ВСПЕНЕННЫЙ ПЕНОПОЛИОЛЕФИН С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ КРИСТАЛЛИЧНОСТИ
FOAMED CELLULAR POLYOLEFIN WITH HIGH CRYSTALLINE DEGREE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пеноматериал с открытыми порами является необходимым материалом в продуктах, которые захватывают и/или распределяют текучие среды на водной основе, таких как подгузники, трусы для приучения к горшку, трусы для подростков, гигиенические продукты для женщин, предметы одежды и прокладки, используемые при недержании у взрослых, протирочные салфетки, губки, раневые повязки, хирургические губки и подобные. Пеноматериал с открытыми порами также может найти применение в ряде других применений, таких как фильтрация текучей среды, изоляционные применения, звукопоглощение, звукоизоляция, основа коврового покрытия и основа ткани, тепло- или холодоизоляция и амортизация. Один тип пеноматериала с открытыми порами, вспененный пенополиолефин, может проявлять необходимые преимущества, такие как низкая плотность, надлежащая мягкость, высокая впитываемость и низкая стоимость по сравнению с другими типами пеноматериалов, таких как пенополиуретан и эмульсионный пеноматериал с высоким содержанием дисперсной фазы.
Способ изготовления для получения вспененного пенополиолефина предусматривает стадии способа – как вспенивание, так и высушивание. С целью получения пригодного для использования вспененного пенополиолефина после стадий способа вспенивания и высушивания, полиолефиновый полимер должен характеризоваться очень низкой степенью кристалличности с целью обеспечения большого диапазона профиля размягчения для обеспечения склеивания его дисперсных частиц в течение процесса высушивания. С другой стороны, дисперсия полиолефинового полимера с высокой степенью кристалличности будет иметь очень четкую точку фазового перехода при плавлении без плавного процесса размягчения. Относительно полиолефинового полимера с высокой степенью кристалличности, характеризующегося такой тепловой характеристикой, посредством способа высушивания можно также получать либо 1) высушенный порошкообразный пеноматериал, не обладающий целостностью из-за отсутствия связей, образованных между дисперсными частицами, если он высушен при температуре ниже его температуры плавления, либо 2) твердую полимерную пленку без внутренних пор и пустот из-за плавления полимера при температуре, равной или превышающей его температуру плавления.
В основном, есть два типа дисперсий полиолефинового полимера. Первый тип представляет собой дисперсию, содержащую чистый полимер. Следовательно, чистый полимер не является сополимером или интерполимером. Поскольку чистый полиолефиновый полимер является линейным полимером и обладает высокой гибкостью, он может образовать высокоупорядоченные надмолекулярные структуры. Чистые полиолефиновые полимеры, таким образом, обладают высокой степенью кристалличности. Для достижения низкой степени кристалличности, необходимой для успешного изготовления вспененного пенополиолефина с применением чистого полиолефинового полимера, чистый полиолефиновый полимер должен содержать сомономер для разрушения его надмолекулярного порядка и для предотвращения образования им высокоупорядоченной кристаллической структуры. Сополимер полиолефина представляет собой второй общий тип дисперсии полиолефинового полимера. Сополимер полиолефина не имеет склонности к образованию кристаллической структуры и его надмолекулярная структура остается в форме случайным образом разупорядоченной структуры (т. е. так называемой аморфной структуры). Тем не менее, сополимеризация увеличивает стоимость материалов на основе дисперсии полимера, а также отличающегося способа получения полимеров.
Существует необходимость во вспененном пенополиолефине, полученном из дисперсий полиолефинового полимера с высокой степенью кристалличности. Существует необходимость в способе изготовления для получения вспененного пенополиолефина, полученного из дисперсий полиолефинового полимера с высокой степенью кристалличности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
В варианте осуществления пеноматериал с открытыми порами может содержать композицию, содержащую дисперсию полиолефина с высокой степенью кристалличности; способное к сшиванию связующее, а также поверхностно-активное средство. В варианте осуществления полиолефин можно выбирать из полиэтилена или полипропилена. В варианте осуществления связующее может быть водорастворимым. В варианте осуществления связующее можно выбирать из карбоксиметилцеллюлозы или модифицированного белка. В варианте осуществления связующее может быть диспергируемым в воде. В варианте осуществления связующее выбрано из полиизопрена, сополимера винилацетата с этиленом или бутадиен-стирольного каучука. В варианте осуществления связующее может быть сшито с помощью сшивающего средства. В варианте осуществления сшивающее средство можно выбирать из соединений серы, пероксидов, персульфатов, азосоединений, этиленкарбоната, пропиленкарбоната, карбоната аммония-циркония, органических пероксидов и неорганических пероксидов. В варианте осуществления связующее может быть сшито с помощью облучения или электромагнитного воздействия. В варианте осуществления пеноматериал дополнительно может содержать волокна, ненабухающие частицы или их комбинации.
В варианте осуществления способ изготовления пеноматериала с открытыми порами может включать стадии получения композиции, содержащей дисперсию полиолефина с высокой степенью кристалличности, поверхностно-активное средство, способное к сшиванию связующее и сшивающее средство; механического смешивания композиции с воздухом с образованием пены, а также высушивания пены при температуре ниже температуры плавления пеноматериала с открытыми порами и выше температуры, при которой сшивающее средство может сшить связующее. В варианте осуществления полиолефин можно выбирать из полиэтилена или полипропилена. В варианте осуществления связующее может быть водорастворимым. В варианте осуществления связующее можно выбирать из карбоксиметилцеллюлозы или модифицированного белка. В варианте осуществления связующее может быть диспергируемым в воде. В варианте осуществления связующее может быть выбрано из полиизопрена, сополимера винилацетата с этиленом или бутадиен-стирольного каучука. В варианте осуществления связующее может быть сшито с помощью сшивающего средства. В варианте осуществления сшивающее средство можно выбирать из соединений серы, пероксидов, персульфатов, азосоединений, этиленкарбоната, пропиленкарбоната, карбоната аммония-циркония, органических пероксидов и неорганических пероксидов. В варианте осуществления связующее может быть сшито с помощью облучения или электромагнитного воздействия. В варианте осуществления пеноматериал с открытыми порами дополнительно может содержать волокна, ненабухающие частицы или их комбинации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг. 1 представляет собой кривую плавления, которая изображает зависимость теплового потока в ватт/грамм (Вт/г) от температуры на оси X (в градусах Цельсия), полученную посредством дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) для фазового перехода первого рода для сополимера полиэтилена, обозначенного как HYPOD 8510.
