Wprowadzenie do produkcji i zastosowania włóknin meltblown

Proces produkcji tkanin nie tkanych metodą meltblown polega na wykorzystaniu wysokoszybkościowego gorącego powietrza do wyciągania cienkiego strumienia stopionego polimeru wypływającego przez otwór formy, co prowadzi do tworzenia ultracienkich włókien i ich kondensacji na siatce lub rolce, a następnie samodzielnego wiązania się włókien w tkaninę nie tkaną.

Porównanie włókien meltblown i włókien spun-bond:

• Długość włókien: Spunbond to filament, meltblown to krótkie włókna.
• Wytrzymałość włókien: Wytrzymałość włókien spun-bond > Wytrzymałość włókien meltblown.
• Delikatność włókien: Włókna meltblown są cieńsze niż włókna spun-bond.

Urządzenia do meltblown dzieli się na typy poziome i pionowe w zależności od sposobu umieszczenia.

1. Przepływ procesowy i sprzęt

Proces meltblown

 Przygotowanie polimeru → ekstruzja stopiona → pompa miernicza → zespół formy do meltblown → rozciąganie strumienia stopionego → chłodzenie → urządzenie odbiorcze

Sprzęt wchodzący w skład Linia produkcyjna tkanin nie tkanych meltblown pp

Główny sprzęt: podajnik, ekstruder śrubowy, pompa miernicza, zespół formy do meltblown, sprężarka powietrza, nagrzewacz powietrza, urządzenie odbiorcze, urządzenie nawijające. Do produkcji poliestru i innych surowców potrzebne jest również urządzenie do suszenia chipsów.

Sprzęt pomocniczy: piec do czyszczenia form, urządzenie do aplikacji elektrostatycznej oraz urządzenie do natryskiwania itp.

1. Podajnik

Zamontowany na zasobniku ekstrudera. Funkcją podajnika jest zasysanie kawałków polimeru do zasobnika ekstrudera śrubowego. Zwykle posiada funkcję automatyczną. Ilość podawanej substancji w jednostce czasu można ustawić odpowiednio do wydajności całej linii produkcyjnej.

2. Ekstruder śrubowy

3. Pompa miernicza

4. Zespół formy do meltblown

Zespół formy jest najważniejszą częścią urządzenia do meltblown, obejmując głównie:

1. System dystrybucji stopionego polimeru
2. System głowicy formy

System dystrybucji stopionego polimeru

System dystrybucji stopionego polimeru może zapewnić równomierne przepływanie stopionego polimeru wzdłuż długości formy do meltblown oraz jednorodny czas przebywania, co gwarantuje bardziej jednorodne właściwości tkaniny nie tkanej meltblown w całej szerokości.

System formy

System głowicy formy składa się z matrycy, płyty gazowej, elementów grzewczych i termoizolacyjnych itp.

Jednorodność produktów meltblown jest ściśle związana z formą. Zazwyczaj dokładność obróbki głowicy formy do meltblown jest wysoka, więc koszt jej wykonania jest wysoki.

5. Nagrzewacz powietrza

Proces meltblown wymaga dużej ilości gorącego powietrza. Powietrze sprężone przez sprężarkę powietrza jest osuszane i filtrowane, a następnie przesyłane do nagrzewacza powietrza, gdzie jest ogrzewane, a następnie dostarczane do zespołu formy do meltblown. Nagrzewacz powietrza jest naczyniem ciśnieniowym, jednocześnie musi być odporny na utlenianie wysokotemperaturowego powietrza, dlatego materiał musi być stalą nierdzewną.

6. Urządzenie odbiorcze

Główne rodzaje urządzeń odbiorczych w procesie meltblown to: typ rolkowy, typ płaskiego ekranu

Trójwymiarowe formowanie (wałek): urządzenie do produkcji elementów filtrujących

Stosuje się trójwymiarowe urządzenie odbiorcze, podzielone na odbiór przerywany i ciągły.

Urządzenie odbiorcze przerywane

Urządzenie odbiorcze porusza się w przód i w tył, a włókna nawija się na wałku w wielu warstwach; zmienia się odległość odbioru, aby uzyskać element filtrujący o gradientzie gęstości;

Zmienia się rozmiar wałka, aby wytworzyć elementy filtrujące o różnych średnicach wewnętrznych. Po wykonaniu każdego elementu filtrującego należy wymienić wałek, co obniża efektywność produkcji.

Urządzenie odbiorcze ciągłe

Wałek odbiorczy ma postać belki konsolejowej, a istnieje wałek transmisyjny do wytwarzania tubularnego elementu filtrującego. Koniec wału transmisyjnego jest gwintowany, a tubularny element filtrujący jest wyciągany z wałka odbiorczego i transportowany do systemu cięcia.

