Аморфный поли-альфа-олефиновый клей с низкой температурой нанесения - RU2585640C2

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА К РОДСТВЕННОЙ ЗАЯВКЕ

Данная заявка на изобретение заявляет приоритет Предварительной заявки на патент США № 61/377 433, поданной 26 августа 2010 года, содержание которой включается здесь ссылкой.

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к аморфному поли-α-олефиновому клею с низкой температурой нанесения, используемому на нетканых изделиях. Клей особенно полезен в конструкциях из нетканых изделий, например, впитывающих одноразовых изделий, таких как подгузники, женские гигиенические изделия, урологические изделия для взрослых, впитывающие простыни, подстилки между матрацем и простыней, промышленные впитывающие салфетки и аналогичные изделия.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Термоплавкий клей наносят на подложку, когда он находится в расплавленном состоянии, и охлаждают до отверждения клеевого слоя. Такие клеи широко используются в различных коммерческих и промышленных областях использования, таких как сборка продукта и упаковка, и широко использовались в нетканой промышленности для изготовления нетканых изделий. В данных областях использования клей наносят по меньшей мере на одну подложку для соединения подложки со второй аналогичной или отличающейся подложкой.

В термоплавком клее полимер основы обеспечивает прочность сцепления и эластичность. Использование высокомолекулярного полимера или высокого содержания полимера обычно содействует прочности сцепления и клейкости; однако это также приводит к значительному увеличению вязкости расплава. Термоплавкий клей с высокой вязкостью может требовать очень высокой температуры обработки, при которой полимеры восприимчивы к разрушению, обугливанию, гелеобразованию и потере клеящих свойств. Более того, высокая температура обработки увеличивает расход энергии, создает угрозу безопасности и деформирует/меняет окраску полимерной пленки подложки.

Известны традиционные термоплавкие клеи с низкой температурой нанесения, например клеи на основе стирол-бутадиен-стирола, стирол-изопрен-стирола и металлоценовых полиолефинов, однако клеи на основе аморфного поли-α-олефина не обрабатываются при низкой температуре, если к ним не добавляют значительные количества низкомолекулярных разбавителей для снижения адгезионной вязкости. Добавление высоких уровней разбавителей, таких как реагенты, придающие клейкость, и воски, снижает механическую прочность клея и, что более важно, является причиной меньшей стойкости к текучести при температуре тела. Кроме того, с течением времени, низкомолекулярные разбавители в клее стремятся мигрировать и выделиться из клея, дополнительно влияя на прочность и внешний вид клея.

Существует необходимость в термоплавком клее, который можно наносить при низкой температуре, т.е. ниже примерно 150°C, который имеет более низкие количества разбавителей, не принося в жертву механическую прочность и внешний вид клея. Такие свойства сделают клей особенно хорошо подходящим для использования при изготовлении впитывающих одноразовых изделий. Настоящее изобретение нацелено на данную необходимость.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Было обнаружено, что аморфный поли-α-олефиновый сополимер, который имеет температуру размягчения примерно от 70 до 105°C и вязкость меньше чем примерно 1900 сП при 190°C, можно использовать при изготовлении термоплавкого клея с низкой температурой нанесения. Такие клеи находят использование в качестве конструкционного клея и особенно хорошо подходят для изготовления одноразовых впитывающих изделий, таких как гигиенические салфетки, урологические прокладки, подстилки между матрацем и простыней, гигиенические прокладки, защитные вкладыши для нижнего белья, вкладыши в подгузники и аналогичные изделия.

В одном варианте осуществления, изобретение предлагает термоплавкий клей с низкой температурой нанесения, включающий по меньшей мере 45 масс.%, исходя из общей массы клея, аморфного сополимера полибутена, который имеет температуру размягчения, определяемую по методу "кольца и шара", примерно от 70 до 105°C и вязкость меньше чем примерно 1900 сП при 190°C. Термоплавкий клей, полученный из того же самого аморфного сополимера полибутена, имеет вязкость меньше чем примерно 6000 сП при 150°C.