Фиг. 2 представляет собой кривую плавления, которая изображает зависимость теплового потока в ватт/грамм (Вт/г) от температуры на оси X (в градусах Цельсия), полученную посредством дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) для фазового перехода первого рода для дисперсии чистого полиэтилена, обозначенной как Michem Shield 251.
Фиг. 3 представляет собой кривую плавления, которая изображает зависимость теплового потока в ватт/грамм (Вт/г) от температуры на оси X (в градусах Цельсия), полученную посредством дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) для фазового перехода первого рода для дисперсии чистого полиэтилена, обозначенной как Michem Guard 55.
Фиг. 4 представляет собой кривую плавления, которая изображает зависимость теплового потока в ватт/грамм (Вт/г) от температуры на оси X (в градусах Цельсия), полученную посредством дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) для фазового перехода первого рода для дисперсии чистого полиэтилена, обозначенной как Hydrocer 257.

Фиг. 5 представляет собой сравнение фотографий, сделанных до, в течение и после касания пальцем вспененного пенополиолефина, изготовленного с помощью сополимера полиэтилена, обозначенного как HYPOD 8510, и вспененного пенополиолефина, изготовленного с помощью дисперсии чистого полиэтилена, обозначенной как Michem Guard 55.

Фиг. 6 представляет собой сравнение фотографий, сделанных до, в течение и после касания пальцем вспененного пенополиолефина, изготовленного с помощью сополимера полиэтилена, обозначенного как HYPOD 8510, и вспененного пенополиолефина, изготовленного с помощью дисперсии чистого полиэтилена, обозначенной как Hydrocer 257 и содержащей связующее.

Фиг. 7 представляет собой сравнение фотографий, сделанных до и в течение изгибания вспененного пенополиолефина, изготовленного с помощью сополимера полиэтилена, обозначенного как HYPOD 8510, и вспененного пенополиолефина, изготовленного с помощью дисперсии чистого полиэтилена, обозначенной как Hydrocer 257 и содержащей связующее.

Фиг. 8 представляет собой сравнение фотографий, сделанных до, в течение и после касания пальцем вспененного пенополиолефина, изготовленного с помощью сополимера полиэтилена, обозначенного как HYPOD 8510, и вспененного пенополиолефина, изготовленного с помощью дисперсии чистого полиэтилена, обозначенной как Hydrocer 257 и содержащей сшитое связующее.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В варианте осуществления настоящее раскрытие в целом направлено на пеноматериал с открытыми порами, который был изготовлен посредством способа вспенивания с применением дисперсий полиолефинового полимера с высокой степенью кристалличности.
Определения
Термин «пеноматериал с закрытыми порами» в соответствии с данным документом относится к образованным газом дискретным полостям в пеноматериале, при этом каждая полость полностью окружена твердым материалом.
Термин «дисперсия» в соответствии с данным документом относится к двухфазной композиции жидкость/полимер, при этом водная фаза обычно представляет собой непрерывную фазу, а полимер суспендирован в ней в устойчивой форме, как, например, с помощью диспергирующего средства/диспергирующей добавки, таким образом, что полимер остается в диспергированном состоянии до и по меньшей мере до тех пор, пока это будет необходимо для завершения стадий вспенивания и высушивания. В варианте осуществления полимер может оставаться диспергированным на всем протяжении процесса вспенивания и высушивания так, что может быть осуществлен весь процесс либо периодическим, либо непрерывным образом без выпадения в осадок полимера из дисперсии.
Термин «высушивание» в соответствии с данным документом относится к процессу воздействия на пену для ее превращения в сухой пеноматериал, а термин «высушивать» в соответствии с данным документом относится к устранению по меньшей мере приблизительно 95% воды из пены.
Термин «пеноматериал» в соответствии с данным документом относится к устойчивой структуре, которая образована путем отделения полостей газа в жидком или твердом состоянии. Как правило, объем газа в пеноматериале является большим, при этом тонкие пленки из жидкости или твердого вещества разделяют зоны с газом.
Термин «пена» в соответствии с данным документом относится к водной дисперсии полимера, которая была вспенена до высушивания.
Термины «вспенивание» или «вспененный» в соответствии с данным документом относятся к процессу введения значительных объемов воздуха или другого газа в жидкость, при этом по меньшей мере приблизительно 80, 85 или 90 объемных процентов вспененного материала состоит из газообразного компонента. Следует понимать, что жидкость на основе воды может представлять собой истинный раствор, мицеллярный раствор или дисперсию. Обычно пену можно создавать посредством механических способов, таких как смешивание с большим усилием сдвига при атмосферных условиях или необязательно при введении газа в систему при смешивании.
Термин «пеноматериал с открытыми порами» в соответствии с данным документом относится к полостям газа, соединенным друг с другом. Жидкость может легко протекать через всю структуру пеноматериала с открытыми порами, вытесняя воздух. Пеноматериал с открытыми порами может характеризоваться содержанием открытых пор по меньшей мере приблизительно 80, 85 или 90%, как определено с помощью и в соответствии с ASTM D2856-A.
Термин «поверхностно-активное средство» в соответствии с данным документом относится к соединению, которое снижает поверхностное натяжение жидкости, поверхностное натяжение на границе раздела фаз между двумя жидкостями или натяжение между жидкостью и твердым веществом. Поверхностно-активные средства могут выполнять функцию моющих средств, смачивающих средств, эмульгаторов, пенообразователей и диспергирующих добавок.
Дисперсия полимера
Вспениваемые композиции полиолефиновых полимеров могут находиться в форме дисперсий. Полиолефиновые полимеры, являющиеся твердыми веществами, такими как порошок и гранулы, можно превращать во вспениваемую дисперсию путем ее смешивания с водой и, если необходимо, с диспергирующей(ими) добавкой(ами) в определенных условиях обработки, таких как экструзия под высоким давлением при повышенной температуре. Дисперсию полиолефинового полимера затем можно смешивать с воздухом или пенообразующим поверхностно-активным средством для превращения ее в пену.
