ЭЛАСТИЧНАЯ ПЛЕНКА, СОДЕРЖАЩАЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЙ ПОЛИМЕР КРАХМАЛА
ELASTIC FILM CONTAINING RENEWABLE STARCH POLYMER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Пленки применяют в составе разнообразных одноразовых изделий, например, подгузников, гигиенических салфеток, одежды для взрослых, страдающих недержанием, перевязочного материала и т.д. Например, изнаночные листы во многих подгузниках получают ламинированием полимерной пленки (например, из линейного полиэтилена низкой плотности) на нетканое полотно. В некоторых случаях полимерная пленка может содержать эластомерный компонент, такой как стирольный блок-сополимер (например, стиролэтиленовые - бутиленстирольные сополимеры (англ. styrene-ethylene butylene-styrene, сокращенно S-EB-S)). Тем не менее, один из недостатков таких пленок состоит в том, что составляющие их полимеры обычно не являются экологически приемлемыми или возобновляемыми. Кроме того, поскольку множество возобновляемых компонентов имеют высокую жесткость, их применение в способах получения эластичных пленок ограничено, поскольку получаемые пленки должны иметь высокие значения удлинения, обратимых деформаций и прочности. Таким образом, все еще имеется необходимость создания усовершенствованной эластичной пленки, которая содержала бы возобновляемый компонент.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения, описана эластичная пленка, которая включает термопластическую композицию, включающую по меньшей мере один полимер крахмала, составляющий от приблизительно 1% мас. до приблизительно 30% мас. от содержания полимеров в пленке, по меньшей мере один эластомерный полимер, составляющий от приблизительно 30% мас. до приблизительно 95% мас. от содержания полимеров в пленке, и по меньшей мере один пластификатор, составляющий от приблизительно 0,1% мас. до приблизительно 30% мас. от массы пленки. Массовое отношение количества эластомерных полимеров к количеству полимеров крахмала в пленке составляет от приблизительно 1 до приблизительно 10. Кроме того, величины удлинения эластичной пленки как в машинном направлении, так и в поперечном направлении составляют приблизительно 250% или более.
Другие признаки и аспекты настоящего изобретения более подробно изложены ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Полное и подробное описание настоящего изобретения, включающее наилучшие примеры осуществления изобретения, предлагаемое для ознакомления специалисту в данной области техники, приведено ниже в настоящем описании, сопровождаемом прилагаемыми графическими материалами, в которых:
На Фиг.1 схематично представлен один из примеров осуществления способа получения пленки согласно настоящему изобретению; и
На Фиг.2 представлено перспективное изображение абсорбирующего изделия, которое может быть получено согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
Многократно используемые в настоящем описании и графических материалах обозначения относятся к одинаковым или аналогичным признакам или элементам изобретения.
Определения
Используемые в настоящем описании термины "машинное направление" или "MD (сокращенно от англ. "machine direction")" обычно означают направление движения материала в процессе его получения. Термин "поперечное направление" или "CD (сокращенно от англ. "cross-machine direction")" означает направление, перпендикулярное машинному направлению. Размеры, измеряемые в поперечном направлении, называются "шириной", а размеры, измеряемые в машинном направлении, называются "длиной".
Используемый в настоящем описании термин "эластомерный" и "эластичный" относятся к материалу, который при приложении растягивающей силы может растягиваться по меньшей мере в одном направлении (например, направлении CD), и который при снятии растягивающей силы сжимается/возвращается к приблизительно исходному размеру. Например, растянутый материал может иметь длину при растяжении, по меньшей мере на 50% превышающую его длину в нерастянутом состоянии покоя, и при снятии растягивающей силы этот материал принимает длину, находящуюся в диапазоне по меньшей мере 50% длины в растянутом состоянии. В качестве гипотетического примера можно привести образец материала длиной один (1) дюйм (приблизительно 2,4 см), который может растягиваться, увеличиваясь по меньшей мере на 1,50 дюйма, и который при снятии растягивающей силы возвращается к длине, составляющей по меньшей мере 1,25 дюйма. Предпочтительно, материал сжимается или восстанавливается по меньшей мере на 50% и еще более предпочтительно по меньшей мере на 80% длины в растянутом состоянии.
Используемые в настоящем описании термины "растяжимый" или "растяжимость" обычно относятся к материалу, который растягивается или увеличивает свой размер в направлении приложения силы на по меньшей мере приблизительно 50% от значения длины или ширины материала в состоянии покоя. Растяжимый материал не обязательно обладает регенеративными свойствами (способностью возвращаться в исходное состояние). Например, эластомерный материал представляет собой растяжимый материал, обладающий регенеративными свойствами. Пленка может быть растяжимой, но не иметь регенеративных свойств и, таким образом, представлять собой растяжимый неэластичный материал.
Используемый в настоящем описании термин "процентное удлинение" означает степень растяжения материала в заданном направлении под действием определенной силы. В частности, процентное удлинение определяют, измеряя увеличение длины материала в направлении растягивания, полученное значение затем делят на первоначальный размер материала и умножают на 100.
Используемый в настоящем описании термин "деформация" означает остаточное удлинение образца материала после удлинения и снятия напряжения, т.е. после того, как материал был подвергнут растяжению и последующему снятию напряжения при проведении испытания при циклических нагрузках.
Используемый в настоящем описании термин "процентная деформация" представляет собой измеренное количество материала, находящегося в растянутом состоянии относительно его первоначальной длины после растяжения и снятия напряжения. Остаточную деформацию после снятия прилагаемого напряжения определяют в виде процентной деформации.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже представлены различные примеры осуществления изобретения, один или более из которых представлены более подробно. Каждый из примеров приведен для разъяснения изобретения и не ограничивает объем изобретения. Действительно, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящем изобретении могут быть произведены различные модификации и изменения, не отступающие от сущности или буквы изобретения. Например, признаки, рассмотренные или описанные как часть одного из примеров осуществления, могут быть включены в другой пример осуществления, который в этом случае образует еще один пример осуществления. Таким образом, подобные модификации и изменения включены в объем пунктов формулы настоящего изобретения и их эквивалентов.
В целом, настоящее изобретение относится к пленке, которая содержит термопластическую композицию, включающую значительную часть возобновляемого натурального полимера крахмала, но при этом сохраняет эластичность и обладает хорошими прочностными характеристиками. Несмотря на то, что из-за различия в полярностях крахмала и большинства эластомерных полимеров, крахмал обычно химически несовместим с большинством эластомерных полимеров, авторами настоящего изобретения было обнаружено, что разделение фаз может быть сведено к минимуму за счет селективного регулирования определенных свойств пленки, например, природы эластомерного полимера, полимера крахмала и других компонентов пленки, относительных количеств компонентов пленки и параметров способа получения пленки.
Ниже более подробно описаны различные примеры осуществления настоящего изобретения.
I. Термопластическая композиция
А. Эластомерный полимер
f
f
Для получения пленки согласно настоящему изобретению может быть применено множество различных эластомерных полимеров, например, эластомерные сложные полиэфиры, эластомерные полиуретаны, эластомерные полиамиды, эластомерные сополимеры и подобные им полимеры. Например, в одном из примеров осуществления применяют олефиновый эластомер, который представляет собой полиолефин, имеющий по существу регулярное строение ("полукристаллический"). В недеформированном состоянии такие олефиновые эластомеры могут быть по существу аморфными, но при растягивании они образуют кристаллические домены. Степень кристалличности олефинового полимера может составлять от приблизительно 3% до приблизительно 30%, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5% до приблизительно 25%, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5% и приблизительно 15%. Соответственно, скрытая теплота плавления (ΔH) олефинового эластомера, которая является еще одним индикатором степени кристалличности, может составлять от приблизительно 15 до приблизительно 75 джоулей на грамм ("Дж/г"), в некоторых примерах осуществления от приблизительно 20 до приблизительно 65 Дж/г, и в некоторых примерах осуществления от 25 до приблизительно 50 Дж/г. Температура размягчения по Вика олефинового эластомера может составлять от приблизительно 10°C до приблизительно 100°C, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 20°C до приблизительно 80°C, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 30°C до приблизительно 60°C. Температура плавления олефинового эластомера может составлять от приблизительно 20°C до приблизительно 120°C, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 35°C до приблизительно 90°C, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 40°C до приблизительно 80°C. Скрытая теплота плавления (ΔH) и температура плавления могут быть определены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии ("ДСК", латинская аббревиатура - "DSC", от англ. «differential scanning calorimetry») в соответствии со стандартом ASTM D-3417, хорошо известным специалистам в данной области техники. Температура размягчения по Вика может быть определена в соответствии со стандартом ASTM D-1525.
3
20
3
12
1
3
2
20
2
12
Примеры полукристаллических олефиновых эластомеров включают полиэтилен, полипропилен, их смеси и сополимеры. В одном из конкретных примеров осуществления применяют полиэтилен, который представляет собой сополимер этилена и α-олефина, например, C-C α-олефина или C-C α-олефина. Подходящие α-олефины могут быть неразветвленными или разветвленными (например, иметь одно или более C-C алкильных ответвлений или арильных групп). Конкретные их примеры включают 1-бутен; 3-метил-1-бутен; 3,3-диметил-1-бутен; 1-пентен; 1-пентен, имеющий один или более метильных, этильных или пропильных заместителей; 1-гексен, имеющий один или более метильных, этильных или пропильных заместителей; 1-гептен, имеющий один или более метильных, этильных или пропильных заместителей; 1-октен, имеющий один или более метильных, этильных или пропильных заместителей; 1-нонен, имеющий один или более метильных, этильных или пропильных заместителей; замещенный этилом, метилом или диметил-замещенный 1-децен; 1-додецен; и стирол. Особенно предпочтительные α-олефиновые сомономеры представляют собой 1-бутен, 1-гексен и 1-октен. Содержание этилена в таких сополимерах может составлять от приблизительно 60% мол. до приблизительно 99% мол., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 80% мол. до приблизительно 98,5% мол., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 87% мол. до приблизительно 97,5% мол. Соответственно, содержание α-олефина может составлять от приблизительно 1% мол. до приблизительно 40% мол., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1,5% мол. до приблизительно 15% мол., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 2,5% мол. до приблизительно 13% мол. Для применения в качестве олефинового эластомера также подходят пропиленовые полимеры. В одном из конкретных примеров осуществления полимер на основе полукристаллического пропилена включает сополимер пропилена и α-олефина, например, C-C α-олефина или C-C α-олефина. Особенно предпочтительными α-олефиновыми сомономерами являются этилен, 1-бутен, 1-гексен и 1-октен. Содержание пропилена в таких сополимерах может составлять от приблизительно 60% мол. до приблизительно 99,5% мол., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 80% мол. до приблизительно 99% мол., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 85% мол. до приблизительно 98% мол. Соответственно, содержание α-олефина может составлять от приблизительно 0,5% мол. до приблизительно 40% мол., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1% мол. до приблизительно 20% мол., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 2% мол. до приблизительно 15% мол.