Другой вариант осуществления нацелен на термоплавкий клей с низкой температурой нанесения на основе аморфного сополимера полибутена, который имеет значение tan δ больше чем 30 при 140°C.

В дальнейшем варианте осуществления аморфный сополимер полибутена в термоплавком клее с низкой температурой нанесения сополимеризуют с сомономерами, представляющими собой этилен, пропилен, гексен и/или октен.

В другом варианте осуществления термоплавкий клей с низкой температурой нанесения дополнительно включает реагент, придающий клейкость, который имеет температуру размягчения, больше или равную 80°C.

Еще один вариант осуществления предлагает изделие, изготовленное с использованием клея с низкой температурой нанесения по изобретению. Изделия включают одноразовые впитывающие изделия, такие как гигиенические салфетки, урологические прокладки, подстилки между матрацем и простыней, гигиенические прокладки, защитные вкладыши для нижнего белья, вкладыши в подгузники, влаговпитывающие салфетки для мяса и аналогичные изделия.

Другой вариант осуществления нацелен на способ нанесения клея с низкой температурой нанесения по изобретению при 150°C или ниже на первую подложку, наложение второй подложки на клей, посредством этого формируя соединение.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение нацелено на композиции клея, включающие аморфный сополимер поли-α-олефина, причем данные композиции клея имеют лучшие эксплуатационные характеристики и/или меньшую стоимость, чем у традиционных термоплавких клеев. Было обнаружено, что аморфные сополимеры полибутена, которые имеют температуру размягчения примерно от 70 до 105°C и вязкость меньше чем примерно 1900 сП при 190°C, обладают желательными свойствами и могут быть использованы для изготовления термоплавкого клея с низкой температурой нанесения для одноразовых впитывающих изделий.

Для цели данного описания термин ″поли-α-олефин″ означает атактический сополимер поли-α-олефина, который является аморфным с минимальной кристалличностью.

Аморфный сополимер полибутена имеет температуру размягчения, определяемую по методу "кольца и шара" (измеренную согласно ASTM E28), примерно от 70 до 105°C. Температура размягчения, определяемая по методу "кольца и шара", связана с содержанием бутена в сополимере. Изменяя уровни бутена в сополимере, можно выбрать желаемую температуру размягчения сополимера. Предпочтительным полибутеном является атактический поли-α-олефин с высоким содержанием 1-бутена. Термин ″поли-α-олефин с высоким содержанием бутена″ типично показывает, что более чем 40 масс.%, предпочтительно, более чем примерно 50 масс.%, полимера включает 1-бутеновый мономер. Другими мономерами, которые сополимеризуются с бутеном, являются этилен, пропилен, гексен, октен и их смеси. Типично, в аморфном сополимере полибутена присутствует примерно от 40 до 70% 1-бутена и примерно 30-60% пропилена с незначительными количествами других мономеров.

Аморфный сополимер полибутена имеет вязкость меньше чем примерно 1900 сП при 190°C, определенную вискозиметром Брукфилда в соответствии с методом тестирования ASTM D3236. Вязкость аморфного сополимера полибутена зависит от молекулярной массы сополимера. По мере увеличения молекулярной массы сополимера, вязкость увеличивается.

Значение tan δ сополимера также является важным фактором при выборе полимера для термоплавкого клея с низкой температурой нанесения. Tan δ полимера представляет собой отношение модуля потерь (G”) к динамическому модулю упругости (G'):(G”/G'). Это является безразмерным количеством, которое пропорционально отношению потерянной энергии к запасенной энергии. Было обнаружено, что сополимеры со значением tan δ больше чем 30, предпочтительно больше чем 40, более предпочтительно больше чем 50 при 140°C можно с выгодой использовать в качестве термоплавкого клея с низкой температурой нанесения, поскольку они могут течь и их можно напылять, используя традиционное устройство для нанесения при температуре 150°C или ниже. Клеи, приготовленные с сополимерами, имеющими значение tan δ меньше чем 30 при 140°C, нельзя напылять при температуре 150°C или ниже, и их необходимо напылять при более высокой температуре.

