Fibras, materiales no tejidos y artículos que contienen nanofibras producidas a partir de polímeros de amplia distribución de pesos moleculares.

Una banda de material no tejido que comprende, al menos, una capa que tiene,

al menos, 25% de nanofibras con diámetros inferiores a un micrómetro, en donde dichas nanofibras se obtienen a partir de un polímero que tiene una distribución de pesos moleculares superior a tres y en donde dicha capa tiene un diámetro de poro promedio inferior a 15 micrómetros.

Fibras, materiales no tejidos y artículos que contienen nanofibras producidas a partir de polímeros de amplia distribución de pesos moleculares

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas Esta solicitud reivindica la ventaja de la solicitud provisional US-60/563.330, presentada el 19 de abril de 2004.

Campo de la invención La presente invención se refiere a fibras, materiales no tejidos y artículos fabricados a partir de nanofibras y al método de producción de las nanofibras. Las nanofibras pueden obtenerse a partir de un polímero que tenga una amplia distribución de pesos moleculares.

Antecedentes de la invención La necesidad de disponer de artículos producidos a partir de material no tejido que contiene nanofibras no ha dejado de aumentar. Se entiende que los diámetros de las nanofibras son generalmente inferiores a aproximadamente 1000 nanómetros o un micrómetro. Las bandas de nanofibra son deseadas debido a su elevada área superficial, tamaño de poro reducido y otras características. Las nanofibras, generalmente llamadas también microfibras o fibras muy finas, pueden producirse mediante diversos métodos y a partir de diversos materiales. Aunque se han usado varios métodos, hay inconvenientes en cuanto a cada uno de los métodos y producir nanofibras rentables ha resultado difícil.

Los métodos de producción de nanofibras incluyen una clase de métodos descritos mediante formación de fibrillas por fusión. Los ejemplos no limitativos de métodos de formación de fibrillas por fusión incluyen soplado por fusión, reventado de fibras por fusión y formación de fibrillas de película por fusión. Los métodos de producción de nanofibras, que no son por fusión, son formación de fibrillas de película, electro-centrifugado y centrifugado en solución. Otros métodos de producción de nanofibras incluyen centrifugar una fibra bicomponente de gran diámetro con una configuración en islas, de queso en porciones, u otro tipo de configuración donde la fibra se continúa procesando para obtener las nanofibras.

La formación de fibrillas en estado fundido es un tipo general de fabricación de fibras que viene definido por que uno o más polímeros se funden y se extruyen para dar lugar a muchas configuraciones posibles (p. ej. coextrusión, películas o filamentos homogéneos o bicomponentes) y posteriormente se transforman en fibrillas o en material fibroso dando lugar a filamentos.

El soplado por fusión es un método usado habitualmente para producir fibras. Los diámetros de fibra típicos están comprendidos en el intervalo de 2 micrómetros a 8 micrómetros. El soplado por fusión puede usarse para fabricar fibras con diámetros menores pero con cambios considerables necesarios para el proceso. Habitualmente, es necesario hacer ajustes en el diseño de boquillas y matrices. Los ejemplos de estos incluyen US-5.679.379 y US

6.114.017 de Fabbricante y col. y US-5.260.003 y US-5.114.631 de Nyssen y col. Estos métodos utilizan presiones, temperaturas y velocidades relativamente elevadas para alcanzar el diámetro de fibra pequeño.