w
n
В общем, для получения олефиновых эластомеров может быть применено множество известных методик. Например, олефиновые полимеры могут быть получены с помощью катализатора свободнорадикальной полимеризации или координационного катализатора (например, катализатора Циглера-Натта). Предпочтительно олефиновый полимер получают с помощью координационного катализатора, имеющего один активный центр, например, металлоценовго катализатора. С помощью такой каталитической системы получают сополимеры этилена, в которых сомономер случайным образом распределен по молекулярной цепочке и равномерно распределен по всем фракциям с разной молекулярной массой. Полиолефины, полученные с помощью металлоценового катализатора, описаны, например, в патентах US 5571619, McAlpin et al.; US 5322728, Davis et al.; US 5472775, Obijeski et al.; US 5272236, Lai et al. и US 6090325, Wheat, et al., содержание которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки для любых целей. Примеры металлоценовых катализаторов включают дихлорид бис(н-бутилциклопентадиенил)титана, дихлорид бис(н-бутилциклопентадиенил)циркония, хлорид бис(циклопентадиенил)скандия, дихлорид бис(инденил)циркония, дихлорид бис(метилциклопентадиенил)титана, дихлорид бис(метилциклопентадиенил)циркония, кобальтоцен, трихлорид циклопентадиенилтитана, ферроцен, дихлорид гафноцена, дихлорид изопропил(циклопентадиенил-1-флуоренил)циркония, дихлорид молибдоцена, никелоцен, дихлорид ниобоцена, рутеноцен, дихлорид титаноцена, хлоридгидрид цирконоцена, дихлорид цирконоцена и подобные им вещества. Полимеры, полученные с использованием металлоценовых катализаторов, обычно имеют узкий диапазон распределения молекулярной массы. Например, полимеры, полученные с использованием металлоценовых катализаторов, могут иметь коэффициенты полидисперсности (M/M), составляющие менее 4, регулируемое распределение короткоцепочечного ветвления и регулируемую изотактичность.
3
3
3
3
Плотность таких α-олефиновых сополимеров зависит от их длины и количества α-олефина. То есть, чем больше длина α-олефина, и чем большее количество α-олефина содержит сополимер, тем ниже плотность сополимера. Особенно предпочтительно, но не обязательно, чтобы количество короткоцепочечных ответвлений α-олефинов в по существу неразветвленных эластомерах соответствовало такому их содержанию, которое позволяет получать сополимер, обладающий как полимерными, так и эластомерными характеристиками. Поскольку кристалличность и плотность при проведении полимеризации совместно с α-олефиновыми сомономерами снижаются, плотность получаемого эластомера обычно ниже плотности термопластических полиэтиленовых полимеров (например, линейного полиэтилена низкой плотности, сокращенно ЛПЭНП), но близка и/или совпадает с плотностями других эластомеров. Например, плотность олефинового эластомера может составлять приблизительно 0,91 граммов на кубический сантиметр (г/см) или менее, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 0,85 до приблизительно 0,89 г/см, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 0,85 г/см до приблизительно 0,88 г/см.
Предпочтительные этиленовые эластомеры, которые могут быть применены для осуществления настоящего изобретения, представляют собой сополимерные пластомеры на основе этилена, поставляемые ExxonMobil Chemical Company, Houston, Texas, под наименованием EXACT™. Другие подходящие полиэтиленовые пластомеры поставляет Dow Chemical Company, Midland, Michigan, под наименованиями ENGAGE™ и AFFINITY™. Другие подходящие этиленовые полимеры поставляет The Dow Chemical Company под наименованиями DOWLEX™ (ЛПЭНП, линейный полиэтилен низкой плотности) и ATTANE™ (полиэтилен сверхнизкой плотности). Такие этиленовые полимеры описаны в патентах US 4937299, Ewen et al.; US 5218071, Tsutsui et al.; US 5272236, Lai, et al.; и US 5278272, Lai, et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для любых целей. Подходящие пропиленовые полимеры поставляет ExxonMobil Chemical Co., Houston, Texas под наименованием VISTAMAXX™; Atofina Chemicals, Feluy, Belgium под наименованием FINA™ (например, 8573); Mitsui Petrochemical Industries под наименованием TAFMER™; и Dow Chemical Co., Midland, Michigan под наименованием VERSIFY™. Другие примеры подходящих пропиленовых полимеров описаны в патентах US 6500563, Datta, et al.; US 5539056, Yang, et al.; и US 5596052, Resconi. et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для любых целей.
Показатели текучести расплава (англ. melt flow index, сокращенно MI) олефиновых эластомеров, определенные при 190°C, могут быть различными, но обычно они находятся в диапазоне от приблизительно 0,1 грамма за 10 минут до приблизительно 100 граммов за 10 минут, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 0,5 граммов за 10 минут до приблизительно 30 граммов за 10 минут, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 10 граммов за 10 минут. Показатель текучести расплава представляет собой массу полимера (в граммах), которая может быть продавлена через отверстие экструзионного реометра (диаметром 0,0825 дюйма, что приблизительно составляет 2 мм) под действием нагрузки, составляющей 2,16 килограмма, в течение 10 минут при 190°C; показатель текучести расплава может быть определен в соответствии со способом испытания ASTM D1238-Е.
Разумеется, для осуществления настоящего изобретения также могут быть использованы другие олефиновые эластомеры. Например, в одном из примеров осуществления термопластический эластомер может представлять собой стирол-олефиновый блок-сополимер, например, содержащий повторяющиеся единицы типа: стирол-(этилен-бутилен), стирол-(этилен-пропилен), стирол-(этилен-бутилен)-стирол, стирол-(этилен-пропилен)-стирол, стирол-(этилен-бутилен)-стирол-(этилен-бутилен), стирол-(этилен-пропилен)-стирол-(этилен-пропилен) и стирол-этилен-(этилен-пропилен)-стирол. Такие полимеры могут быть получены селективным гидрированием стирол-диеновых блок-сополимеров, например, как описано в патентах US 4663220, US 4323534, US 4834738, US 5093422 и US 5304599, содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для любых целей. Особенно подходящие термопластические эластомеры поставляет Kraton Polymers LLC, Houston, Texas, под торговым наименованием KRATON. Другие коммерчески доступные блок-сополимеры включают S-EP-S эластомерные сополимеры, поставляемые Kuraray Company, Ltd., Okayama, Japan, под торговым наименованием SEPTON. Для реализации изобретеняи также подходят полимеры, состоящие из тетраблок-сополимера типа A-B-A-B, например, описанные в патенте US 5332613, Taylor, et al., содержание которого полностью включено в настоящее описание посредством ссылки для любых целей. Одним из примеров таких тетраблок-сополимеров является блок-сополимер стирол-поли(этилен-пропилен)-стирол-поли(этилен-пропилен) (англ. styrene-poly(ethylene-propylene)-styrene-poly(ethylene-propylene), обозначение S-EP-S-EP).
Как было отмечено, согласно настоящему изобретению также могут быть применены термопластические полиуретаны, как таковые или в комбинации с эластомером другого типа (например, олефиновым эластомером). Термопластические полиуретаны обычно синтезируют из полиола, органического диизоцианата и необязательно удлинителя цепи. Синтез таких пригодных для обработки в расплаве полиуретановых эластомеров может быть как поэтапным (например, способ с загрузкой преполимера), так и представлять собой одновременную реакцию всех компонентов при проведении одного этапа (например, способ с одновременной загрузкой всех компонентов), которые известны в данной области техники и более подробно описаны в патентах US 3963656, Meisert, et al.; US 5605961, Lee, et al.; US 6008276, Kalbe, et al.; US 6417313, Kirchmeyer, et al.; и US 7045650, Lawrey, et al., а также в опубликованных патентных заявках US 2006/0135728, Peerlinqs, et al. и US 2007/0049719, Brauer, et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для любых целей.
Обычно полиол представляет собой любой высокомолекулярный продукт, включающий реакционноспособный активный водородный компонент, который включает материалы, содержащие в молекуле в среднем приблизительно две или более гидроксильные группы. Могут быть использованы длинноцепочечные полиолы, которые включают высшие полимерные полиолы, например, полиолы на основе сложных полиэфиров и полиолы на основе простых полиэфиров, а также другие приемлемые "полиольные" реагенты, содержащие активный водородный компонент, такие как полиолы на основе сложных полиэфиров, полигидрокси-сложноэфирные амиды, гидроксилсодержащие поликапролактоны, гидроксилсодержащие акриловые интерполимеры, гидроксилсодержащие эпоксиды и гидрофобные полиолы на основе простых полиалкиленовых эфиров. Обычно полиол представляет собой по существу неразветвленный полимер, который содержит от двух до трех, и более предпочтительно, две гидроксильные группы, среднечисловая молекулярная масса которого составляет от приблизительно 450 до приблизительно 10000, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 450 до приблизительно 6000, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 600 до приблизительно 4500. Подходящие диолы на основе простых полиэфиров могут быть получены, например, по реакции одного или более алкиленоксидов, содержащих от 2 до 4 атомов углерода в алкиленовом остатке, с исходной молекулой, которая содержит два или более активных атома водорода в связанном виде. Примеры алкиленоксидов включают этиленоксид, 1,2-пропиленоксид, эпихлоргидрин и 1,2-бутиленоксид и 2,3-бутиленоксид. Примеры исходных молекул включают воду; аминоспирты, например, N-алкил-диэтаноламины (например, N-метил-диэтаноламин); и диолы, например, этиленгликоль, 1,3-пропиленгликоль, 1,4-бутандиол и 1,6-гександиол. Подходящие диолы на основе сложных полиэфиров могут быть получены из дикарбоновых кислот (или их производных), содержащих от 2 до 12 атомов углерода, предпочтительно от 4 до 6 атомов углерода, и многоатомных спиртов. Примеры дикарбоновых кислот включают алифатические дикарбоновые кислоты, например, янтарную кислоту, глутаровую кислоту, адипиновую кислоту, пробковую кислоту, азелаиновую кислоту и себациновую кислоту; ароматические дикарбоновые кислоты, например, фталевую кислоту, изофталевую кислоту и терефталевую кислоту; а также производные таких кислот, например, сложные диэфиры карбоновых кислот, содержащие от 1 до 4 атомов углерода в спиртовом остатке, ангидриды карбоновых кислот или хлориды карбоновых кислот. Примеры подходящих многоатомных спиртов включают гликоли, содержащие от 2 до 10, предпочтительно от 2 до 6 атомов углерода, например, этиленгликоль, диэтиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,5-пентандиол, 1,6-гександиол, 1,10-декандиол, 2,2-диметил-1,3-пропандиол, 1,3-пропандиол и дипропиленгликоль. Также подходят сложные эфиры карбоновых кислот и перечисленных диолов, в особенности содержащих от 4 до 6 атомов углерода, например, 1,4-бутандиола или 1,6-гександиола; продукты конденсации ω-гидроксикарбоновых кислот, например, ω-гидроксикапроновой кислоты, или продукты полимеризации лактонов (например, необязательно замещенных ω-капролактонов). Предпочтительные диолы на основе сложных полиэфиров включают полиадипаты этандиола, полиадипаты 1,4-бутандиола, полиадипаты этандиола/1,4-бутандиола, полиадипаты 1,6-гександиола/неопентил гликоля, полиадипаты 1,6-гександиола/1,4-бутандиола и поликапролактоны.