Полимер обеспечивает важные адгезионные свойства, такие как время выдержки на поверхности перед склеиванием, предел прочности при сдвиге, прочность на разрыв, склеивающая способность и вязкость. Клей может включать, в целом, один из ряда применимых полимеров, смесь полимеров, или альтернативно клей может включать термоплавкий клей, содержащий по меньшей мере один полимер, смешанный с другими компонентами. Полимер можно объединить с реагентом, придающим клейкость, или добавками, чтобы модифицировать адгезионные свойства.

В другом варианте осуществления термоплавкий клей с низкой температурой нанесения включает дополнительные компоненты. Данные компоненты включают реагент, придающий клейкость, для обеспечения прочности, воски или пластификаторы/масла для модифицирования вязкости и/или другие добавки, включая антиоксиданты и другие стабилизаторы.

Подходящие реагенты, придающие клейкость, имеют температуру размягчения, больше или равную 80°C. Примеры подходящих реагентов, придающих клейкость, перечислены в Paul C.W. (2002) Hot Melt Adhesives, Chaudhury M and Pocius AV (ed) Surfaces, Chemistry and Applications: Adhesion Science and Engineering, Elsevier Science B.V., The Netherlands pp 711-757, включая полностью или частично насыщенные (например, гидрированные) C5 смолы, полученные из пиперилена или дициклопентадиена (DCPD). Другие подходящие реагенты, придающие клейкость, включают углеводороды, полученные из нефтяных дистиллятов, канифоль, эфиры канифоли, гидрированные эфиры канифоли, политерпены, полученные из древесины, политерпены, полученные из синтетических химикатов, а также их комбинации. Коммерчески доступным примером подходящего реагента, придающего клейкость, является ESCOREZ®5340, продаваемый Exxon-Mobil. ESCOREZ®5340 имеет температуру размягчения 140°C и вязкость 5000 сП при 177°C. Другой подходящий реагент, придающий клейкость, ESCOREZ®5320, имеет температуру размягчения 122°C и относительно низкую вязкость, равную 1500 сП при 177°C. Еще один подходящий реагент, придающий клейкость, ESCOREZ®5415, имеет температуру размягчения 118°C и более низкую вязкость, равную 900 сП при 177°C. Количество реагента, придающего клейкость, в композиции клея находится в диапазоне от 0 до 55 масс.%, исходя из общей массы клея.

Кроме того, композиция клея может включать антиоксидантный стабилизатор, предпочтительно, в количестве, достаточном для поддержания желательных свойств клея. Достаточные количества антиоксидантного стабилизатора будут понятны специалисту в данной области. Например, композиция клея может включать антиоксидантный стабилизатор в количестве примерно 1% или менее от массы композиции клея. Один пример подходящего антиоксиданта доступен от Ciba Specialty Chemicals под торговой маркой IRGANOX®1010.

Кроме того, необязательно в клее может присутствовать воск. Подходящий воск включает парафиновый воск, микрокристаллический воск, полиэтиленовый воск, полипропиленовый воск, побочный полиэтиленовый воск, воск Фишера-Тропша, окисленный воск Фишера-Тропша и функционализированные воски, такие как гидроксистеарамидный воск и воск на основе амидов жирных кислот. Обычным в уровне техники является использование терминологии, предполагающей, что синтетические воски с высокой температурой плавления включают низкомолекулярные полиэтиленовые воски высокой плотности, побочные полиэтиленовые воски и воски Фишера-Тропша. При осуществлении на практике изобретения можно использовать модифицированные воски, включая воски, модифицированные винилацетатом, такие как AC-400 (Honeywell) и MC-400 (продаваемые Marcus Oil Company), воски, модифицированные малеиновым ангидридом, такие как Epolen C-18 (продаваемые Eastman Chemical), AC-575A и AC-575P (продаваемые Honeywell), и окисленные воски. Если воск используется, как правило, он присутствует в количестве вплоть до примерно 15 масс.%, исходя из общей массы клея.

Дополнительные добавки включают пластификатор/масло, цветной пигмент или краситель, ароматизатор, наполнитель, присадку, улучшающую смешиваемость полимеров, и/или добавку для снижения температуры размягчения. Примеры подходящего пластификатора/масла включают бензоаты, фталаты, парафиновые масла, минеральные масла, полиизобутилен, хлорированные парафины и аналогичные соединения. Примеры подходящих цветных пигментов и наполнителей включают TiO₂, углеродную сажу и карбонат кальция. Примеры подходящих присадок, улучшающих смешиваемость полимеров, включают диблок-сополимеры полипропилен-полиэтилен, полипропилен-полибутилен.

″Обрабатываемый в расплаве″ означает, что композицию клея можно подвергнуть ожижению при нагревании в диапазоне примерно 38-235°C. Как правило, в момент нанесения по существу ожиженная композиция клея будет проходить через форсунку или блок форсунок, но может проходить через другой механический элемент, такой как щелевая головка. Термоплавкий клей, полученный из аморфного сополимера полибутена, который имеет температуру размягчения, определяемую по методу "кольца и шара", примерно от 70 до 105°C и вязкость меньше чем примерно 1900 сП при 190°C, можно переработать при температуре 150°C или менее. Термоплавкий клей, полученный из аморфного сополимера полибутена, имеет вязкость менее чем примерно 6000 сП при 150°C, и его можно напылять, используя обычные форсунки, чтобы обеспечить желаемый рисунок и уровень привеса по клею на перемещающейся ткани. Подходящие форсунки коммерчески доступны от Nordson Corporation и Illinois Tool Works Inc.

Было обнаружено, что клеи на основе аморфного сополимера полибутена со значением tan δ больше чем 30 при 140°C можно предпочтительно напылять при температурах 150°C или ниже. Предпочтительно, клеи на основе аморфного сополимера полибутена со значением tan δ больше чем 40 при 140°C, более предпочтительно более чем 50 при 140°C можно напылять при температурах 150°C или ниже.

Композицию клея обрабатывают, нагревая и изготавливая смесь аморфного сополимера полибутена, необязательно, с дополнительными компонентами. Данную смесь можно нагреть или нагреть/смешать, используя экструдер или оборудование для переработки горячего расплава. В качестве способа нагревания и смешивания рассматриваются различные методы: (1) аморфный сополимер полибутена можно нагреть и необязательные компоненты можно добавить после нагревания сополимера, (2) необязательные компоненты можно нагреть и сополимер добавляют после нагревания необязательных компонентов или (3) как аморфный сополимер полибутена, так и необязательные компоненты можно объединить перед нагреванием. Данный полученный в результате клей можно наносить непосредственно на соединяемые изделия или его можно охладить и переработать, чтобы получить твердую форму (например, гранулированную, подушкообразную или отлитую в пресс-формы или бочки и т.д.), которую можно хранить и/или транспортировать. Смесь, в твердой форме, надо нагреть, чтобы подвергнуть существенному ожижению клеевую композицию перед ее использованием для изготовления склеенного изделия.

Один способ изготовления склеенного изделия включает стадии нагревания клея на основе аморфного сополимера полибутена до температуры примерно 150°C, нанесения клея на первую подложку, присоединения второй подложки так, чтобы некоторое или все количество нанесенной композиции клея располагалось между первой подложкой и второй подложкой, и охлаждения клея с формированием клеевого соединения.

Типичными подложками являются нетканые пленочные материалы, которые типично имеют плотность в диапазоне от примерно 10 до 25 грамм на метр квадратный (г/м²) на основе волокон полиэтилена, полипропилена, полиэфира или целлюлозы. Кроме того, типичными подложками являются гибкие листовые пленки, такие как полиэтиленовые и полипропиленовые пленки. Клей по изобретению можно использовать для соединения друг с другом одинаковых или различных материалов подложки.