3
Дисперсия полимера может включать в себя полиолефиновый полимер. Полиолефиновый полимер может представлять собой полиолефиновый полимер с высокой степенью кристалличности. В варианте осуществления полиолефиновый полимер может представлять собой чистый полиолефиновый полимер. В таком варианте осуществления чистый полиолефиновый полимер не является сополимером или интерполимером. В варианте осуществления полиолефиновый полимер может представлять собой чистый полиолефиновый полимер с высокой степенью кристалличности. В варианте осуществления полиолефиновый полимер может быть охарактеризован посредством демонстрации конкретного типа кривой дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) эндотермической кривой полиолефина. В таком варианте осуществления наблюдаемая эндотермическая кривая может демонстрировать то, что обычно считают четкой точкой плавления. На фиг. 2-4 показаны неограничивающие примеры эндотермической кривой полиолефина трех иллюстративных чистых полиолефиновых полимеров с высокой степенью кристалличности. Фиг. 2 представляет собой эндотермическую кривую полиолефина дисперсии чистого полиэтилена, коммерчески доступной от Michelman и обозначенной как Michem Shield 251. Фиг. 3 представляет собой эндотермическую кривую полиолефина дисперсии чистого полиэтилена, коммерчески доступной от Michelman и обозначенной как Michem Guard 55. Фиг. 4 представляет собой эндотермическую кривую полиолефина дисперсии чистого полиэтилена, коммерчески доступной от Shamrock и обозначенной как Hydrocer 257. С другой стороны, фиг. 1 представляет собой эндотермическую кривую дисперсии сополимера полиэтилена, коммерчески доступной от Dow Chemical Co. и обозначенной как HYPOD 8510. Сополимер полиэтилена (фиг. 1) демонстрирует широкий температурный интервал плавления в отличие от четкой точки плавления чистых полиолефиновых полимеров с высокой степенью кристалличности (фиг. 2-4). Примеры полиолефиновых полимеров с высокой степенью кристалличности включают без ограничения полиэтилен и полипропилен. Чистый полипропилен может характеризоваться либо высокой степенью кристалличности, либо низкой степенью кристалличности в зависимости от регулярности его молекулярной структуры. Взаимная ориентация каждой метильной группы (CH) относительно метильных групп в соседних мономерных звеньях обладает сильным эффектом на способность полимера к образованию кристаллов. Полипропилен с высокой степенью кристалличности характеризуется либо изотактической, либо синдиотактической регулярностью молекулярной структуры.
Дисперсия полиолефинового полимера может включать в себя диспергирующую добавку. Диспергирующая добавка может присутствовать в количестве от приблизительно 1, 2 или 3% до приблизительно 5, 8 или 10%, исходя из веса водной дисперсии дисперсии полимера. Диспергирующую добавку, используемую для стабилизации частиц полимера в дисперсии полимера, можно варьировать в зависимости от выбора полиолефинового полимера. Диспергирующая добавка может быть такой же как или отличной от пенообразующего поверхностно-активного средства при последовательном получении пены.
Пена
Для получения вспененного пенополиолефина дисперсию полимера превращают в пену. Дисперсию полимера вместе с другими компонентами, такими как связующее и необязательное сшивающее средство, вспенивают путем механического перемешивания в присутствии вспенивающей композиции и воздуха. Пеообразующая композиция содержит по меньшей мере одно пенообразующее поверхностно-активное средство или комбинацию нескольких пенообразующих поверхностно-активных средств, которые можно добавлять в дисперсию полимера для достижения по меньшей мере одной из четырех функциональных целей: способности к вспениванию (для улучшения способности дисперсии полимера к захвату всего количества воздуха), функциональной возможности стабилизации (для улучшения удержания захваченного воздуха в течение стадии высушивания), характеристик смачивания (для улучшения способности к смачиванию текучей средой высушенного вспененного пенополиолефина) и способности к гелеобразованию в пене (для улучшения эластичности после деформации). Ряд вспененных пенополиолефинов можно изготавливать в зависимости от типа вспененного пенополиолефина и необходимой функциональной способности. Например, мягкий и рыхлый вспененный пенополиолефин можно получать посредством перемешивания дисперсии полиолефина со связующим, необязательным сшивающим средством, воздухом и пенообразующей композицией, содержащей по меньшей мере одно пенообразующее поверхностно-активное средство для обеспечения вспенивания и стабилизации. В качестве альтернативы, мягкий, рыхлый и способный к смачиванию вспененный пенополиолефин можно получать посредством смешивания дисперсии полиолефина со связующим, необязательным сшивающим средством, воздухом и пенообразующей композицией, содержащей по меньшей мере одно пенообразующее поверхностно-активное средство или комбинацию нескольких пенообразующих поверхностно-активных средств, с целью получения вспененного пенополиолефина, который способен к обеспечению функций вспенивания, стабилизации и смачиваемости.
Создание и стабилизация пены в течение стадии вспенивания и высушивания, таким образом, может быть выполнено путем добавления пенообразующего поверхностно-активного средства, связующего и необязательного сшивающего средства в дисперсию полиолефина при первоначальном создании пены. Кроме того, пенообразующее поверхностно-активное средство может улучшать смачивание водой, если необходимо. Приемлемые пенообразующие поверхностно-активные средства можно выбирать без ограничения из катионных, анионных и неионных поверхностно-активных средств.
Можно применять катионные поверхностно-активные средства, включающие без ограничения соли первичного амина, соли диамина, соли четвертичного аммония и этоксилированные амины, а также неионные поверхностно-активные средства, такие как этоксилаты алкилфенолов и этоксилаты линейных и вторичных спиртов с алкильной группой, содержащей более 8 атомов углерода.