Органические диизоцианаты могут включать алифатические диизоцианаты, например, этилендиизоцианат, 1,4-тетраметилендиизоцианат, 1,12-додекандиизоцианат, 1,6-гексаметилендиизоцианат, их смеси и подобные вещества; циклоалифатические диизоцианаты, например, изофорондиизоцианат, 1,4-циклогександиизоцианат, 1-метил-2,4-циклогександиизоцианат, 1-метил-2,6-циклогександиизоцианат, 4,4′-, 2,4′- или 2,2′-дициклогексилметандиизоцианат, их смеси и подобные вещества; и/или ароматические диизоцианаты, например, 2,4-или 2,6-толуолдиизоцианат, 4,4′-дифенилметандиизоцианат, 2,4′-дифенилметандиизоцианат, 2,2′-дифенилметандиизоцианат, нафтилен-1,5-диизоцианат, ксилилендиизоцианат, метилендифенилизоцианат (англ. methylene diphenyl isocyanate, сокращенно MDI), гексаметилендиизоцианат (англ. hexamethylene diisocyanate, сокращенно HMDI), их смеси и подобные вещества.
Среднечисловая молекулярная масса удлинителей цепи обычно составляет от приблизительно 60 до приблизительно 400; удлинители цепи содержат функциональные амино-, тиольные, карбоксильные и/или гидроксильные группы. Предпочтительные удлинители цепи представляют собой удлинители цепи, содержащие от двух до трех, и более предпочтительно, две гидроксильные группы. Как указано выше, в качестве удлинителя цепи может быть использовано одно или более соединений, выбранных из алифатических диолов, которые содержат от 2 до 14 атомов углерода. Такие соединения включают, например, этандиол, 1,2-пропандиол, 1,3-пропандиол, 1,4-бутандиол, 2,3-бутандиол, 1,5-пентандиол, 1,6-гександиол, диэтиленгликоль, дипропиленгликоль, 1,4-циклогександиол, 1,4-диметанолциклогексан и неопентилгликоль. Также могут быть использованы сложные диэфиры терефталевой кислоты и гликолей, содержащих от 2 до 4 атомов углерода. Некоторые примеры таких соединений включают бис-этиленгликолевый эфир терефталевой кислоты и эфир бис-1,4-бутандиола и терефталевой кислоты, простые гидроксиалкиленовые эфиры гидрохинона (например, 1-4-ди(β-гидроксиэтил)гидрохинон), этоксилированные бисфенолы (например, 1,4-ди(β-гидроксиэтил)бисфенол А), алифатические/циклоалифатические диамины (например, изофорондиамин, этилендиамин, 1,2-пропилендиамин, 1,3-пропилендиамин, N-метил-1,3-пропилендиамин и N,N′-диметилэтилендиамин) и ароматические диамины (например, 2,4-толуолдиамин, 2,6-толуолдиамин, 3,5-диэтил-2,4-толуолдиамин и 3,5-диэтил-2,6-толуолдиамин и первичные моно-, ди-, три- или тетраалкил-замещенные 4,4'-диаминодифенилметаны).
Кроме перечисленных выше компонентов, для получения термопластического полиуретана также могут быть использованы другие компоненты. Например, для ускорения образования полиуретана могут быть использованы катализаторы. Подходящие катализаторы включают, например, третичные амины, например, триэтиламин, диметилциклогексиламин, N-метилморфолин, N,N′-диметилпиперазин, 2-(диметиламиноэтокси)-этанол, диазабицикло[2.2.2]октан и подобные им вещества, а также соединения металлов, например, сложные эфиры титановой кислоты, диацетат олова, диоктоат олова, дилаурат олова или соли диалкилолова и алифатических карбоновых кислот, например, диацетат дибутилолова или дилаурат дибутилолова или другие аналогичные соединения. Другие подходящие добавки, которые могут быть использованы, включают светостабилизаторы (например, стерически затрудненные амины), инициаторы обрыва цепи, антифрикционные добавки и смазки для форм (например, сложные эфиры жирных кислот, металлсодержащие мыла сложных эфиров жирных кислот, амиды жирных кислот, сложноэфирные амиды жирных кислот и кремнийорганические соединения), пластификаторы, агенты, препятствующие слипанию, ингибиторы, стабилизаторы, препятствующие гидролизу, стабилизаторы, препятствующие воздействию нагревания, и стабилизаторы, препятствующие выцветанию, красители, пигменты, неорганические и/или органические наполнители, вещества, обладающие фунгистатической и бактериостатической активностью, наполнители и т.д.
g
Температура плавления термопластического полиуретана обычно составляет от приблизительно 75°C до приблизительно 250°C, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 100°C до приблизительно 240°C, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 120°C до приблизительно 220°C.Температура стеклования ("T") термопластического полиуретана может быть относительно низкой, например, от приблизительно -150°C до приблизительно 0°C, в некоторых примерах осуществления от приблизительно -100°C до приблизительно -10°C, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно -85°C до приблизительно -20°C. Температура плавления и температура стеклования могут быть определены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии ("ДСК") согласно ASTM D-3417. Примеры таких термопластических полиуретанов поставляет Bayer MaterialScience под наименованием DESMOPAN™ и Lubrizol под наименованием ESTANE™. Например, DESMOPAN™ DP 9370А представляет собой полиуретан на основе ароматического простого полиэфира, полученный из простого политетраметиленового эфира гликоля и 4,4-метиленбис-(фенилизоцианата) (англ. 4,4-methylenebis-(phenylisocyanate), сокращенно MDI), и его температура стеклования составляет приблизительно -70°C, а температура плавления составляет от приблизительно 188°C до приблизительно 199°C. Аналогично, ESTANE™ 58245 представляет собой полиуретан на основе ароматического простого полиэфира, температура стеклования которого составляет приблизительно -37°C, а температура плавления составляет от приблизительно 135°C до приблизительно 159°C.
В. Полимер крахмала
n
w
w
n
Несмотря на то, что полимеры крахмала вырабатываются многими растениями, характерные их источники включают семена зерновых культур, например, кукурузы, восковой кукурузы, пшеницы, сорго, риса и воскового риса; корнеплоды, например, картофель; корни, например, тапиоку (т.е. кассаву и маниоку), сладкий картофель (батат) и маранту; и сердцевину саговой пальмы. Полимер крахмала может содержать различные массовые процентные доли амилозы и амилопектина, иметь различные молекулярные массы полимера и т.д. Крахмалы с высоким содержанием амилозы содержат более приблизительно 50% мас. амилозы, а крахмалы с низким содержанием амилозы содержат менее приблизительно 50% мас. амилозы. Несмотря на то, что это необязательно, крахмалы с низким содержанием амилозы, содержание амилозы в которых составляет от приблизительно 10% до приблизительно 40% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 15% до приблизительно 35% мас., особенно подходят для осуществления настоящего изобретения. Примеры крахмалов с низким содержанием амилозы включают кукурузный крахмал и картофельный крахмал, содержание амилозы в каждом из которых составляет приблизительно 20% мас. Особенно подходящие крахмалы с низким содержанием амилозы представляют собой крахмалы, среднечисловая молекулярная масса ("M") которых составляет от приблизительно 50000 до приблизительно 1000000 граммов на моль, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 75000 до приблизительно 800000 граммов на моль, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 100000 до приблизительно 600000 граммов на моль, и/или их среднемассовая молекулярная масса ("M") составляет от приблизительно 5000000 до приблизительно 25000000 граммов на моль, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5500000 до приблизительно 15000000 граммов на моль, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 6000000 до приблизительно 12000000 граммов на моль. Отношение среднемассовой молекулярной массы к среднечисловой молекулярной массе ("M/M"), т.е. "коэффициент полидисперсности" этих полимеров также относительно высок. Например, коэффициент полидисперсности может составлять от приблизительно 10 до приблизительно 100, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 20 до приблизительно 80. Среднемассовая и среднечисловая молекулярные массы могут быть определены способами, известными специалистам в данной области техники.
Несмотря на то, что более желательным является использование натуральных (природных) крахмалов, поскольку они отличаются большей натуральностью, для осуществления настоящего изобретения также могут быть использованы химически модифицированные крахмалы. Химически модифицированные крахмалы могут быть получены обычными способами, известными в данной области техники (например, способами этерификации с образованием сложных или простых эфиров, окисления, кислотного гидролиза, ферментативного гидролиза и т.д.). Особенно предпочтительными могут быть простые эфиры и/или сложные эфиры крахмала, например, гидроксиалкилкрахмалы, карбоксиметилкрахмалы и т.д. Гидроксиалкильная группа в гидроксиалкилкрахмалах может содержать, например, от 2 до 10 атомов углерода, в некоторых примерах осуществления от 2 до 6 атомов углерода, и в некоторых примерах осуществления от 2 до 4 атомов углерода. Репрезентативные гидроксиалкилкрахмалы включают, например, гидроксиэтилкрахмал, гидроксипропилкрахмал, гидроксибутилкрахмал и их производные. Например, сложные эфиры крахмала могут быть получены в реакциях с различными ангидридами (например, уксусным, пропионовым, масляным и т.д.), органическими кислотами, хлоридами кислот или другими этерифицирующими реагентами. Глубина этерификации может быть различной в зависимости от требований и составлять, например, от 1 до 3 сложноэфирных групп на глюкозидное звено крахмала.
