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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Polymersubstrate
mit einer großen
Anzahl von Mikrofasern auf einer Oberfläche haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten.
Solche mikrostrukturierten Polymerfilme können auf eine Oberfläche aufgebracht
werden, um den Glanz der Oberfläche
zu verringern. Andere Oberflächen,
die von dem Aufbringen von Materialien mit größerem Oberflächenbereich
aufgrund des Vorhandenseins einer großen Anzahl von Mikrofasern
profitieren können,
umfassen Trägerbahnen
zur Verwendung bei Klebebändern.
Polymeroberflächen,
die mit einer Vielzahl von Mikrofasern bedeckt sind, haben für gewöhnlich auch einen
weichen oder tuchähnlichen
Griff und können eine
reibungsarme Oberfläche
bereitstellen. Polymerschichtmaterialien mit glatten, ebenen Oberflächen werden
häufig
behandelt, um Fasern oder faserartige Merkmale bereitzustellen,
die von mindestens einer Hauptoberfläche abstehen. Eine derartige Veränderung
einer Oberfläche
kann eine Reihe von Effekten erzeugen, wie zum Beispiel ein dekoratives Erscheinungsbild,
die Streuung einfallenden Lichts, ein verstärktes Aufsaugen von Flüssigkeiten und/oder
eine reibungsarme Oberfläche.
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Es
sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Polymerfilmen mit
einer Oberfläche
mit veloursartigem Griff bekannt. Zum Beispiel wird eine der ältesten
Methoden zum Erreichen dieses Effekts "Flocken" genannt. Dies beinhaltet das Anbringen
eines Endes von geschnittenen Fasern an einer ebenen Oberfläche. Es
wurden verschiedenen Verfahren zum Positionieren der Fasern senkrecht
zu der ebenen Oberfläche
angewandt (zum Beispiel US Patent 3,973,059 oder US Patent 5,403,884).
Gewebte Textilien werden häufig
durch eine Aufraumaschine geleitet, die Schlaufen aus kleinen Strängen aus
dem gewebten Artikel zieht. Die kleinen herausgezogenen Fasern können brechen
oder einfach eine Schlinge bil den. Das gesamte Aufrauverfahren verleiht
der aufgerauten Oberfläche
des Artikels für
gewöhnlich einen
weichen Griff. Eine andere Methode, die zur Änderung der Oberfläche von
Materialien, wie Leder, verwendet wurde, ist das Abreiben der Oberfläche mit
Schleifmitteln, wie Sandpapier. Verfahren dieser Art werden zur
Herstellung von Veloursleder verwendet. Ein veloursartiger Griff
wurde der Oberfläche
von Polymerschaummaterialien durch thermisches Abschälen der
Oberfläche
verliehen, so dass die dünnen
Seitenwände
der aufgebrochenen Schaumzellen der behandelten Oberfläche einen
weichen Griff verleihen (siehe zum Beispiel US Patent 3,814,644
und 3,607,493). Ein anderes Verfahren, wie in US Patent 5,403,478
offenbart, beinhaltet das Binden einer Vliesschicht an einen Kunststofffilm.
Ein veloursartiger Griff wird auch durch die Extrusion von Fasern auf
einen thermoplastischen Polymerfilm und Wärmebinden der Fasern an den
Film erreicht (siehe z. B. US Patent Nr. 3,152,002, 4,025,678 und 5,403,884).
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US
Patent 4,183,889 betrifft einen Prozess für die Herstellung thermoplastischer
Substrate mit faserigen Oberflächen.
Die Fasern dieser Oberflächen
werden durch Abziehen einer geschmolzenen Polymerkomponente von
einer erwärmten
Oberfläche
durch eine ungeschmolzene Polymerrestschicht oder ein Substrat gebildet.
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Die
Patentschrift GB 1,491,901 offenbart eine ungestützte Schicht aus thermoplastischem
Material mit einem Flor an einer ihrer Seiten, wobei der Flor Fasern
oder Fibrillen aus dem Thermokunststoff umfasst, die aus dem Thermokunststoff
herausgezogen wurden, aber mit diesem integriert bleiben.
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Mehrere
Patente (zum Beispiel US Patent Nr. 5,116,563; 5,230,851, und 5,336,415)
offenbaren ein Substrat mit einer Mehrzahl konisch zulaufender Zacken
an einer Oberfläche.
Die Zacken werden durch Abscheiden von Inseln aus erwärmtem, thermisch
empfindlichem Material (z. B. einem thermoplastischen Material)
auf die laufende Substratoberfläche
gebildet, so dass ein Geschwindigkeitsdifferenzial zwischen dem
abgeschiedenen, thermisch empfindlichen Material und der darunter
liegenden Substratoberfläche
entsteht. Die konisch zulaufenden Zacken haben für gewöhnlich einen Basisdurchmesser
von etwa 700 bis 1300 Mikron und Höhen von etwa 500 bis 2000 Mikron.
Andere Verfahren zur Bildung konisch zulaufender, thermoplastischer
Fortsätze
auf einer darunter liegenden Schicht wurden auch berichtet. US Patent
Nr. 3,027,595 offenbart die Bildung eines künstlichen Veloursstoffs mit
einer Mehrzahl florartiger Fortsätze.
Die Fortsätze
werden durch Kontaktieren einer thermoplastischen Schicht mit der
erwärmten
Oberfläche
einer Trommel gebildet, die zahlreiche eng beabstandete konische
Vertiefungen auf ihrer Oberfläche
aufweist. Die offenbarten beispielhaften florartigen Fortsätze haben
einen Basisdurchmesser von etwa 150 Mikron und eine Länge von
etwa 3000 Mikron (3 mm). US Patent 5,407,735 offenbart einen aufgerauten
Polyesterstoff mit Hülle-Kern-Polyesterfasern
mit einer konisch zulaufenden Spitze. Die Fasern haben für gewöhnlich eine
Feinheit im Bereich von 2 bis 6 Denier und Florlängen von etwa 3 mm.
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Damit
die Artikel, die die mikrostrukturierten Polymermaterialien enthalten,
ihr volles Potenzial erhalten, müssen
vielseitige, kostengünstige
Methoden zur Herstellung solcher Polymermaterialien verfügbar sein.
Gegenwärtige
Methoden ermöglichen
für gewöhnlich nur
die Bildung von Polymersubstraten mit begrenzten Arten von Mikrostrukturkonfigurationen.
Es besteht daher ein anhaltender Bedarf an verbesserten Verfahren
zur Herstellung von Polymersubstraten mit einer Oberfläche mit
aufgerauter Textur. Solche Verfahren würden vorzugsweise die Herstellung
von Polymersubstraten mit einem definierten mikroskopischen Muster
ermöglichen.
Im Idealfall würde
das Verfahren auch das Einfügen makroskopischer
Strukturelemente (zum Beispiel mittels Prägen) ermöglichen und/oder würde die
Wahl ermöglichen,
ein mikroskopisches Muster auf entweder der gesamten oder einem
Teil der Oberfläche
zu erzeugen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Anmeldung stellt ein Verfahren zum Erzeugen eines einheitlichen
Polymersubstrats bereit, das eine aufgeraute Oberfläche enthält, mit
einer Mehrzahl von Mikrofasern, die von mindestens einer Hauptoberfläche abstehen.