Анионные поверхностно-активные средства, которые можно применять при получении пены, могут включать без ограничения соли карбоновых кислот и амиды сложных эфиров карбоновых жирных кислот, жирных кислот, содержащих 12-36 атомов углерода, таких как стеариновая или лауриновая кислота, пальмитиновая, миристиновая, олеиновая, линолевая, рицинолевая, эруковая кислота, жирных кислот, содержащих 12-24 атомов углерода, и их солей щелочных металлов (например, натрия или калия) и алканоламинных или аммонийных солей. Когда требуется хорошее тактильное ощущение или ощущение, подобное ткани, в готовом вспененном пенополиолефине можно применять производное насыщенной жирной кислоты (например, соль стеариновой или пальмитиновой кислоты). Другие приемлемые анионные поверхностно-активные средства включают алкилбензолсульфонаты, вторичные н-алкансульфонаты, альфа-олефинсульфонаты, диалкилдифенилен оксид сульфонаты, сложные эфиры сульфосукцинатов, изетионаты, линейные алкилсульфаты (спирта) и сульфаты простых эфиров линейных спиртов.
Пенообразующие поверхностно-активные средства можно также разделить на четыре категории в зависимости от функции. (1) Средство захватывания воздуха применяют для усиления способности жидкости (дисперсии, раствора и т. д.) захватывать воздух, что можно измерять путем определения «степени раздува». Примеры средств захватывания воздуха включают без ограничения лаурат калия, лаурилсульфат натрия, лаурилсульфат аммония, стеарат аммония, олеат калия, октадецилсульфосукцинимат динатрия, гидроксипропилцеллюлозу и их комбинации. (2) Стабилизатор применяют для улучшения устойчивости воздушных пузырьков пены в зависимости от времени и температуры. Примеры стабилизаторов включают без ограничения лаурилсульфат натрия, стеарат аммония, гидроксипропилцеллюлозу, микро- или наночастицы и волокна и их комбинации. (3) Смачивающее средство применяют для улучшения смачиваемости высушенного пеноматериала. Примеры смачивающих средств включают без ограничения лаурилсульфат натрия, лаурат калия, октадецилсульфосукцинимат динатрия и их комбинации. (4) Гелеобразующее средство применяют для стабилизации воздушных пузырьков в пене посредством воздействия на дисперсию полимера с целью принятия формы геля, что обеспечивает усиление стенок ячеек. Примеры гелеобразующих средств без ограничения включают гидроксипропилцеллюлозу, гидроксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу и другие простые эфиры модифицированной целлюлозы и их комбинации. Некоторые поверхностно-активные средства могут обеспечивать более одной из вышеперечисленных функций. Таким образом, хотя это и возможно, нет необходимости применять поверхностно-активное средство из каждой из четырех категорий в пене одновременно.
Дополнительные поверхностно-активные средства могут включать без ограничения соли щелочных металлов (например, натрия или калия), моно-, ди- и три-алканол- (например, моно-, ди- или триэтанол-) аминные соли и аммонийные соли лаурилсульфата, додецилбензолсульфаты, этоксисульфаты спирта, изетионаты и двухосновную соль N-октилдецилсульфосукцинимат, а также их комбинации.
Данные поверхностно-активные средства могут отличаться или могут не отличаться от таковых, применяемых в качестве диспергирующей добавки для получения дисперсии полимера. Данные поверхностно-активные средства служат как для содействия созданию пены, так и для способствования стабилизации пены. Поверхностно-активные средства можно добавлять в любом количестве, приемлемом для вспенивания дисперсии полимера. В варианте осуществления поверхностно-активные средства можно добавлять в количестве от приблизительно 2% до приблизительно 15 или 20% по весу композиции. Любому представленному составу присуща способность захватывания фиксированного количества воздуха. В течение процесса вспенивания важным является наличие достаточного количества воздуха, способного к вспениванию дисперсии полимера. Если количество обеспечиваемого воздуха является меньшим, чем достаточное, способность дисперсии полимера к вспениванию может не быть реализована полностью, и полученный вспененный пенополиолефин может не быть оптимальным. С другой стороны, если подача воздуха выше, чем необходимо для дисперсии полимера, воздушные пузырьки с размером большим, чем нормальный размер, могут быть захвачены внутрь пены, что может изменить средний размер пор и распределение во вспененном пенополиолефине, что может привести к разрыву в течение процесса высушивания и наконец или нарушить однородность вспененного пенополиолефина, и/или привести к созданию дефектов внутри структуры с открытыми порами вспененного пенополиолефина.
Пена может включать в себя связующее. Связующее может выполнять функцию клея для склеивания высушенных частиц дисперсии полимера вместе. При выборе связующего связующее должно демонстрировать выгодные характеристики, такие как мягкость и адгезионная способность для обеспечения общей механической прочности как во влажных, так и в сухих условиях, а также упругость для придания вспененному пенополиолефину с открытыми порами эластичности. В варианте осуществления связующее может быть водорастворимым. Примеры водорастворимого связующего включают без ограничения карбоксиметилцеллюлозу и модифицированный белок. В варианте осуществления связующее может быть диспергируемым в воде. Примеры диспергируемого в воде связующего включают без ограничения полиизопрен, сополимер винилацетата с этиленом и бутадиен-стирольный каучук. Связующее можно добавлять к пене в количестве от приблизительно 5 вес. % до приблизительно 60 вес. % общего веса полимера в составе.
