Способ электроформования крахмальных нитей для гибкой структуры - RU2201945C2

Чертежи

Описание

Изобретение касается гибких структур, содержащих крахмальные нити, а конкретнее гибких структур, имеющих отличающиеся области.

Нетканые материалы из целлюлозных волокон, такие как бумага, общеизвестны из уровня техники. В настоящее время нетканые волокнистые материалы с низкой плотностью обычно используют для изготовления бумажных полотенец, туалетной бумаги, носовых платков, салфеток, влажных салфеток и т.д.

Большой спрос на такие бумажные изделия вызвал потребность в улучшенных разновидностях этих изделий и способов их изготовления. Чтобы удовлетворить таким потребностям, изготовители в бумажной промышленности должны сбалансировать стоимость оборудования и ресурсов с общей стоимостью доставки изделий потребителю.

При обычных процессах производства бумаги древесноцеллюлозные волокна распускают, размалывают или рафинируют для достижения определенной степени гидратации волокон с целью образования водной волокнистой суспензии. Процессы производства бумажных материалов для использования при изготовлении тонкой бумаги, бумаги для салфеток и гигиенических изделий обычно включают в себя приготовление водной суспензии и последующее удаление воды из суспензии при одновременной перегруппировке волокон в ней для образования бумажного полотна. После обезвоживания полотно обрабатывают с получением сухого рулона или листов и, в конце концов, превращают в потребительскую упаковочную тару. Для проведения процесса обезвоживания и операций по переработке необходимо использовать оборудование различных типов, что требует значительных капиталовложений.

Другим аспектом обычного процесса производства бумаги является введение в волокнистую массу различных добавок с целью достижения определенных конечных свойств. Например, при производстве бумаги часто применяют такие добавки, как, например, смолы для придания прочности, разрыхляющие, поверхностно-активные вещества, пластификаторы, пигменты, латексы, полимерные микросферы, средства для придания огнестойкости, красители, отдушки и т.д. Эффективное удерживание этих добавок на мокрой части процесса производства бумаги представляет собой трудность для изготовителя, так как та часть, которая не удерживается, не только приводит к экономическим потерям, но также создает значительные проблемы, связанные с загрязнением, если она становится частью производственных сточных вод. Кроме того, добавки могут быть добавлены к бумажному полотну после стадии обезвоживания посредством операций нанесения покрытий или пропитывания, общеизвестных из уровня техники. При этих операциях обычно требуется расход дополнительной тепловой энергии для повторной сушки бумаги после нанесения покрытия. Кроме того, в некоторых случаях необходимы кроющие композиции на основе растворителя, что увеличивает капитальные затраты и требует извлечения летучих веществ для удовлетворения требований распорядительных органов.

Для изготовления бумаги применяли другие натуральные волокна, отличные от целлюлозы, а также различные синтетические волокна, однако, все эти заменители оказались непригодными в качестве промышленно приемлемых заменителей целлюлозы из-за их высокой стоимости, плохой связывающей способности, химической несовместимости и трудностей обращения с ними в производственном оборудовании. В качестве заменителя целлюлозы в различных областях бумажного производства предлагали крахмальные нити, однако, попытки использовать такие крахмальные нити в промышленности оказались неудачными. В результате этого бумажные материалы по-прежнему изготавливают исключительно из целлюлозных ингредиентов на основе древесины.

Таким образом, согласно настоящему изобретению предлагается гибкая структура, содержащая длинные крахмальные волокна, и способ их изготовления. В частности, согласно настоящему изобретению предлагается гибкая структура, содержащая множество крахмальных нитей, при этом структура содержит одну или большее число областей, обладающих отчетливыми интенсивными свойствами в отношении улучшенной прочности, абсорбирующей способности и мягкости.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предлагаются способы изготовления крахмальных нитей. В частности, согласно настоящему изобретению предлагается способ электроформования для изготовления множества крахмальных нитей.

Гибкая структура содержит множество крахмальных нитей. По меньшей мере, некоторые из множества крахмальных нитей имеют размер от около 0,001 до около 135 дтекс, а конкретнее от 0,01 до 5 дтекс. Отношение длины главной оси, по меньшей мере, некоторых крахмальных нитей к эквивалентному диаметру поперечного сечения, перпендикулярного к главной оси крахмальных нитей, больше чем 100/1, конкретнее больше чем 500/1, более конкретнее больше чем 1000/1, и еще более конкретнее больше чем 5000/1.

Структура содержит, по меньшей мере, первую область и вторую область, при этом каждая из первой и второй областей имеет, по меньшей мере, одно общее интенсивное свойство, выбранное из группы, состоящей из плотности, основного веса, высоты, непрозрачности, частоты крепирования и их любого сочетания. По меньшей мере, одно общее интенсивное свойство первой области по величине отличается от, по меньшей мере, одного общего интенсивного свойства второй области.

В одном варианте воплощения изобретения одна из первой и второй областей представляет собой по существу непрерывную сетку, а другая из первой и второй областей - множество отдельных участков, рассредоточенных по всей по существу непрерывной сетке. В другом варианте воплощения изобретения, по меньшей мере, одна из первой и второй областей представляет собой полунепрерывную сетку.

Гибкая структура может, кроме того, содержать, по меньшей мере, третью область, имеющую, по меньшей мере, одно интенсивное свойство, которое является общим с интенсивным свойством первой области и интенсивным свойством второй области, но отличается по величине. В одном варианте воплощения изобретения, по меньшей мере, одна из первой, второй и третьей областей может представлять собой по существу непрерывную сетку. В другом варианте воплощения изобретения, по меньшей мере, одна из первой, второй и третьей областей может содержать отдельные или прерывистые участки. В еще одном варианте воплощения изобретения, по меньшей мере, одна из первой, второй и третьей областей может содержать по существу полунепрерывные участки. В еще одном варианте воплощения изобретения, по меньшей мере, одна из первой, второй и третьей областей может содержать множество отдельных участков, рассредоточенных по всей по существу непрерывной сетке.

В варианте воплощения изобретения, в котором гибкая структура содержит по существу непрерывную сетчатую область и множество отдельных участков, рассредоточенных по всей по существу непрерывной сетчатой области, по существу непрерывная сетчатая область может иметь относительно высокую плотность по сравнению с относительно низкой плотностью множества отдельных участков. Когда структура расположена на горизонтальной плоскости отсчета, первая область определяет первую высоту, а вторая область простирается наружу от первой области, определяя вторую высоту больше (относительно горизонтальной плоскости отсчета), чем первая высота.

В варианте воплощения изобретения, содержащем, по меньшей мере, три области, первая область может определять первую высоту, вторая область - вторую высоту и третья область - третью высоту, когда структура расположена на горизонтальной плоскости отсчета. По меньшей мере, одна из первой, второй и третьей высот может отличаться от, по меньшей мере, одной из других высот, например, вторая высота может быть промежуточной между первой высотой и третьей высотой.

В одном варианте воплощения изобретения вторая область содержит множество крахмальных подушек, при этом отдельная подушка может содержать выступающую часть, проходящую от первой высоты до второй высоты, и консольную часть, проходящую вбок от выступающей части на второй высоте. Плотность крахмальной консольной части может быть равна, по меньшей мере, одной из плотности первой области и плотности второй области или отличаться от них либо быть промежуточной между плотностью первой области и плотностью выступающей части. Консольные части обычно приподняты над первой плоскостью с образованием по существу свободных пространств между первой областью и консольными частями.

Гибкую структуру можно изготовить посредством образования множества крахмальных нитей формованием из расплава, сухим формованием, мокрым формованием, электроформованием или их любым сочетанием; использования формующего элемента, имеющего трехмерную нитеприемную сторону, выполненную для приема на себя множества крахмальных нитей; осаждения множества крахмальных нитей на нитеприемную сторону формующего элемента, при этом множество крахмальных нитей, по меньшей мере, частично приспосабливается к ее рельефу; и отделения множества крахмальных нитей от формующего элемента.

Стадия осаждения множества крахмальных нитей на нитеприемную сторону формующего элемента может включать в себя, по меньшей мере, частичное приспособление множества крахмальных нитей к трехмерному рельефу формующего элемента. Это может быть осуществлено, например, приложением перепада давления текучей среды к множеству крахмальных нитей.

В одном варианте воплощения изобретения стадия осаждения множества крахмальных нитей на формующий элемент включает в себя осаждение крахмальных нитей под острым углом к нитеприемной стороне формующего элемента, при этом острый угол составляет от около 5 до около 85^o.

В одном варианте воплощения изобретения формующий элемент содержит полимерную основу, соединенную с усиливающим элементом. Формующий элемент может быть проницаемым, непроницаемым или частично проницаемым для текучей среды. Усиливающий элемент может быть расположен между нитеприемной стороной и, по меньшей мере, частью задней стороны основы. Нитеприемная сторона может иметь по существу непрерывный рельеф, по существу полунепрерывный рельеф, прерывистый рельеф и их любое сочетание. Основа может содержать множество сквозных отверстий, которые могут быть непрерывными, отдельными или полунепрерывными, аналогично или противоположно рельефу основы.

В одном варианте воплощения изобретения формующий элемент образован усиливающим элементом, расположенным на первой высоте, и полимерной основой, соединенной с усиливающим элементом при расположении поверхности к поверхности и проходящей наружу от усиливающего элемента до второй высоты. Формующий элемент может состоять из множества переплетенных нитей, сукна или их любого сочетания.

Когда множество крахмальных нитей осаждается на нитеприемную сторону формующего элемента, они вследствие своей гибкости и/или в результате приложения перепада давления текучей среды стремятся, по меньшей мере, частично плотно прилегать к трехмерному рельефу формующего элемента, при этом образуются первые области из множества крахмальных нитей, поддерживаемых рифленой основой, и вторые области из множества крахмальных нитей, отклоненных в ее отверстие или отверстия и поддерживаемых усиливающим элементом.

В одном варианте воплощения изобретения формующий элемент содержит подвесные части. Полимерная основа такого формующего элемента содержит множество опор, простирающихся наружу от усиливающего элемента, и множество консольных частей, простирающихся вбок от опор на второй высоте с образованием свободных пространств между консольными частями и усиливающим элементом, при этом множество опор и множество консольных частей в сочетании образуют трехмерную нитеприемную сторону формующего элемента. Такой формующий элемент может быть образован, по меньшей мере, двумя слоями, соединенными вместе при расположении поверхности к поверхности, так что части сетки одного из слоев соответствуют отверстиям в другом слое. Формующий элемент, содержащий подвесные части, может быть образован дифференциальным отверждением фоточувствительного полимерного слоя через маску, имеющую рисунок с участками различной непрозрачности.

Способ изготовления гибкой структуры согласно настоящему изобретению, кроме того, может содержать стадию уплотнения выбранных частей множества крахмальных нитей, например, приложением механического давления к множеству крахмальных нитей.

Кроме того, способ может содержать стадию предварительного сокращения множества крахмальных нитей. Это предварительное сокращение может быть осуществлено посредством крепирования, микросокращения или их сочетания.

Способ электроформования для изготовления крахмальных нитей содержит стадии образования крахмальной композиции, имеющей вязкость при растяжении от около 50 до около 20000 Па•с, и электроформования из крахмальной композиции крахмальных нитей размером от около 0,001 до около 135 дтекс. Стадия электроформования из крахмальной композиции обычно осуществляется электроформованием через фильеру.

Крахмал в крахмальной композиции имеет средневесовую молекулярную массу от около 1000 до около 2000000, и крахмальная композиция имеет капиллярное число, по крайней мере, 0,05 и конкретнее, по меньшей мере, 1,00. В одном варианте воплощения изобретения крахмальная композиция содержит от около 20 до около 90 вес.% амилопектина. Крахмал в крахмальной композиции может иметь средневесовую молекулярную массу от около 1000 до около 2000000. Крахмальная композиция может содержать высокомолекулярный полимер, имеющий средневесовую молекулярную массу, по меньшей мере, 500000.

Крахмальная композиция может содержать от около 10 до около 80 вес.% крахмала и от около 20 до около 90 вес.% добавок. Такая крахмальная композиция может иметь вязкость при растяжении от около 100 до около 15000 Па•с при температуре от около 20 до около 180^o С.

Крахмальная композиция может содержать от около 20 до около 70 вес.% крахмала и от около 30 до около 80 вес.% добавок. Такая крахмальная композиция может иметь вязкость при растяжении от около 200 с до около 10000 Па•с при температуре от около 20 до около 100^oС.

Крахмальная композиция, имеющая вязкость при растяжении от около 200 до около 10000 Па•c, может иметь капиллярное число от около 3 до около 50. Конкретнее крахмальная композиция, имеющая вязкость при растяжении от около 300 до около 5000 Па•с, может иметь капиллярное число от около 5 до около 30.

В одном варианте воплощения изобретения крахмальная композиция содержит от около 0,0005 до около 5 вес.% высокомолекулярного полимера, по существу совместимого с крахмалом и имеющего средневесовую молекулярную массу, по меньшей мере, 500000.

Крахмальная композиция может содержать добавки, выбранные из группы, состоящей из пластификаторов и разбавителей. Такая крахмальная композиция, кроме того, может содержать от около 5 до около 95 вес.% белка, при этом белком может быть белок кукурузы, белок сои, белок пшеницы или их любое сочетание.

Способ изготовления крахмальных нитей, кроме того, может содержать стадию вытягивания крахмальных нитей воздушными струями.

В одном варианте воплощения изобретения способ изготовления гибкой структуры, содержащей крахмальные нити, включает в себя стадии: образуют крахмальную композицию, имеющую вязкость при растяжении от около 100 до около 10000 Па•с; используют формующий элемент, имеющий трехмерную нитеприемную сторону и заднюю сторону, противоположную ей, при этом нитеприемная сторона имеет по существу непрерывный рельеф, прерывистый рельеф или их любое сочетание; электроформуют крахмальную композицию, тем самым изготавливая множество крахмальных нитей; и осаждают множество крахмальных нитей на нитеприемную сторону формующего элемента, при этом крахмальные нити приспосабливаются к трехмерному рельефу нитеприемной стороны.

При промышленном процессе формующий элемент непрерывно перемещается в продольном направлении.

Фиг. 1 представляет схематический вид сверху одного варианта выполнения гибкой структуры согласно настоящему изобретению;
фиг.1А - схематический вид в разрезе по линии 1A-1A на фиг.1;
фиг. 2 - схематический вид сверху другого варианта выполнения гибкой структуры согласно настоящему изобретению;
фиг. 3 - схематический вид в разрезе другого варианта выполнения гибкой структуры согласно настоящему изобретению;
фиг. 4 - схематический вид сверху одного варианта выполнения формующего элемента, который может быть использован для образования гибкой структуры согласно настоящему изобретению;
фиг.4А - схематический вид в разрезе по линии 4А-4А на фиг.4;
фиг. 5 - схематический вид сверху другого варианта выполнения формующего элемента, который может быть использован для образования гибкой структуры согласно настоящему изобретению;
фиг.5А - схематический вид в разрезе по линии 5А-5А на фиг.5;
фиг.6 - схематический вид в разрезе еще одного варианта выполнения формующего элемента, который может быть использован для образования гибкой структуры согласно настоящему изобретению;
фиг. 7 - схематический частичный вид сбоку и в разрезе варианта осуществления способа электроформования и выполнения устройства для изготовления гибкой структуры, содержащей крахмальные нити;
фиг.7А - схематический вид в разрезе по линии 7А-7А на фиг.7;
фиг. 8 - схематический вид сбоку другого варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению;
фиг. 9 - схематический вид сбоку другого варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению;
фиг. 9А - схематический частичный вид сбоку другого варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению;
фиг.10 - схематический вид варианта выполнения отрезка крахмальной нити, имеющей различные площади поперечных сечений, перпендикулярных к главной (продольной) оси нити;
фиг.10А - схематический вид нескольких примерных, неисключительных вариантов форм площади поперечного сечения крахмальной нити;
фиг. 11 - схематический вид отрезка крахмальной нити, имеющей множество надрезов на, по крайней мере, части длины нити.