El reventado de fibra por fusión es un proceso de obtención de fibra mineral que se ha aplicado en la fabricación de fibra de polímero. Los ejemplos de proceso de reventado de fibra de material fundido mineral incluyen US-4.001.357 de Walz y col. y US-4.337.074 y US-4.533.376 de Muschelknautz y col. El aspecto fundamental de este proceso es el uso de velocidades de aire (gas) sónicas y supersónicas para reventar el filamento fundido dando lugar a múltiples fibras finas. Los diámetros de fibra típicos están comprendidos en el intervalo de menos de 1 micrómetro a aproximadamente 6 micrómetros. Entre los ejemplos de procesos de reventado de material fundido de polímero que dan lugar a fibras finas se incluye US-5.075.161 de Nyssen y col.; Las patentes europeas EP-1.192.301 B1 y EP

0.724.029 B1 y la solicitud de patente europea EP-1.358.369 A2 de Gerking; y WO 04/020722 de Sodemann y col. Estos métodos utilizan boquillas Laval para acelerar las velocidades del gas hasta el intervalo de velocidades sónicas y/o supersónicas. Cuando se expone material fundido polimérico a velocidades de gas tan elevadas, se revienta dando lugar a múltiples fibras finas. Los procesos se configuran usando condiciones de proceso y geometrías de matriz y de boquilla deseadas para producir los tamaños de fibra deseados.

La formación de fibrillas de película por fusión es otro método de producción de fibras. Se produce una película fundida a partir del material fundido y a continuación el fluido se usa para formar nanofibras a partir de la película fundida. Dos ejemplos de este método incluyen US-6.315.806; US-5.183.670 de Torobin; y US-4.536.361; y las patentes US-6.382.526, US-6.520.425 y US-6.695.992, concedidas a la Universidad de Akron.

La formación de fibrillas de película es otro método de producción de nanofibras aunque no está concebido para la producción de nanofibras poliméricas para usar en bandas de material no tejido. En US-6.110.588 de Perez y col., concedida a 3M, se describe el método para impartir energía en forma de fluido a una superficie de una película de polímero muy orientada, muy cristalina, procesada por fusión, solidificada, para formar nanofibras. Las películas y fibras son útiles para aplicaciones de elevada resistencia, tales como fibras de refuerzo para polímeros o materiales de construcción colados, tal como hormigón.

El electrocentrifugado es un método de producción de nanofibras usado habitualmente. En este método se disuelve un polímero en un disolvente y se coloca en una cámara sellada en un extremo con una pequeña abertura en una parte rebajada en el otro extremo. A continuación se aplica un potencial de elevado voltaje entre la solución de polímero y un colector cerca del extremo abierto de la cámara. Las velocidades de producción de este proceso son muy lentas y las fibras se producen de forma típica en pequeñas cantidades. Otra técnica de hilado para producir nanofibras es fibrado en solución o hilado ultrarrápido utilizando un disolvente.

Se conocen también dos métodos de dos etapas de producción de nanofibras. La primera etapa es hilar una fibra multicomponente de mayor diámetro en una configuración en islas, de queso en porciones, u otra configuración. A continuación, la fibra multicomponente de mayor diámetro se separa, o el mar que rodea a las islas se disuelve de modo que en la segunda etapa se obtienen las nanofibras. Por ejemplo, en US-5.290.626 de Nishio y col., concedida a Chisso y US-5.935.883, de Pike y col., concedida a Kimberly-Clark, se describen los métodos en islas y de queso en porciones. Estos procesos incluyen dos etapas consecutivas, fabricar las fibras y dividir las fibras.

Para producir artículos desechables que contienen nanofibras comercialmente ventajosas, debe controlarse el coste de las nanofibras. Pueden controlarse los costes tanto de los equipos, del proceso, de los coadyuvantes del proceso y del polímero. Por lo tanto, es un objeto de la invención producir nanofibras de coste reducido. Se desea asimismo formar productos que contienen nanofibras para una variedad de usos y ventajas. Los usos incluyen realizaciones tales como un pañal, una toallita y material absorbente, entre otros.