Die Mikrofasern sind integral mit dem darunter liegenden Substrat
ausgebildet und haben dieselbe Zusammensetzung, das heißt, die
Mikrofaser und das darunter liegende Substrat bilden eine einheitliche
Konstruktion. Die Mikrofaser stehen von dem darunter liegenden Hauptsubstrat
ab und können
zahlreiche Formen aufweisen. Zum Beispiel können die Mikrofasern eine von
zahlreichen Querschnittsformen aufweisen, die Quadrate, Dreiecke,
Kreise, Ovale, Rechtecke oder andere geometrische Formen, wie auch
unregelmäßigere Formen
umfassen. Die Platzierung der Mikrofasern auf der Oberfläche kann
willkürlich
oder in einer vorbestimmten Anordnung erfolgen.
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Das
Verfahren stellt ein einheitliches Polymersubstrat bereit, das eine
Mehrzahl von Mikrofasern mit ausgefransten Enden enthält. Die
Mikrofasern selbst können
eine oder mehrere Oberflächen mit
einer Mehrzahl von Mikrofibrillen enthalten, das heißt, Mikrofasern
von noch kleineren Dimensionen, die von einer Oberfläche der
größeren Mikrofasern abstehen.
Die Mikrofibrillen haben für
gewöhnlich auch
ausgefranste Enden. Einheitliche Polymerfilme mit einer Mehrzahl
von Mikrofasern mit ausgefransten Enden haben einen extrem großen Oberflächenbereich
(zum Beispiel gemessen durch Stickstoffadsorption und/oder Elektronenmikroskopie).
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Die
vorliegenden aufgerauten Polymeroberflächen können durch In-Kontakt-Bringen
einer Oberfläche
eines Polymersubstrats in einer Hin- und Herbewegung mit einer schleifenden
Oberfläche
hergestellt werden, um eine aufgeraute Polymeroberfläche zu bilden,
die eine Mehrzahl von Mikrofasern mit ausgefransten Enden enthält.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Herstellung eines aufgerauten Polymerfilms
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1A zeigt
eine Querschnittsansicht eines Teils der Oberfläche 18 der in 1 dargestellten strukturierten
Walze 5; 1B zeigt Fortsätze auf dem
Film und 1C zeigt Mikrofasern.
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2 zeigt
eine Elektronenmikrographie (150× Vergrößerung) einer Polymersubstratoberfläche mit
einer Mehrzahl von Mikrofortsätzen
vor der Behandlung gemäß dem vorliegenden
Verfahren, wobei die Oberfläche
aus einem Winkel von etwa 5° über der
Ebene der Oberfläche
betrachtet wird.
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3 zeigt
eine Elektronenmikrographie (150× Vergrößerung) der Oberfläche des
Polymersubstrats von 2 nach dem hin- und hergehenden Kontakt
mit einer beschichteten, schleifenden Oberfläche mit einer Körnung von
80 gemäß dem vorliegenden
Verfahren.
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4 zeigt
eine Elektronenmikrographie (150× Vergrößerung) der Oberfläche des
Polymersubstrats von 2 nach dem hin- und hergehenden Kontakt
mit einer beschichteten, schleifenden Oberfläche mit einer Körnung von
180 gemäß dem vorliegenden
Verfahren.
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5 zeigt
eine Elektronenmikrographie (150× Vergrößerung) der Oberfläche des
Polymersubstrats von 2 nach dem hin- und hergehenden Kontakt
mit einer beschichteten, schleifenden Oberfläche mit einer Körnung von
400 gemäß dem vorliegenden
Verfahren.
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6 zeigt
eine Elektronenmikrographie (150× Vergrößerung) der Oberfläche des
Polymersubstrats von 2 nach dem aufeinanderfolgenden hin-
und hergehenden Kontakt mit beschichteten, schleifenden Oberfläche mit
Körnungen
von 80 und 400 gemäß dem vorliegenden
Verfahren.
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7 zeigt
eine Elektronenmikrographie (300× Vergrößerung) einer Querschnittsansicht
eines Teils eines aufgerauten Polymersubstrats der vorliegenden
Erfindung.
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8 zeigt
eine Elektronenmikrographie (190× Vergrößerung) einer Querschnittsansicht
eines Teils eines aufgerauten Polymersubstrats mit einer Mehrzahl
von Mikrofasern mit vergrößertem Kopf.
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9 zeigt
eine Elektronenmikrographie (190× Vergrößerung) einer Querschnittsansicht
eines Teils eines aufgerauten Polymersubstrats mit einer Mehrzahl
von Mikrofasern mit vergrößertem Querschnitt.
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10 zeigt
in einer vereinfachten schematischen Darstellung einen Teil eines
aufgerauten Polymerfilms.
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11 zeigt
eine Elektronenmikrographie (100× Vergrößerung) von konisch zulaufenden
Mikrofasern auf einer Oberfläche
eines Polymersubstrats, das in 10 dargestellt
ist.
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12 zeigt
eine Elektronenmikrographie (30× Vergrößerung)
von konisch zulaufenden Mikrofasern auf einer Oberfläche eines
aufgerauten Polymersubstrats.
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13 zeigt
eine Elektronenmikrographie (40× Ver größerung)
von konisch zulaufenden Mikrofasern auf einer Oberfläche eines
aufgerauten Polymersubstrats.
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14 zeigt
in einer vereinfachten schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform
eines Verfahrens zur Herstellung eines aufgerauten Polymerfilms.
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15 zeigt
eine Elektronenmikrographie (30× Vergrößerung)
eines aufgerauten Polymerfilms, der in 14 dargestellt
ist.
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16 zeigt
eine Elektronenmikrographie eines Querschnitts eines gerillten Polymersubstrats vor
der Behandlung gemäß einem
Verfahren der vorliegenden Erfindung.
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17 zeigt
eine Elektronenmikrographie einer Querschnittsansicht von Fasern
mit einer Mehrzahl von Mikrofasern mit ausgefransten Enden an ihrer
Oberfläche,
wobei die Fasern durch einen hin- und hergehenden Kontakt des gerillten
Polymersubstrats, das in 16 dargestellt
ist, mit einer schleifenden Oberfläche gemäß einem Verfahren der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurden.
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Die 8 bis 15 sind
veranschaulichende Beispiele und gehören nicht zur vorliegenden
Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
hier bereitgestellten einheitlichen Polymersubstrate haben eine
Mehrzahl von Mikrofasern, die von einer Hauptoberfläche abstehen.
Die Mikrofasern haben dieselbe Zusammensetzung wie die darunter
liegende Substratoberfläche
und bilden eine einheitliche Konstruktion. Obwohl es keine Anforderung
ist, ist die Hauptachse der Mikrofasern für gewöhnlich im Wesentlichen senkrecht
zu der darunter liegenden Substratoberfläche. Die Mikrofasern können eine
von zahlreichen Qurschnittsformen haben, die Quadrate, Kreise, Ovale,
Rechtecke oder andere geometrische Formen, wie auch unregelmäßigere Formen
umfassen. Die Profile der Mikrofasern können auch sehr unterschiedlich
sein. Wie hierin verwendet, bezieht sich "Profil" auf die Querschnittsprojektion einer
Mikrofaser, die in einer Ebene senkrecht zu der Hauptoberfläche des
darunter liegenden Polymersubstrats betrachtet wird. Zum Beispiel
kann das hier bereitgestellte Polymersubstrat Mikrofasern mit vergrößertem Querschnitt
enthalten (zum Beispiel mit vergrößerten Kopfformen, wo der Kopf
eine teilsphärische
Gestalt hat), Mikrofasern mit ausgefransten Enden, konisch zulaufende
Mikrofasern und/oder Mikrofasern mit einem sehr hohen Aspektverhältnis.
