer Ofentemperatur von 232ºC, wie in Beispiel 23 angegeben, obgleich diese Temperatur um etwa 22ºC höher ist als die in Beispiel 24 im Falle des Faserbindemittels gemäß Stand der Technik angewendete Temperatur.

Beispiel 25

Dieses Vergleichsbeispiel erläutert nicht die vorliegende Erfindung, sondern zeigt vielmehr die Herstellung eines Faservlieses unter Verwendung eines thermoplastischen Harzes gemäß Stand der Technik. Bestimmte Eigenschaften dieses bekannte Faservlieses werden in den nachfolgenden Beispielen mit Eigenschaften von erfindungsgemäßen Faservliesen verglichen.
Der Ofen 14 der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung wird auf 210ºC (425ºF) eingestellt und es wird eine Mischung aus etwa 1/2 Polyester- Shoddy und 1/2 Baumwoil-Shoddy dem Garnat 11 zugeführt. Ein thermoplastisches Faser-Bindemittel, bei dem es sich um ein Vinylidenchlorid/Vinylchlorid- Copolymer handelt, wird in den Spender 12 in einer Menge von 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Shoddy und Faserbindemittel, gegeben. Das resultierende Faservlies wird als "Vergleichs-Faservlies 25" bezeichnet. Die Biegebeständigkeit des Faservlieses 25 wird in transversaler Richtung gemessen und die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 angegeben. Die Biegefestigkeit des Faservlieses 25 wird in der Maschinenlaufrichtung gemessen und die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 angegeben. Die Maschinenlaufrichtung wird manchmal als "Laufrichtung" bezeichnet und ist die Laufrichtung des perforierten Bandes 49. Die Querrichtung verläuft unter einem Winkel von 90º zu der Maschinenlaufrichtung in der Ebene der Maschinenlaufrichtung.

Beispiel 26

Dieses Beispiel erläutert die vorliegende Erfindung. Das Verfahren des Beispiels 25 wird wiederholt unter Anwendung der gleichen Zeitbedingungen und unter Verwendung der gleichen Bestandteile, jedoch mit der Ausnahme, dass das thermoplastische Faserbindemittel gemäß Stand der Technik ersetzt wird durch ein erfindungsgemäß verwendbares wärmehärtbares Faserbindemittel zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faservlieses, das hier als "erfindungsgemäßes Faservlies 26" bezeichnet wird.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 angegeben. Die in den Tabellen 3 und 4 angegebenen Daten sind in den Diagrammen wiederholt, die als Fig. 10 und 11 beiliegen.
In der Fig. 10 sind die Daten für die Biegefestigkeit in Transversal-Richtung des erfindungsgemäßen Faservlieses 26 durch die Kurve 80 wiedergegeben, während die Daten für das Vergleichs-Faservlies 25 gemäß Stand der Technik durch die Kurve 82 wiedergegeben sind.
In entsprechender Weise sind in der Fig. 11 die Daten für die Biegefestigkeit in der Maschinenlaufrichtung des erfindungsgemäßen Faservlieses 26 durch die Kurve 82 wiedergegeben, während die Daten für das Vergleichs-Faservlies 25 gemäß Stand der Technik durch die Kurve 84 wiedergegeben sind. Aus einem Vergleich der Kurve 80 mit der Kurve 82 und der Kurve 84 mit der Kurve 86 ist zu ersehen, dass, da unter stark variierenden Ofentemperaturen ein um etwa ein Drittel steiferes Faservlies erhalten wird, etwa ein Viertel weniger wärmehärtbares Faserbindemittel verwendet werden kann als bei dem thermoplastischen Bindemittel gemäß Stand der Technik. Eine solche enorme Verbesserung in einer ausgereiften Industrie führt zu beträchtlichen Einsparungen. Tabelle 3 Biegefestigkeit in der Transversalrichtung bei variierenden Ofentemperaturen für bestimmte erfindungsgemäße und Vergleichs-Faservliese Tabelle 4 Biegefestigkeit in der Laufrichtung bei variierenden Ofentemperaturen für bestimmte erfindungsgemäße und Vergleichs-Faservliese

Beispiel 27

Dieses Beispiel erläutert die verbesserte Elastizität der erfindungsgemäßen Faservliese im Vergleich zu den Faservliesen des Standes der Technik. Die Elastizität wird gemessen durch Bestimmung des Prozentsatzes der Erholung, wenn ein Gewicht auf ein Faservlies gelegt wird und dann wieder weggenommen wird. Ein Faservlies, das sich besser erholt, weist eine höhere Elastizität auf Insbesondere wird das getestete Faservlies auf eine ebene unnachgiebige Oberfläche gelegt. Es wird seine Anfangshöhe gemessen. Ein im wesentlichen gewichtsloser flacher runder Drückerfuß mit einem Durchmesser von 20 mm (0,785 inches), der deshalb eine Fläche von 645 mm² (1 inch²) hat, wird auf das Faservlies gelegt und seine Höhe wird notiert. Ein Gewicht von 2,27 kg (5 Ibs) wird etwa 1 min lang auf den Drückerfuß gelegt, um das Faservlies zusammenzupressen. Das Gewicht wird weggenommen und die Höhe nach dem Zusammenpressen wird notiert. Der Prozentsatz der Erholung beträgt das 100-fache der Höhe nach dem Zusammenpressen, dividiert durch die Anfangshöhe. Höhere Prozentsätze der Erholung sind erwünscht.
Der Vergleichs-Faservlies 25 weist eine Erholung von nur 82% auf, während das erfindungsgemäße Faservlies 26 eine Erholung von 89% aufweist.

Beispiel 28

Dieses Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faservlieses unter Verwendung eines Faserbindemittels, das ein festes im Handel erhältliches Pulver-Beschichtungsmittel ist.
Ein Beschichtungspulver, vertrieben von der Firma PPG Industries, Inc., (PPG), One PPG Place, Pittsburgh, PA 15272, USA, wird unter dem Handelsnamen "ENVIRACRYL POWDER COATING, PCV 70101" in den Spender 12 der Vorrichtung gemäß den Fig. 1, 2 und 3 eingeführt und einem Faserviles von Baumwollfasern in einer Menge von 15% zugesetzt. Die Temperatur des Ofens 14 wird bei 177ºC (350ºF) gehalten. Es wird keine Chlorwasserstoffsäure festgestellt. Das resultierende Faservlies weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf.
PPG gibt an, dass dieses Faserbindemittel eine Dichte von 1,25 g/cm³ (10,4 Ibs/gallon); ein spezifisches Gewicht von 1,25; eine Gelierzeit von 175 s bei 191ºC (375ºF); ein Glasplatten = Fließvermögen von 125 mm bei 149ºC (300º'F) mit einer 0,65 g-Probe; eine Schlagfestigkeit von 184,5 cm.kg (160 inch x Ibs), bestimmt nach ASTM D-2794-84; eine Haftung von 100%, bestimmt nach ASTM D-3359-83, und eine Beständigkeit gegen Feuchtigkeit von mehr als 100 h, bestimmt nach dem Test 463PB-9-01, aufweist.
Nach den vorliegenden Informationen und nach besten Wissen ist dieses Faserbindemittel ein Gemisch aus einem Epoxyharz der Formel 11 mit "n" = 4 und einem Polyester mit endständiger Säure, gemischt mit 2 bis 5% Bariumsulfat, und 2 bis 5% Titandioxid. Die Ergebnisse dieses Beispiels sind in der Tabelle 5 zusammengefasst.
Das resultierende Faservlies wird als "Faservlies 28" bezeichnet.

Beispiele 29 bis 37

Diese Beispiele erläutern die Herstellung von Faservliesen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung von handelsüblichen Faserbindemitteln, die von ihren Herstellern als Farbpulver vertrieben werden.
Das Verfahren des Beispiels 28 wird genau wiederholt mit der einzigen Ausnahme, dass das darin verwendete Faserbindemittel ersetzt wird durch das in der folgenden Tabelle angegebene Faserbindemittel, wobei ähnliche Ergebnisse erhalten werden. Die in der Spalte 4 aufgezählten Hersteller bieten als Farbpulver zum Vergleich die folgenden Produkte unter den in der Spalte 2 aufgezählten Handelsnamen und unter den in der Spalte 3 angegebenen Code-Nummern der Hersteller an. Während der Herstellung dieser Faservliese wird keine Chlorwasserstoffsäure abgegeben. Diese Faservliese weisen alle verbesserte mechanische Eigenschaften auf. Tabelle 5
PPG beschreibt Enviracryl "PCV 70100" als ein Material mit einem Glasplatten- Fließvermögen von 125 mm und einer Gelierungszeit bei 190ºC (375ºF) von 175 s.
Pratt and Lambert, P. O. Box 2153, Wichita, KS 67201, beschreibt "Vitralon 81- 2284" als eine Pulverbeschichtungs-Zusammensetzung aus einem Harz eines Diglycidylethers von Bisphenol A, gefüllt mit 25 Gew.-% Titandioxid und 20 Gew.-% hydratisiertem Siliciumdioxid.
Prall and Lambert beschreibt "Vitralon 81-2189" als eine Pulverbeschichtungs- Zusammensetzung aus einem Harz eines Diglycidylethers von Bisphenol A, gefüllt mit 10 Gew.-% Titandioxid
International Paint Inc. beschreibt "Interpon AJ006U" als ein Isopropylidendiphenol-Produkt, das mit 20 Gew.-% Titandioxid und 30 Gew.-% Calciumcarbonat gefüllt ist.
International Paint Inc. beschreibt "Interpon EA073U" als einen Diglydiylether von Bisphenol A, der mit 40 Gew.-% Titandioxid und 5 Gew.-% Aluminiumhydroxid gefüllt.
Aufgrund von Informationen und nach besten Gewissen ist "Bright White 43- 61-10" der Lilly Industries, Inc. 1136 Fayette, North Kansas City, MO 64116, ein Gemisch aus einem Epoxyharz und einem Polyester mit endständiger Säure.
"Epox IF-2968-D" der Firma H. B. Fuller Company, 2900 Granada Lane, Oakdale, MN 55128, wurde erfolgreich verwendet als erfindungsgemäßes Faserbindemittel.
Morton International, Post Office Box 15240, Reading, PA 19612, beschreibt "Corvel 10&supmin;2050" als eine Zusammensetzung auf Epoxybasis, die 10 bis 30% Bariumsulfat und 10 bis 30% Titandioxid enthält.
Morton beschreibt "Corvel 40-7134" als eine Mischung aus einem Epoxyharz und einem Polyester, gefüllt mit 10 bis 30% Titandioxid.

Beispiel 38

Dieses Beispiel zeigt die verbesserte Zugfestigkeit von erfindungsgemäßen Faservliesen gegenüber Faservliesen des Standes der Technik, die mit einem thermoplastischen Harz gebunden sind. Diese verbesserte Zugfestigkeit ist unabhängig von der Ofentemperatur.
Ein Baumwoll-Shoddy wird in das Garnat 11 der Vorrichtung 11 eingeführt. Ein Fasechindemittel aus einem thermoplastischen Vinylidenchlorid/Vinylchlorid- Copolymer wird in einer Menge von 15 Gew.-% in den Spender 12 eingeführt bei gleichzeitiger erfolgreicher Aufrechterhaltung der Temperatur des Ofens 14 bei den Werten, wie sie in der Spalte 1 der folgenden Tabelle angegeben sind. Die resultierenden Faservliese werden abgekühlt und es wird ihre Zugfestigkeit in der Transversalrichtung oder quer zur Maschinenlaufrichtung gemäß ASTM D-76 bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Spalte 2 der folgenden Tabelle angegeben.
Das obige Verfahren wird wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, dass das Faserbindemittel des thermoplastischen Copolymers durch ein erfindungsgemäßes Faserbindemittel ersetzt wird, und die Ergebnisse sind in der Spalte 3 der folgenden Tabelle angegeben. Tabelle 6
Aus der obigen Tabelle ist zu ersehen, dass die erfindungsgemäßen Faservliese eine um etwa ein Drittel höhere Zugfestigkeit aufweisen, unabhängig von der Ofentemperaturen. Bei 218ºC (425ºF) ist die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen Faservlieses um 20% höher. Dies bedeutet, dass die erhöhte Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen Faservlieses zusammen mit der höheren Steifheit, wie sie in den Tabellen 3 und 4 angegeben ist, die Herstellung eines Faservlieses mit äquivalenter Zugfestigkeit und Steifheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erlaubt mit etwa 1/3 weniger Harz, eine enorme Verbesserung.

Beispiel 39

Dieses Beispiel erläutert die verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Faservliese für die Verwendung als Unterlage unter einem Automobilteppichboden.
Das Faservlies 26 wird für eine Zeitspanne von 1 h einer Temperatur von 232ºC (450ºF) ausgesetzt, um das Erhitzen mit einem Abgas-Katalysator durch den Automobilboden hindurch zu simulieren. Nach der Erhitzungsdauer wird das Faservlies 26 geprüft. Es ist kein Geruch entstanden. Es hat sich weder verfärbt noch hat es seine Form verloren. Das Faservlies 26 besteht den empirischen Test des Automobil-Herstellers und eignet sich als Unterlage unter Automobilteppichen.

Beispiele 40-57

Das Verfahren des Beispiels 20 wird wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, dass das Faserbindemittel 1 durch eine gleiche Gewichtsmenge des Faserbindemittels aus dem in der Spalte 2 der folgenden Tabelle angegebenen Beispiel ersetzt wird, wodurch ein ähnliches Faservlies erhalten wird. Tabelle 7

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines gebondeten Faservlieses, umfassend die Schritte:

I. Bereitstellung eines trockenen, festen, partikulären, latentvernetzbar hitzehärtbaren Faserbindemittels, das eine intensive Mischung aus folgenden Bestandteilen ist:

A. ein festes Epoxyharz mit:

(a) Epoxidgruppen der Formel I:

(b) einem Epoxidäquivalentgewicht von mehr als etwa 500;

(c) einer Glasübergangstemperatur von mehr als etwa 40ºC;

(d) einem Schmelzpunkt von mehr als etwa 70ºC; und

B. eine fremdvernetzend wirksame Menge eines Vernetzungsmittels, das mit den Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagiert, worin das Faserbindemittel im wesentlichen frei von Lösemitteln für das Epoxyharz und für das Vernetzungsmittel ist, wobei das Äquivalenzverhältnis A : B von (A) dem Epoxyharz zu (B) dem Vernetzungsmittel von 1, 3 : 1 bis etwa 1 : 1, 3 reicht und wobei das Faserbindemittel im wesentlichen wasserfrei ist und wobei das Faserbindemittel einen Schmelzpunkt von etwa 40 bis etwa 160ºC aufweist und wobei das Faserbindemittel einen Glasplattenfluss von etwa 14 bis etwa 150 mm aufweist und wobei das Faserbindemittel eine Partikelgröße von etwa ein bis etwa 200 Mikron aufweist; und dann

II. Kontaktierung von faserbindenden Mengen des Faserbindemittels mit den Fasern zur Bildung eines Rohfaservlieses, wobei das Faserbindemittel lose an den Fasern des Vlieses hängt; und dann

III. Erhitzen des Rohfaservlieses auf eine Vernetzungstemperatur über dem Schmelzpunkt des Faserbindemittels, aber unter dem Seng- oder Schmelzpunkt der Fasern, wodurch das Faserbindemittel geschmolzen wird, woraufhin das Faserbindemittel zu den Schnittpunkten der Fasern fließt und anschließend das Vernetzungsmittel mit den Epoxidgnippen des Epoxyharzes reagiert, wodurch das Rohfaservlies in ein heißes vernetztes Faserlies konvertiert wird, wobei das Erhitzen des Rohfaservlieses bei einer Temperatur von etwa 100 bis etwa 240ºC über eine ausreichend lange Zeit oder von 20 Sekunden bis etwa 10 Minuten bei einer adäquaten Temperatur ausgeführt wird; und dann

IV. Kühlen des heißen vernetzten Faservlieses.

2. Verfahren von Anspruch 1, wobei das Rohfaservlies kurz auf eine Vernetzungstemperatur über dem Schmelzpunkt des Faserbindemittels aber unter dem Seng- oder Schmelzpunkt der Fasern erwärmt wird, wodurch das Faserbindemittel geschmolzen wird, woraufhin das Faserbindemittel zu Schnittstellen der Fasern fließt und in der Folge ein Teil des Vernetzungsmittels mit einem Teil der Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagiert, bis das Faserbindemittel den Zustand B erreicht, wodurch das Rohfaservlies zu einem heißen, halbvernetzten Faservlies konvertiert wird und wobei das heiße, halbvernetzte Faservlies abgekühlt wird; und wobei folgende nachfolgende Schritte ausgeführt werden:

Einbringen des halbvernetzten Faservlieses zwischen offenen männlichen und weiblichen Formen; und dann

Schließen der offenen männlichen und weiblichen Formen mit dem dazwischenliegenden, halbgehärteten Faservlies, wodurch das halbvernetzte Faservlies dazu gebracht wird, die Gestalt der männlichen Form und der weiblichen Form anzunehmen; und dann Erhitzen der männlichen Form, der weiblichen Form und des halbvernetzten Faservlieses auf eine Vernetzungstemperatur über dem Schmelzpunkt des Faserbindemittels, aber unter dem Seng- oder Schmelzpunkt der Fasern, wodurch das Faserbindemittel geschmolzen wird und das Vernetzungsmittel mit den restlichen Epoxidgruppen des Epoxyharzes zur Reaktion gebracht wird, wodurch das Harz des Zustands B zu einem Harz des Zustands G konvertiert wird und das halbvernetzte Faservlies zu einem geformten Artikel konvertiert wird, der aus einem vollvernetzten Faservlies zusammengesetzt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Epoxyharz im Faserbindemittel aus Pulverfarbabfällen mit epoxyreaktiven Einheiten zur Vernetzung und Härtung gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Faservlies geschaffen wird, das geeignet ist, ohne Phenolformaldehydharz (Resol) heißgeformt zu werden.

5. Gebondetes Faservlies, umfassend Fasern, die mit einem Faserbindemittel gebondet sind, wobei das Bindemittel umfasst:

A. ein festes Epoxyharz mit:

(a) Epoxidgruppen der Formel I;

(b) einem Epoxidäquivalentgewicht von mehr als etwa 500;

(c) einer Glasübergangstemperatur von mehr als etwa 40ºc;

(d) einem Schmelzpunkt von mehr als etwa 70ºC; und

B. eine fremdvernetzend wirksame Menge eines Vernetzungsmittels, das mit den Epoxidgruppen des Epoxyharzes reagiert, wobei das Faserbindemittel im wesentlichen frei von Lösemitteln für das Epoxyharz und für das Vernetzungsmittel ist, wobei das Äquivalenzverhältnis A : B von (A) dem Epoxyharz zu (B) dem Vernetzungsmittel von 1, 3 : 1 bis etwa 1 : 1, 3 reicht;

wobei das Faservlies bei einer Ofentemperatur von 232ºC kein Formaldehyd oder keine Chlorwasserstoffsäure produziert, und

wobei das Faservlies einen Feuchtigkeitswiderstand von mehr als 100 Stunden, gemessen durch Test 463PB-9-01, aufweist, und

wobei die Fasern bei Temperaturen unter 100ºC nicht schmelzen oder zerfallen, und

wobei das Faserbindemittel eine Glasplattenflusslänge von etwa 15 nm bis etwa 150 mm vor dem Bonding an die Fasern aufweist, und

wobei das Faserbindemittel eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 1 bis etwa 200 Mikron aufweist.

6. Produkt nach Anspruch 5, bei dem das Epoxyharz im Faserbindemittel aus Pulverfarbabfall gewonnen wird, welcher epoxyreaktive Einheiten Er die Vernetzung und das Härten enthält.

7. Produkt nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein Faservlies geschaffen wird, das geeignet ist, ohne Phenolformaldehydharz (Resol) heißgeformt zu werden.

8. Produkt nach einem der vorangehenden Ansprüche, das geformt ist.