В варианте осуществления связующее, выбранное для применения в пене, может обеспечивать достаточную адгезию, но не обеспечивать достаточную механическую прочность. В таком варианте осуществления полученный вспененный пенополиолефин может демонстрировать надлежащую мягкость и когезию, но недостаточную прочность при растяжении и эластичные свойства, что может привести к низкой эластичности и слабому сопротивлению на изгиб. В таком варианте осуществления связующее может быть дополнительно сшито с помощью сшивающего средства. Полученный вспененный пенополиолефин может затем демонстрировать надлежащую мягкость, когезию, эластичность и сопротивление на изгиб. Примеры сшивающих средств включают без ограничения соединения серы (например, Curepaste 590, доступный от Para-Chem), пероксиды (например, пероксид водорода), персульфат (например, персульфат калия), азосоединения (например, бисизобутиронитрил), этиленкарбонат, пропиленкарбонат, карбонат аммония-циркония, органические пероксиды (например, 1,3,1,4-бис(трет-бутилпероксиизопропил)бензол, дикумилпероксид, трет-бутилкумилпероксид, 2,5-ди(трет-бутилперокси)-2,5-диметилгексан, н-бутил-4,4-ди(трет-бутилперокси)валерат, 1,1’-ди(трет-бутилперокси)-3,3,5-триметилциклогексан, 2,4-пентандионпероксид, 1,1-бис(трет-бутилперокси)циклогексан, 1,1-бис(трет-амилперокси)циклогексан и бензоилпероксид) и неорганические пероксиды (например, пероксид водорода, пероксид бария, пероксид натрия, пероксид калия, пероксид кальция и пероксид магния). Приемлемое количество сшивающего средства зависит от типа сшивающего средства, эффективности сшивания, степени кристалличности полиолефинового полимера, плотности вспененного пеноматериала, количества применяемого связующего и т. д. Сшивающее средство можно использовать в количестве в диапазоне от приблизительно 0,1 вес. % до приблизительно 10 вес. %. В варианте осуществления сшивание связующего также может быть выполнено посредством других нехимических механизмов сшивания, таких как обработка электронными лучами. Как будет описано в данном документе, общая прочность и эластичные свойства вспененного пенополиолефина могут быть улучшены при изготовлении с помощью композиции, включающей в себя дисперсию полимера с высокой степенью кристалличности, связующее и сшивающее средство.
Получение пены
Пену можно получать из дисперсии полимера посредством применения способа механического смешивания с высоким усилием сдвига для захватывания воздуха или другого газа в водной фазе дисперсии полимера. Количество воздуха или другого газа (где газ является необходимым в дополнение к воздуху или помимо воздуха), подлежащее введению в пену, может составлять по меньшей мере приблизительно 80, 85 или 90 процентов по объему получаемой пены. В целом, все компоненты, подлежащие применению при получении пены, смешивают вместе при умеренном перемешивании во избежание захватывания воздуха. После надлежащего смешивания всех компонентов компоненты подвергают механическому перемешиванию с высоким усилием сдвига.
Пену можно получать с помощью любого приемлемого оборудования, обычно применяемого для вспенивания жидкостей на основе воды и дисперсии. Любое устройство для смешивания или перемешивания, пригодное для получения водных дисперсий частиц, можно применять при получении дисперсии и при последующем составлении и смешивании с поверхностно-активными средствами и другими добавками, при этом соблюдая осторожность во избежание захватывания значительных количеств воздуха в смесь до начала вспенивания. Кухонный миксер или другое лопастное оборудование для смешивания является приемлемым устройством. Мешалка непрерывного действия от E.T. Oakes Corporation или Chemical Foam System от Gaston Systems Incorporated также являются приемлемыми для коммерческих применений. Когда смесь получена, такое же или отличное устройство для смешивания затем можно эксплуатировать для начала захватывания воздуха в составленной водной смеси, содержащей дисперсию полимера и любые другие добавки, при необходимости.
Для достижения необходимой плотности конечного вспененного пенополиолефина надлежащее содержание пенообразователя и воздуха можно определять посредством простого эксперимента. Плотность пены можно измерять посредством отбора образцов пены в чашки заранее определенного объема и веса, взвешивания чашки, заполненной пеной, а затем вычисления плотности образца. Скорость устройства для смешивания затем можно повышать или снижать для достижения необходимой плотности пены.
Высушивание или высушивание и отверждение пены
Высушивание пены с образованием вспененного пенополиолефина можно осуществлять периодически или в непрерывном режиме. Для высушивания можно использовать устройства, такие как традиционные сушильные камеры с принудительной подачей воздуха, или блоки с лампами с излучением тепла в инфракрасной области спектра, или устройства для диэлектрического нагрева, выстилающие туннельную печь или камеру, в которые можно помещать пену или через которые можно транспортировать пену непрерывным образом. Для высушивания пены с образованием пеноматериала можно применять комбинацию таких средств высушивания, задействованных либо параллельно, либо последовательно. Температуры процесса высушивания можно выбирать в соответствии с природой и температурным интервалом плавления полимера (как определено с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC)), применяемыми для получения дисперсии полимера и наконец вспененного пенополиолефина.
Вспененный пенополиолефин можно получать путем удаления жидких/водных компонентов пены. В варианте осуществления пену можно высушивать и превращать во вспененный пенополиолефин посредством ее нагрева в сушильной камере с принудительной подачей воздуха при температуре, приемлемой для оптимального высушивания. Поскольку природа полимера позволяет, процесс высушивания можно осуществлять при наивысшей температуре, при которой возможно быстрое удаление воды из пены без нарушения вязкости полимера на поверхности пены или без значительного (как например, более 30% объема) разрушения частично высушенной пены. В целом, необходимым является осуществление стадии высушивания при температуре, которая достигает, но не превышает, температурный интервал плавления полимера. Необходимым условием является достижение температуры, при которой аморфные участки в полимере могут начать соединяться при сохранении достаточной вязкости для нагретого полимера во избежание или для по меньшей мере минимизации разрушения пены перед тем, как вспененный пенополиолефин становится полностью «высушенным» в своей окончательной форме и размере и высушивается по меньшей мере 95 весовых процентов воды в пене. При высушивании вспененного пенополиолефина непрерывным образом температура высушивания может отличаться в различных зонах высушивания. Температура высушивания в начальной зоне может быть выше, чем температура плавления полиолефина, поскольку вспененный пенополиолефин в этой зоне все еще содержит много воды. Это может повысить скорость высушивания и снизить время, необходимое для высушивания.
Температурный интервал плавления полимера определяют посредством методик дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), и температуры, ограничивающие участок эндотермической кривой DSC или конечной эндотермической кривой, если существует более чем одна, непосредственно перед возвращением к базовой линии на графике DSC, представляют собой диапазон температур, в котором подлежит осуществлению высушивание пены с образованием конечного вспененного пенополиолефина. Диапазон высушивания для полимеров может составлять от приблизительно 80 до приблизительно 150 градусов C. В течение процесса высушивания посредством поддержания такой температуры большая часть полимера способна плавиться без полной потери прочности полимера при растяжении и разрушения пузырьков, что будет неизбежно в противном случае, если все кристаллические части полимера подлежат плавлению.
Такие же ограничения температуры для высушивания пенного пеноматериала должны также поддерживаться как для отверждения или сшивания. Температура отверждения должна быть ниже, чем температурный интервал плавления полимера, как описано выше.