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Zusätzlich kann
die Querschnittsfläche
der Mikrofasern im Wesentlichen konstant sein, kann konisch zulaufen
oder sich als unregelmäßige Funktion ändern (zum
Beispiel eine oder mehrere "Ausbuchtungen" an den Spitzen und/oder
entlang der Länge der
Mikrofasern enthalten). Wie hier verwendet, ist eine "konisch zulaufende" Mikrofaser eine
Mikrofaser, deren Querschnittsfläche
kontinuierlich entlang einem Verlauf entlang der Faser abnimmt,
der von der Oberfläche
des darunter liegenden Polymersubstrats weg führt.
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Die
Platzierung der Mikrofasern an der Oberfläche kann willkürlich oder
nach einer vorbestimmten Anordnung erfolgen. Wenn die Mikrofasern
zum Beispiel unter Verwendung einer Schablonenstruktur, wie eines
Siebes, das aus einem elastischen Trennmaterial gebildet ist, erzeugt
werden, kann eine regelmäßige Anordnung
von Mikrofasern, welche die Abstände
der Löcher
in der Schablonenstruktur wiedergibt, erzeugt werden. Die Platzierung
der Mikrofasern kann auch vollkommen willkürlich sein, wie im Falle von
aufgerauten Polymeroberflächen,
wie jenen, die durch Auseinanderziehen eines Polymerfilms erzeugt
werden, während
sich der Film im erweichten Zustand befindet. Dies erzeugt einen
ein heitlichen Polymerfilm mit einer Mehrzahl willkürlich orientierter
Mikrofasern mit hohem Aspektverhältnis, die
von einer Oberfläche
des Films abstehen ("Engelshaarmikrofasern").
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Es
kann eine Reihe von Polymeren gemäß den vorliegenden Verfahren
zu einem Polymersubstrat mit mikrostrukturierter Oberfläche verarbeitet
werden. Polymermaterialien, die ausreichend fließfähig sein können, so dass sich das Polymer
den mikroskopischen Merkmalen einer elastischen Oberfläche anpassen
kann, und/oder ausreichend verfestigt werden können, um mikroskopische Merkmale
an der Polymeroberfläche
zu erzeugen, sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet.
Für gewöhnlich enthält das Polymermaterial
ein thermoplastisches Polymer, wie Polyolefin, obwohl andere Polymermaterialien,
die in einem fließfähigen Zustand
verarbeitet werden können,
ebenso verwendet werden können.
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Das
Polymermaterial enthält
im Allgemeinen ein thermoplastisches Polymer mit einer Schmelztemperatur über etwa
50°C. Es
können
jedoch auch Polymermaterialien verwendet werden, die sich bei einer
deutlich höheren
Temperatur in einem fließfähigen Zustand
befinden. Wenn die aufgeraute Polymeroberfläche durch ein Verfahren gebildet
wird, das die Trennung der aufgerauten Oberfläche von einer elastischen Schablonenfläche enthält, müssen die physikalischen
Eigenschaften der elastischen Oberfläche und des Polymermaterials
abgestimmt sein, so dass die mikrostrukturellen Merkmale der elastischen
Oberfläche
unter Bedingungen stabil und elastisch sind, die dem thermoplastischen
Polymer ermöglichen,
sich einer Schablonenoberfläche
anzupassen und sich dann zumindest teilweise zu verfestigen. Vorzugsweise
werden thermoplastische Materialien verwendet, die durch einen Prägespalt
bei oder etwas über
ihrer Glasübergangstemperatur
geleitet werden können,
da solche Materialien mit kurzen Zykluszeiten verarbeitet werden
können.
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Beispiele
für geeignete
thermoplastische Polymermaterialien, die in dem vorliegenden Prozess verwendet
werden können,
umfassen Polyolefine, wie Polypropylen, Polyethylen und Polypropylen/Polyethylen-Copolymere.
Mischungen aus Polypropylen und/oder Polyethylen, wie eine Polyethylenmischung
mit hohem/niederem Molekulargewicht (zum Beispiel HostalloyTM 731; Hoechst Celanese, Somerville, N.
J.), sind auch zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet.
Andere geeignete thermoplastische Polymere umfassen Polyvinylchlorid (PVC),
Polyamide, wie Nylon (zum Beispiel Nylon 6, Nylon 6,6, oder Nylon
6,9) und Polyester. Olefin-Copolymere, wie Ethylen/Vinylacetat-Copolymere
oder Copolymere aus einem Olefin und einer α,β-ungesättigten Säure (zum Beispiel ein Ethylen/Methacrylsäure-Copolymer,
das mit Metallsalzen zur Reaktion gebracht wird, um eine ionische
Eigenschaft zu verleihen; erhältlich
von E. I du Pont de Nemours & Co., Inc.
als SURLYN 8527) kann auch in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden. Vorzugsweise enthält
das Polymermaterial ein Polyolefin oder ein Olefin-Copolymer.
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Die
aufgerauten Polymeroberflächen,
die hier bereitgestellt werden, können durch zahlreiche Methoden
hergestellt werden. Zum Beispiel kann ein einheitliches aufgerautes
Polymersubstrat durch hin- und hergehendes In-Kontakt-Bringen einer
Oberfläche
eines thermoplastischen Polymersubstrats mit einer schleifenden
Oberfläche
hergestellt werden, um eine Mehrzahl von Mikrofasern mit ausgefransten Enden
zu bilden, die von der thermoplastischen Polymeroberfläche abstehen.
Es hat sich gezeigt, dass der hin- und hergehende Kontakt mit der
schleifenden Oberfläche
ein weitaus wirksameres Verfahren zur Herstellung von Mikrofasern
mit ausgefransten Enden ist, als ein kontinuierlicher Kontakt des Schleifmittels
mit dem Polymersubstrat in eine einzige Richtung (zum Beispiel das
Leiten der Substratoberfläche über eine
drehende Walze, die mit einer schleifenden Oberfläche versehen
ist).
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens
zur Herstellung eines einheitlichen aufgerauten Substrats mit einer
Mehrzahl von Mikrofasern mit ausgefransten Enden. Ein fließfähiges Polymermaterial 1 wird
mit der Oberfläche 18 einer
strukturierten Walze 5 in Kontakt gebracht. Das Polymermaterial 1 befindet
sich im fließfähigen Zustand,
wenn es in den Spalt zwischen der erwärmten Walze 4 und
der strukturierten Walze 5 eintritt, nachdem es zum Beispiel
aus der Düse 3 eines
Extruders ausgetreten ist. Als Alternative kann das Polymer unmittelbar
vor dem Eintreten in den Spalt behandelt werden, wie durch Anwendung
von Wärme,
um das Polymer in einen fließfähigen Zustand
zu bringen. Während
der Verarbeitung wird durch die erwärmte Walze 4 und die
strukturierte Walze 5 ein ausreichender Druck in dem Spalt
auf das fließfähige Material
ausgeübt,
um das Polymermaterial an die Konturen der strukturierten Walze
anzupassen, wodurch das fließfähige Polymer
in jede Vertiefung oder Spalte gepresst wird, die durch Mikrovertiefungen
in der Oberfläche 18 (1B)
definiert sind. Dies führt
zur Bildung mikroskopischer Fortsätze 11 ("Mikrofortsätze) an
der Polymeroberfläche 6,
die mit der strukturierten Oberfläche 18 in Kontakt
war. In diesem Verfahren wird die strukturierte Walze zur Erzeugung
der Mikrofortsätze 11 mit
einer Höhe
von mindestens 10 Mikron und vorzugsweise 25 bis etwa 100 Mikron
auf der Polymeroberfläche 6 verwendet.