Нижеприведенные термины имеют следующие значения при их использовании в описании:
"Гибкая структура, содержащая крахмальные нити" или просто "гибкая структура" - это структура, содержащая множество крахмальных нитей, которые механически взаимно переплетены с образованием листообразного материала, имеющего определенные заданные микроскопические геометрические, физические или эстетические свойства.

"Крахмальная нить" - это тонкий и очень гибкий предмет, содержащий крахмал и имеющий главную ось, которая является очень длинной по сравнению с двумя взаимоперпендикулярными осями нити, которые перпендикулярны к главной оси. Отношение длины главной оси к эквивалентному диаметру поперечного сечения нити, перпендикулярного к главной оси, больше чем 100/1, конкретнее больше чем 500/1, более конкретнее больше чем 1000/1, и еще более конкретнее больше чем 5000/1. Крахмальные нити могут содержать другое вещество, как например воду, пластификаторы и другие необязательные добавки.

"Эквивалентный диаметр" используется здесь для определения площади поперечного сечения и площади поверхности элементарной крахмальной нити независимо от формы площади поперечного сечения. Эквивалентный диаметр - это параметр, который удовлетворяет уравнению S=1/4πD², где S - площадь поперечного сечения крахмальной нити (независимо от ее геометрической формы), π= 3,14159 и D - эквивалентный диаметр. Например, поперечное сечение прямоугольной формы, образованной двумя взаимопротивоположными сторонами "А" и двумя взаимопротивоположными сторонами "В", может быть выражено как: S=A•В. В то же самое время эта площадь поперечного сечения может быть выражена как площадь круга, имеющего эквивалентный диаметр D. Далее эквивалентный диаметр D может быть вычислен по формуле: S=1/4πD², где S - известная площадь прямоугольника. (Конечно, эквивалентный диаметр круга является действительным диаметром круга). Эквивалентный радиус равен 1/2 эквивалентного диаметра.

"Псевдотермопластичный" в связи с "материалами" или "композициями", как имеется в виду, обозначает материалы и композиции, которые под действием повышенных температур, растворения в соответствующем растворителе или иным образом могут быть размягчены до такой степени, что они могут быть приведены в текучее состояние, в котором они могут быть формованы так, как желательно, а конкретнее переработаны для формования крахмальных нитей, пригодных для образования гибкой структуры. Псевдотермопластичные материалы могут быть формованы под совместным действием тепла и давления. Псевдотермопластичные материалы отличаются от термопластичных материалов тем, что размягчение или разжижение псевдотермопластиков вызывается присутствующими мягчителями и растворителями, без которых было бы невозможно привести их любой температурой или давлением в мягкое или текучее состояние, необходимое для формования, поскольку псевдотермопластики как таковые не "расплавляются". Влияние влагосодержания на температуру стеклования и температуру плавления крахмала может быть измерено посредством дифференциальной сканирующей калориметрии, описанной Zeleznac и Hoseny в "Cereal Chemistry", Vol.64. No.2, pp.121-124, 1987 г. Псевдотермопластичный расплав - это псевдотермопластичный материал в текучем состоянии.

"Микрогеометрия" и ее изменения относятся к сравнительно небольшим (т.е. "микроскопическим") деталям гибкой структуры, как например, к текстуре поверхности независимо от общей конфигурации структуры в противоположность ее общей (т.е. "макроскопической") геометрии. Термины, содержащие "макроскопический" или "макроскопически", относятся к общей геометрии структуры или ее части при ее рассмотрении в виде двухмерной конфигурации, например в плоскости X-Y. Например, на макроскопическом уровне гибкая структура, когда она расположена на плоской поверхности, представляет собой сравнительно тонкий и плоский лист. Однако на микроскопическом уровне структура может содержать множество первых областей, которые образуют первую плоскость, имеющую первую высоту (вертикальный разрез), и множество выпуклостей или "подушек", рассредоточенных по всей сетчатой области и простирающихся наружу от нее до второй высоты.

"Интенсивные свойства" - это свойства, которые не имеют величины, зависящей от совокупности величин в пределах плоскости гибкой структуры. Общее интенсивное свойство - это интенсивное свойство, которым обладают более чем одна область. В число таких интенсивных свойств гибкой структуры согласно настоящему изобретению входят, но не ограничиваются ими, плотность, основной вес, высота, непрозрачность и частота крепирования (если структура подлежит предварительному сокращению). Например, если плотность является общим интенсивным свойством двух различных областей, то величина плотности в одной области может отличаться от величины плотности в другой области. Области (как например, первая область и вторая область) являются распознаваемыми зонами, отличаемыми одна от другой по индивидуальным интенсивным свойствам.

"Основной вес" - это вес (измеренный в грамм-силе) единицы площади крахмальной гибкой структуры, при этом единица площади измерена в плоскости структуры из крахмальных нитей. Размер и форма единицы площади, по которой измеряют основной вес, зависит от относительных и абсолютных размеров и форм областей, имеющих различные основные веса.

"Плотность" - это отношение основного веса к толщине (измеренной перпендикулярно к плоскости гибкой структуры) области. Кажущаяся плотность - это основной вес образца, деленный на толщину в тысячных долях дюйма с использованием при этом соответствующих коэффициентов перевода из одних единиц в другие. Используемая здесь кажущаяся плотность выражена в единицах грамм/кубический сантиметр (г/см³).

"Толщина в тысячных долях дюйма" - это макроскопическая толщина, измеренная так, как описано ниже. Эту толщину следует отличать от высоты различных областей, которая является микроскопической характеристикой областей.

"Температура стеклования", Тg - это температура, при которой материал изменяется от вязкого или эластичного состояния до твердого или сравнительно хрупкого состояния.

"Продольное направление" (или ПН) - это направление, параллельное технологическое маршруту изготавливаемой гибкой структуры через производственное оборудование. "Поперечное направление" - это направление, перпендикулярное к продольному направлению и параллельное общей плоскости изготавливаемой гибкой структуры.

"X", "Y" и "Z" обозначают обычную систему декартовых координат, в которой взаимоперпендикулярные координаты "X" и "У" определяют плоскость отсчета, a "Z" определяет перпендикуляр к плоскости X-Y. "Z-направление" обозначает любое направление, перпендикулярное к плоскости X-Y. Аналогично этому термин "Z-размер" обозначает размер, расстояние или параметр, измеренный параллельно Z-направлению. Когда элемент, как например формующий элемент, изгибается или иным образом перестает быть плоским, плоскость X-Y следует за конфигурацией элемента.

"По существу непрерывной" областью (участком/сеткой/основой) называется площадь, в пределах которой можно соединить любые две точки непрерывной линией, проходящей полностью в пределах этой площади на всем своем протяжении. А именно по существу непрерывная область имеет существенную "непрерывность" во всех направлениях, параллельных первой плоскости, и оканчивается только на краях этой области. Термин "по существу" в сочетании с термином "непрерывный", как имеется в виду, указывает на то, что хотя и предпочитается абсолютная непрерывность, могут допускаться незначительные отклонения от абсолютной непрерывности, пока эти отклонения не оказывают заметного влияния на намеченные и предлагаемые характеристики гибкой структуры (или формующего элемента).

"По существу полунепрерывной" областью (участком/сеткой/основой) называется площадь, которая имеет "непрерывность" во всех, кроме, по меньшей мере, одного направлениях, параллельных первой плоскости, и в которой невозможно соединить любые две точки непрерывной линией, проходящей полностью в пределах этой площади на всем своем протяжении. Полунепрерывная основа может иметь непрерывность только в одном направлении, параллельном первой плоскости. По аналогии с непрерывной областью, описанной выше, хотя и предпочитается абсолютная непрерывность во всех, кроме, по меньшей мере, одного направления, могут допускаться незначительные отклонения от такой непрерывности, пока эти отклонения не оказывают заметного влияния на характеристики структуры (формующего элемента).

"Прерывистыми" областями называются раздельные или отделенные друг от друга площади, которые являются прерывистыми во всех направлениях, параллельных первой плоскости.

"Абсорбирующая способность" - это способность материала воспринимать жидкости различными средствами, включая капиллярность, осмос, растворитель или химическое действие, и удерживать такие жидкости. Абсорбирующая способность может быть измерена в соответствии с нижеописанным испытанием.

"Гибкость" - это способность материала или структуры без разрушения деформироваться под данной нагрузкой независимо от способности или неспособности материала или структуры возвращаться к своей форме до деформации.

"Формующий элемент" - это конструктивный элемент, который может быть использован в качестве опоры для крахмальных нитей, которые могут осаждаться на него во время процесса изготовления гибкой структуры согласно настоящему изобретению, и в качестве формующего устройства для образования (или "формования") желаемой микроскопической геометрии гибкой структуры согласно настоящему изобретению. Формующим элементом может быть любой элемент, который имеет способность придавать трехмерный рельеф структуре, изготавливаемой на нем, и выполнен в виде (но не ограничиваясь ими) пластины, ленты, тканой ткани и полосы.

"Усиливающий элемент" - желательный, но необязательный элемент в некоторых вариантах выполнения формующего элемента, служащий, главным образом, для обеспечения или способствования целостности, стабильности и долговечности формующего элемента, содержащего, например, полимерный материал. Усиливающий элемент может быть проницаемым, непроницаемым или частично проницаемым для текучей среды и может состоять из переплетенных нитей, сукна, пластмассы, другого подходящего синтетического материала или из их любого сочетания.

"Нажимная поверхность" - это поверхность, которая может быть прижата к нитеприемной стороне формующего элемента, имеющего на себе множество крахмальных нитей для прогиба, по меньшей мере, частично крахмальных нитей в формующий элемент, имеющий на себе трехмерный рельеф со впадинами и выступами.

"Децитекс" или "дтекс" - единица измерения крахмальной нити, выраженная в граммах на 10000 метров, г/10000 м
"Формование из расплава" - это способ, при котором термопластичный или псевдопластичный материал превращают в волокнистый материал посредством силы вытягивания. Формование из расплава может включать в себя механическое вытягивание, формование из расплава с вытягиванием потоком газа, связывание прядением (спрядение) и электроформование.

"Механическое вытягивание" - это способ приложения силы к элементарной нити посредством приведения ее в соприкосновение с движущейся поверхностью, например, ролика для приложения силы к расплаву, и тем самым изготовления элементарных нитей.

"Формование из расплава с вытягиванием потоком газа" - это способ изготовления волокнистых нетканых материалов или изделий непосредственно из полимеров или смол с использованием высокоскоростного воздушного потока или другой подходящей силы для вытягиванием нитей. При этом способе сила вытягивания прилагается в виде высокоскоростного воздушного потока при выходе материала из фильеры.

"Спрядение" представляет собой способ, при котором элементарному волокну дают возможность падать на заданное расстояние под действием сил потока и тяжести и затем подвергают его действию силы, прилагаемой высокоскоростным воздушным потоком или другим соответствующим источником.

"Электроформование" - это способ, при котором используют электрический потенциал в качестве силы для вытягивания волокон.

"Сухое формование", также общеизвестное как "формование из раствора", включает в себя сушку от растворителя для стабилизации формования волокна. Материал растворяют в соответствующем растворителе и вытягивают посредством механического вытягивания, вытягивания высокоскоростным потоком газа, спрядения и/или электроформования. По мере того, как происходит испарение растворителя, волокно становится стабильным.

"Мокрое формование" включает в себя растворение материала в соответствующем растворителе и формование небольших волокон посредством механического вытягивания, вытягивания высокоскоростным потоком газа, спрядения и/или электроформования. После формования волокна его вводят в коагуляционное устройство, обычно представляющее собой ванну, наполненную соответствующим раствором, который отверждает желаемый материал, посредством чего производят стабильные волокна.

Высокомолекулярный полимер, "по существу совместимый с крахмалом", означает, что высокомолекулярный полимер способен образовывать по существу однородную композицию с крахмалом (т.е. композицию, которая для невооруженного глаза выглядит прозрачной или полупрозрачной), когда композицию нагревают до температуры выше ее температуры размягчения и/или плавления.

"Температура плавления" означает температуру или интервал температур, при которых или выше которых крахмальная композиция расплавляется или размягчается в достаточной степени, чтобы быть способной к переработке в крахмальные нити согласно настоящему изобретению. Следует учесть, что некоторые крахмальные композиции являются псевдотермопластичными композициями и как таковые могут не проявлять себя как истинно "расплавляющиеся" композиции.

"Температура переработки" означает температуру крахмальной композиции, при которой могут быть формованы крахмальные нити согласно настоящему изобретению, например, вытягиванием.

Гибкие структуры
Отсылаем к фиг. 1-3, на которых гибкая структура 100, содержащая псевдотермопластичные крахмальные нити, имеет, по меньшей мере, первую область 110 и вторую область 120. Каждая из первой и второй областей имеет, по меньшей мере, одно общее интенсивное свойство, как например основной вес или плотность. Общее интенсивное свойство первой области 110 по величине отличается от общего интенсивного свойства второй области 120. Например, плотность первой области 110 может быть больше, чем плотность второй области 120.

Первая и вторая области 110 и 120 гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению могут также отличаться по их соответствующей микрогеометрии. Например, на фиг.1 первая область 110 представляет собой по существу непрерывную сетку, образующую первую плоскость на первой высоте, когда структура 100 расположена на плоской поверхности, а вторая область 120 может представлять собой множество отдельных участков, рассредоточенных по всей по существу непрерывной сетке. В некоторых вариантах воплощения изобретения эти отдельные участки могут представлять собой отдельные выступы или "подушки", простирающиеся наружу от сетчатой области до второй высоты, которая относительно первой плоскости больше, чем первая высота. Следует учесть, что подушки также могут образовывать по существу непрерывный рельеф и по существу полунепрерывный рельеф.

В одном варианте воплощения изобретения по существу непрерывная сетчатая область может иметь сравнительно высокую плотность, а подушки - сравнительно низкую плотность. В другом варианте воплощения изобретения по существу непрерывная сетчатая область может иметь сравнительно небольшой основной вес, а подушки - сравнительно большой основной вес. В еще одном варианте воплощения изобретения по существу непрерывная сетчатая область может иметь сравнительно низкую плотность, а подушки - сравнительно высокую плотность. Возможен вариант воплощения изобретения, в котором по существу непрерывная сетчатая область может иметь сравнительно большой основной вес, а подушки - сравнительно небольшой основной вес.