В варианте осуществления пену можно экструдировать на транспортирующее устройство, из которого вспененный пенополиолефин может быть извлечен после процесса высушивания. В варианте осуществления пену можно экструдировать или отливать непосредственно на другую подложку, с которой при высушивании она будет склеиваться с образованием слоистой структуры с полученным вспененным пенополиолефином по меньшей мере на одной стороне подложки. В варианте осуществления пена может быть сформована в профиль с определенной формой путем продавливания пены через головку или другую обуславливающую профиль структуру с определенной формой перед осуществлением стадии высушивания. В варианте осуществления стадию тиснения можно осуществлять посредством применения элементов, имеющих определенную форму, на ленте транспортера для пены в течение высушивания или позже, на отдельной стадии термотиснения, посредством применения нагретой, имеющей определенную форму, несущей элементы ленты или ролика по отношению к большей части поверхности вспененного пенополиолефина. В варианте осуществления пену можно помещать в нагретое гнездо формы. В таком варианте осуществления могут быть предусмотрены каналы отведения пара из вспененного пенополиолефина в окружающую атмосферу. Отлитые в форме изделия из вспененного пенополиолефина, которые обладают конкретной формой, можно формовать, а затем можно применять при изготовлении впитывающего изделия, такого как впитывающие изделия, применяемые для гигиенического и медицинского назначения, где могут быть необходимы облегающие тело изделия.
После высушивания пены полученный вспененный пенополиолефин может характеризоваться структурой пеноматериала с открытыми порами, при этом внутренние поры или пустоты могут быть взаимосвязанными и проницаемыми. Пеноматериал с открытыми порами может быть охарактеризован с помощью нескольких структурных параметров, таких как, например, плотность, средний размер пор и распределение, толщина стенки ячейки, форма ячейки и однородность и т. д. Для регулирования получения данных структурных параметров можно применять несколько факторов, которые включают без ограничения тип химического состава дисперсии полимера, тип химического состава поверхностно-активного средства, дополнительное количество поверхностно-активных средств, тип связующего, дополнительное количество связующего, тип сшивающего средства, дополнительное количество сшивающего средства, отношение дисперсии полимера к воде (т. е. концентрация твердых веществ), оборудование для вспенивания (т. е. кухонные удобные миксеры, рабочая поверхность стола или установки для вспенивания промышленного масштаба), количество воздуха, введенного при смешивании, скорость высушивания, температуру и другие условия высушивания.
Добавки
Вспененный пенополиолефин может дополнительно включать в себя дополнительные компоненты в количествах, зависящих от применения, для которого они разработаны, в диапазоне от приблизительно 2 до приблизительно 100 процентов в пересчете на сухое вещество компонента полимера. Данные необязательные ингредиенты могут включать без ограничения волокна, ненабухающиe частицы или их комбинации. Ненабухающие частицы включают без ограничения микрочастицы, углеродную сажу, силикагели, карбонат кальция, порошок диоксида титана, полимерные частицы, полые стеклянные сферы, увеличиваемые под действием тепловой энергии микросферы, дополнительные дисперсии полимеров, ароматизирующие средства, антибактериальные средства, увлажняющие средства, средства, облегчающие дискомфорт, медикаменты и их комбинации. Вспененный пенополиолефин, предназначенный для применения во впитывающем изделии, может содержать материал для впитывания объема жидкости, такой как короткое хлопковое волокно или другое целлюлозное волокно, равномерно распределенные по всему вспененному пенополиолефину. Во вспененный пенополиолефин можно также включать тонкодисперсные частицы сверхвпитывающего материала. Волокна и/или ненабухающие частицы могут обеспечивать улучшенную устойчивость вспененному пенополиолефину и могут также предоставить преимущества продукта конечному вспененному пенополиолефину. Например, если углеродную сажу или порошок карбоната кальция добавляют во вспененный пенополиолефин, конечный вспененный пенополиолефин может демонстрировать улучшенные свойства поглощения запаха. Другие улучшенные свойства, обусловленные добавлением волокна и/или ненабухающих частиц, включают без ограничения механическую прочность, упругость/растяжимость, противомикробные свойства, электропроводность, ароматизирующие свойства, теплоизоляцию и медицинский эффект для кожи.
Примеры
1. Вспененные пенополиолефины, характеризующиеся различными степенями кристалличности
К двум пенообразующим поверхностно-активным средствам добавляли пять дисперсий полиолефина и подвергали их механическому смешиванию в миксере KitchenAid при высокой скорости (положение № 10) в течение пяти (5) минут с получением пены с химическим составом на основе каждого полиолефинового полимера. Затем пену с химическим составом на основе каждого полиолефинового полимера отливали в листы посредством литья пены непосредственно на нетканый спанбонд в качестве подложки с различными значениями толщины, регулируемыми посредством диаметра металлического стержня (1/8”, ¼” и ½”). Листы затем высушивали в печи в течение 20 минут. В таблице 1 ниже приведены полученные коды.
Таблица 1. Перечень кодов пеноматериалов
1
– Stanfax 320 представляет собой раствор стеарата аммония, коммерчески доступный от ParaChem, с концентрацией твердого вещества 36 вес. %.
2
– Stanfax 318 представляет собой раствор лаурилсульфата натрия, коммерчески доступный от ParaChem, с концентрацией твердого вещества 27 вес. %.
3
TM
– HYPOD 8510 представляет собой дисперсию сополимера полиэтилена, коммерчески доступную от Dow Chemical Co., с концентрацией твердого вещества 42 вес. %.
4
– Guard 55 представляет собой дисперсию чистого полиэтилена, коммерчески доступную от Michelman (обозначенную как Michem Guard 55).
5
– Shield 251 представляет собой дисперсию чистого полиэтилена, коммерчески доступную от Michelman (обозначенную как Michem Shield 251).
6
– Hydrocer 257 представляет собой дисперсию чистого полиэтилена, коммерчески доступную от Shamrock (обозначенную как Hydrocer 257).
7
– Hydrocer 77 представляет собой дисперсию чистого полиэтилена, коммерчески доступную от Shamrock (обозначенную как Hydrocer 77).