Независимо от конкретных типов применяемых полимеров, относительное количество полимеров крахмала в пленке обычно достаточно для достижения определенной степени возобновляемости, но не настолько велико, чтобы не была достигнута требуемая степень удлинения. В этой связи полимеры крахмала обычно составляют от приблизительно 1% мас. до приблизительно 30% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 2% мас. до приблизительно 25% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5% мас. до приблизительно 20% мас. от содержания полимеров в пленке. Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что указанные диапазоны позволяют достигать высоких степеней удлинения при введении относительно больших количеств возобновляемого компонента. Кроме того, несмотря на то, что процентное содержание полимеров крахмала в пленке в целом может колебаться в зависимости от содержания других применяемых ингредиентов (например, наполнителей), их содержание обычно составляет от приблизительно 0,5% мас. до приблизительно 50% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1% мас. до приблизительно 40% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5% мас. до приблизительно 25% мас. от массы всей пленки. Следует понимать, что указанная в настоящем описании масса крахмала включает любую связанную воду, которая имеется во встречающемся в природе крахмале до его смешивания с другими компонентами с целью образования термопластического крахмала. Например, крахмалы обычно включают связанную воду в количестве от приблизительно 5% до 16% мас. от массы крахмала.
Для достижения требуемого баланса между возобновляемостью и удлинением, массовое отношение количества эластомерных полимеров к количеству полимеров крахмала обычно составляет от приблизительно 1 до приблизительно 10, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 8, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 3 до приблизительно 6. Например, эластомерные полимеры могут составлять от приблизительно 30% мас. до приблизительно 95% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 40% мас. до приблизительно 90% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 50% мас. до приблизительно 80% мас. от содержания полимеров в пленке. Кроме того, несмотря на то, что процентное содержание эластомерных полимеров в пленке в целом может колебаться в зависимости от содержания других применяемых ингредиентов (например, наполнителей), их содержание обычно составляет от приблизительно 10% мас. до приблизительно 90% масс, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 20% мас. до приблизительно 80% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 40% мас. до приблизительно 75% мас. от массы всей пленки.
C. Пластификатор
Для придания крахмалу способности к обработке в расплаве в пленку также может быть введен пластификатор. Крахмалы, например, обычно находятся в виде гранул, имеющих покрытие или внешнюю мембрану, в которую заключены цепочки более растворимых в воде амилозы и амилопектина, находящиеся внутри гранул. При нагревании пластификаторы могут размягчаться и проникать через внешнюю мембрану, в результате чего внутренние цепочки крахмала поглощают воду и начинают набухать. Спустя некоторое время это набухание вызывает разрушение внешней оболочки, которое приводит к необратимой деструктуризации гранул крахмала. После деструктуризации полимерные цепочки крахмала, содержащие полимеры амилозы и амилопектина, изначально плотно упакованные внутри гранул, растягиваются и образуют по большей части разупорядоченно переплетенные полимерные цепочки. Однако при повторном отверждении цепочки могут переориентироваться с образованием кристаллических или аморфных твердых веществ, имеющих различную прочность, зависящую от ориентации цепочек крахмального полимера. Таким образом, поскольку крахмал может плавиться и повторно отверждаться при определенных температурах, в общем случае его можно рассматривать как "термопластический крахмал".
Подходящие пластификаторы могут включать, например, пластификаторы на основе многоатомных спиртов, например, сахара (например, глюкозу, сахарозу, фруктозу, рафинозу, мальтодекстрозу, галактозу, ксилозу, мальтозу, лактозу, маннозу и эритрозу), сахарные спирты (например, эритрит, ксилит, мальтол, маннит и сорбит), полиолы (например, этиленгликоль, глицерин, пропиленгликоль, дипропиленгликоль, бутилен гликоль и гексантриол) и т.д. Подходящими также являются образующие водородные связи органические соединения, которые не содержат гидроксильных групп, включающие мочевину и производные мочевины; ангидриды сахарных спиртов, например, сорбит; животные белки, например, желатин; растительные белки, например, белок подсолнечника, соевые белки, хлопковые белки; и их смеси. Другие подходящие пластификаторы могут включать фталатные эфиры, диметил- и диэтил-сукцинат и схожие сложные эфиры, глицеринтриацетат, моно- и ди-ацетаты глицерина, моно-, ди- и три-пропионаты глицерина, бутаноаты, стеараты, сложные эфиры молочной кислоты, сложные эфиры лимонной кислоты, сложные эфиры адипиновой кислоты, сложные эфиры стеариновой кислоты, сложные эфиры олеиновой кислоты и сложные эфиры других кислот. Также могут быть применены алифатические кислоты, например, сополимеры этилена и акриловой кислоты, привитой малеиновой кислотой полиэтилен, сополимер бутадиена и акриловой кислоты, сополимер бутадиена и малеиновой кислоты, сополимер пропилена и акриловой кислоты, сополимер пропилена и малеиновой кислоты и другие углеводородные кислоты. Предпочтительно применение низкомолекулярного пластификатора, например, с массой менее приблизительно 20000 г/моль, предпочтительно менее приблизительно 5000 г/моль и более предпочтительнее менее приблизительно 1000 г/моль.
При необходимости пластификатор может быть предварительно смешан с полимером крахмала с образованием "термопластического крахмала". В таких примерах осуществления полимеры крахмала могут составлять от приблизительно 40% мас. до приблизительно 98% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 50% мас. до приблизительно 95% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 60% мас. до приблизительно 90% мас. от массы термопластического крахмала. Соответственно, пластификатор обычно составляет от приблизительно 2% мас. до приблизительно 60% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5% мас. до приблизительно 50% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 10% мас. до приблизительно 40% мас. от массы термопластического крахмала. Независимо от того, смешивают ли пластификатор с полимером крахмала предварительно или просто смешивают во время формирования пленки, пластификаторы обычно составляют от приблизительно 0,1% мас. до приблизительно 30% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 0,5% мас. до приблизительно 20% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1% мас. до приблизительно 10% мас. пленки.
D. Другие компоненты
Кроме перечисленных выше, в термопластический крахмал или в пленку в целом также могут быть введены другие добавки. Например, для получения однородной дисперсии крахмал/пластификатор/эластомерный полимер и замедления или предотвращения разделения термопластического крахмала на составляющие фазы, могут быть применены диспергирующие средства. Если применяют диспергирующее средство (средства), то его количество может составлять от приблизительно 0,01% мас. до приблизительно 10% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 0,05% мас. до приблизительно 5% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 0,1% мас. до приблизительно 4% мас. от массы пленки.
Несмотря на то, что согласно настоящему изобретению могут в общем случае быть применены любые диспергирующие средства, для повышения долговременной стабильности композиции могут быть применены поверхностно-активные вещества, обладающие определенным гидрофильно-липофильным балансом. Как известно в данной области техники, относительная гидрофильность или липофильность эмульгатора может быть охарактеризована величиной гидрофильно-липофильного баланса (англ. hydrophilic/lipophilic balance, сокращенно HLB), по которой определяют баланс между гидрофильным и липофильным поведением соединения в растворе. Шкала HLB включает значения от 0,5 до приблизительно 20, где меньшие значения указывают на более липофильное поведение, а большие значения указывают на более гидрофильное поведение. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения величина HLB поверхностно-активных веществ составляет от приблизительно 1 до приблизительно 15, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 12 и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 10. При необходимости могут быть применены два или более поверхностно-активных вещества, имеющие величины HLB, составляющие менее требуемых значений или превышающие требуемые значения, но в среднем обеспечивающие получение величины HLB в требуемом диапазоне.
8
18
Одним из классов поверхностно-активных веществ, особенно подходящих для применения согласно настоящему изобретению, являются неионные поверхностно-активные вещества, которые обычно включают гидрофобное основание (например, длинноцепочечную алкильную группу или алкилированную арильную группу) и гидрофильную цепочку (например, цепочку, содержащую этоксигруппы и/или пропоксигруппы). Например, некоторые неограничивающие примеры подходящих неионных поверхностно-активных веществ, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению, включают этоксилированные алкилфенолы, этоксилированные и пропоксилированные жирные спирты, простые полиэтиленгликолевые эфиры метилглюкозы, простые полиэтиленгликолевые эфиры сорбита, блок-сополимеры этиленоксида и пропиленоксида, этоксилированные сложные эфиры жирных (C-C) кислот, продукты конденсации этиленоксида с длинноцепочечными аминами или амидами, продукты конденсации этиленоксида со спиртами, сложные эфиры жирных кислот, моноглицериды или диглицериды длинноцепочечных карбоновых кислот и их смеси. В одном из конкретных примеров осуществления неионное поверхностно-активное вещество может представлять собой сложный эфир жирной кислоты, например, эфир сахарозы и жирной кислоты, эфир глицерина и жирной кислоты, эфир пропиленгликоля и жирной кислоты, эфир сорбитана и жирной кислоты, эфир пентаэритрита и жирной кислоты, эфир сорбита и жирной кислоты и т.д. Жирные кислоты, применяемые для образования таких сложных эфиров, могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными, замещенными или незамещенными, и могут содержать от 6 до 22 атомов углерода, в некоторых примерах осуществления от 8 до 18 атомов углерода, и в некоторых примерах осуществления от 12 до 14 атомов углерода. В одном из конкретных примеров осуществления настоящего изобретения могут быть применены моно- и ди-глицериды жирных кислот.
В термопластическую композицию, применяемую для получения пленки, также могут быть введены другие компоненты. Например, пленка может содержать один или более синтетических биоразлагаемых сложных полиэфиров. В общем, термин "биоразлагаемый" относится к материалу, который разлагается под действием встречающихся в природе микроорганизмов, например, бактерий, грибков и водорослей; тепла окружающей среды; влаги; или других воздействий окружающей среды, которые определены в способе испытаний ASTM 5338.92. Примеры подходящих биоразлагаемых сложных полиэфиров включают алифатические сложные полиэфиры, например, поликапролактон, сложные полиэфирамиды, модифицированный полиэтилентерефталат, полимолочную кислоту (англ. обозначение PLA) и ее сополимеры, терполимеры на основе полимолочной кислоты, полигликолевую кислоту, полиалкиленкарбонаты (например, полиэтиленкарбонат), полигидроксиалканоаты (англ. обозначение РНА), поли-3-гидроксибутират (англ. обозначение РНВ), поли-3-гидроксивалерат (англ. обозначение PHV), сополимеры 3-гидроксибутирата и 4-гидроксибутирата, сополимеры 3-гидроксибутирата и 3-гидроксивалерата (англ. обозначение PHBV), сополимер 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата, сополимер 3-гидроксибутирата и 3-гидроксиоктаноата, сополимер 3-гидроксибутирата и 3-гидроксидеканоата, сополимер 3-гидроксибутирата и 3-гидроксиоктадеканоата и алифатические полимеры на основе сукцинатов (например, полибутиленсукцинат, полибутиленсукцинат-адипат, полиэтиленсукцинат и т.д.); сложные ароматические полиэфиры и модифицированные сложные ароматические полиэфиры; и сополимеры алифатических и ароматических сложных эфиров. Например, биоразлагаемый сложный полиэфир может представлять собой сополимер алифатических и ароматических сложных эфиров, имеющий следующую структуру:
где
m представляет собой целое число, составляющее от 2 до 10, в некоторых примерах осуществления от 2 до 4, и в одном из примеров осуществления 4;
n представляет собой целое число, составляющее от 0 до 18, в некоторых примерах осуществления от 2 до 4, и в одном из примеров осуществления 4;
p представляет собой целое число, составляющее от 2 до 10, в некоторых примерах осуществления от 2 до 4, и в одном из примеров осуществления 4;
x представляет собой целое число, превышающее 1; и
y представляет собой целое число, превышающее 1. Одним из примеров такого сложноэфирного сополимера является полибутиленадипат-терефталат, коммерчески доступный под наименованием ECOFLEX F ВХ 7011, поставляемый BASF Corp. Другой пример подходящего сложноэфирного сополимера, содержащего ароматическую мономерную составляющую на основе терефталевой кислоты, поставляет IRE Chemicals (Южная Корея) под наименованием ENPOL™ 8060М. Другие подходящие сополимеры алифатических и ароматических сложных эфиров описаны, например, в патентах US 5292783; US 5446079; US 5559171; US 5580911; US 5599858; US 5817721; US 5900322; и US 6258924, содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для всех целей.