В других вариантах воплощения изобретения вторая область 120 может представлять собой полунепрерывную сетку. На фиг.2 вторая область 120 содержит отдельные участки 122, похожие на те, которые показаны на фиг.1, и полунепрерывные участки 121, как видно, простирающиеся в, по меньшей мере, одном направлении в плоскости X-Y (т.е. в плоскости, образованной первой областью 110 структуры 100, расположенной на плоской поверхности).

В варианте воплощения изобретения, показанном на фиг.2, гибкая структура 100 содержит третью область 130, имеющую, по меньшей мере, одно интенсивное свойство, которое является общим с интенсивным свойством первой области 110 и интенсивным свойством второй области 120, но отличается от них по величине. Например, первая область 110 может иметь общее интенсивное свойство, имеющее первую величину, вторая область 120 - общее интенсивное свойство, имеющее вторую величину, и третья область 130 - общее интенсивное свойство, имеющее третью величину, при этом первая величина может отличаться от второй величины, а третья величина может отличаться от второй величины и первой величины.

Когда структура 100, содержащая, по меньшей мере, три отличающиеся вышеописанные области 110, 120, 130, расположена на горизонтальной плоскости отсчета (например, плоскости X-Y), первая область 110 определяет плоскость, имеющую первую высоту, а вторая область 120 простирается от нее, определяя вторую высоту. Возможен вариант воплощения изобретения, в котором третья область 130 определяет третью высоту, при этом, по меньшей мере, одна из первой, второй и третьей высот отличается от, по меньшей мере, одной из других высот. Например, третья высота может быть промежуточной между первой и второй высотами.

В таблице (см. в конце описания) без ограничения показаны некоторые возможные варианты выполнения структуры 100, содержащей, по меньшей мере, три области, имеющей отличающиеся (т.е. высокие, средние или отличительные) интенсивные свойства. Все эти варианты входят в пределы настоящего изобретения.

На фиг. 3 показан еще один вариант выполнения гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению, в которой вторая область 120 содержит множество крахмальных подушек, при этом, по меньшей мере, некоторые из подушек содержат крахмальную выпуклую часть 128 и крахмальную консольную часть 129, простирающуюся от крахмальной выпуклой части 128. Крахмальная консольная часть 129 приподнята над плоскостью X-Y и под углом простирается от выпуклой части 128, образуя по существу свободные пространства или "карманы" 115 между первой областью 110, крахмальными выпуклыми частями 128, простирающими от нее, и крахмальными консольными частями 129.

В значительной мере благодаря существованию этих по существу свободных карманов 115, способных воспринимать и удерживать значительное количество жидкости, гибкая структура 100, схематически показанная на фиг.3, как полагают, проявляет очень высокую абсорбирующую способность в расчете на данный основной вес. Карманы 115 отличаются тем, что в них не имеется никаких крахмальных нитей или они имеются в очень небольшом количестве.

Специалисту в данной области понятно, что из-за процесса изготовления гибкой структуры 100, описанного ниже, и ввиду очень гибкого характера крахмальных нитей и гибкой структуры 100 в целом может допускаться присутствие в карманах 115 некоторого количества элементарных крахмальных нитей, пока эти крахмальные нити не оказывают влияние на намеченный рельеф структуры 100 и ее предполагаемые свойства. В связи с этим термин "по существу" свободные карманы 115, как считают, выражает то, что из-за очень гибкого характера структуры 100 и элементарных крахмальных нитей, составляющих структуру 100, некоторое незначительное количество крахмальных нитей или их частей может оказаться в карманах 115. Плотность карманов 115 составляет не больше чем 0,005 г/см³, конкретнее не больше чем 0,004 г/см³, и еще более конкретнее не больше чем 0,003 г/см³.

Согласно другому аспекту гибкая структура 100, содержащая консольные части 129, отличается увеличенной общей площадью поверхности по сравнению с общей площадью поверхности сравнимой структуры, не имеющей консольных частей 129. Как понятно специалисту в данной области, чем больше количество отдельных консольных частей 129 и их соответствующих микроскопических участков поверхности, тем больше суммарная микроскопическая удельная площадь поверхности (т. е. суммарная микроскопическая площадь поверхности на единицу общей макроскопической площади структуры, расположенной на плоской поверхности). Как также понятно специалисту в данной области, чем больше площадь абсорбирующей поверхности структуры, тем больше ее абсорбирующая способность при всех прочих равных параметрах.

В вариантах выполнения структуры 100, содержащей консольные части 129, консольные части 129 могут представлять собой третьи области структуры 100. Например, возможен вариант, при котором плотность крахмальных консольных частей 129 является промежуточной между плотностью первой области 110 и плотностью второй области 120, содержащей выступающую часть (части). В другом варианте выполнения структуры плотность выступающей части 128 может быть промежуточной между сравнительно высокой плотностью первой области 110 и сравнительно низкой плотностью консольной части 129. По аналогии с этим основной вес консольной части 129 может быть равен или больше основного веса одной из первой области 110 и выступающей части 128 или их обеих либо быть промежуточным между их основными весами.

Способ изготовления гибкой структуры
На фиг. 8 и 9 схематически показаны два варианта осуществления способа изготовления гибкой структуры 100, содержащей крахмальные нити.

Во-первых, образуют множество крахмальных нитей. Производство крахмальных нитей для гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению может быть осуществлено различными способами, известными из уровня техники. Например, крахмальные нити можно производить из псевдотермопластичных расплавленных крахмальных композиций с помощью различных способов формования из расплава. Размеры крахмальных нитей могут варьироваться от около 0,001 до около 135 дтекс, конкретнее от около 0,005 до около 50 дтекс и еще конкретнее от около 0,01 до около 5,0 дтекс.

Некоторые источники, включая патент США 4139699, выданный Германдезу и др. 13 февраля 1979 г.; патент США 4853168, выданный Эдену и др. 1 августа 1989 г. ; патент США 4234480, выданный Германдезу и др. 6 января 1981 г.; патенты США 5516815 и 5316578, выданные Бьюлеру и др., касаются крахмальных композиций для изготовления крахмальных нитей с использованием способа формования из расплава. Расплавленную крахмальную композицию можно выдавливать через фильеру для изготовления нитей, имеющих диаметры, несколько увеличенные по сравнению с диаметром отверстий фильеры (т.е. вследствие набухания выдавливаемого потока). Затем нити механически или термомеханически вытягивают вытяжным устройством для уменьшения их диаметра.

Из уровня техники известно несколько устройств для изготовления нетканых термопластичных тканевых структур из выдавливаемых полимеров, которые могут быть пригодны для изготовления длинных крахмальных нитей. Например, выдавливаемую крахмальную композицию можно продавливать через фильеру (не показана), формующую вертикально ориентированную завесу из движущихся вниз крахмальных нитей. Крахмальные нити можно охлаждать воздухом с использованием всасывающего воздушного канала для вытягивания или утончения. В патенте США 5292239, выданном 8 марта 1994 г. на имя Зельдина и др., описывается устройство, которое уменьшает значительную турбуленцию в воздушном потоке, обеспечивая равномерное и постоянное приложение вытягивающей силы к крахмальным нитям. Описание этого патента инкорпорировано здесь путем отсылки с ограниченной целью ознакомления со способами и оборудованием для уменьшения турбулентности в воздушном потоке при формовании крахмальных нитей.

Для осуществления настоящего изобретения крахмальные нити могут быть изготовлены из смеси, содержащей крахмал, воду, пластификаторы и другие факультативные добавки. Например, подходящая крахмальная смесь может быть превращена в экструдере в псевдотермопластичный расплав и пропущена через фильеру к вытягивающему устройству, формующему вертикально ориентированную завесу из движущихся вниз крахмальных нитей. Фильера может представлять собой устройство, которое известно из уровня техники. Фильера может содержать множество каналов с отверстиями, имеющими площади поперечных сечений, подходящие для производства крахмальных нитей. Фильера может быть выполнена с учетом текучести крахмальной
композиции так, чтобы при желании в каналах обеспечивалась одинаковая скорость потока. С другой стороны, могут быть различные скорости потока в разных каналах.

Вытягивающее устройство (не показано) может быть расположено после экструдера по направлению технологического потока и может содержать открытый верхний конец, противоположный ему открытый нижний конец и распределительный трубопровод для подачи сжатого воздуха во внутренние сопла, расположенные по направлению вниз. Когда сжатый воздух течет через внутренние сопла, воздух втягивается в открытый верхний конец вытягивающего устройства, образуя быстродвижущийся поток воздуха, протекающий по направлению вниз. Поток воздуха создает вытягивающую силу, действующую на крахмальные нити и вызывающую их утончение или вытягивание перед выходом из открытого нижнего конца вытягивающего устройства.

Как теперь обнаружено, крахмальные нити, подходящие для гибкой структуры 100, могут быть изготовлены способом электроформования, при котором к раствору крахмала прилагается электрическое поле для образования заряженной струи крахмала. Способ электроформования известен из уровня техники. В диссертации Doshi, Jayesh, Natwari. al, Ph.D., озаглавленной "The Electro-Spinning Process and Applications of Electro-Spun Fibers", 1994 г., описывается процесс электроформования и исследуются силы, участвующие при этом процессе. В этой диссертации исследуются также некоторые области промышленного применения нитей, изготовленных электроформованием. Эта диссертация инкорпорирована здесь путем отсылки с целью описания основных особенностей способов электроформования.

Способ электроформования и применяемое для них оборудование описаны в патентах США 1975504 (2 октября 1934 г.), 2123992 (19 июля 1938 г.), 2116942 (10 мая 1938 г.), 2109333 (22 февраля 1938 г.), 2160962 (6 июня 1939 г.), 2187306 (16 января 1940 г.) и 2158416 (16 мая 1939 г.), которые все выданы на имя Формхалса. В число других источников, описывающих способы электроформования, входят: патенты США 3280229 (18 октября 1966 г.), выданный на имя Симонса; 4044404 (30 августа 1977 г. ), выданный на имя Мартина и др.; 4069026 (17 января 1978 г.), выданный на имя Симма и др.; 4143196 (6 марта 1979 г. ), выданный на имя Симма; и 4223101 (16 сентября 1980 г.), выданный на имя Файна и др.; 4230650 (28 октября 1980 г.), выданный на имя Гуйнарда; 4232525 (11 ноября 1980 г.), выданный на Энджо и др.; 4287139 (1 сентября 1981 г.), выданный на имя Гуйнарда; 4323525 (6 апреля 1982 г.), выданный на имя Борната; 4552707 (12 ноября 1985 г.), выданный на имя Хау; 4689186 (25 августа 1987 г. ), выданный на имя Борната; 4798607 (17 января 1989 г.), выданный на имя Мидлтона и др.; 4904272 (27 феврая 1990 г.), выданный на имя Мидлтона и др.; 4968238 (6 ноября 1990 г.), выданный на имя Саттерфильда и др.; 5024789 (18 января 1991 г.), выданный на имя Барри; 6106913 (22 августа 2000 г. ), выданный на имя Скардино и др., и 6110590 (29 августа 2000 г.), выданный на имя Заркоба и др. Содержание вышеперечисленных патентов инкорпорировано здесь путем отсылки с ограниченной целью описания основных особенностей способов электроформования и оборудования для их осуществления.

Хотя в вышеперечисленных источниках предлагаются разнообразные способы электроформования и оборудования для их осуществления, в них не содержится предложений о том, что крахмальная композиция может быть успешно переработана и выдавлена в тонкие, по существу непрерывные крахмальные нити, пригодные для образования гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению. Встречающийся в природе крахмал не может быть переработан способом электроформования, так как природный крахмал обычно имеет зернистую структуру. Как теперь обнаружено, модифицированная, "деструктурированная" крахмальная композиция может быть успешно переработана при использовании способа электроформования.

В патентной заявке заявителя, озаглавленной "Перерабатываемая в расплаве крахмальная композиция" (Ларри Нейл Макки и др., досье поверенного 7967R) и поданной на дату подачи данной заявки, описывается крахмальная композиция, которая пригодна для производства крахмальных нитей, используемых в гибкой структуре 100 согласно настоящему изобретению. Эта крахмальная композиция содержит крахмал, имеющий средневесовую молекулярную массу в пределах от 1000 до около 2000000, и может содержать высокомолекулярный полимер, который по существу совместим с крахмалом и имеет средневесовую молекулярную массу, по меньшей мере, 500000. В одном варианте воплощения изобретения эта крахмальная композиция может иметь от около 20 до около 99 вес.% амилопектина. Описание этой обычно переуступленной заявки инкорпорировано здесь путем отсылки.

Согласно настоящему изобретению крахмальный полимер может быть смешан с водой, пластификаторами и другими добавками, а получающийся расплав может быть переработан (например, экструдирован) и формован для производства крахмальных нитей, подходящих для гибкой структуры согласно настоящему изобретению. Крахмальные нити могут содержать крахмал от следовых количеств до 100 % или представлять собой смесь крахмала и других подходящих веществ, как например, целлюлозы, синтетических веществ, белков и их любых сочетаний.

В числе крахмальных полимеров может быть любой встречающийся в природе крахмал, физически модифицированный крахмал или химически модифицированный крахмал. В число подходящих, встречающихся в природе крахмалов входят, но не ограничиваются ими, кукурузный крахмал, картофельный крахмал, крахмал батата, пшеничный крахмал, крахмал саговой пальмы, маниоковый крахмал, рисовый крахмал, соевый крахмал, крахмал из корней маранта, крахмал орляка обыкновенного, крахмал лотоса, восковидный кукурузный крахмал, высокоамилозный кукурузный крахмал и имеющийся в продаже амилозный порошок. Встречающиеся в природе крахмалы, особенно кукурузный крахмал, картофельный крахмал и пшеничный крахмал, являются предпочтительными крахмальными полимерами из-за их доступности.

Физически модифицированный крахмал получают посредством изменения его размерной структуры. Физически модифицированный крахмал может содержать α -крахмал, фракционированный крахмал, влагу, термообработанный крахмал и механически обработанный крахмал.

Химически модифицированный крахмал может быть образован при реакции его ОН-групп с алкиленоксидами и другими веществами, образующими простой эфир, сложный эфир, уретан, карбамат или изоцианат. Среди разновидностей химически модифицированных крахмалов находятся гидроксиалкиловый, ацетиловый и карбаматный крахмалы или их смеси. Степень замещения химически модифицированного крахмала составляет от 0,05 до 3,0 и конкретнее от 0,05 до 0,2.

Содержание природной воды может составлять от около 5 до около 16 вес.% и конкретнее от около 8 до около 12 вес.%. Содержание амилозы в крахмале составляет от 0 до около 70 вес.% и конкретнее от около 20 до около 30 вес. %.

К крахмальному полимеру может быть добавлен пластификатор для понижения температуры стеклования изготавливаемых крахмальных нитей и тем самым увеличения их гибкости. Кроме того, наличие пластификатора может уменьшить вязкость расплава, что, в свою очередь, способствует процессу экструзии расплава. Пластификатором является органическое соединение, имеющее, по меньшей мере, одну гидроксильную группу, как например, полиол. Оказались пригодными сорбитол, маннитол, D-глюкоза, поливиниловый спирт, этиленгликоль, полиэтиленгликоль, пропиленгликоль, полипропиленгликоль, сахароза, фруктоза, глицерин и их смеси. Примерами пластификаторов являются сорбитол, сахароза и фруктоза в количествах от около 0,1 до около 70 вес.%, конкретнее от около 0,2 до около 30 вес.% и еще конкретнее от около 0,5 до около 10 вес.%.

В крахмальный полимер обычно могут быть введены другие добавки, как например, вещество для улучшения технологических свойств и добавки для модифицирования физических свойств выдавленных крахмальных нитей, например упругости, прочности при растяжении в сухом состоянии и прочности в мокром состоянии. Добавки обычно присутствуют в количествах от 0,1 до 70 вес.% в расчете на содержание нелетучего вещества (означающее, что это количество рассчитано за вычетом летучих веществ, например воды). Примерами добавок являются, но не ограничиваются ими, мочевина, производные мочевины, вещества, вызывающие образование межмолекулярных связей, эмульгаторы, поверхностно-активные вещества, замасливатели, белки и их соли щелочных металлов, биологически разлагаемые синтетические полимеры, воска, синтетические термопластичные полимеры с низкой температурой плавления, смолы, повышающие клейкость, наполнители и их смеси. Примерами биологически разлагаемых синтетических полимеров являются, но не ограничиваются ими, поликапролактон, полиоксибутираты, полиоксивалераты, полилактиды и их смеси. В число других добавок входят оптические осветлители, антиоксиданты, антипирены, красители, пигменты и наполнители. Для настоящего изобретения может оказаться полезным введение в крахмальную композицию добавки, содержащей мочевину в количествах от 0,5 до 60 вес.%.

В число подходящих наполнителей для использования в данном случае входят желатин, растительные белки, как например кукурузный белок, белок подсолнечника, соевые белки, белки хлопковых семян; водорастворимые полисахариды, как например, альгинаты, каррагенаны, гуаровая камедь, агар, гуммиарабик и соответствующие смолы, и пектин; и водорастворимые производные целлюлозы, как например алкилцеллюлозы, гидроксиалкилцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлоза и др. Кроме того, можно использовать водорастворимые синтетические полимеры, как например, полиакриловые смолы, сложные эфиры полиакриловой кислоты, поливинилацетаты, поливиниловые спирты, поливинилпирролидон и т.д.

Кроме того, для улучшения реологических свойств крахмального материала во время переработки способом согласно настоящему изобретению могут быть добавлены замасливатели. Замасливателями могут быть животные или растительные жиры,предпочтительно в их гидрогенированной форме, особенно те, которые являются твердыми при комнатной температуре. К числу дополнительных замасливателей относятся моноглицериды и диглицериды, а также фосфатиды, особенно лецитин. Для настоящего изобретения полезным считается замасливатель, который содержит моноглицерид, глицеролмоностеарат.

В качестве недорогих наполнителей или веществ для улучшения технологических свойств могут быть введены другие добавки, в том числе неорганические наполнители, как например окиси магния, алюминия, кремния и титана. Кроме того, в качестве веществ для улучшения технологических свойств могут быть использованы неорганические соли, включая соли щелочных металлов, соли щелочноземельных металлов, фосфаты и т.д.

В зависимости от предполагаемого конкретного конечного использования изделия могут оказаться желательными и другие добавки. Например, у таких изделий, как у туалетной бумаги, салфеток одноразового использования, тонкой мягкой бумаги для носовых платков и у других подобных изделий желательным свойством является прочность в мокром состоянии. Таким образом, часто желательно добавлять к крахмальному полимеру вещества, вызывающие образование поперечных связей и известные из уровня техники как смолы для придания "влагопрочности".

Общее описание видов смол для придания влагопрочности, используемых в бумажном производстве, можно найти в монографии TAPPI, порядковый 29, Wet Strength in Paper and Paperboard, Technical Association of Pulp and Paper Industry (New York, 1965 г.), которая инкорпорирована здесь путем отсылки. Самые полезные смолы для придания влагопрочности по своей природе в общем являются катионными. Из полиамидэпихлоргидринных смол наиболее полезными для придания влагопрочности оказались катионные полиамидаминэпихлоргидринные смолы. Подходящие виды таких смол описаны в патентах США 3700623, выданном 24 октября 1972 г., и 3772076, выданном 13 ноября 1973 г., которые оба выданы на имя Кейма и содержание которых инкорпорировано здесь путем отсылки. Одним источником продажи полезной полиамидэпихлоргидринной смолы является компания "Геркулес, инк. ", Уилмингтон, шт. Делавер, США, которая продает такие смолы под товарным знаком "Кимене".

В качестве смол для придания влагопрочности полезными оказались также глиоксилатные полиакриламидные смолы. Эти смолы описаны в патентах США 3556932, выданном 19 января 1971 г. на имя Коша и др., и 3556933, выданном 19 января 1971 г. на имя Уильямов и др., содержание которых инкорпорировано здесь путем отсылки. Одним источником продажи глиоксилатных полиакриламидных смол является компания "Сайтек компани", Стэнфорд, шт. Коннектикут, США, которая продает одну такую смолу под товарным знаком "Парез 631 НС".

Еще одними водорастворимыми катионными смолами, которые могут быть использованы при этом изобретении, являются мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные смолы. Более обычными функциональными группами этих многофункциональных смол являются азотсодержащие группы, как например аминогруппы и метилолгруппы, присоединенные к азоту. Смолы полиэтилениминного типа также могут оказаться полезными при настоящем изобретении. Кроме того, при настоящем изобретении можно использовать другие смолы для придания влагопрочности, как например "Калдас" (производятся компанией "Джэпэн карлит") и "Кобонд 1000" (производятся компанией "Нэшнл стач энд кэмикл компани").

Для настоящего изобретения одним веществом, вызывающим образование межмолекулярных связей, является придающая влагопрочность смола "Кимене", используемая в количествах от около 0,1 до около 10 вес.% и конкретнее от около 0,1 до около 3 вес.%.

Для изготовления крахмальных нитей, подходящих для гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению, крахмальная композиция должна во время переработки показывать определенное реологическое поведение, например иметь определенную вязкость при растяжении и определенное капиллярное число. Конечно, вид обработки (например, формование из расплава с вытягиванием высокоскоростным потоком газа, электроформования и т.д.) может диктовать необходимые реологические свойства крахмальной композиции.

Вязкость при растяжении или вытягивании (η_e) связана с растяжимостью расплава крахмальной композиции и имеет особенно важное значение при процессах растяжения, например при изготовлении крахмальной нити. В зависимости от типа деформации композиции вязкость при растяжении может быть трех типов: вязкость при одноосном или простом растяжении, вязкость при двухосном растяжении и вязкость при растяжении с чистым сдвигом. Вязкость при одноосном растяжении имеет особенно важное значение при процессах одноосного растяжения, как, например при механическом вытягивании, формовании из расплава с вытягиванием потоком газа, спрядении и электроформовании. Другие два вида вязкости при растяжении имеют важное значение для процессов двухосного растяжения или формования при изготовлении пленок, вспененных материалов, листов или частей.

Для обычных термопластов, используемых для формования волокон, например полиолефинов, полиамидов и сложных полиэфиров, существует строгая корреляция между вязкостью при растяжении и вязкостью при сдвиге этих обычных термопластичных материалов и их смесей. Таким образом, формуемость материала может быть просто определена по вязкости расплава при сдвиге, даже если формуемость является свойством, контролируемым, главным образом, вязкостью расплава при растяжении. Эта корреляция является вполне надежной, так что в промышленности по производству волокон при выборе и составлении рецептуры материалов, формуемых из расплава, полагаются на вязкость расплава при сдвиге. Вязкость расплава при растяжении редко используют в качестве средства отбора в промышленности.

Следовательно, как неожиданно обнаружено, крахмальные композиции согласно настоящему изобретению необязательно показывают такую корреляцию между вязкостями при сдвиге и растяжении. В данном случае крахмальные композиции показывают режим потока расплава, типичный для неньютоновской текучей среды, и как таковые проявляют деформационное отверждение, т.е. вязкость при растяжении увеличивается с увеличением растяжения или деформации.

Например, когда к крахмальной композиции добавлен высокомолекулярный полимер, выбранный согласно настоящему изобретению, вязкость композиции при сдвиге остается сравнительно неизменившейся или даже немного уменьшается. Исходя из обычного здравого смысла, следовало бы предполагать пониженную способность крахмальной композиции к переработке в расплаве и не предполагать ее пригодность для процессов с растяжением расплава. Однако, как неожиданно оказалось, крахмальная композиция в данном случае показывает значительное увеличение вязкости при растяжении, когда добавлено даже небольшое количество высокомолекулярного полимера. Следовательно, крахмальная композиция в данном случае, как оказалось, имеет увеличенную вязкость при растяжении и пригодна для процессов с растяжением расплава, особенно для процессов формования с вытягиванием потоком газа, спрядения и электроформования.

Крахмальная композиция, которая имеет вязкость при сдвиге, измеренную по нижеописанному методу испытания, меньше, чем около 30 Па•с, конкретнее от около 0,1 до около 10 Па•с, подходит для описанных здесь процессов вытягивания из расплава. В данном случае некоторые крахмальные композиции могут иметь низкую вязкость расплава, так что их можно перемешивать, транспортировать или иначе обрабатывать в традиционном оборудовании для переработки полимеров, обычно используемом для вязких текучих сред, как, например, в стационарной мешалке, оснащенной дозирующим насосом и фильерой. Вязкость крахмальной композиции при сдвиге может быть эффективно изменена посредством молекулярной массы и молекулярно-массового распределения крахмала, молекулярной массы высокомолекулярного полимера и количества используемых пластификаторов и/или растворителей. Считается, что уменьшение средней молекулярной массы крахмала является эффективным способом понижения вязкости композиции при сдвиге.

В одном варианте воплощения настоящего изобретения крахмальные композиции, способные перерабатываться в расплаве, имеют вязкость при растяжении в пределах от около 50 до около 20000 Па•с, конкретнее от около 100 до около 15000 Па•с, более конкретнее от около 200 до около 10000 Па•с, еще более конкретнее от около 300 до около 5000 Па•с и даже еще более конкретнее от около 500 до около 3500 Па•с при определенной температуре. Вязкость при растяжении вычисляется по методу, изложенному ниже в разделе "Методы испытания".

На реологические свойства крахмальной композиции (включая и вязкость при растяжении) могут влиять многие факторы. В число таких факторов входят, но не ограничиваются ими: количество и тип используемых полимерных компонентов, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение компонентов, включая крахмал и высокомолекулярные полимеры, содержание амилозы в крахмале, количество и тип добавок (например, пластификаторов, разбавителей, веществ для улучшения технологических свойств), вид переработки (например, формование с вытягиванием потоком газа или электроформование) и условия переработки, как например температура, давление, скорость деформации и относительная влажность, а в случае неньютоновских веществ и деформационная предыстория (т.е. изменение деформации во времени). Некоторые материалы могут быть деформационно-отверждающимися, т.е. их вязкость при растяжении увеличивается с увеличением деформации. Это, по-видимому, вызвано растяжением переплетенной полимерной сетки. Если снять напряжение с материала, то растянутая переплетенная полимерная сетка расслабляется до более низкого уровня деформации в зависимости от константы времени релаксации, которая является функцией температуры, молекулярной массы полимера, концентрации растворителя или пластификатора и других факторов.

Присутствие и свойства высокомолекулярных полимеров могут иметь значительное влияние на вязкость крахмальной композиции при растяжении. Высокомолекулярными полимерами, применимыми для увеличения растяжимости расплава крахмальной композиции, используемой при настоящем изобретении, обычно являются по существу линейные полимеры с высокой молекулярной массой. Кроме того, высокомолекулярные полимеры, которые по существу совместимы с крахмалом, являются наиболее эффективными полимерами для увеличения растяжимости расплава крахмальной композиции.

Как оказалось, крахмальные композиции, применимые для процессов с растяжением расплава, обычно увеличивают свою вязкость при растяжении, по меньшей мере, в 10 раз при добавлении в композицию выбранного высокомолекулярного полимера. Обычно крахмальные композиции при добавлении в них выбранного высокомолекулярного полимера увеличивают свою вязкость при растяжении в около 10 - около 500 раз, конкретнее в около 20 - около 300 раз и еще конкретнее в около 30 - около 100 раз. Чем больше количество высокомолекулярного полимера, тем больше увеличивается вязкость при растяжении. Высокомолекулярный полимер можно добавлять для регулирования вязкости при растяжении до величины 200-2000 Па•с при деформации по Хенки, равной 6. Например, в крахмальную композицию может быть в количестве 0,001-0,1% добавлен полиакриламид, имеющий молекулярную массу (ММ) от 1 до 15 млн.

На вязкость крахмальной композиции при растяжении могут также влиять вид и количество применяемого крахмала. В общем с уменьшением содержания амилозы в крахмале увеличивается вязкость при растяжении. Кроме того, с увеличением молекулярной массы крахмала в вышеописанных пределах в общем увеличивается и вязкость при растяжении. Наконец, с увеличением количества крахмала в композициях в общем увеличивается вязкость при растяжении. (Наоборот, с увеличением количества добавки в композициях в общем уменьшается вязкость при растяжении).

Температура крахмальной композиции может значительно влиять на вязкость крахмальной композиции при растяжении. Для целей настоящего изобретения могут быть использованы все обычные средства регулирования температуры крахмальной композиции, если они подходят для применения с данным процессом. Например, при вариантах воплощения изобретения, при которых крахмальные волокна изготавливают продавливанием через фильеру, температура фильеры может иметь значительное влияние на вязкость при растяжении у крахмальных композиций, продавливаемых через нее. Температура крахмальной композиции может составлять от около 20 до около 180^oС, конкретнее от около 20 до около 90^oС и более конкретнее от около 50 до около 80^oС. Следует учесть, что присутствие или отсутствие твердых частиц в крахмальной композиции может влиять на ее необходимую температуру.

Для характеристики режима потока при растяжении можно использовать отношение Траутона. Отношение Траутона определяется как отношение между вязкостью при растяжении (η_e) и вязкостью при сдвиге (η_s).
Tr = η_e (ε^•,t)/η_s,
где вязкость при растяжении η_e зависит от скорости деформации (ε^•) и времени (t). Для ньютоновской текучей среды отношение Траутона при одноосном растяжении имеет постоянную величину, равную 3. Для неньютоновской текучей среды, как, например, в данном случае крахмальных композиций, вязкость при растяжении зависит от скорости деформации (ε^•) и времени (t). Как было также установлено, композиции согласно настоящему изобретению, способные к переработке в расплаве, обычно имеют отношение Траутона, равное, по меньшей мере, 3. При измерении при температуре переработке и скорости растяжения 700 с^-1 отношение Траутона при деформации по Хенки, равной 6, обычно составляет от около 10 до около 5000, конкретнее от около 20 до около 1000 и более конкретнее - от около 30 до около 500.

Кроме того, как установлено заявителями, в вариантах воплощения изобретения, в которых крахмальные нити изготавливают продавливанием через фильеру, капиллярное число (Са) крахмальной композиции, когда она проходит через фильеру, имеет важное значение для способности расплава к переработке. Капиллярное число - это число, выражающее собой отношение сил внутреннего трения в текучей среде к силам поверхностного натяжения. Если силы внутреннего трения не намного больше, чем силы поверхностного натяжения, то вблизи выхода фильеры струйка жидкости будет разбиваться на капли, что обычно называют "распылением". Капиллярное число вычисляют по следующему уравнению:
Ca = (η_s•Q)/(π•r²•σ),
где η_s - вязкость при сдвиге, Па•с, измеренная при скорости сдвига 3000 с^-1;
Q - объемный расход жидкости через капиллярную фильеру,в м³/с;
r - радиус капиллярной фильеры, м (для некруглых отверстий может быть использован эквивалентный диаметр/ радиус);
σ - поверхностное натяжение жидкости, Н/м.

Поскольку, как описывалось выше, капиллярное число связано с вязкостью при сдвиге, то на него подобным же образом влияют те же самые факторы, которые влияют на вязкость при сдвиге. Используемый здесь термин "характеристическое" в связи с капиллярным числом указывает на то, что на свойства крахмальной композиции не влияют внешние факторы, как например присутствие электрического поля. Термин "эффективное" указывает на то, что на свойства крахмальной композиции влияют внешние факторы, как например присутствие электрического поля.

В одном варианте воплощения настоящего изобретения крахмальные композиции, способные к переработке в расплаве, при прохождении через фильеру имеют характеристическое капиллярное число, равное, по крайней мере, 0,01, и эффективное капиллярное число, равное, по крайней мере, 1,0. При отсутствии электрического поля капиллярное число должно быть больше чем 1 для стабильности и предпочтительно больше чем 5 для большой стабильности формуемой нити. При наличии электрического поля отталкивание зарядов противодействует влиянию поверхностного натяжения, так что характеристическое капиллярное число, измеренное без присутствующего электрического заряда, может быть меньше чем 1. Когда к формуемой нити приложен электрический потенциал, эффективное поверхностное натяжение уменьшается, а эффективное капиллярное число увеличивается на основании следующих уравнений:
Хотя капиллярное число может быть выражено в различных формах, характерным уравнением, которое может быть использовано для определения характеристического капиллярного числа, является:
Ca_inherent = η_s•ν/σ,
где Ca_inherent - характеристическое капиллярное число;
η_s - вязкость жидкости при сдвиге, Па•c;
ν - линейная скорость жидкости, м/с;
σ - поверхностное натяжение жидкости, Н/м.

Характерный образец, подходящий для настоящего изобретения, имел следующие состав и свойства:
Состав
Чистая камедь 59 от "Нэшнл стач инк." - 40,00%
Деионизированная вода - 59,99%
"Сьюперфлок" N-300 LMW от "Сайтек" (высокомолекулярный полиакриламид) - 0,01%
Рабочая температура - 49^oС
Вязкость при скорости сдвига 3000 с^-1 - 0,1 Па•с
Диаметр сопла - 0,0254 см
Линейная скорость - 0,236 м/с
Характеристическое поверхностное натяжение - 72 дин/см
Как доказано опытным путем, при отсутствии воздействия электрического заряда на жидкость этот материал будет течь через наконечник фильеры с образованием небольших капель и затем падать под действием силы тяжести в виде отдельных капель. С увеличением воздействия электрического потенциала на систему капли становятся меньше по размеру и начинают ускоряться по направлению к заземляющему устройству. Когда электрический потенциал (25 кВ для этого образца) достигает критической величины, на наконечнике фильеры уже не образуется капля и из него выдавливается небольшое непрерывное волокно. Таким образом, приложенный электрический потенциал теперь преодолевает силы поверхностного натяжения, устраняя режим работы с нарушением капиллярности. Эффективное капиллярное число теперь больше чем 1. При лабораторных экспериментах, проводившиеся с описанными раствором и экспериментальной установкой, были получены по существу непрерывные волокна. Волокна собирали на находящейся под разрежением сетке в виде волокнистого мата. Анализ посредством оптической микроскопии показал, что волокна были непрерывными и имели диаметр в пределах от 3 до 5 мкм.

При некоторых вариантах воплощения изобретения характеристическое капиллярное число может быть равным, по меньшей мере, 1, конкретнее от 1 до 100, еще конкретнее от около 3 до около 50, и даже еще более конкретнее от около 5 до около 30.

В данном случае крахмальную композицию перерабатывают в текучем состоянии, которое обычно имеет место при температуре, по меньшей мере, равной или большей, чем ее "температура плавления". Следовательно, интервал температур переработки определяется "температурой плавления" крахмальной композиции, которую измеряют по методу испытания, подробно описанному здесь. В данном случае температура плавления крахмальной композиции составляет от около 20 до около 180^oС, конкретнее от около 30 до около 130^oС и еще конкретнее от около 50 до около 90^oС. Температура плавления крахмальной композиции является функцией содержания амилозы в крахмале (при большем содержании амилозы требуется более высокая температура плавления), содержания воды, содержания пластификатора и типа пластификатора.

Примерными способами двухосного растяжения, пригодными для использования с крахмальными композициями, являются формование из расплава, формование из расплава с вытягиванием потоком газа и спрядение. Эти способы подробно описаны в патенте США 4064605, выданном 27 декабря 1977 г. на имя Акияма и др., патенте США 4418026, выданном 29 ноября 1983 г. на имя Блэкки и др., патенте США 4855179, выданном 8 августа 1989 г. на имя Баурлэнда и др., патенте США 4909976, выданном 20 марта 1990 г. на имя Кьюкуло и др., патенте США 5145631, выданном 8 сентября 1992 г. на имя Джезика и др., патенте США 5516815, выданном 14 мая 1996 г. на имя Бьюлера и др., и патенте США 5342335, выданном 30 августа 1994 г. на имя Рима и др., при этом описания всех вышеуказанных патентов инкорпорированы здесь путем отсылки.

На фиг. 7, 8 и 9 схематически показано устройство 10 для производства крахмальных нитей, пригодных для гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению. Устройство 10 может представлять собой, например, одночервячный или двухчервячный экструдер, насос вытесняющего действия или их сочетание, известные из уровня техники. Раствор крахмала может иметь общее содержание воды, т. е. гидратной воды плюс добавленной воды в пределах от около 5 до около 80%, а конкретнее в пределах от около 10 до около 60% по отношению к общему весу крахмального материала. Крахмальный материал нагревают до повышенных температур, достаточных для образования псевдотермопластичного расплава. Такая температура обычно выше, чем температура стеклования и/или расплавления формованного материала. Как известно из уровня техники, псевдотермопластичные расплавы согласно настоящему изобретению являются полимерными жидкостями, вязкость которых зависит от скорости сдвига. Вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига, а также с повышением температуры.

Для превращения крахмального материала в псевдотермопластичный расплав крахмальный материал можно нагревать в замкнутом объеме при наличии низкой концентрации воды. Замкнутым объемом может быть закрытый сосуд или объем, создаваемый уплотняющим действием подаваемого материала, как это имеет место в червяке экструзионного оборудования. Давления, создаваемые в закрытом сосуде, будут представлять собой сумму из давления водяного пара и давления, возникающего вследствие сжатия материалов в червячном цилиндре экструдера.

Для уменьшения вязкости псевдотермопластичного расплава может быть использован катализатор разрыва цепей, который уменьшает молекулярную массу посредством разрыва глюкозидных связей в макромолекулах крахмала, что приводит к уменьшению средней молекулярной массы крахмала. В число подходящих катализаторов входят неорганические и органические кислоты. В число подходящих неорганических кислот входят соляная кислота, серная кислота, азотная кислота, фосфорная кислота и борная кислота, а также кислые соли многоосновных кислот, например NaHSO₄ или NaH₂P0₄ и т.д. В число подходящих органических кислот входят муравьиновая кислота, уксусная кислота, пропионовая кислота, масляная кислота, молочная кислота, гликолевая кислота, щавелевая кислота, лимонная кислота, винная кислота, итаконовая кислота, янтарная кислота и другие органические кислоты, известные из уровня техники, включая кислые соли многоосновных кислот. При настоящем изобретении могут быть с пользой применены соляная кислота, серная кислота и лимонная кислота, включая их смеси.

Уменьшение молекулярной массы используемого немодифицированного крахмала может быть в около 2 - 5000 раз и конкретнее в 4 - 4000 раз. Концентрация катализатором составляет 10^-6-10^-2 моля катализатора на моль ангидро-глюкозной единицы и конкретнее - между 0,1•10^-3-5•10^-3 моля катализатора на моль ангидро-глюкозной единицы крахмала.

На фиг.7 крахмальная композиция подается в устройство 10 для производства электроформованием крахмальных нитей, используемых при изготовлении гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению. Устройство 10 содержит корпус 11, сконструированный и выполненный для приема (стрелка А) крахмальной композиции 17, которая может находиться в нем и выдавливаться (стрелка Д) в крахмальные нити 17а через отверстие 14 фильеры 13. Может быть предусмотрена кольцевая полость 12 для циркуляции (стрелки В и С) нагревательной текучей среды, которая нагревает крахмальную композицию до желаемой температуры. Для нагрева крахмальной композиции могут быть использованы другие нагревательные средства, известные из уровня техники, как например, те, в которых применяется электронагрев, импульсное сгорание, нагрев водой или паром и т. д.

Электрическое поле может быть приложено непосредственно к раствору крахмала, например, через электрически заряженный щуп, или к корпусу 11 и/или фильере 13. При желании, формующий элемент 200 может быть электрически заряжен электрическим зарядом, противоположным заряду выдавливаемых крахмальных нитей. С другой стороны, формующий элемент может быть заземлен. Разность электрических потенциалов может быть от 5 до 60 кВ и конкретнее от 20 до 40 кВ.

Затем множество выдавленных крахмальных нитей может быть осаждено на формующий элемент 200, движущийся в продольном направлении (ПН) на определенном расстоянии от устройства 10. Это расстояние должно быть достаточным для возможности вытягивания и затем сушки крахмальных нитей и в то же самое время для возможности поддержания разности потенциалов между крахмальными нитями, выходящими из выпускного отверстия 14, и формующим элементом 200. С этой целью к множеству крахмальных нитей может быть подведен поток высушивающего воздуха для поворота под углом множества крахмальных нитей. Это позволило бы поддерживать минимальное расстояние между выпускным отверстием 14 и формующим элементом 200 в целях сохранения разности потенциалов между ними и в то же самое время свести к минимуму длину части нитей между выпускным отверстием и формующим элементом 200 в целях эффективной сушки нитей. При такой компоновке формующий элемент 200 может быть расположен под углом к направлению элементарных нитей, когда они выходят из выпускного отверстия 14 (стрелка Д на фиг.7).

По выбору вместе с электростатической силой может быть использован воздух для вытягивания нитей, создающий вытягивающую силу для утончения или вытягивания крахмальных нитей перед их осаждением на формующий элемент 200. На фиг.7А схематически показан примерный вариант выполнения фильеры, снабженной одним кольцевым отверстием 15, охватывающим выпускное отверстие 14, и тремя другими отверстиями, равномерно расположенными с интервалом в 120^o вокруг выпускного отверстия 14, которые предназначены для подачи воздуха для вытягивания нитей. Конечно, при настоящем изобретении возможны другие способы подачи воздуха для вытягивания нитей, известные из уровня техники.

Согласно настоящему изобретению крахмальные нити могут иметь размер в пределах от около 0,01 до около 135 дтекс, конкретнее от около 0,02 до около 30 дтекс и еще конкретнее от около 0,02 до около 5 дтекс. Крахмальные нити могут иметь различные формы поперечного сечения, включая, но не ограничиваясь ими, круглую, овальную, прямоугольную, трехугольную, шестиугольную, крестообразную, звездообразную, неправильную и их любые сочетания. Как понятно специалисту в этой области, такие разнообразные формы могут быть образованы посредством разных форм выпускных отверстий фильеры, используемых для изготовления крахмальных нитей.

На фиг.10 схематически показаны, но не ограничиваются ими, некоторые возможные формы площади поперечного сечения крахмальных нитей. Площадь поперечного сечения крахмальной нити - это площадь, перпендикулярная к главной оси крахмальной нити и очерченная периметром, образованным наружной поверхностью крахмальной нити в плоскости поперечного сечения. Считают, что чем больше площадь поверхности крахмальной нити (на единицу ее длины или веса), тем больше непрозрачность гибкой структуры 10, содержащей крахмальные нити. Поэтому считают, что максимальное увеличение площади поверхности крахмальных нитей посредством увеличения их эквивалентного диаметра может быть полезным для увеличения непрозрачности получаемой гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению. Один способ увеличения эквивалентного диаметра крахмальных нитей заключается в формовании крахмальных нитей, имеющих некруглые, многогранные формы поперечного сечения.

Кроме того, крахмальные нити не должны иметь равномерную толщину и/или площадь поперечного сечения по всей длине нити или ее части. Например, на фиг.10 схематически показан отрезок крахмальной нити, имеющей разную площадь поперечного сечения по своей длине. Такие разные площади поперечного сечения могут быть созданы, например, изменением давления в фильере или изменением, по меньшей мере, одного из параметров (как например скорости, направления и т. д. ) воздуха для вытягивания нитей или высушивающего воздуха в процессе формования из расплава с вытягиванием потоком газа или в комбинированном процессе формования с вытягиванием потоком газа и электроформования.

Некоторые крахмальные нити могут иметь "надрезы", расположенные с определенными интервалами по длине нити или ее части. Считают, что такие изменения в площади поперечного сечения крахмальных нитей по длине нити способствуют гибкости нитей, улучшает способность нитей к взаимному спутыванию в изготавливаемую гибкую структуру 100 и положительно влияет на мягкость и гибкость получаемой гибкой структуры 100. Надрезы или другие полезные неровности в крахмальных нитях могут быть образованы соприкосновением крахмальных нитей с поверхностью, имеющей острые края или выступы, как это описано ниже.

Следующей стадией способа является образование формующего элемента 200. Формующий элемент 200 может быть выполнен в виде цилиндра с рифленой поверхностью (не показан) или другого рифленого элемента, как например ремня или ленты. Формующий элемент 200 имеет соприкасающуюся с нитями сторону 201 и заднюю сторону 202, противоположную соприкасающейся с нитями стороне 201. Под действием перепада давления текучей среды (например, разрежения, которое может присутствовать под лентой или внутри цилиндра) крахмальные нити могут вдавливаться в рельеф формующего элемента с образованием различимых областей в изготавливаемой гибкой структуре.

В процессе изготовления структуры 100 согласно настоящему изобретению крахмальные нити осаждаются на соприкасающуюся с нитями сторону 201. Вторая сторона 202 обычно соприкасается с оборудованием, как например опорными роликами, направляющими роликами, устройством для создания разрежения и т.д, требующимися в соответствии с определенным процессом. Соприкасающаяся с нитями сторона 201 имеет трехмерный рельеф из выступов и/или впадин. Обычно (хотя и необязательно) этот рельеф является небеспорядочным и повторяющимся. Этот трехмерный рельеф, соприкасающийся с нитями стороны 201, может содержать по существу непрерывный рельеф (фиг.4), по существу полунепрерывный рельеф (фиг.5), рельеф, содержащий множество отдельных выступов (фиг.5) или их любых сочетаний. Когда множество крахмальных нитей осаждается на соприкасающуюся с нитями сторону 201 формующего элемента 200, множество гибких крахмальных нитей, по меньшей мере, частично приспосабливаются к формующему рельефу формующего элемента 200.

Формующий элемент 200 может представлять собой ремень или ленту, которая макроскопически является моноплоскостной, когда лежит в плоскости отсчета X-Y, при этом Z-направление перпендикулярно к плоскости X-Y. Кроме того, гибкая структура 100 может считаться как макроскопически одноплоскостная и лежащая в плоскости, параллельной плоскости X-Y. Перпендикулярно к плоскости X-Y находится Z-направление, по которому определяется толщина гибкой структуры 100 или высота различных областей формующего элемента 200 или гибкой структуры 100.

При желании, формующий элемент 200, содержащий ленту, может быть выполнен в виде прессового сукна. Подходящее прессовое сукно для использования согласно настоящему изобретению может быть изготовлено в соответствии с техническими решениями в патентах США 5549790, выданном 27 августа 1996 г. на имя Фэна; 5556509, выданном 17 сентября 1996 г. на имя Трокхана и др.; 5580423, выданном 3 декабря 1996 г. на имя Ампулски и др.; 5609725, выданном 11 марта 1997 г. на имя Фэна; 5629052, выданном 13 мая 1997 г. на имя Трокхана и др.; 5637194, выданном 10 июня 1997 г. на имя Дмпулски и др.; 5674663, выданном 7 октября 1997 г. на имя Мак-Фарлэнда и др.; 5693187, выданном 2 декабря 1997 г. на имя Ампулски и др.; 5709775, выданном 20 января 1998 г. на имя Трокхана и др.; 5776307, выданном 7 июля 1998 г. на имя Ампулски и др. ; 5795440, выданном 18 августа 1998 г. на имя Ампулски и др.; 5814190, выданном 29 сентября 1998 г. на имя Фэна; 5817377, выданном 6 октября 1998 г. на имя Трокхана и др.; 5846379, выданном 8 декабря 1998 г. на имя Ампулски и др. ; 5855739, выданном 5 января 1999 г. на имя Ампулски и др., и 5861082, выданном 19 января 1999 г. на имя Ампулски и др., описания которых инкорпорированы здесь путем отсылки. В другом варианте воплощения изобретения формующий элемент 200 может быть выполнен в виде прессового сукна в соответствии с техническими решениями в патенте США 5569358, выданном 29 октября 1996 г. на имя Камерона.

Согласно одному основному варианту выполнения формующего элемента 200 он содержит полимерную основу 210, соединенную с усиливающим элементом 250. Полимерная основа 210 может иметь определенный, предварительно выбранный рельеф. Например, на фиг. 4 показана по существу непрерывная основа 210, имеющая множество сквозных отверстий 220. В некоторых вариантах воплощения изобретения усиливающий элемент 250 может быть по существу проницаемым для текучей среды. Усиливающий элемент 250, по существу проницаемый для текучей среды, может состоять из тканой сетки или перфорированного элемента, сукна или их любого сочетания. Части усиливающего элемента 250, совмещенные с отверстиями 220 в формующем элементе 200, предотвращают прохождение крахмальных нитей через формующий элемент и таким образом уменьшают вероятность возникновения дырочек в получаемой гибкой структуре 100. Если нежелательно использовать тканую ткань для усиливающего элемента 250, то соответствующую опору и прочность для основы 210 можно обеспечить посредством нетканого элемента, сетки, прессового сукна либо пластины или пленки, имеющей множество сквозных отверстий. Подходящий усиливающий элемент 250 может быть изготовлен в соответствии с патентами США 5496624, выданном 5 марта 1996 г. на имя Стелджеса и др.; 5500277, выданном 19 марта 1996 г. на имя Трокхана и др. , и 5566724, выданном 22 октября 1996 г. на имя Трокхана и др., описания которых инкорпорированы здесь путем отсылки.

Различные типы усиливающего элемента 250, проницаемого для текучей среды, описаны в нескольких патентах США, например 5275700 и 5954097, описание которых инкорпорировано здесь путем отсылки. Усиливающий элемент 250 может быть выполнен из сукна, которое также называют "прессовым сукном", используемым в обычном бумажном производстве. Основа 210 может быть нанесена на усиливающий элемент 250 так, как предлагается в патентах США 5549790, выданном 27 августа 1996 г. на имя Фэна; 5556509, выданном 17 сентября 1996 г. на имя Трокхана и др.; 5580423, выданном 3 декабря 1996 г. на имя Ампулски и др. ; 5609725, выданном 11 марта 1997 г. на имя Фэна; 5629052, выданном 13 мая 1997 г. на имя Трокхана и др.; 5637194, выданном 10 июля 1997 г. на имя Ампулски и др. ; 5674663, выданном 7 октября 1997 г. на имя Мак-Фарлэнда и др.; 5693187, выданном 2 декабря 1997 г. на имя Ампулски и др.; 5709775, выданном 20 января 1998 г. на имя Трокхана и др.; 5795440, выданном 18 августа 1998 г. на имя Ампулски и др.; 5814190, выданном 29 сентября 1998 г. на имя Фэна; 5817377, выданном 6 октября 1998 г. на имя Трокхана
и др., и 5846379, выданном 8 декабря 1998 г. на имя Ампулски и др., описания которых инкорпорированы здесь путем отсылки.

С другой стороны, усиливающий элемент 250 может быть непроницаемым для текучей среды. Усиливающий элемент 250, непроницаемый для текучей среды, может быть выполнен, например, из полимерного материала, одинакового (или отличающегося от него) с материалом, используемым для изготовления основы 210 формующего элемента 200 согласно настоящему изобретению; пластмассы; любого другого подходящего натурального или синтетического материала; или из их любого сочетания. Как понятно специалисту в данной области, использование усиливающего элемента 250, непроницаемого для текучей среды, приведет к тому, что формующий элемент 200 в целом также будет непроницаемым для текучей среды. Понятно, что усиливающий элемент 250 может быть частично проницаемым для текучей среды и частично непроницаемым для нее. А именно, какая-то часть усиливающего элемента 250 может быть проницаемой для текучей среды, а его другая часть непроницаемой для нее. Формующий элемент 200 в целом может быть проницаемым, непроницаемым или частично проницаемым для текучей среды. В формующем элементе 200, частично проницаемом для текучей среды, частично проницаемыми являются только часть или части макроскопического участка или участков формующего элемента 200.

При желании можно использовать усиливающий элемент 250 с жаккардовым переплетением. Примеры лент с жаккардовым переплетением можно найти в патентах США 5429686, выданном 4 июля 1995 г. на имя Чиу и др.; 5672248, выданном 30 сентября 1997 г. на имя Уэндта и др.; 5746887, выданном 5 мая 1998 г. на имя Уэндта и др. , и 6017417, выданном 25 января 2000 г. на имя Уэндта и др., описания которых инкорпорированы здесь путем отсылки с ограниченной целью показать принципиальную структуру рисунка с жаккардовым переплетением. Согласно настоящему изобретению предполагается использование формующего элемента 200, который имеет соприкасающуюся с нитями сторону 201 с рисунком жаккардового переплетения. Такой рисунок с жаккардовым переплетением можно использовать на формировочном элементе 500, формующем элементе 200, нажимной поверхности и т. д. Как сообщалось в литературе, жаккардовое переплетение особенно полезно тогда, когда нежелательно спрессовывать или впечатывать структуру в зазоре между валками, что обычно происходит при передаче к сушильному цилиндру типа "Янки".

Согласно настоящему изобретению могут быть "заглушены" или "закрыты" одно, несколько или все отверстия 220 формующего элемента 200, как это описано в патенте США 5972813, выданном 26 октября 1999 г. на имя Полата и др., описание которого инкорпорировано здесь путем отсылки. Как описывается в только что названном патенте, для придания отверстиям 220 непроницаемости к текучей среде могут быть использованы пенополиуретан, резина и силикон.

В варианте выполнения формующего элемента 200, показанном на фиг.6, содержится множество подвесных частей 219, простирающихся (обычно вбок) от множества опорных частей 211. Подвесные части 219 приподняты над усиливающим элементом 250 с образованием свободных пространств 215, в которые могут прогибаться крахмальные нити согласно настоящему изобретению с образованием консольных частей 129, как это описано выше со ссылкой на фиг.3. Формующий элемент 200, содержащий подвесные части 219, может иметь многослойную структуру, образованную, по крайней мере, двумя слоями (211, 212), соединенными вместе при расположении поверхности к поверхности (фиг.6). Каждый из слоев может иметь структуру, сходную со структурой, предложенной в нескольких вышеуказанных патентах, которые инкорпорированы здесь путем отсылки. Каждый из слоев (211, 212) может иметь, по крайней мере, одно отверстие (220, фиг. 4, 4А), проходящее между верхней поверхностью и нижней поверхностью. Соединенные слои расположены таким образом, что, по крайней мере, одно отверстие в одном слое перекрывает (в направлении, перпендикулярном к общей плоскости формующего элемента 200) часть основы другого слоя, образующую вышеописанную подвесную часть 219.

Другой вариант выполнения формующего элемента, содержащего множество подвесных частей, может быть изготовлен способом дифференциального отверждения слоя фоточувствительной смолы или другого отверждаемого материала при помощи маски, содержащей прозрачные и непрозрачные участки. Непрозрачные участки включают в себя участки с различной непрозрачностью, например участки, имеющие сравнительно высокую непрозрачность (непросвечивающиеся, как например черные) и участки со сравнительно низкой непрозрачностью (т.е. имеющие некоторую непрозрачность).

Когда отверждаемый слой, имеющий нитеприемную сторону и противоположную вторую сторону, подвергается отверждающему излучению через маску, примыкающую к нитеприемной стороне покрытия, непрозрачные участки маски защищают первые участки от отверждающего излучения, предотвращая отверждение первых участков покрытия на всю толщину покрытия. Частично непрозрачные участки маски только частично защищают вторые участки покрытия, давая возможность отверждающему излучению отверждать вторые участки на заранее определенную толщину, меньшую, чем толщина покрытия (начиная от нитеприемной стороны покрытия по направлению к его второй стороне). Прозрачные участки маски оставляют третьи участки покрытия незащищенными, что дает возможность отверждающему излучению отверждать третьи участки на всю толщину покрытия.

Следовательно, можно удалить неотвержденный материал с частично образованного формующего элемента. Получающаяся отвержденная основа имеет соприкасающуюся с нитями сторону 201, образованную из нитеприемной стороны покрытия, и заднюю сторону 202, образованную из второй стороны покрытия.

Получающаяся основа имеет множество опор 211, содержащих заднюю сторону 202 и образованных из третьих участков покрытия, и множество подвесных частей 219, содержащих сторону 201, соприкасающуюся с нетканым материалом, и образованных из вторых участков покрытия. Как обсуждалось выше, множество опор могут образовывать по существу непрерывный рельеф, по существу полунепрерывный рельеф, прерывистый рельеф или их любое сочетание. Подвесные части 219 простираются под углом (обычно, но необязательно под углом около 90^o) от множества опор и расположены на расстоянии от задней стороны 202 получаемой основы с образованием свободных пространств между подвесными частями и задней стороной 201. Обычно при использовании формующего элемента 200, содержащего усиливающий элемент 250, свободные пространства 215 образуются между подвесными частями 219 и усиливающим элементом 250, как это лучше всего показано на фиг.6.

На следующей стадии осаждают множество псевдотермопластичных крахмальных нитей на соприкасающуюся с нитями сторону 201 формующего элемента 200, как это схематически показано на фиг.7-9, и заставляют множество крахмальных нитей, по крайней мере, частично приспосабливаться к трехмерному рельефу формующего элемента 200. Отсылаем к варианту воплощения изобретения, схематически показанному на фиг.7, где после выхода из вытягивающего устройства крахмальные нити 17а осаждаются на трехмерную, соприкасающуюся с нитями сторону 201 формующего элемента 200. При промышленном непрерывном процессе формующий элемент 200 представляет собой бесконечную ленту, непрерывно перемещающуюся в продольном направлении ПН, как это схематически показано на фиг. 7-9. В дальнейшем крахмальные нити могут быть соединены друг с другом и взаимно спутаны с помощью различных обычных способов. В описании патента США 5688468, выданном 18 ноября 1997 г. на имя Лу и инкорпорированном здесь путем отсылки, предлагаются способ и устройство для производства спряденного, нетканого материала, состоящего из нитей уменьшенного диаметра.

В некоторых вариантах воплощения изобретения множество крахмальных нитей вначале может быть осаждено не на формующий элемент 10, а на формировочный элемент 500, как это схематически показано на фиг.9. Эта стадия факультативная и может быть использована для того, чтобы способствовать достижению равномерного основного веса множества крахмальных нитей по всей ширине изготавливаемой структуры 10. Согласно настоящему изобретению предполагается использование формировочного элемента 500, содержащего проволочную сетку. В примерном варианте воплощения изобретения, показанном на фиг.9, формировочный элемент 500 может перемещаться в продольном направлении, обегая валки 500а и 500в. Формировочный элемент проницаем для текучей среды, и под ним расположено устройство 550 для создания разрежения и приложения перепада давления текучей среды к множеству расположенных на нем крахмальных нитей для их более или менее равномерного распределения по всей приемной поверхности формировочного элемента 500.

При желании формировочный элемент 500 может быть также использован для образования различных неровностей на крахмальных нитях, особенно на поверхности нитей. Например, нитеприемная поверхность формировочного элемента может содержать множество острых кромок (не показаны), выполненных с возможностью впечатывания в еще сравнительно мягкие крахмальные нити, расположенные на них, для образования надрезов (схематически показаны на фиг.11) или других неровностей на крахмальных нитях, которые могут быть полезными для изготавливаемой гибкой структуры 100, как это описано выше.

В варианте воплощения изобретения, показанном на фиг.9, множество нитей может передаваться от формировочного элемента 500 к формующему элементу 200 с помощью любого обычного средства, известного из уровня техники, например, с помощью устройства 600 для создания разрежения, достаточного для того, чтобы множество крахмальных нитей, расположенных на формировочном элементе 500, отделялось от него и приставало к формующему элементу 200.