Sumario de la invención Para obtener diámetros de fibra menores, habitualmente se usan polímeros con una distribución de pesos moleculares estrecha. Esto se debe a que el polímero de distribución de pesos moleculares estrecha es capaz de fluir más rápido, proporcionar atenuamiento más fácilmente, y formar fibras de diámetros menores. Para crear nanofibras, a menudo se usan polímeros de distribución de pesos moleculares estrecha y de mayores energías de atenuación como, por ejemplo, elevadas velocidades de gas, caudales, y velocidades de absorción. Generalmente, todos estos parámetros deben optimizarse para formar las nanofibras. Por lo tanto, un experto en la técnica no utilizaría polímeros de amplia distribución de pesos moleculares en un proceso de formación de fibrillas en fusión de una sola etapa para formar nanofibras. Un modo de reducir el coste de la nanofibra es usar polímeros con amplias distribuciones de pesos moleculares. Los polímeros de amplia distribución de pesos moleculares tienen un amplio intervalo de pesos moleculares y se fabrican más fácilmente y, por lo tanto, se encuentran disponibles con mayor frecuencia. De forma típica, los polímeros de amplia distribución de pesos moleculares son más fuertes, menos abrasivos y con menor tendencia a deshilacharse, y más estables. Por lo tanto, un propósito de la presente invención es producir artículos que contengan nanofibras producidas a partir de polímeros... [Seguir leyendo]

1. Una banda de material no tejido que comprende, al menos, una capa que tiene, al menos, 25% de nanofibras con diámetros inferiores a un micrómetro, en donde dichas nanofibras se obtienen a partir de un polímero que tiene una distribución de pesos moleculares superior a tres y en donde dicha capa tiene un diámetro de poro promedio inferior a 15 micrómetros.

2. La banda de material no tejido según la reivindicación 1, en donde el polímero tiene una distribución de pesos moleculares superior a 3, 5.

3. La banda de material no tejido de la reivindicación 1, en donde la capa de nanofibra tiene al menos 50% de nanofibras con un diámetro inferior a un micrómetro.

4. La banda de material no tejido de la reivindicación 1, en donde la capa de nanofibra tiene un peso por unidad de superficie de 0, 1 g/m2 a 15 g/m2, preferiblemente de 0, 5 g/m2 a 15 g/m2.

5. La banda de material no tejido de la reivindicación 1, en donde el polímero tiene una distribución de pesos moleculares superior a 4.

6. La banda de material no tejido de la reivindicación 1, en donde dicho polímero es un polímero termoplástico seleccionado del grupo que consiste en: polipropileno y sus copolímeros; polietileno y sus copolímeros; poliésteres; poliamidas; poliestirenos; polímeros biodegradables, incluidos almidón termoplástico, polihidroxialcanoato (PHA) y ácido poliláctico (PLA) ; poliuretanos; y combinaciones de los mismos.

7. Un artículo que comprende una banda de material no tejido según se define en la reivindicación 1.

8. El artículo de la reivindicación 7, en donde el artículo se selecciona del grupo que consiste en pañales, bragapañales, almohadillas para la incontinencia en adultos, productos higiénicos tales como almohadillas y salvaslips para la higiene femenina, tampones, artículos para el aseo personal, artículos para la higiene personal, y toallitas para la higiene personal tales como toallitas para bebés, toallitas faciales, toallitas corporales y toallitas femeninas, y combinaciones de los mismos.

9. El artículo de la reivindicación 8, en donde la banda de material no tejido es una capa barrera.

10. Un proceso de fabricación de una banda de material no tejido que comprende una capa de nanofibra que tiene, al menos, 25% de nanofibras con diámetros inferiores a un micrómetro, en el que dichas nanofibras se obtienen a partir de un proceso de obtención de fibrillas de película por fusión que comprende las etapas de:

a. proporcionar un producto fundido polimérico que tiene una distribución de pesos moleculares superior a 3;

b. utilizar una corriente de fluido para formar una película polimérica; y

c. conformar nanofibras múltiples a partir de la película polimérica

y en donde dicho proceso comprende además la etapa de conformación de dichas nanofibras para formar una capa, en donde dicha capa tiene un diámetro de poro promedio inferior a 15 micrómetros.