Podczas produkcji elementów filtrujących o gradientach gęstości należy wyposażyć się w kilka głowic formy o różnej odległości odbioru.

7. Sprzęt pomocniczy

Głównym sprzętem pomocniczym linii produkcyjnej meltblown jest piec do czyszczenia form. Po pewnym czasie pracy głowica formy do meltblown może ulec zablokowaniu otworów. Wtedy należy wymienić głowicę formy do meltblown.

Wymienioną głowicę formy do meltblown należy wypalić, aby usunąć pozostałe w formie polimery i zanieczyszczenia. Śruby i matryce zwykle są prażone, aby usunąć resztki polimerów i zanieczyszczeń.

2. Surowce używane w procesie meltblown

Teoretycznie wszystkie termoplastyczne (stopienie w wysokiej temperaturze, solidyzacja w niskiej temperaturze) surowce w postaci chipsów polimerowych mogą być stosowane w procesie meltblown. Polipropylen jest jednym z najpopularniejszych materiałów w postaci chipsów dla technologii meltblown. Oprócz tego często stosowanymi surowcami w postaci chipsów dla technologii meltblown są poliester, poliamid, polietylen, politetrafluoroetylen, polistyren, PBT, EMA, EVA itp.

Rodzaj polimeru decyduje o jego temperaturze topnienia i właściwościach reologicznych. Dla każdego surowca polimerowego istnieje odpowiedni proces meltblown, np. temperatura ogrzewania, stosunek długości do średnicy śruby, forma śruby, proces suszenia surowca itp., które mają pewne różnice.

Surowce polimerowe olefinowe (np. polipropylen) mają wysoki stopień polimeryzacji, więc temperatura ogrzewania jest wyższa niż temperatura topnienia – o 100 ℃ lub więcej można je bezproblemowo topić w procesie meltblown, podczas gdy temperatura ogrzewania poliestru jest nieco wyższa niż temperatura topnienia i można go topić w procesie meltblown. Surowce olefinowe zazwyczaj nie wymagają suszenia. Poliester musi być suszony w postaci chipsów.

Masa molowa i rozkład masy molowej surowców polimerowych są najważniejszymi czynnikami wpływającymi na proces meltblown i wydajność tkanin nie tkanych meltblown.

W przypadku procesu meltblown uważa się, że niska masa molowa i wąski rozkład masy molowej surowców polimerowych są korzystne dla jednorodności tkaniny meltblown. Im niższa masa molowa polimeru, tym wyższy indeks przepływu stopionego (MFI, indeks przepływu stopionego, oznacza wagę stopionego materiału, który wypływa w ciągu 10 minut przy określonym ciśnieniu i temperaturze), a im niższa lepkość stopionego materiału, tym bardziej odpowiedni jest proces meltblown, ponieważ ma słabszy efekt rozciągania.

3. Struktura i właściwości tkanin nie tkanych meltblown

Jedną z cech tkanin nie tkanych meltblown jest delikatność włókien, zwykle mniejsza niż 10 μm, a większość włókien ma grubość od 1 do 4 μm.

Różne siły działające na całą linię przędzenia od dyszy formy do meltblown po urządzenie odbiorcze nie mogą być zrównoważone (wpływ fluktuacji siły rozciągania wysokotemperaturowego i szybkiego prądu powietrza, prędkości i temperatury powietrza chłodzącego itp.), co powoduje różnice w grubości włókien meltblown.

Jednorodność średnicy włókien w tkaninie nie tkanej spun-bond jest znacznie lepsza niż w włóknach meltblown, ponieważ w procesie spun-bond warunki przędzenia są stabilne, a warunki rozciągania i chłodzenia pozostają niezmienne.

Krystaliczność i orientacja włókien meltblown są mniejsze niż w metodzie spun-bond. Dlatego wytrzymałość włókien meltblown jest słaba, a sama tkanina nie tkana także ma słabą wytrzymałość. Wytrzymałość kilku włókien PP przedstawia się następująco:

Ze względu na słabą wytrzymałość włókien meltblown praktyczne zastosowanie tkanin nie tkanych meltblown opiera się głównie na charakterystyce ich ultradrobnych włókien.

4. Zastosowanie tkanin nie tkanych meltblown

Obecnie tkaniny nie tkane meltblown są stosowane głównie do:

1. Materiał filtracyjny

Filtracja to oddzielanie cząstek stałych rozproszonych w gazie lub płynie.

Mechanizm filtracji: filtracja sitowa, filtracja elektrostatyczna, filtracja dyfuzyjna itp.

Czy cząstki są większe niż wielkość porów materiału filtracyjnego, który ma być filtrowany?