Если применяют синтетические биоразлагаемые сложные полиэфиры, то их количество может составлять от приблизительно 5% мас. до приблизительно 60% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 10% мас. до приблизительно 50% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 15% мас. до приблизительно 40% мас. от содержания полимеров в пленке. Кроме того, несмотря на то, что процентное содержание биоразлагаемых сложных полиэфиров в пленке в целом может колебаться в зависимости от содержания других применяемых ингредиентов (например, наполнителей), их содержание обычно составляет от приблизительно 1% мас. до приблизительно 70% мас. в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5% мас. до приблизительно 60% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 10% мас., до приблизительно 50% мас. от массы всей пленки.
Кроме перечисленных выше компонентов в пленку согласно настоящему изобретению также могут быть введены другие добавки, например, улучшающие скольжение добавки, стабилизаторы расплава, стабилизаторы обработки, термостабилизаторы, светостабилизаторы, антиоксиданты, стабилизаторы, предотвращающие термическое старение, отбеливающие агенты, связующие вещества, наполнители и т.д. В экструдируемую смесь, из которой получают полимерную пленку, могут быть добавлены наполнители, например, порошкообразные материалы или материалы другого типа, которые не вступают в химическое взаимодействие с экструдируемой пленкой и которые могут быть равномерно распределены внутри пленки. Применение наполнителей может служить множеству целей, которые включают повышение непрозрачности и/или газопроницаемости пленки (т.е. проницаемости для паров и по существу непроницаемости для жидкостей). Дополнительно, при получении пленок в качестве антиоксидантов обычно применяют стерически затрудненные фенолы. Некоторые подходящие стерически затрудненные фенолы включают фенолы, поставляемые Ciba Specialty Chemicals под торговым наименованием "Irganox", например, Irganox 1076, 1010, или E 201. Кроме того, для улучшения связывания пленки с дополнительными материалами (например, с неткаными полотнами) в пленку также могут быть добавлены связующие агенты. Примеры таких связующих агентов включают гидрированные углеводородные полимеры. Другие подходящие связующие агенты описаны в патентах US 4789699, Kieffer et al., и US 5695868, McCormack, содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для всех целей.
II. Конструкция пленки
Пленка согласно настоящему изобретению может быть однослойной или многослойной. Многослойные пленки могут быть получены совместной экструзией слоев, экструзионным нанесением покрытия или любым традиционным способом получения слоев. Такие многослойные пленки обычно содержат по меньшей мере один основной слой и по меньшей мере один покровный слой, но могут содержать любое количество требуемых слоев. Например, многослойная пленка может содержать основной слой и один или более покровных слоев, где основной слой получен из смеси эластомерного полимера и термопластического полимера крахмала. В большинстве примеров осуществления покровный слой (слои) также получают из смеси, описанной выше. Тем не менее, следует понимать, что в состав покровного слоя (слоев) также могут входить другие полимеры.
Для получения пленки из смеси материалов может быть применена любая известная методика, например, получение пленки раздувом, литьем, экструзией через плоскощелевую головку и т.д. В одном из конкретных примеров осуществления пленка может быть получена способом с раздувом, при котором для раздува пузыря полимерной смеси, экструдируемой через головку с круглым отверстием применяют газ (например, воздух). Затем пузырь сминается с образованием плоской пленки. Способы получения пленок с раздувом описаны, например, в патентах US 3354506, Ralev; US 3650649, Schippers; и US 3801429, Schrenk et al., а также в опубликованных патентных заявках US 2005/0245162, McCormack, et al., и US 2003/0068951, Boqqs, et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для любых целей. Однако, в другом примере осуществления пленку получают литьем.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
3
3
Например, на Фиг.1 представлен один из примеров осуществления способа получения литой пленки. Сырьевые материалы (например, термопластический полимер крахмала, эластомерный полимер и т.д.) могут быть направлены в устройство для смешивания в расплаве, как по отдельности, так и в виде смеси. Например, в одном из примеров осуществления компоненты направляют по отдельности в устройство для смешивания в расплаве, где их смешивают дисперсионным способом как, например, описано выше. Для этого, например, может быть использован экструдер, который включает питающие отверстия и отверстия для выпуска газа. В одном из примеров осуществления эластомерный полимер может быть подан в питающее отверстие двухшнекового экструдера, где происходит плавление материала. После этого термопластический полимер крахмала может быть направлен в полимерный расплав. Независимо от способа подачи, для обеспечения достаточной степени смешивания материалы смешивают при высоком усилии сдвига/давлении и высокой температуре. Например, смешивание в расплаве может быть произведено при температуре от приблизительно 75°C до приблизительно 400°C, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 80°C до приблизительно 300°C, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 90°C до приблизительно 250°C. Соответственно, кажущаяся скорость сдвига во время смешивания в расплаве может составлять от приблизительно 100 секунд до приблизительно 10000 секунд, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 500 секунд до приблизительно 5000 секунд, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 800 секунд до приблизительно 1200 секунд. Кажущуюся скорость сдвига находят по уравнению 4Q/πR, в котором Q представляет собой объемную скорость потока ("м/сек") расплава полимера, и R представляет собой радиус ("м") капилляра (например, отверстия экструзионной головки), через который протекает расплавленный полимер.
После этого экструдируемый материал может быть немедленно охлажден и нарезан на гранулы. В конкретном примере осуществления, представленном на Фиг.1, смешанный материал (не показан) затем направляют в экструзионную установку 80 и наносят поливом на поливной барабан 90, получая однослойную заготовку 10a для пленки. Если необходимо изготовить многослойную пленку, то на поливной барабан 90 совместной экструзией наносят множество слоев. На поливной барабан 90 могут быть необязательно нанесены штамповочные элементы (элементы для тиснения), с помощью которых на пленку наносят рисунок. Обычно поливной барабан 90 поддерживают при температуре, достаточной для отверждения и быстрого охлаждения листа 10a по мере его формования, например, при температуре от приблизительно 20°C до 60°C. При необходимости вблизи поливного барабана 90 может быть расположена вакуумная камера, обеспечивающая тесное прилегание заготовки 10a для пленки к поверхности барабана 90. Дополнительно, для прижимания заготовки 10a для пленки к поверхности поливного барабана 90 во время его перемещения вокруг вытяжного цилиндра применяют воздушные ножи или электростатические прижимные устройства. Воздушный нож представляет собой устройство, известное в данной области техники, из которого направляют высокоскоростной поток воздуха, прижимающий края пленки.
После отливки пленки 10a для дополнительного повышения однородности и снижения толщины пленки пленка может быть необязательно подвергнута ориентации в одном или более направлениях. При ориентации в пленке, содержащей наполнитель, также могут образовываться микропоры, которые придают пленке газопроницаемость. Например, пленка может быть немедленно повторно нагрета до температуры, составляющей ниже температуры плавления одного или более полимеров, находящихся в пленке, но достаточно высокой для вытяжения или растягивания композиции. В случае последовательной ориентации "размягченную" пленку растягивают на валках, вращающихся с разными скоростями вращения таким образом, что лист растягивается до требуемой степени вытяжения в продольном направлении (машинном направлении). Такая "одноосно-ориентированная" пленка затем может быть нанесена ламинированием на волокнистое полотно. Дополнительно, одноосно-ориентированная пленка также может быть ориентирована в поперечном направлении с образованием "двуосно-ориентированной" пленки. Например, боковые края пленки могут быть зафиксированы в зажимах (клуппах), установленных на цепном транспортере, и пленка может быть направлена в тентерную печь. В тентерной печи пленка может быть повторно нагрета и растянута в поперечном направлении до требуемой степени вытяжения с помощью зажимов цепных транспортеров, расстояние между которыми увеличивается по мере их продвижения вперед.
Например, на Фиг.1 представлен один из способов получения одноосно-ориентированной пленки. Как показано, заготовку 10a для пленки направляют в установку 100 для ориентации пленки или устройство для ориентации в машинном направлении (англ. machine direction orienter, сокращенно MDO), например, поставляемое Marshall and Willams, Co., Providence, Rhode Island. Устройство MDO включает множество вытяжных валков (например, от 5 до 8), с помощью которых пленку постепенно растягивают и утончают в машинном направлении, т.е. в направлении перемещения пленки во время обработки, как показано на Фиг.1. Несмотря на то, что показанное MDO 100 включает восемь валков, следует понимать, что количество валков может быть большим или меньшим, в зависимости от требуемого значения вытяжения и степенями вытяжения между каждой парой валков. Пленка может быть растянута при проведении одной или множества отдельных операций вытяжения. Следует отметить, что некоторые из валков устройства MDO могут работать не при постепенно повышающихся скоростях. При необходимости некоторые из валков MDO 100 могут действовать как барабаны для предварительного подогрева. Если такие валки имеются, то на нескольких первых валках пленку 10a подогревают до температуры, превышающей комнатную температуру (например, до 125°F (приблизительно 51,67°C)). Постепенное повышение скоростей соседних валков устройства MDO приводит к растягиванию пленки 10a. Скорость вращения растягивающих валков определяет степень растяжения пленки и массу готовой пленки.
Полученная пленка 10b может быть смотана и может храниться на снимающем валке 60. Несмотря на то, что это не показано на изображении, пленка может быть подвергнута различным дополнительным необязательным этапам обработки и/или отделки, известным в данной области техники, например, нарезанию щелевых отверстий, обработке, получению отверстий, нанесению графических знаков или нанесению ламинированием дополнительных слоев (например, нетканого полотна), и такие этапы также включены в объем настоящего изобретения.
Толщина получаемой эластичной пленки в общем случае может быть различной в зависимости от ее предполагаемого использования. Однако в большинстве примеров осуществления настоящего изобретения толщина эластичной пленки составляет приблизительно 50 микрометров или менее, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 100 микрометров, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 75 микрометров, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 10 до приблизительно 60 микрометров.
Тем не менее, несмотря на такую небольшую толщину, пленка согласно настоящему изобретению может сохранять хорошие механические свойства в сухом состоянии во время использования. Одним из показателей относительной прочности пленки в сухом состоянии является предел прочности на разрыв, который равен максимальной нагрузке на кривой зависимости деформации от напряжений. Предпочтительно пленка согласно настоящему изобретению имеет предел прочности на разрыв в машинном направлении (MD) и/или в поперечном направлении (CD), составляющий от приблизительно 10 до приблизительно 80 мегапаскаль (МПа), в некоторых примерах осуществления от приблизительно 15 до приблизительно 60 МПа, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 20 до приблизительно 50 МПа. Также желательно, чтобы при высокой прочности пленка не была слишком жесткой (неупругой). Одним из показателей относительной жесткости пленки (сухой пленки) является модуль упругости по Юнгу, который равен отношению растягивающей нагрузки к деформации растяжения и который находят по наклону кривой зависимости деформации от напряжений. Например, обычно модуль Юнга пленки в машинном направлении (MD) и/или в поперечном направлении (CD) составляет от приблизительно 1 до приблизительно 100 мегапаскаль (МПа), в некоторых примерах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 50 МПа, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 30 МПа.
В общем случае пленка также является растяжимой, и ее удлинение в машинном и/или поперечном направлении составляет приблизительно 250% или более, в некоторых примерах осуществления приблизительно 400% или более, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 500% до приблизительно 2500%, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 700% до приблизительно 2000%. Кроме растяжимости, пленка также обладает эластичностью, то есть может восстанавливаться на по меньшей мере приблизительно 50% от своей длины в растянутом состоянии при снятии растягивающего усилия. Эластичность пленки может быть охарактеризована ее "процентной деформацией", которая обычно составляет приблизительно 30% или менее, в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1% до приблизительно 30%, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 2% до приблизительно 10%.
В зависимости от предполагаемого применения эластичная пленка согласно настоящему изобретению может быть практически непроницаема для жидкости и пара или непроницаема для жидкости, но проницаема для пара (т.е. пленка может быть "дышащей" (газопроницаемой)). Например, газопроницаемые (дышащие) пленки часто используют в абсорбирующих изделиях (например, в качестве внешнего покрытия), в которых желателен перенос влаги от абсорбирующего внутреннего слоя через пленку. В перевязочных материалах или материалах для обработки ран также часто применяют газопроницаемые пленки, через которые может высвобождаться влага, выделяемая кожным покровом вблизи поврежденного участка. Газопроницаемые пленки могут быть сформованы с добавлением наполнителя, например, как описано выше. Газопроницаемость может быть придана пленкам, содержащим наполнители, при их растягивании, которое вызывает отделение полимера от наполнителя и создание микропористых каналов. Методики получения микропористых пленок описаны, например, в патенте US 7153569, Kaufman, et al., а также в опубликованных патентных заявках US 2005/0208294, Kaufman, et al., и US 2006/0149199, Topolkaraev, et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для всех целей. Если наполнитель применяют для инициирования образования микропор, то общее количество наполнителя в пленке может составлять от приблизительно 15% мас. до приблизительно 75% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 20% мас. до приблизительно 70% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 25% мас. до приблизительно 65% мас. Соответственно, описанная выше термопластическая композиция может составлять от приблизительно 25% мас. до приблизительно 85% мас., в некоторых примерах осуществления от приблизительно 30% мас. до приблизительно 80% мас., и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 35% мас. до приблизительно 75% мас. от массы пленки.
2
2
2
2
В тех примерах осуществления, в которых требуется придание пленкам газопроницаемости, пленка может характеризоваться скоростью (степенью) проницаемости водяных паров (англ. water vapor transmission rate, сокращенно WVTR), составляющей приблизительно 800 граммов/м-24 часа или более, в некоторых примерах осуществления приблизительно 1000 граммов/м-24 часа или более, в некоторых примерах осуществления приблизительно 1200 граммов/м-24 часа или более, и в некоторых примерах осуществления от приблизительно 1500 до приблизительно 10000 граммов/м-24 часа. Пленка также может быть непроницаемой для жидкости, то есть ограничивать количество жидкой воды, проникающей через нее при приложении давления. В частности, пленка может выдерживать гидростатическое давление ("гидростатический напор"), составляющее приблизительно 50 миллибар (5 кПа) или более, в некоторых примерах осуществления приблизительно 70 миллибар (7 кПа) или более, в некоторых примерах осуществления приблизительно 80 миллибар (8 кПа) или более, и в некоторых примерах осуществления приблизительно 100 миллибар (10 кПа) или более, не пропуская жидкую воду.
Эластичная пленка согласно настоящему изобретению может иметь огромное множество применений. Например, как указано выше, пленка может быть включена в абсорбирующее изделие. Под "абсорбирующим изделием" обычно понимают любое изделие, способное поглощать воду или другие жидкости. Неограничивающие примеры некоторых абсорбирующих изделий включают абсорбирующие изделия личной гигиены, например, подгузники, спортивные шорты, абсорбирующее белье, изделия для страдающих недержанием, изделия женской гигиены (например, гигиенические салфетки, ежедневные прокладки и т.д.), купальные костюмы, салфетки для ухода за младенцами и т.д.; медицинские абсорбирующие изделия, например, одежду, материалы для ограничения операционного поля, подкладные коврики, наматрасные коврики, перевязочный материал, абсорбирующие хирургические простыни и медицинские салфетки; сервировочные салфетки; предметы одежды; и т.д. Некоторые примеры подобных абсорбирующих изделий описаны в патентах US 5649916, DiPalma, et al.; US 6110158, Kielpikowski; US 6663611, Blaney, et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для всех целей. Другие подходящие изделия описаны в опубликованной патентной заявке US 2004/0060112 А1, Fell et al., а также в патентах US 4886512, Damico et al.; US 5558659, Sherrod et al.; US 6888044, Fell et al.; и US 6511465, Freiburqer et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для всех целей. Материалы и способы, подходящие для получения таких абсорбирующих изделий, хорошо известны специалистам в данной области техники.
Материалы и способы, подходящие для получения таких абсорбирующих изделий, хорошо известны специалистам в данной области техники. Обычно абсорбирующие изделия включают по существу непроницаемый для жидкости слой (например, внешний покровный слой), проницаемый для жидкости слой (например, выстилающий слой, прилегающий к телу, слой, принимающий выброс жидкости, и т.д.) и абсорбирующий внутренний слой. В одном из конкретных примеров осуществления композитный материал согласно настоящему изобретению может быть использован для изготовления эластичного участка на талии, ножной манжеты/уплотнения, растяжимого клапана (крылышка), боковой панели или растяжимого внешнего покрытия.
Ниже более подробно описаны различные примеры осуществления абсорбирующего изделия, которое может быть получено согласно настоящему изобретению. Например, на Фиг.2 представлен один из примеров осуществления одноразового подгузника 250, который обычно включает передний поясной участок 255, задний поясной участок 260 и промежуточный участок 265, который соединяет передний и задний поясные участки. Передний и задний поясные участки 255 и 260 включают главные части подгузника, сконструированные таким образом, что во время ношения они расположены по существу вдоль передней и задней областей талии пользователя, соответственно. Промежуточный участок 265 подгузника включает главную часть подгузника, которая сконструирована таким образом, что проходит через паховую область между ногами пользователя. Таким образом, промежуточный участок 265 представляет собой область подгузника, обычно подвергаемую многократному действию выбросов жидкости.
Подгузник 250 включает, без ограничения, внешнее покрытие или изнаночный лист 270; проницаемый для жидкости выстилающий слой 275, прилегающий к телу, или верхний лист, обращенный к изнаночному листу 270; и структуру 280 абсорбирующего внутреннего слоя или структуру 280, удерживающую жидкость, например, абсорбирующий слой, который расположен между изнаночным листом 270 и верхним листом 275. Изнаночный лист 270 имеет длину или продольное направление 286 и ширину или поперечное направление 285, которые в показанном примере осуществления совпадают с длиной и шириной подгузника 250. Удерживающая жидкость структура 280 обычно имеет длину и ширину, составляющие меньше длины и ширины, соответственно, изнаночного листа 270. Таким образом, краевые части подгузника 250, например, краевые участки изнаночного листа 270 могут выступать за ограничивающие края структуры 280, удерживающей жидкость. Например, в показанных примерах осуществления изнаночный лист 270 выступает за пределы ограничивающих краев удерживающей жидкость структуры 280, образуя боковые поля и концевые поля подгузника 250. Верхний лист 275 обычно совпадает по размеру с изнаночным листом 270, но при необходимости может необязательно закрывать область, составляющую менее или более области изнаночного листа 270.
Для улучшения посадки и для уменьшения вероятности просачивания физиологических выделений из подгузника 250, боковым полям и концевым полям подгузника может быть придана эластичность с помощью подходящих эластичных элементов, дополнительно описанных ниже. Например, в репрезентативном примере, показанном на Фиг.2, подгузник 250 может включать ножные эластичные элементы 290, конструкция которых позволяет им в процессе использования сжимать боковые поля подгузника 250, создавая эластичные полосы для ног, которые могут плотно охватывать ноги пользователя, уменьшая вероятность просачивания, повышая комфорт и улучшая внешний вид. Поясные эластичные элементы 295 применяют для придания эластичности краевым полям подгузника 250, создавая, таким образом, эластичные поясные полосы. Поясные эластичные элементы 295 сконструированы с возможностью придания упругой, удобной плотной посадки на талии пользователя. Эластичная пленка согласно настоящему изобретению может подходить для изготовления ножных эластичных элементов 290 и поясных эластичных элементов 295.
Как известно, для закрепления подгузника 250 на фигуре пользователя могут быть применены средства крепления, например, застежка типа "крючок и петля". В альтернативном варианте могут быть использованы другие средства крепления, например, пуговицы, булавки, зажимы, застежки на клейкой ленте, застежки "липучки", застежки типа "ткань и петля" или подобные им детали крепления. В показанном примере осуществления подгузник 250 включает пару боковых панелей 300 (или клапанов), к которым присоединены детали 302 крепления, изображенные в виде части крючка детали крепления типа крючок и петля. Обычно боковые панели 300 присоединяют к боковым краям подгузника на одном из поясных участков 255, 260, так что они выступают в боковом направлении от основной детали. Боковым панелям 300 может быть придана эластичность, или иначе они могут быть сделаны эластомерными при помощи материалов со скрытой эластичностью согласно настоящему изобретению. Примеры абсорбирующих изделий, включающих боковые панели, которым придана эластичность, и селективно сконструированные клапаны для крепления, описаны в опубликованной согласно РСТ патентной заявке WO 95/16425, Roessler; в патентах US 5399219, Roessler et al.; US 5540796, Fries; и US 5595618, Fries, содержание каждого из которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки для любых целей.
Подгузник 250 также может включать слой 305 для распределения выбросов жидкости, расположенный между верхним листом 275 и структурой 280, удерживающей жидкость, который быстро впитывает жидкостные выделения и распределяет жидкостные выделения в структуре 280, удерживающей жидкость, находящейся внутри подгузника 250. Подгузник 250 может дополнительно включать вентиляционный слой (не показан), также называемый разделителем или разделительным слоем, расположенный между удерживающей жидкость структурой 280 и изнаночным листом 270, и предназначенный для изоляции изнаночного листа 270 от удерживающей жидкость структуры 280, что позволяет снижать влажность предмета одежды на внешней поверхности газопроницаемого внешнего покрытия или изнаночного листа 270. Примеры подходящих слоев 305 для распределения выбросов описаны в патентах US 5486166, Bishop, и US 5490846, Ellis.
В репрезентативном примере, показанном на Фиг.2, одноразовый подгузник 250 также может включать пару удерживающих клапанов 310, сконструированных с целью создания барьера для бокового растекания физиологических выделений. Удерживающие клапаны 310 могут быть расположены вдоль противоположных боковых краев подгузника вблизи боковых краев структуры 280, удерживающей жидкость. Каждый из удерживающих клапанов 310 обычно имеет незакрепленный край, конфигурация которого имеет прямую перпендикулярную форму на по меньшей мере промежуточном участке 265 подгузника 250 и образует герметичное уплотнение при прилегании к телу пользователя. Удерживающие клапаны 310 могут простираться в продольном направлении вдоль всей длины структуры 280, удерживающей жидкость, или они могут простираться лишь вдоль части длины структуры, удерживающей жидкость. Если удерживающие клапаны 310 имеют меньшую длину, чем вся структура 280, удерживающая жидкость, то удерживающие клапаны 310 могут быть селективно расположены в любом месте вдоль боковых краев промежуточного участка 265 подгузника 250. Конструкции таких удерживающих клапанов 310 хорошо известны специалистам в данной области техники. Например, подходящие конструкции и расположение удерживающих клапанов 310 описаны в патенте US 4704116, Enloe.
Подгузник 250 может иметь различные подходящие формы. Например, в целом подгузник может иметь прямоугольную форму, Т-образную форму или форму, приблизительно соответствующую форме песочных часов. В показанном примере осуществления подгузник 250 в целом имеет l-образную форму. Другие подходящие компоненты, которые могут быть включены в абсорбирующее изделие согласно настоящему изобретению, могут включать поясные клапаны и подобные им детали, которые хорошо известны специалистам в данной области техники. Примеры конфигураций подгузников, подходящих для применения в сочетании с эластичной пленкой согласно настоящему изобретению, которые также могут включать другие компоненты, подходящие для конструкций подгузников, описаны в патентах US 4798603, Meyer et al.; US 5176668, Bernardin: US 5176672, Bruemmer et aL; US 5192606, Proxmire et al.; и US 5509915, Hanson et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для любых целей.
Различные участки и/или компоненты подгузника 250 могут быть соединены друг с другом с помощью любого известного механизма скрепления, например, с помощью клеящего вещества, ультразвукового скрепления, термического скрепления и т.д. Подходящие клеящие вещества могут включать, например, термоплавкие клеи, чувствительные к приложению давления клеи и подобные им вещества. Если применяют клеящее вещество, то оно может быть нанесено в виде однородного слоя, слоя определенного рисунка, в виде напыляемой схемы или любых отдельных линий, завитков или точек. Например, в показанном примере осуществления верхний лист 275 и изнаночный лист 270 могут быть скреплены друг с другом и соединены со структурой 280, удерживающей жидкость, с помощью линий, нанесенных клеящим веществом, например, термоплавкого клея или чувствительного к приложению давления клея. Соответственно, другие компоненты подгузника, например, эластичные элементы 290 и 295, элементы 302 крепления и слой 305, регулирующий распределение выбросов жидкости, могут быть собраны в виде изделия с помощью описанных выше механизмов скрепления.
Несмотря на то, что выше были описаны различные конфигурации подгузника, следует понимать, что в объем настоящего изобретения также включены другие конфигурации подгузников и абсорбирующих изделий. Кроме того, настоящее изобретение никоим образом не ограничено подгузниками. Действительно, различные примеры абсорбирующих изделий описаны в патентах US 5649916, DiPalma, et al.; US 6110158, Kielpikowski; US 6663611, Blaney, et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для любых целей. Другие дополнительные примеры изделий личной гигиены, которые могут включать описанные материалы, представляют собой тренировочные шорты (например, они могут включать описанные материалы в виде материалов боковых панелей) и изделия женской гигиены. Исключительно для иллюстрации можно отметить, что тренировочные шорты, для получения которых может быть применено настоящее изобретения, а также различные материалы и способы конструирования таких тренировочных шорт, описаны в патентах US 6761711. Fletcher et al.; US 4940464, Van Gompel et al.; US 5766389, Brandon et al.; и US 6645190, Olson et al., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки для любых целей.
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены следующие примеры.
Способы испытаний
Прочность на растяжение
Величины прочности на растяжение полос материала были определены по существу в соответствии со стандартом ASTM D-5034. Применяли устройство для испытаний на растяжение с постоянной скоростью растягивания. Система для испытаний на растяжение представляла собой устройство Sintech 1/D для испытаний на растяжение, поставляемое MTS Systems Corp. Для выполнения испытаний устройство для испытаний на растяжение было снабжено программным обеспечением TESTWORKS 4.08В, поставляемым MTS Systems Corp. Выбирали подходящий датчик измерения нагрузки, так чтобы определяемые величины попадали в диапазон от 10 до 90% значений шкалы нагрузки. Перед проведением испытания образцы пленки нарезали в форме гантелей (восьмерок) при ширине центральной части 3,0 мм. Образцы помещали в зажимы, имеющие переднюю и заднюю поверхность с размерами 25,4 миллиметра × 76 миллиметров. Поверхности зажимов были покрыты слоем полимера; край зажима, имеющий большую длину, был перпендикулярен направлению вытягивания. Давление зажимов поддерживали на уровне 40 фунтов на квадратный дюйм (приблизительно 275,8 кПа) пневматическим способом. Испытание на растяжение проводили с использованием измерительной базы длиной 18,0 миллиметров и чувствительности на разрыв 40%. Для пяти образцов испытания проводили, прикладывая нагрузку в машинном направлении, и для пяти образцов испытания проводили, прикладывая нагрузку в поперечном направлении. Во время испытаний образцы растягивали при скорости ползуна, составляющей приблизительно 127 миллиметров в минуту, до разрушения. Были измерены модуль, максимальное напряжение, максимальная деформация (т.е. % деформации при максимальной нагрузке) и удлинение.
Испытание при циклической нагрузке
Циклическое испытание материалов проводили для определения их процентной деформации. В частности, для получения удлинения, составляющего 100%, проводили испытание, включающее один (1) цикл нагружения. Испытание проводили с помощью устройства 1/D для испытаний на растяжение с постоянной скоростью, поставляемого MTS Systems Corp., снабженного программным обеспечением TESTWORKS 4.08В, поставляемым MTS Corporation. Испытание проводили при обычных условиях. Размеры образцов для этого испытания составляли 1 дюйм (2,54 сантиметра) в поперечном направлении и 3 дюйма (7,6 сантиметра) в машинном направлении. Перед испытанием точная длина пленки составляла 51 миллиметр. Ширина зажима составляла 3 дюйма (7,6 сантиметра), а расстояние между зажимами составляло 4 дюйма (10,16 см). Образцы помещали в устройство таким образом, чтобы машинное направление образца располагалось по вертикали. Предварительную нагрузку устанавливали приблизительно от 20 до 30 граммов. Во время испытания образец вытягивали до 100% удлинения со скоростью 20 дюймов (50,8 сантиметров) в минуту, удерживали образец в удлиненном состоянии в течение 30 секунд, и затем возвращали образец к нулевому удлинению со скоростью 20 дюймов (50,8 сантиметров) в минуту. После этого немедленно измеряли длину пленки, а затем длину пленки измеряли повторно спустя 10, 20 и 30 минут. Остаточное процентное удлинение ("процентную деформацию") определяли вычитанием длины пленки, измеренной спустя 30 минут после окончания испытания при циклической нагрузке, из первоначальной длины пленки с последующим делением полученного значения на величину первоначальной длины пленки.
Применяемые материалы
- Натуральный кукурузный крахмал был поставлен Cargill.
- Глицерин был поставлен Cognis Corp.
- ECOFLEX F BX 7011 был поставлен BASF Corp.
- EXCEL P-40S представляет собой неионное поверхностно-активное вещество, поставляемое Kao Corp.
- VISTAMAXX™ 1120 и 6102 представляют собой сополимеры этилена и пропилена, полученные с помощью металлоценового катализатора, поставляемые Exxonmobil Corp.
g
m
- ESTANE™ 58245 представляет собой ароматический простой полиэфир на основе термопластического полиуретана, производимый Noveon и впоследствии Lubrizol Advanced Materials. В приведенных ниже примерах буква "N" обозначает полимер, полученный от Noveon, а буква "L" обозначает полимер, полученный от Lubrizol. Полиуретан имеет T -37°C и T 135-139°C.
g
m
- DESMOPAN™ DP 9370 представляет собой ароматический простой полиэфир на основе термопластического полиуретана, поставляемый Bayer MaterialScience. Его T составляет -70°C, а T 188-199°C.