Соединенное изделие имеет динамическую прочность на отдир, по меньшей мере, 50 грамм на дюйм (19,7 г/см), даже при низких уровнях привеса по клею. Клей по изобретению показывает прочность на отдир больше, чем у традиционного термоплавкого клея, например, клеев на основе металлоценовых полиолефинов и на основе каучука. Благодаря высокой прочности на отдир клея по изобретению, для достижения достаточной прочности связи с подложкой можно использовать меньшие количества клеевого покрытия, например, меньше или равные 20 г/м², или меньше или равные 10 г/м², предпочтительно меньше или равные 5 г/м², более предпочтительно меньше или равные 3 г/м². Более того, клей, изготовленный из аморфного сополимера полибутена, является менее дорогим по сравнению с обычным клеем, который требует большие количества реагентов, придающих клейкость, которые часто более дорогие по сравнению с полимерами.

Клей на основе аморфного сополимера поли-α-олефина можно напылять при температуре 150°C или ниже. Поскольку клей по изобретению можно наносить при более низких температурах с низкими уровнями привеса по клею, имеется пониженная вероятность деформации и изменения цвета полимерной пленки подложки.

Склеенные изделия по изобретению подходят для использования во впитывающих изделиях, таких как подгузники, памперсы, влажные салфетки для малышей, трико для физических упражнений, впитывающие трусы, детские трусики, купальные костюмы и другая одноразовая одежда; предметы женской гигиены, включающие гигиенические салфетки, влажные салфетки, гигиенические прокладки, прокладки на каждый день, прокладки для нижнего белья, тампоны и аппликаторы для тампонов; средства по уходу за взрослыми пациентами, включающие влажные салфетки, прокладки, контейнеры, урологические пакеты и урологические прокладки; компоненты одежды; продукты для спортивных занятий и отдыха; продукты для применения горячей или холодной терапии, медицинские халаты (т.е., защитные и/или хирургические халаты), операционные простыни, шапочки, перчатки, лицевые маски, бандаж, раневые повязки, салфетки, покрывала, контейнеры, фильтры, одноразовая одежда и стеганые подстилки между матрацем и простыней, медицинская впитывающая одежда, впитывающие простыни; конструкционные и упаковочные материалы, промышленные салфетки, включая влаговпитывающие салфетки для мяса; продукты для очистки и дезинфекции, салфетки, обертки, фильтры, полотенца, салфетки для ванной, косметические салфетки, нетканые рулонные товары, продукты для домашнего отдыха, включая подушки, косметические подушечки, диванные подушки, защитные маски, и продукты для ухода за телом, такие как продукты, используемые для очистки или ухода за кожей, лабораторная одежда, спецодежда и аналогичное.

Многие модификации и изменения данного изобретения могут быть осуществлены без отклонения от его сущности и объема патентной защиты, как будет очевидно специалистам в данной области. Конкретные варианты осуществления, описанные здесь, предоставляются только посредством примера, и изобретение следует ограничивать только терминами прилагаемой формулы изобретения, вместе с полным объемом эквивалентов, к которым такие пункты формулы изобретения имеют отношение.

ПРИМЕРЫ

Вязкости определяли, используя вискозиметр Брукфилда с устройством нагрева Thermosel и шпинделем 27 при 190°C или 150°C.

Температура размягчения, определяемая по методу "кольца и шара", имеет сообщенные значения в соответствии с ASTM E28.

Динамический модуль упругости и модули потерь измеряли, и значение tan δ рассчитывали реометром ARES M от Rheometric Scientific, используя метод диапазона температур (ARES LS). Образец помещали в параллельные пластины (геометрический диаметр 25 мм) с 2 мм зазором. Динамическую развертку температуры от 150°C до 0°C тестировали с частотой 10 радиан/сек и скоростью охлаждения 5°C/мин. Динамический модуль упругости (G') и модуль потерь (G”) рассчитывали из данных по моментам и деформации. Рассчитывали их отношение (G'/G”), также известное как tanδ.

Образец в форме гантели готовили в форме для теста на максимальную прочность при растяжении. Формовали тестируемый образец с двумя 1”x1” концами, соединенными 1/2”x1/2” соединительной частью (общая длина составляла 2^1/2”), и толщина образца составляла 1/8”. Затем образец кондиционировали при 23°C и относительной влажности 50% в течение по меньшей мере 72 часов и тестировали на механическом тестере Sintech 1/D при 23°C и относительной влажности 50%. Образец закрепляли на концах гантели (площадь 1”x1”) и растягивали при скорости передвижения ползуна 12”/мин, пока образец не разорвется или не разрушится. Данный тест повторяли от трех до четырех раз, и рассчитывали и сообщали среднее максимальное значение прочности при растяжении.

Прочность на отдир измеряли с помощью механического тестера Sintech 1/D при 23°C/относительной влажности 50%. Покрытый слоистый образец готовили, нанося клей между нетканой пленкой и полимерной пленкой Pliant (Pliant Corporation), и оставляли при комнатной температуре в течение по меньшей мере 72 часов. Слоистый образец шириной три дюйма (7,62 см) тестировали на максимальную прочность на отдир. Каждый конец пленок оттягивали друг от друга, в Т-форме, со скоростью 12 дюймов/мин (30,5 см/мин) под углом 180° и полученную в результате прочность на отдир указывали в г/дюйм.

В таблице 1 перечислены различные аморфные сополимеры полибутена и их соответствующие значения вязкости, температуры размягчения и tan δ. Сополимеры данного класса можно купить у компаний Rextac, Evonik или Eastman, или можно получить способами, известными из уровня техники.

Применимый сополимер для изобретения имеет вязкость менее чем 1900 сП, измеренную при 190°C, температура размягчения, определяемая по методу "кольца и шара", находится в диапазоне 70-105°C, и значение tan δ превышает 30 при 140°C. Только сополимеры 1 и 2 соответствуют всем трем критериям, а сополимеры сравнения A-G имеют по меньшей мере один критерий вне применимых диапазонов.

В таблице 2 перечислены образцы клея, изготовленные из сополимера 2 с различными типами и количествами реагентов, придающих клейкость. Клей и смолу/реагент, придающий клейкость, перечисленные в таблице 2, плавили вместе посредством тепла (при температуре 140°C или более) до получения гомогенного расплава. Результирующие клеевые характеристики образцов тестировали, и результаты приведены в таблице 2.

Все вышеуказанные образцы имеют вязкость менее чем 6000 сП при 150°C. Рецептуры клея включают широкий диапазон количеств сополимера и смолы, как продемонстрировано выше, и могут также заметно включать сополимер.

Готовили несколько образцов клея с различными полимерами основы и тестировали их эксплуатационные свойства относительно клея по изобретению в таблице 3. Тип и содержание полимера основы указано в таблице 3. Каждый образец смешивали с реагентом, придающим клейкость, при нагревании (выше чем 140°C) до образования гомогенного расплава. Характеристики клея измеряли и представляли в таблице 3. Затем каждый клей наносили между нетканой подложкой и подложкой из полимерной пленки с точно указанным уровнем привеса по клею, и полученная в результате прочность на отдир показана в таблице 3.

Для образцов сравнения X и Y из таблицы 3, полимер основы составлял меньше чем 20 масс.% от общей композиции. В то время как пример сравнения Z (приготовленный из сополимера E) также использует 80 масс.% аморфного сополимера полибутена, данная температура нанесения выше, чем температура нанесения образца 4 (приготовлен из сополимера 2). Более того, использование, в качестве основы, сополимера 2 в образце клея 4 привело к наиболее высокой прочности на отдир.

Реферат

Изобретение относится к аморфному поли-альфа-олефиновому клею с низкой температурой нанесения и может быть использовано для производства впитывающих одноразовых изделий. Термоплавкий клей содержит 45 масс.%, исходя из массы клея, аморфного сополимера полибутена, содержащего пропиленовый сомономер, который имеет температуру размягчения примерно от 70 до 105°C, вязкость меньше чем примерно 1900 сП при 190°C и tan δ больше чем 30 при 140С. Термоплавкий клей имеет вязкость меньше чем примерно 6000 сП при 150С. Изобретение позволяет наносить термоплавкий клей при низкой температуре - ниже 150С при сохранении механической прочности и внешнего вида клея. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 табл.

Формула