На фиг. 5 показано визуальное сравнение фотографий вспененных пенополиолефинов, полученных в соответствии с кодом 1-2, дисперсия сополимера полиэтилена (обозначенная как HYPOD 8510), и в соответствии с кодом 1-3, дисперсия чистого полиэтилена (обозначенная как Michem Guard 55). При визуальном сравнении фотографий двух пеноматериалов сравнивали два пеноматериала до (фото «A»), в течение (фото «B») и после касания пальцем каждого пеноматериала (фото «C»). Фото «D» представляет собой дополнительную фотографию пеноматериала, изготовленного с помощью дисперсии чистого полиэтиленового полимера, после касания пальцем. Как можно видеть на фотографиях, пеноматериал, полученный с помощью сополимера полиэтилена, как оказалось, сохраняет свою структуру после касания пальцем. С другой стороны, пеноматериал, полученный с помощью дисперсии чистого полиэтиленового полимера с высокой степенью кристалличности, не сохранял свою структуру и становился порошком при касании пальцем. Поскольку пеноматериал, полученный с помощью дисперсии чистого полиэтиленового полимера с высокой степенью кристалличности, был настолько непрочным, что не сохранял свою структуру, плотность данного пеноматериала невозможно было измерить.
2. Вспененные пеноматериалы из дисперсии полиолефина с высокой степенью кристалличности со связующим
TM
К двум пенообразующим поверхностно-активным средствам добавляли четыре дисперсии полиолефина и подвергали их механическому смешиванию в миксере KitchenAid при высокой скорости (положение № 10) в течение пяти (5) минут с получением пены с химическим составом на основе каждого полиолефинового полимера. Затем пену с химическим составом на основе каждого полиолефинового полимера отливали в листы посредством литья пены непосредственно на нетканый спанбонд в качестве подложки с различными значениями толщины, регулируемыми посредством диаметра металлического стержня (1/8”, ¼”, ½”). Листы затем высушивали в печи в течение 20 минут. Для способствования устойчивости химического состава полиолефина применяли некоторые материалы в качестве связующего для смешивания с дисперсиями полиолефина с высокой степенью кристалличности при образовании пены для усиления механической прочности и целостности вспененных пенополиолефинов. Исследуемые связующие включают бутадиен-стирольный каучук (SBR), такой как Butanol NS 104, Butanol NS 209, Butanol  NS 222 (каждый коммерчески доступен от BASF); полностью насыщенный эластомерный терполимер, такой как HyStretch V-43 (коммерчески доступный от Lubrizol Advanced Materials, Inc.); латексные дисперсии винилацетат-этилена, такие как Dur-O-Set Elite Plus (DOS EP), Dur-O-Set 351A (DOS 351A) и Dur-O-Set Elite Ultra (DOS EU) (каждая коммерчески доступна от Celanese Emulsion Polymers); карбоксиметилцеллюлозу, такую как CMC-7L, коммерчески доступную от Aqualon; связующий материал красок, такой как GLN9013, коммерчески доступный как краска Glidden, доступная от The Home Depot (содержит 20-30% акриловой смолы и 10-20% глины); материал на основе синтетического каучука, такой как полиизопрен (PIP), коммерчески доступный от Kraton Polymers, а также другие связующие, такие как SB7201, коммерчески доступное от Momentive Specialty Chemicals Inc. (Synthebond 7201LSE, клей, склеивающий при надавливании, на основе акриловой эмульсии, в котором не применяют усилитель клейкости) и PC4610 (полимер Pro-Cote 4610E Soy, полимер на основе белка), коммерчески доступный от DuPont. В таблице 2 ниже приведены полученные вспененные полиолефиновые пеноматериалы.
Таблица 2. Перечень кодов пеноматериалов
На фиг. 6 показано визуальное сравнение фотографий вспененных пенополиолефинов, полученных в соответствии с кодом 1-2, дисперсия сополимера полиэтилена (обозначенная как HYPOD 8510), и в соответствии с кодом 2-4, дисперсия чистого полиэтилена (обозначенная как Hydrocer 257), которые были смешаны со связующим (связующее на основе бутадиен-стирольного каучука, Butanol NS104). Визуальное сравнение фотографий двух пеноматериалов представлено до (фото «A»), в течение (фото «B») и после касания пальцем каждого пеноматериала (фото «C»). Как можно видеть на фотографиях, пеноматериал, полученный с помощью сополимера полиэтилена, как оказалось, сохраняет свою структуру после касания пальцем. Пеноматериал на основе сополимера полиэтилена также был способен демонстрировать эластичность и упругость после касания пальцем, поскольку пеноматериал был способен восстанавливаться до своей первоначальной структуры. С другой стороны, пеноматериал, полученный с помощью дисперсии чистого полиэтиленового полимера с высокой степенью кристалличности и связующего (без сшивающего средства), демонстрировал улучшенную механическую прочность и когезию своей структуры, поскольку пеноматериал не превращался в порошок после касания пальцем. Пеноматериал на основе полимера с высокой степенью кристалличности и несшитого связующего, тем не менее, не демонстрировал эластичность и упругость. Как проиллюстрировано на фиг. 6, фото «C» в соответствии с кодом 2-4, после надавливания пальцем, деформация пеноматериала, обусловленная надавливанием пальца, сохранялась в пеноматериале в виде отпечатка пальца.
Кроме того, в то время как пеноматериал на основе полиэтилена с высокой степенью кристалличности с несшитым связующим был способен демонстрировать улучшенную механическую прочность, улучшения механической прочности было недостаточно для предотвращения разрушения пеноматериала после изгибания пеноматериала. На фиг. 7 показано визуальное сравнение фотографий вспененных пенополиолефинов, полученных в соответствии с кодом 1-2, дисперсия сополимера полиэтилена (обозначенная как HYPOD 8510), и в соответствии с кодом 2-4, дисперсия чистого полиэтилена (обозначенная как Hydrocer 257), которые были смешаны со связующим (связующее на основе бутадиен-стирольного каучука, Butanol NS104). Визуальное сравнение фотографий двух пеноматериалов представлено до (фото «A») и в течение (фото «B») изгибающего воздействия, прилагаемого по отношению к пеноматериалам. Как можно видеть на фотографиях, пеноматериал, полученный с помощью сополимера полиэтилена, как оказалось, сохраняет свою структуру после изгибающего воздействия. С другой стороны, пеноматериал, полученный с помощью дисперсии чистого полиэтиленового полимера с высокой степенью кристалличности и связующего (без сшивающего средства), демонстрировал, что в то время как пеноматериал на основе полиэтилена с высокой степенью кристалличности с несшитым связующим был способен демонстрировать улучшенную механическую прочность, улучшения механической прочности было недостаточно для предотвращения разрушения пеноматериала после изгибания пеноматериала.