Пример 1
расплава
Смесь на основе крахмала была получена из 73,5% масс, натурального кукурузного крахмала, 1,5% мас. Excel P-40S и 25% масс, глицерина. Эти компоненты были направлены в двухшнековый экструдер со шнеками, вращающимися в одном направлении (ZSK-30, Werner and Pfleiderer Corporation, Ramsey, New Jersey). Диаметр экструдера составлял 30 мм, а длина шнеков составляла до 1328 мм. Экструдер включал 14 отсеков, последовательно пронумерованных с 1 по 14 от загрузочного бункера до экструзионной головки. Температурный профиль в семи (7) зонах нагрева экструдера был следующим: 70°C, 85°C, 140°C, 145°C, 150°C, 150°C и 145°C, соответственно. Для создания крутящего усилия, составляющего от 31-36%, и Р 460~480 фунтов на кв. дюйм (от приблизительно 3,172 МПа до 3,309 МПа), скорость шнека устанавливали равной 160 об./мин.
Пример 2
расплава
Смесь на основе крахмала была получена из 33,1% масс, натурального кукурузного крахмала, 0,7% мас. Excel P-40S, 11,2% масс, глицерина и 55% мас. ECOFLEX F ВХ 7011. Эти компоненты были направлены в двухшнековый экструдер со шнеками, вращающимися в одном направлении (ZSK-30, Werner and Pfleiderer Corporation, Ramsey, New Jersey). Диаметр экструдера составлял 30 мм, а длина шнеков составляла до 1328 мм. Экструдер включал 14 отсеков, последовательно пронумерованных с 1 по 14 от загрузочного бункера до экструзионной головки. Температурный профиль в семи (7) зонах нагрева экструдера был следующим: 70°C, 85°C, 140°C, 145°C, 150°C, 150°C и 156°C, соответственно. Для создания крутящего усилия, составляющего от 32-38%, и Р 220~230 фунтов на кв. дюйм (от приблизительно 1,517 МПа до 1,586 МПа), скорость шнека устанавливали равной 160 об./мин.
Примеры 3-19
Термопластическую смесь, полученную в Примере 2, смешивали в сухом состоянии с различными эластомерами (VISTAMAXX™ 1120, VISTAMAXX™ 6102, DESMOPAN™ DP9730A и ESTANE™ 58245), взятыми в различных концентрациях. Пленки отливали, добавляя смесь в гравиметрический дозатор (K-Tron America, Pitman, NJ, модель KCM-2), из которого смеси направляли в двухшнековый экструдер Prism USALAB 16 (Thermo Electron Corp., Stone, England). Скорость экструдера устанавливали равной 150 об./мин. В зоне номер 9 находилось вентиляционное отверстие для выпуска пара, образующегося в результате испарения влаги, содержащейся в пластификаторе, и влаги, неизбежно присутствующей в крахмале. В Примерах 3-18 температурный профиль зон с 1 по 10 составлял 120°C, 130°C, 150°C, 170°C, 180°C, 180°C, 180°C, 175°C, 175°C и 170°C, соответственно. В Примере 19 температурный профиль зон с 1 по 10 составлял 120°C, 130°C, 150°C, 170°C, 175°C, 175°C, 175°C, 175°C, 170°C и 160°C, соответственно. Составы пленок представлены ниже в Таблице 1.
Таблица 1
Составы пленок
Пример
VISTAMAXX™ 1120 (% мас.)
VISTAMAXX™ 6102 (% мас.)
DESMOPAN™ DP9730A (% мас.)
ESTANE™ 58245 (% мас.)
Смесь на основе крахмала Примера 2 (% мас.)
3
90
0
0
0
10
4
60
0
0
0
40
5
30
0
0
0
70
6
0
70
0
0
30
7
0
30
0
0
70
8
0
0
70
0
30
9
0
0
30
0
70
10
0
0
0
90
10
11
0
0
0
80
20
12
0
0
0
70
30
13
0
0
0
60
40
14
0
0
0
50
50
15
0
0
0
40
40
16
0
0
0
30
30
17
0
0
0
20
20
18
0
0
0
10
10
19
0
0
0
100
После получения образцов пленки определяли их прочность на растяжение в соответствии с методикой, описанной выше. Результаты представлены ниже в Таблице 2.
Таблица 2
Механические свойства образцов пленки
No. образца
Описание образца
Композиция
Механические свойства пленки
Толщина пленки
Модуль (МПа)
Максимальное напряжение (МПа)
Удлинение(%)
MD (мил)
CD (мил)
MD
CD
MD
CD
MD
CD
Пример 3
VM 1120/Пример 2
90/10
1,9
1,7
7,6
8,5
22,8
17,2
741,5
939,6
Пример 4
VM 1120/Пример 2
60/40
2,5
2,0
11,3
10,1
20,7
10,9
813,0
859,1
Пример 5
VM 1120/Пример 2
30/70
2,5
1,8
15,3
10,9
21,8
11,4
837,0
753,7
Пример 6
VM 6120/Пример 2
70/30
2,5
2,4
8,6
5,7
14,6
15,2
637,5
1000,6
Пример 7
VM 6120/Пример 2
30/70
2,5
2,2
18,5
17,4
22,9
13,7
808,3
819,3
Пример 8
DP 9730A/Пример 2
70/30
2,4
2,2
12,7
8,3
45,7
30,0
750,3
774,8
Пример 9
DP 9730A/Пример 2
30/70
1,9
1,7
26,1
24,2
36,4
26,8
778,3
839,5
Пример 10
Estane/Пример 2
90/10
2,6
1,9
16,1
9,6
26,8
22,2
579,6
600,1
Пример 11
Estane/Пример 2
80/20
2,0
2,0
7,8
9,7
32,3
22,7
661,2
754,1
Пример 12
Estane/Пример 2
70/30
1,9
1,9
11,5
11,5
21,9
21,9
740,5
740,5
Пример 13
Estane/Пример 2
60/40
2,1
2,1
13,8
9,4
31,0
21,6
687,4
746,5
Пример 14
Estane/Пример 2
50/50
2,2
2,0
22,1
17,3
30,2
24,3
693,2
839,9
Пример 15
Estane/Пример 2
40/60
2,0
1,9
22,7
20,1
27,2
19,9
657,5
755,5
Пример 16
Estane/Пример 2
30/70
1,6
1,6
22,7
18,4
24,8
16,8
596,4
702,2
Пример 17
Estane/Пример 2
20/80
2,1
1,9
19,4
19,1
24,9
15,3
679,7
667,4
Пример 18
Estane/Пример 2
10/90
1,9
1,8
24,5
23,8
20,7
14,1
592,1
626,6
Пример 19
Estane/Пример 2
0/100
1,6
1,4
21,7
21,4
20,1
13,2
631,6
597,6
Как показано, образцы пленки, полученные в Примерах 3-19, имеют прекрасные характеристики удлинения.
Для оценки эластичности пленки образцы пленки также были подвергнуты испытанию при циклической нагрузке, описанному выше. Результаты представлены ниже в Таблице 3.
Таблица 3
Механическое растяжение и восстановление размеров пленки
No. образца
Описание образца
Ориентация
Первоначально
После испытания (мм)
Спустя 10 минут (мм)
Спустя 20 минут (мм)
Спустя 30 минут (мм)
% не восстановивш.
Пример 3
VM 1120/Пример 2 (90/10)
MD
51,0
51,7
50,7
50,3
50,0
-2,0
CD
51,0
51,3
50,0
50,0
50,0
-2,0
Пример 4
VM 1120/Пример 2 (60/40)
MD
51,0
58,3
56,3
56,3
56,3
10,4
CD
51,0
57,7
55,7
55,3
55,3
8,4
Пример 5
VM 1120/Пример 2 (30/70)
MD
51,0
66,3
63,3
63,3
63,0
23,5
CD
51,0
70,6
66,0
66,3
66,3
30,0
Пример 6
VM 6120/Пример 2 (70/30)
MD
51,0
54,3
53,0
52,3
52,3
2,5
CD
51,0
52,3
51,0
51,0
51,0
0,0
Пример 7
VM 6120/Пример 2 (30/70)
MD
51,0
68,0
65,0
64,7
64,7
26,9
CD
51,0
69,3
66,7
66,0
66,0
29,4
Пример 8
DР 9730А/Пример 2 (70/30)
MD
51,0
52,3
51,0
51,0
51,0
0,0
CD
51,0
51,0
50,0
50,0
50,0
-2,0
Пример 9
DР 9730А/Пример 2 (30/70)
MD
51,0
65,3
62,3
62,3
62,3
22,2
CD
51,0
66,3
63,7
63,0
62,7
22,9
Пример 10
Estane/Пример 2 (90/10)
MD
51,0
52,0
50,7
50,7
50,7
-0,7
CD
51,0
52,0
51,0
51,0
51,0
0,0
Пример 11
Estane/Пример 2 (80/20)
MD
51,0
53,0
51,7
51,0
51,0
0,0
CD
51,0
52,0
51,0
51,3
51,0
0,0
Пример 12
Estane/Пример 2 (70/30)
MD
51,0
53,7
52,0
52,0
52,0
2,0
CD
51,0
54,3
52,3
52,0
52,0
2,0
Пример 13
Estane/Пример 2 (60/40)
MD
51,0
57,0
55,0
55,0
55,0
7,8
CD
51,0
57,0
55,3
54,7
54,3
6,5
Пример 14
Estane/Пример 2 (50/50)
MD
51,0
60,3
57,7
57,0
56,7
11,1
CD
51,0
66,3
62,7
61,3
61,3
20,3
Пример 15
Estane/Пример 2 (40/60)
MD
51,0
64,7
61,7
61,3
61,0
19,6
CD
51,0
68,0
63,7
64,0
63,7
24,8
Пример 16
Estane/Пример 2 (30/70)
MD
51,0
65,0
62,3
62,0
62,0
21,6
CD
51,0
68,7
65,3
65,3
65,3
28,1
Пример 17
Estane/Пример 2 (20/80)
MD
51,0
68,3
66,7
66,3
66,3
30,1
CD
51,0
70,3
67,7
68,0
67,7
32,7
Пример 18
Estane/Пример 2 (10/90)
MD
51,0
72,0
69,3
68,3
68,3
34,0
CD
51,0
70,3
67,0
67,0
66,7
30,7
Пример 19
Пример 2
MD
51,0
73,7
71,3
71,3
70,7
38,6
CD
51,0
80,3
76,7
76,0
76,0
49,0
Как видно, величина необратимой деформации очень низка. Например, величина необратимой деформации материала Примера 4 составляет 8% в машинном направлении и 10% в поперечном направлении, соответственно, несмотря на то, что материал содержит 40% мас. неэластомерного компонента.
Несмотря на то, что изобретение было подробно описано с помощью конкретных примеров его осуществления, специалисты в данной области техники после прочтения вышеизложенного смогут внести в настоящее изобретение соответствующие изменения и получить модификации, а также создать эквиваленты описанных примеров осуществления. Соответственно, объем настоящего изобретения ограничен лишь прилагаемыми пунктами формулы изобретения и любыми их эквивалентами.