Как предполагается, при непрерывном процессе изготовления гибкой структуры 100 формующий элемент 200 может иметь линейную скорость, которая меньше линейной скорости формировочного элемента 500. Использование такой разности скоростей в месте передачи общеизвестно в бумажном производстве и может служить для т.н. "микросокращения", которое, как обычно считают, является эффективным в применении к влажным полотнам с низкой плотностью. "Микросокращение во влажном состоянии" подробно описано в патенте США 4405597, содержание которого инкорпорировано здесь путем отсылки с целью описания принципиального механизма микросокращения. Короче говоря, микросокращение во влажном состоянии заключается в передаче полотна, имеющего низкую плотность волокон, от первого элемента (как например, формирующего элемента) ко второму элементу (как например, петли из ткани с редким переплетением), движущемуся медленнее, чем первый элемент. Как считают теперь, если крахмальные нити могут быть формованы, а множество крахмальных нитей может сохраняться в достаточно гибком состоянии ко времени передачи от сравнительно медленнее движущейся опоры (как, например, формировочного элемента 500) к сравнительно быстрее движущейся опоре (как, например, формующего элемента 200), то можно эффективно подвергать микросокращению множество крахмальных нитей, тем самым предварительно сокращая изготавливаемую гибкую структуру 100. Скорость формующего элемента 200 может быть на величину от около 1 до около 25% больше скорости формировочного элемента 500.

На фиг. 9А показан вариант осуществления способа согласно настоящему изобретению, при котором крахмальные нити можно осаждать на формующий элемент 200 под углом А, который может быть равен от 1^o до 89^o и конкретнее от около 5 до около 85^o. Считают, что этот вариант особенно полезен при использовании формующего элемента 200, имеющего подвесные части 219. Такое осаждение крахмальных нитей 17а "под утлом" к формующему элементу 200 позволяет образовывать свободные пространства 215 между подвесными частями 219 и усиливающим элементом 250, более доступные для длинных и гибких крахмальных нитей 17а, и способствует более легкому заполнению крахмальными нитями свободных пространств 215. На фиг.9А крахмальные нити 17а осаждаются на формующий элемент 200 в две стадии, так чтобы оба вида свободных пространств 219 - передних по направлению движения свободных пространств 215а и задних по направлению движению свободных пространств 215в - могли быть полезными при осаждении нитей под углом к формующему элементу 200. В зависимости от конкретной геометрии формующего элемента 220, особенно геометрии и/или ориентации его подвесных частей 219, первоначальный угол А может быть равен последующему углу В или отличаться от него.

Как только множество крахмальных нитей оказывается осажденным на соприкасающуюся с нитями сторону 201 формующего элемента 200, множество нитей, по меньшей мере, частично приспосабливается к его трехмерному рельефу. Кроме того, могут быть использованы различные средства, чтобы вызвать или облегчить приспособление крахмальных нитей к трехмерному рельефу формующего элемента 200. Один способ заключается в приложении перепада давления текучей среды к множеству крахмальных нитей. Этот способ может быть особенно полезным тогда, когда формующий элемент 200 является проницаемым для текучей среды. Например, под задней стороной 202 формующего элемента 200, проницаемого для текучей среды, может быть расположено устройство 550 для приложения разрежения к формующему элементу 200 и таким образом к множеству крахмальных нитей, расположенных на нем (фиг.8). Под влиянием разрежения некоторые из крахмальных нитей могут отклоняться в отверстия 220 и/или свободные пространства 215 формующего элемента 200 и иным образом приспосабливаться (плотно прилегать) к его трехмерному рельефу.

Предполагается, что все три области гибкой структуры 100 могут иметь по существу эквивалентные основные веса. Благодаря прогибанию части крахмальных нитей в отверстия 220 можно уменьшить плотность получаемых подушек 120 по сравнению с плотностью первых, впечатанных областей 110. Области 110, которые не прогнуты в отверстия 220, могут быть впечатаны сжатием гибкой структуры в зазоре между валками. При впечатывании плотность впечатанных областей 110 увеличивается по сравнению с плотностью подушек 120 и плотностью третьей области 130. Плотность областей 110, не прогнутых в отверстия 220, и плотность третьей области 133 выше, чем плотность подушек 120. Третья область 130, вероятно, будет иметь плотность, промежуточную между плотностями впечатанных областей 110 и подушек 120.

Отсылаем еще раз к фиг.1А, на которой гибкая структура 100 согласно настоящему изобретению может рассматриваться как имеющая три разные плотности. Областью с наибольшей плотностью будет высокоплотная впечатанная область 110. Впечатанная область 110 по положению и геометрии соответствует основе 210 формующего элемента 200. Областью с наинизшей плотностью гибкой структуры 100 будет область с подушками 120, по положению и геометрии соответствующая отверстиям 220 формующего элемента 200. Третья область 130, соответствующая выемкам 230 в формующем элементе 200, будет иметь плотность, промежуточную между плотностями подушек 120 и впечатанной области 110. "Выемки" 230 это поверхности основы, которые имеют Z-направленную векторную составляющую, простирающуюся от нитеприемной стороны 201 формующего элемента 200 по направлению к его задней стороне 202. Выемки 230 - не простираются через всю основу 210, как это делают отверстия 220. Таким образом, различие между выемкой 230 и отверстиями 220, как полагают, заключается в том, что отверстие 220 является сквозным отверстием в основе 210, тогда как выемка 230 представляет собой глухое отверстие, борозду, глубокий надрез иди желобок в основе 210.

Три области структуры 100 согласно настоящему изобретению могут рассматриваться как расположенные на трех разных высотах. Используемый здесь термин "высота области" означает ее расстояние от плоскости отсчета (т.е. плоскости X-Y). Для удобства плоскость отсчета может рассматриваться как горизонтальная, при этом расстояние по высоте от плоскости отсчета является вертикальным. Высоту отдельной области структуры 100 из крахмальных нитей, как это хорошо известно из уровня техники, можно измерить, используя бесконтактное измерительное устройство, пригодное для таких целей. Особенно подходящим измерительным устройством является бесконтактный лазерный датчик смещения, имеющий размер луча 0,3 х 1,2 мм в диапазоне 50 мм. Подходящие бесконтактные лазерные датчики смещения продаются компанией "Идек компани" в виде моделей МХ1А/В. С другой стороны, для измерения разных высот можно использовать контактное устройство с измерительным наконечником, известное из уровня техники. Такое устройство с измерительным наконечником описано в патенте США 4330981, который выдан на имя Крастенса и содержание которого инкорпорировано здесь путем отсылки. Структуру 100 согласно настоящему изобретению помещают на плоскость отсчета так, чтобы впечатанная область 110 соприкасалась с плоскостью отсчета. Подушки 120 и третья область 130 простираются вертикально от плоскости отсчета. При использовании формующего элемента 200 с разными глубинами или высотами своего трехмерного рельефа, схематически показанного на фиг. 5А, могут образовываться области 110, 120 и 130 также с разными высотами. Такой трехмерный профиль с разными глубинами/высотами может быть получен шлифовкой заранее выбранных частей формующего элемента 200 для уменьшения их высоты. Кроме того, формующий элемент 200, состоящий из отверждаемого материала, может быть изготовлен с использованием трехмерной маски. Используя трехмерную маску, имеющую разные глубины/высоты своих углублений/выступов, можно образовать соответствующую основу 210, также имеющую разные высоты. Для вышеуказанных целей могут применяться другие обычные способы образования поверхностей с разной высотой.

Чтобы уменьшить отрицательный эффект от внезапного приложения перепада давления текучей среды посредством устройства для создания разрежения 550 (фиг. 8 и 9) или захватного устройства для создания разрежения 600 (фиг.9), которое могло бы вынудить некоторое количество нитей или их частей к прохождению через формующий элемент 200 и таким образом привести к образованию т. н. точечных отверстий в получаемой гибкой структуре, задняя сторона формующего элемента может быть "текстурирована" для образования микроскопических поверхностных неровностей. Эти поверхностные неровности могут быть полезными в некоторых вариантах выполнения формующего элемента 200, так как они предотвращают образование вакуумного уплотнения между задней стороной 202 формующего элемента 200 и поверхностью бумагоделательного оборудования (как например поверхностью устройства для создания разрежения), тем самым создавая "утечку" между ними и таким образом смягчая нежелательные последствия приложения разрежения при процессе изготовления гибкой структуры 100 согласно настоящему изобретению с пропусканием сушильного воздуха через нее. Другие способы создания такой утечки описаны в патентах США 5718806, 5741402, 5744007, 5776311 и 5885421, описания которых инкорпорированы здесь путем отсылки.

Кроме того, утечка может быть создана при изготовлении формующего элемента т.н. "способами с применением различной светопропускаемости", описанными в патентах США 5624790, 5554467, 5529664, 5514523 и 5334289, описания которых инкорпорированы здесь путем отсылки. Формующий элемент можно изготовить нанесением покрытия из фоточувствительной смолы на усиливающий элемент, который имеет непрозрачные части, и последующим облучением покрытия светом с активирующей длиной волны через маску, имеющую прозрачные и непрозрачные участки, и также через усиливающий элемент.

Другой способ образования поверхностных неровностей на задней стороне формующего элемента состоит в использовании текстурированной формировочной поверхности или текстурированной барьерной пленки, как это описано в патентах США 5364504, 5260171 и 5098522, описания которых инкорпорированы здесь путем отсылки. Формующий элемент можно изготовить, отливая фоточувствительную смолу на усиливающий элемент и через него, когда он перемещается по текстурированной поверхности, и затем подвергая покрытие воздействию света с активирующей длиной волны через маску, которая имеет прозрачные и непрозрачные участки.

Для облегчения прогиба множества нитей в трехмерный рельеф формующего элемента могут быть использованы такие средства, как устройство 550 для приложения разрежения (т. е. отрицательного давления меньше, чем атмосферное давление) к множеству нитей через формующий элемент 200, проницаемый для текучей среды, или вентилятор (не показан) для приложения положительного давления к множеству нитей.

Кроме того, на фиг.9 схематически показана факультативная стадия способа согласно настоящему изобретению, при которой множество крахмальных нитей перекрывается гибким листом материала 800, представляющего собой бесконечную ленту, движущуюся вокруг валиков 800а и 800в и соприкасающуюся с множеством нитей. Таким образом, множество нитей на определенный период времени оказывается между формующим элементом 200 и гибким листом материала 800. Гибкий лист материала 800 может иметь воздухопроницаемость меньше, чем у формующего элемента 200, а в некоторых вариантах воплощения изобретения может быть воздухонепроницаемым. Приложение перепада давления текучей среды Р к гибкому листу вызывает прогиб, по меньшей мере, части гибкого листа по направлению (а в некоторых случаях и внутрь) трехмерного рельефа формующего элемента 200, что заставляет крахмальные нити тесно прилегать к трехмерному рельефу формующего элемента 200. В патенте США 5893965, описание которого инкорпорировано здесь путем отсылки, описывается принципиальная конструкция оборудования и способ использования гибкого листа материала.

В дополнение к перепаду давления текучей среды или в качестве его альтернативы можно также использовать механическое давление для способствования образований трехмерного микроскопического рельефа на гибкой структуре 100 согласно настоящему изобретению. Такое механическое давление может быть создано любой подходящей нажимной поверхностью, например поверхностью валика или поверхностью ленты. На фиг. 8 показаны два примерных варианта выполнения нажимной поверхности. Чтобы заставить крахмальные нити, расположенные на формующем элементе 200, более полно приспосабливаться к его трехмерному рельефу, можно использовать два или несколько нажимных валиков 900а и 900в, а также 900с и 900д. При желании давление, создаваемое нажимными валиками, можно сделать изменяющимся по величине, например давление, создаваемое между валиками 900с и 900д, может быть больше, чем давление между валиками 900а и 900в. В качестве альтернативы или дополнения к этому к части нитеприемной стороны 201 формующего элемента может прижиматься бесконечная нажимная лента 950, движущаяся вокруг валиков 950а и 950в, чтобы сдавливать гибкую структуру 100 между нажимной лентой и формующим элементом.

Нажимная поверхность может быть гладкой или иметь на себе трехмерный рельеф. В последнем случае нажимная поверхность может быть использована в качестве устройства для тиснения, чтобы образовывать трехмерный микрорельеф из выступов и/или углублений в гибкой структуре 100 во взаимодействии с трехмерным рельефом формующего элемента 200 или независимо от него. Кроме того, нажимная поверхность может быть использована для нанесения различных добавок, например мягчителей, и типографской краски на изготавливаемую гибкую структуру 200. Для непосредственного или косвенного нанесения различных добавок на изготавливаемую гибкую структуру 200 можно использовать обычные способы, как например красильный валик 910 или распылительное устройство (или спрыск) 920.

По выбору структуру 100 можно подвергнуть предварительному сокращению, известному из уровня техники. Предварительное сокращение можно осуществлять посредством крепирования структуры 100, сходящей с твердой поверхности, конкретнее с цилиндра, как например цилиндра 290, схематически показанного на фиг.9. Крепирование осуществляют шабером 292, хорошо известным из уровня техники. Крепирование можно осуществлять по способу, описанному в патенте США 4919756, который выдан 24 апреля 1992 г. на имя Содая и описание которого инкорпорировано здесь путем отсылки. В качестве альтернативы или дополнения предварительное сокращение можно осуществлять посредством микросокращения, описанного выше.

Гибкая структура 100, которая подверглась предварительному сокращению, обычно является более растяжимой в продольном направлении, чем в поперечном направлении, и легко сгибаемой по линиям сгиба, которые образуются в результате процесса предварительного сокращения и которые обычно простираются в поперечном направлении, т.е. по ширине гибкой структуры 100. Гибкая структура 100, которая не подвергалась крепированию и/или иному предварительному сокращению, считается находящейся в пределах настоящего изобретения.

Используя гибкую структуру 100 согласно настоящему изобретению, можно изготавливать различные материалы. Получаемые материалы могут найти применение в фильтрах для воздуха, масла и воды; фильтрах пылесосов; фильтрах печей; лицевых масках; фильтрах для кофе; пакетиках с чаем или кофе порционной расфасовки; тепло- и звукоизоляционных материалах; нетканых материалах для гигиенических изделий одноразового использования, как например подгузников, женских прокладок и средств для применения при недержании мочи; биологически разлагаемых текстильных тканях для улучшенных влагопоглощения и мягкости одежды, как например микроволокнистых или газопропускающих тканях; электрически заряженном, структурированном полотне для сбора и удаления пыли; усилениях и полотнах для жестких сортов бумаги, как например оберточной бумаги, писчей бумаги, газетной бумаги, гофрированного картона и полотнах для тонких сортов бумаги, как например туалетной бумаги, бумаги для полотенец, салфеточной бумаги и тонкой бумаги для носовых платков; медицинских средствах, как например хирургических простынях, повязках на раны, бинтах, кожных накладках и саморастворяющихся шовных материалах; и стоматологических средствах, как например, нитях для чистки межзубных промежутков и щетинках зубных щеток. Кроме того, гибкая структура может содержать деодоранты, вещества для отпугивания термитов, инсектициды, родентициды и подобные вещества для специального применения. Получаемый материал абсорбирует воду и масло и может найти применение при очистке от разлитого масла или воды и при регулируемом удержании и высвобождении воды при использовании в земледелии или садоводстве. Получаемые крахмальные нити или волокнистые материалы могут быть также введены в другие материалы, как например опилки, древесную массу, пластмассы или бетон для образования композиционных материалов, которые могут быть использованы в качестве строительных материалов, например, для стен, опорных балок, прессованных панелей, внутренних перегородок и облицовочных панелей, и в качестве кровельной черепицы; в других медицинских средствах, как например, слепках, шинах и шпателях для отдавливания языка; и в чурбаках для камина, используемых для декоративных целей и/или сжигания.

Методы испытания:
А. Вязкость при сдвиге
Вязкость композиции при сдвиге измеряют, используя капиллярный реометр (модель "Реограф 2003", изготавливаемый компанией "Гоетферт"). Измерения проводят с использованием капиллярной фильеры диаметром D, равным 1,0 мм, и длиной L, равной 30 мм (т.е. L/D=30). Фильеру прикрепляют к нижнему концу цилиндра, который выдерживают при температуре испытания (t) в пределах от 25 до 90^oС. Образец композиции, который предварительно нагрет до температуры испытания, загружают в цилиндровую часть реометра, которую он по существу заполняет (используют около 60 г образца). Цилиндр выдерживают при определенной температуре испытания (t). Если после загрузки к поверхности поднимаются пузырьки воздуха, то перед проведением испытания образец уплотняют для удаления из него захваченного воздуха. Программируют движение поршня для выдавливания образца из цилиндра через капиллярную фильеру с выбранной скоростью. При выходе образца из цилиндра через фильеру он испытывает падение давления. Кажущуюся вязкость при сдвиге вычисляют по падению давления и скорости потока образца через капиллярную фильеру. Затем строят график зависимости логарифма кажущейся вязкости при сдвиге от логарифма скорости сдвига и по степенному закону - график зависимости η = Kγ^n-1, где К - материальная константа и γ - скорость сдвига. Вязкость композиции при сдвиге, отмеченную в данном случае, экстраполируют до скорости сдвига 3000 с^-1, используя степенный закон.

Б. Вязкость при растяжении
Вязкость при растяжении измеряют, используя капиллярный реометр (модель "Реограф 2003", изготавливаемый компанией "Гоетферт"). Измерения проводят с использованием полугиперболической фильеры с начальным диаметром (D_initial), равным 15 мм, конечным диаметром (D_final), равным 0,75 мм, и длиной (L), равной 7,5 мм.

Полугиперболическая форма фильеры определяется двумя уравнениями, где Z-осевое расстояние от начального диаметра и D(z) - диаметр фильеры на расстоянии z от D_initial:

Фильеру прикрепляют к нижнему концу цилиндра, выдерживаемого при постоянной температуре испытания (t), которая соответствует температуре, при которой необходимо перерабатывать крахмальную композицию. Температура испытания (температура переработки) - это температура, которая выше температуры плавления образца крахмальной композиции. Образец крахмальной композиции, предварительно нагретый до температуры фильеры, загружают в цилиндровую часть реометра, которую он по существу заполняет. Если после загрузки к поверхности поднимаются пузырьки воздуха, то перед проведением испытания расплавленный образец уплотняют для удаления из него захваченного воздуха. Программируют движение поршня для выдавливания образца из цилиндра через гиперболическую фильеру с заданной скоростью. При выходе образца из цилиндра через фильеру он испытывает падение давления. Кажущуюся вязкость при растяжении вычисляют по падению давления и скорости потока образца через фильеру по следующему уравнению:
вязкость при растяжении = (дельта Р/скорость растяжения/E_h) •10⁺⁵),
где вязкость при растяжении выражена, Па•с;
дельта Р - падение давления, бар;
скорость растяжения - скорость потока образца через фильеру, с^-1 ;
E_h - безразмерная деформация по Хенки.

Деформация по Хенки - это деформация, зависящая от предыстории. Деформация, испытываемая элементом текучей среды в неньютоновской текучей среде, зависит от его кинетической предыстории, т.е.:

Для этой конструкции деформация по Хенки (Е_h) составляет 5,99 и определяется по следующему уравнению:
Eh=ln[(D_initial/D_final)²].

Как сообщалось, кажущаяся вязкость при растяжении является функцией скорости растяжения 250^-1 при использовании степенного закона. Подробное описание измерений вязкости при растяжении с использованием полугиперболической фильеры приводится в патенте США 5357784, который выдан 25 октября 1994 г. на имя Колье и описание которого инкорпорировано здесь путем отсылки.

В. Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение
Средневесовую молекулярную массу (ММ) и молекулярно-массовое распределение (ММР) крахмала определяют по методу гель-проникающей хроматографии (ГПХ) с использованием колонки со смешанным слоем наполнителя. Прибор имеет следующие части: насос "Уотерс" модели 600Е; регулятор системы "Уотерс" модели 600Е; автопробоотборник "Уотерс" модели 717 плюс; колонка препаративная тонкослойная со смешанным слоем и с частицами геля в 20 мкм (молекулярная масса геля составляет от 1000 до 40000000), имеющая длину 600 мм и внутренний диаметр 7,5 мм; детектор дифференциальный рефрактометр "Уотерс" модели 410 для гель-проникающей хроматографии, программное обеспечение - программа "Уотерс миллениум" (зарегистрировано)/
Колонку тарируют эталонными веществами "Декстран", имеющими молекулярную массу 245000, 350000, 480000, 805000 и 2285000. Эти эталонные вещества для тарирования "Декстран" доступны от "Америкэн полимер стандардс корп.", Ментор, шт. Огайо, США. Эталонные вещества для тарирования приготавливают путем растворения эталонных веществ в подвижной фазе для получения раствора с концентрацией около 2 мг/мл. Раствор оставляют в покое на ночь. Затем его осторожно перемешивают и фильтруют через фильтр пипетки (5 мкм нейлоновая мембрана "Спартан-25", доступная от компании "VWR"), используя пипетку (5 мл, "Норм-Джект", доступная от компании "VWR").

Для получения крахмального образца вначале приготавливают смесь из 40 вес. % крахмала в водопроводной воде и затем нагревают смесь до ее желатинирования. Затем 1,55 г желатинированной смеси добавляют к 22 г подвижной фазы для образования 3 мг/мл раствора, который приготавливают перемешиванием в течение 5 мин, помещением смеси на 1 ч в термостат с температурой 105^oС, удалением смеси из термостата и ее охлаждением до комнатной температуры. Раствор фильтруют с использованием пипетки и фильтра пипетки так, как это описано выше.

Автопробоотборником берут фильтрованный стандартный или образцовый раствор для вымывания прежних испытывавшихся веществ в 100 мкл инжекционном контуре и впрыскивают данное испытываемое вещество в колонку. Колонку выдерживают при 70^oС. Образец, элюированный из колонки, измеряют относительно подвижного фазового фона с помощью дифференциального детектора показателя преломления, выдерживаемого при 50^oС и имеющего диапазон чувствительности, установленный на 64. Подвижной фазой является ДМСО с растворенным в нем 0,1 вес/об. % LiBr. Расход устанавливают на 1,0 мл/мин и в изократическом режиме (т. е. подвижная фаза является постоянной во время опыта). Каждое эталонное вещество или образец трижды испытывают посредством ГПХ, и полученные результаты усредняют.

Молекулярно-массовое распределение (ММР) вычисляют следующим образом:

Д. Термические свойства
Термические свойства данных крахмальных композиций определяют с использованием прибора "ДСК-2910" для термического анализа посредством дифференциальной сканирующей калориметрии, тарированного стандартным веществом с металлическим индием, которое, как сообщалось в химической литературе, имеет температуру плавления (начальную) 156,6^oС и теплоту плавления 6,80 кал/г. Используется стандартная методика проведения дифференциальной сканирующей калориметрии согласно инструкции изготовителя по эксплуатации прибора. Вследствие выделения летучих веществ (например, водяного пара) из крахмальной композиции во время измерения посредством дифференциальной сканирующей калориметрии используют чашку большого объема, снабженную уплотнительным кольцом круглого сечения, чтобы предотвратить утечку летучих веществ из чашки с образцом. Образец и инертный эталонный предмет (обычно пустую чашку) нагревают с одинаковой скоростью в контролируемой окружающей среде. Когда в образце происходит фазовое действительное или псевдопревращение, прибор для дифференциальной сканирующей калориметрии измеряет тепловой поток к образцу или от него в сравнении с тепловым потоком к инертному эталонному предмету или от него. Прибор сопряжен с компьютером для контроля параметров испытания (например, скорости нагрева/охлаждения), сбора, расчета и сообщения данных.

Образец взвешивают в чашке, которую закрывают крышкой с уплотнительным кольцом круглого сечения. Типичный размер образца - 25-65 мг. Помещают закрытую чашку в прибор и программируют компьютер для измерения термических свойств следующим образом:
1) приводят в равновесное состояние при 0^oС;
2) выдерживают в течение 2 минут при 0^oС;
3) нагревают со скоростью 10^oС/мин до 120^oС;
4) выдерживают в течение 2 минут при 120^oС;
5) охлаждают со скоростью 10^o С/мин до 30^oС;
6) приводят в равновесное состояние при окружающей температуре в течение 24 ч; чашка с образцом может быть извлечена из прибора для дифференциальной сканирующей калориметрии и помещена на эту продолжительность времени в контролируемую окружающую среду при 30^oС;
7) возвращают чашку с образцом в прибор для дифференциальной сканирующей калориметрии и приводят в равновесное состояние при 0^oС;
8) выдерживают в течение 2 мин;
9) нагревают со скоростью 10^oС/мин до 120^oС;
10) выдерживают в течение 2 минут при 120^oС;
11) охлаждают со скоростью 10^oС/мин и приводят в равновесное состояние;
12) извлекают использованный образец.

Компьютер вычисляет и сообщает результат термического анализа в виде зависимости дифференциального теплового потока (ΔН) от температуры или времени. Обычно данные о дифференциальном тепловом потоке унифицируются и сообщаются в расчете на вес (т.е. кал/мг). Если образец проявляет фазовое псевдопревращение, как например стеклование, то для более легкого определения температуры стеклования может быть использован график зависимости дифференциала ΔН от времени/температуры.

Е. Растворимость в воде
Крахмальную композицию приготавливают перемешиванием компонентов в нагревательном и перемешивающем устройстве, пока не образуется однородная смесь. Расплавленную композицию отливают в тонкую пленку, распределяя ее по тефлоновому листу и охлаждая при окружающей температуре. Пленку затем полностью высушивают (т.е. до отсутствия воды в пленке/композиции) в термостате при 100^oС. Высушенную пленку затем приводят в равновесное состояние до комнатной температуры. Пленку, приведенную в равновесное состояние, измельчают на небольшие кусочки.

Для определения процентного содержания твердого вещества в образце 2-4 г измельченного образца помещают в предварительно взвешенную металлическую чашку и регистрируют общий вес чашки и образца. Взвешенные чашку и образец помещают на 2 ч в термостат с температурой 100^oС и затем извлекают и сразу же взвешивают. Процентное содержание твердого вещества вычисляют следующим образом:

Для определения растворимости образца композиции отвешивают 10 г измельченного образца в 250 мл химический стакан. Добавляют деионизированную воду до получения общего веса в 100 г. В течение 5 мин перемешивают образец и воду на тарелке для перемешивания. После перемешивания наливают, по меньшей мере, 2 мл перемешанного образца в пробирку центрифуги. Центрифугируют в течение 1 ч при 20000 g и 10^oС. Отбирают образующийся наверху слой центрифугированного образца и определяют показатель преломления. Растворимость образца в процентах вычисляют следующим образом:

Ж. Толщина
Перед испытанием пленочный образец выдерживают при относительной влажности 48-50% и температуре 22 -24^oС, пока не будет достигнуто влагосодержание от около 5 до около 16%. Влагосодержание определяют посредством термогравиметрического анализа (ТГА). Для термогравиметрического анализа используют термогравиметрический анализатор ТГА2950 от компании "ТА инструментc". Согласно инструкциям изготовителя помещают образец и чашку в прибор и повышают температуру со скоростью 10^oС/мин до 250^oС. Влажность образца в процентах определяют, используя данные о потери веса и начальном весе? следующим образом:

Предварительно кондиционированные образцы обрезают до размера больше, чем размер нагрузочного элемента. Используемый нагрузочный элемент представляет собой круг площадью 20,26 см.

Помещают образец на горизонтальную плоскую поверхность и заключают его между этой плоской поверхностью и нагрузочным элементом с горизонтальной нагрузочной поверхностью, которая представляет собой круглую поверхность площадью 20,26 см², после чего прилагают к образцу давление около 15 г/см². Толщина - это получающийся зазор между плоской поверхностью и нагрузочной поверхностью нагрузочного элемента. Такие измерения могут быть проведены с помощью электронного прибора для измерения толщины "ВИР модели П", доступного от компании "Туинг-Альберт", Филадельфия, шт. Пенсильвания, США. Толщину повторно измеряют и регистрируют, по меньшей мере, пять раз. Результат измерений регистрируют в милах (25,4 мкм).

Сумму показаний, зарегистрированных при измерениях толщины, делят на число зарегистрированных показаний. Результат регистрируют в милах (25,4 мкм).

ОБОЗНАЧЕНИЯ:
10 - устройство для изготовления крахмальных нитей;
11 - корпус устройства 10;
12 - полость для нагревательной текучей среды;
13 - фильера;
14 - выпускное отверстие;
15 - воздушное (кольцевое) отверстие;
16 - воздушное (отдельное) отверстие;
17 - крахмальная композиция;
18 - крахмальные нити;
100 - гибкая структура;
110 - первые области гибкой структуры 100;
120 - вторые области гибкой структуры 100 (подушка в некоторых вариантах воплощения изобретения);
130 - третьи области гибкой структуры 100;
115 - по существу свободные пространства (карманы) в гибкой структуре 100 (между консольными частями и первыми областями);
128 - выпуклая часть;
129 - консольные части гибкой структуры 100;
200 - формующий элемент;
201 - нитеприемная сторона формующего элемента 200;
202 - задняя сторона формующего элемента 200;
210 - основа;
211 - первый слой (в многослойной структуре);
212 - второй слой (в многослойной структуре);
215 - свободные пространства между подвесной частью 219 и усиливающим элементом 250;
219 - подвесная часть;
220 - отверстие;
230 - выемка;
250 - усиливающий элемент;
290 - (крепирующий) цилиндр;
292 - шабер;
500 - формировочный элемент;
550 - устройство для создания разрежения;
600 - съемное устройство, создающее разрежение;
800 - гибкий лист материала (гипобарический изгиб);
900а - 900с - нажимные валики;
910 - красильный валик;
920 - распылительное устройство (спрыск);
950 - нажимная лента.

Реферат

Изобретение относится к гибким структурам, содержащим крахмальные нити, которые могут быть применены для производства бумаги. Способ изготовления нитей включает стадии образования крахмальной композиции, содержащей от 10 до 80% крахмала и от 20 до 90% добавок, и электроформования крахмальной композиции. Способ изготовления гибкой структуры включает стадии образования крахмальной композиции, ее электроформования, осаждения множества крахмальных нитей. Изобретение позволяет получить гибкие структуры с улучшенной прочностью, адсорбирующей способностью и мягкостью, удешевляется и ускоряется процесс изготовления пленки. 2 с. и 20 з.п.ф-лы., 1 табл., 11 ил.

Формула