Badania wykazały, że materiały filtracyjne o wielkości porów od dziesięciu do kilkudziesięciu mikronów mogą zatrzymywać pył o wielkości nawet do 1 µm. Aby poprawić efekt osadzania w sitach, konieczne jest zmniejszenie wielkości porów materiału filtrującego, czyli zmniejszenie grubości włókien i zwiększenie gęstości materiału.

Materiały niewłóknowe topione mają zalety takie jak drobne włókna, liczne pory oraz małe rozmiary porów.

Zastosowanie:

Filtracja gazów: maski medyczne, materiały filtrujące do klimatyzatorów wnętrz.

Filtracja cieczy: filtracja napojów, filtracja wody.

Aby poprawić efekt filtracji, można zmniejszyć grubość włókien i zwiększyć gęstość materiału filtrującego, jednak spowoduje to znaczne wzrost oporu filtracyjnego.

Dlatego też niech materiał niewłóknowy topiony zostanie naładowany elektrostatycznie, a jego efekt filtrujący może być poprawiony dzięki efektowi elektrostatycznemu, czyli obróbce elektretową.

Tkanina niewłóknowa topiona obrobiona elektretowo posiada długotrwałe elektryczność statyczną i może polegać na efekcie elektrostatycznym do zatrzymywania drobnego pyłu, dzięki czemu ma zalety wysokiej efektywności filtracji i niskiego oporu filtracyjnego.

Polipropylen ma wysoką odporność elektryczną (7×10¹⁰ Ω·cm) i dużą zdolność do iniekcji ładunku. Jest to idealny materiał do wyrobu włókien elektretowych. Eksperymenty pokazują, że po 1440 godzinach przechowywania tkaniny niewłóknowej topionej z polipropylenu obrobionej elektretowo w stanie naturalnym, efektywność filtracji pozostaje bez zmian.

Wpływ obróbki elektretowej na efektywność filtracji i opór tkanin niewłóknowych topionych

Widać, że opór filtracyjny tkaniny niewłóknowej topionej nie uległ zmianie po obróbce elektretowej, ale efektywność filtracji została znacznie poprawiona, co nie ma sobie równych wśród innych tkanin niewłóknowych.

2. Materiały medyczne i zdrowotne

Maska medyczna: materiał kompozytowy (SMS) wykonany z materiału spinbondowanego na warstwie wewnętrznej i zewnętrznej, oraz materiału topionego w środku.

3. Materiały ochrony środowiska (materiały chłonące olej)

Tkanina niewłóknowa topiona z polipropylenu jest dobrym materiałem chłonącym olej ze względu na swoje właściwości materiałowe i strukturę mikrowłókien. Została szeroko stosowana w krajach rozwiniętych takich jak Europa, Ameryka, Japonia itp., np. przy wyciekach ropy morskich, wyciekach ropy z urządzeń fabrycznych oraz przy oczyszczaniu ścieków.

Tkanina niewłóknowa topiona z polipropylenu ma właściwości hydrofobowe i lipofilne, jest odporna na silne kwasy i zasady, a jej gęstość jest niższa niż wody. Po wchłonięciu oleju może długo pływać na wodzie bez deformacji i może być recyklowana oraz przechowywana przez długi czas. Tkaniny niewłóknowe topione z polipropylenu są przetwarzane na sznury chłonące olej, łańcuchy chłonące olej, poduszki chłonące olej itp. Chłonność oleju może sięgać 10–50 razy ich wagi.

4. Materiały odzieżowe (materiały utrzymujące ciepło)

Materiały termoizolacyjne powinny mieć dobre właściwości termoizolacyjne i mogłyby być używane przez długi czas bez zmiany swoich właściwości termoizolacyjnych.

Eksperymenty pokazują, że struktura siatki włókien jest jednym z głównych czynników wpływających na wydajność przewodzenia ciepła w materiałach termoizolacyjnych.

W przypadku kompozytowego materiału termoizolacyjnego topionego, jego grubość ma niewielki wpływ na przepuszczalność powietrza, natomiast przepuszczalność powietrza płatków włókien poliestrowych szybko wzrasta wraz z zmniejszaniem grubości. Dlatego kompozytowy materiał termoizolacyjny topiony ma silną odporność na wiatr.

5. Separator baterii

Materiał membranowy jest ważnym elementem baterii i często umieszczany między płytami dodatnią i ujemną. Główną funkcją jest izolacja płyt dodatniej i ujemnej, aby zapewnić przepływ dielektryka.

Materiał polipropylenowy ma doskonałą odporność na kwasy i zasady. Materiał membranowy topiony z polipropylenu charakteryzuje się małymi porami, dużą porowatością, niskim oporem i różnorodnością zmian produktów.