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Der
mikrostrukturierte Polymerfilm 6 wird dann durch eine Reihe
von Walzen 7a bis 7g mit einer Reihe von Schleifstationen 8a bis 8c in
Kontakt gebracht. Der Druck, der von den Schleifstationen auf den
Polymerfilm ausgeübt
wird, ist im Allgemeinen derart, dass nur die oberen Abschnitte
der Mikrofortsätze
auf dem Polymerfilm sich mit den schleifenden Oberflächen in
Kontakt befinden (das heißt,
die Verbindungsfläche
zwischen den Mikrofortsätzen
befindet sich mit den schleifenden Oberflächen nicht in Kontakt). Die
schleifenden Ober flächen 15a bis 15c der
Schleifstationen 8a bis 8c bewegen sich mit einer gewissen
Form einer Hin- und Herbewegung in Bezug auf die Vorwärtsbewegung
des vorbeilaufenden Polymerfilms. Mit anderen Worten, im Gegensatz
zu der Art von Bewegung, die bei einem normalen Walzenspalt beobachtet
wird, bewegen sich die Schleifstationen in einer Rückwärts- und
Vorwärtsbewegung
in Bezug auf die Vorwärtsbewegung
des vorbeilaufenden Polymerfilms. Die Rückwärts- und Vorwärtsbewegung
kann entlang einer Linie verlaufen, die entweder parallel oder senkrecht
zu der Hauptrichtung der Bewegung des Polymermaterials liegt. Als
Alternative können
sich die schleifenden Oberflächen 15a bis 15c in
einer kreisförmigen
oder ovalen Bewegung in Bezug auf den Kontaktpunkt bewegen. Beide
Arten von Bewegungen enthalten eine Rückwärts- und Vorwärtskomponente
in Bezug auf den Kontaktpunkt mit dem vorbeilaufenden Polymerfilm und
sind in der Definition einer Hin- und Herbewegung enthalten, wie
dieser Begriff hier verwendet wird. Es hat sich gezeigt, dass die
Verwendung einer Hin- und Herbewegung zwischen einem Schleifmittel und
der Polymeroberfläche
zu einer sehr geringen Materialentfernung von letzterer während der
Bildung der Mikrofasern führt,
das heißt,
es wird sehr wenig Schleifabfall (für gewöhnlich nicht mehr als etwa
5 Gewichtsprozent des Films) durch den Abrieb der Polymeroberfläche erzeugt.
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Es
hat sich gezeigt, dass durch derartigen Kontakt einer schleifenden
Oberfläche
mit dem mikrostrukturierten Polymerfilm eine Mehrzahl von Mikrofasern
auf der Oberfläche
des Polymerfilms erzeugt wird. Die Verwendung einer Hin- und Herbewegung
hat sich bei der Erzeugung von Mikrofasern mit ausgefransten Enden
als weitaus wirksamer erwiesen als das Kontaktieren des Polymermaterials
mit einer schleifenden Oberfläche,
die sich kontinuierlich in eine einzige Richtung bewegt (zum Beispiel
die Oberfläche
einer mit Schleifmittel beschichteten, drehenden Walze). Mikrofasern,
die durch diese Methode hergestellt werden, haben für gewöhnlich eine Struktur
mit ausgefransten Enden, das heißt, die Spitze der Mikrofaser
endet in zahlreichen Fasern kleinerer Dimensionen. Solche Mikrofasern
mit ausgefransten Enden haben für
gewöhnlich
eine durchschnittliche maximale Querschnittsdimension von mindestens
etwa 5 Mikron und vorzugsweise von etwa 10 bis etwa 100 Mikron.
Insbesondere haben die Mikrofasern eine durchschnittliche maximale Querschnittsdimension
von nicht mehr als etwa 60 Mikron und eine durchschnittliche Länge von
nicht mehr als etwa 500 Mikron, und insbesondere eine durchschnittliche
Länge von
etwa 200 bis etwa 300 Mikron.
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Die
Dimensionen der Mikrofasern sind von der Art des Polymermaterials,
der Art des Schleifmittels, das auf den schleifenden Oberflächen vorhanden
ist, und der relativen Bewegungsgeschwindigkeit der schleifenden
Oberfläche
in Bezug auf den Polymerfilm abhängig.
Die Art des verwendeten Schleifmittels beeinflusst auch die Art
und Größe der erzeugten
Mikrofasern. Die Verwendung eines Schleifmittels mit gröberer Körnung neigt
im Allgemeinen zur Erzeugung größerer Mikrofasern.
Schleifende Oberflächen
mit einer Körnung
von etwa 40 bis etwa 500 und vorzugsweise etwa 80 bis etwa 250 können zur
Herstellung von Mikrofasern mit ausgefransten Enden der zuvor beschriebenen
Art verwendet werden.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel hat der Polymerfilm eine
Mehrzahl von Mikrofortsätzen die
auf seiner Oberfläche
erzeugt werden, bevor er durch die Schleifstationen läuft. Dies
erhöht
die Bildungsrate der Mikrofasern mit ausgefransten Enden an der
Polymeroberfläche.
Mikrofasern mit ausgefransten Enden können jedoch auch durch einfaches In-Kontakt-Bringen
einer glatten Polymeroberfläche in
einer Hin- und Herbewegung mit einer schleifenden Oberfläche gebildet
werden. Die Anfangskontakte mit den schleifenden Oberflächen neigen
zur Bildung rauer Mikrofortsätze
in der glatten Poly meroberfläche.
Die rauen Mikrofortsätze
werden dann durch den anschließenden
hin- und hergehenden Kontakt mit den schleifenden Oberflächen zu
Mikrofasern mit ausgefransten Enden gebildet.
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Durch Ändern der
Art von schleifender Oberfläche
in den Schleifstationen, zum Beispiel durch Verwendung eines Schleifmittels
mit gröberer
Körnung
an den ersten schleifenden Oberflächen 15a, 15b und
eines Schleifmittels mit feinerer Körnung an der schleifenden Oberfläche 15c,
kann eine aufgeraute Polymeroberfläche mit Mikrofasern mit ausgefransten
Enden erzeugt werden, die eine Oberfläche oder Oberflächen mit
einer Mehrzahl von Mikrofibrillen enthalten (das heißt, Mikrofasern
noch kleinerer Dimensionen).
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Die
Mikrofibrillen, die durch diesen Prozess erzeugt werden, haben für gewöhnlich auch
eine Struktur mit ausgefransten Enden. Zum Beispiel kann eine aufgeraute
Oberfläche
dieser Art durch anfänglichen
hin- und hergehenden Kontakt einer mikrostrukturierten Polymeroberfläche mit
einem Schleifmittel mit einer Körnung
von etwa 40 bis etwa 300 und anschließenden Kontakt der Oberfläche (die nun
aus Mikrofasern besteht) mit einem feineren Schleifmittel mit einer
Körnung
von etwa 80 bis etwa 500 hergestellt werden, wobei der Unterschied
in der Körnung
zwischen dem ersten und zweiten Schleifmittel mindestens etwa 50
beträgt.
Unter Verwendung dieser Methode können Mikrofibrillen mit einer durchschnittlichen
maximalen Querschnittsdimension von etwa 1 bis etwa 5 Mikron und
einer durchschnittlichen Länge
von nicht mehr als etwa 40 und für
gewöhnlich
etwa 10 bis etwa 30 Mikron auf den Oberflächen der relativ größeren Mikrofasern
mit den zuvor beschriebenen Dimensionen erzeugt werden. Die Mikrofibrillen
haben für
gewöhnlich
Dimensionen, die um einen Faktor von etwa 5 bis etwa 15 kleiner als
die Dimensionen der Mikrofasern sind. Egal, ob die aufgerauten Filme,
die durch diese Methode erzeugt werden, unter Verwendung einer einzigen schleifenden
Oberfläche
oder zahlreicher schleifender Oberflächen unterschiedlicher Grobheit
erzeugt werden, sie haben einen extrem großen Oberflächenbereich.
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Das
vorliegende Verfahren kann zur Herstellung von Polymersubstraten
(zum Beispiel Filmen) verwendet werden, welche die Mikrofasern nur
an ausgewählten
Abschnitten einer Oberfläche
aufweisen. Zum Beispiel kann ein Film mit einer Mehrzahl von Stegen
und Rillen an einer Oberfläche
mit einer schleifenden Oberfläche
in hin- und hergehenden Kontakt gebracht werden, so dass nur die
Oberseite eines oder mehrerer Stege mit dem Schleifmittel in Kontakt
ist. Mikrofasern werden dann nur an jenem Abschnitt der Polymeroberfläche erzeugt,
der mit der schleifenden Oberfläche
in Kontakt steht. Eine Querschnittsansicht eines Teils einer solchen
Struktur, die durch dieses Verfahren erzeugt wurde, ist in 7 dargestellt.
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Eine
Ausführungsform
dieses Verfahrens kann zur Herstellung von Fasern (zum Beispiel
mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm bis etwa 1,0 mm) mit einer
Mehrzahl von Mikrofasern mit ausgefransten Enden an ihrer Oberfläche verwendet
werden. Wie zum Beispiel in 16 und 17 dargestellt,
kann eine 0,45 mm dicke Schicht aus einem thermoplastischen Polymer,
wie Polyethylen, hin- und hergehend mit einer schleifenden Oberfläche in Kontakt
gebracht werden. Der thermoplastische Film hat für gewöhnlich eine Mehrzahl eng beabstandeter tiefer
Rillen an beiden Seiten des Films, zum Beispiel 0,25 mm tiefe Rillen,
deren Mitten 0,95 mm beabstandet sind (in 16 im
Profil dargestellt). Zusätzlich
zur Erzeugung von Mikrofasern mit ausgefransten Enden an der Oberfläche des
thermoplastischen Polymers kann der hin- und hergehende Kontakt mit der schleifenden
Oberfläche
ein Aufbrechen des Films am Boden der Rillen bewirken, um einzelne
Fasern mit einer Mehrzahl von Mikrofasern mit ausgefransten Enden
an ihrer Oberfläche
zu bilden. Ein solches Verfahren kann zur Herstellung von Fasern mit einem
Durchmesser von etwa 0,1 mm bis etwa 1,0 mm mit Mikrofasern mit
ausgefransten Enden mit einer Länge
von etwa 50 bis etwa 500 Mikron auf der Oberfläche verwendet werden.
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Polymeroberflächen mit
einer Mehrzahl von vorstehenden Mikrofasern mit vergrößerter Querschnittform
können
durch ein Verfahren hergestellt werden, welches das Laminieren einer
Polymeroberfläche
auf eine elastische Schablonenfläche
mit einer Mehrzahl von unterschnittenen Mikrovertiefungen aufweist.
Während
des Laminierungsprozesses wird die Polymeroberfläche in die Mikrovertiefungen
in der Schablonenfläche
gepresst, um eine Mehrzahl von unterschnittenen Mikrofortsätzen auf
der Polymeroberfläche
zu bilden. Wenn die Polymeroberfläche in einem ausreichend erweichten
Zustand gehalten wird, während
sie von der Schablonenfläche
abgelöst
wird, können
die Mikrofortsätze
gestreckt werden, um Mikrofasern mit erweitertem Querschnitt auf der
Polymeroberfläche
zu bilden. Dies kann durch ausreichendes Kühlen der äußeren Oberfläche der Mikrofortsätze erreicht
werden, um einen nicht fließfähigen Zustand
zu erreichen, während
ein Teil des Inneren der Mikrofortsätze im erweichten Zustand gehalten
wird, während
die Polymeroberfläche
von der Schablonenfläche
abgelöst
wird. Wenn die Schablonenfläche
ein offenzelliger Schaumstoff ist, können Mikrofasern mit einem
oder mehreren erweiterten Abschnitten ("Ausbauchungen") entlang ihrer Länge gebildet werden. Wenn aber
eine elastische Oberfläche
mit einer Mehrzahl von teilsphärischen Mikrovertiefungen
(zum Beispiel Mikrovertiefungen, die durch Entfernen von Glaskügelchen
aus einem gehärteten
Silikongummifilm erzeugt werden) als Schablonenfläche verwendet
wird, kann eine aufgeraute Polymeroberfläche mit einer Mehrzahl von
Mikrofasern mit vergrößerten Kopfformen
erzeugt werden.
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Wie
hierin verwendet, bezeichnet der Begriff "unterschnitten" eine Form mit einem Querschnittflächen bereich,
der entlang einem senkrechten Vektor, weg von der Polymeroberfläche, größer und
dann für gewöhnlich kleiner
wird. Mit anderen Worten, der Querschnittsflächenbereich wird in einer Ebene
parallel zur Hauptoberfläche
des Polymersubstrats gemessen, in Bezug auf die die fragliche unterschnittene
Mikrovertiefung oder der unterschnittene Mikrofortsatz angeordnet
ist.
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Die
Wechselwirkung zwischen den Formungsmikrofasern, die zumindest teilweise
verfestigt sind, und der elastischen Schablonenfläche ist
derart, dass der Spitzenabschnitt der Mikrofasern, der einen erweiterten
Abschnitt enthält,
im Wesentlichen seine Form beibehält, wenn der mikrostrukturierte Polymerfilm
von der elastischen Schablonenfläche weggezogen
wird. Bis zu einem gewissen Grad kann das auf eine gewisse Elastizität seitens
der Mikrofortsätze
selbst zurückzuführen sein,
wenn das sich verfestigende Polymermaterial einen bestimmten Grad an
Elastizität
aufweist. Insbesondere wird diese Wechselwirkung durch die Elastizität der Schablonenfläche erreicht.
Der Schaftabschnitt der Mikrofasern, der der darunter liegenden
Polymeroberfläche näher ist,
wird für
gewöhnlich
bei einer geringeren Rate gekühlt
als der Spitzenabschnitt, so dass der Schaft zur Bildung eines länglichen
Schafts gezogen und/oder gestreckt wird.
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Während die
Mikrofortsätze
aus Mikrovertiefungen gezogen werden, wird die Temperatur der Schablonenfläche für gewöhnlich unter
dem Erweichungspunkt des Polymermaterials gehalten (zum Beispiel
wenn das Polymermaterial ein thermoplastisches Polymer ist). Wenn
das Polymermaterial Wärmehärtungseigenschaften
hat, kann die Verfestigung alternativ durch Aufbringen zusätzlicher
Wärme auf das
Polymermaterial erreicht werden, wenn sich das Material mit der
Schablonenfläche
in Kontakt befindet.
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Mikrofasern
mit erweiterter Querschnittsform der zuvor beschriebenen Art haben
für gewöhnlich eine
durchschnittliche maximale Querschnittsdimension von nicht mehr
als etwa 200 Mikron und vorzugsweise etwa 25 bis etwa 100 Mikron.
Die durchschnittliche Höhe
der Mikrofasern mit erweiterter Querschnittsform ist im Allgemeinen
mindestens etwa 1,5 mal und vorzugsweise etwa 2 bis etwa 5 mal die
durchschnittliche Tiefe der Mikrovertiefungen in der Schablonenfläche. Zum
Beispiel haben Mikrofasern mit erweiterter Querschnittsform, die
unter Verwendung eines geschlossenzelligen Polyurethanschaums als
Schablonenfläche
hergestellt wurden, eine maximale Breite von nicht mehr als etwa
200 Mikron, vorzugsweise nicht mehr als etwa 100 Mikron. Mikrofasern
dieser Art haben für
gewöhnlich
eine Durchschnittslänge
von etwa 50 bis etwa 500 Mikron.
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Das
Material, das die elastische Schablonenfläche bildet, ermöglicht für gewöhnlich eine Trennung
des mikrostrukturierten Polymerfilms von der elastischen Schablonenfläche ohne
wesentliche Zerstörung
der Mikrofasern. Dies erfordert, dass der aufgeraute Formungsfilm
nicht an der elastischen Schablonenfläche haftet. Die elastische
Schablonenfläche
kann aus einer Reihe elastischer Materialien gebildet sein, die
eine Entfernung des verarbeiteten Polymers ohne Haftprobleme ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die elastische Schablonenfläche aus einem Silikongummi
gebildet. Elastische Schablonenmaterialien, die aus einem Polyurethan
oder Silikon gebildet sind, ermöglichen
eine Ausführung
des vorliegenden Verfahrens unter einem weiten Bereich von Verarbeitungsbedingungen,
zum Beispiel bei Temperaturen von etwa 0°C bis etwa 400°C oder noch
höher.
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Die
elastische Schablonenfläche
kann eine Lage aus porösem,
elastischen Material enthalten, wie Polymerschaum. Beispiele für geeignete
Schäume
für die
elastische Fläche
umfassen Polyurethanschäume
und Silikonschäume.
Der Schaum kann ein geschlossenzelliger Poly urethanschaum, wie LS1525
Polyurethanschaum (erhältlich
von EAR® Specialty
Composites Corporation, Indianapolis, IN) oder PORON Polyrethanschaum
(erhältlich
von Rogers Corporation, East Woodstock, CT) sein. Die geschlossenzelligen
Polyrethanschäume,
die in US Patent 3,772,224 und 3,849,156 offenbart sind, können auch
als elastische Schablonenfläche
verwendet werden. Ein weiteres Beispiel für einen geeigneten Polymerschaum
ist ein geschlossenzelliger Silikonschaum, wie Bisco BF-1000 Schaum
(erhältlich
von Bisco Products, Elk Grove, IL). Die elastische Schablonenfläche kann
auch aus einem offenzelligen Polymerschaum gebildet sein.
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Das
elastische Material, das die elastische Schablonenfläche bildet,
kann an sich Mikrovertiefungen enthalten, zum Beispiel die taschenartigen Vertiefungen,
die in der Oberfläche
eines Polymerschaums vorhanden sind. Wenn die elastische Oberfläche ein
Polymerschaummaterial enthält,
kann die elastische Oberfläche
auch eine dünne
Außenschicht
aus einem nicht porösen,
flexiblen Material enthalten, die den Schaum bedeckt. Zum Beispiel kann
die elastische Oberfläche
eine Schaumschicht enthalten, die von einer dünnen Lage (zum Beispiel etwa
0,5 mm bis etwa 1,0 mm) Silikongummi bedeckt ist. Zum Beispiel kann
die elastische Oberfläche
Silikongummi der Marke Silastic® J-RTV
enthalten (im Handel von Dow Corning Corp., Midland, MI, erhältlich).
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Ein
gewünschtes
Muster und/oder eine gewünschte
Form von Mikrofortsätzen
in einem flexiblen Material kann auch durch Einbetten einer Mehrzahl
mikroskopischer Partikel in die Oberfläche eines elastischen Materials
erzeugt werden, wie durch Einbetten anorganischer Partikel (zum
Beispiel Glaskügelchen)
in eine Silikongummischicht. Zum Beispiel können Mikrovertiefungen in einer
Silikongummischicht (oder in einem anderen, nicht porösen, flexiblen
Material) durch Entfernen von Mikro partikeln gebildet werden, die
in dem Silikongummi eingebettet sind, um eine Mehrzahl von Mikrovertiefungen
in der Gummioberfläche
zu hinterlassen. Die Mikrovertiefungen sind für gewöhnlich im Wesentlichen umgekehrte
Abdrücke
der Mikropartikel, die zuvor in der Schablonenfläche eingebettet waren.
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Polymeroberflächen mit
einer Mehrzahl von abstehenden, konisch zulaufenden Mikrofasern
werden hier auch bereitgestellt. Solche Oberflächen können durch Laminieren eines
thermoplastischen Substrats (zum Beispiel eines Films) auf eine
Schablonenfläche
mit einer Trennfläche,
die eine Mehrzahl von Mikrovertiefungen aufweist, erzeugt werden.
Die Mikrovertiefungen enthalten eine Nicht-Trennfläche. In
einigen Fällen
können
die gesamten Innenflächen der
Mikrovertiefungen aus einem Nicht-Trennmaterial gebildet sein. Insbesondere
jedoch ist nur der Bodenabschnitt der Mikrovertiefungen aus dem Nicht-Trennmaterial
gebildet. Ein Beispiel für
eine solche Schablonenstruktur ist ein Polyolefinfilm (zum Beispiel
ein Polypropylenfilm), der mit einem regelmäßigen Muster aus Mikrovertiefungen
geprägt
und mit einem Trennmaterial, wie einem Silikontrennmittel, überzogen
ist. Das Silikontrennmittel kann auf die geprägte Polyolefinfläche aufgetragen
werden, so dass nur die flachen Verbindungsflächen und nicht die Innenflächen in
den Mikrovertiefungen beschichtet werden. Das Laminieren eines thermoplastischen Polymersubstrats
(zum Beispiel eines Films) an die Schablonenstruktur kann ausgeführt werden,
um Mikrofortsätze
an der Polymeroberfläche
zu bilden, wobei jeder Mikrofortsatz in eine der Mikrovertiefungen ragt
und darin an die Nicht-Trennfläche
gebunden ist.
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Wenn
das thermoplastische Material während
dem Ablösen
in einem ausreichend erweichten Zustand gehalten wird, können die
thermoplastischen Mikrofortsätze
auf dem Polymersubstrat vor der Lösung der Haftverbindung des
thermoplastischen Polymersubstrats mit der Schablonen fläche zu Mikrofasern
gestreckt werden (siehe 10). Wie
in, 10 dargestellt, kann während dem Ablöseschritt das
Polymermaterial, das die Mikrofortsätze bildet, die sich in die
Mikrovertiefungen in der Schablonenfläche erstrecken, gestreckt und
ausgezogen werden. Somit haben die Mikrofasern, für gewöhnlich eine
durchschnittliche Länge,
die größer als
die durchschnittliche Tiefe der Mikrovertiefungen in der Schablonenfläche ist.
Unter Verwendung eines solchen Verfahrens kann eine Bildung von
Mikrofasern mit einer durchschnittlichen Länge, die mindestens etwa das
2,0-Fache und vorzugsweise
etwa das 2,5- bis etwa 10-Fache der durchschnittlichen Tiefe der Mikrovertiefungen
beträgt,
erreicht werden. Wenn die Mikrofortsätze während dem Ablöseschritt
auf ein ausreichendes Maß ausgezogen
werden, können
Mikrofasern mit einem konisch zulaufenden Profil erzeugt werden.
Wenn das Verfahren kontinuierlich ausgeführt wird, wie zum Beispiel
wenn die Schablonenfläche
der Überzug
einer Quetschwalze ist und das Polymersubstrat ein thermoplastischer
Polymerfilm ist, der durch den Walzenspalt läuft, können konisch zulaufende Mikrofasern
mit einem gekrümmten Profil
(siehe zum Beispiel die Mikrofasern auf der in 13 dargestellten
Oberfläche)
erzeugt werden.
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Die
konisch zulaufenden Mikrofasern, die durch die hierin beschriebenen
Verfahren erzeugt werden, können
eine Reihe von Querschnittsformen haben. Für gewöhnlich gibt der Querschnitt
der Mikrovertiefungen die Form der Mikrovertiefungen in der Schablonenfläche wieder.
Die Querschnittsfläche der
Basis der Mikrofaser ist für
gewöhnlich
annähernd
aber nicht mehr als die Querschnittsfläche der Mikrovertiefung (zum
Beispiel etwa 90 bis 100% der Querschnittsfläche der Mikrovertiefung). Da
im Wesentlichen die gesamte Mikrofaser aus dem Polymermaterial erhalten
wird, das anfänglich
als Mikrofortsatz in einer Mikrovertiefung in der Schablonenfläche angeordnet
wird, hängt
das Ausmaß der
Konizität
einer Mikrofaser von dem Ausmaß ab,
auf das die Mikrofaser ausgezogen wird; je länger die Mikrofasern für eine bestimmte
Schablonenfläche
sind, um so kleiner ist die Querschnittsfläche der Spitze (und um so kleiner
ist die Querschnittsfläche
bei halber Höhe) und
um so höher
ist das gesamte Ausmaß der
Konizität
der Mikrofasern.
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Die
hierin offenbarten, konisch zulaufenden Mikrofasern haben eine durchschnittliche
maximale Querschnittsdimension an der Basis von mindestens etwa
25 Mikron und im Allgemeinen nicht mehr als etwa 200 Mikron. Die
durchschnittliche Länge
der konisch zulaufenden Mikrofasern ist für gewöhnlich nicht mehr als etwa
2500 Mikron und vorzugsweise etwa 300 bis etwa 2000 Mikron. Das
Ausmaß der
Konizität
der Mikrofasern (zweimal das Verhältnis der durchschnittlichen
Querschnittsfläche
an der Basis zu der durchschnittlichen Querschnittsfläche bei
halber Höhe) ändert sich
abhängig
von dem Ausmaß,
in dem die Mikrofasern während
der Bildung ausgezogen werden. Die konisch zulaufenden Mikrofasern haben
allgemein ein Ausmaß an
Konizität
von einem Ende zum anderen von etwa 10 : 1.
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Ein
anderes Verfahren zur Herstellung einheitlicher Polymersubstrate
mit einer Mehrzahl konisch zulaufender Mikrofasern enthält das Laminieren
von zwei thermoplastischen Polymersubstraten (zum Beispiel Filmen)
an gegenüber
liegenden Seiten eines Schablonenfilms mit einer Mehrzahl von hindurchgehenden
mikroskopischen Löchern.
Der Schablonenfilm ist für
gewöhnlich
entweder mit einem Trennmaterial, wie Silikongummi, beschichtet oder
aus diesem gebildet. Die thermoplastischen Polymersubstrate sind
an den Schablonenfilm so laminiert, dass eine Mehrzahl von Mikrofortsätzen von
jedem der thermoplastischen Polymersubstrate in die Löcher ragen.
Während
des Laminiervorganges wird ausreichendes thermoplastisches Material
in die mikroskopischen Löcher
gepresst, so dass die zwei Polymersubstrate durch die Spitzen der
Mikrofortsätze, die
von jedem der Polymersubstrate in die Löcher im Schablonenfilm ragen,
aneinander gebunden werden. Die thermoplastischen Polymersubstrate
werden dann von dem Schablonenfilm abgelöst, während die thermoplastischen
Polymersubstrate in einem ausreichend erweichten Zustand gehalten
werden, um die Mikrofortsätze
zu Mikrofasern zu strecken, bevor die Haftverbindung der thermoplastischen
Polymersubstraten zueinander gelöst
wird. Das Ergebnis nach dem Ablösen
ist die Bildung von zwei einheitlichen aufgerauten Polymerfilmen,
in welchen die Mikrofortsätze
zu Mikrofasern gestreckt wurden, bevor die Haftverbindung der Polymersubstrate
gelöst
wurde. Beispiele für
aufgeraute Polymersubstrate, die unter Verwendung dieses Verfahrens erzeugt
wurden, sind in 12 und 13 dargestellt.
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Ein
weiteres Verfahren, das zur Herstellung einheitlicher Polymerfilme
verwendet werden kann, enthält
das Laminieren eines Trägerfilms
an einen nicht porösen,
thermoplastischen Polymerfilm. Zum Beispiel können zwei einheitliche Polymerfilme
durch ein Verfahren hergestellt werden, das das Laminieren von zwei
Trägerfilmen
an jede Seite eines nicht porösen
thermoplastischen Polymerfilm enthält. Die zwei Trägerfilme
werden dann auseinander gezogen, während der thermoplastische
Film in einem ausreichend erweichten Zustand gehalten wird, um einen Teil
des thermoplastischen Polymerfilms in eine Mehrzahl von Mikrofasern
mit hohem Aspektverhältnis
(zum Beispiel Mikrofasern, die einer extrem dünnen "Engelshaarpaste" ähnlich
sind, siehe zum Beispiel die Polymeroberfläche in der Elektronenmikrographie,
die in 15 dargestellt ist) zu ziehen
und zu strecken, die sich von und integral mit den Abschnitten des
thermoplastischen Polymerfilms erstrecken, der in Kontakt mit den
Trägerfilmen
bleibt. Strukturen mit dieser "engelshaarartigen" Struktur auf einer
Oberfläche
können
wegen der Fähigkeit
eines solchen Materials, luftübertragene
Partikel effizient einzufangen, in Filteranwendungen nützlich sein.
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14 zeigt
einen Prozess, der zur Bildung von Engelshaarmikrofasern geeignet
ist. Ein thermoplastischer Polymerfilm 24 (zum Beispiel
ein Polyethylenfilm) tritt aus der Filmdüse 22 des Extruders
in erweichtem Zustand und wird auf zwei Trägerfilme 25a, 25b in
einem Spalt zwischen Kühlwalzen 23a, 23b laminiert.
Die Temperaturen des Polymerfilms 24, der aus dem Extruder
tritt, und der Kühlwalzen 23a, 23b sind
so eingestellt, dass der Polymerfilm 24 sich noch in einem
erweichten Zustand befindet, wenn er den Spalt verlässt. Die
zwei Trägerfilme
werden durch Walzen 29a und 29b getrennt, wenn
sie aus dem Spalt treten. Dies bewirkt, dass der erweichte Polymerfilm
in zwei Filme gespalten wird. Während der
Trennung wird der erweichte Mittelabschnitt des Polymerfilms in
eine Mehrzahl von Mikrofasern mit hohem Aspektverhältnis gezogen
und gestreckt. Die Formungsmikrofasern kühlen auf einen Punkt ab, wo sich
das Polymermaterial verfestigt. Eine weitere Trennung der Trägerfilme 25a, 25b bewirkt
dann einen Bruch der Mikrofasern, wodurch zwei einheitliche aufgeraute
Filme 26a, 26b erzeugt werden, die jeweils eine
Mehrzahl abstehender Mikrofasern mit hohem Aspektverhältnis aufweisen.
Nach Wunsch können
die Trägerfilme 25a, 25b von
der Rückseite der
aufgerauten Polymerfilme 26a, 26b abgelöst und auf
entsprechende Aufnahmewalzen 30a und 30b aufgewickelt
werden.
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15 zeigt
eine Elektronenmikrographie eines beispielhaften aufgerauten Engelshaarfilms, wie
hierin beschrieben. Wie dargestellt, haben die Mikrofasern ein extrem
hohes Aspektverhältnis.
Für gewöhnlich haben
aufgeraute Polymerfasern dieser Art Mikrofasern mit einem Aspektverhältnis von
mindestens etwa 10. Solche Engelshaarmikrofasern haben für gewöhnlich eine
maximale Querschnittsdimension von mindestens etwa 10 Mikron, aber
nicht mehr als etwa 100 Mikron und vorzugsweise etwa 10 bis etwa
50 Mikron.
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Die
Erfindung ist des Weiteren durch die folgenden Beispiele gekennzeichnet.
Diese Beispiele sollen den Umfang der Erfindung, der in der vorangehenden
Beschreibung, dargelegt ist, nicht einschränken, und Variationen in den
Konzepten der Erfindung sind offensichtlich.
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BEISPIEL 1
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Ein
0,16 mm dicker Film aus linearem Polyethylen geringer Dichte (erhältlich von
CT Films, Chippewa, WI unter der Bezeichnung X0-52; XEM 352.1) wurde
an einer Seite mit Merkmalen strukturiert, die an ihrer Basis oder
ihrem Schnittpunkt mit dem Film quadratisch waren und zu einer abgerundeten
Oberseite anstiegen; die quadratische Basis war etwa 75 μm an einer
Seite und die Höhe
betrug etwa 30 μm. Die
Merkmale wurden in einer quadratischen Gitteranordnung von etwa
0,12 mm an einer Seite platziert (siehe 2). Die
strukturierte Seite dieses Films wurde mit einem Exzenter-Fäustlingsschleifer
(DeWalt Modell DW421) unter Verwendung eines beschichteten Schleifmittels
mit einer Körnung
von 80 (80A NO-FIL ADALOX A273, erhältlich von Norton, Troy, NY)
behandelt. Auf den Schleifer wurde ein mäßiger Handdruck ausgeübt, während er
langsam in einer Hin- und
Herbewegung 15 sec in eine Richtung vor und zurück bewegt wurde und dann weitere
15 sec in eine zweite Richtung, senkrecht zu der ersten, vor und
zurück
bewegt wurde. Von der Mitte dieser Probe wurde ein Schnitt ausgeführt und
mit einem Abtastelektronenmikroskop untersucht. Fasern mit ausgefransten
Spitzen waren vorwiegend an jedem der erhabenen Merkmale gebildet
und erstreckten sich auf verschiedene Höhen bis zu etwa 200 μm (3).
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BEISPIEL 2
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Das
XEM 352.1 Polyethylen geringer Dichte wurde wie in Beispiel 1 beschrieben
behandelt, mit der Ausnahme, dass ein beschichtetes Schleifmittel mit
einer Körnung von
180 verwendet wurde (P180 255L PRODUCTION RESIN BONDED FRE-CUT FILM
OPEN COAT, 3M, St. Paul, MN). Eine Elektronenmikrographie des in
diesem Beispiel hergestellten Materials ist in 4 dargestellt.
Die Fasern, die vorwiegend an den erhabenen Merkmalen gebildet waren,
hatten Längen
bis zu etwa 250 μm,
waren an den Enden ausgefranst und hatten einen kleineren Querschnitt
als Fasern, die mit der gröberen
Körnung in
Beispiel 1 gebildet wurden.
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BEISPIEL 3
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Das
XEM 352.1 Polyethylen geringer Dichte wurde wie in Beispiel 1 beschrieben
behandelt, mit der Ausnahme, dass ein beschichtetes Schleifmittel mit
einer Körnung
von 400 verwendet wurde (P400 SG3 PRODUCTION RESIN BONDED FRE-CUT FILM
OPEN COAT, 3M, St. Paul, MN). Eine Elektronenmikrographie des in
diesem Beispiel hergestellten Materials ist in 5 dargestellt.
Die Fasern, die an den erhabenen Merkmalen gebildet waren, hatten Längen bis
zu etwa 100 μm,
waren an den Enden ausgefranst und hatten einen kleineren Querschnitt als
Fasern, die mit den gröberen
Körnungen
in Beispiel 1 und 2 gebildet wurden.
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BEISPIEL 4
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Die
aufgeraute Polymerschicht, die in Beispiel 1 hergestellt worden
war, wurde durch dieselbe Prozedur unter Verwendung eines Schleifmittels
feinerer Körnung
weiter behandelt, das heißt,
nach dem Abrieb der strukturellen Polymeroberfläche mit einem beschichteten
Schleifmittel mit einer Körnung
von 80, wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde die erhaltene aufgeraute
Oberfläche
anschließend
mit einem Papier mit einer Körnung
von 400 behandelt. Durch diese doppelte Behandlung, das heißt, den
Abrieb mit zwei verschiedenen beschichteten Schleifmitteln, wobei
das zweite viel feiner war als das erste, wurden die Enden der Fasern
weiter ausge franst (6) und erzeugten Mikrofibrillen,
die von den Mikrofasern abstanden, die mit der groben (Körnung von
80) Behandlung erzeugt wurden.
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Alle
Veröffentlichungen
und Patentanmeldungen in dieser Beschreibung beziehen sich auf die Ebene
des Durchschnittsfachmanns, den diese Erfindung betrifft.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf verschiedene spezifische und
bevorzugte Ausführungsformen
und Techniken beschrieben. Es sollte jedoch offensichtlich sein,
dass viele Variationen und Modifizierungen ausgeführt werden
können,
die im Umfang der Erfindung liegen.