3. Вспененный пеноматериал на основе полиолефина с высокой степенью кристалличности со связующим и сшивающим средством
Для улучшения механической прочности, эластичности, упругости и когезии вспененного пеноматериала на основе полиолефина с высокой степенью кристалличности со связующим, сшивающее средство смешивали с дисперсией полиолефина и связующим. К двум пенообразующим поверхностно-активным средствам добавляли дисперсию полиолефина и подвергали механическому смешиванию в миксере KitchenAid при высокой скорости (положение № 10) в течение пяти (5) минут с получением пены с химическим составом на основе полиолефинового полимера. Затем пену отливали в листы посредством литья пены непосредственно на нетканый спанбонд в качестве подложки с различными значениями толщины, регулируемыми посредством диаметра металлического стержня (1/8”, ¼”, ½”). Для способствования устойчивости химического состава полиолефина применяли некоторые материалы в качестве связующего для смешивания с дисперсиями полиолефина с высокой степенью кристалличности при образовании пены для усиления механической прочности и целостности вспененных пенополиолефинов. Предусматривали также сшивающее средство для дополнительного усиления устойчивости вспененного пенополиолефина. В таблице 3 ниже приведены полученные пеноматериалы.
Таблица 3. Перечень кодов пеноматериалов
2
– Curepaste 590 (коммерчески доступный от Royal Coatings & Specialty Polymers) представляет собой серосодержащее сшивающее средство для каучука, такого как NS104, коммерчески доступного от BASF.
3
– Stanfax 238 представляет собой пенообразующее поверхностно-активное средство, содержащее три компонента: пирофосфат тетракалия (TKPP: буферное средство, эмульгатор и диспергирующее средство), нейтрализующее средство (т. е. KOH) и загуститель (т. е. T-111) при отношении веса сухого вещества 238:TKPP:KOH:T-111=1:0,67:0,07:1,4.
4
– Luperox 231 представляет собой органический пероксид, коммерчески доступный от Arkema с молекулярной структурой 1,1-ди(трет-бутилперокси)-3,3,5-триметилциклогексан.
5
o
– DOS 909tsb представляет собой Dur-O-Set 909tsb, усилитель клейкости, который сшивает при 100C, коммерчески доступный от Celanese Emulsion Polymers.
На фиг. 8 показано визуальное сравнение фотографий вспененных пенополиолефинов, полученных в соответствии с кодом 1-2, дисперсия сополимера полиэтилена (обозначенная как HYPOD 8510), и в соответствии с кодом 3-5, дисперсия чистого полиэтилена (обозначенная как Hydrocer 257), которые были смешаны со связующим (связующее на основе бутадиен-стирольного каучука, Butanol NS104) и сшивающим средством (Curepaste 590). Визуальное сравнение фотографий двух пеноматериалов представлено до (фото «A»), в течение (фото «B») и после касания пальцем каждого пеноматериала (фото «C»). Как можно видеть на фотографиях, пеноматериал, полученный с помощью сополимера полиэтилена, как оказалось, сохраняет свою структуру после касания пальцем. Пеноматериал на основе сополимера полиэтилена также был способен демонстрировать эластичность и упругость после касания пальцем, поскольку пеноматериал был способен восстанавливаться до своей первоначальной структуры. Кроме того, пеноматериал, полученный с помощью дисперсии чистого полиэтиленового полимера с высокой степенью кристалличности, связующего и со сшивающим средством сохранял свою структуру и когезию своей структуры, поскольку пеноматериал не превращался в порошок после касания пальцем. Кроме того, пеноматериал на основе полимера с высокой степенью кристалличности и сшитого связующего демонстрировал эластичность и упругость. Как проиллюстрировано на фиг. 8, фото «C» в соответствии с кодом 3-5, после надавливания пальцем, пеноматериал был способен вернуться к своей первоначальной форме и структуре после деформации пеноматериала, обусловленной надавливанием пальцем.
В интересах краткости и сжатости, любые диапазоны значений, указанные в настоящем раскрытии, подразумевают все значения внутри диапазона и должны истолковываться как основание для пунктов формулы изобретения, в которых излагаются какие-либо поддиапазоны, имеющие граничные точки, являющиеся целочисленными значениями в пределах указанного обсуждаемого диапазона. В качестве гипотетического примера, раскрытие диапазона от 1 до 5 следует рассматривать как основание для притязаний на любой из следующих диапазонов: 1-5; 1-4; 1-3; 1-2; 2-5; 2-4; 2-3; 3-5; 3-4 и 4-5.
Размеры и значения, раскрытые в данном документе, не следует понимать как строго ограниченные изложенными точными численными значениями. Вместо этого, если не указано иное, каждый такой размер должен обозначать как приведенное значение, так и функционально эквивалентный диапазон, охватывающий это значение. Например, размер, раскрытый как «40 мм», следует понимать как означающий «приблизительно 40 мм».
Все документы, процитированные в подробном описании, в соответствующей части включены в данный документ при помощи ссылки; причем цитирование какого-либо документа не следует рассматривать как признание того, что он относится к предшествующему уровню техники по отношению к настоящему изобретению. В случае, если любое значение или определение термина в данном письменном документе противоречит какому-либо значению или определению термина в документе, включенном при помощи ссылки, значение или определение, присвоенное термину в данном письменном документе, имеет преимущественную силу.
Тогда как определенные варианты осуществления настоящего изобретения были проиллюстрированы и описаны, для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что могут быть осуществлены различные другие изменения и модификации без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Поэтому предполагается, что прилагаемая формула изобретения должна охватывать все такие изменения и модификации, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения.